Khai thác dữ liệu viễn thám ước tính chỉ số sử dụng nước sạch cho vụ lúa tỉnh phú yên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA **************** NGUYỄN TUẤN ANH KHAI THÁC DỮ LIỆU VIỄN THÁM ƢỚC TÍNH CHỈ SỐ SỬ DỤNG NƢỚC SẠCH CHO VỤ LÖA TỈNH PHÖ YÊN Chuyên ngành: Bản Đồ, Viễn Thám Hệ Thống Thông Tin Địa Lý Mã số: 60440214 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2018 Cơng trình đƣợc hồn thành tại: Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQGTPHCM Cán hƣớng dẫn khoa học: TS Phan Hiền Vũ Cán chấm nhận xét 1: TS Phan Thị Anh Thƣ Cán chấm nhận xét 2: TS Trần Thái Bình Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 16 tháng năm 2018 Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Trần Trọng Đức TS Phan Thị Anh Thƣ TS Trần Thái Bình TS Lê Minh Vĩnh TS Nguyễn Trƣờng Ngân Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trƣởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sửa chữa CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA KTXD ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN TUẤN ANH MSHV: 1570193 Ngày, tháng, năm sinh: 26-05-1987 Nơi sinh: Hải Dƣơng Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám Hệ thống thông tin địa lý Mã số : 60440214 I TÊN ĐỀ TÀI: “KHAI THÁC DỮ LIỆU VIỄN THÁM ƢỚC TÍNH CHỈ SỐ SỬ DỤNG NƢỚC SẠCH CHO VỤ LÚA TỈNH PHÚ YÊN” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu Water footprint ứng dụng sản xuất nông nghiệp, thu thập ảnh LANDSAT giai đoạn từ tháng 12-2015 đến tháng 4-2016 thực tính tốn số mùa vụ lúa thơng qua giá trị NDVI, tính tốn số sử dụng nƣớc cho lúa vụ Đông Xuân tỉnh Phú Yên III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10-7-2017 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17-6-2018 V CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS PHAN HIỀN VŨ Tp HCM, ngày tháng năm 2018 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƢỞNG KHOA KTXD (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Qua thời gian học tập, nghiên cứu thực luận văn, em nhận đƣợc giúp đỡ quý Thầy cô giáo môn Địa Tin học, trƣờng Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, gia đình, bạn bè Em xin chân thành cảm ơn Thầy Cô giáo trƣờng Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm khoa học cho em Đặc biệt em xin đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy giáo TS Phan Hiền Vũ, ngƣời tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ em toàn thời gian thực luận văn Trong thời gian thực luận văn, thân em cố gắng để đạt đƣợc kết tốt Tuy nhiên nhiều thiếu sót bƣớc đầu làm quen với cơng tác nghiên cứu khoa học, kính mong đóng góp ý kiến quý Thầy Cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp để luận văn em hoàn chỉnh ơn Cuối cùng, em kính chúc q Thầy Cơ giáo ln dồi sức khỏe đạt đƣợc nhiều thành công công việc sống Em xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Tuấn Anh TÓM TẮT Việt Nam khu vực chịu ảnh hƣởng rõ rệt biến đổi khí hậu, tình trạng hạn hán, thiếu nƣớc mùa khô, ô nhiễm nguồn nƣớc vấn đề nóng bỏng, diễn nhiều khu vực nƣớc ta Khu vực ven biển miền Trung, nơi chủ yếu phát triển kinh tế dựa vào nơng nghiệp vấn đề trở nên cần thiết cấp bách hết Vào mùa khô, lƣợng mƣa giảm đáng kể, lƣợng bốc thoát nƣớc tăng cao nhiệt độ gió khu vực thƣờng bị thiếu nƣớc trầm trọng, vấn đề dẫn tới nhiều khu vực đất bị bỏ hoang, nhiều diện tích trồng bị chết héo có lúa Đề tài tập trung nghiên cứu vào việc xác định lƣợng nƣớc cần thiết việc sản xuất lúa vụ Đông Xuân tỉnh Phú Yên Đề tài sử dụng liệu ảnh LANDSAT khoảng thời gian để tính tốn giá trị NDVI lúa qua giai đoạn phát triển khác nhau, xây dựng mơ hình Model Builder để tính tốn số WFgreen, WFblue, WFgrey cho vụ lúa Kết thu đƣợc gồm: WFgreen =56,35m3/tấn; WFblue = 318,87m3/tấn; WFgrey = 20,07m3/tấn; tổng WF = 395,69m3/tấn ABSTRACT Vietnam is one of the areas affected by climate change; Drought condition, water shortage and water pollution in the dry season are becoming to the important problem in many provinces in the country In the central coastal region, where the development of the economy is mainly based on agriculture, that problem is becoming more urgent and necessary In the dry season, when rainfall decreases considerably, water evaporation increased because of temperature and wind, this area will be seriously dehydrated, leading to much of the land abandoned, many crops will be died including rice The Subject concentrates on reasearching the amount of clean water needed to produce winter-spring rice in Phu Yen province The subject used LANDSAT data from december 20 2015 to April 30 2016 to calculate the NDVI values of rice based on different stages of development And the subject used LANDSAT to build model named Model Builder to calculate the WFgreen, WFblue, WFgrey index for a rice crop The results are: WFgreen = 56,35m3/ton; WFblue = 318,87m3/ton; WFgrey = 20,07m3/ton; Total WF = 395,69m3/ton LỜI CAM ĐOAN Tác giả luận văn xin cam đoan luận văn nghiên cứu khoa học riêng tác giả dƣới hƣớng dẫn khoa học TS Phan Hiền Vũ Các liệu sử dụng luận văn có nguồn gốc rõ ràng, đƣợc trích dẫn quy định Các kết nêu luận văn tác giả thực phân tích cách trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình nghiên cứu khác Học viên Nguyễn Tuấn Anh MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .2 TÓM TẮT ABSTRACT PHẦN MỞ ĐẦU .12 1- ĐẶT VẤN ĐỀ 12 2- MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 13 3- NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 13 4- PHẠM VI THỰC HIỆN .13 CẤU TRÚC LUẬN VĂN .13 PHẦN NỘI DUNG 15 CHƢƠNG – CƠ SỞ LÝ THUYẾT .15 1.1 WATER FOOTPRINT .15 1.1.1 Khái niệm 15 1.1.2 Mơ hình Water footprint 16 1.1.3 Ƣớc tính thể tích nƣớc 18 1.2 CÁC NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN 23 1.2.1 Trên giới 23 1.2.2 Tại việt nam 24 CHƢƠNG 2: KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ DỮ LIỆU 25 2.1 KHU VỰC NGHIÊN CỨU .25 2.1.1 Vị trí địa lý 25 2.1.2 Địa hình 25 2.1.3 Khí hậu 26 2.1.4 Đất đai .27 2.2 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 27 2.3 DỮ LIỆU 29 2.3.1 Dữ liệu đồ trạng sử dụng đất 30 2.3.2 Dữ liệu khí tƣợng 32 2.3.3 Dữ liệu ảnh LANDSAT 40 2.3.4 Dữ liệu ASTER GDEM 43 CHƢƠNG 3: QUY TRÌNH XỬ LÝ DỮ LIỆU 46 3.1 ƢỚC TÍNH LƢỢNG BỐC THOÁT HƠI NƢỚC .46 3.1.1 Lƣợng bốc thoát tham chiếu .46 3.1.2 Lƣợng bốc thoát nƣớc mùa vụ: 57 3.2 TRỮ LƢỢNG NƢỚC 65 3.2.1 WFBlue .66 3.2.2 WFGreen .69 3.2.3 WFGrey .71 3.3 MƠ HÌNH MODEL BUILDER 73 3.3.1 Model builder CWU 73 3.3.2 Model builder WFGrey 75 3.3.3 Model builder WF 75 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ 77 PHẦN KẾT LUẬN 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 PHẦN PHỤ LỤC 86 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT WF – Water footprint WFGreen - Green water footprint WFBlue - Blue water footprint WFGrey - Grey water footprint CWU - Crop Water Use NDVI - Normalized Difference Vegetation Index ASTER GDEM - Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model IDW - Inverse distance weighting FAO - The Food and Agriculture Organization CCME - Canadian Council of Ministers of the Environment PHẦN KẾT LUẬN Kết luận văn xác định đƣợc lƣợng nƣớc cần thiết sản xuất vụ lúa Đông Xuân tỉnh Phú Yên dựa vào lƣợng bốc thoát nƣớc mùa vụ Qua học viên học tích lũy đƣợc nhiều kiến thức, cụ thể nhƣ sau: - Hiểu nắm bắt đƣợc nội dung Water footprint Khai thác đƣợc ứng dụng Water footprint việc ƣớc tính lƣợng nƣớc cần thiết cho sản xuất lúa - Khai thác đƣợc khả ứng dụng công nghệ viễn thám thực tiễn thông qua việc xác định số mùa vụ Kc - Xác định đƣợc độ bốc thoát nƣớc mùa vụ, lƣợng nƣớc tiêu thụ lúa xác định đƣợc số sử dụng nƣớc lúa tỉnh Phú Yên vụ lúa Đông Xuân năm 2016 - Ứng dụng đƣợc công cụ xây dựng mơ hình Model Builder ArcGIS nhằm làm giảm khối lƣợng cơng việc, thời gian tính tốn nhƣ hạn chế sai sót ngƣời gây Một số vấn đề hạn chế luận văn: - Số lƣợng trạm khí tƣợng sử dụng luận văn cịn dẫn tới việc nội suy gây sai số - Công cụ IDW sử dụng để nội suy giá trị khí hậu có vấn đề cịn hạn chế số lƣợng trạm nội suy - Dữ liệu ảnh LANDSAT sử dụng để xác định số mùa vụ Kc có chu kỳ lặp 16 ngày, nhu cầu sử dụng nƣớc lúa giai đoạn, ngày khác Ngồi khn khổ luận văn học viên sử dụng cặp ảnh LANDSAT đại diện cho giai đoạn phát triển lúa, ảnh hƣởng tới kết tính toán cuối - Dữ liệu ảnh LANDSAT khu vực thu ảnh có độ che phủ mây cao dẫn tới khơng có đƣợc đầy đủ ảnh tồn q trình phát triển lúa Do đó, đánh giá biến đổi số mùa vụ qua giai đoạn phát triển trồng chƣa phản ánh đầy đủ 82 - Độ phân giải không gian ảnh LANDSAT 30x30 mét, khu vực lúa có diện tích nhỏ, hẹp xen lẫn loại khác tạo sai số tính NDVI - Việc sử dụng đồ trạng sử dụng đất để tách ranh giới lúa dẫn tới sai số thực tế loại trồng lúa 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bài báo [1] Mohammed A El-Shirbeny, Abd-Elraouf M Ali, Nasser H Saleh (2013) “Crop Water Requirements in Egypt Using Remote Sensing Techniques” National Authority for Remote Sensing and Space Sciences (Egypt) Egypt [2] Mohammad Abuzar , Andy McAllister , Des Whitfield , Kathryn Sheffield (2012) “Remote Sensing Analysis of Crop Water Use in the Macalister Irrigation District” Geospatial Sciences RMIT [3] M M Mekonnen A Y Hoekstra (2011) “The green, blue and grey water footprint of crops and derived crop products”, Hydrology and Earth System Sciences 15, 1577–1600 [4 Lƣơng Hữu Dũng Lê Tuấn Nghĩa (2015) Nhu cầu nƣớc số sản phẩm nơng nghiệp dƣới góc nhìn nƣớc ảo, Khoa học kỹ thuật thủy lợi môi trường số 51 Trang 107-115 [5] Mohammed A El-Shirbeny, Bassam Abdellatif, Abd-Elraouf M Ali, Nasser H Saleh (2016) “Evaluation Of Hargreaves Based On Remote Sensing Method To Estimate Potential Crop Evapotranspiration”, International Journal of GEOMATE Vol 11, Issue 23 pp 2143-2149 Website [6] Phú Yên (2018) “Giới thiệu chung” http://www.phuyen.gov.vn/wps/portal Truy cập ngày 20-6-2018 [7] USGS (2018a) https://earthexplorer.usgs.gov Truy cập ngày 10-5-2018 [8] USGS (2018b) https://gdex.cr.usgs.gov/gdex/ Truy cập ngày 13-5-2018 Các nguồn tài liệu điện tử 84 [9] Arjen Y Hoekstra, Ashok K Chapagain, Maite M Aldaya Mesfin M Mekonnen (2011) The Water footprint Assemssment Manual, Setting The Global Standard” 1st Edition [Online] http://waterfootprint.org/media/downloads/TheWaterFootprintAssessmentMan ual.pdf [10] N.A Franke, H Boyacioglu, A.Y Hoekstra (2013) Grey water footprint accounting, [Online] http://waterfootprint.org/media/downloads/Report65-GreyWaterFootprintGuidelines.pdf [11] Lê Anh Tuấn (2009) Giáo trình tưới – tiêu [Online] https://drive.google.com/file/d/1l058vfIh6XcAtVzjURRk5auU2EYAlyVk/pre view [12] Nguyễn Ngọc Đệ (2008) Giáo trình Cây lúa, [Online] http://www.ebook.edu.vn/?page=1.32&view=6503 [13] Lincoln Zotarelli, Michael D Dukes, Consuelo C Romero, Kati W Migliaccio, Kelly T Morgan (1998) Step By Step Calculation Of The PenmanMonteith Evapotranspiration (FAO 56 Method), Agricultural and Biological Engineering Department, University of Florida http://www.agraria.unirc.it/documentazione/materiale_didattico/1462_2016_4 12_24509.pdf [14] Sở Tài nguyên môi trƣờng Phú Yên, Bản đồ trạng sử dụng đất tỉnh Phú Yên năm 2015 [15 Trung tâm khí tƣợng tỉnh Phú Yên, Số liệu khí hậu trạm khí tƣợng tỉnh Phú Yên, tháng 12/2015; tháng 1,2,3,4/2016 85 PHẦN PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: HƢỚNG DẪN TẢI ẢNH LANDSAT Bƣớc 1: Truy cập website tải liệu ảnh LANDSAT - Truy cập website: www.earthexplorer.usgs.gov - Nếu chƣa có tài khoản cần đăng ký tài khoản mục Register, có tài khoản chọn đăng nhập tài khoản mục Login Hình PL 1.1- Giao diện website Bƣớc 2: Xác định vị trí, thời gian muốn tải liệu ảnh - Xác định vị trí tải liệu ảnh: Nếu biết tọa độ chọn mục Add Coordinate, biết số hàng cột tờ ảnh chọn mục Path/Row, chọn vị trí đồ chọn Address/Place - Xác định khoảng thời gian muốn tải ảnh: Chọn mục Date Range Bƣớc 3: Chọn liệu ảnh Landsat - Chọn mục Data Sets để chuyển sang lựa chọn loại liệu mong muốn thu nhận 86 - Chọn mục Landsat tích vào lựa chọn ảnh Landsat OLI/TIRS Hình PL 1.2 Các liệu ảnh LANDSAT Bƣớc 4: Kết Chọn Results để có kết ảnh Landsat khu vực lựa chọn Hình PL 1.3 Kết ảnh LANDSAT khu vực Phú Yên Ở ảnh có kèm hộp thoại cho phép tƣơng tác với ảnh, cụ thể nhƣ sau: 87 Trong đó: - Thể vị trí ảnh đồ - Thể hình ảnh đồ - Thể thông số ảnh nhƣ: tên ảnh, ngày chụp ảnh, độ che phủ mấy, chất lƣợng ảnh, - Tải ảnh 88 PHỤ LỤC 2: HƢỚNG DẪN TẢI DỮ LIỆU ASTER GDEM Bƣớc 1: Truy cập trang website tải liệu - Truy cập website USGS - https://gdex.cr.usgs.gov/gdex/ nơi cung cấp miễn phí mơ hình độ cao số cho ngƣời sử dụng Chọn mục Login, có tài khoản đăng ký chọn nhập Username Password để đăng nhập, chƣa có tài khoản chọn mục Register để đăng ký tài khoản - Chọn cơng cụ khoanh vùng khu vực nghiên cứu sau tích chọn lớp liệu ASTER Global DEM v2 Hình PL 2.1 Giao diện website Bƣớc 2: Chọn Download để lựa chọn thông số cần thiết trƣớc tải liệu khu vực vừa khoanh vùng, chọn Submit để chuyển sang bƣớc Hình PL 2.2 Hộp thoại download 89 Bƣớc 3: Tải liệu Tại hộp thoại Output xem metadata file, chọn Download để tải file liệu Hình PL 2.3 Hộp thoại Output 90 PHỤ LỤC SỐ TÍNH CHỈ SỐ THỰC VẬT – NDVI Sử dụng mơ hình hiệu chỉnh khí FLAASH để xử lý ảnh Landsat phần mềm ENVI Bƣớc 1: Mở ảnh có kí hiệu LC81230512016077LGN01 Hình Pl 3.1 Ảnh tổ hợp màu tự nhiên 4-3-2 Bƣớc 2: Tính giá trị Radiance Sử dụng cơng cụ Radiometric Calibration để chuyển giá trị DN giá trị Radiance Hình PL 3.2 Hộp thoại Radiometric Calibration 91 Kết sau chạy xong Radiometric Calibration: Hình PL 3.3 Kết chạy Radiometric Calibration Bƣớc 3: Tính giá trị Reflectance ảnh Sử dụng công cụ FLAASH Atmospheric Correction Model Input Parameters ENVI Hình PL 3.4 Hộp cơng cụ FLAASH 92 Hình PL 3.5 Kết tính giá trị Reflectance Bƣớc 4: Tính số thực vật NDVI Sử dụng công cụ Spectral Index phần mềm ENVI để tính tốn số thực vật NDVI Hình PL 3.6 Hộp công cụ Spectral Index 93 Kết thu đƣợc nhƣ sau: Hình PL 3.7 Kết tính NDVI Bƣớc 5: Ghép ảnh, cắt ảnh theo địa giới hành Sử dụng công cụ Seamless Mosaic để ghép khung ảnh ngày 08-3-2016 khung ảnh ngày 17-03-2016 sau tính số thực vật NDVI Sau ghép ảnh sử dụng công cụ Subset Data From ROIs để cắt ảnh theo khu vực trồng lúa tỉnh Phú Yên Kết thu đƣợc số NDVI khu vực trồng lúa tỉnh Phú Yên Hình PL 3.8 Kết NDVI khu vực trồng lúa 94 PHỤ LỤC SỐ MƠ HÌNH MODEL BUILDER TRONG ARCGIS Bƣớc 1: tạo model builder ArcGIS => chọn biểu tƣợng Bƣớc 2: tạo ô liệu nhập (khối elip màu xanh dƣơng), ô tool xử lý vào model builder (khối tứ giác màu vàng) ô kết kèm với ô tool (khối elip màu xanh lá) Hình PL 4.1 Hộp công cụ Model Builder - Đƣa liệu nhập tools cần dùng vào Model Builder: Cách 1: chọn Add Data Or Tool => chọn liệu hay tool cần thiết => Add Cách 2: mở ArcToolbox => chọn tool cần dùng nhấp chọn kéo thả vào hộp thoại model builder Bƣớc 3: Chạy thử mơ hình Chọn để chạy mơ hình cho kết 95 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: NGUYỄN TUẤN ANH Ngày, tháng, năm sinh: 26/05/1987 Nơi sinh: Hải Dƣơng Địa liên lạc: Phƣớc Hậu - Phƣờng – thành phố Tuy Hòa – tỉnh Phú Yên QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO - Từ 8/2005 đến 7/2010: Sinh viên Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội - Từ 8/2015 đến 8/2018: Học viên Cao học trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHQGTPHCM Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ tháng 11/2010 đến nay: Giáo viên trƣờng Cao đẳng Công thƣơng Miền Trung Địa chỉ: Đại lộ Nguyễn Tất Thành - Phƣờng - thành phố Tuy Hòa - tỉnh Phú Yên 96 ... Dƣơng Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám Hệ thống thông tin địa lý Mã số : 60440214 I TÊN ĐỀ TÀI: ? ?KHAI THÁC DỮ LIỆU VIỄN THÁM ƢỚC TÍNH CHỈ SỐ SỬ DỤNG NƢỚC SẠCH CHO VỤ LÚA TỈNH PHÚ YÊN” II NHIỆM VỤ VÀ... mƣa, số chiếu sáng; liệu mơ hình độ cao số khu vực tỉnh Phú Yên; liệu ảnh LANDSAT khu vực tỉnh Phú Yên thu giai đoạn từ tháng 12/2015 tới tháng 4/2016 liệu đồ trạng sử dụng đất toàn tỉnh Phú Yên. .. Dữ liệu ảnh LANDSAT sử dụng 41 Bảng Kết tính CWUBlue 67 Bảng Kết tính CWUGreen .69 Bảng Kết tính Water footprint Phú Yên .77 Bảng Kết tính Water footprint cho tỉnh Phú