MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ và tình trạng sử dụng đất tại thành phố Tam Kỳ thông qua công nghệ viễn thám và GIS nhằm phục vụ quy hoạch đô thị trong tương lai Việc áp dụng công nghệ này sẽ giúp đánh giá chính xác và hiệu quả hơn về sự biến đổi nhiệt độ liên quan đến sử dụng đất, từ đó hỗ trợ các quyết định quy hoạch bền vững cho thành phố.
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
- Đánh giá tương quan giữa nhiệt độ và hiện trạng sử dụng đất của thành phố Tam
- Đề xuất các giải pháp hạn chế và thích ứng.
ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tƣợng nghiên cứu
Nghiên cứu mối tương quan giữa nhiệt độ không khí và tình trạng sử dụng đất tại thành phố Tam Kỳ, tập trung vào toàn bộ diện tích đất liền, ngoại trừ các khu vực sông suối và mặt nước Đề tài nhằm phân tích lý luận và thực tiễn để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của nhiệt độ đối với việc sử dụng đất trong khu vực này.
Phạm vi nghiên cứu
- Về không gian: Đề tài nghiên cứu mối tương quan giữa nhiệt độ và lớp phủ bề mặt trên toàn bộ diện tích đất liền thành phố Tam Kỳ
Khóa luận này tập trung nghiên cứu mối tương quan giữa nhiệt độ và lớp phủ bề mặt, với thời gian nghiên cứu được giới hạn ở một thời điểm trong năm do đặc thù của đề tài và nguồn cơ sở dữ liệu.
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 tương quan giữa nhiệt độ và lớp phủ bề mặt của thành phố Tam Kỳ
- Đề xuất một số giải pháp thích ứng.
LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU
Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra mối tương quan giữa nhiệt độ và hiện trạng sử dụng đất, trong đó có thể nhắc đến các công trình nghiên cứu nổi bật.
Javed Mallick, Yogesh Kant và B.D.Bharath (2008) đã sử dụng ảnh Landsat ETM+ để ước tính nhiệt độ bề mặt đất (LST) của thành phố Delhi, cho thấy sự thay đổi LST liên quan chặt chẽ đến các loại che phủ đất khác nhau Nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt độ bề mặt có thể ước tính được thông qua giá trị NDVI, với một tương quan mạnh mẽ giữa nhiệt độ bề mặt và NDVI được quan sát trên thảm thực vật dày đặc, thảm thực vật thưa thớt và đất trồng trọt nông nghiệp.
Các tác giả Enric Valor và Vicente Caselles (1996) đã nghiên cứu mối quan hệ giữa phát xạ bề mặt và chỉ số NDVI, ứng dụng cho các khu vực châu Âu, châu Phi và Nam Mỹ Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng giá trị phát xạ có mối liên hệ chặt chẽ với chỉ số NDVI, từ đó đề xuất mô hình phù hợp cho việc phân tích.
3 hình lý thuyết để tính giá trị phát xạ Việc tính toán này dựa trên những bề mặt đệm có tính chất đồng nhất
Nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ và tình trạng sử dụng đất tại Việt Nam đã được thực hiện qua một số nghiên cứu điển hình.
Trần Thị Ân, Nguyễn Thị Diệu và Trương Phước Minh (2011) đã áp dụng ảnh Landsat ETM+ để xác định nhiệt độ bề mặt của thành phố Đà Nẵng, sử dụng giá trị phát xạ chung cho toàn bộ mặt đệm trong nghiên cứu của họ.
Lê Văn Trung và Nguyễn Thanh Minh (2004) đã áp dụng hai thuật toán, bao gồm thuật toán kênh tham chiếu (REF) và thuật toán chuẩn hóa giá trị phát xạ (NOR), để xác định nhiệt độ bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh Kết quả nghiên cứu đã tạo ra bản đồ nhiệt độ bề mặt (LST) cho khu vực này thông qua cả hai phương pháp REF và NOR Ngoài ra, nhóm tác giả đã so sánh sự khác biệt giữa hai thuật toán và kết luận rằng thuật toán NOR có độ chính xác cao hơn so với thuật toán REF, giả định rằng hằng số trị phát xạ tại các pixel là không đổi.
Nhóm tác giả Trần Thị Vân, Hoàng Thái Lan và Lê Văn Trung (2009) đã nghiên cứu xác định nhiệt độ bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng phương pháp NDVI để hiệu chỉnh kết quả tính toán Nghiên cứu áp dụng trên hai dòng ảnh vệ tinh Landsat và ASTER với các kênh hồng ngoại nhiệt, phù hợp cho các nghiên cứu nhiệt đô thị Kết quả được so sánh với dữ liệu thực tế từ 10 điểm quan trắc nhiệt độ, phân tích sai số bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhằm chứng minh tính ưu việt của phương pháp trong điều kiện thực tế tại khu vực nghiên cứu và Việt Nam.
Theo nghiên cứu của Trần Thị Vân (2006), các loại mặt đệm phản hồi năng lượng nhiệt khác nhau, với nhiệt độ bề mặt đất được chiết tách từ kênh nhiệt 6 của Landsat ETM+ Phân tích hình ảnh cho thấy khu vực công nghiệp và dân cư có nhiệt độ bề mặt cao hơn, trong khi các khu vực có thực vật và mặt nước lại thể hiện nhiệt độ thấp hơn.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp thu thập số liệu
Phương pháp thu thập số liệu và thông tin liên quan đến đề tài nhằm xử lý và đánh giá chúng một cách khoa học Mục tiêu là xây dựng cơ sở dữ liệu hiệu quả, giảm thời gian và công sức, đồng thời tăng tính logic cho đề tài Ngoài việc thu thập số liệu từ các cơ quan, chúng tôi còn
4 khác những thông tin qua các kênh thông tin, đặc biệt là internet, sách báo Đề tài đã thu thập những số liệu sau:
TP Tam Kỳ có điều kiện tự nhiên đa dạng với các yếu tố như địa hình, khí hậu, thủy văn và thổ nhưỡng được ghi nhận Thông tin về tình hình sử dụng đất và các chỉ số kinh tế - xã hội như dân số và lao động cũng được thu thập và thống kê từ các báo cáo của UBND TP Tam Kỳ Những số liệu này cung cấp cái nhìn tổng quan về sự phát triển và tiềm năng của thành phố.
Nghiên cứu này sử dụng dữ liệu ảnh viễn thám từ Landsat OLI và TIRs để phân tích mối quan hệ giữa nhiệt độ và hiện trạng sử dụng đất tại thành phố Tam Kỳ.
Phương pháp tổng hợp và xử lý, phân tích số liệu
Việc tổng hợp, xử lý và phân tích số liệu thu thập được là bước quan trọng trong nghiên cứu đề tài Số liệu thô cần được xử lý để chuyển đổi thành thông tin hữu ích, từ đó tạo ra tri thức Phân tích dữ liệu không chỉ giúp hiểu rõ hơn về vấn đề nghiên cứu mà còn góp phần nâng cao chất lượng kết quả.
Xử lý và phân tích số liệu là quy trình quan trọng bao gồm xác định vấn đề nghiên cứu, thu thập, xử lý và phân tích số liệu, cũng như báo cáo kết quả Để đảm bảo phân tích số liệu hiệu quả, cần xác định rõ yêu cầu trước khi thu thập, nhằm thu thập đủ và chính xác số liệu phù hợp với mục tiêu nghiên cứu.
Phương pháp bản đồ và GIS và viễn thám
Sử dụng số liệu, ảnh vệ tinh và bản đồ thu thập được trong nghiên cứu, cùng với sự hỗ trợ của phần mềm viễn thám ENVI và GIS ArcGIS, chúng tôi đã xử lý và thiết lập các bản đồ thành phần Qua đó, chúng tôi đã tạo ra bản đồ tương quan giữa nhiệt độ và bề mặt đệm của thành phố Tam Kỳ, đây là phương pháp chủ đạo của đề tài.
Phương pháp thực địa
Khảo sát thực địa là phương pháp hiệu quả nhất để xác minh độ chính xác của tài liệu và số liệu thu thập Ngoài ra, phương pháp này còn giúp thu thập thông tin bổ sung cần thiết cho đề tài khi các phương pháp thu thập khác chưa đáp ứng 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.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học
Việc ứng dụng viễn thám kết hợp với GIS đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ quan trắc và đánh giá các yếu tố khí tượng cũng như môi trường đất Cơ sở khoa học cho phương pháp này giúp nâng cao hiệu quả trong việc thu thập, phân tích và quản lý dữ liệu môi trường, từ đó cung cấp thông tin chính xác và kịp thời cho các quyết định quản lý tài nguyên thiên nhiên.
Nghiên cứu này khẳng định rằng việc sử dụng công nghệ viễn thám và GIS để phân tích mối quan hệ giữa nhiệt độ và lớp phủ bề mặt là rất hiệu quả và cần thiết cho quy hoạch thích ứng với biến đổi khí hậu hiện nay.
Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu này là nguồn tư liệu tham khảo quan trọng, cung cấp thông tin về nhiệt độ, tình trạng sử dụng đất, và mối quan hệ giữa nhiệt độ và hiện trạng sử dụng đất.
Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, như nông nghiệp và lâm nghiệp, khi các vấn đề này được xem xét dưới góc độ lớp phủ và nhiệt độ bề mặt.
PHẦN NỘI DUNG
1.1 NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT BẰNG ẢNH VỆ TINH
Độ phát xạ bề mặt (land surface emissivity) là tỷ lệ giữa năng lượng phát xạ từ bề mặt tự nhiên và năng lượng phát xạ từ vật đen ở cùng bước sóng và nhiệt độ, đóng vai trò quan trọng trong việc chiết tách thông tin về nhiệt độ và độ ẩm đất từ ảnh viễn thám hồng ngoại nhiệt Mặc dù có thể xác định độ phát xạ bằng nhiệt kế bức xạ chuẩn, phương pháp này chỉ phù hợp cho nghiên cứu quy mô nhỏ Các nghiên cứu cho thấy công nghệ viễn thám, với ưu điểm như độ phủ rộng và thời gian cập nhật ngắn, có thể được áp dụng hiệu quả trong việc xác định độ phát xạ bề mặt.
Mỗi vật thể phát ra bức xạ riêng biệt dựa trên khả năng hấp thụ của nó, dẫn đến giá trị độ phát xạ khác nhau Trên ảnh vệ tinh, bề mặt đất được cảm nhận theo từng pixel có kích thước tương ứng với độ phân giải ảnh Do đó, một pixel thường chứa hỗn hợp của hai hoặc nhiều đối tượng, khiến giá trị độ phát xạ trở thành sự kết hợp của các đối tượng này.
1.1.2 Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt
Nhiệt độ bề mặt đất là nhiệt độ của lớp giữa bề mặt và khí quyển, được duy trì bởi bức xạ Mặt trời, bức xạ sóng dài, và bức xạ hồng ngoại thoát ra từ mặt đất Nó phản ánh quá trình cân bằng năng lượng trên bề mặt trái đất và là yếu tố quyết định các hiện tượng nhiệt xảy ra trên mặt đất.
Nhiệt độ bề mặt đất là chỉ thị quan trọng về sự cân bằng năng lượng và hiệu ứng nhà kính trên Trái đất Tại các vĩ độ trung bình và cao, nhiệt độ có sự biến đổi theo mùa, trong khi độ cao cũng ảnh hưởng rõ rệt đến nhiệt độ, với các khu vực đồi núi thường mát hơn Nhiệt độ bề mặt đất liên quan chặt chẽ đến các quá trình biến đổi môi trường đất, đóng vai trò quan trọng trong các hoạt động sống của sinh vật Sự nhạy cảm của nhiệt độ bề mặt đất với độ ẩm và lớp phủ thực vật làm cho nó trở thành yếu tố môi trường quan trọng.
TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
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 lượng phát xạ từ vật đen ở cùng bước 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 được xác định bằng cách sử dụng nhiệt kế bức xạ chuẩn, tuy nhiên phương 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 nước cho thấy, công nghệ viễn thám với những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống như 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 vật thể phát ra bức xạ riêng biệt tùy thuộc vào khả năng hấp thụ của nó, dẫn đến giá trị độ phát xạ khác nhau Trên ảnh vệ tinh, bề mặt đất được cảm nhận qua từng pixel, với kích thước liên quan đến độ phân giải ảnh Do đó, một pixel thường chứa hỗn hợp của hai hoặc nhiều đối tượng, khiến giá trị độ phát xạ trở thành sự kết hợp của các đối tượng này.
1.1.2 Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt
Nhiệt độ bề mặt đất là nhiệt độ của lớp giữa bề mặt đất và khí quyển, được duy trì bởi bức xạ Mặt trời, bức xạ sóng dài và sự thoát đi của bức xạ hồng ngoại từ mặt đất Đây là một chỉ số quan trọng phản ánh quá trình cân bằng năng lượng trên bề mặt trái đất và là yếu tố quyết định các hiện tượng nhiệt xảy ra trên mặt đất.
Nhiệt độ bề mặt đất là chỉ số quan trọng cho sự cân bằng năng lượng và hiệu ứng nhà kính trên Trái đất Tại các vĩ độ trung bình và cao, nhiệt độ bề mặt đất có sự biến đổi theo mùa Độ cao cũng ảnh hưởng rõ rệt đến nhiệt độ, với các khu vực đồi núi thường mát hơn các vùng khác ở cùng vĩ độ Hơn nữa, nhiệt độ bề mặt đất có mối liên hệ chặt chẽ với các quá trình biến đổi môi trường đất và ảnh hưởng đến hoạt động sống của sinh vật Do sự nhạy cảm của nó với độ ẩm đất và lớp phủ thực vật, nhiệt độ bề mặt đất còn là thành phần quan trọng trong hệ sinh thái.
7 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 và nhiệt độ không khí có sự khác biệt rõ rệt, với bề mặt đất nóng và lạnh nhanh hơn không khí Mặc dù vậy, chúng vẫn có mối liên hệ chặt chẽ, và nhiệt độ không khí thường ổn định hơn, giúp việc đo đạc trở nên dễ dàng hơn Điều này rất quan trọng trong việc nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ không khí và dữ liệu nhiệt độ bề mặt đất từ ảnh vệ tinh Nhiệt độ bề mặt đất được tính toán dựa trên phát xạ của các đối tượng như cây cối, đất đai, và nhà cửa, thông qua các cảm biến ghi nhận năng lượng điện từ trên băng nhiệt hồng ngoại của vệ tinh Việc tính toán nhiệt độ bề mặt đất hỗ trợ các nghiên cứu về biến đổi bề mặt đất, bao gồm đô thị hóa, sa mạc hóa, theo dõi hỏa hoạn và nghiên cứu lớp phủ bề mặt.
Hiện nay, ảnh viễn thám có kênh nhiệt với độ phân giải từ thấp đến trung bình đang được sử dụng rộng rãi Ảnh có độ phân giải thấp khoảng 1km thường phục vụ cho nghiên cứu ở quy mô quốc gia hoặc toàn cầu, trong khi ảnh có độ phân giải trung bình như ASTER và Landsat được áp dụng cho các nghiên cứu ở quy mô nhỏ hơn, như tỉnh hoặc 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 là hiệu số giữa năng lượng nhận được và mất đi Khi cân bằng nhiệt dương, mặt đất nóng lên, trong khi giá trị âm dẫn đến sự lạnh đi của mặt đất Để hiểu nguyên nhân thay đổi nhiệt độ bề mặt, cần xem xét quá trình thu nhận năng lượng Phương trình cân bằng nhiệt mặt đất có thể được diễn đạt một cách cụ thể.
B: Bức xạ thuần (net radiation)
L: Tiềm nhiệt bốc hơi (latent heat)
E: Lượng nước bốc hơi (evaporation)
V: Lƣợng nhiệt trao đổi với khí quyển (sensible heat) P: Lƣợng nhiệt trao đổi với lớp đất bên dưới bề mặt đất h
Vào ban ngày, B có giá trị dương (B>0), trong khi LE, V và P đều có giá trị âm (LE, V, P0) do nhận nhiều năng lượng bức xạ từ mặt trời, làm nóng mặt đất Ngược lại, vào ban đêm, B có giá trị âm (B0) và B’ trở nên âm (B’