CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG DỮ LIỆU MODIS TRONG ĐÁNH GIÁ MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT, ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong khu vực Sử dụng kỹ thuật viễn thám trong theo dõi lớp phủ đã được nghiên cứu trên Thế giới từ những năm 80 của thế kỷ trước. Với sự xuất hiện ngày càng nhiều của các hệ thống vệ tinh quan sát Trái đất, việc kết hợp nhiều loại ảnh vệ tinh trong nghiên cứu theo dõi lớp phủ thực vật nói chung cũng như nghiên cứu đánh giá tác động của nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí thông qua chỉ số thực vật nói riêng cũng đã được tiến hành.
Hầu hết các tư liệu viễn thám quang học phổ biến với các chức năng quan trắc bề mặt và lớp phủ thực vật đều được các nhà khoa học thí nghiệm đưa vào các nghiên cứu về tác động của nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí đến lớp phủ thực vật. Mỗi loại tư liệu viễn thám đều có những ưu điểm riêng cho từng mục đích sử dụng, nghiên cứu giám sát, phân tích tác động của nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí đến lớp phủ thực vật thông qua chỉ số thực vật cũng đòi hỏi những đặc tính riêng của tư liệu viễn thám sử dụng mà không phải loại tư liệu nào cũng phù hợp. Đặc biệt trong khoảng 10 năm trở lại đây khi ảnh vệ tinh MODIS được cung cấp miễn phí tới mọi đối tượng, cung cấp một cách hiệu quả các thông tin đáng tin cậy phục vụ cho việc theo dõi, đánh giá biến động của lớp phủ thực vật, nhất là trên quy mô lớn, thông qua chỉ số thực vật. Với sự xuất hiện của đầu thu MODIS trên vệ tinh Terra và Aqua, các nghiên cứu tập trung khai thác các tính năng tốt hơn của đầu thu này (độ phân giải không gian, độ phân giải phổ) trong đánh giá, phân tích nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí và lớp phủ thực vật (rừng).
6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Cơ sở khoa học và phương pháp luận nghiên cứu sử dụng ảnh MODIS trong theo dõi diễn biến lớp phủ thực vật được xác lập dựa trên: - Sử dụng khả năng phổ của ảnh MODIS, với đầy đủ các kênh quan trọng trong quan sát thực vật và độ ẩm không khí cũng như các tham số môi trường. - Sử dụng khả năng phân giải thời gian của ảnh MODIS, tần suất quan sát lớn (với hai vệ tinh Terra và Aqua có khả năng cung cấp ít nhất 2 ảnh/ngày). Bên cạnh đó, các sản phẩm của MODIS đã được chuẩn hóa bởi NASA cùng với các chỉ số được các nhà khoa học trên khắp Thế giới phát triển mang lại cơ sở khoa học và phương pháp luận quan sát lớp phủ thực vật từ ảnh MODIS hàng ngày, hàng tháng. *) Công trình nghiên cứu của Sakamoto (2005, 2006) và Kotera (2007) ở Nhật Bản.
Dựa trên chỉ số thực vật tăng cường EVI và chỉ số nước bề mặt LSWI, Sakamoto đã sử dụng một công cụ toán học là phép lọc WFCP (Wavelet based Filter for determining Crop Phenology) để làm trơn xu thế biến thiên theo thời gian của các chỉ số này, loại bỏ các thăng giáng ngẫu nhiên, qua đó những sinh trưởng và phát triển của thực vật dễ dàng được phân tích và nhận diện. *) Công trình nghiên cứu của Lambin và Ehrlich (1996) đã đưa ra giải thích không gian chỉ số thực vật và nhiệt độ bề mặt đất theo khái niệm của sự bay hơi, sự thoát hơi nước và hợp phần lớp phủ thực vật (hình 1.1) dựa vào các nghiên cứu trước đây. Theo họ, các các thay đổi trong nhiệt độ bề mặt tương quan cao với các thay đổi hàm lượng nước bề mặt trên đất trống. Đất trống khô – chỉ số thực vật thấp, nhiệt độ cao, đất trống ẩm – chỉ số thực vật thấp, nhiệt độ thấp.
Khi phần trăm lớp phủ thực vật tăng, nhiệt độ bề mặt giảm theo nhiều cơ cấu sinh lý. Do đó, các ảnh của tương quan LST-NDVI cho nhiều thông tin hơn so với từng ảnh NDVI hay nhiệt độ bề mặt riêng biệt. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1: Sơ đồ không gian nhiệt độ bề mặt – chỉ số thực vật và quan hệ ý niệm với sự bay hơi, sự thoát hơi nước của cây và phần trăm lớp phủ thực vật *) Theo Sandholt và n. Ts và NDVI kết hợp có thể cung cấp thông tin về điều kiện sức khỏe thực vật và độ ẩm tại bề mặt trái đất.
Khả năng chiết tách những thông tin về cân bằng năng lượng và nước bề mặt hoặc phân loại lớp phủ thực vật thông qua quan hệ giữa Ts và NDVI đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và việc nghiên cứu sự phân tán của các pixel trong không gian nhiệt độ bề mặt – chỉ số thực vật (hình 1.2) sẽ cung cấp thông tin về điều kiện thực vật và độ ẩm bề mặt. Trong không gian [Ts, NDVI], độ dốc của đường hồi quy liên quan đến mức bay hơi của bề mặt, đến kháng trở của lá cây và độ ẩm trung bình của đất. Vị trí của pixel ảnh trong không gian [Ts, NDVI] bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như nhiệt độ, độ phủ thực vật, độ ẩm, độ bốc hơi,. và những đường đồng mức của các yếu tố chính (độ ẩm, độ bay hơi) có thể vẽ được trong tam giác xác định nên không gian [Ts, NDVI] (hình 1.
Với cùng điều kiện khí hậu thì nhiệt độ bề mặt Ts sẽ nhỏ nhất tại những bề mặt có độ bay hơi cực đại do lượng nước bão hòa – tao nên đường đáy “rìa ướt” của tam giác không gian gian [Ts, NDVI]. Ngược lại, tại các bề mặt có độ bay hơi cực đại – tạo nên đường hạn chế trên “rìa khô” của tam giác không gian [Ts, NDVI]. Để lượng hóa quan hệ giữa chỉ số thực vật chuẩn và nhiệt 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com độ bề mặt Ts, nhà nghiên cứu Sandholt (2002) đã đề nghị sử dụng chỉ số khô hạn nhiệt độ - thực vật (TVDI) được xác định theo công thức: Ts−Ts min 𝑇𝐷𝑉𝐼 = (1.1) 𝑎+𝑏∗𝑁𝐷𝑉𝐼−𝑇𝑠 𝑚𝑖𝑛 Ở đây Ts min là nhiệt độ bề mặt cực tiểu trong tam giác xác định rìa ướt, Ts là nhiệt độ quan sát tại pixel ảnh cần tính, NDVI là chỉ số thực vật chuẩn, Tsmax là nhiệt độ bề mặt cực đại quan sát được cho mỗi khoảng giá trị của NDVI. Như vậy điểm mấu chốt để tính được TDVI là xác định được đường rìa khô đối với ảnh đang nghiên cứu và đường rìa khô được mô hình hóa như một xấp xỉ tuyến tính (Ts max = a+b*NDVI) và từ các khoảng giá trị NDVI sẽ tính ra được những pixel với nhiệt độ bề mặt cực đại tương ứng để tính tham số a và b.
TVDI có giá trị 1 tại “rìa khô” và 0 tại “rìa ướt”.2: Chỉ số TVDI của một pixel ảnh [ Ts, NDVI] được xác định như một tỷ lệ giữa đường A = (Ts – Tsmin) và B = (Tsmax – Tsmin) Bên cạnh các sản phẩm chuẩn hóa của MODIS, các nhà nghiên cưu cũng đưa ra một số sản phẩm được tính toán từ dữ liệu MODIS như trường thực vật liên tục (VCF – Vegetation Continuos Field) là sản phẩm ước tính tỷ lệ mỗi điểm ảnh của thảm thực vật che phủ (Hansen et al 2003), và các phương pháp được sử dụng để tạo ra các sản phẩm này cũng đã được mở rộng để lập bản đồ rừng hàng năm từ một chuỗi dữ liệu tổng hợp hàng tháng của MODIS (Potapov et al 2008). 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Như vậy, có thể thấy rằng các nghiên cứu trên Thế giới trong vòng 10 năm qua tập trung nhiều vào việc sử dụng ảnh MODIS để theo dõi lớp phủ thực vật trên quy mô khu vực và đã có những thành tựu đáng kể, cả về mặt lý thuyết cũng như công nghệ. Tình hình nghiên cứu trong nước *) Được kế thừa và phát triển từ nghiên cứu của tác giả Lambin và Ehrlich đã giải thích không gian chỉ số thực vật và nhiệt độ bề mặt theo khái niệm của sự bay hơi, sự thoát hơi nước và hợp phần lớp phủ thực vật và tìm ra mối quan hệ giữa nhiệt độ và chỉ số thực vật mà nhóm tác giả Trần Thị Vân và Nguyễn Hằng Hải tiếp tục mở rộng phương pháp cả về chiều sâu và tính toán bằng những nghiên cứu ở huyện Nhà Bè thuộc TP. Hồ Chí Minh và đã có một số kết quả về mối quan hệ giữa nhiệt độ và chỉ số thực vật: Hình 1.3: Biểu đồ quan hệ T – NDVI của ảnh Landsat 2002 Hình 1.4: Biểu đồ quan hệ T – NDVI của ảnh Aster 2006 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Từ biểu đồ quan hệ T - NDVI hình 1.4 trong 2 ảnh là âm, ta thấy các đối tượng thực vật có đặc điểm chung là chỉ số NDVI càng lớn thì nhiệt độ càng giảm.
Sinh khối cây xanh tăng làm tăng sự bốc thoát hơi nước, sự thoát hơi nước càng lớn và sự truyền nhiệt tiềm ẩn càng lớn khiến cho nhiệt độ bề mặt thấp. Nói chung, nghiên cứu của Trần Thị Vân và Nguyễn Hằng Hải là thực sự hữu ích cho những đánh giá cấp vùng hoặc cấp quốc gia không chỉ riêng vấn đề về giám sát lớp phủ thực vật mà còn liên quan đế vấn đề giám sát hệ thống hạn hán trong nông nghiệp theo thời gian. *) Dựa vào những công trình nghiên cứu của nhóm tác giả Sandholt và n. Trần Hùng đã sử dụng dữ liệu ảnh MODIS thu được từ vệ tinh Terra và Aqua bao gồm 36 kênh trong các dải phổ nhìn thấy, hồng ngoại gần và sóng ngắn và kênh nhiệt với độ phân giải không gian từ 250m, 500m và 1000m.
Để phục vụ cho nghiên cứu này tổng số ảnh MODIS được chọn cho 3 mùa khô là 16 cảnh cho mùa khô 10/2000 – 2/2001, 15 cảnh cho mùa khô 11/2001 – 3/2002 và 17 cảnh cho mùa khô 10/2002 – 3/2003. Giá trị nhiệt độ bức xạ tại đầu thu MODIS cho kênh 31 và 32 được tính theo công thức Plank: (1.2) Ở đây: Ti(Ri) – nhiệt độ bức xạ tính theo độ Kelvin cho từng pixel của kênh i; C1 – hằng số định cỡ (1.1910659 x 10-5 mWm-2sr-1cm4); C2 – hằng số định cỡ (1.438833 cm0K); vi – giá trị bước sóng trung tâm cho kênh i; Ri – bức xạ phổ đã được hiệu chỉnh cho từng pixel của kênh i. Sau đó, giá trị nhiệt độ bề mặt trái đất được tính từ nhiệt độ bức xạ của kênh 31 và 32 (trong dải sóng 10.5μ m sử dụng thuật toán split- windows cho ảnh MODIS (Wan, 1999).