Nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám xác định lượng nước bốc hơi do bức xạ Mặt Trời tại Lưu vực Sông Cầu

1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Bốc thoát hơi nước bề mặt đất ETa (evapotranspiration) 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 bầu không khí. Bức xạ
Mặt Trời cung cấp năng lượng làm gia tăng nhiệt độ bề mặt của mặt
nước và mặt đất tạo điều kiện chuyển hóa các phân tử nước từ thể
lỏng sang thể hơi. Thực tế, rất khó để đo lường ETa trực tiếp và trong
hầu hết các ứng dụng, ETa được tính toán bằng cách sử dụng các mô
hình lý thuyết, thực nghiệm. Độ tin cậy định lượng bốc thoát hơi nước
ETa không chỉ là một nhiệm vụ quan trọng cho các nhà quản lý nguồn
tài nguyên nước, mà còn là một thách thức đối với các nhà khoa học.
Với sự phát triển của công nghệ viễn thám, trong những năm gần
đây các nhà nghiên cứu trên thế giới đang từng bước ứng dụng công
nghệ viễn thám ước tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất
ETa từ năng lượng bức xạ Mặt Trời chiết xuất từ ảnh viễn thám, giảm
đáng kể về chi phí và công sức cho công tác quan trắc ngoại nghiệp.
Trong khi đó ở Việt Nam, để xác định lượng bốc thoát hơi nước người
ta thường sử dụng phương pháp đo đạc trực tiếp tại các trạm quan trắc
khí tượng riêng biệt rải rác trên khu vực, đây là công việc hết sức khó
khăn và tốn kém. Trung bình mỗi tỉnh thành chỉ có một đến vài ba
trạm, từ đó nội suy ra các vùng lân cận. Số liệu đo từ nguồn này có
thuận lợi là có số liệu đo hàng ngày và dữ liệu được ghi chép trong
thời gian dài, nhưng số liệu thô do điểm đo ít và thưa thớt, không thể
cung cấp một cách chi tiết dữ liệu giữa các trạm quan trắc trong một
khu vực rộng lớn. Vì vậy, chúng không đảm bảo tính tổng quát, tính
khách quan cho toàn vùng. Một thực tế hiện nay là ở Việt Nam, có khá
đầy đủ các loại tư liệu ảnh viễn thám; từ loại ảnh vệ tinh có độ phân
giải thấp và trung bình như ảnh MODIS, LANDSAT đến các loại ảnh
vệ tinh ASTER, SPOT có độ phân giải cao phủ trùm lãnh thổ Việt

Nam chụp ở các thời kỳ khác nhau. Với các loại ảnh này, kết hợp với
một số dữ liệu về khí tượng thủy văn cho phép nghiên cứu xác định
lượng bốc thoát hơi nước từ năng lượng bức xạ Mặt Trời trong một
chu trình thời gian phục vụ công tác quy hoạch bảo vệ nguồn tài


2
nguyên nước một cách có hiệu quả. Với tính cấp thiết nêu trên, luận
án tiến sĩ đã được đề xuất “Nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám
xác định lượng nước bốc hơi do bức xạ Mặt Trời tại Lưu vực Sông
Cầu”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu 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 của Việt Nam.
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan các khái niệm về bốc thoát hơi nước và các
phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi nước.
- 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.
- 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.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích, tổng hợp: Để có được các đánh giá một
cách tổng quan các nội dung liên quan đến lĩnh vực của đề tài, nghiên
cứu sinh sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp một số tài liệu, các
kết quả nghiên cứu ứng dụng các phương pháp tính toán lượng bốc
thoát hơi nước thực tế bề mặt đất từ năng lượng bức xạ Mặt Trời chiết

xuất từ dữ liệu viễn thám đã được công bố trên thế giới và ở Việt Nam.
Từ đó, đề xuất phương pháp phù hợp với điều kiện địa hình và khí hậu
tại Lưu vực Sông Cầu ở Việt Nam.
- Phương pháp viễn thám: Phương pháp viễn thám là phương pháp
sử dụng tư liệu ảnh viễn thám để nghiên cứu, chiết xuất năng lượng
bức xạ Mặt Trời và tính toán lượng bốc thoát hơi nước bề mặt đất, lấy
ví dụ cho khu vực nghiên cứu là Lưu vực Sông Cầu.
- Phương pháp thực nghiệm: Tác giả tiến hành thực nghiệm chiết
xuất năng lượng bức xạ Mặt Trời từ ảnh viễn thám và tính toán lượng
bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất tại Lưu vực Sông Cầu ở các thời
điểm khác nhau bằng phương pháp viễn thám. Đây là phương pháp
ứng dụng công nghệ cao, đã và đang được nghiên cứu áp dụng trên thế
giới.


3
- Phương pháp mô hình: Các nghiên cứu được thể hiện dưới dạng
các mô hình lý thuyết, mô hình trực quan, các sơ đồ, biểu đồ nhằm
nâng cao hiệu quả và thể hiện rõ ràng các kết quả nghiên cứu.
5. Phạm vi nghiên cứu
Khu vực nghiên cứu thí điểm là phạm vi Lưu vực Sông Cầu ở miền
Bắc Việt Nam, với diện tích Lưu vực hơn 6030 km2 , trải rộng trên địa
phận của 5 tỉnh: Bắc Kạn, Thái Nguyên, Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Bắc
Giang và Thành phố Hà Nội.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
6.1. Ý nghĩa khoa học: Xây dựng được cơ sở khoa học và minh
chứng thực tiễn thành công khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám
trong xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất từ năng
lượng bức xạ Mặt Trời chiết xuất từ ảnh viễn thám. Có thể nói đây là
nghiên cứu đầu tiên về ứng dụng công nghệ viễn thám để xác định

lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất dựa vào bức xạ Mặt Trời
được chiết xuất từ tư liệu viễn thám ở Việt Nam.
6.2. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án là tư liệu hỗ
trợ về lý thuyết và thực tiễn ứng dụng công nghệ viễn thám trong xác
định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất từ năng lượng bức
xạ mặt trời chiết xuất từ ảnh viễn thám. Từ các kết quả nghiên cứu của
luận án, phương pháp thực hiện có tính khả thi cao và có thể ứng dụng
cho các hệ thống Lưu vực sông của Việt Nam.
7. 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 (phương pháp 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 có thể 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%.
8. Những điểm mới của luận án
Đưa công nghệ viễn thám vào lĩnh vực chiết xuất bốc thoát hơi
nước thực tế bề mặt đất thông qua xác định các tham số phù hợp với
điều kiện địa hình và khí hậu tại Lưu vực Sông Cầu của Việt Nam bao
gồm:


4
- Đề xuất xác định hệ số liên hệ c: Hệ số “liên hệ c” được định
nghĩa là hệ số liên kết giữa ba đại lượng: (1) Tỷ phần bốc thoát hơi
nước tức thời ETFi tính theo phương pháp S-SEBI, (2) bốc thoát hơi
nước thực tế bề mặt đất tính theo phương pháp Priestley-Taylor, và
(3) bốc thoát hơi nước tham chiếu tính theo phương pháp FAO-56 PM.

Việc đề xuất hệ số “liên hệ c” nhằm nâng cao độ chính xác tính toán
lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất tại Lưu vực Sông Cầu của
Việt Nam.
- Đề xuất hệ số a trong phương pháp Priestley-Taylor được khảo
nghiệm trong điều kiện địa hình và khí hậu ở Lưu vực Sông Cầu của
Việt Nam nằm trong khoảng 0,95-1,05 sẽ cho phép tính toán bốc thoát
hơi nước thực tế bề mặt đất với sai số tuyệt đối trung bình có thể đạt
được nhỏ hơn 20% so với kết quả đo ngoại nghiệp.
- Dựa vào bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất tính theo phương
pháp viễn thám và bốc thoát hơi nước tham chiếu tính theo phương
pháp FAO-56 PM đề xuất xác định hệ số cây trồng hỗn hợp Kc trên
quy mô diện rộng, nhanh và hiệu quả.
- Đề xuất xây dựng quy trình tính toán lượng bốc thoát hơi nước
thực tế bề mặt đất theo mô hình S-SEBI (Mô hình chỉ số cân bằng
năng lượng bức xạ bề mặt giản lược) phù hợp với điều kiện địa hình
và khí hậu tại Lưu Sông Cầu của Việt Nam.
9. Khối lượng và kết cấu của luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án có 3 chương: Chương 1:
Tổng quan về bốc thoát hơi nước do bức xạ Mặt Trời và phương pháp
nghiên cứu; 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 3: Thực nghiệm xác định lượng
bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất tại Lưu vực Sông Cầu bằng sử
dụng tư liệu ảnh LANDSAT-7.
NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỐC THOÁT HƠI NƯỚC DO
BỨC XẠ MẶT TRỜI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.1. Khái niệm cơ bản về bốc thoát hơi nước và các yếu tố ảnh
hưởng đến bốc thoát hơi nước
1.1.1. Khái niệm cơ bản về bốc thoát hơi nước (Lượng nước bốc hơi)

5
- Bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa (evapotranspiration)
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 bầu không khí.
- 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.
- Hệ số cây trồng Kc (Crop coefficient) là tỉ số giữa lượng bốc thoát
hơi nước thực tế bề mặt đất trong từng giai đoạn sinh trưởng và phát
triển của cây trồng với lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu (Kc= ETa
/ETo).
1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến bốc thoát hơi nước
Các yếu tố ảnh hưởng đến bốc thoát hơi nước gồm; bức xạ mặt trời,
nhiệt độ, gió và độ ẩm không khí. Sự bốc thoát hơi nước từ bề mặt địa
hình tăng lên khi bức xạ Mặt Trời lớn, nhiệt độ môi trường tăng cao,
không khí trở nên khô, gió mạnh, độ ẩm thấp (Lê Anh Tuấn, 2009).
1.2. Tổng quan các phương pháp truyền thống xác định lượng bốc
thoát hơi nước
1.2.1. Nhóm phương pháp trực tiếp xác định lượng bốc thoát hơi
nước ngoài thực địa
Nhóm phương pháp dựa trên nền tảng khí tượng học để xác định
tổng lượng bốc thoát hơi nước thông qua các thiết bị đo đạc trực tiếp
ngoài ngoại nghiệp, một số phương pháp tiêu biểu gồm: Phương pháp
Thủy tiêu kế (Lysimeter); tương quan gió cuốn (Eddy Covariance); sử
dụng thiết bị cảm biến (Bowen ratio) và Phương pháp chậu Pan A.
1.2.2. Nhóm phương pháp thực nghiệm sử dụng số liệu quan trắc
khí tượng

Nhóm phương pháp thực nghiệm sử dụng số liệu quan trắc khí
tượng dựa trên số liệu đo đạc khí tượng tại các trạm quan trắc khí tượng
để ước tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất. Một số nhóm
phương pháp thực nghiệm sử dụng số liệu quan trắc khí tượng tính bốc
thoát hơi nước thực tế gồm: Nhóm phương pháp sử dụng năng lượng
bức xạ Mặt Trời; sử dụng lý thuyết về ngân sách nước; sử dụng lý
thuyết ngân sách năng lượng và Nhóm phương pháp kết hợp. Phương
pháp Penman-Monteith (FAO-56 PM) nằm trong nhóm phương pháp
kết hợp được coi là phương pháp đáng tin cậy nhất để ước tính bốc


6
thoát hơi nước tham chiếu cho các thời điểm khác nhau. Công thức
FAO-56 PM tính lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu ETo như sau:
900
(1.2)
0.48∆(𝑅𝑛 − 𝐺) + 𝛾
𝑢 (𝑒 − 𝑒𝑎 )
𝑇 + 273 2 𝑠
ET0 =

∆ + 𝛾(1 + 0,3𝑢2 )

Trong đó: ETo - Lượng bốc thoát hơi tham chiếu chung đối với cây
trồng (mm/ngày); Rn - Bức xạ ròng trên bề mặt cây trồng
(MJ/m2 /ngày); G - Thông lượng nhiệt trong đất (MJ/ m2 /ngày); T Nhiệt độ trung bình ngày bề mặt đất (°C); u2 - Tốc độ gió tại chiều cao
2 m từ mặt đất (m/s); es - Áp suất hơi nước bão hòa (kPa); ea - Áp suất
hơi nước thực tế (kPa); ∆ - Độ dốc của áp suất hơi nước trên đường
cong quan hệ nhiệt độ (kPa/ °C); γ - Hằng số ẩm (kPa/ °C).
Hiện nay, trong thực tế người ta hay sử dụng phương pháp

Priestley-Taylor để tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất.
Do đây là phương pháp đơn giản, sử dụng ít số liệu ngoại nghiệp
nhưng có độ chính xác xấp xỉ với độ chính xác của phương pháp chặt
chẽ FAO-56 PM.
1.3. Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám xác
định lượng bốc thoát hơi nước từ năng lượng bức xạ Mặt Trời
1.3.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới
Việc ứng dụng ảnh viễn thám trong tính toán lượng bốc thoát hơi
nước từ năng lượng bức xạ Mặt Trời trên thế giới hiện nay chủ yếu tập
trung vào giải pháp cân bằng năng lượng bề mặt đất EB (energy
balance), đây là giải pháp sử dụng phản xạ bề mặt đất trên ảnh viễn
thám ở dải phổ nhìn thấy, phần cận hồng ngoại của quang phổ điện từ
và nhiệt độ bề mặt, bức xạ ròng từ kênh ảnh nhiệt hồng ngoại của ảnh
viễn thám. Cách tiếp cận này dựa trên cơ sở khoa học cho rằng lượng
bốc thoát hơi nước là sự thay đổi trạng thái của nước sử dụng năng
lượng có sẵn trong môi trường để bốc hơi. Các phương pháp cân bằng
năng lượng bề mặt đất dựa trên sự biến đổi bức xạ ảnh vệ tinh về đặc
trưng bề mặt đất, suất phân sai bề mặt đất Albedo, chỉ số thực vật, phát
xạ bề mặt và nhiệt độ bề mặt để tính toán bốc thoát hơi nước như là số
hiệu chỉnh trong phương pháp cân bằng bề mặt đất. Theo các nghiên
cứu khoa học đã được công bố trên các tạp chí trên thế giới thì hiện
nay có một số phương pháp viễn thám tiêu biểu để xác định lượng bốc
thoát hơi nước như sau: Phương pháp cân bằng năng lượng bề mặt cho
đất (SEBAL); Phương pháp lập Bản đồ bốc thoát hơi nước bằng kiểm
định nội hóa (METRIC); Mô hình hai nguồn (TSM); Hệ thống cân


7
bằng năng lượng bề mặt (SEBS); Chỉ số cân bằng năng lượng bề mặt
(SEBI) và Phương pháp chỉ số cân bằng năng lượng bức xạ bề mặt

giản lược (S-SEBI).
1.3.2. Tổng quan về những kết quả nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam các công trình nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám
xác định lượng bốc thoát hơi nước từ năng lượng bức xạ Mặt Trời
chưa có nhiều. Theo các tài liệu đã được công bố trên các tạp chí trong
và ngoài nước từ trước đến nay có một số công trình nghiên cứu ứng
dụng dữ liệu ảnh Modis xác định bức xạ Mặt Trời và áp dụng một số
phương pháp thực nghiệm để tính toán lượng bốc thoát hơi nước cho
khu vực phía Bắc Việt Nam của nhóm tác giả Lương Chính Kế và các
cộng sự.
1.4. Những vấn đề được phát triển trong luận án
Qua các kết quả nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam những vấn
đề được phát triển trong luận án bao gồm: (1) Nghiên cứu chiết xuất
năng lượng bức xạ ròng từ tư liệu ảnh viễn thám; (2) Nghiên cứu xây
dựng quy trình tính toán bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất theo
phương pháp S-SEBI; (3) Nghiên cứu, khảo sát kết hợp tư liệu ảnh
LANDSAT với mô hình số độ cao (DEM) và hệ số “liên hệ c” nhằm
nâng cao độ chính xác trong tính toán lượng bốc thoát hơi nước thực
tế bề mặt đất tại Lưu vực Sông Cầu; (4) Nghiên cứu, khảo sát xác định
hệ số a trong phương pháp Priestley-Taylor phù hợp với điều kiện địa
hình và khí hậu ở Lưu vực Sông Cầu; (5) Xác định hệ số cây trồng Kc
từ ảnh viễn thám phục vụ công tác xác định nhu cầu nước của cây
trồng để có thể áp dụng trong điều kiện thực tiễn của Việt Nam.
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
2.1. Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên
Phần này Trình bày các đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự
nhiên của (thực vật, thổ nhưỡng, nước, đối tượng trong đô thị) ảnh

hưởng đến việc tính chỉ số thực vật NDVI, hệ số phát xạ bề mặt đất
gây ra sai số trong tính toán nhiệt độ, bức xạ ròng và bốc thoát hơi
nước thực tế trên cơ sở sử dụng năng lượng bức xạ Mặt Trời được
chiết xuất từ ảnh viễn thám.


8
2.2. Cơ sở khoa học ứng dụng tư liệu viễn thám xác định lượng
bốc thoát hơi nước từ năng lượng bức xạ Mặt Trời
2.2.1. Phương pháp cân bằng năng lượng bề mặt đất
Sự cân bằng năng lượng về mặt đất được các nhà khoa học trên thế
giới đề xuất bằng phương trình toán học tổng quát sau (Bastiaanssen,
và các cộng sự, 1998):
(Rn -G) = (H+LE)
(2.3)
Trong đó: Rn - Bức xạ ròng hấp thụ bởi bề mặt đất (W/m2 ); G - Thông
nhiệt bề mặt đất (W/m2 ); H - Năng lượng nhiệt cảm ứng (W/m2 ); LE Năng lượng nhiệt ẩn là dòng nhiệt lượng cần thiết (tiêu hao) cho quá
trình bốc hơi nước từ đất, sông, hồ và thoát hơi nước từ thảm thực vật
(W/m2 ).
2.2.2. Vai trò của tư liệu viễn thám trong việc xác định các tham số
để tính lượng bốc thoát hơi nước
Từ ảnh viễn thám chúng ta có thể chiết xuất một số tham số khí
tượng để xác định lượng bốc thoát hơi nước bề mặt đất gồm: Lượng
bức xạ sóng ngắn đi tới bề mặt đất; Chỉ số thực vật NDVI; Nhiệt độ
(Ta - Nhiệt độ không khí ở gần bề mặt đất; Ts - Nhiệt độ bề mặt đất; TB
- Nhiệt độ sáng khí quyển ); Hàm lượng hơi nước, áp suất hơi nước và
độ ẩm tương đối của khí quyển; Tham số truyền dẫn của khí quyển;
Suất phân sai bề mặt đất (albedo); Hệ số phát xạ bề mặt đất và của
không khí.
2.3. Phương pháp viễn thám xác định lượng bốc thoát hơi nước

thực tế bề mặt đất
2.3.1. Chiết xuất năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày hấp thụ
bởi mặt đất
Theo Bastiaanssen và các cộng sự, (2002) bức xạ ròng tại thời điểm
i thu nhận ảnh được chiết xuất từ ảnh dựa trên nguyên lý cân bằng
năng lượng bức xạ bề mặt 𝑅𝑛𝑖 được mô tả bằng biểu thức:
𝑅𝑛𝑖 = 𝑅𝑛𝑠 + 𝑅𝑛𝑙 ≡ [(1 − 𝛼) 𝑅𝑠 ] + [𝑅𝐿↓ − 𝑅𝐿 ↑
(2.9)
− (1 − 𝜀𝑜 ) 𝑅𝐿↓ ]

Trong đó: RS- Tia tới sóng ngắn (W/m2 ); α RS - Tia phản xạ sóng
ngắn (W/m2 ); RL↓ - Tia tới sóng dài (W/m2 ); RL↑ - Tia phát xạ sóng dài
(W/m2 ); (1-εo )RL↓ - Tia phản xạ sóng dài (W/m2 ); 𝛼 - Suất phân sai bề
mặt đất (albedo); 𝜀𝑜 - Hệ số phát xạ bề mặt.


9
Để tính lượng bức xạ trung bình ngày, chúng ta cần tính tích phân
sau:
𝐷𝐿
(2.31)
𝑅𝑛𝑑 = ∫0 𝑅𝑚𝑎𝑥 𝑠𝑖𝑛(𝜋.𝑡/𝐷𝐿) = 𝐴. 𝑅𝑛𝑖
Trong đó: Rmax - Bức xạ Mặt Trời vào giữa trưa 12h; DL - Độ dài
của ngày (từ thời điểm Mặt Trời mọc tới thời điểm Mặt Trời lặn); t Khoảng thời gian bắt đầu từ lúc Mặt Trời mọc tới thời điểm i, A là hệ
số.
Các bước xử lý ảnh và chiết xuất các tham số gồm:
2.3.1.1. Hiệu chỉnh bức xạ ảnh vệ tinh
Quá trình xử lý bức xạ ảnh từ DN về phản xạ “thực” bề mặt đất gọi
là quá trình hiệu chỉnh bức xạ ảnh (bởi đầu thu, khí quyển, và tính chất
của địa hình).

2.3.1.2. Tính toán suất phân sai bề mặt đất α
- Tính toán suất phân sai ở đỉnh khí quyển 𝜶 toa
- Tính suất phân sai bề mặt đất.
2.3.1.3. Bức xạ sóng ngắn (RS↓ )
Bức xạ sóng ngắn được tính toán trong điều kiện bầu trời trong
xanh như sau:
(2.19)
𝑅𝑠 = 𝐺𝑠𝑐 × 𝑐𝑜𝑠𝜃 × 𝑑𝑟 × 𝜏𝑠𝑤
2
Trong đó: 𝐺𝑠𝑐 - Hằng số Mặt Trời (1367 W/m ); 𝑑𝑟 - Khoảng cách
thiên văn từ Mặt Trời tới mặt đất; θ - góc cao mặt trời.
2.3.1.4. Bức xạ của sóng dài (R L↑ )
Bức xạ của sóng dài là năng lượng bức xạ nhiệt phát xạ từ bề mặt
của Trái đất tới khí quyển (W/m2 ). Tia phát xạ sóng dài được tính toán
theo công thức Stefan-Boltzmann như sau:
(2.20)
RL↑ = εo × σ × 𝑇𝑠4
Trong đó: σ - Hằng số Stefan-Boltzmann (5.67 × 10-8 W/m2 /K4 ); Ts
- Nhiệt độ bề mặt đất (o K); εo - Hệ số phát xạ bề mặt.
Để tính tia phát xạ sóng dài ta tính một số các tham số sau:
- Tính nhiệt độ bề mặt Ts
𝑇𝐵
(2.23a)
𝑇𝑠 = 0.25
𝜀𝑜

Trong đó: TS - Nhiệt độ bề mặt (o K); TB - Nhiệt độ độ sáng (o K); εo
- Hệ số phát xạ bề mặt đất.
- Sử dụng DEM để hiệu chỉnh nhiệt độ bề mặt do chênh cao địa
hình

10
Thông thường, nhiệt độ bề mặt giảm 6.5 o C khi độ cao tăng lên
1km ở tầng đối lưu. Giải pháp sử dụng mô hình số độ cao (DEM) hiệu
chỉnh nhiệt độ bề mặt do chênh cao địa hình được đề xuất trong
phương pháp SEBAL theo công thức sau:
(2.23b)
𝑇𝑠_𝐷𝐸𝑀 = 𝑇𝑠 + 0.0065∆𝑧
o
Trong đó: TS - Nhiệt độ bề mặt ( C), ∆𝑧 - Độ cao của mỗi điểm
ảnh so với bề mặt trung bình của nước biển (m).
- Chỉ số thực vật NDVI là tỷ số hiệu số chuẩn hóa giữa phản xạ của
kênh cận hồng ngoại (ρ4 ) và kênh đỏ (ρ3 )
NDVI = (ρ4 − ρ3 ) / (ρ4 + ρ3 )
(2.24)
Trong đó: ρ4 - Kênh phổ ảnh cận hồng ngoại (Near InfraRed), ρ3 Kênh phổ ảnh phổ thuộc bước sóng màu đỏ.
- Tính hệ số phát xạ bề mặt εo
Công thức tính cho các loại thực vật và lớp phủ thực vật thay đổi:
εo = εv P v + εs (1 – P v )
(2.25)
Trong đó: εv và εs - Đại lượng phát xạ của các thảm thực vật và đất
trống; P v - Phần phủ thực vật.
2.3.1.5. Bức xạ tới sóng dài R L↓ .
Bức xạ đi tới sóng dài RL↓ là dòng bức xạ nhiệt đi xuống từ khí
quyển theo công Stefan-Boltzmann như sau:
(2.28)
RL↓ = εa × σ × 𝑇𝑎4
Trong đó: εa - Hệ số phát xạ của khí quyển; Ta - Nhiệt độ không khí
gần mặt đất (o K).

* Ngoài phương pháp viễn thám tính toán bức xạ ròng trong luận
án còn sử dụng Phương pháp FAO-56 PM tính bức xạ ròng trung
bình ngày phục vụ kiểm tra đánh giá kết quả viễn thám
Phương pháp FAO-56 PM là phương pháp sử dụng bức xạ ròng
trung bình ngày để tính lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu mà Tổ
chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc khuyến cáo sử
dụng như sau:
(2.32)
𝑅𝑛𝑑 = (1 − 𝛼)𝑅𝑠 − 𝑓𝜀𝜎𝑇𝑎4
Trong đó: α - Suất phân sai bề mặt đất (albedo); Rs - Tổng xạ Mặt
Trời sóng ngắn đi tới mặt đất; f - Tham số hiệu chỉnh do mây; 𝜀 Tham số phát xạ khí quyển; Ta - Nhiệt độ không khí trong ngày.


11
Phương pháp tính bức xạ ròng trung bình ngày 𝑅𝑛𝑑 theo phương
pháp FAO-56 PM trong luận án được đề xuất tính cho hai trường hợp:
(1) bức xạ Mặt Trời đi tới Rs được tính theo công thức Ăngstrom; (2)
bức xạ Mặt Trời đi tới 𝑅𝑠 được tính theo công thức kinh nghiệm của
Việt Nam.
2.3.2. Xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất theo
ngày
2.3.2.1. Xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất theo
Phương pháp chỉ số cân bằng năng lượng bức xạ bề mặt giản lược SSEBI
Công thức để tính toán 𝐸𝑇𝐹𝑖 dựa vào mối quan hệ tuyến tính giữa
hệ số phát xạ bề mặt albedo và nhiệt độ bề mặt như sau:
(𝑇 − 𝑇 )
(2.33)
𝐸𝑇𝐹𝑖 = ( 𝐻 𝑠 )
𝑇𝐻 − 𝑇𝐿𝐸

Trong đó: 𝑇𝐻 - Nhiệt độ bề mặt tương ứng với điều kiện khô, đại
diện cho dòng nhiệt ẩn nhỏ nhất (LEkhô = 0), hay dòng năng lượng
nhiệt cảm ứng lớn nhất (Hkhô = Rn − G); 𝑇𝐿𝐸 - Nhiệt độ bề mặt tương
ứng với điều kiện ẩm nó đại diện cho dòng nhiệt ẩn lớn nhất (LEẩm
=(Rn − G )), hay dòng năng lượng nhiệt cảm ứng nhỏ nhất (Hẩm = 0)
của phản xạ bề mặt, được thể hiện dưới sơ đồ ở hình 2.9:
ố.

Nhiệt độ bề mặt Ts

H(α)(max)
Chuyển đổi bức xạ

TH

H(khô)

TS

LE(α)(max)

TLE

LE(ướt)
Chuyển đổi bốc
thoát hơi nước
α
Suất phân sai bề mặt đất α

Hình 2.9: Sơ đồ mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và suất phân sai

bề mặt trong phương pháp S-SEBI


12
𝑎𝐻 − b𝐻𝛼−𝑇𝑠
(2.36)
𝐸𝑇𝐹𝑖 =
𝑎𝐻 −𝑎𝐿𝐸−( 𝑏𝐻− 𝑏 𝐿𝐸) 𝛼
Giá trị bốc thoát hơi nước theo ngày tính toán theo phương pháp SSEBI dựa vào lý thuyết vật lý như sau:
λET𝑖
λET𝑎
(2.39)
𝐸𝑇𝐹 = 𝐸𝑇𝐹 =
=
𝑖

𝑑

(𝑅𝑖−𝐺𝑖 )

(𝑅𝑛𝑑−𝐺𝑛𝑑 )

Xem xét rằng tổng thông lượng nhiệt trong đất G là xấp xỉ bằng 0 giá
trị bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa được tính toán bởi công
thức:
𝐸𝑇𝐹𝑑 ×𝑅𝑛𝑑
(2.40)
𝐸𝑇a =
𝜆

Trong đó: ETa - Bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất (mm/ngày);
R 𝑛𝑑 - Bức xạ ròng trung bình ngày (MJ/m2/ngày), 𝜆 - Hằng s 2.3.2.2.
Tính toán bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất theo phương pháp
Priestley-Taylor
Priestley-Taylor, (1972) đề xuất phương pháp thực nghiệm tính
toán lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa từ năng lượng
bức xạ Mặt Trời có độ chính xác xấp xỉ với độ chính xác của phương
pháp chặt chẽ FAO-56 PM như sau:
∆ 𝑅𝑛
(2.41)
𝐸𝑇𝑎 = 𝑎
+𝑏
∆+𝛾 𝜆
Hệ số a, b của Priestley-Taylor kiểm định tại Mỹ có trị số bằng 1,26
và 0; kiểm định tại châu Âu (Thụy Sĩ), 1984, a = 0.90 và b = 0; kiểm
định tại châu Á (Đài Loan) a = 1.00 và b = 0 (Chen J và các cộng sự,
2005). Ngoài các hệ số a nêu trên, trong nội dung nghiên cứu của luận
án mở rộng khảo sát thêm hai trường hợp a=0.95 và a=1.05. Hệ số a
về mặt lý thuyết có thể xây dựng phục vụ tính toán bốc thoát hơi nước
thực tế bề mặt đất theo hai phương pháp dựa vào nhiệt độ và dựa vào
các tham số nhiệt độ, albedo và chỉ số thực vật NDVI chiết xuất từ
viễn thám.
2.4. Đề xuất ứng dụng phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi
nước thực tế bề mặt đất từ năng lượng bức xạ Mặt Trời chiết xuất
từ ảnh viễn thám
2.4.1. Lựa chọn phương pháp S-SEBI
Các phương pháp gồm SEBAL, SEBI, SEBS, METRIC, TSM đều
có những ưu điểm riêng của từng phương pháp trong xác định lượng

13
bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất. Tuy nhiên các phương pháp này
có chung nhược điểm là cần nhiều số liệu đo đạc khí tượng ở ngoài
thực địa và cần tính đến tham số kháng trở bề mặt đất và độ nhám của
địa hình (các tham số này rất khó xác định và ảnh hưởng tới độ chính
xác xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa). Trong
luận án lựa chọn phương pháp S-SEBI với ưu nhược điểm như sau:
Ưu điểm của phương pháp S-SEBI:
- Là phương pháp đơn giản không cần nhiều các số liệu khí tượng
đo đạc ở ngoài ngoại nghiệp mà vẫn đảm bảo độ chính xác.
- Phương pháp S-SEBI dựa vào mối quan hệ tuyến tính giữa nhiệt
độ bề mặt Ts và suất phân sai bề mặt đất α (Albedo) để xác định hệ số
lý thuyết phần bay hơi tức thời ETFi, từ đó tính ra lượng bốc thoát hơi
nước ETa.
- Phương pháp S-SEBI là phương pháp phù hợp cho các khu vực
có ít số liệu đo đạc khí tượng và khó tiếp cận được.
Nhược điểm của Phương pháp S-SEBI:
- Độ chính xác xác định ETa phụ thuộc vào trình độ, kinh nghiệm
của người xử lý ảnh trong việc chọn đường thẳng tuyến tính xác định
tỷ phần bốc thoát hơi nước tức thời ETFi từ mối quan hệ giữa nhiệt độ
và suất phân sai bề mặt đất α.
- Phương pháp này có độ chính xác thấp khi tính toán bốc thoát hơi
nước ở các khu vực trong điều kiện môi trường cực kỳ khô.
2.4.2. Đề xuất giải pháp nâng cao độ chính xác của phương pháp SSEBI
(1) Sử dụng mô hình số độ cao (DEM) để hiệu chỉnh nhiệt độ bề
mặt Ts chiết xuất từ kênh ảnh nhiệt LANDSAT và (2) Đề xuất xác
định hệ số “liên hệ c”.
2.5. Kết luận Chương 2
Các nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng tư liệu ảnh viễn thám hoàn
toàn có thể chiết tách các tham số phục vụ công tác tính toán lượng

bốc thoát hơi nước theo đơn vị thời gian cho một khu vực cụ thể. Các
tham số khí tượng chiết xuất từ tư liệu ảnh viễn thám có ưu điểm là
được cập nhật thường xuyên theo chu kỳ sẽ là các tư liệu có giá trị mà
các phương pháp khác khó có thể có được. Đặc biệt, trong nội dung
chương 2, nghiên cứu sinh đã nghiên cứu, phân tích, đánh giá ưu
nhược điểm của phương pháp S-SEBI từ đó lựa chọn Phương pháp SSEBI là phương pháp phù hợp điều kiện địa hình, khí hậu và số liệu


14
khí tượng ít tại Lưu vực Sông Cầu của Việt Nam và đề xuất giải pháp
nâng cao độ chính xác khi ứng dụng phương pháp này trong xác định
bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất.
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 gồm các nội dung: (1) Đặc điểm vị trí địa lý tự nhiên ảnh
hưởng đến quá trình bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất của Lưu
vực Sông Cầu; (2) Đề xuất quy trình xác định bốc thoát hơi nước thực
tế bề mặt đất theo phương pháp chỉ số cân bằng năng lượng bức xạ bề
mặt giản lược (S-SEBI) từ năng lượng bức xạ Mặt Trời chiết xuất từ
ảnh viễn thám LANDSAT-7; (3) Thực nghiệm chứng minh các luận
điểm và tính mới của luận án.
3.1. Đặc điểm vị trí địa lý tự nhiên
Lưu vực Sông Cầu nằm trong phạm vi tọa độ địa lý: 21o 07' - 22o 18'
vĩ Bắc, 105o 28' - 106o 08' kinh Đông, có diện tích khoảng 6030 km2 .
Là khu vực có điều kiện địa hình vùng núi cao phía Bắc và vùng đồng
bằng phía Nam. Khí hậu Lưu vực Sông Cầu có đặc điểm cơ bản của
khí hậu nhiệt đới gió mùa, với nền chung của khí hậu nóng ẩm nhưng
có một mùa đông khá lạnh, mùa hè mưa nhiều.
3.2. 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 theo phương pháp lựa chọn S-SEBI
3.2.1. Dữ liệu đầu vào
Dữ liệu ảnh LANDSAT-7 ETM quét các ngày 04/11/2000 và
23/11/2001 mức xử lý 1T, dải, hàng 126/45 không mây; DEM và Số
liệu đo đạc tại các trạm quan trắc khí tượng ngoài thực địa của 06 trạm
khí tượng thuỷ văn ở Lưu vực Sông Cầu gồm: nhiệt độ Ts, vận tốc gió,
số giờ nắng thực, độ ẩm không khí và bốc thoát hơi thực tế.
3.2.2. Đề xuất quy trình tính toán lượng bốc thoát hơi nước thực tế
bề mặt đất theo phương pháp S-SEBI
Qua các kết quả nghiên cứu Chương 1 và Chương 2, nghiên cứu
sinh đề xuất quy trình theo phương pháp S-SEBI được thể hiện tại hình
3.2.


15

Hình 3.2: Sơ đồ quy trình tính toán bốc thoát hơi nước thực tế bề
mặt đất ETa theo phương pháp S-SEBI
3.2.3. Chiết xuất năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày hấp thụ
bởi bề mặt đất Rnd từ ảnh LANDSAT-7
3.2.3.1. Tiền xử lý ảnh viễn thám
Phương pháp hiệu chỉnh khí quyển FLAASH đã được sử dụng
trong nghiên cứu này để loại bỏ các ảnh hưởng bởi các hiệu ứng khí
quyển.
3.2.3.2. Tạo ảnh suất phân sai bề mặt đất α
3.2.3.3. Tạo ảnh chỉ số thực vật NDVI
3.2.3.4. Tạo ảnh phát xạ bề mặt εo

16
3.2.3.5. Tính ảnh nhiệt độ bề mặt Ts và Ta
- Sử dụng kênh nhiệt 6.1 của ảnh vệ tinh LANDSAT-7 để tính toán
nhiệt độ bề mặt Ts cho hai thời điểm ngày 04/11/2000, và ngày
23/11/2001. Nhiệt độ bề mặt Ts trước và sau khi hiệu chỉnh chênh cao
địa hình bằng DEM trong bảng 3.10a.
Bảng 3.10a: Nhiệt độ bề mặt Ts trước và sau khi hiệu chỉnh chênh cao
địa hình tại 06 điểm quan trắc
T rạm quan trắc
1.Bắc Ninh
2.Bắc Giang
3.Vĩnh Yên
4.T am Đảo
5.T hái Nguyên
6.Bắc Kạn

Ngày 04/11/2000
T s_DEM
ΔT ( o K)
T s ( o K)
( o K)
300.04
300.05
0.019
303.70
303.75
0.046
301.12
301.23
0.111

292.80
297.26
4.452
299.43
299.66
0.234
302.70
303.60
0.897

T s ( o K)
296.47
297.20
296.00
289.08
295.79
295.96

Ngày 23/11/2001
T s_DEM
ΔT ( o K)
( o K)
296.49
0.021
297.24
0.051
296.11
0.110
293.61
4.530

296.02
0.231
296.85
0.891

- Trong nội dung của Luận án, nghiên cứu sinh xác định nhiệt độ
không khí gần mặt đất Ta thông qua mối quan hệ tuyến tính giữa nhiệt
độ bề mặt đất Ts_DEM (sau khi đã hiệu chỉnh ảnh hưởng chênh cao
địa hình) và số liệu nhiệt độ bề mặt đo đạc ngoài thực địa.
3.2.3.6. Tạo ảnh bức xạ ròng hấp thụ bởi bề mặt đất trung bình ngày
Sau khi tính được các tham số trung gian thay vào công thức (2.9)
tính được ảnh bức xạ ròng trung bình giờ Rni (W/m2 /giờ).
Bảng 3.10c: Bức xạ ròng trung bình giờ trước và sau khi hiệu chỉnh
chênh cao địa hình bởi DEM tại vị trí 06 điểm quan trắc
T rạm quan trắc
1
1.Bắc Ninh
2.Bắc Giang
3.Vĩnh Yên
4.Tam Đảo
5.Thái Nguyên
6.Bắc Kạn

Rni
(W/m 2 /
giờ)
2
438,60
470,40
434,60

590,90
450,10
409,10

Ngày 04/11/2000
Rni _DEM
Δrni
(W/m 2 /giờ)
(W/m 2 /
giờ)
3
4=2-3
443,40
-4,80
445,50
24,90
462,00
564,30
487,70
430,80

-27,40
26,60
-37,60
-21,70

Rni
(W/m 2 /
giờ)
5

423,67
441,93
431,39
548,84
453,11
415,17

Ngày 23/11/2001
Rni _DEM
Δrni
(W/m 2 /giờ)
(W/m 2 /
giờ)
6
7=5-6
418,74
4,93
397,08
44,85
427,17
493,57
442,42
431,38

4,22
55,27
10,69
-16,21

- Ảnh và biểu đồ phân bố bức xạ ròng hấp thụ bởi bề mặt đất trung

bình ngày chiết xuất từ ảnh vệ tinh LANDSAT-7 cho hai thời điểm
ngày 04/11/2000 và ngày 23/11/2001 tại Lưu vực Sông Cầu trên hình
3.14a và hình 3.14b.


17

0.0
(MJ/m2 /ngày)
17.38
0.0
(MJ/m2 /ngày)
23.13
Hình 3.14a: Bức xạ ròng trung
Hình 3.14b: Bức xạ ròng
bình ngày chiết xuất từ ảnh
trung bình ngày chiết xuất từ
LANDSAT-7 thời điểm ngày
ảnh LANDSAT-7 thời điểm
(04/11/2000)
ngày (23/11/2001)
3.2.4. Xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa tại
Lưu vực Sông Cầu dựa vào năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày
chiết xuất từ ảnh viễn thám theo phương pháp S-SEBI
3.2.4.1. Tỷ phần bốc thoát hơi nước tức thời ETFi
Đồ hình chọn đường biên xác định hệ số lý thuyết tỷ phần bốc thoát
hơi nước tức thời được mô tả trên hình 3.15a và hình 3.15b.

Hình 3.15a: Biểu đồ mô tả mối Hình 3.15b: Biểu đồ mô tả mối
quan hệ giữa nhiệt độ Ts và

quan hệ giữa nhiệt độ Ts và
Suất phân sai bề mặt đất α ngày
Suất phân sai bề mặt đất α
04/11/2000
ngày 23/11/2001


18
- Các hệ số a, b được xác định thông qua mối quan hệ giữa nhiệt
độ bề mặt Ts và suất phân sai bề mặt đất α (albedo) cho hai thời điểm
ngày 04/11/2000 và ngày 23/11/2001 được thể hiện ở bảng 3.13.
Bảng 3.13. Hệ số a, b xác định tỷ phần bốc thoát hơi nước tức thời
ETFi của 2 thời điểm theo phương pháp S-SEBI
Giá trị

Các hệ số (ngày 04/11/2000)
a
b

Các hệ số ngày (23/11/2001)
a
b

𝐓𝑯
46.45
-42.20
36.52
-31.10
𝐓𝑳𝑬
16.39

36.33
12.84
28.95
3.2.4.2. Bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất trung bình ngày ETa
(mm/ngày)
Trong luận án trình bày bốc thoát hơi nước thực tế ETa được tính
với ba trường hợp gồm: trước và sau khi nhiệt độ Ts đã được hiệu
chỉnh chênh cao địa hình bởi DEM và sau khi hiệu chỉnh hệ số liên hệ
c (kí hiệu lần lượt ETa_VT1, ETa_VT2 và ETa_VT3).
3.2.5. Thành lập phương trình xác định hệ số “liên hệ c”
Phương pháp chỉ số cân bằng năng lượng bức xạ bề mặt giản lược
S-SEBI để xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa
là phương pháp đồ giải. Trong khi đó hai phương pháp Priestley-Taylo
và phương pháp FAO-56 PM là hai phương pháp sử dụng số liệu thực
nghiệm. Do vậy, để phương pháp S-SEBI có thể ứng dụng trong điều
kiện địa hình và khí hậu tại Lưu vực Sông Cầu có tính chặt chẽ về lý
thuyết và thực tiễn, thì hệ số “liên hệ c” cần phải xác định. Công thức
xác định hệ số “liên hệ c” được đề xuất trong luận án như sau:
(3.1)
𝑐 =(ETa_PT)/(ETFi × ETo_Rnd_VT )
- Ảnh bôc thoát hơi nước sau khi hiệu chỉnh các tham số được thể hiện
tại hình 3.20a và hình 3.20b. Kết quả đánh giá các sai số được thể hiện
ở bảng 3.15a và bảng 3.15b.
Bảng 3.15a: Độ chính xác xác định ETa_VT3 (mm/ngày) theo phương
pháp S-SEBI sau khi đã hiệu chỉnh hệ số c, ngày 04/11/2000
Trạm quan trắc

ETa-VT1
(mm/ngày)

1
1.Bắc Ninh
2,Bắc Giang
3.Vĩnh Yê n
4.Tam Đảo

2
3.83
2.28
4.01
4.86

ETa-VT2
(mm/ngày)
3
3.82
2.28
3.02
4.67

ETa-VT3
(mm/ngày)
4
3.84
2.40
3.02
4.68

ETa-TĐ
(mm/ngày)

5
4.9
3.9
3.1
4.3

Sai số thực
(mm/ngày)
6=5-4
1.06
1.50
0.08
-0.38


19
5.Thái Nguyê n
6.Bắc Kạn
Trung bình
SSTP (mm/ngày)
SSTĐTB the o %

3.03
3.18
3.53
1.07
25.26

3.39
3.15

3.39
0.92
19.27

3.39
2.65
3.33
0.87
17.86

4.4
2.8

1.01
0.15

3.9

4.57
0.00
6.34 0.0
Hình 3.20a: Ảnh ETa_VT3
Hình 3.20b: Ảnh ETa_VT3
(mm/ngày) ngày 04/11/2000
(mm/ngày) ngày 23/11/2001
Bảng 3.15b: Độ chính xác xác định ETa_VT3 (mm/ngày) theo phương
pháp S -SEBI sau khi đã hiệu chỉnh hệ số c, ngày 23/11/2001
Trạm quan trắc

ETa-VT1

(mm/ngày)

1
1.Bắc Ninh
2,Bắc Giang
3.Vĩnh Yê n
4.Tam Đảo
5.Thái Nguyê n
6.Bắc Kạn
Trung bình
SSTP (mm/ngày)
SSTĐTB the o %

2
2.67
2.37
2.89
4.11
2.97
2.59
2.93
0.50
15.14

ETa-VT2
(mm/ngày)
3
2.62
1.86
2.40

3.67
3.05
2.71
2.72
0.55
13.28

ETa-VT3
(mm/ngày)
4
2.60
2.29
2.40
3.71
3.05
2.75
2.80
0.44
11.41

ETa-TĐ
(mm/ngày)
5
3.4
2.9
2.4
3.5
3.1
2.4
2.95

Sai số thực
(mm/ngày)
6=5-4
0.80
0.61
0.00
-0.21
0.05
-0.35


20
3.2.6. Khảo sát xác định tham số a sử dụng trong phương pháp
Priestley-Taylor phù hợp với điều kiện địa hình và khí hậu của Lưu
vực Sông Cầu của Việt Nam
Kết quả khảo sát tính toán lượng bốc thoát hơi nước thực tế theo
phương pháp Priestley-Taylor dựa vào bức xạ ròng trung bình ngày
chiết xuất từ ảnh LANDSAT cho 07 trường hợp sử dụng tham số a
khác nhau gồm: a = 1.26, a = 0.90, a = 1.00, a = 0.95, a = 1.05, a theo
tham số nhiệt độ Ts và theo các tham số Ts, albedo và NDVI, với ký
hiệu tương ứng là ETa-PT1, ETa-PT2, ETa-PT3, ETa-PT4, ETa-PT5,
ETa-PT6 và ETa-PT7 (mm/ngày) được trình bày ở bảng 3.18 và bảng
3.19. Kết quả cho thấy hệ số a trong khoảng 0,95-1,05 sẽ cho phép
tính toán bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất với sai số tuyệt đối
trung bình có thể đạt được nhỏ hơn 20% so với kết quả đo ngoại
nghiệp.
Bảng 3.18: Khảo sát tính ETa_PT trung bình ngày theo phương pháp
Priestley-Taylor với hệ số a khác nhau của ngày 04/11/2000
Trạm quan

trắc
1.Bắc Ninh
2.Bắc Giang
3.Vĩnh Yên
4.Tam Đảo
5.Thái
Nguyên
6.Bắc Kạn
SSTP

ETaTĐ
4.9
3.9
3.1
4.3
4.4

ETaPT1
4.08
4.04
4.07
5.00
4.20

ETaPT2
2.92
2.88
2.90
3.57
3.00

ETaPT3
3.15
3.38
3.32
4.10
3.51

ETaPT4
3.08
3.05
3.07
3.77
3.17

ETaPT5
3.40
3.37
3.39
4.17
3.50

ETaPT6
3.28
2.07
3.73
5.66
2.65

ETaPT7

1.81
1.74
1.81
4.53
2.69

2.8

3.76
0.72

2.69
1.12

2.91
0.84

2.84
0.98

3.13
0.77

2.39
1.38

1.01
1.91

16.2

23.23

15.82

19.26

15.76

32.5

43.87

SSTĐTB %

Bảng 3.19: Khảo sát tính ETa_PT trung bình ngày theo phương pháp
Priestley-Taylor với hệ số a khác nhau của ngày 23/11/2001
Trạm quan
trắc
1.Bắc Ninh
2.Bắc Giang
3.Vĩnh Yê n
4.Tam Đảo
5.Thái
Nguyê n
6.Bắc Kạn
SSTP
SSTĐTB %

ETaTĐ

3.4
2.9
2.4
3.5
3.1

ETaPT1
3.57
3.55
3.60
4.26
3.73

ETaPT2
2.55
2.54
2.57
3.04
2.66

ETaPT3
2.83
2.82
2.86
3.38
2.96

ETaPT4
2.69
2.68

2.72
3.21
2.81

ETaPT5
2.97
2.96
3.00
3.55
3.11

ETaPT6
2.93
2.37
2.99
5.76
3.33

ETaPT7
1.48
1.25
1.56
2.94
1.83

2.4

3.34
0.79
24.6

2.39
0.46
12.95

2.65
0.33
9.16

2.52
0.37
10.99

2.79
0.34
8.65

3.03
1.03
26.64

0.92
1.36
43.41


21
3.2.7. Khảo sát bốc thoát hơi nước tham chiếu ETo theo phương
pháp FAO-56 PM từ năng lượng bức xạ ròng chiết xuất từ các
phương pháp khác nhau

Tính ET0 theo phương pháp FAO-56 PM, với 03 trường hợp: (1)
Rnd_VT chiết xuất từ ảnh LANDSAT; (2) Rnd_FAO1 (trong đó bức
xạ Mặt Trời đi tới Rs được xác định theo công thức Ăngstrom); (3)
Rnd_FAO2 (trong đó bức xạ Mặt Trời đi tới Rs được xác định theo
công thức thực nghiệm của Việt Nam do Trung tâm Khí tượng thuỷ
văn đề xuất với Rs=n*0.25+6, với n là số giờ nắng thực).
3.2.8. Khảo sát mối quan hệ giữa bốc thoát hơi nước tham chiếu
ETo với các tham số Albedo, NDVI, Ts và Rnd_VT tính toán từ ảnh
viễn thám
Bốc thoát hơi nước tham chiếu ETo_Rnd_VT có mối tương quan
mạnh với chỉ số thực vật NDVI (với hệ số tương quan R2 lần lượt là
0.92 thời điểm ngày 04/11/2000 và 0.81 thời điểm ngày 23/11/2001).
3.2.9. Tính ảnh bốc thoát hơi nước tham chiếu ETo dựa vào chỉ số
thực vật NDVI
Tính toán ảnh bốc thoát hơi nước tham chiếu dựa vào hàm tương
quan giữa bốc thoát hơi nước tham chiếu ETo_Rnd_VT và NDVI với
hàm số về hệ số tương quan lần lượt như sau (với hàm tương quan
y=1.9989*x+3.7475, hệ số Hệ số tương quan R2 =0.92 cho thời điểm
ngày 04/11/2000 và hàm tương quan y=2.0511*x+2.1793, hệ số Hệ số
tương quan R2 =0.81 cho thời điểm ngày 23/11/2001.
3.2.10. Xác định hệ số cây trồng Kc
Cho tới nay ở Việt Nam hệ số cây trồng Kc chủ yếu xác định cho
hệ số cây trồng đơn cho từng loại cây trồng khác nhau. Trong nội dung
nghiên cứu, nghiên cứu sinh tính toán hệ số cây trồng hỗn hợp Kc
trung bình tương ứng với từng pixel ảnh theo công thức Kc=ETa/ETo
thể hiện tại hình 3.25a và hình 3.25b. Ngoài ra trong Luận án đã phân
ra ba khu vực đặc trưng Bắc Ninh, Vĩnh Phúc và Bắc Kạn, cho thấy
hệ số cây trồng Kc tính toán từ ảnh phù hợp với bản đồ hiện trạng sử
dụng đất trong khu vực.

22

Hình 3.25a: Ảnh hệ số cây trồng Hình 3.25b: Ảnh hệ số cây trồng
Kc ngày 04/11/2000
Kc ngày 23/11/2001
3.2.11. Khảo sát bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa_VT3
theo phương pháp S-SEBI với các tham số ETo_Rnd_VT, Rnd, Ts,
NDVI, và Albedo chiết xuất từ ảnh viễn thám
Bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa_VT3 theo phương pháp
S-SEBI có mối tương quan mạnh với nhiệt độ Ts chiết xuất từ viễn
thám (với hệ số tương quan R2 lần lượt là 0.99 và 0.97).
3.2.12. Khảo sát mối quan hệ giữa bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt
đất ETa_VT3 theo phương pháp S-SEBI với các tham số khí tượng
đo đạc ngoài thực địa
Kết quả tính hệ số tương quan và hàm tương quan giữa bốc thoát
hơi nước thực tế bề mặt đất ETa_VT3 theo phương pháp S_SEBI với
các tham số khí tượng đo đạc ngoài thực địa được thể hiện ở bảng
3.32.


23
Bảng 3.32: Hệ số tương quan R2 giữa ETa_VT3 theo phương pháp SSEBI với các tham số khí tượng thực địa ngày 04/11/2000 và ngày
23/11/2001
Tốc độ
gió U2
ETa_VT3 (2000)
ETa_VT (2001)

0.47

0.84

Giờ
nắng
thực n
0.23
0.07

Độ ẩm
không
khí RH
0.73
0.61

Nhiệt độ
bề mặt
Ts_TĐ
0.69
0.77

ETa_TĐ

0.38
0.34

3.2.13. So sánh đánh giá bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất tính
theo phương pháp S-SEBI từ bức xạ ròng trung bình ngày tính toán
theo các phương pháp khác nhau
Kết quả đánh giá bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất tính theo
phương pháp S-SEBI từ bức xạ ròng trung bình ngày với 03 trường

hợp bức xạ ròng ở mục 3.2.7 đã làm sáng tỏ thêm luận điểm 1 của luận
án.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
A. KẾT LUẬN
Kết quả nghiên cứu của luận án “Nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn
thám xác định lượng nước bốc hơi do bức xạ Mặt Trời tại Lưu vực
Sông Cầu” đã khẳng định Ứng dụng tư liệu viễn thám cho phép chúng
ta chiết xuất được lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất
ETa_VT3 trên quy mô diện rộng, nhanh chóng và hiệu quả. Thông
qua kết quả nghiên cứu và thực nghiệm của Luận án, nghiên cứu sinh
rút ra một số kết luận như sau:
1. Có thể thay thế tính toán bức xạ ròng theo phương pháp truyền
thống (phương pháp FAO-56 PM) bằng phương pháp viễn thám SSEBI, sai số tuyệt đối trung bình xác định lượng bốc thoát hơi nước
thực tế bề mặt đất ETa_VT3 tại Lưu vực Sông Cầu (cho hai trường
hợp sau khi hiệu chỉnh nhiệt độ Ts và hệ số “liên hệ c”) nhỏ hơn 20%.
2. Sử dụng mô hình số độ cao (DEM) để hiệu chỉnh nhiệt độ bề mặt
Ts chiết xuất từ kênh ảnh nhiệt LANDSAT, kết hợp với việc xác định
hệ số “liên hệ c” đã nâng cao độ chính xác xác định lượng bốc thoát
hơi nước thực tế bề mặt đất trong điều kiện địa hình và khí hậu tại Lưu
vực Sông Cầu lên trên 5%.
3. Sử dụng phương pháp Priestley-Taylor cho điều kiện địa hình và
khí hậu ở Lưu vực Sông Cầu với ứng dụng ảnh LANDSAT, hệ số a


24
của phương pháp nhận tối ưu trong khoảng 0,95-1,05, sai số tuyệt đối
trung bình tính toán bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất không lớn
hơn 20%.
4. Dựa vào bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất tính theo phương
pháp viễn thám và bốc thoát hơi nước tham chiếu tính theo phương

pháp FAO-56 PM giúp cho việc xác định hệ số cây trồng hỗn hợp Kc
trên quy mô diện rộng và nhanh.
5. Nghiên cứu sinh đã xây dựng và ứng dụng thành công quy trình
tính toán lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất theo phương
pháp S-SEBI cho điều kiện địa hình và khí hậu ở Lưu vực Sông Cầu
của Việt Nam. Có thể áp dụng quy trình này tính toán bốc thoát hơi
nước thực tế bề mặt đất cho các Lưu vực Sông tại Việt Nam (với điều
kiện xác định các tham số phù hợp với điều kiện của từng khu vực).
6. Bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa_VT3 xác định theo
phương pháp S-SEBI có mối tương quan mạnh với nhiệt độ Ts_TĐ và
độ ẩm không khí RH đo ngoài thực địa, và nhiệt độ Ts_VT tính toán
từ ảnh viễn thám. Đây là những chỉ dẫn hết sức quan trọng cho cán bộ
khoa học khi đo đạc nhiệt độ Ts_TĐ và độ ẩm không khí RH ở ngoài
thực địa và tính toán nhiệt độ Ts từ ảnh viễn thám phục vụ xác định
bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất theo phương pháp viễn thám.
7. Bốc thoát hơi nước tham chiếu ETo_Rnd_VT có mối tương quan
mạnh với chỉ số thực vật NDVI. Do đó, có thể xây dựng hàm hồi quy
giữa ETo_Rnd_VT và chỉ số thực vật NDVI phục vụ công tác tính
toán bốc thoát hơi nước tham chiếu ETo_Rnd_VT cho toàn bộ Lưu
vực Sông Cầu.
B. KIẾN NGHỊ
1. Cần có thêm các nghiên cứu ứng dụng phương pháp S-SEBI tính
toán lượng bốc thoát hơi nước thực tế bề mặt đất ETa_VT3 cho các
vùng có điều kiện địa hình và khí hậu khác nhau để kiểm chứng lại
Mô hình và Quy trình nhằm ứng dụng phương pháp viễn thám trên
quy mô lãnh thổ Việt Nam.
2. Bốc thoát hơi nước tham chiếu ETo có mối tương quan rất mạnh
với chỉ số thực vật NDVI. Trong tương lai, nghiên cứu sinh tiêp tục
nghiên cứu tính toán hệ số cây trồng Kc thông qua chỉ số thực vật
NDVI trong điều kiện của Việt Nam.