ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM VĂN MẠNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM ĐẾN LỚP PHỦ THỰC VẬT THÔNG QUA CHỈ SỐ THỰC VẬT (NDVI) KHU VỰC TÂY NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM VĂN MẠNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM ĐẾN LỚP PHỦ THỰC VẬT THÔNG QUA CHỈ SỐ THỰC VẬT (NDVI) KHU VỰC TÂY NGUYÊN Chuyên ngành: Bản đồ viễn thám và Hệ thông tin địa lý Mã số: 60440214 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM VĂN CỰ Hà Nội – 2013 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn luận văn của tôi, phó giáo sư - tiến sĩ Phạm Văn Cự, thầy đã tạo mọi điều kiện, tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này. Sự hiểu biết sâu sắc về khoa học, cũng như kinh nghiệm của thầy chính là tiền đề giúp tôi đạt được những thành tựu và kinh nghiệm quý báu. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp, cấp trên, thủ trưởng cơ quan Cục Viễn thám quốc gia, Đài Viễn thám Trung ương đã tận tình giúp đỡ cũng như tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin cảm ơn bạn bè và gia đình đã luôn bên tôi, cổ vũ và động viên tôi những lúc khó khăn để có thể vượt qua và hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 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 6 1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong khu vực 6 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 10 CHƯƠNG 2. SỬ DỤNG DỮ LIỆU ẢNH MODIS TRONG ĐÁNH GIÁ NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT, ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ VÀ CHỈ SỐ THỰC VẬT (NDVI) CỦA LỚP PHỦ THỰC VẬT 17 2.1. Đặc tính phổ của ảnh MODIS 17 2.1.1. Ảnh vệ tinh MODIS 17 2.1.2. Thiết bị thu nhận MODIS 19 2.2. Phương pháp tính nhiệt độ bề mặt (LST) từ dữ liệu MODIS 22 2.2.1. Cơ sở khoa học chiết xuất nhiệt độ bề mặt từ tư liệu ảnh viễn thám 22 2.2.2. Phương pháp chiết xuất nhiệt độ bề mặt từ tư liệu viễn thám 24 2.2.3. Phương pháp chiết xuất nhiệt độ bề mặt từ ảnh MODIS 27 2.3. Phương pháp tính độ ẩm không khí từ dữ liệu MODIS 28 2.3.1 Các loại độ ẩm không khí 28 2.3.2. Phương pháp tính toán độ ẩm không khí từ tư liệu viễn thám 30 2.4. Chiết xuất NDVI và Lớp phủ thực vật từ dữ liệu MODIS 31 2.4.1. Khái niệm chỉ số thực vật 31 2.4.2. Cơ sở vật lý của chỉ số thực vật 32 2.4.3. Công thức tính chỉ số NDVI 33 2.4.4. Phương pháp xử lý dữ liệu NDVI 34 iii CHƯƠNG 3. TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS PHÂN TÍCH MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT, ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT NĂM 2012 36 3.1. Vùng nghiên cứu 36 3.1.1. Vị trí địa lý 36 3.1.2. Khí hậu 37 3.1.3. Dân cư 38 3.1.4. Kinh tế, tài nguyên, xã hội và môi trường 39 3.2. Các dữ liệu sử dụng 40 3.2.1. Dữ liệu ảnh MODIS 40 3.2.2. Dữ liệu khác 42 3.3. Xây dựng tổ hợp ảnh nhiệt độ trung bình theo năm 42 3.3.1. Tạo ảnh nhiệt độ bề mặt từ ảnh MODIS – MOD11A2 42 3.3.2. Tạo ảnh tổ hợp theo tháng, ảnh tổ hợp theo mùa và ảnh tổ hợp theo năm 43 3.4. Xây dựng tổ hợp ảnh độ ẩm trung bình theo năm 46 3.4.1. Tảo ảnh chỉ số độ ẩm không khí từ ảnh MODIS - MOD07 46 3.4.2. Các ảnh tổ hợp chỉ số độ ẩm không khí theo tháng, theo mùa và ảnh chỉ số độ ẩm theo năm 47 3.5. Xây dựng tổ hợp NDVI trung bình theo năm 50 3.5.1. Tạo ảnh chỉ số thực vật từ ảnh MODIS - MOD13A2 50 3.5.2. Các ảnh tổ hợp chỉ số thực vật NDVI theo tháng, theo mùa và theo năm 51 3.6 Xây dựng mối tương quan giữa nhiệt độ, độ ẩm và lớp phủ thực vật 54 3.6.1. Phân tích không gian trong đánh giá mối tương quan giữa nhiệt độ, độ ẩm đến lớp phủ thực vật thông qua chỉ số thực vật (NDVI) 54 3.6.2. Phân tích hồi quy 56 3.6.3. Sơ đồ khối phân tích, đánh giá tác động của nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí đến lớp phủ thực vật thông qua chỉ số NDVI 58 iv 3.6.4. Mối tương quan giữa nhiệt độ bề mặt (LST), độ ẩm không khí và chỉ số thực vật (NDVI) 59 3.6.5. Thành lập bản đồ lớp phủ thực vật với sự tương quan giữa LST-NDVI và RH- NDVI 65 3.7. Phân tích mối tương quan giữa nhiệt độ, độ ẩm và lớp phủ thực vật 70 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT GIS Geographic Information System (Hệ thống thông tin địa lý) MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (Đầu đo ảnh viễn thám độ phân giải trung bình gắn trên 2 vệ tinh TERRA và AQUA) NDVI Normalized Difference Vegetation Index (chỉ số thực vật) LST Land surface temperature (Nhiệt độ bề mặt) RH HDF-EOS Relative humidity (Độ ẩm tương đối) Hierarchical Data Format Earth Observing System (Định dạng ảnh MODIS) vi MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS 20 Bảng 2.2: Các ứng dụng chính của các kênh ảnh MODIS 21 Bảng 3.1: Các kênh phổ đầu tiên của MODIS 41 Bảng 3.2: Sai số của nhiệt độ bề mặt (LST) giữa số liệu các trạm quan trắc và số liệu tính toán trên ảnh MODIS 60 Bảng 3.3: Sai số của độ ẩm không khí tương đối (RH) giữa số liệu các trạm quan trắc và số liệu tính toán trên ảnh MODIS 63 MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1: 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 8 Hình 1.2: Chỉ số TVDI của một pixel ảnh [ T s , NDVI] được xác định như một tỷ lệ giữa đường A = (T s – T smin ) và B = (T smax – T smin ) 9 Hình 1.3: Biểu đồ quan hệ T – NDVI của ảnh Landsat 2002 10 Hình 1.4: Biểu đồ quan hệ T – NDVI của ảnh Aster 2006 10 Hình 1.5: Giá trị rìa khô được sử dụng tính toán chỉ số TVDI – giá trị T s cực đại được xác định cho từng khoảng NDVI nhỏ và rìa khô được xác định bằng hồi quy tuyến tính 12 Hình 1.6: Sự phân bố không gian theo chỉ số TVDI cho vùng nghiên cứu, hình chữ nhật chỉ khu vực lấy mẫu rừng Đắc Lắk và vòng tròn chỉ khu vực khô hạn Bình Thuận 13 Hình 1.7: Đồ thị phân tán sự tương quan giữa chỉ số TVDI từ dữ liệu MODIS với chỉ số độ ẩm từ dữ liệu Landsat ETM + kết hợp với mô hình SVAT 14 Hình 1.8: Sự thay đổi theo thời gian của chỉ số TVDI đối với khu vực rừng Đắk Lắk và khu vực khô hạn Bình Thuận qua 3 mùa khô 2000-2001; 2001-2002 và 2002-2003 14 Hình 2.1: Đồ thị đất (Soil line) 33 vii Hình 3.1: Vị trí hành chính Tây Nguyên trên bản đồ Việt Nam 36 Hình 3.2: Giao diện chính của phần mềm ENVI 42 Hình 3.3: Tool chọn sản phẩm LST của ảnh modis MOD11A2 43 Hình 3.4: Các thuật toán tính tổ hợp ảnh MODIS - MOD11A2 43 Hình 3.5: Các ảnh tổ hợp nhiệt độ bề mặt trong năm 2012 46 Hình 3.6: Tool chọn các sản phẩm để tính độ ẩm tương đối của ảnh MODIS - MOD07 47 Hình 3.7: Các thuật toán tính tổ hợp ảnh MODIS - MOD07 47 Hình 3.8: Các ảnh tổ hợp độ ẩm không khí tương đối trong năm 2012 50 Hình 3.9: Các thuật toán tính tổ hợp ảnh MODIS – MOD13A2 51 Hình 3.10: Các ảnh tổ hợp chỉ số thực vật NDVI trong năm 2012 53 Hình 3.11: Các mô hình vector và raster 55 Hình 3.12: Vị trí các trạm quan trắc khí tượng khu vực Tây Nguyên 59 Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ LST - NDVI mùa khô (a); mùa mưa (b) 61 Hình 3.14: Biểu đồ quan hệ giữa LST - NDVI năm 2012 61 Hình 3.15: Biểu đồ quan hệ RH - NDVI mùa khô (c); mùa mưa (d) 64 Hình 3.16: Biểu đồ quan hệ giữa RH - NDVI năm 2012 64 Hình 3.17: Biểu đồ quan hệ (e) LST-NDVI và (f) RH-NDVI đối với các đối tượng lớp phủ thực vật vào mùa khô 66 Hình 3.18: Biểu đồ quan hệ (g) LST-NDVI và (h) RH-NDVI đối với các đối tượng lớp phủ thực vật vào mùa mưa 66 Hình 3.19: Biểu đồ quan hệ (i) LST-NDVI và (k) RH-NDVI đối với các đối tượng lớp phủ thực vật năm 2012 67 Hình 3.20: Bản đồ lớp phủ thực vật Tây Nguyên mùa khô; mùa mưa năm 2012 68 Hình 3.21: Bản đồ lớp phủ thực vật khu vực Tây Nguyên năm 2012 69 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Rừng là một trong những tài nguyên quan trọng nhất của Tây Nguyên, và trong quá trình phát triển, rừng cũng là một trong những tài nguyên bị đe dọa tàn phá nhiều nhất. Trong những năm gần đây, nỗ lực bảo vệ rừng ở Tây Nguyên có rất nhiều kết quả đáng ghi nhận, từ các chủ trương tới các hành động cụ thể. Cùng với áp lực phá rừng lấy đất trồng cây công nghiệp, các nỗ lực phát triển rừng đã đem lại thay đổi đáng kể về diện tích và chất lượng rừng ở Tây Nguyên. Tuy vậy, cho đến nay các đơn vị quản lý rừng vẫn chưa có một công cụ hữu hiệu hỗ trợ cho công tác quản lý, giám sát chất lượng rừng, phản ánh chính xác sự biến động rừng trong khu vực quản lý, đặc biệt là các khu vực trọng điểm như rừng đầu nguồn. Với đặc thù về địa hình, khí hậu và sử dụng đất, rừng Tây Nguyên có vai trò cực kỳ quan trọng đối với môi trường cũng như phát triển kinh tế xã hội. Với môi trường rừng góp phần quan trọng trong việc điều hòa khí hậu, đảm bảo cân bằng sinh thái, làm giảm nhẹ sức tàn phá khốc liệt của các thiên tai; Ngăn chặn xói mòn đất, bảo vệ mực nước ngầm; Là nơi lưu giữ các nguồn gien động thực vật quý hiến. Với sự phát triển kinh tế xã hội rừng là nguồn cung cấp gỗ phục vụ cho nhu cầu đời sống và sản xuất; Cung cấp các mặt hàng lâm sản có giá trị xuất khẩu góp phần thu ngoại tệ phục vụ qua trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước; Cung cấp các dược liệu quý có tác dụng chữa bệnh, năng cao sức khỏe cho con người. Ngoài ra rừng Tây Nguyên đang đứng trước những thách thức rất lớn đòi hỏi phải có những nỗ lực giám sát, quản lý thường xuyên. Trong điều kiện hiện nay ở Tây Nguyên, sử dụng các lực lượng hiện có chưa thể đáp ứng các yêu cầu này nên một hệ thống có khả năng cung cấp kịp thời, liên tục các thông tin giám sát và quản lý rừng là hết sức cần thiết. [...]... sĩ: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS đánh giá tác động của nhiệt độ, độ ẩm đến lớp phủ thực vật thông qua chỉ số thực vật (NDVI) khu vực Tây Nguyên 2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu Mục tiêu: - Xây dựng phương pháp phát hiện vùng rừng trồng và rừng tự nhiên với ngưỡng của NDVI bằng các tư liệu viễn thám - Xây dựng mối tương quan giữa nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí và lớp phủ thực vật. .. 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... đánh giá mối tương quan nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí và lớp phủ thực vật Chương 2 Sử dụng dữ liệu ảnh MODIS trong đánh giá nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí và chỉ số NDVI của lớp phủ thực vật Chương 3 Tích hợp Viễn thám và GIS phân tích mối tương quan giữa nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí và lớp phủ thực vật năm 2012 Kết luận Tài liệu tham khảo Phụ lục 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG... tăng thêm độ tin cậy và hiểu sâu thêm bản chất của chỉ số trước khi đưa chỉ số TVDI vào sử dụng trong thực tế Nhận xét: Như đã trình bày ở trên, hầu hết các công trình nghiên cứu tiêu biểu của những tác giả tiêu biểu nhất trên thế giới cũng như ở trong nước về vấn đề nghiên cứu đánh giá, phân tích tác động của nhiệt độ, độ ẩm đến lớp phủ thực vật thông qua chỉ sổ thực vật dựa trên công nghệ viễn thám đều... quan giữa nhiệt độ, độ ẩm và lớp phủ thực vật (rừng) của khu vực năm 2012 4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 Ý nghĩa khoa học: Góp phần khẳng định và mở rộng khả năng ứng dụng phương pháp viễn thám vào việc phân tích mối tương quan giữa nhiệt độ, độ ẩm và lớp phủ thực vật (rừng) Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần xây dựng phương pháp mới vào quy trình truyền thống trong công tác phân tích đánh giá. .. dựng được bản đồ vùng rừng trồng và rừng tự nhiên của khu vực nghiên cứu - Xây dựng các phương trình hồi quy thể hiện mối tương quan giữa chỉ số thực vật (NDVI) với nhiệt độ bề mặt và chỉ số thực vật (NDVI) với độ ẩm không khí - Phân tích đánh giá mối tương quan nhiệt độ bề mặt, độ ẩm không khí và lớp phủ thực vật (rừng) 3 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi không gian: Khu vực Tây Nguyên (Gia Lai, Kom Tum, Đắk... thực vật trên quy mô khu vực và đã có những thành tựu đáng kể, cả về mặt lý thuyết cũng như công nghệ 1.2 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. .. 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. .. vụ nghiên cứu: Để đạt được các mục tiêu trên, trong quá trình thực hiện đề tài cần giải quyết các nhiệm vụ sau đây: - Nghiên cứu tổng quan điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội của khu vực nghiên cứu - Thu thập, hệ thống hoá, tổng hợp và đánh giá nguồn tài liệu, số liệu từ các dự án, đề tài, báo cáo trước đây về đánh giá mối tương quan giữa nhiệt độ, độ ẩm và lớp phủ thông quan chỉ số thực vật (NDVI). .. 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.n.k , 2002 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 . NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM ĐẾN LỚP PHỦ THỰC VẬT THÔNG QUA CHỈ SỐ THỰC VẬT (NDVI) KHU VỰC TÂY NGUYÊN Chuyên ngành: Bản đồ viễn. PHẠM VĂN MẠNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM ĐẾN LỚP PHỦ THỰC VẬT THÔNG QUA CHỈ SỐ THỰC VẬT (NDVI) KHU VỰC TÂY NGUYÊN LUẬN. từ thực tế nêu trên, học viên đã lựa chọn tên đề tài của luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS đánh giá tác động của nhiệt độ, độ ẩm đến lớp phủ thực vật thông qua