Đồ án ứng dụng công nghệ viễn thám hồng ngoại nhiệt khảo sát sự phân bố nhiệt độ bề mặt

Điều này đã chứng tỏnhững bước đi đúng đắn của chính phủ, sự đón đầu đi tắt trong việc phát triểncông nghệ viễn thám, đẩy mạnh quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đấtnước.Phần l

DANH MỤC TÓM TẮT BẢNG SỐ LIỆU

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1 Tính khoa học và thực tiễn của đồ án.

Cùng với sự bùng nổ của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật, thế giới nóichung và Việt Nam nói riêng đang dần có những thay đổi Trong rất nhiều lĩnhvực, khoa học công nghệ đang dần chiếm ưu thế và có những bước phát triểnvượt bậc, trong đó có kỹ thuật viễn thám Từ những năm 60 của thế kỷ 20 với sựxuất hiện của vệ tinh nhân tạo đầu tiên thì kỹ thuật không gian đã có sự pháttriển vượt bậc Vệ tinh là công cụ quan trọng trong nghiên cứu của khoa họchiện đại Kỹ thuật thám trắc bằng vệ tinh đã phát triển nhanh chóng hình thànhlên hệ thống quan trắc khí tượng vệ tinh toàn cầu Quan trắc trái đất và quan trắckhông gian đã bước sang một giai đoạn mới, làm phong phú thêm phạm vi, nộidung quan trắc Từ quan trắc mang tính cục bộ ở tầng thấp của khí quyểnchuyển sang quan trắc cả hệ thống khí quyển Rất nhiều những yếu tố, những vịtrí trong khí quyển và trên trái đất trước đây rất khó quan trắc thì ngày nay với

vệ tinh khí tượng đều có thể thực hiện được Công nghệ viễn thám đã cung cấprất nhiều số liệu cho các lĩnh vực như: thiên văn, khí tượng, địa chất, địa lý, hảidương, nông nghiệp, lâm nghiệp, quân sự, thông tin, hàng không, vũ trụ Ngàynay, công nghệ viễn thám đã đạt đến trình độ cao và đã trở thành kỹ thuật phổbiến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội ở nhiều nướctrên thế giới Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoahọc và các nhà hoạch định chính sách các phương án lựa chọn có tính chiến lược

về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường Vì vậy viễn thámđược sử dụng như là một công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay

Tại Việt Nam, công nghệ viễn thám được áp dụng từ những năm 80 nhưngtrong khoảng gần 20 năm trở lại đây đi cùng với sự phát triển của đất nước, côngnghệ viễn thám mới được ứng dụng rộng rãi hơn trong nhiều lĩnh vực Nhưng sovới thế giới, sự phát triển này vẫn chỉ là bước khởi đầu cho nền móng công nghệ

viễn thám trong nhiều lĩnh vực Để bù lại phần còn thiếu trong cập nhật côngnghệ, Chính phủ đã có những định hướng cho sự phát triển công nghệ vũ trụ.Ngày 14/6/2006, thủ tướng đã ra quyết định về “chiến lược nghiên cứu và ứngdụng công nghệ vũ trụ đến năm 2020” Ngày 20/11/2006, viện công nghệ vũ trụtrực thuộc viện khoa học và công nghệ Việt Nam ra đời, với chức năng nghiêncứu các vấn đề cơ bản, khoa học của công nghệ vũ trụ, nghiên cứu và phát triểncông nghệ vệ tinh nhỏ Một cột mốc lịch sử đánh dấu sự phát triển của khoa họcviễn thám ở Việt Nam là sự kiện phóng thành công vệ tinh viễn thám đầu tiêncủa nước ta VNREDSAT lên quỹ đạo đầu năm 2013 Điều này đã chứng tỏnhững bước đi đúng đắn của chính phủ, sự đón đầu đi tắt trong việc phát triểncông nghệ viễn thám, đẩy mạnh quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đấtnước.

Phần lớn ảnh viễn thám hiện nay được xử lý và tích hợp trên một số phầnmềm hiện đại như ERDAS, ENVI, MATLAB, MAPINFO…Các sản phẩm đượctính toán thông qua các thuật toán đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giớinhư Mỹ, EU, Nhật Bản, Trung Quốc và đã được hiệu chỉnh cho phù hợp vớiđiều kiện Việt Nam Các kết quả thu được đã được tích hợp với hệ thống thôngtin địa lý tạo ra các bản đồ chuyên đề Ngoài ra các giá trị số của các sản phẩmviễn thám còn được lưu trữ dưới dạng nhị phân rất thuận tiện trong việc khaithác và sử dụng

Khi sử dụng ảnh viễn thám có thể quan trắc trong một khu vực rộng lớn vàchi tiết Trong khi đó hệ thống trạm quan trắc mặt đất khá thưa thớt, phạm viquan trắc hẹp và không liên tục theo thời gian Cùng với sự nóng lên của tráiđất, các trạm quan trắc không thể cập nhật các thông tin liên quan đến sự thayđổi nhiệt độ trong khi dữ liệu viễn thám đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trên Bởi

vậy, tôi đã lựa chọn đồ án tốt nghiệp: “Ứng dụng công nghệ viễn thám hồng

ngoại nhiệt khảo sát sự phân bố nhiệt độ bề mặt” Trong phạm vi nghiên cứu,

bên cạnh việc phân tích cơ sở lý thuyết, cơ sở toán học và mô hình tính toán, nộidung nghiên cứu còn bao gồm việc xây dựng chương trình tính nhiệt độ bề mặt

Chương trình là bước đầu cho việc ứng dụng công nghệ thông tin vào lĩnh vựcviễn thám.

2 Mục tiêu nghiên cứu của đồ án.

Đưa ra quy trình phân tích xử lý thông tin nhiệt của ảnh Landsat và Asterbằng phần mềm Erdas Imagine

Xây dựng chương trình LST tính nhiệt độ bề mặt

Xác định mối tương quan giữa nhiệt độ và hiện trạng lớp phủ bề mặt đồngthời đánh giá sự thay đổi nhiệt độ bề mặt khu vực nghiên cứu

3 Nội dung nghiên cứu.

Nghiên cứu cơ sở vật lý và nguyên lý hoạt động của công nghệ viễn thám.Nghiên cứu đặc điểm và khả năng ứng dụng của ảnh vệ tinh đa phổ nóichung và ảnh Landsat, Aster nói riêng trong giám sát tài nguyên môi trường.Các thuật toán xác định độ phát xạ bề mặt và quy trình tính giá trị nhiệt độ

từ ảnh hồng ngoại nhiệt

4 Phương pháp nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đồ án bao gồm:

• Phương pháp chuyên gia (nghiên cứu, ứng dụng các thành tựu đã đượcchứng minh bởi các nhà khoa học trên thế giới);

• Phương pháp phân tích, xử lý ảnh (tiền xử lý ảnh, thuật toán xác địnhnhiệt độ bề mặt, độ phát xạ bề mặt);

• Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

5 Bố cục đồ án.

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung đề tài được nghiên cứu theo 4chương:

Chương I Viễn thám hồng ngoại nhiệt và ứng dụng

Chương II Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính nhiệt độ bề mặt từ dữliệu ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat

Chương III Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính nhiệt độ bề mặt từ dữliệu ảnh hồng ngoại nhiệt Aster.

Chương IV Đánh giá sự phân bố nhiệt độ bề mặt

Do kiến thức chuyên môn còn nhiều hạn chế, thời gian nghiên cứu khôngnhiều nên trong đồ án không tránh khỏi những sai sót, kính mong nhận được sựđóng góp của thầy cô và các bạn Trong quá trình thực hiện đề tài, sự giúp đỡnhiệt tình của thầy Trịnh Lê Hùng và thầy Mai Đình Sinh cùng các thầy cô trong

bộ môn Trắc Địa – Bản Đồ và các bạn trong lớp Địa Tin Học đã giúp tôi hoànthiện nội dung của đồ án

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Chương I VIỄN THÁM HỒNG NGOẠI NHIỆT VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Tổng quan về công nghệ viễn thám

1.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của công nghệ viễn thám

Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu đời, nghiên cứu

về đối tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng Sự phát triển củakhoa học viễn thám bắt đầu từ mục đích quân sự nhưng sau đó phục vụ cho rấtnhiều lĩnh vực khác nhau trong xã hội Viễn thám ứng dụng được sử dụng trongnhiều ngành khoa học như: quân sự, địa chất, địa lý, môi trường khí tượng thủyvăn, thủy lợi, lâm nghiệp

Lịch sử viễn thám được tính từ thế kỷ thứ 4 trước công nguyên khi Aristotesáng tạo ra camera – obscura Mãi sau đó vào năm 1839 Louis Daguerre (1789 -1881) đã đưa ra báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh photo, đặt nền móngđầu tiên cho ngành chụp ảnh Đến năm 1858, bức ảnh đầu tiên chụp bề mặt tráiđất từ khinh khí cầu được thực hiện bởi nhà nhiếp ảnh người Pháp – GaspardFelix Tournachon Chiếc khinh khí cầu được đặt ở độ cao 80m chụp toàn bộvùng Bievre của Pháp

Không dừng lại ở đó, việc ra đời của ngành hàng không đã thúc đẩy nhanhchóng sự phát triển mạnh mẽ của ngành chụp ảnh Kéo theo đó là viễn thám vớisự phát triển vượt bậc Công nghệ chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện cho cácnhà nghiên cứu quan tâm tới bề mặt trái đất thông qua các bức ảnh chụp kế tiếpnhau, tạo nên ảnh chồng phủ, tạo điều kiện cho việc chỉnh lý và đo đạc ảnh, táchlọc thông tin với hiệu quả cao Năm 1909, phi công Wilbur Wright đã chụp bứcảnh đầu tiên từ máy bay khi bay qua vùng Centocelli ở Ý Mãi đến chiến tranhthế giới lần thứ nhất, chụp ảnh trên không được sử dụng với quy mô lớn và có

hệ thống Máy ảnh được thiết kế đặc biệt để do thám trên không và xử lý nhanh,phục vụ trực tiếp cho mục đích quân sự Những năm sau đó, các thiết kế khácnhau về các loại máy chụp ảnh được phát triển mạnh mẽ hơn Cùng với đó, nghệ

thuật giải đoán không ảnh và đo đạc từ ảnh đã phát triển lên một tầm cao mới,

hình thành nên một ngành khoa học mới với tên gọi đo đạc ảnh – photogrametry Bước vào thế chiến thứ hai, không ảnh lại tập trung cho mục

đích quân sự Cũng trong giai đoạn này, công nghệ radar phát triển cùng với phổhồng ngoại Các ảnh chụp trên kênh phổ hồng ngoại cho ra khả năng triết lọcthông tin nhiều hơn và đã được sử dụng rất nhiều trong thế chiến thứ 2

Năm 1957, Liên Xô đã phóng vệ tinh SPUTNIK-1 đầu tiên trên thế giới,

đánh dấu sự bắt đầu của “thời đại không gian” Năm 1959, vệ tinh

EXPLORER-6 của Mỹ đã truyền hình ảnh trái đất được chụp từ vệ tinh Vệ tinh khí tượng đầutiên của thế giới được phóng năm 1960, nó là tiền thân của những vệ tinh thời

tiết thời nay và trong thời gian này thuật ngữ “viễn thám” - remote sensing ra

đời bởi Evelyn Pruitt thuộc viện Hải quân Hoa Kỳ Sau đó, Mỹ và Liên Xô đãđưa camera, máy quét đặc biệt để chụp ảnh phục vụ cho đánh giá tài nguyên.Tuy nhiên, sự hạn chế của các bộ cảm biến trên các vệ tinh này cũng như sự hạnchế về tính toàn cầu của các dữ liệu hình ảnh không gian đã được khắc phụcbằng việc Mỹ phóng vệ tinh viễn thám toàn cầu Landsat-1 đầu tiên trên thế giớivào năm 1972 Ngoài ra, có thể kể đến các chương trình nghiên cứu trái đất bằngviễn thám tại các nước Canada, Nhật, Pháp, Ấn Độ, Trung Quốc Sự phát triểncủa viễn thám đi liền với sự phát triển của công nghệ nghiên cứu vũ trụ, phục vụcho nghiên cứu trái đất, các hành tinh và khí quyển Rất nhiều ảnh chụp nổi vềTrái Đất đã cho ra các thông tin vô cùng hữu ích trong nghiên cứu mặt đất

Ngày nay, viễn thám đã có sự đột phá mạnh mẽ trong công nghệ thu thập

và xử lý dữ liệu và có rất nhiều vệ tinh viễn thám trên thế giới như : hệ thống vệtinh Landsat của Mỹ, hệ thống vệ tinh SPOT, vệ tinh IKONOS, ENVISAT, v.v.Các ứng dụng của viễn thám ngày càng đa dạng, giữ vị trí quan trọng trong cácvấn đề về an ninh quốc phòng, phát triển kinh tế - xã hội, quản lý tài nguyên môitrường,…v.v Những sự kiện chính trong lịch sử ra đời và phát triển của côngnghệ viễn thám được trình bày trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Sự phát triển của công nghệ viễn thám

Thời gian (Năm) Sự kiện

1950 Từ phổ nhìn thấy đến không nhìn thấy

1950 – 1960 Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự

1873 Học thuyết về phổ điện từ

1960 – 1970 Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám

1972 Phóng vệ tinh Landsat – 1

1970 – 1980 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số

1980 – 1990 Phát triển thế hệ mới của Landsat

1986 Vệ tinh SPOT vào quỹ đạo

1990 – nay Phát triển bộ cảm thu phổ đo tăng dải phổ và số lượng kênh phổ, tăng

độ phân giải của bộ cảm

Công nghệ viễn thám đã được ứng dụng ở Việt Nam từ những năm 1976.Thời gian đầu là một vài cơ quan ở trong nước đã thu nhận ảnh vệ tinh phụ vụcho các lĩnh vực thuộc địa chất và lâm nghiệp Trong khoảng từ 1979-1980, mộtvài tổ chức ở Việt Nam đã bắt đầu nắm bắt công nghệ viễn thám Mốc quantrọng để đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám ở Việt Nam là sự hợp tácnhiều bên trong khuôn khổ của chương trình vũ trụ quốc tế nhân chuyến bay vũtrụ kết hợp Liên Xô – Việt Nam vào tháng 7 năm 1990 Kết quả nghiên cứu các

công trình khoa học này là sự ứng dụng ảnh đa phổ MKF-6M vào mục đíchthành lập một loạt bản đồ chuyên đề Mười năm tiếp theo, viễn thám đã được

mở rộng cho những nghiên cứu và thí nghiệm để xác định phương pháp và khảnăng sử dụng dữ liệu viễn thám cho việc giải quyết nhiệm vụ an sinh xã hội Từnăm 1990-1995, nhiều lĩnh vực đã sử dụng công nghệ viễn thám vào trongnhững ứng dụng của cuộc sống và đã gặt hái được những kết quả có ý nghĩa vềcông nghệ, khoa học và kinh tế

Hiện nay, một số tổ chức đã hoạt động một cách chuyên nghiệp trong lĩnhvực viễn thám Công nghệ viễn thám đã trở thành một trong những công cụ phổbiến cho nghiên cứu khoa học, quản lý tài nguyên thiên nhiên, nghiên cứu địachất-khoáng sản, nghiên cứu môi trường và quy hoạch, v.v

Nhận thấy sự phát triển nhanh và cấp thiết về ứng dụng công nghệ viễnthám trong cuộc sống, sự phát triển kinh tế xã hội trên thế giới Chính phủ nước

ta đã có những định hướng cho sự phát triển công nghệ vũ trụ Ngày 14/6/2006,thủ tướng chính phủ đã ra quyết định về “chiến lược nghiên cứu và ứng dụngcông nghệ vũ trụ đến năm 2020” Từ năm 2011 đến 2020 đưa vào ứng dụng tạiViệt Nam các thành tựu mới của vệ tinh quan sát trái đất độ phân giải rất cao, vệtinh định vị có độ chính xác rất cao Theo dự kiến, năm 2014 Việt Nam sẽ có vệtinh viễn thám đa phổ VNREDSat-1 đầu tiên do Pháp nghiên cứu và chế tạo.Tiếp theo đó, năm 2016 nước ta sẽ có vệ tinh viễn thám siêu phổ VNREDSat-1B

do vương quốc Bỉ nghiên cứu và chế tạo

Hình 1.1 Ảnh vệ tinh Landsat

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của viễn thám

Viễn thám nghiên cứu vật bằng việc giải đoán, tách lọc thông tin từ dữ liệuảnh chụp hàng không hoặc bằng việc giải đoán ảnh số ảnh vệ tinh và ảnh Radar.Các dữ liệu dưới dạng ảnh chụp và ảnh số được thu nhận dựa trên việc ghi nhậnnăng lượng bức xạ và sóng phản hồi phát ra từ vật thể khi khảo sát

Năng lượng phổ dưới dạng sóng điện từ, cùng cho thông tin về một vật thể

từ nhiều góc độ sẽ góp phần giải đoán vật thể một cách chính xác hơn Sóngđiện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu

về đặc tính của đối tượng Ảnh viễn thám sẽ cung cấp thông tin về các vật thểtương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bức sóng đã xác định Đo lường

và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám cho phép táchthông tin hữu ích về từng loại lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữabức xạ điện từ và vật thể

Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặttrời, năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được thunhận bởi bộ cảm biến đặt trên vật mang

Viễn thám có thể được phân thành 3 loại cơ bản ứng với dải bước sóng

sử dụng:

 Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ : Sử dụng nguồn

năng lượng chủ yếu là bức xạ mặt trời Mặt trời cung cấp một bức xạ có bướcsóng ưu thế 0.5 MKM Tư liệu viễn thám thu được trong dải sóng nhìn thấy phụthuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt trái đất Vì vậy cácthông tin về vật thể có thể được xác định từ các phổ phản xạ

 Viễn thám hồng ngoại nhiệt : Sử dụng nguồn năng lượng là bức xạ nhiệt do

chính vật thể phát ra Mỗi vật thể trong nhiệt độ bình thường đều tự phát ra mộtbức xạ có đỉnh bước sóng 10 MKM

 Viễn thám siêu cao tần : Sử dụng nguồn năng lượng phản xạ hay phát xạ của các

đối tượng trong dải sóng Viễn thám siêu cao tần được chia thành 2 loại: viễnthám siêu cao tần bị động sẽ thu nhận bức xạ do chính vật thể phát ra còn viễn

Hình 1.2 Cách hoạt động của hệ thống viễn thám

Hình 1.3 Cách hoạt động của hệ thống viễn thám

thám siêu cao tần chủ động thì sẽ thu nhận năng lượng phản xạ từ các vật thể.

1.1.3 Các thành phần trong hệ thống viễn thám

Hệ thống viễn thám là một hệ thống sử dụng các phương tiện thu nhậnthông tin bằng nhiều cách, nhiều phương tiện và tầng khảo sát, trên bề mặt vàkhoảng không….Đại đa số chương trình viễn thám sử dụng các nguồn nănglượng tự nhiên được cung cấp bởi mặt trời Trên thực tế, nguyên lý bức xạ củavật đen ứng dụng cho viễn thám

Trong hệ thống viễn thám thường bao gồm 7 phần có quan hệ chặt chẽ vớinhau

 Nguồn năng lượng (A): thành phần đầu tiên của hệ thống viễn thám là

nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đốitượng cần nghiên cứu Trong viễn thám chủ động sử dụng năng lượng

Hình1.4 Viễn thám siêu cao tần chủ động (a) và bị động

(b)

Hình 1.5 Các thành phần trong hệ thống viễn thám

phát ra từ anten, còn trong viễn thám bị động, nguồn năng lượng là bức xạmặt trời.

 Những tia phát xạ và khí quyển (B): năng lượng từ nguồn năng lượng tới

đối tượng nghiên cứu sẽ phải tương tác qua lại với khí quyển nơi nó điqua

 Sự tương tác với đối tượng (C): sau khi truyền qua khí quyển đến đối

tượng, năng lượng sẽ tương tác với đối tượng tùy thuộc vào đặc điểm củađối tượng và sóng điện từ Sự tương tác này có thể là sự truyền qua, sựhấp thụ hay bị phản xạ trở lại khí quyển

 Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm biến (D): sau khi năng lượng được

phát ra hoặc bị phản xạ từ đối tượng, cần có bộ cảm biến để tập hợp lại vàthu nhận sóng điện từ Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm sẽ mangthông tin của đối tượng

 Sự truyền tải, thu nhận và xử lý (E): năng lượng được thu nhận bởi bộ

cảm cần được truyền tải (thường dưới dạng điện từ) đến một trạm thunhận dữ liệu để xử lý sang dạng ảnh Ảnh này là dữ liệu thô

 Giải đoán và phân tích ảnh (F): ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng

trong các mục đích khác nhau Ảnh được giải đoán bằng việc kết hợp cácphương pháp khác nhau

 Ứng dụng (G): đây là thành phần cuối cùng của hệ thống viễn thám, được

thực hiện khi ứng dụng thông tin thu nhận được trong qúa trình xử lý ảnhvào các lĩnh vực, bài toán cụ thể

1.1.4 Ưu nhược điểm và ứng dụng của công nghệ viễn thám

Viễm thám là một ngành khoa học có lịch sử lâu đời nhưng thực sự mớiphát triển mạnh mẽ trong hơn ba thập kỷ gần đây Theo thời gian, việc ứng dụngviễn thám được mở rộng vào nhiều lĩnh vực trên nhiều quốc gia Lúc này, viễnthám đã trở thành phương tiện chủ đạo cho công tác giám sát tài nguyên thiênnhiên và môi trường ở cấp độ từng nước, từng khu vực và trong phạm vi toàn

cầu Nói một cách khác, viễn thám đã mang tính phổ cập với nhưng ưu điểm cơbản sau:

• Độ phủ trùm không gian của tư liệu bao gồm các thông tin về tài nguyên,môi trường trên diện tích lớn của trái đất gồm cả những khu vực rất khóđến được như rừng nguyên sinh, đầm lầy và hải đảo;

• Có khả năng giám sát sự biến đổi của tài nguyên, môi trường trái đất dochu kỳ quan trắc lặp và liên tục trên cùng một đối tượng trên mặt đất củacác máy thu viễn thám Khả năng này cho phép công nghệ viễn thám ghilại được các biến đổi của tài nguyên, môi truờng giúp công tác giám sát,kiểm kê tài nguyên thiên nhiên và môi trường;

• Sử dụng các dải phổ đặc biệt khác nhau để quan trắc các đối tượng (ghinhận đối tượng), nhờ khả năng này mà tư liệu viễn thám được ứng dụngcho nhiều mục đích, trong đó có nghiên cứu về khí hậu, nhiệt độ của tráiđất;

• Cung cấp nhanh các tư liệu ảnh số có độ phân giải cao và siêu cao, là dữliệu cơ bản cho việc thành lập và hiện chỉnh hệ thống bản đồ quốc gia và

hệ thống CSDL địa lý quốc gia

Bên cạnh những ưu điểm trên, công nghệ viễn thám vẫn còn tồn tại một

số nhược điểm cơ bản sau:

• Để xử lý và phân tích dữ liệu ảnh vệ tinh yêu cầu trình độ chuyên môncao và kinh nghiệm trong thực hành;

• Đối với những vùng nghiên cứu có diện tích nhỏ, sử dụng kỹ thuật viễnthám không kinh tể do giá thành cao;

• Các phần mềm để xử lý ảnh vệ tinh có giá thành cao;

• Nếu kết quả giải đoán ảnh viễn thám chưa được kiểm tra bằng công tácngoại nghiệp, việc sử dụng sẽ có nhiều hạn chế

Với những ưu điểm vượt trội, hiện nay công nghệ viễn thám đã được ứngdựng trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế và môi trường và mang lại hiệu quả lớn.Một số ứng dụng chính của công nghệ viễn thám:

 Nghiên cứu địa chất: Viễn thám từ lâu đã được ứng dụng để giải đoán các thông

tin địa chất Dữ liệu viễn thám được dùng cho giải đoán là các ảnh máy bay, ảnh

vệ tinh và ảnh radar Lĩnh vực dùng dữ liệu này có thể kể đến là địa mạo, cấutrúc địa chất, trầm tích, khai khoáng, dầu mỏ, địa tầng, địa chất công trình, nướcngầm và các nghiên cứu về địa chất môi trường Dữ liệu ảnh radar cho phépnghiên cứu cấu trúc địa chất một cách hữu hiệu

 Nghiên cứu môi trường: Viễn thám là phương tiện hữu hiệu để nghiên cứu môi

trường đất liên (xói mòn, ô nhiễm), môi trường biển (đo nhiệt độ, màu nướcbiển)

 Nghiên cứu khí hậu và khí quyển: Đặc điểm tầng Ozon, mây, mưa, nhiệt độ khí

quyển, dự báo bão và nghiên cứu khí hậu qua dữ liệu thu từ vệ tinh khí tượng

 Nghiên cứu thực vật, rừng: Viễn thám cũng cấp ảnh có diện phủ toàn cầu nghiên

cứu thực vật theo ngày, mùa vụ, tháng năm và theo giai đoạn Thực vật là đốitượng đầu tiên mà ảnh vệ tinh thu nhận được thông tin Trên ảnh viễn thámchúng ta có thể tính toán sinh khối, độ trưởng thành và sâu bệnh dựa trên chỉ sốthực vật, có thể nghiên cứu cháy rừng qua các ảnh vệ tinh

 Nghiên cứu thủy văn: Mặt nước và các hệ thống dòng chảy được hiển thị rất rõ

trên ảnh vệ tinh và có thể khoanh vùng được chúng Dữ liệu ảnh vệ tinh đượcghi nhận trong mùa lũ, là dữ liệu được sử dụng để tính toán diện tích thiên tai vàkhả năng dự báo lũ lụt

 Nghiên cứu các hành tinh khác: Dữ liệu viễn thám thu từ vệ tinh cho phép

nghiên cứu các vì sao và mặt trăng Điều này khẳng định rằng viễn thám là mộtcông nghệ có ứng dụng rộng lớn

1.2 Viễn thám hồng ngoại nhiệt

1.2.1 Tổng quan về viễn thám hồng ngoại nhiệt

Viễn thám hồng ngoại nhiệt là một trong ba loại cơ bản của kỹ thuật viễnthám bao gồm viễn thám trong dải phổ quang và hồng ngoại, viễn thám radar,viễn thám hồng ngoại nhiệt Viễn thám hồng ngoại nhiệt sử dụng các bức xạđiện từ có bước sóng trong khoảng Tuy nhiên, trong phần lớn các ứng dụngcủa ảnh hồng ngoại nhiệt thường sử dụng dãy sóng với bước sóng

Nguyên lý cơ bản của viễn thám hồng ngoại nhiệt là ghi nhận thông tin vềnhiệt độ bức xạ của vật thể trong dải sóng hồng ngoại nhiệt bằng phương phápquét (hình 3.5) Bức xạ nhiệt có cường độ yếu, lại bị hấp thụ mạnh bởi khíquyển nên để thu các tín hiệu phải có thiết bị quét nhiệt với độ nhạy cao Tínhchất bức xạ nhiệt các đối tượng tự nhiên dựa vào nguyên lý bức xạ nhiệt của vậtđen tuyệt đối Vật đen tuyệt đối hấp thụ toàn bộ năng lượng của dải sóng điện từ

và mặt trời Tuy nhiên, trong thực tế hiếm khi có sự tồn tại của vật đen tuyệt đối

mà chỉ có một số vật gần giống vật đen tuyệt đối như bồ hóng

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của viễn thám hồng ngoại nhiệt

Bức xạ nhiệt có cường độ yếu, lại bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển nên đểthu các tín hiệu phải có thiết bị quét nhiệt với độ nhạy cao Tính chất bức xạnhiệt các đối tượng tự nhiên dựa vào nguyên tắc bức xạ nhiệt của vật đen tuyệtđối Vật đen tuyệt đối hấp thụ toàn bộ năng lượng của dải sóng điện từ và mặttrời có thể coi là vật đen tuyệt đối Tuy nhiên, trong thực tế hiếm khi có sự tồntại của vật đen tuyệt đối mà chỉ có một số vật gần giống vật đen tuyệt đối như bồhóng…

Nhiệt độ của vật chất đo được khi tiếp xúc với nó được gọi là nhiệt độKinetic, thể hiện sự trao đổi năng lượng của các phần tử cấu tạo nên vật chất Sựbức xạ năng lượng của vật chất là một hàm số của nhiệt độ Kinetic của chúng

Khi bức xạ, vật chất có một nhiệt độ khác gọi là nhiệt độ bên ngoài vật chất.Viễn thám hồng ngoại nhiệt đảm nhiệm vai trò ghi lại thông tin về nhiệt độ bênngoài hay chính là sự bức xạ của vật chất.

Với vật đen tuyệt đối, nó phát xạ toàn bộ năng lượng làm cho nhiệt độ tănglên nhưng với vật thực chỉ phát ra một phần năng lượng Cường độ bức xạ vàtính chất phổ của bức xạ là một hàm số của thành phần vật chất tại thời điểm đó.Các đường cong phân bố năng lượng có hình dạng giống nhau nhưng các tia củachúng có xu hướng chuyển dịch về phía có bước sóng ngăng hơn khi nhiệt độtăng cao theo quy luật chuyển dịch cực trị năng lượng bức xạ của định luậtWien

Khác với vật đen tuyệt đối hấp thụ toàn bộ năng lượng chiếu tới, vật chấtthực chỉ phát xạ một phần năng lượng chiếu tới nó Khả năng phát xạ nhiệt củavật chất còn gọi là độ phát xạ nhiệt ε Độ phát xạ nhiệt được hiểu là tỉ số giữanăng lượng nhiệt phát ra của vật chất tại một thời điểm nào đó và năng lượngphát ra của vật đen tại cùng nhiệt độ đó Độ phát xạ nhiệt có giá trị trong khoảng

từ 0 đến 1 tùy thuộc vào thành phần vật chất Ngoài ra, ở nhiệt độ, dải sóng điện

từ và góc phát xạ khác nhau, sự phát xạ nhiệt của vật chất cũng khác nhau

Vật xám là vật có độ phát xạ nhỏ hơn 1 nhưng sự phát xạ là đều ở mộtbước sóng tương tự như ở vật đen tuyệt đối Một vật có sự phát xạ khác nhau ởcác dải sóng điện từ khác nhau được gọi là vật phát xạ lựa chọn Trong tự nhiên

có rất nhiều vật chất có sự phát xạ giống vật đen như nước (độ phát xạ 0.98 –0.99 ở dải sóng 6 – 14 µm) Ngược lại, một số vật chất lại có sự phát xạ lựa chọnnhư thạch anh có sự phát xạ rất khác biệt trong dải sóng điện từ 6 – 14 µm Dảisóng điện từ 8 – 14 µm có đặc điểm là ngoài việc thể hiện sự phát xạ của khíquyển còn thể hiện sự phát xạ của các đối tượng trên bề mặt trái đất với nhiệt độtrung bình 3000K, trong đó nhiệt độ đạt cực đại ở bước sóng 9.7 µm Vì vậy, hầuhết các bộ cảm biến nhiệt trên vệ tinh viễn thám đều hoạt động trong dải sóngnày Sự phát xạ của một số đối tượng trong dải sóng 8 – 14 µm được thể hiệntrong bảng 1.2 dưới đây

Bảng 1.2 Độ phát xạ của một số đối tượng

Hình 1.7 Mô hình nhiệt của các vật chất có sự khác biệt lớn về nhiệt độ của vật giữa ngày và đêm

Ảnh hồng ngoại nhiệt có các đặc điểm hình học chính sau:

• Rất hay bị méo do ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết, môi trường như gió,mưa, mây, thực vật, …

• Ảnh hồng ngoại nhiệt thu nhận ban ngày và ban đêm có sự khác biệt rấtlớn do phụ thuộc vào mô hình nhiệt của các vật chất khác nhau (hình3.10, khu vực có nhiệt độ cao có màu trắng sáng)

Nhiệt độ cực đại, tốc độ nóng lên hay lạnh đi của một vật thể phụ thuộc vàothành phần vật chất và trạng thái của vật thể đó Ví dụ, nước có giá trị nhiệt độcực đại và cực tiểu nhỏ hơn cũng như thời điểm xuất hiện giá trị cực đại, cựctiểu cũng chậm hơn 1 – 2 giờ so với các đối tượng khác Do vậy, nhiệt độ củađịa hình thường cao hơn vào ban ngày nhưng thấp hơn vào ban đêm so với nhiệt

độ của nước Sự chênh lệch nhiệt độ vật chất giữa ngày và đêm còn gọi là quántính nhiệt của vật chất (hình 1.7)

a)

Hình 1.8 Cơ chế thu ảnh hồng ngoại nhiệt theo phương pháp quét

Hình 1.9 Ảnh hồng ngoại nhiệt thu nhận vào ban ngày (a) và ban đêm (b)

1.2.2 Ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT

Chương trình Landsat được bắt đầu vào năm 1972 Cho đến nay, hệ thốngLandsat gồm 8 vệ tinh, trong đó có 7 vệ tinh được phóng thành công lên quỹđạo Đây là hệ thống vệ tinh đa phổ lớn trên thế giới được ứng dụng rộng rãitrong quản lý tài nguyên môi trường Nguồn dữ liệu ảnh Landsat đa dạng, phongphú, phổ biến trên toàn cầu Ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat được thu trên vệ tinh

có bộ cảm biến TM và ETM+ Ảnh hồng ngoại nhiệt TM có độ phân giải khônggian 120m, trong khi ở bộ cảm biến ETM+ độ phân giải không gian là 60m Ảnh Landsat7 ETM+ có 6 kênh phổ, 1 kênh hồng ngoại nhiệt, 1 kênh toànsắc Đặc điểm chính của ảnh Landsat TM và ETM+ được thể hiện trên bảng 3,4

Bộ cảm biến Kênh ảnh Khoảng phổ Kích thước vùng quét Độ phân giải không gian

Bảng 1.3 Thông tin kênh ảnh Landsat với bộ cảm ETM+

Bảng 1.2 Thông tin kênh ảnh Landsat với bộ cảm ETM+

Bảng 1.4 Thông tin kênh ảnh Landsat với bộ cảm TM

Số dòng quét Số bit

Độ phủ cảnh của TM4-TM7

185 x 185 km

10% chồng phía trước, 8% hai rìa

Kênh 1- Lam Là dải bước sóng ngắn, ánh sáng có thể xuyên qua mặt nước, hay bị nhiễu, ảnh hay bị nhám không sắc nétKênh 2 – Xanh Chất lượng gần giống kênh 1, bước sóng ánh sáng thể hiện màu

xanh Kênh 3 – Đỏ Dải bước sóng bị thực vật hấp thụ

Kênh 4 – Cận hồng ngoại Bị nước hấp thụ nên ảnh của kênh 4 mặt nước có màu đen, thể

hiện ánh sáng phản xạ từ nước rất yếu Kênh 5 – Hồng ngoại trung Kênh 5 rất nhạy cảm với độ ẩm

Kênh 6 – Hồng ngoại nhiệt

Kênh 7 – Hồng ngoại xa Kênh 7 nhạy cảm với độ ẩm

Kênh ảnh Ứng dụng

Kênh 1 Lập bản đồ nước gần bờ biển, phân biệt sự khác nhau giữa đất và thực vật, xác định các đối tượng nhân tạo như đường, nhà cửa, phân loại rừng v.vKênh 2 Phân biệt giữa các loại thảm thực vật, xác định sức khỏe của thảm thực vật và các đối tượng nhân tạo v.v.Kênh 3

Phân biệt giữa thực vật và đất, theo dõi tình trạng sức khỏe của thảm thực vật, phân biệt giữa các loại thực vật khác nhau, lập bản đồ ranh giới giữa các loại đất và ranh giới hình thành địa chất v.v

Kênh 4 Xác định bề mặt đất và nước, xác định cây trồng, phân biệt giữa cây trồng và đất,

Bảng 1.5 Kênh phổ của ảnh Landsat – bộ cảm ETM+

Bảng 1.6 Ứng dụng từng kênh ảnh Landsat – bộ cảm ETM+

ranh giới của khu vực nước v.v Kênh 5 Giám sát thảm thực vật và độ ẩm của đất v.v

Kênh 6 Ứng dụng trong địa chất, xác định hoạt động địa chất nhưng đôi khi được sử dụng để đo nhiệt độ của thảm thực vật…v.v.Kênh 7 Phân biệt sự tạo thành các loại đá, độ ẩm của thảm thực vật v.v

Kênh Bước sóng m Tên gọi phổ Ứng dụng chính

TM1 0.45 – 0.53 Xanh lam – Blue

Dùng để nghiên cứu thềm lục địa nông, đánh giá hàm lượng clorophyl và karotin trong thực vật, phân biệt rừng kín thường xanh và rừng rụng lá

TM2 0.52 – 0.6 Xanh lục – Green Đánh giá trạng thái của thực vật

TM3 0.63 – 0.69 Đỏ – Red Xác định vùng hấp thụ chlorophyll giúp phân loại thực vậtTM4 0.76 – 0.9 Cận hồng ngoại –

NIR

Xác định các kiểu thực vật, trạng thái và sinh khối, độ ẩm của đất Xác định đường bờ với các đối tượng nước

TM5 1.55 – 1.75 Giữa hồng ngoại – SWIR Xác định độ ẩm của thực vật và đất, tách tuyết và mâyTM6 10.4 – 12.5 Hồng ngoại nhiệt Xác định độ ẩm của đất, xây dựng bản đồ nhiệtTM7 2.08 – 2.35 Giữa hồng ngoại –

SWIR

Xác định các loại đá và khoáng vật, thuận tiện cho việc xác định độ ẩm của thực vật, đánh giá nồng độ oxit hidro trong đất

Tháng 2/2013, vệ tinh Landsat 8 được phóng thành công lên quỹ đạo vàbắt đầu cho phép sử dụng miễn phí dữ liệu ảnh Vệ tinh Landsat 8 sẽ kéo dàitrên 40 năm quan sát Trái đất, cung cấp những thông tin quan trọng trong nhiềulĩnh vực như quản lý năng lượng và nước, theo dõi rừng, sức khỏe con người vàmôi trường, quy hoạch đô thị, khắc phục thảm họa và lĩnh vực nông nghiệp Dữliệu thu nhận được sẽ được phân phối miễn phí đến người sử dụng

So với Landsat 7, Landsat 8 có cùng độ rộng dải chụp, cùng độ phân giảiảnh và chu kỳ lặp lại (16 ngày) Tuy nhiên, ngoài các dải phổ tương tự Landsat

7, bộ cảm OLI thu nhận thêm dữ liệu ở 2 dải phổ mới nhằm phục vụ quan sátmây ti và quan sát chất lượng nước ở các hồ và đại dương nước nông ven biểncũng như sol khí Bộ cảm TIRs thu nhận dữ liệu ở 2 dải phổ hồng ngoại nhiệt,

Bảng 1.7 Ứng dụng từng kênh ảnh Landsat – bộ cảm TM

phục vụ theo dõi tiêu thụ nước, đặc biệt ở những vùng khô cằn thuộc miền tâynước Mỹ.

Bảng 1.8 So sánh Landsat 7 và Landsat 8

1.2.3 Ảnh hồng ngoại nhiệt ASTER

Ảnh vệ tinh ASTER được thu từ bộ cảm ASTER đặt trên vệ tinh Terravới độ phủ ảnh là 60km Bộ cảm ASTER được cấu thành từ 3 phụ hệ riêng rẽ,hoạt động trên từng hệ quang riêng biệt Các hệ phụ này là nhìn thấy và hồngngoại gần bao gồm các kênh phổ 1-3, hồng ngoại song ngắn gồm các kênh phổ4-9 và hồng ngoại nhiệt bao gồm các kênh phổ 10-14

Kênh phổ Bước sóng ( ) Độ phân giải không gian Lưu trữ (bit)

Bảng 1.9 Thông tin kênh ảnh ASTER

vệ tinh ASTER có khả năng cung cấp thông tin nhiều hơn các loại tư liệu vệ tinhkhác

Đồng thời bộ cảm ASTER luôn thu nhận ảnh lập thể dọc tuyến (Alongtrack) nên việc xây dựng mô hình DEM ở đây là rất tốt

Ảnh vệ tinh ASTER có độ trùm phủ giống như ảnh vệ tinh SPOT là 60 x

60 km nhưng ảnh vệ tinh ASTER lại có giá thảnh rẻ hơn rất nhiều so với ảnh vệtinh SPOT

Ảnh vệ tinh ASTER luôn luôn được cập nhật trong thời gian mới nhất

2005, 2006 Đặc biệt chức năng định vị của bộ cảm ASTER cho phép quan sát

1 vị trí trên bề mặt Trái đất trong vòng 3-5 ngày

Tư liệu ASTER phục vụ rất tốt cho những nghiên cứu về tài nguyên môitrường, quy hoạch vùng lãnh thổ, thành lập bản đồ lớp phủ, bản đồ sử dụng đất,đặc biệt phục vụ tốt cho nghiên cứu địa chất và khoáng sản

Ảnh vệ tinh ASTER cung cấp tới người sử dụng theo 2 dạng: Đã được lưutrong cơ sở dữ liệu và đặt thu mới theo yêu cầu Người sử dụng có thể đặt hàng

trước các yêu cầu của tư liệu ảnh vệ tinh về thời gian, địa điểm và mức độ xử lý

tư liệu Một ưu điểm nổi bật của tư liệu vệ tinh ASTER đó là giá thành của loại

tư liệu này rẻ hơn rất nhiều so với các loại tư liệu vệ tinh khác

1.2.4 Ảnh hồng ngoại nhiệt MODIS

Ảnh MODIS được thu nhận từ hai hệ thống vệ tinh chính , bao gồm:MODIS Terra và MODIS Aqua Với tầm quan sát lên đến hơn 2.330 km, vệ tinhnày có thể quan trắc gần như toàn bộ Trái Đất Ảnh MODIS có 36 băng phổ, với

3 độ phân giải: 250, 500 và 1000 mét, dữ liệu dạng 12 bit

Bảng 1.10 Ứng dụng của ảnh MODIS

Khoanh ranh giới mây, đất 1 – 2 0.68 – 0.88 250

Hơi nước khí quyển 17 – 19 0.89 – 0.97 1000

Mây vĩ độ cao 33 – 36 13.185 – 14.385 1000

Ảnh MODIS bao gồm các loại dữ liệu chính sau:

 Dữ liệu nghiên cứu mây

 Nồng độ tầng đối lưu và đặc tính quang học của khí quyển

 Phổ phát xạ của chlorophyl (50%)

1.3 Ứng dụng của ảnh hồng ngoại nhiệt

Viễn thám thụ động đo lường bức xạ phát ra từ bề mặt trái đất trong dảiphổ từ 3 – 35 Ảnh hồng ngoại nhiệt chứa kênh hồng ngoại nhiệt – kênh 6 trongảnh Landsat và kênh 10 – 14 trong ảnh Aster – được thu nhận bởi các bộ cảmbiến như: AVHRR (vệ tinh NOAA), MVIRI (vệ tinh Meteosat), AATSR (vệtinh Envisat), TM, ETM+ (vệ tinh Landsat) và ASTER (vệ tinh Terra) Trong

đó, ảnh hồng ngoại nhiệt của Landsat có độ phân giải thấp hơn nhưng có quỹđạo bay chụp toàn cầu và tư liệu lưu trữ lâu dài, thích hợp cho việc nghiên cứu

Ảnh hồng ngoại nhiệt được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: quansát đất liền, biển, mặt tuyết, quá trình mây; Nghiên cứu về động lực và cấu trúcthực vật; Nghiên cứu về cân bằng phóng xạ của khí quyển, mây, sự mở rộng và

Hình 1.11 Ảnh MODIS bão Lupin, 26/11/2003, Tây Philippin

đặc tính của tầng đối lưu; Xác định nồng độ và biến động của các khí nhà kính;Nghiên cứu về núi lửa và các quá trình bề mặt của trái đất; Thành lập bản đồnhiệt độ mặt đất

1.3.1 Thành lập bản đồ nhiệt độ mặt đất

Đây là một trong những ứng dụng quan trọng của ảnh hồng ngoại nhiệt,

có ý nghĩa thiết thực trong thực tế Việc thành lập bản đồ nhiệt độ mặt đất sẽgiúp con người có cái nhìn khái quát, tổng quan hơn về sự thay đổi của khí hậutrái đất, từ đó ước tính giá trị nhiệt độ cho từng khu vực

Trong khi các trạm quan trắc chỉ phản ánh điều kiện nhiệt của khu vựccục bộ xung quanh trạm đo thì dữ liệu viễn thám cho phép thu nhận thông tinđầy đủ hơn, bao quát hơn Đồng thời, hiện tượng đảo nhiệt đã trở thành đặctrưng của môi trường khu vực đô thị Do đó, viễn thám nhiệt đã được sử dụng đểthành lập bản đồ nhiệt độ mặt đất và đánh giá hiện tượng đảo nhiệt đô thị

Đảo nhiệt đô thị (urban heat island) là hiện tượng một khu vực đô thị ấmhơn đáng kể so với các khu vực ngoại ô xung quanh Nguyên nhân chính củahiện tượng này là do sự thay đổi bề mặt sử dụng đất trong quá trình đô thị hóa.Đảo nhiệt được hình thành khi bức xạ mặt trời bị các kiến trúc xây dựng, đường

xá, vỉa hè giữ lại thay vì được hấp thụ vào đất hay phản xạ trở lại không gian.Ở khu vực đô thị, phần mái các công trình kiến trúc thường chiếm trên dưới25%, các mặt bằng lộ thiên như vỉa hè, sân bãi, công viên khoảng 30 – 40%, cònlại là diện tích đường sá, phần lớn tráng nhựa Các loại chất liệu này có hiệu suấtphản chiếu tia nắng mặt trời rất cao khi so với những vùng có thực vật che phủ.Một lượng nhiệt không nhỏ khác do con người tạo ra từ máy móc sinh hoạt, vănphòng, động cơ xe cộ và nhà máy công nghiệp cũng gây ra sự nóng lên của khuvực đô thị Sự chênh lệch nhiệt độ giữa vùng nội đô và ngoại ô vào ban đêmthường lớn hơn so với ban ngày Đảo nhiệt đô thị cũng diễn ra rõ rệt theo mùa,chủ yếu là mùa hè và mùa đông Hình thái đảo nhiệt ở mỗi thành phố sẽ khácnhau tùy vào địa hình, địa vật và hoạt động của gió theo mỗi mùa Thay đổi

nhiệt độ giữa ngày và đêm ở mỗi thành phố cũng khác nhau tùy hình thái đảonhiệt ở đó

Thành lập bản đồ nhiệt độ mặt đất chính là việc phân vùng nhiệt độ bằngthang màu sẽ tạo cái nhìn trực quan, tổng quát cho toàn bộ khu vực Viễn thámhồng ngoại nhiệt đóng vai trò chủ đạo trong vấn đề này

1.3.2 Nghiên cứu độ ẩm đất đai

Lượng hơi nước trong khí quyển thường được biểu diễn bằng độ cao củalớp nước lắng, tức là của 1 lớp nước mà ta sẽ thu được nếu như toàn bộ hơi nướcchứa trong khí quyển đều đọng lại thành nước Và hơi nước trong khí quyển giữ

vị trí đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu độ ẩm đất đai Để giải quyết vấn đềnày, dữ liệu đầu vào là ảnh MODIS Từ ảnh MODIS có thể phép tính đượclượng hơi nước tổng cộng trong khí quyển, từ đó tính được độ ảm tương đối củakhí hậu và đất đai

Ở Việt Nam, một số nghiên cứu đã sử dụng ảnh nhiệt MODIS,NOAA/AVHRR trong xác định độ ẩm đất dựa trên mối quan hệ giữa nhiệt độ bềmặt và các loại hình lớp phủ Tuy nhiên, độ phân giải không gian của ảnhMODIS, NOAA/AVHRR là rất thấp, độ chính xác không cao và không tích hợpcho các nghiên cứu chi tiết, do vậy ảnh nhiệt MODIS, NOAA/AVHRR chỉ thíchhợp cho các nghiên cứu ở quy mô lớn Trong các nghiên cứu chi tiết hơn thường

sử dụng dữ liệu ảnh nhiệt LANDSAT TM, ETM+ hay ảnh LANDSAT 8 Ảnhnhiệt LANDSAT với độ phân giải không gian 120m (TM), 60m (ETM+), 100m(LANDSAT 8 OLI) cung cấp thông tin rõ ràng hơn về sự thay đổi nhiệt độ mặtđất so với ảnh MODIS, NOAA/AVHRR, do vậy có thể được sử dụng hiệu quảtrong nghiên cứu môi trường đô thị

Tuy nhiên, việc sử dụng ảnh MODIS vẫn còn tồn tại một số vấn đề như:sai số thống kê, áp suất khí quyển chỉ được nội suy mà không có số liệu thực tế

và sự chênh lệch về thời gian…Nhưng những sai số và hạn chế trên có thể giảiquyết trong tương lai với đầy đủ điều kiện và trạm quan trắc

Ảnh MODIS nói riêng và công nghệ viễn thám nhiệt nói chung là cơ sở lýthuyết vững chắc nhất cho quá trình nghiên cứu độ ẩm khí hậu và đất đai.

1.3.3 Nghiên cứu, phòng chống cháy rừng.

Cháy rừng là một trong những nguyên nhân cơ bản gây nên tình trạng suygiảm nhanh chóng diện tích cũng như chất lượng rừng trên thế giới hiện nay ỞViệt Nam, hàng năm xảy ra hàm trăm vụ cháy rừng lớn nhỏ, gây tổn thấtnghiêm trọng đến diện tích rừng cũng như ảnh hưởng đến môi trường sinh thái,đời sống nhân dân

Kỹ thuật viễn thám đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giớitrong nghiên cứu, phát hiện nhanh và cảnh báo các vị trí có thể xảy ra cháy rừng

Dữ liệu viễn thám chính trong nghiên cứu, phòng chống cháy rừng là ảnh hồngngoại nhiệt NOAA/AVHRR và MODIS do diện tích phủ trùm rộng Công nghệthu ảnh vệ tinh để dự báo điểm cháy rừng từ ảnh NOAA-AVHRR dựa vàonguyên lý tìm ra các dị thường về nhiệt, so sánh với các chỉ thị điểm cháy, điểmnóng để đưa ra cảnh báo Ảnh thu nhận được từ hệ thống vệ tinh NOAA, hệthống vệ tinh TERRA và hệ thống vệ tinh ACQUA Tính đến thời điểm này, hệthống vệ tinh NOAA đã phát triển đến thế hệ 17, trong đó ở Việt Nam sử dụngảnh của vệ tinh 12 và 16 Các vệ tinh này có độ phủ 2000 km/chiều (toàn bộdiện tích lãnh thổ Việt Nam) Một ngày, các trạm thu nhận được sáu ảnh, trong

đó có ba ảnh ban đêm, ba ảnh ban ngày Tuy nhiên trong trường hợp hai vệ tinhbay sát nhau thì chỉ có thể thu được bốn ảnh (số ảnh tối thiểu) Hạn chế của ảnhNOAA-AVHRR là độ phân giải chỉ trong phạm vi một km nên khó có thể biếtchính xác tuyệt đối điểm cháy ở phạm vi đó

Hình 1.12 Cháy rừng tại Alaskan Boreal nhìn từ ảnh MODIS

Bên cạnh những ứng dụng chính trên, dữ liệu viễn thám hồng ngoại nhiệtcòn được sử dụng trong các nghiên cứu về ô nhiễm không khí nhằm xác địnhhàm lượng bụi trong không khí, nghiên cứu hiện tượng tẩy trắng san hô vùngven bờ do sự nóng lên của nhiệt độ nước biển, trong dự báo cháy rừng,…

1.3.4 Nghiên cứu nhiệt độ nước biển

Nhiệt độ là một trong những đặc trưng vật lí của nước biển có vai trò rấtquan trọng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu Đặc biệt trong hải dương học,nghiên cứu nhiệt độ, độ muối giúp tính toán mật độ riêng, thể tích riêng, phânchia các khối nước, nghiên cứu sự di chuyển của các khối nước, tính toán dòngchảy mật độ, vận tốc âm v.v… Trong nghiên cứu các hiện tượng thời tiết khíhậu như: hoạt động của gió mùa, dải hội tụ nhiệt đới, bão, El Nino, La Nina…

Và trong sinh học sinh thái biển nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới đời sốngsinh vật trong biển

Nhiệt độ trong môi trường nước thường thấp hơn ở môi trường không khí

và ổn định hơn, do đó những loài thuỷ sinh vật nói chung đều là những loài hẹpnhiệt, chúng có thể tồn tại trong một khoảng nhiệt độ nào đấy (gọi là khoảngnhiệt tồn tại), song chúng chỉ có thể phát triển được trong khoảng nhiệt độ thích

hợp (gọi là khoảng nhiệt phát triển) và phát triển tốt nhất ở khoảng nhiệt độ tối

ưu (khoảng nhiệt cực thuận) Đại bộ phận thuỷ sinh vật là những loài biến nhiệt(trừ các loài chim, thú sống ở nước) Do vậy, mọi quá trình hô hấp, trao đổi chất,sinh trưởng, phát triển của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường và cónhững giới hạn về nhiệt độ rất đặc trưng Nhiệt độ cũng quyết định sự phân bốcủa các loài sinh vật trong biển

Vì vậy, việc cần thiết hiện nay là nghiên cứu về nhiệt độ nước biển, đánhgiá sự biến động theo từng năm, từ đó, đưa ra những kết luận có liên quan Ảnhhồng ngoại nhiệt - ảnh MODIS - là tư liệu chính để thực hiện nhiệm vụ trên

Hình 1.13 Ảnh MODIS trong nghiên cứu đại dương

Hình 1.14 Bản đồ nhiệt độ nước biển toàn cầu từ ảnh MODIS

Chương II PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT BẰNG DỮ LIỆU ẢNH HỒNG NGOẠI NHIỆT LANDSAT

2.1 Giới thiệu chung.

Viễn thám hồng ngoại nhiệt liên quan đến các sóng điện từ với bước sóng3.5 – 20 Hầu hết các ứng dụng viễn thám nhiệt thường sử dụng dải sóng từ 8đến 13 Trong ảnh LANDSAT, nhiệt độ bề mặt được tính từ kênh 6 – kênhhồng ngoại nhiệt – với bước sóng từ 10.44 – 12.42 , độ phân giải 60m (ETM,ETM+) và 120m (TM) Ngoài ra ta có thể sử dụng ảnh hồng ngoại nhiệtASTER và MODIS Tuy nhiên, dữ liệu ảnh này hoặc có độ phân giải thấp(MODIS có độ phân giải không gian từ 250m – 1000m) chỉ thích hợp khảo sátnhiệt độ mặt đất ở mức độ vĩ mô hoặc có giá thành cao (ảnh ASTER) ẢnhLandsat với độ phân giải trung bình được cung cấp miễn phí có thể đáp ứngđược các yêu cầu đề ra

Để nghiên cứu nhiệt độ bề mặt từ ảnh Landsat ta dựa vào phép tínhchuyển đổi nhiệt độ từ giá trị độ xám của kênh 6 Đây là một quá trình liên tiếp,được bắt đầu từ việc chuyển giá trị số (DN – Digital Number) sang giá trị bức xạphổ () việc chuyển giá trị số (DN – Digital Number) sang giá trị bức xạ phổ ()còn giúp làm giảm thiểu sự khác biệt về giá trị độ xám khi tiến hành ghép cáckênh ảnh khác nhau Kết quả thu được sẽ được chuyển tiếp sang giá trị nhiệt độbức xạ nhiệt độ bức xạ sẽ được hiệu chỉnh dựa vào mối liên quan giữa nhiệt độ

và các loại hình sử dụng đất hoặc lớp phủ thực vật

Thuật toán xác định nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh Landsat được thể hiệntrong hình 2.1