Khảo sát độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặt bằng ảnh vệ tinh Landsat khu vực Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)

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


10

khoảng cách (độ cao) nào đó trên những dải sóng khác nhau, bằng các thiết bị
khác nhau và được lưu trữ dưới dạng số. Tùy thuộc vào vùng bước sóng được
sử dụng để thu nhận, ảnh viễn thám có thể được phân thành ba loại cơ bản:
- Ảnh quang học: Nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời.
- Ảnh nhiệt: Nguồn năng lượng chính là bức xạ nhiệt của các vật thể.
- Ảnh radar: Nguồn năng lượng chính là sóng radar phản xạ từ các vật

thể do vệ tinh tự phát xuống theo những bước sóng đã được xác định.
Môi trường,
nguồn nước
12%

Khác
5%

Quản lý đất
đai
10%
Đo đạc bản đồ
và GIS
41%

Địa chất
8%
Nông nghiệp
và rừng
22%

Ứng dụng công
cộng
2%

Hình 1.3. Thống kê các ứng dụng của ảnh viễn thám

Với lịch sử phát triển lâu đời, hiện nay viễn thám đã trở thành một công cụ
hiện đại vừa mang tính phụ trợ, vừa mang tính cạnh tranh trong công nghệ quan
sát Trái đất. Là một phần của công nghệ vũ trụ, công nghệ viễn thám ngày càng

được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và phổ biến rộng rãi ở nhiều quốc gia trên thế
giới. Công nghệ viễn thám có những ưu việt cơ bản như sau:
- Trong lĩnh vực khảo cổ học: Sử dụng ảnh viễn thám để khoanh vùng và
nghiên cứu những yếu tố địa hình, địa mạo, tự nhiên có tác động đến sự hình
thành và phá hủy của di tích, phân tích mối quan hệ của di tích với ngoại cảnh.
- Quản lý biến đổi môi trường: Do chu kỳ quan trắc lặp và liên tục trên
cùng một đối tượng trên mặt đất của các máy thu viễn thám cho phép công


11

nghệ viễn thám ghi lại được các biến đổi của tài nguyên, môi truờng, đáp ứng
được nhu cầu về giám sát môi trường và thiên tai.
- Độ phủ trùm không gian của tư liệu ảnh viễn thám bao gồm các thông
tin về tài nguyên, môi trường trên diện tích lớn của trái đất gồm cả những khu
vực rất khó đến được như rừng nguyên sinh, đầm lầy và hải đảo.
- Sử dụng các dải phổ đặc biệt khác nhau để quan trắc các đối tượng
(ghi nhận đối tượng), nhờ khả năng này mà tư liệu viễn thám được ứng dụng
cho nhiều mục đích, trong đó có nghiên cứu về khí hậu, nhiệt độ của trái đất,
thành lập bản đồ sử dụng đất, bản đồ địa chất, điều tra giám sát trạng thái mùa
màng và thảm thực vật…
- Cung cấp nhanh các tư liệu ảnh số có độ phân giải cao và siêu cao, là
dữ liệu cơ bản cho việc thành lập và hiện chỉnh hệ thống bản đồ quốc gia và
hệ thống CSDL địa lý quốc gia.
Với những khả năng ưu việt nêu trên, công nghệ viễn thám đã và đang
trở thành phương tiện chủ đạo cho công tác giám sát tài nguyên thiên nhiên và
môi trường ở cấp độ từng nước, từng khu vực và trong phạm vi toàn cầu. Khả
năng ứng dụng công nghệ viễn thám ngày càng được nâng cao, đây cũng là lý
do dẫn đến tính phổ cập của công nghệ này.
1.2.2. Giới thiệu chung về dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat

Vệ tinh Landsat là tên chung cho hệ thống các vệ tinh chuyên dùng
vào mục đích thăm dò tài nguyên trái đất. Vệ tinh Landsat 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. Nhờ vào việc kết hợp nhiều kênh phổ để quan sát mặt đất, dữ liệu ảnh
vệ tinh Landsat có độ phân giải không gian tốt, phủ kín một vùng khá rộng
với chu kì lặp ngắn. Sự phát triển mạnh mẽ của các vệ tinh viễn thám trong
những năm gần đây đã khẳng định ưu thế lợi ích trong việc giám sát tài
nguyên môi trường tự nhiên và đóng góp to lớn cho sự phát triển kinh tế - xã
hội trên toàn thế giới.


12

Đặc điểm của các thế hệ vệ tinh Landsat được thể hiện bởi các thông số
trong bảng dưới đây:
Bảng 1.2. Các thế hệ vệ tinh Landsat
Vệ tinh

Ngày
phóng

Ngày ngừng
hoạt động

Landsat 1
Landsat 2
Landsat 3
Landsat 4
Landsat 5

23/6/1972
22/1/1975
05/3/1978
16/7/1982
01/3/1984

Landsat 6

05/3/1993

Landsat 7
Landsat 8

15/4/1999
11/2/2013

6/1/1978
25/2/1982
31/3/1983
15/6/2001
Đang hoạt động
Ngừng hoạt
động
Đang hoạt động
Đang hoạt động

MSS
MSS
MSS

TM, MSS
TM, MSS

Độ cao
bay
(km)
915
915
915
705
705

Chu kì
lặp
(ngày)
18
18
18
16
16

ETM

705

16

ETM+
OLI,TIRs

705
705

16
16

Bộ cảm

(Nguồn: )
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. Trong phạm vi
nghiên cứu của luận văn, chúng ta tập chung vào tìm hiểu về vệ tinh viễn
thám Landsat 8.

Hình 1.4. Vệ tinh Landsat 8


13

Vệ tinh thế hệ thứ 8 - Landsat 8 được Mỹ phóng thành công lên quỹ
đạo ngày 11/02/2013 với tên gọi gốc là Landsat Data Continuity Misson. Vệ
tinh Landsat 8 cung cấp các ảnh có độ phân giải trung bình ( từ 15-100 mét),
phủ kín các vùng cực cũng như những vùng địa hình khác nhau trên trái đất.
Landsat 8 thu nhận hình ảnh với tổng số 11 kênh phổ, bao gồm 9 kênh sóng
ngắn và 2 kênh nhiệt sóng dài (kênh 10 và kênh 11). Độ phân giải không gian
đối với các kênh nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại sóng ngắn là 30m,
100m đối với kênh nhiệt và 15m đối với kênh toàn sắc.
Vệ tinh Landsat 8 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). Những bộ cảm này được thiết kế cải tiến để giảm thiểu tối
đa nhiễu khí quyển, cho phép lượng tử hóa dữ liệu là 12 bit nên chất lượng

hình ảnh vượt trội, hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với các bộ cảm Landsat
trước. So với Landsat 7, Landsat 8 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 hai dải phổ mới nhằm phục
vụ quan sát mây và quan sát chất lượng nước ở các hồ và đại dương nước
nông ven biển cũng như sol khí. Bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt TIRS thu nhận
dữ liệu ở hai dải sóng dài (kênh 10 và kênh 11) dùng để đo tốc độ bốc hơi
nước, tính nhiệt độ bề mặt…
Bảng 1.3. Một số thông số các kênh phổ của ảnh vệ tinh Landsat 8
Kênh
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

Tên gọi phổ
Coastal aerosol
Xanh lam
Xanh lục
Đỏ
Cận hồng ngoại

Độ phân giải
không gian (m)
30
30
30
30
30

Lưu trữ
(bit)
16
16
16
16
16


14

Kênh

Bước sóng
(µm)

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

Tên gọi phổ

Độ phân giải
không gian (m)

Lưu trữ
(bit)

30

16

30

16

15
30

16
16

100

16

100

16

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

(Nguồn: ASM và USGS)
Hiện nay, dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 đang được ứng dụng trong rất

nhiều lĩnh vực như quản lý năng lượng và nước, điều tra và giám sát tài nguyên
đất, tài nguyên nước, khí hậu và môi trường; theo dõi rừng, khắc phục thảm
họa; ứng dụng nhiều trong lĩnh vực quy hoạch đô thị, tìm kiếm nước ngầm,
theo dõi biến động của môi trường…
Bảng 1.4. Ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat 8
Kênh

Bước sóng

phổ

(µm)

Kênh 1

Kênh 2

Kênh 3

Kênh 4

0,433 – 0,453

Ứng dụng
Dùng để quan sát nước nông và theo dõi các hạt

(Coastal aerosol) mịn (như bụi, khói), đại dương và thực vật.
0,450 - 0,515

Được dùng để thành lập bản đồ địa hình, bản đồ

(Xanh lam)

đất và phân biệt địa hình theo mùa.

0,525 - 0,6

Dùng để phản ánh trạng thái thực vật, thành lập

(Xanh lục)

bản đồ quản lý thực vật.

0,63 – 0,68

Dùng để phân biệt giữa thực vật và đất, độ dốc

(Đỏ)

thảm thực vật.