S D NG T LI U MODIS THEO DÕI M T / TH C V T B M T: TH NGHI M V I CH S M C KHÔ H N NHI T – TH C V T (TVDI) TS Tr n Hùng Giám đ c k thu t, Công ty T v n GeoVi t Tóm t t: Nghiên c u t p trung vào m i quan h gi a ch s th c v t chu n NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) nhi t đ b m t t d li u nh v tinh Ch s m c khô h n nhi t đ - th c v t (Temperature-Vegetation Dryness Index – vi t t t TVDI) đ c tính tốn nghiên c u th nghi m t chu i s li u th i gian (time series) nh MODIS cho mùa khô liên ti p 2000-2001, 2001-2002 2002-2003 S phân b không gian thay đ i theo th i gian (trong mùa gi a n m) c a ch s TVDI b c đ u ch ng t giá tr c a ch s vi c theo dõi đ m đ t / th c v t b m t Nh ng k t qu ban đ u cho th y hi u qu c a vi c s d ng t li u MODIS v i đ phân gi i th i gian cao vi c theo dõi bi n đ ng c a h sinh thái vùng nhi t đ i H n n a, có th s d ng ch s TVDI k t h p v i nh ng ch s h n hán khác quan tr c khí t ng tích l y nhi u n m đ nghiên c u bi n đ i khí h u xây d ng h th ng theo dõi phát hi n, d báo s m nh ng bi n đ ng, th m h a nông lâm nghi p c p khu v c I GI I THI U H n hán đ c nhìn nh n m t nh ng hi n t ng mơi tr ng có tính phá ho i nghiêm tr ng, gây nên s s t gi m s n l ng nông nghi p làm t ng đáng k kh n ng cháy r ng Thông th ng h n hán th ng x y di n r ng, vi c quan tr c b ng ph ng pháp truy n th ng r t khó kh n, đ c bi t nh ng n c phát tri n v i nh ng h n ch đáng k vi c đ u t cho h th ng quan tr c tham s mơi tr ng Chính v y, nh ng s li u V tinh Quan tr c Trái đ t (EOS) r t có ích r t đáng đ c quan tâm u ki n D li u nh NOAA, MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometers) có th cung c p thông tin v b m t trái đ t kênh ph khác nhau: kênh ph nhìn th y kênh h ng ngo i g n sóng ng n kênh nhi t Ch s th c v t chu n NDVI k t h p thông tin kênh ph màu đ kênh h ng ngo i g n đ c s d ng m t cách hi u qu quan tr c tình tr ng / s c kh e l p ph th c v t i v i d li u MODIS, ch s NDVI đ c xác đ nh t giá tr ph n x kênh (ph màu đ ) kênh (ph h ng ngo i g n) nh sau: NDVI = Modis − Modis1 Modis + Modis1 Các nhà nghiên c u ch r ng, NDVI không nh y c m l m v i s thi u n th c v t v n xanh m i b t đ u thi u n c [1] c c a th c v t M t khác, nhi t đ b m t trái đ t (Ts) thu đ c t kênh ph nhi t đ c bi t t i vùng nhi t đ i, m t ch th t t cho dòng n nhi t Nhi t đ b m t (surface temperature) có th t ng lên r t nhanh th c v t thi u n c l p ph th c v t có tác đ ng đáng k đ n vi c xác đ nh nhi t đ b m t Nh v y, Ts NDVI k t h p có th cung c p thơng tin v u ki n s c kh e th c v t đ m t i b m t trái đ t (Sandholt n.n.k, 2002) Kh n ng chi t tách a ch : 6/17, Ngõ 139 Nguy n Ng c V , Hà N i - T: 0904348397 Fax: 5564710 E-mail: hung.geoviet@gmail.com nh ng thông tin v cân b ng n ng l ng n c b m t ho c phân lo i l p ph thông qua quan h gi a nhi t đ b m t (Ts) ch s th c v t chu n (NDVI) đ c nhi u nhà nghiên c u quan tâm (Gillies n.n.k, 1997; Owen n.n.k, 1998; Tr n Hùng Yasuoka, 2001) Và vi c nghiên c u s phân tán c a pixel không gian nhi t đ b m t – ch s th c v t (Hình 1) s cung c p thơng tin v u ki n th c v t đ m b m t Trong không gian [Ts, NDVI], đ d c c a đ ng h i quy liên quan đ n m c bay h i c a b m t, đ n kháng tr c a đ n đ m trung bình c a đ t V trí c a pixel nh khơng gian [Ts, NDVI] b nh h ng b i r t nhi u y u t nh nhi t đ , đ ph th c v t, đ m, đ bay h i, v.v nh ng đ ng đ ng m c c a y u t (đ m, đ bay h i) có th v đ c tam giác xác đ nh nên không gian [Ts, NDVI] (Hình 1) V i u ki n khí h u nhi t đ b m t Ts s nh nh t t i nh ng b m t có đ bay h i c c đ i l ng n c bão hòa - t o nên đ ng đáy “rìa t” c a tam giác không gian [Ts, NDVI] Ng c l i, t i b m t có đ bay h i c c ti u b m t r t khơ (dù có hay khơng có ph th c v t) nhi t đ b m t Ts s t ng c c đ i – t o nên đ ng h n ch “rìa khơ” c a tam giác khơng gian [Ts, NDVI] l ng hóa quan h gi a ch s th c v t chu n nhi t đ b m t Ts, nhà nghiên c u Sandholt (2002) đ ngh s d ng ch s khô h n nhi t đ - th c v t (TVDI) đ c xác đ nh theo công th c: TDVI = Ts − Ts a + b * NDVI − Ts [2] Tsmin nhi t đ b m t c c ti u tam giác xác đ nh rìa t, Ts nhi t đ quan sát t i pixel nh c n tính, NDVI ch s th c v t chu n, Tsmax nhi t đ b m t c c đ i quan sát đ c cho m i kho ng giá tr c a NDVI Nh v y m m u ch t đ tính đ c TDVI xác đ nh đ c đ ng rìa khơ đ i v i nh nghiên c u đ ng rìa khơ đ c mơ hình hố nh m t x p x n tính (Tsmax = a + b*NDVI) t kho ng giá tr NDVI s tính đ c nh ng pixel v i nhi t đ b m t c c đ i t ng ng đ tính tham s a b TVDI có giá tr t i “rìa khơ” t i “rìa t” Hình Ch s TVDI c a m t pixel nh [Ts, NDVI] đ c xác đ nh nh m t t l gi a đ ng A = (Ts – Tsmin) B = (Tsmax – Tsmin) (Công th c [2]) II D gi i, th LI U MODIS VÀ PH NG PHÁP Bán đ o ông D ng – m t nh ng khu v c s n xu t nơng nghi p th ng gánh ch u nh ng tai ho nông nghi p th ng xuyên nh l l t, h n hán cháy r ng nh h ng c a nh ng hi n t ng khí h u th t th ng c ng v i vi c phá r ng, canh tác c ng đ cao trình th hố – đ c ch n làm vùng nghiên c u th nghi m To đ đ a 0 0 lý c a vùng nghiên c u: 101 30’–109 30’ Kinh đ đông 00’–18 00’ V đ b c D li u nh MODIS thu đ c t v tinh TERRA AQUA bao g m 36 kênh d i ph nhìn th y, h ng ngo i g n sóng ng n kênh nhi t v i đ phân gi i không gian t 250 m, 500m 1000 m MODIS có chu k ch p l p l i cao m t ngày đêm có th thu nh n đ c nh ban ngày nh ban đêm đ i v i m i vùng trái đ t c tính ch p ph vùng r ng l n, đ phân gi i th i gian cao c ng v i nhi u kênh thi t k chuyên đ tính hi u ch nh nh h ng khí quy n làm t ng kh n ng s d ng nh MODIS nghiên c u nh ng vùng nhi t đ i nhi u mây ph c v cho nghiên c u này, t li u nh MODIS n m 2000-2003 đ c thu th p t tr m thu đ t t i Vi n Công ngh Châu Á (AIT), Thái Lan – t a đ 100037’ Kinh đ đông 14005’ V đ b c D li u đ c ti n x lý đ n m c 1b nh hi u ch nh nh h ng khí quy n n n ch nh hình h c s d ng ph n m m chuyên d ng IMAPP c a Tr ng i h c Wisconsin l u tr t i Vi n Khoa h c Công nghi p, ih c t ng h p Tokyo Quy trình x lý t li u nh MODIS đ c trình bày chi ti t Tr n Hùng n.n.k (2001) Do u ki n mây ph th ng xuyên vùng nhi t đ i, ch nh ng nh MODIS mùa khơ có t l ph mây d i 20% đ c ch n đ x lý ti p nh l c mây (s d ng thu t toán MOD06 c a NASA) tích h p nh đa th i gian đ t o nh ghép 8-ngày không mây T ng s nh MODIS đ c ch n cho mùa khô 16 c nh cho mùa khô 10/2000 – 2/2001, 15 c nh cho mùa khô 11/2001 – 3/2002 17 c nh cho mùa khô 10/2002 – 3/2003 Giá tr nhi t đ b c x t i đ u thu MODIS cho kênh 31 32 đ c tính theo cơng th c Plank: C2ν i [3] C1ν i3 + 1) ln( Ri đây: Ti(Ri) – nhi t đ b c x tính theo đ Kelvin cho t ng pixel c a kênh i; C1 – h ng s đ nh c (1.1910659 x 10-5 mWm-2sr-1cm4); C2 – h ng s đ nh c (1.438833 cm0K); νi – giá tr b c sóng trung tâm cho kênh i; Ri – b c x ph đ c hi u ch nh cho t ng pixel c a kênh i Sau đó, giá tr nhi t đ b m t trái đ t đ c tính t nhi t đ b c x c a kênh 31 32 (trong d i sóng 10.5 – 12.5 μm s d ng thu t toán split-windows cho nh MODIS (Wan, 1999) Ti ( Ri ) = Ch s NDVI đ c tính t kênh c a nh MODIS đ th c [1] đ c chuy n v đ phân gi i 1-km v i Ts c hi u ch nh theo công th phân tán (scatterplots) c a Ts nh m t hàm s c a ch s th c v t chu n NDVI đ c xây d ng cho t ng nh MODIS đ c ch n mùa khơ tính ch s TVDI theo cơng th c [2], giá tr Tsmin (đ ng “rìa t”) đ c xác đ nh nh giá tr nhi t đ m t n c trung bình c a Bi n h Ton-Lesap (C m-pu-chia) Tham s a b c a đ ng “rìa khơ” cho m i c nh MODIS đ c xác đ nh b ng hàm h i qui bình ph ng t i thi u c a giá tr c c đ i Ts đ i v i nh ng kho ng giá tr NDVI Hình th hi n đ i di n đ ng rìa khơ cho c nh vào tháng n m 2001 2002 v i tham s a b đ c xác đ nh giá tr R2 th hi n đ xác cao c a hàm h i quy x p x V i Tsmin, a b xác đ nh không đ i cho t ng nh MODIS, giá tr TDVI cho t ng pixel nh đ c tính theo cơng th c [2] thay vào giá tr c a Ts NDVI t ng ng T (K) T (K) 2001, January 09 316 2001, February 26 323 312 318 y = -19.511x + 327.05 R2 = 0.9605 308 y = -18.016x + 320.46 R2 = 0.8659 304 313 308 300 0.2 T (K) 0.4 0.6 0.8 0.2 0.4 0.6 0.8 NDVI1 2002, February 26 T (K) 2002, January 09 317 NDVI 321 313 316 309 311 y = -20.064x + 322.22 R2 = 0.9491 y = -22.201x + 326.61 R2 = 0.9355 305 306 301 0.2 0.4 0.6 0.8 NDVI 301 0.2 0.4 0.6 0.8 NDVI Hình Giá tr rìa khơ đ c s d ng cho vi c tính toán ch s TVDI – giá tr Ts c c đ i đ c xác đ nh cho t ng kho ng NDVI nh rìa khơ đ c xác đ nh b ng h i quy n tính III K T QU BAN U Nh v y, s d ng chu i s li u (time series) NDVI nhi t đ b m t t t li u MODIS, ch s TVDI cho vùng nghiên c u đ c tính tốn cho t ng c nh ch n mùa khô 2000-2001, 2001-2002 2002-2003 Hình cho th y s phân b khơng gian c a ch s TVDI nh v y, c a m c đ khô h n nhi t đ -th c v t toàn vùng cho ngày 2/2/2002 Nhìn t ng th , giá tr ch s TVDI t ng đ i cao v i đ i t ng l p ph đô th đ t khô tr ng nh vùng cao nguyên Korat c a Thái lan, cao nguyên Nam Lào, vùng khô h n ven bi n Bình thu n, Ninh thu n v i TVDI dao đ ng kho ng 0.25 – 0.53 i v i khu v c r ng r m, vùng th p tr ng, đ ng b ng sông C u long, giá tr TVDI t ng đ i th p kho ng 0.04 – 0.21 t ng đ i bi n đ i v i ph ng sai nh kho ng 0.10 – 0.13 B ng c ng ch rõ xu th chung m c đ khô h n nhi t đ - th c v t t ng d n t đ u mùa khô (v i giá tr TVDI trung bình cho tồn vùng = 0.14 tháng 11/2001, 0.25 tháng 1/2002) cho đ n cu i mùa khô (0.33 tháng 3/2002) B ng Giá tr TVDI trung bình ph ng sai cho nhóm l p ph b m t khác Tháng 11/2001 Lo i / nhóm l p ph Tháng 1/2002 Tháng 3/2002 TVDI trung bình 0.04 Ph ng sai 0.10 TVDI trung bình 0.09 Ph ng sai 0.12 TVDI trung bình 0.21 Ph ng sai 0.13 t tr ng tr t 0.10 0.15 0.24 0.16 0.42 0.21 t tr ng, đ t đô th 0.22 0.22 0.32 0.21 0.43 0.29 0.14 0.17 0.25 0.16 0.33 0.21 R ng r m, đ t tr ng Trung bình cho tồn vùng 1.0 Hình S phân b không gian theo ch s TVDI cho vùng nghiên c u (ngày 2/2/2002): Hình ch nh t ch khu v c l y m u r ng c L c Vòng tròn ch khu v c khơ h n Bình Thu n Giá tr ch s TVDI đ c ki m nghi m ban đ u v i nh ng s li u quan tr c t i tr m khí t ng th y v n vùng Ngoài ra, áp d ng mơ hình trao đ i n ng l ng b m t gi a đ t - th c v t - khí quy n, g i t t mơ hình SVAT c a tr ng i h c Penn State (Carlson 2000) k t h p v i t li u v tinh đ phân gi i cao Landsat ETM+ ch p ngày 08/1/2001, giá tr ch s đ m Mo đ c tính cho vùng ch n m u Tây Ninh Sau chuy n v đ phân gi i khơng gian, k t qu so sánh cho th y t ng quan ngh ch gi a ch s đ m Mo tính t nh ETM+ ch s m c khô h n nhi t đ - th c v t t ng đ i cao v i h s t ng quan Pearson r = -0.8 (xem chi ti t ph ng pháp tính ch s đ m t nh Landsat Tr n Hùng & Yasuoka, 2004) MODIS-derived TVDI 0.8 y = -1.2549x + 1.037 R = 0.8031 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 ETM-derived moisture availability (Mo) TVDI Hình th phân tán ch rõ s t ng quan gi a ch s TVDI tính t d li u MODIS v i ch s đ m tính t d li u Landsat ETM+ k t h p v i mơ hình SVAT cho vùng ki m nghi m Tây Ninh DAC LAC FOREST AREA - TVDI for 2001, 2002 & 2003 dry seasons 0.8 0.6 0.4 0.2 01 tháng 0 15 30 45 TVDI Monthly average for 2001 dry season 60 75 90 Monthly average for 2002 dry season 105 120 Monthly average for 2003 dry season Days BINH THUAN AREA - TVDI for 2001, 2002 & 2003 dry seasons 0.8 0.6 0.4 0.2 01 tháng 0 20 Monthly average for 2001 dry season 40 60 Monthly average for 2002 dry season 80 100 Monthly average for 2003 dry season 120 Days Hình S thay đ i theo th i gian c a ch s TVDI đ i v i khu v c r ng c L c khu v c khơ h n Bình Thu n qua mùa khô 2000-2001; 2001-2002; 2002-2003 (tr c th i gian đ c tính theo ngày b t đ u t 28 tháng 10 m i n m) S thay đ i theo th i gian c a ch s TVDI đ c nghiên c u d a theo chu i s li u th i gian cho m t s vùng ch n m u tiêu bi u v l p ph r ng đ i khơ h n (Hình 3) đ có th theo dõi s thay đ i c a đ m b m t Hình cho th y s thay đ i c a ch s TVDI theo th i gian n m 2000-2003 t i vùng ch n m u: khu v c r ng c L c, khu v c khơ h n c a Bình Thu n Nhìn chung, ch s TVDI t i vùng tr ng tr t nông nghi p cao h n t i vùng r ng m i th i m ch s TVDI có xu th t ng v cu i m i mùa khô So sánh gi a n m, ch s TVDI cho mùa khô 2001-2002 cao h n nhi u so v i mùa khô 20002001 2002-2003, t ng đ i phù h p v i quan tr c khí h u t i tr m khí t ng khu v c kho ng th i gian t ng ng M t s nh n đ nh ban đ u nh v y cho th y ch s TVDI có ti m n ng vi c theo dõi nh ng bi n đ i c a khí h u nơng nghi p theo dõi khơ h n khơng ch t ng mùa mà cịn nh ng chu k khí h u dài h n Vi c xây d ng m t c s d li u tích lu nhi u n m c a nh ng ch s nh v y c n thi t cho vi c theo dõi chu k khí h u làm c s cho vi c d đoán xu th bi n đ i th i gian th c (realtime) c a nh ng ch s khô h n IV TH O LU N VÀ NH H NG NGHIÊN C U TI P Nh ng k t qu ban đ u sau tính tốn th nghi m cho th y tri n v ng s d ng ch s TVDI vi c theo dõi đ m b m t qua theo dõi d báo h n hán nông / lâm nghi p c p khu v c M t nh ng u m n i b t vi c tính tốn ch s TVDI t ng đ i đ n gi n nhanh chóng, có th t đ ng hóa Tuy nhiên, vi c ki m nghi m ch s TVDI v i nh ng s li u quan tr c khí t ng th y v n th c t c n đ c ti n hành b sung đ t ng thêm đ tin c y hi u sâu thêm b n ch t c a ch s tr c đ a ch s TVDI vào s d ng th c t Hi n t i, Vi t Nam xây d ng m t s tr m thu nh MODIS NOAA/AVHRR Ngồi m c đích ph c v nh ng ng d ng t c th i ho c ng n h n nh d báo th i ti t, theo dõi l l t cháy r ng, vi c khai thác nh ng d li u cho nh ng ng d ng dài h n nh nghiên c u chu k bi n đ i khí h u, bi n đ ng v h sinh thái nh h ng đ n s n l ng nông / lâm nghi p r t c n đ c tr ng nghiên c u tri n khai áp d ng th c ti n V i tri n v ng c a d li u MODIS vi c theo dõi m c đ khô h n b m t đ c trình bày báo này, tác gi mong mu n nh n đ c s ph i h p h p tác c a nhà nghiên c u, c quan qu n lý nhà n c l nh v c liên quan đ có th ti p t c nghiên c u ti p M t s h ng phát tri n ti p nh th nghi m ch s khô h n th ng dùng th gi i nh SAVI, LWCI, ch s Palmer, v.v v i t li u MODIS m t cách h th ng đ có đ c nh ng thông tin b tr cho ch s TVDI vi c theo dõi bi n đ i khô h n nông / lâm nghi p khu v c Ngồi c n quy trình hóa h th ng b c thu th p ti n x lý t li u MODIS t tr m thu v i vi c c i thi n v n đ l c nh h ng khí quy n, lo i b mây, l c nhi u nh m t ng ch t l ng c a ch s TVDI V i s s n có c a t li u nh MODIS (và có th k t h p c nh NOAA/AVHRR) nhi u l n ngày, Vi t Nam hồn tồn có th xây d ng h th ng tích h p x lý t đ ng cho nh ng s n ph m th i gian th c (nearrealtime) ph c v cho tác nghi p qu n lý theo dõi, d báo s n xu t nông / lâm nghi p phát hi n d báo s m nh ng tai h a nông / lâm nghi p nh h n hán, cháy r ng, v.v Tài li u tham kh o Carlson T.N & Arthur S.T., 2000 The impact of land use – land cover changes due to urbanization on surface microclimate and hydrology: a satellite perspective Global and Planetary Change, Vol.25, pp.49-65 Gillies R.R., Carlson T.N., Cui J., Kustas W.P & Humes K.S., 1997 A verification of the ‘triangle’ method for obtaining surface soil water content and energy fluxes from remote measurements of the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and surface radiant temperature International Journal of Remote Sensing, Vol.18 No.15, pp.3145-3165 Owen T.W., Carlson T.N & Gillies R.R., 1998 An assessment of satellite remotely sensed land cover parameters in quantitatively describing the climatic effect of urbanization International Journal of Remote Sensing, Vol.19 No.9, pp.1663-1681 Sandholt I., Rasmussen K & Andersen J (2002) A simple interpretation of the surface temperature/vegetation index space for assessment of surface moisture status Remote Sensing of Environment, Vol 79, pp 213-224 Tran H., Yasuoka Y., 2004 Surface Climatic Impacts of Urbanization in the Hochiminh City, Vietnam: An Integrated Study with Remote Sensing and Modeling Proceedings of the 3rd ICUS International Symposium “New Technologies for Urban Safety of Megacities in Asia”, Agra, India, October 18-19, 2004 Tran H., Yasuoka Y., 2001 Remote Sensing to Assess Regional Climatic Effects of Urban Expansion in Northern Bangkok, Thailand Proceedings of the Int’l Conference on Computer in Urban Planning and Urban Management, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, Hawaii, USA Tran, H., Ochi, S., Nemoto, T., Kitsuregawa, M and Yasuoka, Y., 2001 MODIS data acquisition, processing and scientific utilization framework at the Institute of Industrial Science, University of Tokyo Proceedings of the 22nd Asian Conference on Remote Sensing, Singapore, 1, 488-492 Summary: MODIS DATA TO MONITOR SURFACE SOIL/VEGETATION MOISTURE STATUS: A STUDY WITH TEMPERATURE-VEGETATION DRYNESS INDEX Dr Tran Hung Technical Director GeoViet Consulting Co Ltd This paper attempts to explore the surface temperature (Ts) and vegetation index (NDVI) derived from satellite images The Temperature-Vegetation Dryness Index (TVDI) was experimentally computed and studied from the time series of MODIS data for consecutive dry-seasons of 2000-2001, 2001-2002 and 2002-2003 Examining spatial distribution and temporal evolution (through dry-seasons and inter-annual) of the TVDI has revealed the usefulness of the TVDI in monitoring the surface soil/vegetation moisture status The preliminary results of this study demonstrated the potentiality of high-temporal resolution MODIS data in long-term monitoring terrestrial ecosystems in tropical areas TVDI is expected be used in combination with other drought indices and ground observation data over the years for climate change research and for developing an agricultural disasters early warning system for the region