Đánh giá bốn mô hình bốc thoát hơi nước thực tế cho địa hình miền Bắc Việt Nam dựa vào chỉ số thực vật từ ảnh MODIS

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:3

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu này đánh giá hiệu quả của bốn mô hình bốc thoát hơi nước (ET) thực tế trên địa hình miền Bắc Việt Nam, sử dụng chỉ số thực vật (NDVI) từ ảnh vệ tinh MODIS. Các mô hình được so sánh để xác định mức độ chính xác và khả năng ứng dụng trong việc ước lượng lượng nước bốc hơi từ mặt đất, phục vụ cho công tác quản lý tài nguyên nước, nông nghiệp và phòng chống thiên tai. Kết quả nghiên cứu chỉ ra những ưu nhược điểm của từng mô hình khi áp dụng vào các điều kiện khí hậu và địa hình đặc thù của miền Bắc, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho các quyết định quản lý tài nguyên nước hiệu quả.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đánh giá bốn mô hình bốc thoát hơi nước thực tế cho địa hình miền Bắc Việt Nam dựa vào chỉ số thực vật từ ảnh MODIS

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5 ĐÁNH GIÁ BỐN MÔ HÌNH BỐC THOÁT HƠI NƯỚC THỰC TẾ CHO ĐỊA HÌNH MIỀN BẮC VIỆT NAM DỰA VÀO CHỈ SỐ THỰC VẬT TỪ ẢNH MODIS Lương Chính Kế1, Trần Ngọc Tưởng2 1 Hội Trắc Địa - Bản Đồ - Viễn Thám Việt Nam, email: lchinhke@gmail.com 2 Cục Viễn thám quốc gia, email: tntrsc@gmail.com 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 2. PHƯƠNG PHÁP Lượng bốc thoát hơi nước thực tế ETa của 2.1. Chỉ số cây trồng Kc theo chỉ số thực cây trồng được định nghĩa theo FAO: vật NDVI của Mỹ ETa = Kc.ETo (1) Kamble et al., 2013 đã xây dựng mô hình chỉ số cây trồng Kc từ chỉ số thực vật NDVI Trong đó: Kc là hệ số cây trồng; ETo là cho ảnh Modis thông qua hàm tuyến tính: lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu tính từ Kc = a.NDVI + b (2) số liệu quan trắc khí tượng. ETa được đo bằng thủy tiêu kế (lysimeter), có độ chính xác Các hệ số a, b được xác định dựa trên chỉ số thậm chí dưới 5%; nhưng khi nội suy ra thực NDVI từ ảnh Modis và trị số Kc đo ngoài thực địa sai số này thậm chí lên tới 10-20% [6]. địa do SCAL (South Central Agricultural Xu thế sử dụng chỉ số thực vật chiết xuất từ Laboratory), Mỹ thực hiện. Kết quả nhận được tư liệu viễn thám kết hợp với số liệu quan a = 1,4571; b = -0,1725, hệ số tương quan giữa trắc khí tượng để tính Kc, sau đó là ETa đã Kc và NDVI là R2 = 0,8259. được các nhà viễn thám quan tâm, đặc biệt 2.2. Chỉ số cây trồng Kc theo chỉ số thực đối với những khu vực, lưu vực lớn. Phương vật EVI của Mỹ pháp này hiện nay cho độ chính xác trên dưới Nagler et al., 2004 đã dựa vào định luật 20%, [1, 3, 4, 5 ]. hấp thụ ánh sáng của tán cây để tính hệ số Dựa vào phương pháp giải tích xác định hệ cây trồng Kc thông qua chỉ số thực vật EVI: số cây trồng Kc [3] và chỉ số thực vật NDVI Kc = a.[1-exp(-b.EVI)) – c] (3) từ Modis, chúng tôi tiến hành xây dựng hàm Trong đó: (1-exp(-b.EVI)) biểu diễn quan hệ Kc = 0,625.NDVI + 0,4328 với lượng hấp thụ ánh sáng tuân theo định luật (R2≈1) cho địa hình khu vực miền Bắc Việt Beer-Lambert; a, b, c là hệ số thực nghiệm Nam tại thời điểm thu nhận ảnh. Kết quả được xác định cho ảnh Modis tương ứng khảo sát ETa nhận được sai số trung phương bằng 1, 65; -2,25 và 0,169 với hệ số tương (RMSE) bằng 29,71% và sai số tuyệt đối quan R2 = 0,77. trung bình (MAE) bằng 27,52%. Sai số này tương đương với sai số từ mô hình sử dụng 2.3. Chỉ số cây trồng Kc theo chỉ số thực NDVI trong khảo sát ở Mỹ. vật EVI của Úc Guerschman et al., 2009 đã đưa ra hàm ETa dựa vào tham số cây trồng Kc tính từ 274
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5 EVI (thay cho thuật ngữ “ hệ số cây trồng ”) Các tham số thống kê sử dụng để đánh giá và lượng bốc thoát hơi nước tiềm năng PET: kết quả thực nghiêm: Sai lệch hay ngưỡng (Bias); sai số trung phương (RMSE); sai số ETa = Kc.PET (4) tuyệt đối trung bình (MAE); Hệ số tương với Kc = kmax.[1-exp(-a.EVIr)α ]. Trong đó: quan (R2) hay (R); Chỉ số đồng thuận mô EVIr = (EVI – EVImin)/(EVImax – EVImin); hình IA (Index of Agreement); Hệ số hiệu - hệ số mũ. quả mô hình ME (Modelling of Efficiency). 2.4. Chỉ số cây trồng Kc theo chỉ số thực 3. THỰC NGHIỆM vật NDVI của Việt Nam 3.1. Dữ liệu đầu vào Kc được tính dựa vào phương pháp giải tích theo dự án DEMETER (D’Urso et al., 2007): Dữ liệu đầu vào gồm: Ảnh Modis ngày 10- 11-2008; sản phẩm của Modis: nhiệt bề mặt PET( rs  rmin ) Kc  (5) Ts, sol-khí, hệ số phát xạ bề mặt của kênh 31, ETo 32; mô hình số độ cao DEM có độ phân giải Trong đó: PET(rs = rsmin) – Bốc thoát hơi 90m; các số liệu khí tượng của 14 trạm miền nước tiềm năng cho trường hợp nhận kháng Bắc Việt Nam; bức xạ mặt trời đi tới Rs trên bề mặt rs bằng min; ETo – Bốc thoát hơi 14 trạm được tính bằng công thức kinh nước tham chiếu. nghiệm sử dụng giờ nắng thực n [6, 7, 8]. Quan hệ giữa hệ số cây trồng đơn Kc và 3.2. Kết quả NDVI trong thử nghiệm cho địa hình khu Dựa vào mô hình bốc thoát hơi nước thực tế vực miền Bắc Việt Nam đã sử dụng các tư ETa của Mỹ, Úc và của Việt Nam (2), (3), (4), liệu và số liệu: 1) Ảnh vệ tinh Modis ngày (6), kết quả tính ETa được trình bầy trong bảng 10/11/2008. 2) Số liệu quan trắc khí tượng 1. Nhận ETaNASA là số liệu tham chiếu, các sai cùng ngày. Kết quả chúng tôi nhận được: số BIAS, RMSE và MAE của 4 mô hình ETa Kc = 0,625.NDVI + 0,4328 với R2 ≈ 1 (6) của Mỹ, Úc và Việt Nam được ghi ở bảng 1. Do khuôn khổ cho phép của báo cáo, nội Bảng 1. Bốc thoát hơi nước ETa sử dụng dung về xác định chỉ số Kc theo NDVI từ chỉ số thực vật NDVI và EVI của Mỹ, Úc ảnh Modis cho địa hình miền Bắc Việt và Việt Nam (đơn vị: mm/day) Nam sẽ được trình bầy chi tiết ở bài báo tiếp theo. MEAN BIAS RMSE MAE Trong bài sử dụng một số ký hiệu sản phẩm: ETaNDVI- 0.539 0.472 1.803 -0.146 a/ ETa-NASA: Bốc thoát hơi nước thực tế MỸ 29.92% 26.20% (ETa) từ ảnh Modis của NASA. ETaEVI- 0.595 0.491 b/ ETaNDVI-MỸ: ETa tính từ NDVI theo mô 2.141 +0.191 MỸ 30.54% 25.18% hình của Mỹ, ETo tính theo mô hình FAO ETaEVIr- 0.511 0.435 56-PM, và bức xạ ròng chiết xuất từ ảnh 1.615 - 0.335 ÚC 26.21% 22.33% Modis [8]. ETaNDVI- 0.579 0.537 c/ ETaEVI-MỸ: Tương tự như b/, nhưng 2.368 +0.418 được tính từ chỉ số thực vật EVI. VN 29.71% 27.52% d/ ETaEVI-ÚC: Tương tự như c/, nhưng sử ETaNASA 1.949 dụng mô hình của Úc. Hình 1 giới thiệu 5 biểu đồ biến thiên giá e/ ETaNDVI-VN: Tương tự như b/, nhưng hệ trị ETa trên 13 trạm quan trắc khí tượng. số a, b của Kc do nhóm nghiên cứu xác định bảng 2 liệt kê các tham số thống kê để đánh cho địa hình Việt Nam. giá mô hình. 275
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5 số thực vật, cho thấy những mô hình này có sai số MAE và RMSE giao động tương ứng từ 22% - 28% và từ 26% - 30%. Về lý thuyết, mô hình ETa(VN) có yếu hơn so với mô hình của Mỹ, nhưng thực tế lại có hệ số tương quan cao hơn và MAE, RMSE tương đương, kể cả so với mô hình của Úc. Điều này phản ánh các hệ số trong mô hình Việt Nam sát với thực tế Việt Nam hơn so với ba mô hình của Mỹ và Úc. Hình 1. Biến thiên ETa của bốn mô hình so với ETa-NASA TÀI LIỆU THAM KHẢO 3.3. Đánh giá [1] ASCE Environmental and Water Resources Mô hình ETa của Việt Nam, (ETa-VN) Institute (ASCE-EWRI). 2005. “The ASCE (bảng 1) có MAE và RMSE tương đương với standardized reference evapotranspiration equation.” Rep. of the Task Committee on hai mô hình của Mỹ; tuy nhiên lại có BIAS Standardization of Reference lớn hơn (bảng 2). Mặc dù hai tham số thống Evapotranspiration, Reston, Va. kê IA và ME của mô hình ETa(VN) nhỏ hơn [2] D’Urso et al. 2007. EO technology for hai mô hình của Mỹ nhưng có IA lớn hơn mô irrigation water control & management. hình của Úc, song lại có hệ số tương quan Porfolio/Library of harmonized EO R=79.7% lớn hơn cả 3 mô hình Mỹ và Úc. technology. Work Package 3. Project Điều này phản ánh: về lý thuyết mô hình deliverable D10a. Draft v. ETa(VN) có yếu hơn mô hình của Mỹ một [3] Guerschman,J.P.;Van chút, nhưng về thực tế cho hệ số R tốt hơn, Kijk,I.J.M.;Mattersdorf, G.; Beringer, J.; và MAE, RMSE tương đương. Hutley, L.B.; Leuning, R.; Pipunic, R.C.; Sherman, B.S. Scaling of potential Bảng 2. Bảng tham số thống kê (R, IA, ME) evapotranspiration with MODIS data của các mô hình ETa reproduces flux observations and catchment ETa (Mỹ) water balance observations across Australia. J. Hydrol 2009, 369, 107–119. ND-- ETaN ETa Kc EVI Kc [4] Kamble B., Kilic A., Hubbard K., 2013. VI ASA NASA 2 Estimating Crop Coefficients Using Remote R 0,98 0,98 0,49 0,96 0,97 0,44 Sensing-Based Vegetation Index. Remote R 99,2 99,2 70,4 98,3 98,7 66,6 Sensing, 5(4), 1588-1602. IA 0,8268 0,7944 [5] Nagler P. L., Glenn E. P, Uyen Nguyen, ME 0,2205 0,0503 Scott R. L., Doody T.. Estimating Riparian and Agricultural Actual Evapotranspiration ETa (Úc) ETa (VN) by Reference Evapotranspiration and ETaN NDV ETa- MODIS Enhanced Vegetation Index. EVIr Kc Kc2 ASA I NASA Remote Sensing 2013, 5(8), 3849-3871. 2 R 0,80 0,95 0,28 0,85 0,70 0,63 [6] Minh Le, Ke Luong Chinh, Tuong Tran R 89,5 97,5 53,0 92,2 84,0 79,7 Ngoc, Hung Nguyen Van, Son Le Minh, IA 0,6048 0,6583 2013. Essessing the accuracy of land surface evatranspiration estimated by ME - 0,0179 - 0,0498 Makkink’s model based on solar radiation extracted from MODIS data. Proceedings of 4. KẾT LUẬN the 9th International Conference on Geo- Khảo sát 4 mô hình ETa (Mỹ, Úc và Việt information for Disaster Management, Nam) với ứng dụng ảnh Modis thông qua chỉ Hanoi, Vietnam, 9-11 Dec. 2013. 276