BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN VIỆT ANH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ CHỈ TIÊU KHÍ TƯỢNG BẰNG ẢNH VỆ TINH Ở TỈNH THANH HÓA CHUYÊN NGÀNH QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN VIỆT ANH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ CHỈ TIÊU KHÍ TƯỢNG BẰNG ẢNH VỆ TINH Ở TỈNH THANH HÓA CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN & MÔI TRƯỜNG MÃ NGÀNH: 8850101 LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN & MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHÙNG VĂN KHOA Hà Nội, 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan, cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác Nếu nội dung nghiên cứu tơi trùng lặp với cơng trình nghiên cứu cơng bố, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm tuân thủ kết luận đánh giá luận văn Hội đồng khoa học Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2020 Người cam đoan Nguyễn Việt Anh ii LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đề tài, nhận giúp đỡ nhiệt tình, đóng góp q báu nhiều cá nhân, tập thể giúp tơi hồn thành tốt luận văn Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến tất thầy giáo, cô giáo Trường Đại học Lâm nghiệp giảng dạy giúp đỡ tơi suốt q trình học tập khóa Cao học 2018 - 2020; đặc biệt cảm ơn thầy giáo PGS.TS Phùng Văn Khoa trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tơi thực hồn thành Luận văn Mặc dù thân nỗ lực nghiên cứu, điều kiện tác nghiệp thực đề tài địa bàn tương đối rộng, thời gian ngắn nên Luận văn tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận ý kiến tham gia góp ý nhà khoa học, bạn đồng nghiệp để Luận văn hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2020 Học viên Nguyễn Việt Anh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH VẼ viii ĐẶT VẤN ĐỀ Chương TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Tổng quan ứng dụng viễn thám để xác định số tham số khí 1.2.1 Ứng dụng viễn thám để xác định nhiệt độ khơng khí gần mặt đất 1.2.2 Ứng dụng viễn thám ước tính hàm lượng nước độ ẩm khơng khí 1.2.3 Ứng dụng viễn thám ước tính lượng mưa 13 Chương MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 20 2.1.1 Mục tiêu tổng quát 20 2.1.2 Mục tiêu cụ thể 20 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 20 2.2.1 Đối tượng nghiên cứu 20 2.2.2 Phạm vi nghiên cứu 20 2.3 Nội dung nghiên cứu 21 2.3.1 Cơ sở khoa học xác định yếu tố nhiệt độ khơng khí, độ ẩm tương đối khơng khí lượng mưa từ ảnh viễn thám 21 2.3.2 Xây dựng mô hình tương quan yếu tố khí tượng tính tốn từ iv ảnh viễn thám từ trạm quan trắc 21 2.3.3 Đề xuất phương pháp xác định yếu tố khí tượng từ ảnh vệ tinh khu vực nghiên cứu 21 2.4 Phương pháp nghiên cứu 21 2.4.1 Phương pháp kế thừa số liệu nghiên cứu giới 21 2.4.2 Phương pháp sử dụng công nghệ xử lý ảnh số GIS 24 2.4.3 Phương pháp khảo sát, thử nghiệm, phân tích so sánh 30 Chương ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU 33 3.1 Điều kiện tự nhiên 33 3.1.1 Tọa độ địa lý 33 3.1.2 Địa chất 34 3.1.3 Địa hình 35 3.1.4 Đặc điểm khí hậu 37 3.1.5 Đặc điểm thuỷ văn 39 3.1.6 Đặc điểm thực vật 41 3.2 Điều kiện kinh tế, xã hội 42 3.2.1 Tăng trưởng kinh tế 42 3.2.2 Tình hình phát triển ngành, lĩnh vực 42 3.2.3 Văn hóa, xã hội 44 Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 47 4.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 47 4.1.2 Xây dựng mơ hình tương quan yếu tố khí tượng tính tốn từ ảnh viễn thám từ trạm quan trắc 47 4.1.3 Đề xuất phương pháp xác định yếu tố khí tượng từ ảnh vệ tinh khu vực nghiên cứu 49 4.2 Thực nghiệm tính nhiệt độ khơng khí liệu viễn thám 52 4.2.1 Dữ liệu viễn thám liệu quan trắc 52 v 4.2.2 Thực nghiệm tính tốn nhiệt độ khơng khí 56 4.3 Thực nghiệm tính độ ẩm tương đối liệu viễn thám .67 4.3.1 Dữ liệu viễn thám liệu quan trắc 67 4.3.2 Thực nghiệm tính tốn độ ẩm tương đối 71 4.4 Hiệu chỉnh lượng mưa 81 KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa AVHRR Advanced very-high-resolution radiometer BĐKH Biến đổi khí hậu CMAP The Climate Prediction Center Merged Analysis Precipitation CST Convective–Stratiform Technique eTRaP Ensemble Tropical Rainfall Potentia GOES-1 Geosynchronous Operational Environmental Satellite GPCP The Global Precipitation Climatology Project GSMaP JAXA Global Rainfall Watch IFFA Interactive Flash Flood Analyzer MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer NESDIS of National Environmental Satellite, Data, and Information Service NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration OSPO The Office of Satellite Products and Operations - NOAA POES Polar Operational Environmental Satellites SMMR Scanning Multichannel Microwave Radiometer TRMM The Tropical Rainfall Measuring Mission VIS/IR Visible/ Infrared WCRP World Climate Research Program vii DANH MỤC BẢNG Bảng 4.1 Dữ liệu nhiệt độ bề mặt từ liệu MODIS 53 Bảng 4.2 Số liệu nhiệt độ khơng khí từ trạm quan trắc 56 Bảng 4.3 Số liệu hồi quy nhiệt độ khơng khí ngày 11/12/2019 lúc 11h 60 Bảng 4.4 Số liệu hồi quy nhiệt độ khơng khí ngày 11/12/2019 lúc 14h 61 Bảng 4.5 Số liệu hồi quy nhiệt độ khơng khí ngày 29/09/2019 lúc 11h 61 Bảng 4.6 Số liệu hồi quy nhiệt độ khơng khí ngày 29/09/2019 lúc 14h 62 Bảng 4.7 Dữ liệu tổng cột nước 67 Bảng 4.8 Dữ liệu độ ẩm tương đối trạm 71 Bảng 4.9 Dữ liệu sức trương nước bão hoà trạm 72 Bảng 4.10 Dữ liệu hồi quy độ ẩm tương đối ngày 29/09/2019 13h với trạm 75 Bảng 4.11 Dữ liệu hồi quy độ ẩm tương đối ngày 11/12/2019 13h với trạm 76 Bảng 4.12 Dữ liệu hồi quy độ ẩm tương đối ngày 29/09/2019 13h với trạm 77 Bảng 4.13 Dữ liệu hồi quy độ ẩm tương đối ngày 11/12/2019 13h với trạm 78 Bảng 4.14 Dữ liệu tổng lương mưa từ trạm 24h (mm/24h) .84 Bảng 4.15 Dữ liệu tổng lương mưa từ trạm 48h (mm/48h) .85 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Mạng lưới vng .25 Hình 2.2 Dữ liệu dạng Grid lưu trữ tệp 26 Hình 2.3: Chuyển đổi từ dạng txt sang dạng shp ArcGIS 27 Hình 2.4: Grid chuyển từ dạng txt sang dạng vector 27 Hình 2.5: Sử dụng cơng cụ chuyển đổi dạng điểm sang dạng raster 28 Hình 2.6: Kết chuyển đổi dạng điểm sang dạng raster 28 Hình 2.7: Giao diện thiết lập thơng số chồng lớp liệu raster 29 Hình 2.8: Giao diện thiết lập thông số Regression 32 Hình 3.1 Bản đồ hành tỉnh Thanh Hóa 33 Hình 4.1 Mơ hình số khu vực nghiên cứu 54 Hình 4.2 Chỉ số NDVI nửa cuối tháng năm 2019 55 Hình 4.3 Chỉ số NDVI nửa đầu tháng 12 năm 2019 .55 Hình 4.4 Mơ hình số địa hình khu vực cắt ghép xử lý 57 Hình 4.5 Chỉ số NDVI xử lý ngày 29/09/2019 57 Hình 4.6 Chỉ số NDVI xử lý ngày 11/12/2019 58 Hình 4.7 Nhiệt độ bề mặt từ ảnh MODIS ngày 29/09/2019 lúc 11h 59 Hình 4.8 Bản đồ phân bố nhiệt độ khơng khí ngày 29/09/2019 lúc 11h .63 Hình 4.9 Bản đồ phân bố nhiệt độ khơng khí ngày 29/09/2019 lúc 14h .64 Hình 4.10 Bản đồ phân bố nhiệt độ khơng khí ngày 11/12/2019 lúc 11h .65 Hình 4.11 Bản đồ phân bố nhiệt độ khơng khí ngày 11/12/2019 lúc 14h .66 Hình 4.12 Bản đồ phân bố tổng lượng nước khơng khí ngày 29/09/2019 lúc 13h50’ .69 Hình 4.13 Bản đồ phân bố tổng lượng nước khơng khí ngày 11/12/2019 lúc 13h45’ .70 Hình 4.14 Tổng cột nước ngày 11/12/2019 13h 72 Hình 4.15 Tổng cột nước ngày 29/09/2019 13h 73 ix Hình 4.16 Sức trương nước bão hoà ngày 11/12/2019 13h .73 Hình 4.17 Sức trương nước bão hồ ngày 29/09/2019 13h .74 Hình 4.18 Bản đồ phân bố độ ẩm tương đối khơng khí ngày 29/09/2019 lúc 13h50’ 79 Hình 4.19 Bản đồ phân bố độ ẩm tương đối không khí ngày 11/12/2019 lúc 13h45’ 80 Hình 4.20 Biểu đồ lượng mưa 48 h từ ngày 16 – 17/07/2018 trạm (màu xanh), liệu vệ tinh (màu cam) 83 Hình 4.21 Biểu đồ lượng mưa 24h trạm (màu xanh), liệu vệ tinh (màu cam), liệu hiệu chỉnh (màu xám) 85 Hình 4.22 Biểu đồ lượng mưa 48h trạm (màu xanh), liệu vệ tinh (màu cam), liệu hiệu chỉnh (màu xám) 86 Hình 4.23 Bản đồ lượng mưa 24h ngày 16/07/2018 .87 Hình 4.24 Bản đồ lượng mưa sau hiệu chỉnh 24h ngày 16/07/2018 88 Hình 4.25 Bản đồ lượng mưa 48h ngày 16-17/07/2018 89 Hình 4.26 Bản đồ lượng mưa sau hiệu chỉnh 48h ngày 16-17/07/2018 90 ĐẶT VẤN ĐỀ Thanh Hóa tỉnh lớn Bắc Trung Bộ, nằm vùng nhiệt đới gió mùa ẩm với mùa hè nóng, mưa nhiều, có gió Tây khơ nóng; mùa đơng lạnh mưa có sương giá, sương muối lại có gió mùa Đông Bắc theo xu hướng giảm dần từ biển vào đất liền, từ Bắc xuống Nam Đơi có tượng dông, sương mù, sương muối làm ảnh hưởng không nhỏ tới trồng nơng nghiệp Thanh Hóa năm thường xuyên chịu tác động thiên tai, bão lũ làm thiệt hại người tài sản, tác động tiêu cực đến hoạt động sản xuất đời sống Khai thác sử dụng tài nguyên khí hậu cách góp phần to lớn cho phát triển khu vực Nhưng để khai thác chúng cách thuận lợi khắc phục hạn chế, bất lợi địi hỏi người phải có kiến thức hiểu biết quy luật biến đổi yếu tố khí hậu, nhằm biến chúng thành nguồn lực có lợi cho phát triển mà không đem lại ảnh hưởng xấu đến hoạt động sản xuất, đời sống dân sinh Hiểu biết, nắm vững quy luật phân bố, diễn biến yếu tố khí hậu khơng giúp người sử dụng, khai thác hợp lý tài nguyên khí hậu mà cịn tạo tiền đề cho q trình quy hoạch, phát triển kinh tế-xã hội vùng, quốc gia khu vực Với tình hình biến đổi khí hậu nay, biến động yếu tố khí hậu trở nên phức tạp Đặc biệt yếu tố: nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa ba yếu tố đóng vai trị vơ quan trọng khí hậu khu vực Hiện với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật nói chung cơng nghệ viễn thám nói riêng ứng dụng nhiều nghiên cứu khí tượng thủy văn giới Một ứng dụng tiêu biểu phổ biến viễn thám nghiên cứu khí tượng thủy văn việc xác định thông số khí tượng phân bố theo khơng gian u cầu cho mơ hình, ví dụ như: lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm, đặc điểm bề mặt, sử dụng đất, lớp che phủ đất Thông thường việc quan trắc phương pháp truyền thống gặp nhiều khó khăn, đặc biệt nước phát triển với hạn chế đáng kể việc đầu tư cho hệ thống quan trắc, thu thập tham số môi trường, nên khả dự báo với độ xác chưa cao, gây nhiều rủi ro sản xuất nông nghiệp xâm nhập mặn, thiếu nước tưới làm tăng đáng kể khả cháy rừng Việc sử dụng số liệu từ vệ tinh quan trắc trái đất có ích đáng quan tâm, cung cấp thông tin bề mặt trái đất, có chu kỳ thời gian ngắn phần phủ mặt đất lớn Ảnh vệ tinh đa phổ, đa độ phân giải, có độ phủ trùm lớn, có chu kỳ lặp lại theo thời gian giúp thu thập thông tin nhanh chóng, đồng bộ, khách quan Ngồi ra, với tính ưu việt ước tính nhiệt độ bề mặt độ ẩm khơng khí, lượng mưa hàng ngày xác, đặc biệt mức độ chi tiết kết thể toàn vùng, hiệu so với số đo điểm quan trắc, viễn thám xem phương pháp thay ưu việt cho phương pháp đo đạc truyền thống từ trạm quan trắc khí tượng Xuất phát từ thực tế trên, việc “Nghiên cứu xác định số tiêu khí tượng ảnh vệ tinh tỉnh Thanh Hóa” nhu cầu cần thiết, nhằm tạo sở khoa học cho việc đánh giá mức độ biến đổi khí hậu dựa yếu tố khí tượng, giúp định hướng, hỗ trợ thực kế hoạch phát triển kinh tế xã hội, khai thác bền vững tài nguyên đất, nước bảo vệ mơi trường, ứng phó với biến đổi khí hậu tỉnh Thanh Hoá 3 Chương TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu chung Mơi trường khí bao bọc xung quanh trái đất thực chất cấu thành lớp chất khí giữ hấp lực trái đất Nó phân chia thành số tầng khí bao gồm: tầng đối lưu (troposphere), tầng bình lưu (stratosphere), tầng khí (mesosphere), tầng điện ly (ionosphere) tầng ngồi khí (exosphere) Trong đó, tầng thấp gần với bề mặt trái đất tầng đối lưu với độ cao tới 12,5 km có chứa phần lớn lượng mây nhìn thấy bầu trời Do đó, tầng khí gắn liền với tượng thời tiết Nó có chứa nhiều loại khí như: nước, khí N2, khí O2, khí CO2 số loại khí khác Các loại khí giúp giữ nhiệt lượng mà phần lại xạ trở lại để làm ấm bề mặt trái đất Phía tầng đối lưu tầng bình lưu với độ cao từ 12,5 đến 50 km Tầng bình lưu bao gồm tầng Ozone (O3) với tập trung phân tử O3 có khả hấp thụ xạ cực tím từ mặt trời tránh ảnh hưởng có hại tới sức khỏe người Trong đó, tầng khí với độ cao từ 50 đến 80 km tầng có nhiệt độ lạnh tầng điện ly độ cao từ 80 đến 290 km, nhiệt độ tăng lên đạt đến vài ngàn 0F Cuối cùng, với độ cao từ 290 đến 800 km, tầng ngồi khí vùng chuyển tiếp tới khoảng khơng vũ trụ Việc thu thập số liệu khí tượng theo phương pháp truyền thống thực mặt đất thiết bị đo đạc như: áp kế, nhiệt kế, thiết bị đo gió, máy ghi đo mực nước mưa thời gian nắng phân bố thành mạng lưới khắp khu vực lãnh thổ Đồng thời, để thu nhận liệu áp suất, nhiệt độ độ ẩm tầng khí cao hơn, người ta sử dụng bóng thám khơng thả lên đến độ cao 36 km, mang theo dụng cụ lắp đặt khung như: áp kế, nhiệt kế, ẩm kế máy radio để truyền tin mặt đất 1.2 Tổng quan ứng dụng viễn thám để xác định số tham số khí 1.2.1 Ứng dụng viễn thám để xác định nhiệt độ khơng khí gần mặt đất Nhiệt độ khơng khí mơ tả trạng thái mức độ nóng lạnh khơng khí Cụ thể hơn, mơ tả động năng, lượng chuyển động chất khí tạo nên khơng khí bầu khí Khi phân tử chuyển động nhanh hơn, làm tăng nhiệt độ khơng khí Nhiệt độ khơng khí ảnh hưởng đến tăng trưởng sinh sản thực vật động vật, với nhiệt độ ấm trình tăng trưởng sinh học thúc đẩy nhanh Do đó, nhiệt độ khơng khí tác động mạnh đến sinh vật hệ sinh thái mơi trường Nhiệt độ khơng khí thành phần quan trọng trạng thái khơng khí với áp suất khơng khí, độ ẩm khơng khí, mật độ khơng khí… Nó ảnh hưởng đến gần tất thông số thời tiết tỉ lệ bốc ( ảnh hưởng đến độ ẩm khơng khí), tốc độ gió hướng gió, mơ hình mưa kiểu mưa mưa, mưa tuyết, mưa đá … Để xác định nhiệt độ, người ta thường biểu diễn nhiệt độ thang độ F độ C (0 độ C = 32 độ F) Tuy nhiên, nghiên cứu khoa học nói chung, người ta thường dùng độ Kelvin- độ K để biểu diễn nhiệt độ Đó nhiệt độ thấp mà phân tử ngừng chuyển động, xấp xỉ -273 độ C -460 độ F Nhiệt độ khơng khí gần mặt đất xác định khoảng khơng khí có độ cao nhỏ từ 1.5 đến m so với bề mặt đất Trên giới, nhiều nghiên cứu tiến hành để xác định nhiệt độ khơng khí gần mặt đất mối quan hệ với tượng khác diễn bề mặt khí Trong viễn thám, xạ đo từ thiết bị vệ tinh hàm tích phân tham số như: độ cao, áp suất bề mặt mặt cắt thẳng đứng (vertical profile) nhiệt độ nước Do đó, cấu trúc nhiệt độ khí xác định cách quan trắc xạ điện từ rời khỏi mơi trường khí số khoảng phổ (spectral intervals) vùng hồng ngoại nhiệt vùng sóng siêu cao tần Bức xạ từ trái đất rời khỏi khí vào khoảng khơng vũ trụ thay đổi theo chiều dài bước sóng do: (1) phụ thuộc hàm Planck vào chiều dài bước sóng (2) hấp thụ loại khí mơi trường khí có cấu trúc phân tử khác CO2, H2O, O3 loại khí khác Xung quanh dải phổ hấp thụ loại khí cấu tạo khí quyển, mặt cắt đứng tham số khí nhiệt độ, độ ẩm tính tốn Lấy mẫu vùng phổ trung tâm dải hấp thụ cho xạ tầng khí (do loại khí cấu tạo khí hấp thụ xạ từ tầng khí dưới); lấy mẫu vùng phổ xa khỏi trung tâm dải hấp thụ cho xạ từ tầng khí Xa khỏi dải hấp thụ cửa sổ cho vùng đáy tầng khí 1.2.1.1 Tổng quan ứng dụng viễn thám để xác định nhiệt độ khơng khí gần mặt đất giới Nhiệt độ khơng khí ước tính từ nhiệt độ bề mặt Chen (1983) khám phá từ liệu hồng ngoại nhiệt từ vệ tinh GOES xác định nhiệt độ bề mặt Sau đó, Chen tiếp tục xét mối quan hệ nhiệt độ bề mặt với nhiệt độ khơng khí phát tồn mối quan hệ tuyến tính chúng có hệ số tương quan cao chúng Các kết tính toán cho thấy hệ số tương quang cỡ 0.76 độ cao 1.5 mét độ lệch chuẩn 1.3-2.0 độ C Davis (1983) sử dụng liệu nhiệt độ NOAA cho thấy mối quan hệ tuyến tính nhiệt độ khơng khí nhiệt độ bề mặt đất vùng Bắc Mỹ độ lệch chuẩn 1.6 -2.6 độ K Horiguchi (1992) thực phân tích hồi quy nhiệt độ khơng khí độ cao 1.5 mét từ hệ thống quan trắc liệu với nhiệt độ bề mặt từ liêu hồng ngoại nhiệt vệ tinh địa tĩnh Kết cho thấy mức độ sai số 1-1.7 độ K Ottle (1989) nhiệt độ khơng khí biến đổi thực vật sở cho mối quan hệ tuyến tính nhiệt độ khơng khí nhiệt bề mặt Green năm 2002 phát mối tượng quan lớn liệu nhiệt độ khơng khí ước tính từ đầu thu AVHRR với nhiệt độ khơng khí thu thập trạm quan trắc Q trình thống kê ước tính với gian đoạn tháng cho châu Âu châu Phi Mối quan hệ tuyến tính thể suốt tháng với liệu từ 105 đến 164 trạm quan trắc sai số trung phương nằm khoảng 2.8 tới 7.5 độ K với sai số trung bình 4.8 độ K châu Âu tương ứng với châu Phi 3.2 -4.7 độ K 3.9 độ K Nhiệt độ khơng khí ước tính dựa số khác biệt thực vật(NDVI) Phân tích khai thác số khác biệt thực vật (NDVI) dự việc ước tính thành lập đồ nhiệt độ bề mặt thực Goward năm 1988,1994, Nemani năm 1989, Prince năm 1995, Goetz năm 1997 Sarvanapavan năm 1995 Nguyên lý phương pháp sử dụng mối quan hệ lớp phủ thực vật thể thông qua số khác biệt thực vật nhiệt độ bề mặt ( Nemani, 1989) phần lớn mặt đất bao phủ thực vật với xu hướng đồng nhất, việc quan trắc nhiệt độ khơng khí thực theo phương pháp Saravanapavan (1995) đề cập tới việc nhiêt độ bề mặt giảm giá trị NDVI tăng lên Nhiệt độ khơng khí ước tính phép ngoại suy NDVI thơng qua giá trị NDVI vùng phủ kín thực vật với nhiệt độ khơng khí khác biệt cỡ 1-2 độ C Nhiệt độ khơng khí ngoại suy từ đường hợp lý thông qua giá trị NDVI vùng phủ kín thực vật ( thường 0.7) nhiệt độ bề mặt Phương pháp có thấy mối tương quan 0.04-0.81 sai số trung phương cỡ khoảng 1.6 -2.2 vùng Thái Lan 7 Nhiệt độ khơng khí ước tính thơng qua việc tính nhiệt độ bề mặt sử dụng mơ hình góc thiên đỉnh xạ mặt trời Cresswell năm 1997 đề cập tới việc ước tính nhiệt độ dựa lượng xạ sóng dài từ bề mặt trái đất khơng thực biểu thị nhiệt độ khơng khí Vệ tinh khí tượng Meteosat dựa việc ước tính tính hiệu hịa trộn, chứa lượng có nguồn gốc xạ mặt trời phản xạ lại từ trái đất, lượng xạ thân khí lượng gần mặt đất Ta biết không dễ dàng phân tách thành phần riêng biệt lượng thu phương pháp ước tính cho phép ước tính dựa tổng phần lượng thu Chúng ta biết rằng, Meteosat cho phép thu ảnh ngày đêm, tín hiệu hồng ngoại yếu bị biến dạng chịu ảnh hưởng tán xạ Rayleigh Bằng cách sử dụng mơ hình mà có mối quan hệ chặt chẽ tới dải hồng ngoại ảnh Meteosat giá trị nhiệt độ thực tế lấy từ trạm quan trắc Phương pháp có 70% giá trị sai cỡ độ C 10-13 % sai số cỡ độ C lớn Nhiệt độ khơng khí ước tính từ mối quan hệ biến thể khối nhiệt nhiệt độ khơng khí Ferreira năm 2001 Bồ Đào Nha phát triển mối quan hệ khác biệt biến thể khối nhiệt độ nhiệt độ khơng khí Tc - Ta suy giảm bão hịa để ước tính số áp lực nước thực vật với công cụ quản lý thủy lợi phát mối quan hệ tuyến tính với hệ số tương quan 0.52 -0.73 Nhiệt độ khơng khí ước tính phương pháp nội suy không gian Anderson năm 2002 nghiên cứu phương pháp nội suy khơng gian để ước tính nhiệt độ khơng khí Giả định liệu thuộc tính liên tục theo khơng gian thuộc tính độc lập, kỹ thuật nội suy dùng phương pháp: SPLINE, trọng số nghịch đảo khoảng cách Kriging Kết cho thấy phương pháp Kriging cho độ xác tốt với sai số 1.62 độ C 8 Nhiệt độ không khí ước tính theo phương pháp EARS EARS năm 2003 phát triển nguyên lý ước tính nhiệt độ khơng khí dựa việc biểu đồ nhiệt vào buổi trưa hành tinh T’0n nhiệt độ vào nửa đêm T’0m cho thấy mối quan hệ tuyến tính Mối quan hệ hồi quy trung bình theo cơng thức: T’0n = a T’0m + b theo dòng nhiệt trao đổi với khơng khí Trong phương pháp này, trao đổi nhiệt tuyệt đối khơng có trao đổi nhiệt bề mặt đất khí khí : T’0n = T’0m = Ta Tổng hợp hai mối quan hệ cho thấy nhiệt độ khơng khí có mối quan hệ tuyến tính với số Ta=b/(1-a) Nhiệt độ khơng khí mơ tả nhiệt độ đỉnh tầng khí Rosema 2004 sử dụng nguyên lý EARS cho dự án Hệ thống giám sát cân lượng nước Trung Quốc Sử dụng liệu ngày không mây suốt mùa với 20 ngày, kết cho thấy nhiệt độ khơng khí 1.5 mét tương đối tốt Sai số miền Bắc Trung Quốc tốt miền Nam mây hơn, mùa xn mùa thu tốt mùa hè mùa đông Mối tương quan 0.71 miền bắc 0.8 miền Nam 1.2.1.2 Tổng quan ứng dụng viễn thám để xác định nhiệt độ khơng khí gần mặt đất Việt Nam Nghiên cứu nhiệt độ khơng khí cơng nghệ viễn thám Việt Nam hạn chế Nguyên nhân chủ yếu địa hình nước ta phức tạp, cấu nhiệt phân bố nhiệt lại khơng đồng nhất, có tính chất cục cao Do đề tài, công trinh nghiên cứu xác định nhiệt độ chủ yếu nhiệt độ bề mặt đất ảnh vệ tinh Hoàng Việt Anh, Meredith Williams, David Manning (2007) “ Ứng dụng số nhiệt thực vật cho việc đánh giá sa mạc hóa vùng bờ biển Việt Nam” Sử dụng ảnh MODIS, nhóm tác giả dùng ảnh MODIS để xác định nhiệt độ bề mặt đất Từ đó, nhóm tác giả phân tích mối quan hệ nhiệt độ mặt đất lớp phủ thực vật phát mối quan hệ tuyến tính có hệ số tương quan lên tới 0.7 9 Dương Văn Khảm cộng (2009) “Ứng dụng ảnh vệ tinh MODIS tính tốn nhiệt độ lớp phủ bề mặt” Nghiên cứu khả to lớn ảnh vệ tinh để xác định nhiệt độ bề mặt khả ứng dụng mơ hình giám sát phịng chống thiên tai hạn hán, cháy rừng… Trần Thị Vân công (2009) nghiên cứu “Phương pháp viễm thám nhiệt nghiên cứu phân bố nhiệt độ bề mặt đô thị “ Sử dụng ảnh LANDSAT EMT+ ASTER, tác giả nhóm nghiên cứu thấy nhiệt độ C Phạm Thế Hùng, Nguyễn Thành Được (2010) “Thành lập đồ nhiệt độ bề mặt tỉnh Đồng Tháp từ liệu ảnh vệ tinh LANDSAT ETM+” Dựa kênh 61 62, nhóm tác giả tính nhiệt độ bề mặt từ xạ nhiệt từ mặt đất Nguyễn Xuân Lâm nhóm nghiên cứu (2014) tính tốn nhiệt độ khơng khí gần mặt đất từ liệu MODIS đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám để giám sát cảnh báo tác động biến đổi khí hậu nhằm chủ động phòng tránh giảm thiểu thiệt hại tai biến thiên nhiên” Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu tính tốn nhiệt độ khơng khí phương pháp Mendez (2004) Dữ liệu tính tốn nhiệt độ khí từ liệu MODIS-7 tính nhiệt độ khơng khí gần mặt đất Ta thông qua việc nội suy từ mối quan hệ tuyến tính nhiệt độ 1000 Mmb nhiệt độ khơng khí sát mặt đất Các liệu trạm khí tượng dùng để hiệu chỉnh Như vậy, việc xác định nhiệt độ khơng khí từ ảnh vệ tinh bước đầu ứng dụng Việt Nam cịn hạn chế Người ta thường tính tốn nhiệt độ bề mặt đất Vì cơng tác nghiên cứu xác định nhiệt độ khơng khí liệu vệ tinh quan trọng 1.2.2 Ứng dụng viễn thám ước tính hàm lượng nước độ ẩm khơng khí 10 1.2.2.1 Tổng quan ứng dụng viễn thám ước tính hàm lượng nước độ ẩm khơng khí giới Trên giới, việc ứng dụng cơng nghệ viễn thám vào tính thơng số khí tượng từ lâu được áp dụng Các vệ tinh khí tượng phát triển hỗ trợ vô đắc lực cho công tác quan trắc dự báo Dữ liệu viễn thám từ đầu thu AVHRR đặt vệ tinh PEOS cho phép xác định hàm lượng nước tầng khí thấp (Schluessel, 1989) Trên đầu thu AVHRR, ta có kênh hồng ngoại nhiệt 11 μm 12 μm thiết kế để hiệu chỉnh ảnh hưởng nước nghiên cứu nhiệt độ bề mặt biển (McMillan vàCrosby 1984; Dalu, 1986; Jedlovec, 1990; Kleespies and McMillin, 1990; Goward et al., 1994; Prince and Goward, 1995; Andersen, 1996; Roger and Vermote, 1998) Nhiều nghiên cứu khai thác kênh hồng ngoại nhiệt để ước tính tổng cột nước từ liệu đầu thu AVHRR với độ phân giải xấp xỉ 1.1 km gần nadir với công nghệ split-window (Dalu 1986, Kleespies and McMillin 1990, Rogers and Vermote 1998) Dalu (1986) sử dụng mơ hình chuyển đổi xạ với liệu nhiệt độ độ ẩm chuẩn cho toàn mặt biển Trong đó, lượng nước tính tốn thơng qua kênh đầu thu AVHRR góc mặt trời Roger Vermote (1998) so sánh sóng siêu cao tần SSM/I với ước tính tổng cột nước phương pháp Dalu Họ phát triển tiếp mối quan hệ Dalu với cơng thức MODTRAN Bên cạnh đó, nghiên cứu H.S Andersen (1996) ước tính nước từ liệu NOAA-AVHRR Một số phương pháp như: phương pháp tỉ số kênh ứng dụng với nghiên cứu Jedlovec, 1990; hồi quy độ nghiêng Goward (1994); phương pháp ma trận phương sai hiệp phương sai (Harris Mason, 1992); khai thác liệu bảng tra cứu (Czajkowsk,2002) Những tác động góc nhìn vệ tinh ước tinh tổng cột nước nghiên cứu Dalu [1986], Sobrino [1994], Choudhury [1995], Ottle´ [1997], Prince et al [1998] Motell et al [2002] ... trắc khí tượng Xuất phát từ thực tế trên, việc ? ?Nghiên cứu xác định số tiêu khí tượng ảnh vệ tinh tỉnh Thanh Hóa? ?? nhu cầu cần thiết, nhằm tạo sở khoa học cho việc đánh giá mức độ biến đổi khí. .. thám nói riêng ứng dụng nhiều nghiên cứu khí tượng thủy văn giới Một ứng dụng tiêu biểu phổ biến viễn thám nghiên cứu khí tượng thủy văn việc xác định thơng số khí tượng phân bố theo không gian... tính tốn từ iv ảnh viễn thám từ trạm quan trắc 21 2.3.3 Đề xuất phương pháp xác định yếu tố khí tượng từ ảnh vệ tinh khu vực nghiên cứu 21 2.4 Phương pháp nghiên cứu