Nghiên Cứu Sử Dụng Dữ Liệu Viễn Thám Trong Mô Phỏng Dòng Chảy Mặt Phục Vụ Quy Hoạch Thủy Lợi

Nghiên cứu ứng dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy mặt cho quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai tại lưu vực sông Cả.

• Tác giả: Bùi Tuấn Hải
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Quang Vinh
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Tài Nguyên Nước
• Đề tài: Nghiên Cứu Sử Dụng Dữ Liệu Viễn Thám Trong Mô Phỏng Dòng Chảy Mặt Tại Lưu Vực Sông Cả
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG QUY HOẠCH THỦY LỢI VÀ PHÒNG CHỐNG THIÊN TAI
• 1.1. Tổng quan về công nghệ viễn thám
• 1.2. Tổng quan các công trình khoa học trên thế giới đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan đến đề tài luận án
• 1.2.1. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong quy hoạch thủy lợi, quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai trên thế giới
• 1.2.2. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy
• 1.2.3. Đánh giá chung về các kết quả nghiên cứu trên thế giới
• 1.3. Tổng quan các công trình khoa học ở trong nước đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan đến đề tài luận án
• 1.3.1. Khái quát chung
• 1.3.2. Nghiên cứu về quản lý tài nguyên nước, quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai
• 1.3.3. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy
• 1.3.4. Đánh giá chung về các nghiên cứu ở trong nước
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU
• 2.1. Luận giải các phương pháp và công cụ nghiên cứu
• 2.1.1. Cách tiếp cận khoa học
• 2.1.2. Phương pháp nghiên cứu khoa học
• 2.1.3. Công cụ nghiên cứu
• 2.2. Địa điểm nghiên cứu
• 2.3. Quy trình nghiên cứu
• 2.4. Nghiên cứu lựa chọn mô hình toán mô phỏng dòng chảy lưu vực sông Cả
• 2.4.1. Các mô hình toán đang được áp dụng trong tính toán thủy văn, thủy lực
• 2.4.2. Phân tích, lựa chọn bộ mô hình toán áp dụng cho tính toán mưa, bốc hơi và diễn toán chế độ dòng chảy trên lưu vực
• 2.5. Nghiên cứu công cụ phân tích, xử lý dữ liệu viễn thám
• 2.5.1. Kết hợp giữa viễn thám và GIS
• 2.5.2. Đánh giá các phần mềm mã nguồn mở GIS trong việc phân tích, xử lý dữ liệu viễn thám
• 2.5.3. Phân tích và lựa chọn phần mềm phục vụ công tác xây dựng và quản lý dữ liệu
• 2.6. Nghiên cứu lựa chọn dữ liệu viễn thám
• 2.6.1. Nghiên cứu lựa chọn dữ liệu mưa vệ tính độ phân giải cao
• 2.6.2. Nghiên cứu phân tích, lựa chọn dữ liệu địa hình từ nguồn dữ liệu mô hình số hóa độ cao (DEM)
• 2.6.3. Kết luận về phân tích, lựa chọn dữ liệu viễn thám cho lưu vực sông Cả
• 2.7. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG CẢ
• 3.1. Nghiên cứu kết hợp mưa vệ tinh và mưa thực đo trong tính toán mưa – dòng chảy từ mô hình NAM
• 3.1.1. Sự cần thiết phải kết hợp mưa vệ tinh với mưa thực đo
• 3.1.2. Thiết lập mô hình NAM với trạm mưa thực đo hiện có
• 3.1.3. Bố trí các trạm mưa giả định
• 3.1.4. Kết quả nghiên cứu mô hình NAM
• 3.1.5. Nhận xét chung về kết quả nghiên cứu mục 3.2
• 3.2. Nghiên cứu kết hợp dữ liệu viễn thám và mô hình toán IFAS trong mô phỏng dòng chảy lũ lưu vực sông Cả
• 3.2.1. Phạm vi nghiên cứu
• 3.2.2. Thiết lập mô hình IFAS
• 3.2.3. Mô phỏng, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình IFAS
• 3.2.4. Kết luận về kết quả nghiên cứu mô hình IFAS
• 3.3. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy mặt tại lưu vực sông Cả là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực quản lý tài nguyên nước. Lưu vực sông Cả, với diện tích 27.200 km², trải dài qua Việt Nam và Lào, đóng vai trò thiết yếu trong phát triển kinh tế và phòng chống thiên tai. Việc áp dụng công nghệ viễn thám giúp cung cấp thông tin chính xác về lượng mưa và các yếu tố tự nhiên khác, từ đó hỗ trợ quy hoạch thủy lợi hiệu quả hơn.

1.1. Tầm quan trọng của dữ liệu viễn thám trong nghiên cứu

Dữ liệu viễn thám cung cấp thông tin không gian và thời gian về các yếu tố tự nhiên, giúp cải thiện độ chính xác trong mô phỏng dòng chảy. Công nghệ này cho phép theo dõi biến động của môi trường và hỗ trợ trong việc quản lý tài nguyên nước.

1.2. Các ứng dụng của dữ liệu viễn thám trong quy hoạch thủy lợi

Việc sử dụng dữ liệu viễn thám trong quy hoạch thủy lợi giúp xác định các khu vực dễ bị tổn thương do thiên tai, từ đó đưa ra các biện pháp phòng ngừa hiệu quả. Các ứng dụng này bao gồm phân tích lượng mưa, đánh giá tình trạng dòng chảy và quản lý tài nguyên nước.

II. Vấn đề và thách thức trong mô phỏng dòng chảy tại lưu vực sông Cả

Mô phỏng dòng chảy tại lưu vực sông Cả gặp nhiều thách thức do thiếu dữ liệu thực đo, đặc biệt là ở các khu vực thượng nguồn. Việc thiếu hụt thông tin về lượng mưa và các yếu tố khác làm cho việc dự đoán dòng chảy trở nên khó khăn. Hơn nữa, tác động của biến đổi khí hậu cũng làm gia tăng tính không chắc chắn trong các mô hình dự báo.

2.1. Thiếu hụt dữ liệu thực đo và ảnh hưởng đến mô phỏng

Nhiều khu vực trong lưu vực sông Cả không có trạm đo mưa, dẫn đến việc thiếu dữ liệu quan trọng cho mô phỏng dòng chảy. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của các mô hình thủy văn.

2.2. Tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy

Biến đổi khí hậu gây ra những thay đổi lớn trong lượng mưa và dòng chảy, làm cho các mô hình truyền thống trở nên không còn phù hợp. Cần có các phương pháp mới để dự đoán chính xác hơn.

III. Phương pháp nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy

Phương pháp nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám kết hợp với các mô hình toán học hiện đại là một giải pháp hiệu quả cho việc mô phỏng dòng chảy. Các mô hình như NAM và IFAS được áp dụng để tính toán dòng chảy dựa trên dữ liệu mưa vệ tinh và mô hình số độ cao.

3.1. Mô hình NAM trong tính toán dòng chảy

Mô hình NAM được sử dụng để kết hợp dữ liệu mưa thực đo và mưa vệ tinh, giúp cải thiện độ chính xác trong tính toán dòng chảy. Việc thiết lập mô hình này cho phép đánh giá chính xác hơn về lượng nước chảy qua các khu vực.

3.2. Mô hình IFAS trong mô phỏng lũ

Mô hình IFAS được áp dụng để mô phỏng dòng chảy lũ tại lưu vực sông Cả. Mô hình này cho phép hiệu chỉnh và kiểm định kết quả mô phỏng, từ đó đưa ra các dự báo chính xác hơn về tình hình lũ lụt.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng dữ liệu viễn thám đã cải thiện đáng kể độ chính xác trong mô phỏng dòng chảy tại lưu vực sông Cả. Các mô hình đã được hiệu chỉnh và kiểm định cho thấy khả năng dự đoán tốt hơn về tình hình dòng chảy và lũ lụt, từ đó hỗ trợ cho công tác quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai.

4.1. Đánh giá kết quả mô phỏng dòng chảy

Kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp giữa dữ liệu thực đo và dữ liệu mô phỏng, cho thấy tính khả thi của việc áp dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu dòng chảy.

4.2. Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong quản lý tài nguyên nước

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong việc quản lý tài nguyên nước, giúp các cơ quan chức năng đưa ra các quyết định chính xác hơn trong quy hoạch và phòng chống thiên tai.

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

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy mặt tại lưu vực sông Cả đã mở ra nhiều triển vọng mới cho công tác quản lý tài nguyên nước. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong dự báo mà còn hỗ trợ cho các hoạt động quy hoạch và phòng chống thiên tai hiệu quả hơn.

5.1. Tương lai của nghiên cứu dữ liệu viễn thám

Công nghệ viễn thám sẽ tiếp tục phát triển và đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và quản lý tài nguyên nước, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng gia tăng.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các mô hình mới, kết hợp với dữ liệu viễn thám để nâng cao độ chính xác trong mô phỏng dòng chảy và quản lý tài nguyên nước.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy mặt phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai – áp dụng cho lưu vực sông Cả", chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước (mã số: 9580212), do nghiên cứu sinh Bùi Tuấn Hải thực hiện tại Trường Đại học Thủy lợi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Quang Vinh và PGS. Phạm Quang Vinh, bảo vệ năm 2020. Nghiên cứu được hỗ trợ kinh phí và số liệu từ đề tài khoa học và công nghệ độc lập cấp Quốc gia: "Nghiên cứu tính toán dòng chảy phục vụ công tác quản lý và sử dụng nguồn nước lưu vực sông Cả trên cơ sở ứng dụng các mô hình toán và công nghệ viễn thám".

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Lưu vực sông Cả có tổng diện tích tự nhiên là 27.200 km², trải dài trên lãnh thổ của hai quốc gia Việt Nam và Lào. Phần lưu vực nằm trong lãnh thổ Việt Nam thuộc địa giới hành chính của ba tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh và Thanh Hóa với diện tích 17.730 km² (chiếm 65,2% toàn lưu vực), trong đó vùng hưởng lợi trực tiếp là 2.405 km². Dòng chính sông Cả dài 531 km, đoạn chảy qua Việt Nam dài 361 km. Lượng mưa trung bình nhiều năm đạt khoảng 1.800 mm, mô đun dòng chảy đạt 27,1 l/s.km², tổng lượng nước bình quân nhiều năm xấp xỉ 23,3 tỷ m³. Lưu vực sông Cả thường xuyên phải chịu ảnh hưởng của các dạng hình thiên tai cực đoan: trong vòng 10 năm ghi nhận 34 trận bão trực tiếp từ cấp 9 đến cấp 10 trở lên; điển hình năm 2010 mưa lũ gây ngập lụt nghiêm trọng, đồng thời tình trạng hạn hán cùng năm làm ảnh hưởng khoảng 17.000 ha đất canh tác. Toàn lưu vực hiện có khoảng 3.000 công trình thủy lợi nhưng phần lớn là hồ chứa nhỏ và đập dâng với năng lực điều tiết hạn chế, đa số chưa tính toán dòng chảy môi trường.

Khoảng trống nghiên cứu cơ bản xuất phát từ đặc điểm mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn:

• Vùng thượng nguồn chiếm 34,8% diện tích lưu vực thuộc lãnh thổ nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào – nơi hình thành phần lớn dòng chảy xuống hạ du – hoàn toàn không có trạm quan trắc hoặc số liệu rất hạn chế, đặc biệt thiếu chuỗi dữ liệu mưa thực tế.
• Trên phần lưu vực thuộc Việt Nam có 23 trạm đo mưa nhưng phân bố không đều, chủ yếu tập trung tại vùng đồng bằng và trung du; có tới 9 trong tổng số 23 trạm có chuỗi số liệu bị ngắt quãng, thiếu liên tục.
• Các quy hoạch thủy lợi trước đây (như quy hoạch lưu vực sông Cả giai đoạn 2014 của Viện Quy hoạch Thủy lợi) chủ yếu tính toán dựa trên số liệu nội địa, phần thượng lưu ngoài biên giới phải dùng số liệu giả định hoặc bỏ trống, làm giảm mức độ chính xác của các mô hình dòng chảy.

Mục tiêu nghiên cứu

1. Nghiên cứu, khai thác, phân tích lựa chọn dữ liệu mưa vệ tinh phù hợp để bổ sung thêm trạm mưa giả định cho các khu vực trên lưu vực còn thiếu trạm đo và thiếu tài liệu mưa thực đo, bổ sung số liệu mưa tháng cho các trạm đo không liên tục nhằm nâng cao độ tin cậy trong tính toán dòng chảy phục vụ quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai.
2. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám (dữ liệu mưa vệ tinh và dữ liệu mô hình số độ cao DEM) trong mô phỏng dòng chảy mặt cho lưu vực sông Cả, đặc biệt là mô phỏng dòng chảy xuyên biên giới cho phần thượng lưu có phần lớn diện tích nằm ở nước CHDCND Lào không có tài liệu mưa thực đo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Dòng chảy mặt phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai ở lưu vực sông nói chung và sông Cả nói riêng.
• Phạm vi không gian: Toàn bộ lưu vực sông Cả, trong đó tập trung nghiên cứu chi tiết hai nhánh sông xuyên biên giới nằm ở thượng lưu là Nậm Mô và Nậm Nơn.
• Phạm vi thời gian: Mô phỏng quá trình dòng chảy trên lưu vực sông Cả từ năm 1982 đến 2019; mô phỏng các trận lũ trong giai đoạn 2011 đến 2019; phân tích và lựa chọn dữ liệu mưa vệ tinh tập trung cho chuỗi 3 năm từ 2015 đến 2017.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Luận án điểm lại các công trình khoa học quốc tế về ứng dụng viễn thám và mô hình toán trong thủy văn:

• Nguyên lý và ứng dụng viễn thám trong quản lý nước: Sabins (2007) hệ thống hóa nguyên lý viễn thám; Engman và cộng sự (2000) đánh giá viễn thám cung cấp dữ liệu đầu vào địa mạo, thổ nhưỡng, độ ẩm; Bastiaanssen và cộng sự (1998, 2000) phân tích ứng dụng tính bốc thoát hơi nước, nhu cầu nước cây trồng và vai trò của dữ liệu viễn thám trong xây dựng cơ sở dữ liệu chung cho các lưu vực sông quốc tế.
• Các chương trình thực nghiệm khu vực: Sáng kiến TIGER của Ủy ban Vệ tinh Quan sát Trái đất (CEOS) và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) từ năm 2002 tại Châu Phi với 50 dự án (Diego và Francesco, 2007) như dự án AQUIFER, mô phỏng lưu vực Souss-Massa (Ma-rốc), giám sát hồ Nyos (Cameroon), lưu vực sông Niger và Okavango; các ứng dụng của Ấn Độ khai thác ảnh IRS P6 LISS-3, LISS-4, Cartosat-1, Cartosat-2 để trích xuất mạng lưới sông và giám sát công trình thủy lợi (Bhatt và cộng sự, 2010); Ủy hội sông Mê Công quốc tế (MRC) ứng dụng khung mô hình RHEAS tích hợp mưa vệ tinh CHIRPS, dữ liệu NCEP, SMAP/SMOS độ phân giải 0,25° để cảnh báo hạn (Ibrahim và cộng sự, 2018 dùng SWAT kết hợp TRMM/GPM và DEM); Mateeul Haq và cộng sự (2012) dùng ảnh MODIS Aqua/Terra xây dựng bản đồ ngập lụt tại Sindh (Pakistan).
• Đánh giá dữ liệu mưa vệ tinh và DEM: Yves Tramblay và cộng sự (2016) so sánh TRMM-3B42 v6/v7, RFE 2.0, PERSIANN-CDR, CMORPH1.x tại lưu vực Makhazine (Ma-rốc); Fei Yuan và cộng sự (2019) so sánh TRMM (3B42RT, 3B42V7) và GPM (IMERG Final/Early/Late), GSMaP tại Myanmar với chỉ số NSE mô phỏng lũ đạt 0,828 - 0,868; Yudong Tian và cộng sự (2013) đánh giá sai số dữ liệu TMPA 3B42RT; M. Rexer và cộng sự (2014) so sánh sai số DEM ASTER GDEM2 và SRTM tại Úc; Johanna Ngula Niipele và cộng sự (2019) phân tích DEM ALOS-PALSAR kết hợp NDVI trích xuất mạng lưới dòng chảy.
• Mô hình toán phân bố và thông số gộp: Hafiz và cộng sự (2012, 2014) ứng dụng mô hình IFAS tích hợp GSMaP tại lưu vực sông Dungun và Kelantan (Malaysia); các nghiên cứu nền tảng của mô hình SWAT (Arnold và Williams 1987; Arnold và cộng sự 1985, 1993; Mamillapalli và cộng sự 1996; Orzol và McGrath 1992; Wilson 1999).

Các hướng nghiên cứu trong nước

• Quy hoạch thủy lợi và thủy văn truyền thống trên lưu vực sông Cả: Nguyễn Quang Trung (2014) nghiên cứu dòng chảy kiệt hạ du sông Cả, sông Mã; Nguyễn Văn Tuấn (2014) ứng dụng MIKE NAM, MIKE 11 và MIKE 21 đánh giá thoát lũ miền Trung; Hoàng Thanh Tùng (2011) dự báo mưa lũ phục vụ vận hành liên hồ chứa sông Cả; các dự án quy hoạch lưu vực sông Cả (Viện Quy hoạch Thủy lợi, 2014) và quy hoạch thủy lợi miền Trung (Viện Quy hoạch Thủy lợi và Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, 2012).
• Ứng dụng dữ liệu viễn thám đơn lẻ: Bùi Chí Nam (2017) dùng GPM và PERSIANN cảnh báo ngập TP. Hồ Chí Minh; Bùi Thị Khánh Hòa và cộng sự (2009) đánh giá số liệu NCEP/NCAR, TRMM, APHRODITE; Vũ Thanh Hằng và cộng sự (2018) đánh giá mưa vệ tinh GSMaP tại Trung Bộ giai đoạn 2000-2010; Văn Công Quốc Anh và Lê Văn Trung (2004) dùng DEM ASTER và mô hình VRSAP tại Bình Định; Nguyễn Đắc Vệ và Nguyễn Văn Thảo (2013) dùng ảnh ALOS Prism thành lập DEM; Nguyễn Thị Hữu Phương và cộng sự (2017), Trần Đức Phú (2010) nghiên cứu công nghệ LiDAR trong mô hình hóa bề mặt và ngập lụt.
• Kết hợp viễn thám và mô hình thủy văn: Duy Chinh Dinh và cộng sự (2014) áp dụng mô hình IFAS trên lưu vực sông Bằng Giang (Cao Bằng); Nguyễn Kim Lợi và Trần Thống Nhất (2007, 2009) ứng dụng viễn thám và GIS; Nguyễn Thanh Sơn và Nguyễn Quốc Anh (2015) khai thác mưa vệ tinh dự báo lũ sông Mê Kông; Trịnh Minh Ngọc (2009) ứng dụng mô hình SWAT.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trong nước trước đây chủ yếu sử dụng mô hình toán với dữ liệu thực đo truyền thống hoặc chỉ thử nghiệm dữ liệu viễn thám cục bộ trên phạm vi nội địa. Chưa có nghiên cứu nào thực hiện đánh giá, so sánh có hệ thống giữa các nguồn dữ liệu mưa vệ tinh độ phân giải cao và các mô hình DEM toàn cầu để lựa chọn nguồn dữ liệu tối ưu đưa vào mô hình thủy văn thông số tập trung (MIKE NAM) và mô hình thủy văn phân bố (IFAS) nhằm giải quyết bài toán dòng chảy xuyên biên giới tại các vùng thượng lưu không có trạm đo của lưu vực sông Cả.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Luận án sử dụng hai mô hình toán học làm công cụ mô phỏng thủy văn:

1. Mô hình thông số tập trung MIKE NAM (thuộc bộ phần mềm MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch - DHI): Mô phỏng chu trình nước liên tục trên lưu vực thông qua hệ thống 3 tầng trữ:
   • Tầng trữ bề mặt (Surface storage - $U$): Giới hạn bởi dung tích $U_{max}$. Khi lượng nước vượt quá $U_{max}$, lượng nước dư thừa $P_N$ tham gia vào dòng chảy tràn mặt đất ($QOF$) và thấm xuống tầng rễ. Lượng dòng chảy tràn được xác định theo công thức: $$QOF = \begin{cases} CQOF \cdot \frac{L/L_{max} - TOF}{1 - TOF} \cdot P_N & \text{khi } L/L_{max} > TOF \ 0 & \text{khi } L/L_{max} \le TOF \end{cases}$$ Trong đó: $CQOF$ là hệ số dòng chảy tràn ($0 \le CQOF \le 1$), $TOF$ là ngưỡng dòng chảy tràn ($0 \le TOF \le 1$), $L$ và $L_{max}$ là dung tích độ ẩm thực tế và tối đa của tầng rễ.
   • Tầng trữ thấp hay tầng rễ (Lower zone storage - $L$): Kiểm soát quá trình bốc thoát hơi nước thực tế $E_a$ theo phương trình: $$E_a = (E_p - U) \cdot \frac{L}{L_{max}}$$ với $E_p$ là bốc thoát hơi nước tiềm năng.
   • Tầng trữ nước ngầm (Groundwater storage): Tiếp nhận lượng nạp ngấm $G$ từ tầng rễ và điều tiết dòng chảy cơ bản $BF$ vào sông ngòi qua hệ số thoát nước ngầm $CKBF$.
2. Mô hình thủy văn phân bố IFAS (Integrated Flood Analysis System do ICHARM và PWRI phát triển): Cấu trúc lõi dựa trên mô hình PWRI-DHM, chia lưu vực thành mạng lưới ô lưới 2 chiều. Tại mỗi ô lưới, chu trình thủy văn được mô phỏng qua 4 bể chứa: bể chứa nước mặt (surface tank), bể chứa tầng chưa bão hòa (unsaturated tank), bể chứa nước ngầm (aquifer tank) và bể chứa dòng chảy trong sông (river course tank).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án phối hợp 5 phương pháp nghiên cứu khoa học:

• Phương pháp kế thừa: Kế thừa kết quả các nghiên cứu về khí tượng, thủy văn, địa chất, địa hình và quy hoạch đã công bố trên lưu vực sông Cả.
• Phương pháp điều tra, thu thập số liệu: Thu thập tài liệu khí tượng thực đo tại 23 trạm, tài liệu lưu lượng thực đo tại các trạm thủy văn (Quỳ Châu, Nghĩa Khánh, Mường Xén, hồ Bản Vẽ), bản đồ địa hình, bản đồ thổ nhưỡng, bản đồ thảm phủ và tải về các bộ dữ liệu viễn thám không gian.
• Phương pháp phân tích thống kê: Đánh giá độ chính xác của dữ liệu viễn thám và kiểm định mô hình qua các chỉ số: hệ số tương quan Pearson ($r$), hệ số xác định ($R^2$), sai số toàn phương trung bình ($RMSE$), sai số tuyệt đối trung bình ($MAE$), chỉ số hiệu quả mô hình Nash-Sutcliffe ($NSE$) và tỷ lệ sai số đỉnh lũ ($\Delta Q$).
• Phương pháp mô hình toán: Thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE NAM và mô hình IFAS.
• Phương pháp hội thảo và xin ý kiến chuyên gia: Tham vấn các chuyên gia trong lĩnh vực tài nguyên nước, viễn thám và quy hoạch thủy lợi để chuẩn hóa các tham số và kịch bản mô phỏng.

Nguồn tư liệu và dữ liệu sử dụng

• Dữ liệu mưa vệ tinh: Khảo sát 04 tập dữ liệu mưa vệ tinh độ phân giải cao gồm CHIRPS ($0,05^\circ \times 0,05^\circ$), GSMaP (gồm các dòng sản phẩm GSMaP_NRT, GSMaP_MVK, GSMaP_Gauge với độ phân giải $0,1^\circ \times 0,1^\circ$), GPM ($0,1^\circ \times 0,1^\circ$) và CMORPH ($0,25^\circ \times 0,25^\circ$).
• Dữ liệu mô hình số độ cao (DEM): Khảo sát 03 nguồn dữ liệu độ cao toàn cầu miễn phí gồm SRTM (độ phân giải 30m và 90m), ASTER GDEM (độ phân giải 30m) và ALOS AW3D30 / ALOS PALSAR (độ phân giải 12,5m - 30m).
• Công cụ GIS: Sử dụng phần mềm mã nguồn mở QGIS để biên tập, xử lý lớp phủ, cấu trúc thổ nhưỡng và trích xuất đặc trưng lưu vực.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử phát triển của công nghệ viễn thám từ vệ tinh Sputnik (1957), Landsat (1972) đến vệ tinh VNREDSat-1 của Việt Nam (phóng ngày 07/5/2013). Chương này tổng thuật các công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam theo ba nhóm nội dung:

1. Nghiên cứu ứng dụng viễn thám trong quy hoạch thủy lợi, quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai (các dự án TIGER ở Châu Phi, các nghiên cứu tại Ấn Độ, lưu vực sông Mê Công và cảnh báo ngập lụt tại Pakistan, Nepal).
2. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám cung cấp thông tin mưa và mô hình số độ cao (DEM) cho mô phỏng thủy văn.
3. Nghiên cứu kết hợp dữ liệu viễn thám với các mô hình toán học (SWAT, IFAS, HEC-HMS, MIKE).

Chương 1 rút ra đánh giá: Dữ liệu viễn thám có ưu thế lớn về tính bao phủ không gian liên tục, không bị giới hạn bởi ranh giới hành chính hay địa hình chia cắt. Tuy nhiên, các nghiên cứu trong nước đối với các lưu vực sông xuyên biên giới như sông Cả còn bỏ ngỏ phần diện tích thượng lưu bên ngoài lãnh thổ, chưa tận dụng triệt để nguồn dữ liệu vệ tinh để bù đắp thiếu hụt quan trắc mặt đất.

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và số liệu sử dụng trong nghiên cứu

Chương 2 luận giải chi tiết 5 bước của quy trình nghiên cứu, đặc điểm tự nhiên - thủy văn lưu vực sông Cả, đồng thời tiến hành so sánh, lựa chọn mô hình toán và nguồn dữ liệu viễn thám tối ưu:

Hạng mục so sánh	Các phương án khảo sát	Kết quả phân tích và lựa chọn của luận án
Mô hình toán mô phỏng dòng chảy	MIKE 11, MIKE BASIN, MIKE SHE, MIKE NAM, SSARR, HEC-HMS, MARINE, TANK, DIMOSOP, SWAT, IFAS	Lựa chọn MIKE NAM (mô hình thông số tập trung, hiệu quả mô phỏng dòng chảy liên tục nhiều năm) và IFAS (mô hình phân bố ô lưới, liên kết trực tiếp dữ liệu mưa/DEM vệ tinh mô phỏng lũ).
Phần mềm GIS	ArcGIS, MapInfo, QGIS, GRASS GIS	Lựa chọn phần mềm mã nguồn mở QGIS để xử lý không gian, phân loại đất và thảm phủ.
Dữ liệu mưa vệ tinh	CHIRPS, GSMaP (NRT, MVK, Gauge), GPM, CMORPH	Đánh giá so sánh với số liệu 12 trạm mưa thực tế (2015–2017) qua khả năng bắt ngày mưa, ngày không mưa, hệ số $r$, $R^2$, $RMSE$, $MAE$. CHIRPS có tương quan lượng mưa tháng cao nhất, thích hợp bổ sung trạm giả định cho NAM; GSMaP có độ phân giải thời gian 1 giờ phù hợp mô phỏng lũ trong IFAS.
Dữ liệu mô hình số độ cao (DEM)	SRTM (30m), ASTER GDEM (30m), ALOS (30m)	So sánh cao độ với bản đồ địa hình theo 3 vùng: Đồng bằng, Trung du và Vùng núi. Dữ liệu ALOS và SRTM có độ sai lệch thấp nhất và tương quan cao nhất với địa hình thực tế tại vùng núi hiểm trở thượng nguồn sông Cả.

Chương 2 đồng thời trình bày công thức toán học mô tả 3 tầng trữ trong mô hình NAM, cấu trúc 4 bể chứa của mô hình phân bố IFAS và phân tích sai số độ cao của từng nguồn DEM trên các dạng địa hình lưu vực sông Cả.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong tính toán dòng chảy lưu vực sông Cả

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm ứng dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy mặt trên lưu vực sông Cả qua hai nội dung chính:

1. Kết hợp mưa vệ tinh CHIRPS và mưa thực đo trong mô hình NAM

• Thiết lập mô hình: Thiết lập mô hình NAM cho các lưu vực sông nhánh gồm Quỳ Châu (sông Hiếu), Nghĩa Khánh (sông Sào) và Mường Xén (thượng nguồn sông Cả).
• Bổ sung trạm mưa giả định: Bố trí bổ sung các trạm mưa giả định trích xuất từ dữ liệu CHIRPS vào các tiểu lưu vực thiếu trạm đo thực tế, đặc biệt tại khu vực thượng nguồn giáp biên giới Lào.
• Kết quả mô phỏng: So sánh dòng chảy mô phỏng khi chỉ sử dụng mưa thực đo và khi kết hợp thêm trạm mưa giả định CHIRPS:
  • Tại trạm Quỳ Châu và Nghĩa Khánh: Kết quả mô phỏng dòng chảy khi có bổ sung trạm mưa CHIRPS cải thiện rõ rệt đường quá trình lưu lượng, hệ số tương quan $r$ và chỉ số $NSE$ tăng so với trường hợp chỉ dùng trạm thực đo thưa thớt.
  • Tại trạm Mường Xén (lưu vực có phần lớn diện tích thuộc Lào): Khi chỉ dùng mưa thực đo hạn chế, mô hình không tái hiện được các đỉnh dòng chảy; khi kết hợp các trạm mưa giả định CHIRPS, lưu lượng trung bình tháng nhiều năm và đường quá trình dòng chảy tính toán bám sát số liệu thực đo.

2. Kết hợp dữ liệu viễn thám và mô hình IFAS mô phỏng dòng chảy lũ

• Phạm vi và thiết lập: Áp dụng mô hình IFAS cho lưu vực sông Nậm Nơn và Nậm Mô thuộc thượng lưu sông Cả, tính toán lưu lượng lũ đổ về hồ chứa thủy điện Bản Vẽ.
• Dữ liệu đầu vào viễn thám: Sử dụng DEM ALOS/SRTM để phân chia mạng lưới lưu vực và tiểu lưu vực; sử dụng bản đồ phân loại đất và lớp phủ bề mặt viễn thám; nhập trường mưa giờ lũy tích từ vệ tinh GSMaP.
• Mô phỏng và kiểm định các trận lũ:
  • Trận lũ tháng 6/2011: Sau khi hiệu chỉnh tham số độ thấm và sức cản nhám ô lưới, kết quả mô phỏng đạt hệ số tương quan $r$ và chỉ số $NSE$ cao, sai số lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng lũ về hồ Bản Vẽ giảm đáng kể so với trước khi hiệu chỉnh.
  • Trận lũ từ ngày 10/8 đến 10/9/2018: Mô hình IFAS tái hiện sát diễn biến dòng chảy lũ liên tục trong 1 tháng về hồ Bản Vẽ.
  • Trận lũ từ ngày 01 đến 10/8/2019: Kết quả mô phỏng kiểm định cho thấy quá trình lũ tính từ mưa GSMaP phù hợp với lưu lượng thực đo về hồ cả về thời gian xuất hiện đỉnh và biên độ đỉnh lũ.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

1. Về mặt khoa học và phương pháp luận:
   • Xác định và định lượng được mức độ phù hợp của các nguồn dữ liệu mưa vệ tinh độ phân giải cao (CHIRPS, GSMaP, GPM, CMORPH) và dữ liệu mô hình số độ cao DEM (ALOS, ASTER, SRTM) đối với điều kiện địa hình, khí hậu lưu vực sông Cả.
   • Thiết lập quy trình khoa học trong việc tạo lập các trạm mưa giả định từ dữ liệu viễn thám để bù đắp các khoảng trống dữ liệu quan trắc mặt đất (trạm đo bị ngắt quãng hoặc lưu vực không có trạm đo).
2. Về mặt ứng dụng thực tiễn:
   • Làm rõ phương pháp tích hợp dữ liệu mưa vệ tinh và DEM vào mô hình thủy văn thông số tập trung MIKE NAM và mô hình thủy văn phân bố IFAS.
   • Giải quyết thành công bài toán mô phỏng dòng chảy và tính toán lũ xuyên biên giới cho các nhánh sông thượng nguồn Nậm Mô và Nậm Nơn (nơi 34,8% diện tích lưu vực nằm trên lãnh thổ Lào không có số liệu quan trắc), cung cấp chuỗi số liệu dòng chảy đầu vào tin cậy cho công tác quy hoạch thủy lợi, cân bằng nước và vận hành an toàn hồ chứa Bản Vẽ.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Đề xuất các cơ quan quản lý và tư vấn quy hoạch (Viện Quy hoạch Thủy lợi, các ban quản lý lưu vực sông) áp dụng quy trình tích hợp dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS/GSMaP và DEM ALOS vào công tác tính toán dòng chảy cho các lưu vực sông có phần diện tích ngoài biên giới hoặc vùng sâu vùng xa thiếu trạm quan trắc.
• Kiến nghị tiếp tục duy trì và cập nhật cơ sở dữ liệu viễn thám định kỳ, kết hợp với các mô hình phân bố để nâng cao năng lực cảnh báo lũ quét, ngập lụt và quản lý tổng hợp tài nguyên nước lưu vực sông Cả.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Chuỗi số liệu mưa vệ tinh được phân tích, so sánh chi tiết với các trạm quan trắc mặt đất tập trung chủ yếu trong thời đoạn 3 năm (2015–2017) do tính sẵn có và đồng bộ của chuỗi tài liệu đo đạc tại thời điểm thực hiện.
• Mạng lưới trạm khí tượng thủy văn thực đo ở vùng thượng nguồn phía Lào hoàn toàn không có, do đó việc kiểm chứng dữ liệu mưa vệ tinh tại khu vực này chủ yếu dựa vào đánh giá gián tiếp thông qua lưu lượng dòng chảy thực đo tại các trạm kiểm soát hạ lưu (như trạm Mường Xén và lưu lượng đến hồ Bản Vẽ).
• Nghiên cứu mô hình phân bố IFAS mới tập trung kiểm định chi tiết trên lưu vực sông Nậm Nơn và Nậm Mô đổ về hồ Bản Vẽ, chưa bao phủ toàn bộ các phụ lưu nhỏ khác ở hạ lưu.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Mở rộng đánh giá các sản phẩm mưa vệ tinh và DEM thế hệ mới có độ phân giải không gian và thời gian cao hơn trên chuỗi số liệu quan trắc dài hơn.
• Triển khai ứng dụng mô hình IFAS tích hợp mưa vệ tinh thời gian thực (near real-time) nhằm xây dựng hệ thống tự động dự báo và cảnh báo sớm lũ, ngập lụt cho toàn bộ lưu vực sông Cả.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn phục vụ các nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy văn học, Kỹ thuật công trình thủy và Công nghệ viễn thám - GIS; đặc biệt có giá trị tham khảo về phương pháp đánh giá sai số dữ liệu vệ tinh và kỹ thuật thiết lập trạm mưa giả định trong mô hình NAM.
• Kỹ sư quy hoạch và cán bộ kỹ thuật: Tại Viện Quy hoạch Thủy lợi, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia; có thể áp dụng trực tiếp quy trình tích hợp mô hình phân bố IFAS với dữ liệu GSMaP và DEM ALOS để giải quyết bài toán thủy văn lưu vực xuyên biên giới thiếu dữ liệu.
• Cơ quan quản lý nhà nước: Các Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn các tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh, Thanh Hóa tham khảo cơ sở khoa học để xây dựng phương án phòng chống lũ lụt và điều tiết nguồn nước liên hồ chứa.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao việc tính toán dòng chảy lưu vực sông Cả bằng phương pháp truyền thống gặp khó khăn?

Phương pháp thủy văn truyền thống phụ thuộc hoàn toàn vào mạng lưới trạm đo mưa mặt đất. Lưu vực sông Cả có 34,8% diện tích nằm trên lãnh thổ Lào (nơi hình thành dòng chảy thượng lưu) hoàn toàn không có trạm đo mưa. Tại Việt Nam, 23 trạm đo mưa phân bố không đều và có 9 trạm số liệu ngắt quãng, khiến dữ liệu đầu vào cho các mô hình thủy văn truyền thống bị thiếu hụt hoặc phải giả định, làm giảm độ chính xác mô phỏng dòng chảy.

2. Luận án đã so sánh và lựa chọn những nguồn dữ liệu viễn thám nào?

Luận án đã đánh giá 04 nguồn mưa vệ tinh (CHIRPS, GSMaP, GPM, CMORPH) và 03 nguồn DEM (SRTM, ASTER GDEM, ALOS). Kết quả lựa chọn dữ liệu mưa CHIRPS cho tính toán dòng chảy tháng/năm trong mô hình NAM; dữ liệu GSMaP cho mô phỏng dòng chảy lũ giờ trong mô hình IFAS; và dữ liệu DEM ALOS kết hợp SRTM cho phân chia lưu vực và trích xuất đặc trưng địa hình.

3. Phương pháp bố trí trạm mưa giả định từ vệ tinh trong mô hình NAM mang lại kết quả gì?

Dữ liệu mưa tháng từ vệ tinh CHIRPS được trích xuất tại các tọa độ thiếu trạm quan trắc (vùng thượng nguồn và lưu vực phía Lào) để đóng vai trò như các trạm đo mưa giả định. Kết quả cho thấy hệ số tương quan $r$ và chỉ số $NSE$ của dòng chảy mô phỏng tại các trạm Quỳ Châu, Nghĩa Khánh và Mường Xén tăng lên rõ rệt, đường quá trình lưu lượng tính toán bám sát thực đo so với khi chỉ dùng số liệu trạm đo mặt đất thưa thớt.

4. Mô hình IFAS kết hợp dữ liệu viễn thám đã mô phỏng những trận lũ nào trên lưu vực sông Cả?

Mô hình IFAS sử dụng dữ liệu mưa giờ GSMaP và DEM ALOS/SRTM đã mô phỏng và kiểm định thành công các trận lũ lớn đổ về hồ Bản Vẽ trên nhánh sông Nậm Nơn: trận lũ tháng 6/2011, trận lũ từ 10/8 đến 10/9/2018 và trận lũ từ 01/8 đến 10/8/2019, cho kết quả lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng lũ phù hợp với thực đo sau khi hiệu chỉnh tham số.

5. Đóng góp cốt lõi của luận án đối với công tác quy hoạch thủy lợi là gì?

Luận án đã giải quyết bài toán thiếu số liệu quan trắc tại lưu vực sông xuyên biên giới bằng cách kết hợp công nghệ viễn thám (mưa vệ tinh, DEM) với mô hình thông số tập trung MIKE NAM và mô hình phân bố IFAS, tạo ra công cụ tính toán dòng chảy mặt đáng tin cậy phục vụ quy hoạch nguồn nước và phòng chống thiên tai cho lưu vực sông Cả.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Bùi Tuấn Hải đã giải quyết vấn đề thiếu hụt dữ liệu quan trắc khí tượng thủy văn tại phần thượng lưu xuyên biên giới của lưu vực sông Cả thông qua việc tích hợp dữ liệu viễn thám với mô hình toán. Nghiên cứu đã đánh giá, lựa chọn thành công nguồn dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS, GSMaP và DEM ALOS/SRTM làm dữ liệu đầu vào cho mô hình thủy văn MIKE NAM và IFAS. Kết quả mô phỏng dòng chảy nhiều năm và các trận lũ lịch sử tại hồ Bản Vẽ, Mường Xén, Quỳ Châu đạt độ tương quan cao với số liệu thực tế, khẳng định tính khả thi và hiệu quả của phương pháp tiếp cận trong quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG QUY HOẠCH THỦY LỢI VÀ PHÒNG CHỐNG THIÊN TAI 1.1 Tổng quan về công nghệ viễn thám Ngày 4/10/1957 vệ tinh nhân tạo “Sputnik” đầu tiên của loài người được Liên Xô phóng lên quỹ đạo trái đất. Mặc dù chỉ có 3 tháng tồn tại trong không gian nhưng vệ tinh này đã chuyển về cho con người rất nhiều thông tin bề mặt trái đất bằng tín hiệu radio đã được mã hóa. Những năm tiếp theo sự kiện lịch sử này, hàng loạt các vệ tinh nhân tạo khác đã được nhiều cường quốc vũ trụ phóng lên quỹ đạo xung quanh trái đất với các mục tiêu và nhiệm vụ khác nhau. Sau ngày 20/7/1969 cuộc tranh đua giữa hai cường quốc vũ trụ là Liên Xô và Mỹ đưa người đầu tiên lên mặt trăng ngã ngũ, cùng với công nghệ chế tạo và khai thác vệ tinh nhân tạo không ngừng tiến bộ, các cường quốc vũ trụ và các nhà khoa học bắt đầu đầu tư nghiên cứu chế tạo vệ tinh viễn thám phục vụ riêng cho các mục đích phát triển kinh tế - xã hội.

Năm 1972, lần đầu tiên vệ tinh viễn thám Landsat đã cung cấp các bức ảnh rõ nét về bề mặt trái đất. Năm 2011, Đại hội đồng Liên Hiệp Quốc (LHQ) đã thông qua Nghị quyết lấy ngày 12/4 hằng năm là Ngày quốc tế con người bay vào vũ trụ. Nghị quyết do Nga đề xuất nhằm kỷ niệm 50 năm nhà du hành vũ trụ Yuri Gagarin thực hiện chuyến bay đầu tiên của con người vào vũ trụ (12- 4-1961). Viễn thám là khoa học nghiên cứu thu thập thông tin về các sự vật và hiện tượng trên bề mặt trái đất từ khoảng cách xa thông qua các thiết bị công nghệ đo đạc đặc biệt lắp đặt trên các vệ tinh quan sát bề mặt trái đất.

Sabins (2007) [1] , viễn thám là môn khoa học nghiên cứu đo đạc, thu thập thông tin về một đối tượng hoặc hiện tượng bằng cách sử dụng thiết bị đo qua tác động một cách gián tiếp giữa các bức xạ điện từ (các loại tia sáng) với đối tượng hoặc hiện tượng nghiên cứu. Trong hơn 60 năm qua, công nghệ viễn thám không ngừng tiến bộ, số lượng vệ tinh viễn thám ngày càng tăng về số lượng, đa dạng về chủng loại (đa phổ, siêu phổ, radar, quang học), đa dạng về kích thước (micro, vệ tinh nhỏ, vệ tinh), đa dạng về quỹ đạo (quỹ đạo thấp, quỹ đạo cực, quỹ đạo đồng bộ mặt trời) và đang có xu hướng phát triển thành các chùm vệ tinh … Phạm vi ứng dụng của công nghệ viễn thám cũng không ngừng được 6 mở rộng. Đến thời điểm hiện nay, công nghệ viễn thám được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực chính sau đây: - Dự báo thời tiết và dự báo thiên tai thông qua sự biến đổi nhiệt độ bề mặt trái đất, sự di chuyển, nhiễu động của các đám mây và các khối khí quyển bao phủ bề mặt trái đất. - Quản lý tài nguyên nước và chất lượng các nguồn nước trên các vùng lãnh thổ, đặc biệt trên các lưu vực sông thông qua quá trình biến đổi của các yếu tố khí tượng, thời tiết và thảm phủ và các nguồn chất thải trên bề mặt lưu vực.

- Quản lý đất đai thông qua giám sát quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa, quá trình sa mạc hóa, quá trình sạt lở và bồi tụ đất trên các lưu vực sông, quá trình bồi lấn hoặc xâm thực bờ sông, bờ biển, … - Xây dựng các loại bản đồ phục vụ yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội.