Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất bằng ảnh MODIS phục vụ cảnh báo hạn hán khu vực Tây Nguyên

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nhiệt độ bề mặt bằng ảnh MODIS, phục vụ cảnh báo hạn hán khu vực Tây Nguyên, mang lại giải pháp hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Thị Quỳnh Trang
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hiệu
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Quản Lý Tài Nguyên Môi Trƣờng
• Đề tài: Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất bằng tư liệu ảnh MODIS phục vụ cảnh báo hạn hán khu vực Tây Nguyên
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
• 0.3. Giới hạn phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Cấu trúc luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ẢNH MODIS TRONG TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT VÀ CẢNH BÁO KHÔ HẠN
• 1.1. Một số khái niệm liên quan đến nội dung nghiên cứu
• 1.2. Nhiệt độ bề mặt đất
• 1.3. Hạn hán, chỉ số khô hạn
• 1.4. Các phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT VÀ NGUY CƠ HẠN HÁN Ở TÂY NGUYÊN
• 2.1. Các nhân tố tự nhiên
• 2.1.1. Vị trí địa lý
• 2.1.2. Địa hình - địa mạo
• 2.1.3. Thổ nhưỡng
• 2.2. Các hoạt động kinh tế xã hội
• 2.2.1. Dân tộc và chính sách phát triển kinh tế xã hội
• 2.2.2. Phát triển nông – lâm nghiệp
• 2.3. Cơ sở dữ liệu và mô hình tính toán
• 2.3.1. Cơ sở dữ liệu
• 2.3.2. Quy trình tính toán
• 2.3.2.1. Tính toán nhiệt độ bề mặt khu vực Tây Nguyên
• 2.3.2.2. Tính toán chỉ số khô hạn khu vực Tây Nguyên
• 2.3.2.3. Tính toán chỉ số NDVI từ MOD09A1
• 2.3.2.4. Tính TVDI từ LST và NDVI
• 2.4. Cảnh báo nguy cơ hạn hán khu vực Tây Nguyên
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất từ ảnh MODIS

Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất (LST) từ ảnh MODIS là một lĩnh vực quan trọng trong việc giám sát và cảnh báo hạn hán tại Tây Nguyên. Vùng đất này có đặc điểm khí hậu khắc nghiệt, thường xuyên phải đối mặt với tình trạng hạn hán. Việc sử dụng ảnh vệ tinh MODIS giúp cung cấp thông tin chính xác về nhiệt độ bề mặt, từ đó hỗ trợ trong việc quản lý tài nguyên nước và nông nghiệp.

1.1. Khái niệm về nhiệt độ bề mặt đất và ảnh MODIS

Nhiệt độ bề mặt đất (LST) là chỉ số quan trọng phản ánh sự trao đổi năng lượng giữa mặt đất và khí quyển. Ảnh MODIS cung cấp dữ liệu về LST với độ chính xác cao, giúp theo dõi sự biến đổi nhiệt độ theo thời gian và không gian.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất

Nghiên cứu LST không chỉ giúp cảnh báo hạn hán mà còn hỗ trợ trong việc quy hoạch sử dụng đất, bảo vệ môi trường và phát triển nông nghiệp bền vững tại Tây Nguyên.

II. Vấn đề hạn hán tại Tây Nguyên và thách thức hiện tại

Tây Nguyên là một trong những khu vực chịu ảnh hưởng nặng nề của hạn hán. Diện tích đất nông nghiệp bị ảnh hưởng ngày càng tăng, gây ra nhiều khó khăn cho người dân. Việc thiếu nước tưới tiêu cho cây trồng dẫn đến giảm năng suất và thu nhập của nông dân.

2.1. Nguyên nhân gây ra hạn hán tại Tây Nguyên

Hạn hán tại Tây Nguyên chủ yếu do biến đổi khí hậu, sự thay đổi trong lượng mưa và các hoạt động kinh tế xã hội như khai thác rừng và sử dụng đất không hợp lý.

2.2. Hệ quả của hạn hán đối với nông nghiệp

Hạn hán gây ra sự suy giảm năng suất cây trồng, đặc biệt là lúa và cà phê, dẫn đến tình trạng thiếu hụt lương thực và thu nhập cho người dân.

III. Phương pháp nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất từ ảnh MODIS

Phương pháp nghiên cứu sử dụng ảnh MODIS để tính toán nhiệt độ bề mặt đất bao gồm việc thu thập dữ liệu, xử lý và phân tích thông tin. Các chỉ số như NDVI và TVDI được sử dụng để đánh giá tình trạng khô hạn.

3.1. Quy trình thu thập và xử lý dữ liệu MODIS

Quy trình này bao gồm việc tải dữ liệu từ các nguồn cung cấp, xử lý ảnh để tính toán LST và các chỉ số liên quan đến khô hạn.

3.2. Các chỉ số đánh giá khô hạn từ dữ liệu MODIS

Chỉ số NDVI và TVDI được sử dụng để đánh giá tình trạng khô hạn, giúp xác định mức độ ảnh hưởng của hạn hán đến cây trồng và môi trường.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất

Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất từ ảnh MODIS đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ quản lý tài nguyên nước đến phát triển nông nghiệp bền vững. Các bản đồ nhiệt độ và chỉ số khô hạn giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định kịp thời.

4.1. Ứng dụng trong quản lý tài nguyên nước

Thông tin về LST giúp các nhà quản lý xác định các khu vực cần ưu tiên tưới tiêu, từ đó tối ưu hóa việc sử dụng nước trong nông nghiệp.

4.2. Ứng dụng trong phát triển nông nghiệp bền vững

Nghiên cứu này cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc quy hoạch và phát triển nông nghiệp, giúp tăng cường khả năng chống chịu của cây trồng trước biến đổi khí hậu.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất từ ảnh MODIS không chỉ giúp cảnh báo hạn hán mà còn mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển bền vững tại Tây Nguyên. Việc tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng công nghệ viễn thám sẽ là chìa khóa cho tương lai.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện độ chính xác của các mô hình dự báo hạn hán và phát triển các giải pháp ứng phó hiệu quả.

5.2. Hướng đi mới trong nghiên cứu và ứng dụng

Khuyến khích việc áp dụng công nghệ mới và các phương pháp nghiên cứu hiện đại để nâng cao hiệu quả trong việc giám sát và quản lý tài nguyên thiên nhiên.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ QUỲNH TRANG NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT BẰNG TƢ LIỆU ẢNH MODIS PHỤC VỤ CẢNH BÁO HẠN HÁN KHU VỰC TÂY NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2013 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ QUỲNH TRANG NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT BẰNG TƢ LIỆU ẢNH MODIS PHỤC VỤ CẢNH BÁO HẠN HÁN KHU VỰC TÂY NGUYÊN Chuyên ngành: QUản lý tài nguyên môi trƣờng Mã số: 60850101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2013 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC MỞ ĐẦU . Tính cấp thiết của đề tài . Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài. Giới hạn phạm vi nghiên cứu. Cấu trúc luận văn . 5 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ẢNH MODIS TRONG TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT VÀ CẢNH BÁO KHÔ HẠN . Một số khái niệm liên quan đến nội dung nghiên cứu . Nhiệt độ bề mặt đất . Hạn hán, chỉ số khô hạn . Giới thiệu chung về dữ liệu ảnh MODIS . Cơ sở ứng dụng tƣ liệu ảnh MODIS trong tính toán nhiệt độ bề mặt và chỉ số khô hạn nhiệt độ - thực vật . Sử dụng tư liệu ảnh MODIS cho tính toán nhiệt độ bề mặt . Cơ sở lý thuyết tính toán nhiệt độ bề mặt . Tính toán chỉ số nhiệt độ bề mặt đất từ ảnh MODIS . Sử dụng tư liệu ảnh MODIS cho tính toán chỉ số khô hạn . Mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt đất LST và chỉ số thực vật NDVI . Cơ sở tính toán chỉ số khô hạn nhiệt độ - thực vật . Các phƣơng pháp nghiên cứu . 37 CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT VÀ NGUY CƠ HẠN HÁN Ở TÂY NGUYÊN. Các nhân tố tự nhiên . Vị trí địa lý . Địa hình - địa mạo . Thổ nhưỡng. Các hoạt động kinh tế xã hội . Dân tộc và chính sách phát triển kinh tế xã hội . Phát triển nông – lâm nghiệp: . Cơ sở dữ liệu và mô hình tính toán. Cơ sở dữ liệu. Quy trình tính toán . Tính toán nhiệt độ bề mặt khu vực Tây Nguyên . Tính toán chỉ số khô hạn khu vực Tây Nguyên. Tính toán chỉ số NDVI từ MOD09A1. 75 i LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tính TVDI từ LST và NDVI . Cảnh báo nguy cơ hạn hán khu vực Tây Nguyên . 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 92 ii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC HÌNH Hình 1. Sơ đồ khu vực nghiên cứu Hình 1. Sơ đồ phân phối các sản phẩm MODIS theo hệ thống mắt lƣới sinusoidal Hình 1. Bức xạ điện từ của vật đen tuyệt đối ở các bƣớc sóng Hình 1. Định luật Wien và quan hệ bƣớc sóng/ cƣờng độ nhiệt độ bức xạ Hình 1. So sánh phát xạ của thạch anh với vật đen tuyệt đối Hình 1. Công suất bức xạ của kim loại theo các bƣớc sóng Hình 1. Cửa số khí quyển và các vùng phát xạ nhiệt Hình 1. Sơ đồ không gian của nhiệt độ bề mặt - chỉ số thực vật và mối quan hệ với sự bay hơi (evaporation), sự thoát hơi nƣớc của cây (transpiration) và phần trăm lớp phủ thực vật Hình 1. Mô phỏng về các yếu tố ảnh hƣởng tới nhiệt độ bề mặt đất. Các biến trong đƣờng tròn có thể nhận đƣợc từ dữ liệu viễn thám Hình 1. Chỉ số TVDI của một pixel ảnh (Ts, NDVI) đƣợc xác định nhƣ một tỷ lệ giữa đƣờng A = (Ts  Ts min ) và B = (Ts max  Ts min ) Hình 1. Ví dụ về không gian đặc trƣng tiêu chuẩn Ts- NDVI Hình 2. Bản đồ địa hình và bản đồ vờn bóng địa hình Tây Nguyên Hình 2. Bản đồ địa mạo Tây Nguyên Hình 2. Nhiệt độ trung bình tháng và lƣợng mƣa tháng của trạm Đà Lạt và Buôn Ma Thuột năm 2012 Hình 2. Sơ đồ các trạm khí tƣợng khu vực Tây Nguyên Hình 2. Bản đồ thủy văn Tây Nguyên Hình 2. Bản đồ đất của Tây Nguyên Hình 2. Hiện trạng lớp phủ rừng Tây Nguyên năm 2010 Hình 3. Quy trình tính toán chỉ số khô hạn TVDI Hình 3. Bản đồ nhiệt độ bề mặt đất khu vực Tây Nguyên tổ hợp 8 ngày từ 26/02/2012 đến 5/03/2012 iii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Nhiệt độ bề mặt đất tổ hợp theo tháng cho tháng 1/2013(a), 2/2013(b), 3/2013(c) Hình 3. Nhiệt độ bề mặt đất tính từ ảnh MODIS và nhiệt độ bề mặt đất trung bình tháng 2/2012 và 11/2012 tại các trạm khi tƣợng Hình 3. Bản đồ chỉ số thực vật NDVI khu vực Tây Nguyên ngày 09/01/2013 Hình 3. Chỉ số TVDI của một pixel ảnh (Ts, NDVI) đƣợc xác định nhƣ một tỷ lệ giữa đƣờng A = (Ts  Ts min ) và B = (Ts max  Ts min ) Hình 3. Lấy mẫu trên ảnh LST để xác định rìa ƣớt của tam giác TVDI Hình 3. Phân ngƣỡng NDVI Hình 3. Thống kê LST min cho từng lớp NDVI sau khi phân ngƣỡng Hình 3. Giá trị rìa khô đƣợc sử dụng cho việc tính toán chỉ số TVDI ngày 09/01/2013 (trái) và ngày 2/12/2012 (phải) Hình 3. Chuỗi bản đồ TVDI tổ hợp tháng năm 2011 Hình 3. Chuỗi bản đồ TVDI tổ hợp tháng năm 2012 Hình 3. Chuỗi bản đồ TVDI tổ hợp tháng cho 11 tháng/ 2 cho mùa khô 2011-2012 và 2012-2013 Hình 3. Mối quan hệ giữa lƣợng mƣa trung bình tháng tại các trạm khí tƣợng và chỉ số khô hạn TVDI Hình 3. Sơ đồ chỉ số khô hạn của hai tỉnh Gia Lai và Đăk Lăk tổ hợp tháng cho tháng 12/2012(a), 1/2013(b), 2/2013(c) Hình 3. Bản đồ lớp phủ rừng 2010 khu vực Tây Nguyên iv LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC BẢNG Bảng1. Số liệu hành chính các tỉnh vùng Tây Nguyên Bảng 1. Các đặc tính kỹ thuật của ảnh MODIS Bảng 1. 36 kênh phổ của ảnh MODIS Bảng 1. Các kênh ảnh MODIS đƣợc sử dụng để tính nhiệt độ bề mặt đất Bảng 1. Hệ số phát xạ trung bình của 11 loại cây trên kênh 31, 32 của MODIS Bảng 2. Nhiệt độ trung bình và lƣợng mƣa tại các trạm khí tƣợng của Tây Nguyên Bảng 2. Danh sách và tọa độ các trạm khí tƣợng của Tây Nguyên Bảng 2. Các loại đất chính vùng Tây Nguyên Bảng 2. Hiện trạng lớp phủ rừng Tây Nguyên năm 2010 Bảng 3. Các đặc tính kỹ thuật của MOD11A2 Bảng 3. Bộ dữ liệu sản phẩm của MOD11A2 Bảng 3. Nhãn đánh giá chất lƣợng sản phẩm cho MOD11A2 Bảng 3. Các đặc tính kỹ thuật của MOD09A1 Bảng 3.Bộ dữ liệu sản phẩm của MOD09A1 v LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Lời cảm ơn Trƣớc tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS. Nguyễn Hiệu, thầy đã tận tình hƣớng dẫn em hoàn thành luận văn. Nhờ có sự giúp đỡ của thầy, em thấy mình trƣởng thành hơn rất nhiều sau luận văn thạc sỹ này. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh chị đồng nghiệp thuộc phòng Công nghệ Viễn thám, GIS và GPS, Viện Công nghệ Vũ trụ, Viện Hàn lâm khoa học Việt Nam. Các anh chị đã chỉ bảo tận tình, định hƣớng và tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn. Sau luận văn thạc sỹ, em học hỏi đƣợc rất nhiều điều cũng nhƣ kinh nghiệm nghiên cứu, làm việc. Em xin chân thành cảm ơn đề tài TN3/T16 thuộc chƣơng trình Khoa học và Công nghệ phục vụ phát triển kinh tế - xã hội vùng Tây Nguyên đã hỗ trợ kinh phí và tƣ liệu để em thực hiện luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Địa lý và phòng Sau Đại học trƣờng Đại học Tự nhiên Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong thời gian học tập và nghiên cứu Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, ngƣời thân và bạn bè đã giúp đỡ, động viên khích lệ và chia sẻ cùng em trong quá trình thực hiện luận văn Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Tác giả Nguyễn Thị Quỳnh Trang vi LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Tây Nguyên là vùng cao nguyên ở Nam Trung Bộ Việt Nam có đất đai màu mỡ với đất đỏ bazan đặc trƣng, diện tích rừng còn lại lớn với thảm sinh vật đa dạng, có trữ lƣợng khoáng sản phong phú hầu nhƣ chƣa đƣợc khai thác và tiềm năng du lịch cao. Tuy nhiên hiện nay, vùng đất này đang phải đối mặt với không ít nguy cơ về suy thoái rừng cũng nhƣ suy thoái chất lƣợng đất, kéo theo những hậu quả nhƣ sụt giảm năng suất cây trồng và nguy cơ hạn hán, nạn khô hạn đang ngày một mở rộng diện tích. Tính đến tháng 3/2013, các tỉnh Tây Nguyên đã có trên 73.000 ha cây trồng các loại bị hạn, chủ yếu là lúa nƣớc và cà phê. Dự báo, diện tích khô hạn các tỉnh Tây Nguyên sẽ còn tiếp tục tăng thêm 73. Trong những năm gần đây, Tây Nguyên liên tục là một trong những khu vực chịu hạn hán và thiếu nƣớc trầm trọng nhất cả nƣớc. Từ đó có thể thấy những nghiên cứu về cảnh báo hạn hán là rất cần thiết cho công tác ứng phó, cũng nhƣ quy hoạch sử dụng đất hợp lý nói riêng, và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên của Tây Nguyên nói chung. Nhiệt độ lớp phủ bề mặt (Land surface temperature - LST) là một trong các chỉ số về quá trình cân bằng năng lƣợng trên bề mặt Trái đất, là kết quả của các tƣơng tác, trao đổi năng lƣợng giữa mặt đất – khí quyển. Nhiệt độ bề mặt đất đƣợc tính toán trên cơ sở sự phát xạ của các đối tƣợng bề mặt (đất đai, lớp phủ thực vật, bề mặt của nhà cửa…) và có mối liên quan mật thiết với các quá trình biến đổi của môi trƣờng đất, đồng thời cũng phản ánh sự thay đổi của lớp phủ thực vật, đóng vai trò quan trọng với các chỉ số cảnh báo hạn hán, ví dụ nhƣ trong điều kiện khô hạn, nhiệt độ lá cây tăng cao là một chỉ số phản ánh sự thiếu nƣớc của thực vật. Mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và các loại thực phủ sẽ góp phần tìm ra câu trả lời tốt nhất để cải thiện những vấn đề nhƣ nạn hạn hán, sâu bệnh, cải thiện chất lƣợng môi trƣờng, từ đó làm cơ sở khoa học cho công tác cảnh báo hạn và quy hoạch sử dụng đất. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.