Chương 1 TONG QUAN VE ỨNG DỤNG VIÊN THÁM VÀ GIS 1. Tích hợp viễn thám và GIS 1. Giới thiệu Viễn thám là một trong những công nghệ thu thập dữ liệu quan trọng và hiệu quả nhất cho việc cập nhật và xây đựng cơ sở dữ liệu GIS. Việc phối hợp hiệu quả dữ liệu cũng như các chức năng sẵn có của viễn thám và GIS giúp khai thác tối đa việc cung cấp thông tin phục vụ công tác lập kế hoạch, chính sách và chiến lược phát triển kinh tế xã hội.
Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng từ 75 — 90% thông tin gắn kết với vị trí không gian được sử dụng mỗi ngày bởi hầu hết các cơ quan. Nếu các thông tin địa lý này đảm bảo đầy đủ, chính xác và được cập nhật thường xuyên sẽ cho phép tiết kiệm đáng kể kinh phí và thời gian cung cấp các thông tin cần thiết trong việc thực thi các kế hoạch phát triển kinh tế xã hội [48]. Sự cần thiết tích hợp viễn thám và GIS Tích hợp viễn thám và GIS nhằm tạo ra công nghệ hiệu quả kết hợp chiến lược xử lý ảnh cũng như dòng luân chuyên thông tin và chuyển đổi dữ liệu trong quá trình xử lý và giải đoán ảnh, để tạo ra đữ liệu địa lý cần thiết cho GIS đáp ứng nhu cầu đa dạng trong công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường. Theo các chuyên gia GIS, công nghệ viễn thám là một trong những công nghệ thu thập dữ liệu không gian quan trọng và hiệu quả nhất.
Sự tích hợp dữ liệu viễn thám vào GIS dựa trên dữ liệu raster rất khả thi vì cấu trúc dữ liệu giống nhau, hơn nữa có sự tương đồng giữa kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám và GIS đó là trong thực tế cả hai kỹ thuật này đều xử lý dữ liệu không gian và có thê thành lập bản đồ số, đặc biệt là có cùng một số thuật toán xử lý dữ liệu không gian số. Khi ảnh vệ tỉnh đã được xử lý và cung cấp dưới dạng tương thích với GIS, những chức năng phân tích của GIS co thé Ap dụng hiệu quả đối với dữ liệu viễn thám. Do đó, công nghệ tích hợp viễn thám và GIS không chỉ sử dụng ảnh viễn thám phối hợp với dữ liệu vector của GIS, phối hợp các chức năng sẵn có của hai công nghệ mà còn có thé khai thác tối da dữ liệu thuộc tính nhằm đạt hiệu quả cao nhất trong việc cung cấp thông tin đáp ứng nhanh các nhu cầu trong quy hoạch, quản lý tài nguyên thiên nhiên, giám sát môi trường, theo dõi biến động lớp phủ mặt đất. Độ chính xác của dữ liệu GIS khi được cung cấp bởi công nghệ viễn thám phụ thuộc chủ yếu vào độ phân giải không gian và thời gian của ảnh vệ tinh được sử dụng.
Công việc theo dõi biến động lớp phủ mặt đất thường được tiến hành từ dữ liệu viễn thám đa thời gian và nhà phân tích ảnh viễn thám sẽ không có đủ thông tin để trả lời câu hỏi vì sao lại có những biến động như vậy? Tốc độ biến động như thế nào?. Để trả lời được câu hỏi đó, GIS là công cụ hữu hiệu cho phép chồng lớp bản đồ và phân tích biến động đáp ứng yêu cầu người sử dụng. Nhìn chung, việc sử dụng công nghệ tích hợp dữ liệu viễn thám và GIS cho phép tạo nên một giải pháp cập nhật, xây dựng dữ liệu và phân tích biến động hiệu quả và đóng vai trò khá quan trọng cho việc hỗ trợ ra quyết định nhanh, trên phạm vi rộng với chỉ phí thấp so với biện pháp truyền thống [48]. Viễn thám và GIS trong đánh giá tác động của biến động lớp phủ mặt đất đến nhiệt độ bề mặt Một công trình nghiên cứu tại Đại học California đã so sánh giá trị nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ không khí xung quanh trên các loại bề mặt đất khác nhau [17].
Muc tiêu của nghiên cứu này là tìm sự khác biệt giữa nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ không khí xung quanh giữa các loại bề mặt khác nhau từ đó đánh giá tác động của các loại bề mặt vật liệu đến nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ không khí trong môi trường đô thị. Tác giả sử dụng nhiệt kế chuyên dụng để đo đạc nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ không khí tại các điểm mẫu ứng với các loại vật liệu bề mặt khác nhau trên khu vực nghiên cứu. Sau đó, tác giả đùng phần mềm R đề phân tích thống kê sử dụng phương pháp ANOVA nhằm mô tả sự khác biệt về nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ không khí xung quanh giữa các loại vật liệu khác nhau. Kết quả nghiên cứu cho thấy, về nhiệt độ bề mặt, không có sự khác biệt nhiều giữa các loại bề mặt vật liệu nhân tạo nhưng có sự khác biệt đáng kể giữa loại bề mặt vật liệu nhân tạo và bề mặt tự nhiên (Bảng 1.
Nhiệt độ bề mặt trung bình của các loại bề mặt vật liệu trong nghiên cứu tại Đại học California [17] Material Average surface temperature (°C) Asphalt 40,045 Concrete 33,623 Grass 25,372 Pavers 37,279 oe a. L T J 20 Surface temperature (°C) 25 L 15 T T T Asphat Concrete Grass Pavers Matenal Hinh 1. Biéu đồ hộp thê hiện sự phân bồ giá trị nhiệt độ bề mặt của các loại bề mặt vật liệu trong nghiên cứu tại Đại học California [17] Trong khi đó, Bảng 1.2 cho thấy không có sự khác biệt đáng kể về nhiệt độ không khí xung quanh đối với tất cả các loại bề mặt vật liệu quan tâm trong nghiên cứu này. Nhiệt độ không khí trung bình xung quanh các loại bề mặt vật liệu trong nghiên cứu tại Đại học California [17] Material Average air temperature (°C) Asphalt 24,925 Concrete 24,833 Grass 24,671 Pavers 24,254 28 30 32 + + 4 + Air temperature (*C) Asphatt Concrete Grass Pavers Matenal Hình 1.
Biểu đồ hộp thé hiện sự phân bồ giá trị nhiệt độ không khí xung quanh các loại bề mặt vật liệu trong nghiên cứu tại Đại học California [17] Nghiên cứu tại Đại học California cho thấy, so với nhiệt độ không khí thì nhiệt độ bề mặt nhạy cảm hơn với những thay đổi trên bề mặt đất, do đó, nó là một tham số quan trọng trong nghiên cứu môi trường, khí hậu. Tuy nhiên, nghiên cứu này dùng nhiệt kế điện tử nên chỉ đo nhiệt độ bề mặt cục bộ cho từng điểm rải rác trên mặt đất nên phương pháp này không đáp ứng được yêu cầu theo dõi các đặc trưng của biến đổi môi trường, khí hậu, là công tác đòi hỏi phải đo lường liên tục nhiệt độ bề mặt ở quy mô toàn cầu và cấp vùng. Để giải quyết vấn đề này, hiện nay, dữ liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt thu nhận từ các bộ cảm biến đặt trên các vật mang (Landsat 10 TM/ETM+/OLI&TIRS, ASTER, MODIS, AVHRR.) đang được sử dụng rộng rãi cho việc đo lường nhiệt độ bề mặt trên một phạm vi rộng lớn. Dữ liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt đa thời gian đo lường nhiệt độ bề mặt ở các thời điểm khác nhau tại cùng một khu vực được sử dụng để đánh giá biến động của nhiệt độ bề mặt, từ đó giám sát hiệu quả hiện tượng nóng lên toan cầu hay biến đổi khí hậu.
Ngoài ra, dữ liệu viễn thám đa thời gian còn cung cấp thông tin về sự biến động của các loại lớp phủ mặt đất hỗ trợ cho việc nghiên cứu mối tương quan giữa biến động nhiệt độ bề mặt và biến động các loại lớp phủ mặt đất. Dựa vào các ưu điểm trên, tại Việt Nam và trên thế giới đã có một SỐ nghiên cứu liên quan đến việc ứng dụng viễn thám và GIS để đánh giá biến động nhiệt độ bề mặt dưới sự tác động của quá trình biến đổi các loại lớp phủ mặt đất. Uóc tính nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt Phần lớn năng lượng bề mặt đất được thu nhận từ các bộ cảm biến nhiệt trong dải bước sóng 10,5 — 12,5um và được dùng đề ước tính nhiệt độ bề mặt. Nghiên cứu tại thành phố Đà Nẵng [46] ước tính nhiệt độ bề mặt bằng thuật toán chuẩn hóa độ phát xạ (NOR - thuật toán được phát triển đầu tiên bởi Gillespie năm 1985 đưa ra giả thiết tồn tại một hằng số phát xạ chung cho các pixel tại một vị trí đã xác định trước tương ứng với tất cả kênh nhiệt) sử dụng kênh nhiệt của ảnh Landsat 7 ETM+.
Một nghiên cứu khác tại Thái Lan sử dụng ảnh vé tinh Landsat TM thu nhận tại các thời điểm 05/3/1994, 18/12/2000, 25/4/2009 dé ước tính nhiệt độ bề mặt phục vụ cho việc giám sát sự biến đổi khí hậu đô thị tại khu vực Bangkok [27]. Bên cạnh đó là nghiên cứu về tác động của khu vực công nghiệp lên nhiệt độ bề mặt thành phố Jubail (A rap Saudi) ước tính nhiệt độ bề mặt từ đữ liệu ảnh Landsat ETM+ với giả định độ phát xạ bằng 1 [13]. Các nghiên cứu trên sử dụng dữ liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt để ước tính nhiệt độ bề mặt nhưng bỏ qua giá trị độ phát xạ bề mặt (chỉ dừng ở việc tính toán nhiệt độ sáng) hoặc xem độ phát xạ là hằng số cho toàn tờ ảnh. Song, bức xạ nhiệt phát ra từ các bề mặt phụ thuộc vào hai yếu tố: nhiệt độ bề mặt và độ phát xạ bề mặt (độ phát xạ bề mặt là đại lượng đặc trưng cho khả năng hấp thụ nhiệt và tỏa nhiệt của 11 một bề mặt, nó phụ thuộc vào màu sắc, độ gồ ghé, đặc trưng vật lý của bề mặt) [43].
Do đó, để tăng độ chính xác ước tính nhiệt độ bề mặt, cần phải tính toán giá trị độ phát xạ bề mặt đề hiệu chỉnh vào giá trị nhiệt độ sáng. Độ phát xạ bề mặt có thể được xác định dựa vào đo đạc thực nghiệm hoặc được ước tính bằng nhiều phương pháp: Phương pháp chuẩn hóa độ phát xạ (NOR - Gillespie, 1985), phương pháp chỉ số quang phé nhiét (Thermal spectral indices — Becker, Li, 1990), phuong phap tỉ số phổ (Spectral ratio method — Watson, 1992), phuong pháp ước tính dựa trên kết quả phân loai (Classification — based estimation — Snyder et al., 1998), phương pháp NDVI (Valor, Cassells, 1996) [43]. Phuong phap NDVI (NDVI - chi số thực vật) (Valor, Cassells, 1996) được sử dụng khá rộng rãi vì sử dụng hai kênh khả kiến và cận hồng ngoại nên có những ưu điểm: (1) cho tờ ảnh độ phát xạ có độ phân giải cao hơn so với việc tính toán từ kênh nhiệt; (2) ứng dụng cho mọi bộ cảm biến, không phụ thuộc vào số lượng kênh nhiệt. Các nghiên cứu của Yogesh Kant và S.