TỔNG QUAN
Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam về các vấn đề liên quan
Công nghệ GIS-Viễn thám và Mô hình hóa đã được nghiên cứu và phát triển trong vài thập kỷ qua, đóng góp quan trọng vào quản lý môi trường toàn cầu Việc ứng dụng các công nghệ này trong giám sát hiện tượng tự nhiên như sạt lở bờ sông, ngập lụt và cháy rừng đã được chú trọng Đặc biệt, nghiên cứu về sự thay đổi nhiệt độ bề mặt trái đất đang thu hút sự quan tâm lớn, nhất là trong bối cảnh biến đổi khí hậu ảnh hưởng đến sự nóng lên toàn cầu.
Trong luận văn Thạc sĩ của D J Twigt tại Đại học Kỹ thuật Delft (2006) mang tên “Mô hình nhiệt độ 3D cho Biển Đông sử dụng dữ liệu viễn thám”, tác giả nghiên cứu hai vấn đề chính là nhiệt độ và độ mặn bề mặt biển theo cách thức ba chiều trên quy mô lớn Luận văn cũng phát triển mô hình để thể hiện sự diễn biến của các quá trình này, trong đó mô hình Delft3D được áp dụng để tính toán nhiệt độ và độ mặn bề mặt biển, sử dụng dữ liệu đo đạc và xử lý ảnh viễn thám.
Nghiên cứu "Phân tích quan sát nhiệt độ Alberta và ước tính bởi các mô hình khí hậu toàn cầu" (2000) của Phân viện Khoa học và Công nghệ - Phòng Khoa học Môi trường Alberta đã khảo sát sự biến đổi nhiệt độ đô thị ở tỉnh Alberta theo không gian và thời gian Nghiên cứu này so sánh dữ liệu đo đạc với kết quả từ các mô hình khí hậu toàn cầu, tập trung vào xu hướng thay đổi nhiệt độ trong khu vực.
- “Database System for Archiving and Managing Remote Sensing Images”
Nghiên cứu năm 2009 của nhóm tác giả Jianting Shi, Yinan Chen và Chunyuan Liu tập trung vào việc xây dựng và quản lý cơ sở dữ liệu ảnh viễn thám Hệ thống áp dụng Oracle để lưu trữ dữ liệu GIS và ảnh viễn thám, sử dụng ArcGIS Server để phát triển các dịch vụ Web, và ArcSDE để quản lý dữ liệu không gian hiệu quả.
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về nhiệt độ bề mặt nước biển và bề mặt đô thị, nhưng rất ít nghiên cứu kết hợp giữa việc tính toán nhiệt độ và xây dựng cơ sở dữ liệu để phục vụ cho phân tích, đánh giá và giám sát các vấn đề môi trường.
Việt Nam Ở Việt Nam hiện có một vài nhóm ngiên cứu về vấn đề nhiệt độ đô thị như:
Nghiên cứu “Ứng dụng ảnh Modis theo dõi sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đất và tình hình khô hạn vùng đồng bằng sông Cửu Long” của nhóm tác giả Huỳnh Thị Thu Hương, Trương Chí Quang và Trần Thanh Dân từ trường Đại học Cần Thơ (2012) đã sử dụng ảnh vệ tinh MOD11A2 với độ phân giải 1km và chu kỳ 8 ngày từ năm 2000 đến 2010 Nghiên cứu này nhằm tính toán và đánh giá nhiệt độ bề mặt đất cũng như chỉ số khô hạn vùng đồng bằng sông Cửu Long, kết hợp với phỏng vấn hộ nông dân trong khu vực Kết quả đã xây dựng quy trình hoàn chỉnh để tính toán nhiệt độ bề mặt đất và chỉ số khô hạn thực vật TVDI cho vùng ĐBSCL từ ảnh MODIS.
Luận án tiến sĩ của Trần Thị Vân tại Viện Môi trường và Tài nguyên – ĐHQG TPHCM (2011) nghiên cứu biến đổi nhiệt độ đô thị do tác động của đô thị hóa thông qua phương pháp viễn thám và GIS, tập trung vào khu vực TPHCM Nghiên cứu này phân tích mối tương quan giữa sự thay đổi nhiệt độ bề mặt và quá trình đô thị hóa, sử dụng hai loại ảnh viễn thám: Aster và Landsat, với dữ liệu từ các năm 1989 và 1998.
2002, 2006 Đối với 19 quận trong nội thành, tác giả sử dụng thêm ảnh của 6 năm:
1993, 1994, 1999, 2001, 2003, 2004 Tất cả ảnh viễn thám đều chụp trong mùa khô để nghiên cứu về sự thay đổi nhiệt độ đô thị TPHCM
Luận án nghiên cứu việc xử lý ảnh viễn thám nhằm xác định nhiệt độ trung bình (TB) tại các khu vực như khu công nghiệp, đô thị hóa, nội thành, vùng nông thôn, đất nông nghiệp, rừng và mặt nước qua các năm Bài viết cũng so sánh sự khác biệt về nhiệt độ giữa các khu vực này và phân tích các yếu tố ảnh hưởng như lớp phủ thực vật và bề mặt không thoát nước.
Đánh giá kết quả các công trình nghiên cứu đã công bố - Những tồn tại cần giải quyết
Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất, mặt biển và các chỉ số khô hạn trên thế giới và Việt Nam chủ yếu dựa vào xử lý ảnh viễn thám để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ Tác giả xác định nhiệt độ trung bình tại từng khu vực và so sánh theo thời kỳ, nhưng do phương pháp thủ công và yêu cầu chuyên gia xử lý, thông tin nhiệt độ chi tiết tại các khu vực quan tâm vẫn còn hạn chế Việc thiếu dữ liệu chi tiết về nhiệt độ theo thời gian và không gian gây khó khăn cho phân tích thông tin sau này Mặc dù có nhiều nghiên cứu về mô hình hóa để dự báo nhiệt độ đô thị, nhưng hiện tại vẫn thiếu nghiên cứu tích hợp giữa xử lý ảnh viễn thám, mô hình hóa và phần mềm quản lý dữ liệu, điều này ảnh hưởng đến khả năng cung cấp thông tin trực quan cho người dùng và hỗ trợ nhà quản lý trong giám sát môi trường.
Lý do thực hiện đề tài
Thành phố Hồ Chí Minh (HCM) là trung tâm kinh tế lớn của miền Nam Việt Nam, với sự phát triển nhanh chóng và gia tăng dân số Sự mở rộng ra các khu vực ngoại vi đã dẫn đến mật độ đô thị cao hơn và sự gia tăng các bề mặt không thấm (MKT) Điều này đã làm thay đổi các đặc tính nhiệt của đất và quỹ năng lượng bề mặt, cũng như ảnh hưởng đến các tính chất tuần hoàn của khí quyển, tạo ra lượng nhiệt thải lớn từ các hoạt động nhân sinh, dẫn đến những thay đổi trong hệ thống môi trường đô thị.
Quá trình đô thị hóa tại thành phố Hồ Chí Minh trong những năm gần đây đã tác động mạnh mẽ đến biến động lớp phủ đất và sự thay đổi nhiệt độ bề mặt, đặc biệt ở các khu vực trung tâm Những ảnh hưởng này tạo ra hiệu ứng "Đảo nhiệt đô thị", dẫn đến sự gia tăng nhu cầu năng lượng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và làm thay đổi các điều kiện môi trường.
Sự nóng lên toàn cầu và xu hướng tăng nhiệt độ, cùng với quá trình đô thị hóa và bê tông hóa, đang khiến nhiệt độ tại TP.HCM tăng nhanh chóng, ảnh hưởng đến sinh hoạt và sức khỏe của người dân Trong 50 năm qua, nhiệt độ trung bình của thành phố đã có xu hướng tăng, bao gồm cả mức nhiệt độ thấp nhất, trong khi tình hình mưa và áp thấp nhiệt đới trở nên phức tạp hơn.
Biến đổi khí hậu sẽ gây ra nhiều tác động tiêu cực cho Thành phố Hồ Chí Minh trong tương lai, với lượng mưa giảm trong mùa khô và tăng trong mùa mưa Nhiệt độ trung bình dự báo sẽ tăng 1 độ C vào năm 2050 và 2,6 độ C vào năm 2100, trong khi mực nước biển có khả năng tăng 30cm đến năm 2050 và 65-100cm vào năm 2100 Những thay đổi này sẽ dẫn đến nhiệt độ cao hơn, suy giảm chất lượng không khí và nguồn nước, cũng như gia tăng nguy cơ ngập lụt và nhiễm mặn Tình trạng gia tăng lượng mưa trong mùa mưa sẽ làm tăng nguy cơ ngập úng và các sự cố vỡ đê bao Để ứng phó hiệu quả với biến đổi khí hậu, cần có sự phối hợp giữa các ban ngành và sự tham gia của toàn xã hội, từ ứng dụng khoa học kỹ thuật đến ý thức bảo vệ môi trường của người dân.
Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ GIS-Viễn thám nhằm mô hình hóa và phát triển ứng dụng quản lý dữ liệu, phân tích thông tin dự báo nhiệt độ đô thị Đặc biệt, nghiên cứu sẽ được thực hiện tại TPHCM để hỗ trợ các nhà quản lý trong việc giám sát môi trường và cung cấp thông tin trực quan về sự thay đổi nhiệt độ cho người dân, từ đó giúp họ có biện pháp thích ứng và đảm bảo sức khỏe.
Công nghệ GIS và viễn thám đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá và phân tích các hiện tượng tự nhiên trên bề mặt trái đất, đặc biệt là trong việc xác định nhiệt độ bề mặt Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng ảnh hưởng mạnh mẽ đến TPHCM, việc sử dụng ảnh viễn thám để đánh giá nhiệt độ đô thị trở nên cần thiết Giải đoán ảnh vệ tinh sẽ hỗ trợ hiệu quả trong việc giám sát những thay đổi về thời tiết, đặc biệt là nhiệt độ đô thị, cùng với các yếu tố tác động đến nhiệt độ.
Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu chính của nghiên cứu là khám phá các công nghệ GIS, viễn thám và mô hình hóa, cùng với phương pháp phát triển hệ thống thông tin tích hợp nhằm phân tích vấn đề nhiệt độ đô thị tại Thành phố Hồ Chí Minh.
1.2.2 Mục tiêu cụ thể (Đề tài dự kiến sẽ giải-quyết-được-vấn-đề-cụ-thể nào?) Để đạt được mục tiêu chính, đề tài sẽ nghiên cứu công nghệ GIS-Viễn thám để giải đoán nhiệt độ đô thị và lớp phủ thực vật tại TPHCM Ngoài ra, đề tài cũng sẽ xác định những yếu tố khác ảnh hưởng đến sự thay đổi nhiệt độ đô thị như bề mặt không thấm, kênh rạch,… để làm tiền đề cho những nghiên cứu tiếp theo tiếp tục phát triển Bên cạnh đó, đề tài nghiên cứu ứng dụng Mô hình hóa để dự báo nhiệt độ đô thị Đề tài sẽ xây dựng các quy trình xử lý ảnh viễn thám và mô hình hóa phục vụ nhà nghiên cứu và người sử dụng hệ thống Từ đó, xây dựng hệ thống tích hợp các công nghệ trên để quản lý dữ liệu, phân tích thông tin về sự gia tăng nhiệt độ tại TPHCM
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nội dung 1: Khảo sát và thu thập dữ liệu ảnh viễn thám
Nhiệt độ bề mặt đô thị chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như bức xạ nhiệt, sự suy giảm lớp phủ thực vật và việc thay thế bề mặt đất bằng các vật liệu không thấm nước, dẫn đến việc giảm lượng nước bay hơi vào khí quyển so với bề mặt tự nhiên Các vật liệu này thu nhận bức xạ Mặt Trời, gây ra sự chuyển tải năng lượng theo nhiều hướng: lên trên qua phản xạ và đối lưu, xuống dưới qua truyền dẫn, và ngang qua bình lưu và truyền dẫn Hiệu ứng này bắt nguồn từ gần bề mặt Trái Đất và lan truyền lên không gian khí quyển, làm cho nhiệt độ bề mặt (NĐBM) trở thành tham số quan trọng trong việc đánh giá sự trao đổi năng lượng giữa bề mặt đất và khí quyển.
Dữ liệu viễn thám cung cấp thông tin về bề mặt trái đất, bao gồm cả những khu vực khó tiếp cận Qua việc thu thập ảnh viễn thám trong nhiều năm, nghiên cứu sẽ phân tích mối liên hệ giữa sự thay đổi nhiệt độ và quá trình đô thị hóa tại thành phố Hồ Chí Minh.
- Thu thập, khảo sát thông tin các ảnh viễn thám trong nhiều năm để đánh giá nhiệt độ đô thị, lớp phủ thực vật tại TPHCM
- Tiển xử lý ảnh viễn thám cho phù hợp mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
2.1.3 Các chỉ tiêu theo dõi
- Nhiệt độ bề mặt: thể hiện nhiệt độ bề mặt đô thị tại TPHCM
- Chỉ số thực vật NDVI: thể hiện độ phủ thực vật tại TPHCM
Sản phẩm là bộ dữ liệu ảnh viễn thám trong nhiều năm đủ để đánh giá sự thay đổi nhiệt độ bề mặt tại TPHCM
2.1.5.1 CHUYÊN ĐỀ 1: TỔNG QUAN VỀ THU THẬP DỮ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM
Tổng quan về Viễn thám
Viễn thám là một lĩnh vực khoa học chuyên thu thập thông tin về hình dáng, kích thước và tính chất của các đối tượng từ xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp.
Các thiết bị viễn thám chủ yếu là vệ tinh nhân tạo được phóng lên không gian, với nhiều loại vệ tinh nổi bật như Landsat của Mỹ, SPOT của Pháp, IKONOS và VNREDSAT-1 của Việt Nam Những vệ tinh này được trang bị các thiết bị như tấm pin năng lượng Mặt Trời, bộ phát sóng điện từ cho viễn thám chủ động, cảm biến và máy quét camera, giúp thực hiện nhiệm vụ thu thập dữ liệu viễn thám hiệu quả.
Thực chất của quá trình viễn thám là quá trình thu nhận sóng điện từ
Năng lượng sóng điện từ khi truyền qua khí quyển sẽ bị hấp thụ bởi các phân tử khí theo nhiều hình thức khác nhau, tùy thuộc vào bước sóng cụ thể Trong lĩnh vực viễn thám, khả năng truyền sóng điện từ trong khí quyển được đặc biệt quan tâm, vì tương tác giữa sóng điện từ và khí quyển ảnh hưởng mạnh mẽ đến thông tin mà cảm biến thu nhận Khí quyển có đặc điểm quan trọng là tương tác khác nhau với bức xạ điện từ ở các bước sóng khác nhau.
Các loại khí như oxy, nitơ, cacbonic, ozôn và hơi nước, cùng với các phân tử lơ lửng trong khí quyển, đóng vai trò quan trọng trong việc suy giảm năng lượng sóng điện từ khi chúng lan truyền.
Sản phẩm viễn thám chủ yếu bao gồm các bức ảnh chụp từ vệ tinh, trong đó ảnh Landsat và ảnh MODIS được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu, từ đánh giá hiện trạng đến giám sát biến động môi trường.
Landsat 5 là vệ tinh nhân tạo đưa ra bởi NASA từ Căn cứ không quânVandenberg phóng vào ngày 01 tháng 3 năm 1984 để thu thập hình ảnh của bề mặt của Trái đất Landsat 5 được quản lý bởi Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS)
Dữ liệu từ vệ tinh Landsat 5 đã được thu thập và phân phối bởi Trung tâm Tài Quan sát Trái đất và Khoa học (EROS) của USGS, góp phần quan trọng vào nghiên cứu của NASA trong lĩnh vực hàng không và không gian quốc gia.
Vệ tinh Landsat 5 được trang bị thiết bị thu nhận TM, cung cấp ảnh Landsat TM với 6 kênh phổ trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại Độ phân giải không gian của ảnh là 30m x 30m, trong khi kênh 6 có giải phổ hồng ngoại nhiệt với độ phân giải 120m x 120m, cho phép đo nhiệt độ bề mặt hiệu quả.
Bảng 2.1: Đặc điểm ảnh vệ tinh Landsat 5
(μm) Loại Độ phân giải không gian (m)
Landsat 7, được phóng vào ngày 15 tháng 4 năm 1999, là vệ tinh thứ bảy trong chương trình Quan sát Trái Đất của Mỹ Mục tiêu chính của Landsat 7 là cung cấp hình ảnh vệ tinh mới nhất và có khả năng chụp ảnh không mây Chương trình này được quản lý và vận hành bởi USGS, nơi dữ liệu từ Landsat 7 được thu thập và phân phối Dự án NASA World Wind cho phép tạo ra các hình ảnh 3D từ Landsat 7 và các nguồn tài nguyên khác, giúp người dùng có thể định hướng tự do và quan sát từ nhiều góc độ khác nhau.
Vệ tinh landsat 7 có thiết bị thu nhận ETM+ Bao gồm 7 kênh mang số thứ tự từ
Các kênh 1, 2 và 3 của hệ thống cảm biến thuộc vùng bức xạ nhìn thấy, trong khi kênh 4, 5 và 7 nằm trong vùng hồng ngoại với độ phân giải 30 mét Kênh toàn sắc (Panchromatic hay PAN) cung cấp hình ảnh chi tiết, hỗ trợ phân tích và giám sát hiệu quả.
24 kênh 6 thuộc vùng hồng ngoại nhiệt có độ phân giải 60m, và kênh Pan có độ phân giải 15m
Bảng 2.2: Đặc điểm ảnh vệ tinh Landsat 7
(μm) Loại Độ phân giải không gian (m)
Vệ tinh Landsat 8, được phóng vào ngày 11/02/2013, là một phần của dự án hợp tác giữa NASA và Cơ quan Đo đạc Địa chất Mỹ, ban đầu mang tên Landsat Data Continuity Mission (LDCM) Landsat 8 cung cấp hình ảnh có độ phân giải trung bình từ 15 đến 100 mét, bao phủ các vùng cực và nhiều địa hình khác nhau trên trái đất Nhiệm vụ của vệ tinh này là cung cấp thông tin quan trọng cho nhiều lĩnh vực như quản lý năng lượng và nước, theo dõi rừng, giám sát tài nguyên môi trường, quy hoạch đô thị, khắc phục thảm họa và nông nghiệp.
Landsat 8 (LDCM) mang theo 2 bộ cảm: bộ thu nhận ảnh mặt đất (OLI - Operational Land Imager) và bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt (TIRS - Thermal Infrared Sensor) Những bộ cảm này được thiết kế để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với các bộ cảm Landsat thế hệ trước Landsat 8 thu nhận ảnh với tổng số 11 kênh phổ, bao gồm 9 kênh sóng ngắn và 2 kênh nhiệt sóng dài xem chi tiết ở Bảng
Hai bộ cảm biến này cung cấp thông tin chi tiết về bề mặt Trái Đất theo mùa với độ phân giải không gian 30 mét, bao gồm các kênh nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại sóng ngắn.
100 mét ở kênh nhiệt và 15 mét đối với kênh toàn sắc
Bảng 2.3: Đặc điểm ảnh vệ tinh Landsat 8
(μm) Loại Độ phân giải không gian (m)
NỘI DUNG 2: XÂY DỰNG QUY TRÌNH GIẢI ĐOÁN ẢNH VIỄN THÁM NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐÔ THỊ VÀ ÁP DỤNG TẠI TPHCM
THÁM NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐÔ THỊ VÀ ÁP DỤNG TẠI TPHCM
Thành phố Hồ Chí Minh là một trong những đô thị phát triển và mở rộng nhanh
Sự gia tăng dân số và phát triển kinh tế – xã hội đã dẫn đến sự gia tăng giao thông và mở rộng diện tích nhà ở ra ngoại thành, gây biến đổi khí hậu và hình thành "đảo nhiệt" tại TP.HCM Nhiệt độ bề mặt đô thị tăng cao hơn so với vùng lân cận, tạo ra những vấn đề môi trường nghiêm trọng cho cư dân Viễn thám hồng ngoại nhiệt là công cụ hữu ích để đo lường bức xạ bề mặt trái đất, cho phép khôi phục giá trị nhiệt độ bề mặt theo từng pixel Nghiên cứu trình bày kết quả xác định nhiệt độ bề mặt cho đô thị TP.HCM qua hai phương pháp khác nhau, sử dụng dữ liệu từ ảnh vệ tinh Landsat và MODIS với độ phân giải không gian trung bình, nhằm đánh giá các quá trình nhiệt trong khu đô thị Nghiên cứu cũng tạo mối liên hệ giữa nhiệt độ bề mặt và chỉ số thực vật (NDVI), xây dựng tương quan giữa nhiệt độ bề mặt và quá trình đô thị hóa tại thành phố.
Quy trình giải đoán ảnh viễn thám nhiệt độ bề mặt đô thị sẽ được phát triển và phân tích, với ứng dụng nghiên cứu cụ thể cho khu vực TPHCM.
- Tổng quan tài liệu về các phương pháp giải đoán ảnh viễn thám đánh giá nhiệt độ độ thị, lớp phủ thực vật
- Xây dựng quy trình xử lý ảnh viễn thám phục vụ nhà nghiên cứu đối với vấn đề nhiệt độ độ thị, lớp phủ thực vật
- Ứng dụng quy trình cho khu vực cụ thể
2.2.3 Các chỉ tiêu theo dõi
- Nhiệt độ bề mặt toàn TPHCM
- Độ phủ thực vật toàn TPHCM
- Quy trình giải đoán ảnh viễn thám nhiệt độ bề mặt đô thị
- Kết quả giải đoán nhiệt độ bề mặt tại TPHCM
2.2.5.1 CHUYÊN ĐỀ 1: XÂY DỰNG QUY TRÌNH GIẢI ĐOÁN ẢNH VIỄN THÁM VÀ ÁP DỤNG ĐÁNH GIÁ NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT TPHCM
Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt
Landsat 5 TM Và Landsat 7 ETM+ a Sơ Đồ Tính Nhiệt Độ Bề Mặt
41 b Phân Tích Sơ Đồ Tính Nhiệt Độ Bề Mặt
Chuyển đổi giá trị số (DN) sang giá trị bức xạ phổ (Lλ)
Dữ liệu Landsat 5 TM & Landsat 7 ETM+ được thu nhận dưới dạng ảnh xám độ
8 bit đề cập đến giá trị pixel được lưu trữ dưới định dạng số (DN - Digital Number) Để phân tích dữ liệu ảnh số, cần chuyển đổi giá trị số này sang giá trị bức xạ phổ (Lλ), phản ánh năng lượng phát ra từ mỗi vật thể trên kênh nhiệt Quá trình chuyển đổi này được thực hiện theo một biểu thức cụ thể.
QCAL : giá trị bức xạ đã được hiệu chỉnh và tính định lượng ở dạng số nguyên QCALMIN, QCALMAX: giá trị pixel
LMINvà LMAX: là các giá trị bức xạ phổ ở dạng số nguyên Đơn vị của Lλ là W/(m 2 sr.àm)
Thông tin các thông số được lưu trữ trong file ảnh tải về
Bảng 2.7: Giá trị LMAX, LMIN
Vệ tinh Kênh LMAX LMIN
Bảng 2.8: Giá trị QCALMIN, QCALMAX
Vệ tinh Kênh QCALMAX QCALMIN
Việc chuyển đổi giá trị bức xạ phổ từ ảnh vệ tinh sang nhiệt độ hiệu quả giúp tạo ra những thông tin vật lý hữu ích hơn Nhiệt độ hiệu quả trên vệ tinh, hay còn gọi là nhiệt độ của vật thể đen, được xác định từ hệ thống quan sát từ trái đất và khí quyển.
Sau khi chuyển đổi sang giá trị bức xạ Lλ, cần áp dụng thuật toán để tính toán giá trị nhiệt bề mặt tương ứng, được đo bằng đơn vị Kelvin.
Có nhiều thuật toán để tính giá trị nhiệt bề mặt, trong đó bao gồm thuật toán kênh tham chiếu (REF) và thuật toán phân loại độ phát xạ Tuy nhiên, chúng tôi chọn thuật toán chuẩn hóa giá trị phát xạ (NOR) do tính đơn giản và độ chính xác cao hơn so với các phương pháp khác Thuật toán NOR dựa trên công thức Planck để chuyển đổi giá trị bức xạ sang giá trị nhiệt độ.
T = nhiệt độ hiệu quả trên vệ tinh (K)
K1& K2: hệ số hiệu chỉnh (W/m 2 sr.àm)
LANDSAT 7 6.1 666.09 1282.71 Độ phát xạ Độ phát xạ (ε) là tỷ số giữa năng lượng phát xạ từ bề mặt tự nhiên trên năng lượng phát xạ từ vật thể đen ở cùng bước sóng và nhiệt độ Độ phát xạ bề mặt là biến ít thay đổi theo thời gian và không gian so với nhiệt độ bề mặt, vì vậy ta thường xác định độ phát xạ bề mặt trước khi tính toán nhiệt độ bề mặt
Có nhiều phương pháp tính độ phát xạ bề mặt từ dữ liệu cảm biến vệ tinh hiện có Một số phương pháp giả định độ phát xạ hoặc nhiệt độ là hằng số, như phương pháp chuẩn hóa độ phát xạ NEM và NOR, trong khi biến không biết sẽ được tính toán sau Ngoài ra, một số phương pháp khác bỏ qua khái niệm phản xạ bề mặt hoặc yêu cầu thông tin bề mặt trước, ví dụ như phương pháp NDVI.
Các pixel bề mặt đất thường chứa hỗn hợp thực vật và đất, tùy thuộc vào độ phân giải của ảnh vệ tinh Độ phát xạ hiệu quả của pixel có thể được ước tính bằng cách cộng các đóng góp từ độ phát xạ thực vật và độ phát xạ đất Van de Griend và Owe (1993) đã thực hiện thí nghiệm đo độ phát xạ và phản xạ trong dải khả kiến và cận hồng ngoại để tính toán NDVI, từ đó xác định mối quan hệ thực nghiệm giữa độ phát xạ và NDVI.
Chỉ số NDVI được tính bằng công thức NDVI = (band 4 - band 3) / (band 4 + band 3) với các hệ số a = 1.0094 và b = 0.047 Mối quan hệ này chỉ áp dụng cho các khu vực có đặc tính đồng nhất Valor và Caselles (1996) đã phát triển một mô hình tương tự dựa trên NDVI, có khả năng áp dụng cho các khu vực không đồng nhất với đa dạng kiểu đất, thực vật và thực phủ Theo mô hình này, độ phát xạ hiệu quả của bề mặt không đồng nhất được xác định là tổng độ phát xạ của các thành phần đơn giản của nó.
Mô hình NDVI được sử dụng để tính giá trị phát xạ, nhưng chỉ khả thi khi giá trị phát xạ có NDVI bằng với NDVIs (giá trị phát xạ của đất trống) Do đó, mô hình NDVI đã được đơn giản hóa thành SNDVI để cải thiện tính ứng dụng.
Công thức 𝜀 = 𝜀 𝑉 𝑃 𝑉 + 𝜀 𝑆 (1 − 𝑃 𝑉) mô tả mối quan hệ giữa tỷ lệ thực vật trong pixel (Pv) và các thành phần khác Tỷ lệ Pv có thể được tính toán dựa trên chỉ số NDVI, tương ứng với các ngưỡng giá trị NDVI của đất trống và đất phủ thực vật NDVI được xác định thông qua tỷ số phản xạ giữa các kênh đỏ trong dải khả kiến và cận hồng ngoại.
NIR)/(red+NIR)) Pv được xác định theo công thức tỷ số như sau:
Việc xác định độ phát xạ theo phương pháp NDVI đòi hỏi phải biết trước độ phát xạ của đất và thực vật, tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trước đây thường dựa vào số liệu từ các văn liệu sẵn có, dẫn đến sai số do đặc trưng vật lý khác nhau giữa các khu vực Do khó khăn trong việc lấy mẫu riêng cho thực vật và đất trống tại TP.HCM, báo cáo này sẽ thử nghiệm nhiều vùng mẫu lớn hơn 1 pixel để xác định độ phát xạ của đất và thực vật cũng như phần trăm lớp phủ thực vật Pv.
Khi đã biết độ phát xạ bề mặt đất Ta tiến hành hiệu chỉnh phát xạ cho nhiệt độ nhiệt độ sáng theo định luật Stefan Boltzmann
Chuyển giá trị nhiệt bề mặt từ đơn vị Kelvin về đơn vị Celcius ( o C)
Thực hiện chuyển giá trị nhiệt bề mặt từ đơn vị Kelvin về đơn vị Celcius ( o C) theo công thức:
Landsat 8 a Sơ Đồ Tính Nhiệt Độ Bề Mặt b Phân Tích Sơ Đồ Tính Nhiệt Độ Bề Mặt
Chuyển đổi giá trị số (DN) sang giá trị bức xạ phổ (Lλ)
Dữ liệu Landsat 8 được thu nhận dưới dạng ảnh xám độ 16 bit nghĩa là giá trị pixel được lưu trữ ở định dạng số (DN - DigitalNumber)
Ta thực hiện chuyển đổi giá trị số sang giá trị bức xạ phổ trên cả hai kênh 10 và kênh 11
Việc chuyển đổi này thực hiê ̣n theo biểu thức sau:
Bảng 2.10: Giá trị LMAX, LMIN
Vệ tinh Kênh LMAX LMIN
Bảng 2.11: Giá trị QCALMIN, QCALMAX
Vệ tinh Kênh LMAX LMIN
Chuyển đổi giá trị bức xạ phổ sang nhiệt độ
Phương trình chuyển đổi giá trị bức xạ sang giá trị nhiệt độ của Planck (Công thức Planck):
T = nhiệt độ hiệu quả trên vệ tinh (K)
K1& K2: hệ số hiệu chỉnh (W/m 2 sr.àm)
Cơ bản tính giống như Landsat 5 và 7 nhưng tính trên các kênh ảnh khác nhau
𝑁𝐷𝑉𝐼 nd 5 − band 4 band 5 + band 4 Phạm vi giá trị NDVI: -1 < NDVI
