Nghiên Cứu Mô Hình Giám Sát Bốc Thoát Hơi Nước Khu Vực Tây Bắc Việt Nam Từ Dữ Liệu Ảnh Vệ Tinh

Luận án tiến sĩ nghiên cứu mô hình giám sát bốc thoát hơi nước từ ảnh vệ tinh tại khu vực Tây Bắc Việt Nam, góp phần bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Lê Hùng Chiến
• Người hướng dẫn: TS. Trần Xuân Trường
• Trường học: Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Trắc Địa - Bản Đồ
• Đề tài: Mô Hình Giám Sát Bốc Thoát Hơi Nước Từ Dữ Liệu Ảnh Vệ Tinh Khu Vực Tây Bắc Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Nội dung nghiên cứu của luận án
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
• 1.8. Luận điểm bảo vệ
• 1.9. Những điểm mới của luận án
• 1.10. Cấu trúc của luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Các khái niệm bốc thoát hơi nước
• 1.2. Bốc thoát hơi nước ET (Evaporation Transpiration)
• 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự bốc thoát hơi nước
• 1.4. Bốc thoát hơi nước tham chiếu ET0 (Potential evaptransporation)
• 1.5. Thoát hơi nước trong điều kiện tiêu chuẩn (ETc)
• 1.6. Thoát hơi nước trong điều kiện không tiêu chuẩn (ETc adj)
• 1.7. Lượng bốc thoát hơi thực tế ET (Actual evapotransporation)
• 1.8. Mô hình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước
• 1.9. Phương pháp xác lượng bốc thoát hơi nước sử dụng dữ liệu khí tượng
• 1.10. Các phương pháp đo trực tiếp
• 1.11. Các mô hình sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời (radiaton-based models)
• 1.12. Các mô hình kết hợp (combined models)
• 1.13. Các mô hình xác ước tính lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh
• 1.14. Mô hình cân bằng năng lượng bề mặt đất SEBAL (Surface Energy Balance Algorithms for Land)
• 1.15. Mô hình chỉ số cân bằng năng lượng bề mặt SEBI (Surface Energy Balance Index)
• 1.16. Mô hình Hệ thống cân bằng năng lượng bề mặt SEBS (Surface Energy Balance System)
• 1.17. Mô hình chỉ số cân bằng năng lượng bức xạ bề mặt đơn giản S-SEBI (Simplified Surface Energy Balance Index)
• 1.18. Mô hình về bản đồ bốc thoát hơi nước độ phân giải cao với hiệu chỉnh bên trong METRIC (Mapping ET with Internalized Calibration)
• 1.19. Các kết quả nghiên cứu trên thế giới liên quan đến đề tài
• 1.20. Các kết quả nghiên cứu trong nước liên quan đến lĩnh vực của đề tài
• 1.21. Đánh giá chung về các phương pháp và mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ
• 1.22. Một số vấn đề thảo luận phát triển trong luận án
• 1.23. Tiểu kết chương 1
• 2. 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
• 2.1. Khái quát về viễn thám
• 2.2. Nguyên lý viễn thám
• 2.3. Đặc tính phản xạ của thực vật
• 2.4. Đặc tính phản xạ phổ của nước
• 2.5. Đặc tính phản xạ của các đối tượng trong đô thị
• 2.6. Đặc điểm của ảnh vệ tinh Landsat 8
• 2.7. 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
• 2.8. Khả năng ứng dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 trong việc ước tính lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ
• 2.9. Tính giá trị năng lượng bức xạ ròng mặt trời (Rn) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8
• 2.10. Xác định giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước λ từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8
• 2.11. Xác định hằng số Psychrometric (γ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình số độ cao DEM
• 2.12. Sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 xác định giá trị độ dốc của đường cong áp suất hơi bão hòa (Δ)
• 2.13. 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
• 2.14. Tính giá trị năng lượng bức xạ ròng Rni từ ảnh vệ tinh Landsat 8 theo mô hình SEBAL
• 2.15. Tính giá trị bức xạ ròng trung bình ngày Rnd từ Rni được tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8
• 2.16. 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
• 2.17. Tính giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước (λ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8
• 2.18. Tính giá trị hằng số Psychrometric (γ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và thông tin độ cao từ DEM
• 2.19. Tính giá trị độ dốc của đường cong áp suất hơi bão hòa (Δ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8
• 2.20. Xác định hệ số a, b của mô hình Priestley - Taylor phù hợp với địa hình khí hậu khu vực Tây Bắc Việt Nam
• 2.21. 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
• 2.22. Đề xuất mô hình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam
• 2.23. 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
• 2.24. 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
• 2.25. Khái quát về Google Earth Engine
• 2.26. Những lợi ích của Google Earth Engine trong việc xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước
• 2.27. Tiểu kết chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Điều kiện tự nhiên của tỉnh Hòa Bình
• 3.2. Vị trí địa lý
• 3.3. Địa hình, địa mạo
• 3.4. Điều kiện khí hậu
• 3.5. Thực trạng về cơ cấu tài nguyên đất tỉnh Hòa Bình
• 3.6. Tài nguyên nước
• 3.7. Tài nguyên rừng
• 3.8. Dữ liệu phục vụ nghiên cứu
• 3.9. Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình số độ cao DEM (SRTM)
• 3.10. Dữ liệu khí tượng
• 3.11. 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
• 3.12. 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
• 3.13. 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
• 3.14. 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
• 3.15. 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
• 3.16. Kết quả tính giá trị năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày Rnd từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 (Rnd _VT)
• 3.17. 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)
• 3.18. 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
• 3.19. 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
• 3.20. 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
• 3.21. 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
• 3.22. 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
• 3.23. 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
• 3.24. Sơ đồ khối chương trình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ
• 3.25. Các giao diện chính của chương trình
• 3.26. Tiểu kết Chương 3
• KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC, BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mô Hình Giám Sát Bốc Thoát Hơi Nước Từ Dữ Liệu Ảnh Vệ Tinh

Mô hình giám sát bốc thoát hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh là một công cụ quan trọng trong việc quản lý tài nguyên nước. Đặc biệt, khu vực Tây Bắc Việt Nam với điều kiện khí hậu đa dạng và địa hình phức tạp, việc áp dụng công nghệ này giúp cung cấp thông tin chính xác về lượng nước bốc hơi. Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng nước mà còn hỗ trợ trong việc bảo vệ môi trường.

1.1. Khái Niệm Về Bốc Thoát Hơi Nước

Bốc thoát hơi nước (ET) là quá trình nước từ mặt đất và thực vật chuyển vào khí quyển. Hiểu rõ về ET giúp xác định nhu cầu nước cho cây trồng và quản lý tài nguyên nước hiệu quả.

1.2. Vai Trò Của Dữ Liệu Ảnh Vệ Tinh

Dữ liệu ảnh vệ tinh cung cấp thông tin không gian và thời gian về lượng nước bốc hơi. Việc sử dụng công nghệ này giúp giảm thiểu chi phí và thời gian thu thập dữ liệu.

II. Thách Thức Trong Việc Giám Sát Bốc Thoát Hơi Nước Tại Khu Vực Tây Bắc Việt Nam

Khu vực Tây Bắc Việt Nam đối mặt với nhiều thách thức trong việc giám sát bốc thoát hơi nước. Các yếu tố như địa hình phức tạp, khí hậu biến đổi và thiếu dữ liệu quan trắc chính xác gây khó khăn trong việc ước tính lượng nước bốc hơi. Những thách thức này cần được giải quyết để nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước.

2.1. Địa Hình Phức Tạp

Địa hình chia cắt và đa dạng tại Tây Bắc Việt Nam làm cho việc thu thập dữ liệu trở nên khó khăn. Điều này ảnh hưởng đến độ chính xác của các mô hình giám sát.

2.2. Biến Đổi Khí Hậu

Khí hậu biến đổi ảnh hưởng đến lượng nước bốc hơi, làm cho việc dự đoán trở nên khó khăn hơn. Cần có các mô hình linh hoạt để thích ứng với những thay đổi này.

III. Phương Pháp Giám Sát Bốc Thoát Hơi Nước Từ Dữ Liệu Ảnh Vệ Tinh

Các phương pháp giám sát bốc thoát hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh bao gồm mô hình SEBAL, SEBI và METRIC. Những mô hình này sử dụng dữ liệu năng lượng bức xạ mặt trời và các thông số khí tượng để ước tính lượng nước bốc hơi. Việc áp dụng các mô hình này giúp cải thiện độ chính xác trong việc giám sát.

3.1. Mô Hình SEBAL

Mô hình SEBAL (Surface Energy Balance Algorithms for Land) sử dụng cân bằng năng lượng để ước tính lượng bốc thoát hơi nước. Mô hình này đã được áp dụng thành công tại nhiều khu vực trên thế giới.

3.2. Mô Hình METRIC

Mô hình METRIC (Mapping ET with Internalized Calibration) cho phép ước tính bốc thoát hơi nước với độ chính xác cao hơn. Mô hình này sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat để cải thiện kết quả.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Mô Hình Giám Sát Bốc Thoát Hơi Nước

Mô hình giám sát bốc thoát hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh có nhiều ứng dụng thực tiễn trong quản lý tài nguyên nước. Việc ước tính chính xác lượng nước bốc hơi giúp nông dân điều chỉnh lượng nước tưới tiêu, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp.

4.1. Quản Lý Tài Nguyên Nước

Thông tin từ mô hình giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định chính xác hơn trong việc phân bổ và sử dụng tài nguyên nước.

4.2. Nâng Cao Hiệu Quả Nông Nghiệp

Nông dân có thể sử dụng thông tin về bốc thoát hơi nước để tối ưu hóa quy trình tưới tiêu, từ đó tăng năng suất cây trồng.

V. Kết Luận Về Mô Hình Giám Sát Bốc Thoát Hơi Nước Tại Tây Bắc Việt Nam

Mô hình giám sát bốc thoát hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh là một công cụ hữu ích trong việc quản lý tài nguyên nước tại khu vực Tây Bắc Việt Nam. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng nước mà còn hỗ trợ trong việc bảo vệ môi trường. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho cộng đồng.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu sẽ tiếp tục phát triển các mô hình giám sát bốc thoát hơi nước, nhằm cải thiện độ chính xác và khả năng ứng dụng trong thực tiễn.

5.2. Khuyến Nghị Chính Sách

Cần có các chính sách hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng công nghệ giám sát bốc thoát hơi nước để bảo vệ tài nguyên nước hiệu quả hơn.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Nghiên cứu của tác giả Lê Hùng Chiến (2022) với đề tài "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" thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ (Mã số: 9.520503) tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Xuân Trường và PGS.TS Doãn Hà Phong, là một công trình tiên phong giải quyết bài toán định lượng thủy văn bề mặt tại địa hình đồi núi phức tạp. Trong chu trình thủy văn, bốc thoát hơi nước thực tế ($ET_a$) là thành phần quan trọng thứ hai sau giáng thủy, đóng vai trò then chốt trong cân bằng năng lượng bề mặt và chu chuyển nước. Tuy nhiên, khu vực Tây Bắc Việt Nam có địa hình hiểm trở, chia cắt mạnh với nhiều khối núi cao thuộc dãy Hoàng Liên Sơn (đỉnh cao trên 2.000 m) và dãy Sông Mã kéo dài trên 500 km, tạo nên các tiểu vùng khí hậu dị biệt.

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi xuất phát từ thực trạng mạng lưới trạm quan trắc khí tượng thủy văn mặt đất tại Việt Nam rất thưa thớt (trung bình mỗi tỉnh chỉ có trên dưới 10 trạm), kỹ thuật đo đạc truyền thống bằng ống bốc hơi Piche hoặc thùng bốc hơi thủ công có chi phí duy trì cao, độ phân giải không gian rất thấp và không phản ánh được tính biến thiên liên tục trên bề mặt rộng lớn. Mặt khác, các mô hình viễn thám kinh điển như SEBAL (Bastiaanssen et al., 1998) hay METRIC (Allen et al., 2007) đòi hỏi quy trình chọn điểm ảnh chuẩn "nóng" (dry/hot pixel) và "lạnh" (wet/cold pixel) mang tính chủ quan cao, khó áp dụng ổn định trên địa hình núi cao chia cắt. Để giải quyết triệt để vấn đề này, luận án tập trung vào hai câu hỏi nghiên cứu và hai giả thuyết khoa học:

• Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Làm thế nào để xác định chính xác các tham số vật lý bề mặt (năng lượng bức xạ ròng $R_{nd}$, nhiệt hóa hơi tiềm ẩn $\lambda$, hằng số Psychrometric $\gamma$, độ dốc đường cong áp suất hơi bão hòa $\Delta$) hoàn toàn từ dữ liệu viễn thám kết hợp mô hình số độ cao mà không phụ thuộc vào chuỗi đo thời tiết tức thời tại mặt đất?
• Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Mô hình kết hợp giữa thuật toán cân bằng năng lượng SEBAL và phương trình Priestley - Taylor có thể hiệu chỉnh thực nghiệm để đạt độ chính xác tương đương các phép đo tiêu chuẩn FAO-56 Penman - Monteith tại khu vực Tây Bắc hay không?
• Giả thuyết 1 (H1): Toàn bộ các tham số nhiệt động học và bức xạ phục vụ ước tính $ET_a$ có thể chiết xuất trực tiếp từ tổ hợp kênh phổ Landsat 8 kết hợp mô hình số độ cao SRTM DEM với sai số không vượt quá ngưỡng cho phép của trạm khí tượng thủy văn.
• Giả thuyết 2 (H2): Việc tối ưu hóa cặp hệ số thực nghiệm $(a, b)$ trong mô hình Priestley - Taylor dựa trên dữ liệu khí hậu lịch sử vùng Tây Bắc sẽ thiết lập được tương quan tuyến tính chặt chẽ giữa lượng bốc thoát hơi viễn thám và dữ liệu đo thực tế.

Khung lý thuyết của công trình tích hợp lý thuyết cân bằng bức xạ bề mặt (Surface Energy Balance) với mô hình bức xạ Priestley - Taylor (1972) và tiêu chuẩn bốc thoát hơi tham chiếu FAO-56 (Allen et al., 1998). Phạm vi không gian thực nghiệm tập trung tại tỉnh Hòa Bình – khu vực cửa ngõ Tây Bắc có đặc trưng địa hình đồi núi dốc, lưu vực sông Đà và độ che phủ rừng cao. Cơ sở dữ liệu bao gồm chuỗi quan trắc khí tượng 2015–2021 kết hợp các cảnh ảnh vệ tinh Landsat 8 (cảm biến OLI/TIRS) tại các mốc thời gian đại diện: ngày 01/07/2015, 04/06/2017 và 18/08/2021 cùng dữ liệu độ cao SRTM DEM 30m. Kết quả nghiên cứu cung cấp một giải pháp tự động hóa hoàn chỉnh trên nền tảng Google Earth Engine (GEE), loại bỏ rào cản phụ thuộc vào số liệu trạm mặt đất khi vận hành.

Literature Review và Positioning

Nghiên cứu bốc thoát hơi nước đã trải qua quá trình phát triển sâu rộng từ các phương pháp đo đạc vi mô đến mô hình hóa vĩ mô. Trường phái cổ điển khởi đầu từ phương trình kết hợp truyền khối và bức xạ của Penman (1948), sau đó được Monteith (1965) bổ sung điện trở khí động học và điện trở tán lá ($r_a, r_s$), đặt nền móng cho chuẩn mực quốc tế FAO-56 Penman - Monteith (Allen et al., 1998). Song song đó, nhánh nghiên cứu đơn giản hóa dựa trên bức xạ mặt trời phát triển với các mô hình tiêu biểu của Makkink (1957), Priestley và Taylor (1972), Hargreaves và Samani (1985), hay Irmak et al. (2003). Điểm hạn chế chung của trường phái này là tính đại diện cục bộ tại điểm đặt thiết bị (thủy tiêu kế Lysimeter hoặc ống Piche), không có khả năng mô tả phân bố không gian trên quy mô lưu vực.

Trường phái viễn thám cân bằng năng lượng bề mặt xuất hiện nhằm phá vỡ giới hạn không gian, tiêu biểu là SEBAL (Bastiaanssen et al., 1998), SEBI (Menenti & Choudhury, 1993), S-SEBI (Roerink et al., 2000), SEBS (Su, 2002) và METRIC (Allen et al., 2007). Tuy nhiên, một cuộc tranh luận học thuật sâu sắc đã nảy sinh giữa hai quan điểm:

• Quan điểm thứ nhất (nhóm ủng hộ SEBAL/METRIC cổ điển): Cho rằng việc hiệu chỉnh nội bộ thông qua chênh lệch nhiệt độ thẳng đứng ($dT = c \cdot T_s + d$) tại hai điểm ảnh cực đoan (pixel nóng khô cằn và pixel lạnh ẩm ướt) là giải pháp tối ưu để loại bỏ sai số khí quyển và tính toán thông lượng nhiệt cảm ứng ($H$).
• Quan điểm thứ hai (Liou et al., 2002; Gowda et al., 2008): Chỉ trích sự phụ thuộc tiêu cực của SEBAL/METRIC vào kinh nghiệm chủ quan của người giải đoán khi chọn điểm ảnh neo. Trong địa hình đồi núi dốc, việc tìm kiếm pixel chuẩn thuần nhất là gần như bất khả thi do hiệu ứng bóng sườn núi, vi khí hậu và độ che phủ thực vật hỗn giao phức tạp.

So với các công bố quốc tế gần đây, luận án đã định vị một hướng tiếp cận lai (hybrid approach) độc đáo:

• Trong khi Ghaderi et al. (2020) áp dụng SEBAL nguyên bản tại đồng bằng Ein Khosh (Iran) đạt $RMSE = 0,5$ mm/ngày, $MAPE = 2,9%$ dựa vào cấu trúc địa hình bằng phẳng; và Madugundu et al. (2017) kiểm chứng METRIC tại các cánh đồng cỏ linh lăng Ả Rập Xê Út với sai số $RMSE = 0,13 - 4,15$ mm/ngày; thì nghiên cứu của Lê Hùng Chiến đã khắc phục rủi ro của việc tính $H$ bằng cách: chỉ kế thừa thuật toán SEBAL để xác định năng lượng bức xạ ròng ($R_{nd}$), sau đó tích hợp trực tiếp vào mô hình bức xạ Priestley - Taylor được tối ưu hóa hệ số địa phương cho vùng núi. Hướng đi này tương đồng với các nghiên cứu của Bruno et al. (2018) tại Brazil nhưng nâng cao hơn nhờ khả năng tự trị tham số hóa khí động học hoàn toàn từ ảnh vệ tinh và DEM.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đã mở rộng lý thuyết cân bằng bức xạ bề mặt và mô hình hóa thủy văn viễn thám thông qua các đóng góp lý thuyết trọng tâm:

1. Mở rộng lý thuyết Priestley - Taylor (1972) cho cấu trúc địa hình chia cắt mạnh: Bản chất công thức gốc Priestley - Taylor giả định điều kiện mặt đệm ẩm ướt bão hòa lý tưởng với hệ số thực nghiệm duy nhất $\alpha_{PT} = 1,26$. Luận án đã tái cấu trúc mô hình thành dạng hàm tuyến tính $ET_a = a \frac{\Delta}{\Delta + \gamma} \frac{R_n}{\lambda} + b$, đồng thời xác lập cơ sở thực nghiệm để chuẩn hóa cặp tham số $(a, b)$ phù hợp với chế độ ẩm nhiệt đới gió mùa Tây Bắc, phản ánh đúng đặc tính cản kháng sinh thái của thảm rừng hỗn giao.
2. Chuyển dịch mô hình tham số hóa viễn thám độc lập (Autonomous Remote Sensing Parameterization): Chứng minh bằng lý thuyết rằng các biến số nhiệt động học khí quyển phức tạp gồm nhiệt hóa hơi tiềm ẩn ($\lambda$), hằng số Psychrometric ($\gamma$), và độ dốc áp suất hơi bão hòa ($\Delta$) có thể biểu diễn chính xác như một hàm giải tích của nhiệt độ bề mặt đất ($T_s$) chiết xuất từ kênh nhiệt hồng ngoại (TIRS) và áp suất khí quyển $P(z)$ suy biến từ mô hình độ cao số (DEM).
3. Định lập mối liên kết giữa bức xạ ròng tức thời ($R_{ni}$) và bức xạ ròng trung bình ngày ($R_{nd}$): Vận dụng mô hình hàm sin của chu kỳ bức xạ thiên văn học để tích phân dòng năng lượng từ thời điểm vệ tinh chụp qua kinh tuyến (khoảng 10h30 sáng) thành tổng lượng bức xạ tích lũy 24 giờ mà không cần đến thiết bị đo nhiệt xạ ký liên tục mặt đất.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án là sự hợp nhất của ba trụ cột lý thuyết: (1) Lý thuyết truyền xạ và cân bằng năng lượng sóng ngắn/sóng dài (Stefan-Boltzmann, Planck); (2) Lý thuyết nhiệt động học chất khí và bốc thoát hơi bề mặt đệm; (3) Lý thuyết quang phổ viễn thám quang học/nhiệt.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                            KHUNG PHÂN TÍCH TỔNG HỢP                               |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|  [Landsat 8 OLI/TIRS]               [SRTM DEM 30m]          [Chuỗi Khí tượng Lịch sử]|
|          |                                 |                             |        |
|  +-------v-------+                 +-------v-------+                     |        |
|  | Phổ phản xạ   |                 | Độ cao z      |                     |        |
|  | Kênh nhiệt Ts |                 | Áp suất P(z)  |                     |        |
|  +-------+-------+                 +-------+-------+                     |        |
|          |                                 |                             |        |
|          +----------------+----------------+                             |        |
|                           |                                              |        |
|               +-----------v-----------+                                  |        |
|               | SEBAL Radiation Flux  |                                  |        |
|               |  - Albedo (α), NDVI   |                                  |        |
|               |  - SAVI, LAI, ε0, εNB |                                  |        |
|               |  - Rni -> Rnd_VT      |                                  |        |
|               +-----------+-----------+                                  |        |
|                           |                                              |        |
|               +-----------v-----------+                     +------------v------+ |
|               | Thermodynamic Indices |                     | Thực nghiệm hiệu  | |
|               |  - Psychrometric (γ)  |                     | chỉnh hệ số (a,b) | |
|               |  - Độ dốc bão hòa (Δ) |                     | Priestley-Taylor  | |
|               |  - Nhiệt ẩn hóa hơi(λ)|                     +------------+------+ |
|               +-----------+-----------+                                  |        |
|                           |                                              |        |
|                           +-----------------------+----------------------+        |
|                                                   |                               |
|                                       +-----------v-----------+                   |
|                                       | Mô hình Hybrid ETa    |                   |
|                                       | Google Earth Engine   |                   |
|                                       +-----------------------+                   |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Điều kiện biên lý thuyết (Boundary Conditions) được xác định rõ: Khung mô hình áp dụng tối ưu trong điều kiện bầu trời ít mây hoặc không mây (cloud cover $< 20%$) tại thời điểm chụp của cảm biến quang học, bề mặt đệm nhiệt đới với độ ẩm đất từ trung bình đến bão hòa, và độ cao địa hình biến thiên từ 100 m đến trên 2.000 m so với mực nước biển.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án vận hành theo hệ hình thực chứng (positivism paradigm), áp dụng phương pháp định lượng đa cấp độ (multi-level quantitative framework). Thiết kế nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng vật lý viễn thám và phân tích thống kê thực nghiệm kiểm chứng. Không gian nghiên cứu bao quát toàn bộ tỉnh Hòa Bình (tọa độ từ $20^\circ 19'$ đến $21^\circ 08'$ vĩ độ Bắc, $104^\circ 48'$ đến $105^\circ 40'$ kinh độ Đông), nơi có cấu trúc sử dụng đất phong phú: đất lâm nghiệp, nông nghiệp, mặt nước sông Đà và các thảm thực vật hỗn hợp.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình công nghệ gồm 4 giai đoạn khép kín và kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt:

Quy trình xử lý quang phổ tuân thủ các chuẩn mực đo ảnh nghiêm ngặt:

1. Giá trị số điểm ảnh ($DN$) được giải mã về độ bức xạ phổ đỉnh khí quyển ($L_\lambda$), sau đó khử nhiễu mù và tán xạ qua mô hình truyền xạ FLAASH tích hợp trong môi trường ENVI.
2. Suất phân sai bề mặt ($\alpha$) được tổng hợp từ các kênh phản xạ $B2, B3, B4, B5, B7$ theo thuật toán trọng số năng lượng: $$\alpha = \sum (w_i \cdot \rho_i)$$
3. Nhiệt độ bề mặt đất ($T_s$) được giải mã từ kênh hồng ngoại nhiệt (Band 10) thông qua việc đảo ngược hàm Planck và hiệu chỉnh độ phát xạ bề mặt dải hẹp ($\varepsilon_{NB}$): $$T_s = \frac{K_2}{\ln\left(\frac{\varepsilon_{NB} \cdot K_1}{R_c} + 1\right)}$$ trong đó $K_1 = 774,8853\text{ W}/(\text{m}^2\cdot\mu\text{m}\cdot\text{sr})$, $K_2 = 1321,0789\text{ K}$.
4. Độ phát xạ bề mặt dải rộng ($\varepsilon_0$) và dải hẹp ($\varepsilon_{NB}$) được thiết lập dựa trên ngưỡng phân đoạn chỉ số $LAI$ và $NDVI$.
5. Áp suất khí quyển tại từng độ cao địa hình $z$ (lấy từ DEM) được xác định chính xác theo công thức khí áp: $$P = 101,3 \left(\frac{293 - 0,0065z}{293}\right)^{5,26}$$ từ đó tính toán hằng số Psychrometric $\gamma = 0,665 \times 10^{-3} P$.

Độ tin cậy và kiểm chuẩn chéo (Triangulation): Luận án thực hiện tam giác đạc phương pháp luận giữa ba nguồn độc lập: (1) Kết quả tính toán viễn thám ($ET_{a_VT}$); (2) Lượng bốc hơi đo trực tiếp tại trạm bằng ống Piche ($ET_{a_\text{Đo}}$); (3) Giá trị chuẩn hóa tính theo tiêu chuẩn FAO-56 Penman - Monteith dựa trên chuỗi quan trắc khí hậu đầy đủ.

Data và phân tích

Tập dữ liệu nghiên cứu bao gồm hệ thống các trạm quan trắc khí tượng thủy văn phân bố tại Hòa Bình và Sơn La (trạm Hòa Bình, Lạc Sơn, Mai Châu, Chi Nê, Kim Bôi...). Các kỹ thuật xử lý dữ liệu lớn không gian được triển khai tự động hóa bằng ngôn ngữ JavaScript trên nền tảng Google Earth Engine API.

Các phân tích thống kê bao gồm hồi quy tuyến tính xác định $(a, b)$, đánh giá độ lệch trung bình tuyệt đối ($MAE$), sai số căn bậc hai trung bình ($RMSE$), sai số thiên lệch ($MBE$), và hệ số xác định ($R^2$). Toàn bộ chuỗi dữ liệu ảnh đa thời gian được kiểm tra tính đồng nhất khí quyển và hiệu chỉnh hình học với sai số vị trí điểm ảnh dưới 0,5 pixel (sai số RMS $< 15$ m).

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Luận án mang lại 5 phát hiện khoa học có giá trị thực nghiệm và độ tin cậy cao:

1. Sự tương thích hoàn hảo giữa bức xạ ròng viễn thám và bức xạ ròng chuẩn FAO-56: Kết quả so sánh năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày tính từ Landsat 8 ($R_{nd_VT}$) và tính theo công thức chuẩn FAO-56 ($R_{nd_FAO}$) tại các trạm khí tượng trong toàn bộ các thời điểm nghiên cứu (01/07/2015, 04/06/2017, 18/08/2021) cho thấy độ lệch cực kỳ nhỏ, sai số tương đối luôn nằm dưới mức $3,5%$. Điều này khẳng định thuật toán phân rã sóng ngắn - sóng dài SEBAL hoàn toàn thay thế được mạng lưới máy đo xạ mặt đất tại vùng Tây Bắc.

2. Xác lập bộ tham số thực nghiệm tối ưu $(a, b)$ cho mô hình Priestley - Taylor vùng núi: Qua phân tích hồi quy thực nghiệm đa thời gian giữa chuỗi đo khí tượng và lượng bốc thoát hơi, luận án đã xác định được bộ hệ số tuyến tính đặc thù cho vùng Tây Bắc: $a$ dao động trong khoảng $0,65 - 0,72$ và $b$ tiệm cận $0,08 - 0,15$ (khác biệt rõ rệt so với hệ số gốc $a=0,61, b=0,12$ đề xuất năm 1972 ở vùng ôn đới hay $a=1,0, b=0$ tại Đài Loan). Bộ hệ số này phản ánh ảnh hưởng của nền nhiệt ẩm cao và tán rừng nhiệt đới gió mùa.

3. Khử bỏ hoàn toàn nhu cầu thu thập dữ liệu thời tiết tức thời tại thời điểm tính toán: Nghiên cứu đã chứng minh thành công luận điểm bảo vệ then chốt: các biến số $\lambda, \gamma, \Delta, R_{nd}$ chiết xuất từ Landsat 8 + SRTM DEM khi đưa vào phương trình Priestley - Taylor cho kết quả $ET_a$ có độ tương quan $R^2 > 0,91$ so với số liệu thực tế tại trạm quan trắc. Sai số tuyệt đối trung bình dao động từ $0,21$ đến $0,48$ mm/ngày.

4. Bộc lộ rõ nét tính phân hóa không gian vi khí hậu theo độ cao và lớp phủ: Bản đồ phân bố $ET_a$ xây dựng từ mô hình chỉ ra sự tương phản sâu sắc: Các khu vực rừng phòng hộ đầu nguồn có chỉ số $LAI > 3,0$ và độ ẩm cao duy trì lượng $ET_a$ đạt $4,2 - 5,8$ mm/ngày vào mùa hè. Ngược lại, các vùng đất trống, đồi trọc, đô thị hóa hoặc canh tác nương rẫy có $ET_a$ sụt giảm mạnh xuống $1,8 - 2,6$ mm/ngày, làm gia tăng nguy cơ hạn hán và kiệt quệ nước mặt.

5. Hiệu năng xử lý vượt bậc trên nền tảng điện toán đám mây Google Earth Engine: Việc đóng gói toàn bộ quy trình thành một ứng dụng webgis tự động trên nền GEE đã giảm thời gian tính toán từ 3–4 ngày (nếu xử lý thủ công từng cảnh ảnh trên phần mềm desktop) xuống còn dưới 45 giây cho toàn bộ diện tích tỉnh Hòa Bình, cho phép truy xuất chuỗi thời gian lịch sử linh hoạt.

+-----------------------------------------------------------------------------------------+
|                BẢNG ĐỐI SOÁNH CÁC CHỈ SỐ SAI SỐ GIỮA CÁC MÔ HÌNH                        |
+--------------------------+---------------------+-------------------+--------------------+
| Mô hình đối sánh         | RMSE (mm/ngày)      | MAPE (%)          | R²                 |
+--------------------------+---------------------+-------------------+--------------------+
| Ghaderi et al. (2020)    | 0,50                | 2,9%              | 0,97               |
| Madugundu et al. (2017)  | 0,13 - 4,15         | 8,5%              | 0,89               |
| Luận án (Lê Hùng Chiến)  | 0,21 - 0,48         | 3,2% - 5,1%       | 0,91 - 0,95        |
+--------------------------+---------------------+-------------------+--------------------+

Implications đa chiều

• Ý nghĩa học thuật: Mở ra một phương pháp tiếp cận mới trong ngành Trắc địa - Bản đồ và Viễn thám: biến dữ liệu ảnh vệ tinh thành công cụ đo đạc tham số vật lý khí quyển bề mặt gián tiếp, làm cầu nối hoàn hảo giữa đo ảnh viễn thám và mô hình hóa thủy văn lưu vực.
• Ứng dụng thực tiễn: Tạo ra công cụ phục vụ trực tiếp cho ngành Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn trong việc tính toán nhu cầu tưới tiêu thực tế của các loại cây trồng, dự báo sớm tình trạng thiếu hụt nước và khoanh vùng nguy cơ cháy rừng trong mùa khô tại các tỉnh miền núi phía Bắc.
• Hỗ trợ chính sách: Cung cấp luận cứ khoa học chuẩn xác để các nhà hoạch định chính sách phân bổ nguồn nước hồ chứa thủy điện Hòa Bình và quy hoạch không gian sử dụng đất bền vững.

Limitations và Future Research

Mặc dù đạt được những bước tiến đột phá, luận án thẳng thắn thừa nhận các giới hạn kỹ thuật:

1. Hạn chế về tần suất thu nhận ảnh quang học do mây bao phủ: Đặc thù khí hậu nhiệt đới gió mùa Tây Bắc thường xuyên có mây bao phủ, dẫn đến việc thiếu hụt cảnh ảnh chất lượng cao trong mùa mưa, hạn chế khả năng giám sát $ET_a$ với bước thời gian hàng ngày.
2. Độ phân giải nhiệt thô của cảm biến Landsat 8: Kênh hồng ngoại nhiệt TIRS có độ phân giải không gian nguyên bản là 100 m (được cơ quan USGS nội suy về 30 m), có thể gây ra hiện tượng hỗn hợp pixel nhiệt (mixed thermal pixels) tại các khu vực sườn dốc cheo leo hoặc ranh giới phân mảnh thảm phủ.
3. Tính đại diện của cặp hệ số thực nghiệm: Cặp hệ số $(a, b)$ được tối ưu hóa cho điều kiện địa lý tỉnh Hòa Bình và Sơn La, do đó khi mở rộng cho các vùng địa hình khác (như Tây Nguyên hay Duyên hải Nam Trung Bộ) đòi hỏi phải tái hiệu chuẩn dựa trên chuỗi khí tượng cục bộ.

Chương trình nghiên cứu tương lai (Future Research Agenda):

• Tích hợp dữ liệu đa nguồn (Multi-sensor data fusion) kết hợp Landsat 8/9, Sentinel-2 (quang học 10m) với Sentinel-3 và ảnh vệ tinh địa tĩnh Himawari-8/9 để nâng cao độ phân giải thời gian lên mức hàng giờ.
• Khai thác dữ liệu vi sóng (SAR Sentinel-1) nhằm ước tính độ ẩm đất tầng mặt trong điều kiện thời tiết nhiều mây, khắc phục điểm mù quang học.
• Ứng dụng các thuật toán học máy nâng cao (Random Forest, Extreme Gradient Boosting, Deep Neural Networks) để tự động hóa quá trình tối ưu hóa các hệ số nhiệt động học cục bộ trên toàn lãnh thổ Việt Nam.

Tác động và ảnh hưởng

Công trình của Lê Hùng Chiến mang lại tác động sâu rộng trên nhiều bình diện:

• Tác động học thuật: Đóng góp một ấn phẩm khoa học chất lượng cao, cung cấp phương pháp luận chuẩn xác cho các nghiên cứu sinh và học viên cao học trong lĩnh vực Viễn thám, GIS, Quản lý tài nguyên nước và Biến đổi khí hậu. Ước tính phương pháp luận này có tiềm năng trích dẫn cao trong các nghiên cứu giám sát hạn hán khu vực Đông Nam Á.
• Chuyển đổi ngành Tài nguyên Nước & Nông nghiệp: Chuyển đổi căn bản từ phương thức thu thập số liệu bốc thoát hơi thủ công, phân tán sang hệ thống giám sát số hóa không gian tự động, tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí duy trì trạm đo thực địa mỗi năm cho các địa phương miền núi.
• Ý nghĩa quốc tế: Chứng minh tính khả thi của việc kết hợp mô hình viễn thám cân bằng năng lượng với mô hình thực nghiệm trong môi trường nhiệt đới gió mùa nhiều mây núi, làm bài học tham khảo giá trị cho các quốc gia đang phát triển tại lưu vực sông Mekong.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Nhà khoa học trẻ: Tiếp cận được một phương pháp luận mẫu mực về xử lý dữ liệu viễn thám nhiệt, quy trình giải mã bức xạ và kỹ thuật lập trình phân tích dữ liệu lớn trên nền tảng Google Earth Engine.
• Giảng viên & Chuyên gia Viễn thám - Địa tin học: Sử dụng khung lý thuyết và bộ số liệu thực nghiệm làm giáo trình, tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các chương trình đào tạo sau đại học ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ.
• Kỹ sư Thủy lợi & Cán bộ Nông nghiệp: Khai thác bản đồ $ET_a$ trực tuyến để tính toán chính xác nhu cầu nước tưới cho từng vùng chuyên canh cây ăn quả, cây công nghiệp tại Hòa Bình, ngăn ngừa thất thoát nước lãng phí.
• Cơ quan Quản lý Nhà nước (Sở TN&MT, Chi cục Kiểm lâm): Sở hữu công cụ cảnh báo sớm nguy cơ khô hạn thảm phủ rừng, chủ động phòng chống cháy rừng và điều tiết dòng chảy lưu vực sông một cách khoa học.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì?

Luận án đã mở rộng mô hình Priestley - Taylor (1972) bằng cách thay thế các tham số khí tượng mặt đất tức thời bằng các biến số vật lý chiết xuất hoàn toàn từ ảnh vệ tinh Landsat 8 và SRTM DEM, đồng thời thiết lập cặp hệ số thực nghiệm $(a, b)$ đặc thù cho vùng đồi núi Tây Bắc Việt Nam.

2. Đổi mới phương pháp luận so với các nghiên cứu quốc tế trước đây như thế nào?

Khác với mô hình SEBAL (Bastiaanssen et al., 1998) phụ thuộc vào tính chủ quan khi chọn điểm ảnh nóng/lạnh, hay mô hình METRIC (Allen et al., 2007) đòi hỏi số liệu gió và trạm thời tiết chuẩn, mô hình của luận án là một kiến trúc lai (hybrid model): chỉ dùng viễn thám để giải mã bức xạ ròng $R_{nd}$, sau đó tính $ET_a$ qua phương trình Priestley - Taylor hiệu chuẩn, triệt tiêu sự phụ thuộc vào dữ liệu trạm thời tiết khi chạy mô hình.

3. Phát hiện bất ngờ nhất từ tập dữ liệu thực nghiệm là gì?

Giá trị năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày tính từ Landsat 8 ($R_{nd_VT}$) đạt độ chính xác gần như tuyệt đối khi so sánh với chuẩn FAO-56 mặt đất ($R_{nd_FAO}$), với sai số tương đối luôn $< 3,5%$ trên mọi mốc thời gian kiểm nghiệm (2015, 2017, 2021), chứng minh địa hình đồi núi dốc không làm phá vỡ tính chính xác của mô hình truyền xạ viễn thám nếu được hiệu chỉnh bằng DEM.

4. Quy trình nghiên cứu có cung cấp giao thức tái lập (replication protocol) không?

Có. Luận án đã chuẩn hóa toàn bộ thuật toán thành sơ đồ khối tường minh và đóng gói mã nguồn hoàn chỉnh trên giao diện Google Earth Engine, cho phép các nhà nghiên cứu khác tái lập quy trình tính toán cho bất kỳ thời điểm nào có ảnh Landsat 8 chỉ bằng vài thao tác chọn vùng và lọc mây.

5. Định hướng chương trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo từ nền tảng này?

Mở rộng quy mô giám sát $ET_a$ tự động cho toàn bộ lãnh thổ Việt Nam bằng cách tích hợp dữ liệu vệ tinh đa độ phân giải (Sentinel-2/3, Landsat 9, Himawari-8/9) kết hợp mô hình học sâu (Deep Learning) nhằm dự báo nhu cầu nước và hạn hán theo thời gian thực (Real-time ET monitoring).

Kết luận

Công trình luận án tiến sĩ của Lê Hùng Chiến (2022) là một đóng góp học thuật xuất sắc với 5 kết quả then chốt:

1. Xác lập thành công mô hình lai (Hybrid Model) kết hợp giữa thuật toán cân bằng năng lượng SEBAL và mô hình Priestley - Taylor để tính toán $ET_a$ vùng đồi núi.
2. Giải quyết bài toán tự trị tham số (Autonomous Parameterization): Chiết xuất trực tiếp toàn bộ các tham số $\lambda, \gamma, \Delta, R_{nd}$ từ ảnh Landsat 8 và SRTM DEM mà không cần đo đạc thời tiết mặt đất tức thời.
3. Xác định bộ hệ số thực nghiệm $(a, b)$ tối ưu cho khu vực Tây Bắc từ chuỗi số liệu khí hậu nhiều năm, đạt độ tương quan $R^2 > 0,91$.
4. Xây dựng hoàn chỉnh chương trình giám sát $ET_a$ trực tuyến trên Google Earth Engine, rút ngắn thời gian xử lý và hỗ trợ trực quan hóa bản đồ không gian tức thời.
5. Mở ra hướng nghiên cứu mới trong ứng dụng trắc địa viễn thám hiện đại phục vụ quản lý thông minh tài nguyên nước và thích ứng với biến đổi khí hậu tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 trình bày các vấn đề khái niệm cơ bản bốc thoát hơi nước, các phương pháp và mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ từ dữ liệu khí tượng và dữ liệu ảnh vệ tinh, tổng quan về các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ, đánh giá chung về các kết quả nghiên cứu và xác định các vấn đề cần thảo luận phát triển trong luận án. Các khái niệm bốc thoát hơi nước 1.1 Bốc hơi nước (E) Bốc hơi nước E (Evaporation) là quá trình mà nước lỏng được chuyển thành hơi nước (hóa hơi) và được loại bỏ khỏi bề mặt, là công đoạn đầu tiên trong vòng tuần hoàn mà nước chuyển từ thể lỏng thành hơi nước trong khí quyển. Nguyên nhân chính của sự bốc hơi nước là sự chênh lệch về áp suất hơi nước ở bề mặt và áp suất của khí quyển xung quanh. Nước bốc hơi từ nhiều loại bề mặt, chẳng hạn như hồ, sông, vỉa hè, đất trống và thảm thực vật.

Tuy nhiên, sự bốc hơi phổ biến nhất được dùng để nói tới sự mất nước từ các bề mặt của khối nước, đất trống hay từ các đối tượng không có sự sống khác (Allen và cộng sự 1990). Ngưng tụ 6. Ngưng tụ 3. Dòng chảy bề mặt 9.

Dòng chảy bề mặt 10. Cây hấp thụ 9. Dòng chảy ngầm 8. Thấm nước (Nguồn: Cơ quan quản lý khí quyển và đại dương quốc gia NOAA, Hoa Kỳ) Hình 1.

Vòng tuần hoàn của nước 10 1.2 Thoát hơi nước (T) 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. Quá trình thoát hơi xảy ra bên trong thân, lá do sự trao đổi hơi với khí quyển được điều khiển bởi lỗ khí khổng của lá. Gần như toàn bộ lượng nước do cây trồng hấp thụ sẽ bị mất đi do thoát hơi nước và chỉ một phần nhỏ được sử dụng trong cây sinh trưởng phát triển. Do đó, 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 (Allen và cộng sự 1990).

Quá trình cân bằng nước khu vực có rừng Thoát hơi thực vật là quá trình nước được vận chuyển từ các rễ cây đến các lỗ nhỏ bên dưới bề mặt lá, ở đây nước chuyển sang trạng thái hơi và thoát vào khí quyển. Do đó, thoát hơi thực chất là bốc hơi của nước từ lá cây. Lượng nước bốc thoát hơi từ cây trồng ước tính chiếm khoảng 10% của hàm lượng nước trong khí quyển. Thoát hơi thực vật là một quá trình không nhìn thấy được, khi nước đang bốc hơi trên bề mặt các lá cây, bạn không thể đi ra ngoài và nhìn thấy các lá cây đang bốc 11 thoát hơi.

Trong mùa phát triển của cây trồng, một lá cây sẽ bốc thoát hơi nước nhiều lần hơn trọng lượng của chính nó. Một mẫu Anh (tương đương 4046 m2) trồng ngô có thể thoát hơi được khoảng 11.100 lít nước/ngày, và một cây sồi lớn có thể thoát hơi được 151. Sự thoát hơi nước từ thực vật bị tác động bởi các yếu tố tương tự ảnh hưởng đến sự bốc hơi từ các bề mặt ẩm ướt khác. Tuy nhiên, thực vật có rễ và có thể hấp thụ được nước từ trong khối đất khi bề mặt đất quá khô để hỗ trợ quá trình bốc hơi (Claude E.

Các khối nước luôn luôn phơi ra một bề mặt ẩm ướt cho quá trình bốc hơi, nhưng thực vật cũng có thể tăng quá trình bốc hơi từ các khối nước. Diện tích lá của một số loài thực vật thủy sinh nổi hoặc trôi trên mặt nước có thể lớn hơn nhiều lần so với bề mặt nước chúng bao phủ (Claude E. Boyd 2012) Như vậy, mặc dù lá của các loài thực vật có cơ chế để làm giảm sự bốc hơi nước nhưng sự thoát hơi nước bởi các thảm thực vật, trạng thái rừng có thể vượt qúa mức độ bốc hơi từ bề mặt đất thoáng. Bốc thoát hơi nước ET (Evaporation Transpiration) Sự bốc hơi và thoát hơi nước xảy ra đồng thời và không có cách nào dễ dàng để phân biệt giữa hai quá trình.

Ngoài lượng nước sẵn có trong lớp đất mặt, sự bốc hơi từ đất trồng trọt chủ yếu được xác định bởi phần bức xạ mặt trời đến bề mặt đất. Tỷ lệ này giảm dần trong thời kỳ sinh trưởng khi cây trồng phát triển và tán cây che phủ ngày càng nhiều diện tích mặt đất. Khi cây trồng còn nhỏ, nước bị mất chủ yếu do bốc hơi từ đất, giai đoạn cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt che phủ hoàn toàn bề mặt đất, khi đó quá trình thoát hơi nước là nguồn chính trong quá trình bốc thoát hơi nước (Allen và cộng sự 1990).4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự bốc thoát hơi nước Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự bốc thoát hơi là năng lượng bức xạ mặt trời, độ ẩm không khí, nhiệt độ, vận tốc gió và thực vật bề mặt lớp phủ. Bức xạ mặt trời và nhiệt độ có liên quan chặt chẽ với nhau và khi nhiệt độ tăng, hàm lượng năng lượng của các phân tử nước gia tăng làm cho chúng có nhiều 12 khả năng để khuếch tán vào không khí.

Ngoài ra, không khí ấm hơn có khả năng tốt hơn để giữ hơi nước. Không khí ngay trên bề mặt ẩm ướt có thể nhanh chóng trở nên bão hòa với hơi nước, nhưng gió sẽ chuyển không khí bão hòa đi và thay vào đó bằng không khí khô hơn vì thế quá trình bốc hơi tiếp tục (Claude E. Bức xạ mặt trời cung cấp năng lượng dẫn đến nhiệt độ bề mặt (đất, nước) tăng lên tạo điều kiện chuyển hóa các phân tử nước từ thể lỏng sang thể hơi. Theo cơ chế hoạt động của hệ mặt trời, dưới tác động của bức xạ mặt trời lượng nước bốc hơi nhiều hơn về ban ngày và ít hơn vào ban đêm, mùa hè lượng bốc hơi nhiều hơn mùa đông (Lê Anh Tuấn 2009).

Lượng bốc thoát hơi nước tỷ lệ thuận với nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì lượng bốc thoát hơi nước càng lớn, đặc biệt lượng bốc thoát hơi nước tăng lên đáng kể trong mùa sinh trưởng phát triển của cây trồng trong điều kiện không khí ấm hơn (Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ 2020). Độ ẩm không khí tỷ lệ nghịch với lượng bốc hơi nước, độ ẩm không khí càng thấp thì khả năng bốc hơi nước càng lớn và ngược lại. Vì sự chênh lệch áp suất của của các lớp không khí, vào mùa khô độ ẩm không khí thường thấp hơn dẫn đến áp suất không khí cũng thấp dẫn đến lượng bốc hơi tăng. Vào mùa mưa độ ẩm không khí đạt giá trị cực đại (bão hòa hơi nước) thì hiện tượng bốc hơi gần như không có (Lê Anh Tuấn 2009).

Gió là sự thay đổi áp suất của các vùng khí quyển gây ra chuyển động của khối không khí. Tốc độ gió càng mạnh càng làm tăng sự cuốn hút của các phần tử ở bề mặt đất, nước chuyển từ thể lỏng thành thể khí và bay vào không trung. Gió làm dịch chuyển khối không khí ẩm gần mặt đất lên cao, đẩy khối không khí khô hơn từ trên cao đến gần mặt đất dẫn đến khả năng bốc hơi tăng lên (Lê Anh Tuấn 2009). Lượng thoát hơi nước cũng bị ảnh hưởng bởi đặc điểm cây trồng, mỗi loại cây khác nhau sẽ có giá trị thoát hơi nước với tốc độ khác nhau.

Các loại cây sống trong vùng khô cằn thì thoát hơi ít hơn các loại cây khác. Ví dụ cây xương rồng để giữ lại lượng nước quý báu bằng cách giảm bớt sự thoát hơi hơn các cây trồng khác. Lượng thoát hơi nước được thể hiện tương ứng với diện tích lá trên một đơn vị bề mặt của 13 đất dưới nó. Khi cây trồng còn nhỏ gần như 100% ET đến từ bốc hơi nước, trong khi ở thời điểm sinh trưởng phát triển mạnh độ che phủ kín diện tích đất thì hơn 90% ET đến từ thoát hơi nước (Allen và cộng sự 1990).

Bốc thoát hơi nước tham chiếu ET0 (Potential evaptransporation) Lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt tham chiếu (là một loại cỏ giả định để đối chiếu, bề mặt các đặc điểm cụ thể theo tiêu chuẩn) được gọi là bốc thoát hơi nước của cây trồng tham chiếu ký hiệu là ET0. Khái niệm thoát hơi nước tham chiếu được đưa ra để nghiên cứu nhu cầu bốc thoát hơi của khí quyển, độc lập với từng loại cây trồng (Allen và cộng sự 1990). ET0 tham chiếu là lượng bốc thoát nước qua một thảm thực vật được duy trì độ ẩm đầy đủ trong suốt thời gian sinh trưởng. Năm 1990, Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO), Hội tưới tiêu Quốc tế và Tổ chức khí tượng thế giới tổ chức một hội nghị để thống nhất phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi của cây trồng.

Các nhà khoa học (Doorenhos và Fruit 1975) đã đưa ra khái niệm lượng bốc thoát hơi tham chiếu (Reference evapotranspiration), viết tắt là ET0, để chỉ khả năng bốc thoát hơi thực vật theo tiêu chuẩn hoặc điều kiện tham khảo (tham chiếu). ET0 là lượng nước dùng để tưới cho một cây trồng là cỏ chuẩn, trồng và chăm sóc đúng kỹ thuật, phủ đều trên toàn bộ mặt đất và được cung cấp nước đầy đủ trong điều kiện tối ưu. Các điều kiện tham chiếu gồm: Chiều cao của cây trồng h = 0,12m, điện trở bề mặt đất là 70 s/m, và suất phân sai bề mặt đất là 0,23. Khi các tham số về cây trồng, điện trở bề mặt, suất phân sai bề mặt đã đảm bảo theo tiêu chuẩn khi đó yếu tố ảnh hưởng đến ET0 là các thông số về khí hậu.

Do đó, ET0 là một thông số khí hậu và có thể được tính toán từ dữ liệu thời tiết. ET0 thể hiện sức mạnh bay hơi của bầu không khí tại một địa điểm và thời điểm cụ thể trong năm và không xem xét đến các đặc tính của cây trồng và các yếu tố đất đai. Phương pháp FAO 56 Penman - Monteith được khuyến nghị là phương pháp duy nhất để xác định ET0 áp dụng trên toàn thế giới và được hướng dẫn cụ thể 14 trong tài liệu “sự thoát hơi nước của cây trồng - hướng dẫn tính toán các yêu cầu về nước cho cây trồng” (Allen và cộng sự 1998).