Phương pháp xử lý số liệu - Phương pháp nghiên cứu- 123docz.net

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU

2.2. Phương pháp nghiên cứu

2.2.2. Phương pháp xử lý số liệu

Hình 2.1. Đồ thị tuyến tính giữa hệ số độ dốc NDVI theo năm

Với mỗi pixel i, xu hướng thay đổi năng suất sinh khối NPP hằng năm qua chỉ số thực vật NDVI có thể được ước tính qua phương trình tuyến tính

Vi = Ai × t + Bi (2-1)

Với Vi = NDVI,

Ai= xu hướng lâu dài của NDVI,

t = năm (trong khoảng 1982 đến 2014),

Bi = intercept (hệ số chặn).

Tổng quát theo lý thuyết thống kê có thể giả định như sau: X(thời gian) và Y (NDVI) có mối tương quan tuyến tính theo phương trình

Y = AX + B + ε (2-2)

Do biến thời gian t được tính liên tục từ năm 1982 đến 2014 nên số liệu theo thời gian thỏa mãn điều kiện phân phối chuẩn. Bởi vậy có thể định nghĩa:

Sxx = ∑(Xi - 𝐗)2 (2-3) Syy = ∑(Yi - 𝐘)2 (2-4) Sxy = ∑(Xi - 𝐗)2(Yi - 𝐘)2 (2-5)

Theo phương pháp tổng bình bình phương nhỏ nhất hệ số dốc A và hệ số chặn B được tính như sau

Att = 𝐒𝐱𝐲

𝐒𝐱𝐱 (2-6) và hệ số chặnB = 𝐘 = 𝑨𝒕𝒕𝐗 (2-7) Hệ số xác định R2 (coefficient of determination được tính như sau)

R2 = 𝐒𝐱𝐲

𝟐

𝐒𝐱𝐱𝐒𝐲𝐲 (2-8) Tổng bình phương độ lệch chuẩn được tính:

RSS = Syy(1 - R2 ) (2-9)

Để xác định được với mỗi pixel có sự thay đổi tuyến tính theo thời gian có ý nghĩa thống kê không ta sẽ kiểm định giả thuyết H0 rằng mỗi pixel quan sát không có sự thay đổi tuyến tính NDVI theo thời gian (H0: A = 0 )

Hệ số kiểm định t sẽ được tính theo công thức sau

t0 = 𝐀𝐭𝐭

𝐒𝐄(𝐀) (2-10)

Độ lệch chuẩn của hệ số dốc được tính theo công thức

Phương sai của sai số mô hình 𝑽𝒂𝒓(𝛆) có thể được tính theo công thức

𝑽𝒂𝒓(𝛆) = 𝐑𝐒𝐒

𝐧−𝟐 (2-12)

Trong đó n = 33 là số năm quan sát từ 1982 - 2014

Hệ số kiểm định tα, df tra từ bảng phân phối t-student mới mức tin cậy 1 – α và bậc tự do df (33-2 = 31) cho phép chúng ta có thể chấp thuận hay phủ nhận giả thuyết H0 bằng cách so sánh t0 với tα, df

 Nếu | t0| ≥ tα, df giả thuyết H0 sẽ bị bác bỏ. Điều đó có nghĩa là hệ số độ dốc A có ý nghĩa hay sự thay đổi NDVI qua thời gian tại pixel quan sát là có

 Nếu | t0| < tα, df giả thuyết H0 sẽ được chấp thuận. Điều đó có nghĩa là hệ số độ dốc A không có ý nghĩa hay sự thay đổi NDVI qua thời gian tại pixel quan sát là không xác định.

* Phương pháp tính tương quan giữa lượng mưa và NDVI

Mối tương quan giữa lượng mưa và NDVI được tính bằng hệ số tương Pearson với công thức tổng quát như sau:

Trong đó: xi: lượng mưa trung bình năm thứ i (i = 1982-2014) yi: giá trị NDVI năm thứ i ,

Giả thuyết phủ nhận H0 được đưa ra rằng không có mối tương quan giữa lượng mưa và NDVI hay Ho: rxy = 0

Do lượng mưa về mặt tự nhiên không tuân theo phân phối chuẩn do đó cần phải sử dụng chuyển đổi theo phương pháp Fisher từ giá trị rxy thành giá trị Z theo luật phân phối chuẩn như sau:

Z = 𝟏

𝟐𝐥𝐧 (𝟏+𝒓𝒙𝒚

𝟏−𝒓𝒙𝒚) (2-14)

Độ lệch chuẩn của Z có thể được ước tính

SE(Z) = 𝟏

√𝒏−𝟑 (2-15) Hệ số kiểm định t cho giả thuyết H0 được tính

t0 = 𝐙

𝐒𝐄(𝐙) (2-16)

Nếu | t0| ≥ tα, df giả thuyết H0 sẽ bị bác bỏ. Điều đó có nghĩa là hệ số tương quan r có ý nghĩa. Hay sự thay đổi NDVI và lượng mưa có ý nghĩa tại pixel quan sát

Nếu | t0| < tα, df giả thuyết H0 sẽ được chấp thuận. Điều đó có nghĩa là hệ số tương quan r không có ý nghĩa. Hay sự thay đổi NDVI và lượng mưa không có

Tất cả các bước trên được xử lý trên phần mềm ArcMap với công cụ Raster Calculator

2.2.3. Phương pháp xây dựng bản đồ

Các phân tích không gian trong nghiên cứu này được thực hiện trong môi trường Hệ thống thông tin địa lý (GIS) bằng phần mềm ArcGIS. Vì dữ liệu được sử dụng trong nghiên cứu này được tải xuống từ các nguồn khác nhau với các kiểu dữ liệu và độ phân giải không gian khác nhau, nên cần được xử lý để phù hợp với nhau và có cùng độ phân giải trước khi thực hiện các phân tích không gian. Tùy thuộc vào loại dữ liệu (dữ liệu liên tục, dữ liệu phân cấp) mà phương pháp chuyển đổi kích thước pixel (resample) bằng cách sử dụng một trong hai kỹ thuật lân cận gần nhất (nearest neighbour) hoặc song tuyến (bilinear) đã được sử dụng. Để duy trì các giá trị dữ liệu gốc và giữ tính nhất quán về không gian, việc giảm kích thước pixel (nghĩa là từ độ phân giải lớn đến độ phân giải nhỏ) đã được áp dụng cho cả hai loại dữ liệu với kỹ thuật lân cận gần nhất. Để tăng kích thước pixel (tức là từ độ phân giải nhỏ hơn sang độ phân giải lớn hơn) của các bộ dữ liệu liên tục (countinuous), kỹ thuật song tuyến đã được áp dụng. Đối với dữ liệu phân loại (catergory), các kỹ thuật lân cận gần nhất [24] được sử dụng để chuyển đổi kích thước pixel.

2.2.4. Phương pháp chuyên gia

Kết quả sau khi được tính toán sẽ được tham khảo ý kiến của các chuyên gia để thảo luận, đánh giá và tăng cường chất lượng nghiên cứu.

2.2.5. Phương pháp hồi cứu số liệu

Các khu vực có sự biến động lớn về lớp phủ thực vật sẽ được hồi cứu với các tài liệu, số liệu trong quá khứ để tìm hiểu xem nguyên nhân đằng sau sự biến động là gì? Đây cũng là phương pháp hỗ trợ thêm cho việc nâng cao độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

2.3. Trình tự các bước nghiên cứu

Hình 2.2. Sơ đồ nghiên cứu biến động lớp phủ thực vật tại Việt Nam và mối tương quan với lượng mưa (1982-2014)

Toàn bộ quá trình nghiên cứu có thể được tóm tắt qua ba bước chính sau (Hình 2.2)

B1: Đánh giá sự biến động của NDVI tại Việt Nam trong giai đoạn 1982- 2014 Dữ liệu NDVI hàng năm được trích xuất từ bộ dữ liệu VIPHEN_EVI2 sẽ được tính toán thống kê cho từng pixel để xem xét xu hướng thay đổi lớp phủ thực vật tại từng điểm. Nếu phát hiện sự biến động NDVI có xảy ra liên tục sẽ được kiểm định thống kê với mức ý nghĩa p < 0,1 lúc này sẽ xảy ra hai trường hợp

Xu hướng thay đổi A (+): NDVI tăng theo thời gian Xu hướng thay đổi A (-): NDVI giảm theo thời gian

B2: Tính tương quan giữa lượng mưa và chỉ số NDVI

Bản đồ lượng mưa trung bình 33 năm (1982 – 2014) sẽ được tính toán tương ứng với dữ liệu NDVI 33 năm để tìm hiểu mối tương quan thống kê thông qua kiểm định Pearson. Nếu hệ số tương quan giữa lượng mưa và NDVI đủ lớn |r| > 0,45 sẽ xảy ra các trường hợp sau:

- Hệ số tương quan dương r > 0,45 có mối quan hệ thuận với chỉ số NDVI, tức là lượng mưa tăng thì làm NDVI tăng hoặc ngược lại lượng mưa giảm làm giảm NDVI

- Hệ số tương quan âm r < - 0,45 có mối quan hệ nghịch với chỉ số NDVI, tức là lượng mưa tăng thì làm giảm NDVI hoặc ngược lại lượng mưa giảm lại làm tăng NDVI - Với trường hợp lượng mưa không có mối tương quan với NDVI | r | < 0,45 tức là việc suy giảm lớp phủ thực vật sẽ do các nguyên nhân khác gây nên nhằm tách biệt sự ảnh hưởng của yếu tố khi hậu như lượng mưa khỏi sự biến động lớp phủ thực vật.

B3: Hồi cứu dữ liệu kinh tế, xã hội, thiên tai,… trong quá khứ

Tại các khu vực có sự biến động về lớp phủ thực vật cũng như tương quan với lượng mưa sẽ đi tìm hiểu các dữ liệu quá khứ nhằm làm rõ hơn những nguyên nhân biến động, đồng thời củng cố thêm kết quả nghiên cứu nếu kết quả hồi cứu lịch sử là tương đồng hoặc diễn ra cùng xu thế.

2.4. Khu vực nghiên cứu

Theo tài liệu công bố chính thức trên cổng thông tin chính phủ, địa lý Việt Nam có những đặc điểm chính sau [2] :

Vị trí địa lý: Việt Nam là một quốc gia nằm trên bán đảo Đông Dương, khu vực Đông Nam Á, ven biển Thái Bình Dương. Việt Nam có đường biên giới trên đất liền dài 4.550 km tiếp giáp với Trung Quốc ở phía Bắc, với Lào và Căm-pu-chia ở phía Tây; phía Đông giáp biển Đông. Trên bản đồ, dải đất liền Việt Nam mang hình chữ S, kéo dài từ vĩ độ 23o23’ Bắc đến 8o27’ Bắc, dài 1.650 km theo hướng bắc nam, phần rộng nhất trên đất liền khoảng 500 km; nơi hẹp nhất gần 50 km.

Dân số: Theo kết quả điều tra, năm 2018 dân số Việt Nam là 94.659,8 nghìn người, trong đó có 46.751,8 nghìn Nam và 47.908,0 nghìn Nữ.

Nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình tại Việt Nam dao động từ 21 o C đến 27 o C và tăng dần từ Bắc vào Nam. Mùa hè, nhiệt độ trung bình trên cả nước là 25 o C (Hà Nội 23 o C, Huế 25 o C, thành phố Hồ Chí Minh 26 o C). Mùa đông ở miền Bắc, nhiệt độ xuống thấp nhất vào các tháng Mười Hai và tháng Giêng. Ở vùng núi phía Bắc, như Sa Pa, Tam Đảo, Hoàng Liên Sơn, nhiệt độ xuống tới 0 o C, có tuyết rơi.

Việt Nam có lượng bức xạ mặt trời rất lớn với số giờ nắng từ 1.400 - 3.000 giờ/năm. Lượng mưa trung bình hàng năm từ 1.500 đến 2.000 mm. Độ ẩm không khí trên dưới 80%. Do ảnh hưởng gió mùa và sự phức tạp về địa hình nên Việt Nam thường gặp bất lợi về thời tiết như bão, lũ lụt, hạn hán.

Khí hậu: Việt Nam nằm trong vành đai nội chí tuyến, quanh năm có nhiệt độ cao và độ ẩm lớn. Phía Bắc chịu ảnh hưởng của lục địa Trung Hoa nên ít nhiều mang tính khí hậu lục địa. Biển Đông ảnh hưởng sâu sắc đến tính chất nhiệt đới gió mùa ẩm của đất liền. Khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm không thuần nhất trên toàn lãnh thổ Việt Nam, hình thành nên các miền và vùng khí hậu khác nhau rõ rệt. Khí hậu Việt Nam thay đổi theo mùa và theo vùng từ thấp lên cao, từ bắc vào nam và từ đông sang tây. Do chịu sự tác động mạnh của gió mùa đông bắc nên nhiệt độ trung bình ở Việt Nam thấp hơn nhiệt độ trung bình nhiều nước khác cùng vĩ độ ở Châu Á.

Việt Nam có thể được chia ra làm hai đới khí hậu lớn: (1) Miền Bắc (từ đèo Hải Vân trở ra) là khí hậu nhiệt đới gió mùa, với 4 mùa rõ rệt (xuân-hạ-thu-đông), chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc (từ lục địa châu Á tới) và gió mùa đông Nam, có độ ẩm cao. (2) Miền Nam (từ đèo Hải Vân trở vào) do ít chịu ảnh hưởng của gió mùa nên khí hậu nhiệt đới khá điều hòa, nóng quanh năm và chia thành hai mùa rõ rệt (mùa khô và mùa mưa).

Bên cạnh đó, do cấu tạo của địa hình, Việt Nam còn có những vùng tiểu khí hậu. Có nơi có khí hậu ôn đới như tại Sa Pa, tỉnh Lào Cai; Đà Lạt, tỉnh Lâm Đồng; có nơi thuộc khí hậu lục địa như Lai Châu, Sơn La.

Trên cơ sở chính là về thời gian bắt đầu, các tháng có lượng mưa lớn nhất và thời gian kết thúc mùa mưa có thể chia khí hậu Việt Nam thành 7 vùng (Hình 2.3) [12] :

Hình 2.3. Bản đồ phân vùng khí hậu Việt Nam

Nguồn: Những kiến thức cơ bản về Biến đổi khí hậu. [12]

* Vùng khí hậu Tây Bắc (B1):

- Vùng này là nơi tập trung nhiều núi cao, đồ sộ và hiểm trở nhất cả nước với nhiều đỉnh núi có độ cao trên 2000m như dãy Hoàng Liên Sơn tại đỉnh Phanxi păng độ cao lên tới 3143m. Bức xạ năm lớn từ 120 – 135 (kcal/cm2), cán cân bức xạ dương với số giờ nắng từ 1800 – 2000 giờ/năm.

- Nhiệt độ trung bình năm từ 18 – 220C, tháng nóng nhất nhiệt độ trung bình có thể lên tới 26 - 270C và tháng lạnh nhất có nhiệt độ trung bình 13 - 160C. Nhiệt độ thấp nhất có thể xuống tới -20C.

- Tốc độ gió trung bình 0,8 – 1,5 m/s, tốc độ gió cao nhất có thể đạ mức 30 – 40 m/s. Hướng gió thịnh hành là Đông Bắc, Đông, Đông Nam.

- Lượng mưa trung bình năm 1200 – 2000 mm. Mùa mưa kéo dài từ tháng IV đến tháng IX, tập trung nhiều nhất vào các tháng VI đến tháng VIII. Độ ẩm tuyệt đối từ 82 – 85%.

* Vùng khí hậu Việt Bắc - Đông Bắc (B2):

- Vùng này chủ yếu là địa hình đồi núi thấp với độ cao trung bình từ 600-700m, thấp hơn so với vùng Tây Bắc. Địa hình khu vực có xu hướng giảm dần từ Tây Bắc về phía Đông Nam. Bức xạ năm tương đối lớn từ 105 – 130 (kcal/cm2), cán cân bức xạ dương với số giờ nắng từ 1400 – 1700 giờ/năm.

- Nhiệt độ trung bình năm từ 18 – 230C, tháng nóng nhất nhiệt độ trung bình có thể lên tới 26 - 280C và tháng lạnh nhất có nhiệt độ trung bình 12 - 160C. Nhiệt độ thấp nhất có thể xuống tới -20C.

- Tốc độ gió trung bình 1 – 2 m/s, tốc độ gió cao nhất có thể đạ mức 30 – 40 m/s. Hướng gió thịnh hành vào mùa đông là Đông, Đông Bắc; mùa hè hướng gió thịnh hành là Đông và Đông Nam.

- Lượng mưa trung bình năm 1400 – 2000 mm. Mùa mưa kéo dài từ tháng IV đến tháng X, tập trung nhiều nhất vào các tháng VI đến tháng VIII. Độ ẩm tuyệt đối từ 82 – 85%.

* Vùng khí hậu đồng bằng Bắc Bộ (B3):

- Vùng này có độ cao địa lý phổ biến thấp nhất 0 – 50m. Bức xạ năm tương đối lớn từ 105 – 130 (kcal/cm2), cán cân bức xạ dương với số giờ nắng từ 1400 – 1700 giờ/năm.

- Nhiệt độ trung bình năm từ 23 – 240C, tháng nóng nhất nhiệt độ trung bình có thể lên tới 28,5 – 29,50C và tháng lạnh nhất có nhiệt độ trung bình 15 – 16,50C. Nền nhiệt độ cao, với nhiệt độ tối cao là 410C và nhiệt độ tối thấp là 20C.

- Tốc độ gió trung bình 2 – 3 m/s, tốc độ gió cao nhất có thể đạt mức 30 – 40 m/s. Mùa đông hướng gió thịnh hành là Đông, Đông Bắc; mùa hè hướng gió thịnh hành là Đông và Đông Nam.

- Lượng mưa trung bình năm 1400 – 1800 mm. Mùa mưa kéo dài từ tháng V đến tháng X, tập trung nhiều nhất vào các tháng VII đến tháng IX. Độ ẩm tuyệt đối từ 84 – 85%.

* Vùng khí hậu Bắc Trung Bộ (B4):

- Vùng này có độ cao địa lý phổ biến 0 – 100m, riêng khu vực miền núi phía Tây tỉnh Thanh Hóa độ cao lên tới từ 1000-1500m. Bức xạ năm tương đối lớn từ 105 – 140 (kcal/cm2), cán cân bức xạ dương với số giờ nắng từ 1500 – 2000 giờ/năm.

- Nhiệt độ trung bình năm từ 23 – 250C, tháng nóng nhất nhiệt độ trung bình có thể lên tới 28 – 300C và tháng lạnh nhất có nhiệt độ trung bình 16,5 – 19,50C. Nền nhiệt độ cao, với nhiệt độ tối cao là 420C và nhiệt độ tối thấp là 30C.

- Tốc độ gió trung bình 1,5 – 3 m/s, tốc độ gió cao nhất có thể đạt mức 30 – 40 m/s. Mùa đông hướng gió thịnh hành là Tây Bắc, Bắc và Đông Bắc; mùa hè hướng gió thịnh hành là Tây Nam, Nam và Đông Nam.

- Lượng mưa trung bình năm 1400 – 2000 mm. Mùa mưa kéo dài từ tháng VIII đến tháng XII, tập trung nhiều nhất vào các tháng VIII đến tháng X. Độ ẩm tuyệt đối từ 84 – 86%.

* Vùng khí hậu Nam Trung Bộ (N1):

- Vùng này có độ cao địa lý phổ biến 0 – 100m chủ yếu là đồng bằng ven biển và núi thấp. Bức xạ năm tương đối lớn từ 140 – 160 (kcal/cm2), cán cân bức xạ dương với