Nghiên cứu xác định đặc điểm nhiệt độ bề mặt lớp phủ huyện cao phong, tỉnh hòa bình năm 2016 bằng phương pháp viễn thám nhiệt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------------------

Nguyễn Hoàng Hiệp

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐẶC ĐIỂM NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT
LỚP PHỦ HUYỆN CAO PHONG, TỈNH HÒA BÌNH NĂM
2016 BẰNG PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM NHIỆT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------------------

Nguyễn Hoàng Hiệp

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐẶC ĐIỂM NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT
LỚP PHỦ HUYỆN CAO PHONG, TỈNH HÒA BÌNH NĂM
2016 BẰNG PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM NHIỆT
Chuyên ngành: Bản đồ - Viễn thám - GIS
Mã số: 60440214

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Ngọc Thạch

Hà Nội - 2018


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn này, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất
tới các thầy cô trong khoa Địa lý, trường đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN và đặc
biệt là các thầy cô trong bộ môn Bản đồ - Viễn thám. Các thầy cô không chỉ trang bị
cho em những kiến thức chuyên ngành quý báu mà còn tạo mọi điều kiện tốt nhất cho
chúng em được rèn luyện trong suốt thời gian học tập tại trường.

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc nhất tới
PSG.TS. Nguyễn Ngọc Thạch - người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, khích lệ,
động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập tại khoa Địa lý. Em xin cảm
ơn đề tài cấp Nhà nước thuộc Chương trình Khoa học công nghệ trọng điểm
“Nghiên cứu xây dựng mô hình và hệ thống dự báo thời tiết tiểu vùng và cảnh báo
nguy cơ lũ quét, cháy rừng và sâu bệnh nông nghiệp cấp huyện vùng Tây Bắc”, mã
số: KHCN-TB.13C/13-18 do PGS.TS. Nguyễn Ngọc Thạch làm chủ nhiệm đã định
hướng nghiên cứu và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành luận văn này.
Em cũng xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã
luôn đồng hành cùng em trong suốt quãng đời sinh viên đã luôn giúp đỡ em vượt
qua những khó khăn và hoàn thành luận văn.
Học viên

Nguyễn Hoàng Hiệp

i


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1

1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................1
2. Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu.........................................................................3
3. Cơ sở dữ liệu và phạm vi nghiên cứu....................................................................4
4. Ý nghĩa của đề tài..................................................................................................4
5. Cấu trúc luận văn..................................................................................................5
Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...............6
1.1. Viễn thám hồng ngoại nhiệt: cơ sở khoa học và ứng dụng.................................6
1.1.1. Nguyên lý bức xạ nhiệt của vật chất.......................................................6
1.1.2. Các ảnh hưởng của khí quyển tới việc quét tạo ảnh hồng ngoại...........10
1.1.3. Đặc điểm ảnh hồng ngoại nhiệt............................................................ 12
1.1.4. Phân tích ảnh quét nhiệt....................................................................... 15
1.1.5. Đặc điểm một số tư liệu viễn thám nhiệt hiện nay................................. 16
1.1.6. Ứng dụng của viễn thám hồng ngoại nhiệt...........................................18
1.2. Nhiệt độ bề mặt đất (Land surface temperture - LST)...................................... 22
1.3. Đảo nhiệt.......................................................................................................... 24
1.4. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................. 24
1.4.1. Phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt có tính độ phát xạ
từ phương pháp NDVI............................................................................................. 26
1.4.2. Phương pháp chuẩn hóa độ phát xạ NOR
(Emissivity Normalization Method)......................................................................... 30
Chƣơng 2: CÁC ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ HỘI
ẢNH HƢỞNG TỚI ĐẶC TÍNH NHIỆT CỦA HUYỆN CAO PHONG..........32
2.1. Đặc điểm tự nhiên............................................................................................ 32
2.1.1. Vị trí địa lí............................................................................................... 32
2.1.2. Đặc điểm địa hình................................................................................... 33
2.1.3. Đặc điểm địa chất - địa mạo................................................................... 34
2.1.4. Đặc điểm thổ nhưỡng.............................................................................. 34
2.1.5. Đặc điểm khí hậu, thủy văn..................................................................... 36
2.2. Đặc điểm kinh tế xã hội.................................................................................... 40
2.2.1. Đặc điểm dân cư - dân tộc...................................................................... 40

2.2.2. Đặc điểm kinh tế - xã hội........................................................................ 41
ii


Chƣơng 3: XÁC ĐỊNH VÀ PHÂN TÍCH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT,
MỐI QUAN HỆ NHIỆT ĐỘ VỚI LỚP PHỦ HUYỆN CAO PHONG.............43
3.1. Đánh giá hai phương pháp nghiên cứu: Phương pháp chuẩn hóa độ phát xạ
NOR và Phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt có tính độ phát xạ từ phương pháp
NDVI...................................................................................................................... 43
3.1.1. Kết quả nghiên cứu phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt
có tính độ phát xạ từ phương pháp NDVI (PP1)..................................................... 45
3.1.2. Kết quả nghiên cứu phương pháp chuẩn hóa độ phát xạ NOR (PP2).....47
3.1.3. Đánh giá hai phương pháp trích lọc nhiệt độ bề mặt.............................. 47
3.2. Phân tích mối quan hệ nhiệt độ - lớp phủ......................................................... 49
3.3. Xác định các khu vực “đảo nhiệt” huyện Cao Phong....................................... 52
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................... 54
1. Kết luận............................................................................................................... 54
2. Kiến nghị............................................................................................................. 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 56
PHỤ LỤC............................................................................................................... 58

iii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Sự phát xạ của một số đối tượng tự nhiên điển hình trong dải
8-14μm [5]................................................................................................................8
Bảng 1.2. Các thông số về hệ số nhiệt của một số vật chất [5]...............................12
Bảng 1.3. Độ phân giải mặt đất tại tâm (Nadir) và độ rộng của đường quét
o

cho các độ cao khác nhau của một hệ quét đa phổ có góc 90 và trường nhìn
tổng là 2,5 mili radian IFOV [5].............................................................................. 12
Bảng 1.4. Một số tư liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt............................................. 16
Bảng 1.5. Giá trị ML , AL đối với ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT 8....................27
Bảng 1.6. Giá trị K1, K2 đối với ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT 8.....................27
Bảng 2.1. Thành phần các loại đất ở khu vực nghiên cứu....................................... 36

iv


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Đặc điểm phát xạ nhiệt của vật chất.........................................................7
Hình 1.2. Mô hình nhiệt của các vật chất có sự khác biệt lớn về nhiệt độ
của vật giữa ngày và đêm........................................................................................ 10
Hình 1.3. Sự thay đổi của các phần tử phân dải mặt đất theo vận tốc thẳng...........13
Hình 1.4. Biến dạng địa hình trên một ảnh chụp và một ảnh quét đa phổ...............14
Hình 1.5. Biến dạng của một ảnh quét gây ra bởi các yếu tố khác nhau.................14
Hình 1.6. Ảnh Landsat năm 2013........................................................................... 18
Hình 1.7. Ảnh Landsat năm 2015........................................................................... 18
Hình 1.8. Ảnh Landsat năm 2016........................................................................... 18
Hình 1.9. Sơ đồ quy trình tính giá trị nhiệt bề mặt của phương pháp có tính
độ phát xạ từ NDVI................................................................................................. 30
Hình 1.10. Sơ đồ quy trình tính giá trị nhiệt bề mặt bằng phương pháp chuẩn hóa
độ pháp xạ NOR...................................................................................................... 31
Hình 2.1. Khu vực nghiên cứu................................................................................32
Hình 2.2. Bình đồ ảnh khu vực nghiên cứu............................................................33
Hình 2.3. Mô hình số độ cao huyện Cao Phong.................................................................... 34
Hình 2.4. Biểu đồ thể hiện phần trăm diện tích thổ nhưỡng huyện Cao Phong........35
Hình 2.5. Bản đồ thổ nhưỡng huyện Cao Phong................................................................... 35

Hình 2.6. Bản đồ lượng mưa mùa đông và mùa hè.............................................................. 37
Hình 2.7. Bản đồ lượng mưa trung bình năm và nhiệt độ tối cao năm......................... 37
Hình 2.8. Bản đồ nhiệt độ tối cao và trung bình tháng 7.................................................... 37
Hình 2.9. Bản đồ nhiệt độ tối thấp và trung bình tháng 1.................................................. 38
Hình 2.10. Bản đồ nhiệt độ tối thấp và nhiệt độ trung bình năm.................................... 38
Hình 2.11. Nhiệt độ trung bình năm huyện Cao Phong...................................................... 39
Hình 2.12. Bản đồ tài nguyên nước mặt huyện Cao Phong.............................................. 40
Hình 3.1. Ảnh Landsat 8 ngày 10/02/2016 khu vực nghiên cứu, RGB: 4-3-2........44
Hình 3.2. Landsat 8 ngày 01/6/2016 khu vực nghiên cứu - kênh 10.......................44
Hình 3.3. Kết quả tính toán bức xạ (a: tháng 2, b: tháng 6)....................................45
Hình 3.4. Kết quả tính toán nhiệt độ sáng (BT)......................................................46
Hình 3.5. Kết quả tính toán NDVI.......................................................................... 46
Hình 3.6. Kết quả tính toán độ phát xạ...................................................................46
Hình 3.7. Kết quả tính toán nhiệt độ bề mặt theo PP1............................................ 46
Hình 3.8. Kết quả tính toán nhiệt độ bề mặt theo PP2............................................ 47
Hình 3.9. Phân mức nhiệt độ bề mặt từ kết quả PP1 (ảnh tháng 6).........................48
Hình 3.10. Phân mức nhiệt độ bề mặt từ kết quả PP2 (ảnh tháng 6).......................48
Hình 3.11. Nhiệt độ không khí ngày 01/6/2016 khu vực huyện Cao Phong...........48
Hình 3.12. Phân cấp nhiệt độ bề mặt...................................................................... 50
Hình 3.13. Lớp phủ bề mặt Cao Phong................................................................... 50
Hình 3.14. Biểu đồ mối quan hệ Nhiệt độ - lớp phủ............................................... 50
Hình 3.15. Khu vực nhiệt độ cao hai mùa (a - tháng 2, b - tháng 6).......................52
Hình 3.16. Đảo nhiệt khu vực huyện Cao Phong.................................................... 52
v


MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài

Nhiệt độ bề mặt đất (Land surface temperature - LST) có vai trò đặc biệt đối với

các quá trình vật lý xảy ra trong đất và khí quyển, là một trong những yếu tố quan trọng
tác động tới trực tiếp tới môi trường và đời sống dân cư. Nó là một biến quan trọng
trong nhiều tính toán ứng dụng phục vụ nhiều lĩnh vực nghiên cứu như khí hậu, thủy
văn, nông nghiệp, sinh địa hóa và các nghiên cứu biến động môi trường... [14]. Nhiệt
độ bề mặt đất được tính toán trên cơ sở sự phát xạ của các đối tượng bề mặt (đất đai,
lớp phủ thực vật, bề mặt của nhà cửa…) và có mối liên quan mật thiết với các quá trình
biến đổi của môi trường đất, đồng thời cũng phản ánh sự thay đổi của lớp phủ thực vật,
đóng vai trò quan trọng với các chỉ số cảnh báo hạn hán, ví dụ như 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). Mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và các yếu tố tự
nhiên sẽ góp phần tìm ra câu trả lời tốt nhất để cải thiện những vấn đề như nạn hạn hán,
sâu bệnh, cải thiện chất lượng môi trường, từ đó làm cơ sở khoa học cho công tác cảnh
báo hạn và quy hoạch sử dụng đất [9].v.v..

Để xác định nhiệt độ bề mặt của một khu vực rộng lớn cần các trạm quan
trắc khí tượng bố trí trên mặt đất với số lượng lớn và hoạt động trong một thời gian
dài và nó sẽ cung cấp thông tin chính xác bề mặt của khu vực đó, tuy nhiên với một
quốc gia còn khó khăn về điều kiện kinh tế như nước ta thì đó là điều không thể và
với tốc độ đô thị hóa hiện nay, bê tông hóa đang dần thay thế lớp phủ thực vật, dẫn
tới nhiệt độ bề mặt đất tăng lên, góp phần tác động không nhỏ tới hiện tượng nóng
lên toàn cầu, gây ra thiên tai lụt lội ảnh hưởng đến môi trường sống. Ứng dụng viễn
thám hồng ngoại nhiệt (viễn thám nhiệt) trong nghiên cứu ước tính nhiệt độ bề mặt
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. 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
1

điện từ 3- 14μm 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- 14μm. 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 nhiều nghiên cứu thường yêu cầu độ phân giải cao hơn, trong đó có
các ảnh vệ tinh thu nhận từ các bộ cảm biến như LANDSAT 8 TIRS có độ phân giải
kênh nhiệt 100m, 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 mặc 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.
Để đánh giá điều kiện nhiệt của mặt đất bằng dữ liệu vệ tinh, cần phải tìm
mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và lớp phủ. 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.
Môi trường nhiệt xung quanh các khu vực đô thị được đặc trưng bởi hiện
tượng “đảo nhiệt đô thị” (Urban heat island) làm ảnh hưởng đến nhu cầu năng
lượng, sức khoẻ và các điều kiện về môi trường. Các quan trắc mặt đất chỉ phản ảnh
điều kiện nhiệt của khu vực cục bộ xung quanh trạm đo. Thực tế, chúng ta không

thể thiết lập nhiều trạm quan trắc khí tượng với mật độ dày đặc. Dữ liệu viễn thám
có độ phân giải không gian cao hơn và phần phủ mặt đất lớn hơn, đồng thời cho
2


phép thu nhận thông tin bề mặt trái đất ngay cả những vùng con người không thể đi
đến được. Với ưu điểm trên, hiện nay nhánh viễn thám nhiệt (với các kênh có bước
sóng từ 8 - 14µm) đã được sử dụng cho các khu vực đô thị để theo dõi diễn biến
nhiệt độ và đánh giá hiện tượng “đảo nhiệt đô thị”.
Khu vực để thực hiện nghiên cứu là huyện Cao Phong, tỉnh Hòa Bình.
Huyện Cao Phong là một huyện miền núi, thuộc vùng Tây Bắc (Việt Nam). Phía
Đông giáp huyện Kim Bôi, phía Bắc giáp thành phố Hòa Bình, phía Tây Bắc giáp
huyện Đà Bắc (ranh giới là hồ Hòa Bình, trên sông Đà), phía Tây và Tây Nam giáp
huyện Tân Lạc, góc phía Đông Nam giáp huyện Lạc Sơn. Theo thống kê nhiều năm,
nhiệt độ huyện Cao Phong cao hơn một số vùng xung quanh. Huyện đang trên đà
phát triển mạnh về nhiều mặt kinh tế, xã hội, trong đó có các hoạt động về du lịch
và quá trình đô thị hóa đang diễn ra nhanh chóng trên khu vực.
Do nhu cầu nhà ở và phát triển đô thị, đất nông nghiệp, rừng và các ao hồ đã
chuyển thành đất ở, đường sá và các khu công nghiệp. Đất bề mặt càng bị bê tông hoá,
thảm thực vật càng bị biến mất nhiều. Chính điều đó đã khiến cho nhiệt độ bề mặt đô
thị tăng cao so với các vùng ngoại thành xung quanh. Xuất phát từ nhu cầu thực tế và
được sự đồng ý của Khoa Địa lý, Trường Đại học khoa học tự nhiên - Đại học quốc gia
Hà Nội, em tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu xác định đặc điểm nhiệt độ bề
mặt lớp phủ huyện Cao Phong, tỉnh Hòa Bình năm 2016 bằng phương pháp viễn thám
nhiệt”. Các nội dung sẽ trình bày kết quả nghiên cứu phương pháp xác định nhiệt độ bề
mặt (sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8) có tính đến yếu tố phát xạ trong hiệu chỉnh kết quả
tính toán, ứng dụng viễn thám nhiệt trong khảo sát nhiệt độ đô thị và tìm hiểu mối quan
hệ nhiệt độ bề mặt với các yếu tố tự nhiên.

2.

Nhiệm vụ và mục tiêu

nghiên cứu a, Mục tiêu
Xác định nhiệt độ bề mặt huyện Cao Phong, tỉnh Hòa Bình, phân tích mối quan
hệ nhiệt bề mặt với lớp phủ. Từ đó, đưa ra gợi ý và kiến nghị trong việc quy hoạch
không gian nhằm điều hòa nhiệt độ môi trường, phục vụ nhu cầu phát triển bền
vững của huyện.
3


b, Nhiệm vụ:
Để đạt được mục tiêu nói trên, các nhiệm vụ sau cần thực hiện
- Xác định sự phân bố nhiệt độ bề mặt bằng việc thử nghiệm một số phương
pháp tính toán: Phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt có tính độ phát xạ từ phương
pháp NDVI và Phương pháp chuẩn hóa độ phát xạ NOR (Emissivity Normalization
Method)
- Đánh giá độ chính xác của hai phương pháp trích lọc nhiệt độ bề mặt.
- Đánh giá hiện tượng “đảo nhiệt đô thị” tại khu vực nghiên cứu.
- Xác định mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt với lớp phủ.
3.

Cơ sở dữ liệu và phạm vi

nghiên cứu a, Cơ sở dữ liệu:
- Các bài báo, tài liệu liên quan tới vấn đề nghiên cứu về trích lọc giá trị
nhiệt độ bề mặt từ ảnh viễn thám và nghiên cứu mối quan hệ nhiệt độ bề mặt
với các yếu tố môi trường tự nhiên.
- Tài liệu về đặc điểm nhiệt độ khu vực nghiên cứu.
- Các bản đồ các yếu tố tự nhiên huyện Cao Phong: Bản đồ độ cao, Bản đồ

thổ nhưỡng, Bản đồ lớp phủ,…
- Ảnh Landsat 8 TIRS khu vực huyện Cao Phong, band Hồng ngoại nhiệt
band 10.
b, Phạm vi nghiên cứu:
Đề tài tập trung nghiên cứu trong phạm vi lãnh thổ huyện Cao Phong, tỉnh
Hòa Bình.
4.
-

Ý nghĩa của đề tài
Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho nghiên cứu nhiệt độ bề mặt và các

nghiên cứu khác ứng dụng giá trị nhiệt độ bề mặt của khu vực nghiên cứu.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài là tài liệu tham khảo, cơ sở đề xuất phục vụ
công tác quy hoạch không gian nhằm điều hòa nhiệt độ môi trường của khu vực
nghiên cứu.
4


5.

Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận văn gồm các chương sau:
Chƣơng 1: Cơ sở lí luận và phương pháp nghiên cứu
Chƣơng 2: Các điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội ảnh hưởng tới đặc tính nhiệt
của huyện Cao Phong
Chƣơng 3: Phân tích đặc điểm nhiệt độ bề mặt huyện Cao Phong, tỉnh Hòa Bình
và mối quan hệ với lớp phủ thực vật.

5


CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.1.

Viễn thám hồng ngoại nhiệt: cơ sở khoa học và ứng dụng

Phương pháp viễn thám hồng ngoại nhiệt là phương pháp ghi nhận các bức
xạ nhiệt ở dải sóng hồng ngoại nhiệt (từ 3 đến 14 µm). Vì bức xạ nhiệt có cường độ
yếu, lại bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển, nên để thu các tín hiệu nhiệt phải có thiết bị
quét nhiệt với độ nhạy cao. Dưới đây là một số cơ sở vật lý và các nguyên tắc tạo
ảnh hồng ngoại.
1.1.1. Nguyên lý bức xạ nhiệt của vật chất
Tính chất bức xạ nhiệt của các đối tượng tự nhiên dựa vào nuyên tắc bức xạ
của vật đen tuyệt đối.
a, Nhiệt độ Kinetic và sự bức xạ nhiệt
Nhiệt độ của vật chất đo được khi tiếp xúc hoặc đặt chì vào bên trong vật
chất được quan niệm là nhiệt độ bên trong của vật chất gọi là nhiệt độ Kinetic.
Nhiệt độ Kinetic là nhiệt độ bên trong của vật chất, thể hiện sự trao đổi năng lượng
của các phần tử cấu tạo nên vật chất. Sự bức xạ năng lượng của vật chất là một của
nhiệt độ Kinetic của chúng. Khi bức xạ vật chất có một nhiệt độ khác gọi là nhiệt độ
bên ngoài của vật chất. Viễn thám ghi nhận thông tin về nhiệt độ bên ngoài của vật
chất, cũng có nghĩa là ghi nhận thông tin về sự bức xạ của vật chất.
b, Sự bức xạ của vật đen tuyện đối
o

o

Khi nhiệt độ của một vật lớn hơn nhiệt độ 0 K (-237 C) thì nó sẽ phát ra một

bức xạ nhiệt. Cường độ bức xạ và tính chất phổ của bức xạ là một hàm của thành
phần vật chất tại thời điểm đó. Hình 1.1 minh họa cho sự phân bố phổ của năng
lượng bức xạ từ bề mặt của vật đen tuyệt đối tại các nhiệt độ khác nhau. Các đường
cong phân bố năng lượng có hình dạng giống nhau nhưng các tia của chúng có xu
hướng chuyển dịch về phía có bước sóng ngắn hơn khi nhiệt độ tăng cao (quy luật
chuyển dịch cực trị năng lượng bức xạ của Wiens).
Phân bố phổ của năng lượng bức xạ của vật đen tại các nhiệt độ khác nhau:
m
A

6

T


Trong đó:
m - bước sóng mà ở đó có bức xạ cực đại;
A - 2.898 m (hệ số);
T - Nhiệt độ Kinetic.

Toàn bộ năng lượng phát ra từ bề mặt của vật đen tuyệt đối ở một nhiệt độ
nào đó được xác định và tính bằng quy luật Stefan - bolfman:
4

M =∫M(),d , =  T
Trong đó:
2

M - tổng năng lượng phát xạ, w/ m ;
M  - năng lượng phổ phát xạ tại bức sóng ,;

-8

2

-4

 - hằng số stefan bolzmal = 5,6697 X 10 W/Cm /K ;
T - nhiệt độ của vật đen ( độ K )
d - diện tích phát xạ của vật đen

Hình 1.1. Đặc điểm phát xạ nhiệt của vật chất [5]
Theo phương trình, tổng lượng nhiệt phát ra từ bề mặt vật đen thì khác nhau
theo tỷ lệ lũy thừa 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 M theo các dải
bước sóng khác nhau, tuy nhiên sự bức xạ nhiệt chỉ bắt đầu từ dải hồng ngoại nhiệt.
7


c, Sự phát xạ nhiệt từ các vật chất thực
Với các 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 lương rơi
vào nó. Khả năng phát xạ nhiệt gọi là độ phát xạ nhiệt ( ).
= Năng lượng phát ra của vật tại một nhiệt độ nào đó/ Năng lượng phát ra
của một vật đen tại cùng một nhiệt độ đó.
có giá trị từ 0 đến 1: giá trị khác nhau tùy thuộc vào thành phần vật chất,
ở các 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.
Một vât gọi là vật xám thì có độ phát xạ nhỏ hơn 1 nhưng sự phát xạ là đều ở
một bước sóng tương tự như của vật đen tuyệt đối. Một vật có sự phát xạ khác nhau
ở

các dải sóng khác nhau thì gọi là vật phát xạ lực chọn.
Dải sóng từ 8-14μm có đặc điểm ngoài việc thể hiện sự phát xạ bề mặt của

khí quyển còn thể hiện sự phát xạ của các đối tượng ở trê bề mặt trái đất với nhiệt
độ trung bình khoảng 300K, ở đó cực đại của nhiệt độ ở 9,7μm. Vì lí do đó, hầu hết
các thiết bị viễn thám đều hoạt động ở dải sóng 8-14μm cà ở dải sóng đó, các đối
tượng tự nhiên trên bề mặt trái đất có sự phát xạ nhiệt rất khác nhau (bảng 1.1). Sự
khác biệt đó liên quan đến thành phần vật chất và trạng thái cấu trúc của đối tượng.
Bảng 1.1. Sự phát xạ của một số đối tượng tự nhiên điển hình
trong dải 8-14μm [5]
Vật chất
Nước sạch
Tuyết sương
Da người
Băng khô
Thực vật khỏe
Đất ướt
Bê tông nhựa
8


Mô hình nhiệt của các vật chất là thể hiện quán tính - hay sự biến đổi nhiệt
của vật chất trong một ngày đêm:
4

F = [Io (1 - A) COS Z ] - [  Tkim ]
4

= -  Tkim

Trong đó:
F - Chùm tia bức xạ mặt trời
I0 - Hằng số mặt trời, là số đo bức xạ từ mặt trời
A - Anbedo của bề mặt
Z - Góc nghiên của mặt trời


- hằng số Stefan - Bolstman (5,67. 10

-12

-2

-4

W.cm .K )

Vào ban ngày ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp làm nóng các đối tượng trên
nguyên tắc hấp thụ nhiệt ở cả dải hồng ngoại, vùng nhìn thấy và hồng ngoại phản
xạ, gần hống ngoại. Sự phản xạ lại ảnh sáng mặt trời thường ở dải sóng 3- 5μm.
Nếu dùng phim hồng ngoại ở dải sóng 8 -14μm, vào ban ngày sẽ xuất hiện các
“bóng”. Thông thường, vào ban ngày, vùng bị chiếu ánh nắng mặt trời sẽ nóng hơn.
Đối với các vật thể phát nhiệt thì tín hiệu nhiệt cao thấp phụ thuộc vào nhiệt độ của
chúng. Trên ảnh hồng ngoại, độ sáng của ảnh (Brightness) sẽ thể hiện nhiệt độ của
đối tượng. Vùng nóng nhiệt độ sẽ có màu sáng đến trắng, vùng lạnh sẽ có màu đen,
xám. Mức độ xám sẽ thể hiện thang nhiệt độ của ảnh của khu vực.
Quán tính nhiệt: là khả năng phẩn ứng của một vật chất đối với sự thay đổi
về nhiệt. Thông thường các vật chất có quán tính nhiệt cao thì có sự ổn định về
nhiệt trong một ngày đêm hơn so với các vật chất có quán tính nhiệt nhỏ.
9

Nhiệt độ
bức xạ

Nước lặng sóng
Đầm lầy
T

Giờ trong

48121620 ngày
Hình 1.2. Mô hình nhiệt của các vật chất có sự khác biệt lớn về
nhiệt độ của vật giữa ngày và đêm [5]
Trên ảnh hồng ngoại nhiệt ban ngày và ban đêm, có thể tính được quán tính
nhiệt

- sự chênh lệch giữa nhiệt độ cao nhất và thấp nhất của vật xuất hiện trong

một chu kỳ của mặt trời trong một ngày (giữa trưa và nửa đêm).
1.1.2. Các ảnh hưởng của khí quyển tới việc quét tạo ảnh hồng ngoại
Khí quyển có ảnh hưởng nhiều đến quá trình thu nhận tín hiệu bức xạ nhiệt.
Trong việc chế tạo thiết bị thu, các cửa sổ khi quyên được lựa chọn sao cho ảnh
hưởng từ khí quyển là thấp nhất. Mặt khác đối với mỗi cửa sổ được lựa chọn thì ảnh
hưởng của khí quyển cũng được tăng lên hay giảm xuống tùy theo mức độ phát xạ
của từng đối tượng trên bề mặt. Như vậy, các tín hiệu nhiệt thu được phụ thuộc vào
ảnh hưởng mạnh hay yếu của khí quyển, cụ thể là tỉ lệ giữa các thành phần: hấp thụ
và truyền qua.
Do ảnh hưởng của các thành phần nhỏ bé trong khí quyển mà nó có thể hấp
thụ bớt một phần tín hiệu truyền từ đối tượng trên mặt đất, trước khi các tín hiệu đó

đến được thiết bị thu. Ngược lại, chúng cũng có thể phát ra tín hiệu bức xạ về nhiệt
của chính các vật chất đó rồi bổ sung vào các tín hiệu khi truyền tới thiết bị thu
nhận. Do đó, trong thực tế do ảnh hưởng của khí quyển mà nhiều đối tượng lại được


10


thể hiện có nhiệt độ lạnh hơn hoặc ấm hơn so với nhiệt độ thực của chúng và ảnh
hưởng đó làm sai lệch thông tin ra. Thông thường, mức độ ảnh hưởng phụ thuộc
vào dải quét, khoảng cách giữa thiết bị tới đối tượng. Tất nhiên là điền kiện khí
tượng có ảnh hưởng tới dạng và biên độ của những ảnh hưởng nhiệt do khí quuyển.
Mây và sương mù là yếu tố làm che khuất những bức xạ nhiệt của mặt đất. Nếu trời
trong, đới sol khí sẽ tạo nên những ảnh hưởng tới tín hiệu nhiệt. Bụi, các nguyên tử
cacbon, khói, hơi nước cũng là những nhân tố ảnh hưởng tới tín hiệu nhiệt độ được.
Vì vậy, ảnh hưởng của khí quyển là rất đa dạng, tùy thuộc vào độ cao, thời gian và
điều kiện thời tiết của khu vực. Tuy nhiên, những ảnh hưởng của khí quyển thường
không được để ý tới. Trong ký thuật xử lí ảnh có nhiều phương pháp xử lí loại bảo
các nhiễu khi quyển.
Sự phát xạ nhiệt của một đối tượng tuân theo quy luật Stefan -Boltzmal:
M= ЄбT

4

trong đó:
2

M - năng lượng nhiệt phát xạ tại nhiệt độ T (w/m );
Є

- hệ số phát xạ nhiệt của vật chất;
-8

2.

Б - hằng số boltzman 5,6697 X 10 w.m K
-4

; T - nhiệt độ (k).

Do đó, mặc dù bề mặt trái đất có nhiệt độ tương đối giống nhau (khoảng
300K) song sự phát xạ nhiệt lại rất khác nhau do các vật chất có hệ số phát xạ nhiệt
khác nhau.
Có thể biến đổi thành công thức:
Tad= Є

¼

T kin

trong đó :
T Rad - nhiệt độ phát xạ của vật chất;
T - nhiệt độ Kinetic (nhiệt độ bên trong);
Є

- hệ số phát xạ nhiệt của vật chất.
Vì TRad tỉ lệ với căn bậc 4 của TKin nên nhiệt độ phát xạ của vật chất

luôn nhỏ hơn nhiệt độ bên trong của vật chất (nhiệt độ Kinetic) xem bảng 1.2.
11

Bảng 1.2. Các thông số về hệ số nhiệt của một số vật chất [5]
Đối tượng

Vật đen
Thực vật
Đất ướt
Đất khô
1.1.3. Đặc điểm ảnh hồng ngoại nhiệt


Phân giải không gian và diện phủ mặt đất

Thông thường, ảnh quét đa phổ ngang được ghi nhận trên cao độ từ 300 12000m. Bảng 1.3 liệt kê độ phân giải không gian và diện phủ trên các độ cao khác
o

nhau khi sử dụng hệ quét có giá trị trường nhìn 90 và góc IFOV là 2,5 mili radian.
Bảng 1.3. Độ phân giải mặt đất tại tâm (Nadir) và độ rộng của đường quét cho các
o

độ cao khác nhau của một hệ quét đa phổ có góc 90 và trường nhìn tổng là 2,5
mili radian IFOV [5]
Độ cao
Thấp
Trung bình
Cao
Độ phân giải không gian D được tính theo công thức:
D=H’
Độ rộng của đường quét W được tính theo công thức:

W = 2H’ tan
Trong đó:
H’ là cao độ bay;
là nửa giá trị của góc trường nhìn của hệ quét.


12


Rất nhiều biến dạng hình học của quét đa phổ ngang gây ra và có thể giảm
thiểu khi ta phân tích vùng gần tâm của điểm quét. Nhiều biến dạng hình học có thể
loại bỏ được bằng phương pháp toán học. Tuy nhiên, hiệu ứng biến dạng gây khó
khăn cho việc giải quyết chọn việc hiện tượng này.


Biến dạng tiếp tuyến - tỷ lệ

Ảnh ghi nhận bởi hệ quét đa phổ chưa được nắn sẽ bị biến dạng hình học,
đặc biệt trên đường vuông góc với hướng bay.

Hình 1.3. Sự thay đổi của các phần tử phân dải mặt đất theo vận tốc thẳng [5]
Trên hình 1.3 ta thấy rõ rằng cứ sau một khoảng thời gian, gương quay sẽ
quét đi một góc không đổi

vì vận tốc góc của gương quay là không đổi. Hiện

tượng này gọi là biến đổi hình học ảnh kiểu tỉ lệ tiếp tuyến. Tỷ lệ ảnh sẽ thay đổi chỉ
theo phương vuông góc với hướng bay và không thay đổi theo hướng bay.


Thay đổi kích thước của pixel phân giải

Trong quét ngang, kích thước của của điểm ảnh sẽ tăng dần khi xa đường
tâm ảnh nadir. Tại tâm nadir, độ phân giải mặt đất của đơn vị ảnh được tính bằng
kích thước thật của pixel ảnh, như vậy là, phụ thuộc vào góc , độ cao H’ vào góc
quay . Thông thường, độ phân giải ở rìa ảnh sẽ lớn gấp 3 đến 4 lần độ phân giải
của điểm ảnh tại đường tâm. Tín hiệu đầu ra của máy tại bất kì điểm nào thể hiện
phhỏ tổng hợp của tất cả các đối tượng không gian trong phạm vi pixel ảnh mặt đất.
Bởi lẽ, kích thước của điểm ảnh sẽ tăng dần theo hướng từ nidar ra rìa ảnh, chỉ có
đối tượng không gian lớn hơn diện tích nhìn thấy bởi IFOV được ghi nhận chính
xác. Đối với một vật được ghi nhận vứi một nhiệt độ sáng, thì kích thước của vật đó
phải lớn hơn độ phân giải mặt đất.
13


Hình 1.4. Biến dạng địa hình trên một ảnh chụp và một ảnh quét đa phổ [5]
a

- trên một ảnh máy bay chụp chim, các

đối tượng không gian biến dạng khi đi xa tâm
ảnh;
b

- trên ảnh quét đa phổ ngang, các đối tượng

không gian biến dạng theo một góc vuông góc với
đường tâm


Biến dạng địa hình theo một chiều

Hình 1.5 minh họa biến dạng địa hình do quét phổ gây ra. Biến dạng địa hình
chỉ ra theo một hướng. Biến dạng này là do khi đo phổ từ máy bay và có tính chất
đều theo một hướng nghiêng.

Hình 1.5. Biến dạng của một ảnh quét gây ra bởi các yếu tố khác nhau [5]
a

- cảnh trên mặt đất, b - ảnh quét, c - biến

dạng do quay, d - biến dạng do đẩy, e - biến dạng
do chao


Biến dạng thông số bay


Trên thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự biến dạng các thông số
bay, kết quả là hình ảnh bị méo và lệch theo nhiều hình thức khác nhau.
14


Tóm lại, ảnh nhiệt có các đặc điểm chính như sau:
- Rất hay bị méo do ảnh hưởng của yếu tố môi trường như: gió, mưa, mây,
thực vật…
- Rất khác nhau giữa ảnh ban ngày và ban đêm phụ thuộc vào mô hình nhiệt
của các vật chất khác nhau.
1.1.4. Phân tích ảnh quét nhiệt
Một trong những yêu cầu của nghiên cứu ảnh nhiệt là cần phải có ảnh chụp

trong nhiều thời gian, cả ngày lẫn đêm, đặc biệt là cần có ảnh vào thời điểm mà nêu
được tối đa đặc điểm nhiệt của đối tượng. Tốt nhất là có ảnh trong suốt 24 giờ của 1
ngày.
Đặc điểm phát nhiệt của một số vật chất qua một ngày đêm như sau: khi mặt
trời lặn, nhiệt độ của vật chất đều giảm đi đến cực tiểu. Sau khi mặt trời mọc, nhiệt
độ lại tăng lên đến cực trị vào khoảng từ 12h đến 16 giờ. Cực tiểu nhiệt độ xuất hiện
trong khoảng từ 3 - 5 giờ sáng.
Thông qua tư liệu viễn thám, có thể xác định nhiệt độ thực ở bên ngoài của
vật chất dựa theo công thức sau:
DN = A + B x Є x T

4

Từ đó suy ra T là nhiệt độ thực của bề mặt vật chất:

Trong đó:
DN - giá trị số của ảnh viễn thám
A; B - Các giá trị hiệu chỉnh bức xạ của đối tượng so với vật đen tuyệt đối
Є

- Hệ số phát xạ nhiệt của vật

Như vậy các giá trị nhiệt độ xác định được trên tư liệu viễn thám thường là
nhiệt độ chói ( Brightness temperture), muốn xác định nhiệt độ thật của vật chất ta
phải tình toán thêm các thông số hiệu chỉnh liên quan đến môi trường của từng vị trí
cụ thể. Các thông số về nhiệt độ như: nhiệt độ đỉnh mây, nhiệt độ mặt đất, nhiệt độ
bề mặt nước biển… có thể xác định được thông qua phân tích tư liệu viễn thám
nhiệt.
15