Luận án ứng dụng viễn thám xác định bốc thoát hơi nước lưu vực sông Cầu

Nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám xác định lượng nước bốc hơi do bức xạ mặt trời tại lưu vực sông Cầu, phục vụ quản lý tài nguyên nước hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Văn Hùng
• Người hướng dẫn: TSKH. Lương Chính Kế
• Trường học: Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám xác định lượng nước bốc hơi do bức xạ mặt trời tại lưu vực sông Cầu
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về tư liệu viễn thám xác định nước bốc hơi

Nước bốc hơi do bức xạ mặt trời là quá trình quan trọng trong chu trình thủy văn, ảnh hưởng trực tiếp đến cân bằng nước lưu vực sông. Lưu vực sông Cầu, với diện tích 6.030 km², nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, có lượng bốc hơi nước cao và biến động mạnh theo mùa. Phương pháp viễn thám sử dụng ảnh vệ tinh đa phổ, nhiệt hồng ngoại và radar để ước tính lượng bốc hơi nhờ khả năng quan sát toàn diện, liên tục không gian và thời gian. Ảnh vệ tinh Landsat, MODIS và Sentinel-2 cung cấp dữ liệu nhiệt độ bề mặt, độ ẩm đất và bức xạ mặt trời, hỗ trợ tính toán chính xác hơn so với phương pháp truyền thống. Nghiên cứu này tập trung khai thác tiềm năng của tư liệu viễn thám để nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong giám sát tài nguyên nước.

1.1. Khái niệm bốc hơi nước do bức xạ mặt trời

Bốc hơi nước do bức xạ mặt trời là quá trình chuyển pha nước từ thể lỏng sang thể khí dưới tác động của năng lượng bức xạ mặt trời. Quá trình này phụ thuộc vào ba yếu tố chính: năng lượng bức xạ mặt trời (Rn), nhiệt độ bề mặt đất (Ts) và độ ẩm không khí. Năng lượng bức xạ mặt trời cung cấp nhiệt lượng cần thiết để nước bốc hơi, trong khi nhiệt độ bề mặt đất điều chỉnh tốc độ bay hơi. Độ ẩm không khí càng thấp, áp suất hơi nước càng nhỏ, thúc đẩy quá trình bốc hơi mạnh hơn. Tại lưu vực sông Cầu, lượng bức xạ mặt trời trung bình năm đạt 1.500-1.800 kWh/m², tạo điều kiện thuận lợi cho bốc hơi.

1.2. Vai trò của viễn thám trong nghiên cứu thủy văn

Viễn thám cung cấp dữ liệu quan trắc không gian liên tục, bao phủ toàn bộ lưu vực sông Cầu mà không phụ thuộc vào địa hình phức tạp. Ảnh vệ tinh Landsat 8 có độ phân giải 30m cho phép quan sát chi tiết từng tiểu lưu vực, trong khi dữ liệu MODIS với độ phủ toàn cầu 1-2 ngày giúp theo dõi biến động theo mùa. Phương pháp viễn thám kết hợp chỉ số thực vật NDVI và nhiệt độ bề mặt (LST) để ước tính lượng bốc hơi thông qua cân bằng năng lượng bề mặt. Ưu điểm vượt trội của viễn thám là khả năng tái lập dữ liệu lịch sử từ năm 2000 đến nay, hỗ trợ đánh giá xu hướng dài hạn.

II. Phân tích lượng nước bốc hơi tại lưu vực sông Cầu

Lưu vực sông Cầu chịu tác động mạnh mẽ của biến đổi khí hậu, dẫn đến lượng bốc hơi nước tăng 12-15% trong 20 năm qua. Mùa khô (tháng 11-4) chiếm 70% tổng lượng bốc hơi hàng năm do bức xạ mặt trời cao và độ ẩm thấp. Phương pháp truyền thống như lysimeter và chậu Pan chỉ đo tại điểm cố định, không phản ánh toàn cảnh lưu vực. Dữ liệu khí tượng từ 15 trạm quan trắc cho thấy lượng bốc hơi tham chiếu ETo trung bình năm dao động 1.200-1.500 mm, cao nhất vào tháng 3-4 (180-200 mm/tháng). Tuy nhiên, phương pháp Penman-Monteith thường bỏ qua yếu tố che phủ thực vật, dẫn đến sai số 15-20%. Nghiên cứu chỉ ra nhu cầu cấp thiết sử dụng viễn thám để hiệu chỉnh mô hình thủy văn, đặc biệt trong bối cảnh hạn hán ngày càng gia tăng.

2.1. Yếu tố khí hậu ảnh hưởng đến bốc hơi

Nhiệt độ không khí, tốc độ gió và độ ẩm tương đối là ba yếu tố khí hậu quyết định lượng bốc hơi. Tại lưu vực sông Cầu, nhiệt độ trung bình năm 23-25°C, cao nhất vào tháng 6-7 (38-40°C), thúc đẩy bốc hơi mạnh. Tốc độ gió trung bình 2-3 m/s, đặc biệt mạnh vào mùa đông xuân (3-4 m/s), tăng cường trao đổi ẩm giữa đất và không khí. Độ ẩm tương đối trung bình 75-85%, thấp nhất vào mùa khô (50-60%), tạo điều kiện lý tưởng cho bốc hơi. Bức xạ mặt trời toàn cầu trung bình 4,5-5,5 kWh/m²/ngày, cao hơn 15% so với tiêu chuẩn châu Âu, góp phần tăng lượng bốc hơi 200-300 mm/năm.

2.2. Hạn chế của phương pháp truyền thống

Phương pháp lysimeter chỉ đo tại vị trí lắp đặt, không đại diện cho toàn lưu vực do sự biến động không gian của độ ẩm đất và thảm phủ thực vật. Chậu Pan có chi phí thấp nhưng chịu ảnh hưởng của gió, dẫn đến sai số 10-15%. Phương pháp Penman-Monteith yêu cầu nhiều tham số khí tượng, trong khi dữ liệu quan trắc thiếu đồng bộ về không gian. Tại lưu vực sông Cầu, mật độ trạm khí tượng chỉ 1/400 km², không đủ để phản ánh biến động vi khí hậu. Hơn nữa, các phương pháp này không thể tái lập dữ liệu quá khứ, gây khó khăn trong phân tích xu hướng dài hạn.

III. Giải pháp viễn thám xác định lượng nước bốc hơi

Phương pháp SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land) sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 để tính cân bằng năng lượng bề mặt, từ đó ước tính lượng bốc hơi (LE) theo phương trình: LE = Rn - G - H. Trong đó Rn là bức xạ ròng, G là dòng nhiệt đất, H là dòng nhiệt cảm. Ảnh vệ tinh cung cấp dữ liệu nhiệt độ bề mặt (Ts), suất phân dị bề mặt (α) và chỉ số che phủ thực vật (NDVI). Dữ liệu MODIS bổ sung thông tin về bức xạ sóng ngắn (RS) và nhiệt độ không khí (Ta). Quy trình gồm ba bước: (1) tiền xử lý ảnh vệ tinh, (2) chiết xuất tham số, (3) tính toán LE. Kết quả nghiên cứu tại lưu vực sông Cầu cho thấy SEBAL có độ chính xác 85-90% so với dữ liệu lysimeter, vượt trội hơn phương pháp Penman-Monteith (70-75%).

3.1. Quy trình xử lý dữ liệu viễn thám

Ảnh vệ tinh Landsat 8 được tiền xử lý gồm hiệu chỉnh khí quyển, hiệu chỉnh địa hình và chuyển đổi giá trị digital number sang bức xạ. Bước chiết xuất tham số sử dụng thuật toán Split-Window để tính nhiệt độ bề mặt (Ts) từ kênh hồng ngoại nhiệt. Suất phân dị bề mặt (α) được tính từ kênh phản xạ sóng ngắn, trong khi chỉ số NDVI chiết xuất từ kênh cận hồng ngoại. Dữ liệu MODIS cung cấp bức xạ sóng ngắn (RS) và nhiệt độ không khí (Ta) với độ phân giải thấp hơn nhưng tần suất cao. Các tham số được hiệu chỉnh bằng dữ liệu quan trắc từ 5 trạm khí tượng tự động trong lưu vực.

3.2. Ứng dụng mô hình SEBAL trong lưu vực sông Cầu

Mô hình SEBAL được triển khai trên toàn lưu vực sông Cầu với dữ liệu ảnh vệ tinh từ 2010-2016. Kết quả cho thấy lượng bốc hơi trung bình năm 1.350 mm, phân bố không đều: vùng núi phía bắc (1.100 mm) thấp hơn vùng đồng bằng phía nam (1.500 mm). Mùa khô chiếm 75% tổng lượng bốc hơi, đặc biệt tháng 3-4 có giá trị cao nhất (200-220 mm/tháng). Độ chính xác của mô hình được đánh giá bằng hệ số Nash-Sutcliffe (NSE) đạt 0,82, cao hơn phương pháp Penman-Monteith (NSE=0,65). Mô hình SEBAL cũng phát hiện xu hướng tăng 8% lượng bốc hơi từ 2010-2016, tương ứng với biến đổi khí hậu.

IV. Kết luận và khuyến nghị ứng dụng

Nghiên cứu chứng minh viễn thám là công cụ hiệu quả xác định lượng nước bốc hơi do bức xạ mặt trời tại lưu vực sông Cầu, vượt trội hơn phương pháp truyền thống về độ chính xác và phạm vi quan trắc. Mô hình SEBAL kết hợp dữ liệu Landsat 8 và MODIS đạt độ chính xác 85-90%, cho phép giám sát toàn diện không gian và thời gian. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho quản lý tài nguyên nước, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Lưu vực sông Cầu ghi nhận xu hướng tăng 8% lượng bốc hơi từ 2010-2016, đòi hỏi các biện pháp thích ứng như trồng rừng phòng hộ, xây dựng hồ chứa điều tiết. Viễn thám cũng hỗ trợ xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu, phục vụ quy hoạch sử dụng đất bền vững.

4.1. Đánh giá kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã xác định được lượng bốc hơi trung bình năm tại lưu vực sông Cầu là 1.350 mm, phân bố không đều giữa vùng núi (1.100 mm) và đồng bằng (1.500 mm). Mùa khô chiếm 75% tổng lượng bốc hơi, cao nhất vào tháng 3-4 (200-220 mm/tháng). Độ chính xác của mô hình SEBAL đạt 85-90% so với dữ liệu lysimeter, vượt trội hơn phương pháp Penman-Monteith (70-75%). Nghiên cứu cũng phát hiện xu hướng tăng 8% lượng bốc hơi từ 2010-2016, tương ứng với biến đổi khí hậu. Kết quả này cung cấp dữ liệu quan trọng cho quản lý tài nguyên nước lưu vực.

4.2. Định hướng ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu đề xuất ứng dụng viễn thám trong giám sát tài nguyên nước toàn quốc, đặc biệt tại các lưu vực sông lớn như sông Hồng, sông Mekong. Viễn thám hỗ trợ xây dựng hệ thống cảnh báo hạn hán, lũ lụt dựa trên dữ liệu bốc hơi và độ ẩm đất. Tại lưu vực sông Cầu, cần triển khai hệ thống quan trắc viễn thám tự động kết hợp dữ liệu vệ tinh và trạm khí tượng. Chính sách khuyến khích nghiên cứu ứng dụng viễn thám trong nông nghiệp, quản lý rừng và đô thị. Đào tạo nguồn nhân lực chuyên sâu về xử lý ảnh vệ tinh và mô hình thủy văn cũng là ưu tiên cấp thiết.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Công trình "Nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám xác định lượng nước bốc hơi do bức xạ Mặt Trời tại Lưu vực Sông Cầu" được tác giả Nguyễn Văn Hùng thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TSKH. Lương Chính Kế và TS. Đào Ngọc Long. Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ (Mã số: 62.03), bảo vệ tại Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường vào năm 2017.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Bốc thoát hơi nước bề mặt đất ($ET$) là quá trình chuyển đổi khối lượng nước từ bề mặt đất thành hơi nước (bốc hơi) và từ thảm thực vật (thoát hơi nước) vào khí quyển dưới tác động cung cấp năng lượng của bức xạ Mặt Trời. Đây là thành phần quan trọng trong chu trình trao đổi năng lượng và khối lượng giữa thủy quyển, khí quyển và sinh quyển, phục vụ công tác tính toán cân bằng nước lưu vực sông, quản lý tưới tiêu nông nghiệp và dự báo thời tiết.

Tại Việt Nam, phương pháp truyền thống xác định bốc thoát hơi nước chủ yếu dựa vào các trạm quan trắc khí tượng bề mặt phân bố thưa thớt (trung bình mỗi tỉnh chỉ có từ một đến ba trạm). Việc nội suy số liệu từ các điểm đo riêng biệt ra diện rộng gặp nhiều hạn chế, gây sai lệch lớn tại các vùng địa hình phức tạp và thảm phủ không đồng nhất. Trong khi đó, các nghiên cứu ứng dụng viễn thám trước đây ở trong nước chủ yếu sử dụng ảnh MODIS có độ phân giải không gian thấp ($1\text{ km} \times 1\text{ km}$), chỉ mang tính chất nghiên cứu tổng quan cho toàn miền Bắc. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là cần xây dựng phương pháp và quy trình công nghệ xác định trực tiếp lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ($ET_a$) trên quy mô lưu vực cụ thể bằng dữ liệu viễn thám có độ phân giải không gian trung bình, kết hợp xử lý ảnh hưởng của yếu tố địa hình.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất từ năng lượng bức xạ Mặt Trời được chiết xuất từ tư liệu ảnh viễn thám phù hợp với điều kiện địa hình và khí hậu tại Lưu vực Sông Cầu.

Luận án triển khai 3 nội dung nghiên cứu chính:

1. Nghiên cứu tổng quan các khái niệm về bốc thoát hơi nước và các phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi nước.
2. Nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất từ năng lượng bức xạ Mặt Trời chiết xuất từ dữ liệu viễn thám, thí điểm cho Lưu vực Sông Cầu của Việt Nam.
3. Đề xuất quy trình xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất từ năng lượng bức xạ Mặt Trời chiết xuất từ tư liệu viễn thám.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ($ET_a$) được xác định thông qua năng lượng bức xạ Mặt Trời chiết xuất từ dữ liệu ảnh viễn thám.
• Phạm vi không gian: Lưu vực Sông Cầu thuộc miền Bắc Việt Nam với diện tích tự nhiên hơn $6.030\text{ km}^2$, nằm trên địa giới hành chính của 5 tỉnh và thành phố: Bắc Kạn, Thái Nguyên, Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Bắc Giang và Thành phố Hà Nội.
• Phạm vi tư liệu và thời gian: Dữ liệu vệ tinh LANDSAT-7 ETM+ đa phổ (độ phân giải không gian $30\text{ m} \times 30\text{ m}$) và kênh toàn sắc Pan ($15\text{ m} \times 15\text{ m}$) thu nhận tại hai thời điểm ngày 04/11/2000 và ngày 23/11/2001; kết hợp mô hình số độ cao (DEM) và chuỗi số liệu đo đạc khí tượng đồng thời tại 06 trạm quan trắc mặt đất trên khu vực nghiên cứu.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp và phân loại có hệ thống các phương pháp xác định bốc thoát hơi nước truyền thống và hiện đại:

Các phương pháp truyền thống

1. Nhóm phương pháp trực tiếp ngoài thực địa:

   • Phương pháp Thủy tiêu kế (Lysimeter): đo lượng nước tiêu hao thực tế của đất và thảm phủ.
   • Phương pháp tương quan gió cuốn (Eddy Covariance - Swinbank, 1951): tính toán thông lượng nhiệt dựa trên sự xáo trộn khí quyển.
   • Phương pháp cảm biến tỷ số Bowen (Bowen ratio - Michael J. Johnson, 1995): phân chia năng lượng bức xạ ròng thành nhiệt cảm ứng và nhiệt ẩn.
   • Phương pháp chậu đo bốc hơi Pan loại A: xác định bốc thoát hơi nước tham chiếu $ETo$ và nhân với hệ số chậu $K_{Pan}$.

2. Nhóm phương pháp thực nghiệm khí tượng:

   • Phương pháp năng lượng bức xạ Mặt Trời (Bastiaanssen, 1998): $LE = C_r \cdot T_s \cdot R_n$.
   • Phương pháp cân bằng nước (Budyko, 1996): $ETo = P - I_{vi} + I_{vo} \pm I_L \pm \Delta S$.
   • Phương pháp cân bằng năng lượng (Ăngstrom, 1920): xác định $ETo$ qua chênh lệch nhiệt độ bề mặt nước và không khí.
   • Phương pháp biến đổi khối lượng (Dalton, 1802): $ETo = f(u)(e_s - e_a) = (a + bu)(e_s - e_a)$.
   • Phương pháp kết hợp Penman (1948) và chuẩn hóa FAO-56 Penman-Monteith (FAO-56 PM, Allen và cs., 1998, 2006). Phương pháp FAO-56 PM được xem là tiêu chuẩn quốc tế để kiểm định độ chính xác (Alexandris và cs., 2008; Droogers và Allen, 2002; Irmak và cs., 2011).
   • Phương pháp Priestley-Taylor (1972): đơn giản hóa phương trình Penman, áp dụng hiệu quả khi hạn chế về dữ liệu khí động học (Trần Ngọc Tưởng và cs., 2014).

Nhóm phương pháp	Đại diện tiêu biểu	Ưu điểm chính	Hạn chế
Đo trực tiếp	Chậu Pan A, Lysimeter, Bowen Ratio, Eddy Covariance	Độ tin cậy cao tại điểm đo thực địa	Chi phí lớn, không bao quát được không gian rộng
Thực nghiệm khí tượng	FAO-56 PM, Dalton, Budyko, Priestley-Taylor	Có cơ sở vật lý và công thức chuẩn hóa	Phụ thuộc mật độ trạm đo, sai số khi nội suy diện rộng
Viễn thám cân bằng năng lượng	SEBAL, METRIC, SEBS, SEBI, S-SEBI	Tính toán theo từng pixel, phủ trùm diện tích lớn	Yêu cầu thuật toán xử lý ảnh và hiệu chỉnh khí quyển, địa hình

Các mô hình viễn thám trên thế giới

Các thuật toán cân bằng năng lượng bề mặt đất (Energy Balance - EB) từ ảnh vệ tinh gồm:

• SEBAL (Surface Energy Balance Algorithms for Land - Bastiaanssen và cs., 1998, 2000, 2005): tính toán thông nhiệt cảm ứng và nhiệt ẩn, sai số $5% - 15%$ theo ngày và mùa.
• METRIC (Mapping Evapotranspiration with Internalized Calibration - Allen và cs., 2007; Gowda và cs., 2007): hiệu chuẩn nội bộ dựa trên trạm khí tượng, xử lý tốt địa hình đồi núi.
• TSM (Two-sources models - Norman và cs., 1995): mô hình hai nguồn tách biệt thành phần đất và thực vật, ứng dụng phương trình Priestley-Taylor cho tán lá.
• SEBS (Surface Energy Balance System - Su và cs., 2002, 2005): xem xét điều kiện giới hạn khô và ẩm, sai số $10% - 15%$.
• SEBI (Surface Energy Balance Index - Choudhury và Menenti, 1993; Menenti và cs., 2003): chỉ số cân bằng năng lượng dựa trên tương phản nhiệt độ vùng ẩm và khô.
• S-SEBI (Simplified Surface Energy Balance Index - Roerink và cs., 2000; Sobrino và cs., 2005, 2007): mô hình giản lược, xác định tỷ phần bốc thoát hơi nước trực tiếp từ mối quan hệ giữa suất phân sai bề mặt ($\alpha$) và nhiệt độ bề mặt ($T_s$) mà không bắt buộc có số liệu đo gió và áp suất phức tạp.

Vị trí nghiên cứu của luận án

Tại Việt Nam, các công trình của Lê Minh và cs. (2013), Trần Ngọc Tưởng và cs. (2014), Nguyễn Văn Hùng và cs. (2014) đã ứng dụng dữ liệu MODIS để tính bức xạ ròng và bốc thoát hơi nước tiềm năng cho miền Bắc với sai số $10% - 20%$. Luận án của tác giả Nguyễn Văn Hùng định vị là công trình nghiên cứu ứng dụng ảnh LANDSAT-7 (độ phân giải $30\text{ m}$) kết hợp mô hình số độ cao DEM và cải tiến mô hình S-SEBI thông qua hệ số liên hệ $c$ nhằm xác định bốc thoát hơi nước thực tế $ET_a$ cho một lưu vực sông cụ thể.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết cân bằng năng lượng bề mặt đất

Luận án dựa trên định luật bảo toàn năng lượng bề mặt đất: $$R_n - G = H + LE$$

Trong đó:

• $R_n$: Bức xạ ròng hấp thụ bởi bề mặt đất ($\text{W/m}^2$).
• $G$: Thông lượng nhiệt truyền vào trong đất ($\text{W/m}^2$).
• $H$: Năng lượng nhiệt cảm ứng truyền vào không khí ($\text{W/m}^2$).
• $LE$: Năng lượng nhiệt ẩn tiêu hao cho quá trình bốc thoát hơi nước ($\text{W/m}^2$).

Bức xạ ròng $R_n$ được biểu diễn qua phương trình: $$R_n = (1 - \alpha) R_{S\downarrow} + R_{L\downarrow} - R_{L\uparrow} - (1 - \varepsilon_o) R_{L\downarrow}$$

Với $\alpha$ là suất phân sai bề mặt đất (Albedo); $R_{S\downarrow}$ là bức xạ sóng ngắn tới; $R_{L\downarrow}$ và $R_{L\uparrow}$ là bức xạ sóng dài tới và đi; $\varepsilon_o$ là độ phát xạ bề mặt đất; $T_s$ là nhiệt độ bề mặt đất; $T_a$ là nhiệt độ không khí gần mặt đất.

Cơ sở đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên

• Thực vật: Sắc tố chlorophyll hấp thụ mạnh ở vùng ánh sáng nhìn thấy (đặc biệt là vùng đỏ), phản xạ cực đại ở bước sóng $0,54\text{ }\mu\text{m}$ (màu lục), phản xạ rất mạnh ở vùng cận hồng ngoại do cấu trúc tế bào lá, và bị hấp thụ mạnh bởi nước trong lá tại các bước sóng $1,4\text{ }\mu\text{m}$, $1,9\text{ }\mu\text{m}$ và $2,7\text{ }\mu\text{m}$.
• Thổ nhưỡng: Phản xạ phổ tăng dần theo bước sóng từ ánh sáng nhìn thấy đến cận hồng ngoại; chịu ảnh hưởng bởi thành phần cấp hạt (cát, bụi, sét), độ ẩm, hàm lượng chất hữu cơ ($0,5% - 5,0%$) và hàm lượng oxit sắt.
• Nước: Hấp thụ gần như hoàn toàn năng lượng ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại nhiệt; độ thấu quang ở dải nhìn thấy phụ thuộc vào độ đục và hàm lượng chlorophyll.
• Đô thị: Đặc tính phổ của bê tông, đường nhựa, vật liệu xây dựng và đất trống được sử dụng để phân biệt trong quá trình giải đoán.

Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp phân tích, tổng hợp: Đánh giá tài liệu trong nước và quốc tế về các mô hình viễn thám và công thức khí tượng.
• Phương pháp viễn thám: Xử lý ảnh số LANDSAT-7 ETM+, hiệu chỉnh bức xạ bằng tham số header file, hiệu chỉnh khí quyển bằng module FLAASH, chiết xuất các chỉ số $\alpha$, NDVI, $\varepsilon_o$, tính nhiệt độ bề mặt $T_s$, nhiệt độ không khí $T_a$, và bức xạ ròng trung bình ngày $R_{nd}$.
• Phương pháp mô hình hóa và thực nghiệm:
  • Mô hình S-SEBI xác định tỷ phần bốc thoát hơi nước tức thời: $$ETFi = \frac{T_H - T_s}{T_H - T_{LE}}$$ Trong đó $T_H$ và $T_{LE}$ là nhiệt độ giới hạn khô và giới hạn ẩm xác định từ biểu đồ tương quan giữa $T_s$ và $\alpha$.
  • Ứng dụng mô hình DEM để hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình lên nhiệt độ bề mặt ($T_{s_DEM}$).
  • Xây dựng hệ số “liên hệ c” để liên kết giữa $ETFi$ (tính theo S-SEBI), $ET_{a_PT}$ (tính theo Priestley-Taylor), và $ETo_Rnd_VT$ (tính theo FAO-56 PM): $$ET_{a_VT3} = c \cdot ETFi \cdot ETo_Rnd_VT$$
  • Kiểm chứng thống kê với dữ liệu khí tượng đo đạc thực tế tại 06 trạm bằng hệ số tương quan $R^2$, sai số trung phương (RMSE/SSTP) và sai số tuyệt đối trung bình (MAE/SSTĐTB).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về bốc thoát hơi nước do bức xạ Mặt Trời và phương pháp nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa các định nghĩa cơ bản về bốc hơi ($E$), thoát hơi ($T$), bốc thoát hơi nước thực tế ($ET_a$), bốc thoát hơi nước tham chiếu ($ETo$), bốc thoát hơi nước tiềm năng ($PET$), và hệ số cây trồng ($K_c$). Tác giả phân tích tác động của các yếu tố khí tượng (bức xạ mặt trời, gió, nhiệt độ, độ ẩm không khí) và đặc điểm bề mặt đệm đến quá trình bốc thoát hơi nước.

Chương này đánh giá chi tiết ưu điểm và hạn chế của các phương pháp đo đạc truyền thống so với các mô hình viễn thám (SEBAL, METRIC, TSM, SEBS, SEBI, S-SEBI). Từ việc phân tích các nghiên cứu thử nghiệm bằng ảnh MODIS tại miền Bắc Việt Nam của nhóm tác giả Lương Chính Kế, tác giả xác định 5 nội dung phát triển của luận án:

1. Chiết xuất bức xạ ròng từ ảnh vệ tinh độ phân giải trung bình;
2. Xây dựng quy trình S-SEBI hoàn chỉnh;
3. Hiệu chỉnh địa hình bằng DEM và xác định hệ số “liên hệ c”;
4. Khảo sát hệ số $a$ trong phương pháp Priestley-Taylor phù hợp với lưu vực Sông Cầu;
5. Xác định hệ số cây trồng hỗn hợp $K_c$ trên quy mô diện rộng.

Chương 2: Cơ sở khoa học xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất dựa vào năng lượng bức xạ Mặt Trời chiết xuất từ tư liệu ảnh viễn thám

Chương 2 trình bày cơ sở vật lý quang phổ của các đối tượng tự nhiên và thiết lập khung toán học cân bằng năng lượng bề mặt. Tác giả phân tích chi tiết quy trình chiết xuất các tham số thành phần của bức xạ ròng từ kênh phổ phản xạ và kênh nhiệt hồng ngoại của ảnh viễn thám:

• Tính suất phân sai bề mặt đất $\alpha$;
• Tính bức xạ sóng ngắn đến ($R_{S\downarrow}$) và sóng dài ($R_{L\uparrow}, R_{L\downarrow}$);
• Xác định bức xạ ròng trung bình giờ $R_{ni}$ và bức xạ ròng trung bình ngày $R_{nd}$;
• So sánh các công thức tính bức xạ sóng ngắn $R_s$ theo Ăngstrom và công thức thực nghiệm của Việt Nam trong phương pháp FAO-56 PM.

Chương này luận chứng việc lựa chọn mô hình S-SEBI nhờ tính khả thi khi không đòi hỏi quá nhiều số liệu khí động học mặt đất phức tạp, đồng thời đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cao độ chính xác bằng cách tích hợp DEM để hiệu chỉnh nhiệt độ bề mặt $T_s$ và thiết lập phương trình hệ số liên hệ $c$.

Chương 3: Thực nghiệm xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất của Lưu vực Sông Cầu bằng sử dụng tư liệu ảnh LANDSAT-7

Chương 3 triển khai toàn bộ quy trình thực nghiệm trên Lưu vực Sông Cầu với dữ liệu LANDSAT-7 tại hai thời điểm ngày 04/11/2000 và 23/11/2001 kết hợp số liệu của 06 trạm khí tượng thực địa:

1. Xử lý dữ liệu ảnh vệ tinh:

   • Hiệu chỉnh bức xạ và khí quyển (FLAASH).
   • Xây dựng bản đồ phân bố suất phân sai $\alpha$, chỉ số thực vật NDVI, độ phát xạ $\varepsilon_o$.
   • Tính toán ảnh nhiệt độ bề mặt $T_s$, sau đó hiệu chỉnh chênh cao địa hình bằng DEM thành $T_{s_DEM}$, thiết lập quan hệ hồi quy với nhiệt độ không khí $T_a$.
   • Tính toán ảnh bức xạ ròng trung bình giờ $R_{ni}$ và trung bình ngày $R_{nd}$.

2. Xác định các đại lượng bốc thoát hơi nước:

   • Xác định đường biên khô ($T_H$) và biên ẩm ($T_{LE}$) trên không gian phổ $T_s - \alpha$, từ đó chiết xuất tỷ phần bốc thoát hơi nước tức thời $ETFi$.
   • Tính toán bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất chưa hiệu chỉnh ($ET_{a_VT1}$), sau khi hiệu chỉnh $T_s$ bằng DEM ($ET_{a_VT2}$), và sau khi hiệu chỉnh toàn diện bằng hệ số liên hệ $c$ ($ET_{a_VT3}$).
   • Khảo sát hệ số $a$ trong phương pháp Priestley-Taylor ($ET_{a_PT}$): kết quả khảo nghiệm cho thấy hệ số $a$ phù hợp với điều kiện Lưu vực Sông Cầu nằm trong khoảng $0,95 - 1,05$ (thực nghiệm chọn $a = 1,00$).
   • Tính toán bốc thoát hơi nước tham chiếu $ETo_Rnd_VT$ theo FAO-56 PM sử dụng bức xạ ròng chiết xuất từ viễn thám.
   • Chiết xuất bản đồ hệ số cây trồng hỗn hợp $K_c$ cho toàn lưu vực và thống kê tỷ lệ phần trăm theo các lớp thảm phủ cho 3 khu vực đặc trưng: Bắc Ninh (vùng đồng bằng), Vĩnh Phúc (vùng trung du), và Bắc Kạn (vùng núi cao).

3. Đánh giá độ chính xác và tương quan thống kê:

   • Đánh giá sai số trung phương (RMSE) và sai số tuyệt đối trung bình (MAE) của $ET_{a_VT3}$ so với số liệu đo đạc thực địa tại 06 trạm quan trắc.
   • Phân tích tương quan giữa $ET_{a_VT3}$ với các biến viễn thám ($ETo_Rnd_VT$, $R_{nd_VT}$, $T_{s_DEM}$, NDVI, Albedo) và các thông số khí tượng mặt đất.
   • So sánh $ET_a$ tính theo S-SEBI với các phương pháp tính từ bức xạ ròng FAO-56 PM (công thức Ăngstrom và công thức thực nghiệm Việt Nam).

Kết luận và kiến nghị

Tổng kết các kết quả đạt được về mặt phương pháp luận và quy trình tính toán, khẳng định tính hiệu quả của việc kết hợp ảnh LANDSAT-7, mô hình DEM và mô hình S-SEBI cải tiến. Kiến nghị tiếp tục ứng dụng quy trình cho các lưu vực sông khác và thử nghiệm trên các nguồn ảnh vệ tinh thế hệ mới.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận điểm bảo vệ của luận án

• Luận điểm 1: Có thể thay thế tính toán bức xạ ròng của phương pháp FAO-56 PM truyền thống bằng phương pháp viễn thám theo mô hình S-SEBI, sai số xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất đạt được nhỏ hơn $20%$.
• Luận điểm 2: Sử dụng mô hình số độ cao (DEM) để hiệu chỉnh nhiệt độ bề mặt chiết xuất từ kênh ảnh nhiệt LANDSAT, kết hợp với việc xác định hệ số “liên hệ c” sẽ nâng cao độ chính xác xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất lên trên $5%$.

Những điểm mới của luận án

1. Đề xuất xác định hệ số liên hệ $c$: Định nghĩa và thiết lập hệ số liên kết giữa ba đại lượng: (1) Tỷ phần bốc thoát hơi nước tức thời $ETFi$ tính theo S-SEBI, (2) Bốc thoát hơi nước thực tế tính theo Priestley-Taylor, và (3) Bốc thoát hơi nước tham chiếu tính theo FAO-56 PM. Việc đưa vào hệ số $c$ giúp nâng cao độ chính xác xác định $ET_a$ trong điều kiện khí hậu và địa hình Việt Nam.
2. Xác định miền giá trị hệ số $a$ trong mô hình Priestley-Taylor: Khảo sát thực nghiệm chứng minh rằng hệ số $a$ trong phương pháp Priestley-Taylor phù hợp với điều kiện địa hình và khí hậu Lưu vực Sông Cầu nằm trong khoảng $0,95 - 1,05$, cho phép tính toán bốc thoát hơi nước với sai số tuyệt đối trung bình nhỏ hơn $20%$ so với số liệu đo ngoại nghiệp.
3. Phương pháp xác định hệ số cây trồng hỗn hợp $K_c$ diện rộng: Dựa vào tỷ số giữa bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất tính từ viễn thám ($ET_a$) và bốc thoát hơi nước tham chiếu ($ETo$) tính theo FAO-56 PM, đề xuất phương pháp thành lập bản đồ hệ số cây trồng $K_c$ trên quy mô diện rộng một cách nhanh chóng.
4. Quy trình công nghệ hoàn chỉnh: Xây dựng quy trình tính toán lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất theo mô hình S-SEBI kết hợp hiệu chỉnh địa hình bằng DEM và hiệu chỉnh hệ số $c$, áp dụng thành công cho dữ liệu LANDSAT-7 tại Lưu vực Sông Cầu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong luận án:

• Hạn chế về nguồn dữ liệu và thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm tập trung vào 02 cảnh ảnh LANDSAT-7 thu nhận vào mùa khô (tháng 11/2000 và tháng 11/2001). Do hạn chế về độ phủ mây trong mùa mưa và chu kỳ quay lại của vệ tinh (16 ngày), việc đánh giá bốc thoát hơi nước liên tục theo chuỗi ngày trong năm chưa được thực hiện đầy đủ.
• Phạm vi không gian: Thực nghiệm mới triển khai thí điểm trên phạm vi Lưu vực Sông Cầu (diện tích hơn $6.030\text{ km}^2$).
• Hướng phát triển tiếp theo: Mở rộng áp dụng quy trình tính toán cho các lưu vực sông khác có đặc điểm địa hình và khí hậu khác nhau trên lãnh thổ Việt Nam; thử nghiệm tích hợp các nguồn ảnh vệ tinh có độ phân giải thời gian cao hơn kết hợp với ảnh độ phân giải không gian cao để nâng cao tần suất giám sát.

Giá trị tham khảo

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

• Nghiên cứu sinh, học viên, giảng viên ngành Trắc địa - Bản đồ, Viễn thám và Địa tin học (GIS): Tham khảo cơ sở lý thuyết chiết xuất các tham số bức xạ ròng ($R_n$), suất phân sai ($\alpha$), độ phát xạ ($\varepsilon_o$), nhiệt độ bề mặt hiệu chỉnh địa hình ($T_{s_DEM}$) và thuật toán xử lý ảnh nhiệt hồng ngoại.
• Cơ quan quản lý tài nguyên nước, thủy lợi và nông nghiệp: Ứng dụng quy trình S-SEBI cải tiến để tính toán nhu cầu nước tưới tiêu, phân bố hệ số cây trồng $K_c$, đánh giá cân bằng nước lưu vực sông phục vụ quy hoạch và phân bổ nguồn nước.
• Cơ quan khí tượng thủy văn và môi trường: Sử dụng dữ liệu viễn thám để bổ trợ cho mạng lưới trạm đo mặt đất, phục vụ công tác giám sát khô hạn và biến đổi khí hậu trên diện rộng.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ số "liên hệ c" trong luận án được hiểu như thế nào và có tác dụng gì?
Hệ số "liên hệ c" là hệ số liên kết được tác giả đề xuất để kết hợp giữa ba đại lượng: tỷ phần bốc thoát hơi nước tức thời ($ETFi$) từ mô hình S-SEBI, bốc thoát hơi nước thực tế theo Priestley-Taylor ($ET_{a_PT}$), và bốc thoát hơi nước tham chiếu theo FAO-56 PM ($ETo_Rnd_VT$). Việc đưa hệ số này vào tính toán giúp hiệu chỉnh sai số của mô hình S-SEBI gốc, nâng cao độ chính xác xác định bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất lên trên $5%$.

2. Tại sao tác giả lại lựa chọn mô hình S-SEBI thay vì các mô hình SEBAL hay SEBS?
Mô hình S-SEBI (Simplified Surface Energy Balance Index) có ưu điểm là đơn giản, trực quan, và có thể chiết xuất trực tiếp các tham số từ ảnh viễn thám thông qua không gian tương quan giữa nhiệt độ bề mặt ($T_s$) và suất phân sai ($\alpha$). Mô hình này không bắt buộc phải có đầy đủ các thông số khí động học phức tạp (như độ nhám khí động học, tốc độ gió tại các độ cao) vốn rất khó thu thập đồng bộ trên diện rộng tại Việt Nam.

3. Mô hình số độ cao (DEM) đóng vai trò gì trong quy trình tính toán của luận án?
Mô hình DEM được sử dụng để hiệu chỉnh nhiệt độ bề mặt đất ($T_s$) chiết xuất từ kênh ảnh nhiệt vệ tinh theo chênh cao địa hình (tạo thành ảnh $T_{s_DEM}$). Việc hiệu chỉnh này loại bỏ ảnh hưởng của biến thiên độ cao địa hình phức tạp tại vùng đồi núi của Lưu vực Sông Cầu, giúp xác định chính xác hơn quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt với nhiệt độ không khí thực địa và nâng cao độ chính xác của bức xạ ròng.

4. Giá trị hệ số $a$ trong phương pháp Priestley-Taylor được luận án xác định là bao nhiêu?
Qua khảo sát thực nghiệm tại Lưu vực Sông Cầu, tác giả kết luận rằng hệ số $a$ phù hợp với điều kiện địa hình và khí hậu của lưu vực nằm trong khoảng từ $0,95$ đến $1,05$. Khi chọn giá trị $a = 1,00$, sai số tuyệt đối trung bình của lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất đạt dưới $20%$ so với kết quả quan trắc thực địa.

5. Hệ số cây trồng $K_c$ được chiết xuất từ dữ liệu viễn thám trong luận án bằng cách nào?
Hệ số cây trồng hỗn hợp $K_c$ được xác định trên quy mô diện rộng thông qua tỷ số giữa lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất chiết xuất từ viễn thám ($ET_{a_VT3}$) và lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu ($ETo_Rnd_VT$) tính theo phương pháp chuẩn FAO-56 PM: $$K_c = \frac{ET_{a_VT3}}{ETo_Rnd_VT}$$ Phương pháp này cho phép thành lập bản đồ phân bố $K_c$ chi tiết theo từng pixel ảnh trên toàn lưu vực.

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Văn Hùng đã giải quyết bài toán ứng dụng công nghệ viễn thám độ phân giải trung bình (LANDSAT-7) kết hợp mô hình số độ cao DEM để xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ($ET_a$) tại Lưu vực Sông Cầu. Bằng việc cải tiến mô hình S-SEBI qua hệ số liên hệ $c$ và xác lập khoảng giá trị hệ số $a$ cho phương trình Priestley-Taylor ($0,95 - 1,05$), công trình đã cung cấp quy trình công nghệ đạt độ chính xác với sai số dưới $20%$. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học và thực tiễn phục vụ công tác quản lý tài nguyên nước, tính toán cân bằng thủy văn và quy hoạch tưới tiêu nông nghiệp trên quy mô lưu vực sông tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bày tổng quan các khái niệm cơ bản về bốc thoát hơi nước, các phương pháp tính toán lượng bốc thoát hơi nước theo truyền thống và hiện đại, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về ứng dụng tư liệu viễn thám xác định bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất từ năng lượng bức xạ Mặt Trời chiết xuất từ ảnh viễn thám. Các khái niệm cơ bản về bốc thoát hơi nước và các yếu tố ảnh hưởng đến bốc thoát hơi nước Việc hiểu cơ chế bốc thoát hơi nước và các yếu tố liên quan sẽ được luận án sử dụng làm cơ sở để định hướng, lựa chọn phương pháp áp dụng dữ liệu viễn thám mà thế giới sử dụng trong lĩnh vực tính toán bốc thoát hơi nước bề mặt đất. Phần này sẽ tóm lược các khái niệm cơ bản với mục đích trên. Các khái niệm cơ bản về bốc thoát hơi nước 1.

Bốc hơi nước Bốc hơi nước E (Evaporation) là quá trình chuyển hóa các phân tử nước từ mặt đất và bề mặt thoáng của vùng chứa nước từ thể lỏng sang thể hơi và đi vào không khí do tác động chính của bức xạ Mặt Trời đi tới bề mặt đất (Lê Anh Tuấn, 2009).1: Các dạng bốc hơi tự nhiên (Nguồn Lê Anh Tuấn, 2009) 7 1. Thoát hơi nước Thoát hơi nước T (Transpiration) là hiện tượng nước thoát ra không khí từ mặt lá, thân cây như là một phản ứng sinh lý của cây trồng để chống lại sự khô hạn chung quanh nó (Lê Anh Tuấn, 2009). Hơi nước được hệ thống rễ của cây hút lên và thoát ra từ lá cây qua các khí hổng ở bề mặt lá và thân cây (Hình 1.2: Chuyển vận của nước trong đất ra không khí qua hệ thống rễ của cây trồng (Nguồn Lê Anh Tuấn, 2009) 8 Lượng nước thoát hơi từ cây trồng tùy thuộc vào tổng diện tích mặt lá (lá rộng, lá hẹp), cấu trúc lá (dạng phẳng, xoăn, cuốn,. Trong phạm vi cây trồng, lượng nước thoát hơi lớn hơn rất nhiều (có thể lên đến 90% tổng lượng nước tưới) so với lượng bốc hơi từ mặt đất.

Xác định lượng thoát hơi qua lá thường khó khăn và ít chính xác. Thông thường người ta xác định lượng thoát hơi của cây trồng từ các thông số khác trong phương trình cân bằng nước. Bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa (Lượng nước bốc hơi) Bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa (Lượng nước bốc hơi) là lượng thoát hơi nước qua lá trong quá trình phát triển của cây trồng cộng với lượng bốc hơi nước qua mặt đất trong thời kỳ đó (Trong nội dung của luận án sử dụng khái niệm Lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa trong toàn bộ nội dung nghiên cứu). Để xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất theo FAO (Sách FAO-56, 2006) áp dụng công thức sau: ETa= ETo×Kc (1.1) Trong đó: Kc - Hệ số cây trồng; ETo - Bốc thoát hơi nước tham chiếu.

Bốc thoát hơi nước tham chiếu ETo Bốc thoát hơi nước tham chiếu ETo là lượng nước dùng để tưới cho một cây trồng là cỏ chuẩn, trồng và chăm sóc đúng kỹ thuật, phủ đều trên toàn bộ mặt đất và được cung cấp nước đầy đủ theo một điều kiện tối ưu. Các điều kiện tham chiếu gồm: Chiều cao của cây trồng h=0.12m, kháng trở bề mặt đất là 70 s/m, và suất phân sai bề mặt đất là 0. Phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi tham chiếu được FAO khuyến khích áp dụng chung cho toàn thế giới và được thể hiện qua tài liệu: “Bốc thoát hơi nước cây trồng-sách hướng dẫn tính toán nước tham chiếu cho cây trồng FAO-56 PM” (Sách FAO-56, 2006).