Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và gis đánh giá tác động của nhiệt độ, độ ẩm đến lớp phủ thực vật thông qua chỉ số thực vật (ndvi) khu vực tây nguyên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- PHẠM VĂN MẠNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM ĐẾN LỚP PHỦ THỰC VẬT THÔNG QUA CHỈ SỐ THỰC VẬT (NDVI) KHU VỰC TÂY NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- PHẠM VĂN MẠNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM ĐẾN LỚP PHỦ THỰC VẬT THÔNG QUA CHỈ SỐ THỰC VẬT (NDVI) KHU VỰC TÂY NGUYÊN Chuyên ngành: Bản đồ viễn thám và Hệ thông tin địa lý Mã số: 60440214 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM VĂN CỰ Hà Nội – 2013 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn luận văn của tôi, phó giáo sư - tiến sĩ Phạm Văn Cự, thầy đã tạo mọi điều kiện, tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này. Sự hiểu biết sâu sắc về khoa học, cũng như kinh nghiệm của thầy chính là tiền đề giúp tôi đạt được những thành tựu và kinh nghiệm quý báu. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp, cấp trên, thủ trưởng cơ quan Cục Viễn thám quốc gia, Đài Viễn thám Trung ương đã tận tình giúp đỡ cũng như tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin cảm ơn bạn bè và gia đình đã luôn bên tôi, cổ vũ và động viên tôi những lúc khó khăn để có thể vượt qua và hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC MỞ ĐẦU....................................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG DỮ LIỆU MODIS TRONG ĐÁNH GIÁ MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT, ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT ........................................................................6 1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong khu vực ...................................... 6 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................................... 10 CHƯƠNG 2. SỬ DỤNG DỮ LIỆU ẢNH MODIS TRONG ĐÁNH GIÁ NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT, ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ VÀ CHỈ SỐ THỰC VẬT (NDVI) CỦA LỚP PHỦ THỰC VẬT ............................................................................................................................17 2.1. Đặc tính phổ của ảnh MODIS .......................................................................... 17 2.1.1. Ảnh vệ tinh MODIS...................................................................................... 17 2.1.2. Thiết bị thu nhận MODIS ............................................................................. 19 2.2. Phương pháp tính nhiệt độ bề mặt (LST) từ dữ liệu MODIS ....................... 22 2.2.1. Cơ sở khoa học chiết xuất nhiệt độ bề mặt từ tư liệu ảnh viễn thám ........... 22 2.2.2. Phương pháp chiết xuất nhiệt độ bề mặt từ tư liệu viễn thám ...................... 24 2.2.3. Phương pháp chiết xuất nhiệt độ bề mặt từ ảnh MODIS ............................. 27 2.3. Phương pháp tính độ ẩm không khí từ dữ liệu MODIS ................................ 28 2.3.1 Các loại độ ẩm không khí .............................................................................. 28 2.3.2. Phương pháp tính toán độ ẩm không khí từ tư liệu viễn thám ..................... 30 2.4. Chiết xuất NDVI và Lớp phủ thực vật từ dữ liệu MODIS ............................ 31 2.4.1. Khái niệm chỉ số thực vật ............................................................................. 31 2.4.2. Cơ sở vật lý của chỉ số thực vật .................................................................... 32 2.4.3. Công thức tính chỉ số NDVI ......................................................................... 33 2.4.4. Phương pháp xử lý dữ liệu NDVI................................................................. 34 ii CHƯƠNG 3. TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS PHÂN TÍCH MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT, ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT NĂM 2012 .....................................................................................................................36 3.1. Vùng nghiên cứu ................................................................................................ 36 3.1.1. Vị trí địa lý .................................................................................................... 36 3.1.2. Khí hậu .......................................................................................................... 37 3.1.3. Dân cư ........................................................................................................... 38 3.1.4. Kinh tế, tài nguyên, xã hội và môi trường .................................................... 39 3.2. Các dữ liệu sử dụng ........................................................................................... 40 3.2.1. Dữ liệu ảnh MODIS ...................................................................................... 40 3.2.2. Dữ liệu khác .................................................................................................. 42 3.3. Xây dựng tổ hợp ảnh nhiệt độ trung bình theo năm ...................................... 42 3.3.1. Tạo ảnh nhiệt độ bề mặt từ ảnh MODIS – MOD11A2 ................................ 42 3.3.2. Tạo ảnh tổ hợp theo tháng, ảnh tổ hợp theo mùa và ảnh tổ hợp theo năm ... 43 3.4. Xây dựng tổ hợp ảnh độ ẩm trung bình theo năm ......................................... 46 3.4.1. Tảo ảnh chỉ số độ ẩm không khí từ ảnh MODIS - MOD07 ......................... 46 3.4.2. Các ảnh tổ hợp chỉ số độ ẩm không khí theo tháng, theo mùa và ảnh chỉ số độ ẩm theo năm ............................................................................................................ 47 3.5. Xây dựng tổ hợp NDVI trung bình theo năm ................................................. 50 3.5.1. Tạo ảnh chỉ số thực vật từ ảnh MODIS - MOD13A2 .................................. 50 3.5.2. Các ảnh tổ hợp chỉ số thực vật NDVI theo tháng, theo mùa và theo năm ... 51 3.6 Xây dựng mối tương quan giữa nhiệt độ, độ ẩm và lớp phủ thực vật........... 54 3.6.1. Phân tích không gian trong đánh giá mối tương quan giữa nhiệt độ, độ ẩm đến lớp phủ thực vật thông qua chỉ số thực vật (NDVI) ............................................... 54 3.6.2. Phân tích hồi quy .......................................................................................... 56 3.6.3. Sơ đồ khối phân tích, đánh giá tác động của nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí đến lớp phủ thực vật thông qua chỉ số NDVI ......................................................... 58 iii 3.6.4. Mối tương quan giữa nhiệt độ bề mặt (LST), độ ẩm không khí và chỉ số thực vật (NDVI) .............................................................................................................. 59 3.6.5. Thành lập bản đồ lớp phủ thực vật với sự tương quan giữa LST-NDVI và RHNDVI ...................................................................................................................... 65 3.7. Phân tích mối tương quan giữa nhiệt độ, độ ẩm và lớp phủ thực vật .......... 70 KẾT LUẬN .............................................................................................................................71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................72 iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT GIS Geographic Information System (Hệ thống thông tin địa lý) MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (Đầu đo ảnh viễn thám độ phân giải trung bình gắn trên 2 vệ tinh TERRA và AQUA) NDVI Normalized Difference Vegetation Index (chỉ số thực vật) LST Land surface temperature (Nhiệt độ bề mặt) RH Relative humidity (Độ ẩm tương đối) HDF-EOS Hierarchical Data Format Earth Observing System (Định dạng ảnh MODIS) v MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS ......................................................... 20 Bảng 2.2: Các ứng dụng chính của các kênh ảnh MODIS ............................................ 21 Bảng 3.1: Các kênh phổ đầu tiên của MODIS ............................................................... 41 Bảng 3.2: Sai số của nhiệt độ bề mặt (LST) giữa số liệu các trạm quan trắc và số liệu tính toán trên ảnh MODIS.............................................................................................. 60 Bảng 3.3: Sai số của độ ẩm không khí tương đối (RH) giữa số liệu các trạm quan trắc và số liệu tính toán trên ảnh MODIS ............................................................................. 63 MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ không gian nhiệt độ bề mặt – chỉ số thực vật và quan hệ ý niệm với sự bay hơi, sự thoát hơi nước của cây và phần trăm lớp phủ thực vật ................................ 8 Hình 1.2: Chỉ số TVDI của một pixel ảnh [ Ts, NDVI] được xác định như một tỷ lệ giữa đường A = (Ts – Tsmin) và B = (Tsmax – Tsmin) .................................................................... 9 Hình 1.3: Biểu đồ quan hệ T – NDVI của ảnh Landsat 2002 ........................................ 10 Hình 1.4: Biểu đồ quan hệ T – NDVI của ảnh Aster 2006 ............................................ 10 Hình 1.5: Giá trị rìa khô được sử dụng tính toán chỉ số TVDI – giá trị Ts cực đại được xác định cho từng khoảng NDVI nhỏ và rìa khô được xác định bằng hồi quy tuyến tính ........................................................................................................................................ 12 Hình 1.6: Sự phân bố không gian theo chỉ số TVDI cho vùng nghiên cứu, hình chữ nhật chỉ khu vực lấy mẫu rừng Đắc Lắk và vòng tròn chỉ khu vực khô hạn Bình Thuận ...... 13 Hình 1.7: Đồ thị phân tán sự tương quan giữa chỉ số TVDI từ dữ liệu MODIS với chỉ số độ ẩm từ dữ liệu Landsat ETM + kết hợp với mô hình SVAT ........................................ 14 Hình 1.8: Sự thay đổi theo thời gian của chỉ số TVDI đối với khu vực rừng Đắk Lắk và khu vực khô hạn Bình Thuận qua 3 mùa khô 2000-2001; 2001-2002 và 2002-2003 .... 14 Hình 2.1: Đồ thị đất (Soil line) ...................................................................................... 33 vi Hình 3.1: Vị trí hành chính Tây Nguyên trên bản đồ Việt Nam .................................... 36 Hình 3.2: Giao diện chính của phần mềm ENVI ........................................................... 42 Hình 3.3: Tool chọn sản phẩm LST của ảnh modis MOD11A2 .................................... 43 Hình 3.4: Các thuật toán tính tổ hợp ảnh MODIS - MOD11A2 .................................... 43 Hình 3.5: Các ảnh tổ hợp nhiệt độ bề mặt trong năm 2012 .......................................... 46 Hình 3.6: Tool chọn các sản phẩm để tính độ ẩm tương đối của ảnh MODIS - MOD07 ........................................................................................................................................ 47 Hình 3.7: Các thuật toán tính tổ hợp ảnh MODIS - MOD07 ........................................ 47 Hình 3.8: Các ảnh tổ hợp độ ẩm không khí tương đối trong năm 2012 ........................ 50 Hình 3.9: Các thuật toán tính tổ hợp ảnh MODIS – MOD13A2 ................................... 51 Hình 3.10: Các ảnh tổ hợp chỉ số thực vật NDVI trong năm 2012 ............................... 53 Hình 3.11: Các mô hình vector và raster ....................................................................... 55 Hình 3.12: Vị trí các trạm quan trắc khí tượng khu vực Tây Nguyên ........................... 59 Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ LST - NDVI mùa khô (a); mùa mưa (b) ............................ 61 Hình 3.14: Biểu đồ quan hệ giữa LST - NDVI năm 2012 .............................................. 61 Hình 3.15: Biểu đồ quan hệ RH - NDVI mùa khô (c); mùa mưa (d) ............................. 64 Hình 3.16: Biểu đồ quan hệ giữa RH - NDVI năm 2012 ............................................... 64 Hình 3.17: Biểu đồ quan hệ (e) LST-NDVI và (f) RH-NDVI đối với các đối tượng lớp phủ thực vật vào mùa khô .............................................................................................. 66 Hình 3.18: Biểu đồ quan hệ (g) LST-NDVI và (h) RH-NDVI đối với các đối tượng lớp phủ thực vật vào mùa mưa ............................................................................................. 66 Hình 3.19: Biểu đồ quan hệ (i) LST-NDVI và (k) RH-NDVI đối với các đối tượng lớp phủ thực vật năm 2012 ................................................................................................... 67 Hình 3.20: Bản đồ lớp phủ thực vật Tây Nguyên mùa khô; mùa mưa năm 2012 ......... 68 Hình 3.21: Bản đồ lớp phủ thực vật khu vực Tây Nguyên năm 2012 ............................ 69 vii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Rừng là một trong những tài nguyên quan trọng nhất của Tây Nguyên, và trong quá trình phát triển, rừng cũng là một trong những tài nguyên bị đe dọa tàn phá nhiều nhất. Trong những năm gần đây, nỗ lực bảo vệ rừng ở Tây Nguyên có rất nhiều kết quả đáng ghi nhận, từ các chủ trương tới các hành động cụ thể. Cùng với áp lực phá rừng lấy đất trồng cây công nghiệp, các nỗ lực phát triển rừng đã đem lại thay đổi đáng kể về diện tích và chất lượng rừng ở Tây Nguyên. Tuy vậy, cho đến nay các đơn vị quản lý rừng vẫn chưa có một công cụ hữu hiệu hỗ trợ cho công tác quản lý, giám sát chất lượng rừng, phản ánh chính xác sự biến động rừng trong khu vực quản lý, đặc biệt là các khu vực trọng điểm như rừng đầu nguồn. Với đặc thù về địa hình, khí hậu và sử dụng đất, rừng Tây Nguyên có vai trò cực kỳ quan trọng đối với môi trường cũng như phát triển kinh tế xã hội. Với môi trường rừng góp phần quan trọng trong việc điều hòa khí hậu, đảm bảo cân bằng sinh thái, làm giảm nhẹ sức tàn phá khốc liệt của các thiên tai; Ngăn chặn xói mòn đất, bảo vệ mực nước ngầm; Là nơi lưu giữ các nguồn gien động thực vật quý hiến. Với sự phát triển kinh tế xã hội rừng là nguồn cung cấp gỗ phục vụ cho nhu cầu đời sống và sản xuất; Cung cấp các mặt hàng lâm sản có giá trị xuất khẩu góp phần thu ngoại tệ phục vụ qua trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước; Cung cấp các dược liệu quý có tác dụng chữa bệnh, năng cao sức khỏe cho con người. Ngoài ra rừng Tây Nguyên đang đứng trước những thách thức rất lớn đòi hỏi phải có những nỗ lực giám sát, quản lý thường xuyên. Trong điều kiện hiện nay ở Tây Nguyên, sử dụng các lực lượng hiện có chưa thể đáp ứng các yêu cầu này nên một hệ thống có khả năng cung cấp kịp thời, liên tục các thông tin giám sát và quản lý rừng là hết sức cần thiết. 1 Cùng với sự phát triển của công nghệ vệ tinh quan sát Trái đất, khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với hệ thông tin địa lý trong công tác giám sát rừng cho thấy có nhiều ưu thế với điều kiện đặc thù của Tây Nguyên. Vệ tinh TERRA và AQUA có trang bị các phổ kế tạo ảnh độ phân giải trung bình - MODIS, đã mở ra những triển vọng mới cho các nghiên cứu mang tính toàn cầu cũng như khu vực. Việc xác định nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí và chỉ số thực vật (NDVI) cũng nhờ đó có thể được thực hiện với độ chính xác cao hơn nhiều lần so với các hệ thống trước đây. Ảnh vệ tinh đa phổ, đa độ phân giải, có độ phủ trùm lớn, có chu kỳ lặp lại theo thời gian giúp thu thập thông tin nhanh chóng, đồng bộ, khách quan rất phù hợp cho công tác giám sát một số yếu tố ảnh hưởng lớn đến rừng ở Tây Nguyên như nhiệt độ và độ ẩm. Ảnh MODIS với 36 kênh phổ được thiết kế đặc biệt, việc khai thác các thông tin từ ảnh MODIS đòi hỏi một cách thức tiếp cận mang tính đa thời gian. Với cách tiếp cận này các phương pháp đánh giá độ ẩm và nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu MODIS thường dựa vào các mô hình lý thuyết cũng như thực nghiệm khác nhau. Đây cũng là một trong những kỹ thuật còn khá xa lạ đối với người sử dụng ở Việt Nam. Xuất phát từ thực tế nêu trên, học viên đã lựa chọn tên đề tài của luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS đánh giá tác động của nhiệt độ, độ ẩm đến lớp phủ thực vật thông qua chỉ số thực vật (NDVI) khu vực Tây Nguyên” 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu Mục tiêu: - Xây dựng phương pháp phát hiện vùng rừng trồng và rừng tự nhiên với ngưỡng của NDVI bằng các tư liệu viễn thám. - Xây dựng mối tương quan giữa nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí và lớp phủ thực vật (rừng). 2 Nhiệm vụ nghiên cứu: Để đạt được các mục tiêu trên, trong quá trình thực hiện đề tài cần giải quyết các nhiệm vụ sau đây: - Nghiên cứu tổng quan điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội của khu vực nghiên cứu. - Thu thập, hệ thống hoá, tổng hợp và đánh giá nguồn tài liệu, số liệu từ các dự án, đề tài, báo cáo trước đây về đánh giá mối tương quan giữa nhiệt độ, độ ẩm và lớp phủ thông quan chỉ số thực vật (NDVI) để tìm các phương pháp tối ưu cho việc xử lý số liệu và xây dựng tổ hợp nhiệt độ mặt đất, độ ẩm không khí và NDVI trung bình theo mùa, theo năm tại khu vực nghiên cứu. - Sử dụng tư liệu viễn thám quang học đa thời gian (MODIS tổ hợp 8-ngày, 16ngày), xây dựng tổ hợp nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí và chỉ số thực vật NDVI, phục vụ quá trình phân tích dựa trên chuỗi dữ liệu đa thời gian nhằm xác định vùng rừng trồng và rừng tự nhiên. Từ đó xây dựng được bản đồ vùng rừng trồng và rừng tự nhiên của khu vực nghiên cứu. - Xây dựng các phương trình hồi quy thể hiện mối tương quan giữa chỉ số thực vật (NDVI) với nhiệt độ bề mặt và chỉ số thực vật (NDVI) với độ ẩm không khí. - Phân tích đánh giá mối tương quan nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí và lớp phủ thực vật (rừng). 3. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi không gian: Khu vực Tây Nguyên (Gia Lai, Kom Tum, Đắk Lắk, Đắk Nông, Lâm Đồng). Phạm vi thời gian: Phân tích mối tương quan giữa nhiệt độ, độ ẩm và lớp phủ thực vật (rừng) của khu vực năm 2012. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 Ý nghĩa khoa học: Góp phần khẳng định và mở rộng khả năng ứng dụng phương pháp viễn thám vào việc phân tích mối tương quan giữa nhiệt độ, độ ẩm và lớp phủ thực vật (rừng). Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần xây dựng phương pháp mới vào quy trình truyền thống trong công tác phân tích đánh giá mối tương quan giữa nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí và lớp phủ thực vật (rừng). 5. Tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Tiếp cận: - Tiếp cận hệ thống: Đối tượng nghiên cứu lớp phủ thực vật (rừng) sẽ được coi là một chỉnh thể tự nhiên, các hiện tượng chịu ảnh hưởng của một tập hợp các yếu tố tự nhiên. - Tiếp cận không gian: cho phép tích hợp các dữ liệu viễn thám và GIS trong phân tích và mô hình hoá sự thay đổi lớp phủ thực vật (rừng) với độ ẩm không khí và nhiệt độ bề mặt. Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp viễn thám - Phương pháp bản đồ - Phương pháp thống kê - Phương pháp mô hình hoá - Phương pháp kiểm chứng điều tra khảo sát thực địa - Phương pháp phân tích không gian sử dụng GIS - Phương pháp chuyên gia. 4 6. Bố cục của đề tài Mở đầu Chương 1. Tổng quan về phương pháp sử dụng dữ liệu MODIS trong đánh giá mối tương quan nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí và lớp phủ thực vật Chương 2. Sử dụng dữ liệu ảnh MODIS trong đánh giá nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí và chỉ số NDVI của lớp phủ thực vật Chương 3. Tích hợp Viễn thám và GIS phân tích mối tương quan giữa nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí và lớp phủ thực vật năm 2012 Kết luận Tài liệu tham khảo Phụ lục 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG DỮ LIỆU MODIS TRONG ĐÁNH GIÁ MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT, ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT 1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong khu vực Sử dụng kỹ thuật viễn thám trong theo dõi lớp phủ đã được nghiên cứu trên Thế giới từ những năm 80 của thế kỷ trước. Với sự xuất hiện ngày càng nhiều của các hệ thống vệ tinh quan sát Trái đất, việc kết hợp nhiều loại ảnh vệ tinh trong nghiên cứu theo dõi lớp phủ thực vật nói chung cũng như nghiên cứu đánh giá tác động của nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí thông qua chỉ số thực vật nói riêng cũng đã được tiến hành. Hầu hết các tư liệu viễn thám quang học phổ biến với các chức năng quan trắc bề mặt và lớp phủ thực vật đều được các nhà khoa học thí nghiệm đưa vào các nghiên cứu về tác động của nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí đến lớp phủ thực vật. Mỗi loại tư liệu viễn thám đều có những ưu điểm riêng cho từng mục đích sử dụng, nghiên cứu giám sát, phân tích tác động của nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí đến lớp phủ thực vật thông qua chỉ số thực vật cũng đòi hỏi những đặc tính riêng của tư liệu viễn thám sử dụng mà không phải loại tư liệu nào cũng phù hợp. Đặc biệt trong khoảng 10 năm trở lại đây khi ảnh vệ tinh MODIS được cung cấp miễn phí tới mọi đối tượng, cung cấp một cách hiệu quả các thông tin đáng tin cậy phục vụ cho việc theo dõi, đánh giá biến động của lớp phủ thực vật, nhất là trên quy mô lớn, thông qua chỉ số thực vật. Với sự xuất hiện của đầu thu MODIS trên vệ tinh Terra và Aqua, các nghiên cứu tập trung khai thác các tính năng tốt hơn của đầu thu này (độ phân giải không gian, độ phân giải phổ) trong đánh giá, phân tích nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí và lớp phủ thực vật (rừng). 6 Cơ sở khoa học và phương pháp luận nghiên cứu sử dụng ảnh MODIS trong theo dõi diễn biến lớp phủ thực vật được xác lập dựa trên: - Sử dụng khả năng phổ của ảnh MODIS, với đầy đủ các kênh quan trọng trong quan sát thực vật và độ ẩm không khí cũng như các tham số môi trường. - Sử dụng khả năng phân giải thời gian của ảnh MODIS, tần suất quan sát lớn (với hai vệ tinh Terra và Aqua có khả năng cung cấp ít nhất 2 ảnh/ngày). Bên cạnh đó, các sản phẩm của MODIS đã được chuẩn hóa bởi NASA cùng với các chỉ số được các nhà khoa học trên khắp Thế giới phát triển mang lại cơ sở khoa học và phương pháp luận quan sát lớp phủ thực vật từ ảnh MODIS hàng ngày, hàng tháng. *) Công trình nghiên cứu của Sakamoto (2005, 2006) và Kotera (2007) ở Nhật Bản. Dựa trên chỉ số thực vật tăng cường EVI và chỉ số nước bề mặt LSWI, Sakamoto đã sử dụng một công cụ toán học là phép lọc WFCP (Wavelet based Filter for determining Crop Phenology) để làm trơn xu thế biến thiên theo thời gian của các chỉ số này, loại bỏ các thăng giáng ngẫu nhiên, qua đó những sinh trưởng và phát triển của thực vật dễ dàng được phân tích và nhận diện. *) Công trình nghiên cứu của Lambin và Ehrlich (1996) đã đưa ra giải thích không gian chỉ số thực vật và nhiệt độ bề mặt đất theo khái niệm của sự bay hơi, sự thoát hơi nước và hợp phần lớp phủ thực vật (hình 1.1) dựa vào các nghiên cứu trước đây. Theo họ, các các thay đổi trong nhiệt độ bề mặt tương quan cao với các thay đổi hàm lượng nước bề mặt trên 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. Do đó, các ảnh của tương quan LST-NDVI cho nhiều thông tin hơn so với từng ảnh NDVI hay nhiệt độ bề mặt riêng biệt. 7 Hình 1.1: Sơ đồ không gian nhiệt độ bề mặt – chỉ số thực vật và quan hệ ý niệm với sự bay hơi, sự thoát hơi nước của cây và phần trăm lớp phủ thực vật *) Theo Sandholt và n.n.k , 2002. Ts và NDVI kết hợp có thể cung cấp thông tin về điều kiện sức khỏe thực vật và độ ẩm tại bề mặt trái đất. Khả năng chiết tách những thông tin về cân bằng năng lượng và nước bề mặt hoặc phân loại lớp phủ thực vật thông qua quan hệ giữa Ts và NDVI đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và việc nghiên cứu sự phân tán của các pixel trong không gian nhiệt độ bề mặt – chỉ số thực vật (hình 1.2) sẽ cung cấp thông tin về điều kiện thực vật và độ ẩm bề mặt. Trong không gian [Ts, NDVI], độ dốc của đường hồi quy liên quan đến mức bay hơi của bề mặt, đến kháng trở của lá cây và độ ẩm trung bình của đất. Vị trí của pixel ảnh trong không gian [Ts, NDVI] bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như nhiệt độ, độ phủ thực vật, độ ẩm, độ bốc hơi,... và những đường đồng mức của các yếu tố chính (độ ẩm, độ bay hơi) có thể vẽ được trong tam giác xác định nên không gian [Ts, NDVI] (hình 1.2). Với cùng điều kiện khí hậu thì nhiệt độ bề mặt Ts sẽ nhỏ nhất tại những bề mặt có độ bay hơi cực đại do lượng nước bão hòa – tao nên đường đáy “rìa ướt” của tam giác không gian gian [Ts, NDVI]. Ngược lại, tại các bề mặt có độ bay hơi cực đại – tạo nên đường hạn chế trên “rìa khô” của tam giác không gian [Ts, NDVI]. Để lượng hóa quan hệ giữa chỉ số thực vật chuẩn và nhiệt 8 độ bề mặt Ts, nhà nghiên cứu Sandholt (2002) đã đề nghị sử dụng chỉ số khô hạn nhiệt độ - thực vật (TVDI) được xác định theo công thức: 𝑇𝐷𝑉𝐼 = Ts−Ts min 𝑎+𝑏∗𝑁𝐷𝑉𝐼−𝑇𝑠 𝑚𝑖𝑛 (1.1) Ở đây Ts min là nhiệt độ bề mặt cực tiểu trong tam giác xác định rìa ướt, Ts là nhiệt độ quan sát tại pixel ảnh cần tính, NDVI là chỉ số thực vật chuẩn, Tsmax là nhiệt độ bề mặt cực đại quan sát được cho mỗi khoảng giá trị của NDVI. Như vậy điểm mấu chốt để tính được TDVI là xác định được đường rìa khô đối với ảnh đang nghiên cứu và đường rìa khô được mô hình hóa như một xấp xỉ tuyến tính (Ts max = a+b*NDVI) và từ các khoảng giá trị NDVI sẽ tính ra được những pixel với nhiệt độ bề mặt cực đại tương ứng để tính tham số a và b. TVDI có giá trị 1 tại “rìa khô” và 0 tại “rìa ướt”. Hình 1.2: Chỉ số TVDI của một pixel ảnh [ Ts, NDVI] được xác định như một tỷ lệ giữa đường A = (Ts – Tsmin) và B = (Tsmax – Tsmin) Bên cạnh các sản phẩm chuẩn hóa của MODIS, các nhà nghiên cưu cũng đưa ra một số sản phẩm được tính toán từ dữ liệu MODIS như trường thực vật liên tục (VCF – Vegetation Continuos Field) là sản phẩm ước tính tỷ lệ mỗi điểm ảnh của thảm thực vật che phủ (Hansen et al 2003), và các phương pháp được sử dụng để tạo ra các sản phẩm này cũng đã được mở rộng để lập bản đồ rừng hàng năm từ một chuỗi dữ liệu tổng hợp hàng tháng của MODIS (Potapov et al 2008). 9 Như vậy, có thể thấy rằng các nghiên cứu trên Thế giới trong vòng 10 năm qua tập trung nhiều vào việc sử dụng ảnh MODIS để theo dõi lớp phủ thực vật trên quy mô khu vực và đã có những thành tựu đáng kể, cả về mặt lý thuyết cũng như công nghệ. 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước *) Được kế thừa và phát triển từ nghiên cứu của tác giả Lambin và Ehrlich đã giải thích không gian chỉ số thực vật và nhiệt độ bề mặt theo khái niệm của sự bay hơi, sự thoát hơi nước và hợp phần lớp phủ thực vật và tìm ra mối quan hệ giữa nhiệt độ và chỉ số thực vật mà nhóm tác giả Trần Thị Vân và Nguyễn Hằng Hải tiếp tục mở rộng phương pháp cả về chiều sâu và tính toán bằng những nghiên cứu ở huyện Nhà Bè thuộc TP. Hồ Chí Minh và đã có một số kết quả về mối quan hệ giữa nhiệt độ và chỉ số thực vật: Hình 1.3: Biểu đồ quan hệ T – NDVI của ảnh Landsat 2002 Hình 1.4: Biểu đồ quan hệ T – NDVI của ảnh Aster 2006 10 Từ biểu đồ quan hệ T - NDVI hình 1.3 và hình 1.4 trong 2 ảnh là âm, ta thấy các đối tượng thực vật có đặc điểm chung là chỉ số NDVI càng lớn thì nhiệt độ càng giảm. Sinh khối cây xanh tăng làm tăng sự bốc thoát hơi nước, sự thoát hơi nước càng lớn và sự truyền nhiệt tiềm ẩn càng lớn khiến cho nhiệt độ bề mặt thấp. Nói chung, nghiên cứu của Trần Thị Vân và Nguyễn Hằng Hải là thực sự hữu ích cho những đánh giá cấp vùng hoặc cấp quốc gia không chỉ riêng vấn đề về giám sát lớp phủ thực vật mà còn liên quan đế vấn đề giám sát hệ thống hạn hán trong nông nghiệp theo thời gian. *) Dựa vào những công trình nghiên cứu của nhóm tác giả Sandholt và n.n.k, 2002. TS. Trần Hùng đã sử dụng dữ liệu ảnh MODIS thu được từ vệ tinh Terra và Aqua bao gồm 36 kênh trong các dải phổ nhìn thấy, hồng ngoại gần và sóng ngắn và kênh nhiệt với độ phân giải không gian từ 250m, 500m và 1000m. Để phục vụ cho nghiên cứu này tổng số ảnh MODIS được chọn cho 3 mùa khô là 16 cảnh cho mùa khô 10/2000 – 2/2001, 15 cảnh cho mùa khô 11/2001 – 3/2002 và 17 cảnh cho mùa khô 10/2002 – 3/2003. Giá trị nhiệt độ bức xạ tại đầu thu MODIS cho kênh 31 và 32 được tính theo công thức Plank: (1.2) Ở đây: Ti(Ri) – nhiệt độ bức xạ tính theo độ Kelvin cho từng pixel của kênh i; C1 – hằng số định cỡ (1.1910659 x 10-5 mWm-2sr-1cm4); C2 – hằng số định cỡ (1.438833 cm0K); vi – giá trị bước sóng trung tâm cho kênh i; Ri – bức xạ phổ đã được hiệu chỉnh cho từng pixel của kênh i. Sau đó, giá trị nhiệt độ bề mặt trái đất được tính từ nhiệt độ bức xạ của kênh 31 và 32 (trong dải sóng 10.5 – 12.5μ m sử dụng thuật toán splitwindows cho ảnh MODIS (Wan, 1999). 11