Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh landsat khu vực hà nội

Nguồn dữ liệu viễn thám sẽ là lý tưởng khi kết hợp với số liệu nhiệt độtại các trạm quan trắc khí tượng, thông qua các phương pháp khác nhau đểthành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt đất, thiết

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG 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

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

TRẦN THỊ HUẾ

HÀ NỘI, NĂM 2017

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG 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

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI 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 vệtinh Landsat khu vực Hà Nội” một công trình nghiên cứu khoa học độc lậpcùng với sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn Những kết quả nghiêncứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, không vi phạmbất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam Nếu sai, tôihoàn 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 TiếnThành, người đã hướng dẫn tận tình, chu đáo và định hướng cho tôi trongsuốt 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 đồtrường 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 điềukiện 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 Trungương 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 .

ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii THÔNG TIN LUẬN VĂN vii

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

1.3 Tình hình nghiên cứu về nhiệt độ bề mặt đất bằng ảnh vệ tinh Landsat ở

18

19

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

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

2 GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý

7

Mapper Plus

Bộ cảm bản đồ chuyên đềnâng 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 tnh LST 44

Bảng 3.2 Số liệu nhiệt độ được đo tại các trạm quan trắc khí tượng và được tnh 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

Lớp: CH1TĐ Khóa: 1

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 địnhnhiệt độ bề mặt cho khu vực Hà Nội dựa trên dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat Kếtquả tnh toán được đối sánh với số liệu đo thực tế của 5 trạm quan trắc khítượng để chứng minh tnh 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 hỗtrợ cho các bài toán môi trường, biến đổi khí hậu, hay quá trình đô thị hóamạnh mẽ đang diễn ra hiện nay

và khí quyển Chính vì thế, nhiệt độ bề mặt được sử dụng nhiều trong cácnghiên cứu về khí hậu, khí quyển, thủy văn, sinh địa hóa và các nghiên cứubiến động về môi trường, địa chất.

Thành phố Hà Nội là một trong những đô thị phát triển bậc nhấtcủa Việt Nam Sự phát triển kinh tế – xã hội và gia tăng dân số khôngngừng đã tác động lớn đến sự biến đổi khí hậu, rõ nét nhất là sự tăng lên củanhiệt 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 thờicũng 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 độtại các trạm quan trắc khí tượng, thông qua các phương pháp khác nhau đểthành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt đất, thiết lập mối quan hệ giữa nhiệt độ bềmặt với sự thay đổi hiện trạng lớp phủ, nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất đểtheo dõi hỏa hoạn, cháy rừng, … Do đó, công tác đánh giá độ chính xác trongxác định nhiệt độ bề mặt đất là rất quan trọng để kiểm tra tính đúng đắn củakết quả Chính vì các lý do nêu trên, tôi đã chọn đề tài “Khảo sát độ chính xácxác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội”

2 Mục têu của đề tài:

Khảo sát được độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt khu vực Hà Nộibằng 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 tch và hệ thống hóa thông tin: Thuthập các số liệu, tài liệu chuyên môn, đề tài khoa học có liên quan đãđược công bố, phân tích các tài liệu và các kết quả nghiên cứu, hệ thống hóathông 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, tnh toán nhiệt độ bề mặt đất ;

- Phương pháp GIS: Thành lập bản đồ nhiệt phát xạ bề mặt thành phố HàNội, 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 tnh 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 vệtinh Landsat khu vực Hà Nội” là một nghiên cứu có tính ứng dụng công nghệkhoa học cao, đã nghiên cứu một cách hệ thống cơ sở lý thuyết và khả năngứng dụng của tư liệu ảnh vệ tinh Landsat trong công tác xác định nhiệt độ bềmặt và thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt đất

Nghiên cứu cũng đã chứng minh được việc áp dụng công nghệ viễnthám và GIS trong quản lý tài nguyên thiên nhiên, quy hoạch đô thị là đúngđắn, 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 biếnđộng về khí hậu tại Hà Nội, là một trong những tư liệu hữu ích cho việcquản 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 mặttại 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 Observatons)

Nhiệt độ bề mặt đất được coi là nhiệt độ của lớp nằm giữa bề mặtđất 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 bằngnăng lượng trên bề mặt trái đất, là yếu tố cơ bản quyết định các hiện tượngnhiệt 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 nhàkính Ở vĩ độ trung bình đến vĩ độ cao, nhiệt độ bề mặt đất có thể thay đổiquanh năm Độ cao cũng đóng một vai trò rõ ràng trong nhiệt độ, như khuvực đồi núi luôn mát hơn các khu vực khác dù ở cũng vĩ độ Nhiệt độ bề mặtđất có mối liên hệ chặt chẽ với các

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

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

Nhiệt độ bề mặt đất được tính toán trên cơ sở phát xạ của các đốitượng bề mặt (cây cối, đất đai, nhà cửa, …) quan sát bởi bộ cảm tại các gócnhìn tức thời và năng lượng điện từ đo được trên băng nhiệt hồng ngoạicủa các bộ cảm đặt trên vệ tinh Nhiệt độ bề mặt đất được tính toán để hỗtrợ các nghiên cứu về thay đổi bề mặt đất như quá trình đô thị hóa, sa mạchóa, 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 nănglượng 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 hiểuđược nguyên nhân của sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đất, cần phải xem xétquá trình thu – nhận năng lượng của bề mặt đất

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

B’ = B – LE + V + P, (1.1)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 từmặt trời dẫn đến mặt đất nóng lên Còn vào ban đêm, B’ có giá trị âm do banđêm mặt đất nhận được năng lượng rất ít không bù được phần năng lượngmất đi do bức xạ sóng dài [3]

Thông thường trong quá trình một ngày một đêm, lượng nhiệt truyềnvào sâu bên trong bề mặt đất vào ban ngày gần bằng lượng nhiệt từ các lớpđất sâu truyền ra ngoài vào ban đêm Những biến đổi theo mùa của lượngnhiệt thu vào – tỏa ra trong bề mặt đất trong một năm hầu như đượccân bằng Nhiệt độ trung bình/năm của mặt đất do đó ít biến đổi từnăm 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 nhưnhau, song nhiệt độ đất trên từng loại bề mặt đất trong vùng đó lại khácnhau 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 truyềnnhiệt của các loại đất Nó có giá trị bằng lượng nhiệt đi qua một đơn vị diệntch là 1cm2 trong một giây làm cho nhiệt độ giảm đi một độ trên 1cm Độdẫn 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 thuộcvào các chất cấu tạo nên đất, các loại khoáng trong đất, độ ẩm và độ xốp củađất.

- Nhiệt dung thể tích của đất

Nhiệt dung thể tch của đất là nhiệt lượng cần thiết để 1cm3 đất

- Hàm lượng mùn trong đất

Mùn là tác nhân làm giảm nhiệt dung và độ dẫn nhiệt của đất, tăngkhả năng giữ nước và hấp thụ bức xạ mặt trời Ở vùng nhiệt đới ẩm, chế độnhiệt của đất mùn tương đối ôn hòa do có độ ẩm cao, tuy nhiên, nếu làđất 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 vànhân tạo bao phủ trên bề mặt trái đất bao gồm các yếu tố thực vật (mọc tựnhiên hoặc được trồng), các công trình kinh tế – xã hội được xây dựng củacon người, thổ nhưỡng, nước, đá, đá cẩm thạch, bề mặt cát [4]… Qua từngnăm tháng, lớp phủ bề mặt đất không ngừng biến đổi đặc biệt dưới tác độngmạnh 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 có cỏ bao phủ 3,2 ℃ 4,3 ℃ 6,2 ℃ 7,4 ℃

Đất trống trên sườn dốc nóng lên mạnh hơn so với đất được lớpphủ thực vật che phủ (bảng 1.1) Lớp phủ thực vật che tối bề mặt đất và hấpthụ một lượng bức xạ lớn và thậm chí hấp thụ toàn bộ lượng bức xạ mặttrời đi tới Nhưng cũng vào thời gian này, nó làm mặt đất nóng lên và tạo ratán xạ hữu hiệu; mặc dù vậy phía dưới lớp phủ thực vật, mùa hè đất lạnhhơn 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 bềmặt lõm Ở Bắc bán cầu, đất dốc hướng Nam luôn có nhiệt độ cao hơnhướng Bắc và ngược lại ở Nam bán cầu Đất dốc có nhiệt độ cao hơn đấtbằng 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 dụngđất cũng là nguyên nhân đối với sự gia tăng nhiệt độ bề mặt đất mà nạn chặtphá rừng vẫn còn diễn ra dẫn đến suy thoái rừng là một trong những nguyênnhân 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 sẽcàng hấp thụ được nhiều nhiệt, nên nhiệt độ của nó sẽ biến thiên càngnhanh và ngược lại

- Độ cao của bề mặt đất so với mực nước biển: Càng lên cao biến thiênnhiệt 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], đượcphát triển dựa trên những thành tựu mới nhất của khoa học kỹ thuậtcũng như công

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

Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưngmọi định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh: “Viễn thám là khoa học thunhận 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 củasóng điện từ chiếu tới vật thể, thông qua bộ cảm biến (sensor) giá trị phản xạphổ này sẽ được chuyển về giá trị số Kết quả của việc giải đoán các lớpthông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tương quan giữa đặctrưng 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 sẽcho phép các nhà nghiên cứu chọn các kênh ảnh tối ưu, chứa nhiều thôngtin nhất về đối tượng nghiên cứu, đồng thời đây cũng là cơ sở để phântch 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 vàảnh bay chụp) Ảnh viễn thám là những hình ảnh thu chụp được từmột

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

- 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 vậtthể do vệ tinh tự phát xuống theo những bước sóng đã được xác định

Khác 5%

Môi trường, nguồn nước 12%

Đo đạc bản đồ

và GIS 41%

Nông nghiệp

và rừng 22%

Quản lý đất đai 10%

Địa chất 8%

Ứng dụng công cộng 2%

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 tnh phụ trợ, vừa mang tnh cạnh tranh trong công nghệquan sát Trái đất Là một phần của công nghệ vũ trụ, công nghệ viễn thámngày càng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và phổ biến rộng rãi ở nhiềuquốc 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 sựhình thành và phá hủy của di tch, phân tch mối quan hệ của di tch với ngoạicảnh

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

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 cácthông tin về tài nguyên, môi trường trên diện tích lớn của trái đất gồm cảnhững 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 đốitượng (ghi nhận đối tượng), nhờ khả năng này mà tư liệu viễn thám đượcứng dụng cho nhiều mục đích, trong đó có nghiên cứu về khí hậu, nhiệt độcủa trái đất, thành lập bản đồ sử dụng đất, bản đồ địa chất, điều tra giám sáttrạng 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 đangtrở 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 tnh Landsat

Vệ tinh Landsat là tên chung cho hệ thống các vệ tinh chuyên dùngvào mục đích thăm dò tài nguyên trái đất Vệ tinh Landsat đầu tiênđược phóng lên quỹ đạo năm 1972, cho đến nay đã có 8 thế hệ vệ tinhLandsat đã được phóng lên quỹ đạo và dữ liệu đã được sử dụng rộng rãitrên toàn thế giới Nhờ vào việc kết hợp nhiều kênh phổ để quan sát mặtđất, dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat có độ phân giải không gian tốt, phủ kínmột vùng khá rộng với chu kì lặp ngắn Sự phát triển mạnh mẽ của các vệtinh viễn thám trong những năm gần đây đã khẳng định ưu thế lợi ích trongviệc giám sát tài nguyên môi trường tự nhiên và đóng góp to lớn cho sự pháttriển kinh tế - xã hội trên toàn thế giới

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

Bảng 1.2 Các thế hệ vệ tinh Landsat

(km)

Chu kì lặp (ngày)

(Nguồn : h t tp : / / l a nds at o r g v n )

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

Hình 1.4 Vệ tinh Landsat

8

Vệ tinh thế hệ thứ 8 - Landsat 8 được Mỹ phóng thành công lên quỹđạo ngày 11/02/2013 với tên gọi gốc là Landsat Data Continuity Misson Vệtinh 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 sóngngắn và 2 kênh nhiệt sóng dài (kênh 10 và kênh 11) Độ phân giải không gianđối 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 - ThermalInfrared Sensor) Những bộ cảm này được thiết kế cải tiến để giảm thiểutối đa nhiễu khí quyển, cho phép lượng tử hóa dữ liệu là 12 bit nên chấtlượng hình ảnh vượt trội, hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với các bộ cảmLandsat 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 phổtương tự Landsat 7, bộ cảm OLI thu nhận thêm dữ liệu ở hai dải phổ mớinhằm phục vụ quan sát mây và quan sát chất lượng nước ở các hồ và đạidương nước nông ven biển cũng như sol khí Bộ cảm biến hồng ngoại nhiệtTIRS 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

Kênh Bước sóng (µm) Tên gọi phổ không gian (m) Độ phân giải Lưu trữ (bit)

Band 6 1,56 - 1,66 Sóng ngắn hồng

(Nguồn: ASM và USGS)

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

Bảng 1.4 Ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat 8

đất và phân biệt địa hình theo mùa

Kênh 3 0,525 - 0,6

(Xanh lục)

Dùng để phản ánh trạng thái thực vật, thành lập

ngoại)(SWIR 2)

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

Dùng để thành lập bản đồ nhiệt và độ ẩm của

đất

Kênh 11

11,5 - 12,5(Hồng ngoạinhiệt) (TIR)2

Bản đồ nhiệt và đất ở kênh này được xác định

rõ nét hơn

(Nguồn:

h t t p : / / l e d a in g o c b l og s p ot c o m ) 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 tnh Landsat

Việc nghiên cứu tài nguyên và nhiệt độ môi trường không chỉđơn thuần dựa trên các công nghệ truyền thống mà bắt đầu thực hiện bằngcác 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 đếnthời điểm này, ứng dụng công nghệ viễn thám đã và đang được ứngdụng trong quản lý tài nguyên thiên nhiên trước hết là tài nguyên đất, tàinguyên 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 triểncông nghệ viễn thám của Bộ Tài nguyên và Môi trường, từng bước đẩy mạnhứng dụng rộng rãi công nghệ viễn thám phục vụ quản lý tài nguyên thiênnhiên 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 phầnkhông thể thiếu trong công nghệ viễn thám Khả năng ứng dụng dữ liệu viễnthám trong nghiên cứu xác định nhiệt độ bề mặt đất ngày càng được cảithiện và theo đó dữ liệu viễn thám đang có xu hướng trở thành nguồn dữliệu chủ đạo cho việc thành lập bản đồ nhiệt độ Sự nghiên cứu môitrường nhiệt bề mặt đất có thể được thực hiện bằng nhiều công nghệ vàcách tiếp cận khác nhau

Với những ưu điểm riêng, công nghệ viễn thám trong nghiên cứu xácđịnh 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 trìcuộc 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 tnh năng như dịtường địa nhiệt và các loại đá Các ứng dụng địa chất của nhiệt độ bề mặtđất bao gồm: phát hiện và giám sát sự khởi đầu và sự tiến triển của hoạtđộng núi lửa, bao gồm bụi cát núi lửa không khí và các dị thường nhiệt độthấp; phát hiện cát nhiệt nước, có liên quan với phun trào núi lửa dướiđáy 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 trongkhí quyển Hỏa hoạn làm thay đổi độ che phủ đất một cách rõ rệt như nạnphá 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 đóngmột vai trò quan trọng trong việc phát hiện sớm những nơi tiềm ẩn nguy cơcháy, theo dõi nhiệt độ của các đám cháy đang hoạt động Dựa trên lý thuyếtthan củi và tro hấp thụ nhiều năng lượng hơn thực vật và các khu vực bị đốtcháy có xu hướng có nhiệt độ cao hơn lớp phủ thực vật xung quanh màkhông bị ảnh hưởng, dữ liệu LST từ LANDSAT, ATSER, AVHRR và MODIS đãđược sử dụng rộng rãi để lập bản đồ khu vực bị cháy, bản đồ những khu vựctiềm 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:

htps://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 làmột trong những yếu tố quan trọng nhất khi nghiên cứu khí hậu đô thị vàtác động của nó đến môi trường sống của con người Sự nóng lên của bềmặt 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 phảnánh điều kiện nhiệt độ của khu vực cục bộ xung quanh trạm đo và trênthực tế cũng không thể thiết lập nhiều trạm quan trắc khí tượng với mật độdày do chi phí cao Công nghệ viễn thám với những ưu điểm vượt trội nhưdiện tích vùng phủ ảnh rộng, có khả năng chụp lặp lại tại cùng một địa điểmtrong vài ngày, thậm chí vài giờ nên đã được ứng dụng hiệu quả trong nghiêncứu sự phân bố nhiệt độ bề mặt [8]

Việt Nam đang ngày càng phát triển, tốc độ đô thị hóa tăng nhanh kéotheo đó là những hệ lụy nghiêm trọng Hiệu ứng “đảo nhiệt đô thị” (UrbanHeat 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 côngnghệ viễn thám đã giúp phát hiện được xu hướng thay đổi nhiệt độ, xâydựng 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 cựccủa quá trình đảo nhiệt đô thị, đóng góp một phần không nhỏ trongcông tác quản lý đô thị, giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường ởnước 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 vựcquản 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 liệuviễn thám Cho tới nay có rất nhiều các công trình nghiên cứu ứng dụngảnh vệ tinh trong việc thành lập và theo dõi biến động nhiệt độ bề mặt ởkhắp nơi trên thế giới, trong các nghiên cứu này các nhà khoa học đã sửdụng các phương pháp và loại dữ liệu khác nhau tuỳ theo từng mục đích cụthể nhưng chúng đều có chung một bản chất là phản ánh được nhiệt độ bềmặt 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 hìnhthành “đảo nhiệt” đô thị đã được tiến hành vào thế kỷ 18 bởi nhà nghiêncứu tên Luke Howard đã quan sát thấy nhiệt độ ở London cao hơn so với cáckhu vực xung quanh và bắt đầu tiến hành các nghiên cứu nhằm tm ranguyên 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 phốnhư: London, Manila, Casablanca, Bắc Kinh, Tokyo, Singapore,

Jusuf và cộng sự (2007) đã tiến hành điều tra và xác định loại hình sửdụng 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 điềutra lưu động để có một cái nhìn vĩ mô của Singapore và thực hiện phân tíchtoàn 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 vớiviệc quy hoạch sử dụng đất thích hợp, hiện tượng đảo nhiệt đô thị tạiSingapore 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 chẽgiữa 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” tạiCasablanca và vai trò của thực vật trong việc kiểm soát hiện tượng này [11]

Tại Indonesia, Udhi C.Nugroho và Dede Dirgahayu Domiri (2015) đãkết 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 vệtinh Landsat cho hai thời kỳ 1989 và 2016 để tiến hành tính toán nhiệt độ bềmặt đất tại vùng Nakuru, từ đó phân tích mối tương quan giữa nhiệt độ bềmặt 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 tatham gia tổ chức vũ trụ quốc tế Intercomos [14] Tuy nhiên, do điều kiệnkinh 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 thứcđược vai trò to lớn của ảnh vệ tinh, nhiều Bộ và các Ban ngành, Viện nghiêncứu, 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 mụcđích 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 tnh

Cho đến nay, đã có khá nhiều công trình khoa học của các Bộ, các Banngành, 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 nguyênthiên nhiên Việc ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám vào trong lĩnhvực xác định nhiệt độ bề mặt đất đã đạt được những thành tựu đáng kể nhưxây dựng được bản đồ nhiệt độ bề mặt đất phục vụ công tác giám sát hiệntượng “đảo nhiệt đô thị” (urban heat island), xác định nhiệt độ bề mặt đểđánh giá độ ẩm đất, phục vụ công tác dự báo cháy rừng, theo dõi tình hìnhhạn 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 tưliệu 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 pháttriển đô thị tại Thành phố Hồ Chí Minh [17], nghiên cứu hiện tượng đảo nhiệttại Hà Nội [18], theo dõi sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đất và tnh hình khô cạnvùng đồng bằng sông Cửu Long [19], Bằng việc sử dụng các phương phápkhác 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 nhàkhoa học đã cho thấy tính ưu việt của viễn thám nhiệt trong việc xác địnhnhiệt độ bề mặt so với phương pháp đo đạc truyền thống từ các trạm quantrắc 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 nhữngnăm gần đây, việc sử dụng công nghệ viễn thám trong việc tính toán xác địnhnhiệt độ bề mặt đất và thành lập bản đồ nhiệt độ đã được Nhà nước quantâm 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 bềnvững 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

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 cũnggiảm và ngược lại, khi vật hấp thụ bức xạ thì năng lượng của nó tăng vànhiệt độ của nó cũng tăng lên

Để giải quyết vấn đề không tương quan giữa lý thuyết và kết quả thựcnghiệm, 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 � là:

� = ℎ � = ℎ � �, (2.1)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 tnh được cường độphát xạ của vật đen tuyệt đối

Năm 1879, Josef Stefan qua nhiều thí nghiệm về bức xạ nhiệt, kết hợpvới 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”.

T: nhiệt độ tuyệt đối ( oK)

Thực nghiệm chỉ ra rằng, những vật thể hấp thụ mạnh bức xạ chiếu tớicũng là những vật phát xạ tốt và ngược lại Theo định lý, tổng nhiệt lượngphát xạ từ bề mặt vật đen thì khác nhau theo tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 củanhiệt độ