4. Cấu trúc luận văn
1.3.2. Sử dụng tư liệu ảnh MODIS cho tính tốn chỉ số khơ hạn
1.3.2.1. Mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt đất LST và chỉ số thực vật NDVI
Dựa trên mối quan hệ chặt chẽ giữa nhiệt độ bề mặt đất (LST) và chỉ số thực vật (NDVI) (Wang et al., 2003), chúng ta có thể tính tốn đƣợc các chỉ số chỉ thị hạn hán cho các điều kiện lớp phủ thực vật khác nhau theo đặc trƣng quang phổ phản xạ và nhiệt độ bề mặt đất. Vì phát xạ nhiệt độ bề mặt là hàm số của sự thay đổi lớp phủ thực vật và hàm lƣợng nƣớc trong đất. Dựa vào các nghiên cứu trƣớc đây, Lambin và Ehrlich (1996) [14] đã đƣa ra mối tƣơng quan về không gian của chỉ số thực vật và nhiệt độ bề mặt đất theo khái niệm của sự bay hơi, sự thoát hơi nƣớc và hợp phần lớp phủ thực vật (Hình 1.7). Theo đó, các thay đổi về nhiệt độ bề mặt có mối tƣơng quan
khá chặt chẽ với những thay đổi lớp phủ thực vật và hàm lƣợng nƣớc trên bề mặt đất trống. Đất trống khô – chỉ số thực vật thấp, nhiệt độ cao, đất trống ẩm – chỉ số thực vật thấp, nhiệt độ thấp. Khi phần trăm lớp phủ thực vật tăng, nhiệt độ bề mặt giảm theo nhiều cơ cấu sinh lý [8]
Hình 1.7: Sơ đồ khơng gian của nhiệt độ bề mặt - chỉ số thực vật và mối quan hệ với sự bay hơi (evaporation), sự thoát hơi nước của cây (transpiration) và phần trăm
lớp phủ thực vật [14]
Kết hợp tính tốn giữa NVDI và LST trong quan trắc hạn hán sẽ cho hiệu quả cao hơn là nghiên cứu riêng lẻ từng chỉ số. Cụ thể, NDVI có 3 hạn chế chính khi dùng để quan trắc hạn hán đó là: khoảng cách thời gian giữa thời điểm thu nhận dữ liệu lƣợng mƣa và thu nhận NDVI, thứ hai, trong mùa sinh trƣởng, NDVI ít chịu ảnh hƣởng từ lƣợng mƣa, và thứ ba, NDVI không nhạy lắm với sự thiếu nƣớc của thực vật vì thực vật vẫn xanh ở giai đoạn đầu hạn hán. Và NDVI thƣờng chỉ cho biết chỉ số về lƣợng thực vật và thành phần chlorophyll trong thực vật chứ khơng nói lên trạng thái nƣớc của khu vực nghiên cứu. Vì thế, cần dùng chỉ số nhạy cảm với thanh phần nƣớc hơn khi quan trắc hạn hán. [18]. Trong khi, nhiệt độ bề mặt Trái đất thu đƣợc từ các kênh nhiệt lại là một chỉ thị tốt cho dòng nhiệt ẩn. Nhiệt độ bề mặt có thể tăng lên rất
Khơng bay hơi
Bay hơi cực đại
Rìa khơ
Rìa ƣớt Bay hơi cực đại Không bay hơi
nhanh khi thực vật thiếu nƣớc và lớp phủ thực vật có tác động đáng kể đến việc xác định nhiệt độ bề mặt. Do đó, nhiệt độ bề mặt đất (LST) từ dữ liệu các kênh nhiệt TIR là nguồn cung cấp thơng tin quan trọng và hữu ích về tình trạng bề mặt đất và đƣợc ứng dụng rộng rãi để nghiên cứu về nguồn nƣớc và nguồn năng lƣợng tƣơng tác trên lớp khí quyển bề mặt (Gutman 1990). Vì thế, LST cũng đƣợc sử dụng nhƣ một chỉ số để đánh giá mức độ bốc hơi nƣớc, mức độ hạn hán, độ ẩm của đất và quán tính nhiệt (Moran et al 1994;. Ottle và Vidalmadjar 1994; Moran et al. 1996; Sobrino et al. 1998; Gupta et al. 2002; Narasimhan et al. 2003; Jang et al 2006, Anderson et al 2007). Trong trƣờng hợp hạn hán, LST có thể đƣợc sử dụng nhƣ một chỉ thị về đất và ƣớc tính mức độ thiếu nƣớc của thực vật vì điều kiện khơ hạn phụ thuộc trực tiếp vào sự thiếu hụt độ ẩm đất, sự thiếu hụt này sẽ khiến nhiệt độ lá cây và nhiệt độ bề mặt cùng tăng lên [18].
Do đó, mối quan hệ LST – NDVI cho thấy nhiều thông tin hơn so với từng chuỗi số liệu NDVI hay LST riêng biệt vì các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng: LST và NDVI kết hợp với nhau có thể cung cấp thơng tin về điều kiện sức khỏe thực vật và độ ẩm trên bề mặt trái đất (Sandholt et al, 2002). Và mơ hình khơng gian thời gian của sự thay đổi thực vật có thể liên quan đồng thời đến sự biến đổi của lƣợng mƣa và hàm nhiệt độ nên kết hợp các chỉ số khác nhau để nghiên cứu hạn hán sẽ tốt hơn là nghiên cứu riêng lẻ từng chỉ số nào đó nhƣ chỉ nghiên cứu về NDVI [24]. Để giải quyết vấn đề này, phƣơng pháp kết hợp giữa chỉ số thực vật NDVI và LST đƣợc để xuất để xác định trạng thái trữ nƣớc của lớp phủ.
Sự biến thiên theo không gian và thời gian của mối quan hệ LST-NDVI trên phạm vi lục địa hay trên toàn cầu đã đƣợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu trƣớc đây. Tiềm năng về việc thu nhận thông tin về năng lƣợng và nguồn nƣớc của bề mặt đất hoặc các loại che phủ đất thông qua LST và NDVI cũng đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm. Nghiên cứu của Goetz (1997) đã cho thấy mối quan hệ nghịch giữa LST và NDVI, ở các tỷ lệ khác nhau (25m2
che phủ thảm thực vật và độ ẩm của đất, và chỉ ra rằng, nhiệt độ bề mặt có thể tăng lên nhanh chóng theo mức độ thiếu nƣớc. Sử dụng đồ thị phân bố LST-NDVI, Price (1990) đã phân biệt đƣợc khu vực đƣợc che phủ kín bởi thực vật, với khu vực đất khô, đất ẩm. Hope và McDowell (1992) cũng sử dụng mối quan hệ LST-NDVI để phân biệt khu vực cháy rừng và khu vực chƣa bị cháy. Đồ thị phân bố LST-NDVI đã đƣợc chứng minh là có liên quan đến địa hình cũng nhƣ lớp phủ thực vật (Nemani et al 1993). Đồ thị LST-NDVI đƣợc sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng liên quan đến nƣớc và cân bằng năng lƣợng, những ứng dụng liên quan đến độ ẩm đất, cho biết tình trạng hạn hán (Nemani and Running 1989; Carlson et al. 1994; Gillies và Carlson năm 1995; Gillies et al. năm 1997; Goetz 1997). Goward et al (2002) đã sử dụng NDVI và LST để dự đốn về nhiệt độ lớp khơng khí sát bề mặt đất [10]. Đƣờng dốc trong đồ thị LST - NDVI cho biết các thông tin liên quan đến độ ẩm đất trung bình. Đồ thị này thƣờng có dạng hình tam giác (Price, 1990, Carlson et al, 1994) hoặc hình thang (Moran, Clarke et al 1994), nếu biểu diễn một phạm vi rộng các phân nhóm lớp phủ thực vật và độ ẩm đất [14]. Đồ thị phân tán LST-NDVI đƣợc sử dụng để mơ hình hóa mối quan hệ đất – thực vật – khí quyển (mơ hình SVAT) trong mối tƣơng tác với sự bốc hơi nƣớc bề mặt (Carlson và cộng sự năm 1994;. Moran và cộng sự năm 1994;. Gillies và Carlson 1995; Moran và cộng sự. 1996; Gillies et al. 1997; Sandholt et al. 2002; Jang và cộng sự. 2006; Stisen et al. 2007).
Đồ thị phân bố LST/NDVI đƣợc nghiên cứu cho những loại lớp phủ khác nhau dƣới những điều kiện khí hậu khác nhau, phạm vi cũng khác nhau, vì thế đồ thị biểu diễn cũng rất khác nhau. Hình dáng đồ thị LST/NDVI đƣợc xây dựng trên giả thiết chỉ số thực vật có quan hệ tuyển tính với phân đoạn lớp phủ thực vật (Fractional vegetation cover) và sự biến thiên của nhiệt độ bề mặt – nhiệt độ khơng khí là hàm của chỉ số thực vật, trong đó cân bằng năng lƣợng trên bề mặt là nhân tố kiểm soát. Những yếu tố ảnh hƣởng tới vị trí các pixel trong khơng gian LST/ NDVI là:
2. Sự bốc hơi nƣớc
3. Các đặc tính nhiệt của bề mặt 4. Bức xạ rịng
5. Áp suất khí quyển và độ gồ ghề bề mặt
6. Các nhân tố tƣơng tác khác: Khơng có mối liên hệ trực tiếp nào giữa nhiệt độ bề mặt và độ ẩm bề mặt đất nhƣng độ ẩm bề mặt đất đóng vai trị quan trọng trong cơ chế tƣơng tác dƣới đây.
Hình 1.8. Mơ phỏng về các yếu tố ảnh hưởng tới nhiệt độ bề mặt đất. Các biến trong đường trịn có thể thu nhận được từ dữ liệu viễn thám [14]
Trong đó :
Sn: Cân bằng bức xạ rịng sóng ngắn Rn: Cân bằng bức xạ ròng
GLAI: Chỉ số diện tích lá cịn xanh Fc: Phân đoạn lớp phủ thực vât ET: Bốc hơi nƣớc Sự chênh lệch nhiệt độ giữa đất và tán lá Các đặc tính nhiệt tách
RS: Sự đóng lỗ khí của lá cây M1: thành phần độ ẩm đất (phần rễ)
M0: thành phần độ ẩm đất (các phần trên )
Hoặc có thể chia các nhân tố ảnh hƣởng tới mối quan hệ LST/NDVI thành 2 loại, trực tiếp và gián tiếp [10]:
Các biến trực tiếp liên quan đến mối quan hệ LST- NDVI: - Nhiệt độ khơng khí
- Lƣợng mƣa - Bức xạ
Các biến gián tiếp:
- Độ ẩm đất và độ bốc hơi - Phân đoạn lớp phủ thực vật - Phân loại lớp phủ
Mối quan hệ LST/NDVI trên thực tế thay đổi theo vị trí nghiên cứu, mùa và các loại thực vật. Nemani et al. (1993) đã cho thấy xu hƣớng tƣơng phản, nghịch đảo trong quan hệ giữa LST và NDVI là xu hƣớng chung cho quy mô tồn cầu và quy mơ lục địa [9] Tuy nhiên trên thực tế, mối tƣơng quan giữa LST và NDVI là nghịch đảo chỉ tại những khu vực đất khơ, ở các vĩ độ trung bình, cịn ở những vùng đất nhiệt đới và vĩ độ cao, mối tƣơng quan này là thuận (Schultz and Halpert 1995; Churkina and Running 1998; Nemani et al. 2003; Julien and Sobrino 2009) [10]. Các nghiên cứu trƣớc đây đã cho thấy khi nƣớc là nhân tố quyết định quá trình sinh trƣởng (những vùng vĩ độ thấp và vào giữa các mùa) của thực vật, mối quan hệ LST-NDVI là nghịch đảo. Tuy nhiên, khi năng lƣợng là nhân tố quyết định quá trình sinh trƣởng của thực vật (những vùng ở vĩ độ cao, ở độ cao lớn, đặc biệt ở giai đoạn đầu mùa sinh trƣởng), mối quan hệ này lại là thuận [17]
Nhiều nghiên cứu đã đƣợc thực thiện để giải thích mối quan hệ này theo các biến về sinh học và địa lý (nhƣ loại che phủ đất và loại hình sử dụng đất, phân đoạn thảm
thực vật, điều kiện độ ẩm và địa hình). Và các nhà khoa học đã chứng minh đƣợc rằng vào thời điểm bắt đầu và kết thúc mùa sinh trƣởng, bức xạ năng lƣợng mặt trời là yếu tố chủ yếu thúc đẩy các mối tƣơng quan giữa LST và NDVI, trong khi các biến sinh lý khác đóng vai trị nhỏ. Cịn những thời điểm vào giữa các mùa, khi thông lƣợng bức xạ đủ lớn để không hạn chế sự sinh trƣởng của thực vật, thì bức xạ mặt trời lại đóng vai trị nhỏ hơn các biến sinh lý trong mối tƣơng quan LST – NDVI. Và khi năng lƣợng là yếu tố hạn chế sinh trƣởng thực vật, hay những nơi điều kiện nhiệt độ bị hạn chế nhƣ ở các khu vực vĩ độ cao và nơi có độ cao lớn, mối quan hệ giữa LST và NDVI là tỷ lệ thuận. Vì thế, ở những nơi này, việc LST tăng không thể đƣợc xem là dấu hiệu của hạn hán. Các nghiên cứu trƣớc đây thƣờng giả thiết rằng mối quan hệ giữa LST và NDVI là nghịch đảo, nhƣng ở những khu vực mà nƣớc là yếu tố hạn chế sự sinh trƣởng của thực vật qua thời gian, giả thiết này mới đúng. Mà hạn hán thì chủ yếu xảy ra ở các vĩ độ thấp, một vài chỉ số chỉ thị hạn hán cũng đƣợc xây dựng dựa trên giả thiết rằng tồn tại mối quan hệ nghịch đảo mạnh mẽ giữa LST và NDVI, nên khi áp dụng mối quan hệ LST/NDVI trong quan trắc hạn hán, cần sử dụng mối quan hệ thực nghiệm giữa LST-NDVI một cách thận trọng, cần kiểm tra lại giả thiết trên và hạn chế việc áp dụng phƣơng pháp này chỉ trong các khu vực và thời điểm mà mối tƣơng quan LST/NDVI là nghịch đảo, cụ thể, nƣớc là yếu tố chính quyết định tăng trƣởng của thực vật, chứ khơng phải năng lƣợng [10]
Dựa trên không gian tam giác cơ bản cho mối quan hệ của LST và NDVI, chỉ số điều kiện thực vật nhiệt độ VTCI đã đƣợc Wang et al. 2001 xây dựng, ứng dụng cho quy mô vùng. Năm 2002, Sandholt et al đã đề xuất chỉ số khô hạn nhiệt độ - thực vật TVDI cho đánh giá trạng thái độ ẩm bề mặt đất [28]. Về thực chất, hai loại chỉ số này có cùng bản chất và đƣợc xây dựng trên cùng một cơ sở khoa học, dựa vào đặc trƣng của khu vực nghiên cứu, cũng nhƣ đặc trƣng của dữ liệu ảnh MODIS, trong nghiên cứu của mình, học viên sẽ sử dụng chỉ số TVDI.
Đồ thị phân bố (Ts, NDVI) sẽ cung cấp thơng tin hữu ích về điều kiện thực vật và độ ẩm bề mặt. Vị trí của pixel trong đồ thị này bị ảnh hƣởng bởi rất nhiều yếu tố nhƣ nhiệt độ, độ phủ thực vật, độ ẩm, độ bay hơi..và những đƣờng đồng mức của các yếu tố chính (độ ẩm, độ bay hơi) có thể vẽ đƣợc trong tam giác xác định nên đồ thị phân tán (Ts, NDVI). Dựa trên đồ thị phân bố (Ts, NDVI), chỉ số TVDI đƣợc xây dựng để xác định độ ẩm đất (Sandholt et al, 2002). Sau khi quan sát mối quan hệ giữa NDVI và LST, để lƣợng hóa quan hệ giữa NDVI và LST, Sandholt (2002) đã đề xuất sử dụng chỉ số khô hạn nhiệt độ - thực vật TVDI xác định theo công thức sau:
min min
max min * min
s s s s s s s T T T T TVDI T T a b NDVI T (9)
Ở đây, Ts min là nhiệt độ bề mặt cực tiểu trong tam giác xác định để rìa ƣớt, Ts là nhiệt độ quan sát tại điểm ảnh cần tính, Ts max là nhiệt độ bề mặt cực đại quan sát đƣợc cho mỗi khoảng giá trị của NDVI. Tham số a và b của đƣờng “rìa khơ” cho mỗi 1 cảnh MODIS đƣợc xác định bằng hàm hồi quy bình phƣơng tối thiểu của các giá trị cực đại Ts đối với những khoảng giá trị NDVI. Hệ số a và b đƣợc xác định từ khu vực đủ lớn để thể hiện phạm vi trọn vẹn của các nội dung độ ẩm bề mặt. Với Tmin, a và b xác định không đổi cho từng ảnh MODIS, giá trị TVDI cho từng pixel ảnh đƣợc tính theo cơng thức (9) khi thay vào các giá trị của Ts và NDVI tƣơng ứng). Vì TVDI có thể đƣợc tính cho từng pixel, điều này cho phép giữ nguyên kích thƣớc sản phẩm ảnh ban đầu. [14]
Chỉ số TVDI đƣợc xây dựng trên giả thiết [14]:
- Độ ẩm đất là nguồn gốc chính cho những thay đổi về Ts
- TVDI liên quan đến độ ẩm bề mặt đất vì những thay đổi trong quan tính nhiệt và kiểm sốt bay hơi trên phân vùng bức xạ rịng
Trong đồ thị phân bố (Ts, NDVI), TDVI đƣợc biểu diễn dƣới dạng đƣờng thằng. Dạng đồ thị phân bố (Ts, NDVI) có thể đƣợc so sánh với mơ phỏng của độ ẩm.
Hình 1.9. Chỉ số TVDI của một pixel ảnh (Ts, NDVI) được xác định như một tỷ lệ giữa đường A = (Ts Tsmin) và B = (TsmaxTsmin) [14]
Trong đồ thị phân tán (Ts, NDVI), độ dốc của đƣờng biên phía trên liên quan đến mức bay hơi của bề mặt, đến kháng trở của lá và độ ẩm trung bình của đất [18]. Với cùng điều kiện khí hậu thì nhiệt độ bề mặt sẽ nhỏ nhất tại những nơi có độ bay hơi cực đại do lƣợng nƣớc bão hòa, tạo nên đƣờng đáy “rìa ƣớt” của tam giác khơng gian (Ts, NDVI), hay nói cách khác, nó đƣợc mơ hình hóa thành đƣờng nằm ngang, trái với “rìa khơ” dốc. Tại những nơi có độ bay hơi cực tiểu do bề mặt rất khơ (dù có hay khơng có phủ thực vật) thì nhiệt độ bề mặt sẽ tăng cực đại – tạo nên đƣờng giới hạn trên “rìa khơ”. Nhƣ vậy, điểm mấu chốt để tính đƣợc TDVI là xác định đƣợc đƣờng rìa khơ đối với ảnh đang nghiên cứu và đƣờng rìa khơ đƣợc mơ hình hóa nhƣ một xấp xỉ tuyến tính (Tsmax= a+b*NDVI) và từ các khoảng giá trị NDVI sẽ tính ra đƣợc những pixel với nhiệt độ bề mặt cực đại tƣơng ứng để tính tham số a và b. Hay nói cách khác, để xác định hệ số quyết định “rìa khơ”, nhiệt độ cực đại quan trắc đƣợc
Không bay hơi
Bay hơi cực đại
Bay hơi cực đại Không bay hơi Nhiệt độ bề
mặt đất
Chỉ số thực vật
cho khoảng thời gian nhỏ của NDVI đƣợc chiết tách trong không gian Ts/NVDI. Việc xác định các hệ số TVDI gặp nhiều khó khăn nhất là trong mùa khơ và hiện nay vẫn