(Luận án tiến sĩ) 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 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 Mục tiêu nghiên cứu 3 Đối tượng nghiên cứu 4 Phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu luận án Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Luận điểm bảo vệ Những điểm luận án 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 thoát nước 15 1.2 Phương pháp xác lượng bốc thoát 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 thoát nước từ liệu ảnh vệ tinh .22 iii 1.3.1 Mơ 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 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 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 THOÁT 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 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 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 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 thông 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 mơ hình FAO 56 – Penman - Monteith 67 2.5.4 Tính giá trị nhiệt ẩn q 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 mô hình ước tính giám sát lượng bốc nước bề mặt lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam 71 2.7.2 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 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 thoát 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 ngun 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 thoát 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 Hịa 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 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 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nước nguồn tài nguyên thiên nhiên vô quý Trái đất ban tặng cho người, nước thành phần định đến sinh tồn phát triển vạn vật Trái đất Trước thay đổi khí hậu, nguồn tài nguyên nước nguồn tài nguyên thiên nhiên khác đứng trước nguy ngày cạn kiệt Do vậy, cần xây dựng chiến lược khai thác, sử dụng hiệu bảo vệ nguồn tài nguyên Theo Allen cộng 1990, Bốc nước E (Evaporation) trở lại nước vào khí thông qua khuếch tán phân tử nước từ đất, thảm thực vật, khối nước bề mặt ẩm ướt khác Thoát T (Transpiration) tượng nước khơng khí từ bề mặt lá, thân phản ứng sinh lý trồng để chống lại khô hạn xung quanh nó, nước từ thảm thực vật gọi thoát nước thực vật Tổng lượng nước qua khuếch tán phân tử nước vào khí thường gọi nước Nơng nghiệp ngành sử dụng nguồn nước lớn Tuy nhiên, nguồn nước hạn chế nên ngành nông nghiệp phải có chiến lược sử dụng tiết kiệm tăng hiệu sử dụng nước tưới tiêu Một giải pháp để cải thiện quản lý tăng hiệu sử dụng nước ước tính nhu cầu tiêu thụ nước trồng lượng nước liên quan đến bốc thoát nước ET (Evaporation Transpiration) Thông tin ET quan trọng công tác quản lý tài nguyên nước, thông tin không gian thời gian không xác định lượng nước bốc mà mối quan hệ sử dụng đất, phân bổ sử dụng nước Ở hầu hết nơi giới, lượng bốc thoát nước xem yếu tố quan trọng thứ hai chu trình nước sau mưa Vì vậy, việc ước tính xác lượng bốc nước quy mô lớn, cho khu vực nhiệm vụ cần thiết để định hướng, đề xuất chiến lược quản lý nước phù hợp Thực tế, số lượng trạm quan trắc khí tượng, thủy văn xác định lượng bốc thoát nước tỉnh Việt Nam hạn chế, mặt khác việc thu thập liệu trạm cịn thủ cơng, chi phí thu thập liệu cao, hiệu lao động thấp Chính vậy, cần có cơng cụ thu thập liệu khí tượng, thủy văn quy mơ lớn với chi phí thấp hiệu suất cao Để khắc phục hạn chế, khó khăn việc thu thập số liệu thủ cơng sử dụng liệu ảnh vệ tinh việc chiết xuất liệu khí tượng phục vụ tính tốn lượng bốc thoát nước từ bề mặt lớp phủ quy mơ lớn, chi phí giá thành rẻ, hiệu cao Thực tiễn có nhiều mơ hình ước tính, giám sát lượng bốc nước khác áp dụng giới Việt Nam Mỗi mơ hình có ưu, nhược điểm phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu thực trạng bề mặt lớp phủ Việc lựa chọn mơ hình để ước tính, giám sát lượng bốc thoát nước từ bề mặt lớp phủ cho khu vực cụ thể cần vào yêu cầu liệu đầu vào mơ hình, tính ưu việt mơ hình phù hợp với trình độ khoa học công nghệ Tại Việt Nam, để xác định lượng bốc thoát nước thường sử dụng kết đo trực tiếp trạm quan trắc khí tượng, thủy văn Số liệu đo trực tiếp có ưu điểm số liệu đo hàng ngày, đo nhiều đợt ngày liệu lưu trữ thời gian dài, nhiên số liệu cịn thơ chưa thể cung cấp cách chi tiết khu vực rộng lớn, đặc biệt khu vực có địa hình chia cắt, nhiều tiểu vùng khí hậu Mặt khác, thực tế có nhiều loại liệu ảnh vệ tinh, viễn thám, từ ảnh vệ tinh có độ phân giải thấp trung bình ảnh Modis, Landsat đến loại ảnh vệ tinh Aster, Sentinel có độ phân giải cao phủ trùm lãnh thổ Việt Nam thời điểm khác Với liệu ảnh này, kết hợp với thông tin bổ trợ khác cho phép nghiên cứu mối quan hệ lượng xạ mặt trời với lượng bốc thoát nước từ liệu ảnh vệ tinh Ngồi ra, ảnh vệ tinh viễn thám ngày có độ phân giải không gian thời gian tốt với nhiều ứng dụng dễ tiếp cận Chính vậy, thuận tiện cho việc ứng dụng liệu ảnh vệ tinh đặc biệt sử dụng liệu ảnh vệ tinh cơng tác ước tính, giám sát lượng bốc thoát nước Khu vực Tây Bắc Việt Nam có địa hình núi cao chia cắt sâu, có nhiều khối núi dãy núi cao chạy theo hướng Tây Bắc - Đơng Nam Dãy Hồng Liên Sơn dài tới 180 km, rộng 30 km, với số đỉnh núi cao từ 2.800 đến 3.000 m Dãy núi Sơng Mã dài 500 km, có đỉnh cao 1.800 m Giữa hai dãy núi vùng đồi núi thấp, lưu vực sông Đà, với hệ thống sông suối, thủy văn phong phú Trong lưu vực sơng Đà cịn có dãy cao ngun đá vôi chạy từ Phong Thổ tỉnh Lai Châu đến Thanh Hóa chia cắt hình thành cao ngun Tà Phình, Mộc Châu, Nà Sản lòng chảo Điện Biên, Nghĩa Lộ, Mường Thanh Do ảnh hưởng độ cao, khí hậu Tây Bắc nói chung nóng hơn, số nắng trung bình theo tháng thường cao khu vực khác, chênh lệch nhiệt độ cao - C so với khu vực Đông Bắc Ngồi ra, vực Tây Bắc chủ yếu diện tích đất nông, lâm nghiệp với độ che phủ rừng đạt 44,7% đa dạng lớp phủ thực vật trạng thái rừng hỗn giao rừng phòng hộ, đặc dụng sản xuất Với đặc điểm địa hình, khí hậu, hệ thống thủy văn lớp phủ đặc trưng khu vực Tây Bắc yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến lượng bốc nước khu vực Vì vậy, việc nghiên cứu giám sát lượng bốc thoát nước cho khu vực Tây Bắc cần thiết đảm bảo nhu cầu nước cho trồng, cảnh báo hạn hán, phòng tránh thiên tai, cháy rừng Xuất phát từ lý trên, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài luận án:“Nghiên cứu xây dựng mơ hình giám sát bốc - thoát nước lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam từ liệu ảnh vệ tinh” Mục tiêu nghiên cứu Luận án đặt mục tiêu nghiên cứu cụ thể sau: Lựa chọn, đề xuất mơ hình ước tính lượng bốc thoát nước thực tế (ETa) phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu bề mặt lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam Xây dựng quy trình, chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát nước bề mặt lớp phủ với tham số tính tốn từ ảnh vệ tinh Landsat kết hợp thơng tin độ cao địa hình khu vực Tây Bắc Việt Nam 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 thoát 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