phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị, đề tài bao gồm các chƣơng sau : Chƣơng 1. Tổng quan nghiên cứu nhiệt độ không khí và quá trình đô thị hóa Chƣơng 2. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 3. Kết quả nghiên cứu 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN, CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ KHÔNG KHÍ VÀ QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA 1. Tổng quan nghiên cứu nhiệt độ không khí và quá trình đô thị hóa 1.Tổng quan nghiên cứu nhiệt độ không khí 1. Vấn đề nhiệt độ không khí trên bề mặt đất Nhiệt độ không khí trên bề mặt đất gọi tắt là nhiệt độ bề mặt là một biến quan trọng đƣợc yêu cầu cho nhiều ứng dụng nhƣ khí hậu, thủy văn, nông nghiệp, sinh địa hóa và các nghiên cứu biến động. Nó đƣợc duy trì bởi thành phần đến của bức xạ Mặt Trời và bức xạ sóng dài, thành phần thoát đi của bức xạ hồng ngoại từ mặt đất, thông lƣợng nhiệt hiện và nhiệt ẩn và thông lƣợng nhiệt đi vào mặt đất.
Vì vậy, nhiệt độ bề mặt là yếu tố chỉ thị tốt của cân bằng năng lƣợng ở bề mặt Trái Đất. 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 và đóng góp vào việc thay đổi khí hậu. Vì vậy, nhu cầu đo đạc liên tục nhiệt độ ở quy mô toàn cầu và cấp vùng là không thể thiếu đƣợc để đặc trƣng các thay đổi khí hậu. Các mục đích khoa học không chỉ quan sát mà còn xác định nguyên nhân và hệ quả của các hiện tƣợng thay đổi khí hậu này.
Do đó, xác định nhiệt độ bề mặt trong mọi hoạt động và dài hạn là mối quan tâm thƣờng xuyên của các nhà khoa học. Đối với các khu vực lớn và ở quy mô không gian của nhiều mô hình tuần hoàn, nhiệt độ bề mặt chỉ có thể đƣợc trích xuất từ các bộ cảm biến trên vệ tinh cung cấp toàn cảnh bề mặt Trái Đất. Hơn nữa, đo đạc nhiệt độ bề mặt ở các khu vực không thể đến đƣợc chỉ có thể sử dụng các thiết bị đo đặt trên các vệ tinh. Viễn thám có thể đo lƣờng các đặc tính nhiệt của lớp phủ bề mặt 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. Đo lƣờng nhiệt độ từ xa với việc sử dụng các nhiệt kế trên vệ tinh đã bắt đầu từ cuối những năm 1950 và đo lƣờng nhiệt độ bề mặt từ viễn thám vào những năm đầu 1960 với việc phóng vệ tinh TIROS-II. Tuy nhiên, khái niệm đầy đủ cũng nhƣ sơ đồ thực hiện tính nhiệt độ không khí bề mặt chỉ mới bắt đầu vào đầu những năm 1980. 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Qua nhiều thập kỷ, các kỹ thuật để đo lƣờng nhiệt độ bề mặt đất từ phƣơng pháp đo bức xạ trong không gian đƣợc cải tiến về mặt phƣơng pháp, thiết bị đo cũng nhƣ tính toán.
Các kỹ thuật tiên tiến hiện tại cho phép định lƣợng các hiệu ứng khí quyển và bề mặt khá tốt. Vùng bƣớc sóng điện từ 3-35μm thƣờng đƣợc gọi là vùng hồng ngoại trong viễn thám mặt đất. Trong vùng này, bức xạ phát ra bởi Trái Đất do tình trạng nhiệt của chúng lớn hơn nhiều so với bức xạ phản xạ bởi Mặt Trời. Bức xạ hồng ngoại nhiệt trong dải 8-14μm đƣợc phát ra từ bề mặt tƣơng quan với nhiệt độ và độ phát xạ bề mặt và viễn thám vùng này đƣợc dùng để khôi phục giá trị nhiệt độ bề mặt.
Tuy nhiên, có hai vấn đề chính cần phải giải quyết để đạt đƣợc nhiệt độ và độ phát xạ bề mặt từ dữ liệu hồng ngoại nhiệt. 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 ƣớc lƣợng đƣợc nhiệt độ bề mặt đất, 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 và 1 lớp nhiệt độ bề mặt. Do đó, 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 (Valor et al. , 1996; Li et al. Các giả thiết thƣờng liên quan đến các đo đạc độ phát xạ trong phòng thí nghiệm hoặc trên thực tế.
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu tính tách biệt độ phát xạ và nhiệt độ bề mặt, lúc đó giả thiết độ phát xạ là hằng số (phƣơng pháp chuẩn hóa độ phát xạ NEM và NOR) hoặc nhiệt độ là hằng số (phƣơng pháp tỷ số phổ), biến không biết sẽ đƣợc tính và biến hằng số đã đƣợc giả thiết sẽ đƣợc tính lại tiếp sau đó. Hoặc yêu cầu biết trƣớc thông tin bề mặt nhƣ phƣơng pháp NDVI để tính độc lập độ phát xạ. Hoặc tính đồng thời cả hai trong cùng một mô hình (phƣơng pháp tách nhiệt độ và độ phát xạ TES). Hầu hết các phƣơng pháp này đều ứng dụng cho các bộ cảm biến nhiệt có từ 2 kênh trở lên.
Các phƣơng pháp ƣớc tính nhiệt độ bề mặt có mục đích là bù cho các hiệu ứng khí quyển và hiệu ứng góc nhƣ phƣơng pháp kênh đơn, kỹ thuật tách cửa số hoặc phƣơng pháp đa kênh và phƣơng pháp đa góc (Dash et al. Các phƣơng pháp này đều yêu cầu biết trƣớc thông tin phát xạ bề mặt và tính toán đồng thời với hiệu 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ứng khí quyển. Điều này sẽ gặp khó khăn khi không có đầy đủ số đo về khí quyển song hành vào thời kỳ quan trắc của vệ tinh, nhất là đối với các ảnh lịch sử. Ở Việt Nam, trong những năm gần đây đã có một số nghiên cứu ứng dụng viễn thám hồng ngoại nhiệt trong việc ƣớc tính giá trị nhiệt độ cho khu vực đô thị.
Phạm Văn Cự và cộng sự (2004) đã tính thử nghiệm nhiệt độ bức xạ từ ảnh viễn thám ASTER cho khu vực nội thành Hà Nội vào năm 2003. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chỉ mới dừng ở mức tính toán nhiệt độ bức xạ trên vệ tinh mà chƣa xem xét đến yếu tố độ phát xạ để chuyển về nhiệt độ bề mặt thực. Có xem xét đến ảnh hƣởng của độ phát xạ vật thể có thể kể đến công trình của tác giả Lê Văn Trung và cộng sự (2006) và (2007). Các số liệu về độ phát xạ này mang tính kế thừa của nƣớc ngoài và chỉ áp dụng cho từng nhóm đối tƣợng (thực vật, đất, nƣớc…), không thể hiện sự thay đổi chi tiết độ phát xạ của từng đối tƣợng cụ thể.
Vì vậy, kết quả không phản ánh đƣợc nhiệt độ bề mặt thực từ các giá trị độ phát xạ bề mặt thực của vật thể trên khu vực nghiên cứu của mình, điều này dễ dẫn đến kết quả tính chƣa chính xác so với thực tế. Hơn nữa, hầu hết các nghiên cứu này chƣa có đánh giá kiểm chứng kết quả tính toán với số đo quan trắc thực tế. Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat Vệ tinh Landsat là tên gọi chung cho hệ thống các vệ tinh chuyên dùng vào mục đích thăm dò tài nguyên Trái Đất. Đầu tiên nó mang tên ERTS (Earth Resource Technology Sattellite) - kỹ thuật vệ tinh thăm dò Trái Đất.
Hệ thống vệ tinh Landsat cho tới nay có thể nói là hệ thống vệ tinh mang tính chất quốc tế. Có 8 vệ tinh trong chƣơng trình này. Hiện nay có Landsat 7 và Landsat 8. Vệ tinh Landsat đầu tiên đƣợc phóng vào ngày 23/7/1972 và ngừng hoạt động vào năm 1978.
1: Dải phổ của các cảm biến trên Landsat Bƣớc sóng Loại bộ cảm Kênh Loại Độ phân giải (μm) Kênh 1 0,45 ÷ 0,52 Chàm 30 m TM Kênh 2 0,52 ÷ 0,60 Lục đỏ 30 m Thematic Kênh 3 0,63 ÷ 0,69 Đỏ 30 m Mapper Kênh 4 0,76 ÷ 0,90 Cận hồng ngoại 30 m (Landsat-1-5) Kênh 5 1,55 ÷ 1,75 Hồng ngoại trung 30 m 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Kênh 6 10,4 ÷ 12,5 Hồng ngoại nhiệt 120 m Kênh 7 2,08 ÷ 2,35 Hồng ngoại trung 30 m MSS Kênh 4 0,5 ÷ 0,6 Lục 80 m Multi Spectral Kênh 5 0,6 ÷ 0,7 Đỏ 80 m Scanner Kênh 6 0,7 ÷ 0,8 Cận hồng ngoại 80 m (Landsat-1-5) Kênh 7 0,8 ÷ 1,1 Cận hồng ngoại 80 m Kênh 1 0,45 ÷ 0,52 Chàm 30 m Kênh 2 0,53 ÷ 0,61 Lục đỏ 30 m Kênh 3 0,63 ÷ 0,69 Đỏ 30 m Kênh 4 0,75 ÷ 0,90 Cận hồng ngoại 30 m ETM+ Kênh 5 1,55 ÷ 1,75 Hồng ngoại trung 30 m Kênh 6 10,4 ÷ 12,5 Hồng ngoại nhiệt 60 m Kênh 7 2,09 ÷ 2,35 Hồng ngoại trung 30 m Kênh8 0,52 ÷ 0,9 Lục đến cận hồng ngoại 15 m Kênh 1 0.433 ÷ 0,453 Coastal aerosol 30 m Kênh 2 0,450 ÷ 0,515 Chàm 30 m Kênh 3 0,525 ÷ 0,600 Lục 30 m Kênh 4 0,63 ÷ 0,68 Đỏ 30 m Kênh 5 0,845 ÷ 0,885 Near Infrared (NIR) 30 m OLI&TIRs Kênh 6 1,56 ÷ 1,66 SWIR 1 30 m Kênh 7 2,1 ÷ 2,3 SWIR 2 30 m Kênh 8 0,50 ÷ 0,68 Panchromatic 15 m Kệnh 9 1,36 ÷ 1,39 Cirrus 30 m Kênh 10 10,3 ÷ 11,3 Thermal Infrared (TIR) 1 100 m Kênh 11 11,5 ÷ 12,5 Thermal Infrared (TIR) 2 100 m Nguồn: NASA 1. Tổng quan phương pháp tính nhiệt độ không khí trên bề mặt đất a) Cơ sở khoa học chiết xuất nhiệt độ không khí trên bề mặt đất từ ảnh viễn thám Nguyên lý cơ bản của viễn thám đó là đặc trƣng phản xạ hay bức xạ của các đối tƣợng tự nhiên tƣơng ứng với từng giải phổ khác nhau. Kết quả của việc giải đoán các lớp thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tƣơng quan giữa đặc trƣng 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phản xạ phổ với bản chất, trạng thái của các đối tƣợng tự nhiên.