Tên đề tài: “Sử dụng ảnh viễn thám Modis theo dõi ảnh hưởng của khô hạn và ngập lũ đến cơ cấu mùa vụ lúa dưới tác động của biến đổi khí hậu ở Đồng bằng sông Cửu Long” .

 Tác giả: Huỳnh Thị Thu Hương, Khóa 2010 đợt 2.

 Chuyên ngành: Môi trường đất và nước;  Mã số: 62440303. Nhóm ngành: Khoa học tự nhiên.

 Người hướng dẫn chính: PGS.TS. Võ Quang Minh, Trường Đại học Cần Thơ.

 Người hướng dẫn chính: PGS.TS. Lê Anh Tuấn, Trường Đại học Cần Thơ.

1. Tóm tắt nội dung luận án

Nghiên cứu được thực hiện nhằm mục tiêu (1) Đánh giá ảnh hưởng của khô hạn và ngập lũ đến biến động cơ cấu mùa vụ lúa ở ĐBSCL dưới tác động của biến đổi khí hậu; (2) Đánh giá khả năng ứng dụng của dữ liệu ảnh viễn thám MODIS (Moderate Resolution Spectroradiometer) trong theo dõi cơ cấu mùa vụ lúa, khô hạn và lũ lụt ở ĐBSCL; và (3) Định hướng nghiên cứu mô hình sản xuất lúa phù hợp trên các phân vùng sinh thái và giải pháp giám sát góp phần giảm thiểu thiệt hại cho sản xuất lúa do tác động của khô hạn và ngập lũ ở ĐBSCL.

Phương pháp tiếp cận của đề tài bao gồm ứng dụng chỉ số khác biệt thực vật NDVI (Tucker et al., 1991, Gross, 2005) để giám sát biến động cơ cấu mùa vụ; chỉ số khô hạn TVDI (Sandholt et al., 2002 ; Han et al., 2010) để ước lượng độ ẩm của đất bề mặt thông qua sự kết hợp của nhiệt độ bề mặt (LST) và chỉ số khác biệt thực vật (NDVI); kế thừa phương pháp nghiên cứu của Islam et al. (2009) cho việc thành lập bản đồ ngập lũ, trong đó phân loại chuỗi các giá trị EVI, LSWI và DVEL theo 4 nhóm đối tượng vùng không ngập, vùng ngập, vùng hỗn hợp và vùng ngập nước dài hạn; Sau cùng, thực hiện xây dựng bản đồ phân vùng sinh thái canh tác lúa từ  03 bản đồ hiện trạng cơ cấu mùa vụ lúa, bản đồ khô hạn và bản đồ ngập lũ để làm cơ sở đề xuất các mô hình canh tác phù hợp cho vùng ĐBSCL. Với chuỗi thời gian quan sát trong giai đoạn từ năm 2000 đến 2011 và nguồn dữ liệu chính là ảnh viễn thám MODIS, nghiên cứu đã đạt được các kết quả sau:

1) Đã xác định được các vùng canh tác lúa chịu ảnh hưởng của khô hạn như vùng núi tỉnh An Giang, vùng ven biển các tỉnh Long An, Bến Tre, Tiền Giang, Trà Vinh, Kiên Giang và Sóc Trăng. Vùng chịu ảnh hưởng của ngập lũ bao gồm vùng ngập sớm và kéo dài ở các tỉnh đầu nguồn An Giang, Đồng Tháp; vùng ngập trễ và thời gian ngắn ở các tỉnh Kiên Giang, Đồng Tháp, Vĩnh Long, Cần Thơ, Hậu Giang. Xây dựng bản đồ và xác định cụ thể các kiểu chuyển đổi hệ thống canh tác lúa ở ĐBSCL giai đoạn 2000 đến 2011 chủ yếu là vùng Lúa 2 vụ chuyển sang Lúa 3 vụ hay Lúa Tôm; vùng Lúa 1 vụ chuyển sang sử dụng khác (Chuyên Tôm), Lúa Tôm hay Lúa 2 vụ.

2) Đã ứng dụng được ảnh viễn thám MODIS theo dõi hiện trạng cơ cấu mùa vụ, giám sát khô hạn và lũ lụt ở ĐBSCL: (i) Bản đồ cơ cấu mùa vụ lúa được xây dựng từ dữ liệu ảnh MOD09Q1 250m, tổ hợp 8 ngày đạt mức độ chi tiết cấp vùng, với độ tin cậy cao (Kappa = 0,88); (ii) Bản đồ nhiệt độ bề mặt đất có sự tương quan với dữ liệu nhiệt độ không khí quan trắc từ các trạm KTTV tại mặt đất và bản đồ phân vùng khô hạn theo chỉ số khô hạn TVDI được xây dựng từ dữ liệu ảnh MODIS phù hợp với chỉ số khô hạn WDI; (iii) Dữ liệu ảnh MODIS đã phản ánh khá tốt diễn tiến ngập lũ của vùng nghiên cứu về không gian và thời gian thông qua hệ số xác định giữa diện tích ngập và mực nước thực đo tại các trạm thủy văn (với R² đạt từ 0,79 – 0,90).

3) Đề xuất được mô hình canh tác lúa phù hợp trên 9 vùng sinh thái nông nghiệp đồng thời đưa ra giải pháp theo hướng tiếp cận mới đó là áp dụng tích hợp các thuật toán tính các chỉ số NDVI, TVDI và LSWI để giám sát và tìm ra các biến động về cơ cấu mùa vụ liên quan đến khô hạn và ngập lũ nhằm có biện pháp giảm thiểu thiệt hại cho sản xuất lúa ở ĐBSCL.

Các kết quả về cơ cấu mùa vụ, khô hạn và ngập lũ vùng ĐBSCL đạt được từ kết quả nghiên cứu của đề tài cùng với hệ thống các giải pháp theo dõi và giám sát cơ cấu mùa vụ, khô hạn và ngập lũ được xây dựng là hữu ích và có thể áp dụng được trong thực tiễn quản lý tài nguyên, qui hoạch và quản lý sử dụng đất nông nghiệp ở ĐBSCL.

Từ khóa: Viễn thám, MODIS, cơ cấu mùa vụ, khô hạn, ngập lũ, ĐBSCL, biến đổi khí hậu

2.  Những kết quả mới của luận án

-         Đã có cách tiếp cận khoa học trong việc áp dụng tích hợp các thuật toán tính toán các chỉ số NDVI, TVDI và LSWI để giám sát và tìm ra các biến động về cơ cấu mùa vụ, khô hạn và ngập lũ cụ thể cho vùng ĐBSCL. Trong khi các công trình nghiên cứu khác chỉ phân tích từng vấn đề riêng lẻ, luận án đã kết hợp phân tích cùng lúc 03 vấn đề về biến động cơ cấu mùa vụ lúa, khô hạn và ngập lũ nhằm tìm ra sự tác động qua lại của chúng trên cùng một khu vực nghiên cứu ở ĐBSCL.

-         Đã ứng dụng phân tích chuỗi dữ liệu MODIS với thời gian 12 năm (từ 2000 đến 2011) trong giám sát biến động cơ cấu mùa vụ, khô hạn và ngập lũ trong điều kiện cụ thể ở ĐBSCL. Đề tài đã ứng dụng phân tích chuỗi dữ liệu đa thời gian nhằm tìm ra được qui luật biến động của các đối tượng quan sát trong từng năm và qua các năm ở khu vực nghiên cứu. Kết quả đã cho thấy sự biến động và tác động rõ rệt về cơ cấu mùa vụ lúa, khô hạn và ngập lũ ở ĐBSCL từ đó đề tài đã có những kết luận mới hơn so với các công trình nghiên cứu trước đây.

-         Đã nêu được định hướng mô hình canh tác lúa phù hợp trên từng vùng sinh thái nông nghiệp ở ĐBSCL và giải pháp theo hướng tiếp cận mới đó là sử dụng công nghệ viễn thám và GIS trong theo dõi, giám sát cơ cấu mùa vụ lúa cũng như vấn đề khô hạn và lũ lụt nhằm làm cơ sở cho các biện pháp giảm thiểu thiệt hại cho sản xuất lúa ở ĐBSCL.

3. Các ứng dụng/ khả năng ứng dụng trong thực tiễn, các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu:                                                      

3.1. Khả năng ứng dụng trong thực tiễn

-         Kết quả nghiên cứu của đề tài về biến động và tác động của khô hạn và ngập lũ đến cơ cấu mùa vụ lúa có thể áp dụng được trong thực tiễn quản lý tài nguyên, qui hoạch và quản lý sử dụng đất nông nghiệp ở ĐBSCL.

-         Hệ thống các giải pháp theo dõi và giám sát cơ cấu mùa vụ, khô hạn và ngập lũ được đề xuất có thể hỗ trợ nhà quản lý đề xuất các giải pháp và ra quyết định nhằm giảm thiểu thiệt hại cho sản xuất lúa vùng ĐBSCL.

3.2. Vấn đề bỏ ngỏ cần tiếp tục nghiên cứu

-         Cần nghiên cứu phương pháp đánh gía thiệt hại do tác động của khô hạn và ngập lũ trong sản xuất lúa theo hướng năng suất hay sản lượng lúa ở ĐBSCL.

-         Tiếp tục nghiên cứu về phương pháp sử dụng ảnh viễn thám để xây dựng bộ dữ liệu về diễn tiến xâm nhập mặn và xác định vùng bị ngập theo triều ở ĐBSCL cũng là những hướng nghiên cứu cần thiết bổ sung cho đề tài.

-         Nghiên cứu việc lượng hóa thang đo khô hạn của Han (Han et al., 2010) tương ứng với các thang độ ẩm trong tầng đất canh tác cho ĐBSCL thông qua thiết lập mạng lưới quan trắc thực tế tương ứng từng thời điểm chụp ảnh.

-         Cần thiết thực hiện tự động hóa các qui trình xử lý dữ liệu ảnh viễn thám để có thể ứng dụng trong công tác cung cấp và cập nhật thông tin chính xác và kịp thời cho người sử dụng.

               Người hướng dẫn                                                            Nghiên cứu sinh

       PGS. TS. Võ Quang Minh                                              Huỳnh Thị Thu Hương

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

Research title: “MONITORING THE EFFECTS OF DROUGHT AND FLOOD TO RICE FARMING SYSTEMS UNDER IMPACTS OF CLIMATE CHANGE IN THE MEKONG DELTA USING REMOTE SENSING MODIS DATA”.

Major: Land and Water Environment                Code: 62440303

PhD student: Huynh Thi Thu Huong

Instructor :     - Assoc. Prof. Dr. Vo Quang Minh

                        - Assoc. Prof. Dr. Le Anh Tuan

Training Facility: CanTho University

1. Research Abstract

This study aims to (1) Assess the effects of drought and flood to rice cropping parttern in Mekong Delta under climate change; (2) Evaluate MODIS imagery for monitoring the rice croping pattern as well as drought and flood issues in Mekong Delta; (3) Propose the suitable rice cropping parttern on agricultural ecology zones as well as the solutions to minimize the damage to rice production by drought and flood in Mekong Delta.

The research approach of this study is to use the Nomalized Difference Vegatation Index (NDVI) for monitoring the rice cropping calendar; Temperature Vegetation Dryness Index (TDVI), generated from both Land Surface Water Index (LSWI) and Nomalized Difference Vegataion Index (NDVI) using for evaluating the land surface moisture. The research approach for mapping flood distribution developed by Islam et al (2009) was applied in this study. Time series of EVI, LSWI and DVEL were used to delineate flood distribution at 4 flooding depth levels including Non-Flood, Flood, Mixture (flooding and vegetation), Water bodies (river, canal, pond). The combination of three map including rice cropping system, drought and flooding was used to propose the suitable cultivation system in the study areas. Time series data extracted from MODIS images from 2000 to 2011 was analyzed. The results were obtained from this research as follow:

(1)              This study has delineated rice cultivation areas affecting by drought included moutainous areas in An Giang province, and along coastal zone as Long An, Ben Tre, Tien Giang, Tra Vinh, Kien Giang and Soc Trang. Rice cultivation areas affecting by early and long inundation duration were delineated in upper Mekong river as An Giang and Dong Thap provinces; Rice areas affecting by late and short duration inundation were found in Kien Giang, Dong Thap, Vinh Long, Can Tho and Hau Giang provinces; The rice cropping pattern changing under drought and flood in Mekong Delta period 2000-2011 was delineated. The major changes of rice cropping  from double to triple rice crop or rice-shrimp; Mono rice crop to other land use types (shrimp farming), rice-shrimp or double rice crop.

(2)              MODIS images are suitable to monitor rice cropping system changes and also drought and flooding in the Mekong Delta. (i) The rice cropping system was delineated by using MODIS data (MOD09Q1, 250 meters spatial resolution) with high accuracy (kappa coefficient = 0,88); (ii) Map of drought patterns created by TVDI index, which extracted from MOD11A2 images has high correlation with Water Deficit Index (WDI). There was a strong correlation between land surface and air temperature observed from the ground stations; (iii) MOD09A1 product has demostrated that it could be applied to monitor flood in terms of spatial and temporal in the study areas. The good relation between flooded areas and water levels collected from hyrological stations is significant with R² from 0.79 to 0.90.

(3)              This study proposed the suitable rice farming systems for 9 agricultural ecology zones as well as the solutions to intergate different indices as NDVI, TVDI and LSWI for monitoring rice cropping system related to drought and flood impacts.

The data-sets of rice farming system, drought and flood in Mekong region and the solution systems achieved from this research are helpful information that can be applied for agriculture management and land use planning in the Mekong Delta.

Keywords: Remote sensing, MODIS, rice cropping system, drought, flood, Mekong Delta, climate change

2. Research Creativeness

-         Proposing scientific approach for intergating the different indices as NDVI, TVDI, and LSWI to monitor and detect the detail changing of rice cropping system in related to drought and flood impact in Mekong Delta. In fact, most other researchs have observed and analyzed on each individual objects, this thesis has studied by combining 03 objects including the change of the rice farming systems, drought and flooding in order to find out the interaction of them on the Mekong Delta region.

-         Analyzed time series of MODIS data during 12 years (2000-2011) to monitor rice farming systems, drought and flooding in detail condition of Mekong Delta. This study used time-series data in order to monitor the fluctuation of objects in each year and over the years in the study area. The results showed that over 12 years there has been significant changes rice farming systems as well as the distribution of drought and flooding in the Mekong Delta.

-         Forecasting some suitable rice farming systems on each agro-ecological zone in the Mekong Delta and solutions on database systems from remote sensing and GIS technology to detect and monitor changes as the basis for making decisions to help minimize damage to rice production in the Mekong Delta.

3. Practical implications from study

3.1. Ability to apply in practice

-         The data set of rice farming systems, drought and flood in Mekong region from this research that is useful information to apply in managements and land use planning in Mekong Delta.

-         System of solutions for monitoring and evaluating rice farming system, drought and flood can be supported to decision makers for minimize the damage of rice production in this study area.

3.2. Issues left open to further research

-         Further research need to modify the methodology for assessing damage of drought and flood on rice cultivation areas in term of increasing rice yield in Mekong Delta.

-         To continue modifying the data set of salinity intrusion processing by using remote sensing image and identifying flooding areas that are necessary to get deeply understand on natural disaster impacts on rice cultivation in this area.

-         Need to be investigated more on quantitative of Han’s drought level estimation corresponding to soil moistures level in Mekong Delta by using observation networks.

-         Need to be standardized all data sets and develop new methods for automatic processing remote sensing data to save time and update quickly with high accuracy for users.

                 Scientific supervisor                                                      PhD student

       Assoc. Prof. Dr. Vo Quang Minh                                  Huynh Thi Thu Huong

Heads of Postgraduate Education

>> Xem chi tiết nội dung luận án.

>> Xem thông tin đăng tải tại Website Bộ giáo dục và Đào tạo.