Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất bằng tư liệu ảnh MODIS phục vụ dự báo hạn hán khu vực Tây Nguyên

Bài viết này có mục tiêu là ứng dụng ảnh MODIS và GIS để tính nhiệt độ lớp phủ bề mặt, chỉ số khô hạn góp phần dự báo hạn hán khu vực Tây Nguyên.

TIỂU BAN SINH THÁI HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT BẰNG TƢ LIỆU ẢNH MODIS PHỤC VỤ DỰ BÁO HẠN HÁN KHU VỰC TÂY NGUYÊN Nguyễn Đức Núi1, Nguyễn Thị Quỳnh Trang2 Viện Khoa học vật liệu Viện Hàn lâm Khoa học công nghệ Việt Nam Viện Công nghệ vũ trụ Viện Hàn lâm Khoa học công nghệ Việt Nam Tây Nguyên vùng cao nguyên Nam Trung Bộ Việt Nam có đất đai màu mỡ với đặc trưng đất đỏ bazan, diện tích rừng khộp lớn đa dạng sinh vật cao Tuy nhiên nay, vùng đất phải đối mặt với khơng nguy suy thoái rừng suy thoái chất lượng đất, kéo theo hậu sụt giảm suất trồng nguy hạn hán Tính đến tháng 3/2016, tỉnh Tây Nguyên có 73.773 ha/600.000 trồng loại bị hạn, chủ yếu lúa nước cà phê Nhiệt độ lớp phủ bề mặt (Land surface temperature - LST) số trình cân lượng bề mặt Trái đất, kết tương tác, trao đổi lượng mặt đất – khí Mối quan hệ nhiệt độ bề mặt kiểu thảm thựcvật sở góp phần tìm ngun nhân khơ hạn, sâu bệnh, cải thiện chất lượng mơi trường, từ làm sở khoa học cho công tác cảnh báo hạn quy hoạch sử dụng đất Ảnh MODIS có đặc điểm thu nhận hàng ngày, với tần suất quan sát lãnh thổ cao, độ phủ trùm lớn, giúp thu thập thông tin nhanh, đồng bộ, khách quan phù hợp cho công tác giám sát lớp phủ phát triển rừng Các thông số nhiệt độ bề mặt – LST (Land Surface Temperature) hay số khơ hạn hồn tồn tính từ ảnh vệ tinh MODIS Bài báo có mục tiêu ứng dụng ảnh MODIS GIS để tính nhiệt độ lớp phủ bề mặt, số khơ hạn góp phần dự báo hạn hán khu vực Tây Nguyên I CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phạm vi nghiên cứu Khu vực nghiên cứu có tọa độ địa lý: 11o15' đến 15o30' vĩ độ Bắc 107 10' đến 109o05' kinh độ Đông, thuộc phạm vi hành tỉnh theo thứ tự vị trí địa lý từ Bắc xuống Nam: Kon Tum, Gia Lai, Đắk Lắk, Đắk Nơng Lâm Đồng (hình 1) o PHÚ QUỐC CÔN ĐẢO Dữ liệu nghiên cứu Sử dụng sản phẩm MOD11A2 MOD09A1 ảnh MODIS để tính tốn nhiệt độ bề mặt đất (LST) số khô hạn TVDI Tây Nguyên.MOD11A2 ảnh nhiệt tính trung bình cho ngày, với độ phân Hình 1: Sơ đồ khu giải km.MOD09A1 liệu level 3, gồm kênh phổ, độ phân giải vực nghiên cứu 500m, tổ hợp ngày với hệ tọa độ sinusoidal Mỗi pixel MOD09A1 chứa giá trị đo có chất lượng tốt khoảng thời gian ngày, lựa chọn sở độ che phủ cao, khơng bị mây bóng mây che phủ hay bị ảnh hưởng nước Ảnh MOD11A2 MOD09A1 khu vực nghiên cứu chụp từ 1/11/2014 ÷ 12/2016 1834 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT LẦN THỨ Phương pháp nghiên cứu i) Phương pháp viễn thám: Sử dụng tư liệu ảnh MODIS để tính tốn nhiệt độ bề mặt số khơ hạn cho khu vực nghiên cứu ii) Phương pháp khảo sát thực địa: Được dùng để thu thập tài liệu, số liệu, thông tin cần thiết liên quan đến nhiệt độ bề mặt đất tình trạng hạn hán khu vực nghiên cứu Khảo sát thực địa tiến hành đợt vào mùa khô mùa mưa năm 2014 – 2015 2015 - 2016 tỉnh thuộc Tây Nguyên Quá trình khảo sát dựa lát cắt cảnh quan, khảo sát điểm chìa khóa, điển hình khu vực nhỏ iii) Phương pháp thu thập, tổng hợp, phân tích tài liệu: Tổng hợp, phân tích tài liệu, số liệu thu thập được, làm sở so sánh, đối chứng với kết tính tốn nhiệt độ bề mặt số khô hạn Thu thập số liệu đồ, nhiệt độ, độ ẩm, thông tin trạng lớp phủ thực vật khu vực nghiên cứu iv) Phương pháp thống kê, so sánh, đánh giá tổng hợp: Dựa kết tính tốn thực tế tiến hành thống kê, đánh giá, phân tích để làm rõ xu hướng biến đổi nhiệt độ bề mặt đất số khô hạn theo không gian thời gian, từ đưa dự báo khơ hạn cho khu vực nghiên cứu v) Phương pháp đồ GIS: phương pháp chủ đạo sử dụng để phân tích kết nối liệu, xử lý bước trung gian hiển thị kết phân tích từ phương pháp khác Phần mềm sử dụng ENVI 4.8 Chỉ số thực vật NDVI tính tốn theo cơng thức: NDVI = (NIR-R) / (NIR+R) [1,4] Trong đó: NIR: kênh cận hồng ngoại; R: kênh đỏ Đối với MOD09A1 MODIS, NIR kênh 2, với cửa số khí (841–876 nm) R kênh 1, với cửa số khí (620–670 nm) Chỉ số khơ hạn TVDI tính từ LST NDVI theo công thức: TVDI Ts Ts Ts max Ts Ts Ts [2,3] (1) a b * NDVI Ts Trong đó: Ts nhiệt độ bề mặt cực tiểu tam giác xác định để rìa ướt; Ts nhiệt độ quan sát pixel ảnh cần tính; Ts max nhiệt độ bề mặt cực đại quan sát cho khoảng giá trị NDVI Tham số a b đường ―rìa khô‖ cho cảnh MODIS xác định hàm hồi quy bình phương tối thiểu giá trị cực đại Ts khoảng giá trị NDVI II KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Nhiệt độ bề mặt khu vực Tây Nguyên MOD11A2 Gắn hệ tọa độ sinusodal Chuyển hệ tọa độ LST Chuyển sang oC Chuyển độ phân giải 1000 m 500 m Hình 2: Sơ lƣợc quy trình tính tốn LST từ ảnh MOD11A2 1835 TIỂU BAN SINH THÁI HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG Tổ hợp ảnh LST theo tháng chụp thu kết nhiệt độ bề mặt trung bình tháng (hình 3) Những khu vực bị mây che phủ có màu trắng đồ Kết tính tốn LST tháng 1,2 3/2016 từ ảnh MODIS cho thấy khu vực Tây Nam tỉnh Gia Lai Tây Bắc tỉnh Đắc Lắk có nhiệt độ bề mặt cao Nhiệt độ giảm dần từ Tây sang Đông, vùng thấp nằm phía Bắc Đơng Nam Hiện tượng giải thích độ cao địa hình khác nhau, hướng dốc thoải dần từ Đơng sang Tây, cao dần hai cực, cực Bắc cụm núi Atouat, cực Nam dãy Chư Yang Sin Phần Trung Tây Nguyên có độ cao thấp nhiệt độ cao hai vùng phía Bắc phía Nam Những nơi có độ cao lớn cho nhiệt độ thấp quy luật đai cao Khi so sánh với đồ số thực vật NDVI cho thấy nơi thực vật thưa nhiệt độ bề mặt đất cao nơi thực vật dầy a Hình 3: Bản đồ nhiệt độ bề mặt đất khu vực Tây Nguyên tổ hợp ngày từ 26/02 - 5/03/2016 b c Hình 4: Nhiệt độ bề mặt đất tổ hợp theo tháng cho tháng 1/2016 (a), 2/2016 (b) 3/2016 (c) Đối với tháng thuộc mùa mưa (từ tháng đến tháng 10) tổ hợp ảnh LST cho thấy nhiệt độ bề mặt thấp mùa khô thời gian độ ẩm đất cao Nhiệt độ cao khu vực tập trung dân cư, nơi có thảm thực vật thưa thớt Giá trị LST chiết xuất ảnh tổ hợp theo tháng so sánh với liệu nhiệt độ bề mặt đất trung bình tháng trạm khí tượng Đồ thị (hình 5) cho thấy trạm Lak Yaly hai trạm có nhiệt độ cao Kết tính nhiệt độ tổ hợp tháng, phía Tây Bắc tỉnh Gia Lai (trạm Yaly) phía Nam tỉnh Đăk Lăk vùng có nhiệt độ bề mặt đất cao hẳn so với khu vực khác LST có quy luật biến đổi quan hệ tuyến tính với nhiệt độ trung bình tháng trạm 1836 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT LẦN THỨ Hình 5: Nhiệt độ bề mặt đất tính từ ảnh MODIS nhiệt độ bề mặt đất trung bình tháng 2/2015 (trái) 12/2015 (phải) trạm khí tƣợng Chỉ số khơ hạn khu vực Tây Ngun a Tính tốn số NDVI từ MOD09A1 Chỉ số NDVI (Normalized Difference Vegetation Index – số thực vât) xác định dựa phản xạ khác thực vật thể kênh phổ thấy kênh phổ cận hồng ngoại Dùng để biểu thị mức độ tập trung thực vật mặt đất NDVI khu vực nghiên cứu từ tháng 1÷12/2016 phân ngưỡng thành 20 lớp, từ 0- 0.05; 0.05-0.1; 0.1-0.15; 0.95-1 b Tính TVDI từ LST NDVI Sử dụng công thức (1) xây dựng đồ số khô hạn TVDI cho thời điểm, tổ hợp ngày Bản đồ số khô hạn TVDI tổ hợp theo tháng cho năm 2016 (trừ tháng ảnh có tỷ lệ mây cao (hình 6a, 6b) Trên đồ kết quả, khu vực có màu sẫm, số khơ hạn cao, ngược lại, khu sáng hơn, nghĩa số khô hạn thấp Tháng 1, tháng 6, 7, có tỷ lệ bị mây che phủ nhiểu Kết tính tốn cho thấy số khơ hạn TVDI có giá trị cao vào tháng 2, 3, 4, 10, 11 12 Điều với thực tế tháng mùa khơ Tây Nguyên T1 T2 T3 T4 T5 T6 Hình 6a: Chuỗi đồ TVDI tổ hợp tháng (1- 6) năm 2016 1837 TIỂU BAN SINH THÁI HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG T7 T8 T9 T10 T11 T12 Ảnh bị mây nhiều Hình 6b: Chuỗi đồ TVDI tổ hợp tháng (7-12) năm 2016 Dự báo nguy hạn hán khu vực Tây Nguyên Để dự báo nguy hạn hán, nghiên cứu lựa chọn việc đánh giá số khô hạn Tây Nguyên tháng mùa khô, thời gian mà nguy hạn hán lớn Dưới chuỗi đồ số khô hạn tổ hợp tháng cho tháng mùa khô 2014-2015 2015-2016 T11/2014 T12/2014 T1/2015 T2/2015 T3/2015 T4/2015 Hình 7a: Chuỗi đồ TVDI tổ hợp tháng cho mùa khơ 2014-2015 Trên đó, số khơ hạn phân thành ngưỡng [2, 4, 5]:Ẩm ướt (TVDI: 0-0.2); Bình thường (TVDI: 0.2-0.4); Khơ hạn nhẹ (TVDI: 0.4-0.6); Khơ hạn trung bình (TVDI: 0.6-0.8); Khơ hạn nặng (TVDI: 0.8-1) Kết cho thấy, khu vực có số khơ hạn nặng tập trung phía Tây tỉnh Gia Lai, phía Tây Bắc tỉnh Đăk Lak Khu vực trung tâm tỉnh Lâm Đồng có số khơ hạn trung bình Khu vực phía Đơng tỉnh Kon Tum, phía Nam tỉnh Đắk Lắk, phần phía Tây tỉnh Lâm Đồng có số TVDI: 0-0.2 1838 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT LẦN THỨ T11/2015 T12/2015 T1/2016 T 2/2016 T3/2016 T4/2016 Ảnh bị mây > 30% Hình 7b: Chuỗi đồ TVDI tổ hợp tháng cho mùa khô 2015-2016 Cuối tháng 3, vùng có số khơ hạn cao có xu hướng lan xuống phía Nam Khi so sánh với đồ trạng lớp phủ rừng FIPI thành lập năm 2014, cho thấy nơi có số khô hạn nặng rơi vào vùng đất nông nghiệp, nơi TVDI ẩm ướt khu vực có rừng Phía Bắc tỉnh Đăk Nơng cho số khô hạn nặng, đồ nơi có rừng che phủ Nguyên nhân rừng Vườn Quốc gia Yok Đôn rừng khộp, rụng vào mùa khô, nên tháng mùa khô, số TVDI cao Ngoài ra, khác biệt sườn Đơng sườn Tây cịn hiệu ứng gió phơn, khiến tháng 1, 2, tháng cao điểm mùa khô Vào mùa khô từ tháng 10 đến tháng 12 từ tháng đến tháng 4, mối quan hệ nghịch đảo TVDI lượng mưa biểu rõ Tháng 7, 8, lượng mưa cao số TVDI lớn nhiệt cao, độ ẩm khơng khí thấp, lượng bốc tiềm lớn dẫn đến độ ẩm đất thấp Đất thiếu ẩm khiến nhiệt độ bề mặt cao So sánh với tình trạng khơ hạn thực tế, đồ số khô hạn TVDI cho kết hợp lý Khu vực phía Tây tỉnh Gia Lai Tây Bắc tỉnh Đăk Lăk vùng cho số khô hạn nặng Tuy nhiên, đồ số khô hạn lại không nhận diện số ―tâm hạn‖ phía Đơng Đơng Nam tỉnh Đăk Lăk Ví dụ huyện Kông Chro, thị xã An Khê tỉnh Gia Lai, hay huyện Krong Pa, Krong Bông tỉnh Đăk Lăk Điều cho thấy, TVDI phù hợp với nghiên cứu khô hạn quy mô vùng rộng, quy mô nhỏ tỉnh, thành phố Vì bên cạnh điểm mạnh, việc kiểm nghiệm số TVDI với số liệu quan trắc khí tượng thủy văn thực tế cần tiến hành bổ sung để tăng thêm độ tin cậy hiểu sâu thêm chất số khô hạn trước đưa vào sử dụng thực tế III KẾT LUẬN Phương pháp nghiên cứu hạn hán qua liệu ảnh MODIS khả thi, nhanh, độ phân giải thời gian lớn, độ phủ trùm rộng, độ phân giải khơng gian trung bình Nhiệt độ bề mặt đất LST tính từ ảnh MODIS, độ phân giải 1km cho thấy cách tổng quan nhiệt độ bề mặt khu vực rộng khu vực Tây Nguyên phương pháp đo khí tượng truyền thống khơng đáp ứng Chỉ số khơ hạn TVDI tính sở độ chênh lệch nhiệt độ bề mặt điểm quan trắc với nhiệt độ bề mặt thấp cho khoảng giá trị NDVI Kết tính tốn cho thấy TVDI số khơ hạn tiềm năng, cho phép để nghiên cứu theo dõi khô hạn 1839 TIỂU BAN SINH THÁI HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG Chuỗi đồ LST tổ hợp ngày tổ hợp tháng cho thấy Tây Nam tỉnh Gia Lai Tây Bắc tỉnh Đắk Lắk nơi có nhiệt độ bề mặt đất cao nhất, nhiệt độ giảm dần từ Đông sang Tây, từ Trung Tây Ngun phía Nam, Bắc Nơi có nhiệt độ nơi có số khơ hạn cao hơn, phù hợp với tình hình khơ hạn thực tế năm gần Tây Nguyên Mối quan hệ nghịch đảo số khô hạn liệu lượng mưa thể Hướng nghiên cứu tính tốn, nghiên cứu TVDI cho loại lớp phủ, ―ngưỡng hạn hán‖ loại lớp phủ khác khác Việc xây dựng sở liệu tích lũy nhiều năm số TVDI cần thiết cho việc theo dõi chu kỳ khí hậu, làm sở cho việc dự đốn xu biến đổi số khơ hạn, làm sở cho việc dự báo hạn hán từ việc quan trắc TVDI qua thời gian dài TÀI LIỆU THAM KHẢO A Karnieli, M Bayasgalan, Y Bayarjargal, N Agam, S Khudulmur and C J Tucker, 2009 Comments on the use of the Vegetation Health Index over Mongolia, Remote Sensing, 9(6): 616-622 Arnonkarnieli, Nuritagam, Rachelt Pinker, Martha Anderson, Marcl Imhoff, Garik G Gutman, Natalya Panov and Alexander Goldberg, 2010 Use of NDVI and Land Surface Temperature for Drought Assessment: Merits and Limitations, Remote Sensing, 8(4): 514520 Lại Anh Khôi, 2007 Ứng dụng tư liệu ảnh MODIS xây dựng đồ nhiệt độ bề mặt lãnh thổ Việt Nam, Nxb Khoa học tự nhiên công nghệ, 140 trang Trần Hùng, 2004 Sử dụng tư liệu MODIS theo dõi độ ẩm đất/ thực vật bề mặt: thử nghiệm với số mức khô hạn thực vật nhiệt độ TVDI, Tạp chí Các khoa học trái đất, 7, trang 34-38 Nguyễn Ngọc Thạch, 2005 Cơ sở viễn thám, Nxb ĐHQG Hà Nội, 125 trang RESEARCH ON LAND TEMPERATURE BY MODIS PHOTOGRAPHY FOR DROUNGT FORECASTS IN THE TAY NGUYEN PLATEAU Nguyen Duc Nui, Nguyen Thi Quynh Trang SUMMARY The TVDI drought Index is calculated on the basis of the difference between the surface temperature at the monitoring point and the lowest surface temperature for each NDVI value range The 8- and 8- day combined LST map showed that the southwestern of Gia Lai province and northwestern Dak Lak province is the highest surface temperature The land temperature decreaseed from east to west, from the center to the south and from the center to the north of the plateau In the west of Gia Lai Province and northwestern Dak Lak, TVDI was significantly higher than other areas, in line with the actual drought situation of recent years The results indicated that MODIS and GIS provides built up a spatial database of LTS and TVDI, and suggested that such a system can be more advanced for drounght forecasts of Tay Nguyen plateau 1840 ... tổ hợp tháng (7-12) năm 2016 Dự báo nguy hạn hán khu vực Tây Nguyên Để dự báo nguy hạn hán, nghiên cứu lựa chọn việc đánh giá số khô hạn Tây Nguyên tháng mùa khô, thời gian mà nguy hạn hán lớn... nhiệt độ bề mặt đất cao nơi thực vật dầy a Hình 3: Bản đồ nhiệt độ bề mặt đất khu vực Tây Nguyên tổ hợp ngày từ 26/02 - 5/03/2016 b c Hình 4: Nhiệt độ bề mặt đất tổ hợp theo tháng cho tháng 1/2016... rộng, độ phân giải khơng gian trung bình Nhiệt độ bề mặt đất LST tính từ ảnh MODIS, độ phân giải 1km cho thấy cách tổng quan nhiệt độ bề mặt khu vực rộng khu vực Tây Nguyên phương pháp đo khí tư? ??ng