2.4.1. Phương pháp kế thừa số liệu của các nghiên cứu trên thế giới
Nghiên cứu các công bố quốc tế, các nghiên cứu đã thực hiện trên thế giới ứng dụng công nghệ viễn thám xác định nhiệt độ khơng khí gần mặt đất, độ ẩm khơng khí và lượng mưa để ứng dụng phát triển các mơ hình tính tốn cho khu vực tỉnh Thanh Hố.
2.4.1.1. Về nhiệt độ
A. Ước tính nhiệt độ khơng khí gần mặt đất thơng qua các thơng số khí quyển và độ cao.
Mendez (2004) đã nghiên cứu tính tốn nhiệt độ khí quyển từ dữ liệu MODIS-7 tính nhiệt độ khơng khí gần mặt đất Ta thơng qua việc nội suy từ mối quan hệ tuyến tính giữa nhiệt độ ở 1000 Mmb và nhiệt độ khơng khí sát mặt đất theo công thức:
Ta = psurf dT1000-620 / dp1000-620 + T1000 (2.1)
psurf : áp suất bề mặt
dT1000-620: là sự chênh lệch nhiệt độ giữa lớp áp suất 1000 và 620 Mmb. dp1000-620: là sự chênh lệch áp suất giữa lớp áp suất 1000 và 620 Mmb. T1000 : là nhiệt độ ở lớp 1000 Mmb.
Ta : nhiệt độ khơng khí ở 2 mét.
Phát triển cơng thức của Mendez, Flores (2010) đã tính tốn với cơng thức theo độ cao như sau:
Ta = mZ +To (2.2) Trong đó :
To : là nhiệt độ tại mực nước biển.
Z : là độ cao của mặt đất cộng thêm 2m có thể được tính từ DEM m: là hệ số của hàm quan hệ tuyến tính giữa Z và Ta
Nhiệt độ tại mực nước biển có thể xác định bằng dữ liệu nhiệt độ bề mặt nước biển từ dữ liệu MODIS.
B. Ước tính nhiệt độ khơng khí gần mặt đất thơng qua nhiệt độ bề mặt.
Chen (1983) đã khám phá ra rằng từ dữ liệu hồng ngoại nhiệt từ vệ tinh GOES có thể xác định nhiệt độ bề mặt. Sau đó, Chen tiếp tục xét mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt với nhiệt độ khơng khí và phát hiện ra tồn tại mối quan hệ tuyến tính giữa chúng và có hệ số tương quan rất cao giữa chúng. Các kết quả tính tốn cho thấy hệ số tương quang cỡ 0.76 ở độ cao 1.5 mét và độ lệch chuẩn chỉ là 1.3-2.0 độ C.
Như vậy, với số lượng trạm quan trắc thực địa đủ lớn, ta có thể xác định nhiệt độ khơng khí gần mặt đất bằng một hàm quan hệ với nhiệt độ bề mặt:
Ta = a + b.Tm (2.3)
Trong đó: Ta là nhiệt độ khơng khí gần mặt đất; Tm là nhiệt độ bề mặt được xác định từ dữ liệu vệ tinh MODIS; a,b là các hệ số hàm quan hệ được xác định thông qua dữ liệu quan trắc và dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS.
2.4.1.2. Về độ ẩm
A. Hàm lượng hơi nước trong khơng khí
Dựa vào tính chất vật lý về sự tương tác năng lượng của khí quyển Kaufman và Gao đã đưa ra thuật tốn tính tổng cột hơi nước thông qua hệ số hấp thụ hơi nước theo các tỉ số sau:
T obs (0.940μm) = ρ*(0.940μm) / ρ*(0.865μm) (2.4) T obs (0.905μm) = ρ*(0. 905μm) /ρ*(0.865μm) (2.5) T obs (0.93μm) = ρ*(0. 936μm) /ρ*(0.865μm) (2.6)
Trong đó: Tobs là hệ số hấp thụ, ρ* là độ phản xạ tại đỉnh khí quyển của kênh phổ tương ứng.
Công thức (2.4), (2.5), (2.6) được áp dụng tương tự với bước sóng 1.240μm.
Từ đường cong mối quan hệ giữa cột hơi nước W và hệ số hấp thụ hơi nước Tobs ta xác lập được mối quan hệ giữa chúng theo hàm toán học:
wi= f( Tobs) (2.7)
Từ từng giá trị Wi ta sẽ tính được tổng lượng hơi nước theo cơng thức: W = f1w 1+ f2w2+ f3w3 (2.8)
Trong đó:
w1, w2, w3 là lượng hơi nước thu được từ kênh 0.936, 0.940 và 0.905 μm.
f1, f2, f3 là hàm trọng số phục thuộc vào độ nhạy của từng kênh phổ Như vậy ta sẽ tính được lượng hơi nước cần thiết.
B. Độ ẩm khơng khí
Người ta gọi lượng hơi nước chứa trong khơng khí là độ ẩm khơng khí. Những đặc trưng chủ yếu của độ ẩm là sức trương hơi nước và độ ẩm tương đối. Cũng như mọi chất khí, hơi nước có sức trương (áp suất riêng của hơi nước). Sức trương hơi nước e tỉ lệ thuận với mật độ (lượng hơi nước chứa trong một đơn vị thể tích khơng khí) và nhiệt độ tuyệt đối của nó. Sức trương hơi nước cũng được biểu diễn bằng những đơn vị thường
dùng để biểu diễn khí áp, nghĩa là bằng milimét chiều cao cột thủy ngân (mmHg) hay bằng miliba.
Nếu khơng khí chứa hơi nước ít hơn lượng cần để bão hồ trong nhiệt độ nhất định, ta có thể lượng tính mức độ gần tới trạng thái bão hồ của nó. Để xác định mức độ gần tới bão hồ này, người ta tính độ ẩm tương đối. Độ ẩm tương đối r là tỷ số biểu diễn bằng phần trăm giữa sức trương hơi nước thực tế e chứa trong khơng khí và sức trương hơi nước bão hoà E dưới cùng nhiệt độ:
r = (e/E) 100% . (2.9) Trong đó:
e là sức trương hơi nước được tính từ độ ẩm riêng
E là sức trương hơi nước bão hịa tính từ nhiệt độ khơng khí t:
𝐸 = 6.11𝑒(237.3+𝑡17.27𝑡 )
(2.10)
Nhiệt độ khơng khí t được tính tốn từ dữ liệu ảnh vệ tinh.
W. Timothy (1984) nghiên cứu và xây dựng các điểm quan hệ giữa độ ẩm riêng (Q) và tổng cột hơi nước (W) cho 3 vùng: ôn đới, cận nhiệt đới và nhiệt đới. Mỗi một đường cong là một đường hồi quy bậc hai và hệ số tương quan rất cao lần lượt là 0.97, 0.97 và 0.90.
Từ đó ta có thể xác định độ ẩm riêng
Q = aW2 + bW + c (2.11) (a,b,c là các hệ số hàm hồi quy)
Sức trương hơi nước – áp suất hơi nước e được xác định theo công thức:
e= Q x P /622 (2.12) Trong đó: P là khí áp – áp suất khơng khí.
2.4.2. Phương pháp sử dụng công nghệ xử lý ảnh số và GIS
Ứng dụng công cụ GIS để chuyển đổi dữ liệu dạng grid sang dạng dữ liệu raster, trích xuất thơng tin từ raster, phân lớp ảnh số, trình bầy bản đồ.
Ứng dụng cơng cụ xử lý ảnh số để tính tốn raster, chuyển đổi độ phân giải, chuyển đổi hệ toạ độ.
2.4.2.1. Ứng dụng kỹ thuật chuyển dữ liệu dạng lưới vuông grid sang dữ liệu raster.
Nhiệt độ, độ ẩm khơng khí và lượng mưa có thể coi là giá trị của biểu thị một bề mặt trong không gian 2 chiều. Để mơ hình hố bề mặt này, các phương pháp phổ biến là:
- Biểu thị dạng đường contour
- Biểu thị mạng lưới tam giác không đều (Triangulated Irregular Networks).
- Biểu thị mạng lưới ô vuông đều (Regular Grid Networks).
Phần lớn các dữ liệu khí tượng đều được lưu trữ dưới dạng mơ hình lưới đều GRID (Regular Rectangular Grid). Do máy tính có khả năng xử lý ma trận dễ dàng nên dữ liệu loại mơ hình GRID này rất phổ biến. Trong mơ hình raster GRID này vùng địa hình được chia thành các ơ (cell) trên cơ sở hàng và cột. Mỗi một nút chứa giá trị nhiệt độ, độ phân giải của mạng lưới là khoảng cách giữa 2 nút lân cận.
Khi chuyển đổi sang dạng raster có cùng độ phân giải với độ phân giải của mạng lưới thì các mắt lưới là tâm của pixel và giá trị mắt lưới là giá trị của pixel ảnh. Phần lớn các phần mềm có thể đọc trực tiếp dạng grid và biểu thị dạng raster nhưng để tính tốn vì việc chuyển đổi sang dạng raster là rất cần thiết.
Ví dụ như dữ liệu lượng mưa được lưu trữ dạng Grid như hình dưới đây:
Hình 2.2. Dữ liệu dạng Grid được lưu trữ trong tệp
Các bước thực hiện chuyển đổi từ dạng Grid sang dạng Raster trong phần mềm ArcGIS như sau:
- Đọc dữ liệu dạng grid lưu trữ trong tệp dạng txt.
- Chuyển đổi từ mắt lưới của Grid sang dạng điểm lưu dạng *.shp: sử dụng công cụ Display XY data để chuyển đổi và lưu dạng *.shp.
Hình 2.3: Chuyển đổi từ dạng txt sang dạng shp trong ArcGIS
Hình 2.4: Grid đã được chuyển từ dạng txt sang dạng vector
- Chuyển đổi điểm lưu dạng *.shp sang dạng raster: sử dụng công cụ Point to Raster trong To Raster trong Conversion Tools của bộ ArcTool box:
Hình 2.5: Sử dụng cơng cụ chuyển đổi dạng điểm sang dạng raster
Hình 2.6: Kết quả chuyển đổi dạng điểm sang dạng raster
2.4.2.2. Ứng dụng kỹ thuật chồng lớp dữ liệu raster.
Để tính tốn giữa các ảnh thì các ảnh phải được chồng lớp với nhau và có cùng độ phân giải. Ví dụ mơ hình số SRTM có độ phân giải 90 mét, trong khi đó độ phân giải của dữ liệu nhiệt độ bề mặt đất từ MODIS là 1km. Để tính tốn giữa hai dữ liệu thì phải chuyển đổi độ phân giải về cùng nhau. Thông thường sẽ chuyển đổi từ độ phân giải cao về độ phân giải thấp hơn.
Quá trình chuyển đổi độ phân giải gồm 2 bước:
- Bước 1: Tạo một ảnh với các mắt lưới có kích thước bằng bằng độ phân giải ảnh cần chuyển đổi, có kích thước ảnh xấp xỉ bằng ảnh gốc với hệ toạ độ cho trước.
- Bước 2: Tính giá trị của các mắt lưới bằng phương pháp nội suy. Phương pháp nội suy có thể là phương pháp người láng giềng gần nhất, phương pháp song tuyến tính, phương pháp nội suy xoắn bậc ba. Trong quá trình thực hiện, đề tài sử dụng phương pháp song tuyến tính bởi các điểm trong khơng gian với các loại dữ liệu có độ phân giải thấp thường trên 100 mét. Các yếu tố địa hình khí tượng khơng có sự liên kết tới mức 16 pixel xung quanh như phương pháp nội suy xoắn bậc ba và nếu sử dụng phương người láng giềng gần nhất thì điểm pixel sẽ chỉ lấy giá trị gần nhất thì khơng đặc trưng cho khu vực mà pixel đại diện. Phương pháp song tuyến tính là giải pháp trung dung cho 2 phương án trên.
Sau khi đưa các ảnh về cùng độ phân giải, có thể chồng chập các ảnh lên với nhau. Dữ liệu mới lúc này là một ảnh gồm các kênh trong đó các kênh chính là dữ liệu dạng raster của các số liệu.
Trong phần mềm ENVI, sử dụng công cụ Layer Stacking trong thanh công cụ Basic Tool. Cửa sổ đặt tham số trong thanh công cụ Layer Stacking như hình dưới:
- Cơng cụ Import File sẽ cho phép nhập dữ liệu Raster, Recorder Files sắp xếp thứ tự của từng dữ liệu raster.
- Hệ toạ độ có thể lựa chọn trong các tham số phần Out Map Project - Độ phân giải đầu ra được lựa chọn ở pixel size
- Phương pháp tái chia mẫu đặt ở Resampling.
2.4.2.3. Kỹ thuật trích xuất giá trị pixel từ tại trạm quan trắc.
Các vị trí của trạm quan trắc được là điểm với toạ độ cùng trong hệ toạ độ với dữ liệu raster và lưu trữ dưới dạng shape file.
Sử dụng công cụ extract multi values to point của extraction trong Spatial Analyst Tools trong Arctool box của bộ phần mềm ArcGIS để trích xuất các giá trị của raster vào trường thuộc tính của từng điểm.
2.4.2.4. Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh số tính tốn ảnh.
Tính tốn ảnh là kỹ thuật rất quan trọng để xử lý ảnh số. Ví dụ cụ thể là tính tốn ảnh nhiệt độ khơng khí gần mặt đất từ nhiệt độ bề mặt đất theo công thức T_air = a + b.T_suf. Khi đó tính tốn ảnh sẽ thực hiện thao tác nhân các giá trị của ảnh T_suf với tham số b sau đó lại cộng giá trị mới đó với tham số a. Bản chất là q trình tính ma trận 2 chiều của ảnh. Tuy nhiên, trên ảnh sẽ có những giá trị trên biển, bị mây che khuất khơng có giá trị. Những giá trị này cần phải loại trừ trong tính tốn. Do đó sử dụng cơng cụ band math tính tốn ảnh của ENVI sẽ thực hiện việc này hết sức dễ dàng. Công cụ band math cũng nằm trong thanh công cụ Basic Tool.
2.4.3. Phương pháp khảo sát, thử nghiệm, phân tích và so sánh
Khảo sát phương pháp đề xuất tại khu vực thực nghiệm với nhiều trường hợp khác nhau, phân tích dữ liệu kết quả, so sánh đánh giá độ chính xác và có sự điều chỉnh hợp lý cho mơ hình tính tốn.
Để khảo sát và thử nghiệm thì cần phải thu thập các dữ liệu đo trực tiếp từ trạm đo khí tượng trong khu vực nghiên cứu.
Sử dụng mơ hình hồi quy tuyến tính đa biến để thử nghiệm tính tốn các tham số giữa dữ liệu khí tượng tại trạm đo và dữ liệu viễn thám. Hồi quy tuyến tính đa biến là phương pháp nghiên cứu mối quan hệ giữa biến mục tiêu (biến phụ thuộc) vào nhiều hơn 2 biến độc lập (biến đầu vào).
Mơ hình tổng quan với Y là biến phụ thuộc và những biến độc lập X1, X2, X3, …. Xn.
Y = a0 + a1X1 + a2X2 + a3X3……+ anXn Trong đó: a0 là hệ số tự do
a1 , a2 ……. an là các hệ số hồi quy riêng từng biến Xi
Với mỗi giá trị tại trạm đo i ta có một phương trình như sau: Yi = a0 + a1X1i + a2X2i + a3X3i……+ anXni + ui
Trong đó ui là sai số giữa trạm đo và mơ hình ui = Ytrạm - Yi Với m trạm đo ta có hệ m phương trình:
Y1 = a0 + a1X11 + a2X21 + a3X31……+ anXn1 + u1 Y2 = a0 + a1X12 + a2X22 + a3X32……+ anXn2 + u2 Y3 = a0 + a1X13 + a2X23 + a3X33……+ anXn3 + u3 …..
Ym = a0 + a1X1m + a2X2m+ a3X3m……+ anXnm + um
Đặt 𝑌 = ( 𝑌1 𝑌2 … . 𝑌𝑚 ); 𝐴 = ( 𝑎1 𝑎2 … . 𝑎𝑚 ) ; 𝑌𝑡𝑟ạ𝑚 = ( 𝑌𝑡𝑟ạ𝑚_1 𝑌𝑡𝑟ạ𝑚_2 … . 𝑌𝑡𝑟ạ𝑚_𝑚 ) 𝑋 = ( 1 1 … 1 𝑋11 𝑋21 … 𝑋𝑚1 𝑋21 𝑋22 … 𝑋𝑚2 … … … … 𝑋𝑛1 𝑋𝑛2 … 𝑋𝑚𝑛 ) ; 𝑈 = ( 𝑢1 𝑢2 … . 𝑢𝑚 )
Ta có mơ hình hồi quy mẫu là: Y=A.X+U
Mục đích là cần tìm hệ số A để sao cho U nhỏ nhất. Việc này được thực hiện bằng nguyên lý bình phương nhỏ nhất. Tức là tìm A sao cho:
∑(𝑌𝑡𝑟ạ𝑚− 𝑌𝑖)2 𝑛ℎỏ 𝑛ℎấ𝑡 => ∑(𝑌𝑡𝑟ạ𝑚− 𝑌𝑖)2 𝑛ℎỏ 𝑛ℎấ𝑡
𝑚 𝑖=1 𝑚
𝑖=1
Thực hiện hồi quy bội tuyến tính bằng cơng cụ Regression trong bộ công cụ Data Analysis của phần mềm Excel.
Chương 3
ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU 3.1. Điều kiện tự nhiên.
3.1.1. Tọa độ địa lý.
Hình 3.1. Bản đồ hành chính tỉnh Thanh Hóa
Thanh Hố là một tỉnh lớn của Bắc Trung Bộ có toạ độ địa lý:
- Điểm cực Bắc: 20040’B (tại xã Tam Chung – huyện Quan Hoá) - Điểm cực Nam: 19018’B (tại xã Hải Thượng – Tĩnh Gia)
- Điểm cực Đông: 106004’Đ (tại xã Nga Điền – Nga Sơn)
- Điểm cực Tây: 104022’Đ (tại chân núi Pu Lang – huyện Quan Hóa)
Thanh Hố có lãnh thổ rộng lớn: 11.129,48 km2, là tỉnh có diện tích lớn thứ 5 trong cả nước. Về vị trí địa lý, Thanh Hóa tiếp giáp với các tỉnh và nước bạn như sau:
- Phía Bắc: giáp 3 tỉnh, gồm: Sơn La, Hồ Bình, Ninh Bình với đường ranh giới dài 175km.
- Phía Nam : giáp Nghệ An với đường ranh giới dài 160 km
- Phía Đơng: giáp biển Đơng với chiều dài đường bờ biển 102 km. - Phía Tây: giáp tỉnh Hủa Phăn của nước CHDCND Lào với đường
biên giới dài 192km.
Thanh Hố nằm ở vị trí trung chuyển giữa các tỉnh phía Bắc và các tỉnh phía Nam nước ta. Trong lịch sử nơi đây từng là căn cứ địa vững chắc chống ngoại xâm, là kho nhân tài vật lực phục vụ tiền tuyến.
Tỉnh Thanh Hoá nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng của vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ. Với 102 km đường bờ biển ở đây có thể phát triển hoạt động du lịch, khai thác cảng biển; có đường quốc lộ 1A, đường Hồ Chí Minh, đường sắt xuyên Việt và sân bay Thọ Xuân. Thêm vào đó, Thanh Hóa có quy mơ diện tích lớn với nhiều vùng sinh thái khác nhau.
Đặc điểm về vị trí địa lý trở thành một trong những điều kiện thuận lợi cho sự phát triển kinh tế, văn hóa - xã hội của tỉnh Thanh Hóa.
3.1.2. Địa chất.
Trong q trình tồn tại, lãnh thổ Việt Nam nói chung và Thanh Hố nói riêng đã trải qua nhiều chấn động địa chất lớn. Vỏ trái đất được cấu tạo phức tạp và trong quá trình thành tạo, chịu tác động của nhiều lực khác nhau, liên quan đến nhiệt năng trong lòng đất và năng lượng của mặt trời. Những quá