NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỔI NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA BẰNG PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM VÀ GIS, TRƯỜNG HỢP KHU VỰC TP HCM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN ---o0o--- TRẦN THỊ VÂN NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỔI NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA BẰNG PHƯƠNG PHÁP

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

-o0o -

TRẦN THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỔI NHIỆT ĐỘ

ĐÔ THỊ DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA BẰNG PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM VÀ GIS, TRƯỜNG HỢP KHU VỰC TPHCM

CHUYÊN NGÀNH: SỬ DỤNG VÀ BẢO VỆ TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG

MÃ SỐ: 62.85.15.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Tp Hồ Chí Minh – Năm 2011

Công trình được hoàn thành tại:

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS HOÀNG THÁI LAN

2 PGS TS LÊ VĂN TRUNG

Có thể tìm hiểu luận án tại :

- Thư viện Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh

- Thư viện Khoa học tổng hợp Tp Hồ Chí Minh

ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA LUẬN ÁN N

1 Tính cần thiết của luận án

Dân số thế giới hiện nay ngày càng tăng nhanh khiến bề mặt Trái Đất thay đổi

ở mức độ nhanh chóng Một trong các bề mặt bị thay đổi nhiều nhất trên hành tinh là những nơi mà con người tập hợp lại và xây dựng các thành phố cho họ Đô thị hóa (ĐTH) đã dẫn đến sự mở rộng không gian đô thị theo nhu cầu phát triển về nhà ở cũng như các khu vực phục vụ cuộc sống Đô thị phát triển dẫn theo sự xuất hiện ngày càng nhiều các bề mặt không thấm (MKT), đồng thời làm thay đổi các đặc tính nhiệt của đất, quỹ năng lượng ở bề mặt Trái Đất, thay đổi các tính chất tuần hoàn của khí quyển xung quanh, tạo ra một lượng lớn nhiệt thải từ các hoạt động nhân sinh và dẫn đến một loạt các thay đổi trong hệ thống môi trường đô thị Các tác động của ĐTH lên môi trường nhiệt là tạo ra hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (UHI) Hiệu ứng này hầu hết bắt nguồn gần bề mặt Trái Đất và sẽ lan truyền lên trên vào trong khí quyển Vì vậy, nhiệt độ bề mặt (NĐBM) là tham số quan trọng trong việc đặc trưng hóa sự trao đổi năng lượng giữa bề mặt đất và khí quyển Đồng thời, NĐBM đất là một biến quan trọng được sử dụng cho nhiều ứng dụng như khí hậu, thủy văn, nông nghiệp, sinh địa hóa và các nghiên cứu biến động

Cho đến nay, các nghiên cứu ở Việt Nam mới chỉ dựa vào những dữ liệu quan trắc thời tiết tại các trạm khí tượng riêng biệt, trung bình mỗi tỉnh thành chỉ có từ 1 đến vài ba trạm, từ đó nội suy từ các vùng lân cận Số liệu đo từ nguồn này có thuận lợi là độ phân giải thời gian cao và dữ liệu được ghi chép trong thời gian dài, nhưng

độ phân giải không gian thì thô do số điểm đo ít và thưa thớt, không thể cung cấp khả năng dữ liệu chi tiết để có thể nhận dạng các khu vực tăng cường nhiệt bề mặt giữa các trạm quan sát trong một khu vực đô thị Vì vậy, chúng không đảm bảo tính chính xác cho toàn vùng Trong khi đó, mặc dù độ phân giải thời gian thấp và ghi chép lịch sử ngắn hơn, dữ liệu viễn thám có khả năng cung cấp các phương tiện để thu được các quan sát đồng nhất và thường xuyên về phản xạ và phát xạ của bức xạ

từ mặt đất ở tỷ lệ từ vĩ mô đến vi mô với độ phân giải không gian từ thấp đến cao Ngoài ra, viễn thám nhiệt có khả năng thực hiện phân tích chi tiết sự thay đổi NĐBM cho một vùng mà không bị hạn chế bởi số điểm đo như trạm khí tượng Phương pháp năng lượng dựa trên viễn thám sẽ là lý tưởng khi kết hợp với số liệu quan trắc thời tiết tại các trạm khí tượng để thiết lập mối liên kết giữa NĐBM và sự thay đổi hiện trạng bề mặt đất Bên cạnh đó sự hình thành đảo nhiệt trên các bề mặt

đô thị (SUHI) cũng sẽ được phát hiện và có khả năng định lượng tốt hơn

Các ảnh viễn thám sử dụng trong khí tượng và khí hậu hầu hết có kênh nhiệt với độ phân giải thấp khoảng 1km, được sử dụng cho các nghiên cứu ở mức vĩ mô: một quốc gia hay toàn cầu Các dòng ảnh viễn thám của vệ tinh tài nguyên có kênh nhiệt với độ phân giải cao hơn sẽ cho khả năng quan sát giá trị nhiệt độ mặt đất theo từng pixel chi tiết hơn, phù hợp quy mô vi khí hậu Do đó, nghiên cứu khả năng kênh nhiệt của các ảnh vệ tinh tài nguyên để giám sát nhiệt độ mặt đất sẽ thích hợp cho các ứng dụng ở mức đô thị Tuy nhiên, việc áp dụng chúng vào những hoàn cảnh cụ thể rất cần thiết được nghiên cứu để tìm ra những cách tiếp cận hợp lý cũng

như đánh giá khả năng của chúng một cách đúng đắn Vì vậy, việc nghiên cứu sự thay đổi NĐBM đô thị dưới tác động của quá trình ĐTH bằng phương pháp viễn thám với sự hỗ trợ của hệ thông tin địa lý (GIS) mang tính cấp thiết cao và đề tài đã đặt ra cách tiếp cận áp dụng vào trường hợp cụ thể cho khu vực đô thị TPHCM

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu biến đổi nhiệt độ bề mặt đô thị trên cơ sở ứng dụng viễn thám và GIS, qua đó phân tích và thiết lập mối tương quan giữa sự thay đổi nhiệt độ và quá trình đô thị hóa cho khu vực TPHCM, góp phần phục vụ quy hoạch phát triển đô thị bền vững

3 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: là NĐBM đối tượng trích xuất từ ảnh vệ tinh tài

nguyên có kênh nhiệt với độ phân giải trung bình từ 60m đến 120m Vấn đề về đô thị được đề cập đến nhằm làm rõ ảnh hưởng của quá trình ĐTH đến biến đổi nhiệt

độ thể hiện qua sự hình thành các “đảo nhiệt đô thị”

- Không gian nghiên cứu: là thành phố Hồ Chí Minh và khu vực nội thành, nơi

đây có đặc điểm địa hình và cảnh quan phong phú, bên cạnh sự phát triển đô thị tăng tốc trong vài thập niên gần đây khiến cho trường nhiệt độ tại đây rất đa dạng, có sự khác biệt rõ rệt giữa khu vực nội thành và vùng ven

- Thời gian nghiên cứu: chỉ giới hạn trong giai đoạn 1989-2006 do yêu cầu tính

đầy đủ của dữ liệu để minh chứng cho các giải pháp đề xuất Ngoài ra, mối quan hệ

giữa biến động nhiệt độ và quá trình ĐTH chỉ được xem xét ở góc độ của các yếu tố

tác động về mặt tự nhiên có khả năng trích xuất trực tiếp từ tư liệu viễn thám

4 Luận điểm bảo vệ

- Giá trị bức xạ từ ảnh vệ tinh được cảm nhận bởi bộ cảm biến nhiệt, bằng phương pháp

xử lý ảnh số viễn thám, cho phép xác định nhiệt độ bề mặt đối tượng trên mặt đất có hiệu chỉnh độ phát xạ đối tượng với các thuật toán phù hợp nhằm chính xác hóa kết quả tính toán

- Việc phân tích quan hệ giữa quá trình đô thị hóa và biến động nhiệt độ ở TPHCM trên

cơ sở các biến bề mặt được trích xuất trực tiếp từ ảnh vệ tinh, vừa bảo đảm tính khách quan vừa cho phép đưa ra thông tin định lượng phục vụ quy hoạch và quản lý đô thị theo mục tiêu phát triển bền vững

Luận án đã góp phần xây dựng cơ sở khoa học trong ứng dụng công nghệ viễn thám

và GIS trong giám sát biến động nhiệt độ; tạo hướng tiếp cận mới vào điều kiện cụ thể của

đô thị Việt Nam Kết quả đạt được cho phép thu nhận thông tin xử lý, đánh giá một số yếu tố khí tượng của khu vực từ ảnh vệ tinh được chi tiết hơn và toàn cảnh hơn, cụ thể:

- Đề xuất đối tượng vật lý “Mặt không thấm” để phân tích, đánh giá và làm rõ đặc điểm địa mạo của môi trường đô thị ở TPHCM, làm cơ sở nhận dạng trong xử lý ảnh số về đối tượng đô thị Đây cũng là đặc tính liên quan đến các quá trình khí hậu thủy văn, rất hữu ích trong nghiên cứu tác động đến môi trường

- Đề xuất quy trình xác định ĐPX bề mặt của đối tượng mặt đất và thành lập ảnh phân bố ĐPX bề mặt chi tiết để hiệu chỉnh cho giá trị NĐBM từ ảnh vệ tinh theo công nghệ xử lý ảnh số

- Luận án cũng đã thành công trong việc xây dựng quy trình xác định NĐBM đất cho các loại dữ liệu viễn thám thụ động, không phụ thuộc vào số lượng kênh phổ hồng ngoại nhiệt (do đặc điểm thiết kế của từng loại bộ cảm biến) và tăng cường

độ phân giải ảnh kết quả, thích hợp ứng dụng cho nghiên cứu ở mức độ đô thị

- Hiệu ứng “Đảo nhiệt đô thị” ở TPHCM lần đầu tiên đã được nghiên cứu chi tiết, định lượng, qua đó cũng đã xác định được phân bố không gian cũng như hình thái mặt cắt đứng của đảo nhiệt đô thị ở TPHCM

- Kết quả quan trọng và nổi bật nhất của luận án là đã xây dựng được mối tương quan giữa các yếu tố bề mặt chỉ thị quá trình ĐTH và sự biến đổi nhiệt độ nhằm

để hiểu rõ hơn các nguyên nhân gây nên sự gia tăng nhiệt độ đô thị, góp phần hỗ trợ cho công tác quản lý hiệu quả môi trường đô thị

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Kết quả phân tích về độ lớn và hình thái “đảo nhiệt đô thị” sẽ là định hướng cho các chiến lược quy hoạch và quản lý để làm giảm hiện tượng trên, góp phần cải thiện môi trường và cuộc sống con người ngày càng tốt hơn

- Từ các kết quả nghiên cứu của luận án, phương pháp thực hiện có tính khả thi cao

và có thể ứng dụng rộng rãi cho các khu vực đô thị tương tự trong điều kiện của Việt Nam, đồng thời có thể mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như nông nghiệp, lâm nghiệp, môi trường khi có xem xét đến điều kiện lớp phủ bề mặt và tình trạng nhiệt của đối tượng

NỘI DUNG LUẬN ÁN

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT BẰNG ẢNH VỆ

TINH

NĐBM đất bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi ĐPX bề mặt và hiệu ứng của khí quyển Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu tính tách 2 giá trị này, nhưng hầu hết

chúng đều ứng dụng cho các bộ cảm biến nhiệt có từ 2 kênh trở lên Các phương pháp ước tính NĐBM có mục đích là bù cho các hiệu ứng khí quyển và hiệu ứng góc Chúng đều yêu cầu biết trước thông tin phát xạ bề mặt và tính toán đồng thời với hiệu ứng khí quyển Điều này sẽ gặp khó khăn khi không có đầy đủ số đo về khí quyển song hành vào thời kỳ quan trắc của vệ tinh, nhất là đối với các ảnh lịch sử

Các phương pháp tính ĐPX bề mặt sử dụng dữ liệu viễn thám từ các kênh hồng ngoại trung và hồng ngoại nhiệt, thậm chí cả kênh khả kiến và hồng ngoại gần Một số phương pháp giả thiết ban đầu ĐPX là hằng số (NEM, NOR) hoặc nhiệt độ

là hằng số (phương pháp tỷ số phổ), lúc đó biến không biết được tính và biến hằng

số đã được giả thiết sẽ được tính lại tiếp sau đó Một số phương pháp bỏ qua khái niệm phản xạ bề mặt hoặc yêu cầu biết trước thông tin bề mặt TES kết hợp với nhiều phương pháp nhưng không thể được ứng dụng nếu không đủ số kênh phổ hồng ngoại nhiệt cần thiết (4-5 kênh) và chủ yếu chỉ dùng cho loại ảnh ASTER

Ở Việt Nam, trong những năm gần đây đã có một số nghiên cứu ứng dụng viễn thám hồng ngoại nhiệt trong việc ước tính giá trị nhiệt độ cho khu vực đô thị, nhưng hầu hết đều chỉ dừng ở mức tính toán nhiệt độ sáng trên vệ tinh mà chưa xem xét đến yếu tố ĐPX để chuyển về NĐBM thực; hoặc tính đến NĐBM nhưng sử dụng giá trị ĐPX là hằng số cho toàn bộ ảnh; hoặc sử dụng số liệu ĐPX kết quả và các hệ số hiệu chỉnh có sẵn từ các tác giả nước ngoài Điều này dễ dẫn đến kết quả tính chưa chính xác so với thực tế Hơn nữa, hầu hết các nghiên cứu này chưa xem xét đến kiểm chứng kết quả tính với số đo quan trắc thực tế

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐÔ THỊ HÓA

Trên thế giới, nếu như vấn đề đô thị và đô thị hóa đã được nghiên cứu từ lâu

và hiện nay vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu, thì ở Việt Nam chỉ mới bắt đầu không lâu ở những năm giữa thập niên 90 Đối với TPHCM, đã có 1 số tác giả nghiên cứu về quá trình đô thị hóa cho các quận vùng ven của thành phố trên quan điểm khoa học lịch sử của những năm 1975 đến năm 1996 Những năm sau này cũng đã có những nghiên cứu về các vấn đề kinh tế-xã hội của các quận đô thị hóa của TPHCM qua các đề tài nghiên cứu của các tác giả thuộc Viện Kinh tế Tuy nhiên, xem xét biến động về mặt không gian, đánh giá đô thị hóa vẫn chưa có nghiên cứu cụ thể nào và vẫn còn nhiều bất cập

Từ cuối những năm 1980 Sài Gòn – TPHCM mới thực sự bước vào quá trình ĐTH Xét về quan điểm ĐTH, TPHCM có thể được chia làm 3 khu vực chủ yếu: Khu vực đô thị, Khu vực ĐTH, Khu vực ngoại thành Việc xác định các quận huyện thuộc khu vực nào trong 3 khu vực trên còn tùy thuộc vào từng thời kỳ phát triển đô thị TPHCM có nhiều đợt điều chỉnh đơn vị hành chính cấp cơ sở vào năm 1979,

1989, 1997 và 2004 Việc điều chỉnh các đơn vị hành chánh và thành lập mới các quận theo từng thời kỳ là điều minh chứng cho tiến trình ĐTH đang diễn ra hàng ngày với tốc độ cao tại TPHCM Để xét mức độ ĐTH theo không gian, luận án đã chọn mốc thời gian năm 1997 để thể hiện các hình ảnh, vì trước và sau thời gian này việc hình thành các khu đô thị cũng như khu ĐTH khá rõ rệt (Bảng 1.1)

Bảng 1.1 Phân khu đô thị và ĐTH ở TPHCM Phân khu Khu vực Không gian Tên quận

Trước 1997

1 Đô thị 8 quận nội thành 1, 3, 4, 5, 6, 10, 11, Phú Nhuận

2 Khu ĐTH 4 quận ven 8, Tân Bình, Gò Vấp, Bình Thạnh

Sau 1997

1+2 Đô thị 12 quận nội thành cũ và 1 quận tách từ Tân Bình cũ 1, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 11, Phú Nhuận, Tân Bình, Gò Vấp, Bình Thạnh, Tân Phú

3 Khu ĐTH 5 quận mới và 1 quận tách

từ huyện Bình Chánh Quận 2, 7, 9, 12, Thủ Đức, Bình Tân

NGHIÊN CỨU U

2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN NGHIÊN CỨU ĐÔ THỊ

Mặt không thấm (MKT), là diện tích bề mặt cứng mà nó ngăn cản hoặc trì hoãn nước thâm nhập vào trong đất, khiến cho nước chảy tràn bề mặt với lượng rất lớn hoặc ở tỷ lệ dòng chảy tăng cao Các MKT là các mặt xây dựng nhân tạo như mái nhà, lối đi bộ, đường giao thông, bãi đỗ được phủ bởi các vật liệu không thấm như nhựa đường, bê tông, đá và các vật liệu xây dựng Quá trình ĐTH ở các thành phố thường liên quan đến các MKT, bởi vì chúng liên quan đến quá trình bê tông hóa bề mặt Các MKT này làm thay đổi tính chất khí hậu đô thị và nguồn tài nguyên nước của thành phố

2.2 CƠ SỞ KHOA HỌC LIÊN QUAN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐÔ THỊ

2.2.1 Nhiệt độ và ĐPX trong năng lượng bức xạ Trái Đất

Năng lượng mà một vật thể trên mặt đất bức xạ là hàm số của hai thông số: nhiệt độ và ĐPX Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến cường độ bức xạ phát ra từ vật đen Dải sóng 3-4 μm, đặc biệt là 8-14 μm là có giá trị đối với sự cảm nhận nhiệt của Trái Đất Hai định luật quan trọng là Stefan-Boltzman và Planck mô tả về mối quan

hệ giữa bức xạ và nhiệt độ ĐPX là đặc tính của vật chất kiểm soát dòng năng lượng bức xạ, hay còn gọi là khả năng phát xạ của vật chất ĐPX của vật đen tuyệt đối là 1, còn đối với các vật chất khác luôn luôn nhỏ hơn 1, trong phạm vi từ 0,7-0,95 Nếu vật tự nhiên và vật đen có cùng NĐBM thì vật tự nhiên phát xạ kém hơn vật đen

2.2.2 Đảo nhiệt đô thị

Đảo nhiệt đô thị (UHI) xảy ra khi vào cùng thời gian, nhiệt độ trong vòng thành phố lớn hơn là nhiệt độ của các khu vực ngoại thành xung quanh, đây là các dạng thay đổi khí hậu địa phương do tác động của con người Có nhiều yếu tố đóng góp vào việc hình thành UHI nhưng yếu tố đầu tiên là sự suy giảm lớp phủ thực vật

và thay thế bề mặt đất bằng các vật liệu không thấm khiến cho lượng nước đi vào khí quyển ít hơn là từ bề mặt tự nhiên Hiện nay nhiều ý kiến đã đồng ý rằng UHI thể hiện hình dạng đáng kể nhất của thay đổi khí hậu gây nên bởi hoạt động nhân sinh không chỉ ở cấp địa phương mà còn ở cấp vùng và toàn cầu Việc thay đổi cảnh quan do ĐTH làm thay đổi hướng tự nhiên của năng lượng vào các hệ thống khí quyển, mặt đất và thủy văn

2.3 CƠ SỞ VIỄN THÁM VÀ THÔNG TIN ĐỐI TƯỢNG

Viễn thám là khoa học nghiên cứu về các phương pháp thu thập, đo đạc và phân tích thông tin của vật thể quan sát mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ Mặt Trời Các vật thể đều có khả năng phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ bằng các cách thức khác nhau và tạo ra đặc trưng phổ Phần sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu trong viễn thám

2.3.1 Thông tin đối tượng từ dữ liệu viễn thám trong dải phổ phản xạ

Thông tin viễn thám trong dải phổ phản xạ có liên quan trực tiếp đến năng lượng phản xạ từ các đối tượng nhờ sự phân dị bức xạ của các đối tượng khác nhau trên ảnh vệ tinh Các thông tin này phản ảnh 3 nhóm đối tượng đất, nước và thực vật

ở các trạng thái khác nhau tùy thuộc vào thời điểm bay chụp Mỗi loại đối tượng có hành vi phản xạ khác nhau với sóng điện từ tại các bước sóng khác nhau

2.3.2 Bức xạ bề mặt đối tượng từ viễn thám hồng ngoại nhiệt

Vùng bước sóng điện từ 3-35μm là vùng hồng ngoại trong viễn thám mặt đất Trong vùng này, bức xạ phát ra bởi Trái Đất do tình trạng nhiệt của chúng lớn hơn nhiều so với bức xạ phản xạ bởi Mặt Trời Viễn thám của các hiệu ứng nhiệt độ trực tiếp được thực hiện bằng cách cảm nhận bức xạ phát ra từ vật thể trong vùng hồng ngoại nhiệt của quang phổ Phần lớn năng lượng bề mặt đất được các bộ cảm biến nhiệt thu nhận trong dải bước sóng 10,5-12,5µm, vì vậy hầu hết chúng đều được thiết kế để thu nhận phát xạ từ bề mặt đất trong dải này, và được dùng để ước tính NĐBM đất và các quá trình nhiệt khác

Bức xạ hồng ngoại nhiệt được phát ra từ bề mặt tương quan với nhiệt độ động năng và ĐPX bề mặt Tuy nhiên, có hai vấn đề chính cần phải giải quyết để đạt được nhiệt độ và ĐPX bề mặt từ dữ liệu hồng ngoại nhiệt Thứ nhất, bức xạ đo được ở bộ cảm biến bị ảnh hưởng bởi khí quyển từ quá trình hấp thụ và phát xạ lại do các khí, chủ yếu là hơi nước trong vùng hồng ngoại của phổ điện từ Vì vậy, để đạt được NĐBM, cần phải hiệu chỉnh khí quyển qua việc sử dụng mô hình truyền bức xạ Thứ hai, bản chất không xác định được của các số đo nhiệt độ và ĐPX Nếu bức xạ nhiệt được đo trong N kênh, thì sẽ có N+1 tham số không biết gồm N lớp ĐPX (đối với N kênh) và 1 lớp NĐBM Vì vậy, ước tính ĐPX và nhiệt độ trong dữ liệu hồng ngoại nhiệt đa phổ cần các giả thiết bổ sung để giải biến không xác định Các giả thiết này thường liên quan đến các đo đạc ĐPX trong phòng thí nghiệm hoặc trên thực tế

2.3.3 Các hiệu ứng đối với thông tin viễn thám

Hiệu ứng khí quyển và hiệu ứng nhiệt ngày đêm

2.3.4 Đánh giá biến động từ ảnh vệ tinh

Đánh giá biến động có thể thực hiện từ nguồn tư liệu bản đồ sẵn có lưu trữ nhiều năm Tuy nhiên, điều này sẽ gặp khó khăn vì: (1) bản đồ này ở dạng giấy, có thể bị co giãn, mất nét…; (2) nếu như có sẵn bản đồ số thì sẽ gặp phải vấn đề tỷ lệ,

hệ quy chiếu và hệ thống chú giải của từng thời kỳ phát triển Do đó sẽ khó khăn đồng nhất dữ liệu bản đồ sẵn có này theo hệ thống và theo cùng mức độ chi tiết

Trong khi đó, viễn thám cung cấp nguồn tư liệu ảnh dồi dào, có kho lưu trữ ảnh lịch sử và hệ thống chú giải có thể được xây dựng thống nhất vào thời điểm thực

hiện nghiên cứu Việc chồng ghép ảnh sẽ dễ dàng thực hiện khi đưa về cùng độ phân giải và nắn chỉnh hình học đưa về cùng một hệ quy chiếu

Các phương pháp đánh giá biến động thường dựa vào sự khác biệt phổ hoặc

sử dụng phân tích sau phân loại Theo đánh giá của nhiều tác giả so sánh sau phân loại sẽ giúp cực tiểu hóa các hiệu ứng của khí quyển và các thay đổi do bộ cảm biến giữa các thời kỳ khác nhau Phương pháp này cũng là bước quan trọng trong việc cải thiện chất lượng phân loại

2.4 HỆ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp viễn thám

Phương pháp GIS

Phương pháp thống kê

Các bước nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu minh họa trên Hình 2.8

Hình 2.8 Các bước nghiên cứu và phương pháp thực hiện

2.4.1 Viễn thám đa phổ nhận dạng đối tượng đô thị theo đặc tính vật lý của

MKT đại diện đối tượng đô thị

2.4.2 Viễn thám đa phổ xác định độ phát xạ

Các pixel đại diện bề mặt đất thường là các pixel hỗn hợp chứa cả thực vật và đất tùy thuộc vào độ phân giải của ảnh vệ tinh ĐPX hiệu quả của một pixel có thể được ước tính bằng cách cộng lại các phần đóng góp của ĐPX thực vật và ĐPX đất chứa trong đó Van de Green và Owe (1993) đã thực hiện thí nghiệm đo đạc trực tiếp ĐPX và phản xạ phổ trong dải khả kiến và cận hồng ngoại để tính NDVI và tìm

ra được mối quan hệ thực nghiệm giữa ĐPX và NDVI như sau:

ε = 1,0094 + 0,047*ln(NDVI) (2.8) Quan hệ này chỉ thực thi đối với các khu vực có đặc tính đồng nhất Valor và Caselles (1996) đã đưa ra một mô hình tương tự cũng dựa trên NDVI nhưng có thể

Chiết xuất thông tin thế và hồi quy Phân tích xu

Lớp phủ mặt đất về MKT

Biến động MKT

ĐPX và nhiệt

độ bề mặt

Biến động nhiệt độ bề mặt và phát hiện SUHI

Tương quan giữa nhiệt độ

bề mặt và các biến ĐTH

ứng dụng cho các khu vực không đồng nhất với nhiều kiểu đất, thực vật và thực phủ thay đổi Theo mô hình này, ĐPX hiệu quả của bề mặt không đồng nhất được định nghĩa là tổng ĐPX của các thành phần đơn giản của nó:

ε = εv Pv + εs (1 – Pv) (2.13) Trong đó, εv và εs là ĐPX của thực vật và đất tinh khiết, nghĩa là trong vòng một pixel đại diện chỉ là thực vật hoặc chỉ là đất, không có sự pha trộn Pv là tỷ lệ hay hợp phần hiện diện của thực vật trong pixel, giá trị trong khoảng từ 0 (đối với đất trống) đến 1 (đối với đất phủ đầy thực vật) Do đó Pv có thể được tính theo NDVI tương quan với các ngưỡng giá trị NDVIs của đất trống hoặc NDVIv của đất phủ đầy thực vật Theo công thức sau [Carlson and Ripley (1997)]

2

s v

s v

NDVI NDVI

NDVI NDVI

2.4.3 Viễn thám nhiệt khôi phục giá trị nhiệt độ bề mặt

Bức xạ phát ra từ vật đen tuyệt đối liên quan đến nhiệt độ định luật Planck:

) 1 e

(

hc 2 B

T k

hc 5

2

− λ

Trong viễn thám, nhiệt độ bức xạ T được ghi nhận trên các ảnh còn được gọi

là nhiệt độ sáng, do đó TB = T Chuyển đổi công thức Planck sẽ được giá trị TB:

=

λ

− /B 1hc

2ln

1k

hc

Đặt thay thế: 5

2 1

hc2K

=

λ

1B

Kln

KT

2.4.4 Dữ liệu nghiên cứu

Ảnh việ tinh: Dữ liệu sử dụng cho luận án gồm ảnh Landsat và Aster với độ

phân giải kênh nhiệt từ 60m đến 120m, gồm 4 ảnh chính: Landsat TM ngày

16-01-1989 và 25-01-1998, Landsat ETM+ ngày 13-02-2002, Aster ngày 25-12-2006 dùng phân tích cho toàn thành phố, đồng thời, để xem xét sự biến động ở khu vực nội thành 19 quận nghiên cứu sinh đã sử dụng thêm 6 năm ảnh vệ tinh 1993, 1994,

1999, 2001, 2003 và 2004 Để cực tiểu hóa ảnh hưởng của sự khác biệt mùa, các ảnh đều được chọn vào mùa khô

Nguồn dữ liệu khác: Các dữ liệu khác dưới dạng GIS và số đo quan trắc gồm:

Bản đồ nền địa hình, Bản đồ chuyên đề, Thông tin thực địa, Số đo quan trắc nhiệt độ

(2 loại: (1) Số đo nhiệt độ không khí trung bình nhiều năm 1989-2006 tại trạm khí tượng Tân Sơn Hoà, (2) Số đo quan trắc thực nghiệm NĐBM của một số đối tượng đặc trưng được thiết lập vào ngày 25-12-2006 nhằm có số đo đối chiếu với kết quả tính nhiệt độ từ phương pháp viễn thám

TPHCM GIAI ĐOẠN 1989-2006 6

Bản đồ phân bố không gian đô thị được thể hiện ở dạng nhị phân, nghĩa là chỉ

có đối tượng MKT và đối tượng không phải MKT hay gọi là đất khác Để chiết xuất đối tượng MKT, phương pháp xử lý ảnh viễn thám đa phổ sẽ được thực hiện kết hợp với các thông tin GIS bổ trợ khác

3.1.1 Tiền xử lý ảnh

Hiệu chỉnh bức xạ: Địa hình TPHCM tương đối bằng phẳng, độ cao chênh

lệch không đáng kể so với các khu vực cao nguyên khác Vì vậy việc hiệu chỉnh bức

xạ được thực hiện để chuyển đổi từ giá trị số nguyên DN trên ảnh viễn thám sang giá trị thực với đơn vị của bức xạ có ý nghĩa đo lường là W.m-2.ster-1.μm-1 Việc hiệu chỉnh này thực hiện trên tất cả các kênh ảnh của 3 loại bộ cảm biến LANDSAT TM, ETM+ và ASTER

Nắn chỉnh hình học: Ảnh ASTER năm 2006 được nắn bằng các điểm khống

chế chọn trên bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50.000 Phương pháp nội suy người láng giềng gần nhất được lựa chọn với khoảng tái chia mẫu là 15m dùng cho tất cả 14 kênh phổ của ảnh ASTER với sai số nắn RMSE <0,5 pixel Các ảnh LANDSAT còn lại được nắn theo ảnh năm 2006 để đảm bảo sai số nắn chỉnh giữa hai ảnh là nhỏ nhất và để

có cùng độ phân giải là 15m để đánh giá biến động Sai số nắn chỉnh hình học ảnh năm 1989, 1998 và 2002 so với ảnh năm 2006 là nhỏ hơn 1 pixel

3.1.2 Phân loại có kiểm định

Luận án đã sử dụng phương pháp phân loại xác xuất cực đại (MLC) Các kiểu thực phủ chính ở TPHCM gồm: MKT, đất trống, thực vật và nước Trên các ảnh dữ liệu của luận án, giá trị phổ phản xạ của khu đô thị nội thành cũ (thường có mật độ cây xanh cao) rất gần với của khu đất ngập nước của huyện Nhà Bè và Cần Giờ Trong khi đó giá trị phổ phản xạ của khu đô thị có ít hoặc không có cây xanh lại rất gần giống với của khu đất trống trên các ảnh mùa khô tháng 1 và tháng 2 Vì vậy khi phân loại thường bị nhầm lẫn giữa các đối tượng này

Khảo sát trên biểu đồ phân bố từ các ảnh tỷ số NIR/green và MIR/green (tương với kênh 4/kênh 2 và kênh 5/kênh 2 của ảnh Landsat hoặc kênh 3/kênh 1 và kênh 4/kênh 1 của ảnh Aster) thì 4 đối tượng MKT, đất trống, nước và thực vật tách biệt hoàn toàn, đặc biệt là giữa đất trống và MKT Nghiên cứu sinh đã dùng mẫu huấn luyện được tách chọn trên biểu đồ phân tán điểm cấu tạo bởi hai ảnh tỷ số này

sử dụng cho phân loại về sau Số lượng kênh phổ được dùng trong phân loại bao gồm tất cả các kênh phản xạ nằm trong dải từ kênh khả kiến đến hồng ngoại, đối với Landsat TM và ETM+ có 6 kênh đa phổ, Aster có 9 kênh

3.1.3 Kết hợp và chiết xuất thông tin

Bản đồ phân bố không gian đô thị được thành lập dựa trên việc tích hợp kết quả phân loại có kiểm định và phân ngưỡng bản đồ NDVI Kết quả phân loại sẽ được chiết xuất và ghi nhận thành 2 kiểu: MKT và đất khác (không có MKT) Qua khảo sát cho thấy, phân loại có kiểm định cho kết quả MKT tách khỏi nước và đất

ẩm khá tốt tuy có nhầm lẫn chút ít với đất trống, trong khi đó kết quả phân loại từ phân ngưỡng bản đồ NDVI với NDVI < 0 lại cho thấy MKT tách biệt khỏi đất trống nhưng đất ẩm ướt và đất ngập nước thường lẫn trong kiểu MKT Phép toán logic AND sẽ được thực hiện nhằm để loại trừ các pixel nhầm lẫn này và tách biệt kiểu MKT cuối cùng Trong quá trình xử lý, các dữ liệu GIS về ranh giới hành chính, thủy hệ và đường giao thông sẽ được chuyển đổi vào hệ thống xử lý ảnh nhằm để làm mặt nạ và phân tích thống kê Các bản đồ sử dụng đất nhiều năm được chồng xếp lên kết quả xử lý ảnh viễn thám như là tài liệu tham khảo để so sánh và đánh giá

độ chính xác Sơ đồ chiết xuất thông tin MKT để thành lập bản đồ phân bố không gian đô thị được trình bày theo hình 3.1 Các bản đồ kết quả phân bố không gian đô thị được thể hiện trên Hình 3.3

3.1.4 Đánh giá độ chính xác

Đánh giá độ chính xác theo ma trận sai số được áp dụng Kết quả cho biết phương pháp chiết xuất MKT khá tốt, độ chính xác toàn cục và hệ số Kappa của 4 năm đều đạt trên 96% Sai số bỏ sót và thực hiện đều dưới 6%

Hình 3.1 Sơ đồ chiết xuất MKT lập bản đồ phân bố không gian đô thị

Kiến thức chuyên gia

Bản đồ phân bố không gian đô thị

Tính tỷ số kênh

Tách MKT tạo

Ảnh 1

Tách MKT tạo Ảnh 2

Dữ liệu GIS + thực địa Đồng nhất dữ liệu

Chuyển vào hệ xử lý

ảnh

Dữ liệu dạng raster

3.2 BIẾN ĐỘNG ĐÔ THỊ TPHCM TRONG QUÁ TRÌNH ĐTH

Phương pháp phân tích sau phân loại được áp dụng cùng với phương pháp kết hợp nguồn dữ liệu bổ trợ GIS và thực địa để đánh giá biến động Các dữ liệu GIS về

hệ thống đường giao thông, ranh giới hành chánh, phân khu đô thị sẽ được dùng để kiểm tra kết quả và đánh giá

(a) 16-01-1989 (b) 25-01-1998

(c) 13-02-2002 (d) 25-12-2006 Hình 3.3 Bản đồ phân bố không gian đô thị TPHCM qua các năm tại thời điểm chụp ảnh từ xử lý ảnh vệ

tinh Landsat và Aster

3.2.1 Biến động đô thị về diện tích

Kết quả xử lý ảnh vệ tinh bằng phương

pháp viễn thám cho thấy trong vòng gần 18 năm

từ tháng 1-1989 đến tháng 12-2006 theo thời

gian ảnh vệ tinh, diện tích đất đô thị tăng lên 6,5

lần Hình 3.3 cho biết, TPHCM phát triển mạnh

theo hướng lan tỏa từ khu vực trung tâm và tập

trung mở rộng ở khu vực phía Bắc thành phố,

đặc biệt là dọc theo các trục lộ chính ở khu vực

ngoại thành Diện tích đất đô thị tính đến năm

2006 chiếm tỷ lệ 22,47% gần bằng 1/4 diện tích

toàn thành phố (Bảng 3.3)

Tăng trưởng diện tích không gian đô thị theo thời gian có độ dốc dương như trên Hình 4.5 với các đoạn tăng trưởng khác nhau theo chu kỳ của ảnh vệ tinh quan sát Trong đó giai đoạn 2002-2006 có độ dốc cao nhất, chứng tỏ giai đoạn này có sự

1989

1998 2002 2006

0 10000 20000 30000 40000 50000

bùng nổ đô thị hóa đáng kể về mặt tăng trưởng diện tích đất xây dựng chỉ trong vòng chưa đầy 5 năm Ở giai đoạn này, diện tích MKT tăng ước lượng trung bình mỗi năm gấp 1,6 lần so với 4 năm của giai đoạn 1998-2002 và gần gấp 2,8 lần so với 9 năm của giai đoạn 1989-1998

Xét về biến động không gian, nếu tính theo các khu vực đô thị và đô thị hóa của phân chia hành chánh các quận nội thành cũ, nội thành mới và các huyện thì kết quả xử lý ảnh viễn thám cho thấy, trong quá trình đô thị hóa giai đoạn 1989-2006, đồng thời phát triển khu đô thị cũ: khu vực số 1 trường hợp trước năm 1997 và khu vực số 1+2 trường hợp sau năm 1997, ở các khu vực ngoại thành xung quanh đã và đang mọc lên các khu đô thị mới và xu hướng đang lấp kín dần theo thời gian Theo tính toán thống kê cho từng quận huyện từ phân tích ảnh, đến năm 2006 hầu hết các quận huyện đều có diện tích xây dựng MKT tăng Ở 8 quận nội thành trung tâm ở khu vực 1, diện tích xây dựng phủ kín hết quỹ đất trừ phần đất sông suối và đất cây xanh

Bảng 3.3 Diện tích đất đô thị tại TPHCM qua các năm theo kết quả phân tích ảnh viễn

thám (nguồn: tác giả)

Năm Diện tích (ha) Tỷ lệ (%) so toàn TP 25-12-2006 47.083,84 22,47 13-02-2002 28.576,49 13,64 25-01-1998 19.282,01 9,20

3.2.2 Biến động về dân số

Việc tăng trưởng dân số thành thị ở TPHCM có nhiều tác nhân: do tăng tự nhiên, do nhập cư và do biến đổi đơn vị hành chính từ huyện sang quận Dân số thành thị đã tăng từ 83% lên hơn 85% trong cơ cấu chung của dân cư thành phố từ năm 2001 đến 2006 Cùng với quá trình ĐTH TP.HCM là quá trình phân bố lại dân

cư với những dòng dịch chuyển dân cư từ 13 quận nội thành ra các quận mới và các huyện nông thôn với số dân tăng nhanh ở các quận nội thành mới (5 quận) và các quận mới phát triển (6 quận), riêng ở các huyện dân cư tăng không nhiều Ngoài sự tăng trưởng dân cư tại chỗ, đã cho thấy nổi lên hiện tượng dân nhập cư Tính từ năm 2001-2006 tỷ lệ tăng cơ học là 2,2% bình quân năm, vượt hơn tỷ lệ tăng tự nhiên tương ứng là 1,2%

3.3 THÀNH LẬP BẢN ĐỒ PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐÔ THỊ

TPHCM

Bộ cảm biến Landsat TM và ETM+ chỉ có 1 kênh nhiệt với độ phân giải tương ứng là 120m và 60m Bộ cảm biến Aster có 5 kênh nhiệt với độ phân giải 90m Chọn lựa phương pháp xác định nhiệt độ và ĐPX bề mặt sao cho phù hợp đồng thời với các dữ liệu vệ tinh này (chỉ chứa 1 kênh nhiệt hoặc nhiều hơn) là yêu cầu của nghiên cứu nhằm đơn giản hóa việc tính toán và có thể áp dụng cho tất cả các loại

dữ liệu vệ tinh cho mọi khu vực khác nhau Từ đó, nghiên cứu sinh đã phát triển quy trình thực hiện tính toán nhiệt độ và ĐPX bề mặt được minh họa trong hình 3.8

Tác giả thử nghiệm trên khu vực TPHCM với nhiều vùng mẫu chỉ thuần là thực vật và chỉ thuần là đất trống có kích thước lớn hơn rất nhiều giá trị 1 pixel để