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