Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
380
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ TRÍCH XUẤT NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ
MẶT TRỜI ĐI TỚI VÀ BỨC XẠ RÒNG TỪ ẢNH MODIS
VỚI SỐ LIỆU QUAN TRẮC KHÍ TƯỢNG
Lương Chính Kế1, Trần Ngọc Tưởng2, Trần Thị Thu Hường3
1Hội Trắc Địa - Bản Đồ - Viễn Thám Việt Nam, email: lchinhke@gmail.com
2Cục Viễn thám quốc gia, email: tntrsc@gmail.com
3Đại học Tài nguyên và Môi trường, email: tranthuhuong247@gmail.com
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng cần
thiết cho quá trình quang hợp, trực tiếp
hoặc gián tiếp quyết định chất lượng và
năng suất (số lượng) mùa màng (Hansen,
1999) [3]. Để cây trồng có năng suất cao,
cường độ bức xạ mặt trời phải lớn hơn một
giá trị xác định, gọi là “điểm điều hoà”.
Các loại cây xanh khác nhau, “điểm điều
hoà” khác nhau, dao động từ 20,9 đến 34,9
W/m2. Giám sát quá trình phát triển và dự
báo năng suất cây trồng thông qua số liệu
quan trắc bức xạ Mặt Trời rất có ý nghĩa
trong sản xuất nông nghiệp.
Chiết xuất năng lượng bức xạ ròng bề mặt
đất hấp thụ từ Mặt Trời còn có ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực khác, như giám sát quá
trình biến đổi về khí tượng, khí hậu, thủy văn
[1, 7,], hiệu ứng nhà kính v.v... [2, 4, 5].
Bài báo đề cập tới kết quả thực tế trích
xuất năng lượng bức xạ Mặt Trời đi tới Mặt
Đất (bức xạ tới) và bức xạ mà Mặt Đất hấp
thụ (bức xạ ròng) từ dữ liệu ảnh vệ tinh
MODIS.
2. TƯ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
2.1. Tư liệu
Ảnh vệ tinh Modis Aqua ngày 10-11-2008
(10:40:05 giờ Hà Nội) sử dụng trong thực
nghiệm có độ phân giải không gian là 1000m
ở mức xử lý 1A, như giới thiệu trên hình 1.
Một số sản phẩm của MODIS, cụ thể là: ảnh
phản xạ bề mặt từ kênh 1 đến kênh 7 (trừ
kênh 6), ảnh nhiệt bề mặt, tệp siêu dữ liệu
được sử dụng.
Số liệu khí tượng (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ
gió, giờ nắng thực vv) trên 14 trạm khu vực
miền Bắc Việt Nam do cơ quan Khí tượng
Thủy văn thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường
cung cấp ngày 10-11-2008. Ở Việt Nam,
chúng ta sử dụng mô hình thực nghiệm theo
giờ nắng thực để tính bức xạ Mặt Trời đi tới
(hình 4 cột 2).
Thông số kỹ thuật
Số hiệu ảnh: 269-308
Ngày chụp: 10-11-2008
Giờ chụp:03:40:05 GMT
Bộ cảm: Aqua
Mức xử lý: 1A
Số kênh phổ: 36
Độ phân giải: 1000 m
Hình 1: Ảnh và thông số ảnh MODIS
2.2. Phương pháp
2.2.1. Mô hình bức xạ đi tới bề mặt đất
Gọi lượng bức xạ mặt trời ở đỉnh khí quyển
là H, tham số truyền bức xạ toàn phần là T,
thì lượng bức xạ Mặt Trời đi tới Mặt Đất Rs
là [8]:
. .( ) k
m
Rs H T H C
(1)
Trong đó: C - tham số hằng số cho mô hình
thời tiết sạch, không mây, m - khối lượng
tương đối khí quyển; k - hằng số. Bức xạ ở
đỉnh khí quyển H được xác định dựa trên
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
381
quan hệ hình học giữa Mặt Trời và Trái Đất
và là hàm số của khoảng cách từ Mặt Trời tới
Trái Đất dr và vị trí tức thời của Mặt Trời so
với Trái Đất [9]:
. ( ). os{ (L, ,h)}H CS dr J c

(2)
Với J - ngày trong năm tại thời điểm quan
trắc, θ(L, δ, h) - Tọa độ thiên văn vị trí
Mặt Trời.
2.2.2. Mô hình bức xạ ròng
Bức xạ ròng là tham số quan trọng để tính
lượng bốc thóat hơi nước bề mặt địa hình, nhu
mô hình Prescott [6]. Mô hình FAO-56 PM
là mô hình sử dụng bức xạ ròng Rn để tính
lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu mà tổ
chức Nông-Lương Liên hợp quốc khuyến cáo
sử dụng (Allen, et al. 2006) [1].
Để có thể ứng dụng mô hình viễn thám
trong chiết xuất bức xạ ròng, chúng ta dựa
quy luật bảo toàn năng lượng bức xạ trên bề
mặt đất. Bức xạ ròng bề mặt đất hấp thụ được
mô tả bằng biểu thức sau (Hình 2) [2]:
(1 )
n S S L L o L
R R R R R R

(3)
Trong đó: Rn – bức xạ ròng (netto) hay
còn gọi là cán cân bức xạ; α – suất phân sai
hay suất phản xạ bề măt (albedo); εo – hệ số
phát xạ bề Mặt Đất. Bức xạ sóng ngắn đi từ
Mặt Trời về Mặt Đất là RS↓; Bức xạ sóng
ngắn phản xạ từ Mặt Đất đi lên là αRS↓; Bức
xạ sóng dài đi từ Mặt Trời về Mặt Đất là
RL↓; Bức xạ sóng dài phản xạ từ Mặt Đất đi
lên là (1-εo)RL↓; và sóng dài phát xạ từ bề
Mặt Đất RL↑.
3. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ
3.1. Kết quả
Từ số liệu quan trắc tại 14 trạm khí tượng,
năng lượng bức xạ Mặt Trời đi tới Mặt Đất,
RsTĐ được tính và ghi ở cột 2 hình 4. Dựa vào
mô hình FAO-56, bức xạ ròng RnTĐ được tính
và ghi ở cột 5 hình 4. Năng lượng bức xạ đi
tới và bức xạ ròng trích xuất từ ảnh MODIS là
RsA, RnA dựa vào cơ sở mục 2.2 được ghi
tương ứng ở cột 3 và 6. Hiệu số bức xạ đi tới
và bức xạ ròng giữa kết quả từ số liệu quan
trắc khí tượng và chiết xuất từ MODIS được
thể hiện trong cột 4 và 7. Sai số tuyệt đối
trung bình (MAE) và sai số trung phương
(RMSE) của số liệu chiết xuất từ MODIS so
với kết quả tính từ số liệu khí tượng được ghi
ở cuối hình 4.
Bản đồ phân bố năng lượng bức xạ Mặt
Trời đi tới bề Mặt Đất và bản đồ phân bố
năng lượng bức xạ ròng từ ảnh MODIS được
thể hiện trên hình 3.
Hình 2. Nguyên lý cân bằng bức xạ bề mặt
Hình 3. Bản đồ phân bố năng lượng bức xạ tới
RsA, (trái) và bức xạ ròng RnA (phải)
từ ảnh MODIS
3.2. Đánh giá
So sánh với kết quả tính toán từ số liệu khí
tượng, năng lượng bức xạ đi tới và năng
lượng bức xạ ròng chiết xuất từ ảnh MODIS
cho sai số tuyệt đối trung bình tương ứng
bằng 18,848 W/m2/h và 35,548 W/m2/h, tính
theo % sẽ là 5,81% và 28,28%; sai số trung
phương tương ứng là ±22,562 W/m2/h và
±36,294 W/m2/h. Những sai số trên đây
tương đương với sai số nhận được trong các
công trình nghiên cứu trên thế gới [10]. Nếu
sử dụng số liệu bức xạ từ 11 trạm quan trắc
khí tượng làm dữ liệu tham chiếu để bình sai
bức xạ chiết xuất từ MODIS (ba trạm số 6,
13, 14 được gạch chân ở hình 4 nhận làm
điểm kiểm tra), chúng ta sẽ nhận được kết
quả sau bình sai cải thiện đáng kể. Sai số
trung phương bức xạ đi tới trên điểm kiểm
tra bằng ±2,466 W/m2/h.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
382
4. KẾT LUẬN
Lượng bức xạ bề mặt đất nhận được từ mặt
trời đi tới là thông số đầu vào rất quan trọng
có nhiều ứng dụng trong thực tế như giám sát
quá trình phát triển của cây trồng, xác định
lượng nước bốc thoát hơi nước từ địa hình và
cây trồng; từ đó biết được nhu cầu nước của
cây trong quy hoạch nguồn nước tưới tiêu.v.v.
Để giảm chi phí cũng như đáp ứng nhu cầu
thực tế về nghiên cứu phân bố bức xạ trên
diện rộng, phương pháp viễn thám được coi là
giải pháp hữu hiệu. Trong nghiên cứu thực
nghiệm cho thấy: sai số trung phương bức xạ
ròng chiết xuất bức xạ từ ảnh MODIS đạt
được là 36 W/m2/h; sai số tuyệt đối trung bình
bằng 28%, nghĩa là độ chính xác có thể đạt
trên 70%. Độ chính xác chiết xuất bức xạ đi
tới đạt 94% (sai số MAE = 6%).
Hình 4. Năng lượng bức xạ đi tới và bức xạ
ròng từ số liệu khí tượng RsTĐ , RnTĐ và trích
xuất từ ảnh vệ tinh RsA , RnA
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Allen RG, Pruitt WO, Wright JL, Howell
TA, Ventura F, Snyder R, Itenfisu D,
Steduto P, Berengena J, Beselga J, Smith M,
Pereira LS, Raes D, Perrier A, Alves I,
Walter I, Elliott R. 2006. A recommendation
on standardized surface resistance for hourly
calculation of reference ETo by the FAO56
Penman–Monteith method. Agric Water
Manage 81:1–22.
[2] Bastiaanssen W.G.M., M. Menenti, R.A.
Feddes, A.A.M. Holtslag, 1998, A remote
sensing surface energy balance algorithm for
land (SEBAL). Journal of Hydrology, pp.
198–213.
[3] Hansen, J.W., 1999. Stochastic daily solar
irradiance for biological modeling
applications. Agric. For. Meteorol. 94, 53–63.
[4] Mian Chin, NASA Goddard Space Flight
Center, 2008, Aerosol Properties and Their
Impacts on Climate. U.S. Climate Change
Science Program.
[5] Nonhebel, S., 1994a. Inaccuracies in weather
data and their effectson crop growth
simulation results. I. Potential
production.Climate Res. 4, 47–60.
[6] Prescott, JA. Evaporation from a water
surface in relation to solar radiation. Trans
Roy Soc Aust 64, 114-48, 1940.
[7] Randall V. Martin, 2008, Satellite remote
sensing of surface air quality. Atmospheric
Environment 42, pp. 7823–7843.
[8] Meinel A., Meinel M., 1976. Applied solar
energy, an introduction. Addision-Wesley.
[9] Markvart T, Kreider, 1994. Solar electricity.
John Wiley & Sons, Chichester, UK.
[10] Youngryel R., Sinkyu Kang Sang-Ki Moon,
Joon Kim, 2008. Evaluation of land
radiation balance derived from MODIS over
comlex terrain and heterogeneous landscape
clear sky days. Agric. & Forest Meteor.,
Vol. 148, pp.1538-1552.