Đánh giá nguy cơ hạn hán huyện Lục Ngạn – tỉnh Bắc Giang bằng công nghệ viễn thám

Để đánh giá nguy cơ hạn hán huyện Lục Ngạn, tỉnh Bắc Giang trên cơ sở lượng hóa mối quan hệ giữa nhiệt độ thực bề mặt và lớp phủ, nghiên cứu đã sử dụng chỉ số khô hạn nhiệt độ thực vật (TVDI) được khai thác trực tiếp từ nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat. Kết quả nhận được là 3 bản đồ phân bố nhiệt độ thực bề mặt và 3 bản đồ phân cấp mức độ khô hạn cho huyện Lục Ngạn, tỉnh Bắc Giang ngày 24/05/1999, 03/05/2010, 28/05/2017, làm căn cứ để đánh giá nguy cơ hạn hán và hỗ trợ đề xuất các giải pháp tích cực trong giảm thiểu thiệt hại đến sản xuất nông nghiệp do hạn hán gây ra.

Vietnam J Agri Sci 2018, Vol 16, No 9: 820-829 Tạp chí Khoa học Nơng nghiệp Việt Nam 2018, 16(9): 820-829 www.vnua.edu.vn ĐÁNH GIÁ NGUY CƠ HẠN HÁN HUYỆN LỤC NGẠN - TỈNH BẮC GIANG BẰNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM Nguyễn Đức Thuận*, Phạm Quý Giang Khoa Quản lý đất đai, Học viện Nông nghiệp Việt Nam * Tác giả liên hệ: nguyenducthuan@vnua.edu.vn Ngày chấp nhận đăng: 20.11.2018 Ngày nhận bài: 19.04.2018 TÓM TẮT Nhiệt độ thực bề mặt lớp phủ thực vật yếu tố quan trọng cung cấp thông tin độ ẩm bề mặt đất Nhiệt độ tăng lên nhanh bề mặt đất khô hạn trồng bị thiếu nước Để đánh giá nguy hạn hán huyện Lục Ngạn, tỉnh Bắc Giang sở lượng hóa mối quan hệ nhiệt độ thực bề mặt lớp phủ, nghiên cứu sử dụng số khô hạn nhiệt độ thực vật (TVDI) khai thác trực tiếp từ nguồn liệu ảnh vệ tinh Landsat Kết nhận đồ phân bố nhiệt độ thực bề mặt đồ phân cấp mức độ khô hạn cho huyện Lục Ngạn, tỉnh Bắc Giang ngày 24/05/1999, 03/05/2010, 28/05/2017, làm để đánh giá nguy hạn hán hỗ trợ đề xuất giải pháp tích cực giảm thiểu thiệt hại đến sản xuất nông nghiệp hạn hán gây Từ khóa: Hạn hán, viễn thám, nhiệt độ bề mặt đất, số khô hạn nhiệt độ thực vật (TVDI), số khác biệt thực vật (NDVI) Assessment of the Occurence of Drought in Luc Ngan District, Bac Giang Province Using Remote Sensing Technology ABSTRACT Real surface temperature and vegetation are important factors providing information on soil moisture Surface temperature may increase quickly when land surface is waterless or plants are not supplied with enough water In this study, the surface drought situation in Luc Ngan District, Bac Giang Province was assessed by quantifying the relationship between real temperature and vegetation cover using Temperature Vegetation Dryness Index (TVDI) derived from Landsat satellite images The study produced three maps of surface temperature distribution and three maps of surface drought classification of Luc Ngan district on 24 May 1999, May 2010 and 28 May 2017 as the scientific basis for the assessment of drought situation and solutions to minimize the damage of drought to agricultural production Keywords: Drought, Remote Sensing, Land Surface Temperature, Temperature Vegetation Dryness Index (TVDI), Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) ĐẶT VẤN ĐỀ Theo Wan et al (2004), họn hỏn l õnh hỵng cỷa khớ hờu, ỵc mụ tõ bi ba c im: cỵng , thi gian, khụng gian Họn hỏn thỵng xõy trờn din rng nờn vic quan trớc bỡng phỵng phỏp truyn thng l rỗt khú khởn, vi nhng họn ch vic ổu tỵ h thng quan trớc, thu thờp cỏc tham s mụi trỵng nờn khõ nởng d bỏo chớnh xỏc l chỵa 820 cao, gõy nhiu rỷi ro nhỵ lm giõm nởng suỗt cõy trng, mỗt khõ nởng canh tỏc, dộn tĆi nguy cĄ sa mäc hóa, hoang mäc hóa Theo Thiruvengadachari & Gopalkrishne (1993), sā dýng dĂ liệu tÿ v tinh vin quan sỏt trỏi ỗt rỗt cú ớch v rỗt ỏng ỵc quan tõm, d liu ny luụn cú sn v cú th ỵc s dýng phát să khći đæu cûa hän hán, câ thi gian v cỵng Tỵ liu vin cung cỗp thụng tin v b mt Trỏi ỗt nhiu Nguyễn Đức Thuận, Phạm Quý Giang kênh phổ khác v phỷ trựm khụng gian rng nờn ỵc s dýng hiệu quâ quân lý tài nguyên giám sỏt mụi trỵng ó cú nhiu nghiờn cu trờn th giĆi sā dýng ânh viễn thám hồng ngoäi nhiệt xỏc nh nhit v ốm ỗt nhỡm ỏnh giá mĀc độ khô hän cûa bề mặt (Arnon et al., 2009; Van de Griend & Owen, 1993; Yuhai et al., 2013) Vit Nam, cỹng ó cú rỗt nhiu nghiên cĀu hän hán, nhiên nghiên cĀu họn hỏn ỵc khai thỏc t d liu õnh v tinh cũn rỗt ớt v hổu ht l s dýng ânh vệ tinh MODIS (Bùi Quang Huy cs., 2016; Hunh Th Thu Hỵng v cs., 2012) cú phõn giõi khụng gian (1.000 m) rỗt thỗp nờn khụng thớch hĉp cho nghiên cĀu chi tiết Việc sā dýng ânh hồng ngoäi nhiệt cûa vệ tinh Landsat vĆi độ phân giâi khơng gian trung bình (120 m đối vĆi ânh Landsat 5, 60 m đối vĆi ânh Landsat 100 m đối vĆi ânh Landsat 8) cung cỗp cỏc thụng tin rừ rng hn v họn hỏn so vĆi ânh vệ tinh MODIS Lýc Ngän huyện miền núi cûa tỵnh Bíc Giang, hai phỉn ba diện tớch ỗt nụng nghip cỏch xa sụng ln Lýc Nam Trờn khu vc ny, hai h Cỗm Sn (2.600 ha) Khn Thỉn (140 ha) có diện tích rộng nhỵng nỵc h chợ ỵc cung cỗp t cỏc khe, läch, suối nhỏ nhĂng núi quanh hồ chõy v Mt khỏc, vi lỵng mỵa trung bỡnh thỗp (912 mm), h thng thỷy li nhiu ni xung cỗp xây dăng låu khơng có kinh phí sa cha nờn khụng ỏp ng ỷ nhu cổu tỵi tiêu nhiều diện tích trồng cỉn nhiều nỵc nhỵ cồy lỳa, ú tỡnh trọng họn hỏn, thiu nỵc tỵi vộn thỵng xuyờn din in hỡnh nhỵ xó Phong Võn cú 80 lỳa, thiu nỵc nờn chợ cỗy ỵc 54 ha, nhiu din tớch või thiu cỹng b rýng quõ (Quang Huỗn, 2015), thụn Đồng Mêm - xã SĄn Hâi, vâi thiều chung s phờn vi cồy lỳa cỹng mỗt n 80% sõn lỵng (Tựng Lõm, 2017) Vỡ vờy, ỏnh giỏ nguy cĄ hän hán huyện Lýc Ngän bìng cơng nghệ vin tr nờn cỗp thit v l cởn c h tr v xuỗt cỏc giõi phỏp tớch cc giõm thiu thit họi n sõn xuỗt nụng nghiệp Tuy nhiên, nghiên cĀu chỵ dÿng läi ć việc khai thác tối đa đặc tính mà ânh vệ tinh Landsat mang läi coi loäi cõy trng cú c tớnh nhỵ nhau, vỡ pixel cûa ânh vệ tinh Landsat đäi diện cho vùng vĆi nhiều loäi trồng khác VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Vật liệu nghiên cứu Mặc dù ânh vệ tinh Landsat có chu kĊ lặp l 16 ngy, nhỵng thc hin nghiờn cu ny cæn ânh vào thąi điểm mà nhiệt độ bề mặt cao nhỗt nởm v cú phỷ mõy l 0% Mt khỏc, thỗy rừ s khỏc bit thỡ không giãn cách thąi gian cüng phâi lĆn Do đó, d liu nghiờn cu ỵc la chn cho huyn Lýc Ngän thể ć bâng (tâi tÿ trang http://earthexplorer.usgs.gov/) 2.2 Phương pháp nghiên cứu Để đánh giá nguy cĄ hän hán, nghiên cĀu sā dýng chỵ số TVDI ỵc Saldholt et al (2002) ỵa trờn c s lỵng húa mi quan h gia TS v chợ s NDVI (Hỡnh 1) Chợ s TVDI ỵc xỏc nh theo công thĀc sau: TVDI  TS  TS TS max   TS TS  TS  a.NDVI  b  T Smin (Saldholt et al., 2002) Trong đó: TS max (1) , TS nhiệt độ thăc bề mặt căc tiểu căc đäi tam giác khơng gian TS/NDVI Do chỵ quan tåm n mc khụ họn nờn TS lỗy bỡng giỏ tr nhit nh nhỗt, TS max xỏc nh qua phỵng trỡnh hi quy tuyn tớnh mt chiu Y = a.X + b (Lê ĐĀc Vïnh, 2006) vĆi hệ s a v b ỵc xỏc nh bỡng phỵng phỏp hồi quy cûa giá trð TS max täi giá trð NDVI Chỵ số TVDI cao nguy cĄ khơ hän tëng, chỵ số TVDI täi cänh khụ bỡng v tọi cọnh ỵt bỡng 821 Đánh giá nguy hạn hán huyện Lục Ngạn - tỉnh Bắc Giang công nghệ viễn thám Bảng Dữ liệu nghiên cứu Vệ tinh Tên liệu Ngày thu Path/Row Landsat-7 LE71260451999267EDC00 24/05/1999 127/45 Landsat-5 LT51260452010337BJC00 03/05/2010 127/45 Landsat-8 LC08_L1TP_126045_20170528_01_T1 28/05/2017 127/45 Hình Tam giác khơng gian TS/NDVI Bảng Mức độ cảnh báo khô hạn theo ngưỡng TVDI Mức độ cảnh báo Ngưỡng giá trị TVDI Khơng khơ hạn 0,0÷0,2 Khơ hạn nhẹ 0,2÷0,4 Khơ hạn trung bình 0,4÷0,6 Khơ hạn nặng 0,6÷0,8 Khơ hạn rt nng 0,8ữ1,0 Chợ s TVDI nỡm khoõng t n 1, ỵc Yuhai Bao et al (2013) xuỗt phõn thnh mc cõnh bỏo (Bõng 2) Chợ s TVDI ỵc ỏnh giỏ chớnh xỏc qua điều tra thăc đða kết hĉp đðnh vð điểm khâo sát phân bố tồn huyện bìng máy GPS theo mc khụ họn, sau ú ỵc ỵa lờn bõn phõn cỗp mc khụ họn ngày 28/05/2017 để so sánh, yếu tố thąi gian nên kết quâ sā dýng chung cho câ hai giai oọn trỵc Nhit chiu sỏng (TB) ỵc nh nghùa nhỵ l nhit tỵng ỵng cỷa vờt en truyn cựng mt lỵng bc xọ thu ỵc t vêt thăc tế phý thuộc vào nhiệt độ động lăc tÿ bề mặt độ phát xä bề mặt () Khi đó, giá 822 trð TB (K) ỵc hiu chợnh gi l TS v tớnh theo nh luờt Stefan Boltzmann TS ỵc ỏnh giỏ chớnh xác bìng cách so sánh vĆi số liệu quan tríc nhit lỵu tr thu ỵc tọi tợnh Bớc Giang cho huyn Lýc Ngọn, cú thi gian ng nhỗt vi thąi gian vệ tinh qua huyện Lýc Ngän (cën cĀ file Metadata kèm), nhiên việc so sánh ny chợ mang tớnh tỵng i nn nhit thỵng xuyờn thay i Mt khỏc quy trỡnh tớnh toỏn nhỵ nờn vic ỏnh giỏ chớnh xỏc chỵ áp dýng cho ngày 28/05/2017 B  TS4  TB  TS  TB 4 (Stefan, 1879; Boltzmann, 1884) (2) Trong đó, : Hìng số Stefan Boltzmann (5.67×10-8Wm-2K-4); B: Bc xọ tng ỵc phỏt (Wm2) - Giỏ tr TB ỵc xỏc nh nhỵ sau: TB K2 K  ln    L     (NASA, 2001; USGS, 2015) (3) Nguyễn Đức Thuận, Phạm Q Giang Trong đó: K1, K2: Hìng số hiệu chợnh lỗy t file Metadata (W/(m2.sr.àm) v K L: giỏ tr nởng lỵng bc xọ ph ỵc tớnh chuyn t giá trð pixel ć däng số (DN) + Landsat 7: L  L MAX   L MIN QCAL   Q CAL  L MIN  MAX (4) Trong đó, L MAX L MIN : Giá trị L  Āng vĆi   MAX ,QCAL MIN (W/(m2.sr.µm); QCAL: Giá trð số hiệu chỵnh cûa pixel ânh; QCAL MAX Landsat 7:   .L  d ESUN  sin SE (NASA, 2011) (NASA, 2001) QCAL + Giỏ tr nởng lỵng phõn xọ ph (ủ) ỵc xỏc nh nhỵ sau: ,QCAL MIN : Giỏ tr bc xọ ln nhỗt v nh nhỗt (9) Trong ú, d: Khoõng cỏch t Trỏi ỗt n Mt tri (thiờn vởn); ESUN: Giỏ tr nởng lỵng bc xọ mt tri (W/(m2.àm)); SE: Góc chiếu mặt trąi (độ) Landsat 8:   MQcal  A  sin se (USGS, 2015) + Landsat 8: Trong ú: M: Giỏ tr nởng lỵng phõn xọ mć rộng; A: Hìng số hiệu chỵnh phân xä L = ML × QCAL + AL (USGS, 2015) (5) Trong ú, ML, AL lỗy t file Metadata KT QU V THO LUN - Giỏ tr ỵc xỏc nh nhỵ sau: 3.1 Giỏ tr TS = v.Pv +s.(1-PV) + d vĆi d = 4(d) Pv .(1-PV) (Valor et al., 1996) (6) Trong đó, v, s : Tán xä b mt thc vờt v ỗt trng ỵc xỏc nh qua th tỵng quan gia v chợ s NDVI Valor et al (1996) xuỗt; dồ: Giỏ trð trọng số trung bình có tính đến giá trð phát xä trung bình cûa lội bề mặt khác nhau; (d) = 0,04; Pv hĉp phæn thăc vêt  i 1   ig Pv        i    ig     p  p  i 1v    2v  1    p  p  iv 1g     2g (Valor et al., 1996)     (7) Trong đó, i, ig, iv: Giá trð NDVI cûa điểm ânh khụng thuổn nhỗt, thuổn nhỗt v ỗt v thuổn nhỗt thăc vêt; p2v, p1v p2g, p1g: Giá trð phân xä kênh cên hồng ngoäi (NIR) kênh (RED) cỷa im õnh thuổn nhỗt v thc vờt v ỗt + Chợ s thc vờt (NDVI) ỵc xỏc nh nhỵ sau: NDVI NIR RED NIR RED (NASA, 2001) (10) (8) DĂ liệu Landsat cú cỗu trỳc bit nờn giỏ tr DN tÿ đến 28, Landsat 16 bit nên giá trð DN tÿ đến 216 Kết quâ tính chuyển giá trð DN sang giá trð L𝜆 (là giỏ tr nởng lỵng m cỏc i tỵng trờn b mt ỗt hỗp thý sau ú bc xọ vo khớ quyển) kết quâ tính giá trð TB thể ć bâng Chỵ số NDVI chỵ số chênh lệch chuèn hóa giĂa hệ số phân xä ć kênh RED NIR Chỵ số NDVI đánh giá chung độ phát triển xanh cûa thăc vêt, qua theo dõi giám sát nhĂng thay đổi cûa thâm thăc vêt theo thąi gian Kênh RED NIR tỵng ng kờnh v vi Landsat 7, kênh vĆi Landsat Chỵ số NDVI nhên giá trð tÿ -1 đến 1, thăc vêt tÿ 0,2 đến 1,0 Nếu NDVI >0,5 l phỷ kớn thc vờt; NDVI