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 thành phố hồ chí minh

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 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHUYÊN NGÀNH: SỬ DỤN

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 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2011

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 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

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

MÃ SỐ: 62.85.15.01

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Hoàng Thái Lan

2 PGS.TS Lê Văn Trung

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2011

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 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Trần Thị Vân

LỜI CẢM ƠN

Tác giả chân thành bày tỏ lòng biết ơn:

Trung, những người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận án

- Ban lãnh đạo Viện Môi trường và Tài nguyên thuộc ĐHQG-HCM, đã quan tâm, động viên, đóng góp ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong suốt thời gian làm luận án

- Các Thầy, Cô thuộc những lớp đàn anh đi trước, đã có những

ý kiến trao đổi bổ ích và giúp đỡ nghiên cứu sinh

- Các tổ chức tạp chí, nhà xuất bản, các thầy phản biện đã kịp thời giúp đỡ nghiên cứu sinh trong việc đăng tải các công trình nghiên cứu

- Các bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và hỗ trợ nhiệt tình để tôi có thể hoàn thành luận án này

Cuối cùng tôi xin cám ơn gia đình đã chia sẻ cùng tôi trong suốt quá trình làm việc và thực hiện luận án

Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn các tập thể, cá nhân đã hết lòng tin tưởng và giúp đỡ nghiên cứu sinh

Xin cảm ơn tất cả

Trần Thị Vân

TÓM TẮT T

hiệt độ mặt đất là một định lượng quan trọng trong các nghiên cứu về biến đổi khí hậu và là một biến cần thiết được yêu cầu cho nhiều ứng dụng như khí hậu, thủy văn, nông nghiệp, sinh địa hóa và các nghiên cứu biến động Đô thị hóa làm thay đổi cảnh quan đô thị qua việc thay thế bề mặt đất tự nhiên bằng các Mặt không thấm Năng lượng mặt trời đến bề mặt đất có thể được dùng để bốc hơi nước thay vì chuyển đổi thành hiển nhiệt trên các Mặt không thấm Điều này làm tăng đáng kể nhiệt độ bề mặt và lớp không khí bên trên trong các khu đô thị và hình thành nên các “Ốc đảo nhiệt đô thị”

Luận án đã hệ thống hóa cơ sở khoa học và phương pháp luận về khả năng ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu phân bố nhiệt độ bề mặt và tác động của diễn biến phát triển đô thị đến sự thay đổi nhiệt độ, góp phần minh chứng ưu thế của công tác nghiên cứu ứng dụng công nghệ vũ trụ; Tạo cơ sở khoa học và phát triển công nghệ viễn thám kết hợp hệ thông tin địa lý trong hỗ trợ các quan trắc khí tượng và môi trường; Làm rõ được mối quan hệ giữa quá trình phát triển đô thị và

sự thay đổi nhiệt độ, tạo nền tảng trong các nghiên cứu về biến đổi khí hậu Luận án triển khai ứng dụng cho thành phố Hồ Chí Minh là một trong những thành phố của Việt Nam có tốc độ đô thị hóa mạnh Về thực tiễn, phương pháp này có thể ứng dụng rộng rãi cho các khu vực đô thị tương tự Kết quả của luận án là gợi ý giúp cho quy hoạch phát triển đô thị bền vững khi xem xét đến các đặc trưng của môi trường khí hậu, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu làm cho môi trường ngày càng nóng bức như hiện nay

Các luận điểm khoa học và thực tiễn mới được giải quyết trong luận án gồm: (1) 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 thành phố Hồ Chí Minh, làm cơ sở nhận dạng trong xử lý ảnh số về đối tượng đô thị; (2) Xây dựng quy trình xác định độ phát xạ và nhiệt độ bề mặt đất cho các loại dữ liệu viễn thám thụ động, không phụ thuộc vào số lượng kênh phổ hồng ngoại nhiệt và có tính đến hiệu chỉnh giá trị từ

độ phát xạ bề mặt đối tượng; (3) Nghiên cứu chi tiết và xác định hình thái “Ốc đảo nhiệt đô thị bề mặt” ở thành phố Hồ Chí Minh là kết quả tác động của quá trình đô thị hóa lên nhiệt độ bề mặt đô thị; (4) Xây dựng được mối tương quan giữa các yếu

tố bề mặt chỉ thị quá trình đô thị hóa 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, phục vụ phát triển đô thị bền vững

N

and surface temperature is an important measurement in research on climate change and is a necessary variable required for a wide variety of applications such as climate, hydrology, agriculture, biogeochemistry and change detection studies Urbanization alter the urban landscape through the replacement of natural land surface with impervious surface Solar Energy to the earth surface can be used to evaporate water instead converted into sensible heat on the impervious surfaces This greatly increases the surface temperature and air layer above in urban areas, consequently forming the urban heat island

Thesis organized systematically scientific basis and methodology on applied ability of remote sending and GIS in the study of surface temperature distribution and the impact of changes in urban development to temperature changes, contributing to demonstrate the advantages of research space technology applications; created a scientific basis and development of remote sensing technology combines geographic information systems in support of meteorological and environmental observation; brought out the relationship between urban development and changes in temperature, making creating a foundation in research on climate change Thesis realized for Ho Chi Minh City, one of the biggest cities in Vietnam, where the urbanization is taking place in high speed About practice, this method can be widely applied to the cities with the similar conditions The results of the thesis is suggested to help the planning of sustainable urban development while considering the characteristics of climate, particularly in the context of climate change make the environment more like the current hot

The findings are addressed in the thesis include: (1) Proposed physical object

"impervious surface" to analyze, evaluate and clarify the geomorphological characteristics of the urban environment in Ho Chi Minh City, as a basis for identifying urban objects in the digital image processing, (2) Developed a process to determine emissivity of the land surface object and land surface temperature for different types of passive remote sensing data, regardless of the number of infrared spectral channels and taking into account correction value from the object surface emission, (3) Researched and identified detailed patterns "surface urban heat island" in the Ho Chi Minh City as a result of the impact of urbanization on urban surface temperature, (4) Developed a relationship between the surface elements indicating urbanization process and temperature variations in order to better understand the cause of the urban temperature increase, contribute to the effective management of urban environment for sustainable urban development

L

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC BẢNG x

DANH MỤC HÌNH xii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cần thiết của luận án 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu 4

4 Nhiệm vụ nghiên cứu 4

5 Luận điểm bảo vệ 5

6 Tính mới của luận án 5

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6

8 Cơ sở dữ liệu thực hiện luận án 6

9 Khối lượng và cấu trúc luận án 8

Chương 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT VÀ ĐÔ THỊ HÓA 9

1.1 Tình hình nghiên cứu nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh 9

1.1.1 Vấn đề nhiệt độ bề mặt 9

1.1.2 Tổng quan phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt 12

1.1.3 Tổng quan phương pháp xác định độ phát xạ 15

1.2 Tình hình nghiên cứu đô thị hóa 16

1.2.1 Đô thị hóa và tăng trưởng đô thị 16

1.2.2 Các mô hình đô thị hóa 17

1.2.3 Tình hình nghiên cứu đô thị hóa ở TPHCM 18

1.2.4 Điều kiện địa lý và tình hình phát triển đô thị TPHCM 20

1.3 Vai trò của các yếu tố đô thị hóa trong biến đổi khí hậu đô thị 25

1.3.1 Vai trò của các bề mặt đất 25

1.3.2 Vai trò của mặt nước 26

1.3.3 Vai trò của thực vật 27

1.3.4 Vai trò của dân số 27

1.4 Các nghiên cứu về quan hệ nhiệt độ bề mặt và các đối tượng bề mặt đô thị từ kỹ thuật viễn thám 28

1.4.1 Quan hệ nhiệt độ bề mặt với Mặt không thấm 28

1.4.2 Quan hệ nhiệt độ bề mặt với chỉ số phân biệt thực vật chuẩn hóa 29

1.4.3 Quan hệ nhiệt độ bề mặt với mật độ dân số 31

Chương 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

2.1 Cơ sở khoa học liên quan đến nghiên cứu đô thị 32

2.1.1 MKT như là yếu tố chỉ thị đô thị và môi trường 32

2.1.2 Các đặc trưng vật lý của Mặt không thấm 33

2.2 Cơ sở khoa học liên quan nhiệt độ bề mặt đô thị 36

2.2.1 Nhiệt độ và độ phát xạ trong năng lượng bức xạ trái đất 36

2.2.2 Đảo nhiệt đô thị và biến đổi khí hậu 40

2.3 Cơ sở viễn thám và thông tin đối tượng 43

2.3.1 Thông tin đối tượng từ dữ liệu viễn thám trong dải phổ phản xạ 44

2.3.2 Bức xạ bề mặt đối tượng trong viễn thám hồng ngoại nhiệt 46

2.3.3 Các hiệu ứng đối với thông tin viễn thám 50

2.3.4 Đánh giá biến động từ ảnh vệ tinh 53

2.4 Phương pháp nghiên cứu 55

2.4.1 Phương pháp viễn thám 56

2.4.1.1 Viễn thám đa phổ nhận dạng đối tượng đô thị 56

2.4.1.2 Viễn thám đa phổ xác định độ phát xạ 57

2.4.1.3 Viễn thám nhiệt khôi phục giá trị nhiệt độ bề mặt 60

2.4.1.4 Các phép hiệu chỉnh cần thiết trong tiền xử lý dữ liệu viễn thám 61

2.4.1.5 Tỷ số kênh và các chỉ số thực vật 65

2.4.1.6 Tiêu chí chọn lựa dữ liệu viễn thám 65

2.4.2 Phương pháp GIS 68

2.4.3 Phương pháp thống kê 69

Chương 3 BIẾN ĐỘNG ĐẤT ĐÔ THỊ VÀ NHIỆT ĐỘ TPHCM GIAI ĐOẠN 1989-2006 72

3.1 Bản đồ phân bố không gian đô thị TPHCM 72

3.1.1 Tiền xử lý ảnh 73

3.1.2 Phân loại có kiểm định 75

3.1.3 Kết hợp và chiết xuất thông tin 78

3.1.4 Đánh giá độ chính xác 80

3.2 Biến động đất đô thị TPHCM trong quá trình đô thị hóa giai đoạn 1989-2006 81

3.2.1 Theo dõi biến động không gian đô thị 81

3.2.2 Biến động đô thị về diện tích 83

3.2.3 Biến động đô thị về dân số 85

3.3 Bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt đô thị TPHCM 89

3.3.1 Quy trình xác định nhiệt độ và độ phát xạ bề mặt 89

3.3.2 Hiệu chỉnh khí quyển cho kênh nhiệt 92

3.3.3 Tính độ phát xạ bề mặt 92

3.3.4 Tính nhiệt độ bề mặt 93

3.3.5 Đánh giá độ chính xác 94

3.3.6 Bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt đô thị TPHCM 98

3.4 Biến đổi nhiệt độ bề mặt trích xuất bằng phương pháp viễn thám 103

3.4.1 Xu hướng nhiệt độ bề mặt trung bình của TPHCM 104

3.4.2 Biến động nhiệt độ bề mặt trên các kiểu lớp phủ đất khác nhau 107

3.4.3 Biến động nhiệt độ bề mặt trung bình của các quận đô thị hóa từ nông thôn lên đô thị 108

3.4.4 Biến động đảo nhiệt đô thị bề mặt 111

3.4.5 Hình thái các dạng đảo nhiệt đô thị bề mặt 115

3.5 Biến đổi nhiệt độ không khí từ số đo trạm khí tượng mặt đất 116

3.5.1 Biến thiên nhiệt độ không khí trung bình năm 116

3.5.2 Biến thiên nhiệt độ không khí trong chu kỳ ngày đêm 117

3.5.3 Đảo nhiệt đô thị trung bình năm 121

3.5.4 Đảo nhiệt đô thị trung bình tháng 122

3.6 Sự khác biệt phân bố không gian nhiệt độ không khí từ trạm khí tượng và nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu viễn thám 124

Chương 4 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐÔ THỊ VÀ QUAN HỆ GIỮA ĐÔ THỊ HÓA VÀ NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT Ở TPHCM 128

4.1 Xu hướng phát triển đô thị ở TPHCM 128

4.2 Tương quan giữa biến đổi nhiệt độ bề mặt và các yếu tố đô thị hóa ở TPHCM 130

4.2.1 Cơ sở chọn biến tham gia 130

4.2.2 Hồi quy tuyến tính đơn 132

4.2.3 Hồi quy tuyến tính bội 135

4.3 Phát triển đô thị bền vững trong sự cân bằng môi trường sinh thái qua việc kiểm soát hợp lý các Mặt không thấm và hiệu ứng đảo nhiệt 147

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 150

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 154

TÀI LIỆU THAM KHẢO 156

PHỤ LỤC 168

Phụ lục 1 Đặc điểm chính của vệ tinh và bộ cảm biến Landsat TM, ETM+ và Aster 168

Phụ lục 2 Thông số kỹ thuật của các bộ cảm biến Landsat TM, ETM+ và Aster 168

Phụ lục 3 Dải bức xạ phổ của Landsat-5 TM đối với dữ liệu NLAPS 169

Phụ lục 4 Dải bức xạ phổ của Landsat-7 ETM+ 169

Phụ lục 5 Bảng các hệ số chuyển đổi đơn vị của dữ liệu Aster 170

Phụ lục 6 Bảng giá trị độ chiếu sáng của khí quyển tầng trên từ mặt trời trung bình, Eλ (W.m-2 μm-1) 170

Phụ lục 7 Hệ số K1 và K2 xác định cho bộ cảm biến ETM+ và Aster 171

Phụ lục 8 Bảng thống kê số liệu dân số năm 1989-2006 172

Phụ lục 9 Kết quả tính Hồi quy đơn OLS của các cặp biến IS, Ts-PD, Ts-ND và Ts-Wa 173

Phụ lục 10 Kết quả tính Hồi quy đa biến OLS khi tăng dần số biến độc lập 177

Phụ lục 11 Kết quả tính Hồi quy đa biến WLS với các biến trọng số khác nhau 181

Phụ lục 12 Một số phương pháp tiêu biểu tính độ phát xạ và nhiệt độ 186

Phụ lục 13 Một số hình ảnh thực địa vào tháng 1 năm 2007 và các điểm quan trắc bề mặt 189

CÁC TÀI LIỆU CỦA PHIÊN HỌP BẢO VỆ, ĐÁNH GIÁ LUẬN ÁN CẤP CƠ

SỞ ĐÀO TẠO

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

BRDF Mô hình hàm phân bố phản xạ hai hướng (Bi-directional

Reflection Distribution Function) CN-TTCN Công nghiệp – Tiểu thủ công nghiệp

IFOV Trường nhìn tức thời (Instantaneous Field of View)

IS Biến số phần trăm diện tích mặt không thấm

GCPs Điểm khống chế mặt đất (Ground Control Points)

LSE Độ phát xạ bề mặt (Land surface emissivity)

NDVI Chỉ số phân biệt thực vật chuẩn hóa, gọi tắt là chỉ số thực vật

(Normalised Difference Vegetation Index) NOR Phương pháp Chuấn hóa phát xạ (Emissivity Normalization

Method) obs Lần quan trắc

OLS Bình phương tối thiểu thường (Ordinary Least Squares)

PD Biến số mật độ dân số

SST Nhiệt độ bề mặt nước biển (Sea Surface Temperature)

SUHI Đảo nhiệt đô thị bề mặt (Surface Urban Heat Island)

SWT Kỹ thuật cắt cửa sổ (Split Window Techniques)

TES Phương pháp tách độ phát xạ và nhiệt độ (Temperature and

Emissivity Separation Algorithm) TISI Chỉ số phổ hồng ngoại nhiệt (Thermal Infrared Spectral Indices) TOA Giới hạn trên của khí quyển (Top Of Atmosphere)

TPHCM Thành phố Hồ Chí Minh

Ts Biến số nhiệt độ bề mặt

UHI Đảo nhiệt đô thị (Urban Heat Island)

WA Biến số phần trăm diện tích mặt nước

WLS Bình phương tối thiểu có trọng số (Weighted Least Squares)

DANH MỤC BẢNG

1 Ảnh vệ tinh được sử dụng trong luận án 7

1.1 Phân khu đô thị và đô thị hóa ở TPHCM 24

2.1 Các đặc trưng cơ bản của một số ảnh vệ tinh đối với việc quyết định chọn lựa dữ liệu cho khu vực nghiên cứu 67

3.1 Độ phân tách mẫu ảnh năm 1989, 1998, 2002 và 2006 77

3.2 Ma trận sai số độ chính xác phân loại cho ảnh các năm 1989, 1998, 2002 và 2006 81

3.3 Diện tích đất đô thị tại TPHCM qua các năm theo kết quả phân tích ảnh viễn thám 83

3.4 Mức độ tăng diện tích đất đô thị mỗi năm theo từng giai đoạn của năm có ảnh viễn thám 84

3.5 Thống kê diện tích MKT của các quận huyện TPHCM qua các năm 86

3.6 Mức độ tăng dân số trung bình trong vòng 6 năm 2001-2006 88

3.7 Thống kê số liệu dân số năm 1989-2006 88

3.8 Số đo quan trắc và kết quả tính nhiệt độ (oC) từ các phương pháp khác nhau 97

3.9 Kết quả sai số tính nhiệt độ bề mặt (TS) của các phương pháp khác nhau 97

3.10 Giá trị NDVI và độ phát xạ đất trống hoàn toàn và đất phủ đầy thực vật trên ảnh vệ tinh tại 4 thời điểm (không đơn vị) 98

3.11 Thống kê nhiệt độ bề mặt trung bình toàn TPHCM 4 năm ảnh vào các thời điểm ảnh vệ tinh ghi nhận 105

3.12 Thống kê nhiệt độ bề mặt trung bình khu vực 19 quận đô thị vào các thời điểm ảnh vệ tinh ghi nhận 105

3.13 Thống kê nhiệt độ bề mặt trung bình và độ chênh lệch từng quận/huyện qua ảnh vệ tinh tại 4 thời điểm 106

3.14 Nhiệt độ bề mặt của các kiểu bề mặt đất khác nhau trên ảnh vệ tinh tại

4 thời điểm 109

3.15 Thống kê diện tích các SUHI của 2 năm 1989 và 2006 112

3.16 Diện tích SUHI và MKT khu vực 19 quận qua 4 năm ảnh 112

3.17 Nhiệt độ không khí trung bình trạm Tân Sơn Hòa qua từng giai đoạn 118

3.18 Số đo nhiệt độ không khí trung bình năm giai đoạn 1989-2006 118

3.19 Độ lệch nhiệt độ không khí trung bình giữa trạm Tân Sơn Hòa và các trạm lân cận giai đoạn 1989-2006 119

3.20 Nhiệt độ không khí quan trắc theo từng giờ trong chu kỳ ngày đêm ngày 25-12-2006 121

3.21 Nhiệt độ không khí trung bình tháng giữa 2 trạm đại diện khu đô thị và nông thôn của giai đoạn 1989-2006 (oC) 124

4.1 Hiện trạng và dự kiến phân bố dân cư TP.HCM 129

4.2 Tập số liệu mẫu để tính tương quan và hồi quy 131

4.3 Các hệ số tương quan đơn giữa nhiệt độ bề mặt và các biến chỉ thị sự đô thị hóa 134

4.4 Các thông số thống kê hồi quy đơn của các cặp biến 134

4.5 Các thông số thống kê hồi quy khi đưa dần vào các biến độc lập 137

4.6 Kết quả xử lý hồi quy tuyến tính bội 4 biến theo phương pháp OLS 138

4.7 Các thông số thống kê hồi quy bội theo phương pháp WLS khi chọn các biến trọng số khác nhau 141

4.8 Kết quả xử lý hồi quy 4 biến theo phương pháp WLS 142

4.9 Kết quả xử lý hồi quy 3 biến theo phương pháp WLS 143

DANH MỤC HÌNH

1.1 Vị trí khu vực nghiên cứu và cao độ địa hình Thành phố Hồ Chí Minh 20

1.2 Phân khu đô thị TPHCM 25

2.1 Phân bố phổ năng lượng điện từ phát xạ từ vật đen ở nhiệt độ khác nhau 37

2.2 Mặt cắt đứng của một UHI điển hình 40

2.3 Thay đổi nhiệt độ bức xạ của các vật liệu bề mặt khác nhau trong chu kỳ ngày đêm 41

2.4 Các kênh được sử dụng trong viễn thám 44

2.5 Phản xạ phổ của đất, nước và thực vật 45

2.6 Phổ điện từ thể hiện các kênh sử dụng trong các vùng hấp thụ của khí quyển của viễn thám quang học 47

2.7 Mô hình tổng quát hóa của năng lượng đến và đi trong vòng 24 giờ 52

2.8 Các bước nghiên cứu và phương pháp thực hiện 56

2.9 Phân bố các kênh phổ điện từ của bộ cảm biến LANDSAT và ASTER 67

3.1 Sơ đồ chiết xuất MKT thành lập bản đồ phân bố không gian đô thị 77

3.2 Biểu đồ phân tán điểm giữa các kênh (a) red-NIR, (b) MIR/green-NIR/green 77

3.3 Bản đồ phân bố không gian đô thị TPHCM tại thời điểm chụp qua các năm theo kết quả phân tích ảnh viễn thám 79

3.4 Sơ đồ tính biến động không gian đô thị 82

3.5 Biểu đồ tăng trưởng diện tích không gian đô thị giai đoạn 1989-2006 84

3.6 Bản đồ biến động không gian đô thị 87

3.7 Sơ đồ quy trình thực hiện tính toán độ phát xạ bề mặt 90

3.8 Sơ đồ quy trình thực hiện tính toán nhiệt độ bề mặt 91

3.9 Vị trí 10 điểm quan trắc nhiệt độ bề mặt 95

3.10 Ảnh AST08 ngày 25-12-2006 95

3.11 Ảnh phân bố NDVI và độ phát xạ bề mặt 100 3.12 Bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt đô thị TPHCM trên ảnh vệ tinh tại 4

thời điểm tại thời điểm chụp 101 3.13 Xu hướng nhiệt độ bề mặt trung bình quận khu vực 19 quận đô thị

theo ảnh vệ tinh tại 10 thời điềm từ 1989 đến 2006 107 3.14 Độ chênh nhiệt độ bề mặt trung bình của từng quận/huyện trong

TPHCM tính trên 2 năm ảnh vệ tinh 1989 và 2006 107 3.15 Nhiệt độ bề mặt trung bình của các kiểu bề mặt đất trên ảnh vệ tinh

tại 4 thời điểm 109 3.16 Xu hướng nhiệt độ bề mặt trung bình của các kiểu bề mặt đất khác

nhau trên ảnh vệ tinh tại 4 thời điểm 110 3.17 Biểu đồ diễn biến tương quan tăng nhiệt độ bề mặt và tăng diện tích

MKT trung bình các quận/huyện trong vòng 18 năm (1989-2006) 110 3.18 Vị trí các SUHI điển hình trên khu vực TPHCM 113 3.19 Quan hệ giữa diện tích SUHI và MKT khu vực 19 quận qua 4 năm

ảnh 113 3.20 Mặt cắt nhiệt độ bề mặt trên các bề mặt đất khác nhau đi qua các

quận/huyện trên ảnh vệ tinh năm 2006 114 3.21 Sơ đồ vị trí trạm khí tượng xung quanh TPHCM 116 3.22 Xu hướng nhiệt độ không khí trung bình năm ở TPHCM giai đoạn

1989-2006 ghi nhận theo trạm khí tượng Tân Sơn Hòa 119 3.23 Nhiệt độ không khí trung bình năm các trạm giai đoạn 1989-2006 120 3.24 Nhiệt độ không khí ngày đêm các trạm ngày 25-12-2006 120 3.25 Nhiệt độ không khí trung bình năm và nhiệt độ cực trị giữa 2 trạm

Tân Sơn Hòa và Sở Sao giai đoạn 1989-2006 123 3.26 Chênh lệch nhiệt độ không khí trung bình năm của 2 trạm đại diện

khu đô thị và nông thôn giai đoạn 1989-2006 123 3.27 Chênh lệch nhiệt độ không khí trung bình tháng của 2 trạm Tân Sơn

Hòa và Sở Sao giai đoạn 1989-2006 124

3.28 Chênh lệch nhiệt độ không khí và bề mặt theo thời gian trong ngày

quan trắc 07-04-2007 127 3.29 Nội suy không gian nhiệt độ không khí đo vào lúc 10g ngày 25-12-

2006 127 3.30 Nhiệt độ bề mặt trích xuất từ ảnh vệ tinh Aster chụp lúc 10g ngày 25-

12-2006 127 4.1 Đồ thị điểm và hình dạng tương quan tuyến tính giữa biến Ts và các

biến IS, ND, WA, PD 133

MỞ ĐẦU

1 Tính cần thiết của luận án

2 Mục tiêu nghiên cứu

3 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

5 Luận điểm bảo vệ

6 Tính mới của luận án

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

8 Cơ sở dữ liệu thực hiện luận án

9 Khối lượng và cấu trúc luận án

MỞ ĐẦU

1 Tính cần thiết của luận án

Dân số thế giới hiện nay đã vượt hơn 6 tỷ người và dự báo rằng đến năm

2043 sẽ tăng đến 9 tỷ người [135] Với số người đông đúc như vậy sẽ khiến bề mặt Trái Đất thay đổi ở mức độ nhanh chóng Rừng sẽ bị xóa bỏ để cung cấp đất trang trại cho con người và hoang mạc sẽ mở rộng khi con người phá hủy cảnh quan để tìm kiếm thức ăn và để tồn tại Các thay đổi này làm cho bề mặt Trái Đất nổi lên nhiều vấn đề về việc con người đang làm thay đổi các kiểu khí hậu toàn cầu 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 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 như khu công nghiệp, khu thương mại, giải trí… Đô thị phát triển dẫn theo sự xuất hiện ngày càng nhiều các bề mặt không thấm (MKT), đó là một kiểu lớp phủ đặc trưng cho môi trường đô thị và được sử dụng như là yếu tố chỉ thị phát hiện đô thị Đô thị hóa 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 đô thị hóa lên môi trường nhiệt

là tạo ra hiệu ứng “ốc đảo nhiệt đô thị” (UHI) (sau này gọi tắt là “Đảo nhiệt đô thị”) Hiệu ứng này hầu hết bắt nguồn gần bề mặt Trái Đất và trước hết gây nên các

dị thường nhiệt độ bề mặt Các dị thường nhiệt độ bề mặt đất này sẽ lan truyền lên trên vào trong khí quyển [85], [87] Vì vậy, nhiệt độ bề mặt là tham số quan trọng trong việc đặc trưng hóa sự trao đổi năng lượng giữa bề mặt đất và khí quyển Đồng thời, nhiệt độ bề mặt 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 Nó được duy trì bởi thành phần đến của bức xạ Mặt Trời và bức xạ sóng dài, thành phần đi của bức xạ hồng ngoại từ mặt đất, thông lượng nhiệt hiện và nhiệt ẩn và thông lượng nhiệt đi vào mặt đất Đồng thời, nhiệt độ bề mặt cũng là yếu tố chỉ thị tốt của cân bằng năng lượng ở bề mặt Trái Đất Cân bằng bức xạ này phụ thuộc vào

các đặc trưng truyền dẫn trong dải hồng ngoại của hơi nước, mây, các phần tử khác,

ví dụ các khí nhà kính như CO2… Nồng độ của các khí này đang tăng lên và đóng góp vào việc thay đổi khí hậu Từ đó, yêu cầu quan trắc nhiệt độ bề mặt ở quy mô toàn cầu và cấp vùng là không thể thiếu được để nghiên cứu đặc trưng của biến đổi khí hậu

Cho đến nay, các nghiên cứu ở Việt Nam 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 (đo hàng ngày và đo nhiều đợt trong ngày) 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 nhiệt độ bề mặt cho một vùng mà không bị hạn chế bởi số điểm đo như trạm khí tượng Phương pháp vễn thám dựa trên năng lượng 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 nhiệt độ bề mặt 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

Thành phố Hồ Chí Minh (TPHCM) là một trung tâm chính trị, kinh tế, văn hóa, khoa học kỹ thuật, giao thông và du lịch của cả nước Trước năm 1945, TPHCM chỉ có khoảng 400.000 dân cư sinh sống Khoảng 2 thập kỷ gần đây TPHCM đã trở thành trung tâm công nghiệp lớn Theo thống kê năm 2006 của Cục Thống kê TPHCM, dân số thành phố là 6.424.519 người, chưa kể dân vãng lai khoảng hơn 1,5 triệu người Đây là thành phố có số dân đông nhất Việt Nam Sự gia

tăng dân số và phát triển kinh tế - xã hội dẫn đến giao thông tăng nhanh, diện tích nhà ở mở rộng ra ngoại thành nhiều hơn so với trước đây, đồng thời các nhà cao tầng cũng được xây dựng nhiều hơn Mật độ xây dựng càng cao, nhiệt độ bức xạ bề mặt càng cao Trong khi đó, diện tích cây xanh của thành phố bị thu hẹp dần Sự cân bằng tự nhiên đang bị phá vỡ, tác động mạnh mẽ đến sự biến đổi vi khí hậu, do

sự tăng lên của nhiệt độ đô thị so với các vùng phụ cận, hình thành nên “đảo nhiệt

đô thị”, khiến thành phố đang biến thành “quả cầu lửa” nung nóng người dân Bên cạnh đó, TPHCM chỉ có một trạm khí tượng duy nhất là trạm Tân Sơn Hòa Số đo quan trắc tại đây không phản ánh hết tình hình thay đổi nhiệt độ trên toàn khu vực

Các ảnh viễn thám thường sử dụng trong khí tượng và khí hậu hầu hết có kênh nhiệt với độ phân giải thấp khoảng 1km, thường 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 chi tiết theo từng pixel Tập hợp các điểm giá trị nhiệt độ này sẽ cho ta một bức tranh toàn cảnh về sự phân bố nhiệt độ ở mức độ 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 độ 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

Với các lý do trên, việc nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đô thị dưới tác động của quá trình đô thị hóa 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

Nghiên cứu này được giới hạn trong phạm vi sau đây:

- Đối tượng nghiên cứu: là nhiệt độ bề mặt 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 đô thị hóa đến biến đổi nhiệt độ thể hiện qua sự hình thành các “đảo nhiệt đô thị”

- Không gian nghiên cứu: khu vực 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 kỷ 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 Do đó, đây sẽ là khu vực thích hợp cho nghiên cứu vấn đề nhiệt độ

- 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 đô thị hóa 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, không xét đến các yếu tố tác động về mặt kinh tế - xã hội

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tổng quan về tình hình phát triển, khả năng ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu đô thị, khí hậu / khí tượng; các phương pháp chiết xuất thông tin nhiệt độ; theo dõi diễn biến nhiệt độ, lớp phủ mặt đất

- Đánh giá quá trình phát triển đô thị TPHCM từ phương pháp viễn thám kết hợp GIS và phân tích số liệu thống kê

- Xây dựng phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt có hiệu chỉnh độ phát xạ bằng phương pháp viễn thám để nhận dạng đặc trưng phân bố không gian của trường nhiệt độ bề mặt

- Phân tích biến động nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh viễn thám và nhiệt độ không khí của các trạm đo khí tượng trong và ngoài vùng lân cận TPHCM, qua đó đánh giá ưu thế của viễn thám so với quan trắc khí tượng

- Phân tích sự hình thành “đảo nhiệt đô thị” dưới tác động của đô thị hóa ở TPHCM

- Xác lập các mối quan hệ giữa quá trình đô thị hóa và biến động nhiệt độ cho khu vực TPHCM, qua đó đề xuất một số định hướng xây dựng và quản lý đô thị theo mục tiêu phát triển bền vững

5 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

6 Tính mới của luận án

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 diện 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

- Luận án đã thành công trong việc xây dựng quy trình xác định độ phát xạ và nhiệt độ bề mặt 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 đô thị hóa 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

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

- Hệ thống hóa cơ sở khoa học và phương pháp luận trong nghiên cứu phân bố trường nhiệt độ và tác động của diễn biến phát triển đô thị đến sự thay đổi nhiệt độ, góp phần minh chứng ưu thế của công tác nghiên cứu ứng dụng công nghệ vũ trụ

- Tạo cơ sở khoa học và phát triển công nghệ viễn thám kết hợp hệ thông tin địa lý trong hỗ trợ các quan trắc khí tượng và môi trường

- Làm rõ được mối quan hệ giữa quá trình phát triển đô thị và sự thay đổi nhiệt

độ, tạo nền tảng trong các nghiên cứu về biến đổi khí hậu

Ý nghĩa thực tiễn:

- Kết quả nghiên cứu của luận án về phân bố không gian đô thị và nhiệt độ bề mặt qua các năm sẽ là một trong những cơ sở thực tiễn giúp cho quy hoạch phát triển đô thị bền vững khi xem xét đến các đặc trưng của môi trường khí hậu, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu làm cho môi trường ngày càng nóng bức như hiện nay

- 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 thiểu 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

8 Cơ sở dữ liệu thực hiện luận án

Dữ liệu viễn thám được sử dụng cho luận án gồm 4 năm ảnh chính là năm

1989, 1998, 2002 và 2006 được dùng phân tích cho toàn thành phố, bên cạnh đó, để xem xét sự biến động ở khu vực nội thành 19 quận (được xếp loại vào đô thị) nghiên cứu sinh đã sử dụng thêm 6 năm ảnh vệ tinh 1993, 1994, 1999, 2001, 2003

và 2004 (Bảng 1)

Bảng 1 Ảnh vệ tinh được sử dụng trong luận án

Bộ cảm biến Ngày thu nhận Mức xử lý Khu vực áp dụng

(nguồn: tác giả)

Nguồn dữ liệu khác

Bổ sung cho nguồn dữ liệu viễn thám, các dữ liệu khác dưới dạng GIS và số

đo quan trắc cũng được sử dụng cho luận án bao gồm:

Bản đồ nền địa hình: Bản đồ nền địa hình tỷ lệ 1:50.000 ở dạng số theo hệ

tọa độ quốc gia VN2000, cung cấp các thông tin địa hình như mạng lưới thủy văn, giao thông, địa giới hành chính

Bản đồ chuyên đề: Bản đồ chuyên đề về hiện trạng sử dụng đất ở dạng số

cung cấp thông tin tham khảo cho việc lấy mẫu trên các ảnh vệ tinh lịch sử, bao gồm bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 1995, 2000 và 2005 cùng ở tỷ lệ 1:50.000, riêng bản đồ năm 1995 có tỷ lệ 1:100.000

Thông tin thực địa: được sử dụng cho phân tích ảnh viễn thám Một đợt thực

địa khu vực nghiên cứu đã được nghiên cứu sinh tiến hành vào năm 2006 và đầu năm 2007 nhằm thu thập các thông tin mẫu cho việc xử lý ảnh viễn thám cũng như

sử dụng làm các thông tin kiểm chứng sau phân loại

Số đo quan trắc nhiệt độ: bao gồm hai loại: (1) Số đo nhiệt độ không khí

trung bình nhiều năm từ năm 1989-2006 tại trạm đo khí tượng Tân Sơn Hoà nhằm

để phân tích diễn biến nhiệt độ không khí và (2) Số đo quan trắc thực nghiệm nhiệt

độ bề mặt 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

9 Khối lượng và cấu trúc luận án

Không kể phần mục lục, phụ lục và tài liệu tham khảo, luận án được trình bày trong 153 trang đánh máy với 33 bảng, 42 hình ảnh và 149 tài liệu tham khảo

và được trình bày như sau:

• Mở đầu

• Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu nhiệt độ bề mặt và đô thị hóa

• Chương 2: Cơ sở phương pháp luận và hệ phương pháp nghiên cứu

• Chương 3: Kết quả biến động đô thị và nhiệt độ bề mặt TPHCM giai đoạn 1989-2006

• Chương 4: Xu hướng phát triển đô thị và quan hệ giữa đô thị hóa và nhiệt độ

bề mặt ở TPHCM

• Kết luận và kiến nghị

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ

BỀ MẶT VÀ ĐÔ THỊ HÓA

1.1 Tình hình nghiên cứu nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh

1.2 Tình hình nghiên cứu đô thị hóa

1.3 Vai trò của các yếu tố đô thị hóa trong biến đổi khí hậu đô thị

1.4 Các nghiên cứu về quan hệ nhiệt độ bề mặt

và các đối tượng bề mặt đô thị từ kỹ thuật viễn thám

để đặc trưng các thay đổi khí hậu Các mục đích khoa học không chỉ quan sát mà còn xác định nguyên nhân và hệ quả của các hiện tượng thay đổi khí hậu này Do

đó, xác định nhiệt độ bề mặt trong mọi hoạt động và dài hạn là mối quan tâm thường xuyên của các nhà khoa học Đối với các khu vực lớn và ở quy mô không gian của nhiều mô hình tuần hoàn, nhiệt độ bề mặt chỉ có thể được trích xuất từ các

bộ cảm biến trên vệ tinh cung cấp toàn cảnh bề mặt Trái Đất Hơn nữa, đo đạc nhiệt

độ bề mặt ở các khu vực không thể đến được chỉ có thể sử dụng các thiết bị đo đặt trên các vệ tinh Viễn thám có thể đo lường các đặc tính nhiệt của bề mặt lớp phủ hoặc khí quyển như bức xạ điện từ phát ra, phản xạ, tán xạ hay truyền dẫn Các thiết

bị thụ động như bức xạ kế, cảm nhận phát xạ từ đối tượng và trong các dải bước sóng thích hợp, có thể được dùng để suy diễn nhiệt độ từ các bức xạ đo được

Đo lường nhiệt độ từ xa với việc sử dụng các nhiệt kế trên vệ tinh đã bắt đầu

từ cuối những năm 1950 và đo lường nhiệt độ bề mặt từ viễn thám vào những năm đầu 1960 với việc phóng vệ tinh TIROS-II Tuy nhiên, khái niệm đầy đủ cũng như

sơ đồ thực hiện tính nhiệt độ bề mặt chỉ mới bắt đầu vào đầu những năm 1980 [110] Qua nhiều thập kỷ, các kỹ thuật để đo lường nhiệt độ bề mặt từ phương pháp

đo bức xạ trong không gian được cải tiến về mặt phương pháp, thiết bị đo cũng như tính toán Các kỹ thuật tiên tiến hiện tại cho phép định lượng các hiệu ứng khí quyển và bề mặt khá tốt Tuy nhiên, phương pháp đạt kết quả nhanh và tốt chỉ đối với việc ước tính nhiệt độ bề mặt nước biển (Sea Surface Temperature - SST) Các

số đo SST hiện được đo từ bức xạ kế AVHRR trên loạt vệ tinh NOAA của Mỹ, ATSR trên các vệ tinh viễn thám Châu Âu (ERS) và bức xạ phổ kế MODIS trên vệ tinh Terra

Thành công trong việc ước tính SST đã giúp cho các nhà khoa học tiên lượng tương tự cho việc tính nhiệt độ bề mặt Tuy nhiên, việc ước tính nhiệt độ bề mặt khá phức tạp và hiện nay vẫn đang còn được nghiên cứu để tìm kiếm mô hình tính toán đạt độ chính xác mong muốn Nhiệt độ bề mặt bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi độ phát

xạ bề mặt lớp phủ và hiệu ứng của khí quyển.Nếu tách việc suy giảm bức xạ truyền dẫn do khí quyển, vấn đề phức tạp là còn do độ phát xạ bề mặt của vật thể thay đổi cao Nhưng bề mặt đất khá phức tạp, phạm vi động của độ phát xạ rộng hơn và có thể thay đổi trên các khoảng cách ngắn Hơn nữa, việc tính giá trị nhiệt độ bề mặt cũng khó khăn do nhiệt độ bề mặt trích xuất được đại diện cho toàn bộ pixel, trong khi nhiệt độ điểm đo có thể thay đổi trên các khoảng cách ngắn Vì vậy, số đo thực

tế chỉ có thể đối với các khu vực đồng nhất như lớp thực vật dày đặc, vùng hoang mạc…, còn đối với các khu vực khác việc đo đạc được thực hiện khi sử dụng dữ liệu ước tính hoặc độ chính xác suy luận từ các kết quả đo thực tế trên các khu vực đồng nhất

Vùng bước sóng điện từ 3-35μm thường được gọi 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 Bức xạ hồng ngoại

nhiệt trong dải 8-14μm được phát ra từ bề mặt tương quan với nhiệt độ và độ phát

xạ bề mặt và viễn thám vùng này được dùng để khôi phục giá trị nhiệt độ bề mặt Tuy nhiên, có hai vấn đề chính cần phải giải quyết để đạt được nhiệt độ và độ phát

xạ 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 bởi các khí, chủ yếu là hơi nước trong vùng hồng ngoại của phổ điện từ Vì vậy, để đạt được nhiệt độ bề mặt, 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 độ phát xạ Nếu bức xạ nhiệt được đo trong N kênh, thì sẽ có N+1 tham số không biết gồm N lớp độ phát xạ

và 1 lớp nhiệt độ bề mặt Do đó, ước tính độ phát xạ và nhiệt độ trong dữ liệu hồng ngoại nhiệt đa phổ cần các giả thiết bổ sung để giải biến không xác định [138], [93] Các giả thiết thường liên quan đến các đo đạc độ phát xạ trong phòng thí nghiệm hoặc trên thực tế

Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu tính tách biệt độ phát xạ và nhiệt độ bề mặt, lúc đó giả thiết độ phát xạ là hằng số (phương pháp chuẩn hóa độ phát xạ NEM

và NOR) hoặc nhiệt độ là hằng số (phương pháp tỷ số phổ), biến không biết sẽ được tính và biến hằng số đã được giả thiết sẽ được tính lại tiếp sau đó Hoặc yêu cầu biết trước thông tin bề mặt như phương pháp NDVI để tính độc lập độ phát xạ Hoặc tính đồng thời cả hai trong cùng một mô hình (phương pháp tách nhiệt độ và độ phát xạ TES) [62] Hầu hết các phương pháp này đều ứng dụng cho các bộ cảm biến nhiệt có từ 2 kênh trở lên Các phương pháp ước tính nhiệt độ bề mặt có mục đích là

bù cho các hiệu ứng khí quyển và hiệu ứng góc như phương pháp kênh đơn, kỹ thuật tách cửa số hoặc phương pháp đa kênh và phương pháp đa góc [62] Các phương pháp này 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

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

Phạm Văn Cự và cộng sự (2004) [59] đã tính thử nghiệm nhiệt độ bức xạ từ ảnh viễn thám ASTER cho khu vực nội thành Hà Nội vào năm 2003 Tác giả Trần Thị Vân (2005) và (2006) [130], [29] khai thác kênh nhiệt của ảnh LANDSAT ETM+

để tính khôi phục nhiệt độ cho khu vực phía bắc thành phố Hồ Chí Minh Tuy nhiên, các nghiên cứu này chỉ mới dừng ở mức tính toán nhiệt độ bức xạ trên vệ tinh mà chưa xem xét đến yếu tố độ phát xạ để chuyển về nhiệt độ bề mặt thực Có xem xét đến ảnh hưởng của độ phát xạ vật thể có thể kể đến công trình của tác giả

Lê Văn Trung và cộng sự (2006) và (2007) [92], [25] đã tính toán thành lập bản đồ nhiệt độ cho toàn TPHCM bằng phương pháp NOR và REF, nhưng tác giả đã dùng

độ phát xạ chỉ là một hằng số cho toàn bộ ảnh Các tác giả Trần Hùng và cộng sự (2002a) và (2002b) [128], [129], Hồ Tống Minh Đình và cộng sự (2007) [76] đã cho kết quả chi tiết hơn cho từng loại bề mặt thực khi sử dụng số liệu độ phát xạ kết quả và các hệ số hiệu chỉnh có sẵn từ các văn liệu của các tác giả nước ngoài Các

số liệu về độ phát xạ này mang tính “vay mượn” của nước ngoài và chỉ áp dụng cho từng nhóm đối tượng (thực vật, đất, nước…), không thể hiện sự thay đổi chi tiết độ phát xạ của từng đối tượng cụ thể Vì vậy, kết quả không phản ánh được nhiệt độ bề mặt thực từ các giá trị độ phát xạ bề mặt thực của vật thể trên khu vực nghiên cứu của mình, điều này dễ dẫn đến kết quả tính chưa chính xác so với thực tế Hơn nữa, hầu hết các nghiên cứu này chưa có đánh giá kiểm chứng kết quả tính toán với số

đo quan trắc thực tế

1.1.2 Tổng quan phương pháp tính nhiệt độ bề mặt

Các phương pháp ước tính nhiệt độ bề mặt có mục đích là bù cho các hiệu ứng khí quyển và hiệu ứng góc Tổng hợp có 3 phương pháp ước tính nhiệt độ bề mặt , các phương pháp này đều yêu cầu biết trước thông tin phát xạ bề mặt

1.1.2.1 Phương pháp kênh đơn

Phương pháp này bao hàm hiệu chỉnh khí quyển của các số đo trong một kênh thuộc cửa sổ khí quyển thứ hai (8 - 14µm) Các phương pháp này yêu cầu thông tin chính xác về phân bố theo chiều ngang và chiều thẳng đứng của số đo nhiệt độ và hơi nước trong khí quyển Thông tin đó có thể thu được từ các máy

radio, các dụng cụ đo âm trên vệ tinh Khi sử dụng các mô hình truyền bức xạ (ví

dụ, MODTRAN) phương pháp dựa vào mô phỏng các số đo ở giới hạn trên của khí quyển (TOA), đối với cột khí quyển cho trước, trên phạm vi của các biến liên quan

bề mặt (nhiệt độ, độ cao và độ phát xạ), vị trí Mặt Trời, các biến liên quan vệ tinh (góc quét, góc thiên đỉnh của vệ tinh) Sau đó, hiệu chỉnh khí quyển đối với mỗi mặt cắt được dẫn xuất từ các kết quả mô phỏng và các biến bề mặt đã biết Khi đó dữ liệu mặt cắt khí quyển tách riêng lẻ theo thời gian và không gian, Nhiệt độ bề mặtvà các số hiệu chỉnh khí quyển thu được bằng cách nội suy các số tính toán này Do phương pháp dựa trên mô phỏng các điều kiện thực, kết quả này chính xác nhất Tuy nhiên, nó lại yêu cầu thông tin chính xác của khí quyển bên cạnh số đo độ phát

xạ bề mặt đã biết trước

1.1.2.2 Kỹ thuật cắt cửa sổ

Cửa sổ khí quyển thứ hai (8-14µm) chứa các kênh của hầu hết các vệ tinh khí tượng đang điều hành và đủ rộng để cho phép quan sát trong nhiều kênh Kỹ thuật

cắt cửa sổ (SWT) sử dụng tính hấp thụ khác nhau giữa hai kênh trong cửa sổ này để

loại trừ ảnh hưởng của khí quyển và tính TS như là tổ hợp của cả hai TBTOA Đối với dải phổ hồng ngoại nhiệt, sau khi giả thiết rằng bức xạ đến từ bề mặt và khối khí quyển bên trên, phương trình truyền bức xạ được tính như sau:

k B (T)

1

1)T(

B và Ta là nhiệt độ trung bình của khí quyển Đối với hai kênh trong cửa sổ thứ hai người ta giả thiết rằng: (1) các hàm đóng góp của chúng tương tự nhau, vì vậy, Ta là tương đương và (2) sự khác biệt trong độ truyền xạ là do độ hấp thụ khác nhau từ hơi nước trong hai kênh và không phải do sự khác biệt của độ phát xạ Lúc đó sau khi đưa vào công thức của Planck đẳng thức (1.1), ví dụ đối với hai kênh 4 và 5 của AVHRR, sẽ có dạng đơn giản nhất của SWT:

a và b là các hệ số tính đến trạng thái xáo trộn của khí quyển và độ phát xạ biết trước được tính vào trong một các hệ số này Cho dù việc tính toán đơn giản, SWT này không phải luôn luôn là đúng, do các hệ số này hoàn toàn thực thi chỉ đối với

dữ liệu được dùng để dẫn xuất ra chúng và không phải lúc nào cũng phản ảnh đúng thực tế Đối với độ phát xạ và hơi nước thay đổi mạnh, kết quả tính nhiệt độ bề mặt

sẽ cho sai số lớn Phương pháp này chỉ dễ thực hiện trên vùng đại dương nơi mà độ phát xạ có thể được giả thiết hoặc được đo trực tiếp từ các dụng cụ đo bức xạ, điều này khá phức tạp đối với các bề mặt đất [62]

1.1.2.3 Phương pháp đa góc

Phương pháp dựa trên nguyên tắc tương tự SWT, nhưng sự hấp thụ khác nhau là do các chiều dài đường đi trong khí quyển khác nhau đối với các góc quan sát khác nhau Các số đo có thể được thực hiện từ một vệ tinh hoặc đồng thời từ hai

vệ tinh, ví dụ như Meteosat và TIROS-N Bộ cảm biến thứ nhất theo cách thức hai góc sẵn có là ATSR trên vệ tinh ERS-1 ASTR đo ở góc gần thiên đỉnh (0o-22o) và

ở góc nhìn phía trước (55o) Giả thiết rằng sự thay đổi góc của LSE là bỏ qua đối với các quan sát <60o, Prata (1996) [108] đã dẫn xuất phương pháp góc đôi cho ASTR Đối với bộ cảm biến thứ hai, Sobrino và cộng sự (1996) [123] đã đề nghị một trình tự cải tiến như sau:

2

1 0 a k a k 2

0 f k 2

1 n k s k

a

aa)T(B)T(Ba

a)T(Ba

a)T(B)T(B

2

1 0 a a n 2

1 0 2

0 B B B

aa)TT(Pa

aa1a

a)TT(TT

f n f

Trong đó, Pn là tham số với kích thước của nhiệt độ và đạt được bằng cách hiệu chỉnh đến hàm số Planck [110] Sobrino và cộng sự (1996) [123] đã chứng minh rằng phương pháp góc tốt hơn SWT nếu biết trước các thay đổi về phổ và góc của

độ phát xạ bề mặt Tuy nhiên, khi tách khỏi giả thiết rằng cột khí quyển là đồng nhất theo không gian, kỹ thuật này yêu cầu một trong các số đo phải được thực hiện đối với đường đi dài hơn một cách đáng kể; ngược lại thì giải thuật này không ổn định [108] Hơn nữa, yêu cầu cần phải biết trước về thay đổi góc của độ phát xạ bề mặt và tính đẳng hướng của bức xạ rời khỏi bề mặt do các cấu trúc, mà điều này thì không dễ dàng thực hiện ở độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh

1.1.3 Tổng quan phương pháp tính độ phát xạ

Có nhiều phương pháp tính độ phát xạ bề mặt từ dữ liệu của các bộ cảm biến

vệ tinh hiện hành Chúng sử dụng dữ liệu viễn thám từ các kênh hồng ngoại trung

và hồng ngoại nhiệt, thậm chí cả kênh nhìn thấy và hồng ngoại gần Có thể kể ra các phương pháp đó là: phương pháp kênh đơn tham khảo của Kahle và nnk (1980), phương pháp độ phát xạ đã chuẩn hóa (NEM) của Gillespie (1985), phương pháp tỷ

số phổ (Watson, 1992), số dư alpha (Kealy và Gabell, 1990; Kealy và Hook, 1993), chỉ số phổ hồng ngoại nhiệt – TISI (Becker and Li, 1990), phương pháp tách độ phát xạ và nhiệt độ (TES) sử dụng sự khác biệt cực tiểu và cực đại của độ phát xạ (Gillespie et al., 1996), sử dụng NDVI (Van de Green and Owe, 1993; Valor and Caselles, 1996), hay phương pháp độ phát xạ dựa trên phân loại sử dụng mô hình hàm phân bố phản xạ hai hướng (BRDF) của Snyder và nnk (1998) Các phương pháp tính độ phát xạ hoặc là tương đối hoặc là tuyệt đối Phương pháp tương đối ước tính hình dạng phổ hoặc tỷ lệ của độ phát xạ, trong khi phương pháp tuyệt đối ước tính độ phát xạ tuyệt đối định hướng và dựa trên các giả thiết tới hạn (bài toán không xác định) (Tham khảo từ [62])

Một số phương pháp giả thiết ban đầu độ phát xạ là hằng số (ví dụ 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 Các giải thuật được phát triển dùng dữ liệu đa phổ cho kết quả nhiều triển vọng như 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 TISI là phương pháp thô đối với ước tính độ phát xạ tương đối Tuy nhiên, khi giả thiết rằng các tỷ số độ phát xạ cho dữ liệu ngày và đêm không thay đổi, phương pháp có thể được dùng để tính độ phát xạ tuyệt đối Do phương pháp dựa trên cơ sở vật lý, nghĩa là không sử dụng quan hệ thực nghiệm, nó

có thể tính được động lực học của độ phát xạ và không bị giới hạn đến diện tích thực vật Tuy nhiên, phương pháp cũng chỉ có thể ứng dụng cho ảnh vệ tinh có từ hai kênh trở lên

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐÔ THỊ HÓA

1.2.1 Đô thị hóa và tăng trưởng đô thị

Đô thị ra đời từ rất lâu, nó hình thành, phát triển là để đáp lại nhu cầu của sự phát triển xã hội và luôn luôn biến động Khái niệm về đô thị hóa trong các tài liệu, các công trình nghiên cứu khoa học và chuyên môn trên thế giới rất đa dạng và khác nhau Đó là vì đô thị hóa chứa đựng nhiều hiện tượng và biểu hiện khác nhau; các nhà nghiên cứu cũng quan sát, xem xét từ các góc độ và khía cạnh khác nhau [2]

TS Võ Kim Cương cho rằng “Đô thị hóa là một quá trình biến đổi các khu vực lãnh thổ trở thành đô thị Khu vực lãnh thổ ban đầu có thể là đất nông-lâm nghiệp, đất trống đồi trọc hay khu dân cư nông thôn Đối với một quốc gia, đô thị hóa gồm hai quá trình, quá trình mở rộng các đô thị hiện có và quá trình hình thành các đô thị mới [7]

Theo quan điểm của GS Đàm Trung Phường thì “Đô thị hóa là một quá trình diễn thế về kinh tế - xã hội – văn hóa – không gian gắn liền với những tiến bộ khoa học kỹ thuật, trong đó diễn ra sự phát triển nghề nghiệp mới, sự chuyển dịch cơ cấu lao động, sự phát triển đời sống văn hóa, sự chuyển đổi lối sống và sự mở rộng phát triển không gian thành hệ thống đô thị, song song với tổ chức bộ máy hành chính, quân sự” [13]

Các nước phát triển có mức độ đô thị hóa cao (trên 80%) hơn nhiều so với các nước đang phát triển (như Việt Nam hay Trung Quốc) (khoảng 30%) Đô thị các nước phát triển phần lớn đã ổn định nên tốc độ đô thị hóa thấp hơn nhiều so với trường hợp các nước đang phát triển [22]

Đô thị hóa gắn liền với tăng trưởng đô thị Tăng trưởng đô thị được tính trên

cơ sở sự gia tăng của đô thị về kích thước (dân số và diện tích) ban đầu của đô thị Đối với mỗi thành phố xác định, tốc độ đô thị hóa cũng chính là tốc độ tăng trưởng

đô thị Tốc độ tăng dân số bao gồm tốc độ tăng dân số tự nhiên và tốc độ tăng dân

số cơ học Do việc tăng trưởng dân số nhanh chóng khiến cho việc mở rộng diện tích đô thị gia tăng, từ đó hình thành nên các khu đô thị mới Sự tăng trưởng dân số

đô thị vừa là kết quả vừa là nguyên nhân của sự phát triển kinh tế - xã hội Quá trình này thường diễn ra với tốc độ quá nhanh và tạo ra hàng loạt vấn đề gay cấn đối với cuộc sống con người, tạo ra sự thiếu cân bằng trong phân bố dân cư và nguồn lao động theo vùng lãnh thổ, khả năng cung ứng lương thực, thực phẩm, vấn đề tiêu hao nhiên liệu, năng lượng… [19] Hiện nay việc hạn chế phát triển dân số đã trở thành chiến lược toàn cầu [14]

1.2.2 Các mô hình đô thị hóa

Theo tác giả Võ Kim Cương, trên phạm vi quốc gia, hiện nay đang tồn tại hai quan điểm về đô thị hóa để tiến tới xoá bỏ ranh giới thành thị và nông thôn Đó là quan điểm “điểm” và “diện”

Quan điểm “điểm” hướng việc tập trung dân số vào các đô thị lớn và siêu đô thị Quan điểm “diện” hướng tới việc nâng cao trình độ văn minh ở mọi nơi lên trình độ văn minh đô thị Kinh nghiệm nhiều nước cho thấy việc đô thị hóa theo

“điểm” có hiệu quả về kinh tế cao hơn, vì năng suất lao động, các cơ hội kinh doanh, hiệu quả đầu tư cơ sở hạ tầng ở thành phố lớn thường cao hơn thành phố nhỏ

và vùng nông thôn Tuy nhiên các thành phố cực lớn lại nảy sinh ra nhiều yếu tố bất lợi về môi trường sinh thái và môi trường xã hội, đồng thời việc tập trung phát triển vào các đô thị lớn trong một thời gian dài tạo nên sự cách biệt quá xa giữa đô thị và nông thôn, giữa người giàu và người nghèo

Đối với một đô thị, quá trình đô thị hóa cũng có thể xảy ra theo các mô hình khác nhau Tùy theo ý đồ quy hoạch, khả năng quản lý phát triển có thể có các mô hình sau:

- Phát triển lan toả, đô thị phát triển dần theo các trục giao thông tạo thành siêu

đô thị (Mega City)

- Phát triển các đô thị phụ cận – là các đô thị nhỏ bao quanh một đô thị lớn tạo thành chùm đô thị, khoảng cách giữa các đô thị là khoảng xanh (đất rừng, đất nông nghiệp…) và nối với nhau bằng các hành lang kỹ thuật

- Mô hình hỗn hợp, vừa phát triển mở rộng bán kính đô thị vừa phát triển các

và điều tiết các mối quan hệ giữa các đô thị để cùng phát triển, phát huy được mặt mạnh và hạn chế các mặt yếu do sự tác động của thị trường gây ra [7]

Quá trình phát triển đất nước là quá trình đô thị hóa và tăng trưởng đô thị Trong quá trình đó, luôn luôn phải giải bài toán khai thác tài nguyên, tận dụng nguồn lực để đảm bảo sự cân bằng ổn định của đô thị trước mắt và lâu dài, đó chính

là bài toán quản lý đô thị bền vững

1.2.3 Tình hình nghiên cứu đô thị hóa ở TPHCM

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 [24] Ở những năm giữa thập niên 90, Giáo sư Đàm Trung Phường đã có nghiên cứu hệ thống, toàn diện về đô thị Việt Nam qua bộ sách cùng tên đã xuất bản năm 1995 Mục tiêu của bộ sách này là đánh giá thực trạng mạng lưới đô thị Việt Nam và nghiên cứu những định hướng phát triển trong bối cảnh đô thị hóa của thế giới và bước công nghiệp hóa, hiện đại hóa của thời kỳ đổi mới của tổ quốc [13] và [14]

TPHCM là thành phố - đô thị lớn nhất nước, quá trình đô thị hóa đã làm thay đổi diện mạo phố phường qua các công trình kiến trúc xây dựng, cơ sở hạ tầng, chất lượng và tiện nghi sinh hoạt… “Tốc độ đô thị hóa nhanh chóng TPHCM đã góp phần thúc đẩy sự tích tụ và tập trung của đô thị theo hướng lan tỏa, làm tăng hiệu suất của nền kinh tế đô thị và đóng góp to lớn cho tăng trưởng GDP của thành phố” [33] Nghiên cứu về đô thị hóa cho TPHCM, đã có 2 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 là Lê Hồng Liêm và Nguyễn Thị Thu Thủy [11], [24] 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 [26], [27], [22] 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 Báo cáo thuyết minh bản đồ hiện trạng sử dụng đất TPHCM năm 2000 có ghi rõ: “Thực tế sự biến động đất đai tại TPHCM hiện nay chủ yếu là do tốc độ đô thị hóa quá nhanh: sự hình thành năm quận mới, sự biến động về dân số có nhu cầu về nhà ở tăng cao, sự phát triển về kinh tế-văn hóa-xã hội… Tuy nhiên, về mặt số liệu, tài liệu, bản đồ nền sử dụng hiện nay phần lớn đã quá cũ so với hiện trạng, số lượng bản đồ địa chính chính quy được sử dụng quá ít nên đã ảnh hưởng nhiều đến việc thống kê diện tích các cấp một cách chính xác nên hầu hết các phường-xã đều phải

đi thực tế để chỉnh lý biến động cho phù hợp với tình hình thực tế hiện trạng sử dụng đất của địa phương mình nhằm xây dựng số liệu thống kê về cơ cấu sử dụng đất và xây dựng bản đồ HTSDĐ đạt theo yêu cầu đặt ra” [17] Vì vậy cần thiết phải

có một hệ thống và phương pháp giúp cho việc cập nhật biến động nhanh chóng phục vụ cho việc ra quyết định nhanh chóng về quản lý đô thị, đồng thời giảm thiểu bớt nhiều chi phí thực địa khảo sát

Có nhiều phương pháp khác nhau cũng như nhiều cách tiếp cận khác nhau có thể được lựa chọn để nghiên cứu quá trình đô thị hóa qua sự thay đổi lớp phủ đô thị Trong các phương pháp nghiên cứu, phương pháp viễn thám và GIS là những phương pháp hiện đại, là những công cụ mạnh có khả năng giúp giải quyết những

vấn đề ở tầm vĩ mô (về không gian) trong thời gian ngắn như đã được nhiều tác giả

đề cập trong theo dõi biến động đô thị, nghĩa là đánh giá không chỉ các biến động về mặt diện tích mà cả về không gian diễn ra các biến động này [3], [8] Tuy nhiên việc áp dụng chúng vào những hoàn cảnh cụ thể cũng rất cần được nghiên cứu để tìm ra những cách tiếp cận hợp lý cũng như đánh giá khả năng của chúng một cách đúng đắn

1.2.4 Điều kiện địa lý và tình hình phát triển đô thị TPHCM

1.2.4.1 Vị trí địa lý

Thành phố Hồ Chí Minh (TPHCM) nằm trong tọa độ: 10o10’ – 10o38’ vĩ độ Bắc, 106o22’ – 106o54’ kinh độ Đông Phía Bắc giáp tỉnh Bình Dương, Tây Bắc giáp tỉnh Tây Ninh, Đông và Đông Bắc giáp tỉnh Đồng Nai, Đông giáp tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, Tây và Tây Nam giáp tỉnh Long An và Tiền Giang, Nam giáp biển Đông với bờ biển dài 15km (hình 1.1)

Hình 1.1 Vị trí khu vực nghiên cứu và cao độ địa hình Thành phố Hồ Chí Minh

Theo số liệu thống kê năm 2006, TPHCM có 24 quận huyện, với 317 phường xã Khu vực nội thành gồm 19 quận: 1, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 11, Phú Nhuận, Bình Thạnh, Gò Vấp, Tân Bình, Tân Phú (nội thành cũ) và các quận 2, 7, 9, 12, Thủ

Khu vực nghiên cứu

Sông chính

Đường giao thông

Đức và Bình Tân (nội thành mở rộng) Khu vực ngoại thành gồm 5 huyện: Củ Chi, Hóc Môn, Bình Chánh, Nhà Bè và Cần Giờ Diện tích tự nhiên thành phố là 2.095,10km2, nội thành 494,01km2 chiếm 23,58%, ngoại thành 1601km2 chiếm 76,42%

TPHCM nằm trong vùng chuyển tiếp giữa Đông Nam Bộ và Đồng bằng sông Cửu Long Địa hình tổng quát có dạng thấp dần từ Bắc xuống Nam và từ Đông sang Tây và có thể chia thành 3 tiểu vùng địa hình:

- Vùng cao nằm ở phía Bắc – Đông Bắc và một phần Tây Bắc (thuộc huyện

Củ Chi, Đông Bắc quận Thủ Đức và quận 9), với dạng địa hình lượn sóng,

độ cao trung bình 10 – 25m xen kẽ có những đồi gò cao nhất tới 32m, như khu đồi Long Bình (Quận 9)

- Vùng thấp trũng ở phía Nam – Tây Nam và Đông Nam thành phố (thuộc các quận 7, 8, 9 và các huyện Bình Chánh, Nhà Bè, Cần Giờ) Vùng này có độ cao trung bình trên dưới 1m và cao nhất 2m, thấp nhất 0,5m

- Vùng trung bình, phân bố ở khu vực trung tâm thành phố, gồm phần lớn nội thành cũ, một phần các quận 2, Thủ Đức, toàn bộ quận 12 và huyện Hóc Môn Vùng này có độ cao trung bình 5 – 10m

Nhìn chung địa hình TPHCM không phức tạp, song cũng khá đa dạng, có điều kiện để phát triển nhiều mặt

1.2.4.2 Tình hình phát triển đô thị TPHCM

Theo tài liệu của nhiều tác giả [9], [18], [28], Sài Gòn – TPHCM đã được bán chính thức thành lập từ năm 1679 thông qua việc xây dựng các công trình đồn binh, trạm thuế của chúa Nguyễn Quá trình phát triển không gian đô thị Sài Gòn – TPHCM tóm lược như sau:

1698 – 1772: năm 1698 Thống suất Nguyễn Hữu Cảnh lập Phủ Gia Định với Sài Gòn là huyện Tân Bình, dựng dinh Phiên Trấn; 1772 Tướng Điều khiển Nguyễn Cửu Đàm xây lũy Bán Bích Dân cư thưa thớt