Nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát sự bốc thoát hơi nước của lớp phủ khu vực tây bắc việt nam từ dữ liệu ảnh vệ tinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LÊ HÙNG CHIẾN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH GIÁM SÁT SỰ BỐC - THỐT HƠI NƯỚC CỦA LỚP PHỦ KHU VỰC TÂY BẮC VIỆT NAM TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ HÀ NỘI, 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LÊ HÙNG CHIẾN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH GIÁM SÁT SỰ BỐC - THỐT HƠI NƯỚC CỦA LỚP PHỦ KHU VỰC TÂY BẮC VIỆT NAM TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số: 9.520503 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN XUÂN TRƯỜNG PGS.TS DOÃN HÀ PHONG HÀ NỘI, 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Q trình nghiên cứu thực nghiêm túc, khoa học Số liệu kết trình bày luận án xác, trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả Lê Hùng Chiến ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC HÌNH xi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài .1 Mục tiêu nghiên cứu 3 Đối tượng nghiên cứu 4 Phạm vi nghiên cứu .4 Nội dung nghiên cứu luận án Phương pháp nghiên cứu .5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Luận điểm bảo vệ Những điểm luận án .7 10 Cấu trúc luận án 11 Lời cảm ơn CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Các khái niệm bốc thoát nước 1.1.1 Bốc nước (E) 1.1.2 Thoát nước (T) 10 1.1.3 Bốc thoát nước ET (Evaporation Transpiration) 11 1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến bốc thoát nước 11 1.1.5 Bốc thoát nước tham chiếu ET0 (Potential evaptransporation) 13 1.1.6 Thoát nước điều kiện tiêu chuẩn (ETc) 14 1.1.7 Thoát nước điều kiện không tiêu chuẩn (ETc adj) 14 1.1.8 Lượng bốc thoát thực tế ET (Actual evapotransporation) 15 1.1.9 Mơ hình ước tính giám sát lượng bốc nước 15 1.2 Phương pháp xác lượng bốc nước sử dụng liệu khí tượng 15 1.2.1 Các phương pháp đo trực tiếp 15 1.2.2 Các mơ hình sử dụng lượng xạ mặt trời (radiaton-based models) 18 1.2.3 Các mơ hình kết hợp (combined models) 20 1.3 Các mơ hình xác ước tính lượng bốc nước từ liệu ảnh vệ tinh 22 iii 1.3.1 Mô hình cân lượng bề mặt đất SEBAL (Surface Energy Balance Algorithms for Land) 1.3.2 Mơ hình số cân lượng bề mặt SEBI (Surface Energy Balance Index) 25 1.3.3 Mơ hình Hệ thống cân lượng bề mặt SEBS (Surface Energy Balance System) 1.3.4 Mơ hình số cân lượng xạ bề mặt đơn giản S-SEBI (Simplified Surface Energy Balance Index) 1.3.5 Mơ hình đồ bốc thoát nước độ phân giải cao với hiệu chỉnh bên METRIC (Mapping ET with Internalized Calibration) 1.4 Các kết nghiên cứu giới liên quan đến đề tài 1.5 Các kết nghiên cứu nước liên quan đến lĩnh vực đề t 1.6 Đánh giá chung phương pháp mơ hình ước tính lượng bốc thoát nước từ bề mặt lớp phủ 1.7 Một số vấn đề thảo luận phát triển luận án Tiểu kết chương CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC SỬ DỤNG DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH PHỤC VỤ ƯỚC TÍNH, GIÁM SÁT LƯỢNG BỐC THỐT HƠI NƯỚC BỀ MẶT LỚP PHỦ 46 2.1 Khái quát viễn thám 2.1.1 Nguyên lý viễn thám 2.1.2 Đặc tính phản xạ thực vật 2.1.3 Đặc tính phản xạ phổ nước 2.1.4 Đặc tính phản xạ đối tượng đô thị 2.2 Đặc điểm ảnh vệ tinh Landsat 2.3 Vai trò liệu ảnh vệ tinh Landsat việc chiết xuất, tính tốn tham số phục vụ ước tính lượng bốc nước 2.4 Khả ứng dụng liệu ảnh vệ tinh Landsat việc ước tính lượng bốc thoát nước bề mặt lớp phủ 2.4.1 Tính giá trị lượng xạ ròng mặt trời (Rn) từ liệu ảnh vệ tinh Landsat 56 2.4.2 Xác định giá trị nhiệt ẩn q trình bốc nước λ từ liệu ảnh vệ tinh Landsat 2.4.3 Xác định số Psychrometric (γ) từ liệu ảnh vệ tinh Landsat mơ hình số độ cao DEM iv 2.4.4 Sử dụng ảnh vệ tinh Landsat xác định giá trị độ dốc đường cong áp suất bão hòa (Δ) 59 2.5 Tính giá trị tham số từ ảnh vệ tinh Landsat thơng tin độ cao phục vụ ước tính, giám sát lượng bốc thoát nước bề mặt lớp phủ 59 2.5.1 Tính giá trị lượng xạ ròng Rni từ ảnh vệ tinh Landsat theo mơ hình SEBAL 59 2.5.2 Tính giá trị xạ rịng trung bình ngày Rnd từ Rni tính từ ảnh vệ tinh Landsat 66 2.5.3 Tính xạ rịng trung bình ngày Rnd từ số liệu khí tượng đo trực tiếp trạm quan trắc theo mô hình FAO 56 – Penman - Monteith 67 2.5.4 Tính giá trị nhiệt ẩn trình bốc nước (λ) từ liệu ảnh vệ tinh Landsat 68 2.5.5 Tính giá trị số Psychrometric (γ) từ liệu ảnh vệ tinh Landsat thông tin độ cao từ DEM 69 2.5.6 Tính giá trị độ dốc đường cong áp suất bão hòa (Δ) từ liệu ảnh vệ tinh Landsat 69 2.6 Xác định hệ số a, b mơ hình Priestley - Taylor phù hợp với địa hình khí hậu khu vực Tây Bắc Việt Nam 70 2.7 Đề xuất mơ hình, quy trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát nước sử dụng kết hợp mơ hình SEBAL với liệu ảnh vệ tinh Landsat mơ hình Priestley Taylor 71 2.7.1 Đề xuất mơ hình ước tính giám sát lượng bốc thoát nước bề mặt lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam 71 2.7.2 Quy trình ước tính, giám sát lượng bốc nước sử dụng kết hợp mơ hình SEBAL với liệu ảnh vệ tinh Landsat mơ hình Priestley - Taylor 72 2.8 Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc nước sử dụng kết hợp mơ hình SEBAL mơ hình Priestley-Taylor Google Earth Engine 75 2.8.1 Khái quát Google Earth Engine 75 2.8.2 Những lợi ích Google Earth Engine việc xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc nước 75 Tiểu kết chương 77 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 78 3.1 Điều kiện tự nhiên tỉnh Hịa Bình 78 v 3.1.1 Vị trí địa lý 78 3.1.2 Địa hình, địa mạo 79 3.1.3 Điều kiện khí hậu 79 3.1.4 Thủy văn 82 3.1.5 Thực trạng cấu tài nguyên đất tỉnh Hịa Bình 83 3.1.6 Tài nguyên nước 84 3.1.7 Tài nguyên rừng 84 3.2 Dữ liệu phục vụ nghiên cứu 85 3.2.1 Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat mơ hình số độ cao DEM (SRTM) 85 3.2.2 Dữ liệu khí tượng 87 3.3 Thực nghiệm xác định hệ số a, b mơ hình Priestley – Taylor với điều kiện địa hình, khí hậu khu vực Tây Bắc Việt Nam từ liệu quan trắc khí tượng, thủy văn tỉnh Hịa Bình 90 3.3.1 Kết tính giá trị lượng xạ rịng Rnd từ liệu khí tượng, thủy văn đo trực tiếp trạm khí tượng thủy văn Hịa Bình theo mơ hình FAO 56 .91 3.3.2 Kết tính giá trị nhiệt ẩn q trình bốc nước (λ), số Psychrometric (γ), độ dốc đường cong áp suất nước bão hòa (Δ) từ liệu khí tượng thủy văn đo trực tiếp trạm khí tượng thủy văn Hịa Bình theo mơ hình FAO 56 93 3.3.3 Kết tính hệ số a, b mơ hình Priestley – Taylor với điều kiện địa hình, khí hậu tỉnh Hịa Bình, Sơn La thuộc vùng Tây Bắc Việt Nam từ liệu quan trắc khí tượng thủy văn 95 3.4 Thực nghiệm tính lượng bốc nước thực tế từ bề mặt lớp phủ tỉnh Hòa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam sử dụng kết hợp mơ hình SEBAL với liệu ảnh vệ tinh Landsat mơ hình Priestley – Taylor với hệ số a, b xác định thực nghiệm 97 3.4.1 Kết tính giá trị lượng xạ rịng trung bình ngày Rnd từ liệu ảnh vệ tinh Landsat (Rnd _VT) 97 3.4.2 So sánh kết tính giá trị xạ rịng trung bình ngày theo mơ hình FAO 56 (Rnd_FAO) lượng xạ rịng trung bình ngày tính từ ảnh vệ tinh Landsat (Rnd_VT) 109 3.4.3 Kết tính giá trị nhiệt ẩn q trình bốc nước (λ) với tham số nhiệt độ bề mặt tính từ ảnh Landsat 114 3.4.4 Kết tính giá trị số Psychrometric (γ) với giá trị độ cao chiết xuất từ DEM liệu ảnh vệ tinh Landsat 116 vi 3.4.5 Kết tính giá trị độ dốc đường cong áp suất bão hòa (Δ) với tham số nhiệt độ bề mặt tính từ ảnh vệ tinh Landsat .117 3.4.6 Tính lượng bốc nước thực tế ETa theo mơ hình Priestley – Taylor với tham số chiết xuất, tính tốn từ liệu ảnh vệ tinh Landsat giá trị độ cao từ DEM tỉnh Hịa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam 119 3.4.7 So sánh lượng bốc thoát nước thực tế đo trạm khí tượng thủy văn ETa_Đo lượng bốc nước tính sử dụng kết hợp mơ hình viễn thám SEBAL với liệu ảnh vệ tinh Landsat mơ hình Priestley – Taylor ETa_VT 123 3.5 Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát nước bề mặt lớp phủ từ liệu ảnh vệ tinh Google Earth Engine 126 3.5.1 Sơ đồ khối chương trình ước tính giám sát lượng bốc nước bề mặt lớp phủ 126 3.5.2 Các giao diện chương trình .127 Tiểu kết Chương .129 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 131 Kết luận 131 Kiến nghị 132 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC, BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 vii DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu E T ETa ET0 Rs Rn Rns Rnl N Ts Ta NDVI SAVI LAI α ε0 εNB λ γ Δ P u2 z FAO viii Landsat SEBAL SEBI SEBS METRIC S- SEBI GGE RH độ e0 (T) 66 5.304470 76 4.454369 82 4.781710 67 4.932233 76 4.795227 67 5.393751 68 4.701301 72 5.231050 72 3.846461 49 5.158514 70 3.351517 Thời điểm ngày 07/7/2020 TT Độ vĩ φ (độ) cos(φ) 0.934788 0.935817 0.939355 0.936838 0.937041 0.934788 0.936634 0.934374 0.931231 0.930913 0.934705 20.8167 20.6500 20.0667 20.4833 20.4500 20.8167 20.5167 20.8833 21.3833 10 21.4333 11 20.8301 RH độ e0 (T) 79 4.863311 82 4.835978 82 4.622069 80 4.768226 79 4.768226 81 4.835978 79 4.714620 80 4.768226 83 4.040532 77 4.206695 83 3.994118 Thời điểm ngày 18/8/2021 TT Độ vĩ φ (độ) cos(φ) 0.934788 0.935817 0.939355 0.936838 0.937041 0.934788 0.936634 0.934374 0.931231 0.930913 0.934705 20.8167 20.6500 20.0667 20.4833 20.4500 20.8167 20.5167 20.8833 21.3833 10 21.4333 11 20.8301 RH độ e0 (T) 81 4.467079 83 4.467079 84 4.328993 81 4.122885 84 4.087414 82 4.429044 84 4.194633 83 4.316625 74 4.052208 74 4.674760 80 3.381362 Phụ lục 03: Tính hệ số a, b mơ hình Priestley - Taylor từ liệu khí tượng đo trực tiếp trạm khí tượng thủy văn Sử dụng giá trị lượng xạ ròng, Nhiệt ẩn q trình bốc nước, Hằng số Psychrometric, Độ dốc đường cong áp suất nước bão hịa tính từ liệu khí tượng thủy văn lượng bốc thoát nước thực tế đo trực tiếp trạm khí tượng thủy văn để xác định hệ số a, b mơ hình Priestley -Taylor Thời điểm ngày 01/7/2015 Ma trận phương trình số hiệu chỉnh Hệ số a, b tính theo số liệu ngày 01/7/2015 Ma trận phương trình số hiệu chỉnh Hệ số a, b tính theo số liệu ngày 15/6/2016 Thời điểm ngày 04/6/2017 Ma trận phương trình số hiệu chỉnh Hệ số a, b tính theo số liệu ngày 04/6/2017 Thời điểm ngày 25/7/2018 Ma trận phương trình số hiệu chỉnh Hệ số a, b tính theo số liệu ngày 25/7/2018 Thời điểm ngày 09/7/2019 Ma trận phương trình số hiệu chỉnh Hệ số a, b tính theo số liệu ngày 09/7/2019 Thời điểm ngày 07/7/2020 Ma trận phương trình số hiệu chỉnh Hệ số a, b tính theo số liệu ngày 07/7/2020 Thời điểm ngày 18/8/2021 Ma trận phương trình số hiệu chỉnh Hệ số a, b tính theo số liệu ngày 18/8/2021 Phụ lục 04: Code chương trình ước tính, giám sát lượng bốc nước bề mặt lớp phủ từ liệu ảnh vệ tinh Landsat var poi_hoabinh = ee.Geometry.Point([105.33362975494495, 20.6666483915459]), aoi_hoabinh = ee.Geometry.Polygon( [[[104.83650913612476, 21.316023838232816], [104.83650913612476, 20.438374359233357], [105.80330601112476, 20.438374359233357], [105.80330601112476, 21.316023838232816]]], null, false), reg_vietnam = ee.FeatureCollection("users/hoatx/rg_vn_province"); var dem = ee.Image("USGS/SRTMGL1_003"); var raw1 = ee.Image('VNUF_GEE/LC08_C01_T1/LC08_127046_20150701'); var raw2 = ee.Image('VNUF_GEE/LC08_C01_T1/LC08_127046_20170604'); var raw3 = ee.Image('VNUF_GEE/LC08_C01_T1/LC08_127046_20210818'); var reg_hoabinh = reg_vietnam.filterMetadata('MATINH','equals', 17); / CÁC HÀM XỬ LÝ TRUNG GIAN -var cloudMask = function(image) { var qa = image.select('BQA'); / Check that the cloud bit is off / See https://www.usgs.gov/land-resources/nli/landsat/landsat-collection-1-level-1quality-assessment-band var mask = qa.bitwiseAnd(1