Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Cơ sở dữ liệu và phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận Kết luận Tài liệu tham khảo 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1. Nhiệt độ bề mặt 1. Khái niệm nhiệt độ bề mặt và các bộ cảm viễn thám hồng ngoại nhiệt Nhiệt độ bề mặt đất( LST) đƣợc coi là nhiệt độ của lớp nằm giữa bề mặt đất và khí quyển [40]. Phần lớn bức xạ mặt trời đều đƣợc hấp thụ bởi bề mặt đất.
Sau đó, bề mặt Trái Đất lại bức xạ vào khí quyển và không gian. Sự cân bằng của lƣợng bức xạ mặt trời bị hấp thụ phụ thuộc vào hai yếu tố: khả năng truyền dẫn của không khí và sự hấp thụ của vật liệu bề mặt. Nhiệt độ bề mặt đất 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 lƣợng nhiệt hiện và nhiệt ẩn, thông lƣợng nhiệt đi vào mặt đất. Vì vậy, LST là yếu tố chỉ thị tốt của cân bằng năng lƣợng ở bề mặt Trái Đất.
1: Sự cân bằng năng lƣợng trong hệ thống khí hậu Sự cân bằng bức xạ này phụ thuộc vào các đặc trƣng truyền dẫn trong dải hồng ngoại của hơi nƣớc, mây, các phần tử khác, ví dụ các khí nhà kính nhƣ CO2… Nồng độ của các khí này đang tăng lên góp phần vào việc thay đổi khí 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Vì vậy, nhu cầu đo lƣờng liên tục LST ở quy mô toàn cầu và cấp vùng là không thể thiếu đƣợc để đặc trƣng các thay đổi khí hậu. Với những khu vực lớn và khu vực không thể đến đƣợc, việc đo lƣờng LST chỉ có thể đƣợc trích xuất từ các bộ cảm biến trên vệ tinh cung cấp toàn cảnh bề mặt Trái Đất. Viễn thám có thể đo lƣờng các đặc tính nhiệt của bề mặt lớp phủ hoặc khí quyển nhƣ bức xạ điện từ phát ra, phản xạ, tán xạ hay truyền dẫn.
Các thiết bị thụ động nhƣ bức xạ kế, cảm nhận phát xạ từ đối tƣợng và trong các dải bƣớc sóng thích hợp, có thể đƣợc dùng để suy diễn nhiệt độ từ các bức xạ đo đƣợc [3] Viễn thám thụ động đo lƣờng bức xạ phát ra từ bề mặt trái đất trên từng pixel phụ thuộc vào trƣờng nhìn tức thời của bộ cảm biến (IFOV- instantaneous field of view) đặt trên vệ tinh. 2 : Đƣờng đi của năng lƣợng bức xạ, phát xạ đến bộ cảm trên vệ tinh Vùng bƣớc sóng điện từ 3- 35μm thƣờng đƣợc gọi là vùng hồng ngoại trong viễn thám mặt đất. Dải quang phổ điện từ này cho phép thu nhận bức xạ và ƣớc 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 nhƣ AVHRR (trên vệ tinh NOAA), MVIRI (Meteosat), AATSR (ENVISAT), MODIS (TERRA) với độ phân giải thấp từ 1km trở lên.
13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong nghiên cứu đô thị thƣờng yêu cầu độ phân giải cao hơn, trong đó có các ảnh vệ tinh thu nhận từ các bộ cảm biến nhƣ LANDSAT. Hiện nay ảnh Landsat có nhiều thế hệ với số lƣợng kênh phổ và độ phân giải khác nhau. Tuy nhiên, thế hệ ảnh Landsat TM đƣợc thu từ vệ tinh Landsat-4 và -5 và ảnh Landsat ETM+ đƣợc thu từ vệ tinh Landsat-7 đƣợc sử dụng phổ biến nhất. Vệ tinh Landsat đƣợc thiết kế có bề rộng tuyến chụp là 185km.
Các giá trị pixel đƣợc mã hóa 8 bit tức là cấp độ xám từ 0 ÷ 255. Vệ tinh Landsat đƣợc trang bị bộ cảm MSS (Multispectral Scanner), TM (Thematic Mapper) và ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus). 1: Đặc trƣng của sensor và độ phân giải không gian của ảnh Landsat 7 ETM+ Kênh 1 0.90 Hồng ngoại gần 30m Kênh 5 1.75 Hồng ngoại TB 30m Kênh 6 10.5 Hồng ngoại nhiệt 60m Kênh 7 2.35 Hồng ngoại TB 30m Kênh 8 0.90 Lục đến hồng ngoại gần 15m (http://landsat.vn) Ảnh vệ tinh Landsat đƣợc sử dụng khá hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau: thành lập bản đồ chuyên đề, phân tích biến động (hiện trạng sử dụng đất, lớp phủ, biến động đƣờng bờ), phân biệt các loại khoáng vật, phân biệt hiện trạng thực phủ và đặc biệt dữ liệu từ Band 6 (gồm có Band 61 và Band 62 đƣợc ghi nhận ở hai mức low gain và high gain) là cơ sở quan trọng để thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt đất, giúp cho việc giám sát hiệu quả hiệu ứng nhà kính, tác động của quá trình đô thị hóa đến việc gia tăng nhiệt độ cũng nhƣ diễn biến trạng thái nhiệt độ trong những khoảng thời gian khác nhau ở những khu vực khác nhau. Ảnh hồng ngoại nhiệt của Landsat mặc dù có độ phân giải thấp hơn ảnh các bộ cảm biến khác nhƣng lại có quỹ đạo bay chụp toàn cầu và tƣ liệu lƣu trữ lâu dài, rất thích hợp cho nhiều nghiên cứu ứng dụng.
Trong nghiên cứu ƣớc tính nhiệt độ bề mặt đô thị có tính ƣu việt đặc biệt là mức độ chi tiết của kết quả 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đƣợc thể hiện trên toàn vùng, chứ không phải chỉ là số đo tại điểm quan trắc nhƣ trong phƣơng pháp đo đạc truyền thống từ các trạm quan trắc khí tƣợng. Cơ chế thu nhận ảnh hồng ngoại nhiệt Trong vùng hồng ngoại nhiệt, bức xạ phát ra bởi Trái Đất lớn hơn nhiều so với bức xạ phản xạ bởi Mặt Trời, do đó viễn thám vùng này đƣợc dùng để khôi phục giá trị nhiệt độ bề mặt đất. Kênh hồng ngoại nhiệt đƣợc sử dụng để xác định nhiệt bề mặt Hình 1. 3: Phân loại sóng điện từ Các bộ cảm biến vận hành chủ yếu phát hiện đặc tính bức xạ nhiệt của các vật liệu mặt đất.
Tuy nhiên, các kênh phổ hữu ích bị hạn chế do cƣờng độ bức xạ phát ra và các cửa sổ khí quyển. Cửa sổ khí quyển tốt nhất là 8-14μm [4] do có sự hấp thụ vật chất của khí quyển là thấp nhất [5]. 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 4: Cửa sổ khí quyển và các vùng phát xạ nhiệt Phần lớn năng lƣợng bề mặt đất đƣợc các bộ cảm biến nhiệt thu nhận trong dải bƣớc sóng 10.5 μm, và đƣợc dùng để ƣớc tính nhiệt độ bề mặt đất và các quá trình nhiệt khác [5], [6],[7].
Các bộ cảm biến thu nhận dữ liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt trong 2 cửa sổ 3-5μm và 8-14μm theo bức xạ phát ra một cách tự nhiên. Bức xạ hồng ngoại nhiệt trong dải 8-14μm đƣợc phát ra từ bề mặt tƣơng quan với nhiệt độ động năng và độ phát xạ bề mặt. Tuy nhiên, để đạt đƣợc nhiệt độ và độ phát xạ bề mặt từ dữ liệu hồng ngoại nhiệt cần có 2 điều kiện. Thứ nhất, bức xạ đo đƣợc ở bộ cảm biến bị ảnh hƣởng bởi khí quyển từ quá trình hấp thụ và phát xạ lại bởi các khí, chủ yếu là hơi nƣớc trong vùng hồng ngoại của phổ điện từ.
Vì vậy, để đạt đƣợc nhiệt độ bề mặt, cần phải hiệu chỉnh khí quyển qua việc sử dụng mô hình truyền bức xạ. Thứ hai, bản chất không xác định đƣợc của các số đo nhiệt độ và độ phát xạ. Nếu bức xạ nhiệt đƣợc đo trong N kênh, thì sẽ có N+1 tham số không biết gồm N lớp độ phát xạ (đối với N kênh) và 1 lớp nhiệt độ bề mặt. Ƣớc tính độ phát xạ và nhiệt độ trong dữ liệu hồng ngoại nhiệt đa phổ cần các giả thiết bổ sung để giải biến không xác định[8].
Các giả thiết thƣờng liên quan đến các đo đạc độ phát xạ trong phòng thí nghiệm hoặc trên thực tế. 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Giá trị bức xạ thu nhận trong dải hồng ngoại nhiệt của phổ điện từ trên các bộ cảm biến vệ tinh gồm 3 thành phần: (1) phát xạ bề mặt đƣợc truyền qua khí quyển (τεBλ); (2) bức xạ hƣớng dƣới đƣợc phát ra bởi khí quyển đƣợc phản xạ bởi bề mặt và truyền qua khí quyển đến bộ cảm (τ(1-ε)Lλ↓) và (3) phát xạ từ khí quyển đƣợc truyền qua khí quyển ở trên điểm phát xạ (Lλ↑). Minh họa điều này qua phƣơng trình truyền bức xạ nhƣ sau: Lsensor, λ = τ [ε Bλ + (1 - ε) Lλ↓] + Lλ↑(1) Trong đó, τ và ε là độ truyền qua và độ phát xạ. Thành phần (2) và (3) phụ thuộc vào các điều kiện khí quyển.
Các thông số này thƣờng đƣợc đo đạc đồng thời cùng lúc thu nhận ảnh từ vệ tinh, dùng để hiệu chỉnh khí quyển cho các bài toán liên quan bằng các mô hình nhƣ MODTRAN, ATCOR. Thực tế các số đo điều kiện khí quyển không sẵn có, do đó việc hiệu chỉnh khí quyển cho việc khôi phục lại các số đo mặt đất là một việc khó khăn đối với một vùng bất kỳ vào một thời điểm bất kỳ và thƣờng bỏ qua trong một số nghiên cứu ứng dụng. Trong công thức (1), bức xạ bề mặt đất Rλ đƣợc đo trong kênh bƣớc sóng λ gồm hai thành phần: Rλ = ε Bλ + (1 - ε) Lλ↓(2) Do nhiệt độ khí quyển thƣờng thấp hơn nhiệt độ mặt đất nên phần mặt đất hấp thụ đƣợc bức xạ phát ra từ khí quyển ((1 - ε) Lλ↓) thƣờng rất nhỏ so với phần phát xạ của mặt đất. Thực tế tính toán, đối với các bề mặt tự nhiên, bức xạ bề mặt sẽ đƣợc biểu diễn gần đúng nhƣ sau: [9]: Rλ = ε Bλ(3) Nghiên cứu đầu tiên về đảo nhiệt đô thị đã đƣợc tiến hành vào những năm 1920 bởi nhà nghiên cứu tên Luke Howard 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.
Từ đó đến nay, hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị vẫn luôn là một đề tài thu hút sự quan tâm của các nhà khí hậu học; nhiều nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng đãđƣợctiến hành tại các thành phố nhƣ London, Vancouver, Tel Aviv, Singapore, Athens, Seoul và cả Melbourne. Những nghiên cứu này, đã chỉ ra rằng hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị, đƣợc định nghĩa nhƣ là sự chênh lệch giữa nhiệt độ của các vùng nông thông xung quanh với thành phố, là do ảnh hƣởng bởi một loạt các yếu tố nhƣ: Trao đổi bức xạ 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com (bao gồm bức xạ mặt trời và bức xạ trái đất), Hoạt đông của gió, mật độ và loại cây xanh, vật liệu (tính chất về nhiệt và khả năng hấp thụ nƣớc của vật liệu), Những hoạt động phát thải nhiệt của con ngƣời.