Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)

Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT BẰNG ẢNH VỆ TINH LANDSAT KHU VỰC HÀ NỘI

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

TRẦN THỊ HUẾ

HÀ NỘI, NĂM 2017

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT BẰNG ẢNH VỆ TINH LANDSAT KHU VỰC HÀ NỘI

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

Cán bộ hướng dẫn chính: TS Nguyễn Tiến Thành

Cán bộ chấm phản biện 1: TS Chu Hải Tùng

Cán bộ chấm phản biện 2: TS Phạm Minh Hải

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Ngày 31 tháng 12 năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn “Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội” một công trình nghiên cứu khoa học độc lập cùng với sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

Hà Nội, ngày 31 tháng 12 năm 2017

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Trần Thị Huế

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.Nguyễn Tiến Thành, người đã hướng dẫn tận tình, chu đáo và định hướng cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Trắc địa - Bản đồ trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, những người đã giúp tôi

có đủ kiến thức cũng như kinh nghiệm trong suốt quá trình học tập, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn Trung ương đã cung cấp số liệu giúp tôi hoàn thành luận văn

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ, động viên khích lệ và chia sẻ cùng tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Học viên

Trần Thị Huế

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

THÔNG TIN LUẬN VĂN vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 4

1.1 Khái quát về nhiệt độ bề mặt đất 4

1.1.1 Khái niệm nhiệt độ bề mặt đất 4

1.1.2 Cán cân nhiệt của mặt đất 5

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt đất 6

1.2 Khái quát về viễn thám và ảnh vệ tinh Landsat 8

1.2.1 Giới thiệu về viễn thám 8

1.2.2 Giới thiệu chung về dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 11

1.2.3 Khả năng ứng dụng của viễn thám trong nghiên cứu xác định nhiệt độ bề mặt đất từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 15

1.3 Tình hình nghiên cứu về nhiệt độ bề mặt đất bằng ảnh vệ tinh Landsat ở trên thế giới và tại Việt Nam 18

1.3.1 Thế giới 19

1.3.2 Việt Nam 21

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT TỪ ẢNH VỆ TINH LANDSAT 23

2.1 Cơ sở khoa học xác định nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 23

2.1.1 Cơ sở lý thuyết xác định nhiệt độ bề mặt 23

2.1.2 Phương pháp tính toán xác định nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 26

2.2 Đánh giá độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 35

2.3 Quy trình xác định nhiệt độ bề mặt và đánh giá độ chính xác xác định nhiệt độ

bề mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 37

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT TỪ ẢNH VỆ TINH LANDSAT TẠI KHU VỰC HÀ NỘI 38

3.1 Khu vực nghiên cứu 38

3.1.1 Vị trí địa lý 38

3.1.2 Đặc điểm tự nhiên 39

3.1.3 Điều kiện kinh tế - xã hội 41

3.2 Tư liệu sử dụng 43

3.3 Thực nghiệm xác định nhiệt độ bề mặt khu vực thành phố Hà Nội 44

3.3.1 Tiền xử lý ảnh vệ tinh Landsat 45

3.3.2 Xác định nhiệt độ bề mặt khu vực thành phố Hà Nội 46

3.3.3 Thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt thành phố Hà Nội 48

3.4 Đánh giá độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt khu vực thành phố Hà Nội 49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

VIẾT TẮT

7

Mapper Plus

Bộ cảm bản đồ chuyên đề nâng cao

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Hiệu nhiệt độ của đất tại sườn dốc hướng Nam và hướng Bắc ở độ sâu

10cm vào tháng 7 ( dốc nghiêng 20 – 22 độ) 7

Bảng 1.2 Các thế hệ vệ tinh Landsat 12

Bảng 1.3 Một số thông số các kênh phổ của ảnh vệ tinh Landsat 8 13

Bảng 1.4 Ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat 8 14

Bảng 2.1 Giá trị M L , A L đối với ảnh Landsat 8 26

Bảng 2.2 Các giá trị tầm nhìn ban đầu trong FLAASH 31

Bảng 2.3 Giá trị K 1 , K 2 đối với ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat 8 34

Bảng 2.4 Giá trị các hằng số 35

Bảng 3.1 Thống kê cảnh ảnh sử dụng để tính LST 44

Bảng 3.2 Số liệu nhiệt độ được đo tại các trạm quan trắc khí tượng và được tính thông qua ảnh vệ tinh Landsat 50

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bản đồ nhiệt độ bề mặt đất toàn cầu tháng 2/2017 4

Hình 1.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám 9

Hình 1.3 Thống kê các ứng dụng của ảnh viễn thám 10

Hình 1.4 Vệ tinh Landsat 8 12

Hình 1.5 Các đám cháy được phát hiện trên toàn cầu (màu đỏ) từ giữa tháng 7 năm 1996 và tháng 8 năm 2010 17

Hình 1.6 Khu vực hình thành đảo nhiệt tại Casablanca 20

Hình 1.7 Bản đồ nhiệt tại Nakuru-Kenya 1989-2016 20

Hình 2.1 Đặc điểm phát xạ nhiệt của vật chất 23

Hình 2.2 Cửa số khí quyển và các vùng phát xạ nhiệt 25

Hình 2.3 Giao diện hiệu chỉnh khí quyển của FLAASH 29

Hình 2.4 Giá trị tính toán hơi nước và nhiệt độ bề mặt từ mô hình khí quyển MODTRAN 30

Hình 2.5 Lựa chọn mô hình MODTRAN dựa vào kinh độ và vĩ độ/dựa vào các mùa trong năm 30

Hình 2.6 Quy trình xác định nhiệt độ bề mặt và đánh giá độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat 37

Hình 3.1 Sơ đồ khu vực nghiên cứu 38

Hình 3.2 Cắt ảnh khu vực thành phố Hà Nội theo ranh giới 45

Hình 3.3 Hiệu chỉnh ảnh hưởng khí quyển 45

Hình 3.4 Chỉ số thực vật NDVI khu vực thành phố Hà Nội 46

Hình 3.5 Độ phát xạ bề mặt khu vực thành phố Hà Nội 47

Hình 3.6 Bản đồ nhiệt độ bề mặt khu vực thành phố Hà Nội 48

Hình 3.7 Mối tương quan giữa kết quả nhiệt độ bề mặt trên ảnh vệ tinh so với nhiệt độ được đo tại các trạm khí tượng trong khu vực Hà Nội 51

THÔNG TIN LUẬN VĂN

Họ và tên học viên: Trần Thị Huế

Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Tiến Thành

Tên đề tài: Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ

tinh Landsat khu vực Hà Nội

Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu đánh giá độ chính xác xác định nhiệt

độ bề mặt cho khu vực Hà Nội dựa trên dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat Kết quả tính toán được đối sánh với số liệu đo thực tế của 5 trạm quan trắc khí tượng để chứng minh tính ưu việt của phương pháp trong điều kiện thực tế Kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp một hướng tiếp cận mới giải quyết cho vấn đề xác định các yếu tố khí tượng liên quan đến quá trình nhiệt, có thể dùng hỗ trợ cho các bài toán môi trường, biến đổi khí hậu, hay quá trình đô thị hóa mạnh mẽ đang diễn ra hiện nay

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Nhiệt độ bề mặt đất được coi là nhiệt độ của lớp nằm giữa bề mặt đất

và khí quyển, được duy trì bởi thành phần đến của bức xạ Mặt trời, bức xạ sóng dài, thành phần thoát đi của bức xạ hồng ngoại từ mặt đất, thông lượng nhiệt hiện và nhiệt ẩn, thông lượng nhiệt đi vào mặt đất Nhiệt độ bề mặt đất

là một thông số quan trọng trong nghiên cứu hiện trạng môi trường, đặc biệt với môi trường đô thị Nhiệt độ bề mặt đất còn là tham số quan trọng trong việc đặc trưng hóa sự trao đổi năng lượng giữa bề mặt đất và khí quyển Chính vì thế, nhiệt độ bề mặt được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu về khí hậu, khí quyển, thủy văn, sinh địa hóa và các nghiên cứu biến động về môi trường, địa chất

Thành phố Hà Nội là một trong những đô thị phát triển bậc nhất của Việt Nam Sự phát triển kinh tế – xã hội và gia tăng dân số không ngừng đã tác động lớn đến sự biến đổi khí hậu, rõ nét nhất là sự tăng lên của nhiệt độ bề mặt đô thị so với các vùng lân cận, hình thành nên “đảo nhiệt” (heat island) trong lớp biên khí quyển bên trên của thành phố, đồng thời cũng ảnh hưởng lớn đến đời sống sinh hoạt và sản xuất của người dân Viễn thám nhiệt thể hiện khá tốt khả năng thám sát trường nhiệt độ này

Nguồn dữ liệu viễn thám sẽ là lý tưởng khi kết hợp với số liệu nhiệt độ tại các trạm quan trắc khí tượng, thông qua các phương pháp khác nhau để thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt đất, thiết lập mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt với sự thay đổi hiện trạng lớp phủ, nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất để theo dõi hỏa hoạn, cháy rừng, … Do đó, công tác đánh giá độ chính xác trong xác định nhiệt độ bề mặt đất là rất quan trọng để kiểm tra tính đúng đắn của kết quả Chính vì các lý do nêu trên, tôi đã chọn đề tài “Khảo sát độ chính xác xác

định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội”

2 Mục tiêu của đề tài:

Khảo sát được độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt khu vực Hà Nội bằng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nhiệt độ bề mặt đối tượng trích xuất từ ảnh vệ tinh có kênh nhiệt với độ phân giải trung bình từ 60m-120m

- Phạm vi nghiên cứu: khu vực Hà Nội

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp thu thập, phân tích và hệ thống hóa thông tin: Thu thập các số liệu, tài liệu chuyên môn, đề tài khoa học có liên quan đã được công

bố, phân tích các tài liệu và các kết quả nghiên cứu, hệ thống hóa thông tin và chọn lọc các thành quả có liên quan đến đề tài;

- Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa: Thu thập, lấy mẫu, chụp ảnh, giải đoán, mô tả các yếu tố liên quan đến nhiệt độ bề mặt thành phố Hà Nội;

- Phương pháp viễn thám: Dùng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat thu thập, xử

lý thành lập bản đồ nhiệt, tính toán nhiệt độ bề mặt đất ;

- Phương pháp GIS: Thành lập bản đồ nhiệt phát xạ bề mặt thành phố Hà Nội, chồng xếp phân lớp thông tin nhiệt độ… ;

- Phương pháp thống kê: Thống kê số liệu nhiệt độ bề mặt đất Hà Nội;

- Phương pháp chuyên gia: Xin ý kiến góp ý của giáo viên hướng dẫn, các nhà khoa học về các vấn đề trong nội dung luận văn

5 Nội dung nghiên cứu:

- Đánh giá tổng quan về tình hình nghiên cứu nhiệt độ bề mặt, thành lập

bản đồ nhiệt trong nước và quốc tế

- Tổng quan cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám trong việc xác định

nhiệt độ bề mặt khu vực thành phố Hà Nội

- Nghiên cứu các đặc điểm về điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội,

các yếu tố ảnh hưởng tới nhiệt độ bề mặt thành phố Hà Nội

- Tính toán nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat cho khu vực

thành phố Hà Nội

- Ứng dụng công nghệ GIS điều tra, khảo sát độ chính xác xác định nhiệt

độ bề mặt bằng ảnh Landsat thành phố Hà Nội trên các trạm đo trong khu vực

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận văn “Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội” là một nghiên cứu có tính ứng dụng công nghệ khoa học cao, đã nghiên cứu một cách hệ thống cơ sở lý thuyết và khả năng ứng dụng của tư liệu ảnh vệ tinh Landsat trong công tác xác định nhiệt độ bề mặt và thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt đất

Nghiên cứu cũng đã chứng minh được việc áp dụng công nghệ viễn thám

và GIS trong quản lý tài nguyên thiên nhiên, quy hoạch đô thị là đúng đắn, có tính hiệu quả cao và phù hợp với thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ là cơ sở để theo dõi những biến động

về khí hậu tại Hà Nội, là một trong những tư liệu hữu ích cho việc quản lý môi trường, giám sát tài nguyên thiên nhiên và quy hoạch đô thị

7 Cấu trúc luận văn

Luận văn về cơ bản có cấu trúc như sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về những vấn đề cần nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở khoa học ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu nhiệt độ bề mặt

Chương 3: Thực nghiệm khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt tại khu vực Hà Nội

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU

1.1 Khái quát về nhiệt độ bề mặt đất

1.1.1 Khái niệm nhiệt độ bề mặt đất

Hình 1.1 Bản đồ nhiệt độ bề mặt đất toàn cầu tháng 2/2017

(Nguồn: Nasa Earth Observations)

Nhiệt độ bề mặt đất được coi là nhiệt độ của lớp nằm giữa bề mặt đất

và khí quyển [1], được duy trì bởi thành phần đến của bức xạ Mặt trời, bức xạ sóng dài, thành phần thoát đi của bức xạ hồng ngoại từ mặt đất, thông lượng nhiệt hiện và nhiệt ẩn, thông lượng nhiệt đi vào mặt đất [2] Nhiệt độ bề mặt đất là một trong các chỉ số vật lý về quá trình cân bằng năng lượng trên bề mặt trái đất, là yếu tố cơ bản quyết định các hiện tượng nhiệt trên mặt đất… Nhiệt độ bề mặt đất còn là một chỉ thị quan trọng của sự cân bằng năng lượng trên bề mặt Trái đất cũng như của hiệu ứng nhà kính Ở vĩ độ trung bình đến

vĩ độ cao, nhiệt độ bề mặt đất có thể thay đổi quanh năm Độ cao cũng đóng một vai trò rõ ràng trong nhiệt độ, như khu vực đồi núi luôn mát hơn các khu vực khác dù ở cũng vĩ độ Nhiệt độ bề mặt đất có mối liên hệ chặt chẽ với các

quá trình biến đổi của môi trường đất, là yếu tố môi trường quan trọng tác động tới các hoạt động sống của sinh vật Do độ nhạy của nhiệt độ bề mặt đất với độ ẩm đất và lớp phủ thực vật, nên nó còn là thành phần quan trọng trong rất nhiều ứng dụng nghiên cứu về khí tượng, thuỷ văn, sinh thái học và sinh địa hoá

Nhiệt độ bề mặt đất khác với nhiệt độ không khí, vì bề mặt đất nóng và lạnh nhanh hơn không khí Mặc dù vậy vẫn có mối quan hệ chặt chẽ giữa nhiệt độ không khí và nhiệt độ bề mặt đất Nhiệt độ không khí thường không biến đổi theo không gian như nhiệt độ bề mặt đất nên có thể đo được dễ dàng hơn, điều này rất cần thiết trong việc nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ không khí và dữ liệu nhiệt độ bề mặt đất thu nhận được từ ảnh vệ tinh

Nhiệt độ bề mặt đất được tính toán trên cơ sở phát xạ của các đối tượng

bề mặt (cây cối, đất đai, nhà cửa, …) quan sát bởi bộ cảm tại các góc nhìn tức thời và năng lượng điện từ đo được trên băng nhiệt hồng ngoại của các bộ cảm đặt trên vệ tinh Nhiệt độ bề mặt đất được tính toán để hỗ trợ các nghiên cứu về thay đổi bề mặt đất như quá trình đô thị hóa, sa mạc hóa, theo dõi hỏa hoạn và các đám cháy rừng, nghiên cứu lớp phủ bề mặt,…

1.1.2 Cân bằng nhiệt của mặt đất

Cân bằng nhiệt của mặt đất được định nghĩa là hiệu số giữa phần năng lượng nhận được và mất đi của mặt đất Nếu cân bằng nhiệt có giá trị dương, mặt đất nóng lên, còn nếu có giá trị âm thì mặt đất sẽ bị lạnh đi Để hiểu được nguyên nhân của sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đất, cần phải xem xét quá trình thu – nhận năng lượng của bề mặt đất

Phương trình cân bằng nhiệt mặt đất được viết dưới dạng [3]:

trong đó:

B: Bức xạ thuần (net radiation)

L: Tiềm nhiệt bốc hơi (latent heat)

E: Lượng nước bốc hơi (evaporation)

V: Lượng nhiệt trao đổi với khí quyển (sensible heat)

P: Lượng nhiệt trao đổi với lớp đất bên dưới bề mặt đất

Ban ngày: B>0; LE, V và P<0; B’>0 Ban đêm: B<0; LE, V, và P>0; B’<0 Vào ban ngày B’ có giá trị dương do nhận được nhiều năng lượng bức

xạ từ mặt trời dẫn đến mặt đất nóng lên Còn vào ban đêm, B’ có giá trị âm do ban đêm mặt đất nhận được năng lượng rất ít không bù được phần năng lượng mất đi do bức xạ sóng dài [3]

Thông thường trong quá trình một ngày một đêm, lượng nhiệt truyền vào sâu bên trong bề mặt đất vào ban ngày gần bằng lượng nhiệt từ các lớp đất sâu truyền ra ngoài vào ban đêm Những biến đổi theo mùa của lượng nhiệt thu vào – tỏa ra trong bề mặt đất trong một năm hầu như được cân bằng Nhiệt độ trung bình/năm của mặt đất do đó ít biến đổi từ năm này sang năm khác

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt đất

Trong thực tế, năng lượng bức xạ trên một vùng rộng là như nhau, song nhiệt độ đất trên từng loại bề mặt đất trong vùng đó lại khác nhau Sự khác biệt đó là do khả năng hấp thụ nhiệt của từng loại đất Sau đây là một số nguyên nhân chính gây nên sự khác biệt giữa nhiệt độ bề mặt đất

ở từng khu vực:

- Độ dẫn nhiệt của đất

Độ dẫn nhiệt của đất là đại lượng dùng để đánh giá khả năng truyền nhiệt của các loại đất Nó có giá trị bằng lượng nhiệt đi qua một đơn vị diện tích là 1cm2 trong một giây làm cho nhiệt độ giảm đi một độ trên 1cm Độ dẫn nhiệt của đất càng lớn thì nhiệt độ của nó biến thiên càng ít

Các loại đất khác nhau thì độ dẫn nhiệt cũng khác nhau, nó phụ thuộc vào các chất cấu tạo nên đất, các loại khoáng trong đất, độ ẩm và độ xốp của đất

- Nhiệt dung thể tích của đất

Nhiệt dung thể tích của đất là nhiệt lượng cần thiết để 1cm3 đất tăng lên hay giảm đi một độ Đất có nhiệt dung càng lớn thì biến thiên nhiệt độ đất

sẽ càng nhỏ Do sự khác biệt giữa nhiệt dung thể tích của nước và nhiệt dung thể tích của không khí nên nhiệt dung của đất phụ thuộc vào lượng nước và lượng không khí chứa trong đất

- Hàm lượng mùn trong đất

Mùn là tác nhân làm giảm nhiệt dung và độ dẫn nhiệt của đất, tăng khả năng giữ nước và hấp thụ bức xạ mặt trời Ở vùng nhiệt đới ẩm, chế độ nhiệt của đất mùn tương đối ôn hòa do có độ ẩm cao, tuy nhiên, nếu là đất mùn thiếu ẩm sẽ có biên độ nhiệt độ cao hơn

- Lớp phủ bề mặt đất

Lớp phủ bề mặt đất là tất cả các thành phần vật chất tự nhiên và nhân tạo bao phủ trên bề mặt trái đất bao gồm các yếu tố thực vật (mọc tự nhiên hoặc được trồng), các công trình kinh tế – xã hội được xây dựng của con người, thổ nhưỡng, nước, đá, đá cẩm thạch, bề mặt cát [4]… Qua từng năm tháng, lớp phủ bề mặt đất không ngừng biến đổi đặc biệt dưới tác động mạnh

mẽ của thiên tai, con người – đó là các hoạt động phát triển kinh tế – xã hội

Bảng 1.1 Hiệu nhiệt độ của đất tại sườn dốc hướng Nam và hướng Bắc ở

độ sâu 10cm vào tháng 7 ( dốc nghiêng 20 – 22 độ) [5]

Đất trống trên sườn dốc nóng lên mạnh hơn so với đất được lớp phủ thực vật che phủ (bảng 1.1) Lớp phủ thực vật che tối bề mặt đất và hấp thụ một lượng bức xạ lớn và thậm chí hấp thụ toàn bộ lượng bức xạ mặt trời đi tới Nhưng cũng vào thời gian này, nó làm mặt đất nóng lên và tạo ra tán xạ hữu hiệu; mặc dù vậy phía dưới lớp phủ thực vật, mùa hè đất lạnh hơn đất

trống và mùa đông - ấm hơn [6]

- Địa hình và địa thế của đất

Trên bề mặt lồi nhiệt độ bề mặt đất sẽ biến thiên ít hơn so với ở bề mặt lõm Ở Bắc bán cầu, đất dốc hướng Nam luôn có nhiệt độ cao hơn hướng Bắc

và ngược lại ở Nam bán cầu Đất dốc có nhiệt độ cao hơn đất bằng phẳng

- Mục đích sử dụng đất

Việc sử dụng đất đai cũng có ảnh hưởng lớn đối với nhiệt độ bề mặt Lượng phát thải khí nhà kính do sử dụng đất và thay đổi mục đích sử dụng đất cũng là nguyên nhân đối với sự gia tăng nhiệt độ bề mặt đất mà nạn chặt phá rừng vẫn còn diễn ra dẫn đến suy thoái rừng là một trong những nguyên nhân chính

Bên cạnh đó, nhiệt độ bề mặt đất còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như:

- Biện pháp canh tác đất đai: Đất trồng trọt có biên độ nhiệt độ bề mặt đất cao hơn so với đất không trồng trọt

- Màu sắc của bề mặt đất: Bề mặt đất có màu sắc càng tối thì sẽ càng hấp thụ được nhiều nhiệt, nên nhiệt độ của nó sẽ biến thiên càng nhanh và ngược lại

- Độ cao của bề mặt đất so với mực nước biển: Càng lên cao biến thiên nhiệt độ mặt đất càng nhỏ

1.2 Khái quát về viễn thám và ảnh vệ tinh Landsat

1.2.1 Giới thiệu về viễn thám

Viễn thám (remote sensing) được định nghĩa như một khoa học và công nghệ mà nhờ nó các tính chất của vật thể quan sát được xác định, đo đạc hoặc phân tích mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng [7], được phát triển dựa trên những thành tựu mới nhất của khoa học kỹ thuật cũng như công

nghệ tin học, công nghệ vũ trụ… Viễn thám là một môn khoa học liên ngành với mục tiêu cung cấp thông tin nhanh và khách quan nhất phục vụ cho mọi ngành nghề trong quốc dân

Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh: “Viễn thám là khoa học thu nhận từ

xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất”

Hình 1.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám

Nguyên lý cơ bản của viễn thám là thu nhận năng lượng phản hồi của sóng điện từ chiếu tới vật thể, thông qua bộ cảm biến (sensor) giá trị phản xạ phổ này sẽ được chuyển về giá trị số Kết quả của việc giải đoán các lớp thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tương quan giữa đặc trưng phản xạ phổ với bản chất, trạng thái của các đối tượng tự nhiên Những thông tin về đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên sẽ cho phép các nhà nghiên cứu chọn các kênh ảnh tối ưu, chứa nhiều thông tin nhất về đối tượng nghiên cứu, đồng thời đây cũng là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất của đối tượng, tiến tới phân loại chúng

Sản phẩm của viễn thám chính là ảnh viễn thám ( ảnh chụp vệ tinh và ảnh bay chụp) Ảnh viễn thám là những hình ảnh thu chụp được từ một

khoảng cách (độ cao) nào đó trên những dải sóng khác nhau, bằng các thiết bị khác nhau và được lưu trữ dưới dạng số Tùy thuộc vào vùng bước sóng được

sử dụng để thu nhận, ảnh viễn thám có thể được phân thành ba loại cơ bản:

- Ảnh quang học: Nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời

- Ảnh nhiệt: Nguồn năng lượng chính là bức xạ nhiệt của các vật thể

- Ảnh radar: Nguồn năng lượng chính là sóng radar phản xạ từ các vật thể do vệ tinh tự phát xuống theo những bước sóng đã được xác định

Hình 1.3 Thống kê các ứng dụng của ảnh viễn thám

Với lịch sử phát triển lâu đời, hiện nay viễn thám đã trở thành một công cụ hiện đại vừa mang tính phụ trợ, vừa mang tính cạnh tranh trong công nghệ quan sát Trái đất Là một phần của công nghệ vũ trụ, công nghệ viễn thám ngày càng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và phổ biến rộng rãi ở nhiều quốc gia trên thế giới Công nghệ viễn thám có những ưu việt cơ bản như sau:

- Trong lĩnh vực khảo cổ học: Sử dụng ảnh viễn thám để khoanh vùng và nghiên cứu những yếu tố địa hình, địa mạo, tự nhiên có tác động đến sự hình thành và phá hủy của di tích, phân tích mối quan hệ của di tích với ngoại cảnh

- Quản lý biến đổi môi trường: Do chu kỳ quan trắc lặp và liên tục trên cùng một đối tượng trên mặt đất của các máy thu viễn thám cho phép công

Môi trường, nguồn nước 12%

Quản lý đất đai 10%

Địa chất 8%

Ứng dụng công cộng 2%

Nông nghiệp

và rừng 22%

Đo đạc bản đồ

và GIS 41%

Khác 5%

nghệ viễn thám ghi lại được các biến đổi của tài nguyên, môi truờng, đáp ứng được nhu cầu về giám sát môi trường và thiên tai

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

- Sử dụng các dải phổ đặc biệt khác nhau để quan trắc các đối tượng (ghi nhận đối tượng), nhờ khả năng này mà tư liệu viễn thám được ứng dụng cho nhiều mục đích, trong đó có nghiên cứu về khí hậu, nhiệt độ của trái đất, thành lập bản đồ sử dụng đất, bản đồ địa chất, điều tra giám sát trạng thái mùa màng và thảm thực vật…

- Cung cấp nhanh các tư liệu ảnh số có độ phân giải cao và siêu cao, là

dữ liệu cơ bản cho việc thành lập và hiện chỉnh hệ thống bản đồ quốc gia và

hệ thống CSDL địa lý quốc gia

Với những khả năng ưu việt nêu trên, công nghệ viễn thám đã và đang trở thành phương tiện chủ đạo cho công tác giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường ở cấp độ từng nước, từng khu vực và trong phạm vi toàn cầu Khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám ngày càng được nâng cao, đây cũng là lý

do dẫn đến tính phổ cập của công nghệ này

1.2.2 Giới thiệu chung về dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat

Vệ tinh Landsat là tên chung cho hệ thống các vệ tinh chuyên dùng vào mục đích thăm dò tài nguyên trái đất Vệ tinh Landsat đầu tiên được phóng lên quỹ đạo năm 1972, cho đến nay đã có 8 thế hệ vệ tinh Landsat đã được phóng lên quỹ đạo và dữ liệu đã được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Nhờ vào việc kết hợp nhiều kênh phổ để quan sát mặt đất, dữ liệu ảnh

vệ tinh Landsat có độ phân giải không gian tốt, phủ kín một vùng khá rộng với chu kì lặp ngắn Sự phát triển mạnh mẽ của các vệ tinh viễn thám trong những năm gần đây đã khẳng định ưu thế lợi ích trong việc giám sát tài nguyên môi trường tự nhiên và đóng góp to lớn cho sự phát triển kinh tế - xã hội trên toàn thế giới

Đặc điểm của các thế hệ vệ tinh Landsat được thể hiện bởi các thông số trong bảng dưới đây:

Chu kì lặp (ngày)

(Nguồn: http://landsat.org.vn)

Vệ tinh Landsat được thiết kế có bề rộng tuyến chụp là 185km và có thời điểm bay qua xích đạo vào lúc 9:39 sáng giờ Việt Nam Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, chúng ta tập chung vào tìm hiểu về vệ tinh viễn thám Landsat 8

Hình 1.4 Vệ tinh Landsat 8

Vệ tinh thế hệ thứ 8 - Landsat 8 được Mỹ phóng thành công lên quỹ đạo ngày 11/02/2013 với tên gọi gốc là Landsat Data Continuity Misson Vệ tinh Landsat 8 cung cấp các ảnh có độ phân giải trung bình ( từ 15-100 mét), phủ kín các vùng cực cũng như những vùng địa hình khác nhau trên trái đất Landsat 8 thu nhận hình ảnh với tổng số 11 kênh phổ, bao gồm 9 kênh sóng ngắn và 2 kênh nhiệt sóng dài (kênh 10 và kênh 11) Độ phân giải không gian đối với các kênh nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại sóng ngắn là 30m, 100m đối với kênh nhiệt và 15m đối với kênh toàn sắc

Vệ tinh Landsat 8 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 cải tiến để giảm thiểu tối

đa nhiễu khí quyển, cho phép lượng tử hóa dữ liệu là 12 bit nên chất lượng hình ảnh vượt trội, hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với các bộ cảm Landsat trước So với Landsat 7, Landsat 8 có cùng độ rộng dải chụp, cùng độ phân giải ảnh và chu kỳ lặp lại (16 ngày) Tuy nhiên, ngoài các dải phổ tương tự Landsat 7, bộ cảm OLI thu nhận thêm dữ liệu ở hai dải phổ mới nhằm phục

vụ quan sát mây và quan sát chất lượng nước ở các hồ và đại dương nước nông ven biển cũng như sol khí Bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt TIRS thu nhận

dữ liệu ở hai dải sóng dài (kênh 10 và kênh 11) dùng để đo tốc độ bốc hơi nước, tính nhiệt độ bề mặt…

Bảng 1.3 Một số thông số các kênh phổ của ảnh vệ tinh Landsat 8

Độ phân giải không gian (m)

Lưu trữ (bit)

Kênh Bước sóng

Độ phân giải không gian (m)

Lưu trữ (bit)

(Nguồn: ASM và USGS)

Hiện nay, dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 đang được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như quản lý năng lượng và nước, điều tra và giám sát tài nguyên đất, tài nguyên nước, khí hậu và môi trường; theo dõi rừng, khắc phục thảm họa; ứng dụng nhiều trong lĩnh vực quy hoạch đô thị, tìm kiếm nước ngầm,

theo dõi biến động của môi trường…

Bảng 1.4 Ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat 8

ngoại)(SWIR 2)

Phản ánh rõ nét về độ ảm của đất và thực vật hơn kênh 6

Dùng để thành lập bản đồ nhiệt và độ ẩm của đất

Kênh 11

11,5 - 12,5 (Hồng ngoại nhiệt) (TIR)2

Bản đồ nhiệt và đất ở kênh này được xác định

rõ nét hơn

(Nguồn: http://ledaingoc.blogspot.com) 1.2.3 Khả năng ứng dụng của viễn thám trong nghiên cứu xác định nhiệt

độ bề mặt đất từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat

Việc nghiên cứu tài nguyên và nhiệt độ môi trường không chỉ đơn thuần dựa trên các công nghệ truyền thống mà bắt đầu thực hiện bằng các hệ thống quan sát từ xa đặt trên các vệ tinh nhân tạo hoặc tàu vũ trụ có người

điều khiển Tại Việt Nam, theo đánh giá của Cục Viễn thám quốc gia, cho đến thời điểm này, ứng dụng công nghệ viễn thám đã và đang được ứng dụng trong quản lý tài nguyên thiên nhiên trước hết là tài nguyên đất, tài nguyên nước, tài nguyên khoáng sản, tài nguyên rừng, giám sát môi trường và trở thành một trong các hướng đi chủ đạo của ứng dụng và phát triển công nghệ viễn thám của Bộ Tài nguyên và Môi trường, từng bước đẩy mạnh ứng dụng rộng rãi công nghệ viễn thám phục vụ quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường thống nhất trên phạm vi toàn lãnh thổ

Nghiên cứu ứng dụng từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat là một phần không thể thiếu trong công nghệ viễn thám Khả năng ứng dụng dữ liệu viễn thám trong nghiên cứu xác định nhiệt độ bề mặt đất ngày càng được cải thiện và theo đó dữ liệu viễn thám đang có xu hướng trở thành nguồn dữ liệu chủ đạo cho việc thành lập bản đồ nhiệt độ Sự nghiên cứu môi trường nhiệt bề mặt đất có thể được thực hiện bằng nhiều công nghệ và cách tiếp cận khác nhau

Với những ưu điểm riêng, công nghệ viễn thám trong nghiên cứu xác định nhiệt độ bề mặt đất từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat có những khả năng ưu việt sau:

Nghiên cứu về biến đổi khí hậu: Nhiệt độ bề mặt đất được thu nhận từ

dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat có thể được sử dụng để theo dõi khí hậu đô thị, đồng thời có thể tìm được các điều kiện môi trường cần thiết để duy trì cuộc sống con người

Nghiên cứu địa chất: Sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat đã đóng góp

không nhỏ trong việc xác định các vật liệu bề mặt và các tính năng như dị tường địa nhiệt và các loại đá Các ứng dụng địa chất của nhiệt độ bề mặt đất bao gồm: phát hiện và giám sát sự khởi đầu và sự tiến triển của hoạt động núi lửa, bao gồm bụi cát núi lửa không khí và các dị thường nhiệt độ thấp; phát hiện cát nhiệt nước, có liên quan với phun trào núi lửa dưới đáy biển cạn; thăm dò tài nguyên địa nhiệt…

Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất để theo dõi hỏa hoạn, cháy rừng: Phát

thải từ việc đốt sinh khối góp phần đáng kể vào lượng CO2 và khí thải trong khí quyển Hỏa hoạn làm thay đổi độ che phủ đất một cách rõ rệt như nạn phá rừng Do đó điều quan trọng cần làm trên hết là theo dõi bề mặt đất bị đốt cháy trên quy mô cả khu vực và toàn cầu Dữ liệu ảnh vệ tinh đóng một vai trò quan trọng trong việc phát hiện sớm những nơi tiềm ẩn nguy cơ cháy, theo dõi nhiệt độ của các đám cháy đang hoạt động Dựa trên lý thuyết than củi và tro hấp thụ nhiều năng lượng hơn thực vật và các khu vực bị đốt cháy có xu hướng có nhiệt độ cao hơn lớp phủ thực vật xung quanh mà không bị ảnh hưởng, dữ liệu LST từ LANDSAT, ATSER, AVHRR và MODIS đã được sử dụng rộng rãi để lập bản đồ khu vực bị cháy, bản đồ những khu vực tiềm ẩn nguy cơ cháy và cho độ chính xác cao

Hình 1.5.Các đám cháy được phát hiện trên toàn cầu (màu đỏ) từ giữa tháng 7 năm

1996 và tháng 8 năm 2010 (Nguồn: https://atsrsensors.org)

Thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt đất: Đây là ứng dụng quan trọng

nhất của ảnh vệ tinh Landsat, đặc biệt là trong nghiên cứu sự phân bố nhiệt

độ đô thị, sự hình thành nên đảo nhiệt đô thị Nhiệt độ bề mặt là một trong những yếu tố quan trọng nhất khi nghiên cứu khí hậu đô thị và tác động của

nó đến môi trường sống của con người Sự nóng lên của bề mặt đô thị so với

các vùng xung quanh hay còn gọi là hiện tượng “đảo nhiệt” đang là một vấn

đề cấp bách đối với tất cả các thành phố lớn Các quan trắc mặt đất chỉ phản ánh điều kiện nhiệt độ của khu vực cục bộ xung quanh trạm đo và trên thực

tế cũng không thể thiết lập nhiều trạm quan trắc khí tượng với mật độ dày do chi phí cao Công nghệ viễn thám với những ưu điểm vượt trội như diện tích vùng phủ ảnh rộng, có khả năng chụp lặp lại tại cùng một địa điểm trong vài ngày, thậm chí vài giờ nên đã được ứng dụng hiệu quả trong nghiên cứu sự phân bố nhiệt độ bề mặt [8]

Việt Nam đang ngày càng phát triển, tốc độ đô thị hóa tăng nhanh kéo theo đó là những hệ lụy nghiêm trọng Hiệu ứng “đảo nhiệt đô thị” (Urban Heat Island) đang trở thành một trong những vấn đề lớn Nghiên cứu nhiệt độ

bề mặt đất từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat bằng công cụ GIS và công nghệ viễn thám đã giúp phát hiện được xu hướng thay đổi nhiệt độ, xây dựng được

bộ cơ sở dữ liệu về nhiệt độ và sự thay đổi lớp phủ bề mặt và đề xuất hướng

sử dụng đất hợp lý và hạn chế những tác động tiêu cực của quá trình đảo nhiệt đô thị, đóng góp một phần không nhỏ trong công tác quản lý đô thị, giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường ở nước ta

1.3 Tình hình nghiên cứu về nhiệt độ bề mặt đất bằng dữ liệu ảnh vệ tinh ở trên thế giới và tại Việt Nam

Có thể nói, ngay từ khi được đưa vào ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quản lý nguồn tài nguyên thiên nhiên thì công tác thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt đất là một trong những ứng dụng tiêu biểu và quan trọng của dữ liệu viễn thám Cho tới nay có rất nhiều các công trình nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh trong việc thành lập và theo dõi biến động nhiệt độ bề mặt ở khắp nơi trên thế giới, trong các nghiên cứu này các nhà khoa học đã sử dụng các phương pháp và loại dữ liệu khác nhau tuỳ theo từng mục đích cụ thể nhưng chúng đều có chung một bản chất là phản ánh được nhiệt độ bề mặt đất của từng khu vực cụ thể

1.3.1 Thế giới

Nghiên cứu đầu tiên về nhiệt độ bề mặt đô thị, quá trình hình thành

“đảo nhiệt” đô thị đã được tiến hành vào thế kỷ 18 bởi nhà nghiên cứu tên Luke Howard đã quan sát thấy nhiệt độ ở London cao hơn so với các khu vực xung quanh và bắt đầu tiến hành các nghiên cứu nhằm tìm ra nguyên nhân cho vấn đề này [9] Từ đó cho đến nay, nghiên cứu về nhiệt độ bề mặt luôn là một đề tài thu hút sự quan tâm của các nhà khí hậu học; nhiều nghiên cứu có

ý nghĩa quan trọng đã được tiến hành tại các thành phố như: London, Manila, Casablanca, Bắc Kinh, Tokyo, Singapore,

Jusuf và cộng sự (2007) đã tiến hành điều tra và xác định loại hình sử dụng đất có ảnh hưởng nhiều nhất đến sự gia tăng nhiệt độ bề mặt ở Singapore bằng cách sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh viễn thám và dữ liệu điều tra lưu động để có một cái nhìn vĩ mô của Singapore và thực hiện phân tích toàn diện cùng một lúc Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng đất có ảnh hưởng quan trọng đến nhiệt độ đô thị Qua đó, tác giả cho rằng với việc quy hoạch sử dụng đất thích hợp, hiện tượng đảo nhiệt đô thị tại Singapore có thể được giảm bớt [10]

Hassan Rhinane, Atika Hilali, Hicham Bahi, Aziza Berrada (2012) thông qua dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 5 TM nhằm mục đích ước lượng nhiệt

độ mặt đất tại Casablanca (Morocco) Bằng cách sử dụng thuật toán cửa sổ đơn (Mono-window), thông qua dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 5 TM để tính ra nhiệt độ bề mặt đất, kết quả nghiên cứu cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa nhiệt độ bề mặt đô thị và mật độ của các tòa nhà Từ nghiên cứu này, các nhà khoa học đã chỉ ra sự hình thành và gia tăng “đảo nhiệt đô thị” tại Casablanca

và vai trò của thực vật trong việc kiểm soát hiện tượng này [11]

Tại Indonesia, Udhi C.Nugroho và Dede Dirgahayu Domiri (2015) đã kết hợp sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và ảnh MODIS thông qua

phương pháp hàm truyền bức xạ để xác định nhiệt độ bề mặt đất tại vùng núi Ungaran [12]

Hình 1.6 Khu vực hình thành đảo nhiệt tại Casablanca [12]

Tại Kenya, Kimuku, Charity và Moses Ngigi (2017) đã sử dụng ảnh vệ tinh Landsat cho hai thời kỳ 1989 và 2016 để tiến hành tính toán nhiệt độ bề mặt đất tại vùng Nakuru, từ đó phân tích mối tương quan giữa nhiệt độ bề mặt

và loại hình sử dụng đất [13]

Hình 1.7 Bản đồ nhiệt tại Nakuru-Kenya 1989-2016 [13]

1.3.2 Việt Nam

Tại Việt Nam, viễn thám mới được quan tâm từ năm 1980 khi nước ta tham gia tổ chức vũ trụ quốc tế Intercomos [14] Tuy nhiên, do điều kiện kinh phí hạn hẹp và kỹ thuật còn chưa cao nên trước những năm 1990 việc sử dụng ảnh vệ tinh còn hạn chế Từ những năm 1990 trở lại đây, nhận thức được vai trò to lớn của ảnh vệ tinh, nhiều Bộ và các Ban ngành, Viện nghiên cứu, các trường Đại học như Bộ Tài nguyên và Môi trường; Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn; Tổng cục khí tượng thủy văn; đã đầu tư trang thiết bị, đào tạo nhân lực và sử dụng công nghệ này để phục vụ cho nhiều mục đích nghiên cứu cũng như phục vụ đời sống dân sinh, kinh tế - xã hội

Hình 1.8 Thảm họa cháy rừng được nhìn từ ảnh vệ tinh

Cho đến nay, đã có khá nhiều công trình khoa học của các Bộ, các Ban ngành, Viện nghiên cứu, trường Đại học vào trong lĩnh vực theo dõi đánh giá

quy hoạch, sử dụng đất, quản lý môi trường và giám sát tài nguyên thiên nhiên Việc ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám vào trong lĩnh vực xác định nhiệt độ bề mặt đất đã đạt được những thành tựu đáng kể như xây dựng được bản đồ nhiệt độ bề mặt đất phục vụ công tác giám sát hiện tượng “đảo nhiệt đô thị” (urban heat island), xác định nhiệt độ bề mặt để đánh giá độ ẩm đất, phục vụ công tác dự báo cháy rừng, theo dõi tình hình hạn hán tại một số khu vực…

Có thể kể đến các nghiên cứu của Trần Thị Ân (2011), Trịnh Lê Hùng (2013), Trần Thị Vân (2008), Huỳnh Thị Thu Hương (2013), đã sử dụng tư liệu ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat, Aster, MODIS trong việc nghiên cứu nhiệt

độ bề mặt đất từ ảnh vệ tinh [15], xác định nhiệt độ bề mặt đô thị [16], nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đô thị dưới tác động của sự phát triển đô thị tại Thành phố Hồ Chí Minh [17], nghiên cứu hiện tượng đảo nhiệt tại Hà Nội [18], theo dõi sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đất và tình hình khô cạn vùng đồng bằng sông Cửu Long [19], Bằng việc sử dụng các phương pháp khác nhau: phương pháp hàm truyền bức xạ, phương pháp đơn kênh, phương pháp cửa sổ đơn, để tính toán ra nhiệt độ bề mặt đất, các nhà khoa học đã cho thấy tính

ưu việt của viễn thám nhiệt trong việc xác định nhiệt độ bề mặt so với phương pháp đo đạc truyền thống từ các trạm quan trắc khí tượng tốn kém, sử dụng nhiều lao động, nhu cầu thiết bị đo nhiều, và chi phí thực địa cao

Qua một số nghiên cứu nổi bật kể trên, có thể thấy rằng, trong những năm gần đây, việc sử dụng công nghệ viễn thám trong việc tính toán xác định nhiệt độ bề mặt đất và thành lập bản đồ nhiệt độ đã được Nhà nước quan tâm

và ứng dụng tương đối rộng rãi trong các ngành quản lý tài nguyên, trong công tác quản lý đất đai cũng như các công trình nghiên cứu khoa học, chính điều này đã góp phần không nhỏ cho việc bảo vệ và phát triển bền vững các nguồn tài nguyên đất đai tại các vùng nghiên cứu

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT

TỪ ẢNH VỆ TINH LANDSAT

2.1 Cơ sở khoa học xác định nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat

2.1.1 Cơ sở lý thuyết xác định nhiệt độ bề mặt

Hình 2.1 Đặc điểm phát xạ nhiệt của vật chất [20]

Tất cả mọi vật thể có nhiệt độ lớn hơn 0K đều phát xạ khi có sự biến đổi cấu trúc mạng điện trở của nguyên từ và phân từ, cũng như khi có sự biến đổi của hạt nhân nguyên tử và sự quay của phân tử Tính chất bức xạ nhiệt của các đối tượng tự nhiên dựa vào nguyên tắc bức xạ của vật đen tuyệt đối

Khác với vật đen tuyệt đối hấp thụ toàn bộ năng lượng chiếu tới, vật chất thực tế chỉ phát xạ một phần năng lương chiếu tới nó Khi vật phát ra bức

xạ thì năng lượng của nó giảm và kéo theo là nhiệt độ của nó cũng giảm và ngược lại, khi vật hấp thụ bức xạ thì năng lượng của nó tăng và nhiệt độ của

nó cũng tăng lên

Để giải quyết vấn đề không tương quan giữa lý thuyết và kết quả thực nghiệm, năm 1990 Max Planck đã phát minh ra thuyết lượng tử Thuyết lượng

tử Planck được phát biểu như sau: “ Các nguyên tử và phân tử phát xạ hay

hấp thụ năng lượng của bức xạ điện từ một cách gián đoạn nghĩa là phần năng lượng phát xạ hay hấp thụ luôn là bội số nguyên của một lượng năng lượng nhỏ xác định gọi là lượng tử năng lượng hay quantum năng lượng Một lượng tử năng lượng của bức xạ điện từ đơn sắc tần số v, bước sóng 𝜆 là:

𝜀 = ℎ 𝑣 = ℎ𝑐

trong đó:

h: tần số Planck; h=6,625.10-34

c: vận tốc ánh sáng trong chân không

Nhờ thuyết lượng tử của Planck, người ta đã có thể tính được cường độ phát xạ của vật đen tuyệt đối

Năm 1879, Josef Stefan qua nhiều thí nghiệm về bức xạ nhiệt, kết hợp với những cơ sở lý thuyết của Ludwig Boltzmann, đã tổng kết thành định lý

Stefan- Boltzmann: “Công suất bức xạ nhiệt của một vật thì tỷ lệ với lũy thừa

bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối của vật bức xạ và diện tích bề mặt vật bức xạ”

j* = 𝜎 𝑇4 , (2.2) trong đó:

j*: công suất bức xạ nhiệt

σ: Hệ số Stefan–Boltzmann constant:

4 2 1 8 3

2

4 5

10 670400 ,

5 15

h c k



T: nhiệt độ tuyệt đối ( oK)

Thực nghiệm chỉ ra rằng, những vật thể hấp thụ mạnh bức xạ chiếu tới cũng là những vật phát xạ tốt và ngược lại Theo định lý, tổng nhiệt lượng phát

xạ từ bề mặt vật đen thì khác nhau theo tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ