(Luận văn thạc sĩ) ứng dụng công nghệ viễn thám tính toán độ ẩm đất khu vực bắc tây nguyên và tây nghệ an

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ******* NGÔ THỊ DINH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM TÍNH TỐN ĐỘ ẨM ĐẤT KHU VỰC BẮC TÂY NGUYÊN VÀ TÂY NGHỆ AN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ******* Ngơ Thị Dinh ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ VIỄN THÁM TÍNH TỐN ĐỘ ẨM ĐẤT KHU VỰC BẮC TÂY NGUN VÀ TÂY NGHỆ AN Chuyên ngành: Địa chất môi trƣờng Mã số : 8440201.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHỦ TỊCH HỒI ĐỒNG HƢỚNG DẪN KHOA HỌC GS TS Mai Trọng Nhuận PGS.TS Nguyễn Thị Thu Hà Hà Nội – 2018 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, học viên xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Thị Thu Hà, người trực tiếp giảng dạy, hướng dẫn học viên suốt thời gian hoàn thành Luận văn thạc sĩ khoa học Đồng thời, học viên chân thành cảm ơn thầy, cô khoa Địa chất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên nhiệt tình giảng dạy cho học viên suốt chương trình đạo tạo thạc sĩ Học viên xin gửi lời cảm ơn đến anh/chị/em bạn bè đồng nghiệp nhóm nghiên cứu thuộc mơn Địa chất mơi trường, Phịng thí nghiệm Cơ học đất địa kỹ thuật môi trường (Soil Mechanics and Geotechnical Engineering) – Đại học Kumamto phịng thí nghiệm Địa kỹ thuật mơi trường (Environmental Geosphere Engineering) – Đại học Kyoto, Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng điện 1, Viện địa lý Đề tài “Nghiên cứu xây dựng mơ hình phát triển bền vững tích hợp 3E+1 (Kinh tế, mơi trường, hệ sinh thái an ninh phi truyền thống) cho khu vực biên giới Việt – Lào vùng Tây Bắc” mã số KHCN-TB/13-18 tạo điều kiện giúp đỡ cho học viên hoàn thành luận văn Cuối cùng, học viên xin gửi lời cảm ơn đến gia đình ln quan tâm, chia sẻ khó khăn ủng hộ học viên suốt trình học tập nghiên cứu Hà Nội, ngày 28 tháng 06 năm 2018 Học viên Ngô Thị Dinh MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH I DANH MỤC BẢNG III CÁC CHỮ VIẾT TẮT IV MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VÙNG NGHIÊN CỨU VÀ LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU 1.1 TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊ CỨU .4 1.1.1 Đặc điểm tự nhiên 1.1.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội 19 1.1.3 Hiện trạng sử dụng đất .21 1.2 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU 25 1.2.1 Ứng dụng cơng nghệ viễn thám tính tốn độ ẩm đất .25 1.2.2 Sử dụng ảnh vệ tinh quang học tính tốn độ ẩm đất 25 1.2.3 Các cơng trình nghiên cứu có liên quan khu vực Tây Nguyên 27 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .30 2.1 THU THẬP, TỔNG HỢP TÀI LIỆU VÀ DỮ LIỆU ẢNH SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU .30 2.1.1 Tổng hợp tài liệu 30 2.1.2 Dữ liệu ảnh vệ tinh 30 2.2 PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT THỰC ĐỊA VÀ THU THẬP MẪU 32 2.3 PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ ẢNH 34 2.4 PHƢƠNG PHÁP TÍNH ĐỘ ẨM CỦA ĐẤT TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM .37 2.5 PHƢƠNG PHÁP ĐO PHỔ TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM 38 2.6 PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THỐNG KÊ 40 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41 3.1 MỐI QUAN HỆ CỦA ĐẤT VÀ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH LANDSAT .41 3.1.1 Đặc trƣng mẫu đất khu vực Bắc Tây Nguyên 41 3.1.2 Phổ phản xạ đất khu vực Bắc Tây Nguyên 44 3.2 MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ ẨM ĐẤT VÀ PHỔ PHẢN XẠ 49 3.3 GIÁM SÁT BIẾN ĐỘNG CỦA ĐỘ ẨM ĐẤT Ở BẮC TÂY NGUYÊN 51 3.3.1 Biến động độ ẩm đất khu vực Bắc Tây Nguyên .51 3.3.2 Áp dụng độ ẩm đất vào giám sát hạn hán khu vực Bắc Tây Nguyên 54 3.4 GIÁM SÁT ĐỘ ẨM ĐẤT Ở TÂY NGHỆ AN 58 3.4.1 Kiểm chứng mối quan hệ đất phổ phản xạ 58 3.4.2 Mối quan hệ phổ phản xạ đất với kênh ảnh Landsat 59 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Vị trí khu vực Bắc Tây Nguyên Tây Nghệ An Hình 1.2 Bản đồ độ dốc tỉnh Kon Tum [3] Hình 1.3 Bản đồ độ dốc tỉnh Gia Lai [3] Hình 1.4 Bản đồ địa hình xã Nậm Cắn Hình 1.5 Bản đồ địa chất xã Nậm Cắn 10 Hình 1.6 Sơ đồ phân bố lượng mưa nhiệt độ Việt Nam [21] 11 Hình 1.7 Đất feralit vàng đỏ phát triển đá cát kết 19 Hình 1.8 Đất feralit vàng đỏ phát triển đá vôi Noọng Dẻ 19 Hình 1.9 Đất feralit vàng đỏ phát triển đá phiến sét .19 Hình 1.10 Đất feralit mùn vàng núi khu vực Huồi Pốc .19 Hình 1.11 Bản đồ kế hoạch sử dụng đất kỳ cuối (2016-2020) tỉnh Nghệ An 23 Hình 1.12 Các loại đất khu vực hệ thống sơng Mê Kơng theo bảng phân loại FAO/UNESCO [62] cho thấy khu vực Bắc Tây Nguyên khu vực Nậm Cắn (khu vực vng màu đỏ) có nhóm đất đỏ vàng (ferric acrisols) 24 Hình 2.1 Sơ đồ mạng lưới khảo sát khu vực Bắc Tây Nguyên 33 Hình 2.2 Sơ đồ mạng lưới khảo sát khu vực Nậm Cắn, Kỳ Sơn, Nghệ An 33 Hình 4.8 Một số vị trí lấy mẫu (a, b) phẫu diện mẫu đất thu thập (c, d) Nậm Cắn, Kỳ Sơn, Nghệ An 34 Hình 2.3 Quy trình phương pháp xử lý ảnh landsat oli để có liệu Landsat Surface Reflectance Level [68] .35 Hình 2.4 Các mẫu đất chuẩn bị để đo độ ẩm đất PTN Cơ học đất địa kỹ thuật môi trường – trường đại học Kumamoto 37 Hình 2.5 Các mẫu đất chuẩn bị để đo phổ PTN Địa kỹ thuật môi trường - đại học Kyoto 38 Hình 2.6 Đo phổ phản xạ đất sử dụng máy đo phổ fieldspec®3 PTN Địa kỹ thuật môi trường - đại học Kyoto 39 Hình 3.2 Phổ phản xạ đất, nước thực vật [84] 44 Hình 3.3 Phổ phản xạ mẫu đất nghiên cứu với độ ẩm 0% .44 Hình 3.4 Phổ phản xạ mẫu BTN 01 gia công theo mức độ ẩm khác từ khô (0 %) đến bão hịa (50,5 %) vị trí kênh phổ ảnh Landsat 45 Hình 3.5 Phổ phản xạ mẫu BTN 02 gia công theo mức độ ẩm khác từ khô (0 %) đến bão hịa (54,0 %) vị trí kênh phổ ảnh Landsat 46 Hình 3.6 Phổ phản xạ mẫu BTN 03 gia công theo mức độ ẩm khác từ khô (0 %) đến bão hịa (44,7 %) vị trí kênh phổ ảnh Landsat 47 i Hình 3.7 Phổ phản xạ mẫu BTN 07 gia công theo mức độ ẩm khác từ khô (0 %) đến bão hịa (54,6%) vị trí kênh phổ ảnh Landsat 48 Hình 3.8 Phổ phản xạ mẫu BTN 08 gia công theo mức độ ẩm khác từ khơ (0 %) đến bão hịa (56,7 %) vị trí kênh phổ ảnh Landsat 48 Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ tuyến tính cao độ ẩm đất (sm) kênh phổ hồng ngoại sóng ngắn (a), tỷ số kênh phổ hồng ngoại sóng ngắn kênh phổ cận hồng ngoại (b6/b5) (b), tỷ số kênh phổ cận hồng ngoại kênh phổ hồng ngoại sóng ngắn (b5/b7) (c), số NSMI (d), số NMDI (e) ứng với dải sóng ảnh Landsat 51 Hình 3.10 Sơ đồ thể thay đổi độ ẩm đất khu vực Bắc Tây Nguyên năm 2015 52 hình 3.11 Biểu đồ thể diện tích theo độ ẩm đất khu vực Bắc Tây Nguyên năm 2015 53 Hình 3.12 Sơ đồ độ ẩm đất khu vực Bắc Tây Nguyên tính toán từ ảnh Landsat (a) so sánh với kết tính tốn số hạn hán NDDI (b) Hà nnk [56] năm 2015 54 Hình 3.13 Sơ đồ độ ẩm đất khu vực Bắc Tây Ngun tính tốn từ ảnh Landsat (a) so sánh với kết tính tốn số hạn hán NDDI (b) Hà nnk [56] năm 2016 55 Hình 3.14 Mối quan hệ phổ phản xạ độ ẩm đất khu vực Nậm Cắn vị trí kênh phổ ảnh Landsat .58 Hình 3.15 Đồ thị so sánh kênh phổ phản xạ đất thực tế, phổ phản xạ đất chiết suất từ ảnh Landsat Level ảnh Landsat Level kênh kênh 59 Hình 3.16 Độ ẩm đất thực tế đo độ ẩm đất chiết suất từ ảnh theo phương pháp DOS cho ảnh landsat Level ảnh Landsat Level 60 Hình 3.17 Biểu đồ thể diện tích theo độ ẩm đất khu vực Nghệ An năm 2015 60 Hình 3.18 Sơ đồ biểu diễn biến động độ ẩm đất khu vực Nghệ An 61 Hình 3.19 Bản đồ hạn hán Việt Nam [37] 62 ii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Diện tích phân bố chủ yếu loại đất Kon Tum [5, 20] 16 Bảng 1.2 Diện tích phân bố chủ yếu loại đất Gia Lai [4] 17 Bảng 1.3 Hiện trạng sử dụng đất Kon Tum Gia Lai năm 2015 [31, 34] 21 Bảng 1.4 Hiện trạng sử dụng đất năm 2016 huyện Kỳ Sơn, tỉnh Nghệ An 23 Bảng 2.1 Danh sách cảnh ảnh Landsat sử dụng nghiên cứu .31 Bảng 3.1 Mối quan hệ đá mẹ đất khu vực gia lai [4] 41 Bảng 3.2 Mối quan hệ đá mẹ đất khu vực Kon Tum [5] 42 Bảng 3.3 Thành phần độ hạt mẫu đất nghiên cứu 43 Bảng 3.4 Độ ẩm mẫu đất khu vực Bắc Tây Nguyên 43 Bảng 3.5 Bảng thể mối quan hệ độ ẩm đất với kênh phổ 50 Bảng 3.6 Diện tích theo độ ẩm đất khu vực Bắc Tây Nguyên năm 2016 56 Bảng 3.7 Diện tích hạn hán theo đơn vị hành khu vực Bắc Tây Nguyên năm 2016 [24] 56 Bảng 3.8 Sự tương quan độ ẩm đất với yếu tố khí hậu khu vực chịu ảnh hưởng hạn hán năm 2015 57 iii CÁC CHỮ VIẾT TẮT Diện tích tự nhiên DTTN DOS Dark of Substraction OLI Operational Land Imager NDDI Normal Difference Drought Index NDVI Normalized Difference Vegetation Index NDWI Normalized Difference Water Index NMDI Normalized Multi-band Drought Index NSMI Normalized Soil Moisture Index L8SR Landsat Surface Reflectance Level SD Standard Deviation SEE Standard Error Estimate SM Soil Moisture SMC Soil Moisture Content SMAP Soil Moisture Active/Passive SMOS Soil Moisture and Ocean Salinity SWIR Shortwave infrared reflectance SWIR Shortwave infrared reflectance TOA Top of Atmosphere USGS United States Geological Survey iv MỞ ĐẦU Độ ẩm đất thông số quan trọng cần quan trắc để cung cấp thông tin phát triển thực vật, quản lý trồng, giảm thiểu rủi ro thiên tai gây lũ lụt hạn hán Bên cạnh đó, độ ẩm đất tầng mặt dễ bị thay đổi thay đổi điều kiện khí hậu xạ mặt trời, lượng mưa bốc nên theo dõi dự thay đổi độ ẩm đất góp phần hiểu rõ q trình biến đổi khí hậu dự báo xác thay đổi khắc nghiệt khí hậu Trong thập kỷ gần đây, phương pháp viễn thám sử dụng nghiên cứu để đo nhanh lập đồ độ ẩm đất bề mặt quy mô không gian rộng lớn Mặc dù phương pháp viễn thám quang học phương pháp sóng cao tần sử dụng để tính tốn độ ẩm đất phương pháp sóng cao tần sử dụng nhiều phương pháp không chịu ảnh hưởng ảnh sáng mặt trời che phủ mây Tuy nhiên, phương pháp sóng cao tần thụ động có độ phân dải thấp (AMSR-E: km, SMOS: 50 km) khơng thích hợp để theo dõi thay đổi độ ẩm đất quy mô địa phương, phương pháp sóng cao tần chủ động có độ phân giải tốt (10 – 100 m) chưa phù hợp để giám sát độ ẩm đất mùa khô vùng nhiệt đới thời gian ngắn u cầu chi phí cao Do đó, kết hợp phương pháp viễn thám quang học sóng cao tần để giám sát độ ẩm đất khuyến khích áp dụng Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat dùng để quan trắc thay đổi hoạt động nhân tạo (độ che phủ đất, thị hóa, phá rừng, ) trình tự nhiên (chu trình thủy văn, mơi trường nước, thảm thực vật) 40 năm qua Ngoài ra, hệ vệ tinh Landsat (TM, ETM+, OLI) cung cấp liệu để phát thay đổi theo mùa đối tượng mặt đất với quy mơ khơng gian rộng lớn Đối với mục đích theo dõi độ ẩm đất, Landsat Landsat sử dụng để tính tốn trực tiếp độ ẩm đất từ kênh phổ mà chủ yếu tính tốn cách sử dụng kết hợp số thực vật (chỉ số thực vật – NDVI, số độ khô hạn nhiệt độ thực vật – TVDI) nhiệt độ bề mặt (Land Surface Temperature – LST) Mặc dù vệ tinh Landsat Mỹ phóng thành cơng lên quỹ đạo năm 2013 liệu sử dụng để nghiên cứu tính tốn độ ẩm đất số nghiên cứu Tuy nhiên, nghiên cứu trước chưa làm rõ mối quan hệ kênh ảnh Landsat mức độ ẩm đất Chính vậy, mơ hình thực nghiệm tính tốn độ ẩm đất phát triển dựa quan hệ tuyến tính phổ phản xạ độ ẩm đất với số thực vật NDVI, số nước, nhiệt độ bề mặt, Diện tích bị hạn hán (tính đến ngày 24/03/2016) DTTN (km2) Diện tích bị hạn (km2) % Hạn Diện tích bị hạn cao (km2) % Hạn cao Huyện Đức Cơ 720.657 400 55.6 162 22.5 Huyện Ia Grai 1154.081 523 45.2 65 5.6 Huyện Ia Pa 870.865 258 30.6 184 21.8 Huyện KBang 1842.748 300 16.3 165 9.0 Huyện Kông Chro 1449.283 356 24.5 480 33.0 Huyện Krông Pa 1917.399 745 38.9 457 23.8 Huyện Mang Yang 1129.070 447 39.8 235 20.9 Huyện Phú Thiện 505.630 110 22.0 291 58.2 Thành phố Pleiku 227.634 139 60.7 30 13.1 Tỉnh, huyện Như vậy, thông qua giám sát độ ẩm đất quan trắc tình trạng hạn hán xảy khu vực Bắc Tây Nguyên dựa tỷ số kênh phổ cận hồng ngoại hồng ngoại sóng ngắn (B5/B7) phương trình hàm số logarit Từ cảnh báo, giảm nhẹ thiệt hại hạn hán gây ngành nông nghiệp đời sống người dân khu vực Bảng 3.8 Sự tƣơng quan độ ẩm đất với yếu tố khí hậu khu vực chịu ảnh hƣởng hạn hán năm 2015 Nhiệt độ Độ ẩm Diện tích Lượng khơng khí khơng khí khơng mưa (mm) trung bình trung bình hạn (ha) Diện tích hạn trung bình (ha) Diện tích hạn nặng (ha) SM