phần Mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn đƣợc cấu trúc thành 3 chƣơng, cụ thể nhƣ sau: Chƣơng 1. Tổng quan nhiên cứu ứng dụng ảnh MODIS trong tính toán nhiệt độ bề mặt và cảnh báo khô hạn Chƣơng 2. Phân tích các nhân tố ảnh hƣởng đến nhiệt độ bề mặt đất và nguy cơ hạn hán ở Tây Nguyên Chƣơng 3. Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt phục vụ cảnh báo khô hạn khu vực Tây Nguyên bằng dữ liệu ảnh MODIS 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ẢNH MODIS TRONG TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT VÀ CẢNH BÁO KHÔ HẠN 1.
Một số khái niệm liên quan đến nội dung nghiên cứu 1. Nhiệt độ bề mặt đất Nhiệt độ bề mặt đất (Land surface temperature - LST) đƣợc định nghĩa là nhiệt độ bề mặt trung bình bức xạ của một khu vực. Nhiệt độ bề mặt là một trong các chỉ số vật lý về quá trình cân bằng năng lƣợng trên bề mặt trái đất, là yếu tố cơ bản, quyết định các hiện tƣợng nhiệt trên mặt đất. Nó là kết quả tổng hợp của sự tƣơng tác và trao đổi năng lƣợng giữa khí quyển và mặt đất, và sự cân bằng giữa bức xạ nhiệt mặt trời với thông lƣợng khí quyển – mặt đất quy mô khu vực và trên toàn cầu.
Nhiệt độ bề mặt là một chỉ thị quan trọng của sự cân bằng năng lƣợng trên bề mặt Trái đất cũng nhƣ của hiệu ứng nhà kính. Thông số này quyết định nhiệt độ không khí trên bề mặt đất và các bức xạ sóng dài giữa mặt đất và khí quyển, cũng nhƣ ảnh hƣởng tới các hiện tƣợng khác trên mặt đất, nhƣ lƣợng giáng thủy và suất phản chiếu albedo. Ngoài ra, nó còn ảnh hƣởng đến phân vùng năng lƣợng trên mặt đất, các thông lƣợng nhiệt bề mặt và thông lƣợng nhiệt ngầm. LST có mối liên hệ chặt chẽ với các quá trình biến đổi của môi trƣờng đất, đồng thời cũng phản ánh sự thay đổi của thực vật.
Ví dụ, trong điều kiện khô hạn, nhiệt độ lá cây tăng cao là một chỉ số phản ánh sự thiếu nƣớc của thực vật (Mcvicar T. Nhiệt độ không khí trên bề mặt đất thƣờng khác đáng kể so với LST trên thực tế. Sự khác biệt này, phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và các loại lớp phủ. Mặc dù vậy vẫn có mối quan hệ chặt chẽ giữa nhiệt độ không khí và LST.
LST khác với nhiệt độ không khí, vì LST liên quan chặt chẽ hơn tới các hoạt động sinh lý của lá cây trong các thảm thực vật, cũng nhƣ liên quan tới độ ẩm đất trong các vùng thƣa thớt cây. Nhiệt độ không khí thƣờng không biến đổi theo không gian nhƣ LST nên có thể đo đƣợc dễ dàng hơn, điều này rất hữu ích trong việc nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com độ không khí và dữ liệu LST thu nhận từ dữ liệu vệ tinh. Độ chênh lệch khi đo đồng thời LST và nhiệt độ không khí có thể lên đến 20 độ K, do LST liên quan đến những chu trình năng lƣợng ngày đêm trên mặt đất và chịu ảnh hƣởng bới các yếu tố cảnh quan. Do độ nhạy của LST với độ ẩm đất và lớp phủ thực vật, nên nó là thành phần quan trọng trong rất nhiều ứng dụng nghiên cứu về khí hậu, thuỷ văn, sinh thái học và sinh địa hoá… [29].
Các nghiên cứu [11] đã cho thấy các yếu tố ảnh hƣởng đến sự thay đổi LST là: - Loại lớp phủ thực vật/ loại hình sử dụng đất. - Các điều kiện sinh lý. - Mật độ hoạt động của con ngƣời: nhƣ sản xuất nông nghiệp, khai thác lớp phủ đất, khai thác rừng…. - Loại cảnh quan.
Với bề mặt đất trống, LST là nhiệt độ mặt đất, với thảm thực vật dày, LST có thể đƣợc xem nhƣ là nhiệt độ bề mặt tán của thực vật và với thảm thực vật thƣa thớt, nó là nhiệt độ trung bình của tán thực vật, thân cây và lớp đất nằm dƣới thảm thực vật. Với độ phân giải không gian khác nhau của các loại dữ liệu viễn thám, LST trong viễn thám có thể được định nghĩa là nhiệt độ bề mặt trung bình của mặt đất trên quy mô mỗi pixel là một hỗn hợp trộn lẫn giữa các loại lớp phủ khác nhau tại thời điểm chụp ảnh. LST đƣợc tính toán trên cơ sở phát xạ của các đối tƣợng bề mặt (đất đai, lớp phủ thực vật, bề mặt của nhà cửa…) quan sát bởi bộ cảm tại các góc nhìn tức thời và năng lƣợng điện từ đo đƣợc trên băng nhiệt hồng ngoại của các bộ cảm đặt trên vệ tinh. Từ đó, nó đƣợc mô hình hóa dựa trên các đặc tính vật lý của khí quyển và các chỉ số kỹ thuật của bộ cảm [30] Tính toán LST từ dữ liệu viễn thám là tính toán tổng hợp giữa các hợp phần của cán cân năng lƣợng và bốc hơi trên bề mặt đất.
Các sản phẩm tính toán từ LST đƣợc sử dụng để hỗ trợ các nghiên cứu về thay đổi bề mặt đất nhƣ quá trình đô thị hóa, sa mạc hóa và nạn phá rừng. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Sự so sánh trực tiếp giữa các dữ liệu từ thực địa với LST thƣờng không có ý nghĩa mấy vì bề mặt đất thƣờng không đồng nhất mà LST là giá trị đại diện cho một điểm ảnh, với phạm vi bao trùm lớn. Điều này gây khó khăn trong việc phát triển các phƣơng pháp tính toán LST từ dữ liệu viễn thám và việc đánh giá các phƣơng pháp này [21] Ứng dụng của LST trong nghiên cứu khoa học và thƣơng mại rất đa dạng, nhƣ : biến đổi khí hậu, nhiệt độ đô thị, kiểm định các mô hình, quan trắc mùa vụ, quản lý nƣớc, cảnh báo cháy rừng, các ứng dụng về địa nhiệt …Nghiên cứu này sẽ tập trung vào mối quan hệ giữa LST với hiện trạng lớp phủ rừng, và ứng dụng của nó trong giám sát lớp phủ rừng. Hạn hán, chỉ số khô hạn Hạn hán đƣợc nhìn nhận là một trong những hiện tƣợng môi trƣờng có tính phá hoại nghiêm trọng, gây ra sự sụt giảm sản lƣợng nông nghiệp và tăng đáng kể khả năng cháy rừng.
Thông thƣờng, hạn hán thƣờng xảy ra trên diện rộng, nên việc quan trắc bằng các phƣơng pháp truyền thống rất khó khăn, đặc biệt ở những nƣớc đang phát triển, với nhiều hạn chế trong việc đầu tƣ cho hệ thống quan trắc các tham số môi trƣờng. Hạn hán gây ra nhiều tác hại rất nặng nề, hơn cả lũ lụt, vì nếu với lũ lụt, các tác động chỉ xảy ra trong phạm vi thời gian ngắn, thì hạn hán bắt đầu trên 1 khu vực từ vài tháng đến vài năm, sau đó kéo dài lâu hơn và chậm hơn so với lũ lụt, và rất khó nhận biết ở giai đoạn đầu mới xuất hiện. Bản chất diễn ra âm thầm và khó quan sát trực quan của hạn hán gây ra nhiều khó khăn trong việc đánh giá, xem xét về loại thiên tai này. Thông thƣờng, có 4 loại hạn hán: hạn hán khí tƣợng, hạn hán nông nghiệp, hạn hán thủy văn học và hạn hán kinh tế xã hội [23] * Hạn hán khí tượng học Loại hạn hán này thể hiện hoàn toàn trên cơ sở sự khô hạn và khoảng thời gian khô hạn.
Cƣờng độ và khoảng thời gian là hai yếu tố quan trọng nhất trong nghiên cứu loại hạn hán này. Hạn hán khí tƣợng nên đƣợc định nghĩa theo từng khu vực vì điều 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com kiện khí quyển, yếu tố dẫn đến sự thiếu hụt lƣợng mƣa, lại phụ thuộc khí hậu từng vùng. * Hạn hán nông nghiệp Loại hạn hán này kết hợp các tính chất khác nhau của hạn hán khí tƣợng với ảnh hƣởng của nông nghiệp và lƣợng mƣa, sự khác nhau giữa lƣợng hơi nƣớc thoát ra thực tế và tiềm năng, là sự thiếu hụt nƣớc trong đất và các yếu tố sinh lý khác của đất và thực vật. Nghiên cứu hạn hán nông nghiệp thƣờng đƣợc tiến hành trên cơ sở khác biệt về độ nhạy của các loại cây trồng trong các giai đoạn phát triển khác nhau.
Khu vực nông nghiệp là rất quan trọng trong nghiên cứu loại hạn hán này vì nó là khu vực đầu tiên bị ảnh hƣởng nghiêm trọng bởi hạn hán. *Hạn hán thủy văn Loại hạn hán này liên quan đến ảnh hƣởng của những thời kỳ thiếu hụt lƣợng mƣa trên bề mặt hoặc dƣới bề mặt cung cấp nƣớc hơn là thiếu hụt lƣợng mƣa. Hạn hán thủy văn thƣờng xảy ra đồng thời hoặc sau hạn hán khí tƣợng và hạn hán nông nghiệp. Không giống nhƣ hai loại hạn hán đã kể trên, hạn hán thủy văn cần nhiều thời gian diễn ra hơn trƣớc khi sự thiếu hụt lƣợng mƣa đƣợc nhận diện trong các thành phần khác của hệ thống thủy văn (nhƣ hồ chứa và lƣợng nƣớc ngầm).
*Hạn hán kinh tế- xã hội Loại hạn hán này liên quan đến nguồn cung và cầu của một số hàng hóa kinh tế hoặc dịch vụ với các yếu tố của hạn hán khí tƣợng, hạn hán thủy văn và hạn hán nông nghiệp. Để minh họa, có thể coi nguồn cung của 1 số loại hàng hóa kinh tế nhƣ nƣớc và thủy điện, những yếu tố phụ thuộc thời tiết. Nhu cầu đối với những hàng hóa này luôn luôn tăng do sự tăng lên của dân số, mức tiêu thụ bình quân đầu ngƣời cũng tăng. Hạn hán kinh tế - xã hội sẽ xuất hiện nếu cầu vƣợt quá cung.
Trong nghiên cứu này, học viên sẽ chỉ đề cập đến việc quan trắc và đánh giá hạn hán nông nghiệp. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Theo phƣơng pháp quan trắc hạn hán theo điểm truyền thống, lƣợng mƣa ngắn hạn và dài hạn thƣờng đƣợc áp dụng đồng thời để đƣa ra các miêu tả kỹ lƣỡng về mật độ, chu kỳ, và phân bố không gian của hạn hán. Với dữ liệu viễn thám hiện nay, cung cấp phƣơng pháp kết hợp các phát xạ từ bề mặt đất và các thông tin về nhiệt là cách tiếp cận phù hợp và đáp ứng đƣợc yêu cầu cập nhật, và nhiều yêu cầu khác của quan trắc hạn hán.