Nghiên cứu xác định đặc điểm nhiệt độ bề mặt lớp phủ huyện cao phong, tỉnh hòa bình năm 2016 bằng phương pháp viễn thám nhiệt luận văn ths khoa học trái đất 604402

Nhiệt độ bề mặt đất được tính toán trên cơ sở sự phát xạ của các đối tượng bề mặt đất đai, lớp phủ thực vật, bề mặt của nhà cửa… và có mối liên quan mật thiết với các quá trình biến đổi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Hoàng Hiệp

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐẶC ĐIỂM NHIỆT ĐỘ

BỀ MẶT LỚP PHỦ HUYỆN CAO PHONG, TỈNH HÒA BÌNH NĂM 2016 BẰNG PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM NHIỆT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Hoàng Hiệp

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐẶC ĐIỂM NHIỆT ĐỘ

BỀ MẶT LỚP PHỦ HUYỆN CAO PHONG, TỈNH HÒA BÌNH NĂM 2016 BẰNG PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM NHIỆT

Chuyên ngành: Bản đồ - Viễn thám - GIS

Mã số: 60440214

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch

Hà Nội - 2018

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc nhất tới PSG.TS Nguyễn Ngọc Thạch - người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, khích lệ, động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập tại khoa Địa lý Em xin cảm

ơn đề tài cấp Nhà nước thuộc Chương trình Khoa học công nghệ trọng điểm

“Nghiên cứu xây dựng mô hình và hệ thống dự báo thời tiết tiểu vùng và cảnh báo nguy cơ lũ quét, cháy rừng và sâu bệnh nông nghiệp cấp huyện vùng Tây Bắc”, mã

số: KHCN-TB.13C/13-18 do PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch làm chủ nhiệm đã định hướng nghiên cứu và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành luận văn này

Em cũng xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn đồng hành cùng em trong suốt quãng đời sinh viên đã luôn giúp đỡ em vượt qua những khó khăn và hoàn thành luận văn

Học viên

Nguyễn Hoàng Hiệp

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1.Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu 3

3 Cơ sở dữ liệu và phạm vi nghiên cứu 4

4 Ý nghĩa của đề tài 4

5 Cấu trúc luận văn 5

Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 6

1.1 Viễn thám hồng ngoại nhiệt: cơ sở khoa học và ứng dụng 6

1.1.1 Nguyên lý bức xạ nhiệt của vật chất 6

1.1.2 Các ảnh hưởng của khí quyển tới việc quét tạo ảnh hồng ngoại 10

1.1.3 Đặc điểm ảnh hồng ngoại nhiệt 12

1.1.4 Phân tích ảnh quét nhiệt 15

1.1.5 Đặc điểm một số tư liệu viễn thám nhiệt hiện nay 16

1.1.6 Ứng dụng của viễn thám hồng ngoại nhiệt 18

1.2.Nhiệt độ bề mặt đất (Land surface temperture - LST) 22

1.3 Đảo nhiệt 24

1.4 Phương pháp nghiên cứu 24

1.4.1 Phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt có tính độ phát xạ

từ phương pháp NDVI 26

1.4.2 Phương pháp chuẩn hóa độ phát xạ NOR

(Emissivity Normalization Method) 30

Chương 2: CÁC ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ HỘI

ẢNH HƯỞNG TỚI ĐẶC TÍNH NHIỆT CỦA HUYỆN CAO PHONG 32

2.1.Đặc điểm tự nhiên 32

2.1.1 Vị trí địa lí 32

2.1.2 Đặc điểm địa hình 33

2.1.3 Đặc điểm địa chất - địa mạo 34

2.1.4 Đặc điểm thổ nhưỡng 34

2.1.5 Đặc điểm khí hậu, thủy văn 36

2.2.Đặc điểm kinh tế xã hội 40

2.2.1 Đặc điểm dân cư - dân tộc 40

2.2.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội 41

Chương 3: XÁC ĐỊNH VÀ PHÂN TÍCH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT,

MỐI QUAN HỆ NHIỆT ĐỘ VỚI LỚP PHỦ HUYỆN CAO PHONG 43

3.1 Đánh giá hai phương pháp nghiên cứu: Phương pháp chuẩn hóa độ phát xạ NOR và Phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt có tính độ phát xạ từ phương pháp NDVI 43

3.1.1 Kết quả nghiên cứu phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt

có tính độ phát xạ từ phương pháp NDVI (PP1) 45

3.1.2 Kết quả nghiên cứu phương pháp chuẩn hóa độ phát xạ NOR (PP2) 47

3.1.3 Đánh giá hai phương pháp trích lọc nhiệt độ bề mặt 47

3.2.Phân tích mối quan hệ nhiệt độ - lớp phủ 49

3.3 Xác định các khu vực “đảo nhiệt” huyện Cao Phong 52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54

1.Kết luận 54

2 Kiến nghị 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 58

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Sự phát xạ của một số đối tượng tự nhiên điển hình trong dải

8-14μm [5] 8

Bảng 1.2 Các thông số về hệ số nhiệt của một số vật chất [5] 12

Bảng 1.3 Độ phân giải mặt đất tại tâm (Nadir) và độ rộng của đường quét

cho các độ cao khác nhau của một hệ quét đa phổ có góc 90o và trường nhìn

tổng là 2,5 mili radian IFOV [5] 12

Bảng 1.4 Một số tư liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt 16

Bảng 1.5 Giá trị ML , AL đối với ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT 8 27

Bảng 1.6 Giá trị K1, K2 đối với ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT 8 27

Bảng 2.1 Thành phần các loại đất ở khu vực nghiên cứu 36

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Đặc điểm phát xạ nhiệt của vật chất 7

Hình 1.2 Mô hình nhiệt của các vật chất có sự khác biệt lớn về nhiệt độ

của vật giữa ngày và đêm 10

Hình 1.3 Sự thay đổi của các phần tử phân dải mặt đất theo vận tốc thẳng 13

Hình 1.4 Biến dạng địa hình trên một ảnh chụp và một ảnh quét đa phổ 14

Hình 1.5 Biến dạng của một ảnh quét gây ra bởi các yếu tố khác nhau 14

Hình 1.6 Ảnh Landsat năm 2013 18

Hình 1.7 Ảnh Landsat năm 2015 18

Hình 1.8 Ảnh Landsat năm 2016 18

Hình 1.9 Sơ đồ quy trình tính giá trị nhiệt bề mặt của phương pháp có tính

độ phát xạ từ NDVI 30

Hình 1.10 Sơ đồ quy trình tính giá trị nhiệt bề mặt bằng phương pháp chuẩn hóa độ pháp xạ NOR 31

Hình 2.1 Khu vực nghiên cứu 32

Hình 2.2 Bình đồ ảnh khu vực nghiên cứu 33

Hình 2.3 Mô hình số độ cao huyện Cao Phong 34

Hình 2.4 Biểu đồ thể hiện phần trăm diện tích thổ nhưỡng huyện Cao Phong 35

Hình 2.5 Bản đồ thổ nhưỡng huyện Cao Phong 35

Hình 2.6 Bản đồ lượng mưa mùa đông và mùa hè 37

Hình 2.7 Bản đồ lượng mưa trung bình năm và nhiệt độ tối cao năm 37

Hình 2.8 Bản đồ nhiệt độ tối cao và trung bình tháng 7 37

Hình 2.9 Bản đồ nhiệt độ tối thấp và trung bình tháng 1 38

Hình 2.10 Bản đồ nhiệt độ tối thấp và nhiệt độ trung bình năm 38

Hình 2.11 Nhiệt độ trung bình năm huyện Cao Phong 39

Hình 2.12 Bản đồ tài nguyên nước mặt huyện Cao Phong 40

Hình 3.1 Ảnh Landsat 8 ngày 10/02/2016 khu vực nghiên cứu, RGB: 4-3-2 44

Hình 3.2 Landsat 8 ngày 01/6/2016 khu vực nghiên cứu - kênh 10 44

Hình 3.3 Kết quả tính toán bức xạ (a: tháng 2, b: tháng 6) 45

Hình 3.4 Kết quả tính toán nhiệt độ sáng (BT) 46

Hình 3.5 Kết quả tính toán NDVI 46

Hình 3.6 Kết quả tính toán độ phát xạ 46

Hình 3.7 Kết quả tính toán nhiệt độ bề mặt theo PP1 46

Hình 3.8 Kết quả tính toán nhiệt độ bề mặt theo PP2 47

Hình 3.9 Phân mức nhiệt độ bề mặt từ kết quả PP1 (ảnh tháng 6) 48

Hình 3.10 Phân mức nhiệt độ bề mặt từ kết quả PP2 (ảnh tháng 6) 48

Hình 3.11 Nhiệt độ không khí ngày 01/6/2016 khu vực huyện Cao Phong 48

Hình 3.12 Phân cấp nhiệt độ bề mặt 50

Hình 3.13 Lớp phủ bề mặt Cao Phong 50

Hình 3.14 Biểu đồ mối quan hệ Nhiệt độ - lớp phủ 50

Hình 3.15 Khu vực nhiệt độ cao hai mùa (a - tháng 2, b - tháng 6) 52

Hình 3.16 Đảo nhiệt khu vực huyện Cao Phong 52

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nhiệt độ bề mặt đất (Land surface temperature - LST) có vai trò đặc biệt đối với các quá trình vật lý xảy ra trong đất và khí quyển, là một trong những yếu tố quan trọng tác động tới trực tiếp tới môi trường và đời sống dân cư Nó là một biến quan trọng trong nhiều tính toán ứng dụng phục vụ nhiều lĩnh vực nghiên cứu như khí hậu, thủy văn, nông nghiệp, sinh địa hóa và các nghiên cứu biến động môi trường [14] Nhiệt độ bề mặt đất được tính toán trên cơ sở sự phát xạ của các đối tượng bề mặt (đất đai, lớp phủ thực vật, bề mặt của nhà cửa…) và có mối liên quan mật thiết với các quá trình biến đổi của môi trường đất, đồng thời cũng phản ánh sự thay đổi của lớp phủ thực vật, đóng vai trò quan trọng với các chỉ số cảnh báo hạn hán, ví dụ như trong điều kiện khô hạn, nhiệt độ lá cây tăng cao là một chỉ số phản ánh sự thiếu nước của thực vật (Mcvicar T.R và Jupp D.L.B 1998) Mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt

và các yếu tố tự nhiên sẽ góp phần tìm ra câu trả lời tốt nhất để cải thiện những vấn

đề như nạn hạn hán, sâu bệnh, cải thiện chất lượng môi trường, từ đó làm cơ sở khoa học cho công tác cảnh báo hạn và quy hoạch sử dụng đất [9].v.v

Để xác định nhiệt độ bề mặt của một khu vực rộng lớn cần các trạm quan trắc khí tượng bố trí trên mặt đất với số lượng lớn và hoạt động trong một thời gian dài và nó sẽ cung cấp thông tin chính xác bề mặt của khu vực đó, tuy nhiên với một quốc gia còn khó khăn về điều kiện kinh tế như nước ta thì đó là điều không thể và với tốc độ đô thị hóa hiện nay, bê tông hóa đang dần thay thế lớp phủ thực vật, dẫn tới nhiệt độ bề mặt đất tăng lên, góp phần tác động không nhỏ tới hiện tượng nóng lên toàn cầu, gây ra thiên tai lụt lội ảnh hưởng đến môi trường sống Ứng dụng viễn thám hồng ngoại nhiệt (viễn thám nhiệt) trong nghiên cứu ước tính nhiệt độ bề mặt có tính ưu việt, đặc biệt là mức độ chi tiết của kết quả được thể hiện trên toàn vùng, chứ không phải chỉ là số đo tại điểm quan trắc như trong phương pháp đo đạc truyền thống từ các trạm quan trắc khí tượng Viễn thám thụ động đo lường bức xạ phát ra từ bề mặt trái đất trên từng pixel phụ thuộc vào trường nhìn tức thời của bộ cảm biến (IFOV) đặt trên vệ tinh Vùng bước sóng

điện từ 3- 14μm thường được gọi là vùng hồng ngoại trong viễn thám mặt đất Dải quang phổ điện từ này cho phép thu nhận bức xạ và ước tính nhiệt độ bề mặt, đặc biệt trong cửa sổ khí quyển từ 8- 14μm Các bộ cảm biến thu nhận ảnh có chứa kênh hồng ngoại nhiệt có thể kể đến như AVHRR (trên vệ tinh NOAA), MVIRI (Meteosat), AATSR (ENVISAT), MODIS (TERRA) với độ phân giải thấp từ 1km trở lên Trong nhiều nghiên cứu thường yêu cầu độ phân giải cao hơn, trong đó có các ảnh vệ tinh thu nhận từ các bộ cảm biến như LANDSAT 8 TIRS có độ phân giải kênh nhiệt 100m, EMT+ - 60m; ASTER độ phân giải không gian 90m; TIMS

độ phân giải 18m; ATLAS độ phân giải 10m Trong đó, ảnh TIMS và ATLAS được thu nhận từ các vệ tinh nhỏ phục vụ cho các nghiên cứu địa phương Ảnh hồng ngoại nhiệt của LANDSAT mặc dù có độ phân giải thấp hơn nhưng lại có quỹ đạo bay chụp toàn cầu và tư liệu lưu trữ lâu dài, rất thích hợp cho nhiều nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt nghiên cứu lịch sử

Để đánh giá điều kiện nhiệt của mặt đất bằng dữ liệu vệ tinh, cần phải tìm mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và lớp phủ Nhiệt độ bề mặt đất bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi khả năng của bề mặt phát ra bức xạ, tức là độ phát xạ bề mặt Vì vậy, biết rõ độ phát xạ bề mặt là điều quyết định để ước tính cân bằng bức xạ ở bề mặt trái đất Bức xạ nhiệt từ bất kỳ bề mặt nào phụ thuộc vào 2 yếu tố: (1) nhiệt độ bề mặt, là chỉ thị của tình trạng nhiệt động lực gây nên bởi cân bằng nhiệt của các thông lượng giữa khí quyển, bề mặt và lớp đất mặt phụ; (2) độ phát xạ bề mặt, là hiệu suất của bề mặt để truyền dẫn năng lượng bức xạ được sinh ra trong đất đi vào khí quyển Nó phụ thuộc vào thành phần, độ nhám bề mặt và các tham số vật lý của

bề mặt như độ ẩm đất Vì vậy, để ước tính định lượng nhiệt độ bề mặt, cần phải tách các hiệu ứng của nhiệt độ và độ phát xạ trong bức xạ được quan sát

Môi trường nhiệt xung quanh các khu vực đô thị được đặc trưng bởi hiện tượng “đảo nhiệt đô thị” (Urban heat island) làm ảnh hưởng đến nhu cầu năng lượng, sức khoẻ và các điều kiện về môi trường Các quan trắc mặt đất chỉ phản ảnh điều kiện nhiệt của khu vực cục bộ xung quanh trạm đo Thực tế, chúng ta không thể thiết lập nhiều trạm quan trắc khí tượng với mật độ dày đặc Dữ liệu viễn thám

có độ phân giải không gian cao hơn và phần phủ mặt đất lớn hơn, đồng thời cho

phép thu nhận thông tin bề mặt trái đất ngay cả những vùng con người không thể đi đến được Với ưu điểm trên, hiện nay nhánh viễn thám nhiệt (với các kênh có bước sóng từ 8 - 14µm) đã được sử dụng cho các khu vực đô thị để theo dõi diễn biến nhiệt độ và đánh giá hiện tượng “đảo nhiệt đô thị”

Khu vực để thực hiện nghiên cứu là huyện Cao Phong, tỉnh Hòa Bình Huyện Cao Phong là một huyện miền núi, thuộc vùng Tây Bắc (Việt Nam) Phía Đông giáp huyện Kim Bôi, phía Bắc giáp thành phố Hòa Bình, phía Tây Bắc giáp huyện Đà Bắc (ranh giới là hồ Hòa Bình, trên sông Đà), phía Tây và Tây Nam giáp huyện Tân Lạc, góc phía Đông Nam giáp huyện Lạc Sơn Theo thống kê nhiều năm, nhiệt độ huyện Cao Phong cao hơn một số vùng xung quanh Huyện đang trên đà phát triển mạnh về nhiều mặt kinh tế, xã hội, trong đó có các hoạt động về du lịch và quá trình

đô thị hóa đang diễn ra nhanh chóng trên khu vực

Do nhu cầu nhà ở và phát triển đô thị, đất nông nghiệp, rừng và các ao hồ đã chuyển thành đất ở, đường sá và các khu công nghiệp Đất bề mặt càng bị bê tông hoá, thảm thực vật càng bị biến mất nhiều Chính điều đó đã khiến cho nhiệt độ bề mặt đô thị tăng cao so với các vùng ngoại thành xung quanh Xuất phát từ nhu cầu thực tế và được sự đồng ý của Khoa Địa lý, Trường Đại học khoa học tự nhiên - Đại

học quốc gia Hà Nội, em tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu xác định đặc điểm

nhiệt độ bề mặt lớp phủ huyện Cao Phong, tỉnh Hòa Bình năm 2016 bằng phương pháp viễn thám nhiệt” Các nội dung sẽ trình bày kết quả nghiên cứu phương pháp

xác định nhiệt độ bề mặt (sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8) có tính đến yếu tố phát xạ trong hiệu chỉnh kết quả tính toán, ứng dụng viễn thám nhiệt trong khảo sát nhiệt độ

đô thị và tìm hiểu mối quan hệ nhiệt độ bề mặt với các yếu tố tự nhiên

2 Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu

a, Mục tiêu

Xác định nhiệt độ bề mặt huyện Cao Phong, tỉnh Hòa Bình, phân tích mối quan

hệ nhiệt bề mặt với lớp phủ Từ đó, đưa ra gợi ý và kiến nghị trong việc quy hoạch không gian nhằm điều hòa nhiệt độ môi trường, phục vụ nhu cầu phát triển bền vững của huyện

b, Nhiệm vụ:

Để đạt được mục tiêu nói trên, các nhiệm vụ sau cần thực hiện

- Xác định sự phân bố nhiệt độ bề mặt bằng việc thử nghiệm một số phương pháp tính toán: Phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt có tính độ phát xạ từ phương pháp NDVI và Phương pháp chuẩn hóa độ phát xạ NOR (Emissivity Normalization Method)

- Đánh giá độ chính xác của hai phương pháp trích lọc nhiệt độ bề mặt

- Đánh giá hiện tượng “đảo nhiệt đô thị” tại khu vực nghiên cứu

- Xác định mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt với lớp phủ

3 Cơ sở dữ liệu và phạm vi nghiên cứu

a, Cơ sở dữ liệu:

- Các bài báo, tài liệu liên quan tới vấn đề nghiên cứu về trích lọc giá trị nhiệt

độ bề mặt từ ảnh viễn thám và nghiên cứu mối quan hệ nhiệt độ bề mặt với các yếu tố môi trường tự nhiên

- Tài liệu về đặc điểm nhiệt độ khu vực nghiên cứu

- Các bản đồ các yếu tố tự nhiên huyện Cao Phong: Bản đồ độ cao, Bản đồ thổ nhưỡng, Bản đồ lớp phủ,…

- Ảnh Landsat 8 TIRS khu vực huyện Cao Phong, band Hồng ngoại nhiệt band 10

b, Phạm vi nghiên cứu:

Đề tài tập trung nghiên cứu trong phạm vi lãnh thổ huyện Cao Phong, tỉnh Hòa Bình

4 Ý nghĩa của đề tài

- Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho nghiên cứu nhiệt độ bề mặt và các nghiên cứu khác ứng dụng giá trị nhiệt độ bề mặt của khu vực nghiên cứu

- Kết quả nghiên cứu của đề tài là tài liệu tham khảo, cơ sở đề xuất phục vụ công tác quy hoạch không gian nhằm điều hòa nhiệt độ môi trường của khu vực nghiên cứu

5 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận văn gồm các chương sau:

Chương 1: Cơ sở lí luận và phương pháp nghiên cứu

Chương 2: Các điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội ảnh hưởng tới đặc tính nhiệt

của huyện Cao Phong

Chương 3: Phân tích đặc điểm nhiệt độ bề mặt huyện Cao Phong, tỉnh Hòa Bình và

mối quan hệ với lớp phủ thực vật

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.1 Viễn thám hồng ngoại nhiệt: cơ sở khoa học và ứng dụng

Phương pháp viễn thám hồng ngoại nhiệt là phương pháp ghi nhận các bức

xạ nhiệt ở dải sóng hồng ngoại nhiệt (từ 3 đến 14 µm) Vì bức xạ nhiệt có cường độ yếu, lại bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển, nên để thu các tín hiệu nhiệt phải có thiết bị quét nhiệt với độ nhạy cao Dưới đây là một số cơ sở vật lý và các nguyên tắc tạo ảnh hồng ngoại

1.1.1 Nguyên lý bức xạ nhiệt của vật chất

Tính chất bức xạ nhiệt của các đối tượng tự nhiên dựa vào nuyên tắc bức xạ của vật đen tuyệt đối

a, Nhiệt độ Kinetic và sự bức xạ nhiệt

Nhiệt độ của vật chất đo được khi tiếp xúc hoặc đặt chì vào bên trong vật chất được quan niệm là nhiệt độ bên trong của vật chất gọi là nhiệt độ Kinetic Nhiệt độ Kinetic là nhiệt độ bên trong của vật chất, thể hiện sự trao đổi năng lượng của các phần tử cấu tạo nên vật chất Sự bức xạ năng lượng của vật chất là một của nhiệt độ Kinetic của chúng Khi bức xạ vật chất có một nhiệt độ khác gọi là nhiệt độ bên ngoài của vật chất Viễn thám ghi nhận thông tin về nhiệt độ bên ngoài của vật chất, cũng có nghĩa là ghi nhận thông tin về sự bức xạ của vật chất

b, Sự bức xạ của vật đen tuyện đối

Khi nhiệt độ của một vật lớn hơn nhiệt độ 0oK (-237oC) thì nó sẽ phát ra một bức xạ nhiệt Cường độ bức xạ và tính chất phổ của bức xạ là một hàm của thành phần vật chất tại thời điểm đó Hình 1.1 minh họa cho sự phân bố phổ của năng lượng bức xạ từ bề mặt của vật đen tuyệt đối tại các nhiệt độ khác nhau Các đường cong phân bố năng lượng có hình dạng giống nhau nhưng các tia của chúng có xu hướng chuyển dịch về phía có bước sóng ngắn hơn khi nhiệt độ tăng cao (quy luật chuyển dịch cực trị năng lượng bức xạ của Wiens)

Phân bố phổ của năng lượng bức xạ của vật đen tại các nhiệt độ khác nhau:

T

m

A 



M - tổng năng lượng phát xạ, w/ m2 ;

M - năng lượng phổ phát xạ tại bức sóng ,;

 - hằng số stefan bolzmal = 5,6697 X 10-8 W/Cm2/K-4;

T - nhiệt độ của vật đen ( độ K )

d - diện tích phát xạ của vật đen

Hình 1.1 Đặc điểm phát xạ nhiệt của vật chất [5]

Theo phương trình, tổng lượng nhiệt phát ra từ bề mặt vật đen thì khác nhau theo tỷ lệ lũy thừa 4 của nhiệt độ tuyệt đối Viễn thám đo được năng lượng phát ra của vật, do đó đo được nhiệt độ của vật Viễn thám đo các bức xạ M theo các dải bước sóng khác nhau, tuy nhiên sự bức xạ nhiệt chỉ bắt đầu từ dải hồng ngoại nhiệt

c, Sự phát xạ nhiệt từ các vật chất thực

Với các vật đen tuyệt đối, nó phát xạ toàn bộ năng lượng rơi vào nó khi làm cho nhiệt độ của nó tăng lên, còn vật chất thực chỉ phát ra một phần năng lương rơi

vào nó Khả năng phát xạ nhiệt gọi là độ phát xạ nhiệt ( )

= Năng lượng phát ra của vật tại một nhiệt độ nào đó/ Năng lượng phát ra của một vật đen tại cùng một nhiệt độ đó

có giá trị từ 0 đến 1: giá trị khác nhau tùy thuộc vào thành phần vật chất,

ở các nhiệt độ khác nhau thì sự phát xạ cũng khác nhau Ngoài ra, sự phát xạ còn khác nhau ở dải sóng và góc phát xạ

Một vât gọi là vật xám thì có độ phát xạ nhỏ hơn 1 nhưng sự phát xạ là đều ở một bước sóng tương tự như của vật đen tuyệt đối Một vật có sự phát xạ khác nhau

ở các dải sóng khác nhau thì gọi là vật phát xạ lực chọn

Dải sóng từ 8-14μm có đặc điểm ngoài việc thể hiện sự phát xạ bề mặt của khí quyển còn thể hiện sự phát xạ của các đối tượng ở trê bề mặt trái đất với nhiệt

độ trung bình khoảng 300K, ở đó cực đại của nhiệt độ ở 9,7μm Vì lí do đó, hầu hết các thiết bị viễn thám đều hoạt động ở dải sóng 8-14μm cà ở dải sóng đó, các đối tượng tự nhiên trên bề mặt trái đất có sự phát xạ nhiệt rất khác nhau (bảng 1.1) Sự khác biệt đó liên quan đến thành phần vật chất và trạng thái cấu trúc của đối tượng

Bảng 1.1 Sự phát xạ của một số đối tượng tự nhiên điển hình

Mô hình nhiệt của các vật chất là thể hiện quán tính - hay sự biến đổi nhiệt

của vật chất trong một ngày đêm:

F = [Io (1 - A) COS Z ] - [  Tkim4] ban ngày

= -  Tkim4 ban đêm

Quán tính nhiệt: là khả năng phẩn ứng của một vật chất đối với sự thay đổi

về nhiệt Thông thường các vật chất có quán tính nhiệt cao thì có sự ổn định về nhiệt trong một ngày đêm hơn so với các vật chất có quán tính nhiệt nhỏ

Hình 1.2 Mô hình nhiệt của các vật chất có sự khác biệt lớn về nhiệt độ của vật

giữa ngày và đêm [5]

Trên ảnh hồng ngoại nhiệt ban ngày và ban đêm, có thể tính được quán tính

nhiệt - sự chênh lệch giữa nhiệt độ cao nhất và thấp nhất của vật xuất hiện trong

một chu kỳ của mặt trời trong một ngày (giữa trưa và nửa đêm)

1.1.2 Các ảnh hưởng của khí quyển tới việc quét tạo ảnh hồng ngoại

Khí quyển có ảnh hưởng nhiều đến quá trình thu nhận tín hiệu bức xạ nhiệt

Trong việc chế tạo thiết bị thu, các cửa sổ khi quyên được lựa chọn sao cho ảnh

hưởng từ khí quyển là thấp nhất Mặt khác đối với mỗi cửa sổ được lựa chọn thì ảnh

hưởng của khí quyển cũng được tăng lên hay giảm xuống tùy theo mức độ phát xạ

của từng đối tượng trên bề mặt Như vậy, các tín hiệu nhiệt thu được phụ thuộc vào

ảnh hưởng mạnh hay yếu của khí quyển, cụ thể là tỉ lệ giữa các thành phần: hấp thụ

và truyền qua

Do ảnh hưởng của các thành phần nhỏ bé trong khí quyển mà nó có thể hấp

thụ bớt một phần tín hiệu truyền từ đối tượng trên mặt đất, trước khi các tín hiệu đó

đến được thiết bị thu Ngược lại, chúng cũng có thể phát ra tín hiệu bức xạ về nhiệt

của chính các vật chất đó rồi bổ sung vào các tín hiệu khi truyền tới thiết bị thu

nhận Do đó, trong thực tế do ảnh hưởng của khí quyển mà nhiều đối tượng lại được

Mặt trời mọc Mặt trời lặn

Giờ trong ngày

Nước lặng sóng

Đầm lầy

0 4 8 12 16 20

24

thể hiện có nhiệt độ lạnh hơn hoặc ấm hơn so với nhiệt độ thực của chúng và ảnh hưởng đó làm sai lệch thông tin ra Thông thường, mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào dải quét, khoảng cách giữa thiết bị tới đối tượng Tất nhiên là điền kiện khí tượng có ảnh hưởng tới dạng và biên độ của những ảnh hưởng nhiệt do khí quuyển Mây và sương mù là yếu tố làm che khuất những bức xạ nhiệt của mặt đất Nếu trời trong, đới sol khí sẽ tạo nên những ảnh hưởng tới tín hiệu nhiệt Bụi, các nguyên tử cacbon, khói, hơi nước cũng là những nhân tố ảnh hưởng tới tín hiệu nhiệt độ được

Vì vậy, ảnh hưởng của khí quyển là rất đa dạng, tùy thuộc vào độ cao, thời gian và điều kiện thời tiết của khu vực Tuy nhiên, những ảnh hưởng của khí quyển thường không được để ý tới Trong ký thuật xử lí ảnh có nhiều phương pháp xử lí loại bảo các nhiễu khi quyển

Sự phát xạ nhiệt của một đối tượng tuân theo quy luật Stefan -Boltzmal:

Có thể biến đổi thành công thức:

Tad= Є ¼

T kin

trong đó :

T Rad - nhiệt độ phát xạ của vật chất;

T - nhiệt độ Kinetic (nhiệt độ bên trong);

Є - hệ số phát xạ nhiệt của vật chất

Vì TRad tỉ lệ với căn bậc 4 của TKin nên nhiệt độ phát xạ của vật chất luôn nhỏ hơn nhiệt độ bên trong của vật chất (nhiệt độ Kinetic) xem bảng 1.2

Bảng 1.2 Các thông số về hệ số nhiệt của một số vật chất [5]

Đối tượng Độ phát xạ

Є

Nhiệt độ Nhiệt độ phát xạ ( T Kin ) (T Rad= Є ¼ T kin)

K C K C Vật đen 1 300 27 300 27

Thực vật 0,98 300 27 298,5 25,5

Đất ướt 0,95 300 27 286,2 23,2

Đất khô 0,92 300 27 293,8 20,8

1.1.3 Đặc điểm ảnh hồng ngoại nhiệt

 Phân giải không gian và diện phủ mặt đất

Thông thường, ảnh quét đa phổ ngang được ghi nhận trên cao độ từ 300 - 12000m Bảng 1.3 liệt kê độ phân giải không gian và diện phủ trên các độ cao khác nhau khi sử dụng hệ quét có giá trị trường nhìn 90o và góc IFOV là 2,5 mili radian

Bảng 1.3 Độ phân giải mặt đất tại tâm (Nadir) và độ rộng của đường quét cho các độ cao khác nhau của một hệ quét đa phổ có góc 90 o

và trường nhìn tổng là 2,5 mili radian IFOV [5]

Độ cao Cao độ bay (m) Độ phân giải tại

Nadir (m)

Độ rộng đường quét (m)

H’ là cao độ bay;

là nửa giá trị của góc trường nhìn của hệ quét

Rất nhiều biến dạng hình học của quét đa phổ ngang gây ra và có thể giảm thiểu khi ta phân tích vùng gần tâm của điểm quét Nhiều biến dạng hình học có thể loại bỏ được bằng phương pháp toán học Tuy nhiên, hiệu ứng biến dạng gây khó khăn cho việc giải quyết chọn việc hiện tượng này

 Biến dạng tiếp tuyến - tỷ lệ

Ảnh ghi nhận bởi hệ quét đa phổ chưa được nắn sẽ bị biến dạng hình học, đặc biệt trên đường vuông góc với hướng bay

Hình 1.3 Sự thay đổi của các phần tử phân dải mặt đất theo vận tốc thẳng [5]

Trên hình 1.3 ta thấy rõ rằng cứ sau một khoảng thời gian, gương quay sẽ quét đi một góc không đổi vì vận tốc góc của gương quay là không đổi Hiện tượng này gọi là biến đổi hình học ảnh kiểu tỉ lệ tiếp tuyến Tỷ lệ ảnh sẽ thay đổi chỉ theo phương vuông góc với hướng bay và không thay đổi theo hướng bay

 Thay đổi kích thước của pixel phân giải

Trong quét ngang, kích thước của của điểm ảnh sẽ tăng dần khi xa đường tâm ảnh nadir Tại tâm nadir, độ phân giải mặt đất của đơn vị ảnh được tính bằng kích thước thật của pixel ảnh, như vậy là, phụ thuộc vào góc , độ cao H’ vào góc quay Thông thường, độ phân giải ở rìa ảnh sẽ lớn gấp 3 đến 4 lần độ phân giải của điểm ảnh tại đường tâm Tín hiệu đầu ra của máy tại bất kì điểm nào thể hiện phhỏ tổng hợp của tất cả các đối tượng không gian trong phạm vi pixel ảnh mặt đất Bởi lẽ, kích thước của điểm ảnh sẽ tăng dần theo hướng từ nidar ra rìa ảnh, chỉ có đối tượng không gian lớn hơn diện tích nhìn thấy bởi IFOV được ghi nhận chính xác Đối với một vật được ghi nhận vứi một nhiệt độ sáng, thì kích thước của vật đó phải lớn hơn độ phân giải mặt đất

Hình 1.4 Biến dạng địa hình trên một ảnh chụp và một ảnh quét đa phổ [5]

a - trên một ảnh máy bay chụp chim, các đối tượng không gian biến dạng

khi đi xa tâm ảnh;

b - trên ảnh quét đa phổ ngang, các đối tượng không gian biến dạng

theo một góc vuông góc với đường tâm

 Biến dạng địa hình theo một chiều

Hình 1.5 minh họa biến dạng địa hình do quét phổ gây ra Biến dạng địa hình chỉ ra theo một hướng Biến dạng này là do khi đo phổ từ máy bay và có tính chất đều theo một hướng nghiêng

Hình 1.5 Biến dạng của một ảnh quét gây ra bởi các yếu tố khác nhau [5]

a - cảnh trên mặt đất, b - ảnh quét, c - biến dạng do quay, d - biến dạng do đẩy,

e - biến dạng do chao

 Biến dạng thông số bay

Trên thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự biến dạng các thông số bay, kết quả là hình ảnh bị méo và lệch theo nhiều hình thức khác nhau

Tóm lại, ảnh nhiệt có các đặc điểm chính như sau:

- Rất hay bị méo do ảnh hưởng của yếu tố môi trường như: gió, mưa, mây,

thực vật…

- Rất khác nhau giữa ảnh ban ngày và ban đêm phụ thuộc vào mô hình nhiệt

của các vật chất khác nhau

1.1.4 Phân tích ảnh quét nhiệt

Một trong những yêu cầu của nghiên cứu ảnh nhiệt là cần phải có ảnh chụp trong nhiều thời gian, cả ngày lẫn đêm, đặc biệt là cần có ảnh vào thời điểm mà nêu được tối đa đặc điểm nhiệt của đối tượng Tốt nhất là có ảnh trong suốt 24 giờ của 1 ngày

Đặc điểm phát nhiệt của một số vật chất qua một ngày đêm như sau: khi mặt trời lặn, nhiệt độ của vật chất đều giảm đi đến cực tiểu Sau khi mặt trời mọc, nhiệt

độ lại tăng lên đến cực trị vào khoảng từ 12h đến 16 giờ Cực tiểu nhiệt độ xuất hiện trong khoảng từ 3 - 5 giờ sáng

Thông qua tư liệu viễn thám, có thể xác định nhiệt độ thực ở bên ngoài của vật chất dựa theo công thức sau:

DN = A + B x Є x T4

Từ đó suy ra T là nhiệt độ thực của bề mặt vật chất:

Trong đó:

DN - giá trị số của ảnh viễn thám

A; B - Các giá trị hiệu chỉnh bức xạ của đối tượng so với vật đen tuyệt đối

Є - Hệ số phát xạ nhiệt của vật

Như vậy các giá trị nhiệt độ xác định được trên tư liệu viễn thám thường

là nhiệt độ chói ( Brightness temperture), muốn xác định nhiệt độ thật của vật chất ta phải tình toán thêm các thông số hiệu chỉnh liên quan đến môi trường của từng vị trí cụ thể Các thông số về nhiệt độ như: nhiệt độ đỉnh mây, nhiệt độ mặt đất, nhiệt độ bề mặt nước biển… có thể xác định được thông qua phân tích tư liệu viễn thám nhiệt

Tóm lại, khi nghiên cứu phân tích ảnh hồng ngoại nhiệt thu được bằng phương pháp quét, cần lưu ý một số điểm chính như sau:

- Ảnh nhiệt thường là ảnh đen trắng và trên đó, tone ảnh sáng là những vùng

có nhiệt độ cao, tone ảnh tối đen là những vùng có nhiệt độ thấp

- Có thể tạo ảnh màu giả cho ảnh hồng ngoại Các vùng có nhiệt độ cao thường được gắn màu nóng là màu đỏ và các vùng có nhiệt độ thấp được gắn màu lạnh là màu xanh

- Để phân tích ảnh nhiệt độ một cách chính xác cần có ảnh thu được trong cả ngày và đêm cho một vùng

- Nhiệt độ phân tích được là nhiệt độ bên ngoài bề mặt đối tượng chứ không phải nhiệt độ bên trong của vật hoặc đối tượng

- Ảnh nhiệt thường bị nhiễu do ảnh hưởng của khí quyển Ngoài ra độ méo hình học của ảnh quét nhiệt là khá lớn, do đó việc hiệu chỉnh hình học là rất cần thiết trong xử lý ảnh nhiệt

- Trong nghiên cứu, ảnh nhiệt cung cấp những thông tin về tính chất nhiệt một cách tương đối là chủ yếu Muốn xác định chính xác nhiệt độ của các đối tượng phải

có những quan trắc chi tiết và so sánh với tài liệu đo đạc thực tế

1.1.5 Đặc điểm một số tư liệu viễn thám nhiệt hiện nay

Bảng 1.4 Một số tư liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt

nhiệt

Bước sóng ( )

Độ phân giải (m)

Diện tích phủ

Chu kì chụp lại

Ảnh MODIS

vệ tinh Terra (2000) và

vệ tinh Aqua (2002)

175km 18 ngày 1

Vệ tinh Landsat cung cấp ảnh có độ phân giải trung bình, khoảng thời gian

vệ tinh lặp lại một khu vực là 16 ngày (đối với Landsat 7 và Landsat 8), việc này giúp theo dõi những biến động về diện tích, sức khỏe của cam trên địa bàn khu vực nghiên cứu

Hình 1.6 Ảnh Landsat năm 2013 Hình 1.7 Ảnh Landsat năm 2015

Hình 1.8 Ảnh Landsat năm 2016 1.1.6 Ứng dụng của viễn thám hồng ngoại nhiệt

Trên thế giới và tại Việt Nam cũng đã có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng viễn thám hồng ngoại nhiệt với nhiều lĩnh vực khác nhau, phổ biến nhất là các nghiên cứu về lĩnh vực quản lí tài nguyên và môi trường

Nhiệt độ bề mặt biển là một trong những giá trị được ứng dụng nhiều của viễn thám nhiệt Tại Ấn độ, khai thác sử dụng tư liệu ảnh NOAA AVHRR cho nghiên cứu chỉ số nhiệt độ bề mặt biển (SST) và chlorophyll phục vụ công tác dự báo nghề cá để tìm kiếm những khu vực có tiềm năng đánh bắt cho sản lượng cao

[23] Ngoài chỉ số về SST và chlorophyll, chỉ số độ cao nhiệt độ bề mặt nước biển (SSH) cũng được phân tích từ dữ liệu ảnh viễn thám kết hợp với dữ liệu cá ngừ vây vàng từ nghề câu vàng để tìm ra các mối tương quan có ý nghĩa giữa sản lượng khai thác đối tượng này với các yếu tố hải dương học phục vụ cho việc dự báo vùng tập trung cá ngừ vây vàng trong thời gian gần thực (near real time) [7]

Bên cạnh đó, chương trình nghiên cứu cá nổi đại dương (PFRP) do Đại học Hawaii tiến hành từ năm 1996 đến nay ở khu vực Tây Thái Bình Dương đã ứng dụng công nghệ phân tích ảnh viễn thám các trường hải dương, đánh dấu cá ngừ và nghiên cứu về đặc điểm sinh thái học để xây dựng các dự báo khai thác cá nổi lớn đại dương

Trong khu vực, tại Hội thảo khoa học tổ chức ngày 6-7 tháng 3 năm 2012 tại Holiday Inn Melaka, Malaysia, nhóm tác giả Nurdin, S, Lihan, T & Mustapha, A.M thuộc trường đại học Kebangsaan chỉ ra rằng dự báo ngư trường khai thác cá bạc

má bằng công nghệ viễn thám với chỉ số SST dao động 29.94 ± 0.230C và chlorophyll-a 0.31 ± 0.10 mg/m3 thích hợp cho mật độ phân bố cá bạc má cao [21]

Ở Việt Nam, cũng đã có rất nhiều nghiên cứu về nhiệt độ bề mặt biển Ví dụ

như nghiên cứu của tác giả Nguyễn Duy Thành - Thử nghiệm ứng dụng viễn thám

và GIS vào dự báo ngư trường khai thác cá ngừ đại dương ở vùng biển xa bờ Trung

bộ Việt Nam Nghiên cứu này đã sử dụng nhiệt độ bề mặt biển (SST) để áp dụng

vào mô hình dự báo ngư trường xa bờ được xây dựng trên quan điểm định hướng và tiếp cận mối quan hệ "ngư trường - sinh học - môi trường" Nguyên cứu này là đề tài mang tính thử nghiệm dữ liệu viễn thám trong công tác nghiên cứu, nhưng đề tài

đã hoàn thành một số các nội dung khoa học Các kết quả nhận được cả về lý luận

và thực nghiệm đã mở ra khả năng trong việc phát triển mô hình và quy trình dự báo có sử dụng công nghệ cao, tiến tới nghiên cứu áp dụng vào thực tiễn các dự báo nghiệp vụ với các bản tin dự báo ngày càng có độ tin cậy cao, phục vụ có hiệu quả cho quá trình khai thác xa bờ và công tác quản lý nghề cá

Xác định giá trị nhiệt độ bề mặt cũng là một ứng dụng phổ biến của viễn thám hồng ngoại nhiệt, đặc biệt là nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đô thị nhằm đánh giá ảnh hưởng của đô thị hóa và đề xuất giải pháp điều hòa nhiệt độ Theo nhóm tác giả

Trần Thị Vân, Hoàng Thái Lan và Lê Văn Trung trong Nghiên cứu xác định nhiệt

độ bề mặt đô thị bằng phương pháp viễn thám nhiệt: “Viễn thám hồng ngoại nhiệt

đo lường bức xạ bề mặt trái đất có thể giúp ta khôi phục giá trị nhiệt độ bề mặt trên toàn vùng nghiên cứu theo từng pixel Nhiệt độ bề mặt được xác định cho từng khu vực tương ứng với kích thước của pixel và cho bức tranh phân bố nhiệt độ toàn thể khu vực nghiên cứu”[14] Nghiên cứu này sử dụng hai dòng ảnh viễn thám là ảnh LANDSAT và ảnh ASTER với độ phân giải trung bình và cao, xác định nhiệt độ bề mặt đô thị của khu vực thành phố Hồ Chí Minh và thu được kết quả chính xác cao

Trong lĩnh vực nghiên cứu nhiệt độ bề mặt được trích lọc từ viễn thám nhiệt, mối quan hệ nhiệt độ với lớp phủ hiện nay cũng rất được nhiều nhà khoa học quan

tâm Trong nghiên cứu Ứng dụng GIS trong phân tích mối tương quan giữa biến

động nhiệt độ bề mặt và lớp phủ mặt đất của thành phố Đà Lạt các tác giả Lê Văn

Trung, Nguyễn Nguyên Vũ đã áp dụng mô hình hồi quy tuyến tính đa biến bằng phương pháp Bayesian Model Average (MBA) để thấy được mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và diện tích phân bố của các loại lớp phủ có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy 95% Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt độ bề mặt đất có tương quan thuận với diện tích phân bố của đất đô thị, đất trống và tương quan nghịch với diện tích phân bố của thực phủ, mặt nước

Việc xác định nhiệt độ bề mặt còn được ứng dụng vào nhiều nghiên cứu khác, trong đó có phát hiện cháy ngầm Đã có nhiều công trình nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới ứng dụng dữ liệu viễn thám nhiệt giám sát hiện tượng cháy ngầm Trong các nghiên cứu này thường sử dụng ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT 5 TM (Cracknell and Mansor, 1992 [18]; Zang and et al., 1997 [27]) hoặc LANDSAT 7 ETM+ (Chen and et al., 2007 [17]; Mishra and et al., 2012 [20]) xác định nhiệt độ bề mặt nhằm phát hiện các vùng xảy ra cháy ngầm Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu dừng lại ở việc tính nhiệt độ từ giá trị số của ảnh mà chưa quan tâm nhiều đến mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và lớp phủ thực vật

Trong nghiên cứu Ứng dụng dữ liệu ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT đã thời gian

nghiên cứu hiện tượng cháy ngầm ở mỏ than của tác giả Trịnh Lê Hùng Ngoài việc

nghiên cứu tìm ra các điểm cháy ngầm, mức độ cháy tại đó ở vỉa than Jahria Tây Bắc Ấn Độ thông qua dữ liệu ảnh LANDSAT Nghiên cứu này, để xác định nhiệt

độ bề mặt, tác giả đã xây dựng chương trình LST (Land surface temperature) viết

bằng ngôn ngữ C++ Chương trình LST đọc ảnh viễn thám ở định dạng cơ bản TIF

và có các công cụ hiệu chỉnh bức xạ, tính chỉ số thực vật NDVI, tính độ phát xạ và nhiệt độ bề mặt Bên cạnh đó, chương trình LST còn cho phép gán màu sắc cho các vùng ảnh có giá trị độ xám xác định, điều này giúp làm nổi bật những vùng nhiệt độ cao và thấp trên ảnh Đây được xem là một hướng nghiên cứu độc đáo, mới

mẻ trong việc xác định nhiệt độ bề mặt

Nhiệt độ bề mặt được trích lọc bằng viễn thám hồng ngoại nhiệt còn là một biến quan trọng để tính toán cho các chỉ số khác, ví dụ như chỉ số khô hạn (TVDI - Temperature-Vegetation Dryness Index) Tại Việt Nam, đã có rất nhiều nghiên cứu

áp dụng chỉ số này nhằm cảnh báo nguy cơ cháy rừng, cảnh báo hạn hán.v.v

Tính hữu ích của chỉ số TVDI được tác giả Nguyễn Thị Quỳnh Trang nhắc

đến trong Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt bằng tư liệu ảnh MODIS phục vụ cảnh báo

hạn hán khu vực Tây Nguyên Nghiên cứu đã chỉ ra rằng: Chỉ số khô hạn TVDI

được tính trên cơ sở độ chênh lệch giữa nhiệt độ bề mặt tại điểm quan trắc với nhiệt

độ bề mặt thấp nhất cho mỗi khoảng giá trị của NDVI Kết quả tính toán được cho thấy TVDI là chỉ số khô hạn tiềm năng, có thể tính toán được dễ dàng để nghiên cứu và theo dõi khô hạn Việc xây dựng một cơ sở dữ liệu tích lũy nhiều năm của chỉ số TVDI là cần thiết cho việc theo dõi chu kỳ khí hậu, làm cơ sở cho việc dự đoán xu thế biến đổi trong thời gian thực của chỉ số khô hạn, cũng như làm cơ sở cho việc cảnh báo hạn hán từ việc quan trắc TVDI qua thời gian dài, những khu vực cho chỉ số khô hạn tăng đột biến sẽ là khu vực có nhiều khả năng bị hạn hơn các khu vực khác [9] Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng dữ liệu ảnh MODIS có độ phủ rộng để nghiên cứu trên khu vực lớn (2330 km), nhưng độ phân giải của ảnh nhiệt MODIS không cao (1000m) Bởi vậy, vẫn còn những hạn chế về kết quả của nghiên cứu, kết quả ở đây đánh giá trên toàn khu vực Tây Nguyên chứ không thể nghiên cứu sâu đến một khu vực nhỏ nhất định Tuy nhiên, nghiên cứu cũng đã khẳng định: phương pháp nghiên cứu hạn hán qua dữ liệu ảnh MODIS là khả thi

Đối với các nghiên cứu khu vực nhỏ, dữ liệu sử dụng là các ảnh vệ tinh có độ

phân giải cao hơn Ví dụ như nghiên cứu của Trịnh Hùng và Đào Khánh Hoài - Ứng

dụng viễn thám đánh giá nguy cơ hạn hán khu vực huyện Bắc Bình, tỉnh Bình Thuận Nghiên cứu sủ dụng tư liệu ảnh Landsat với ưu điểm độ phân giải không

gian trung bình (ảnh nhiệt Landsat 7 là 120m và Landsat 8 là 100m) Kết quả của nghiên cứu thu nhận được chỉ số khô hạn và đánh giá nguy cơ hạn hán của khu vực nhỏ như huyện Bắc Bình, tỉnh Bình Thuận Kết quả này cũng có thể sử dụng trong thành lập bản đồ nguy cơ hạn hán tỉ lệ 1:100.000, góp phần ứng phó và giảm thiểu ảnh hưởng của hạn hán đến môi trường sống và hoạt động sản xuất của người dân

Ngoài ra, cũng có nhiều nghiên cứu cảnh báo cháy rừng ứng dụng viễn thám

hồng ngoại nhiệt và chỉ số khô hạn Ví dụ như: Cháy rừng ở Việt Nam nghiên cứu của tác giả Trần Hùng (2004), Ứng dụng ảnh viễn thám MODIS và công nghệ GIS

cho dự báo nguy cơ cháy rừng (lấy ví dụ cho khu vực Nghệ An) của tác giả Lương

Thu Hường v.v Các nghiên cứu cháy rừng trên quy mô lớn, phát hiện những điểm

“nhạy cảm cháy” những vùng và khu vực có nguy cơ cháy cao, từ đó đưa ra những giải pháp và kiến nghị trong việc bảo vệ rừng Dữ liệu ảnh thường được sử dụng trong các nghiên cứu này là ảnh MODIS và nghiên cứu những khu vực lớn

1.2 Nhiệt độ bề mặt đất (Land surface temperture - LST)

Nhiệt độ bề mặt đất được định nghĩa là nhiệt độ bề mặt trung bình bức xạ của một khu vực Nhiệt độ bề mặt 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 bề mặt đất Nó là kết quả tổng hợp của sự tương tác và trao đổi năng lượng giữa khí quyển và mặt đất, sự cân bằng giữ bức xạ nhiệt mặt trời với thông lượng khí quyển - mặt đất quy mô khu vực và trên toàn cầu Nhiệt độ bề mặt là một chỉ thị quan trọng của sự cân bằng năng lượng trên bê fmặt trái đất cũng như của hiệu ứng nhà kính Thông số này quyết định nhiệt độ không khí trên bề mặt đất và các bức xạ sóng dài giữa mặt đất và khí quyển, cũng như ảnh hưởng tới các hiện tượng khác trên bề mặt đất, như lượng giáng thủy và suất phản chiếu albedo Ngoài

ra, nó còn ảnh hưởng đến phân vùng năng lượng trên bề mặt đất, các thông lượng nhiệt bề mặt và thông lượng nhiệt ngầm LST có mối liên hệ chặt chẽ với các quá trình biến đổi của môi trường đất, đồng thời cũng phản ánh sự thay đổi của thực vật

Ví dụ, trong điều kiện khô hạn, nhiệt độ lá cây tăng cao là một chỉ số phản ảnh sự thiếu nước của thực vật (Mcvicar T.R và Jupp D.L.B 1998)

Nhiệt độ không khí trên bề mặt đất thường khác đáng kể thường khác đáng

kể so với LST trên thực tế Sự khác biệt này, phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và

các loại lớp phủ Mặc dù vậy vẫn có mối liên hệ chặt chẽ giữa nhiệt độ không khí và LST LST khác nhiệt độ không khí, vì LST liên quan chặt chẽ hơn tới các hoạt động sinh lý của lá cây trong các thảm thực vật, cũng như liên quan tới độ ẩm đất trong các vùng thưa thớt cây Nhiệt độ không khí thường không biến đổi theo không gian như LST nên có thể đo được dễ dàng hơn, điều này rất hữu ích trong việc nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ không khí và dữ liệu LST thu nhận từ ảnh vệ tinh

Độ chênh lệch khi đo đồng thời LST và nhiệt độ không khí có thể lên đến 20 độ K,

do LST liên quan đến những chu trình năng lượng ngày đêm trên bề mặt đất và chịu ảnh hưởng bới các yếu tố cảnh quan Do độ nhạy của LST với độ ẩm đất và lớp phủ thực vật, nên nó là thành phần quan trọng trong nhiều ứng dụng nghiên cứu về khi hậu, thủy văn, sinh thái học và sinh địa hóa…[29] Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi LST là [16]:

- Loại lớp phủ thực vật/loại hình sử dụng đất

- Các điều kiện sinh lý

- Mật độ hoạt động của con người

LST được tính toán trên cơ sở phát xạ của các đối tượng bề mặt (đất đai, lớp phủ, thực vật, bề mặt của nhà cửa…) quan sát bởi bộ cảm tại các góc nhìn tức thời

và năng lượng điện từ đo được trên băng hồng ngoại nhiệt của các bộ cảm đặt trên

vệ tinh Từ đó, nó được mô hình hóa dựa trên các đặc tính vật lý của khí quyển và các chỉ số kỹ thuật của bộ cảm [30] Tính toán LST từ dữ liệu viễn thám là tính toán tổng hợp giữa các hợp phần của cán cân năng lượng và bốc hơi trên bề mặt đất Các sản phẩm tính toán từ LST được sử dụng để hỗ trợ các nghiên cứu về thay đổi bề mặt đất như quá trình đô thị hóa, sa mạc hóa và nạn phá rừng…

Sự so sánh trực tiếp giữa các dữ liệu từ thực địa với LST thường không có ý nghĩa mấy vì bề mặt đất thường không đồng nhất mà LST là giá trị đại diện cho một điểm ảnh, với phạm vi bao trùm lớn Điều này gây khó khăn trong việc phát triển phương pháp tính toán LST từ dữ liệu viễn thám và việc đánh giá các phương pháp này [26]

1.3 Đảo nhiệt

Đảo nhiệt đô thị (tiếng Anh: Urban heat island) là một khu vực đô thị ấm hơn đáng kể so với các khu vực ngoại ô xung quanh Vào những năm 1810, Luke Howard là người đầu tiên nghiên cứu và mô tả hiện tượng này, mặc dù ông không phải là người đã đặt tên cho hiện tượng Sự chênh lệch nhiệt độ vào ban đêm thường lớn hơn thời gian ban ngày, và dễ cảm nhận được khi gió yếu Đảo nhiệt đô thị diễn

ra rõ rệt tùy theo mùa, chủ yếu trong mùa hè và mùa đông Nguyên nhân chính của đảo nhiệt đô thị là sự thay đổi bề mặt sử dụng đất trong quá trình phát triển đô thị Quá trình này sử dụng nhiều loại vật liệu có tác dụng giữ nhiệt hiệu quả Nhân tố thứ hai góp phần tạo ra đảo nhiệt đô thị là lượng nhiệt thải ra do quá trình sử dụng năng lượng Khi các trung tâm đông dân cư phát triển, người dân có xu hướng thay đổi diện tích đất đai nhiều và ngày càng nhiều hơn nữa, gây ra sự gia tăng nhiệt độ trung bình tương ứng

Cụm từ "đảo nhiệt" ít được sử dụng hơn, nói về một khu vực bất kì, không liên quan đến dân số, chỉ cần khu vực đó nóng hơn các khu vực xung quanh Trong luận văn này, học viên xác định các đảo nhiệt bất kì tại huyện Cao Phong

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Ngoài phương pháp chính là viễn thám hồng ngoại nhiệt sử dụng ảnh LANDSAT để trích lọc giá trị nhiệt độ bề mặt cho khu vực nghiên cứu, em còn sử dụng các phương pháp sau để hoàn thành luận văn:

Phương pháp khảo sát thực địa: được dùng để thu thập tài liệu, số liệu, thông tin cần thiết liên quan đến nhiệt độ bề mặt đất ở khu vực nghiên cứu

Phương pháp thu thập, tổng hợp, phân tích tài liệu: tổng hợp, phân tích các tài liệu, số liệu thu thập được, làm cơ sở so sánh, đối chứng với các kết quả tính toán nhiệt độ bề mặt

Phương pháp thống kê, so sánh, đánh giá tổng hợp: thống kê, đánh giá, phân tích để làm rõ mối quan hệ của nhiệt độ bề mặt đất với các yếu tố tự nhiên của khu vực nghiên cứu

Phương pháp bản đồ GIS: là phương pháp chủ đạo được sử dụng để phân tích và kết nối dữ liệu, xử lý các bước trung gian, và hiển thị kết quả phân tích từ các phương pháp khác

Các phương pháp trích loại giá trị nhiệt độ bề mặt từ viễn thám hồng ngoại nhiệt

Nhiều thuật toán khác nhau đã được giới thiệu để áp dụng trích lọc giá trị nhiệt bề mặt từ các dữ liệu hồng ngoại nhiệt ( Landsat, ASTER, MODIS,…) Theo

như bài trình bày tóm tắt báo cáo kết quả “Nghiên cứu đánh giá sáu thuật toán

dùng để trích lọc giá trị phát xạ phổ tương ứng đối với các kênh ảnh hồng ngoại nhiệt” của nhóm tác giả Zhao-Liang Li, F.Becker, M.P.Stoll và Zhengming Wan,

đăng trên tạp trí Remote Sensing of Environment, 1999: Qua chứng minh khảo sát thực nghiệm cho thấy, các thuật toán gần như ít chịu ảnh hưởng bởi các sai số hiệu chỉnh nhiễu thiết bị và sai số hiệu chỉnh hệ thống nhưng lại phụ thuộc nhiều vào

Trung và Nguyễn Thanh Minh trong nghiên cứu Trích lọc giá trị nhiệt bề

mặt(LST) từ ảnh vệ tinh Landsat 7 ETM+ đã chọn ra hai thuật toán tiêu biểu trong

số 6 thuật toán từ nghiên cứu trên được lựa chọn nhằm đối chứng độ sai lệch giữa các kết quả thu được; qua đó đưa ra nhận xét thuật toán nào nên được sử dụng trong các trường hợp nghiên cứu ứng dụng liên quan khác Hai thuật toán đó là: thuật toán kênh tham chiếu (Reference Channel Method, REF) và thuật toán chuẩn

kết luận: Về tính hợp lý logic, thuật toán NOR được khuyến khích sử dụng trong các nghiên cứu tính toán các giá trị nhiệt bề mặt LST, cũng như tính toán các giá trị phát xạ hơn là thuật toán REF

Ngoài việc sử dụng các thuật toán để nghiên cứu, còn có nhiều phương pháp khác Nhiều nghiên cứu ứng dụng tính giá trị nhiệt độ theo cách tính nhiệt độ sáng (nhiệt độ vật đen tuyệt đối) từ đó tính ra nhiệt độ bề mặt Tuy nhiên, Có rất nhiều nghiên cứu chỉ dừng lại ở bước tính ra nhiệt độ sáng đã kết luận đó là nhiệt độ bề

mặt Ví dụ như nghiên cứu của Võ Văn Trí, Trần Xuân Mùi, Lê Thị Phương Lan (2015), đã nêu ra giá trị nhiệt trích lọc của nghiên cứu “là nhiệt độ hiệu quả trên vệ tinh (nhiệt độ vật thể đen)” nhưng cũng chưa có các bước tính toán xem xét đến sự phát xạ bề mặt để đưa ra nhiệt độ bề mặt đất Điều này làm cho kết quả của nghiên cứu có độ chính xác không cao

Và được ứng dụng nhiều hơn cả ở các nghiên cứu trong nước và thế giới là

thông qua việc xác định độ phát xạ bề mặt từ phương pháp NDVI Theo nhóm tác giả Trần Thị Vân, Hoàng Thái Lan và Lê Văn Trung (2009): “Độ phát xạ bề mặt thu nhận từ viễn thám được khôi phục lại là một điều thử thách vì tính chất gồ ghề của bề mặt đất, đặc biệt là bề mặt đô thị và khó khăn trong việc loại bỏ các hiệu ứng khí quyển Do đó, thường thì các nghiên cứu đơn giản bỏ qua giai đoạn tính toán độ phát xạ và lúc đó chỉ dừng việc tính nhiệt độ bức xạ trên vệ tinh (nhiệt độ sáng) hoặc giả thiết độ phát xạ là một hằng số Điều này dễ dẫn đến kết quả khác biệt nhiều so với thực tế, trong khi đó độ chính xác đo lường nhiệt độ bề mặt liên quan trực tiếp đến độ chính xác tính độ phát xạ của đối tượng” Kết quả nghiên cứu của

đề tài đã ước tính giá trị nhiệt độ bề mặt bằng phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt có tính đến việc hiệu chỉnh kết quả tính toán thông qua việc xác định độ phát xạ

bề mặt từ phương pháp NDVI với độ lệch so với số đo thực tế trong vòng 2oC

Từ những nghiên cứu trên tác giả tiến hành nghiên cứu trích lọc nhiệt độ bề mặt bằng hai phương pháp: Phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt có tính độ phát

xạ từ phương pháp NDVI và Phương pháp chuẩn hóa độ phát xạ NOR (Emissivity Normalization Method) Và đánh giá kết quả của hai phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt có tính độ phát xạ từ phương pháp NDVI

a, Hiệu chỉnh bức xạ

Để tính nhiệt độ bề mặt, bước đầu tiên phải tiến hành hiệu chỉnh bức xạ để chuyển đổi giá trị số nguyên DN của ảnh sang giá trị thực của bức xạ Việc hiệu chỉnh bức xạ còn giúp giảm thiểu sự khác biệt khi ghép các ảnh với nhau Phương

pháp hiệu chỉnh bức xạ đối với các thế hệ ảnh LANDSAT là khác nhau Với ảnh

LANDSAT 8, hiệu chỉnh bức xạ được thực hiện như sau:

L M L.Qcal  AL

Trong đó:

L - giá trị bức xạ phổ;

M L - hệ số đối với từng kênh ảnh cụ thể (giá trị RADIANCE_MULT_BAND_x

trong dữ liệu ảnh LANDSAT 8, trong đó x là kênh ảnh);

AL - hệ số đối với từng kênh ảnh cụ thể (giá trị RADIANCE_ADD_BAND_x trong

dữ liệu ảnh LANDSAT 8, trong đó x là kênh ảnh);

Qcal - giá trị số của kênh ảnh

Bảng 1.5 Giá trị M L , A L đối với ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT 8

b, Tính giá trị nhiệt độ độ sáng (brightness temperature)

Sau khi hiệu chỉnh bức xạ, ảnh hồng ngoại nhiệt sẽ được sử dụng để tính nhiệt độ độ sáng (brightness temperature) Việc xác định nhiệt độ từ giá trị bức xạ của ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT được thực hiện như sau:

Trong đó

L- giá trị bức xạ phổ;

K1, K2 - hằng số đối với ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT (bảng 1.6)

Bảng 1.6 Giá trị K1, K2 đối với ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT 8

c, Tính giá trị nhiệt độ bề mặt (land surface temperature)

Nhiệt độ có liên quan mật thiết đến độ phát xạ của bề mặt (ε) Độ phát xạ được nhiểu là tỉ số năng lượng phát xạ từ bề mặt tự nhiên và năng lượng phát xạ từ vật đen ở cùng bước sóng và nhiệt độ Phương pháp hiệu chỉnh nhiệt độ dựa vào độ phát xạ bề mặt được thực hiện như sau: