Sử dụng ảnh viễn thám landsat xây dựng bản đồ biến động nhiệt độ tại huyện quế võ tỉnh bắc ninh giai đoạn 1990 2018

Tài liệu nghiên cứu Sử dụng ảnh viễn thám landsat xây dựng bản đồ biến động nhiệt độ tại huyện quế võ tỉnh bắc ninh, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu

• Tác giả: Đào Văn Thao
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Nguyễn Hải Hòa
• Trường học: Đại học Lâm Nghiệp
• Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên thiên nhiên
• Đề tài: Sử dụng ảnh viễn thám Landsat xây dựng bản đồ biến động nhiệt độ tại huyện Quế Võ, tỉnh Bắc Ninh giai đoạn 1990-2018
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1. PHẦN I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Khái niệm GIS và viễn thám
• 1.2. Lịch sử hình thành và phát triển của GIS và viễn thám
• 1.2.1. Trên thế giới
• 1.2.2. Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS tại Việt Nam
• 1.3. Ứng dụng ảnh Landsat trong nghiên cứu lớp phủ thực vật và nhiệt độ
• 1.3.1. Trên thế giới
• 1.3.2. Tại Việt Nam
• 2. PHẦN II: MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.1.1. Mục tiêu chung
• 2.1.2. Mục tiêu cụ thể
• 2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2.2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2.2. Phạm vi nghiên cứu
• 2.3. Vật liệu nghiên cứu
• 2.3.1. Dữ liệu ảnh
• 2.3.2. Dữ liệu bổ trợ
• 2.3.3. Dụng cụ, thiết bị
• 2.4. Nội dung nghiên cứu
• 2.4.1. Nghiên cứu thực trạng nhiệt độ và lớp phủ thực vật tại huyện Quế Võ, Bắc Ninh
• 2.4.2. Xây dựng bản đồ chuyên đề lớp phủ thực vật và bản đồ nhiệt độ tại huyện Quế Võ, Bắc Ninh
• 2.4.3. Nghiên cứu biến động và nguyên nhân thay đổi nhiệt độ tại huyện Quế Võ
• 2.4.4. Đề xuất giải pháp giảm thiểu tác động của nhiệt độ tại khu vực nghiên cứu
• 2.5. Phương pháp thực hiện nghiên cứu
• 2.5.1. Phương pháp luận
• 2.5.2. Phương pháp cụ thể
• 2.5.2.1. Xây dựng phương trình tương quan thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ với lớp phủ bề mặt
• 2.5.2.2. Xác định nguyên nhân, đề xuất giải pháp giảm thiểu tác động của sự gia tăng nhiệt độ
• 3. PHẦN III: ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN - DÂN CƯ - KINH TẾ - XÃ HỘI
• 3.1. Điều kiện tự nhiên
• 3.1.1. Vị trí địa lý
• 3.1.2. Địa hình, địa mạo
• 3.2. Tình hình kinh tế
• 3.3. Lĩnh vực văn hoá xã hội
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Thực trạng nhiệt độ và lớp phủ thực vật huyện Quế Võ, tỉnh Bắc Ninh
• 4.2. Xây dựng bản đồ lớp phủ thực vật và nhiệt độ bề mặt đất khu vực nghiên cứu
• 4.3. Thực trạng lớp phủ thực vật các năm nghiên cứu
• 4.4. Bản đồ biến động lớp phủ và biến động nhiệt độ các giai đoạn từ 1990-2018
• 4.5. Biến động nhiệt qua các giai đoạn nghiên cứu
• 4.6. Biến động lớp phủ thực vật tại khu vực huyện Quế Võ, tỉnh Bắc Ninh
• 4.7. Nguyên nhân thay đổi giá trị nhiệt qua các giai đoạn nghiên cứu
• 4.8. Ảnh hưởng của công nghiệp hóa đến biến động nhiệt độ bề mặt khu vực nghiên cứu
• 4.9. Đề xuất giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của quá trình công nghiệp hóa
• 4.9.1. Giải pháp quy hạch tập trung, giải pháp xanh
• 4.9.2. Giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của quá trình công nghiệp hóa lên nhiệt độ bề mặt
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hướng dẫn phân tích biến động nhiệt Quế Võ bằng ảnh Landsat

Nghiên cứu này trình bày một phương pháp tiếp cận toàn diện để sử dụng ảnh viễn thám Landsat xây dựng bản đồ biến động nhiệt độ tại huyện Quế Võ, tỉnh Bắc Ninh giai đoạn 1990-2018. Bằng cách khai thác sức mạnh của công nghệ viễn thám nhiệt và hệ thống thông tin địa lý (GIS), nghiên cứu cung cấp một cái nhìn chi tiết và khoa học về sự thay đổi nhiệt độ bề mặt qua gần ba thập kỷ. Quá trình này không chỉ là một bài tập kỹ thuật mà còn là công cụ quan trọng để đánh giá tác động của các hoạt động kinh tế - xã hội, đặc biệt là quá trình công nghiệp hóa, đến môi trường địa phương. Dữ liệu từ các vệ tinh Landsat, với chu kỳ chụp lặp lại và dải phổ nhiệt chuyên dụng, cho phép thực hiện phân tích đa thời gian một cách hiệu quả, theo dõi sự biến đổi của Nhiệt độ bề mặt đất (Land Surface Temperature - LST) một cách nhất quán. Việc hiểu rõ sự phân bố và biến động của LST là nền tảng cốt lõi cho công tác quản lý đô thị và quy hoạch lãnh thổ, giúp các nhà hoạch định chính sách đưa ra những quyết định sáng suốt nhằm giảm thiểu các tác động tiêu cực của biến đổi môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào huyện Quế Võ, một trong những trung tâm công nghiệp phát triển nhanh nhất của tỉnh Bắc Ninh, nơi những thay đổi về lớp phủ bề mặt diễn ra mạnh mẽ, tạo ra một mô hình điển hình để nghiên cứu về mối quan hệ giữa phát triển kinh tế và thay đổi nhiệt độ môi trường.

1.1. Giới thiệu công nghệ viễn thám nhiệt và GIS trong nghiên cứu

Công nghệ viễn thám nhiệt là một nhánh của viễn thám, chuyên thu thập thông tin về năng lượng nhiệt (hồng ngoại nhiệt) do các đối tượng trên bề mặt Trái Đất phát ra. Các bộ cảm trên ảnh vệ tinh Landsat (cụ thể là kênh 6 trên Landsat 5 và kênh 10, 11 trên Landsat 8) có khả năng ghi lại bức xạ này. Dữ liệu thô sau đó được xử lý thông qua các thuật toán tính LST để chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ bề mặt. Trong khi đó, hệ thống thông tin địa lý (GIS) đóng vai trò là một nền tảng mạnh mẽ để quản lý, phân tích và trực quan hóa dữ liệu không gian. GIS cho phép chồng xếp các lớp bản đồ nhiệt độ từ các năm khác nhau để thực hiện phân tích không gian và xác định các khu vực có sự thay đổi nhiệt độ đáng kể. Sự kết hợp giữa viễn thám và GIS tạo ra một quy trình làm việc liền mạch, từ thu thập dữ liệu vệ tinh đến tạo ra các sản phẩm bản đồ chuyên đề và báo cáo phân tích sâu sắc.

1.2. Tầm quan trọng của việc giám sát nhiệt độ bề mặt đất LST

Nhiệt độ bề mặt đất hay Land Surface Temperature (LST) là một chỉ số môi trường quan trọng, phản ánh sự cân bằng năng lượng trên bề mặt Trái Đất. Việc giám sát LST có ý nghĩa to lớn trong nhiều lĩnh vực. Trong nghiên cứu đô thị, nó giúp xác định và định lượng hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (UHI), một hiện tượng mà các khu vực đô thị có nhiệt độ cao hơn đáng kể so với các vùng nông thôn xung quanh. Đối với nông nghiệp, LST cung cấp thông tin về tình trạng khô hạn và sức khỏe cây trồng. Trong nghiên cứu biến đổi khí hậu Bắc Ninh, việc theo dõi LST theo thời gian dài giúp nhận diện các xu hướng nóng lên cục bộ, cung cấp bằng chứng khoa học cho các tác động của biến đổi khí hậu và các hoạt động của con người. Do đó, việc xây dựng các chuỗi dữ liệu LST dài hạn là vô cùng cần thiết cho việc lập kế hoạch phát triển bền vững.

II. Vì sao nhiệt độ bề mặt đất Quế Võ tăng đột biến 1990 2018

Sự gia tăng nhiệt độ đột biến tại huyện Quế Võ trong giai đoạn 1990-2018 có nguyên nhân sâu xa từ quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa diễn ra với tốc độ chóng mặt. Trước năm 1990, Quế Võ chủ yếu là vùng đất nông nghiệp với thảm thực vật và mặt nước chiếm ưu thế. Tuy nhiên, kể từ khi khu công nghiệp Quế Võ được thành lập vào năm 2002, cấu trúc sử dụng đất đã thay đổi hoàn toàn. Quá trình thay đổi sử dụng đất này là nguyên nhân chính gây ra sự gia tăng nhiệt độ. Các bề mặt tự nhiên như đất nông nghiệp và thảm thực vật, có khả năng làm mát thông qua quá trình thoát hơi nước, đã bị thay thế hàng loạt bởi các bề mặt nhân tạo như bê tông, nhựa đường và mái nhà công nghiệp. Các vật liệu này có đặc tính hấp thụ và giữ nhiệt rất cao, sau đó bức xạ lại vào không khí, làm tăng nhiệt độ môi trường xung quanh. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (UHI), và nó biểu hiện rõ rệt nhất tại các khu công nghiệp và khu dân cư tập trung. Nghiên cứu của Đào Văn Thao (2018) chỉ ra rằng, diện tích đất dành cho dân cư và khu công nghiệp tại Quế Võ đã tăng từ 1273.5 ha (năm 1990) lên 9072.18 ha (năm 2018), trong khi đất nông nghiệp giảm mạnh. Sự chuyển đổi này trực tiếp dẫn đến việc hình thành các "đảo nhiệt" với nhiệt độ cao hơn hẳn các khu vực còn lại.

2.1. Tác động từ sự phát triển của khu công nghiệp Quế Võ

Sự ra đời và mở rộng của khu công nghiệp Quế Võ là động lực chính thúc đẩy đô thị hóa và cũng là nguyên nhân trực tiếp làm tăng nhiệt độ bề mặt. Các nhà máy, xí nghiệp với mái tôn kim loại, sân bãi bê tông rộng lớn tạo thành những bề mặt hấp thụ nhiệt khổng lồ. Hơn nữa, hoạt động sản xuất công nghiệp và giao thông vận tải dày đặc cũng phát sinh một lượng nhiệt và khí thải đáng kể, góp phần làm gia tăng nhiệt độ không khí cục bộ. Các bản đồ nhiệt độ được xây dựng từ ảnh vệ tinh Landsat cho thấy rõ ràng các điểm nóng (hotspots) nhiệt độ trùng khớp chính xác với vị trí của các khu công nghiệp. Sự tập trung của các hoạt động công nghiệp không chỉ làm thay đổi đặc tính nhiệt của lớp phủ bề mặt mà còn tạo ra một môi trường sống khắc nghiệt hơn cho người dân trong khu vực.

2.2. Mối liên hệ giữa thay đổi sử dụng đất và hiệu ứng UHI

Mối quan hệ giữa thay đổi sử dụng đất và hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (UHI) là một mối quan hệ nhân quả rõ ràng. Khi đất nông nghiệp và thảm thực vật bị thay thế bởi các bề mặt không thấm nước (impervious surfaces), khả năng làm mát tự nhiên của cảnh quan bị suy giảm nghiêm trọng. Thảm thực vật sử dụng năng lượng mặt trời cho quá trình quang hợp và thoát hơi nước (làm mát), trong khi bê tông và nhựa đường chuyển hóa phần lớn năng lượng mặt trời thành nhiệt. Kết quả là, các khu vực đô thị hóa cao có nhiệt độ cao hơn từ 3-5°C, thậm chí cao hơn vào ban đêm so với vùng nông thôn lân cận. Nghiên cứu tại Quế Võ đã định lượng hóa mối liên hệ này, cho thấy sự tương quan nghịch mạnh mẽ giữa chỉ số thực vật NDVI (đại diện cho thảm thực vật) và nhiệt độ bề mặt, và tương quan thuận với chỉ số đô thị NDBI.

III. Phương pháp tính nhiệt độ bề mặt đất LST từ ảnh Landsat

Để xây dựng bản đồ biến động nhiệt độ, việc trích xuất giá trị Nhiệt độ bề mặt đất (LST) từ dữ liệu vệ tinh là bước quan trọng nhất. Nghiên cứu này đã áp dụng một quy trình chuẩn hóa và khoa học để tính toán LST từ ảnh vệ tinh Landsat 5 và Landsat 8. Quy trình này bao gồm ba bước chính. Đầu tiên là tiền xử lý ảnh, trong đó quan trọng nhất là chuyển đổi giá trị số (DN - Digital Number) của các kênh nhiệt thành giá trị bức xạ phổ (spectral radiance). Bước thứ hai là chuyển đổi giá trị bức xạ phổ sang nhiệt độ sáng tại vệ tinh (At-Satellite Brightness Temperature), hay còn gọi là nhiệt độ vật đen, bằng cách áp dụng công thức Planck đảo ngược. Bước cuối cùng, và cũng là phức tạp nhất, là hiệu chỉnh ảnh hưởng của độ phát xạ bề mặt (Land Surface Emissivity - LSE) để tính toán LST thực tế. Độ phát xạ là một thuộc tính của vật liệu, mô tả khả năng bức xạ năng lượng nhiệt của nó. Vì các loại lớp phủ bề mặt khác nhau (nước, thực vật, đất trống, đô thị) có độ phát xạ khác nhau, việc ước tính chính xác LSE là cực kỳ cần thiết. Thuật toán tính LST được sử dụng đã kết hợp thông tin từ chỉ số thực vật NDVI để ước tính LSE, từ đó nâng cao độ chính xác của kết quả nhiệt độ cuối cùng.

3.1. Quy trình hiệu chỉnh khí quyển và xử lý ảnh vệ tinh

Trước khi thực hiện các thuật toán phức tạp, dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat thô cần trải qua các bước tiền xử lý cơ bản. Quá trình này bao gồm hiệu chỉnh khí quyển, nhằm loại bỏ các sai số do sự hấp thụ và tán xạ của các phân tử trong khí quyển đối với bức xạ điện từ. Đối với các kênh quang phổ (nhìn thấy và hồng ngoại gần), việc hiệu chỉnh này đảm bảo giá trị phản xạ bề mặt được tính toán chính xác, là đầu vào để tính các chỉ số như NDVI. Đối với kênh nhiệt, mặc dù không trực tiếp hiệu chỉnh khí quyển theo cách truyền thống, việc chuyển đổi từ DN sang bức xạ phổ đã bao hàm một phần hiệu chỉnh dựa trên các hệ số được cung cấp trong metadata của ảnh. Việc xử lý ảnh cẩn thận ngay từ đầu là nền tảng để đảm bảo độ tin cậy của toàn bộ chuỗi phân tích.

3.2. Áp dụng thuật toán tính LST cho dữ liệu Landsat 5 và 8

Thuật toán tính LST từ dữ liệu Landsat dựa trên nguyên lý của định luật Planck. Công thức chung như sau: T = K2 / ln((K1 / Lλ) + 1), trong đó T là nhiệt độ sáng tại vệ tinh (tính bằng Kelvin), Lλ là bức xạ phổ, K1 và K2 là các hằng số hiệu chỉnh được cung cấp sẵn cho từng kênh nhiệt của vệ tinh. Sau khi có nhiệt độ sáng, bước tiếp theo là hiệu chỉnh độ phát xạ bề mặt để có được LST. Công thức tính LST cuối cùng có dạng: LST = BT / [1 + (λ * BT / ρ) * ln(ε)], trong đó BT là nhiệt độ sáng, λ là bước sóng của bức xạ, ρ là một hằng số, và ε là độ phát xạ bề mặt đất. Thuật toán này đã được kiểm chứng và áp dụng rộng rãi trong cộng đồng khoa học viễn thám nhiệt.

3.3. Vai trò của chỉ số thực vật NDVI trong tính toán LST

Chỉ số thực vật NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) không chỉ dùng để đánh giá sức khỏe và mật độ thảm thực vật mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc ước tính độ phát xạ bề mặt (LSE), một tham số đầu vào của thuật toán tính LST. NDVI được tính từ các kênh phổ đỏ và cận hồng ngoại. Mối quan hệ giữa NDVI và LSE đã được thiết lập thông qua nhiều nghiên cứu thực nghiệm. Cụ thể, các khu vực có chỉ số NDVI cao (thực vật dày đặc) thường có độ phát xạ cao và ổn định (khoảng 0.986), trong khi các khu vực có NDVI thấp (đất trống, đô thị) có độ phát xạ thấp hơn và biến động hơn. Bằng cách xây dựng một mô hình liên hệ giữa NDVI và LSE, nghiên cứu có thể tạo ra một bản đồ LSE cho toàn bộ khu vực, từ đó hiệu chỉnh giá trị nhiệt độ cho từng pixel một cách chính xác.

IV. Bí quyết xây dựng bản đồ lớp phủ phân tích đa thời gian

Để hiểu được nguyên nhân gây ra biến động nhiệt độ, việc xây dựng bản đồ lớp phủ bề mặt và thực hiện phân tích đa thời gian là không thể thiếu. Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phân loại ảnh không kiểm định (Unsupervised Classification) để tạo ra các bản đồ hiện trạng sử dụng đất cho các năm 1990, 1997, 2004, 2011 và 2018. Phương pháp này nhóm các pixel có đặc tính phổ tương tự nhau thành các cụm (cluster), sau đó người phân tích sẽ gán nhãn cho từng cụm dựa trên kiến thức thực địa và giải đoán ảnh. Các lớp phủ chính được xác định bao gồm: Đất nông nghiệp, Dân cư & Khu công nghiệp, và Đối tượng khác (mặt nước, đất trống). Sau khi có được chuỗi bản đồ lớp phủ, kỹ thuật phân tích không gian trong môi trường hệ thống thông tin địa lý (GIS) được áp dụng. Bằng cách chồng xếp và so sánh các bản đồ theo từng cặp thời điểm (ví dụ: 1990-1997, 1997-2004,...), nghiên cứu đã tạo ra các bản đồ biến động, chỉ rõ khu vực nào đã chuyển đổi từ loại hình sử dụng đất này sang loại hình khác. Quá trình mô hình hóa nhiệt độ và biến động lớp phủ này cung cấp bằng chứng trực quan và số liệu định lượng về mối liên hệ chặt chẽ giữa sự phát triển của khu công nghiệp Quế Võ và sự thay đổi môi trường nhiệt tại đây.

4.1. Kỹ thuật phân loại lớp phủ bề mặt bằng phương pháp không kiểm định

Phân loại không kiểm định, cụ thể là thuật toán ISODATA, là một kỹ thuật hiệu quả để phân tích sơ bộ ảnh vệ tinh Landsat. Ưu điểm của phương pháp này là không yêu cầu mẫu huấn luyện (training samples) từ trước, giúp tiết kiệm thời gian và công sức, đặc biệt khi phân tích dữ liệu lịch sử nơi thông tin thực địa không có sẵn. Phần mềm sẽ tự động nhóm các pixel vào một số lượng cụm nhất định dựa trên sự tương đồng về giá trị phổ. Nhiệm vụ của chuyên gia là giải đoán và gán ý nghĩa thực tế cho các cụm này. Ví dụ, các cụm có giá trị phản xạ cao ở kênh cận hồng ngoại sẽ được gán là thảm thực vật, trong khi các cụm có phản xạ cao đồng đều ở các kênh nhìn thấy thường là khu vực đô thị hoặc đất trống. Kết quả là một bản đồ lớp phủ bề mặt cho mỗi mốc thời gian.

4.2. Thực hiện phân tích không gian để xác định vùng biến động

Phân tích không gian là trái tim của việc đánh giá biến động. Sau khi có các bản đồ đã được phân loại và các bản đồ LST, công cụ trong GIS được sử dụng để so sánh chúng. Kỹ thuật phổ biến là "post-classification comparison", tức là so sánh trực tiếp hai bản đồ lớp phủ đã được phân loại của hai thời điểm khác nhau. Kết quả là một ma trận chuyển đổi, cho biết diện tích đã chuyển từ lớp A sang lớp B, từ lớp A sang lớp C, hoặc vẫn giữ nguyên là lớp A. Tương tự, việc lấy hiệu hai bản đồ nhiệt độ sẽ tạo ra một bản đồ biến động nhiệt, làm nổi bật các khu vực có nhiệt độ tăng, giảm hoặc không đổi. Kỹ thuật này giúp định vị chính xác các "điểm nóng" về thay đổi, hỗ trợ đắc lực cho công tác quy hoạch lãnh thổ.

V. Kết quả Biến động nhiệt độ Quế Võ và ảnh hưởng của KCN

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra một bức tranh rõ nét về sự thay đổi sử dụng đất và biến động nhiệt độ tại huyện Quế Võ từ năm 1990 đến 2018. Phân tích số liệu cho thấy một sự suy giảm nghiêm trọng diện tích đất nông nghiệp, từ 14,099 ha năm 1990 xuống chỉ còn 7,936 ha vào năm 2018. Ngược lại, diện tích đất dân cư và khu công nghiệp đã tăng vọt hơn 7 lần, từ 1,273 ha lên 9,072 ha trong cùng kỳ. Sự thay đổi này tương quan chặt chẽ với sự gia tăng của nhiệt độ bề mặt đất. Kết quả phân tích ảnh vệ tinh Landsat cho thấy nhiệt độ trung bình toàn huyện có xu hướng tăng, đặc biệt giá trị nhiệt độ tối đa đã tăng từ 26°C (1990) lên đến 32°C (2018). Các bản đồ biến động nhiệt chỉ rõ rằng những khu vực có mức tăng nhiệt độ cao nhất tập trung chủ yếu tại khu công nghiệp Quế Võ và các khu đô thị mới. Điều này khẳng định tác động mạnh mẽ của quá trình bê tông hóa và hoạt động công nghiệp đến việc hình thành hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (UHI). Những phát hiện này là cơ sở khoa học quan trọng, cảnh báo về những thách thức môi trường đi kèm với phát triển kinh tế, đồng thời là dữ liệu đầu vào quý giá cho công tác quản lý đô thị và quy hoạch lãnh thổ tại Bắc Ninh.

5.1. Phân tích kết quả biến động lớp phủ thực vật 1990 2018

Biểu đồ và số liệu thống kê từ phân tích đa thời gian cho thấy sự chuyển dịch cơ cấu sử dụng đất một cách mạnh mẽ. Giai đoạn 2004-2018 chứng kiến sự biến động lớn nhất, trùng với thời kỳ phát triển bùng nổ của khu công nghiệp Quế Võ. Hàng ngàn héc-ta đất lúa đã được chuyển đổi để xây dựng nhà máy, đường giao thông và khu dân cư cho công nhân. Sự suy giảm của lớp phủ bề mặt là thảm thực vật không chỉ làm mất đi không gian xanh mà còn làm suy yếu khả năng điều hòa vi khí hậu tự nhiên của khu vực, trực tiếp góp phần vào sự gia tăng nhiệt độ. Mối tương quan nghịch giữa diện tích thảm thực vật và nhiệt độ bề mặt được thể hiện rất rõ qua các biểu đồ phân tích.

5.2. Hiện trạng và xu hướng gia tăng nhiệt độ bề mặt tại Quế Võ

Bản đồ nhiệt độ bề mặt đất qua các năm cho thấy một xu hướng nóng lên rõ rệt. Năm 1990, phần lớn diện tích huyện Quế Võ có nhiệt độ trong khoảng 18-23°C. Đến năm 2018, dải nhiệt độ phổ biến đã dịch chuyển lên 23-29°C, và xuất hiện những vùng có nhiệt độ trên 30°C. Các "đảo nhiệt" này không chỉ giới hạn trong khu công nghiệp mà còn lan rộng ra các khu đô thị và các tuyến đường giao thông chính. Sự gia tăng nhiệt độ này ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người dân, làm tăng chi phí năng lượng cho việc làm mát và tạo ra một môi trường sống kém thoải mái. Đây là một khía cạnh của biến đổi khí hậu Bắc Ninh ở cấp độ địa phương cần được quan tâm đúng mức.

VI. Giải pháp quy hoạch lãnh thổ giảm hiệu ứng đảo nhiệt đô thị

Từ những kết quả phân tích về biến động nhiệt độ và nguyên nhân của nó, nghiên cứu đề xuất các giải pháp mang tính chiến lược cho công tác quản lý đô thị và quy hoạch lãnh thổ tại huyện Quế Võ và các khu vực tương tự. Trọng tâm của các giải pháp này là giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (UHI) thông qua việc tích hợp các yếu tố tự nhiên và vật liệu thông minh vào quy hoạch. Thay vì tiếp tục mở rộng các bề mặt bê tông và nhựa đường, cần ưu tiên phát triển "hạ tầng xanh". Điều này bao gồm việc bảo vệ và mở rộng các không gian xanh hiện có, xây dựng các công viên, vành đai xanh, và trồng cây xanh dọc các tuyến đường giao thông. Đặc biệt, trong quy hoạch các khu công nghiệp Quế Võ mới hoặc mở rộng, cần bắt buộc có tỷ lệ cây xanh và mặt nước tối thiểu. Việc áp dụng các công nghệ xây dựng bền vững như mái nhà xanh (green roofs), vỉa hè thấm nước, và sử dụng vật liệu xây dựng có độ phản xạ cao (cool materials) cũng là những giải pháp hiệu quả. Các công cụ viễn thám nhiệt và GIS sẽ tiếp tục là công cụ giám sát không thể thiếu để đánh giá hiệu quả của các giải pháp này trong tương lai.

6.1. Đề xuất các giải pháp quản lý đô thị và không gian xanh

Để giảm thiểu tác động nhiệt, công tác quản lý đô thị cần chuyển hướng sang mô hình phát triển bền vững. Cụ thể, cần xây dựng các quy định chặt chẽ về tỷ lệ không gian xanh trong các dự án phát triển mới. Các giải pháp được đề xuất bao gồm: 1) Quy hoạch các hành lang xanh kết nối các khu vực đô thị, tạo điều kiện cho không khí lưu thông và làm mát. 2) Khuyến khích mô hình "mái nhà xanh" và "tường xanh" trên các tòa nhà công nghiệp và thương mại. 3) Sử dụng các loại cây bản địa có tán lá rộng và khả năng chịu hạn tốt để trồng trong đô thị. 4) Bảo vệ các khu vực mặt nước như ao, hồ, sông, vì chúng có vai trò quan trọng trong việc điều hòa nhiệt độ. Những biện pháp này không chỉ giúp giảm nhiệt mà còn cải thiện chất lượng không khí và nâng cao chất lượng sống cho người dân.

6.2. Tương lai của viễn thám trong quy hoạch lãnh thổ bền vững

Công nghệ viễn thám đang ngày càng chứng tỏ vai trò không thể thay thế trong quy hoạch lãnh thổ bền vững. Trong tương lai, với sự ra đời của các thế hệ vệ tinh mới có độ phân giải không gian và thời gian cao hơn, khả năng mô hình hóa nhiệt độ sẽ càng trở nên chính xác và chi tiết. Các nhà quy hoạch có thể sử dụng dữ liệu này để mô phỏng tác động của các kịch bản phát triển khác nhau đến môi trường nhiệt trước khi triển khai. Hơn nữa, việc tích hợp dữ liệu viễn thám với các mô hình dự báo thời tiết và biến đổi khí hậu sẽ giúp xây dựng các thành phố thông minh, có khả năng thích ứng tốt hơn với những thách thức môi trường trong tương lai. Phân tích đa thời gian sẽ tiếp tục là một công cụ giám sát hiệu quả, giúp các nhà quản lý đánh giá được hiệu quả của các chính sách đã ban hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Thế kỷ 21 là thế kỷ của nền kinh tế mở, kinh tế hội nhập – giao lƣu toàn cầu, chính là đòn bẩy cho nền kinh tế của các nƣớc trên toàn thế giới phát triển. Một trong số đó phải kể đến chính là Việt Nam, từ một nƣớc chủ yếu làm nông nghiệp đã thực hiện cuộc cải cách: “Công nghiệp hóa đất nƣớc”, làm chuyển dịch nền cơ cấu kinh tế từ nông nghiệp sang công nghiệp. Cuộc cải cách này đem lại nhiều lợi ích lớn về mặt kinh tế cũng nhƣ cải thiện đời sống của ngƣời dân nhƣng hệ quả để lại cũng vô cùng quan ngại. Đằng sau sự nghiệp “Công nghiệp hóa” chính là ô nhiễm khói bụi, ô nhiễm môi trƣờng do hoạt động sản xuất, xây dựng của các khu công nghiệp, công ty, nhà máy,… Việc này ảnh hƣởng trực tiếp đến sức khỏe của ngƣời dân.

Quá trình công nghiệp hóa diễn ra đặt ra bài toán cho các nhà quản lý làm sao vừa hoàn thành cuộc cải cách mà không làm ô nhiễm môi trƣờng, ảnh hƣởng đến sức khỏe và đời sống của ngƣời dân. Công nghiệp hóa diễn ra càng mạnh, bê tông hóa bề mặt càng nhiều, nhiệt độ bề mặt tăng lên chính là những vấn đề đƣợc quan tâm hàng đầu. Bắc Ninh là một trong những tỉnh đi đầu cả nƣớc về cuộc cải cách” Công nghiệp hóa”, là tỉnh có nhiều khu công nghiệp, nhà máy công ty nhiều nhất miền Bắc. Vì vậy, việc kiểm soát công nghiệp hóa luôn là mục tiêu cũng nhƣ thách thức của tỉnh Bắc Ninh.

Cùng với sự phát triển về mặt kinh tế chính là sự đi lên vƣợt bậc của ngành khoa học, đặc biệt là công nghệ Viễn Thám, giúp con ngƣời có thể nghiên cứu, theo dõi tự nhiên hàng ngày, vừa chính xác vừa tiết kiệm chi phí. Chính vì vậy tôi tiến hành nghiên cứu “Sử dụng ảnh viễn thám Landsat xây dựng bản đồ biến động nhiệt độ tại huyện Quế Võ, tỉnh Bắc Ninh giai đoạn 1990-2018” nhằm theo dõi sự thay đổi của nhiệt độ cũng nhƣ đƣa ra những giải pháp góp phần quản lý bền vững kinh tế- môi trƣờng. 1 PHẦN I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Khái niêm GIS và viễn thám  Các khái niệm về công nghệ viễn thám GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - gọi tắt là GIS): Khái niệm hệ thống thông tin địa lý đƣợc hình thành từ ba khái niệm: địa lý, thông tin, hệ thống.

+ Khái niệm “địa lý” (geographic) liên quan đến các đối tƣợng về không gian: vật lý, văn hóa, xã hội … + Khái niệm “thông tin” (information) đề cập đến khối lƣợng dữ liệu do GIS quản lý bao gồm dữ liệu về thuộc tính và các đặc trƣng không gian của đối tƣợng. + Khái niệm “hệ thống” (system) đề cập đến phƣơng thức tiếp cận của GIS bao gồm các Modul đƣợc tích hợp thành hệ thống thống nhất và toàn vẹn, giúp thuận lợi cho việc quản lý. Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thƣờng nhƣ cấu trúc hỏi đáp, các phép phân tích thống kê, phân tích địa lý. Trong đó phép phân tích địa lý và hình ảnh đƣợc cung cấp duy nhất từ các bản đồ.

Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lƣợc. Định nghĩa về viễn thám: Viễn thám là môn khoa học nghiên cứu việc đo đạc, thu thập thông tin về một đối tƣợng, sự vật bằng cách sử dụng thiết bị đo qua tác động một cách gián tiếp (ví dụ nhƣ qua các bƣớc sóng ánh sáng) với đối tƣợng nghiên cứu. Viễn thám là phƣơng pháp thu nhận thông tin khách quan về bề mặt trái đất và các hiện tƣợng trong khí quyển nhờ các bộ phận cảm biến (sensors) đƣợc lắp đặt trên máy bay, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ hoặc đặt trên các trạm quỹ đạo. Công nghệ viễn thám có khả năng giám sát sự biến đổi của tài nguyên và môi trƣờng trên Trái đất do chu kỳ quan trắc lặp lại và liên tục về cũng một đối tƣợng trên mặt đất của các máy thu viễn thám.

Khả năng này cho 2 phép công nghệ viễn thám ghi lại đƣợc các biến đổi của tài nguyên và môi trƣờng, đã giúp công tác giám sát, kiểm kê tài nguyên thiên nhiên và môi trƣờng hiệu quả hơn. Lịch sử hình thành và phát triển của GIS và viễn thám 1. Trên thế giới Sự phát triển của kỹ thuật viễn thám gắn liền với sự phát triển của kỹ thuật chụp ảnh.Toumachon ngƣời Pháp đã sử dụng khinh khí cầu bay ở độ cao 80 mét để chụp ảnh từ trên không, từ sự việc này mà năm 1858 đƣợc coi là năm khai sinh ngành kỹ thuật viễn thám. Trong 30 năm trở lại đây, công nghệ viễn thám có sự phát triển vƣợt bậc và đƣợc ứng dụng trong nhiều hoạt động kinh tế xã hội quan trọng nhƣ: điều tra cơ bản, khai thác và quản lý tái nguyên, giảm sát và bảo vệ môi trƣờng, giảm nhẹ thiên tai, tổ chức và quản lý lãnh thổ cũng nhƣ an ninh, quốc phòng.

Nhờ đó mà kỹ thuật viễn thám có một vị trí quan trọng trong chiến lƣợc phát triển lâu bền của mọi quốc gia. Tóm tắt lƣợc sử phát triển viễn thám. Thời gian Sự kiện 1800 Phát hiện ra tia hồng ngoại. 1839 Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng.

1847 Phát hiện cả phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy. 1850 -1860 Chụp ảnh từ khinh khí cầu. 1873 Xây dựng học thuyết về phổ điện từ. 1909 Chụp ảnh từ máy bay.

1910 - 1920 Giải đoán từ không trung. 1920 - 1930 Phát hiện ngành chụp và đo ảnh hàng không. 1930 - 1940 Phát triển kỹ thuật radar (Đức, Mỹ, Anh). 1940 Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay.

1950 Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến vùng không nhìn thấy. 1950 - 1960 Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự. 12/04/1961 Liên xô phóng tàu vũ trụ có ngƣời lái và chụp ảnh trái đất từ 3 ngoài vũ trụ. 1960 - 1970 Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám.

1972 Mỹ phóng vệ tinh Landsat – 1. 1970 - 1980 Phát triển mạnh mẽ phƣơng pháp xử lý ảnh số. 1980 - 1990 Mỹ phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat. 1986 Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quỹ đạo.

Phát triển bộ cảm thu đa phổ, tăng dải phổ và kênh phổ, tăng độ 1990 đến nay phân giải bộ cảm. Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý mới. Nguồn: Nguyễn Khắc Thời và cộng sự.(2007) Từ những thành công trong nghiên cứu trên vào ngày 23-7-1972 Mỹ đã phóng vệ tinh nhân tạo Landsat đầu tiên mang đến khả năng thu nhận thông tin có tính toàn cầu về các hành tinh ( kể cả Trái Đất ) và môi trƣờng chung uanh. Những máy đặt trên vệ tinh nhân tạo Trái Đất cung cấp thông tin có tính toàn cục về động thái của mây, lớp phủ thực vật, cấu trúc địa mạo, nhiệt độ và gió trên bề mặt đại dƣơng.

Do tốc độ di chuyển nhanh, độ phủ của ảnh vệ tinh rất lớn nên việc theo dõi động thái của nhiều hiện tƣợng, đặc biệt là các hiện tƣợng xảy ra trong khí quyển diễn ra vô cùng thuận lợi. Sự tồn tại tƣơng đối lâu của vệ tinh trên quỹ đạo cũng nhƣ khả năng lặp lại đƣờng bay của nó cho phép theo dõi những biến đổi theo mùa, theo hàng năm và trong khoảng thời gian tƣơng đối dài của các đối tƣợng trên mặt đất nhƣ sự biến đổi lớp băng trên vùng cực, sự phát triển của sa mạc, nạn phá rừng, trồng rừng, sự biến đổi lòng sông vv. Hiện nay trong viễn thám công nghệ số chiếm ƣu thế, các thông tin Viễn thám đƣợc sử dụng kết hợp chặt chẽ với hệ thông tin địa lý (GIS) và hệ định vị bằng vệ tinh (GPS) đã đem lại hiệu quả cao và làm cho công nghệ viễn thám ngày càng thực sự đóng góp vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội và đảm bảo an ninh quốc phòng. Để phát triển công nghệ viễn thám nói riêng và công nghệ vũ trụ nói chung nhiều nƣớc đã thành lập cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia NASA của Mỹ, IKI của Nga, NASDA của Nhật Bản, CNES của Pháp, CSA của Canađa .cũng nhƣ trung tâm viễn thám quốc gia nhƣ ở Trung Quốc, 4 Canađa.

Nhiều nƣớc trên thế giới đã thành lập các công ty viễn thám nhƣ công ty SPOT của Pháp, RADARSAT của Canađa EOSAT của Mỹ. Các cơ quan Hàng không vũ trụ liên quốc gia cũng đã đƣợc thành lập nhƣ Cơ quan Hàng không vũ trụ Châu âu (ESA), Công ty hàng không quân sự và vũ trụ Châu âu (EADS). Trong khu vực Châu á, các nƣớc Nhật Bản, ấn Độ, Trung Quốc và Hàn Quốc đã đạt đƣợc những thành tựu to lớn trong phát triển công nghệ viễn thám. Trong khối ASEAN các nƣớc nhƣ nhƣ Thái Lan, Indonesia và Singapore đã có các trạm thu ảnh vệ tinh, các tƣ liệu viễn thám đang đƣợc sử dụng phổ biến và đã xây dựng đƣợc những cơ sở nghiên cứu và ứng dụng mạnh.

Các nƣớc thành viên mới nhƣ Lào, Mianma cũng đã bắt đầu tiếp cận với công nghệ viễn thám. Đáng chú ý là nhiều quốc gia đang triển phát khắp các châu lục đều đã hình thành những trung tâm viễn thám quốc gia, đóng vai trò nhƣ các cơ quan chuyển giao kỹ thuật vào các mục đích điều tra tài nguyên thiên nhiên, điều kiện tự nhiên và bảo vệ quản lý môi trƣờng. Trong vòng hơn thập kỷ gần đây kỹ thuật viễn thám đƣợc hoàn thiện dần dần không những với những thiết bị thu đặc biệt mà nhiều nƣớc dự kiến kế hoạch sẽ phóng vệ tinh điều tra tài nguyên nhƣ Nhật, ấn Độ, các nƣớc Châu Âu, đã chế tạo nhiều thiết bị thu (sensor) có độ phân giải cao nhƣ TM (Thematic mapper ), rađa, hồng ngoại nhiệt, máy phổ kế tạo ảnh cho phép nâng số kênh phổ lên hàng trăm kênh khác nhau. Tổ chức EOS dự định phóng vệ tinh mang máy thu MODIS (100 kênh) và HIRIS (200 kênh) lên quỹ đạo.

Nhiều phần mền xử lý ảnh số đã ra đời làm cho nó thành một kỹ thuật quan trọng trong việc điều tra điều kiện và đánh giá tài nguyên thiên nhiên quản lý và bảo vệ môi trƣờng. Ngày nay tia Laze cũng bắt đầu đƣợc ứng dụng trong viễn thám. Hiện nay nó đƣợc ứng dụng chủ yếu cho các mục đích nghiên cứu trong khí quyển, làm bản đồ địa hình và nghiên cứu lớp phủ bề mặt bằng hiệu ứng huỳnh quang.