BÁO CÁO KỸ THUẬT ỨNG DỤNG TƯ LIỆU ẢNH VỆ TINH ĐA THỜI GIAN ĐÁNH GIÁ NHANH MỨC ĐỘ KHÔ HẠN KHU VỰC TÂY NGUYÊN VÀ CÁC TỈNH NAM TRUNG BỘ

BÁO CÁO KỸ THUẬT ỨNG DỤNG TƯ LIỆU ẢNH VỆ TINH ĐA THỜI GIAN ĐÁNH GIÁ NHANH MỨC ĐỘ KHÔ HẠN KHU VỰC TÂY NGUYÊN VÀ CÁC TỈNH NAM TRUNG BỘ Nhóm tác giả: Bùi Quang Huy, Trần Trung Kiên, Bùi Quang Hưng, Vũ Hữu Long, Nguyễn Vũ Giang Hà Nội, 3/2016 Nội dung Hạn hán 2 Nhiệt độ bề mặt Tư liệu ảnh MODIS 4 Phương pháp tiếp cận tính số khô hạn Kết ban đầu 1 Hạn hán Hạn hán biết đến loại hình thiên tai gây tượng lượng mưa thiếu hụt nghiêm trọng kéo dài, làm giảm hàm lượng ẩm khơng khí hàm lượng nước đất, làm suy kiệt dòng chảy sơng suối, hạ thấp mực nước ao hồ, mực nước tầng chứa nước đất gây ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng trồng, làm mơi trường suy thối gây đói nghèo dịch bệnh Nguyên nhân gây hạn hán có nhiều song tập trung chủ yếu nguyên nhân nguyên nhân khách quan nguyên nhân chủ quan: - Nguyên nhân khách quan: Do khí hậu thời tiết bất thường gây nên lượng mưa thường xuyên ỏi thời thiếu hụt + Mưa ít, lượng mưa không đáng kể thời gian dài quanh năm, tình trạng phổ biến vùng khô hạn bán khô hạn Lượng mưa khoảng thời gian dài đáng kể thấp rõ rệt mức trung bình nhiều năm kỳ Tình trạng xảy hầu khắp vùng, kể vùng mưa nhiều + Mưa khơng lắm, thời gian định trước khơng mưa mưa đáp ứng nhu cầu tối thiểu sản xuất môi trường xung quanh Đây tình trạng phổ biến vùng khí hậu gió mùa, có khác biệt rõ rệt mưa mùa mưa mùa khô Bản chất tác động hạn hán gắn liền với định loại hạn hán - Nguyên nhân chủ quan: Do người gây ra, trước hết tình trạng phá rừng bừa bãi làm nguồn nước ngầm dẫn đến cạn kiệt nguồn nước; việc trồng khơng phù hợp, vùng nước trồng cần nhiều nước (như lúa) làm cho việc sử dụng nước nhiều, dẫn đến việc cạn kiệt nguồn nước Thêm vào cơng tác quy hoạch sử dụng nước, bố trí cơng trình thiếu hợp lý, quy hoạch phát triển không phù hợp với mức độ phát triển nguồn nước, khơng hài hồ với tự nhiên, môi trường, thiếu biện pháp cần thiết để đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày gia tăng phát triển kinh tế-xã hội khu vực - Hiểu cách tóm tắt, hạn hán nhóm nguyên nhân: + Nguyên nhân trực tiếp: Là khơng có mưa mưa + Nguyên nhân gián tiếp: Là làm cân nước, giảm độ ẩm đất khơng khí, thiếu cơng trình thủy lợi, tác động bất hợp lý người Theo tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) Shunlin Liang (2004), hạn hán phân loại: hạn khí tượng, hạn nơng nghiệp, hạn thuỷ văn hạn kinh tế xã hội: Hạn hán khí tượng: Hạn hán khí tượng hiếu hụt nước cán cân lượng mưa, lượng bốc hơi, trường hợp không mưa kéo dài Ở lượng mưa tiêu biểu cho phần thu lượng bốc tiêu biểu cho phần chi cán cân nước Do lượng bốc đồng biến với cường độ xạ, nhiệt độ, tốc độ gió nghịch biến với độ ẩm nên hạn hán gia tăng nắng nhiều, nhiệt độ cao, gió mạnh, thời tiết khô Loại hạn hán thể sở khô hạn (thiếu nước) khoảng thời gian khô hạn (thiếu nước) Cường độ khoảng thời gian hai yếu tố quan trọng nghiên cứu loại hạn hán Hạn hán khí tượng nên định nghĩa theo khu vực điều kiện khí quyển, yếu tố dẫn đến thiếu hụt lượng mưa, lại phụ thuộc khí hậu vùng - Hạn hán nông nghiệp: Là cân hàm lượng nước thực tế đất nhu cầu nước trồng Hạn nông nghiệp thực chất hạn sinh lý xác định điều kiện nước thích nghi khơng thích nghi trồng, hệ thống canh tác nông nghiệp, hay thảm thực vật tự nhiên Ngồi lượng mưa ra, hạn nơng nghiệp liên quan với nhiều điều kiện tự nhiên (như địa hình, thổ nhưỡng,…) điều kiện xã hội (điều tiết thủy lợi, chế độ canh tác, ) Nghiên cứu hạn hán nông nghiệp thường tiến hành sở khác biệt độ nhạy loại trồng giai đoạn phát triển khác Diện tích đất canh tác nông nghiệp quan trọng nghiên cứu loại hạn hán khu vực bị ảnh hưởng nghiêm trọng hạn hán - Hạn hán thủy văn: Là tượng dòng chảy sơng, suối thấp trung bình nhiều năm rõ rệt mực nước tầng chứa nước đất hạ thấp Ngoài lượng mưa ra, hạn thuỷ văn chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố khác: dòng chảy mặt, nước ngầm tầng nông, nước ngầm tầng sâu,… - Loại hạn hán liên quan đến ảnh hưởng thời kỳ thiếu hụt lượng mưa bề mặt bề mặt cung cấp nước thiếu hụt lượng mưa Hạn hán thủy văn thường xảy đồng thời sau hạn hán khí tượng hạn hán nông nghiệp - Không giống hai loại hạn hán kể trên, hạn hán thủy văn cần nhiều thời gian diễn trước thiếu hụt lượng mưa nhận diện thành phần khác hệ thống thủy văn (như hồ chứa lượng nước ngầm) - Hạn hán kinh tế- xã hội: Là tượng nước không đủ cung cấp cho nhu cầu hoạt động kinh tế xã hội Loại hạn hán liên quan đến nguồn cung cầu số hàng hóa dịch vụ với yếu tố hạn hán khí tượng, hạn hán thủy văn hạn hán nơng nghiệp Ví dụ - nguồn cung số loại hàng hóa kinh tế nước thủy điện yếu tố phụ thuộc thời tiết Nhu cầu hàng hóa luôn tăng tăng lên dân số, mức tiêu thụ bình quân đầu người tăng Hạn hán kinh tế - xã hội xuất cầu vượt cung Nhiệt độ bề mặt Nhiệt độ bề mặt (LST): Nhiệt độ bề mặt đất (Land surface temperature - LST) định nghĩa nhiệt độ bề mặt trung bình xạ khu vực Với bề mặt đất trống, LST nhiệt độ mặt đất; với thảm thực vật dày, LST xem nhiệt độ bề mặt tán thực vật; với thảm thực vật thưa, nhiệt độ trung bình tán cây, thân lớp đất nằm thảm thực vật Nhiệt độ bề mặt thị quan trọng cân lượng bề mặt Trái đất hiệu ứng nhà kính Nó có mối liên hệ chặt chẽ với q trình biến đổi mơi trường đất, đồng thời phản ánh thay đổi thực vật Ví dụ, điều kiện khơ hạn, nhiệt độ bề mặt tăng cao số phản ánh thiếu nước thảm thực vật Nhiệt độ khơng khí bề mặt đất thường khác đáng kể so với LST thực tế, tùy thuộc vào điều kiện thời tiết loại hình lớp phủ Nhiệt độ khơng khí thường khơng biến đổi theo khơng gian rõ rệt LST nên đo dễ dàng Trong đó, LST liên quan chặt chẽ tới hoạt động sinh lý thảm thực vật, liên quan tới độ ẩm đất vùng thưa thớt Trong viễn thám, nhiệt độ bề mặt - LST hiểu nhiệt độ bề mặt trung bình tổ hợp trộn lẫn loại lớp phủ khác mặt đất phạm vi diện tích pixel thời điểm chụp ảnh Tư liệu ảnh MODIS Ảnh MODIS thu nhận từ hai hệ thống vệ tinh chính, bao gồm: MODIS Terra (phóng tháng 12/1999) MODIS Aqua (phóng tháng 6/2002) Với tầm quan sát lên đến 2.330 km, vệ tinh quan trắc gần tồn Trái Đất Ảnh MODIS có 36 kênh/băng phổ, với độ phân giải: 250, 500 1000 mét Ảnh MODIS có độ phân giải thời gian cao, cho phép thu ảnh hàng ngày ( tối đa thu ảnh ban ngày, ảnh ban đêm) Các sản phẩm ảnh tổ hợp MODIS có ảnh tổ hợp ngày, 16 ngày, hàng tháng, hàng quý hàng năm Kênh phổ phân bổ theo độ phân giải sau: + Kênh – 2: độ phân giải 250 m + Kênh – 7: độ phân giải 500 m + Kênh – 36: độ phân giải 1000 m Mặc dù độ phân giải không cao, với tầm phủ rộng, thời gian quan trắc liên tục đặc biệt miễn phí, ảnh MODIS nguồn tài liệu tham khảo giá trị cao nhà khoa học 36 kênh phổ giúp ảnh MODIS ứng dụng ngày nhiều lĩnh vực nghiên cứu Bảng Chi tiết kênh/băng phổ ảnh MODIS Kênh/ Băng phổ 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 Bước sóng Phản xạ (nm) 620–670 841–876 459–479 545–565 1230–1250 1628–1652 2105–2155 405–420 438–448 483–493 526–536 546–556 662–672 673–683 743–753 862–877 890–920 931–941 915–965 Bước sóng Phát xạ (nm) 3.660–3.840 3.929–3.989 3.929–3.989 4.020–4.080 4.433–4.498 4.482–4.549 1360–1390 6.535–6.895 7.175–7.475 8.400–8.700 9.580–9.880 10.780–11.280 11.770–12.270 13.185–13.485 13.485–13.785 13.785–14.085 14.085–14.385 Phân giải không gian (m) 250 250 500 500 500 500 500 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 Ứng dụng Nghiên cứu mặt đất, mây sol khí Nghiên cứu đặc tính lục địa, mây sol khí Nghiên cứu màu đại dương, thực vật phù du (phytoplankton), Sinh địa hóa Nghiên cứu mây, nước khí Nhiệt độ mây, nhiệt độ bề mặt Nhiệt độ khí quyển, nhiệt độ tầng đối lưu Nghiên cứu nước, mây ti Nghiên cứu đặc tính mây Nghiên cứu tầng Ozone Nhiệt độ bề mặt, nhiệt độ mây Nghiên cứu tầng mây Ảnh MODIS cung cấp kênh nhiệt hồng ngoại 20, 22, 23, 29, 31, 32 vùng “cửa sổ” 3700 - 4200nm 8400 – 13400nm để hiệu chỉnh ảnh hưởng khí quyển, tính tốn phát xạ nhiệt độ bề mặt Kênh 21 nằm vùng thiết kế riêng để phát cháy nên có khoảng độ nhạy thấp, khơng thích hợp cho việc xác định nhiệt độ bề mặt Kênh 30 rơi vào vùng hấp thụ Ozon Vì thế, LST thường tính từ nhiệt độ xạ kênh 31, 32 (trong dải sóng 10500 đến 12500nm) Trong nghiên cứu này, sản phẩm ảnh MOD11A2 ảnh tổ hợp trung bình ngày có độ phân giải khơng gian 1km sử dụng để tính tốn nhiệt độ bề mặt nhằm hạn chế tối đa ảnh hưởng mây Sản phẩm kiểm nghiệm NASA với độ xác 1oK điều kiện trời quang mây Nguồn down ảnh: http://reverb.echo.nasa.gov Phương pháp tiếp cận tính số khơ hạn Như đề cập trên, nhiệt độ bề mặt - LST xạ nhiệt độ trung bình bề mặt đất khu vực Trong viễn thám, hàm số thay đổi lớp phủ thực vật hàm lượng nước đất phạm vi điểm ảnh (pixel) Các nghiên cứu trước mối tương quan không gian số thực vật (NDVI) nhiệt độ bề mặt đất (LST) theo khái niệm bay hơi, thoát nước hợp phần lớp phủ thực vật (Hình 1) Theo đó, thay đổi nhiệt độ bề mặt có mối tương quan chặt chẽ với thay đổi lớp phủ thực vật hàm lượng nước bề mặt đất trống Đất trống khô - số thực vật thấp, nhiệt độ cao; đất trống ẩm - số thực vật thấp, nhiệt độ thấp Bên cạnh đó, phần trăm lớp phủ thực vật tăng, nhiệt độ bề mặt giảm Hình Đồ thị tương quan số thực vật (NDVI) với nhiệt độ bề mặt LST (Ts) Nghiên cứu trước cho thấy mối quan hệ nghịch LST NDVI phần lớn thay đổi độ che phủ thảm thực vật độ ẩm đất, rằng, nhiệt độ bề mặt tăng lên nhanh chóng theo mức độ thiếu nước Sử dụng đồ thị phân tán LST-NDVI phân biệt khu vực che phủ kín thực vật, với khu vực đất khơ, đất ẩm Đồ thị phân tán LST-NDVI sử dụng nhiều ứng dụng liên quan đến nước cân lượng, ứng dụng liên quan đến độ ẩm đất, cho biết tình trạng hạn hán, ứng dụng để dự đốn nhiệt độ lớp khơng khí sát bề mặt đất,… Mối quan hệ LST – NDVI cho thấy nhiều thông tin so với chuỗi số liệu NDVI hay LST riêng biệt nhà nghiên cứu rằng, NDVI không nhạy với thiếu nước thực vật thực vật xanh giai đoạn đầu hạn hán Mà nhiệt độ bề mặt trái đất thu từ kênh nhiệt từ ảnh vệ tinh lại thị tốt cho dòng nhiệt ẩn Nhiệt độ bề mặt tăng lên nhanh thực vật thiếu nước lớp phủ thực vật có tác động đáng kể đến việc xác định nhiệt độ bề mặt Như vậy, LST NDVI kết hợp với cung cấp thông tin điều kiện sức khỏe thực vật độ ẩm bề mặt trái đất Nói cách khác, phân tích mối tương quan số thực vật nhiệt độ bề mặt thị cho đánh giá mức độ khô hạn trồng – hạn hán nông nghiệp Nhiệt độ bề mặt đất (LST) tính từ liệu kênh hồng ngoại nhiệt ảnh MODIS nguồn cung cấp thơng tin quan trọng hữu ích tình trạng bề mặt đất ứng dụng rộng rãi để nghiên cứu tương tác lượng bề mặt đất Phương pháp kết hợp số thực vật NDVI LST đề xuất để xác định trạng thái trữ nước lớp phủ Trong trường hợp hạn hán, LST sử dụng thị đất ước tính mức độ thiếu nước thực vật điều kiện khơ hạn phụ thuộc trực tiếp vào thiếu hụt độ ẩm đất, thiếu hụt khiến nhiệt độ nhiệt độ bề mặt tăng lên Chỉ số mức khô hạn TVDI (Temperature Vegetation Dryness Index) Sau quan sát mối quan hệ NDVI LST, để lượng hóa quan hệ NDVI LST, Sandholt (2002) đề xuất sử dụng số khô hạn nhiệt độ - thực vật TVDI (Temperature Vegetation Dryness Index) xác định theo cơng thức sau: Trong đó, Ts nhiệt độ bề mặt cực tiểu, Ts nhiệt độ quan sát điểm ảnh cần tính, Ts max nhiệt độ bề mặt cực đại quan sát cho khoảng giá trị NDVI Tham số a b hệ số tính cho cảnh MODIS thông qua hàm hồi quy bình phương tối thiểu giá trị cực đại Ts khoảng giá trị NDVI Chỉ số mức độ khơ hạn thơng thường có khoảng giá trị từ -1 đến Trong nghiên cứu này, mức độ cảnh báo khô hạn xác định tương ứng với ngưỡng giá trị số TVDI sau: Bảng Mức độ cảnh báo khô hạn tương ứng với ngưỡng giá trị TVDI (adapted from Mauro E Holzman Raúl E Rivas, 2015) Mức độ cảnh báo khô hạn Rất khô hạn Ngưỡng giá trị TVDI 0,7 – Khơ hạn 0,55 – 0,7 Có nguy khô hạn 0,4 – 0,55 Chưa khô hạn Thang màu cảnh báo < 0,4 Danh sách sản phẩm ảnh tổ hợp ngày sử dụng để tính số mức độ khô hạn thực vật TVDI (một số ảnh tổ hợp ngày không sử dụng nhiều mây che phủ) thống kê Bảng Bảng Danh sách ảnh tổ hợp sử dụng tính số khơ hạn TVDI Julian day Ảnh tổ hợp ngày Ghi Base line cho thời điểm Tháng 9/2015 ảnh tổ hợp 32 ngày không hạn vào cuối mùa mưa 2015-297 ngày từ 24 – 31/10/2015 2015-313 ngày từ 09 – 16/11/2015 2015-321 ngày từ 17 – 24/11/2015 2015-329 ngày từ 25/11 – 02/12/2015 2015-337 ngày từ 03 – 10/12/2015 2015-345 ngày từ 11 – 18/12/2015 2015-353 ngày từ 19 – 26/12/2015 2015-361 ngày từ 27 – 31/12/2015 STT 10 2016-001 ngày từ 01 – 08/01/2016 11 2016-009 ngày từ 09 – 16/01/2016 12 2016-017 ngày từ 17 – 24/01/2016 13 2016-025 ngày từ 25/01 – 02/02/2016 14 2016-041 ngày từ 10 – 17/02/2016 15 2016-083 ngày từ 20 – 24/03/2016 Cập nhật đến thời điểm gần Kết ban đầu Kết đánh giá sơ cho thấy tình trạng khô hạn diễn biến diện rộng lớn thời điểm gần từ 20 đến 24/3/2016 khu vực Tây Nguyên, tập trung hai tỉnh Gia Lai Đắc Lắc Riêng khu vực tỉnh Khánh Hòa, Ninh Thuận, Bình Thuận ln trì nhiệt độ bề mặt cao mùa khô (từ cuối 2015 đến nay) đặc thù khí hậu, địa hình thảm phủ thực vật địa bàn (Hình 2) Với trường hợp điển hình khơ hạn ngày tháng 3, đồ mức độ hạn cho huyện tỉnh xây dựng dựa tỷ lệ phần trăm diện tích bị khô hạn khô hạn nặng tổng diện tích huyện 10 11 12 Hình Các đồ cảnh báo mức độ khô hạn địa bàn Tây Nguyên tỉnh Nam Trung Bộ mùa khơ năm 2015-2016 13 Hình Bản đồ đánh giá mức độ khô hạn tỉnh Tây Nguyên Nam Trung Bộ 14 15 Tài liệu tham khảo: Shunlin Liang (2004), Quantitative remote sensing of Land surface Wiley publisher Add… 16