- Trang Chủ
- Môi trường
- Thiết lập mô hình quan hệ của hệ số cây trồng giải tích với chỉ số thực vật NDVI từ ảnh vệ tinh landsat để ước tính lượng bốc thoát hơi nước cho lưu vực Sông Cầu
Xem mẫu
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
THIẾT LẬP MÔ HÌNH QUAN HỆ CỦA HỆ SỐ CÂY TRỒNG
GIẢI TÍCH VỚI CHỈ SỐ THỰC VẬT NDVI TỪ ẢNH VỆ TINH
LANDSAT ĐỂ ƯỚC TÍNH LƯỢNG BỐC THOÁT HƠI NƯỚC
CHO LƯU VỰC SÔNG CẦU
Lƣơng Chính Kế1, Nguyễn Văn Hùng2, Trần Ngọc Tƣởng3,*
1
Hội Trắc địa - Bản đồ - Viễn thám Việt Nam, Số 2 Đặng Thùy Trâm, Hà Nội
2
Cục Viễn thám quốc gia, 83 Nguyễn Chí Thanh, Hà Nội
3
Bộ Công An, 47 Phạm Văn Đồng, Hà Nội
*
Email: lchinhke@gmail.com
1. MỞ ĐẦU
Định lượng nhu cầu nước cây trồng cần được biết chính xác để lập kế hoạch tưới tiêu và thiết
kế cơ sở hạ tầng tưới tiêu trên những khu vực xác định. Hệ số cây trồng (Kc) liên quan đến nhu cầu
nước của một loại cây trồng cụ thể đối với loại cây trồng tham chiếu [1]. Kc phân ra làm hai loại là
Kc đơn (Single Kc) và Kc kép (Dual Kc). Kc đơn được hiểu là Kc sử dụng đồng thời cho cây trồng
và đất; còn Kc kép là Kc tách biệt riêng cho đất (Ke) và cho cây trồng (Kcb).
Phương pháp truyền thống xác định Kc dựa trên cỏ được đề cập trong tài liệu FAO irrigation
and Drainage Papers no. 24 and no. 33 [1, 2]. Doorenbos và Kassam (1986) đã chỉ ra rằng phương
pháp này cho phép dự báo khả năng bốc thoát hơi nước tiềm năng trong khoảng sai số từ 10 % đến
20 % với dữ liệu khí tượng tin cậy và tổng thời gian sinh trưởng và độ dài của giai đoạn phát triển
đã biết.
Phương pháp viễn thám xác định Kc. Đối với các bề mặt địa hình không đồng nhất, gồm các
loại cây trồng khác nhau và giai đoạn sinh trưởng khác nhau, rất khó để gán các giá trị Kc thích
hợp. Do đó, phương pháp giải tích tính Kc từ tư liệu viễn thám (Kc-gt) được áp dụng cho một lưu
vực xác định mà không cần thông tin về loại cây trồng và giai đoạn sinh trưởng của nó [3]. Trong
phương pháp này, việc xác định hệ số cây trồng (Kc-gt) đòi hỏi cần ước tính độc lập đại lượng bốc
thoát hơi nước tiềm năng của cây trồng dựa vào một số tham số lý - sinh bề mặt địa hình được trích
xuất từ ảnh viễn thám (từ chỉ số thực vật) [4]; đồng thời bốc thoát hơi nước tham chiếu ETo từ số
liệu quan trắc khí tượng trên khu vực [5]. Xu thế sử dụng chỉ số thực vật để xác định hệ số cây trồng
bằng tư liệu ảnh viễn thám, sau đó tính bốc thoát hơi nước thực tế trung bình ngày đang được nhiều
cơ sở nghiên cứu quan tâm [6, 7, 8, 9 -12].
Mục đích trong nghiên cứu dưới đây là thiết lập mô hình về mối quan hệ tuyến tính giữa hệ số
cây trồng khu vực của lưu vực Sông Cầu trên pixel ảnh Landsat bằng phương pháp giải tích (Kc-gt)
với chỉ số thực vật NDVI. Sau đó tính bốc thoát hơi nước thực tế ETa và đánh giá so sánh với số
liệu thực địa ETa-TĐ; đồng thời đánh giá so sánh với số liệu ETa ước tính bằng phương pháp viễn
thám S-SEBI (Simple- Surface Energy Balance Index) [13].
2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Khu vực nghiên cứu
Khu vực nghiên cứu là lưu vực SÔNG CẦU nằm trong phạm vi tọa độ địa lý: 21o07' - 22o18'
vĩ bắc, 105o28' - 106o08' kinh Đông. Phía đông lưu vực Sông Cầu có những đỉnh núi cao trên 700m.
213
- The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
Dãy núi Tam Đảo ở phía tây có đỉnh Tam Đảo cao 1592m. Khí hậu Lưu vực Sông Cầu có đặc điểm
nhiệt đới gió mùa. Mô hình số độ cao (DEM) Lưu vực Sông Cầu được lập từ bản đồ địa hình
1/25.000 có độ phân giải 30x30m. Bản đồ hành chính và DEM của lưu vực Sông Cầu được thể hiện
trên Hình 1.
2.2. Tƣ liệu ảnh và số liệu khí tƣợng
Dữ liệu ảnh LANDSAT-7 ETM thu nhận ngày 23/11/2001 và 04/11/2000 ở mức xử lý 1T, không
mây, có độ phân giải trung bình của ảnh đa phổ là 30 mx30 m (Hình 1). Tại thời điểm thu nhận ảnh, số
liệu đo đạc trên 6 trạm khí tượng ngoại nghiệp như nhiệt độ không khí Ta, vận tốc gió u, giờ nắng thực
n, độ ẩm không khí RH và đại lượng bốc thoát hơi nước thực tế ETa-TĐ được ghi ở Bảng 1.
Bảng 1. Số liệu ngoại nghiệp tại 06 trạm quan trắc khí tượng ngày 04/11/2000 và 23/11/2011.
Ngày 04/11/2000 Ngày 23/11/2001
ETa ETa-
Z Ta (oC) u n RH Ta (oC) u n RH
-TĐ TĐ
T. quan trắc
mm/ % mm/
m Tmin Tmax m/s giờ % Tmin Tmax m/s giờ
ng ng
1. Bắc Ninh 3 13,8 27,3 4 9,9 70 4,9 13,0 9,3 9,3 9,3 72 3,4
2. Bắc Giang 7 13,3 28,0 4 9,8 72 3,9 12,4 9,2 9,2 9,2 73 2,9
3. Vĩnh Yên 17 14,8 27,7 5 10,0 76 3,1 13,1 8,8 8,8 8,8 76 2,4
4. Tam Đảo 685 12,2 22,2 6 10,1 54 4,3 10,0 9,6 9,6 9,6 59 3,5
5. Th. Nguyên 36 13,2 28,6 4 10,4 73 4,4 11,5 8,6 8,6 8,6 72 3,1
6. Bắc Kạn 138 11,1 28,8 4 8,7 79 2,8 8,5 7,9 7,9 7,9 80 2,4
2.3. Phƣơng pháp
Ước tính lượng bốc hơi thực tế (ETa) bằng cách sử dụng hệ số cây trồng Kc giải tích (Kc-gt) là
hàm số của chỉ số thực vật NDVI được trích xuất từ ảnh vệ tinh. ETa thực tế được tính theo cách
truyền thống bằng cách sử dụng hệ số cây trồng (Kc-gt) và bốc thoát hơi nước tham chiếu (ETo):
ETa = Kc-gt x ETo (1)
với Kc tính từ NDVI được trích xuất trên ảnh vệ tinh thông qua tham số tuyến tính a, b:
Kc-gt = a.NDVI + b (2)
Biểu thức (1) là biểu thức phản ánh thực tế khách quan khi quan trắc quá trình 4 thời kỳ sinh
trưởng của cây kể từ khi trồng hay thời kỳ đầu qua thời kỳ phát triển, tiếp theo vào thời kỳ giữa ra
bông kết trái và sau cùng là thời kỳ cuối quả chín thu hoạch [8].
2.3.1. Phương pháp giải tích xác định hệ số cây trồng Kc, (Kc-gt)
Kc trong khảo sát thực nghiệm, Kc được tính toán dựa vào phương pháp giải tích của
DEMETER (DEMonstration of Earth observation Technologies in Routine irrigation advisory
service) [3]:
Kc-gt = (3)
Trong đó: PET(rs = rsmin) - Bốc thoát hơi nước tiềm năng cho trường hợp nhận kháng bề mặt rs
= minimum; ETo - Bốc thoát hơi nước tham chiếu. Kháng bề mặt mô tả sức kháng của dòng hơi
nước mà cây trồng thải ra và bề mặt đất bốc hơi. Kháng bề mặt rs = min đối với cây trồng là do
kháng bề mặt của lá và phụ thuộc vào chỉ số diện tích lá LAI (Leaf Area Index), (FAO-56) [5]:
214
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
rs,min = rleaf,min/LAIactive (4)
Trong đó LAIactive là chỉ số diện tích lá hứng được nắng Mặt Trời và nhận bằng (1/2)LAI.
(03:13:46, 04-11-2000),
LE71270452000309S01
_B1, 30m
(03:46:30, 23-11-2001)
Lưu vực Sông Cầu DEM (30mx30m)
LE71270452001327S01
_B1, 30m
Hình 1. Tư liệu ảnh, bản đồ hành chính lưu vực Sông Cầu và DEM tương ứng.
Một số tham số lý - sinh bề mặt địa hình sử dụng trong việc tính Kc-gt (3) cần xác định [4]:
▪ Kháng khí động học tải nhiệt, ra,H; ▪ Vận tốc ma-sát, ; ▪ Độ nhám động lượng, zom (m); ▪
Chỉ số diện tích lá, LAI; ▪ Nhiệt bề mặt, Ts; ▪ Bức xạ ròng trung bình ngày, Rnd. Sáu tham số trên
đây được trích xuất từ chỉ số thực vật NDVI của ảnh viễn thám kết hợp với số liệu trên các trạm khí
tượng trong khu vực.
Ở khu vực địa hình có độ chênh cao lớn, một số đại lượng lý-sinh bề mặt địa hình cần được
chuẩn hóa (hiệu chỉnh ảnh hưởng yếu tố chênh cao địa hình) như nhiệt bề mặt, độ nhám động
lượng,.. [4, 5].
2.3.2. Ước tính bốc thoát hơi nước tham chiếu ETo
FAO-56 là phương pháp kết hợp do Penman-Monteith đề xuất để tính bốc thoát hơi nước tham
chiếu trung bình ngày ETo (mm/ngày). Tổ chức Nông Lương thế giới (FAO) khuyến cáo sử dụng,
coi là tiêu chuẩn trên thế giới. Chi tiết về FAO-56 được trình bầy trong tài liệu “FAO Irrigration and
drainage paper 56” [5].
2.3.3. Phương pháp S-SEBI
Phương pháp S-SEBI (Simple-Surface Energy Balance Index) do Roerink et. al., 2000 [13] đề
xuất. Nhận tổng thông lượng nhiệt trong đất G xấp xỉ bằng 0 (Allen và các cộng sự, 1998) [14] giá
trị bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa được tính bởi công thức:
(5)
215
- The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
Trong đó: ETa - Bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất (mm/ngày); - Bức xạ ròng trung
bình ngày (MJ/m2/ngày), - Hằng số. Tỷ phần bốc thoát hơi nước theo ngày nhận xấp xỉ
bằng tỷ phần bốc thoát hơi nước tức thời . Công thức để tính dựa vào quan hệ tuyến tính
giữa suất phân sai bề mặt α (hay albedo) và nhiệt độ bề mặt Ts được đưa ra:
(6)
Trong đó: và - Là hệ số truyến tính của đường thẳng biểu diễn quan hệ giữa
nhiệt độ bề mặt Ts với albedo tương ứng cho điều kiện “khô” và điều kiện “ẩm” của bề mặt.
Theo [15], ETa của (5) được tính sau khi nhiệt bề mặt Ts trích xuất từ kênh ảnh nhiệt đã được
hiệu chỉnh do chênh cao địa hình nhờ DEM. Biểu thức (5) còn được cải chính nhờ hệ số liên hệ c.
Công thức xác định “hệ số liên hệ c” được đề xuất như sau:
(ETa_PT)/(ETFi × ETo_Rnd_VT) (7)
Trong đó: ETFi - Tỷ phần bốc thoát hơi nước tức thời tính theo phương pháp S-SEBI; ETa_PT
- Bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt xác định theo phương pháp Priestley-Taylor; ETo_Rnd_VT - Bốc
thoát hơi nước tham chiếu xác định theo phương pháp FAO-56 PM (bức xạ ròng trung bình ngày
được chiết xuất từ ảnh viễn thám).
Trong thực nghiệm, các tham số sử dụng đề đánh giá độ chính xác của phương pháp, phương
án bao gồm: sai số trung phương, RMSE (Root Mean Square Error); Sai số tuyệt đối trung bình,
MAE (Mean Absolute Error); sai số độ lệch trung bình MBE (Mean Bias Error); tham số hiệu quả
mô hình, ME (Modeling Eficiency); và Chỉ số phù hợp mô hình, AI (Modeling Agreement Index).
3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Trong phần thực nghiệm, hai nội dung được tiến hành giải quyết:
1/ Thiết lập mô hình Kc tối ưu của thời kỳ 23/11/2001 (Phương án 3T và 6T): Sử dụng 3 và 6
cặp trị NDVI với Kc-gt tương ứng xác định hệ số tuyến tính a, b tối ưu cho Kc. Kc tối ưu cần thỏa
mãn điều kiện: Giữa NDVI và Kc giải tích tối ưu, cũng như giữa ETa tính từ Kc giải tích tối ưu với
ETa_TĐ có hệ số tương quan R ≥ 70 %.
Phương án 3T sử dụng 3 trạm Bắc Giang, Vĩnh Yên và Tam Đảo để xác định a, b tối ưu cho
Kc. Ba điểm còn lại: Bắc Ninh, Thái Nguyên, Bắc Kạn sử dụng làm 3 điểm kiểm tra (3C) để đánh
giá độ chính xác.
2/ Kiểm chứng mô hình Kc tối ưu của thời kỳ 23/11/2001 bằng sử dụng ảnh thời kỳ 4/11/2000:
Sử dụng hệ số a, b của thời kỳ 23/11/2001 và NDVI của thời kỳ 04/11/2000 (ký hiệu NDVI(2000)
để tính ETa cho thời kỳ 04/11/2000 (ký hiệu ETa (2000).
3.1 Thiết lập mô hình Kc = a NDVI (2001) + b và tính ETa cho thời kỳ 23/11/2001
Thời kỳ 23/11/2001 là vào đầu mùa đông. Đối với cây trồng thời vụ, quả và hạt đã được thu
hoạch. Đối với cây lâu năm cũng là vào thời điểm quả ương chín. Đối với thảm thực vật rừng là thời
điểm cây ngả lá vàng. Vào thời điểm này, kháng bề mặt là tương đối thấp và nhận rs cho lưu vực
Sông Cầu bằng 30 (s/m). Một số tham số lý-sinh bề mặt địa hình lưu vực Sông Cầu cho thời kỳ
ngày 23/11/2001 trên 6 trạm khí tượng được tính từ chỉ số thực vật NDVI (trích xuất từ ảnh phản bề
mặt từ kênh Red và NIR) dựa theo mục 2. Để tính Kc-gt, ngoài những tham số lý-sinh bề mặt địa
hình, chúng ta cần tính một số tham số thời tiết trên trạm khí tượng theo FAO-56, trong đó cần tính
bức xạ ròng trung bình ngày cho bề mặt tham chiếu Rnd-ref (MJ/m2/ngày) (nhận thông lượng nhiệt
của đất trung bình ngày bằng 0, G = 0) dựa vào số liệu thời tiết đo trên các trạm khí tượng (Bảng 1).
216
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
Cuối cùng hệ số cây trồng giải tích (Kc-gt) trên trạm khí tượng được tính toán bằng phương trình (3).
Kết quả một số tham số cơ bản sau khi tính toán được thống kê trong Bảng 2.
Theo như phương án đã trình bầy, chúng ta cần xác định hai hệ số a, b bằng cách sử dụng 3 và
6 cặp trị NDVI (2001) với Kc-gt ở Bảng 2 để tính a, b thỏa mãn điều kiện đặt ra. Kết quả tính toán
nhận được:
▪ Phương án 3T: Kc(2001) = 0.8228xNDVI(2001) - 0.0541 (8a)
▪ Phương án 6T: Kc(2001) = - 0.0465xNDVI(2001) + 0.9208 (8b)
Do khuôn khổ cho phép của bài báo, Hình 2 chỉ thể hiện bốn ảnh: NDVI, Kc, ETo, ETa của
thời kỳ 23/11/2001 làm ví dụ cho phương án 6T.
Sử dụng phương trình (8a) và (8b) các trị ETa của phương án 3T và 6T trên 6 trạm khí tượng
được trình bầy trong Bảng 3. Cột cuối của Bảng 3 là trị ETa tính bằng phương pháp S-SEBI trích
lục từ tài liệu [15]. Biến thiên các trị ETa của các phương án trên trạm khí tượng được thể hiện trên
Hình 3. Quan sát trên hình 3, chúng ta nhận thấy phương án 6T xác định Kc tối ưu là hàm số của
chỉ số thực vật NDVI cho ETa bám sát vào trị đo ngoài thực địa Eta - TĐ. Các sai số của ETa của
các phương pháp được ghi trên Bảng 5.
-0.36 0.89 0.88 0.94 2.08 4.19 1.95 3.57
NDVI(2001) Kc-6T(2001) ETo(2001) ETa(2001)
Hình 2. Bốn ảnh NDVI, Kc, ETo và ETa của thời kỳ 23/11/2001.
Bảng 2. Kc-giải tích trên sáu trạm khí tượng thời kỳ 23/11/2001.
Tr. Khí Tg ETa-TD NDVI LAI raH Rnd-ref ETo Kc-gt
(mm/ng) (-) (-) (s/m) (MJ/m2/ng) (G=0) (2001)
(mm/ng) (-)
1. Bắc Ninh 3.4 0.324 0.14895 (s/m) 8.86765 3.51694 1.06663
2. Bắc Giang 2.9 0.172 0.01509 0.79323 8.86713 3.28624 1.06869
3. Vĩnh Yên 2.4 0.356 0.20939 1.05722 8.75416 3.09389 1.05700
4. Tam Đảo 3.5 0.767 3.35986 1.05616 8.12711 4.02192 0.98930
5. Th. Nguyên 3.1 0.382 0.27017 0.42434 8.41648 3.38569 1.05808
6. Bắc Kạn 2.4 0.257 0.06445 0.79062 8.15238 2.62767 1.05526
217
- The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
Bảng 3. Kết quả tính ETa từ Kc tối ưu của các ETa của các phương án, 23/11/2001
ETa-TD
phương pháp, thời kỳ 23/11/2001. 3.75 ETa-6T
ETa (mm/d)
3.5
Thời kỳ ETaTĐ ETa-6T ETa-3T ETa 3.25
3
23/11/2001 (mm/d) (mm/d) (mm/d) (S- 2.75
2.5
SEBI) 2.25
2
1. Bắc Ninh 3.4 3.185 2.896 2.6 1.Bắc 2.Bắc 3.Vĩnh 4.Tam 5.Th. 6.Bắc
Ninh Giang Yên Đảo Nguyên Kạn
2. Bắc Giang 2.9 2. 99 2.712 2.29
Trạm khí tượng
3. Vĩnh Yên 2.4 2.798 2.523 2.4
4. Tam Đảo 3.5 3.560 3.056 3.71 Hình 3. Biến thiên ETa của các phương án
trên 6 trạm khí tượng, thời kỳ 23/11/2001.
5. T. Nguyên 3.1 3.057 2.764 3.05
6. Bắc Kạn 2.4 2.388 2.139 2.75
3.2. Kiểm chứng mô hình Kc của thời kỳ 23/11/2001 bằng cách tính ETa cho thời kỳ
04/11/2000
Bảng 4. Kết quả tính Kc- và ETa của thời kỳ (04/11/2000).
ETa_TĐ NDVI Kc ETo ETa ETa
(mm/d) (-) (-) (mm/d) (mm/d) (S-SEBI) (mm/d)
1. Bắc Ninh 4.9 0.302 0.90676 4.14835 3.762 3.84
2. Bắc Giang 3.9 0.218 0.91066 4.06217 3.699 2.40
3. Vĩnh Yên 3.1 0.384 0.90294 4.01080 3.622 3.02
4. Tam Đảo 4.3 0.85 0.88127 4.98392 4.392 4.68
5. T. Nguyên 4.4 0.389 0.90271 4.11331 3.713 3.39
6. Bắc Kạn 2.8 0.185 0.91220 3.47028 3.166 2.65
ETa của ba phương pháp, 04/11/2000
ETa-(S-SEBI) ETa-6T ETa-TD
ETa (mm/ng)
5,1
4,6
4,1
3,6
3,1
2,6
2,1
1.Bắc Ninh 2.Bắc Giang 3.Vĩnh Yên 4.Tam Đảo 5.Th. Nguyên 6.Bắc Kạn
Trạm khí tượng
Hình 4. Biến thiên ETa của các phương pháp trên 6 trạm khí tượng, thời kỳ 04/11/2000.
Thực nghiệm nghiên cứu trong mục này nhằm giải đáp cho câu hỏi: Liệu có thể sử dụng Kc tối
ưu (tham số a và b của phương án 6T) thời kỳ 23/11/2001 để tính ETa từ NDVI cho thời kỳ
4/11/2000 vào thời điểm cùng tháng, cùng mùa? Trả lời câu hỏi này, chúng ta thiết lập mô hình (9)
cho thời kỳ 04/11/2000. Kết quả nhận được đồng thời sẽ đánh giá so sánh với trị thực địa ETa-TĐ
và kết quả ETa của phương pháp S-SEBI lấy từ nghiên cứu [15]. Hệ số cây trồng Kc và ETa cho
thời kỳ 04/11/2000 được viết:
ETa(2000) = (-0.0465 NDVI(2000) + 0.9208).ETo(2000) (9)
218
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
Trong đó: NDVI(2000) và ETo(2000) là chỉ số thực vật và bốc thoát hơi nước tham chiếu của
thời kỳ 04/11/2000. Kết quả tính toán được giới thiệu trong Bảng 4.
So sánh biến thiên giá trị ETa của thời kỳ 04/11/2000 trên sáu trạm khí tượng của ba phương
pháp: đo ngoài thực địa (ETa-TĐ), phương án 6T đề xuất (ETa) và phương pháp S-SEBI được giới
thiệu trên Hình 4. Bằng trực giác chúng ta cũng dễ dàng nhận thấy phương án đề xuất (nét liền mầu
xanh) sát với trị đo thực địa hơn. Để đánh giá mô hình (9), các sai số RMSE, MAE, MBE và chỉ số
thống kê ME, AI của phương pháp đề xuất ở trên được tổng kết trong Bảng 5 mục 3.3. Bốn ảnh của
thời kỳ 04/11/2000 được giới thiệu trên Hình 5.
0.87 0.94 2.47 5.26
-0.36 0.89 2.33 4.60
Kc-6T(2000) ETo(2000)
NDVI(2000) ETa-6T(2000)
Hình 5. Ảnh NDVI và Kc, ETo, ETa sử dụng phương án 6T cho thời kỳ 4/11/2000.
3.3. So sánh đánh giá các phƣơng pháp tính ETa của hai thời kỳ 23/11/2001 và 04/11/2000
Các sai số RMSE, MAE, MBE và các chỉ số ME, AI của các phương án xác định ETa dựa vào
Kc và so sánh với phương pháp S-SEBI được ghi tổng kết trong Bảng 5.
Bảng 5. Các sai số và chỉ số đánh giá các phương án, phương pháp cho hai thời kỳ.
Thời kỳ Ph. pháp tính MBE RMSE MAE ME AI
23/11/2001 ETa (mm) (mm); (%) (%) (-) (-)
3T 0.170 0.289; 9.80 8.10 0.59141 0.82671
3C 0.367 0.381; 12.83 12.18 0.17415 0.81
6T 0.048 0.191; 6.49 4.16 0.74474 0.88390
S-SEBI 0.15 0.444; 15.04 11.13 -0.04070 0.74840
Thời kỳ 6T -0.089 0.582; 15.60 12.67 0.31831 0.68842
04/11/2000 S-SEBI 0.57 0.872; 22.37 16.64 -0.40090 0.67680
Quan sát trên Bảng 5 chúng ta so sánh và đánh giá kết quả nghiên cứu, nhận thấy:
▪ Phương án 3T thời kỳ 23/11/2001 (xác định Kc tối ưu từ 3 cặp điểm) cho các sai số RMSE
và MAE xấp xỉ bằng 10 % với các chỉ số ME, AI bằng 0,59 và 0,83. Đánh giá mô hình trên 3 điểm
kiểm tra (3C), RMSE và MAE bằng 12,83 và 12,18; trong khi đó tham số ME là nhỏ và bằng 0,17.
▪ Phương án 6T thời kỳ 23/11/2001 (xác định Kc tối ưu từ 6 cặp điểm) cho các sai số nhỏ nhất
(RMSE và MAE nhỏ hơn 10 %) với các chỉ số ME, AI là lớn nhất (0,74 và 0,88) so với các phương
án khác. Điều này chứng tỏ phương trình (8b) được thiết lập cho độ chính xác và độ tin cậy cao.
219
- The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
▪ Sử dụng mô hình Kc của phương án 6T (hai hệ số a, b) của năm 2001 để tính ETa cho 4/11/
2000 vào cùng tháng, cùng mùa (tháng 11, đầu mùa Đông) với việc sử dụng NDVI của năm 2000,
độ chính xác của ETa(2000) thông qua sai số RMSE và MAE bằng 16 % và 13 % với ME, AI tương
ứng bằng 0,32 và 0,69. Trong khi đó RMSE và MAE của phương pháp S-SEBI bằng 22 % và 17 %
với ME mang dấu (-).
4. KẾT LUẬN
Bằng phương pháp giải tích sử dụng tư liệu viễn thám tích hợp với số liệu khí tượng cho phép
chúng ta xác định hệ số cây trồng tức thời Kc trên pixel ảnh có độ phân giải cao như ảnh Landsat.
Nó phản ánh thực tế khách quan về trạng thái của thảm thực vật cũng như nguồn nước cung cấp cho
cây trồng thông qua đại lượng ETa. Việc xác định Kc tối ưu (thông qua hệ số a, b) là hàm số của
NDVI sẽ tăng độ chính xác xác định ETa giao động quanh 10 %. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng có
thể sử dụng hệ số Kc tối ưu của năm này để tính ETa của năm kề cận vào cùng tháng cùng mùa với
độ chính xác nhỏ hơn 20 % khi có NDVI trích xuất từ ảnh của năm đó. Điều này rất có ý nghĩa ứng
dụng trong thực tế. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy phương án đề xuất trên đây có độ chính xác
cao hơn so với phương pháp S-SEBI khi trích xuất ETa từ ảnh Landsat.
Bốc thoát hơi nuớc thực tế ETa của một lưu vực là tham số quan trọng để xác định nhu cầu
nước của cây trồng trên khu vực đó. Cần mở rộng nghiên cứu trên các lưu vực khác để có thể áp
dụng phương án đề xuất trong sản xuất trên quy mô rộng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Doorenbos, J. and W. O. Pruitt. 1977 - “Guidelines for predicting crop water requyrements.”
FAO Irrigation and Drainage Paper, FAO, Rome, 24, pp. 144.
2. Doorenbos, J. and A. H. Kassam. 1986 - “Yield response to water.” FAO Irrigation and
Drainage paper, FAO, Rome, 33, pp. 193.
3. D‟Urso et al., 2007 - EO technology for irrigation water control & management.
Porfolio/Library of harmonized EO technology. Work Package 3. Project deliverable D10a.
Draft v.
4. Allen, R., Tasumi M., Trezza R., Waters R., Bastiaanssen W., 2002 - SEBAL Surface Eneregy
Balance Algorithm for Land. Idaho Implementation. Advanced training and Users manual.
Version 1.
5. FAO Irrigation and Drainage Paper. No. 56: Guidelines for computing crop water requyrement,
book.
6. González1 A. R., T. Trooien1, J. Kjaersgaard, C. Hay and D. G. Reta-Sánchez. 2016 -
Development of Crop Coefficients Using Remote Sensing-Based Vegetation Index and
Growing Degree Days. ASABE Annual International Meeting. Orlando, Florida. July 17-20.
7. Kamble B., Kilic A., Hubbard K., 2013 - Estimating Crop Coefficients Using Remote Sensing-
Based Vegetation Index. Remote Sensing, 5(4), 1588-1602.
8. Rocha J., Perdigão A., R. Melo and C. Henriques, 2012 - Remote Sensing Based Crop
Coefficients for Water Management in Agriculture. Chapter 8, http://creativecommons.org/
licenses/by/3.0, pp.167-192.
9. Luong Chinh Ke, Tran Ngoc Tuong, 2013 - Evaluating the accuracy of hourly net radiation in
Northern Vietnam extracted from MODIS satellite image. Proceedings of 16-th National
220
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
conference on the Science Meteorology, Environment and Climate Change. Sub-Institute of
Met. & Hyd. in HCM City, (in Vietnamese).
10. Luong Chinh Ke, Nguyen Van Hung, Tran Ngoc Tuong, Pham Van Manh, 2014 - Effects of
daily net radiation from MODIS on daily reference evapotranspiration. Proceedings of the
International Symposium on Geo-Informatics for Spatial-Infrastructure Development in Earth
and Allied Sciences (GIS-IDEAS). Da Nang, Dec. 6-9, 2014.
11. Tuong Ngoc Tran, Ke Chinh Luong. 2015 - Actual evapotranpiration model for North Vietnam
using vegetation indices of Modid data. Proceedings of ACRS 2015. Philippines.
12. Minh Le, Ke Luong Chinh, Tuong Tran Ngoc, Hung Nguyen Van, Son Le Minh, 2013 -
Essessing the accuracy of land surfacr evapotranspriration estimated by Makkink‟s model based
on solar radiation extracted from Modis data Proceedings of the 9th International Conference
on Geo-information for Disaster Management, Hanoi, Vietnam, 9-11 Dec. 2013.
13. Roerink, G. J.; Su, Z.; Menenti, M. (2000) - S-SEBI A simple remote sensing algorithm to
estimate the surface energy balance. Phys. Chem. Earth B 25, 147-157.
14. Bastiaanssen, W. G. M. 1998 - “Remote sensing in water resources management: The state of
the art.” International Water Management Institute, Colombo, Sri Lanka, pp. 118.
15. Nguyễn Văn Hùng. 2017 - Nghiên cứu ứng dụng viễn thám xác định lượng nước bốc hơi do bức
xạ Mặt Trời tại lưu vực Sông Cầu. Luận văn Tiến sĩ. Viện Đo đạc và Bản đồ, Hà Nội
CREATING CROP ANALYTICAL COEFFICIENT MODEL AS A FUNCTION OF
LANDSAT-NDVI VEGETATION INDEX FOR ESTIMATING CROP WATER
REQUYREMENT OVER CAU RIVER BASIN
Luong Chinh Ke1, Nguyen Van Hung2, Tran Ngoc Tuong3,*
(1)
Viet Nam Society for Surveying, Mapping and Remote Sensing,
(2)
Department of National Remote Sensing,
(3)
Ministry of Public Security
*
Email: lchinhke@gmail.com
ABSTRACT
Sustainable management of water resources play an important role in agricultural production
under pressure of climate change. The research here is focused on actual evapotranspiration
calculation (ETa) of the CAU River basin based on crop analytical coefficients (Kc-gt) with the use
of meteorological data and the NDVI vegetation index extracted from Landsat 7 images. The
research was conducted on Landsat-7 images on 23/11/2001 and verified on image on 4/11/2000 by
two methods: (1) ETa was estimated from optimal Kc-gt that is a function of the NDVI vegetation
index and (2) ETa was estimated using Simple - Surface Energy Balance Index (S-SEBI).
Experimental results give some remarks: (i) - ETa of the CAU River basin based on optimal Kc-gt
and NDVI from Landsat-7 image has the Root Mean Square, Error and Mean Absolute Error, MAE
smaller than 10 %; and accuracy higher than method of S-SEBI (23/11/2001 period). (ii) - Can use
the model optimal Kc-gt built for this year's period (23/11/2001) to calculate ETa in adjacent period
(05/11/2000) in the same month in the same season with the RMSE, MAE agitated around 15 %.
Keywords: Lansdsat, NDVI, crop, actual evapotranspiration.
221
nguon tai.lieu . vn
