Nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ không khí thành phố hà nội do ảnh hưởng của quá trình đô thị hóa với sự trợ giúp của viễn thám và GIS

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

--------------------------

Nguyễn Ngọc Quỳnh

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ KHƠNG KHÍ
THÀNH PHỐ HÀ NỘI DO ẢNH HƢỞNG CỦA Q
TRÌNH ĐƠ THỊ HĨA VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA
VIỄN THÁM VÀ GIS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

--------------------------

Nguyễn Ngọc Quỳnh

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ KHƠNG KHÍ
THÀNH PHỐ HÀ NỘI DO ẢNH HƢỞNG CỦA Q
TRÌNH ĐƠ THỊ HĨA VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA
VIỄN THÁM VÀ GIS

Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên môi trƣờng
Mã số: 60 85 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2018


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đƣợc luận văn này, em xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành
nhất tới các thầy cô trong khoa Địa lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên,
ĐHQGHN. Các thầy cô không chỉ trang bị cho em những kiến thức chuyên
ngành Quản lý tài nguyên mơi trƣờng q báu mà cịn tạo mọi điều kiện và chỉ
bảo tận tình giúp em hồn thành luận văn này.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS
Nguyễn Ngọc Thạch – ngƣời thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn, động viên và khuyến
khích em trong thời gian học cao học tại khoa Địa lý và hoàn thành luận văn.
Cảm ơn sự động viên của thầy cơ, ủng hộ của gia đình và bạn bè trong Khoa
đã giúp đỡ em trong học tập và thực hiện báo cáo này
Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Học viên

Nguyễn Ngọc Quỳnh

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các thơng tin, tài
liệu trích dẫn trong luận văn đƣợc ghi rõ nguồn gốc. Kết quả trong luận văn là trung
thực và chƣa đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào trƣớc đây.

Hà Nội, tháng
năm 2018
Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Quỳnh


MỤC LỤC
DANH MỤC VIẾT TẮT ............................................................................................3
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................4
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................7
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN, CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ
KHƠNG KHÍ VÀ Q TRÌNH ĐƠ THỊ HĨA ......................................................13

1.1. Tổng quan nghiên cứu nhiệt độ khơng khí và q trình đơ thị hóa ......... 13
1.1.1.Tổng quan nghiên cứu nhiệt độ khơng khí ............................................ 13
1.1.2. Tổng quan nghiên cứu đơ thị hóa.......................................................... 24
1.2. Cơ sở lý luận về nhiệt độ khơng khí và q trình đơ thị hóa ................... 35
1.2.1 Đảo nhiệt đô thị và các yếu tố ảnh hƣởng............................................. 35
1.2.2. Vai trị của các yếu tố đơ thị hóa trong hiệu ứng đảo nhiệt đô thị ....... 41
CHƢƠNG 2. KHÁI QUÁT KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU ..........................................................................................................44

2.1. Khái quát về khu vực nghiên cứu ............................................................ 44
2.1.1. Điều kiện tự nhiên ................................................................................. 44
2.1.2. Điều kiện kinh tế - xã hội ...................................................................... 47
2.1.3. Tình hình phát triển đơ thị thành phố Hà Nội cũ .................................. 48
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................... 50
2.2.1. Phƣơng pháp thu thập số liệu ................................................................ 50
2.2.2. Phƣơng pháp khảo sát điều tra thực địa ................................................ 51
2.2.3. Phƣơng pháp xử lý ảnh viễn thám....................................................... 51
2.2.4. Phƣơng pháp phân tích hồi quy ............................................................ 59
2.2.5. Phƣơng pháp tính chỉ số cƣờng độ đảo nhiệt đơ thị (UHI Index) ........ 60
2.3. Sơ đồ các bƣớc nghiên cứu ................................................................................61
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................................62

3.1. Bản đồ nhiệt độ bề mặt, bản đồ lớp phủ mặt đất thành phố Hà Nội ........ 62
3.1.1. Xây dựng bản đồ nhiệt độ bề mặt thành phố Hà Nội............................ 62
3.1.2. Xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất thành phố Hà Nội ........................... 70
3.2. Biến động đô thị thành phố Hà Nội trong q trình đơ thị hóa giai đoạn
2003 - 2017...................................................................................................... 77
3.2.1. Biến động hiện trạng lớp phủ mặt đất giai đoạn năm 2003 và 2009 .... 78
1


3.2.2.Biến động hiện trạng lớp phủ mặt đất giai đoạn năm 2009 và 2017 ..... 81
3.2.3. Biến động hiện trạng lớp phủ mặt đất giai đoạn năm 2003 và 2017 .... 83
3.2.4. Biến động đơ thị về diện tích ................................................................ 84
3.3. Phân tích sự thay đổi nhiệt độ với biến động hiện trạng lớp phủ mặt đất 85
3.3.1. Thành lập bản đồ đảo nhiệt đô thị thành phố Hà Nội cũ ...................... 85
3.3.2. Mối quan hệ giữa đơ thị hóa và hiệu ứng đảo nhiệt .............................. 89
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................92
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................95

PHỤ LỤC ..................................................................................................................98

2


DANH MỤC VIẾT TẮT
STT

Viết tắt

Giải thích

1

EPA

Cơ quan bảo vệ mơi trƣờng Hoa Kỳ

2

ERTS

Kỹ thuật vệ tinh thăm dò Trái Đất

3

GRDP

Tổng sản phẩm địa phƣơng

4

LST

Nhiệt độ bề mặt

5

UHI

Đảo nhiệt đô thị

6

SRI

Chỉ số phản chiếu của vật liệu

7

LPMĐ

Lớp phủ mặt đất

3


DANH MỤC HÌNH

Hình 1. 1. Phân bố phổ năng lượng điện từ phát xạ từ vật đen ở nhiệt độ khác

nhau ..................................................................................................................... 20
Hình 1. 2. Đảo nhiệt đơ thị tại các thành phố ở Nhật Bản ................................. 36
Hình 1. 3. Biểu đồ nhiệt độ ở các khu vực đô thị ................................................ 37
Hình 1. 4. Các loại hình đảo nhiệt đơ thị ............................................................ 40
Hình 2. 1. Vị trí khu vực nghiên cứu ................................................................... 44
Hình 2. 2. Sơ đồ phân loại ảnh dựa trên đối tượng ảnh ..................................... 57
Hình 2. 3. Sơ đồ các bước thực hiện trong luận văn .......................................... 61
Hình 3. 1. Kết quả ảnh nhiệt độ bề mặt thành phố Hà Nội …………………….63
Hình 3. 2. Bản đồ nhiệt độ thành phố Hà Nội cũ năm 2003 ............................... 65
Hình 3. 3. Bản đồ nhiệt độ thành phố Hà Nội cũ năm 2009 ............................... 66
Hình 3. 4. Bản đồ nhiệt độ thành phố Hà Nội cũ năm 2017 ............................... 67
Hình 3. 5. Sơ đồ vị trí các điểm đo nhiệt độ tại Hà Nội ngày 5/6/2017 ............. 68
Hình 3. 6. Biểu đồ quan hệ giữa LST_Đo đạc – LST_Trên ảnh Landsat 8 ........ 70
Hình 3. 7. (a)- phân mảnh ảnh Landsat-8 (4/6/2017); (b)- phân mảnh ảnh
Landsat-5 (5/11/2009); (c)- phân mảnh ảnh Landsat-7 (5/5/2003) ................... 71
Hình 3. 8. Kết quả phân loại lớp phủ mặt đất khu vực thành phố Hà Nội ......... 74
Hình 3. 9. Sơ đồ các bước phân tích biến động LPMĐ giai đoạn 2003-2017 ... 78
Hình 3. 10. Biểu đồ thể hiện diện tích các loại lớp phủ năm 2003 và 2009 ....... 78
Hình 3. 11. Bản đồ lớp phủ mặt đất thành phố Hà Nội cũ ngày 5/5/2003 ......... 79
Hình 3. 12. Bản đồ lớp phủ mặt đất thành phố Hà Nội cũ ngày 5/11/2009 ....... 80
Hình 3. 13. Biểu đồ thể hiện diện tích các loại lớp phủ năm 2009 và 2017 ....... 81
Hình 3. 14. Bản đồ lớp phủ mặt đất thành phố Hà Nội cũ ngày 4/06/2017 ....... 82
Hình 3. 15. Biểu đồ thể hiện diện tích các loại lớp phủ năm 2003 và 2017 ....... 83
Hình 3. 16. Biểu đồ tăng trưởng diện tích khơng gian đơ thị giai đoạn 20032017 ..................................................................................................................... 84
Hình 3. 17. Bản đồ đảo nhiệt đô thị thành phố Hà Nội ngày 5/5/2003 .............. 86
4


Hình 3. 18. Bản đồ đảo nhiệt đơ thị thành phố Hà Nội ngày 5/11/2009 ............ 87
Hình 3. 19. Bản đồ đảo nhiệt đô thị thành phố Hà Nội ngày 4/6/2017 .............. 88

Hình 3. 20. Biểu đồ LST trung bình các LPMĐ năm 5/5/2003 .......................... 89
Hình 3. 21. Biểu đồ LST trung bình các LPMĐ năm 5/11/2009 ........................ 90
Hình 3. 22. Biểu đồ LST trung bình các LPMĐ năm 4/6/2017 .......................... 90

5


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1: Dải phổ của các cảm biến trên Landsat ......................................................15
Bảng 1. 2. Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám ................17
Bảng 1. 3. Bảng so sánh giữa hai dạng hiện tượng đảo nhiệt ......................................38
Bảng 2. 1. Bảng thu thập dữ liệu ảnh viễn thám ...........................................................50
Bảng 2. 2. Giá trị ML và AL đối với ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat 8 ...........................54
Bảng 2. 3. Giá trị K1 và K2 đối với ảnh hồng nhiệt Landsat .........................................54
Bảng 3. 1. Hệ thống chú giải thành phố Hà Nội ..........................................................72
Bảng 3. 2. Kết quả ma trận sai lẫn năm 2003 ...............................................................75
Bảng 3. 3. Kết quả ma trận sai lẫn năm 2009 ...............................................................76
Bảng 3. 4. Kết quả ma trận sai lẫn năm 2017 ...............................................................76
Bảng 3. 5. Ma trận biến động sử dụng đất năm 2003 và 2009 .....................................81
Bảng 3. 6. Ma trận biến động sử dụng đất năm 2009 và 2017 .....................................83
Bảng 3. 7. Ma trận biến động sử dụng đất năm 2003 và 2017 .....................................84

6


MỞ ĐẦU
1.TÍNH CẤP THIẾT ĐỀ TÀI
Q trình cơng nghiệp hóa – hiện đại hóa tồn cầu đang diễn ra rất mạnh mẽ, bên
cạnh đó là sự phát triển vƣợt bậc của các cơng trình xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu
về nơi ở, nơi làm việc, hoạt động giải trí, điều kiện giao thông vận tải,... Các thành phố

lớn thuộc các quốc gia là nơi có sự phát triển kinh tế - xã hội cao nhất, là nơi có cơ hội
tìm kiếm việc làm, thuận lợi cho điều kiện sống, mọi tiện ích đều tập trung tại nơi đây;
bởi vậy sự gia tăng dân số tại thành phố tăng cao và dẫn tới sự phát triển các cơng
trình xây dựng phục vụ cho nhu cầu sử dụng cũng ngày càng dày đặc hơn. Chính các
cơng trình nhà ở, trung tâm thƣơng mại, khu cơng nghiệp, cơng trình giao thơng tại
thành phố đã khiến cho quỹ đất tự nhiên đang dần thu hẹp lại, diện tích bề mặt khơng
thấm nƣớc tăng lên. Bên cạnh đó mơi trƣờng khơng khí ở các trung tâm, thành phố lớn
cũng suy giảm nghiêm trọng: ô nhiễm, nhiệt độ tăng cao, thời tiết oi bức...Nguyên
nhân dẫn đến hiện trạng mơi trƣờng khơng khí suy giảm, ngồi hiện tƣợng El Nino,
hiện tƣợng biến đổi khí hậu, phần lớn tại các thành phố cịn có sự gia tăng nhiệt đến từ
hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị - Urban Heat Island (UHI).
Trên thế giới, hiện tƣợng Đảo nhiệt đô thị đã và đang xảy ra mạnh mẽ ở nhiều
thành phố lớn trên thế giới nhƣ Tokyo, London, Los Angeles, Washington,… Và cũng
đã có nhiều cơng trình nghiên cứu hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị cũng nhƣ mối tƣơng
quan giữa đảo nhiệt đô thị (UHI) và bề mặt không thấm nƣớc, nhằm tìm ra nhiều giải
pháp khắc phục vấn đề này, đặc biệt trong lĩnh vực thiết kế đô thị và quy hoạch đô thị.
Ở Việt Nam, trong những năm vừa qua, tại khu vực thành phố Hà Nội cũng nhƣ cả
khu vực Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ xảy ra đợt nắng nóng kéo dài, cao nhất trong hơn 40
năm qua (từ năm 1971 trở lại đây). Nguyên nhân của nắng nóng ở Hà Nội, đầu tiên
cần nói tới là bức xạ mặt trời, đặc biệt là trực xạ của mặt trời ở nƣớc ta có cƣờng độ rất
cao. Theo dữ liệu thời tiết của Hà nội từ năm 1996 – 2005 [nguồn: dữ liệu thời tiết của
phần mềm Trace 700 theo dữ liệu của Tổ chức Khí tƣợng thế giới] cho thấy cƣờng độ
bức xạ trực xạ trung bình của mặt trời từ 10h đến 14h có những ngày trong tháng 5 có
thể đạt từ 800W/m2 đến hơn 900W/m2 (cƣờng độ bức xạ mặt trời ở ngoài vùng khí
quyển là 1350W/m2). Nguyên nhân thứ hai là do sự hoạt động của áp thấp nóng phía
Tây, có nguồn gốc từ vùng trung tâm ở khu vực Ấn Độ và Myanmar, cộng thêm với

7

gió mùa nhiệt đới biển Bắc Ấn Độ Dƣơng vƣợt qua Trƣờng Sơn thổi vào đồng bằng
Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ Việt Nam gây ra “hiệu ứng Phơn” làm cho khơng khí trở nên
nóng và khơ. Ngun nhân thứ ba là hiện tƣợng El Nino đang diễn ra khiến nhiệt độ
mặt nƣớc biển ở Thái Bình Dƣơng ấm lên, gây ra thời tiết nóng nực, khơ hạn khắp
châu Á. Ba nguyên nhân này mang tính lãnh thổ rộng lớn, có tính khách quan khơng
thể tránh đƣợc.
Ngồi các ngun nhân kể trên cịn có ngun nhân thứ tƣ gây nên nắng nóng kỷ
lục ở Hà Nội trong thời gian qua, ngun nhân có tính cục bộ, thƣờng xảy ra trong một
đơ thị, đó là hiện tƣợng đảo nhiệt đơ thị. Hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị xảy ra rất nghiêm
trọng ở khí hậu nhiệt đới, khi mà các bề mặt xây dựng không đƣợc che nắng và không
gian xanh không thể ngăn chặn ánh nắng mặt trời trực tiếp, cũng nhƣ hấp thụ bớt
lƣợng nhiệt phát sinh từ các hoạt động của đơ thị (các cơng trình kiến trúc chạy máy
điều hịa khơng khí (ĐHKK) và xe cộ). Trong mấy chục năm trở lại đây Hà Nội đang
diễn ra quá trình đơ thị hóa, cơng nghiệp hóa với tốc độ rất nhanh. Khi giải phóng Thủ
đơ, năm 1954, dân số Hà Nội mới có khoảng 30 vạn ngƣời, đến 2004 dân số Hà Nội đã
đạt tới trên 3 triệu ngƣời, tức là sau một nửa thế kỷ dân số Hà Nội tăng lên tới 10 lần.
Diện tích thành phố Hà Nội năm 1994 là 460 km2, từ năm 2002 đến nay đã mở rộng
tới 920 km2, tức là chỉ sau 8 năm diện tích đất Hà Nội đã tăng gấp đôi. Số lƣợng xe
máy đăng ký ở Hà Nội đến năm 1994 là 390.000 xe, đến năm 2004: khoảng 1,5 triệu
xe, tức là sau 10 năm số lƣợng xe máy ở Hà Nội đã tăng 3,85 lần. GDP trên đầu ngƣời
dân Hà Nội năm 2000 là 11,4 triệu/ngƣời, năm 2004 là 18,2 triệu/ngƣời giá thực tế, tức
là sau 5 năm đã tăng gần 1,6 lần. Theo số liệu thống kê, trên địa bàn Hà Nội ln có
trên 1.000 cơng trình xây dựng lớn nhỏ đƣợc thi cơng; mỗi tháng có khoảng 10.000
m2 đƣờng bị đào bới để thi công các cơng trình hạ tầng kỹ thuật.
Hoạt động đơ thị hóa này, khiến diện tích các bề mặt xây dựng gia tăng, gồm các
vật liệu beton, vật liệu hấp thụ nhiệt, kính, vật liệu xây dựng, dẫn tới:
- Khả năng hấp thụ BXMT của các bề mặt: các bề mặt của nhà cửa, đặc biệt mặt
đƣờng có khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời (BXMT) rất lớn. Mặt tƣờng gạch trát vữa,
mặt bê tơng nhẵn có thể hấp thụ 50% – 70% BXMT, mặt đƣờng (bê tông, asphan…)
hấp thụ tới 80% – 90% BXMT. Đồng thời, nếu nhƣ các mặt tƣờng đứng chỉ nhận

8


BXMT một số giờ trong ngày, thì những bề mặt nằm ngang, nhƣ mặt mái, mặt đƣờng
nhận BXMT suốt ngày.
- Cơ chế làm nóng khơng khí ở khu vực có cơng trình xây dựng: các bề mặt bị BXMT
(đặc biệt trực xạ) chiếu tới sẽ nóng dần lên. Trong một ngày, thơng thƣờng lúc 15h là
các bề mặt sẽ có nhiệt độ cao nhất. Khơng khí tiếp giáp với bề mặt nóng sẽ nóng lên
theo (do trao đổi nhiệt đối lƣu), đồng thời cịn bị đốt nóng bởi các nguồn nhiệt thải ra
từ xe cộ, từ các máy ĐHKK của cơng trình kiến trúc xung quanh, dẫn đến tỷ trọng
khơng khí đơ thị giảm dần và bay lên cao, nhƣờng chỗ cho khơng khí mát hơn thay
vào. Cứ nhƣ vậy khơng khí trong khu vực sẽ nóng dần lên, lan dần ra cả đơ thị và nóng
hơn cả khơng khí nóng của khối khơng khí của hiệu ứng Phơn từ phía Tây thổi sang.
Gió sẽ đƣa khơng khí nóng này tới các khu vực khác trong đô thị làm cho cả đơ thị
nóng lên, gây ra hiện tƣợng đảo nhiệt đơ thị và nóng bức rất khó chịu. Vì vậy nhiệt độ
khơng khí đơ thị thƣờng cao hơn các vùng nông thôn lân cận từ 3 – 5oC.
- Nhiều ao hồ, ngịi rãnh vốn có chức năng điều hịa tích nƣớc cho Hà Nội theo nghiên
cứu cho thấy: sau 10 năm 1986 – 1996 Hà Nội đã san lấp 64,5% diện tích mặt nƣớc
ao, hồ, ngịi rãnh của 4 quận nội thành cũ. Bên cạnh đó bề mặt đất Hà Nội đã bị bê
tơng hóa ngày càng lớn, diện tích thảm thực vật có khả năng thấm nƣớc, chứa nƣớc,.
đã giảm đáng kể, diện tích thảm thực vật của 4 quận nội thành cũ giảm đi 12%. Một
trong những công cụ để điều hịa khí hậu là ao hồ và cây xanh. Tuy nhiên, do q trình
đơ thị hóa nên nhiều cây xanh đã bị chặt, nhiều ao hồ san lấp khiến cho nhiệt độ trong
nội thành Hà Nội tăng cao
- Thống kê trong những năm gần đây , nhiệt độ khu vực nội thành luôn gia tăng , năm
sau tăng hơn năm trƣớc. Tháng 6 năm 2017,bình quan nhiệt độ khu vực nội thành đã
tăng lên tới 42 0, còn mặt đƣờng nhựa đã lên tới 49 0, cao hơn nhiều nơi mà trƣớc đây
vẫn có nhiệt độ cao hơn Hà Nội nhƣ : Hịa Bình, Sơn La, Việt Trì , Vĩnh Yên, Bắc
Ninh … (các bản tin về tình hình thời tiết tại Hà Nội từ ngày 28 tháng 5 đến 7 tháng 6

năm 2017). Nhiều nhà khoa học nhƣ PGS. TS Nguyễn Duy Thịnh (Đại học Bách
Khoa Hà Nội), ơng Phạm Ngọc Đăng Phó Chủ tịch Hội Bảo vệ thiên nhiên và Môi
trƣờng Việt Nam,... đã khẳng định do tình trạng biến đổi khí hậu nói chung thì ngun
nhân chính gây ra tình trạng đó là do q trình đơ thị hóa.

9


Hiện nay, trong bối cảnh đất nƣớc Việt Nam trong thời kỳ đẩy mạnh cơng nghiệp
hóa hiện đại hóa, sự phát triển mạnh mẽ đến từ các cơng trình xây dựng, đặc biệt là
thành phố Hà Nội đã tác động tiêu cực đến mơi trƣờng xung quanh nói chung cũng
nhƣ mơi trƣờng khơng khí nói riêng. Tuy nhiên theo xu thế phát triển kinh tế - xã hội,
việc tiếp tục khai thác sử dụng nguồn tài nguyên tự nhiên, và tác động tới môi trƣờng
thiên nhiên chắc chắn vẫn diễn ra. Bởi vậy trƣớc những yêu cầu bảo vệ môi trƣờng bền
vững, vấn đề đánh giá hiện trạng và đề xuất giải pháp quản lý cho mơi trƣờng khơng
khí, khoanh vùng trên địa bàn thành phố Hà Nội là cần thiết và có ý nghĩa trong thực
tiễn.
Trƣớc thực tế đó, đề tài đã lựa chọn nội dung “Nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ
khơng khí thành phố Hà Nội do ảnh hưởng của q trình đơ thị hóa với sự trợ giúp
của viễn thám và GIS” là nội dung nghiên cứu của luận văn Thạc sỹ
2. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ


Mục tiêu của đề tài :
- Dựa vào các thông tin phân tích từ tƣ liệu Viễn thám và GIS, nghiên cứu hiện

trạng mơi trƣờng khơng khí tại thành phố Hà Nội, xây dựng nên bức tranh cụ thể của
hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị Hà Nội
- Xác định mối tƣơng quan giữa nhiệt độ và đất xây dựng, từ đó đề ra giải pháp
giảm thiểu ảnh hƣởng của hiện tƣợng gia tăng nhiệt đô thị cho khu vực thành phố Hà

Nội.


Nhiệm vụ của đề tài :
- Nghiên cứu đánh giá điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, đặc điểm đơ thị hóa thành

phố Hà Nội
- Thành lập bản đồ lớp phủ, nổi bật đặc trƣng xây dựng, phân loại nhà cao tầng –
nhà thấp tầng, cây xanh trong thành phố Hà Nội.
- Xác định sự phân bố nhiệt độ bề mặt bằng, sử dụng phƣơng pháp thống kê và
thuật toán hồi quy so sánh chỉ số nhiệt độ cây xanh và đất xây dựng nhằm đánh giá
mối tƣơng quan

10


3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Phƣơng pháp thu thập số liệu
- Phƣơng pháp khảo sát điều tra thực địa
- Phƣơng pháp xử lý ảnh viễn thám
- Phƣơng pháp phân tích hồi quy
4. CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
 Cơ sở dữ liệu
 Các bài báo, tài liệu liên quan tới vấn đề nghiên cứu về hiện tƣợng đảo nhiệt đô
thị (UHI), phƣơng pháp xác định nhiệt độ bề mặt từ ảnh viễn thám, các nghiên cứu
về mối tƣơng quan giữa nhiệt độ bề mặt với các yếu tố môi trƣờng
 Tài liệu về đặc điểm khu vực thành phố Hà Nội.
 Tƣ liệu viễn thám: LANDSAT 5 (năm 2009), LANDSAT 7 (năm 2003),
LANDSAT 8 (năm 2017)
 Kết quả khảo sát của học viên đo (Tháng 06 – 07/2018) bằng Nhiệt kế điện tử

 Phạm vi nghiên cứu
- Đề tài tập trung nghiên cứu trong phạm vi khu vực trung tâm thành phố Hà Nội
trƣớc năm 2008.
- Đối tƣợng nghiên cứu là nhiệt độ bề mặt đất tại khu vực và lớp phủ .
- Thời gian nghiên cứu : tháng 6 – tháng 7 (tháng có nhiệt độ cao nhất trong năm)
 Nội dung nghiên cứu :
- Đặc điểm điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội thành phố Hà Nội.
- Q trình đơ thị hóa tại trung tâm thành phố Hà Nội (trƣớc năm 2008) từ năm
2003 đến 2017.
- Xây dựng bản đồ nhiệt độ bề mặt đô thị và bản đồ phân loại lớp phủ mặt đất
thành phố Hà Nội cũ.
- Phân tích tác động của q trình đơ thị hóa đối với hiệu ứng đảo nhiệt tại khu
vực.
- Đề xuất đƣa ra giải pháp để phát triển đô thị bền vững trong tƣơng lai.

11


5. KẾT QUẢ DỰ KIẾN VÀ Ý NGHĨA
 Kết quả
- Bản đồ nhiệt độ thành phố Hà Nội
- Bản đồ lớp phủ mặt đất thành phố Hà Nội
- Bản đồ đảo nhiệt đô thị thành phố Hà Nội trƣớc năm 2008
 Ý nghĩa
- Làm phong phú cách tiếp cận sự thay đổi mơi trƣờng (cụ thể nhiệt độ khơng khí)
do ảnh hƣởng q trình đơ thị hóa.
- Trở thành cơng cụ phục vụ cho công tác đánh giá mức độ tác động của môi
trƣờng đến khu vực đô thị để định hƣớng phát triển quy hoạch trong tƣơng lai
6. CẤU TRÚC CỦA BÁO CÁO
Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị, đề tài bao gồm các chƣơng sau :

Chƣơng 1. Tổng quan nghiên cứu nhiệt độ khơng khí và q trình đơ thị hóa
Chƣơng 2. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
Chƣơng 3. Kết quả nghiên cứu

12


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN, CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ
KHƠNG KHÍ VÀ Q TRÌNH ĐƠ THỊ HĨA
1.1. Tổng quan nghiên cứu nhiệt độ khơng khí và q trình đơ thị hóa
1.1.1.Tổng quan nghiên cứu nhiệt độ khơng khí

1.1.1.1. Vấn đề nhiệt độ khơng khí trên bề mặt đất
Nhiệt độ khơng khí trên bề mặt đất gọi tắt là nhiệt độ bề mặt là một biến quan
trọng đƣợc yêu cầu cho nhiều ứng dụng nhƣ khí hậu, thủy văn, nơng nghiệp, sinh địa
hóa và các nghiên cứu biến động. Nó đƣợc duy trì bởi thành phần đến của bức xạ Mặt
Trời và bức xạ sóng dài, thành phần thốt đi của bức xạ hồng ngoại từ mặt đất, thông
lƣợng nhiệt hiện và nhiệt ẩn và thông lƣợng nhiệt đi vào mặt đất. Vì vậy, nhiệt độ bề
mặt là yếu tố chỉ thị tốt của cân bằng năng lƣợng ở bề mặt Trái Đất. Cân bằng bức xạ
này phụ thuộc vào các đặc trƣng truyền dẫn trong dải hồng ngoại của hơi nƣớc, mây,
các phần tử khác, ví dụ các khí nhà kính nhƣ CO2…Nồng độ của các khí này đang
tăng lên và đóng góp vào việc thay đổi khí hậu. Vì vậy, nhu cầu đo đạc liên tục nhiệt
độ ở quy mơ tồn cầu và cấp vùng là khơng thể thiếu đƣợc để đặc trƣng các thay đổi
khí hậu. Các mục đích khoa học khơng chỉ quan sát mà còn xác định nguyên nhân và
hệ quả của các hiện tƣợng thay đổi khí hậu này. Do đó, xác định nhiệt độ bề mặt trong
mọi hoạt động và dài hạn là mối quan tâm thƣờng xuyên của các nhà khoa học. Đối
với các khu vực lớn và ở quy mô khơng gian của nhiều mơ hình tuần hồn, nhiệt độ bề
mặt chỉ có thể đƣợc trích xuất từ các bộ cảm biến trên vệ tinh cung cấp toàn cảnh bề
mặt Trái Đất. Hơn nữa, đo đạc nhiệt độ bề mặt ở các khu vực khơng thể đến đƣợc chỉ
có thể sử dụng các thiết bị đo đặt trên các vệ tinh. Viễn thám có thể đo lƣờng các đặc

tính nhiệt của lớp phủ bề mặt hoặc khí quyển nhƣ bức xạ điện từ phát ra, phản xạ, tán
xạ hay truyền dẫn. Các thiết bị thụ động nhƣ bức xạ kế, cảm nhận phát xạ từ đối tƣợng
và trong các dải bƣớc sóng thích hợp, có thể đƣợc dùng để suy diễn nhiệt độ từ các
bức xạ đo đƣợc.
Đo lƣờng nhiệt độ từ xa với việc sử dụng các nhiệt kế trên vệ tinh đã bắt đầu từ
cuối những năm 1950 và đo lƣờng nhiệt độ bề mặt từ viễn thám vào những năm đầu
1960 với việc phóng vệ tinh TIROS-II. Tuy nhiên, khái niệm đầy đủ cũng nhƣ sơ đồ
thực hiện tính nhiệt độ khơng khí bề mặt chỉ mới bắt đầu vào đầu những năm 1980.

13


Qua nhiều thập kỷ, các kỹ thuật để đo lƣờng nhiệt độ bề mặt đất từ phƣơng pháp đo
bức xạ trong không gian đƣợc cải tiến về mặt phƣơng pháp, thiết bị đo cũng nhƣ tính
tốn. Các kỹ thuật tiên tiến hiện tại cho phép định lƣợng các hiệu ứng khí quyển và bề
mặt khá tốt. Vùng bƣớc sóng điện từ 3-35μm thƣờng đƣợc gọi là vùng hồng ngoại
trong viễn thám mặt đất. Trong vùng này, bức xạ phát ra bởi Trái Đất do tình trạng
nhiệt của chúng lớn hơn nhiều so với bức xạ phản xạ bởi Mặt Trời. Bức xạ hồng ngoại
nhiệt trong dải 8-14μm đƣợc phát ra từ bề mặt tƣơng quan với nhiệt độ và độ phát xạ
bề mặt và viễn thám vùng này đƣợc dùng để khôi phục giá trị nhiệt độ bề mặt. Tuy
nhiên, có hai vấn đề chính cần phải giải quyết để đạt đƣợc nhiệt độ và độ phát xạ bề
mặt từ dữ liệu hồng ngoại nhiệt. Thứ nhất, bức xạ đo đƣợc ở bộ cảm biến bị ảnh hƣởng
bởi khí quyển từ quá trình hấp thụ và phát xạ lại bởi các khí, chủ yếu là hơi nƣớc trong
vùng hồng ngoại của phổ điện từ. Vì vậy, để ƣớc lƣợng đƣợc nhiệt độ bề mặt đất, cần
phải hiệu chỉnh khí quyển qua việc sử dụng mơ hình truyền bức xạ. Thứ hai, bản chất
không xác định đƣợc của các số đo nhiệt độ và độ phát xạ. Nếu bức xạ nhiệt đƣợc đo
trong N kênh, thì sẽ có N+1 tham số không biết gồm N lớp độ phát xạ và 1 lớp nhiệt
độ bề mặt. Do đó, ƣớc tính độ phát xạ và nhiệt độ trong dữ liệu hồng ngoại nhiệt đa
phổ cần các giả thiết bổ sung để giải biến không xác định (Valor et al. , 1996; Li et al.,
1999). Các giả thiết thƣờng liên quan đến các đo đạc độ phát xạ trong phịng thí

nghiệm hoặc trên thực tế.
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu tính tách biệt độ phát xạ và nhiệt độ bề mặt,
lúc đó giả thiết độ phát xạ là hằng số (phƣơng pháp chuẩn hóa độ phát xạ NEM và
NOR) hoặc nhiệt độ là hằng số (phƣơng pháp tỷ số phổ), biến không biết sẽ đƣợc tính
và biến hằng số đã đƣợc giả thiết sẽ đƣợc tính lại tiếp sau đó. Hoặc u cầu biết trƣớc
thông tin bề mặt nhƣ phƣơng pháp NDVI để tính độc lập độ phát xạ. Hoặc tính đồng
thời cả hai trong cùng một mơ hình (phƣơng pháp tách nhiệt độ và độ phát xạ TES).
Hầu hết các phƣơng pháp này đều ứng dụng cho các bộ cảm biến nhiệt có từ 2 kênh
trở lên. Các phƣơng pháp ƣớc tính nhiệt độ bề mặt có mục đích là bù cho các hiệu ứng
khí quyển và hiệu ứng góc nhƣ phƣơng pháp kênh đơn, kỹ thuật tách cửa số hoặc
phƣơng pháp đa kênh và phƣơng pháp đa góc (Dash et al., 2002). Các phƣơng pháp
này đều yêu cầu biết trƣớc thơng tin phát xạ bề mặt và tính tốn đồng thời với hiệu

14


ứng khí quyển. Điều này sẽ gặp khó khăn khi khơng có đầy đủ số đo về khí quyển
song hành vào thời kỳ quan trắc của vệ tinh, nhất là đối với các ảnh lịch sử.
Ở Việt Nam, trong những năm gần đây đã có một số nghiên cứu ứng dụng viễn
thám hồng ngoại nhiệt trong việc ƣớc tính giá trị nhiệt độ cho khu vực đô thị. Phạm
Văn Cự và cộng sự (2004) đã tính thử nghiệm nhiệt độ bức xạ từ ảnh viễn thám
ASTER cho khu vực nội thành Hà Nội vào năm 2003. Tuy nhiên, các nghiên cứu này
chỉ mới dừng ở mức tính tốn nhiệt độ bức xạ trên vệ tinh mà chƣa xem xét đến yếu tố
độ phát xạ để chuyển về nhiệt độ bề mặt thực. Có xem xét đến ảnh hƣởng của độ phát
xạ vật thể có thể kể đến cơng trình của tác giả Lê Văn Trung và cộng sự (2006) và
(2007). Các số liệu về độ phát xạ này mang tính kế thừa của nƣớc ngoài và chỉ áp
dụng cho từng nhóm đối tƣợng (thực vật, đất, nƣớc…), khơng thể hiện sự thay đổi chi
tiết độ phát xạ của từng đối tƣợng cụ thể. Vì vậy, kết quả khơng phản ánh đƣợc nhiệt
độ bề mặt thực từ các giá trị độ phát xạ bề mặt thực của vật thể trên khu vực nghiên
cứu của mình, điều này dễ dẫn đến kết quả tính chƣa chính xác so với thực tế. Hơn

nữa, hầu hết các nghiên cứu này chƣa có đánh giá kiểm chứng kết quả tính tốn với số
đo quan trắc thực tế.

1.1.1.2. Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat
Vệ tinh Landsat là tên gọi chung cho hệ thống các vệ tinh chun dùng vào mục
đích thăm dị tài ngun Trái Đất. Đầu tiên nó mang tên ERTS (Earth Resource
Technology Sattellite) - kỹ thuật vệ tinh thăm dò Trái Đất. Hệ thống vệ tinh Landsat
cho tới nay có thể nói là hệ thống vệ tinh mang tính chất quốc tế. Có 8 vệ tinh trong
chƣơng trình này. Hiện nay có Landsat 7 và Landsat 8. Vệ tinh Landsat đầu tiên đƣợc
phóng vào ngày 23/7/1972 và ngừng hoạt động vào năm 1978.
Bảng 1. 1: Dải phổ của các cảm biến trên Landsat
Loại bộ cảm
TM
Thematic
Mapper
(Landsat-1-5)

Kênh

Bƣớc sóng
(μm)

Kênh 1
Kênh 2
Kênh 3

0,45 ÷ 0,52
0,52 ÷ 0,60
0,63 ÷ 0,69

Chàm
Lục đỏ
Đỏ

30 m
30 m
30 m

Kênh 4
Kênh 5

0,76 ÷ 0,90
1,55 ÷ 1,75

Cận hồng ngoại
Hồng ngoại trung

30 m
30 m

Loại

15

Độ phân giải


Hồng ngoại nhiệt
Hồng ngoại trung

120 m
30 m

0,5 ÷ 0,6
0,6 ÷ 0,7

Lục
Đỏ

80 m
80 m

Kênh 6
Kênh 7

0,7 ÷ 0,8
0,8 ÷ 1,1

Cận hồng ngoại
Cận hồng ngoại

80 m
80 m

Kênh 1

0,45 ÷ 0,52

Chàm

30 m

Kênh 2
Kênh 3

0,53 ÷ 0,61
0,63 ÷ 0,69

Lục đỏ
Đỏ

30 m
30 m

Kênh 4
Kênh 5
Kênh 6
Kênh 7
Kênh8

0,75 ÷ 0,90
1,55 ÷ 1,75
10,4 ÷ 12,5
2,09 ÷ 2,35
0,52 ÷ 0,9

Cận hồng ngoại
Hồng ngoại trung
Hồng ngoại nhiệt
Hồng ngoại trung

Lục đến cận hồng ngoại

30 m
30 m
60 m
30 m
15 m

Kênh 6
Kênh 7

10,4 ÷ 12,5
2,08 ÷ 2,35

MSS
Multi Spectral

Kênh 4
Kênh 5

Scanner
(Landsat-1-5)

ETM+

OLI&TIRs

Kênh 1

0.433 ÷ 0,453 Coastal aerosol

30 m

Kênh 2
Kênh 3
Kênh 4
Kênh 5
Kênh 6
Kênh 7
Kênh 8
Kệnh 9

0,450 ÷ 0,515
0,525 ÷ 0,600
0,63 ÷ 0,68
0,845 ÷ 0,885
1,56 ÷ 1,66
2,1 ÷ 2,3
0,50 ÷ 0,68
1,36 ÷ 1,39

Chàm
Lục
Đỏ
Near Infrared (NIR)
SWIR 1
SWIR 2
Panchromatic
Cirrus

30 m
30 m
30 m
30 m
30 m
30 m
15 m
30 m

Kênh 10
Kênh 11

10,3 ÷ 11,3
11,5 ÷ 12,5

Thermal Infrared (TIR) 1
Thermal Infrared (TIR) 2

100 m
100 m
Nguồn: NASA

1.1.1.3. Tổng quan phương pháp tính nhiệt độ khơng khí trên bề mặt đất
a) Cơ sở khoa học chiết xuất nhiệt độ khơng khí trên bề mặt đất từ ảnh viễn
thám
Nguyên lý cơ bản của viễn thám đó là đặc trƣng phản xạ hay bức xạ của các đối
tƣợng tự nhiên tƣơng ứng với từng giải phổ khác nhau. Kết quả của việc giải đoán các
lớp thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tƣơng quan giữa đặc trƣng

16

phản xạ phổ với bản chất, trạng thái của các đối tƣợng tự nhiên. Những thông tin về
đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên sẽ cho phép các nhà chuyên môn
chọn các kênh ảnh tối ƣu, chứa nhiều thông tin nhất về đối tƣợng nghiên cứu, đồng
thời đây cũng là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất của đối tƣợng, tiến tới
phân loại chúng.
Sóng điện từ đƣợc phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin
chủ yếu về đặc tính của đối tƣợng .Ảnh viễn thám cung cấp thông tin về vật thể tƣơng
ứng với năng lƣợng bức xạ ứng với từng bƣớc sóng đã xác định. Đo lƣờng và phân
tích năng lƣợng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám, cho phép tách thơng tin hữu
ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tƣơng tác giữa bức xạ điện từ và vật thể.
Để hiểu rõ cơ chế tƣơng tác giữa sóng điện từ và khí quyển và việc chọn phổ
điện từ để sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám, bảng 1.2 thể hiện đặc điểm của
dải phổ điện từ thƣờng đƣợc sử dụng trong kỹ thuật viễn thám nhƣ sau:
Bảng 1. 2. Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám
Dải sóng điện từ

Tia cực tím

Tia nhìn thấy

Bƣớc sóng

Đặc điểm

0,3 ÷ 0,4μm

Hấp thụ mạnh bởi lớp khí quyển ở tầng cao
(tầng ơzơn), khơng thể thu nhận năng lƣợng do

dải sóng này cung cấp nhƣng hiện tƣợng này lại
bảo vệ con ngƣời tránh tác động của tia cực tím.

0,4 ÷ 0,76μm

Rất ít bị hấp thụ bởi Oxy, hơi nƣớc và năng
lƣợng phản xạ cực đại ứng với bƣớc sóng 0,5μm
trong khí quyển. Năng lƣợng do dải sóng này
cung cấp giữ vai trị trong viễn thám.

0,77÷1,34μm
1,55 ÷ 2,4μm

Năng lƣợng phản xạ mạnh ứng với các bƣớc
sóng cận hồng ngoại từ 0,77 ÷ 0,9μm. Sử dụng
trong chụp ảnh hồng ngoại theo dõi sự biến đổi
thực vật từ 1,55 ÷ 2,4μm.

Hồng ngoại nhiệt

3 ÷ 22μm

Một số vùng bị hơi nƣớc hấp thụ mạnh,dải sóng
này giữ vai trị trong phát hiện cháy rừng và hoạt
động núi lửa. Bức xạ nhiệt của Trái Đất của
năng lƣợng cao nhất tại bƣớc sóng 10μm.

Vơ tuyến (Rada)

1mm ÷ 30cm

Khí quyển khơng hấp thụ mạnh năng lƣợng các

Cận hồng ngoại
Hồng ngoại trung

17


bƣớc sóng lớn hơn 2cm, cho phép thu nhận năng
lƣợng cả ngày lẫn đêm, không bị ảnh hƣởng của
mây, sƣơng mù hay mƣa.
Giá trị bức xạ thu nhận trong dải hồng ngoại nhiệt của phổ điện từ trên các bộ
cảm biến vệ tinh gồm 3 thành phần: (1) phát xạ bề mặt đƣợc truyền qua khí quyển
(τεBλ); (2) bức xạ hƣớng dƣới đƣợc phát ra bởi khí quyển đƣợc phản xạ bởi bề mặt và
truyền qua khí quyển đến bộ cảm (τ(1-ε)Lλ↓) và (3) phát xạ từ khí quyển đƣợc truyền
qua khí quyển ở trên điểm phát xạ (Lλ↑).
Minh họa điều này qua phƣơng trình truyền bức xạ nhƣ sau:
Lsensor, λ = τ [ε Bλ + (1 - ε) Lλ↓] + Lλ↑

(1.1)

Trong đó, τ và ε là độ truyền qua và độ phát xạ.
Thành phần (2) và (3) phụ thuộc vào các điều kiện khí quyển. Các thơng số này
thƣờng đƣợc đo đạc đồng thời cùng lúc thu nhận ảnh từ vệ tinh, dùng để hiệu chỉnh
khí quyển cho các bài tốn liên quan bằng các mơ hình nhƣ MODTRAN, ATCOR...
Thực tế các số đo điều kiện khí quyển khơng sẵn có, do đó việc hiệu chỉnh khí quyển
cho việc khôi phục lại các số đo mặt đất là một việc khó khăn đối với một vùng bất kỳ
vào một thời điểm bất kỳ và thƣờng bỏ qua trong một số nghiên cứu ứng dụng.
Trong công thức (1.1), bức xạ bề mặt đất Rλ đƣợc đo trong kênh bƣớc sóng λ

gồm hai thành phần:
Rλ = ε Bλ + (1 - ε) Lλ↓

(1.2)

Do nhiệt độ khí quyển thƣờng thấp hơn nhiệt độ mặt đất nên phần mặt đất hấp
thụ đƣợc bức xạ phát ra từ khí quyển ((1 - ε) Lλ↓) thƣờng rất nhỏ so với phần phát xạ
của mặt đất. Thực tế tính tốn, đối với các bề mặt tự nhiên, bức xạ bề mặt sẽ đƣợc biểu
diễn gần đúng nhƣ sau:
Rλ = ε Bλ

18

(1.3)


b) Nhiệt độ và độ phát xạ trong năng lượng bức xạ Trái Đất
Trái Đất nhận nhiệt chủ yếu từ Mặt Trời. Đến lƣợt mình, bề mặt Trái Đất lại
bức xạ vào khí quyển và khơng gian. Các khí, hơi nƣớc và thành phần của khí quyển
có thể hấp thụ và phát xạ mạnh mẽ đối với bƣớc sóng trong phổ bức xạ ở mặt đất. Bức
xạ Mặt Trời đi qua khí quyển ảnh hƣởng lên các điều kiện khí tƣợng bằng cách truyền
năng lƣợng vào khơng khí và Trái Đất. Hầu hết bức xạ Mặt Trời bị hấp thụ ở bề mặt
Trái Đất và cung cấp năng lƣợng cho quá trình quang hợp và sự sống.
Các phân tử và nguyên tử trong vật thể có nhiệt độ tuyệt đối trên 0 đều trong
trạng thái kích động và phát ra bức xạ điện từ. Nhiệt độ của vật thể là biểu thị của năng
lƣợng nhiệt nội tại của chúng. Cƣờng độ và thành phần phổ phát ra phụ thuộc vào
thành phần và nhiệt độ của vật thể. Khái niệm vật đen thƣờng đƣợc dùng để nghiên
cứu bức xạ, đó là một vật lý tƣởng hấp thụ hoàn toàn và phát xạ tồn bộ năng lƣợng
đạt tới nó. Vật đen có đƣờng cong phát xạ phổ liên tục, ngƣợc lại, các vật thể tự nhiên
chỉ phát xạ tại các kênh phổ rời rạc tùy vào thành phần tạo nên vật thể đó.

Nhiệt độ có ảnh hƣởng lớn đến cƣờng độ bức xạ phát ra từ vật đen. Nhiệt độ
của vật bức xạ càng cao thì tổng bức xạ do vật đó phát ra càng lớn, đồng thời đỉnh
đƣờng cong phát xạ phổ (cực trị của năng lƣợng phát ra) cũng dịch chuyển càng gần
phía bƣớc sóng ngắn hơn (Hình 1.1). Nhiệt độ bề mặt của Mặt Trời khoảng 6.000K và
có cực trị của năng lƣợng phát ra ở bƣớc sóng 0,5 μm (tƣơng đƣơng với kênh dải màu
xanh lá cây của dải sóng khả kiến). Trái Đất phát ra năng lƣợng cực đại ở bƣớc sóng
9,7 μm với nhiệt độ bao quanh khoảng 300K. Bức xạ phát ra này đi qua và tƣơng tác
từng phần với khí quyển. Năng lƣợng này khơng thể nhìn thấy cũng khơng thể chụp
ảnh đƣợc, nhƣng nó có thể cảm nhận đƣợc với các thiết bị nhiệt nhƣ các máy đo bức
xạ và máy quét. Dải sóng 3 - 4 μm, đặc biệt là 8 - 14 μm là có giá trị đối với sự cảm
nhận nhiệt của Trái Đất. Hai định luật quan trọng là StefanBoltzman và Planck mô tả
về mối quan hệ giữa bức xạ và nhiệt độ.

19


Hình 1.1. Phân bố phổ năng lượng điện từ phát xạ từ vật đen ở nhiệt độ khác nhau
1. Xác định nhiệt độ
Trong viễn thám hồng ngoại nhiệt, nhiệt độ bức xạ (TR) đƣợc định nghĩa nhƣ là
nhiệt độ tƣơng đƣơng của vật đen truyền cùng một lƣợng bức xạ thu đƣợc từ một vật
thực tế và phụ thuộc vào nhiệt độ động lực bề mặt thực (TK) và độ phát xạ. Trƣờng
hợp không phải vật đen, tổng lƣợng bức xạ phát ra đƣợc biểu diễn theo định luật
Stefan-Bolzman nhƣ sau:

B   TR 4

(1.4)

Suy ra:
1

4

TR   TK

(1.5)

Nhƣ vậy, nhiệt độ bức xạ của vật tự nhiên sẽ nhỏ hơn nhiệt độ bức xạ của vật
đen tại cùng một nhiệt độ. Điều này cho thấy rằng nhiệt độ đƣợc đo bằng phƣơng pháp
viễn thám sẽ nhỏhơn nhiệt độ động lực bề mặt tƣơng đƣơng bởi hệ số ε¼.
Nhiệt độ bức xạ đƣợc đo bởi các bộ cảm biến trên vệ tinh là nhiệt độ bức xạ còn
gọi là nhiệt độ sáng của vật đen tuyệt đối (với ε=1) và đƣợc xác định theo định luật

TB 

K2
K

ln  1  1
 B


20

(1.6)


Trong đó: Bλ - bức xạ của vật đen tuyệt đối (Wm-2μm-1); K1 = 2πhc2/λ5; K2=
hc/kλ; h - hằng số Planck (6,62x10-34 Js); c - vận tốc ánh sáng (3x108ms-1); k - hằng
số Boltzman (1,38x10-23 JK-1); λ - bƣớc sóng trung tâm (μm).
Nhiệt độ bề mặt (hay nhiệt độ động năng bề mặt) là nhiệt năng của một vật thể

và có thể đƣợc đo bằng nhiệt kế. Cơng thức (2.5) cho thấy giữa nhiệt độ bức xạ và
nhiệt độ bề mặt có mối đƣợc nhiệt độ bức xạ thì số liệu này có thể đƣợc dùng để tính
nhiệt độ mặt đất nhƣ sau:

TS 

K2



1
4

TB

(1.7)

Nhiệt độ bề mặt bị ảnh hƣởng chủ yếu bởi bức xạ mặt trời. Độ chính xác ƣớc
tính của nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu viễn thám nhiệt phụ thuộc vào các yếu tố: khí
quyển, tƣơng tác giữa bề mặt và khí quyển, độ phát xạ vật thể và độ phân giải ảnh.
Nhiệt độ bề mặt đo lƣờng từ viễn thám nhiệt có thể bị ảnh hƣởng bởi sự hỗn hợp của
các yếu tố dƣới pixel, xảy ra khi có nhiều hơn một vật thể tồn tại bên trong trƣờng nhìn
của bộ cảm biến (FOV). Vì vậy, để so sánh nhiệt độ đo từ viễn thám nhiệt với số đo
thực mặt đất, cần phải chọn lựa các khu vực đối tƣợng lớn hơn kích thƣớc pixel.
2. Xác định độ phát xạ
Độ phát xạ (ε) là tỷ số giữa năng lƣợng phát xạ từ bề mặt tự nhiên trên năng
lƣợng phát xạ từ vật thể đen ở cùng bƣớc sóng và nhiệt độ (xem cơng thức 2.3). Nhiệt
ánănđộ và độ phát xạ luôn luôn là hai biến cần xác định trong phƣơng pháp viễn thám,
dođó các phƣơng pháp thƣờng phát triển tính tốn đồng thời giá trị của hai biến trên.
Tuy nhiên,do tính chất phức tạp và khơng xác định, nên bài tốn giải N+1 ẩn số khơng

đƣợc giải với độchính xác và tính tổng qt đầy đủ. Tuy nhiên, độ phát xạ bề mặt là
biến ít thay đổi theo thờigian và không gian so với nhiệt độ bề mặt, vì vậy ta thƣờng
xác định độ phát xạ bề mặt trƣớckhi tính tốn nhiệt độ bề mặt.
Có nhiều phƣơng pháp tính độ phát xạ bề mặt từ dữ liệu của các bộ cảm biến vệ
tinh hiện hành. Một số phƣơng pháp giả thiết ban đầu độ phát xạ là hằng số (ví dụ
phƣơng pháp chuẩn hóa độ phát xạ NEM, NOR) hoặc nhiệt độ là hằng số (phƣơng
pháp tỷ số phổ), lúc đó biến khơng biết đƣợc tính và biến hằng số đã đƣợc giả thiết sẽ

21