4 GISConference2015 tuong quan giua LST NDVI full text final

TƯƠNG QUAN GIỮA CHỈ SỐ THỰC VẬT (NDVI) VÀ NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT KHU VỰC VƯỜN QUỐC GIA PHONG NHA – KẺ BÀNG (CORRELATION BETWEEN LAND SURFACE TEMPERATURE AND VEGETATION INDEX (NDVI): PHONG NHA – KE BANG NATIONAL PARK) Võ Văn Trí (1), Trần Xuân Mùi(1), Lê thị Phương Lan(1) (1) Phòng Khoa học Hợp tác quốc tế, Ban quản lý Vườn quốc gia Phong Nha - Kẻ Bàng Xã Sơn Trạch, huyện Bố Trạch, tỉnh Quảng Bình Email: research.pnkb@gmail.com Tóm tắt Ảnh viễn thám Landsat với kênh có bước sống khác phản ảnh độ xanh thực vật số NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) nhiệt độ bề mặt đất LST (Land Suface Temprature) Phân tích mối quan hệ nhiệt độ bề mặt đất - số thực vật (LST-NDVI) ảnh Landsat năm tháng 4/2014 cho thấy vùng có số thực vật cao, nhiệt độ bề mặt thấp ngược lại Hơn nữa, qua kết nghiên cứu sở để xác định độ che phủ, diễn biến tài nguyên xây dựng hệ thống cảnh báo thảm họa cháy rừng Vườn quốc gia Phong Nha - Kẻ Bàng Từ khoá:, NDVI, nhiệt độ, tương quan, nhiệt độ bề mặt Abstract Landsat images with different wavelengths reflects the green degree of the vegetation by index NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) and land surface temperature LST (Land surface temperature) The research focuses on the analysis of the correlation between land surface temperature - vegetation index (NDVI-LST) in April, 2014 The results show areas, where are concentrated high vegetation , are low surface temperature, and vice versa Moreover, the results are the basis for determining coverage, natural resources variation and building disaster warning system for forest fires in the Phong Nha - Ke Bang National Park Keywords: vegetation index, NDVI, temperature, relative I ĐẶT VẤN ĐỀ Vườn quốc gia Phong Nha - Kẻ Bàng (hình 1) nằm phía Tây tỉnh Quảng Bình trải rộng diện tích 123,326 với 03 loại địa hình, karst, chuyển tiếp phi karst Địa hình karst cổ, hình thành từ kỷ Paleozic - 450 triệu năm, rộng lớn khu vực Đông Nam Châu Á, trải qua giai đoạn phát triển chứa đựng chứng kiến tạo vỏ Trái đất [1] Hơn nữa, Phong Nha - Kẻ Bàng nơi hữu 90% rừng ngun sinh bị tác động; có ngành, 201 họ, 972 chi, 2934 lồi thực vật có mạch; ngơi nhà 829 lồi động vật có xương sống, đó, có 153 lồi thú, 151 lồi lưỡng cư - bị sát, 303 lồi chim 212 lồi cá Đặc biệt, khu vực nơi giàu bậc loài linh trưởng - 10 loài, chiếm 50% số lồi linh trưởng cơng bố Việt Nam Hình Ví trí nghiên cứu Phong Nha - Kẻ Bàng nằm khu vực khí hậu nhiệt đới ẩm gió; mùa mưa từ tháng đến tháng năm sau, mù khô từ tháng đến tháng Lượng mưa trung bình hàng năm 1.600 2.800mm mùa mưa, nhiệt độ trung bình 24 – 25oC mùa khô [2] Ứng dụng Viễn thám phân kênh phổ để phân tích hỗ trợ cơng tác dự báo giải pháp chọn lựa khu vực phức tạp rộng lớn Vườn quốc gia Phong Nha – Kẻ Bàng Đặc biệt, trường hợp làm rõ mối quan hệ thảm thực vật lớp nhiệt bề mặt Trên sở liệu viễn thám ta xác định đặc trưng quang phổ khác của bề mặt Trái đất Trong đặc trưng quang phổ quan trọng viễn thám quang phổ thực vật Chỉ số NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) xác định dựa phản xạ khác thực vật thể kênh phổ thấy Vi (visible) kênh phổ cận hồng ngoại NIR (near infrared) Dùng để biểu thị mức độ tập trung thực vật mặt đất Độ che phủ cao phản xạ thấp vùng Visible phản xạ cao vùng NIR phản xạ mạnh vùng sóng NIR giá trị thu ảnh cao [3] Giá trị NDVI có giá trị âm cho thấy Vi có độ phản xạ cao độ phản xạ NIR (near infrared), nơi thực vật, thể mặt nước hay mây phủ Cây cối khoẻ mạnh phản xạ thấp vùng sóng Visible phản xạ cao vùng NIR; khoẻ phản xạ mạnh vùng sóng NIR giá trị thu ảnh cao [4] Chỉ số NDVI cho biết sai khác loại thực vật khác thời điểm khác qua xác định biến động lớp phủ bề mặt Ứng dụng số NDVI với độ phân giải cao đầu vào cần thiết để xây dựng kịch hỗ trợ cơng tác phịng ngừa cháy rừng quy mô từ vừa đến lớn Qua nghiên cứu đồng cỏ Northern Plains, Mỹ cho thấy, số thực vật cao bắt đầu vào mùa xuân chấm dứt điều kiến khô nhiệt độ lạnh mùa thu [5] Phản hồi nhiệt độ bề mặt hàm số thay đổi lớp phủ thực vật hàm lượng nước đất, Lambin Ehrlich, cho thay đổi nhiệt độ bề mặt tương quan cao với thay đổi hàm lượng nước bề mặt đất trống [6] Đất trống khô – số thực vật thấp, nhiệt độ cao, đất trống ẩm – số thực vật thấp, nhiệt độ thấp Khi phần trăm lớp phủ thực vật tăng, nhiệt độ bề mặt giảm Do đó, ảnh tương quan TNDVI cho nhiều thông tin so với ảnh NDVI hay nhiệt độ riêng biệt [7] Thơng qua phân tích mối tương quan nhiệt độ bề mặt số thực vật để biệt mối quan hệ nhiệt số thực vật từ đưa mức cảnh báo lập đồ cảnh báo cháy rừng Vườn quốc gia Phong Nha - Kẻ Bàng II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Vật liệu Ảnh vệ tinh Landsat 8, (LC81260482014108LGN 00) chụp tháng năm 2014 hiệu chỉnh sử dụng phân tích Trong đó, kênh nhiệt (band 10) sử dụng để chiết tách thông tin nhiệt độ; band band dùng để tính tốn số thực vật Hình 2: Các kênh ảnh Landsat sử dụng Tính số thực vật (NDVI) NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) tính cơng thức: NDVI = (Near infrared – Red)/(Near infrared + Red) Trong môi trường phần mềm Envi mở trình tính NDVI Bar menu: - Transform/ NDVI Hoặc: - Basic Tools/ Band Maths Nhập biểu thức: (float(b5)-float(b4))/ (float(b5)+float(b4)) Chọn B5 = Band 5; B4 = Band Tính giá trị nhiệt độ bề mặt (LST) * Chuyển đổi giá trị số (DN) sang giá trị xạ phổ (Lλ) Dữ liệu Landsat thu nhận dạng ảnh số Do cần phải chuyển đổi giá trị liệu ảnh số sang giá trị xạ phổ giá trị phản ánh lượng phát từ vật thể thu nhận kênh nhiệt Việc chuyển đổi thực theo biểu thức sau: Radiance = Lλ ((LMAX - LMIN) (QCALMAX QCALMIN)) * (QCAL QCALMIN) + LMIN = / - - QCAL = giá trị xạ hiệu chỉnh tính định lượng dạng số nguyên - QCALMIN = - QCALMAX = 65535 - LMIN LMAX giá trị xạ phổ dạng số nguyên, kênh 10 0.10033 22.00180 - Đơn vị Lλ W/ (m2.sr.µm) (Thơng tin lấy từ file *met ảnh vệ tinh) * Chuyển đổi giá trị xạ phổ sang nhiệt độ Ảnh kênh 10 Landsat chuyển đổi từ giá trị xạ phổ sang biến vật lý hữu ích Đây nhiệt độ hiệu vệ tinh (nhiệt độ vật thể đen) hệ thống nhìn từ Trái đất - khí giả thiết phát xạ Cơng thức chuyển đổi tính theo cơng thức Planck: T = K2/ln(K1/Lλ + 1) - T = Nhiệt độ hiệu vệ tinh (Đơn vị Kelvin) K1 = 774.89 W/m2.sr.µm: Hằng số hiệu chỉnh - K2 = 1321.08 K: Hằng số hiệu chỉnh - Lλ: Giá trị xạ phổ (W/m2.Ster.µm) * Chuyển nhiệt độ Kelvin đơn vị Celcius (oC) - Giá trị nhiệt độ tính theo oC: T(oC) = T (Kelvin) 273.16 - Chuyển giá trị nhiệt dạng số nguyên: Fix(T) = T(oC) III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Chỉ số thực vật năm 2014 Chỉ số thực vật khu vực Phong Nha - Kẻ Bàng phân 10 bậc Qua phân tích cho thấy giá trị từ - 0,06 đến 0,59 Bảng 1: Chỉ số thực vật diện tích NDVI Diện tích vùng nhiệt (ha) cao nhiệt độ thấp thường bề mặt 0.45 khơng có lớp thực vật mà thay vào mặt 459.36 nước, đất trống khu dân 8861.31 cư 37764.60 -0.06 - 0.02 0.02 - 0.08 44697.30 0.08 - 0.14 0.14 - 0.20 8142.30 0.20 - 0.26 0.26 - 0.32 163.17 0.32 - 0.38 0.38 - 0.44 0.44 - 0.50 0.50 - 0.59 Qua bảng cho thấy diện tích lớn nhất, 53.254 nằm giá trị NDVI 0,44; tiếp đến 37,896ha nằm giá trị 0,50; diện tích 22,226ha nằm khoảng giá trị NDVI 0.38; diện tích 1,089 nằm giá trị NDVI 0,59 Các giá trị NDVI mức thấp, 0,08 - 0,38, 7,213ha Như vậy, cho thấy khu vực có số NDVI cao chứng tỏ thảm thực vật tốt, độ che phủ cao 19419.80 2333.34 8.46 Hình cho thấy nhiệt độ khu vực cao 24 – 33 độ C, chiếm diện tích lớn nhất, 44697,3 nằm giá trị nhiệt độ 28 độ C, tiếp đến 37764,6 nằm giá trị 27 độ C, diện tích 19419,8 nằm giá trị 29 độ C; thang nhiệt 26 độ C, 30 độ C có diện tích 8000ha Các giá trị nhiệt độ thấp 24 – 25 độ C mức cao 32 – 33 độ C 459,8ha 171,63ha Tương quan NDVI LST Nhiệt độ bề mặt năm 2014 Nhiệt bề mặt chia thành 10 thang nhiệt từ 240C đến 330C sở kênh nhiệt của ảnh Landsat ghi nhận Hình 5: Biểu đồ nhiệt độ số thực vật Hình 3: Bản đồ số thực vật năm 2014 Hình 4: Bản đồ nhiệt độ năm 2014 Bảng 2: Nhiệt độ diện tích Qua hình ta thấy, giá trị NDVI từ 0,38 – 0,59 nằm ngưỡng nhiệt độ thấp từ 24 – 26 độ C; giá trị NDVI giữ ổn định 0,59 ngưỡng nhiệt 26 – 32 độ C; đến thang nhiệt 33 độ C giá trị NDVI lại giảm xuống 0,44 Điều chứng tỏ ngưỡng nhiệt độ thấp cao giá trị NDVI nhỏ Qua q trình chiết tách thơng tin nhiệt độ phân tích lớp phủ bề mặt cho thấy, khu vực nhiệt độ Hình 6: Biểu đồ diện tích nhiệt độ số thực vật Chúng tiến hành chiết tách thơng tin diện tích số thực vật (NDVI) diện tích nhiệt độ hình Trong nghiên cứu này, lớp nhiệt số thực vật chia thành 10 lớp tương ứng với diện tích tính theo đơn vị (ha) Biểu đồ cho thấy lớp nhiệt độ lớp số thực vật có biến thiên đồ thị giá trị diện tích tương đồng nhau, pha giá trị có chênh lệch theo xu hướng giảm dần từ cực đại xuống đến cực tiểu, cụ thể: giá trị cực đại nhiệt độ 44697,30ha, NDVI 53253ha (lệch gần 10.000 ha) đến giá trị cực tiểu diện tích nhiệt độ 0,45ha, NDVI 4,68 (lệch 4ha) Hơn nữa, trường hợp ngưỡng nhiệt độ thấp ngưỡng nhiệt độ cao nhất, diện tích chênh lệch so với ngưỡng NDVI thấp cao không lớn; đó, mức giá trị cịn lại có chênh lệch lớn giá trị diện tích Điều chứng tỏ, lớp nhiệt độ NDVI có tương đồng mà thể rõ mức giá trị nhỏ lớn Hình 7: Biểu đồ hệ số tương quan LST - NDVI Để rõ hơn, mối tương quan LST - NDVI phân tích qua xác định mức độ quan hệ Theo hình ta có tương quan hai yếu tố R2 =0,9858 Hệ số tương qua phản ánh mối qua hệ tập hợp biến, LST NDVI tương quan dương quan hệ tuyệt đối chặt Do khẳng định nhiệt độ bề mặt có chi phối đáng kể lớp phủ thực vật chọn phân tích đầu nguồn sơng Son, với nhiệt độ lịng sơng nằm khoảng 28 – 29 độ C, thấp khu vực xung quanh – độ C; tương ứng với phạm vi nhiệt giá trị NDVI phần lớn nằm khoảng 0, 14 – 0,32, thấp hẳn so với khu vực xung quanh, thể hình ảnh màu sắc nhạt Như vậy, vùng đất bề mặt nước có nhiệt độ thấp phần lớn nhiệt bị hấp thu, số NDVI thấp thực vật Ảnh viễn thám với nhiều kênh phổ khác nguồn thơng tin hữu ích cho ta phân tích lớp nhiệt, lớp số NDVI mức giá trị chúng để xác định quy mô không gian số thực vật nhiệt bề mặt Để minh họa chi tiết cho tương quan tiến hành chồng lớp số thực vật lên lớp nhiệt (hình 8a) chồng lớp nhiệt lên số thực vật (hình 8b) Qua hình 8a, cho thấy vùng có nhiệt độ thấp tương ứng với màu sắc đỏ nhạt nhiệt độ cao có màu đỏ đậm Hình bên 8b, màu xanh nhạt ứng với giá trị NDVI thấp màu xanh đậm ứng với giá trị NDVI cao; khu vực lựa [1] UNESCO, 2003 Công nhận Vườn quốc gia Phong Nha Kẻ Bàng Di sản Thiên nhiên giới với tiêu chí địa chất địa mạo Hội nghị thường niên lần thứ 27 diễn Paris – Pháp, tháng 3/2003 [2] Nguyễn Đức lý, Ngô Hải Dương, Nguyễn Đại, 2013 Khí hậu thủy văn Quảng Bình Hà Nội, Việt Nam: NXB Khoa học Kỹ thuật, 2013 [sách] [3] Chỉ số thực vật NDVI [online] http://en.wikipedia.org/wiki/Norm alized_Difference_Vegetation_Ind ex [4] Robert E Burgan, Roberta A Hartford, Jeffery C Eidenshink, 1996 Using NDVI to Assess Departure From Average Greenness and its Relation to Fire Business USA: United States Department of Agriculture [5] Tổng hợp số số thực vật [online]