Sử dụng ảnh vệ tinh MODIS đa thời gian đánh giá biến động nhiệt độ bề mặt đất và chỉ số khô hạn tại vùng cửa sông Tiền

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 666 SỬ DỤNG ẢNH VỆ TINH MODIS ĐA THỜI GIAN ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT VÀ CHỈ SỐ KHÔ HẠN TẠI VÙNG CỬA SÔNG TIỀN Nguyễn Đình Văn* Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh *Tác giả liên lạc: nguyendinhvancm@gmail.com TÓM TẮT Vùng cửa sông Tiền nói riêng và vùng đồng bằng sông Cửu Long nói chung trong những năm gần đây đã gánh chịu những hậu quả nặng nề từ tác động của biến đổi khí hậu dưới các biểu hiện như sự gia tăng về nhiệt độ, hạn hán, và xâm nhập mặn trong mùa khô. Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng ảnh vệ tinh MODIS để tính tóa n nhiệt độ bề mặt và thành lập chỉ số khô hạn. Bên cạnh đó, phương pháp tóa n thống kê trong địa lí cũng được áp dụng để đánh giá biến động, xu thế theo không gian và thời gian của nhiệt độ bề mặt và chỉ số khô hạn giai đoạn 2000 – 2017. Kết quả từ bản đồ xu thế phản ánh rằng nhiệt độ và khô hạn tại lãnh thổ nghiên cứu tăng dần từ Tây sang Đông xuyên suốt giai đoạn nghiên cứu. Hơn nữa, nghiên cứu cũng đã chứng minh được mối quan hệ chặt chẽ giữa dữ liệu thu được từ ảnh vệ tinh và số liệu thực đo qua biểu đồ tương quan. Từ khóa: Chỉ số khô hạn, nhiệt độ bề mặt, ảnh vệ tinh MODIS, vùng cửa sông Tiền. APPLICATION OF MULTI-TEMPORAL MODIS IMAGERIES FOR ASSESSING SPATIO-TEMPORAL VARIATIONS OF LAND SURFACE TEMPERATURE AND DROUGHT INDEX IN TIEN RIVER ESTUARY Nguyen Dinh Van* Ho Chi Minh City University of Education *Corresponding Author: nguyendinhvancm@gmail.com ABSTRACT The Tien River estuary and the Mekong River Delta more broadly has been influenced by climate change effects under the forms of temperature increase, drought, and even salinization in the dry season. In this study, the Author used the MODIS Data for computing the Land Surface Temperature and Drought Index. On the other hand, the geo-statistical method applied for assessing spatio- temporal variations and linear of LST and SVI during 2000-2017 period. The results from linear maps reflected that there is a gradual increase from western region to eastern region in temperature and drought index in the study area. Moreover, the study also demonstrated a significant relationship between data derived satellite and authentic data via correlation chart. Keywords: Drought Index, land surface temperature, multi-temporal MODIS data, Tien river estuary. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong một vài thập kỉ gần đây, công nghệ viễn thám và GIS đã được áp dụng như một công cụ để quản lí, giám sát, thậm chí đánh giá rủi ro của thiên tai và con người (Tuấn và nnk, 2017). Công nghệ viễn thám cung cấp dữ liệu cơ sở để so sánh những thay đổi tương Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 667 lai, trong khi công nghệ GIS cung cấp một không gian cho việc tổng hợp và phân tích nhiều nguồn dữ liệu cần thiết cho quá trình giám sát thiên tai. Nhiệt độ bề mặt đất là yếu tố quan trọng thể hiện sự trao đổi năng lượng giữa bề mặt đất và khí quyển. Vì thế, nhiệt độ bề mặt được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu về khí hậu, thủy văn, khí quyển, sinh địa hóa, biến động về địa chất, môi trường. Do biến đổi khí hậu, trong những năm gần đây tình trạng gia tăng nhiệt độ và hạn hán kéo dài ở vùng đồng bằng sông Cửu Long nói chung và vùng cửa sông Tiền nói riêng ảnh hưởng lớn tới sự phát triển kinh tế xã hội ở vùng này (Hùng và nnk, 2016). Sông Tiền là một trong hai nhánh hạ lưu của sông Mê Kông khi chảy vào vùng đồng bằng sông Cửu Long của nước ta. Sông Tiền đổ ra biển Đông qua 6 cửa sông chính là cửa Tiểu, cửa Đại, cửa Ba Lai, cửa Hàm Luông, cửa Cổ Chiên, cửa Cung Hầu. Vùng cửa sông Tiền là vùng nước ngọt điển hình cho phát triển nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản của vùng đồng bằng sông Cửu Long. Tuy nhiên, những năm gần đây phải gánh chịu những hậu quả từ tác động của biến đổi khí hậu như hạn hán, xâm nhập mặn ảnh hưởng nặng nề đến hoạt động sản xuất của người dân (Trí, 2016) Với đặc tính bao phủ toàn bộ bề mặt đất, ảnh vệ tinh MODIS ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, phân tích chi tiết sự thay đổi các yếu tố địa mạo (đất, nước, lớp phủ thực vật...) và yếu tố kinh tế xã hội trong một khu vực rộng lớn. Sử dụng ảnh vệ tinh MODIS để tính tóa n nhiệt độ bề mặt đất và chỉ số khô hạn được xem là phương pháp hiệu quả để thay thế cách tính truyền thống (Tuấn và nnk, 2017). Ứng dụng ảnh viễn thám trong nghiên cứu sẽ mang lại nhiều lợi ích, trong đó có thể theo dõi biến động nhiệt độ bề mặt và đánh giá chỉ số khô hạn với độ chính xác cao. Hơn nữa, nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất và chỉ số khô hạn vùng cửa sông Tiền là tiền đề, cơ sở cho việc đánh giá biến động và đưa ra các biện pháp cần thiết trong tương lai để ứng phó với biến đổi khí hậu, giảm thiểu các thiệt hại do biến đổi khí hậu gây ra cho sinh hoạt và sản xuất của người dân ở địa bàn nghiên cứu. DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Dữ liệu Để nghiên cứu biến động nhiệt độ và khô hạn tại vùng cửa sông Tiền, đề tài đã sử dụng ảnh MODIS MOD11A2 và MODIS MOD09A1 được thu từ vệ tinh TERRA trong mùa khô (tháng 11 đến tháng 4 năm sau) từ năm 2000 - 2017. Dữ liệu ảnh viễn thám là dữ liệu đầu vào tính tóa n nhiệt độ bề mặt đất, chỉ số thực vật và chỉ số khô hạn tại lãnh thổ nghiên cứu. Dữ liệu ảnh được tải trực tiếp từ trang chủ Ảnh MODIS MOD11A2 các tháng mùa khô được sử dụng để tính tóa n nhiệt độ bề mặt; ảnh MODIS MOD09A1 các tháng mùa khô được sử dụng để tính tóa n chỉ số chuẩn hóa thực vật sai khác NDVI và là tiền đề để tính tóa n chỉ số khô hạn SVI. Dữ liệu nhiệt độ trung bình tháng và lượng mưa tháng từ năm 2000 đến năm 2017 dùng để đối chứng với số liệu của ảnh vệ tinh được cung cấp bởi Trung tâm Khí tượng và Thủy văn Quốc gia Việt Nam. Phương pháp tính tóa n nhiệt độ bề mặt đất (LST) Nhiệt độ là một trong những thành tố tạo nên khí hậu của một địa phương, khu vực. Nghiên cứu biến động nhiệt độ sẽ phần nào phản ánh quá trình thay Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 668 đổi của khí hậu, đồng thời là cơ sở để phân tích khô hạn và đưa ra các cảnh báo về hạn hán. Chỉ số thực vật (NDVI) Phương pháp tính tóa n chỉ số thực vật (NDVI) sử dụng ảnh MODIS MOD09A1. Chỉ số NDVI được xác định dựa trên sự phản xạ khác nhau của thực vật thể hiện giữa kênh phổ thấy được và kênh phổ cận hồng ngoại dùng để biểu thị mức độ tập trung thực vật trên mặt đất (Tuấn và nnk, 2017). Chỉ số khô hạn (SVI) Chỉ số khô hạn là thành phần quan trọng trong việc theo dõi và đánh giá hạn hán vì chúng đơn giản hóa các mối quan hệ phức tạp giữa nhiều thông số khí hậu và các thông số có liên quan (Tuấn và nnk, 2017). KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Biến động nhiệt độ Nhiệt độ bề mặt đất vùng cửa sông Tiền phần lớn nằm trong khoảng nhiệt từ 24 - 26oC, có một vài năm nhiệt độ trung bình mùa khô lên cao trên 28oC như năm 2000, năm 2008, năm 2010, năm 2014, và năm 2017 nhưng không đáng kể. Phần lớn diện tích vẫn nằm trong khoảng nhiệt từ 24 - 26oC. Giai đoạn 2000 - 2017 nhiệt độ có xu hướng tăng dần. Năm 2000, thang nhiệt 24-26oC chiếm cao nhất với 75,02% diện tích lãnh thổ nghiên cứu nằm trong khoảng nhiệt này có các huyện như Chợ Lách, huyện Châu Thành, phía Bắc huyện Mỏ Cày, huyện Bình Đại, huyện Giồng Trôm, ven biển huyện Ba Tri tỉnh Bến Tre, một phần huyện Tân Phú Đông tỉnh Tiền Giang, thang nhiệt từ 26-28oC chiếm 7,51% diện tích có các huyện như phía Bắc huyện Thạnh Phú, phía Nam huyện Mỏ Cày tỉnh Bến Tre, ngoài ra còn có một phẩn nhỏ thuộc huyện Tân Phú Đông tỉnh Tiền Giang. Năm 2017, thang nhiệt 24-26oC vẫn chiếm phần lớn diện tích nhưng đã giảm xuống chỉ còn 62,73% diện tích lãnh thổ nghiên cứu, thay vào đó là thang nhiệt từ 26-28oC đã tăng lên chiếm 35,6% diện tích với các huyện Ba Tri, huyện Bình Đại, phía Nam huyện Châu Thành, phía Bắc huyện Chợ Lách, phía Bắc huyện Thạnh Phú tỉnh Bến Tre và huyện Tân Phú Đông tỉnh Tiền Giang. Mật độ thảm thực vật trung bình mùa khô thưa thớt dần từ khu vực phía Tây đến phía Đông trong suốt gian đoạn nghiên cứu. Ở khu vực huyện Thạnh Phú, huyện Ba Tri, huyện Bình Đại tỉnh Bến Tre và huyện Tân Phú Đông tỉnh Tiền Giang mật độ thảm thực vật sẽ tiếp tục giảm dần và có nguy cơ sẽ mất đi lớp phủ thảm thực vật vào mùa khô trong tương lai. Bản đồ chỉ số khô hạn (SVI) Tần suất xuất hiện khô hạn tập trung chủ yếu ở vùng ven biển. Năm 2016 và 2017, hạn hán gần như bao trùm toàn bộ khu vực nghiên cứu và nó đã được chứng minh là do hạn hán nghiêm trọng vào mùa khô 2016 – 2017 dưới tác động cộng hưởng nguồn nước đổ từ thượng và trung lưu của sông Mê Kông giảm dần về hạ lưu sông, kèm theo đó là tác động của biến đổi khí hậu và El Nino. Tần suất xuất hiện khô hạn sẽ nghiêm trọng dần từ nội địa ra vùng ven biển. Sau khi xử lý tính tóa n, hệ số góc của phương trình xu thế chỉ số khô hạn SVI dao động trong khoảng từ -4,9 đến 5, từ 0 đến -4,9 được thể hiện bằng thang màu đỏ là những khu vực chỉ số khô hạn có xu hướng giảm trong tương lai, từ 0 đến 5 được thể hiện bằng thang màu xanh là những khu vực chỉ số khô hạn có xu hướng tăng trong tương lai. Hệ số tương quan r dao động từ -0,9 đến 0,9; từ 0 đến -0,9 được thể hiện bằng thang màu đỏ; kết hợp với hệ số góc a cho thấy ở những khu vực màu Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 669 đỏ có hệ số tương quan nghịch; từ 0 đến 0.9 được thể hiện bằng thang màu xanh kết hợp với hệ số góc a cho thấy những khu vực màu xanh chỉ số khô hạn sẽ có xu hướng tăng trong tương lai. Kết quả cho ta thấy được chỉ số khô hạn SVI vùng cửa sông Tiền có xu hướng tăng trong tương lai, trong đó chỉ số khô hạn sẽ có xu hướng tăng dần vào trong đất liền thông qua thang màu đỏ giảm dần từ ven biển vào đất liền, điều này phù hợp với kịch bản biến đổi khí hậu vùng đồng bằng sông Cửu Long trong tương lai. KẾT LUẬN Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, rút ra kết luận như sau: - Nhiệt độ có xu thế tăng phù hợp với hiện tượng ấm lên toàn cầu hiện nay. - Ảnh hưởng của hạn hán nghiêm trọng dần từ đất liền ra biển. - Nhiệt độ bức xạ bề mặt đất và chỉ số khô hạn (SVI) qua dữ liệu ảnh MODIS có sự tương quan chặt chẽ với số liệu thực đo tại lãnh thổ nghiên cứu. Vùng cửa sông Tiền là một khu vực điển hình cho sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản của vùng đồng bằng sông Cửu Long. Sự gia tăng nhiệt độ bề mặt đất trong vùng đã gây ra những hệ lụy lớn trong sinh hoạt và sản xuất, đặc biệt sản xuất nông nghiệp phụ thuộc rất lớn vào tự nhiên, khi một yếu tố nào trong tự nhiên biến động sẽ kéo theo hàng loạt các yếu tố khác và gây ra ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất của người dân. Do đó, việc khảo sát nhiệt độ bề mặt đất sẽ giúp đưa ra sự biến động nhiệt độ, sự thay đổi các chỉ số thực vật và là cơ sở để tính tóa n chỉ số khô hạn giai đoạn 2000 - 2017, tìm hiểu các nguyên nhân dẫn đến sự tăng nhiệt độ, đưa ra các giải pháp hạn chế và thích ứng trong tương lai để giảm thiểu thiệt hại do nó gây ra. TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐÀO NGỌC HÙNG, TRƯƠNG VĂN TUẤN, TẠ THỊ NGỌC BÍCH, TRẦN VĂN THƯƠNG (2016), “Biến động hạn trong mùa khô tại tỉnh Tiền Giang giai đoạn 1980 - 2015”, Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Địa lý Trường Đại học Sư phạm Hà Nội. NXB Đại học Sư phạm, tr. 24-33. PHAN VĂN TÂN VÀ NNK (2010), Nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu đến các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan ở Việt Nam, khả năng dự báo và chiến lược ứng phó, Chương trình KHCN cấp nhà nước KC08/06-10, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. TRƯƠNG VĂN TUẤN, TRẦN VĂN THƯƠNG, PHAN VĂN PHÚ, ĐÀO NGỌC HÙNG, PHẠM VĂN NGỌT, TRỊNH PHI HOÀNH (2017), “The spatio-temporal variation in april of agricultural drought in Tien Giang province”, Kỷ yếu Hội thảo khoa học Quốc tế Ứng dụng Viễn thám và GIS trong nghiên cứu Địa lý và quản lý, giám sát tài nguyên môi trường. tr. 82- 94, Nxb Đại học Sư phạm Hà Nội. LÊ QUANG TRÍ (2016), “Tác động của biến đổi khí hậu đối với sản xuất nông nghiệp vùng đồngbằng sông Cửu Long”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Việt Nam. URL: