Luận Văn Nghiên cứu xác định nhiệt độ bề mặt đô thị bằng phương pháp viễn thám nhiệt

TÓM TẮT: Viễn thám hồng ngoại nhiệt đo lường bức xạ bề mặt trái đất có thể giúp ta
khôi phục giá trị nhiệt độ bề mặt trên toàn vùng nghiên cứu theo từng pixel. Bài báo trình bày
kết quả nghiên cứu phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt cho đô thị TP.HCM, có tính đến
việc hiệu chỉnh kết quả tính toán thông qua việc xác định độ phát xạ bề mặt từ phương pháp
NDVI. Phương pháp này cho bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt có độ phân giải cao hơn là tính
trực tiếp từ các kênh nhiệt. Nghiên cứu thử nghiệm thực hiện trên 2 dòng ảnh vệ tinh Landsat
và Aster có các kênh hồng ngoại nhiệt với độ phân giải không gian trung bình, thích hợp cho
các nghiên cứu về các quá trình nhiệt ở các khu đô thị. Kết quả tính toán được đối sánh với số
liệu đo thực tế của 10 điểm quan trắc nhiệt độ và phân tích sai số theo nhiều phương pháp
khác nhau để chứng minh tính ưu việt của phương pháp trong điều kiện thực tế của khu vực
nghiên cứu nói riêng cũng như của Việt Nam nói chung. Kết quả nghiên cứu này sẽ đóng góp
một hướng tiếp cận giải quyết vấn đề xác định các yếu tố khí tượng liên quan đến quá trình
nhiệt trong nghiên cứu biến đổi khí hậu hiện nay.
Từ khoá: Độ phát xạ, NDVI, nhiệt độ bề mặt, viễn thám nhiệt
1. GIỚI THIỆU
Nhiệt độ bề mặt đất là một biến quan trọng trong nhiều tính toán ứng dụng như khí hậu,
thủy văn, nông nghiệp, sinh địa hóa và các nghiên cứu biến động môi trường. Nó là một yếu tố
chỉ thị về cân bằng năng lượng ở bề mặt trái đất. Nhiệt độ bề mặt đất bị ảnh hưởng mạnh mẽ
bởi khả năng của bề mặt phát ra bức xạ, tức là độ phát xạ bề mặt. Vì vậy, biết rõ độ phát xạ bề
mặt là điều quyết định để ước tính cân bằng bức xạ ở bề mặt trái đất. Bức xạ nhiệt từ bất kỳ bề
mặt nào phụ thuộc vào 2 yếu tố: (1) nhiệt độ bề mặt, là chỉ thị của tình trạng nhiệt động lực
gây nên bởi cân bằng nhiệt của các thông lượng giữa khí quyển, bề mặt và lớp đất mặt phụ; (2)
độ phát xạ bề mặt, là hiệu suất của bề mặt để truyền dẫn năng lượng bức xạ được sinh ra trong
đất đi vào khí quyển. Nó phụ thuộc vào thành phần, độ nhám bề mặt và các tham số vật lý của
bề mặt như độ ẩm đất. Vì vậy, để ước tính định lượng nhiệt độ bề mặt, cần phải tách các hiệu
ứng của nhiệt độ và độ phát xạ trong bức xạ được quan sát.
Viễn thám thụ động đo lường bức xạ phát ra từ bề mặt trái đất trên từng pixel phụ thuộc
vào trường nhìn tức thời của bộ cảm biến (IFOV) đặt trên vệ tinh. Vùng bước sóng điện từ 3-
35àm thường được gọi là vùng hồng ngoại trong viễn thám mặt đất. Dải quang phổ điện từ này
cho phép thu nhận bức xạ và ước tính nhiệt độ bề mặt, đặc biệt trong cửa sổ khí quyển từ 8-
14àm. Các bộ cảm biến thu nhận ảnh có chứa kênh hồng ngoại nhiệt có thể kể đến như
AVHRR (trên vệ tinh NOAA), MVIRI (Meteosat), AATSR (ENVISAT), MODIS (TERRA)
với độ phân giải thấp từ 1km trở lên. Trong nghiên cứu đô thị thường yêu cầu độ phân giải cao
hơn, trong đó có các ảnh vệ tinh thu nhận từ các bộ cảm biến như LANDSAT: TM có độ phân
giải kênh nhiệt 120m, EMT+ - 60m; ASTER độ phân giải không gian 90m; TIMS độ phân giải
18m; ATLAS độ phân giải 10m. Trong đó, ảnh TIMS và ATLAS được thu nhận từ các vệ tinh
nhỏ phục vụ cho các nghiên cứu địa phương. Ảnh hồng ngoại nhiệt của Landsat và Aster mặc
Science & Technology Development, Vol 12, No.04 - 2009
Trang 108 Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM
dù có độ phân giải thấp hơn nhưng lại có quỹ đạo bay chụp toàn cầu và tư liệu lưu trữ lâu dài,
rất thích hợp cho nhiều nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt nghiên cứu lịch sử.
Ứng dụng viễn thám hồng ngoại nhiệt (viễn thám nhiệt) trong nghiên cứu ước tính nhiệt
độ bề mặt đô thị có tính ưu việt đặc biệt là mức độ chi tiết của kết quả được thể hiện trên toàn
vùng, chứ không phải chỉ là số đo tại điểm quan trắc như trong phương pháp đo đạc truyền
thống từ các trạm quan trắc khí tượng. Bài báo này sẽ trình bày kết quả nghiên cứu phương
pháp xác định nhiệt độ bề mặt đối tượng ở cấp đô thị (sử dụng ảnh vệ tinh LANDSAT và
ASTER) có tính đến yếu tố phát xạ trong hiệu chỉnh kết quả tính toán với quy trình tính toán
có thể áp dụng cho bất kỳ ảnh vệ tinh không phụ thuộc vào số lượng kênh nhiệt và tăng cường
được độ phân giải ảnh kết quả. Đồng thời kết quả nghiên cứu sẽ được kiểm chứng với số đo
quan trắc nhiệt độ bề mặt thực tế để đánh giá độ chính xác.