7. Bố cục luận văn
3.3. Tính toán nhiệt độ không khí tối thấp từ giá trị LST
3.3.1. Phƣơng pháp tính toán
Để nội suy các yếu tố khí tƣợng thủy văn, trong đó có nhiệt độ không khí tối thấp, trƣớc đây thƣờng sử dụng một số phƣơng pháp thống kê truyền thống nhƣ:
phƣơng pháp nghịch đảo khoảng cách, phƣơng pháp nội suy đa thức, phƣơng pháp nội suy tối ƣu, phƣơng pháp tính toán theo vị trí địa lý và độ cao địa hình…Tuy nhiên, do mạng lƣới trạm thƣa thớt, đặc biệt là vùng miền núi sự phân bố các yếu tố khí tƣợng khá phức tạp, nên các phƣơng pháp nội suy này mức độ chính xác không cao.
Với sự ƣu việt của công nghệ viễn thám nhƣ đã trình bày ở trên, các ảnh vệ tinh có thể cho biết giá trị từng điểm ảnh tƣơng ứng với độ phân giải. Trên cơ sở các giá trị LST đƣợc tính toán từ ảnh MODIS và NOAA với độ phân giải khoảng 1km x 1 km, có nghĩa là mỗi 1 km2
có một giá trị nhiệt độ. Tuy nhiên, giá trị điểm ảnh này là giá trị lớp phủ bề mặt chƣa phải là giá trị nhiệt độ không khí. Vì vậy, giá trị LST cần đƣợc chuyển đổi sang giá trị nhiệt độ không khí tƣơng ứng với các giá trị thu đƣợc tại các trạm quan trắc, để thống nhất trong quá trình tính toán, và dễ dàng trong việc sử dụng các dữ liệu sau này phục vụ các nội dung nghiên cứu của đề tài, nhất là phục vụ mô hình giám sát và canh báo sƣơng muối.
Theo các nghiên cứu trƣớc đây, biến trình nhiệt độ bề mặt đất và nhiệt độ không khí thƣờng có quan hệ tốt với nhau. Do vậy, đề tài đã xây dựng mối quan hệ giữa nhiệt độ không khí tối thấp đƣợc quan trắc tại các trạm khí tƣợng và giá trị LST đƣợc nội suy từ ảnh viễn thám, để tính toán nhiệt độ không khí tối thấp từ giá trị LST nhằm đƣa ra đƣợc bộ dữ liệu nhiệt độ tối thấp với độ phân giải cao, để hỗ trợ xây dựng các bản đồ đặc trƣng nhiệt độ thấp.
Trên cơ sở tọa độ của các trạm khí tƣợng và bản đồ LST thu đƣợc từ ảnh viễn thám từ năm 2000 đến 2009 trong vùng nghiên cứu, đã chiết xuất giá trị LST tại vị trí có trạm khí tƣợng tƣơng ứng. Từ giá trị nhiệt độ tối thấp Tmin tại các điểm quan trắc và giá trị LST đƣợc chiết suất tại các vị trí tƣơng ứng với điểm quan trắc, đã xây dựng đƣợc các phƣơng trình hồi quy nhiệt độ không khí tối thấp cho từng ảnh. Hệ số tƣơng quan giữa LST và nhiệt độ không khí là khá cao, R đều vƣợt ngƣỡng 0.9 (Hình 3.6) điều đó chứng tỏ nhiệt độ và LST có mối quan hệ tốt, vì vậy phƣơng pháp nội suy là đáng tin cậy.
y = 0.8889x + 0.6292 R2 = 0.839 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0 LST Tmin y = 0.8395x + 1.0001 R2 = 0.9436 4 8 12 16 20 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0 24.0 LST Tmin Đêm 3/1/2004 Đêm 7/1/2004 y = 0.8498x + 0.8371 R2 = 0.9236 4.0 8.0 12.0 16.0 4.0 8.0 12.0 16.0 LST Tmin y = 0.894x - 0.0619 R2 = 0.9044 4.0 8.0 12.0 4.0 8.0 12.0 LST Tmin Đêm 3/2/2007 Đêm 5/1/2008
Hình 3.6. Mối quan hệ giữa Tmin và LST tỉnh Lai Châu
3.3.2. Kết quả tính toán nhiệt độ tối thấp
Từ các phƣơng trình hồi quy, đã tính toán đƣợc nhiệt độ không khí tối thấp thông qua giá trị LST cho từng điểm ảnh trong vùng nghiên cứu của toàn bộ chuỗi số liệu từ năm 2000 đến nay. Bộ số liệu nhiệt độ không khí tối thấp với độ phân giải cao (1km x 1 km), là cơ sở dữ liệu rất quan trọng trong việc xây dựng bản đồ các đặc trƣng sƣơng muối và nhiệt độ thấp khu vực nghiên cứu. Kết quả tính toán nhiệt độ không khí tối thấp trên cơ sở ảnh viễn thám đƣợc minh hoạ trong hình 3.7.
LST đêm 3/1/2004 Tmin đêm 3/1/2004
LST đêm 3/2/2007 Tmin đêm 3/2/2007
Hình 3.7. Bản đồ LST và Tmin trong một số đêm khu vực tỉnh Lai Châu
3.3.3. So sánh kết quả tính toán với thực đo
Để thấy đƣợc mức độ chính xác của phƣơng pháp này, chúng tôi đã tính toán nhiệt độ tối thấp trung bình nhiều năm theo tháng trên toàn bộ ô lƣới, sau đó so sánh các số liệu này với số liệu thực đo tại các điểm trạm trong vùng nghiên cứu. Kết quả đƣợc trình bày trong bảng 3.3 và 3.4.
Từ bảng 3.3 và 3.4 nhận thấy, kết quả nhiệt độ không khí tối thấp đƣợc tính toán từ giá trị LST trong mùa đông là rất phù hợp đối với vùng nghiên cứu, hầu hết
sai số giữa các giá trị quan trắc và giá trị mô phỏng đều ở ngƣỡng dƣới 0.50C. Tháng có sai số quân phƣơng nhỏ nhất là tháng 1 (0.350C), tháng cao nhất là tháng 3 (0.50C). Từ các đặc trƣng thống kê này cho thấy, hoàn toàn có thể sử dụng các kết quả nội suy nhiệt độ không khí tối thấp, để xây dựng các bản đồ nhiệt độ thấp khu vực nghiên cứu.
Bảng 3.3. Các đặc trƣng thống kê trung bình nhiều năm về nhiệt độ tính toán và thực đo trong vùng nghiên cứu (tháng 1, 2, 3)
STT Tên trạm Tháng 1 Tháng 2 Tháng 3 Tn tính (0C) Tn quan trắc (0C) Lệch (0C) Tn tính (0C) Tn quan trắc (0C) Lệch (0C) Tn tính (0C) Tn quan trắc (0C) Lệch (0C) 1 Bắc Hà 9.1 8.8 -0.3 11.3 11.1 -0.2 14.2 13.7 -0.5 2 Bắc Quang 13.9 13.6 -0.3 16.1 16.6 0.4 18.7 18.3 -0.3 3 Lào Cai 14.1 14.7 0.5 16.0 16.5 0.5 18.6 19.1 0.6 4 Mù Căng Chải 9.5 9.9 0.4 11.1 11.4 0.2 14.0 14.2 0.2 5 Phố Ràng 13.9 13.6 -0.3 15.8 15.8 0.0 18.4 18.2 -0.2 6 Quỳnh Nhai 13.8 14.2 0.4 14.7 15.5 0.8 17.9 18.6 0.7 7 Sìn Hồ 7.5 7.1 -0.4 9.9 9.1 -0.8 12.6 11.9 -0.7 8 Tam Đƣờng 10.4 10.5 0.1 12.1 12.1 0.0 14.9 15.1 0.2 9 Than Uyên 11.6 11.2 -0.4 12.9 12.5 -0.4 16.1 15.4 -0.7 10 Tuần Giáo 11.8 12.0 0.2 13.1 12.6 -0.5 16.3 15.7 -0.5
Sai số quân phƣơng
Bảng 3.4. Các đặc trƣng thống kê trung bình nhiều năm giá trị nhiệt độ tính toán và thực đo trong vùng nghiên cứu (tháng 11,12)
STT Tên trạm Tháng 11 Tháng 12 Tn tính (0C) Tn quan trắc (0C) Lệch (0C) Tn tính (0C) Tn quan trắc (0C) Lệch (0C) 1 Bắc Hà 12.9 12.4 -0.5 10.4 10.0 -0.4 2 Bắc Quang 17.2 16.7 -0.6 15.3 15.8 0.5 3 Lào Cai 17.6 18.2 0.6 14.8 15.2 0.4 4 Mù Căng Chải 12.5 12.6 0.2 10.1 10.5 0.4 5 Phố Ràng 17.1 17.4 0.3 14.6 14.7 0.0 6 Quỳnh Nhai 16.2 17.0 0.7 14.5 15.1 0.6 7 Sìn Hồ 10.4 9.9 -0.5 8.5 8.1 -0.4 8 Tam Đƣờng 13.6 13.3 -0.3 11.1 11.4 0.3 9 Than Uyên 14.5 14.0 -0.5 12.6 12.1 -0.5 10 Tuần Giáo 14.6 14.1 -0.5 12.5 12.8 0.3
Sai số quân phƣơng
CHƢƠNG 4. XÂY DỰNG BẢN ĐỒ CHUYÊN ĐỀ NHIỆT ĐỘ THẤP TỈNH LAI CHÂU
Khi thành lập bản đồ, trƣớc tiên là xác định một cơ sở toán học cho bản đồ. Để biểu diễn hình của Trái đất lên mặt phẳng bản đồ, phải thỏa mãn ít nhất ba điều kiện sau đây:
- Xác định đƣợc cơ sở trắc địa cho bản đồ cần thành lập. Trong cơ sở trắc địa của bản đồ luôn luôn phải xác định 3 yếu tố là elipsoid quy chiếu, phép chiếu và hệ tọa độ sử dụng.
- Biểu diễn mức độ thu nhỏ của bề mặt Trái đất lên mặt phẳng bản đồ, chính là tỉ lệ của bản đồ đƣợc định sẵn.
- Trải bề mặt dạng cầu của Trái đất lên mặt phẳng bản đồ, bố cục bản đồ. - Xác định các đối tƣợng cần đƣa lên trên bản đồ theo mục đích sử dụng.
4.1. Cơ sở trắc địa
a. Elipsoid quy chiếu
- Elipsoid WGS 84 có bán kính trục lớn a = 6378137 m, bán kính trục nhỏ b = 6356752 m, độ dẹt f = 1 : 298.257223563.
- Vị trí Elipsoid quy chiếu quốc gia: Elipsoid WGS-84 toàn cầu.
b. Phép chiếu
Phép chiếu UTM (Universal Transverse Mercator) đƣợc xây dựng dựa trên nền tảng của phép chiếu hình trụ ngang Mercator (Transverse Mercator – TM
Trong phép chiếu UTM, bề mặt Elipsoid Trái Đất đƣợc chia ra thành 60 múi theo chiều kinh tuyến; mỗi múi 6°. Múi đầu tiên đƣợc đánh số 1 từ kinh tuyến 180° Tây đến 174° Tây. Các vĩ tuyến đƣợc lấy từ 80° Nam đến 84° Bắc. Lãnh thổ Việt Nam nằm trên 2 múi 6° có kinh tuyến giữa là 105° và 111°. Đó là các múi 48 và 49. Tại mỗi múi có hệ thống toạ độ vuông góc riêng. Gốc toạ độ của mỗi múi là điểm giao nhau của xích đạo với kinh tuyến giữa của múi đó.
Việt Nam hiện nay sử dụng hệ quy chiếu VN2000, trong đó các thông số đƣợc ghi nhận nhƣ sau:
Elipsoid WGS 84 có bán kính trục lớn a = 6378137m, bán kính trục nhỏ b = 6356752m, độ dẹt f = 1 : 298.257223563.
Vị trí Elipsoid quy chiếu quốc gia: Elipsoid WGS-84 toàn cầu đƣợc xác định vị trí (định vị) phù hợp với lãnh thổ Việt Nam trên cơ sở sử dụng điểm GPS cạnh dài có độ cao thuỷ chuẩn phân bố đều trên toàn lãnh thổ.
Điểm gốc toạ độ quốc gia: Điểm N00 đặt tại Viện Nghiên cứu Địa chính thuộc Bộ Tài nguyên Môi trƣờng, đƣờng Hoàng Quốc Việt, Hà Nội.
Hệ thống toạ độ phẳng: Hệ toạ độ phẳng UTM quốc tế, đƣợc thiết lập trên cơ sở lƣới chiếu hình trụ ngang, đồng góc với hệ số k = 0,9996 cho múi 6° và k = 0,9999 cho múi 3°.
Trong quá trình xử lý dữ liệu ảnh vệ tinh và giải đoán các đối tƣợng để đƣa lên bản đồ, phải nắn chỉnh hình học toàn bộ các ảnh vệ tinh về hệ tọa độ quốc gia VN-2000 để tọa độ ảnh trùng khớp với tọa độ của bản đồ nền.
4.2. Kích thƣớc và bố cục bản đồ
Kích thƣớc của bản đồ bao gồm các kích thƣớc của khung trong, khung ngoài và kích thƣớc của tờ giấy in bản đồ.
Khung bản đồ là những đƣờng kẻ bao quanh nội dung bản đồ. Khung bao gồm khung trong và khung ngoài. Khung trong của bản đồ là những đƣờng thẳng giới hạn nội dung thể hiện của bản đồ. Trên đó có thể đánh dấu các vạch chia độ, phút giây hoặc km phụ thuộc vào yêu cầu và nguyên tắc chung khi thành lập bản đồ. Khung ngoài là những đƣờng bao trùm ra ngoài khung trong. Khung ngoài là khung trang trí, nó có thể là những đƣờng thẳng vuông góc, hình thang hoặc đƣờng cong (hình tròn, elip).
Bố cục của bản đồ là sự trình bày vị trí của lãnh thổ thể hiện so với khung bản đồ; cách bố trí tên, bản chú giải, bản đồ phụ hoặc đồ thị của bản đồ. Các bản đồ
phân bố các đối tƣợng đều đƣợc trình bày theo ranh giới hành chính, bản chú giải và các bản đồ phụ đều đƣợc bố trí một cách khoa học.
Trên bản đồ ở các tỷ lệ và mục đích sử dụng khác nhau, đƣa ra các mật độ lƣới bản đồ khác nhau. Đối với những bản đồ cần thiết cho công tác đo đạc trên đó thì mật độ lƣới thƣờng dày hơn nhiều so với các bản đồ chỉ phục vụ cho mục đích quan sát hiện tƣợng nhƣ bản đồ treo tƣờng hoặc bản đồ giáo khoa. Các lƣới bản đồ đều đƣợc ghi chú ở giữa khung trong và khung ngoài của tờ bản đồ.
4.3. Quy trình thành lập bản đồ chuyên đề
Trong xây dựng bản đồ chuyên đề, có nhiều phƣơng pháp khác nhau: i) sử dụng số liệu điều tra, đặc biệt là các đợt rét nặng ảnh hƣởng đến cây trồng, căn cứ vào việc tính toán tần suất xuất hiện các đợt rét này để gán cho các bản đồ các giá trị tƣơng ứng, việc áp dụng phƣơng pháp này cho kết quả tốt, song vì số liệu điều tra rất ít nên khó thực hiện, các kết quả điều tra chủ yếu phục vụ cho việc đánh giá và hiệu chỉnh bản đồ; ii) Dựa vào việc phân tích các điều kiện ngoại cảnh, các hình thế thời tiết khả năng xuất hiện nhiệt độ thấp...để xây dựng bản đồ, phƣơng pháp này yêu cầu ngƣời xây dựng phải hiểu sâu sắc về khu vực nghiên cứu và có chuyên môn tốt về lĩnh vực, chủ yếu đƣợc sử dụng nhƣ là phƣơng pháp chuyên gia; iii) Phƣơng pháp kết hợp giữa ảnh vệ tinh, mô hình số độ cao DEM cùng với các số liệu quan trắc khí tƣợng đã đƣợc phân tích để xây dựng bản đồ. Việc xây dựng bản đồ theo các phƣơng pháp trên đều cần sự hỗ trợ đắc lực của hệ thống tin địa lý-GIS, đặc biệt là modun phân tích không gian đi kèm. Quy trình xây dựng bản đồ phân bố nhiệt độ thấp đƣợc thể hiện ở hình 4.1.
Hình 4.1. Sơ đồ khối thành lập bản đồ chuyên đề
4.4. Kết quả xây dựng tập bản đồ chuyên đề nhiệt độ thấp tỉnh Lai Châu
Các bản đồ về đặc trƣng nhiệt độ thấp ở Lai Châu đƣợc xây dựng trên cơ sở bản đồ nền địa hình, hành chính, thuỷ hệ, rừng, hiện trạng sử dụng đất, đất và các dữ liệu quan trắc từ các trạm kết hợp với tƣ liệu ảnh vệ tinh đƣợc xử lý và nội suy theo các phƣơng pháp đã nêu ở trên. Một phần không thể thiếu của cơ sở dữ liệu trong quá trình thành lập các bản đồ là số liệu khảo sát thực địa. Sau khi xác định các đối tƣợng bằng tƣ liệu ảnh vệ tinh, ta cần dữ liệu khảo sát thực địa để tăng tính chính xác và tính hiện thời của bản đồ nghiên cứu. Dữ liệu thực địa gồm có bản đồ các đối tƣợng đƣợc xác định trực tiếp trong quá trình thực địa và một bảng biểu miêu tả hình thái, tính chất các đối tƣợng đó. Tuân thủ các nguyên tắc xây dựng bản
Ảnh viễn thám Số liệu điều tra, khảo sát Số liệu khí tƣợng Bản đồ nền: địa hình, giao thông, thủy hệ, dân cƣ... MODIS NOAA Tiền xử lý ảnh viễn thám Phân tích thống kê
Nội suy không gian
Kiến thức Chuyên gia
BẢN ĐỒ PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ THẤP
đồ trên nền GIS nhƣ đã trình bày ở trên và theo sơ đồ khối trong việc thực hiện xây dựng bản đồ chuyên đề (hình 4.1). Bản đồ đƣợc đƣợc biên tập phù hợp với tỷ lệ và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của quy phạm thành lập bản đồ chuyên đề. Các bản đồ về đặc trƣng nhiệt độ thấp bao gồm:
Bản đồ phân bố thời gian xuất hiện nhiệt độ thấp có hại cho cao su:
Bản đồ này thể hiện diễn biến nhiệt độ tối thấp <=100C là ngƣỡng nhiệt độ bắt đầu ảnh hƣởng đến sinh trƣởng, phát triển của cây cao su.
Bản đồ ngày bắt đầu và kết thúc nhiệt độ thấp có hại cho cây cao su
Suất bảo đảm ngày bắt đầu, kết thúc nhiệt độ thấp là tổng các giá trị xác suất (%) của ngày bắt đầu, kết thúc nhiệt độ thấp lớn hơn (đối với ngày bắt đầu), nhỏ hơn (đối với ngày kết thúc) một ngày nhất định. Qua suất bảo đảm có thể biết khả năng dao động của ngày xuất hiện nhiệt độ thấp tƣơng ứng với suất bảo đảm sớm hơn hoặc muộn hơn ngày nào đó so với trung bình nhiều năm (so với chuẩn).
Bản đồ ngày bắt đầu, ngày kết thúc nhiệt độ thấp ứng với mỗi suất bảo đảm thể hiện khả năng xuất hiện ngày bắt đầu hoặc ngày kết thúc nhiệt độ thấp đối với từng khu vực cụ thể trên bản đồ. Ví dụ tại khu vực Sìn Hồ ngày bắt đầu nhiệt độ thấp với suất bảo đảm 80% là ngày 2 tháng 1, có nghĩa là tại khu vực Sìn Hồ trong 10 năm có đến 8 năm nhiệt độ thấp xảy ra trƣớc ngày 2 tháng 1.
Bản đồ phân bố mức độ ảnh hƣởng của nhiệt độ thấp đối với cao su:
Dựa trên dữ liệu nhiệt độ không khí tối thấp từ các trạm quan trắc kết hợp