Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Kỹ thuật - Công nghệ Năng lượng Nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ không khí thành phố hà nội do ảnh hưởng của quá ...

Tài liệu 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

.PDF
112
217
77

Mô tả:

DANH MỤC VIẾT TẮT ............................................................................................ 3 DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... 4 MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 7 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN, CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ KHÔNG KHÍ VÀ QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA ...................................................... 13 1.1. Tổng quan nghiên cứu nhiệt độ không khí và quá trình đô thị hóa ......... 13 1.1.1.Tổng quan nghiên cứu nhiệt độ không khí ............................................ 13 1.1.2. Tổng quan nghiên cứu đô thị hóa .......................................................... 24 1.2. Cơ sở lý luận về nhiệt độ không khí và quá trình đô thị hóa ................... 35 1.2.1 Đảo nhiệt đô thị và các yếu tố ảnh hƣởng ............................................. 35 1.2.2. Vai trò của các yếu tố đô 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 đô 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 đô 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 quá trình đô 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 2 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 đô 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 đô thị hóa và hiệu ứng đảo nhiệt .............................. 89 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 95 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 9
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------------- Nguyễn Ngọc Quỳnh NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ KHÔNG KHÍ THÀNH PHỐ HÀ NỘI DO ẢNH HƢỞNG CỦA QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA 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 KHÔNG KHÍ THÀNH PHỐ HÀ NỘI DO ẢNH HƢỞNG CỦA QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA 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 môi trƣờng quý báu mà còn tạo mọi điều kiện và chỉ bảo tận tình giúp em hoàn 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 cô, 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 Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các thông 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 công bố trong bất kỳ công 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 KHÔNG KHÍ VÀ QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA ......................................................13 1.1. Tổng quan nghiên cứu nhiệt độ không khí và quá trình đô thị hóa ......... 13 1.1.1.Tổng quan nghiên cứu nhiệt độ không khí ............................................ 13 1.1.2. Tổng quan nghiên cứu đô thị hóa.......................................................... 24 1.2. Cơ sở lý luận về nhiệt độ không khí và quá trình đô thị hóa ................... 35 1.2.1 Đảo nhiệt đô thị và các yếu tố ảnh hƣởng............................................. 35 1.2.2. Vai trò của các yếu tố đô 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 đô 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 đô 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 quá trình đô 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 đô 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 đô 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 môi 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 đô 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 đô 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 không gian đô 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 đô 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 Quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa toàn cầu đang diễn ra rất mạnh mẽ, bên cạnh đó là sự phát triển vƣợt bậc của các công 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 công trình xây dựng phục vụ cho nhu cầu sử dụng cũng ngày càng dày đặc hơn. Chính các công trình nhà ở, trung tâm thƣơng mại, khu công nghiệp, công trình giao thông tại thành phố đã khiến cho quỹ đất tự nhiên đang dần thu hẹp lại, diện tích bề mặt không thấm nƣớc tăng lên. Bên cạnh đó môi trƣờng không 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 môi trƣờng không khí suy giảm, ngoài hiện tƣợng El Nino, hiện tƣợng biến đổi khí hậu, phần lớn tại các thành phố còn 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 công 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 không khí trở nên nóng và khô. Nguyên 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, khô hạn khắp châu Á. Ba nguyên nhân này mang tính lãnh thổ rộng lớn, có tính khách quan không thể tránh đƣợc. Ngoài các nguyên nhân kể trên còn có nguyên nhân thứ tƣ gây nên nắng nóng kỷ lục ở Hà Nội trong thời gian qua, nguyên nhân có tính cục bộ, thƣờng xảy ra trong một đô thị, đó là hiện tƣợng đảo nhiệt đô 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 đô thị (các công trình kiến trúc chạy máy điều hòa không khí (ĐHKK) và xe cộ). Trong mấy chục năm trở lại đây Hà Nội đang diễn ra quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa với tốc độ rất nhanh. Khi giải phóng Thủ đô, 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 luôn có trên 1.000 công trình xây dựng lớn nhỏ đƣợc thi công; mỗi tháng có khoảng 10.000 m2 đƣờng bị đào bới để thi công các công trình hạ tầng kỹ thuật. Hoạt động đô 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 tông 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 không khí ở khu vực có công trình xây dựng: các bề mặt bị BXMT (đặc biệt trực xạ) chiếu tới sẽ nóng dần lên. Trong một ngày, thông thƣờng lúc 15h là các bề mặt sẽ có nhiệt độ cao nhất. Không khí tiếp giáp với bề mặt nóng sẽ nóng lên theo (do trao đổi nhiệt đối lƣu), đồng thời còn bị đốt nóng bởi các nguồn nhiệt thải ra từ xe cộ, từ các máy ĐHKK của công trình kiến trúc xung quanh, dẫn đến tỷ trọng không khí đô thị giảm dần và bay lên cao, nhƣờng chỗ cho không khí mát hơn thay vào. Cứ nhƣ vậy không khí trong khu vực sẽ nóng dần lên, lan dần ra cả đô thị và nóng hơn cả không khí nóng của khối không khí của hiệu ứng Phơn từ phía Tây thổi sang. Gió sẽ đƣa không khí nóng này tới các khu vực khác trong đô thị làm cho cả đô thị nóng lên, gây ra hiện tƣợng đảo nhiệt đô thị và nóng bức rất khó chịu. Vì vậy nhiệt độ không khí đô thị thƣờng cao hơn các vùng nông thôn lân cận từ 3 – 5oC. - Nhiều ao hồ, ngòi rãnh vốn có chức năng điều hòa 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, ngòi rãnh của 4 quận nội thành cũ. Bên cạnh đó bề mặt đất Hà Nội đã bị bê tông 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 hòa khí hậu là ao hồ và cây xanh. Tuy nhiên, do quá trình đô 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 : Hòa 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), ông 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 nguyên nhân chính gây ra tình trạng đó là do quá trình đô thị hóa. 9 Hiện nay, trong bối cảnh đất nƣớc Việt Nam trong thời kỳ đẩy mạnh công nghiệp hóa hiện đại hóa, sự phát triển mạnh mẽ đến từ các công trình xây dựng, đặc biệt là thành phố Hà Nội đã tác động tiêu cực đến môi trƣờng xung quanh nói chung cũng nhƣ môi trƣờng không 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 môi trƣờng không 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 không khí thành phố Hà Nội do ảnh hưởng của quá trình đô 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 môi trƣờng không 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 đô 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. - Quá trình đô 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 quá trình đô 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 môi trƣờng (cụ thể nhiệt độ không khí) do ảnh hƣởng quá trình đô thị hóa. - Trở thành công 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 không khí và quá trình đô 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 KHÔNG KHÍ VÀ QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA 1.1. Tổng quan nghiên cứu nhiệt độ không khí và quá trình đô thị hóa 1.1.1.Tổng quan nghiên cứu nhiệt độ không khí 1.1.1.1. Vấn đề nhiệt độ không khí trên bề mặt đất Nhiệt độ không 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, nông 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 thoát 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 mô toàn cầu và cấp vùng là không thể thiếu đƣợc để đặc trƣng các thay đổi khí hậu. Các mục đích khoa học không 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 không gian của nhiều mô hình tuần hoàn, 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 không 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 không 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 toán. 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 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 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 phòng 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 yêu 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 mô 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 thông tin phát xạ bề mặt và tính toán đồng thời với hiệu 14 ứng khí quyển. Điều này sẽ gặp khó khăn khi không 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 toán 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 công 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…), không thể hiện sự thay đổi chi tiết độ phát xạ của từng đối tƣợng cụ thể. Vì vậy, kết quả không 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 toán 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 chuyên dùng vào mục đích thăm dò tài nguyên 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 không khí trên bề mặt đất a) Cơ sở khoa học chiết xuất nhiệt độ không 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
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan