CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
3.4. Thực nghiệm tính lượng bốc thốt hơi nước thực tế từ bề mặt lớp phủ tại tỉnh
3.4.1. Kết quả tính giá trị năng lượng bức xạ rịng trung bình ngày Rnd từ dữ liệu ảnh
Ảnh vệ tinh thu nhận tại các thời điểm ngày 01/7/2015 ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021 được xử lý và tính tốn giá trị năng lượng bức xạ rịng trung bình ngày theo mơ hình SEBAL. Q trình và kết quả tính năng lượng bức xạ rịng trung bình ngày được thể hiện qua các bước trung gian như sau:
Để xác định chính xác nhiệt độ bề mặt ảnh vệ tinh cần được giảm bớt, hoặc loại bỏ các nhiễu khí quyển trong q trình thu và nhận năng lượng đối với bước sóng hồng ngoại nhiệt. Có nhiều mơ hình khác nhau được sử dụng để hiệu chỉnh khí quyển, nâng cao độ chính xác, giảm bớt ảnh hưởng của khí quyển. Trong nghiên cứu này nghiên cứu sinh đã sử dụng mơ hình FLAASH trong phần mềm ENVI để loại bỏ những ảnh hưởng của hiệu ứng khí quyển.
Hình 3.3. Kết quả hiệu chỉnh khí quyển cho ảnh vệ tinh bằng mơ hình FLAASH 3.4.1.2. Tính giá trị pixel từ dạng số DN sang giá trị năng lượng bức xạ phổ và độ 3.4.1.2. Tính giá trị pixel từ dạng số DN sang giá trị năng lượng bức xạ phổ và độ phản xạ bề mặt
Ảnh vệ tinh Landsat 8 được đặc trưng bằng các pixel là các giá trị của từng điểm ảnh lưu ở dạng số hay còn gọi là các giá trị DN (Digital Number). Ảnh vệ tinh Landsat 8 khi tải về đã được xử lý ở mức L1GT (Level 1T – Terrain Corrected) đã được hiệu chỉnh về bức xạ, khí quyển, hình học và khắc phục sai số do địa hình gây rạ Sử dụng cơng thức (2.4) để tính chuyển giá trị pixel từ dạng số DN sang giá trị năng lượng bức xạ phổ Lλ cho Kênh 10 của Landsat 8 phục vụ tính nhiệt độ bề mặt.
8,17 11,32 7,05 11,35 7,56 11,59 Năng lượng bức xạ phổ Lλ Kênh 10 ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015 Năng lượng bức xạ phổ Lλ Kênh 10 ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 04/6/2017 Năng lượng bức xạ phổ Lλ Kênh 10 ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 18/8/2021
Hình 3.4. Kết quả tính chuyển giá trị pixel từ dạng số DN sang giá trị năng lượng bức xạ phổ 𝐿𝜆
Trên ảnh vệ tinh, bộ phận của cảm biến mới chuyển từ bước sóng ánh sáng thành giá trị độ sáng (DN value) và đổi về đơn vị số nguyên. Mỗi một Pixel ảnh tương ứng với một giá trị DN. Vì thế, để tiếp cận gần hơn với thơng tin thực tế phải hiệu chỉnh nhiều yếu tố để đưa về độ phản xạ bề mặt (SR reflectance), khi đó cơng tác ứng dụng ảnh vệ tinh mới có ý nghĩa thực tiễn. Sử dụng công thức (2.5) để chuyển đổi giá trị điểm ảnh từ dạng số (DN) sang giá trị phản xạ bề mặt (Reflectance) cho các kênh từ 2 – 9 để tính các chỉ số NDVI và suất phân sai tại đỉnh khí quyển.
0,067 0,595 0,085 0,545 0,079 0,544
Năng lượng phản xạ phổ ρλ kênh 2 ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015
Năng lượng phản xạ phổ ρλ kênh 2 ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 04/6/2017
Năng lượng phản xạ phổ ρλ kênh 2 ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 18/8/2017
0,023 0,586 0,039 0,567 0,034 0,521
Năng lượng phản xạ phổ ρλ kênh 4 ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015
Năng lượng phản xạ phổ ρλ kênh 4 ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 04/6/2017
Năng lượng phản xạ phổ ρλ kênh 4 ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 18/8/2017
0,003 0,994 0,014 0,951 0,003 0,965
Năng lượng phản xạ phổ ρλ kênh 7 ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015
Năng lượng phản xạ phổ ρλ kênh 7 ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 04/6/2017
Năng lượng phản xạ phổ ρλ kênh 7 ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 18/8/2017
Hình 3.5. Kết quả tính chuyển đổi giá trị điểm ảnh từ dạng số (DN) sang giá trị phản xạ bề mặt (Reflectance) cho một số kênh ảnh
3.4.1.3. Tính các chỉ số NDVI, SAVI, LAI
Ảnh vệ tinh tại các thời điểm 01/7/2015 ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021 sau khi được tính chuyển từ dạng số sang giá trị phản xạ bề mặt được sử dụng để tính tốn các chỉ số gồm: Chỉ số thực vật NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), Chỉ số thực vật có hiệu chỉnh ảnh hưởng của đất SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index), và LAI (Leaf Area Index) chỉ số diện tích lá. Áp dụng cơng thức (2.12), (2.13), (2.14) để tính các chỉ số NDVI, SAVI và LAỊ Kết quả tính được thể hiện trong hình sau:
-0,482 0,876 -0,327 0,819 -0,433 0,843
Chỉ số NDVI tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015
Chỉ số NDVI tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 04/6/2017
Chỉ số NDVI tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 18/8/2021
-0,356 0,812 -0,129 0,767 -0,335 0,802
Chỉ số SAVI tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015
Chỉ số SAVI tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 04/6/2017
Chỉ số SAVI tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 18/8/2021
-0,835 5,791 -0,519 5,684 -0,718 5,225
Chỉ số LAI tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8ngày 01/7/2015
Chỉ số LAI tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 04/6/2017
Chỉ số LAI tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 18/8/2021
Hình 3.6. Kết quả tính các chỉ số NDVI, SAVI và LAI 3.4.1.4. Tính hệ số phát xạ bề mặt (ε) 3.4.1.4. Tính hệ số phát xạ bề mặt (ε)
Hệ số phát xạ bề mặt (ε) là tỷ số của năng lượng nhiệt bức xạ bởi bề mặt với năng lượng nhiệt phát ra bởi một vật đen ở nhiệt độ tương tự. Có 2 loại phát xạ bề
mặt được sử dụng trong mơ hình SEBAL. Một là đại diện cho phát xạ nhiệt bề mặt với sự phát xạ nhiệt kênh 10 dải phổ hẹp tương đối của ảnh Landsat 8 (10,3 – 11,3 μm), thể hiện bởi εNB, thứ hai là một đại diện cho phát xạ nhiệt bề mặt với sự phát xạ nhiệt trong quang phổ nhiệt dải rộng (6 - 14 μm), thể hiện bởi ε0. Giá trị εNB được sử dụng để tính tốn nhiệt độ bề mặt (Ts), và ε0 sử dụng sau để tính tốn tổng phát xạ năng lượng sóng dài từ bề mặt. Sử dụng cơng thức (2.15) và (2.16) để tính các giá trị ε0, εNB kết quả tính được thể hiện trong hình sau:
0,943 0,985 0,946 0,985 0,946 0,985
Sự phát xạ nhiệt trong dải rộng (ε0) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015
Sự phát xạ nhiệt trong dải rộng (ε0) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 04/6/2017
Sự phát xạ nhiệt trong dải rộng (ε0) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 18/8/2021
0,968 0,990 0,967 0,990 0,968 0,999
Sự phát xạ nhiệt trong dải hẹp (εNB) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015
Sự phát xạ nhiệt trong dải hẹp (εNB) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 04/6/2017
Sự phát xạ nhiệt trong dải hẹp (εNB) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 18/8/2021
3.4.1.5. Tính nhiệt độ bề mặt Ts
Sử dụng cơng thức (2.17) để tính nhiệt độ bề mặt từ ảnh vệ tinh Landsat 8 tại hai thời điểm chụp ảnh ngày 01/7/2015 ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021. Kết quả tính nhiệt độ bề mặt được thể hiện trong hình sau:
291,8 313,0 287,0 308,0 286,7 313,5
Nhiệt độ bề mặt (TS) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015 (0K)
Nhiệt độ bề mặt (TS) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 04/6/2017 (0K)
Nhiệt độ bề mặt (TS) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 18/8/2021 (0K)
Hình 3.8. Kết quả tính nhiệt độ bề mặt Ts 3.4.1.6. Tính giá trị năng lượng phát xạ sóng dài RL↑ 3.4.1.6. Tính giá trị năng lượng phát xạ sóng dài RL↑
Sử dụng cơng thức (2.18) để tính năng lượng phát xạ sóng dài đị Kết quả tính năng lượng phát xạ sóng dài đi từ ảnh vệ tinh Landsat 8 chụp các ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021 được thể hiện trong hình sau:
389,54 522,67 344,25 525,57 365,05 531,93
Giá trị năng lượng phát xạ sóng dài đi (RL↑) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015
Giá trị năng lượng phát xạ sóng dài đi (RL↑) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 04/6/2017
Giá trị năng lượng phát xạ sóng dài đi (RL↑) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 18/8/2021
Hình 3.9. Kết quả tính năng lượng phát xạ sóng dài đi (RL↑) từ ảnh vệ tinh Landsat 8
3.4.1.7. Tính tốn suất phân sai bề mặt đất α
Suất phân sai bề mặt (α) là tỷ số giữa năng lượng bức xạ phản xạ với năng lượng bức xạ sóng ngắn. Suất phân sai bề mặt đất được tính tốn bởi sự hiệu chỉnh suất phân sai ở đỉnh khí quyển αtoa truyền dẫn qua khí quyển. Suất phân sai bề mặt (α) được dùng để tính năng lượng bức xạ rịng. Sử dụng các công thức (2.6), (2.7), (2.8), (2.9) tính suất phân sai bề mặt từ ảnh vệ tinh Landsat 8 chụp các ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021. Kết quả tính được thể hiện ở hình sau:
Suất phân sai bề mặt (α) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015
Suất phân sai bề mặt (α) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 04/6/2017
Suất phân sai bề mặt (α) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 18/8/2021
Hình 3.10. Kết quả tính suất phân sai bề mặt (α) 3.4.1.8. Tính giá trị năng lượng bức xạ sóng ngắn đi tới (RS↓)
Bức xạ sóng ngắn đi tới là dịng năng lượng bức xạ mặt trời khuếch tán trực tiếp đi tới bề mặt đất (W/m2). Sử dụng cơng thức (2.10) tính năng lượng bức xạ sóng ngắn đi tới cho ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021. Kết quả tính năng lượng bức xạ sóng ngắn đi tới cho ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015 là: 913,94 (W/m2), ngày 04/6/2017 là: 926,28 (W/m2) và ngày 18/8/2021 là: 914,61 (W/m2).
3.4.1.9. Tính giá trị năng lượng bức xạ sóng dài đi tới (RL↓)
Bức xạ đi tới sóng dài tới RL↓là dòng bức xạ nhiệt đi xuống từ khí quyển (W/m2). Sử dụng cơng thức (2.21) tính năng lượng bức xạ sóng dài đi tới cho ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021. Kết quả tính năng lượng bức xạ sóng dài tới cho ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015 là: 339,33 (W/m2), ngày 04/6/2017 là: 325,87 (W/m2) và ngày 18/8/2021 là: 346,07 (W/m2).
3.4.1.10. Tính giá trị năng lượng bức xạ rịng đi tới bề mặt đất Rni
Giá trị năng lượng bức xạ ròng đi tới bề mặt đất Rni được tính tốn theo kết quả tính của các giá trị: Suất phân sai bề mặt (α); Năng lượng phát xạ sóng dài (RL↑); Hệ số phát xạ bề mặt (ε0); Năng lượng bức xạ sóng ngắn đi tới (RS↓) và Năng lượng bức xạ sóng dài đi tới (RL↓). Sử dụng cơng thức (2.1) tính giá trị năng lượng bức xạ
ròng thời điểm i Rni. Kết quả tính Rni cho các ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021 được thể hiện trong hình sau:
106,58 768,33 (W/m2/h) 106,88 766,25 (W/m2/h) 103,40 756,89 (W/m2/h)
Giá trị năng lượng bức xạ ròng hấp thụ bởi bề mặt đất Rni (W/m2/h) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015
Giá trị năng lượng bức xạ ròng hấp thụ bởi bề mặt đất Rni (W/m2/h) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 04/6/2017
Giá trị năng lượng bức xạ ròng hấp thụ bởi bề mặt đất Rni (W/m2/h) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 18/8/2021
Hình 3.11. Kết quả tính năng lượng bức xạ rịng hấp thụ bởi bề mặt đất (Rni)
3.4.1.11. Tính giá trị năng lượng bức xạ rịng trung bình ngày Rnd từ Rni được tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8
Sau khi tính được năng lượng bức xạ rịng tại thời điểm i (Rni) từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021. Yêu cầu đặt ra là phải tính được năng lượng bức xạ rịng trung bình ngày từ năng lượng bức xạ rịng tại thời điểm ị Theo kết quả nghiên cứu của Jackson và cộng sự 1983, năng lượng bức xạ ròng mặt trời tại các thời điểm trong ngày được thể hiện phù hợp nhất với đồ thị hàm sin. Sử dụng các công thức (2.22), (2.23), (2.24), (2.25), (2.26), (2.27), (2.28) tính được hệ số chuyển đổi (J) từ năng lượng bức xạ ròng thời điểm i sang năng lượng bức xạ rịng trung bình ngày Rnd từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021. Kết quả tính năng lượng bức xạ rịng trung bình ngày tại các trạm quan trắc khí tượng thủy văn từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021 được thể hiện trong các bảng sau:
Bảng 3.16. Kết quả tính năng lượng bức xạ rịng trung bình ngày tại các trạm quan trắc khí tượng thủy văn từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015
TT Tên trạm Rni (W/m2/giờ) Vĩ độ ω_s (rad) a b N 2NRni t Hệ số J Rnd_VT (MJ/m2/ ngày) 1 Khí tượng Hịa Bình 612,71 20,817 1,7335 10,743 2,527 12,498 15301,411 6,326 7,9510 17,538 2 Khí tượng Mai Châu 659,26 20,650 1,7321 10,754 2,506 12,489 16451,416 6,320 7,9449 18,856 3 Khí tượng Kim Bơi 649,94 20,667 1,7271 10,753 2,508 12,490 16220,075 6,315 7,9453 18,590 4 Khí tượng Chi Nê 727,25 20,483 1,7307 10,765 2,484 12,479 18134,309 6,313 7,9388 20,785 5 Khí tượng Lạc Sơn 642,42 20,450 1,7304 10,767 2,480 12,477 16016,611 6,312 7,9376 18,357 6 Thủy văn Hịa bình 612,71 20,817 1,7335 10,743 2,527 12,498 15301,411 6,326 7,9510 17,538 7 Thủy văn Hưng Thi 650,79 20,517 1,7310 10,763 2,488 12,481 16230,208 6,315 7,9400 18,602 8 Thủy văn Lâm Sơn 628,97 20,883 1,7341 10,739 2,536 12,502 15712,253 6,328 7,9534 18,009 Trung bình 18,534
Bảng 3.17. Kết quả tính năng lượng bức xạ rịng trung bình ngày tại các trạm quan trắc khí tượng thủy văn từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 04/6/2017
T T Tên trạm Rni (W/m2/giờ) Vĩ độ ω_s (rad) a b N 2NRni t Hệ số J Rnd_VT (MJ/m2 / ngày) 1 Khí tượng Hịa Bình 601,64 20,817 1,7283 10,743 2,527 12,487 15024,956 6,321 7,9508 17,221 2 Khí tượng Mai Châu 647,54 20,650 1,7269 10,754 2,506 12,477 16158,951 6,314 7,9447 18,520 3 Khí tượng Kim Bôi 615,58 20,667 1,7221 10,753 2,508 12,478 15362,578 6,310 7,9451 17,607 4 Khí tượng Chi Nê 705,59 20,483 1,7255 10,765 2,484 12,468 17594,207 6,308 7,9386 20,165 5 Khí tượng Lạc Sơn 658,40 20,450 1,7252 10,767 2,480 12,466 16415,020 6,307 7,9374 18,814 6 Thủy văn Hịa bình 601,65 20,817 1,7283 10,743 2,527 12,487 15025,206 6,321 7,9508 17,221 7 Thủy văn Hưng Thi 672,82 20,517 1,7258 10,763 2,488 12,470 16779,619 6,310 7,9398 19,231 8 Thủy văn Lâm Sơn 679,89 20,883 1,7288 10,739 2,536 12,490 16984,281 6,323 7,9532 19,466 Trung bình 18,531
Bảng 3.18. Kết quả tính năng lượng bức xạ rịng trung bình ngày tại các trạm quan trắc khí tượng thủy văn từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 18/8/2021
TT Tên trạm (W/m2/giờ) Rni Vĩ độ ω_s
(rad) a b N 2NRni t Hệ số J Rnd_VT (MJ/m2 / ngày) 1 Khí tượng Hịa Bình 644,49 20,817 1,6568 10,743 2,527 12,002 15470,008 6,023 7,6407 17,728 2 Khí tượng Mai Châu 572,54 20,650 1,6560 10,754 2,506 11,996 13736,823 6,020 7,6373 15,741 3 Khí tượng Kim Bơi 632,71 20,667 1,6534 10,753 2,508 11,997 15181,146 6,019 7,6376 17,397 4 Khí tượng Chi Nê 679,37 20,483 1,6552 10,765 2,484 11,991 16292,712 6,017 7,6339 18,670 5 Khí tượng Lạc Sơn 603,99 20,450 1,6551 10,767 2,480 11,990 14483,656 6,016 7,6332 16,597 6 Thủy văn Hịa bình 644,5 20,817 1,6568 10,743 2,527 12,002 15470,248 6,023 7,6407 17,728 7 Thủy văn Hưng Thi 636,39 20,517 1,6554 10,763 2,488 11,992 15263,323 6,018 7,6345 17,491 8 Thủy văn Lâm Sơn 587,43 20,883 1,6571 10,739 2,536 12,004 14102,889 6,024 7,6420 16,161 Trung bình 17,189
Năng lượng bức xạ rịng trung bình ngày tính trên tồn tỉnh Hịa Bình từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021 được thể hiện trong hình sau:
1,71 22,19 (MJ/m2/ngày) 1,95 21,94 (MJ/m2/ngày) 1,83 20,74 (MJ/m2/ngày)
Giá trị năng lượng bức xạ ròng hấp thụ bởi bề mặt đất Rnd (MJ/m2/ngày) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015
Giá trị năng lượng bức xạ ròng hấp thụ bởi bề mặt đất Rnd (MJ/m2/ngày) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 04/6/2017
Giá trị năng lượng bức xạ ròng hấp thụ bởi bề mặt đất Rnd (MJ/m2/ngày) tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 18/8/2021
Hình 3.12. Kết quả tính năng lượng bức xạ rịng hấp thụ bởi bề mặt đất trung bình ngày trên tồn tỉnh Hịa Bình (Rnd)
Đánh giá chung: Kết quả tính năng lượng bức xạ rịng trung bình ngày từ ảnh Landsat 8 cho thấy, giá trị năng lượng bức xạ rịng trung bình của các ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021 có sự chênh lệch nhau không quá lớn, ngày 01/7/2015 năng lượng bức xạ ròng trung bình biến thiên từ 1,71 đến 22,17 MJ/m2/ngày, ngày 04/6/2017 năng lượng bức xạ rịng trung bình biến thiên từ 1,99