Luận văn thạc sĩ về ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong dự báo hạn nông nghiệp tại huyện Tương Dương, Nghệ An

• Tác giả: Sihaphon Phosaly
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Thị Kiên Trinh
• Trường học: Trường Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong dự báo hạn nông nghiệp tại huyện Tương Dương, Nghệ An
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• 1. Tính cấp thiết của đề tài
• 2. Mục tiêu nghiên cứu
• 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 4.1. Cách tiếp cận
• 4.2. Phương pháp nghiên cứu
• 5. Bố cục luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU VÀ VÙNG NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về hạn hán
• 1.2. Khái niệm và phân loại hạn hán
• 1.3. Đặc trưng của hạn hán và nguyên nhân gây ra hạn hán
• 1.4. Tình trạng hạn hán ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG BẢN ĐỒ PHÂN VÙNG HẠN
• 2.1. Phương pháp nghiên cứu hạn hán
• 2.2. Các yếu tố tác động đến hạn hán
• 2.3. Quy trình thành lập bản đồ hạn hán
• 2.3.1. Dữ liệu nghiên cứu
• 2.3.2. Tính toán các chỉ số hạn
• 2.3.2.1. Chỉ số NDVI
• 2.3.2.2. Chỉ số TVDI
• 3. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ HẠN HÁN VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ỨNG PHÓ
• 3.1. Kết quả tính hạn nông nghiệp
• 3.2. Đề xuất giải pháp thích ứng với hạn nông nghiệp trên địa bàn huyện Tương Dương
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 1. Tần suất
• 2. Kiến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tính cấp thiết của đề tài

Hạn hán là một trong những thiên tai nghiêm trọng nhất, đứng thứ ba sau lũ lụt và bão, gây ra thiệt hại lớn về môi trường và kinh tế. Hiện tượng này xảy ra khi lượng mưa thiếu hụt nghiêm trọng kéo dài, dẫn đến suy kiệt nguồn nước trong đất và không khí. Tình trạng hạn hán ở Việt Nam đã trở nên nghiêm trọng hơn do biến đổi khí hậu, ảnh hưởng đến hàng triệu hecta đất nông nghiệp, làm giảm năng suất cây trồng từ 20-30%. Việc ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu hạn hán giúp theo dõi và đánh giá tình hình hiệu quả hơn. Đặc biệt, huyện Tương Dương, Nghệ An, với khí hậu khắc nghiệt và thường xuyên xảy ra hạn hán, là khu vực cần được nghiên cứu sâu hơn. "Nghiên cứu về hiện tượng hạn hán đã thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước". Việc áp dụng công nghệ viễn thám không chỉ giúp dự báo hạn hán mà còn đề xuất các giải pháp ứng phó, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp và giảm thiểu thiệt hại.

II. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là nâng cao hiệu quả dự báo hạn hán cho huyện Tương Dương, tỉnh Nghệ An. Cụ thể, nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý để đánh giá mức độ hạn hán, đồng thời đề xuất các giải pháp ứng phó cho lĩnh vực nông nghiệp. "Ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý nhằm phân vùng, dự báo hạn nông nghiệp" là một trong những mục tiêu cụ thể của nghiên cứu. Điều này không chỉ giúp nâng cao khả năng dự báo mà còn tạo cơ sở cho việc hoạch định chính sách và các biện pháp ứng phó hiệu quả. Bằng cách sử dụng các chỉ số như NDVI và TVDI, nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin chi tiết về tình trạng hạn hán, từ đó giúp các nhà quản lý và nông dân có những quyết định đúng đắn hơn.

III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu bao gồm các yếu tố khí tượng như lượng mưa, nhiệt độ và độ ẩm đất, cũng như các yếu tố địa hình, địa mạo ảnh hưởng đến tình trạng hạn hán. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào huyện Tương Dương, tỉnh Nghệ An, nơi có đặc điểm khí hậu khắc nghiệt và thường xuyên xảy ra hạn hán. Việc xác định rõ đối tượng và phạm vi nghiên cứu là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của kết quả nghiên cứu. "Mức độ hạn hán, khả năng ứng phó của địa phương" cũng sẽ được đánh giá, từ đó giúp đưa ra các giải pháp phù hợp cho từng khu vực cụ thể. Nghiên cứu sẽ sử dụng các phương pháp phân tích dữ liệu từ công nghệ viễn thám để thu thập thông tin cần thiết cho việc đánh giá và dự báo hạn hán.

IV. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng cách tiếp cận đa chiều, kết hợp giữa các mô hình khí hậu toàn cầu và công nghệ viễn thám để thu thập và phân tích dữ liệu. Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc kế thừa các kết quả nghiên cứu trước đó, khảo sát thực địa để thu thập dữ liệu, và sử dụng các mô hình phân tích không gian như ArcGIS. "Phương pháp điều tra, khảo sát thu thập số liệu nhằm đánh giá hiện trạng" sẽ được áp dụng để có cái nhìn tổng quát về tình hình hạn hán. Bên cạnh đó, việc ứng dụng các mô hình về khí hậu và công cụ xử lý ảnh vệ tinh sẽ giúp nâng cao độ chính xác trong việc dự báo hạn hán. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin hữu ích cho việc quản lý và ứng phó với hạn hán tại địa phương.

V. Tổng quan về hạn hán

Hạn hán là hiện tượng tự nhiên có tính chất phức tạp, xảy ra khi lượng mưa thiếu hụt kéo dài, làm giảm nguồn nước trong đất và không khí. Theo các nhà khoa học, hạn hán có thể được phân loại thành hạn khí tượng, hạn nông nghiệp và hạn thủy văn. "Hạn nông nghiệp là hiện tượng thiếu hụt mưa dẫn đến sự suy giảm khả năng sinh trưởng của cây trồng". Nguyên nhân chính của hạn hán bao gồm sự biến đổi khí hậu, thay đổi trong sử dụng đất, và các yếu tố tự nhiên như lượng mưa không đủ. Tình trạng hạn hán ở Việt Nam ngày càng gia tăng, ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp và đời sống của người dân. Việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ viễn thám trong việc theo dõi và dự báo hạn hán là rất cần thiết để giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định kịp thời và hiệu quả.

Tổng quan nghiên cứu

Hạn hán là một trong những thiên tai nghiêm trọng, đứng thứ ba sau lũ lụt và bão tại Việt Nam, gây thiệt hại lớn về môi trường và kinh tế. Trong thập kỷ gần đây, tình trạng hạn hán ngày càng diễn biến phức tạp do biến đổi khí hậu, hiện tượng El Niño và tác động của con người như phá rừng bừa bãi. Tại huyện Tương Dương, tỉnh Nghệ An – vùng núi cao có địa hình phức tạp và khí hậu khắc nghiệt – hạn hán thường xảy ra với tần suất cao, ảnh hưởng trực tiếp đến sản xuất nông nghiệp và sinh kế người dân. Theo ước tính, hạn hán đã làm giảm từ 20-30% năng suất cây trồng, ảnh hưởng đến khoảng 300.000 ha diện tích canh tác, đồng thời làm tăng chi phí chống hạn lên tới 40-50 triệu đồng/ha.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) để phân vùng, dự báo hạn nông nghiệp và đề xuất các giải pháp ứng phó phù hợp cho huyện Tương Dương. Nghiên cứu tập trung vào phân tích các chỉ số hạn hán như NDVI, TVDI dựa trên ảnh vệ tinh Landsat 8 trong giai đoạn 2015-2017, kết hợp với dữ liệu khí tượng, địa hình và sử dụng đất nhằm đánh giá mức độ hạn hán và ảnh hưởng đến nông nghiệp. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước, giảm thiểu thiệt hại do hạn hán gây ra, đồng thời hỗ trợ hoạch định chính sách phát triển bền vững cho địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về hạn hán, bao gồm:

• Lý thuyết phân loại hạn hán theo Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO), phân chia hạn hán thành hạn khí tượng, hạn nông nghiệp, hạn thủy văn và hạn kinh tế xã hội, giúp xác định các khía cạnh khác nhau của hạn hán và tác động của chúng.
• Chỉ số thực vật NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) dùng để đánh giá độ che phủ và sức khỏe thực vật, phản ánh mức độ xanh tươi của thảm thực vật trên bề mặt đất.
• Chỉ số khô hạn nhiệt độ thực vật TVDI (Temperature Vegetation Dryness Index), một chỉ số kết hợp giữa nhiệt độ bề mặt đất (LST) và NDVI, được sử dụng để đánh giá mức độ khô hạn bề mặt đất, đặc biệt hiệu quả trong giám sát hạn nông nghiệp.

Các khái niệm chính bao gồm: chỉ số NDVI, chỉ số TVDI, phân vùng hạn hán, ảnh vệ tinh Landsat 8, GIS, và các yếu tố ảnh hưởng đến hạn hán như lượng mưa, địa hình, loại đất, thảm thực vật.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm ảnh vệ tinh Landsat 8 của USGS (độ phân giải 30m) trong các năm 2015-2017, dữ liệu khí tượng (lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm), bản đồ địa hình số (DEM), bản đồ sử dụng đất và các số liệu điều tra thực địa tại huyện Tương Dương. Cỡ mẫu nghiên cứu tập trung vào toàn bộ diện tích huyện với diện tích tự nhiên hơn 281.000 ha, trong đó có khoảng 901 ha đất nông nghiệp.

Phương pháp phân tích gồm:

• Xử lý ảnh viễn thám: Tính toán chỉ số NDVI và LST từ ảnh Landsat 8, hiệu chỉnh khí quyển bằng phương pháp "dark object subtraction" để đảm bảo độ chính xác.
• Tính toán chỉ số TVDI dựa trên mối quan hệ giữa NDVI và nhiệt độ bề mặt, phân cấp mức độ khô hạn thành 5 cấp độ từ không hạn đến hạn rất nặng.
• Phân tích không gian GIS để xây dựng bản đồ phân vùng hạn hán, kết hợp với các lớp dữ liệu địa hình, sử dụng đất và khí tượng nhằm đánh giá ảnh hưởng hạn hán đến nông nghiệp.
• Khảo sát thực địa và thu thập số liệu để kiểm chứng kết quả phân vùng và đánh giá thực trạng hạn hán.
• Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2015 đến 2018, bao gồm thu thập dữ liệu, xử lý ảnh, phân tích và đề xuất giải pháp.

Phương pháp chọn mẫu là toàn diện, bao phủ toàn bộ huyện nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mức độ hạn hán tại huyện Tương Dương có xu hướng gia tăng trong giai đoạn 2015-2017, với diện tích bị hạn nặng và rất nặng chiếm khoảng 25-30% tổng diện tích đất nông nghiệp. Năm 2016 là năm có mức độ hạn hán nghiêm trọng nhất, với chỉ số TVDI trung bình đạt 0,65, cao hơn 15% so với năm 2015.

2. Phân vùng hạn hán dựa trên chỉ số TVDI cho thấy các khu vực có địa hình dốc cao và đất nghèo dinh dưỡng dễ bị hạn hán hơn, đặc biệt là các xã vùng sâu, vùng xa như Tam Quang và các khu vực lân cận sông Lam. Độ dốc địa hình trên 25° làm giảm khả năng giữ ẩm đất, tăng nguy cơ khô hạn.

3. Ảnh hưởng hạn hán đến sản xuất nông nghiệp rõ rệt, với diện tích cây trồng bị thiệt hại ước tính khoảng 17.000 ha trong năm 2016, giảm năng suất từ 20-30% so với trung bình nhiều năm. Chi phí chống hạn tăng lên khoảng 45 triệu đồng/ha, gây áp lực lớn cho người dân và chính quyền địa phương.

4. Chỉ số NDVI giảm rõ rệt trong mùa khô, phản ánh sức khỏe thực vật suy giảm do thiếu nước, trong khi nhiệt độ bề mặt đất (LST) tăng lên đến 42,7°C vào tháng 7 năm 2016, cao hơn trung bình nhiều năm 3-4°C, làm tăng nguy cơ cháy rừng và suy thoái đất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hạn hán tại huyện Tương Dương là sự kết hợp giữa biến đổi khí hậu toàn cầu, đặc biệt là hiện tượng El Niño làm giảm lượng mưa, cùng với tác động của con người như phá rừng và quy hoạch sử dụng đất chưa hợp lý. Địa hình phức tạp, độ dốc lớn làm giảm khả năng giữ nước của đất, khiến hạn hán diễn ra nghiêm trọng hơn ở các vùng núi cao.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả cho thấy chỉ số TVDI là công cụ hiệu quả và phù hợp để đánh giá hạn nông nghiệp tại các vùng núi có điều kiện khí hậu tương tự. Việc kết hợp dữ liệu viễn thám và GIS giúp cung cấp bản đồ phân vùng hạn hán chi tiết, hỗ trợ công tác dự báo và quản lý tài nguyên nước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện biến động chỉ số TVDI theo năm, bản đồ phân vùng hạn hán theo cấp độ, và bảng so sánh năng suất cây trồng qua các năm để minh họa tác động của hạn hán.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng hệ thống giám sát và dự báo hạn hán tự động dựa trên công nghệ viễn thám và GIS, cập nhật chỉ số TVDI hàng tháng để kịp thời cảnh báo cho các cơ quan quản lý và người dân. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Nghệ An phối hợp với Viện Khoa học Thủy lợi.

2. Phát triển các mô hình tưới tiết kiệm nước và kỹ thuật canh tác thích ứng hạn hán nhằm giảm thiểu thiệt hại cho cây trồng, tăng hiệu quả sử dụng nước tưới. Thời gian: 3 năm; chủ thể: Trung tâm Khuyến nông tỉnh và các hợp tác xã nông nghiệp.

3. Tăng cường trồng rừng và bảo vệ rừng đầu nguồn, đặc biệt ở các khu vực có độ dốc lớn nhằm cải thiện khả năng giữ nước và giảm xói mòn đất. Thời gian: liên tục; chủ thể: Ban Quản lý rừng phòng hộ và chính quyền địa phương.

4. Xây dựng kế hoạch quy hoạch sử dụng đất hợp lý, ưu tiên phát triển các loại cây trồng chịu hạn và phù hợp với điều kiện địa phương, đồng thời hạn chế mở rộng diện tích canh tác trên đất dốc cao. Thời gian: 2 năm; chủ thể: UBND huyện Tương Dương phối hợp với Sở Tài nguyên và Môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý nhà nước về nông nghiệp và tài nguyên nước: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách quản lý hạn hán, quy hoạch sử dụng đất và phát triển nông nghiệp bền vững.

2. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành kỹ thuật tài nguyên nước, khí tượng thủy văn: Tham khảo phương pháp ứng dụng viễn thám và GIS trong đánh giá hạn hán, phát triển các mô hình dự báo và quản lý tài nguyên.

3. Hợp tác xã và nông dân tại các vùng núi, đặc biệt huyện Tương Dương: Áp dụng các giải pháp canh tác thích ứng hạn hán, kỹ thuật tưới tiết kiệm và bảo vệ rừng đầu nguồn.

4. Các tổ chức phi chính phủ và dự án phát triển nông thôn: Sử dụng dữ liệu và đề xuất giải pháp để hỗ trợ cộng đồng ứng phó với hạn hán, nâng cao năng lực quản lý rủi ro thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

1. Chỉ số TVDI là gì và tại sao được sử dụng trong nghiên cứu hạn hán?
   Chỉ số TVDI kết hợp giữa nhiệt độ bề mặt đất và chỉ số thực vật NDVI, phản ánh mức độ khô hạn bề mặt đất. TVDI được sử dụng vì tính đơn giản, khả năng tự động hóa và độ chính xác cao trong giám sát hạn nông nghiệp, đặc biệt phù hợp với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8.

2. Ảnh vệ tinh Landsat 8 có ưu điểm gì trong nghiên cứu hạn hán?
   Landsat 8 cung cấp ảnh với độ phân giải không gian 30m, đa kênh phổ từ ánh sáng nhìn thấy đến cận hồng ngoại, cho phép tính toán chính xác các chỉ số thực vật và nhiệt độ bề mặt, hỗ trợ phân vùng hạn hán chi tiết và theo dõi biến động theo thời gian.

3. Tại sao huyện Tương Dương dễ bị ảnh hưởng bởi hạn hán?
   Huyện có địa hình phức tạp, nhiều núi cao với độ dốc lớn làm giảm khả năng giữ nước của đất. Khí hậu khắc nghiệt, lượng mưa không đều và tác động của biến đổi khí hậu làm tăng nguy cơ hạn hán. Ngoài ra, việc phá rừng và quy hoạch sử dụng đất chưa hợp lý cũng góp phần làm tình trạng hạn hán nghiêm trọng hơn.

4. Giải pháp nào hiệu quả nhất để giảm thiểu thiệt hại do hạn hán?
   Kết hợp các giải pháp như xây dựng hệ thống giám sát và dự báo hạn hán, áp dụng kỹ thuật tưới tiết kiệm, phát triển cây trồng chịu hạn, bảo vệ và trồng rừng đầu nguồn, cùng với quy hoạch sử dụng đất hợp lý sẽ giúp giảm thiểu thiệt hại hiệu quả.

5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các vùng khác không?
   Phương pháp sử dụng chỉ số TVDI và công nghệ viễn thám có thể áp dụng cho nhiều vùng có điều kiện khí hậu và địa hình tương tự, đặc biệt là các khu vực núi cao và có khí hậu khô hạn. Tuy nhiên, cần điều chỉnh các tham số phù hợp với đặc điểm địa phương để đảm bảo độ chính xác.

Kết luận

• Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS cho phép phân vùng và dự báo hạn nông nghiệp chính xác tại huyện Tương Dương, tỉnh Nghệ An.
• Chỉ số TVDI là công cụ hiệu quả trong đánh giá mức độ khô hạn bề mặt đất, hỗ trợ giám sát và quản lý hạn hán.
• Hạn hán tại Tương Dương diễn biến ngày càng nghiêm trọng, ảnh hưởng lớn đến sản xuất nông nghiệp và sinh kế người dân.
• Đề xuất các giải pháp đồng bộ bao gồm giám sát tự động, kỹ thuật tưới tiết kiệm, bảo vệ rừng và quy hoạch sử dụng đất hợp lý.
• Nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho quản lý tài nguyên nước và ứng phó hạn hán tại các vùng núi phía Bắc Trung Bộ, góp phần phát triển bền vững nông nghiệp và kinh tế địa phương.

Tiếp theo, cần triển khai xây dựng hệ thống giám sát hạn hán tự động và thử nghiệm các giải pháp canh tác thích ứng tại thực địa. Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả phòng chống hạn hán.