Tài liệu Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh landsat khu vực hà nội

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT BẰNG ẢNH VỆ TINH LANDSAT KHU VỰC HÀ NỘI CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ TRẦN THỊ HUẾ HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT BẰNG ẢNH VỆ TINH LANDSAT KHU VỰC HÀ NỘI CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ MÃ SỐ: 1598030077 TRẦN THỊ HUẾ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN TIẾN THÀNH HÀ NỘI, NĂM 2017 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Nguyễn Tiến Thành Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Chu Hải Tùng Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Phạm Minh Hải Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 31 tháng 12 năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Luận văn “Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội” một công trình nghiên cứu khoa học độc lập cùng với sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn. Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật. Hà Nội, ngày 31 tháng 12 năm 2017 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Trần Thị Huế ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.Nguyễn Tiến Thành, người đã hướng dẫn tận tình, chu đáo và định hướng cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Trắc địa - Bản đồ trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, những người đã giúp tôi có đủ kiến thức cũng như kinh nghiệm trong suốt quá trình học tập, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn Trung ương đã cung cấp số liệu giúp tôi hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ, động viên khích lệ và chia sẻ cùng tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Học viên Trần Thị Huế iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... vi DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... vii THÔNG TIN LUẬN VĂN ..................................................................................... vii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU.........4 1.1. Khái quát về nhiệt độ bề mặt đất..........................................................................4 1.1.1. Khái niệm nhiệt độ bề mặt đất ..........................................................................4 1.1.2. Cán cân nhiệt của mặt đất .................................................................................5 1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt đất .................................................6 1.2. Khái quát về viễn thám và ảnh vệ tinh Landsat ...................................................8 1.2.1. Giới thiệu về viễn thám .....................................................................................8 1.2.2. Giới thiệu chung về dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat ............................................11 1.2.3. Khả năng ứng dụng của viễn thám trong nghiên cứu xác định nhiệt độ bề mặt đất từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat .............................................................................15 1.3. Tình hình nghiên cứu về nhiệt độ bề mặt đất bằng ảnh vệ tinh Landsat ở trên thế giới và tại Việt Nam ............................................................................................18 1.3.1. Thế giới ...........................................................................................................19 1.3.2. Việt Nam .........................................................................................................21 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT TỪ ẢNH VỆ TINH LANDSAT ..............................................................................................23 2.1. Cơ sở khoa học xác định nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat .........23 2.1.1. Cơ sở lý thuyết xác định nhiệt độ bề mặt ........................................................23 2.1.2. Phương pháp tính toán xác định nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat ......................................................................................................................26 2.2. Đánh giá độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat ...... 35 iv 2.3. Quy trình xác định nhiệt độ bề mặt và đánh giá độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat .......................................................................37 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT TỪ ẢNH VỆ TINH LANDSAT TẠI KHU VỰC HÀ NỘI ...................................................................................................................38 3.1. Khu vực nghiên cứu ...........................................................................................38 3.1.1. Vị trí địa lý ......................................................................................................38 3.1.2. Đặc điểm tự nhiên ..........................................................................................39 3.1.3. Điều kiện kinh tế - xã hội ................................................................................41 3.2. Tư liệu sử dụng ..................................................................................................43 3.3. Thực nghiệm xác định nhiệt độ bề mặt khu vực thành phố Hà Nội ..................44 3.3.1. Tiền xử lý ảnh vệ tinh Landsat ........................................................................45 3.3.2. Xác định nhiệt độ bề mặt khu vực thành phố Hà Nội .....................................46 3.3.3. Thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt thành phố Hà Nội ....................................48 3.4. Đánh giá độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt khu vực thành phố Hà Nội. .....49 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................53 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................55 v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT TỪ TIẾNG ANH Ý NGHĨA VIẾT TẮT LST 2 GIS 3 NĐBM Nhiệt độ bề mặt 4 CSDL Cơ sở dữ liệu 5 TM Thematic Mapper 6 MSS Multispectral Scanner 7 8 9 10 11 Land surface temperature Nhiệt độ bề mặt đất 1 Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý Bộ cảm bản đồ chuyên đề Bộ cảm quang học Mapper Plus Bộ cảm bản đồ chuyên đề nâng cao OLI Operational Land Imager Bộ thu nhận ảnh mặt đất TIRS Thermal Infrared Sensor Bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt UHI Urban Heat Island Đảo nhiệt đô thị Normalized Difference Chỉ số thực vật ETM+ NDVI Enhanced Thematic Vegetation Index vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Hiệu nhiệt độ của đất tại sườn dốc hướng Nam và hướng Bắc ở độ sâu 10cm vào tháng 7 ( dốc nghiêng 20 – 22 độ) ........................................................7 Bảng 1.2. Các thế hệ vệ tinh Landsat ..................................................................12 Bảng 1.3. Một số thông số các kênh phổ của ảnh vệ tinh Landsat 8...................13 Bảng 1.4. Ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat 8 ........................................14 Bảng 2.1. Giá trị ML , AL đối với ảnh Landsat 8 .................................................26 Bảng 2.2. Các giá trị tầm nhìn ban đầu trong FLAASH .....................................31 Bảng 2.3. Giá trị K1, K2 đối với ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat 8 ........................34 Bảng 2.4. Giá trị các hằng số ...............................................................................35 Bảng 3.1. Thống kê cảnh ảnh sử dụng để tính LST ............................................44 Bảng 3.2. Số liệu nhiệt độ được đo tại các trạm quan trắc khí tượng và được tính thông qua ảnh vệ tinh Landsat .............................................................................50 vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Bản đồ nhiệt độ bề mặt đất toàn cầu tháng 2/2017................................4 Hình 1.2. Nguyên lý cơ bản của viễn thám ...........................................................9 Hình 1.3. Thống kê các ứng dụng của ảnh viễn thám .........................................10 Hình 1.4. Vệ tinh Landsat 8 .................................................................................12 Hình 1.5. Các đám cháy được phát hiện trên toàn cầu (màu đỏ) từ giữa tháng 7 năm 1996 và tháng 8 năm 2010 ........................................................................17 Hình 1.6. Khu vực hình thành đảo nhiệt tại Casablanca ....................................20 Hình 1.7. Bản đồ nhiệt tại Nakuru-Kenya 1989-2016 ........................................20 Hình 2.1. Đặc điểm phát xạ nhiệt của vật chất ...................................................23 Hình 2.2. Cửa số khí quyển và các vùng phát xạ nhiệt .......................................25 Hình 2.3. Giao diện hiệu chỉnh khí quyển của FLAASH ....................................29 Hình 2.4. Giá trị tính toán hơi nước và nhiệt độ bề mặt từ mô hình khí quyển MODTRAN .........................................................................................................30 Hình 2.5. Lựa chọn mô hình MODTRAN dựa vào kinh độ và vĩ độ/dựa vào các mùa trong năm .....................................................................................................30 Hình 2.6. Quy trình xác định nhiệt độ bề mặt và đánh giá độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat ....................................................37 Hình 3.1. Sơ đồ khu vực nghiên cứu ...................................................................38 Hình 3.2. Cắt ảnh khu vực thành phố Hà Nội theo ranh giới ..............................45 Hình 3.3. Hiệu chỉnh ảnh hưởng khí quyển.........................................................45 Hình 3.4. Chỉ số thực vật NDVI khu vực thành phố Hà Nội ..............................46 Hình 3.5. Độ phát xạ bề mặt khu vực thành phố Hà Nội ....................................47 Hình 3.6. Bản đồ nhiệt độ bề mặt khu vực thành phố Hà Nội ............................48 Hình 3.7. Mối tương quan giữa kết quả nhiệt độ bề mặt trên ảnh vệ tinh so với nhiệt độ được đo tại các trạm khí tượng trong khu vực Hà Nội ..........................51 viii THÔNG TIN LUẬN VĂN Họ và tên học viên: Trần Thị Huế Lớp: CH1TĐ Khóa: 1 Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Tiến Thành Tên đề tài: Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội. Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu đánh giá độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt cho khu vực Hà Nội dựa trên dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat. Kết quả tính toán được đối sánh với số liệu đo thực tế của 5 trạm quan trắc khí tượng để chứng minh tính ưu việt của phương pháp trong điều kiện thực tế. Kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp một hướng tiếp cận mới giải quyết cho vấn đề xác định các yếu tố khí tượng liên quan đến quá trình nhiệt, có thể dùng hỗ trợ cho các bài toán môi trường, biến đổi khí hậu, hay quá trình đô thị hóa mạnh mẽ đang diễn ra hiện nay. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Nhiệt độ bề mặt đất được coi là nhiệt độ của lớp nằm giữa bề mặt đất và khí quyển, được 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 lượng nhiệt hiện và nhiệt ẩn, thông lượng nhiệt đi vào mặt đất. Nhiệt độ bề mặt đất là một thông số quan trọng trong nghiên cứu hiện trạng môi trường, đặc biệt với môi trường đô thị. Nhiệt độ bề mặt đất còn là tham số quan trọng trong việc đặc trưng hóa sự trao đổi năng lượng giữa bề mặt đất và khí quyển. Chính vì thế, nhiệt độ bề mặt được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu về khí hậu, khí quyển, thủy văn, sinh địa hóa và các nghiên cứu biến động về môi trường, địa chất. Thành phố Hà Nội là một trong những đô thị phát triển bậc nhất của Việt Nam. Sự phát triển kinh tế – xã hội và gia tăng dân số không ngừng đã tác động lớn đến sự biến đổi khí hậu, rõ nét nhất là sự tăng lên của nhiệt độ bề mặt đô thị so với các vùng lân cận, hình thành nên “đảo nhiệt” (heat island) trong lớp biên khí quyển bên trên của thành phố, đồng thời cũng ảnh hưởng lớn đến đời sống sinh hoạt và sản xuất của người dân. Viễn thám nhiệt thể hiện khá tốt khả năng thám sát trường nhiệt độ này. Nguồn dữ liệu viễn thám sẽ là lý tưởng khi kết hợp với số liệu nhiệt độ tại các trạm quan trắc khí tượng, thông qua các phương pháp khác nhau để thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt đất, thiết lập mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt với sự thay đổi hiện trạng lớp phủ, nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất để theo dõi hỏa hoạn, cháy rừng, … Do đó, công tác đánh giá độ chính xác trong xác định nhiệt độ bề mặt đất là rất quan trọng để kiểm tra tính đúng đắn của kết quả. Chính vì các lý do nêu trên, tôi đã chọn đề tài “Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội”. 2 2. Mục tiêu của đề tài: Khảo sát được độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt khu vực Hà Nội bằng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Nhiệt độ bề mặt đối tượng trích xuất từ ảnh vệ tinh có kênh nhiệt với độ phân giải trung bình từ 60m-120m. - Phạm vi nghiên cứu: khu vực Hà Nội. 4. Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp thu thập, phân tích và hệ thống hóa thông tin: Thu thập các số liệu, tài liệu chuyên môn, đề tài khoa học có liên quan đã được công bố, phân tích các tài liệu và các kết quả nghiên cứu, hệ thống hóa thông tin và chọn lọc các thành quả có liên quan đến đề tài; - Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa: Thu thập, lấy mẫu, chụp ảnh, giải đoán, mô tả các yếu tố liên quan đến nhiệt độ bề mặt thành phố Hà Nội; - Phương pháp viễn thám: Dùng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat thu thập, xử lý thành lập bản đồ nhiệt, tính toán nhiệt độ bề mặt đất ... ; - Phương pháp GIS: Thành lập bản đồ nhiệt phát xạ bề mặt thành phố Hà Nội, chồng xếp phân lớp thông tin nhiệt độ… ; - Phương pháp thống kê: Thống kê số liệu nhiệt độ bề mặt đất Hà Nội; - Phương pháp chuyên gia: Xin ý kiến góp ý của giáo viên hướng dẫn, các nhà khoa học về các vấn đề trong nội dung luận văn. 5. Nội dung nghiên cứu: - Đánh giá tổng quan về tình hình nghiên cứu nhiệt độ bề mặt, thành lập bản đồ nhiệt trong nước và quốc tế. - Tổng quan cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám trong việc xác định nhiệt độ bề mặt khu vực thành phố Hà Nội. - Nghiên cứu các đặc điểm về điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội, 3 các yếu tố ảnh hưởng tới nhiệt độ bề mặt thành phố Hà Nội. - Tính toán nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat cho khu vực thành phố Hà Nội. - Ứng dụng công nghệ GIS điều tra, khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh Landsat thành phố Hà Nội trên các trạm đo trong khu vực. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận văn “Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội” là một nghiên cứu có tính ứng dụng công nghệ khoa học cao, đã nghiên cứu một cách hệ thống cơ sở lý thuyết và khả năng ứng dụng của tư liệu ảnh vệ tinh Landsat trong công tác xác định nhiệt độ bề mặt và thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt đất. Nghiên cứu cũng đã chứng minh được việc áp dụng công nghệ viễn thám và GIS trong quản lý tài nguyên thiên nhiên, quy hoạch đô thị là đúng đắn, có tính hiệu quả cao và phù hợp với thực tiễn... Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ là cơ sở để theo dõi những biến động về khí hậu tại Hà Nội, là một trong những tư liệu hữu ích cho việc quản lý môi trường, giám sát tài nguyên thiên nhiên và quy hoạch đô thị. 7. Cấu trúc luận văn Luận văn về cơ bản có cấu trúc như sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về những vấn đề cần nghiên cứu Chương 2: Cơ sở khoa học ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu nhiệt độ bề mặt Chương 3: Thực nghiệm khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt tại khu vực Hà Nội Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 1.1. Khái quát về nhiệt độ bề mặt đất 1.1.1. Khái niệm nhiệt độ bề mặt đất Hình 1.1. Bản đồ nhiệt độ bề mặt đất toàn cầu tháng 2/2017 (Nguồn: Nasa Earth Observations) Nhiệt độ bề mặt đất được coi là nhiệt độ của lớp nằm giữa bề mặt đất và khí quyển [1], được 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 lượng nhiệt hiện và nhiệt ẩn, thông lượng nhiệt đi vào mặt đất [2]. Nhiệt độ bề mặt đất 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 mặt đất… Nhiệt độ bề mặt đất còn là một chỉ thị quan trọng của sự cân bằng năng lượng trên bề mặt Trái đất cũng như của hiệu ứng nhà kính. Ở vĩ độ trung bình đến vĩ độ cao, nhiệt độ bề mặt đất có thể thay đổi quanh năm... Độ cao cũng đóng một vai trò rõ ràng trong nhiệt độ, như khu vực đồi núi luôn mát hơn các khu vực khác dù ở cũng vĩ độ. Nhiệt độ bề mặt đất có mối liên hệ chặt chẽ với các 5 quá trình biến đổi của môi trường đất, là yếu tố môi trường quan trọng tác động tới các hoạt động sống của sinh vật. Do độ nhạy của nhiệt độ bề mặt đất với độ ẩm đất và lớp phủ thực vật, nên nó còn là thành phần quan trọng trong rất nhiều ứng dụng nghiên cứu về khí tượng, thuỷ văn, sinh thái học và sinh địa hoá. Nhiệt độ bề mặt đất khác với nhiệt độ không khí, vì bề mặt đất nóng và lạnh nhanh hơn không khí. Mặc dù vậy vẫn có mối quan hệ chặt chẽ giữa nhiệt độ không khí và nhiệt độ bề mặt đất. Nhiệt độ không khí thường không biến đổi theo không gian như nhiệt độ bề mặt đất nên có thể đo được dễ dàng hơn, điều này rất cần thiết trong việc nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ không khí và dữ liệu nhiệt độ bề mặt đất thu nhận được từ ảnh vệ tinh. Nhiệt độ bề mặt đất được tính toán trên cơ sở phát xạ của các đối tượng bề mặt (cây cối, đất đai, nhà cửa, …) quan sát bởi bộ cảm tại các góc nhìn tức thời và năng lượng điện từ đo được trên băng nhiệt hồng ngoại của các bộ cảm đặt trên vệ tinh. Nhiệt độ bề mặt đất được tính toán để hỗ trợ các nghiên cứu về thay đổi bề mặt đất như quá trình đô thị hóa, sa mạc hóa, theo dõi hỏa hoạn và các đám cháy rừng, nghiên cứu lớp phủ bề mặt,… 1.1.2. Cân bằng nhiệt của mặt đất Cân bằng nhiệt của mặt đất được định nghĩa là hiệu số giữa phần năng lượng nhận được và mất đi của mặt đất. Nếu cân bằng nhiệt có giá trị dương, mặt đất nóng lên, còn nếu có giá trị âm thì mặt đất sẽ bị lạnh đi. Để hiểu được nguyên nhân của sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đất, cần phải xem xét quá trình thu – nhận năng lượng của bề mặt đất. Phương trình cân bằng nhiệt mặt đất được viết dưới dạng [3]: B’ = B – LE + V + P, trong đó: B: Bức xạ thuần (net radiation) (1.1) 6 L: Tiềm nhiệt bốc hơi (latent heat) E: Lượng nước bốc hơi (evaporation) V: Lượng nhiệt trao đổi với khí quyển (sensible heat) P: Lượng nhiệt trao đổi với lớp đất bên dưới bề mặt đất Ban ngày: B>0; LE, V và P<0; B’>0. Ban đêm: B<0; LE, V, và P>0; B’<0. Vào ban ngày B’ có giá trị dương do nhận được nhiều năng lượng bức xạ từ mặt trời dẫn đến mặt đất nóng lên. Còn vào ban đêm, B’ có giá trị âm do ban đêm mặt đất nhận được năng lượng rất ít không bù được phần năng lượng mất đi do bức xạ sóng dài [3]. Thông thường trong quá trình một ngày một đêm, lượng nhiệt truyền vào sâu bên trong bề mặt đất vào ban ngày gần bằng lượng nhiệt từ các lớp đất sâu truyền ra ngoài vào ban đêm. Những biến đổi theo mùa của lượng nhiệt thu vào – tỏa ra trong bề mặt đất trong một năm hầu như được cân bằng. Nhiệt độ trung bình/năm của mặt đất do đó ít biến đổi từ năm này sang năm khác. 1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt đất Trong thực tế, năng lượng bức xạ trên một vùng rộng là như nhau, song nhiệt độ đất trên từng loại bề mặt đất trong vùng đó lại khác nhau. Sự khác biệt đó là do khả năng hấp thụ nhiệt của từng loại đất. Sau đây là một số nguyên nhân chính gây nên sự khác biệt giữa nhiệt độ bề mặt đất ở từng khu vực: - Độ dẫn nhiệt của đất Độ dẫn nhiệt của đất là đại lượng dùng để đánh giá khả năng truyền nhiệt của các loại đất. Nó có giá trị bằng lượng nhiệt đi qua một đơn vị diện tích là 1cm2 trong một giây làm cho nhiệt độ giảm đi một độ trên 1cm. Độ dẫn nhiệt của đất càng lớn thì nhiệt độ của nó biến thiên càng ít. 7 Các loại đất khác nhau thì độ dẫn nhiệt cũng khác nhau, nó phụ thuộc vào các chất cấu tạo nên đất, các loại khoáng trong đất, độ ẩm và độ xốp của đất. - Nhiệt dung thể tích của đất Nhiệt dung thể tích của đất là nhiệt lượng cần thiết để 1cm3 đất tăng lên hay giảm đi một độ. Đất có nhiệt dung càng lớn thì biến thiên nhiệt độ đất sẽ càng nhỏ. Do sự khác biệt giữa nhiệt dung thể tích của nước và nhiệt dung thể tích của không khí nên nhiệt dung của đất phụ thuộc vào lượng nước và lượng không khí chứa trong đất. - Hàm lượng mùn trong đất Mùn là tác nhân làm giảm nhiệt dung và độ dẫn nhiệt của đất, tăng khả năng giữ nước và hấp thụ bức xạ mặt trời. Ở vùng nhiệt đới ẩm, chế độ nhiệt của đất mùn tương đối ôn hòa do có độ ẩm cao, tuy nhiên, nếu là đất mùn thiếu ẩm sẽ có biên độ nhiệt độ cao hơn. - Lớp phủ bề mặt đất Lớp phủ bề mặt đất là tất cả các thành phần vật chất tự nhiên và nhân tạo bao phủ trên bề mặt trái đất bao gồm các yếu tố thực vật (mọc tự nhiên hoặc được trồng), các công trình kinh tế – xã hội được xây dựng của con người, thổ nhưỡng, nước, đá, đá cẩm thạch, bề mặt cát [4]… Qua từng năm tháng, lớp phủ bề mặt đất không ngừng biến đổi đặc biệt dưới tác động mạnh mẽ của thiên tai, con người – đó là các hoạt động phát triển kinh tế – xã hội. Bảng 1.1. Hiệu nhiệt độ của đất tại sườn dốc hướng Nam và hướng Bắc ở độ sâu 10cm vào tháng 7 ( dốc nghiêng 20 – 22 độ) [5] Bề mặt đất 10 giờ 12 giờ 14 giờ 16 giờ Đất trống 8,4 ℃ 11,8℃ 16,1 ℃ 15,7 ℃ Đất có cỏ bao phủ 3,2 ℃ 4,3 ℃ 6,2 ℃ 7,4 ℃ 8 Đất trống trên sườn dốc nóng lên mạnh hơn so với đất được lớp phủ thực vật che phủ (bảng 1.1). Lớp phủ thực vật che tối bề mặt đất và hấp thụ một lượng bức xạ lớn và thậm chí hấp thụ toàn bộ lượng bức xạ mặt trời đi tới. Nhưng cũng vào thời gian này, nó làm mặt đất nóng lên và tạo ra tán xạ hữu hiệu; mặc dù vậy phía dưới lớp phủ thực vật, mùa hè đất lạnh hơn đất trống và mùa đông - ấm hơn [6]. - Địa hình và địa thế của đất Trên bề mặt lồi nhiệt độ bề mặt đất sẽ biến thiên ít hơn so với ở bề mặt lõm. Ở Bắc bán cầu, đất dốc hướng Nam luôn có nhiệt độ cao hơn hướng Bắc và ngược lại ở Nam bán cầu. Đất dốc có nhiệt độ cao hơn đất bằng phẳng - Mục đích sử dụng đất Việc sử dụng đất đai cũng có ảnh hưởng lớn đối với nhiệt độ bề mặt. Lượng phát thải khí nhà kính do sử dụng đất và thay đổi mục đích sử dụng đất cũng là nguyên nhân đối với sự gia tăng nhiệt độ bề mặt đất mà nạn chặt phá rừng vẫn còn diễn ra dẫn đến suy thoái rừng là một trong những nguyên nhân chính. Bên cạnh đó, nhiệt độ bề mặt đất còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: - Biện pháp canh tác đất đai: Đất trồng trọt có biên độ nhiệt độ bề mặt đất cao hơn so với đất không trồng trọt - Màu sắc của bề mặt đất: Bề mặt đất có màu sắc càng tối thì sẽ càng hấp thụ được nhiều nhiệt, nên nhiệt độ của nó sẽ biến thiên càng nhanh và ngược lại. - Độ cao của bề mặt đất so với mực nước biển: Càng lên cao biến thiên nhiệt độ mặt đất càng nhỏ. 1.2. Khái quát về viễn thám và ảnh vệ tinh Landsat 1.2.1. Giới thiệu về viễn thám Viễn thám (remote sensing) được định nghĩa như một khoa học và công nghệ mà nhờ nó các tính chất của vật thể quan sát được xác định, đo đạc hoặc phân tích mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng [7], được phát triển dựa trên những thành tựu mới nhất của khoa học kỹ thuật cũng như công 9 nghệ tin học, công nghệ vũ trụ… Viễn thám là một môn khoa học liên ngành với mục tiêu cung cấp thông tin nhanh và khách quan nhất phục vụ cho mọi ngành nghề trong quốc dân. Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh: “Viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất”. Hình 1.2. Nguyên lý cơ bản của viễn thám Nguyên lý cơ bản của viễn thám là thu nhận năng lượng phản hồi của sóng điện từ chiếu tới vật thể, thông qua bộ cảm biến (sensor) giá trị phản xạ phổ này sẽ được chuyển về giá trị số. Kết quả của việc giải đoán các lớp thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tương quan giữa đặc trưng phản xạ phổ với bản chất, trạng thái của các đối tượng tự nhiên. Những thông tin về đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên sẽ cho phép các nhà nghiên cứu chọn các kênh ảnh tối ưu, chứa nhiều thông tin nhất về đối tượng nghiên cứu, đồng thời đây cũng là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất của đối tượng, tiến tới phân loại chúng. Sản phẩm của viễn thám chính là ảnh viễn thám ( ảnh chụp vệ tinh và ảnh bay chụp). Ảnh viễn thám là những hình ảnh thu chụp được từ một