Tài liệu Mối quan hệ giữa nhiệt độ đô thị và quá trình đô thị hóa, nhiệt độ đô thị và lớp phủ thực vật của thành phố Hà Nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA SAU ĐẠI HỌC NGUYỄN THỊ BÍCH NGỌC MỐI QUAN HỆ GIỮA NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ VÀ QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA, NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT CỦA TP. HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU HÀ NỘI – 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA SAU ĐẠI HỌC NGUYỄN THỊ BÍCH NGỌC MỐI QUAN HỆ GIỮA NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ VÀ QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA, NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT CỦA TP. HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chuyên ngành: BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Mã số: Chƣơng trình đào tạo thí điểm Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Phạm Văn Cự HÀ NỘI – 2013 LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất tới PGS. TS Phạm Văn Cự, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Tôi xin cám ơn các thầy cô giáo, các cán bộ Khoa Sau đại học - Đại học Quốc Gia Hà Nội, Trung tâm nghiên cứu biến đổi khí hậu toàn cầu, các bạn bè, đồng nghiệp, ngƣời thân đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến, khích lệ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tuy đã cố gắng nhƣng do thời gian và điều kiện có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận đƣợc sự góp ý của thầy cô và các bạn. Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2013 Học viên Nguyễn Thị Bích Ngọc MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... 6 DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... 7 MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 8 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 12 1.1. Nhiệt độ bề mặt ............................................................................................... 12 1.1.1. Khái niệm nhiệt độ bề mặt và các bộ cảm viễn thám hồng ngoại nhiệt ... 12 1.1.2. Cơ chế thu nhận ảnh hồng ngoại nhiệt ..................................................... 15 1.2. Mặt không thấm trong nghiên cứu đô thị........................................................ 19 1.2.1. Định nghĩa ................................................................................................ 19 1.2.2. Các đặc trƣng vật lý của Mặt không thấm................................................ 20 1.3. Cơ sở lý thuyết liên quan nhiệt độ bề mặt đô thị ............................................ 23 1.3.1. Nhiệt độ và độ phát xạ trong năng lƣợng bức xạTrái Đất ....................... 23 1.3.2 Đảo nhiệt đô thị [7] ................................................................................... 25 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................. 29 2.1.Khu vực nghiên cứu ......................................................................................... 29 2.1.1. Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên [10] .................................................... 29 2.1.2. Tình hình phát triển đô thị Hà Nội [10].................................................... 30 2.2. Cơ sở dữ liệu ................................................................................................... 35 2.2.1. Tiêu chí chọn dữ liệu viễn thám ............................................................... 35 2.2.2. Các dữ liệu khác ....................................................................................... 37 2.2.3. Phân tích và xử lý dữ liệu ......................................................................... 37 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................ 38 2.3.1. Tiền xử lý ảnh ........................................................................................... 38 2.3.2. Tính chỉ số thực vật NDVI ....................................................................... 39 2.3.3. Phƣơng pháp tính nhiệt độ bề mặt ............................................................ 40 2.3.4. Phân tích lớp phủ ...................................................................................... 41 2.3.5. So sánh kết quả với số liệu khí tƣợng ...................................................... 42 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 43 3.1. Biến đổi đô thị và mặt không thấm ................................................................. 43 3.2. Biến đổi chỉ số thức vật NDVI ....................................................................... 48 3.3. Biến đổi nhiệt độ đô thị giai đoạn 1993-2009................................................. 49 3.4. Mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và các loại đất phủ khác nhau .................. 53 3.5. Mối quan hệ giữa nhiệt độ và chỉ số NDVI .................................................... 54 3.6. Biến đổi nhiệt độ không khí từ số đo trạm khí tƣợng mặt đất ........................ 55 3.6.1. Biến thiên nhiệt độ không khí trung bình năm ......................................... 56 3.6.2. Đảo nhiệt đô thị trung bình năm ............................................................... 57 3.6.3. Đảo nhiệt đô thị trung bình tháng ............................................................. 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 63 4 DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT IFOV Trƣờng nhìn tức thời (Instantaneous Field of View) IS Biến số phần trăm diện tích mặt không thấm GCPs Điểm khống chế mặt đất (Ground Control Points) LST Nhiệt độ bề mặt lớp phủ (Land Surface Temperature) LSE Độ phát xạ bề mặt lớp phủ (Land Surface Emissivity) MKT Mặt không thấm ND Biến số phần trăm lớp phủ thực vật NDVI Chỉ số phân biệt thực vật chuẩn hóa, gọi tắt là chỉ số thực vật Ts Biến số nhiệt độ bề mặt UHI Đảo nhiệt đô thị (Urban Heat Island) 5 DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1: Đặc trƣng của sensor và độ phân giải không gian của ảnh Landsat 7 ETM+ .......................................................................................................................................14 Bảng 2. 1: Ảnh vệ tinh đƣợc sử dụng trong luận văn ...................................................45 Bảng 3. 1: Thống kê nhiệt độ bề mặt trung bình vào các thời điểm ảnh vệ tinh ghi nhận 4 năm ảnh vệ tinh 1993, 1999, 2005 và 2009................................................................ 53 Bảng 3. 2 : Nhiệt độ trung bình hàng năm của các trạm quan trắc trong 30 năm .........56 Bảng 3. 3 : So sánh nhiệt độ không khí trung bình năm giữa trạm Láng và các trạm lân cận ..................................................................................................................................58 Bảng 3. 4 : So sánh nhiệt độ không khí trung bình tháng giữa trạm Láng và Ba Vì ....60 6 DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1: Sự cân bằng năng lƣợng trong hệ thống khí hậu ..........................................12 Hình 1. 2 : Đƣờng đi của năng lƣợng bức xạ, phát xạ đến bộ cảm trên vệ tinh ............13 Hình 1. 3: Phân loại sóng điện từ ..................................................................................15 Hình 1. 4: Cửa sổ khí quyển và các vùng phát xạ nhiệt ................................................16 Hình 1. 5: Quá trình đảo nhiệt đô thị. ...........................................................................24 Hình 1. 6. Mặt cắt đứng của một UHI điển hình ........................................................... 25 Hình 1. 7 : Thay đổi nhiệt độ bức xạ của các vật liệu bề mặt khác nhau trong chu kỳ ngày đêm........................................................................................................................ 27 Hình 2. 1: Vị trí khu vực nghiên cứu .............................................................................29 Hình 2. 2 Bản đồ Hồng Đức 1470 (do Biệt Lãm vẽ lại năm 1956) ............................ 31 Hình 2. 3: Bản đồ quy hoạch thành phố Hà Nội từ 1873-1943 .....................................32 Hình 2. 4: Quy hoạch tổng thể Hà Nội 1960 – 1964 và 1978 – 1982 ........................... 33 Hình 2. 5: Bản đồ quy hoạch Hà Nội các năm 1992, 1996, 1998 .................................34 Hình 3. 1: Bản đồ phân bố không gian đô thị TP Hà Nội tại thời điểm chụp qua các năm theo kết quả phân tích ảnh viễn thám ....................................................................45 Hình 3.2: Biểu đồ tăng trƣởng diện tích không gian đô thị giai đoạn ........................... 45 Hình 3. 3: Bản đồ biến động không gian đô thị ............................................................ 48 Hình 3. 4: Chỉ số thực vật các quận, huyện năm 1993, 2000, 2005, 2009 ....................49 Hình 3. 5: Bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt đô thị TP Hà Nội trên 4 năm ảnh vệ tinh tại thời điểm chụp ...............................................................................................................51 Hình 3. 6: Xu hƣớng nhiệt độ bề mặt trung bình toàn TP Hà Nội theo 4 năm ảnh vệ tinh 1993, 1999, 2005 và 2009 ...................................................................................... 52 Hình 3. 7: Xu hƣớng nhiệt độ bề mặt trung bình khu vực nội đô theo ......................... 53 Hình 3. 8: Nhiệt độ bề mặt trung bình của các kiểu bề mặt đất trên 4 năm ..................54 Hình 3. 9: Chỉ số NDVI các quận huyện .......................................................................55 Hình 3. 10: Nhiệt độ bề mặt trung bình các quận huyện ...............................................55 Hình 3. 11: Vị trí các trạm khí tƣợng ............................................................................55 Hình 3. 12: Nhiệt độ không khí trung bình trạm Láng qua từng giai đoạn ..................56 Hình 3. 13: So sánh nhiệt độ trung bình trong 3 thời kì của 8 trạm ............................. 57 Hình 3.14: So sánh nhiệt độ trung bình năm giữa trạm Láng và Ba Vì ....................... 58 Hình 3.15: So sánh nhiệt độ trung bình tháng giữa trạm Láng và Ba Vì .....................59 7 MỞ ĐẦU Sự phát triển các thành phố lớn gây ra thay đổi bề mặt phủ và các tác động khác, bao gồm thay đổi thời tiết và khí hậu. Sự phát triển của các thành phố theo sau quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa trong những thập kỉ gần đây, là một trong những vấn đề quan trọng đƣợc thảo luận trong Uỷ ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu. Các tác động của con ngƣời đến thảm thực vật có thể ảnh hƣởng đến khí hậu của địa phƣơng, khu vực và thậm chí toàn cầu, do sự thay đổi của dòng nhiệt và sự phân phối năng lƣợng trong hệ thống khí hậu [11]. Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã nhận ra các hoạt động của con ngƣời làm thay đổi bề mặt phủ, thay đổi sử dụng đất gây tác động lớn đối với khí hậu khu vực [43]. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng đô thị hóa (ĐTH) dẫn đến mở rộng không gian đô thị theo nhu cầu phát triển về nhà ở cũng nhƣ các khu vực phục vụ cuộc sống. Đô thị phát triển dẫn theo sự xuất hiện ngày càng nhiều các bề mặt không thấm (MKT), đồng thời làm thay đổi các đặc tính nhiệt của đất, quỹ năng lƣợng ở bề mặt Trái Đất, thay đổi các tính chất tuần hoàn của khí quyển xung quanh, tạo ra một lƣợng lớn nhiệt thải từ các hoạt động nhân sinh và dẫn đến một loạt các thay đổi trong hệ thống môi trƣờng đô thị [27]. Các công trình xây dựng hình thành do quá trình đô thị hoá làm tăng độ gồ ghề, làm giảm tốc độ gió lớp sát mặt, cản trở vận chuyển nhiệt ngang, gây hiệu ứng bẫy nhiệt giữa các tƣờng nhà dẫn đến việc gia tăng nhiệt độ đô thị. Có nhiều yếu tố đóng góp vào việc hình thành đảo nhiệt đô thị, nhƣng yếu tố đầu tiên là sự suy giảm lớp phủ thực vật và thay thế bề mặt đất bằng các vật liệu không thấm khiến cho lƣợng nƣớc đi vào khí quyển ít hơn là từ bề mặt tự nhiên. Các MKT tập trung thu nhận bức xạ Mặt Trời ở bề mặt và có thể cực tiểu hóa chuyển tải năng lƣợng đó đi hƣớng lên (qua sự phản xạ và đối lƣu), đi xuống (qua sự truyền dẫn) hoặc đi ngang (qua sự bình lƣu và truyền dẫn). Hiệu ứng này hầu hết bắt nguồn gần bề mặt Trái Đất và sẽ lan truyền lên trên vào trong khí quyển. Các tác động của ĐTH lên môi trƣờng nhiệt tạo ra hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (UHI). Hà Nội là một trong hai trung tâm đô thị có tỉ lệ đô thị hóa lớn nhất cả nƣớc [10] đồng nghĩa với việc tăng diện tích bề mặt không thấm và giảm 8 diện tích cây xanh. Đây là nguyên nhân gây nên việc gia tăng hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị ở khu vực Hà Nội. Nghiên cứu về nhiệt bề mặt và đảo nhiệt đô thị ở VN hiện vẫn còn hạn chế và chỉ dựa vào dữ liệu ghi lại từ các trạm khí tƣợng trên mặt đất. Số liệu từ các trạm khí tƣợng đƣợc đo hàng ngày và nhiều đợt, trong thời gian dài, nhƣng chỉ phản ánh đƣợc nhiệt độ khu vực xung quanh các trạm đo, do đó không đảm bảo chính xác cho toàn vùng.Trong khi đó, mặc dù độ phân giải thời gian thấp và ghi chép lịch sử ngắn hơn, dữ liệu viễn thám có khả năng cung cấp các phƣơng tiện để thu đƣợc các quan sát đồng nhất và thƣờng xuyên về phản xạ và phát xạ của bức xạ từ mặt đất ở tỷ lệ từ vĩ mô đến vi mô với độ phân giải không gian từ thấp đến cao. Ngoài ra, viễn thám nhiệt có khả năng thực hiện phân tích chi tiết sự thay đổi nhiệt độ bề mặt cho một vùng mà không bị hạn chế bởi số điểm đo nhƣ trạm khí tƣợng. Có thể kết hợp phân tích nhiệt từ ảnh viễn thám và số liệu quan trắc thời tiết tại các trạm khí tƣợng để thiết lập mối liên kết giữa nhiệt độ bề mặt và sự thay đổi hiện trạng bề mặt đất. Bên cạnh đó sự hình thành đảo nhiệt trên các bề mặt đô thị (SUHI) cũng sẽ đƣợc phát hiện và có khả năng định lƣợng tốt hơn [9]. Hiện nay, tƣ liệu viễn thám đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Tƣ liệu viễn thám có ƣu điểm là giàu thông tin, chu kỳ thu nhận thông tin ngắn, xử lý trên diện rộng. Công nghệ viễn thám là phƣơng pháp tiếp cận hiệu quả trong việc quan trắc môi trƣờng, phân tích các mô hình phát triển đô thị và đánh giá ảnh hƣởng của chúng đến khí hậu khu vực đô thị. Ứng dụng viễn thám hồng ngoại nhiệt (viễn thám nhiệt) trong nghiên cứu ƣớc tính nhiệt bề mặt đô thị có tính ƣu việt đặc biệt là mức độ chi tiết của kết quả đƣợc thể hiện trên toàn vùng, chứ không chỉ là số đo tại điểm quan trắc trong phƣơng pháp đo đạc truyền thống. Từ những hiểu biết về hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị và quá trình đô thị hóa ở thủ đô Hà Nội, học viên đã đặt ra câu hỏi: - Quá trình đô thị hóa diễn ra ở thủ đô Hà Nội ảnh hƣởng nhƣ thế nào đến hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị - Lớp phủ bề mặt đất tác động nhƣ thế nào đến hiện tƣợng UHI Đề tài nghiên cứu “Mối quan hệ giữa nhiệt độ đô thị và quá trình đô thị hóa, nhiệt độ đô thị và lớp phủ thực vật của TP. Hà Nội” nhằm xác định mối 9 quan hệ giữa lớp phủ thực vật và nhiệt độ, mối liên quan đến hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị trong điều kiện khí hậu biến đổi hiện nay . Nghiên cứu này sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc giảm nhẹ hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị bằng lớp phủ thực vật, góp phần vào các nỗ lực đƣợc thực hiện để phát triển môi trƣờng sống đô thị và các thành phố thích ứng với biến đổi khí hậu toàn cầu. Trong nghiên cứu, học viên sử dụng bộ dữ liệu vệ tinh Landsat cùng với các dữ liệu trạm thời tiết để hiểu đƣợc mối quan hệ giữa thảm thực vật, nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ không khí. 1. Mục tiêu của luận văn: Nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ đô thị và quá trình đô thị hóa, nhiệt độ đô thị và lớp phủ thực vật của Hà Nội trong giai đoạn 1993- 2009 bằng công nghệ viễn thám. Để thực hiện mục tiêu trên, đề tài phải giải quyết những nhiệm vụ sau: - Tổng quan về đô thị và hình thái không gian đô thị và về phƣơng pháp viễn thám ứng dụng trong nghiên cứu đô thị - Xử lý dữ liệu viễn thám - Sử dụng phƣơng pháp phân tích không gian nghiên cứu hình thành phát triển đô thị Hà Nội - Tính nhiệt độ bề mặt - Tìm mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và bề mặt phủ 2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: là nhiệt độ bề mặt đối tƣợng trích xuất từ ảnh vệ tinh có kênh nhiệt với độ phân giải trung bình từ 60m đến 120m nhằm làm rõ ảnh hƣởng của quá trình đô thị hóa đến biến đổi nhiệt độ thông qua đảo nhiệt đô thị. Phạm vi nghiên cứu và giới hạn: Về không gian: Khu vực Hà Nội Về thời gian: Giai đoạn 1993 đến 2009 3. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp phân tích ảnh viễn thám 10 - Phƣơng pháp phân tích thống kê: Đƣợc sử dụng để phân tích, xử lý các số liệu thu đƣợc - Phƣơng cứu bản đồ: Tích hợp các bản đồ với nhau trên nền Arcgis thao tác trên bản đồ để phân tích, đánh giá kết quả. 4. Bố cục luận văn: Luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận gồm 3 chƣơng. Nội dung chính gồm: Các phần và chƣơng của luận văn đƣợc bố cục theo thứ tự nhƣ sau: Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Cơ sở dữ liệu và phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận Kết luận Tài liệu tham khảo 11 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Nhiệt độ bề mặt 1.1.1. Khái niệm nhiệt độ bề mặt và các bộ cảm viễn thám hồng ngoại nhiệt Nhiệt độ bề mặt đất( LST) đƣợc coi là nhiệt độ của lớp nằm giữa bề mặt đất và khí quyển [40]. Phần lớn bức xạ mặt trời đều đƣợc hấp thụ bởi bề mặt đất. Sau đó, bề mặt Trái Đất lại bức xạ vào khí quyển và không gian. Sự cân bằng của lƣợng bức xạ mặt trời bị hấp thụ phụ thuộc vào hai yếu tố: khả năng truyền dẫn của không khí và sự hấp thụ của vật liệu bề mặt. Nhiệt độ bề mặt đất 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. Vì vậy, LST là yếu tố chỉ thị tốt của cân bằng năng lƣợng ở bề mặt Trái Đất. (Kiehl và Trenberth, 1997) Hình 1. 1: Sự cân bằng năng lƣợng trong hệ thống khí hậu Sự 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 góp phần vào việc thay đổi khí 12 hậu. Vì vậy, nhu cầu đo lƣờng liên tục LST ở quy mô toàn cầu và cấp vùng là không thể thiếu đƣợc để đặc trƣng các thay đổi khí hậu. Với những khu vực lớn và khu vực không thể đến đƣợc, việc đo lƣờng LST chỉ có thể đƣợc trích xuất từ các bộ cảm biến trên vệ tinh cung cấp toàn cảnh bề mặt Trái Đất. Viễn thám có thể đo lƣờng các đặc tính nhiệt của bề mặt lớp phủ 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 [3] Viễn thám thụ động đo lƣờng bức xạ phát ra từ bề mặt trái đất trên từng pixel phụ thuộc vào trƣờng nhìn tức thời của bộ cảm biến (IFOV- instantaneous field of view) đặt trên vệ tinh. (TNT, 1998) Hình 1. 2 : Đƣờng đi của năng lƣợng bức xạ, phát xạ đến bộ cảm trên vệ tinh Vùng bƣớc sóng điện từ 3- 35μm thƣờng đƣợc gọi là vùng hồng ngoại trong viễn thám mặt đất. Dải quang phổ điện từ này cho phép thu nhận bức xạ và ƣớc 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 nhƣ AVHRR (trên vệ tinh NOAA), MVIRI (Meteosat), AATSR (ENVISAT), MODIS (TERRA) với độ phân giải thấp từ 1km trở lên. 13 Trong nghiên cứu đô thị thƣờng yêu cầu độ phân giải cao hơn, trong đó có các ảnh vệ tinh thu nhận từ các bộ cảm biến nhƣ LANDSAT. Hiện nay ảnh Landsat có nhiều thế hệ với số lƣợng kênh phổ và độ phân giải khác nhau. Tuy nhiên, thế hệ ảnh Landsat TM đƣợc thu từ vệ tinh Landsat-4 và -5 và ảnh Landsat ETM+ đƣợc thu từ vệ tinh Landsat-7 đƣợc sử dụng phổ biến nhất. Vệ tinh Landsat đƣợc thiết kế có bề rộng tuyến chụp là 185km. Các giá trị pixel đƣợc mã hóa 8 bit tức là cấp độ xám từ 0 ÷ 255. Vệ tinh Landsat đƣợc trang bị bộ cảm MSS (Multispectral Scanner), TM (Thematic Mapper) và ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus). Bảng 1. 1: Đặc trƣng của sensor và độ phân giải không gian của ảnh Landsat 7 ETM+ Kênh 1 0.45 ÷ 0.52 Xanh lơ 30m Kênh 2 0.53 ÷ 0.61 Lục 30m Kênh 3 0.63 ÷ 0.69 Đỏ 30m Kênh 4 0.75 ÷ 0.90 Hồng ngoại gần 30m Kênh 5 1.55 ÷1.75 Hồng ngoại TB 30m Kênh 6 10.4 ÷12.5 Hồng ngoại nhiệt 60m Kênh 7 2.09 ÷ 2.35 Hồng ngoại TB 30m Kênh 8 0.52 ÷ 0.90 Lục đến hồng ngoại gần 15m (http://landsat.org.vn) Ảnh vệ tinh Landsat đƣợc sử dụng khá hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau: thành lập bản đồ chuyên đề, phân tích biến động (hiện trạng sử dụng đất, lớp phủ, biến động đƣờng bờ), phân biệt các loại khoáng vật, phân biệt hiện trạng thực phủ và đặc biệt dữ liệu từ Band 6 (gồm có Band 61 và Band 62 đƣợc ghi nhận ở hai mức low gain và high gain) là cơ sở quan trọng để thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt đất, giúp cho việc giám sát hiệu quả hiệu ứng nhà kính, tác động của quá trình đô thị hóa đến việc gia tăng nhiệt độ cũng nhƣ diễn biến trạng thái nhiệt độ trong những khoảng thời gian khác nhau ở những khu vực khác nhau. Ảnh hồng ngoại nhiệt của Landsat mặc dù có độ phân giải thấp hơn ảnh các bộ cảm biến khác nhƣng lại có quỹ đạo bay chụp toàn cầu và tƣ liệu lƣu trữ lâu dài, rất thích hợp cho nhiều nghiên cứu ứng dụng. Trong nghiên cứu ƣớc tính nhiệt độ bề mặt đô thị có tính ƣu việt đặc biệt là mức độ chi tiết của kết quả 14 đƣợc thể hiện trên toàn vùng, chứ không phải chỉ là số đo tại điểm quan trắc nhƣ trong phƣơng pháp đo đạc truyền thống từ các trạm quan trắc khí tƣợng. 1.1.2. Cơ chế thu nhận ảnh hồng ngoại nhiệt Trong vùng hồng ngoại nhiệt, bức xạ phát ra bởi Trái Đất lớn hơn nhiều so với bức xạ phản xạ bởi Mặt Trời, do đó viễn thám vùng này đƣợc dùng để khôi phục giá trị nhiệt độ bề mặt đất. Kênh hồng ngoại nhiệt đƣợc sử dụng để xác định nhiệt bề mặt Hình 1. 3: Phân loại sóng điện từ Các bộ cảm biến vận hành chủ yếu phát hiện đặc tính bức xạ nhiệt của các vật liệu mặt đất. Tuy nhiên, các kênh phổ hữu ích bị hạn chế do cƣờng độ bức xạ phát ra và các cửa sổ khí quyển. Cửa sổ khí quyển tốt nhất là 8-14μm [4] do có sự hấp thụ vật chất của khí quyển là thấp nhất [5]. 15 ( Phạm Văn Cự, 2006) Hình 1. 4: Cửa sổ khí quyển và các vùng phát xạ nhiệt Phần lớn năng lƣợng bề mặt đất đƣợc các bộ cảm biến nhiệt thu nhận trong dải bƣớc sóng 10.5-12.5 μm, và đƣợc dùng để ƣớc tính nhiệt độ bề mặt đất và các quá trình nhiệt khác [5], [6],[7]. Các bộ cảm biến thu nhận dữ liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt trong 2 cửa sổ 3-5μm và 8-14μm theo bức xạ phát ra một cách tự nhiên. Bức xạ hồng ngoại nhiệt trong dải 8-14μm đƣợc phát ra từ bề mặt tƣơng quan với nhiệt độ động năng và độ phát xạ bề mặt. Tuy nhiên, để đạt đƣợc nhiệt độ và độ phát xạ bề mặt từ dữ liệu hồng ngoại nhiệt cần có 2 điều kiện. 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 đạt đƣợc nhiệt độ bề mặt, cần phải hiệu chỉnh khí quyển qua việc sử dụng mô 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 (đối với N kênh) và 1 lớp nhiệt độ bề mặt. 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[8]. Các giả thiết thƣờng liên quan đến các đo đạc độ phát xạ trong phòng thí nghiệm hoặc trên thực tế. 16 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) 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 thông 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 toán liên quan bằng các mô hình nhƣ MODTRAN, ATCOR... Thực tế các số đo điều kiện khí quyển không 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), bức xạ bề mặt đất Rλ đƣợc đo trong kênh bƣớc sóng λ gồm hai thành phần: Rλ = ε Bλ + (1 - ε) Lλ↓(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 toán, đối với các bề mặt tự nhiên, bức xạ bề mặt sẽ đƣợc biểu diễn gần đúng nhƣ sau: [9]: Rλ = ε Bλ(3) Nghiên cứu đầu tiên về đảo nhiệt đô thị đã đƣợc tiến hành vào những năm 1920 bởi nhà nghiên cứu tên Luke Howard quan sát thấy nhiệt độ ở London cao hơn so với các khu vực xung quanh và bắt đầu tiến hành các nghiên cứu nhằm tìm ra nguyên nhân cho vấn đề này. Từ đó đến nay, hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị vẫn luôn là một đề tài thu hút sự quan tâm của các nhà khí hậu học; nhiều nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng đãđƣợctiến hành tại các thành phố nhƣ London, Vancouver, Tel Aviv, Singapore, Athens, Seoul và cả Melbourne. Những nghiên cứu này, đã chỉ ra rằng hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị, đƣợc định nghĩa nhƣ là sự chênh lệch giữa nhiệt độ của các vùng nông thông xung quanh với thành phố, là do ảnh hƣởng bởi một loạt các yếu tố nhƣ: Trao đổi bức xạ 17 (bao gồm bức xạ mặt trời và bức xạ trái đất), Hoạt đông của gió, mật độ và loại cây xanh, vật liệu (tính chất về nhiệt và khả năng hấp thụ nƣớc của vật liệu), Những hoạt động phát thải nhiệt của con ngƣời. Ứng dụng viễn thám để xác định nhiệt độ bề mặt đất (LST) đƣợc phát triển từ những năm 1980. Trong những năm gần đây, cùng với việc nâng cấp độ phân giải không gian và thời gian của các cảm biến cũng nhƣ sự cải tiến của những cảm biến khí quyển, công nghệ để đo đạc LST cũng đƣợc cải tiến [39]. Trong phạm vi nghiên cứu toàn cầu, ảnh MODIS đƣợc sử dụng để định lƣợng và giám sát LST [40], đánh giá LST ở các thành phố lớn [39]. Những nghiên cứu này sử dụng các ảnh có độ phân giải thời gian cao và độ che phủ rộng của cảm biến MODIS để đánh giá nhiệt độ bề mặt đô thị của các thành phố lớn trên thế giới. Trần Hùng và cộng sự năm 2005 đã nghiên cứu hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị (UHI) ở 8 thành phố châu Á bao gồm: Tokyo, Bắc Kinh, Thƣợng Hải, Seoul, Manila và Hồ Chí Minh. Sự biến đổi về không gian của UHI ở mỗi thành phố phụ thuộc vào bề mặt che phủ của đô thị, đặc trƣng bởi cây xanh và mật độ xây dựng. Năm 2007, Jusuf và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu ảnh hƣởng của độ che phủ đất đến UHI ở Singapor bằng cách sử dụng dữ liệu Landsat ETM+ và dữ liệu điều tra lƣu động. Nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hƣởng của từng loại đất đến nhiệt độ đô thị cả ban ngày và ban đêm. Vào ban ngày, nhiệt độ khu vực công nghiệp và trung tâm thƣơng mại đạt trung bình là 36,9oC và 38.3oC. 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. Trần Thị Vân (2010) và Le Anh Quan (2012) đã sử dụng Landsat ETM+ nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đô thị dƣới tác động của sự thay đổi lớp phủ đất tại thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội. Các nghiên cứu chỉ ra mối tƣơng quan giữa hiện tƣợng UHI với việc mở rộng các khu đô thị. Diện tích mặt không thấm tăng làm nhiệt độ tăng đồng thời với việc giảm mặt nƣớc và lớp phủ thực vật. Đây là bằng chứng rõ ràng của tác động đô thị hóa đến sự thay đổi khí hậu đô thị. 18 1.2. Mặt không thấm trong nghiên cứu đô thị 1.2.1. Định nghĩa Tính không thấm nƣớc (Imperviousness) là đơn vị vật lý [9], đặc trƣng bởi sự đóng kín bề mặt từ các vật liệu xây dựng và ngăn cản sự thấm thấu nƣớc vào trong lòng đất. Các MKT là các mặt xây dựng nhân tạo nhƣ mái nhà, lối đi bộ, đƣờng giao thông, bãi đỗ, kho chứa đƣợc phủ bởi các vật liệu không thấm nhƣ nhựa đƣờng, bê tông, đá và các vật liệu xây dựng [10]. Đây là yếu tố chỉ thị rất hữu ích dùng để tính tác động của phát triển đất đai lên cảnh quan. MKT là các mặt nhân tạo, là một yếu tố chỉ thị đô thị và môi trƣờng do có liên quan đến việc xây dựng nên chúng. Các MKT này làm thay đổi tính chất khí hậu đô thị và nguồn tài nguyên nƣớc. Nƣớc mƣa chảy tràn trên các MKT đô thị, thậm chí mƣa lớn có thể xảy ra lũ quét. Sự chảy tràn nhanh và khan hiếm thực vật trên các bề mặt này cũng làm giảm lƣợng nƣớc bốc thoát hơi. Năng lƣợng Mặt Trời đến bề mặt nhiều, thay vì có thể đƣợc dùng để bốc hơi nƣớc, lại đƣợc chuyển đổi thành nhiệt hiện. Điều này làm tăng đáng kể nhiệt độ các bề mặt này và của lớp không khí bên trên. Các MKT ở đô thị có tính dẫn nhiệt và khả năng lƣu giữ nhiệt cao so với các mặt thấm có lớp phủ thực vật. Sự khác biệt trong các đặc tính nhiệt của các vật liệu bề mặt ở khu đô thị so với các khu vực thấm nƣớc tự nhiên có ý nghĩa sâu sắc không chỉ đối với nền vi khí hậu mà còn đối với sức khỏe của sông suối trong lƣu vực. Nhiều loại chất ô nhiễm, xuất phát từ nhiều nguồn, tích lũy trên các MKT đô thị. Sau đó chúng đƣợc cuốn trôi vào các khối nƣớc, làm thoái hóa chất lƣợng nƣớc nghiêm trọng và làm hại đến đời sống thủy sinh. Hơn nữa, nhiệt độ dòng chảy tràn nƣớc mƣa vào mùa hè có thể tăng lên đột ngột qua sự dẫn nhiệt từ các MKT. Các hình thức ô nhiễm nƣớc này xảy ra trên các khu đất rộng lớn hình thành nên vùng ô nhiễm. Các quá trình đô thị hóa ở các thành phố thƣờng liên quan đến các MKT, bởi vì chúng liên quan đến quá trình bê tông hóa bề mặt. Xét về góc độ sử dụng đất, chúng liên kết thích hợp với các kiểu thực phủ đô thị và biến động thực phủ. Trong việc ra quyết định sử dụng đất ở khu vực đô thị hóa, cần phải xem xét các MKT vì các nguyên nhân sau: - Đô thị hóa làm thay đổi sâu sắc các chu kỳ thủy văn và chất lƣợng nƣớc cục bộ của một lƣu vực. 19 - Các đặc tính nhiệt và phản xạ của các MKT đƣợc liên kết với hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (urban heat island), mà nó ảnh hƣởng đến sự tiện nghi và sức khoẻ của con ngƣời do sự thay đổi các dòng thông lƣợng nhiệt hiện và nồng độ các chất ô nhiễm. Nhiệt độ nƣớc chảy tràn nóng ấm làm giảm lƣợng oxy hoà tan trong nƣớc sông, làm cho đời sống thủy sinh khó khăn hơn. - Việc tăng tính không thấm tƣơng quan với sự thay đổi tính chất mỹ học của cảnh quan một khu vực, chỉ thị một sự dịch chuyển từ cảnh quan rừng và nông thôn sang môi trƣờng đô thị. Đây cũng là thƣớc đo của sự phát triển đô thị trực tiếp và không trực tiếp (do bành trƣớng đô thị). Các thay đổi này ảnh hƣởng đến chất lƣợng đời sống của các cƣ dân ở bên trong khu vực [10] 1.2.2. Các đặc trƣng vật lý của Mặt không thấm Sự phát triển đô thị làm thay đổi đất từ rừng, cỏ và đất trồng trọt sang các MKT, làm cho các cân bằng giữa năng lƣợng Mặt Trời đến và đi khỏi mặt đất cũng thay đổi. Bức xạ Mặt Trời đạt đến bề mặt Trái Đất bị phản xạ, hấp thụ và chuyển đổi sang nhiệt hiện hoặc đƣợc dùng trong bốc thoát hơi nƣớc. Trong đó, một phần trăm rất nhỏ của bức xạ Mặt Trời đƣợc dùng trong quang hợp. Khí quyển đƣợc đốt nóng chủ yếu bởi năng lƣợng bức xạ từ bề mặt Trái Đất chứ không phải nhiệt trực tiếp từ Mặt Trời. Vì vậy, các vật liệu bề mặt sẽ tác động đến lƣợng bức xạ Mặt Trời bị phản xạ hay hấp thụ, và cũng ảnh hƣởng đến dòng nhiệt từ bề mặt đất vào khí quyển. Lần lƣợt, điều này ảnh hƣởng đến nhiệt độ và độ ẩm của không khí lớp trên. Sự chuyển đổi các mặt thấm sang MKT làm thay đổi cân bằng năng lƣợng qua các thay đổi: - Albedo của các bề mặt; - Nhiệt dung riêng và tính dẫn nhiệt của các bề mặt; - Tỷ số nhiệt hiện trên nhiệt ẩn truyền từ bề mặt vào khí quyển. Albedo Albedo là phần trăm bức xạ Mặt Trời đến bị phản xạ bởi bề mặt. Nó xác định các tỷ lệ tƣơng đối của nhiệt và bay hơi bề mặt do năng lƣợng bức xạ phát ra bởi các bề mặt trả vào không gian và không đƣợc chuyển đổi thành nhiệt hiện hay nhiệt ẩn. Càng ít năng lƣợng đƣợc phản xạ bởi bề mặt nghĩa là càng nhiều 20