Link xem tivi trực tuyến nhanh nhất xem tivi trực tuyến nhanh nhất xem phim mới 2023 hay nhất xem phim chiếu rạp mới nhất phim chiếu rạp mới xem phim chiếu rạp xem phim lẻ hay 2022, 2023 xem phim lẻ hay xem phim hay nhất trang xem phim hay xem phim hay nhất phim mới hay xem phim mới link phim mới

intTypePromotion=1
ADSENSE

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát sự bốc - thoát hơi nước của lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam từ dữ liệu ảnh vệ tinh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:180

9
lượt xem
1
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát sự bốc - thoát hơi nước của lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam từ dữ liệu ảnh vệ tinh" trình bày các nội dung chính sau: Lựa chọn, đề xuất được mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế (ETa) phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu và bề mặt lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam; Xây dựng được quy trình, chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ với các tham số được tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8 kết hợp thông tin độ cao địa hình khu vực Tây Bắc Việt Nam.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát sự bốc - thoát hơi nước của lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam từ dữ liệu ảnh vệ tinh

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LÊ HÙNG CHIẾN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIÁM SÁT SỰ BỐC - THOÁT HƠI NƯỚC CỦA LỚP PHỦ KHU VỰC TÂY BẮC VIỆT NAM TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ HÀ NỘI, 2022
  2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LÊ HÙNG CHIẾN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIÁM SÁT SỰ BỐC - THOÁT HƠI NƯỚC CỦA LỚP PHỦ KHU VỰC TÂY BẮC VIỆT NAM TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số: 9.520503 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS TRẦN XUÂN TRƯỜNG 2. PGS.TS DOÃN HÀ PHONG HÀ NỘI, 2022
  3. i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Quá trình nghiên cứu được thực hiện nghiêm túc, khoa học. Số liệu và kết quả trình bày trong luận án là chính xác, trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Lê Hùng Chiến
  4. ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i MỤC LỤC ...................................................................................................................ii DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... ix DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... xi MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................ 3 3. Đối tượng nghiên cứu.............................................................................................. 4 4. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................. 4 5. Nội dung nghiên cứu của luận án ............................................................................ 4 6. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................... 5 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ............................................................. 6 8. Luận điểm bảo vệ .................................................................................................... 7 9. Những điểm mới của luận án .................................................................................. 7 10. Cấu trúc của luận án .............................................................................................. 8 11. Lời cảm ơn ............................................................................................................ 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................9 1.1. Các khái niệm bốc thoát hơi nước........................................................................ 9 1.1.1 Bốc hơi nước (E) ................................................................................................ 9 1.1.2 Thoát hơi nước (T) ........................................................................................... 10 1.1.3. Bốc thoát hơi nước ET (Evaporation Transpiration) ...................................... 11 1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự bốc thoát hơi nước ............................................ 11 1.1.5. Bốc thoát hơi nước tham chiếu ET0 (Potential evaptransporation) ................ 13 1.1.6. Thoát hơi nước trong điều kiện tiêu chuẩn (ETc) ........................................... 14 1.1.7. Thoát hơi nước trong điều kiện không tiêu chuẩn (ETc adj) .......................... 14 1.1.8. Lượng bốc thoát hơi thực tế ET (Actual evapotransporation) ........................ 15 1.1.9. Mô hình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước ..................................... 15 1.2. Phương pháp xác lượng bốc thoát hơi nước sử dụng dữ liệu khí tượng ............ 15 1.2.1. Các phương pháp đo trực tiếp ......................................................................... 15 1.2.2. Các mô hình sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời (radiaton-based models) .. 18 1.2.3. Các mô hình kết hợp (combined models) ....................................................... 20 1.3. Các mô hình xác ước tính lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh...... 22
  5. iii 1.3.1. Mô hình cân bằng năng lượng bề mặt đất SEBAL (Surface Energy Balance Algorithms for Land) ................................................................................................ 23 1.3.2. Mô hình chỉ số cân bằng năng lượng bề mặt SEBI (Surface Energy Balance Index) . 25 1.3.3. Mô hình Hệ thống cân bằng năng lượng bề mặt SEBS (Surface Energy Balance System) ...................................................................................................................... 27 1.3.4. Mô hình chỉ số cân bằng năng lượng bức xạ bề mặt đơn giản S-SEBI (Simplified Surface Energy Balance Index) ............................................................. 28 1.3.5. Mô hình về bản đồ bốc thoát hơi nước độ phân giải cao với hiệu chỉnh bên trong METRIC (Mapping ET with Internalized Calibration) ................................... 30 1.4. Các kết quả nghiên cứu trên thế giới liên quan đến đề tài ................................. 33 1.5. Các kết quả nghiên cứu trong nước liên quan đến lĩnh vực của đề tài .............. 36 1.6. Đánh giá chung về các phương pháp và mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ ............................................................................................. 39 1.7. Một số vấn đề thảo luận phát triển trong luận án ............................................... 42 Tiểu kết chương 1...................................................................................................... 44 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC SỬ DỤNG DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH PHỤC VỤ ƯỚC TÍNH, GIÁM SÁT LƯỢNG BỐC THOÁT HƠI NƯỚC BỀ MẶT LỚP PHỦ 46 2.1. Khái quát về viễn thám ...................................................................................... 46 2.1.1. Nguyên lý viễn thám ....................................................................................... 46 2.1.2. Đặc tính phản xạ của thực vật ......................................................................... 49 2.1.3. Đặc tính phản xạ phổ của nước ....................................................................... 50 2.1.4. Đặc tính phản xạ của các đối tượng trong đô thị ............................................ 51 2.2. Đặc điểm của ảnh vệ tinh Landsat 8 .................................................................. 51 2.3. Vai trò của dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 trong việc chiết xuất, tính toán các tham số phục vụ ước tính lượng bốc thoát hơi nước.......................................................... 53 2.4. Khả năng ứng dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 trong việc ước tính lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ .................................................................................. 55 2.4.1. Tính giá trị năng lượng bức xạ ròng mặt trời (Rn) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 ................................................................................................................................. 56 2.4.2. Xác định giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước λ từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 ............................................................................................................ 58 2.4.3. Xác định hằng số Psychrometric (γ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình số độ cao DEM .................................................................................................. 58
  6. iv 2.4.4. Sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 xác định giá trị độ dốc của đường cong áp suất hơi bão hòa (Δ) .......................................................................................................... 59 2.5. Tính giá trị của các tham số từ ảnh vệ tinh Landsat 8 và thông tin độ cao phục vụ ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ ................................... 59 2.5.1. Tính giá trị năng lượng bức xạ ròng Rni từ ảnh vệ tinh Landsat 8 theo mô hình SEBAL ...................................................................................................................... 59 2.5.2. Tính giá trị bức xạ ròng trung bình ngày Rnd từ Rni được tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ................................................................................................................... 66 2.5.3. Tính bức xạ ròng trung bình ngày Rnd từ số liệu khí tượng đo trực tiếp tại các trạm quan trắc theo mô hình FAO 56 – Penman - Monteith .................................... 67 2.5.4. Tính giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước (λ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 ................................................................................................................... 68 2.5.5. Tính giá trị hằng số Psychrometric (γ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và thông tin độ cao từ DEM ..................................................................................................... 69 2.5.6. Tính giá trị độ dốc của đường cong áp suất hơi bão hòa (Δ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 ............................................................................................................ 69 2.6. Xác định hệ số a, b của mô hình Priestley - Taylor phù hợp với địa hình khí hậu khu vực Tây Bắc Việt Nam ....................................................................................... 70 2.7. Đề xuất mô hình, quy trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước sử dụng kết hợp mô hình SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley - Taylor ........................................................................................................................ 71 2.7.1. Đề xuất mô hình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam ....................................................................................... 71 2.7.2. Quy trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước sử dụng kết hợp mô hình SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley - Taylor ................ 72 2.8. Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước sử dụng kết hợp mô hình SEBAL và mô hình Priestley-Taylor trên nền Google Earth Engine .. 75 2.8.1. Khái quát về Google Earth Engine ................................................................. 75 2.8.2. Những lợi ích của Google Earth Engine trong việc xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước.................................................................... 75 Tiểu kết chương 2...................................................................................................... 77 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ...............................78 3.1. Điều kiện tự nhiên của tỉnh Hòa Bình ................................................................ 78
  7. v 3.1.1. Vị trí địa lý ...................................................................................................... 78 3.1.2. Địa hình, địa mạo ............................................................................................ 79 3.1.3. Điều kiện khí hậu ............................................................................................ 79 3.1.4. Thủy văn.......................................................................................................... 82 3.1.5. Thực trạng về cơ cấu tài nguyên đất tỉnh Hòa Bình ....................................... 83 3.1.6. Tài nguyên nước.............................................................................................. 84 3.1.7. Tài nguyên rừng .............................................................................................. 84 3.2. Dữ liệu phục vụ nghiên cứu ............................................................................... 85 3.2.1. Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình số độ cao DEM (SRTM) ............. 85 3.2.2. Dữ liệu khí tượng ............................................................................................ 87 3.3. Thực nghiệm xác định hệ số a, b của mô hình Priestley – Taylor với điều kiện địa hình, khí hậu khu vực Tây Bắc Việt Nam từ dữ liệu quan trắc khí tượng, thủy văn tại tỉnh Hòa Bình ....................................................................................................... 90 3.3.1 Kết quả tính giá trị năng lượng bức xạ ròng Rnd từ dữ liệu khí tượng, thủy văn đo trực tiếp tại các trạm khí tượng thủy văn Hòa Bình theo mô hình FAO 56......... 91 3.3.2 Kết quả tính giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước (λ), hằng số Psychrometric (γ), độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hòa (Δ) từ dữ liệu khí tượng thủy văn đo trực tiếp tại các trạm khí tượng thủy văn Hòa Bình theo mô hình FAO 56 ..................................... 93 3.3.3 Kết quả tính hệ số a, b của mô hình Priestley – Taylor với điều kiện địa hình, khí hậu tỉnh Hòa Bình, Sơn La thuộc vùng Tây Bắc Việt Nam từ dữ liệu quan trắc khí tượng thủy văn .................................................................................................... 95 3.4. Thực nghiệm tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế từ bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hòa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam sử dụng kết hợp mô hình SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley – Taylor với hệ số a, b xác định bằng thực nghiệm ....................................................................................................................... 97 3.4.1. Kết quả tính giá trị năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày Rnd từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 (Rnd _VT) .................................................................................... 97 3.4.2 So sánh kết quả tính giá trị năng bức xạ ròng trung bình ngày theo mô hình FAO 56 (Rnd_FAO) và năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 (Rnd_VT) ............................................................................................................... 109 3.4.3. Kết quả tính giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước (λ) với tham số nhiệt độ bề mặt được tính từ ảnh Landsat 8 ............................................................ 114 3.4.4. Kết quả tính giá trị hằng số Psychrometric (γ) với giá trị độ cao được chiết xuất từ DEM và dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 ............................................................... 116
  8. vi 3.4.5. Kết quả tính giá trị độ dốc của đường cong áp suất hơi bão hòa (Δ) với tham số nhiệt độ bề mặt được tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ................................................ 117 3.4.6. Tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế ETa theo mô hình Priestley – Taylor với các tham số chiết xuất, tính toán từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và giá trị độ cao từ DEM tại tỉnh Hòa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam .............................................. 119 3.4.7. So sánh lượng bốc thoát hơi nước thực tế đo tại các trạm khí tượng thủy văn ETa_Đo và lượng bốc thoát hơi nước tính sử dụng kết hợp mô hình viễn thám SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley – Taylor ETa_VT ............ 123 3.5. Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ từ dữ liệu ảnh vệ tinh trên nền Google Earth Engine ....................................... 126 3.5.1. Sơ đồ khối chương trình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ ........................................................................................................................... 126 3.5.2. Các giao diện chính của chương trình ........................................................... 127 Tiểu kết Chương 3 ................................................................................................... 129 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ .......................................................................................131 1. Kết luận ............................................................................................................... 131 2. Kiến nghị ............................................................................................................. 132 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC, BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ ............133 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................134
  9. vii DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt E Evaporation Bốc hơi T Transpiration Thoát hơi ETa Actual Evapotransporation Bốc thoát hơi nước thực tế ET0 Reference Evapotranspiration Bốc thoát hơi nước tham chiếu Rs Solar radiation Năng lượng bức xạ mặt trời Rn Net radiation Năng lượng bức xạ ròng Rns Short radiation Năng lượng bức xạ mặt trời sóng ngắn Rnl Long radiation Năng lượng bức xạ mặt trời sóng dài N Daylight hours Tổng giờ nắng trong ngày Ts Surface temperature Nhiệt độ bề mặt Ta Near surface temperature Nhiệt độ không khí gần bề mặt đất NDVI Normalised Difference Chỉ số thực vật Vegetation Index SAVI Soil Adjusted Vegetation Index Chỉ số thực vật có hiệu chỉnh phản xạ mặt đất LAI Leaf Area Index Chỉ số diện tích lá α Surface albedo Suất phân sai bề mặt ε0 Broad band surface emissivity Phát xạ bề mặt dải rộng εNB Narrow band surface emissivity Phát xạ bề mặt dải hẹp λ Latent heat of vaporization Năng lượng nhiệt hóa hơi tiềm ẩn γ Psychrometric constant Hằng số Psychrometric Δ Slope curve saturation vapour Độ dốc đường cong áp suất hơi pressure bão hòa P Atmospheric pressure Áp suất không khí u2 Adjustment of wind speed to Vận tốc gió ở độ cao tiêu chuẩn standard height z Altitude above sea level Độ cao tuyệt đối của điểm FAO Food and Agriculture Tổ chức Nông nghiệp và Lương Organization of the United thực Liên hợp quốc Nations
  10. viii Landsat Landsatellite Ảnh vệ tinh NASA, Mỹ SEBAL Surface Energy Balance Mô hình cân bằng năng lượng Algorithms for Land bề mặt đất SEBI Surface Energy Balance Index Mô hình chỉ số cân bằng năng lượng bề mặt SEBS Surface Energy Balance System Mô hình hệ thống cân bằng năng lượng bề mặt METRIC Mapping ET with Internalized Mô hình bản đồ bốc thoát hơi Calibration nước với hiệu chỉnh nội bộ S- SEBI Simplified - Surface Energy Mô hình chỉ số cân bằng năng Balance Index lượng bề mặt đơn giản GGE Google earth engine
  11. ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Bảng thống kê sai số của một số mô hình sử dụng bức xạ mặt trời tính toán lượng bốc thoát hơi nươc ET0 so với thiết bị đo trực tiếp chậu Pan .........................20 Bảng 1.2. Ưu và nhược điểm chính của các phương pháp/ mô hình tính lượng bốc thoát hơi nước bề mặt ................................................................................................32 Bảng 2.1. Đặc trưng Bộ cảm của ảnh vệ tinh Landsat 8 ...........................................52 Bảng 3.1. Độ ẩm trung bình của các tháng trong năm ..............................................80 Bảng 3.2. Lượng mưa trung bình của các tháng trong năm ......................................80 Bảng 3.3. Nhiệt độ trung bình của các tháng trong năm ...........................................81 Bảng 3.4. Tổng số giờ nắng thực trung bình của các tháng trong năm ....................81 Bảng 3.5. Thông số của ảnh vệ tinh chụp các ngày 01/7/2015, 04/6/2017, 18/8/2021 và DEM (SRTM) .......................................................................................................86 Bảng 3.6. Tọa độ các trạm quan trắc khí tượng thủy văn tỉnh Hòa Bình, Sơn La (hệ WGS-84, múi chiếu 60) .............................................................................................87 Bảng 3.7. Dữ liệu khí tượng tại các trạm quan trắc khí tượng thủy văn tỉnh Hòa Bình, Sơn La ngày 01/7/2015 .............................................................................................89 Bảng 3.8. Dữ liệu khí tượng tại các trạm quan trắc khí tượng thủy văn tỉnh Hòa Bình, Sơn La ngày 04/6/2017 .............................................................................................89 Bảng 3.9. Dữ liệu khí tượng tại các trạm quan trắc khí tượng thủy văn tỉnh Hòa Bình, Sơn La ngày 18/8/2021 .............................................................................................90 Bảng 3.10. Kết quả tính năng lượng bức xạ ròng trung bình từ dữ liệu khí tượng theo mô hình FAO 56 ........................................................................................................92 Bảng 3.11. Kết quả tính giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước (λ) theo mô hình FAO 56 ..............................................................................................................93 Bảng 3.12. Kết quả tính giá trị hằng số Psychrometric (γ) theo mô hình FAO 56 ...94 Bảng 3.13. Kết quả tính giá trị độ dốc của đường cong áp suất hơi bão hòa (Δ) theo mô hình FAO 56 ........................................................................................................95 Bảng 3.14. Kết quả tính hệ số a, b của mô hình Priestley - Taylor phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu tỉnh Hòa Bình thuộc vùng Tây Bắc Việt Nam ......................96 Bảng 3.15. Kết quả kiểm chứng xác định hệ số a, b của mô hình Priestley – Taylor ...................................................................................................................................97 Bảng 3.16. Kết quả tính năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày tại các trạm quan trắc khí tượng thủy văn từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 01/7/2015 .........................107 Bảng 3.17. Kết quả tính năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày tại các trạm quan trắc khí tượng thủy văn từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 04/6/2017 .........................107 Bảng 3.18. Kết quả tính năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày tại các trạm quan trắc khí tượng thủy văn từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 18/8/2021 .........................108 Bảng 3.19. So sánh kết quả tính giá trị bức xạ ròng trung bình ngày Rnd__FAO và Rnd_VT thời điểm ngày 01/7/2015 ..........................................................................110
  12. x Bảng 3.20. So sánh kết quả tính giá trị bức xạ ròng trung bình ngày Rnd__FAO và Rnd_VT thời điểm ngày 04/6/2017 ..........................................................................111 Bảng 3.21. So sánh kết quả tính giá trị bức xạ ròng trung bình ngày Rnd__FAO và Rnd_VT thời điểm ngày 18/8/2021 ..........................................................................112 Bảng 3.22. Bảng kết quả tính giá trị nhiệt ẩn tại các trạm quan trắc khí tượng, thủy văn ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021 .......................................115 Bảng 3.23. Bảng kết quả tính giá trị hằng số Psychrometric (γ) tại các trạm quan trắc khí tượng, thủy văn ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021 .............117 Bảng 3.24. Bảng kết quả tính giá trị độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hòa (∆) tại các trạm quan trắc khí tượng, thủy văn ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021 .................................................................................................................118 Bảng 3.25. Bảng kết quả tính lượng bốc thoát hơi nước tại các trạm quan trắc khí tượng, thủy văn ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021 ...................122 Bảng 3.26. Bảng so sánh lượng bốc thoát hơi nước thực tế sử dụng kết hợp mô hình viễn thám SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley – Taylor ETa_VT và lượng bốc thoát hơi nước đo trực tiếp tại các trạm quan trắc khí tượng, thủy văn ETa_Đo ngày 01/7/2015 ..........................................................................123 Bảng 3.27. Bảng so sánh lượng bốc thoát hơi nước thực tế sử dụng kết hợp mô hình viễn thám SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley – Taylor ETa_VT và lượng bốc thoát hơi nước đo trực tiếp tại các trạm quan trắc khí tượng, thủy văn ETa_Đo ngày 04/6/2017 ..........................................................................124 Bảng 3.28. Bảng so sánh lượng bốc thoát hơi nước thực tế sử dụng kết hợp mô hình viễn thám SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley – Taylor ETa_VT và lượng bốc thoát hơi nước đo trực tiếp tại các trạm quan trắc khí tượng, thủy văn ETa_Đo ngày 18/8/2021 ..........................................................................125
  13. xi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Vòng tuần hoàn của nước............................................................................9 Hình 1.2. Quá trình cân bằng nước khu vực có rừng ................................................10 Hình 1.3. Ống đo bốc hơi Piche ................................................................................16 Hình 1.4. Bố trí thiết bị đo (ET0) theo phương pháp thủy tiêu kế ............................17 Hình 1.5. Nguyên lý cân bằng năng lượng bề mặt SEBAL ......................................24 Hình 1.6. Mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và sự phản xạ bề mặt trong mô hình S-SEBI ...................................................................................................................................29 Hình 2.1. Nguyên lý phản xạ phổ .............................................................................47 Hình 2.2. Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên chính .........................................48 Hình 2.3. Đặc trưng phản xạ phổ của thực vật..........................................................49 Hình 2.4. Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng trong đô thị ...............................51 Hình 2.5. Nguyên lý cân bằng bức xạ trên bề mặt đất ..............................................55 Hình 2.6. Sơ đồ tính toán bức xạ ròng hấp thụ bởi mặt đất Rn theo mô hình SEBAL ...................................................................................................................................57 Hình 2.7. Quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa và nhiệt độ ..........................................59 Hình 2.8. Quy trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước thực tế ETa sử dụng kết hợp mô hình viễn thám SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley - Taylor.......73 Hình 3.1. Vị trí địa lý của tỉnh Hòa Bình ....................................................................79 Hình 3.2. Vị trí các trạm khí tượng, thủy văn thuộc Đài khí tượng thủy văn tỉnh Hòa Bình, Sơn La ...............................................................................................................................88 Hình 3.3. Kết quả hiệu chỉnh khí quyển cho ảnh vệ tinh bằng mô hình FLAASH ..98 Hình 3.4. Kết quả tính chuyển giá trị pixel từ dạng số DN sang giá trị năng lượng bức xạ phổ Lλ ...................................................................................................................99 Hình 3.5. Kết quả tính chuyển đổi giá trị điểm ảnh từ dạng số (DN) sang giá trị phản xạ bề mặt (Reflectance) cho một số kênh ảnh ........................................................100 Hình 3.6. Kết quả tính các chỉ số NDVI, SAVI và LAI .........................................101 Hình 3.7. Kết quả tính hệ số phát xạ nhiệt bề mặt dải rộng (ε0) và dải hẹp (εNB) ...102 Hình 3.8. Kết quả tính nhiệt độ bề mặt Ts ...............................................................103 Hình 3.9. Kết quả tính năng lượng phát xạ sóng dài đi (RL↑) từ ảnh vệ tinh Landsat 8 .................................................................................................................................104
  14. xii Hình 3.10. Kết quả tính suất phân sai bề mặt (α) ....................................................105 Hình 3.11. Kết quả tính năng lượng bức xạ ròng hấp thụ bởi bề mặt đất (Rni) ......106 Hình 3.12. Kết quả tính năng lượng bức xạ ròng hấp thụ bởi bề mặt đất trung bình ngày trên toàn tỉnh Hòa Bình (Rnd) .........................................................................109 Hình 3.13. Biểu đồ so sánh giá trị năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày theo các mô hình FAO 56 và mô hình Viễn thám các ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021 .................................................................................................................113 Hình 3.14. Kết quả tính giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước (λ) các ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021 .......................................................115 Hình 3.15. Kết quả tính giá trị hằng số Psychrometric (γ) các ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017, và ngày 18/8/2021 .................................................................................116 Hình 3.16. Kết quả tính giá trị độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hòa (∆) các ngày 04/6/2017 ngày 01/7/2015 và ngày 18/8/2021 ...............................................118 Hình 3.17. Bản đồ bốc thoát hơi nước thời điểm ngày 01/7/2015 ..........................119 Hình 3.18. Bản đồ bốc thoát hơi nước thời điểm ngày 04/6/2017 ..........................120 Hình 3.19. Bản đồ bốc thoát hơi nước thời điểm ngày 18/8/2021 ..........................121 Hình 3.20. Sơ đồ khối chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ từ dữ liệu ảnh vệ tinh ..........................................................................126 Hình 3.21. Giao diện chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước ..127 Hình 3.22. Kết quả lựa chọn khoảng thời gian ảnh và ngưỡng mây ......................128 Hình 3.23. Kết quả tính lượng bốc thoát hơi nước .................................................128 Hình 3.24. Xác định vị trí và giá trị bốc thoát hơi nước tại các điểm .....................129
  15. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nước là một trong các nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá mà Trái đất ban tặng cho con người, nước cũng là thành phần quyết định đến sự sinh tồn và phát triển của vạn vật trên Trái đất. Trước những thay đổi của khí hậu, nguồn tài nguyên nước cũng như các nguồn tài nguyên thiên nhiên khác đang đứng trước nguy cơ ngày càng cạn kiệt. Do vậy, chúng ta cần xây dựng chiến lược khai thác, sử dụng hiệu quả và bảo vệ nguồn tài nguyên này. Theo Allen và cộng sự 1990, Bốc hơi nước E (Evaporation) là sự trở lại của hơi nước vào trong khí quyển thông qua sự khuếch tán của các phân tử nước từ đất, thảm thực vật, khối nước và các bề mặt ẩm ướt khác. Thoát hơi T (Transpiration) là hiện tượng hơi nước thoát ra không khí từ bề mặt lá, thân cây như một phản ứng sinh lý của cây trồng để chống lại sự khô hạn xung quanh nó, sự mất nước từ thảm thực vật gọi là sự thoát hơi nước của thực vật. Tổng lượng nước mất đi qua sự khuếch tán của các phân tử nước vào trong khí quyển thường được gọi là sự thoát hơi nước. Nông nghiệp là một trong những ngành sử dụng nguồn nước ngọt lớn nhất. Tuy nhiên, do nguồn nước hạn chế nên các ngành nông nghiệp phải có chiến lược sử dụng tiết kiệm và tăng hiệu quả sử dụng nước trong tưới tiêu. Một trong các giải pháp để cải thiện quản lý và tăng hiệu quả sử dụng nước chính là ước tính nhu cầu tiêu thụ nước của cây trồng và lượng nước liên quan đến sự bốc thoát hơi nước ET (Evaporation Transpiration). Thông tin về ET rất quan trọng trong công tác quản lý tài nguyên nước, thông tin không gian và thời gian không chỉ xác định lượng nước mất đi do bốc hơi mà còn chỉ ra được mối quan hệ giữa sử dụng đất, phân bổ và sử dụng nước. Ở hầu hết các nơi trên thế giới, lượng bốc thoát hơi nước được xem là yếu tố quan trọng thứ hai của chu trình nước sau mưa. Vì vậy, việc ước tính chính xác lượng bốc thoát hơi nước trên quy mô lớn, cho cả khu vực là nhiệm vụ cần thiết để định hướng, đề xuất chiến lược quản lý nước phù hợp. Thực tế, số lượng trạm quan trắc khí tượng, thủy văn xác định lượng bốc thoát hơi nước tại các tỉnh ở Việt Nam còn
  16. 2 rất hạn chế, mặt khác việc thu thập dữ liệu tại các trạm còn khá thủ công, chi phí thu thập dữ liệu cao, hiệu quả lao động thấp. Chính vì vậy, cần có các công cụ thu thập dữ liệu về khí tượng, thủy văn trên quy mô lớn với chi phí thấp hơn và hiệu suất cao hơn. Để khắc phục các hạn chế, khó khăn của việc thu thập số liệu thủ công có thể sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh trong việc chiết xuất dữ liệu khí tượng phục vụ tính toán lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ trên quy mô lớn, chi phí giá thành rẻ, hiệu quả cao. Thực tiễn đã có nhiều mô hình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước khác nhau đã được áp dụng trên thế giới và ở Việt Nam. Mỗi mô hình đều có những ưu, nhược điểm và phù hợp với các điều kiện địa hình, khí hậu và thực trạng bề mặt lớp phủ. Việc lựa chọn mô hình để ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ cho khu vực cụ thể cần căn cứ vào yêu cầu dữ liệu đầu vào của các mô hình, tính ưu việt của các mô hình đó và phù hợp với trình độ khoa học công nghệ hiện tại. Tại Việt Nam, để xác định lượng bốc thoát hơi nước hiện nay thường sử dụng kết quả đo trực tiếp tại các trạm quan trắc khí tượng, thủy văn. Số liệu đo trực tiếp có ưu điểm là số liệu đo hàng ngày, đo nhiều đợt trong ngày và dữ liệu được lưu trữ trong thời gian dài, tuy nhiên số liệu còn khá thô chưa thể cung cấp một cách chi tiết trong một khu vực rộng lớn, đặc biệt là khu vực có địa hình chia cắt, nhiều tiểu vùng khí hậu. Mặt khác, trong thực tế hiện nay có nhiều loại dữ liệu ảnh vệ tinh, viễn thám, từ ảnh vệ tinh có độ phân giải thấp và trung bình như ảnh Modis, Landsat đến các loại ảnh vệ tinh Aster, Sentinel có độ phân giải cao phủ trùm lãnh thổ Việt Nam ở các thời điểm khác nhau. Với các dữ liệu ảnh này, kết hợp với thông tin bổ trợ khác cho phép nghiên cứu mối quan hệ giữa năng lượng bức xạ mặt trời với lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh. Ngoài ra, ảnh vệ tinh viễn thám ngày càng có độ phân giải không gian và thời gian tốt hơn với nhiều ứng dụng mới và dễ tiếp cận. Chính vì vậy, rất thuận tiện cho việc ứng dụng dữ liệu ảnh vệ tinh đặc biệt là sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh trong công tác ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước. Khu vực Tây Bắc Việt Nam có địa hình núi cao và chia cắt sâu, có nhiều khối núi và dãy núi cao chạy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Dãy Hoàng Liên Sơn dài
  17. 3 tới 180 km, rộng 30 km, với một số đỉnh núi cao trên từ 2.800 đến 3.000 m. Dãy núi Sông Mã dài 500 km, có những đỉnh cao trên 1.800 m. Giữa hai dãy núi này là vùng đồi núi thấp, lưu vực sông Đà, với hệ thống sông suối, thủy văn phong phú. Trong lưu vực sông Đà còn có một dãy cao nguyên đá vôi chạy từ Phong Thổ tỉnh Lai Châu đến Thanh Hóa chia cắt hình thành các cao nguyên Tà Phình, Mộc Châu, Nà Sản và các lòng chảo như Điện Biên, Nghĩa Lộ, Mường Thanh. Do ảnh hưởng của độ cao, nền khí hậu Tây Bắc nói chung nóng hơn, số giờ nắng trung bình theo tháng thường cao hơn khu vực khác, chênh lệch nhiệt độ cao hơn 2 - 3 0C so với khu vực Đông Bắc. Ngoài ra, vực Tây Bắc chủ yếu là diện tích đất nông, lâm nghiệp với độ che phủ rừng đạt 44,7% và sự đa dạng về lớp phủ thực vật và các trạng thái rừng hỗn giao như rừng phòng hộ, đặc dụng và sản xuất. Với những đặc điểm về địa hình, khí hậu, hệ thống thủy văn và lớp phủ đặc trưng của khu vực Tây Bắc đây chính là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến lượng bốc thoát hơi nước của khu vực. Vì vậy, việc nghiên cứu giám sát lượng bốc thoát hơi nước cho khu vực Tây Bắc là rất cần thiết đảm bảo nhu cầu nước cho cây trồng, cảnh báo hạn hán, phòng tránh thiên tai, cháy rừng. Xuất phát từ những lý do trên, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài luận án:“Nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát sự bốc - thoát hơi nước của lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam từ dữ liệu ảnh vệ tinh”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Luận án đặt ra 2 mục tiêu nghiên cứu cụ thể sau: 1. Lựa chọn, đề xuất được mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế (ETa) phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu và bề mặt lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam. 2. Xây dựng được quy trình, chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ với các tham số được tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8 kết hợp thông tin độ cao địa hình khu vực Tây Bắc Việt Nam.
  18. 4 3. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án: bốc thoát hơi nước của bề mặt lớp phủ; ảnh vệ tinh Landsat 8; mô hình SEBAL; mô hình Priestley - Taylor; năng lượng bức xạ ròng mặt trời và các tham số được tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8. 4. Phạm vi nghiên cứu + Về không gian: Nghiên cứu được tiến hành thực nghiệm tại tỉnh Hòa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam; + Về thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số a, b của mô hình Priestley-Taylor từ chuỗi dữ liệu khí tượng giai đoạn 2015-2021. Thực nghiệm ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ tại thời điểm ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021; + Về dữ liệu ảnh vệ tinh: Nghiên cứu được thực nghiệm với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8. 5. Nội dung nghiên cứu của luận án Để hoàn thành mục tiêu nghiên cứu, đề tài luận án đã thực hiện các nội dung nghiên cứu sau: - Tổng quan về vấn đề nghiên cứu, tổng hợp công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, các mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệu khí tượng và dữ liệu ảnh vệ tinh; - Cơ sở khoa học của việc ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh; - Mô hình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước với các tham số phù hợp với điều kiện điều kiện địa hình, khí hậu và bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hoà Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam; - Xây dựng quy trình giám sát lượng bốc, thoát hơi nước bề mặt lớp phủ sử dụng kết hợp mô hình viễn thám SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley-Taylor; - Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước thực tế sử dụng kết hợp mô hình SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley-Taylor trên nền Google Earth Engine;
  19. 5 - Xác định lượng bốc, thoát hơi nước thực tế sử dụng kết hợp mô hình SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley-Taylor với hệ số tuyến tính a, b tính từ chuỗi dữ liệu khí tượng đo trực tiếp cho các thời điểm ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021, so sánh đánh giá kết quả với lượng bốc thoát hơi nước từ các trạm khí tượng thuỷ văn. 6. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện các nội dung nghiên cứu, luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp: Thu thập các dữ liệu về sách, báo các công trình nghiên cứu, niên giám thống kê, các tiêu chuẩn đã công bố liên quan đến phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ. Các dữ liệu ảnh viễn thám, số liệu quan trắc khí tượng tại các trạm khí tượng, thủy văn tỉnh Hòa Bình và các số liệu liên quan đến điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội tỉnh Hòa Bình phục vụ nghiên cứu. - Phương pháp phân tích, tổng hợp số liệu: Để đánh giá phân tích tổng quan các nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của luận án. Luận án đã sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp các kết quả nghiên cứu có sử dụng các phương pháp, mô hình tính lượng bốc thoát hơi nước bằng phương pháp đo trực tiếp, phương pháp sử dụng số liệu quan trắc khí tượng và mô hình chiết xuất năng lượng bức xạ ròng mặt trời từ dữ liệu ảnh vệ tinh trên thế giới và ở Việt Nam. Từ đó, xác định khoảng trống và đề xuất phương pháp, mô hình ước tính lượng bốc, thoát hơi nước bề mặt lớp phủ phù hợp với thực tế tại khu vực Tây Bắc Việt Nam. - Phương pháp viễn thám: Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 được sử dụng làm dữ liệu chính để tính toán năng lượng bức xạ ròng mặt trời, và các tham số khác để ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hòa Bình. - Phương pháp thực nghiệm: Luận án đã tiến hành thực nghiệm tính lượng bốc thoát hơi nước từ số liệu quan trắc khí tượng tại tỉnh Hòa Bình bằng các phương pháp khác nhau (Priestley-Taylor, Makkink, Hargreaves & Samani, Turn). Thực nghiệm tính năng lượng bức xạ ròng theo phương pháp FAO-56 và tính giá trị năng lượng bức xạ
  20. 6 ròng từ dữ liệu ảnh vệ tinh, từ đó lựa chọn được các phương pháp, mô hình tính lượng bốc thoát hơi nước phù hợp với thực tế điều kiện khí hậu, địa hình và lớp phủ tại tỉnh Hòa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam. - Phương pháp so sánh: Kết quả tính năng lượng bức xạ ròng từ ảnh vệ tinh Landsat 8 được so sánh với kết quả tính năng lương bức xạ ròng theo tiêu chuẩn FAO- 56 từ đó phân tích đánh giá để khẳng định tính hiệu quả và khả năng áp dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 trong việc xác định năng lượng bức xạ ròng phục vụ tính lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ. Kết quả ước tính lượng bốc thoát hơi nước với các tham số được chiết xuất từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 được so sánh với lượng bốc thoát hơi nước đo trực tiếp tại các trạm quan trắc để đánh giá độ chính xác của kết quả tính. Từ đó, đề xuất được mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước phù hợp với điều kiện tại tỉnh Hòa Bình thuộc vùng Tây Bắc Việt Nam. - Phương pháp mô hình hóa: Kết quả nghiên cứu được xác định trên cơ sở lựa chọn các mô hình, thuật toán phù hợp và được minh họa bằng hình ảnh, bảng biểu, biểu đồ, sơ đồ và bản đồ nhằm thể hiện rõ ràng, tương quan đa chiều các kết quả nghiên cứu đã thực hiện. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Có thể sử dụng kết hợp mô hình viễn thám SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley-Taylor để xác định lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hòa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam với điều kiện địa hình chia cắt mạnh, nhiều tiểu vùng khí hậu, chênh cao lớn và bề mặt lớp phủ với nhiều các trạng thái cây trồng khác nhau. Các tham số phục vụ ước tính lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ (năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày Rnd, nhiệt độ bề mặt Ts, nhiệt hóa hơi tiềm ẩn λ, hằng số Psychrometric γ, độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hòa của không khí Δ) được tính trực tiếp từ ảnh vệ tinh Landsat 8 và thông tin độ cao từ DEM mà không cần sử dụng số liệu khí tượng đo trực tiếp. Tạo cơ sở khoa học cho việc ứng dụng công nghệ tin học, tự động hóa trong việc ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước của bề mặt lớp phủ.
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2