Nghiên cứu ứng dụng ảnh landsat trong việc tính toán nhiệt độ bề mặt đất

TRƯỜNG ĐẠII HỌC
H
TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
NG HÀ N
NỘI
KHOA TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

SINH VIÊN:
VIÊN TRẦN MINH TRÂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
D
ẢNH LANDSAT TRONG VIỆC
C TÍNH TOÁN
NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT

Hà Nội - 2015


TRƯỜNG ĐẠII HỌC
H
TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
NG HÀ N
NỘI
KHOA TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

SINH VIÊN
VIÊN: TRẦN MINH TRÂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
D

ẢNH LANDSAT TRONG VIỆC
C TÍNH TOÁN
NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT

Chuyên ngành: Tr
Trắc Địa - Bản Đồ
Mã ngành:D520503

NGƯỜII HƯỚNG
H
DẪN : ThS. NGUYỄN THỊ QUỲNH
QU
TRANG

Hà Nội - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Đồ án “nghiên cứu ứng dụng ảnh landsat trong việc tính toán nhiệt độ bề
mặt đất” một công trình nghiên cứu khoa học độc lập cùng với sự giúp đỡ của giáo
viên hướng dẫn. Đây là đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Trắc Địa - Bản Đồ. Số liệu
hoàn toàn do tác giả tính toán, không sao chép từ bất cứ tài liệu nào. Đồ án này
chưa được dùng để bảo vệ bất kỳ một học vị nào.
Hà Nội, ngày 14 tháng 6năm 2015
Tác giả đồ án

Trần Minh Trâm

3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 3
MỤC LỤC.............................................................................................................. 4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ 6
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ ...................................................................... 8
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 9
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 10
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 10
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đồ án..................................................................... 11
3. Giới hạn phạm vi khu vực nghiên cứu............................................................ 12
4. Cấu trúc đồ án................................................................................................ 13
CHƯƠNG I .......................................................................................................... 14
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ẢNH LANDSAT TRONG TÍNH
TOÁN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT ..................................................................... 14
1.1. Giới thiệu về viễn thám và dữ liệu ảnh viễn thám ....................................... 14
1.1.1. Giới thiệu về viễn thám ........................................................................ 14
1.1.2. Dữ liệu ảnh viễn thám .......................................................................... 14
1.2. Khái niệm về nhiệt độ mặt đất..................................................................... 15
1.3. Giới thiệu chung về dữ liệu ảnh Landsat ..................................................... 16
1.3.1. Đặc trưng của ảnh Landsat ................................................................... 16
1.3.2. Ứng dụng của ảnh Landsat ................................................................... 20
1.4. Cơ sở ứng dụng dữ liệu ảnh Landsat trong tính toán nhiệt độ bề mặt đất ..... 23
1.4.1. Cơ sở lý thuyết tính toán nhiệt độ bề mặt ............................................. 23

4


1.4.2. Tính toán chỉ số nhiệt độ bề mặt đất tự ảnh Landsat ............................. 26

1.5. Các phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 29
CHƯƠNG II ........................................................................................................ 31
CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT NÓI
CHUNG VÀ CỦA TỈNH LÂM ĐỒNG NÓI RIÊNG ........................................ 31
2.1. Các nhân tố ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt đất .......................................... 31
2.1.1. Cán cân nhiệt của mặt đất .................................................................... 31
2.1.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt đất ................................... 32
2.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt đất của tỉnh Lâm Đồng ........... 35
2.2.1. Các nhân tố tự nhiên ............................................................................ 35
2.2.2. Các hoạt động kinh tế- xã hội ............................................................... 44
CHƯƠNG III ....................................................................................................... 46
TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT CHO KHU VỰC TỈNH LÂM ĐỒNG
BẰNG TƯ LIỆU ẢNH LANDSAT ..................................................................... 46
3.1. Cơ sở dữ liệu .............................................................................................. 46
3.2. Tính toán nhiệt độ bề mặt đất của tỉnh Lâm Đồng từ dữ liệu ảnh Landsat ... 47
3.2.1. Tính toán nhiệt độ bề mặt đất tỉnh Lâm Đồng ...................................... 47
3.2.2. Lọc mây và phân lớp nhiệt độ .............................................................. 52
3.3. Kết quả tính toán nhiệt độ bề mặt đất .......................................................... 58
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 68

5


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

6


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Các thế hệ vệ tinh Landsat .................................................................... 17
Bảng 1.2: Một số thông số các kênh phổ của ảnh Landsat TM .............................. 18
Bảng1.3: Một số thông số các kênh phổ của ảnh Landsat ETM+ .......................... 18
Bảng 1.4: Một số thông số các kênh phổ của ảnh vệ tinh Landsat 8 ...................... 19
Bảng 1.5: Khả năng ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat TM ........................ 20
Bảng 1.6: Khả năng ứng dụng các kênh phổ của ảnh vệ tinh Landsat ETM+ ........ 21
Bảng 1.7: Ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat 8 ........................................... 22
Bảng 1.8: Sự phát xạ của một số đối tượng tự nhiên trong dải sóng 8-14 µm ........ 26
Bảng 1.9: Giá trị ‫ ܮܯ‬, ‫ ܮܣ‬đối với ảnh Landsat 8 ................................................... 29
Bảng 1.10: Giá trị phổ của ảnh Landsat ................................................................ 29
Bảng 2.1: Hiệu nhiệt độ của đất tại sườn dốc hướng Nam và hướng Bắc ở độ ...... 34
Bảng 2.2: Hiện trạng, biến động sử dụng đất đai cả nước năm 1990-2008 ............ 34
Bảng 2.3: Danh sách các đơn vị hành chính trực thuộc tỉnh Lâm Đồng [4]........... 36
Bảng 2.4:Số liệu thống kê diện tích các loại đất rừng ............................................ 41
Bảng 2.5: Các loại đất trên địa bàn tỉnh Lâm Đồng .............................................. 42

Bảng 2.6: Tỷ lệ diện tích đất phân theo độ dốc ...................................................... 42
Bảng 3.1: Thống kê cảnh ảnh sử dụng để tính LST ................................................ 47

7


DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ
Hình 1: Sơ đồ khu vực nghiên cứu ......................................................................... 12
Hình 1.1: Đặc trưng về kênh phổ của ảnh Landsat 7 ETM+ và ảnh Landsat 8 ...... 19
Hình 1.2: Độ phủ chụp của vệ tinh Landsat trên quy mô toàn cầu ......................... 23
Hình 1.3: Đặc điểm phát xạ nhiệt của vật chất [5] ................................................ 24
Hình 1.4: Cửa số khí quyển và các vùng phát xạ nhiệt [5] ..................................... 25
Hình 2.1: Sơ đồ cán cân nhiệt của mặt đất vào ban ngày (trái) và ban đêm (phải) 31
Hình 2.2: Bản đồ tỉnh Lâm Đồng ........................................................................... 35
Hình 2.3:Nhiệt độ trung bình tháng và lượng mưa tháng của trạm Đà Lạt năm 2012
.............................................................................................................................. 40
Hình 3.1: Dữ liệu ảnh ban đầu của kênh 10........................................................... 48
Hình 3.2: Ảnh Lâm Đồng được cắt theo ranh giới ................................................. 48
Hình 3.3: Ảnh sau khi tính chuyển từ giá trị độ xám sang giá trị bức xạ phổ ......... 49
Hình 3.4: Ảnh sau khi tính chuyển từ giá trị bức xạ phổ sang nhiệt độ .................. 50
Hình 3.5: Ảnh sau khi chuyển nhiệt độ Kenvil về đơn vị Celcius(℃) ...................... 51
Hình 3.6: Hộp thoại Band Math và Variables to Bands Pairings ........................... 51
Hình 3.7: Dữ liệu ảnh ban đầu dùng để lọc mây .................................................... 53
Hình 3.8: Ảnh sau khi cắt theo ranh giới ............................................................... 53
Hình 3.9: Xác định các giá trị Data của mây và bóng mây .................................... 54
Hình 3.10: Giá trị của mây và bóng mây ............................................................... 55
Hình 3.11: Hộp thoại Available Vectors List và Output EVF Layers to Shapfile .... 55
Hình 3.12: Ranh giới của tỉnh Lâm Đồng đã bị xóa bỏ mây .................................. 56
Hình 3.13: Ảnh Lâm Đồng đã được xóa bỏ mây .................................................... 57
Hình 3.14: Ảnh nhiệt sau khi được phân lớp .......................................................... 58

Hình 3.15: Bản đồ nhiệt độ bề mặt đất tỉnh Lâm Đồng vào mùa khô tổ hợp 3 tháng
từ 2/2015 đến 4/2015 ............................................................................................ 59
Hình 3.16: Kết quả tính toán nhiệt độ bề mặt đất tỉnh Lâm Đồng cho mùa khô 2013,
mùa mưa 2013, mùa khô 2014, mùa mưa2014 ....................................................... 62
Hình 3.17: Biểu đồ diện tích đất Lâm Đồng ở nhiệt độ lớn hơn 30℃ của các năm 64

8


LỜI CẢM ƠN
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 đồtrường 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

9


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.

10


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 NĐBMcủa một khu vực rộng lớnmà 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.

11


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.

12


4. Cấu trúc đồ án
Ngoài phần Mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo thì đồ án bao gồm
3chương, 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.

13