Nghiên cứu ứng dụng vệ tinh vào tính toán nhiệt độ bề mặt đất

MỤC LỤC

1


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tên đầy đủ - Mô tả

LST

:

Land surface temperature - Nhiệt độ bề mặt đất

NĐBM

:

Nhiệt độ bề mặt

2


DANH MỤC CÁC BẢNG

3


DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ

Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Th.S Nguyễn Thị
Quỳnh Trang, cô đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án. Nhờ có sự giúp đỡ
của cô, em thấy mình học hỏi được rất nhiều sau đồ án tốt nghiệp này.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, cô thuộc phòng Công nghệ
Viễn thám, GIS và GPS, Viện Công nghệ Vũ trụ, Viện Hàn lâm khoa học và công
nghệ Việt Nam. Các thầy cô đã chỉ bảo tận tình, giúp đỡ và tạo điều kiện cho em
hoàn thành đồ án. Sau đồ án tốt nghiệp, em học hỏi được rất nhiều điều cũng như
kinh nghiệm nghiên cứu, làm việc. Em xin chân thành cảm ơn đề tài TN3/T16 thuộc
chương trình Khoa học và Công nghệ phục vụ phát triển kinh tế - xã hội vùng Tây
Nguyên đã giúp em thực hiện đồ án này.
Em 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 đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong thời
gian học tập và nghiên cứu.
Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè đã giúp đỡ, động viên
khích lệ và chia sẻ cùng em trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp.
Hà Nội, ngày 14 tháng 6 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Trần Minh Trâm

4


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Lâm Đồng nằm ở phía Nam Tây Nguyên, có đất bazan màu mỡ chiếm diện
tích lớn, thời tiết ôn hòa và mát mẻ quanh năm với hai mùa: mùa khô và mùa mưa.
Tuy nhiên hiện nay, vùng đất này đang phải đối mặt với không ít những khó khăn
do biến đổi khí hậu gây ra.Trong mùa khô, do ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc
nên lượng mưa của Lâm Đồng rất ít, chỉ chiếm 10-15% lượng mưa cả năm, có

những thời điểm 2-3 tháng không có mưa nên Lâm Đồng là một trong những nơi có
tình trạng hạn hán và thiếu nước trầm trọng nhất cả nước. Tuy nhiên, trong mùa
mưa thì chịu ảnh hưởng của gió mùa Tây Nam nên lượng mưa trong mùa này chiếm
85-90% lượng mưa của năm, có những năm mưa lớn và kéo dài gây nên lũ lụt, lũ
quét..
Nhiệt độ bề mặt Trái đất được tạo ra do sự cân bằng năng lượng Mặt trời của
bề mặt Trái đất. Nhiệt độ bề mặt (NĐBM) là tham số quan trọng trong việc đặc
trưng hóa sự trao đổi năng lượng giữa bề mặt đất và khí quyển. Vì thế, NĐBM được
sử dụng cho nhiều trong các nghiên cứu về khí hậu, thủy văn, khí quyển, sinh địa
hóa và các nghiên cứu biến động về địa chất, môi trường. NĐBM bị ảnh hưởng
mạnh mẽ bởi độ phát xạ bề mặt, hiệu ứng của khí quyển và loại hình lớp phủ cũng
như loại hình sử dụng đất. Hiện nay, Trái Đất ngày càng nóng lên, sự mất cân bằng
trong trao đổi năng lượng giữa bề mặt Trái Đất và môi trường xung quanh làm nhiệt
độ khí quyển tăng lên, kéo theo nhiều hậu quả trực tiếp và gián tiếp, ảnh hưởng đến
đời sống sinh hoạt và sản xuất của con người.
Đối với phương pháp nghiên cứu truyền thống, việc tính toán nhiệt độ bề mặt
đất chỉ dựa vào dữ liệu quan trắc thời tiết tại các trạm khí tượng riêng biệt, mà trung
bình mỗi tỉnh thành chỉ có từ một đến vài ba trạm, từ đó nội suy ra các vùng lân
cận. Số liệu đo từ phương pháp truyền thống này có ưu điểm là độ phân giải thời
gian cao và được ghi chép trong thời gian dài, nhưng không đảm bảo về độ phân
giải không gian do số điểm đo ít và thưa thớt, không thể đảm bảo dữ liệu chi tiết và
chính xác để có thể theo dõi được sự thay đổi NĐBM đất của một khu vực rộng lớn.

5


Trong khi đó, dữ liệu viễn thám có khả năng cung cấp dữ liệu một cách đồng nhất
và thường xuyên về sự phản xạ và phát xạ của bề mặt đất với độ phân giải không
gian từ thấp đến cao. Hiện nay, dữ liệu viễn thám nhiệt, có thể phân tích chi tiết
được sự thay đổi NĐBM của một khu vực rộng lớn mà không bị hạn chế bởi số

điểm đo tại các trạm khí tượng như phương pháp đo đạc truyền thống. Nguồn dữ
liệu viễn thám sẽ là lý tưởng khi kết hợp với số liệu quan trắc thời tiết tại các trạm
khí tượng để thiết lập mối liên kết giữa NĐBM và sự thay đổi hiện trạng lớp phủ và
hiện trạng sử dụng đất.
Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đất làm cơ sở theo dõi những biến động về môi
trường, lớp phủ.. Đồng thời, bản đồ nhiệt sẽ là một trong những tư liệu quan trọng
để đưa ra những dự đoán về khô hạn, cũng như làm cơ sở cho việc quy hoạch, sử
dụng đất, sử dụng tài nguyên một cách hợp lí.
Xuất phát từ những lý do nêu trên, em đã lựa chọn đề tài : “Nghiên cứu ứng
dụng ảnh Landsat trong việc tính toán nhiệt độ bề mặt đất” cho khu vực tỉnh
Lâm Đồng.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đồ án
Mục tiêu của đồ án là nghiên cứu đặc tính kĩ thuật của ảnh Landsat, từ đó
tính toán nhiệt độ bề mặt đất, phục vụ cho việc thành lập bản đồ nhiệt cho khu vực
tỉnh Lâm Đồng.
Để thực hiện được mục tiêu trên thì đồ án thực hiện những nhiệm vụ và nội
dung sau:
- Thu thập tư liệu: Ảnh viễn thám, bản đồ chuyên đề và các nguồn tài liệu tham
khảo khác.
-Tổng quan cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám trong việc tính toán nhiệt
độ bề mặt khu vực tỉnh Lâm Đồng.
-Nghiên cứu các đặc điểm về điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội, các yếu tố
ảnh hưởng tới nhiệt độ bề mặt đất khu vực tỉnh Lâm Đồng.
-Tính toán nhiệt độ bề mặt đất từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat cho khu vực tỉnh
Lâm Đồng.

6


3. Giới hạn phạm vi khu vực nghiên cứu.

Lâm Đồng thuộc phía Nam Tây Nguyên, có tọa độ địa lý từ 11˚12’-12˚15’ vĩ
độ Bắc và 107˚45’ kinh độ Đông. Phía đông giáp với các tỉnh là Khánh
Hoà và Ninh Thuận, phía tây giáp Đắk Nông, phía tây nam giáp tỉnh Đồng Nai và
Bình Phước, phía nam và đông nam gáp tỉnh Bình Thuận, giáp tỉnh Đắc Lắc ở phía
Bắc (hình 1) [4].

Hình 1: Sơ đồ khu vực nghiên cứu
Lâm Đồng là một trong năm tỉnh thuộc vùng Tây Nguyên, đồng thời tiếp
giáp với vùng kinh tế trọng điểm phía nam. Lâm Đồng là tỉnh duy nhất ở Tây
Nguyên không có đường biên giới quốc tế. Tỉnh lỵ là thành phố Đà Lạt nằm
cách Thành phố Hồ Chí Minh 300 km về hướng Bắc, đồng thời cách cảng biển Nha
Trang 210 km về hướng Tây.

7


4. Cấu trúc đồ án
Ngoài phần Mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo thì đồ án bao gồm 3
chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan tài liệu nghiên cứu ứng dụng ảnh Landsat trong tính
toán nhiệt độ bề mặt đất.
Chương 2: Các nhân tố ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt đất nói chung và của
tỉnh Lâm Đồng nói riêng.
Chương 3: Tính toán nhiệt độ bề mặt đất cho khu vực tỉnh Lâm Đồng từ dữ
liệu ảnh Landsat.

8


CHƯƠNG I

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ẢNH LANDSAT TRONG TÍNH
TOÁN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT
1.1. Giới thiệu về viễn thám và dữ liệu ảnh viễn thám
1.1.1. Giới thiệu về viễn thám
Viễn thám (Remote sensing – tiếng Anh) được hiểu là một khoa học và nghệ
thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng
thông qua việc phân tích tư liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những
phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện
tượng được nghiên cứu.
Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay hiểu
đơn giản: Viễn Thám thăm dò từ xa về một đối tượng mà không có sự tiếp xúc trực
tiếp với đối tượng. 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”.
Nguyên lý cơ bản của viễn thám là đặc trưng phản xạ hay bức xạ của các đối
tượng tự nhiên tương ứng với từng dải phổ khác nhau. 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 chuyên
môn 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.
1.1.2. Dữ liệu ảnh viễn thám
Ảnh viễn thám (vệ tinh và máy bay) là những hình ảnh thu chụp được từ một
khoảng cách (độ cao) nào đó trên những dải sóng khác nhau, bằng các thiết bị khác
nhau.
Ảnh số là một dạng tư liệu ảnh ghi nhận các thông tin viễn thám ở dạng số,
thường được lưu trên các media điện từ bằng các băng từ, đĩa quay từ. Hình ảnh thu
được sẽ được chia thành nhiều phần tử nhỏ, mỗi phần tử được gọi là các pixel. Mỗi
9

pixel tương ứng với một đơn vị không gian bao phủ trên bề mặt trái đất. Độ rộng
bao phủ mặt đất của một pixel có thể từ vài mét đến hàng km tùy theo loại bộ cảm
và được gọi là độ phân giải ảnh. Vị trí của mỗi pixel được xác định theo tọa độ hàng
và cột trên ảnh tính từ góc trên cùng bên trái. Tùy theo hệ thống quét ảnh mà kích
thước của hình ảnh (diện tích quét trên mặt đất).Ví dụ, với hệ thống Landsat MSS là
185 x 185km, với hệ thống SPOT là 65 x 65km, ảnh NOAA là 2400 x 2400km…
1.2. Khái niệm về nhiệt độ mặt đất
Nhiệt độ bề mặt đất (Land surface temperature - LST) được định nghĩa là
nhiệt độ bề mặt trung bình bức xạ của một khu vực. Nhiệt độ bề mặt 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. Nó là kết quả tổng hợp của sự
tương tác và trao đổi năng lượng giữa khí quyển và mặt đất, và sự cân bằng giữa
bức xạ nhiệt mặt trời với thông lượng khí quyển – mặt đất quy mô khu vực và trên
toàn cầu. Nhiệt độ bề mặt là một chỉ thị quan trọng của sự cân bằng năng lượng trên
bề mặt Trái đất cũng như của hiệu ứng nhà kính. Thông số này quyết định nhiệt độ
không khí trên bề mặt đất và các bức xạ sóng dài giữa mặt đất và khí quyển, cũng
như ảnh hưởng tới các hiện tượng khác trên mặt đất, như lượng giáng thủy và bức
xạ bề mặt và phản xạ (Albedo). Ngoài ra, nó còn ảnh hưởng đến phân vùng năng
lượng trên mặt đất, các thông lượng nhiệt bề mặt và thông lượng nhiệt ngầm. Nhiệt
độ bề mặt đất có mối liên hệ chặt chẽ với các quá trình biến đổi của môi trường đất,
đồng thời cũng phản ánh sự thay đổi của thực vật. Ví dụ, trong điều kiện khô hạn,
nhiệt độ lá cây tăng cao là một chỉ số phản ánh sự thiếu nước của thực vật (Mcvicar
T. R. và Jupp D.L.B 1998).
Nhiệt độ không khí trên bề mặt đất thường khác đáng kể so với nhiệt độ bề
mặt đất trên thực tế. Sự khác biệt này, phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và các loại
lớp phủ. Mặc dù vậy vẫn có mối quan hệ chặt chẽ giữa nhiệt độ không khí và nhiệt
độ bề mặt đất.Nhiệt độ bề mặt đất khác với nhiệt độ không khí. 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 hữu ích trong việc nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ

10


không khí và dữ liệu nhiệt độ bề mặt đất thu nhận từ dữ liệu vệ tinh. Do độ nhạy
của nhiệt độ bề mặt đất với độ ẩm đất và lớp phủ thực vật, nên nó là thành phần
quan trọng trong rất nhiều ứng dụng nghiên cứu về khí hậu, thuỷ văn, sinh thái học
và sinh địa hoá [6].
Với bề mặt đất trống, LST chính là nhiệt độ mặt đất. Với thảm thực vật dày,
LST có thể được xem như là nhiệt độ bề mặt tán của thực vật và với thảm thực vật
thưa thớt, nó là nhiệt độ trung bình của tán thực vật, thân cây và lớp đất nằm dưới
thảm thực vật. Với độ phân giải không gian khác nhau của các loại dữ liệu viễn
thám, nhiệt độ bề mặt đất trong viễn thám có thể được định nghĩa là nhiệt độ bề
mặt trung bình của mặt đất trên quy mô mỗi pixel là một hỗn hợp trộn lẫn giữa
các loại lớp phủ khác nhau tại thời điểm chụp ảnh.
Nhiệt độ bề mặt đất (LST) được tính toán trên cơ sở phát xạ của các đối
tượng bề mặt (đất đai, lớp phủ thực vật, bề mặt của 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. Từ đó, nó được mô hình hóa dựa trên các đặc tính
vật lý của khí quyển và các chỉ số kỹ thuật của bộ cảm [6]. Tính toán LST từ dữ liệu
viễn thám là tính toán tổng hợp giữa các hợp phần của cán cân năng lượng và bốc
hơi trên bề mặt đất. Các sản phẩm tính toán từ nhiệt độ bề mặt đất được sử dụng để
hỗ trợ các nghiên cứu về thay đổi bề mặt đất như quá trình đô thị hóa, sa mạc hóa
và nạn phá rừng.
1.3. Giới thiệu chung về dữ liệu ảnh Landsat
1.3.1. Đặc trưng của ảnh Landsat
Vệ tinh Landsat là vệ tinh viễn thám tài nguyên đầu tiên được phóng lên quỹ
đạo năm 1972, cho đến nay đã có 8 thế hệ vệ tinh Landsat đã được phóng lên quỹ
đạo và dữ liệu đã được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Hiện nay ảnh vệ tinh
Landsat được cung cấp từ 15 trạm thu nhằm mục đích quản lý tài nguyên và giám

sát môi trường. Landsat được NASA thiết kế đầu tiên như là thực nghiệm để kiểm
tra tính khả thi của việc sử dụng bộ cảm biến đa phổ trong thu thập dữ liệu thám sát
mặt đất. Sự thành công của Landsat nhờ vào việc kết hợp nhiều kênh phổ để quan

11


sát mặt đất, ảnh có độ phân giải không gian tốt, phủ kín một vùng khá rộng với chu
kì lặp ngắn.
Vệ tinh Landsat được thiết kế có bề rộng tuyến chụp là 185km và có thời
điểm bay qua xích đạo vào lúc 9:39 sáng giờ Việt Nam. Dữ liệu được cung cấp bởi
hai bộ cảm biến TM và MSS được chia thành các cánh phủ mặt đất 187x170km
được đánh số theo hệ quy chiếu toàn cầu gồm số liệu của tuyến và hàng. Các giá trị
pixel được mã hóa 8 bit tức là cấp độ xám từ 0÷255. Vệ tinh Landsat được trang bị
bộ cảm MSS (Multispectral Scanner), TM (Thematic Mapper) và ETM+ (Enhanced
Thematic Mapper Plus). Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh Landsat được thể
hiện bởi các thông số sau:
Bảng 1.1: Các thế hệ vệ tinh Landsat
Vệ tinh

Ngày
phóng

Ngày ngừng hoạt
động

Bộ cảm

Độ cao Chu kì lặp
bay (km)

(ngày)

Landsat 1

23/6/1972

6/1/1978

MSS

915

18

Landsat 2

22/1/1975

25/2/1982

MSS

915

18

Landsat 3

05/3/1978

31/3/1983

MSS

915

18

Landsat 4

16/7/1982

15/6/2001

TM, MSS

705

16

Landsat 5

01/3/1984

Đang hoạt động

TM, MSS

705

16

Landsat 6

05/3/1993

Ngừng hoạt động

ETM

705

16

Landsat 7

15/4/1999

Đang hoạt động

ETM+

705

16

Landsat 8

11/2/2013

Đang hoạt động

OLI,TIRs

705

16

(Nguồn: : )
Hiện nay, ảnh Landsat có nhiều thế hệ với số lượng kênh phổ và độ phân giải
khác nhau. Tuy nhiên, thế hệ ảnh Landsat TM được thu từ vệ tinh Landsat-4 và -5
và ảnh Landsat ETM+ được thu từ vệ tinh Landsat-7 được sử dụng phổ biến nhất.
Ảnh Landsat TM gồm 6 kênh phổ nằm trên dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại
với độ phân giải không gian 30mx30m và một giải phổ hồng ngoại nhiệt ở kênh 6,
độ phân giải 120mx120m để đo nhiệt độ bề mặt.

12


Bảng 1.2: Một số thông số các kênh phổ của ảnh Landsat TM
Kênh

Bước sóng (

Tên gọi phổ

TM1
TM2
TM3
TM4

TM5
TM6
TM7

0,45-0,52
0,52-0,60
0,63-0,69
0,76-0,90
1,55-1,75
10,4-12,5
2,08-2,35

Xanh lam
Xanh lục
Đỏ
Cận hồng ngoại
Hồng ngoại sóng ngắn
Hồng ngoại nhiệt
Hồng ngoại sóng ngắn

Độ phân giải
Lưu trữ
không gian (m)
(bit)
30
8
30
8
30
8

30
8
30
8
120
8
30
8
(Nguồn: )

Ảnh Landsat ETM+ ghi phổ trên 8 kênh ở các bước sóng giống như của ảnh
Landsat TM, điều khác biệt là ở Landsat ETM+, kênh hồng ngoại nhiệt (Thermal)
có độ phân giải cao hơn (60mx60m) và có thêm kênh toàn sắc (Pan) với độ phân
giải không gian là 15mx15m.
Bảng1.3: Một số thông số các kênh phổ của ảnh Landsat ETM+
Kênh

Bước sóng (

Tên gọi phổ

ETM+1
ETM+2
ETM+3
ETM+4
ETM+5
ETM+6
ETM+7
ETM+8

0,45 – 0,52
0,52-0,60
0,63-0,69
0,76 – 0,90
1,55-1,75
10,4-12,5
2,08 – 2,35
0,52 - 0,9

Xanh lam
Xanh lục
Đỏ
Cận hồng ngoại
Hồng ngoại sóng ngắn
Hồng ngoại nhiệt
Hồng ngoại sóng ngắn
Toàn sắc

Độ phân giải
Lưu trữ
không gian (m)
(bit)
30
8
30
8
30
8
30
8

30
8
60
8
30
8
15
8
Nguồn:

Thế hệ vệ tinh thứ 8- Landsat 8 ( Landsat Data Continuity Misson- LDCM)
cung cấp các ảnh có độ phân giải trung bình ( từ 15-100 mét). Landsat 8 thu nhận
hình ảnh với tổng số 11 kênh phổ, bao gồm 9 kênh sóng ngắn và 2 kênh nhiệt sóng
dài. Độ phân giải không gian đối với các kênh nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng
ngoại sóng ngắn là 30mx30m; ở kênh nhiệt là 100mx100m và 15mx15m đối với
kênh toàn sắc.
LDCM mang theo 2 bộ cảm: bộ thu nhận ảnh mặt đất (OLI - Operational
Land Imager) và bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt (TIRS - Thermal Infrared Sensor).

13


Những bộ cảm này được thiết kế để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với
các bộ cảm Landsat trước. So với Landsat 7, LDCM có cùng độ rộng dải chụp, cùng
độ phân giải ảnh và chu kỳ lặp lại (16 ngày). Tuy nhiên, ngoài các dải phổ tương tự
Landsat 7, bộ cảm OLI thu nhận thêm dữ liệu ở 2 dải phổ mới nhằm phục vụ quan
sát mây ti và quan sát chất lượng nước ở các hồ và đại dương nước nông ven biển
cũng như sol khí. Bộ cảm TIRs thu nhận dữ liệu ở 2 dải phổ hồng ngoại nhiệt, phục
vụ theo dõi tiêu thụ nước, đặc biệt ở những vùng khô cằn thuộc miền tây nước Mỹ.
Bảng 1.4: Một số thông số các kênh phổ của ảnh vệ tinh Landsat 8

Band 1
Band 2
Band 3
Band 4
Band 5

Bước sóng
(µm)
0,433 – 0,453
0,450 - 0,515
0,525 - 0,6
0,63 – 0,68
1,845 - 1,885

Band 6

1,56 - 1,66

Band 7

2,1 – 2.3

Band 8
Band 9

0,50 - 0,68
1,36 - 1,39

Band 10

10,3 - 11,3

Band 11

11,5 - 12,5

Kênh

Tên gọi phổ
Coastal aerosol
Xanh lam
Xanh lục
Đỏ
Cận hồng ngoại
Sóng ngắn hồng
ngoại (SWIR 1)
Sóng ngắn hồng
ngoại (SWIR 2)
Toàn sắc (PAN)
Cirrus
Hồng ngoại nhiệt
(TIR)1
Hồng ngoại nhiệt
(TIR)2

Độ phân giải
không gian (m)
30
30

30
30
30

Lưu trữ
(bit)
16
16
16
16
16

30

16

30

16

15
30

16
16

100

16

100

16

(Nguồn: Theo ASM và USGS)

Hình 1.1: Đặc trưng về kênh phổ của ảnh Landsat 7 ETM+ và ảnh Landsat 8
(Nguồn: Viễn thám-RS/ Địa lý và GIS Science- Geography and GIS)
14


1.3.2. Ứng dụng của ảnh Landsat
Hiện nay, ở Việt Nam các cơ quan ứng dụng viễn thám sử dụng nhiều loại tư
liệu ảnh vệ tinh, trong số đó các tư liệu ảnh LANDSAT, MODIS, SPOT.. là phổ
biến. Các tư liệu này mới được ứng dụng cho việc điều tra nghiên cứu các đối tượng
trên đất liền như để hiện chỉnh bản đồ tại Trung tâm Viễn thám, lập bản đồ địa chất
tại Cục Địa chất Việt Nam và Viện nghiên cứu Địa chất và Khoáng sản, sử dụng
trong quản lý tổng hợp vùng bờ ở Cục Bảo vệ Môi trường. Tại các cơ quan ngoài
Bộ, các tư liệu viễn thám được sử dụng tại các Viện nghiên cứu và một số Trường
Đại học. Tuy nhiên, việc ứng dụng các tư liệu này chủ yếu cho việc quan sát sử
dụng đất, môi trường, đô thị. Cũng có một số thí nghiệm ảnh viễn thám nghiên cứu
về biển nhưng lẻ tẻ, chủ yếu tập trung ở một số địa điểm ven bờ như Hải Phòng,
Quảng Ninh, Nha Trang, Vũng Tàu. Có một số đề tài nghiên cứu ứng dụng ảnh
MODIS nghiên cứu các thông số trường nhiệt độ, sóng thì mới chỉ làm ví dụ chưa
được kiểm chứng nghiêm túc.
Ảnh Landsat được ứng dụng trong nghiên cứu nhiều lĩnh vực khác nhau như
việc điều tra và giám sát tài nguyên đất, tài nguyên nước và môi trường; trong địa
chất, trong nông nghiệp, lâm nghiệp và trong nghiên cứu chuyên đề về biển; ứng
dụng nhiều trong lĩnh vực tìm kiếm nước ngầm, quy hoạch đô thị, theo dõi biến động
của môi trường.. Với các thế hệ vệ tinh Landsat được trang bị các loại bộ cảm MSS,

TM ( của vệ tinh Landsat 4,5), ETM+ (của vệ tinh Landsat 7) hay bộ thu nhận ảnh
mặt đất OLI và bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt TIRS (của vệ tinh Landsat 8) như hiện
nay thì khả năng ứng dụng của ảnh vệ tinh Landsat chắc chắn sẽ rất đa dạng. Dưới
đây đề tài thống kê những ứng dụng chính của ảnh Landsat trong các nghiên cứu:
* Khả năng ứng dụng của ảnh Landsat TM
Bảng 1.5: Khả năng ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat TM
Kênh
TM1
TM2
TM3

Bước sóng (µm)
0,45-0,52 (Xanh
lam)
0,52-0,60 (Xanh
lục)
0,63-0,69 (Đỏ)

Tên gọi phổ
Phân biệt thực phủ, thành lập bản đồ vùng ven biển,
xác định đối tượng trồng trọt.
Thành lập bản đồ thực phủ, xác định đối tượng trồng
trọt.
Phân biệt các loại cây trồng, vùng có và không có
15


TM4
TM5
TM6

TM7

thực vật, xác định đối tượng trồng trọt.
0,76-0,90 (Cận Xác định loại cây trồng, vùng có và không có thực
hồng ngoại)
vật, độ ẩm của đất, sinh quyển.
1,55-1,75 (Hồng Cảm nhận độ ẩm của đất và thực vật, phân biệt vùng
ngoại
sóng bao phủ bởi mây tuyết.
ngắn)
10,4-12,5 (Hồng Phân biệt độ ẩm của đất, sự dày đặc của rừng, thành
ngoại nhiệt)
lập bản đồ nhiệt, xác định cháy rừng.
2,08-2,35 (Hồng Phân biệt các loại đá và khoáng, hàm lượng độ ẩm
ngoại
sóng của cây.
ngắn)
(Nguồn: Ứng dụng của ảnh vệ tinh Landsat- Thư viện bài giảng điện tử)

* Khả năng ứng dụng của ảnh Landsat ETM+
Bảng 1.6: Khả năng ứng dụng các kênh phổ của ảnh vệ tinh Landsat ETM+
Kênh
phổ

Bước sóng
(µm

ETM+1

0,45 – 0,52

(Xanh lam)

ETM+2

0,52 - 0,60
(Xanh lục)

ETM+3
ETM+4

ETM+5

ETM+6
ETM+7

0,63 - 0,69
(Đỏ)
0,76 – 0,90
(Cận hồng
ngoại)
1,55 - 1,75
2,08 – 2,35
(Hồng ngoại
sóng ngắn)
10,4 - 12,5
(Hồng ngoại
nhiệt)
0,52 - 0,90
(Toàn sắc)

Ứng dụng
Được ứng dụng nghiên cứu đường bờ, phân biệt thực
vật và đất, lập bản đồ về rừng và xác định các đối
tượng khác.
Được dùng để đo phản xạ cực đại phổ lục của thực vật,
xác định trạng thái thực vật, xác định các đối tượng
khác
Dùng xác định vùng hấp thụ chlorophyl giúp phân loại
thực vật, xác định các đối tượng khác.
Dùng xác định các kiểu thực vật, trạng thái và sinh
khối, độ ẩm của đất.
Được sử dụng để xác định độ ẩm của thực vật và đất,
nghiên cứu về đá khoáng, tách tuyết và mây.
Được dùng để xác định thời điểm thực vật bị sốc, độ
ẩm của đất và thành lập bản đồ nhiệt.
Với độ phân giải thấp và giải phổ liên tục, ảnh của
kênh này được sử dụng để chồng ghép với các kênh
ảnh khác, từ đó đo vẽ chính xác đối tượng.
( Theo Climategis.com)

* Khả năng ứng dụng của ảnh Landsat 8

16


Bảng 1.7: Ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat 8
Kênh
phổ
Kênh 1
Kênh 2

Kênh 3
Kênh 4
Kênh 5
Kênh 6
Kênh 7
Kênh 8
Kênh 9
Kênh 10
Kênh 11

Bước sóng
(µm)
0,433 – 0,453
(Coastal aerosol)
0,450 - 0,515 (Xanh
lam)
0,525 - 0,6
(Xanh lục)
0,63 – 0,68
(Đỏ)
1,845 - 1,885 (Cận
hồng ngoại)
1,56 - 1,66 (Sóng
ngắn hồng ngoại)
(SWIR 1)
2,1 – 2.3 (Sóng
ngắn hồng ngoại)
(SWIR 2)
0,50 - 0,68
(Toàn sắc) (PAN)

Ứng dụng
Dùng để quan sát nước nông và theo dõi các hạt
mịn (như bụi, khói), đại dương và thực vật.
Được dùng để thành lập bản đồ địa hình, bản đồ
đất và phân biệt địa hình theo mùa.
Dùng để phản ánh trạng thái thực vật, thành lập
bản đồ quản lý thực vật.
Dùng để phân biệt giữa thực vật và đất, độ dốc
thảm thực vật.
Dùng để nghiên cứu hệ sinh thái dưới nước, xác
định sinh khối thực vật. Dựa vào độ xanh có thể
đo nước trong lá và sức khỏe cây trồng.
Được dùng để phân biệt độ ẩm của đất và thực
vật, xuyên qua được các đám mây mỏng.
Phản ánh rõ nét về độ ảm của đất và thực vật
hơn kênh 6.

Quan sát tổng quan đối tượng, vì có độ phân giải
15m nên các đối tượng hiện lên rõ nét hơn.
Chủ yếu dùng trong quan sát mây, đặc biệt là
1,36 - 1,39 (Cirrus)
tăng cường phát hiện các đám mây li ti.
10,3 - 11,3 (Hồng Dùng để thành lập bản đồ nhiệt và độ ẩm của
ngoại nhiệt) (TIR)1 đất.
11,5 - 12,5 (Hồng Bản đồ nhiệt và đất ở kênh này được xác định rõ
ngoại nhiệt) (TIR)2 nét hơn.
(Nguồn: Cách đọc ảnh trong viễn thám-Trường đại học KHTN)

Ảnh vệ tinh được xem là nguồn dữ liệu tốt nhất, đặc biệt khi ta cần tính toán

ở tầm phủ lớn. Ảnh Landsat có những ưu điểm và nhược điểm sau:
* Ưu điểm của ảnh vệ tinh Landsat:
- Khả năng phân giải phổ tốt, khả năng phân giải không gian 30×30m và cao
hơn có thể tới 1m×1m ảnh Landsat là ảnh số nên thích hợp cho việc xử lý bằng các
thiết bị xử lý ảnh số hiện đại, cho phép đưa ra nhiều loại sản phẩm ảnh mà phương
pháp tương tự không thực hiện được.

17


- Sản phẩm ảnh Landsat được phát hành dưới dạng số và dạng phim ảnh với
mức độ xử lý nhiễu và xử lý hình học khác nhau để dễ dàng tiện lợi trong việc sử
dụng. Ảnh Landsat sử dụng có hiệu quả trong địa chất, trong nông nghiệp, lâm
nghiệp và trong nghiên cứu chuyên đề về biển.
* Nhược điểm của ảnh Landsat:
- Hạn chế chủ yếu của ảnh Landsat là chưa có ảnh lập thể.
- Ảnh Landsat 7 khi tải về để sử dụng thì thường bị lỗi kẻ sọc.
- Dữ liệu ảnh Landsat có độ phân giải thời gian thấp (do chu kì lặp là 16
ngày, một tháng có hai cảnh ảnh, có những tháng có một cảnh ảnh mà có trường
hợp ảnh lại bị nhiều mây thì sẽ không sử dụng được)
Hiện nay, vệ tinh Landsat có độ phủ chụp tương đối lớn nhằm mở rộng khả
năng tiếp cận với nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat nhằm phục vụ các mục đích
theo dõi và giám sát tài nguyên, môi trường.

Hình 1.2: Độ phủ chụp của vệ tinh Landsat trên quy mô toàn cầu
Nguồn: nature.com.
1.4. Cơ sở ứng dụng dữ liệu ảnh Landsat trong tính toán nhiệt độ bề mặt đất
1.4.1. Cơ sở lý thuyết tính toán nhiệt độ bề mặt
Như ta đã biết mọi vật thể ở nhiệt độ lớn hơn 0°K đều phát xạ. Đặc điểm
(cường độ và phổ) của bức xạ phát xạ này phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ và hệ số

18


phát xạ của đối tượng. Tính chất bức xạ nhiệt của các đối tượng tự nhiên dựa vào
nguyên tắc bức xạ của vật đen tuyệt đối. Trong vật lý học, vật đen tuyệt đối, hay
ngắn gọn là vật đen, là vật hấp thụ hoàn toàn tất cả các bức xạ điện từ chiếu đến nó,
bất kể bước sóng nào. Điều này có nghĩa là sẽ không có hiện tượng phản xạ hay tán
xạ trên vật đó, cũng như không có dòng bức xạ điện từ nào đi xuyên qua vật.
Năm 1879, Josef Stefan qua nhiều thí nghiệm về bức xạ nhiệt, kết hợp với
những cơ sở lý thuyết do Ludwig Boltzmann đưa ra sau đó ít lâu, đã tổng kết thành
định lý Stefan- Boltzmann: “Công suất bức xạ nhiệt của một vật thì tỷ lệ với lũy
thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối của vật bức xạ và diện tích bề mặt vật bức
xạ”.
j* = x (1.1)
Trong đó:
j*: công suất bức xạ nhiệt .
σ: Hệ số Stefan–Boltzmann constant, có giá trị là:
σ =

2π 5 k 4
= 5.670400 × 10 −8 Js −1 m − 2 K −4
15c 2 h 3
.

T: nhiệt độ tuyệt đối ( độ K).

Hình 1.3: Đặc điểm phát xạ nhiệt của vật chất [6]
19

Theo phương trình, tổng nhiệt lượng phát ra từ bề mặt vật đen thì khác nhau
theo tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối. Viễn thám đo được năng lượng
phát ra của vật, do đó đo được nhiệt độ của vật. Viễn thám đo các bức xạ theo các
dải sóng khác nhau, tuy nhiên sự bức xạ nhiệt chỉ bắt đầu từ dải hồng ngoại nhiệt.
Với vật đen tuyệt đối, nó phát xạ toàn bộ năng lượng rơi vào nó khi làm cho
nhiệt độ của nó tăng lên, còn vật chất thực chỉ phát ra một phần năng lượng rơi vào
nó. Khả năng phát xạ nhiệt gọi là độ phát xạ nhiệt (ε).
ε = Năng lượng nhiệt phát ra của một vật tại một nhiệt độ nào đó / Năng
lượng phát ra của vật đen tại cùng nhiệt độ đó.
ε có giá trị từ 0 đến 1: giá trị ε khác nhau phụ thuộc vào thhành phần vật
chất, ở nhiệt độ khác nhau thì sự phát xạ cũng khác nhau. Ngoài ra sự phát xạ còn
khác nhau ở dải sóng và góc phát xạ.
Từ giới hạn về nhiệt độ tuyệt đối của các đối tượng trên mặt đất (dao động
xung quanh giá trị 300oK), cực đại của quang phổ bức xạ rơi vào quãng 9,6 µm, vì
thế theo lý thuyết, bức xạ nhiệt của các đối tượng bề mặt có thể thu được bằng cách
sử dụng các kênh thu được ở bước sóng khoảng 10 µm. Mặt khác, đặc điểm quang
phổ của khí quyển cho thấy cửa sổ khí quyển trong vùng phổ 8-14 µm (hình 1.4),
nơi hấp thụ khí quyển ít nhất và thông qua đó các nguồn năng lượng của mặt đất có
thể truyền qua với ít thất thoát nhất. Vì thế, vùng phổ này (gọi là bước sóng quang
phổ nhiệt) thường được chọn để xác định nhiệt độ của các đối tượng mặt đất. Tuy
nhiên đây lại là vùng mà hơi nước có khả năng hấp thụ rất lớn nên trong viễn thám
người ta phải giới hạn vùng phổ sử dụng vào hai cửa sổ của khí quyển ở các dải
sóng: 3,7-4,2µm và 8,4-13,4µm.

20


Hình 1.4:
Cửa số khí
quyển và

các vùng
phát xạ
nhiệt [6]
Các thiết bị viễn thám đều hoạt động ở dải sóng 8-14 µm và ở dải sóng đó,
các đối tượng tự nhiên trên bề mặt Trái Đất có sự phát xạ nhiệt rất khác nhau. Sự
khác biệt đó liên quan đến thành phần vật chất và trạng thái cấu trúc của đối tượng.
Dưới đây là giá trị phát xạ của một số đối tượng tự nhiên điển hình trong dải sóng
8-14 µm:
Bảng 1.8: Sự phát xạ của một số đối tượng tự nhiên trong dải sóng 8-14 µm
Vật chất
Nước sạch
Tuyết sương
Da người
Băng khô
Thực vật khỏe
Đất ướt
Bêtông nhựa
Cây gỗ
Đất bazan
Đât khô
Tuyết khô
Cỏ
Thép tấm
Thép bóng

Giá trị phát xạ
0,89 - 0,99
0,98 - 0,99
0,97 - 0,99
0,97 - 0,98

0,96 - 0,99
0,95 - 0,98
0,94 - 0,97
0,93 - 0,94
0,92 - 0,96
0,92 - 0,94
0,85 - 0,90
0,77 - 0,81
0,63 - 0,70
0,16 - 0,21
(Nguồn: Viễn thám hồng ngoại nhiệt)

1.4.2. Tính toán chỉ số nhiệt độ bề mặt đất từ ảnh Landsat
Phương pháp tính toán nhiệt độ bề mặt đất dựa trên phép tính chuyển đổi
nhiệt độ từ giá trị độ xám trên kênh nhiệt của ảnh Landsat . Quá trình thực hiện bắt

21


đầu từ việc chuyển đổi giá trị số (Digital Number-DN) sang giá trị bức xạ phổ Lλ,
sau đó chuyển đổi tiếp giá trị bức xạ phổ này sang giá trị nhiệt độ. Quá trình này
được thực hiện theo quy trình sau:

Giá trị số (DN)

Giá trị bức xạ phổ (Lλ)

Giá trị nhiệt độ (Kenvil)

Giá trị nhiệt độ Celcius (oC)

a. Chuyển đổi giá trị số (DN) sang giá trị bức xạ phổ (Lλ)
Độ phân giải phổ liên quan đến số lượng dữ liệu mà ảnh có thể ghi nhận để
giải thích lượng thông tin thu nhận từ bộ cảm. Ví dụ, ảnh Landsat lưu giữ thông tin
trong một dải số từ 0-255, trong đó điểm ảnh có giá trị 0 nghĩa là không phản xạ,
255 là phản xạ hoàn toàn. Mỗi giá trị đó được gọi là giá trị độ xám (Digital
Number- DN). Ví dụ, Landsat TM có thể lưu trữ thông tin với 8 bit dữ liệu (2 8, tức
0-255); MODIS - 16 bit dữ liệu (216, tức 0-65535).
Các bộ cảm biến ghi nhận cường độ bức xạ điện từ bề mặt đất được thể hiện
theo giá trị số nguyên dương DN với mỗi kênh. Điều này thật sự tốt cho công tác
giải đoán đối tượng trên bề mặt đất. Các giá trị độ xám này phụ thuộc vào tính chất
hình học khi thu nhận thông tin của vệ tinh, vào vị trí của mặt trời, điều kiện thời
tiết… lúc thu nhận thông tin.
Dữ liệu Landsat TM được thu nhận dưới dạng ảnh xám độ 8 bit còn dữ liệu
Landsat 8 được thu nhận dưới dạng ảnh xám độ 16 bit của sản phẩm mức độ1G. Do
đó cần phải chuyển đổi giá trị độ xám của dữ liệu ảnh số này sang giá trị bức xạ phổ

22


là giá trị phản ánh năng lượng phát ra từ mỗi vật thể được thu nhận trên kênh nhiệt.
Phương pháp chuyển đổi với các thế hệ ảnh Landsat khác nhau thì sẽ khác nhau.
* Với ảnh Landsat ETM, ETM+ thì việc chuyển đổi này được thực hiện theo
biểu thức sau:
x (1.2)
Trong đó:
-: là giá trị bức xạ phổ nhỏ nhất tương ứng với giá trị .
- : là giá trị bức xạ phổ lớn nhất tương ứng với giá trị

.

-: giá trị bức xạ phổ. Đơn vị của Lλ là W/(m2.sr.μm).
- QCAL: giá trị độ xám của kênh ảnh.
- : là giá trị độ xám nhỏ nhất .
- : là giá trị độ xám lớn nhất .
* Với ảnh Landsat 8 thì việc chuyển đổi này thực hiện theo công thức sau:
= (1.3)
Trong đó:
- là giá trị bức xạ phổ.
-là

hệ

số

đối

với

từng

kênh

ảnh

cụ

thể

(giá

trị

RADIANCE_MULT_BAND_x trong dữ liệu ảnh LANDSAT 8, trong đó x là
kênh ảnh).
-là hệ số đối với từng kênh ảnh cụ thể (giá trị RADIANCE_ADD_BAND_x
trong dữ liệu ảnh LANDSAT 8, với x là kênh ảnh).
- QCAL giá trị độ xám của kênh ảnh.
Các giá trị , , , , được liệt kê trong bảng 1.9 và bảng 1.10 dưới đây.
b. Chuyển đổi giá trị bức xạ phổ sang nhiệt độ
Sau khi hiệu chỉnh bức xạ, giá trị bức xạ phổ sẽ được sử dụng để tính nhiệt
độ sáng (brightness temperature). Việc xác định nhiệt độ từ giá trị bức xạ của ảnh
hồng ngoại nhiệt LANDSAT được thực hiện theo công thức Planck:
T = K2/ln(K1/ + 1) (1.4)
Trong đó:

23


- T = Nhiệt độ hiệu quả trên vệ tinh (Đơn vị Kelvin).
- K1, K2: hằng số đối với ảnh vệ tinh Landsat.
+ K1: hệ số hiệu chỉnh 1. Đơn vị: W/m2.Ster.µm
+ K2: hệ số hiệu chỉnh 2. Đơn vị: K
- : Giá trị bức xạ phổ (W/m2.Ster.µm).
c.Chuyển nhiệt độ Kenvil về đơn vị Celcius()
- Giá trị nhiệt độ tính theo :
T () = T (Kelvin) - 273.16 (1.5)
- Chuyển giá trị nhiệt về dạng số nguyên.
Fix(T) = T () (1.6)
* Dưới đây là các giá trị hệ số được sử dụng để tính nhiệt độ bề mặt của ảnh vệ
tinh LANDSAT:

Bảng 1.9: Giá trị đối với ảnh Landsat 8
Vệ tinh

Kênh phổ
10
11

Landsat 8

0,10000
0,10000

Bảng 1.10: Giá trị phổ của ảnh Landsat
Vệ tinh
Landsat 5
Landsat 7
Landsat 8

Kênh
phổ
6
6.1
6.2
10
11

QCAL
min
1
1

1
1
1

QCAL
max
255
255
255
65535
65535

Lmin

Lmax

K1

K2

1,238
3,2
0
0,10033
0,10033

15,503
12,65
17,04
22,0018

22,0018

607,66

1260,56

666,09
774,89
480,89

1282,71
1321,08
1201,14

(Nguồn:Ứng dụng ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat trong nghiên cứu hiện tượng cháy
ngầm ở Mỏ than- Tạp chí Khoa Học ĐHSP TP.HCM)
1.5. Các phương pháp nghiên cứu
Ngoài phương pháp chính là phương pháp viễn thám sử dụng tư liệu ảnh
LANDSAT để tính toán nhiệt độ bề mặt đất cho khu vực nghiên cứu, để thực hiện
các nội dung nghiên cứu của luận văn, học viên còn sử dụng các phương pháp khác,
cụ thể là:
24


- Phương pháp khảo sát thực địa: được dùng để thu thập tài liệu, số liệu,
thông tin cần thiết liên quan đến nhiệt độ bề mặt đất ở khu vực nghiên cứu.
- Phương pháp thu thập, tổng hợp, phân tích và đánh giá tài liệu: tổng hợp,
phân tích các tài liệu, số liệu thu thập được, làm cơ sở so sánh, đối chứng với các
kết quả tính toán nhiệt độ bề mặt đất để làm rõ xu hướng biến đổi của nhiệt độ bề
mặt đất theo không gian và thời gian, từ đó thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt đất của

khu vực nghiên cứu.
- Phương pháp bản đồ: là phương pháp được sử dụng để phân tích và kết nối
dữ liệu, xử lý các bước trung gian, và hiển thị kết quả phân tích từ các phương pháp
khác.

25