Luận án – Nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát sự bốc – thoát hơi nước của lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam từ dữ liệu ảnh vệ tinh

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIÁM SÁT SỰ BỐC - THOÁT HƠI NƯỚC CỦA LỚP PHỦ KHU VỰC TÂY BẮC VIỆT NAM TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH

Ngành:

KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án này tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển mô hình giám sát sự bốc thoát hơi nước thực tế (ETa) của lớp phủ tại khu vực Tây Bắc Việt Nam, sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh. Bối cảnh nghiên cứu nhấn mạnh sự cần thiết của việc lựa chọn và xây dựng mô hình phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu đặc thù, bề mặt lớp phủ đa dạng và trình độ công nghệ hiện có.

Mục tiêu chính của đề tài là lựa chọn và đề xuất mô hình ETa phù hợp, đồng thời xây dựng quy trình và chương trình ước tính, giám sát ETa dựa trên dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 kết hợp với thông tin độ cao địa hình. Đối tượng nghiên cứu bao gồm lượng bốc thoát hơi nước, ảnh vệ tinh Landsat 8, mô hình SEBAL, mô hình Priestley-Taylor, năng lượng bức xạ ròng mặt trời và các tham số liên quan được chiết xuất từ ảnh vệ tinh.

Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại tỉnh Hòa Bình, tập trung vào việc xác định các hệ số a, b của mô hình Priestley-Taylor từ chuỗi dữ liệu khí tượng giai đoạn 2015-2021 và ước tính ETa tại các thời điểm cụ thể: 01/7/2015, 04/6/2017 và 18/8/2021, sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8.

Nội dung luận án bao gồm tổng quan về vấn đề nghiên cứu, cơ sở khoa học của việc ước tính và giám sát ETa từ dữ liệu ảnh vệ tinh, đề xuất mô hình và quy trình tích hợp SEBAL và Priestley-Taylor, cũng như xây dựng chương trình ước tính trên nền tảng Google Earth Engine. Kết quả nghiên cứu đã khẳng định khả năng ứng dụng hiệu quả dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và thông tin độ cao từ DEM để chiết xuất các tham số (năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày Rnd, nhiệt ẩn quá trình bốc thoát hơi nước λ, hằng số Psychrometric γ, độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hòa Δ) thay thế số liệu khí tượng đo trực tiếp, với độ chính xác và tin cậy cao. Hệ số tuyến tính của mô hình Priestley-Taylor được xác định là a = 0,792 và b = -0,026, phù hợp với điều kiện địa phương. Luận án góp phần quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ viễn thám vào quản lý tài nguyên nước, nông nghiệp và lâm nghiệp, hỗ trợ phòng chống hạn hán và cháy rừng.

Mục lục chi tiết:

• MỞ ĐẦU
  • 1. Tính cấp thiết của đề tài
  • 2. Mục tiêu nghiên cứu
  • 3. Đối tượng nghiên cứu
  • 4. Phạm vi nghiên cứu
  • 5. Nội dung nghiên cứu của luận án
  • 6. Phương pháp nghiên cứu
  • 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
  • 8. Luận điểm bảo vệ
  • 9. Những điểm mới của luận án
  • 10. Cấu trúc của luận án
• Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
  • 1.1. Các khái niệm bốc thoát hơi nước
    • 1.1.1 Bốc hơi nước (E)
    • 1.1.2 Thoát hơi nước (T)
    • 1.1.3. Bốc thoát hơi nước ET (Evaporation Transpiration)
    • 1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự bốc thoát hơi nước
    • 1.1.8. Lượng bốc thoát hơi thực tế ET (Actual evapotransporation)
    • 1.1.9. Mô hình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước
  • 1.2. Phương pháp xác lượng bốc thoát hơi nước sử dụng dữ liệu khí tượng
    • 1.2.1. Các phương pháp đo trực tiếp
    • 1.2.2. Các mô hình sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời (radiaton-based models)
      • 1.2.2.1. Mô hình Makkink
      • 1.2.2.2. Mô hình Priestley-Taylor
    • 1.2.3. Các mô hình kết hợp (combined models)
      • 1.2.3.1. Mô hình Penman
      • 1.2.3.2. Mô hình Penman-Monteith
      • 1.2.3.3. Mô hình FAO 56 Penman – Monteith
  • 1.3. Các mô hình xác ước tính lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh
    • 1.3.1. Mô hình cân bằng năng lượng bề mặt đất SEBAL (Surface Energy Balance Algorithms for Land)
    • 1.3.2. Mô hình chỉ số cân bằng năng lượng bề mặt SEBI (Surface Energy Balance Index)
    • 1.3.3. Mô hình Hệ thống cân bằng năng lượng bề mặt SEBS (Surface Energy Balance System)
    • 1.3.4. Mô hình chỉ số cân bằng năng lượng bức xạ bề mặt đơn giản S-SEBI (Simplified Surface Energy Balance Index)
  • 1.4. Các kết quả nghiên cứu trên thế giới liên quan đến đề tài
  • 1.5. Các kết quả nghiên cứu trong nước liên quan đến lĩnh vực của đề tài
  • 1.6. Đánh giá chung về các phương pháp và mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ
  • 1.7. Một số vấn đề thảo luận phát triển trong luận án
• Chương 2. CƠ SỞ KHOA HỌC SỬ DỤNG DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH PHỤC VỤ ƯỚC TÍNH, GIÁM SÁT LƯỢNG BỐC THOÁT HƠI NƯỚC BỀ MẶT LỚP PHỦ
  • 2.1. Khái quát về viễn thám
  • 2.2. Đặc điểm của ảnh vệ tinh Landsat 8
  • 2.3. Vai trò của dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 trong việc chiết xuất, tính toán các tham số phục vụ ước tính lượng bốc thoát hơi nước
  • 2.4. Khả năng ứng dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 trong việc ước tính lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ
    • 2.4.1. Tính giá trị năng lượng bức xạ ròng mặt trời (Rn) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8
    • 2.4.2. Xác định giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước λ từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8
    • 2.4.3. Xác định hằng số Psychrometric (γ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình số độ cao DEM
    • 2.4.4. Sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 xác định giá trị độ dốc của đường cong áp suất hơi bão hòa (Δ)
  • 2.5. Tính giá trị của các tham số từ ảnh vệ tinh Landsat 8 và thông tin độ cao phục vụ ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ
    • 2.5.1. Tính giá trị năng lượng bức xạ ròng Rni từ ảnh vệ tinh Landsat 8 theo mô hình SEBAL
    • 2.5.2. Tính giá trị bức xạ ròng trung bình ngày Rnd từ Rni được tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8
    • 2.5.3. Tính bức xạ ròng trung bình ngày Rnd từ số liệu khí tượng đo trực tiếp tại các trạm quan trắc theo mô hình FAO 56 – Penman - Monteith
    • 2.5.4. Tính giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước (λ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8
    • 2.5.5. Tính giá trị hằng số Psychrometric (γ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và thông tin độ cao từ DEM
    • 2.5.6. Tính giá trị độ dốc của đường cong áp suất hơi bão hòa (Δ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8
  • 2.6. Xác định hệ số a, b của mô hình Priestley – Taylor phù hợp với địa hình khí hậu khu vực Tây Bắc Việt Nam
  • 2.7. Đề xuất mô hình, quy trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước sử dụng kết hợp mô hình SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley - Taylor
    • 2.7.1. Đề xuất mô hình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam
    • 2.7.2. Quy trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước sử dụng kết hợp mô hình SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley - Taylor
  • 2.8. Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước sử dụng kết hợp mô hình SEBAL và mô hình Priestley-Taylor trên nền Google Earth Engine
• Chương 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
  • 3.1. Điều kiện tự nhiên của tỉnh Hòa Bình
    • 3.1.1. Vị trí địa lý
    • 3.1.5. Thực trạng về cơ cấu tài nguyên đất tỉnh Hòa Bình
    • 3.1.6. Tài nguyên nước
  • 3.2. Dữ liệu phục vụ nghiên cứu
    • 3.2.1. Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình số độ cao DEM (SRTM)
    • 3.2.2. Dữ liệu khí tượng
  • 3.3. Thực nghiệm xác định hệ số a, b của mô hình Priestley – Taylor với điều kiện địa hình, khí hậu khu vực Tây Bắc Việt Nam từ dữ liệu quan trắc khí tượng, thủy văn tại tỉnh Hòa Bình
    • 3.3.1 Kết quả tính giá trị năng lượng bức xạ ròng Rnd từ dữ liệu khí tượng, thủy văn đo trực tiếp tại các trạm khí tượng thủy văn Hòa Bình theo mô hình FAO 56
    • 3.3.2 Kết quả tính giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước (λ), hằng số Psychrometric (γ), độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hòa (Δ) từ dữ liệu khí tượng thủy văn đo trực tiếp tại các trạm khí tượng thủy văn Hòa Bình theo mô hình FAO 56
      • 3.3.2.1. Giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước (λ)
      • 3.3.2.2. Kết quả tính giá trị hằng số Psychrometric (γ)
      • 3.3.2.3. Tính giá trị độ dốc của đường cong áp suất hơi bão hòa (Δ)
    • 3.3.3 Kết quả tính hệ số a, b của mô hình Priestley – Taylor với điều kiện địa hình, khí hậu tỉnh Hòa Bình thuộc vùng Tây Bắc Việt Nam từ dữ liệu quan trắc khí tượng thủy văn
      • 3.3.3.1. Kết quả xác định hệ số a, b của mô hình Priestley-Taylor
      • 3.3.3.2. Kết quả kiểm chứng xác định hệ số a, b của mô hình Priestley-Taylor
  • 3.4. Thực nghiệm tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế từ bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hòa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam sử dụng kết hợp mô hình SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley – Taylor với hệ số a, b xác định bằng thực nghiệm
    • 3.4.1. Kết quả tính giá trị năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày Rnd từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 (Rnd_VT)
    • 3.4.2 So sánh kết quả tính giá trị năng bức xạ ròng trung bình ngày theo mô hình FAO 56 (Rnd_FAO) và năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8 (Rnd_VT)
    • 3.4.3. Kết quả tính giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thoát hơi nước (λ) với tham số nhiệt độ bề mặt được tính từ ảnh Landsat 8
    • 3.4.4. Kết quả tính giá trị hằng số Psychrometric (γ) với giá trị độ cao được chiết xuất từ DEM và dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8
    • 3.4.5. Kết quả tính giá trị độ dốc của đường cong áp suất hơi bão hòa (Δ) với tham số nhiệt độ bề mặt được tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8
    • 3.4.6. Tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế ETa theo mô hình Priestley – Taylor với các tham số chiết xuất, tính toán từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và giá trị độ cao từ DEM tại tỉnh Hòa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam
    • 3.4.7. So sánh lượng bốc thoát hơi nước thực tế đo tại các trạm khí tượng thủy văn ETa_Đo và lượng bốc thoát hơi nước tính sử dụng kết hợp mô hình viễn thám SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley – Taylor ETa_VT
  • 3.5. Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ từ dữ liệu ảnh vệ tinh trên nền Google Earth Engine
    • 3.5.1. Sơ đồ khối chương trình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ
    • 3.5.2. Các giao diện chính của chương trình
  • KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ
    • 1. Kết luận
    • 2. Kiến nghị