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
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! ii
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
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
iv
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 RH-
NDVI 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
MODIS)
vi
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 [ T
s
, NDVI] được xác định như một tỷ lệ giữa
đường A = (T
s
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
1
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
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).
3
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, 16-
ngày), 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.
- Phương pháp phân tích không gian sử dụng GIS
- Phương pháp chuyên gia.
5
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 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG DỮ LIỆU
- 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.
8 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,
– T
smin
) và B = (T
smax
– T
smin
)
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).
10
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
11
-2
sr
-1
cm
4
); C
2
– hằng số định cỡ (1.438833
cm
0
K); v
i
– giá trị bước sóng trung tâm cho kênh i; R
i
– 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 split-
windows cho ảnh MODIS (Wan, 1999).
12
Chỉ số NDVI được tính từ kênh 1 và kênh 2 của ảnh MODIS đã được hiệu chỉnh
theo công thức dưới đây và được chuyển về cùng độ phân giải 1km với Ts.
(1.3)
Đồ thị phân tán của T
s
như là một hàm số của chỉ số thực vật chuẩn NDVI được
xây dựng cho từng ảnh MODIS đã được chọn trong 3 mùa khô. Để tính chỉ số TVDI
mặt giữa đất - thực vật - khí quyển, gọi tắt là mô hình SVAT của trường Đại học Penn
State (Carlson 2000) kết hợp với tư liệu vệ tinh độ phân giải cao Landsat ETM+ chụp
ngày 08/1/2001, giá trị chỉ số độ ẩm Mo đã được tính cho vùng chọn mẫu Tây Ninh. Sau
khi chuyển về cùng độ phân giải không gian, thì kết quả so sánh cho thấy tương quan
nghịch giữa chỉ số độ ẩm Mo tính từ ảnh ETM+ và chỉ số mức khô hạn nhiệt độ - thực
vật tương đối cao với hệ số tương quan Pearson r = -0.8.
14 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
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
Sự thay đổi theo thời gian của chỉ số TVDI được nghiên cứu dựa theo chuỗi số
liệu thời gian cho một số vùng chọn mẫu tiêu biểu về lớp phủ rừng và đới khô hạn (Hình
1.5) để có thể theo dõi sự thay đổi của độ ẩm bề mặt. Hình 1.8 cho thấy sự thay đổi của
chỉ số TVDI theo thời gian trong 3 năm 2000-2003 tại 2 vùng chọn mẫu: khu vực rừng
15
Đắk Lắk, và khu vực khô hạn của Bình Thuận. Nhìn chung, chỉ số TVDI tại vùng trồng
trọt nông nghiệp luôn cao hơn tại vùng rừng trong mọi thời điểm và chỉ số TVDI có xu
thế tăng về cuối mỗi mùa khô. So sánh giữa các năm, chỉ số TVDI cho mùa khô 2001-
2002 cao nhiều so với 2 mùa khô 2000-2001 và 2002-2003, tương đối phù hợp với quan
trắc khí hậu tại các trạm khí tượng trong khu vực trong khoảng thời gian tương ứng. Một
số nhận định ban đầu như vậy cho thấy chỉ số TVDI có tiềm năng trong việc theo dõi
những biến đổi của khí hậu nông nghiệp và theo dõi khô hạn không chỉ trong từng mùa
mà còn trong những chu kỳ khí hậu dài hạn. Việc xây dựng một cơ sở dữ liệu tích luỹ
nhiều năm của những chỉ số như vậy là cần thiết cho việc theo dõi chu kỳ khí hậu làm
cơ sở cho việc dự đoán xu thế biến đổi trong thời gian thực của những chỉ số khô hạn.
Copyright: Tài liệu đại học ©