Tài liệu Khóa luận ứng dụng viễn thám và gis phân tích tương quan giữa nhiệt độ bề mặt đệm với hiện trạng sử dụng đất của thành phố tam kỳ tỉnh quảng nam

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KHOA ĐỊA LÝ NGUYỄN THỊ THU THỦY ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS PHÂN TÍCH TƢƠNG QUAN GIỮA NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐỆM VỚI HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT CỦA THÀNH PHỐ TAM KỲ, TỈNH QUẢNG NAM KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - 4/2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KHOA ĐỊA LÝ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS PHÂN TÍCH TƢƠNG QUAN GIỮA NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐỆM VỚI HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT CỦA THÀNH PHỐ TAM KỲ, TỈNH QUẢNG NAM CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA LÝ TÀI NGUYÊN MÔI TRƢỜNG KHÓA 14 (2014 – 2018) Giáo viên hƣớng dẫn ThS. Lê Ngọc Hành Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Thu Thủy ĐÀ NẴNG – 4/2018 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình đào tạo đại học chuyên ngành Địa lý tài nguyên môi trường và khóa luận tốt nghiệp này, em xin trân trọng cám ơn: Ban giám hiệu nhà trường; ban chủ nhiệm Khoa Địa lý trường Đại học Sư phạm Đại học Đà Nẵng đã cho em được học tập dưới mái trường Sư phạm, tạo cho em nhiều điều kiện tốt và đã truyền dạy cho em những kiến thức chuyên môn quý báu là hành trang trong cuộc sống và công việc sau này. Khoa đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện cho em hoàn thành tốt khóa học. Nhân dịp này em xin gửi đến thầy giáo Thạc Sĩ Lê Ngọc Hành - người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn em thực hiện đề tài này và các thầy cô trong khoa lòng biết ơn và lời cảm ơn sâu sắc nhất. Xin được gửi lời cám ơn gia đình, bạn bè và những đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Đà Nẵng, tháng 4 năm 2018 Tác giả khóa luận MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU................................................................................................................................. 1 1. LÝ DO CHON ĐỀ TÀI .................................................................................................... 1 2. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI.................................................................... 1 2.1. Mục tiêu của đề tài ...................................................................................................1 2.2. Nhiệm vụ của đề tài ..................................................................................................1 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU................................................................. 2 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................................... 2 3.2. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................................2 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................................ 2 5. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 2 6. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................... 3 6.1. Phƣơng pháp thu thập số liệu ...................................................................................3 6.2. Phƣơng pháp tổng hợp và xử lý, phân tích số liệu ...................................................4 6.3. Phƣơng pháp bản đồ và GIS và viễn thám ............................................................... 4 6.4. Phƣơng pháp thực địa ............................................................................................... 4 7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI .............................................. 4 7.1. Ý nghĩa khoa học ......................................................................................................4 7.2. Ý nghĩa thực tiễn ......................................................................................................5 B. PHẦN NỘI DUNG........................................................................................................................ 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................................. 6 1.1. NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT BẰNG ẢNH VỆ TINH ................................... 6 1.1.1. Nghiên cứu độ phát xạ ........................................................................................... 6 1.1.2. Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt...................................................................................6 1.2. CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG NGHIÊN CỨU HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT .......................................................................................................................... 9 1.2.1. Hệ thống thông tin địa lý – GIS.............................................................................9 1.2.2. Công nghệ viễn thám ........................................................................................... 16 1.2.3. Đặc trƣng phổ phản xạ của các đối tƣợng tự nhiên .............................................18 1.2.4. Mối quan hệ giữa việc thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất với phƣơng pháp viễn thám ................................................................................................................................ 20 1.3. NGHIÊN CỨU TƢƠNG QUAN GIỮA HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT VÀ NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT.............................................................................................................................. 21 CHƢƠNG 2: ỨNG DỤNG GIS VÀ VIỄN THÁM THÀNH LẬP BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU ................................................ 23 2.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ HỘI CỦA THÀNH PHỐ TAM KỲ ................................................................................................................... 23 2.1.1. Vị trí địa lý ...........................................................................................................23 2.1.2. Điều kiện tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên thành phố Tam Kỳ....................... 25 2.1.3. Đặc điểm kinh tế - xã hội .................................................................................... 28 2.1.4. Đặc trƣng của đô thị ............................................................................................ 31 2.2. TỔNG QUAN VỀ DỮ LIỆU VÀ QUY TRÌNH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT .................................................................................................. 32 2.2.1. Tổng quan về dữ liệu nghiên cứu ........................................................................32 2.2.2. Quy trình thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất .............................................33 2.3. XÂY DỰNG BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT THÀNH PHỐ TAM KỲ NĂM 2015.......................................................................................................................... 34 2.3.1. Quy trình thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất .............................................34 2.3.2. Thành lập bản đồ bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2015 của thành phố Tam Kỳ ..................................................................................................................................44 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS NGHIÊN CỨU MỐI TƢƠNG QUAN GIỮA NHIỆT ĐỘ VÀ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT CỦA THÀNH PHỐ TAM KỲ............................................................................................................................................. 46 3.1. XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NHIỆT ĐỘ THÀNH PHỐ TAM KỲ TẠI MỘT THỜI ĐIỂM NĂM 2015 .............................................................................................................. 47 3.1.1. Quy trình thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt ........................................................ 47 3.1.2. Thành lập bản đồ bản đồ nhiệt độ bề mặt tại một thời điểm ở thành phố Tam Kỳ .......50 3.2. PHÂN TÍCH MỐI TƢƠNG QUAN GIỮA NHIỆT ĐỘ VÀ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT CỦA THÀNH PHỐ TAM KỲ..................................................................... 51 3.2.1. Thành lập bản đồ tác động của bề mặt đệm đến thay đổi nhiệt độ thành phố Tam Kỳ.........51 3.2.2. Phân tích tác động của bề mặt đệm đến thay đổi nhiệt độ thành phố Đà Nẵng ..53 3.2.3. Đánh giá chung về tác động của biến động sử dụng đất đến thay đổi nhiệt độ thành phố Đà Nẵng ........................................................................................................53 3.3. ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ VÀ THÍCH ỨNG .............................. 55 3.3.1. Cơ sở của việc đề xuất ......................................................................................... 55 3.3.2. Những giải pháp thích ứng với nhiệt độ tăng vào công tác quy hoạch đô thị .....56 C. KẾT LUẬN .................................................................................................................................. 58 D. TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 59 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: So sánh 2 mô hình Raster và Vector..........................................................12 Bảng 2.1: Dân số thành số Tam Kỳ từ giai đoạn 2007-2011 (nghìn ngƣời)...............29 Bảng 2.2: Hiện trạng phân bố dân cƣ theo đơn vị hành chính....................................29 Bảng 2.3: Hiện trạng lao động nội thị..........................................................................30 Bảng 2.4: Dấu hiệu nhận biết các đối tƣợng................................................................38 Bảng 3.1: Các hệ số chuyển đổi đơn vị của dữ liệu Landsat ETM+...........................48 Bảng 3.2: Kịch bản thay đổi nhiệt độ chung cho khu vực Nam Trung Bộ Việt Nam......................................55 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.5: Các thành phần của GIS........................................................10 Hình 1.6: Mô hình dữ liệu raster...........................................................12 Hình 1.7: Mô hình dữ liệu vector.........................................................13 Hình 1.8: So sánh 2 mô hình Raster và Vector.....................................14 Hình 1.9: Đặc điểm phổ phản xạ của các nhóm đối tƣợng tự nhiên chính.......................................19 Hình 1.10: Bản đồ hành chính thành phố Tam Kỳ................................24 Hình 2.1: Bản đồ độ cao thành phố Tam Kỳ - Quảng Nam..................26 Hình 2.2: Các kênh ảnh viễn thám.........................................................34 Hình 2.3: Ghép các kênh ảnh.................................................................34 Hình 2.4: Hiệu chỉnh các thuộc tính của ảnh Landsat............................34 Hình 2.5: Mở ảnh vector khu vực nghiên cứu........................................35 Hình 2.6: Cắt ảnh theo khung..................................................................35 Hình 2.7: Cắt ảnh theo ranh giới.............................................................36 Hình 2.8: Tăng cƣờng chất lƣợng hình ảnh.............................................36 Hình 2.9: Phân loại Maximum Likelihood..............................................40 Hình 2.10: Ảnh sau khi phân loại............................................................40 Hình 2.11: Phân tích sau phân loại...........................................................42 Hình 2.12:Chỉ số Kappa của kết quả phân loại theo mẫu giải đoán năm 2015......................44 Hình 2.13. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất thành phố Tam Kỳ năm 2015.....45 Hình 3.1: Quy trình thành lập bản đồ nhiệt độ thành phố Tam Kỳ...........47 Hình 3.2. Bản đồ nhiệt độ thành phố Tam Kỳ lúc 10h ngày 1/5/2015......50 Hình 3.3: Thành lập bản đồ tác động của BĐSDĐ đến thay đổi nhiệt độ.......51 Hình 3.4. Bản đồ tƣơng quan giữa hiện trạng sử dụng đất và nhiệt độ của thành phố Tam Kỳ tại thời điểm 10h ngày 1/5/2015 Hình 3.5: Biểu đồ tác động của hiện trạng sử dụng đất đến thay đổi nhiệt độ giai đoạn 2015 tại thành phố Tam Kỳ.........................................................................53 Hình 3.6: Biểu đồ thay đổi nhiệt độ theo đơn vị hành chính.......................54 PHẦN MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay, biến đổi khí hậu đang làm thay đổi mọi nơi trên Trái Đất, đặt biệt là sự nóng lên toàn cầu. Mối quan ngại này đã đƣợc đặt lên bàn nghị sự của mỗi quốc gia, đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm, ra sức nghiên cứu. Trong đó nhiệt độ bề mặt đất là một thông số quan trọng trong việc nghiên cứu hiện trạng môi trƣờng. Thành phố Tam Kỳ là trung tâm hành chính của tỉnh Quảng Nam. Với nhiều tiềm năng và lợi thế về nguồn lực tài nguyên và con ngƣời để phát triển kinh tế, Với quá trình toàn cầu hóa diễn ra mạnh mẽ thì thành phố Tam Kỳ không là ngoại lệ khi phải đối mặt các tác động về tăng dân số, công nghiệp hóa và đô thị hóa nhanh chóng. Nguyên nhân này đã làm cho nhiệt độ bề mặt của địa bàn thành phố ngày một tăng lên. Cùng với sự phát triển của công nghệ viễn thám, việc sử dụng ảnh vệ tinh ngày càng đa dạng, cũng có nhiều thông tin mà trƣớc kia không thể có và đƣợc xem là công cụ mạnh mẽ trong việc quản lý tài nguyên thiên nhiên, đánh giá biến động, trính xuất các dữ liệu trên ảnh vệ tinh nhanh chóng và chính xác khiến viễn thám ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Với khả năng cung cấp thông tin đa thời gian, nhanh chóng, chính xác của ảnh vệ tinh cùng với công cụ xử lý năng động nên tôi đã lựa chọn viễn thám để phân tích sự biến đổi bề mặt nhiệt độ thành phố Tam Kỳ. Vì vậy việc nghiên cứu đề tài “Ứng dụng viễn thám và GIS phân tích tương quan giữa nhiệt độ bề mặt đệm với hiện trạng sử dụng đất của thành phố Tam Kỳ - Tỉnh Quảng Nam” là việc làm thiết thực và cấp bách. 2. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 2.1. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu, đánh giá mối tƣơng quan giữa nhiệt độ và hiện trạng sử dụng đất bằng công nghệ viễn thám và GIS ở thành phố Tam Kỳ, phục vụ quy hoạch đô thị trong thời gian đến. 2.2. Nhiệm vụ của đề tài - Khái quát những cơ sở lý luận liên quan đến đề tài. - Tìm hiểu về điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội của thành phố Tam Kỳ. - Tìm hiểu về công nghệ GIS và viễn thám. - Xây dựng bản đồ nhiệt độ bề mặt và bản đồ hiện trạng sử dụng đất thành phố Tam Kỳ. 1 - Đánh giá tƣơng quan giữa nhiệt độ và hiện trạng sử dụng đất của thành phố Tam Kỳ. - Đề xuất các giải pháp hạn chế và thích ứng. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu những vấn đề về lý luận và thực tiễn về mối tƣơng quan giữa nhiệt độ và hiện trạng sử dụng đất của thành phố Tam Kỳ. Đối tƣợng nghiên cứu cụ thể của đề tài là nhiệt độ không khí và toàn bộ diện tích đất liền (trừ đất sông suối, mặt nƣớc) trên địa bàn thành phố. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Về không gian: Đề tài nghiên cứu mối tƣơng quan giữa nhiệt độ và lớp phủ bề mặt trên toàn bộ diện tích đất liền thành phố Tam Kỳ. - Về thời gian: Do đặc tính của đề tài và nguồn cơ sở dữ liệu, khóa luận chỉ nghiên cứu mối tƣơng quan giữa nhiệt độ và lớp phủ bề mặt tại một thời điểm trong năm 2015. 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Khái quát về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội thành phố Tam Kỳ. - Thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất của thành phố Tam Kỳ năm 2015. - Thành lập bản đồ nhiệt độ thành phố Tam Kỳ tại một thời điểm năm 2015. - Đánh giá mối tƣơng quan giữa nhiệt độ và lớp phủ bề mặt của thành phố Tam Kỳ. - Đề xuất một số giải pháp thích ứng. 5. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU Vấn đề tƣơng quan giữa nhiệt độ và hiện trạng sử dụng đất đã có nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới, có thể đề cập đến các nghiên cứu sau: Javed Mallick, Yogesh Kant và B.D.Bharath (2008) đã sử dụng ảnh Landsat ETM+ để ƣớc tính nhiệt độ bề mặt đất của thành phố Delhi. Kết quả cho thấy sự thay đổi nhiệt độ bề mặt (LST) liên quan chặt chẽ đến các loại che phủ đất khác nhau. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng nhiệt độ bề mặt có thể ƣớc tính đƣợc nếu tính đƣợc giá trị NDVI. Tƣơng quan mạnh mẽ giữa nhiệt độ bề mặt với NDVI đƣợc quan sát thấy trên thảm thực vật dày đặc, thảm thực vật thƣa thớt và đất trồng trọt nông nghiệp. Các tác giả Enric Valor và Vicente Caselles (1996) nghiên cứu phát xạ bề mặt từ chỉ số NDVI: Ứng dụng cho châu Âu, châu Phi và khu vực Nam Mỹ. Kết quả cho thấy giữa giá trị phát xạ và chỉ số NDVI có quan hệ rất mật thiết với nhau và đã đề xuất mô 2 hình lý thuyết để tính giá trị phát xạ. Việc tính toán này dựa trên những bề mặt đệm có tính chất đồng nhất. Vấn đề nghiên cứu tƣơng quan giữa nhiệt độ và hiện trạng sử dụng đất ở Việt Nam cũng đã có vài nghiên cứu điển hình trong lĩnh vực này ở nƣớc ta, có thể kể đến nhƣ: - Trần Thị Ân, Nguyễn Thị Diệu và Trƣơng Phƣớc Minh (2011) đã sử dụng ảnh Landsat ETM+ để thành lập nhiệt độ bề mặt TP Đà Nẵng. Giá trị phát xạ đƣợc sử dụng trong đề tài là giá trị chung của toàn bộ mặt đệm [1]. - Lê Văn Trung và Nguyễn Thanh Minh (2004) đã sử dụng hai thuật toán: thuật toán kênh tham chiếu (Reference Channel Method, REF) và thuật toán chuẩn hóa giá trị phát xạ (Emissivity Normalization Method, NOR) để tính toán nhiệt độ bề mặt của khu vực thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả đề tài đã thành lập đƣợc bản đồ giá trị nhiệt bề mặt (LST) khu vực nghiên cứu theo phƣơng pháp REF và NOR. Đề tài cũng đã so sánh sự khác nhau giữa hai thuật toán và nhóm tác giả đƣa đến kết luận thuật toán NOR có tính hợp lý hơn so với thuật toán REF nếu giả thiết hằng số trị phát xạ tại vị trí của các pixel [9]. - Nhóm tác giả Trần Thị Vân, Hoàng Thái Lan và Lê Văn Trung (2009) đã trình bày kết quả nghiên cứu xác định nhiệt độ bề mặt cho đô thị thành phố Hồ Chí Minh, có tính đến việc hiệu chỉnh kết quả tính toán thông qua việc xác định ĐPX bề mặt từ phƣơng pháp NDVI. Nghiên cứu đã thử nghiệm thực hiện trên 2 dòng ảnh vệ tinh Landsat và ASTER có các kênh hồng ngoại nhiệt với độ phân giải không gian trung bình, thích hợp cho các nghiên cứu về các quá trình nhiệt ở các khu đô thị. Kết quả tính toán đƣợc đối sánh với số liệu đo thực tế của 10 điểm quan trắc nhiệt độ và phân tích sai số theo nhiều phƣơng pháp khác nhau để chứng minh tính ƣu việt của phƣơng pháp trong điều kiện thực tế của khu vực nghiên cứu nói riêng cũng nhƣ của Việt Nam nói chung. - Theo Trần Thị Vân (2006), phản hồi năng lƣợng nhiệt của các loại mặt đệm có sự khác nhau. Nhiệt độ bề mặt đất đƣợc chiết tách từ kênh nhiệt 6 của Landsat ETM+. Phân tích từ ảnh cho biết các khu vực công nghiệp, dân cƣ là những nơi có nhiệt độ bề mặt cao nhất so với những nơi có thực vật và mặt nƣớc thể hiện nhiệt độ thấp hơn 6. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 6.1. Phƣơng pháp thu thập số liệu Là phƣơng pháp thu thập tất cả những số liệu, thông tin có liên quan đến đề tài, sau đó sẽ tiến hành tiến hành xử lý, đánh giá các số liệu, thông tin thu thập đƣợc. Mục đích nhằm làm cơ sở để xây dựng cơ sở dữ liệu một cách khoa học, để đạt đƣợc hiệu quả cao nhất cho đề tài. Mặc khác, giảm bớt thời gian thực hiện và công sức cũng nhƣ làm tăng tính logic của đề tài. Ngoài các số liệu thu thập ở các cơ quan, chúng tôi còn khai 3 khác những thông tin qua các kênh thông tin, đặc biệt là internet, sách báo. Đề tài đã thu thập những số liệu sau: - Số liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của TP Tam Kỳ: Thu thập các số liệu về điều kiện tự nhiên (địa hình, khí hậu, thủy văn, thổ nhƣỡng,…), tình hình sử dụng đất, thu thập tình hình kinh tế - xã hội (dân số, lao động,…). Các tài liệu này thu thập, thông kê qua các báo cáo của UBND TP Tam Kỳ. - Tƣ liệu ảnh viễn thám: Đề tài đã sử dụng các ảnh Landsat OLI and TIRs để nghiên cứu mối tƣơng quan giữa nhiệt độ và hiện trạng sử dụng đất ở TP Tam Kỳ. 6.2. Phƣơng pháp tổng hợp và xử lý, phân tích số liệu Với các số liệu thu thập đƣợc cần phải tổng hợp, xử lý và phân tích để nghiên cứu đề tài. Xử lý và phân tích số liệu hay dữ liệu là một trong các bƣớc cơ bản của một nghiên cứu. Bản thân số liệu chỉ là các số liệu thô, qua xử lý, phân tích trở thành thông tin và sau đó trở thành tri thức. Xử lý và phân tích số liệu bao gồm xác định vấn đề nghiên cứu; thu thập số liệu; xử lý số liệu; phân tích số liệu và báo cáo kết quả. Để có cơ sở phân tích số liệu tốt thì trong quá trình thu thập số liệu phải xác định trƣớc các yêu cầu của phân tích để có thể thu thập đủ và đúng số liệu nhƣ mong muốn của đề tài hƣớng đến. 6.3. Phƣơng pháp bản đồ và GIS và viễn thám Từ các số liệu, ảnh vệ tinh và bản đồ thu thập đƣợc trong quá trình nghiên cứu. Với sự hỗ trợ của các phần mềm viễn thám (ENVI) và GIS (ArcGIS) để xử lý và thiết lập các bản đồ thành phần. Từ đó thành lập bản đồ tƣơng quan giữa nhiệt độ và bề mặt đệm của thành phố Tam Kỳ. Đây chính là phƣơng pháp chủ đạo của đề tài. 6.4. Phƣơng pháp thực địa Khảo sát thực địa là phƣơng pháp tốt nhất để kiểm chứng độ chính xác của các tài liệu, số liệu thu thập đƣợc. Đồng thời phƣơng pháp này giúp thu thập các thông tin bổ sung cần thiết cho đề tài mà phƣơng pháp thu thập chƣa đạt yêu cầu. Trong quá trình thực hiện đề tài chúng tôi đã đi lấy mẫu viễn thám phục vụ cho quá trình giải đoán ảnh ở thành phố Tam Kỳ. 7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 7.1. Ý nghĩa khoa học - Tạo cơ sở khoa học về việc ứng dụng viễn thám kết hợp với GIS trong hỗ trợ quan trắc, đánh giá các yếu tố khí tƣợng và môi trƣờng đất. 4 - Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần khẳng định việc nghiên cứu tƣơng quan giữa nhiệt độ và lớp phủ bề mặt dƣới sự trợ giúp của công nghệ viễn thám và GIS là rất hiệu quả và cần thiết trong giai đoạn quy hoạch thích ứng với biến đổi khí hậu hiện nay. 7.2. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu của đề tài là nguồn tƣ liệu tham khảo quan trọng, góp phần cung cấp các thông tin về nhiệt độ, hiện trạng sử dụng đất, mối tƣơng quan giữa nhiệt độ và hiện trạng sử dụng đất. - Kết quả của đề tài cũng có thể ứng dụng cho các lĩnh vực khác nhƣ nông nghiệp, lâm nghiệp,… khi nghiên cứu các vấn đề này có xem xét đến lớp phủ và nhiệt độ bề mặt. 5 B. PHẦN NỘI DUNG CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT BẰNG ẢNH VỆ TINH 1.1.1. Nghiên cứu độ phát xạ Độ phát xạ bề mặt (land surface emissivity) là tỷ số giữa năng lƣợng phát xạ từ bề mặt tự nhiên trên năng lƣợng phát xạ từ vật đen ở cùng bƣớc sóng và nhiệt độ. Độ phát xạ bề mặt là một yếu tố vô cùng quan trọng trong chiết tách thông tin về nhiệt độ và độ ẩm đất từ tƣ liệu ảnh viễn thám hồng ngoại nhiệt. Độ phát xạ có thể đƣợc xác định bằng cách sử dụng nhiệt kế bức xạ chuẩn, tuy nhiên phƣơng pháp này chỉ thích hợp trong các nghiên cứu ở quy mô nhỏ khi tính toán độ phát xạ của các mẫu tiêu chuẩn. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc cho thấy, công nghệ viễn thám với những ƣu điểm nổi bật so với các phƣơng pháp nghiên cứu truyền thống nhƣ độ phủ trùm rộng, thời gian cập nhật ngắn...có thể đƣợc sử dụng hiệu quả trong xác định độ phát xạ bề mặt. Mỗi một vật thể sẽ phát ra bức xạ riêng tùy theo khả năng hấp thụ của nó, do đó giá trị độ phát xạ của vật thể khác nhau sẽ khác nhau. Tuy nhiên, trên ảnh vệ tinh đối tƣợng bề mặt đất đƣợc cảm nhận theo từng pixel có kích thƣớc liên quan đến độ phân giải ảnh. Vì vậy, trong một pixel ảnh thƣờng là hỗn hợp của hai hoặc vài đối tƣợng bên trong, và lúc đó giá trị độ phát xạ sẽ là hỗn hợp của các đối tƣợng này hợp lại. 1.1.2. Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt Nhiệt độ bề mặt đất đƣợc coi là nhiệt độ của lớp nằm giữa bề mặt đất và khí quyển, đƣợc 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 lƣợng nhiệt hiện và nhiệt ẩn, thông lƣợng nhiệt đi vào mặt đất. Nhiệt độ bề mặt đất là một trong các chỉ số vật lý về quá trình cân bằng năng lƣợng trên bề mặt trái đất, là yếu tố cơ bản quyết định các hiện tƣợng nhiệt trên mặt đất… Nhiệt độ bề mặt đất còn là một chỉ thị quan trọng của sự cân bằng năng lƣợng trên bề mặt Trái đất cũng nhƣ 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, nhƣ 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 quá trình biến đổi của môi trƣờng đất, là yếu tố môi trƣờng 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 6 phần quan trọng trong rất nhiều ứng dụng nghiên cứu về khí tƣợng, 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 thƣờng không biến đổi theo không gian nhƣ nhiệt độ bề mặt đất nên có thể đo đƣợc 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 đƣợc từ ảnh vệ tinh. Nhiệt độ bề mặt đất đƣợc tính toán trên cơ sở phát xạ của các đối tƣợng bề mặt (cây cối, đất đai, nhà cửa, …) quan sát bởi bộ cảm tại các góc nhìn tức thời và năng lƣợng điện từ đo đƣợc trên băng nhiệt hồng ngoại của các bộ cảm đặt trên vệ tinh. Nhiệt độ bề mặt đất đƣợc tính toán để hỗ trợ các nghiên cứu về thay đổi bề mặt đất nhƣ quá trình đô thị hóa, sa mạc hóa, theo dõi hỏa hoạn và các đám cháy rừng, nghiên cứu lớp phủ bề mặt,… Hiện nay, rất nhiều ảnh viễn thám có kênh nhiệt. Chúng có độ phân giải từ thấp đến trung bình. Các ảnh có độ phân giải thấp khoảng 1km thƣờng đƣợc sử dụng cho mục đích nghiên cứu ở mức vĩ mô nhƣ quốc gia hay toàn cầu. Các ảnh có kênh nhiệt ở độ phân giải trung bình nhƣ ASTER và Landsat thƣờng đƣợc sử dụng để nghiên cứu ở những khu vực có diện tích nhỏ hơn nhƣ tỉnh hay huyện. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng kênh nhiệt từ ảnh Landsat để tính nhiệt độ bề mặt TP Tam Kỳ. 1.1.2.1. Cân bằng nhiệt của mặt đất Cân bằng nhiệt của mặt đất đƣợc định nghĩa là hiệu số giữa phần năng lƣợng nhận đƣợc và mất đi của mặt đất. Nếu cân bằng nhiệt có giá trị dƣơng, mặt đất nóng lên, còn nếu có giá trị âm thì mặt đất sẽ bị lạnh đi. Để hiểu đƣợc nguyên nhân của sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đất, cần phải xem xét quá trình thu – nhận năng lƣợng của bề mặt đất. Phƣơng trình cân bằng nhiệt mặt đất đƣợc viết dƣới dạng [3]: B’ = B – LE + V + P,(1.1) trong đó: B: Bức xạ thuần (net radiation) L: Tiềm nhiệt bốc hơi (latent heat) E: Lƣợng nƣớc bốc hơi (evaporation) V: Lƣợng nhiệt trao đổi với khí quyển (sensible heat) P: Lƣợng nhiệt trao đổi với lớp đất bên dƣới bề mặt đất 7 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 dƣơng do nhận đƣợc nhiều năng lƣợng 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 đƣợc năng lƣợng rất ít không bù đƣợc phần năng lƣợng mất đi do bức xạ sóng dài [3]. Thông thƣờng trong quá trình một ngày một đêm, lƣợng nhiệt truyền vào sâu bên trong bề mặt đất vào ban ngày gần bằng lƣợng nhiệt từ các lớp đất sâu truyền ra ngoài vào ban đêm. Những biến đổi theo mùa của lƣợng nhiệt thu vào – tỏa ra trong bề mặt đất trong một năm hầu nhƣ đƣợc cân bằng. Nhiệt độ trung bình/năm của mặt đất do đó ít biến đổi từ năm này sang năm khác. 1.1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt đất Trong thực tế, năng lƣợng bức xạ trên một vùng rộng là nhƣ 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: a. Độ dẫn nhiệt của đất Độ dẫn nhiệt của đất là đại lƣợng dùng để đánh giá khả năng truyền nhiệt của các loại đất. Nó có giá trị bằng lƣợng 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. 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. b. Nhiệt dung thể tích của đất Nhiệt dung thể tích của đất là nhiệt lƣợng 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 nƣớc và nhiệt dung thể tích của không khí nên nhiệt dung của đất phụ thuộc vào lƣợng nƣớc và lƣợng không khí chứa trong đất. c. Hàm lượng mùn trong đất Mùn là tác nhân làm giảm nhiệt dung và độ dẫn nhiệt của đất, tăng khả năng giữ nƣớc và hấp thụ bức xạ mặt trời. Ở vùng nhiệt đới ẩm, chế độ nhiệt của đất mùn tƣơng đối ôn hòa do có độ ẩm cao, tuy nhiên, nếu là đất mùn thiếu ẩm sẽ có biên độ nhiệt độ cao hơn. d. 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 đƣợc trồng), các 8 công trình kinh tế – xã hội đƣợc xây dựng của con ngƣời, thổ nhƣỡng, nƣớc, đá, đá cẩm thạch, bề mặt cát [4]… Qua từng năm tháng, lớp phủ bề mặt đất không ngừng biến đổi đặc biệt dƣới tác động mạnh mẽ của thiên tai, con ngƣời – đó là các hoạt động phát triển kinh tế – xã hội. e. 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 hƣớng Nam luôn có nhiệt độ cao hơn hƣớng Bắc và ngƣợc lại ở Nam bán cầu. Đất dốc có nhiệt độ cao hơn đất bằng phẳng g. Mục đích sử dụng đất Việc sử dụng đất đai cũng có ảnh hƣởng lớn đối với nhiệt độ bề mặt. Lƣợng 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 nhƣ: 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 đƣợc nhiều nhiệt, nên nhiệt độ của nó sẽ biến thiên càng nhanh và ngƣợc lại. Độ cao của bề mặt đất so với mực nƣớc biển: Càng lên cao biến thiên nhiệt độ mặt đất càng nhỏ. 1.2. CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐẤT 1.2.1. Hệ thống thông tin địa lý – GIS 1.2.1.1. Khái niệm Hệ thông tin địa lý (GIS – Geographic Information System) là một tập hợp có tổ chức, bao gồm hệ thống phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và con ngƣời, đƣợc thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lƣu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích, và hiển thị tất cả các dạng thông tin liên quan đến vị trí địa lý. 1.2.1.2. Các thành phần và chức năng của GIS a. Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý (GIS) Hệ thống thông tin địa lý gồm 5 bộ phận cấu thành: 9 Hình 1.5. Các thành phần của GIS - Phần cứng: bao gồm máy tính và các thiết bị ngoại vi. - Phần mềm: là bộ não của hệ thống, phần mềm GIS rất đa dạng và có thể chia làm 3 nhóm (nhóm phần mềm quản đồ họa, nhóm phần mềm quản trị bản đồ và nhóm phần mềm quản trị, phân tích không gian). - Dữ liệu: bao gồm dữ liệu không gian (dữ liệu bản đồ) và dữ liệu thuộc tính (dữ liệu phi không gian). Dữ liệu không gian miêu tả vị trí địa lý của đối tƣợng trên bề mặt Trái đất. Dữ liệu thuộc tính miêu tả các thông tin liên quan đến đối tƣợng, các thông tin này có thể đƣợc định lƣợng hay định tính. - Phƣơng pháp: một phần quan trọng để đảm bảo sự hoạt động liên tục và có hiệu quả của hệ thống phục vụ cho mục đích của ngƣời sử dụng. - Con ngƣời: Trong GIS, thành phần con ngƣời là thành phần quan trọng nhất bởi con ngƣời tham gia vào mọi hoạt động của hệ thống GIS (từ việc xây dựng cơ sở dữ liệu, việc tìm kiếm, phân tích dữ liệu …). Có 2 nhóm ngƣời quan trọng là ngƣời sử dụng và ngƣời quản lý GIS. b. Các chức năng của GIS GIS có 5 chức năng chủ yếu: - Thu thập dữ liệu: là công việc khó khăn và nặng nề nhất trong quá trình xây dựng một ứng dụng GIS. Các dữ liệu đƣợc thu thập từ nhiều nguồn khác nhau nhƣ dữ liệu đo đạc từ thực địa, dữ liệu từ các loại bản đồ, dữ liệu thống kê… - Thao tác dữ liệu: vì các dữ liệu đƣợc thu thập từ nhiều nguồn có định dạng khác nhau và có những trƣờng hợp các dạng dữ liệu đòi hỏi đƣợc chuyển dạng và thao tác theo một số cách để tƣơng thích với hệ thống. Ví dụ: các thông tin địa lý có giá trị biểu diễn khác nhau tại các tỷ lệ khác nhau (lớp dân cƣ trên bản đồ địa chính đƣợc thể hiện chi tiết hơn trong bản đồ địa hình). Trƣớc khi các thông tin này đƣợc tích hợp với nhau 10 thì chúng phải đƣợc chuyển về cùng một tỷ lệ (cùng mức độ chi tiết hoặc mức độ chính xác). Đây có thể chỉ là sự chuyển dạng tạm thời cho mục đích hiển thị hoặc cố định cho yêu cầu phân tích. - Quản lý dữ liệu: là một chức năng quan trọng của tất cả các hệ thông tin địa lý. Hệ thống thông tin địa lý phải có khả năng điều khiển các dạng khác nhau của dữ liệu đồng thời quản lý hiệu quả một khối lƣợng lớn dữ liệu với một trật tự rõ ràng. Một yếu tố quan trọng của GIS là khả năng liên kết hệ thống giữa việc tự động hóa bản đồ và quản lý cơ sở dữ liệu (sự liên kết giữa dữ liệu không gian và thuộc tính của đối tƣợng). Các dữ liệu thông tin mô tả cho một đối tƣợng bất kỳ có thể liên hệ một cách hệ thống với vị trí không gian của chúng. Sự liên kết đó là một ƣu thế nổi bật của việc vận hành GIS. - Hỏi đáp và phân tích dữ liệu: GIS cung cấp khả năng hỏi đáp, tìm kiếm, truy vấn đơn giản “chỉ nhấn và nhấn” và các công cụ phân tích dữ liệu không gian mạnh mẽ để cung cấp thông tin một cách nhanh chóng, kịp thời, chính xác, hỗ trợ ra quyết định cho những nhà quản lý và quy hoạch. - Hiển thị dữ liệu: GIS cho phép hiển thị dữ liệu tốt nhất dƣới dạng bản đồ hoặc biểu đồ. Ngoài ra còn có thể xuất dữ liệu thuộc tính ra các bảng excel, tạo các bản báo cáo thống kê, hay tạo mô hình 3D, và nhiều dữ liệu khác. c. Ứng dụng của GIS GIS hiện nay đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, cụ thể ở một số ngành nhƣ sau: - Khí tƣợng, thủy văn: Hệ thông tin địa lý GIS có thể nhanh chóng đáp ứng phục vụ cho các công tác dự báo thiên tai lũ lụt cũng nhƣ các công tác dự báo vị trí của bão và các dòng chảy, dự báo tâm bão … - Nông nghiệp: GIS có thể phục vụ cho các công tác quản lý sử dụng đất, nghiên cứu về đất trồng, có thể kiểm tra đƣợc nguồn nƣớc - Dịch vụ tài chính: GIS đƣợc ứng dụng trong việc xác định các chi nhánh mới của ngân hàng… - Y tế: Ứng dụng GIS trong quản lý bệnh dịch, GIS có thể dẫn đƣờng nó có thể đƣa ra đƣợc lộ trình giữa xe cấp cứu và bện nhân cần cấp cứu qua đó giúp xe cấp cứu có thể nhanh nhất đến với vị trí của bệnh nhân làm tăng cơ hội sống sót của ngƣời bện, ngoài ra nó còn đƣợc dùng trong nghiên cứu các dịch bệnh nó có thể phân tích nguyên nhân bùng phát và lan truyền của bệnh dịch 11