Luận văn thạc sĩ Quản lý tài nguyên và môi trường: Ứng dụng viễn thám xác định các tham số khí tượng, hỗ trợ tính chỉ số nhiệt môi trường đô thị cho thành phố Hồ Chí Minh

Nhiệm vụ: Xác định các tham số khí tượng từ kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám để mô phỏng phân bố không gian tình trạng nhiệt môi trường đô thị cho Thành Phố Hồ Chí Minh, từ đó đề xuất giải

,ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NHIỆT MÔI TRƯỜNG ĐÔ THỊ CHO THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60.85.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

i

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Thị Vân

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS LÂM ĐẠO NGUYÊN

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS NGUYỄN KIM LỢI

Luận văn Thạc sĩ đã được bảo vệ tại trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TPHCM ngày 9 tháng 7 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch hội đồng: PGS.TS LÊ VĂN TRUNG 2 Cán bộ nhận xét 1: TS LÂM ĐẠO NGUYÊN 3 Cán bộ nhận xét 2: PGS.TS NGUYỄN KIM LỢI 4 Ủy viên hội đồng: THS LƯU ĐÌNH HIỆP 5 Thư ký hội đồng: TS LÂM VĂN GIANG

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

VÀ TÀI NGUYÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO - HẠNH PHÖC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: VÕ THỊ NGỌC ANH MSHV: 1570909 Ngày sinh: 08/01/1991 Nơi sinh: TPHCM Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường Mã số: 60.85.01.01

TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng viễn thám xác định các tham số khí tượng, hỗ trợ tính chỉ số

nhiệt môi trường đô thị cho Thành Phố Hồ Chí Minh

I NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 1 Nhiệm vụ: Xác định các tham số khí tượng từ kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám để

mô phỏng phân bố không gian tình trạng nhiệt môi trường đô thị cho Thành Phố Hồ Chí Minh, từ đó đề xuất giải pháp giảm thiểu tác động của tình trạng căng thẳng nhiệt nhằm phục vụ chất lượng sống đô thị ngày càng tốt hơn

phủ bề mặt với môi trường nhiệt đô thị - Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, đề xuất các giải pháp phù hợp hỗ trợ công tác

quản lý môi trường, nhằm phục vụ chất lượng sống đô thị ngày càng tốt hơn

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/02/2019 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS TRẦN THỊ VÂN

TPHCM, ngày … tháng … năm 2019

PGS.TS Trần Thị Vân TS Lâm Văn Giang

TRƯỞNG KHOA

iii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa đã tạo điều kiện cho em được thực hiện luận văn, cùng tất cả Quý Thầy Cô của trường đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức cơ sở rất hữu ích trong suốt chương trình học Cao học giúp em thực hiện tốt luận văn này

Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến cô PGS.TS Trần Thị Vân, là người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm luận văn, là người đã luôn động viên em những lúc nản lòng vì gặp khó khăn khi thực hiện đề tài và là người đã giúp em có thể hoàn thiện thật tốt luận văn của mình

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, người thân, bạn bè đã động viên, giúp đỡ trong suốt quá tình học tập và hoàn thành đề tài

Thời gian thực hiện đề tài có hạn, bản thân em đã cố gắng, nổ lực để đạt được kết quả tốt nhất nhưng kinh nghiệm nghiên cứu chưa nhiều nên vẫn còn nhiều sai sót, kính mong quý thầy cô góp ý để đề tài được hoàn chỉnh hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Võ Thị Ngọc Anh

TÓM TẮT

Hiện nay, dưới tác động của đô thị hóa và biến đổi khí hậu toàn cầu làm cho trái đất nóng dần lên, không gian xanh thì bị thu hẹp, cơ sở hạ tầng tăng nhanh, diện tích nhà ở và khu công nghiệp được mở rộng, điều đó làm gia tăng nhiệt độ môi trường đô thị Vấn đề này đang rất được quan tâm trong và ngoài nước Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh phân tích tình trạng nhiệt môi trường đô thị khu vực Bắc thành phố Hồ Chí Minh thông qua chỉ số nhiệt môi trường đô thị với đại diện là chỉ số bất tiện nghi nhiệt (DI) Chỉ số này được thành lập dựa trên tham số khí tượng nhiệt độ không khí và độ ẩm tương đối tính toán từ ảnh vệ tinh Kết quả nghiên cứu cho thấy, căng thẳng nhiệt diễn ra khác nhau trên từng vùng của khu vực nghiên cứu và cho thấy mối liên hệ giữa sự phân bố diện tích lớp phủ và sự tiện nghi nhiệt Phân tích cho thấy tình trạng nhiệt của môi trường đô thị biểu hiện phần lớn ở khu vực nội thành với vùng diện tích không tiện nghi cao hơn các vùng ngoại ô xung quanh, là nơi có diện tích bề mặt không thấm lớn và có mật độ cây xanh thấp Khu vực ngoại thành với mật độ cây xanh cao thường có mức tiện nghi nhiệt môi trường cao hơn so với khu vực nội thành Cụ thể, khu vực đô thị có tỉ lệ vùng không tiện nghi cao nhất tới 76%, vùng rất không tiện nghi 87%, ngược lại khu vực thực vật có tỉ lệ vùng tiện nghi cao nhất tới 91%, các vùng không tiện nghi 11.5% và rất không tiện nghi chỉ chiếm khoảng 15.5% Từ những kết quả trên, luận văn đã đề xuất các giải pháp thích hợp để cải thiện tình trạng nhiệt môi trường đô thị cho khu vực nghiên cứu Kết quả nghiên cứu của luận văn có thể góp phần hỗ trợ công tác quy hoạch, quản lý môi trường đô thị cũng như xem xét đánh giá nhiều hơn ở những khu vực tương tự khu vực nghiên cứu Kết quả cũng minh chứng rằng phương pháp viễn thám có thể được xem như một công cụ hữu ích, kinh tế để hỗ trợ giám sát môi trường ở các thành phố và cấp tỉnh thành

v

ABSTRACT

Currently, under the impact of urbanization and climate change lead to the global warming, narrowed green space, increasing infrastructure, house and industrial rapidly, which increases the urban environmental temperature This issue is very interested in our country and all over the world The thesis presents the results of research on satellite image application to analyze the urban environmental heat in the North of Ho Chi Minh City through urban environmental heat index with representative of the uncomfortable index of heat ( DI) This index was established based on meteorological parameters of air temperature and relative humidity calculated from satellite images Research results show that heat stress occurs differently in each region of the study area and shows the relationship between the landcover and thermal comfort The analysis shows that the heat stress index of the urban environment is expressed largely in the urban, uncomfortable area in the urban is larger than the suburban, where there is a large area of impermeable and low green density Suburban areas with high green density, comfortable index is higher than in urban areas In particular, uncomfortable index in the urban area is 76%,very uncomfortable index in the urban area is 87%, whereas the vegetation area has the highest percentage of comfortable areas to 91%, the unconvenient areas is 11.5% and very uncomfortable only about 15.5% From the above results, the thesis proposes appropriate solutions to improve urban environmental heat index for the study area The results of the thesis can contribute to support the planning and management of urban environment as well as to consider more in areas similar to the study area The results also demonstrate that remote sensing methods can be viewed as a useful and economic tool to support environmental monitoring in cities and provinces

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS.Trần Thị Vân Ngoại trừ những nội dung đã được trích dẫn, các số liệu, kết quả được trình bày trong luận văn này là hoàn toàn chính xác, trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình nghiên cứu nào khác trước đây

Tôi xin lấy danh dự của bản thân để đảm bảo cho lời cam đoan này

Học viên

Võ Thị Ngọc Anh

1.Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Nội dung nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5

1.1 NHIỆT MÔI TRƯỜNG ĐÔ THỊ 5

1.1.1 Chỉ số nhiệt 6

1.1.2 Khái niệm tiện nghi nhiệt 6

1.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt môi trường đô thị đến con người 7

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NHIỆT MÔI TRƯỜNG ĐÔ THỊ 9

1.2.1 Nghiên cứu trên thế giới 9

1.2.2 Nghiên cứu ở Việt Nam 10

1.3 TỔNG QUAN KHU VỰC NGHIÊN CỨU 12

1.3.1 Điều kiện tự nhiên TP.HCM 12

1.3.2 Điều kiện kinh tế - xã hội TP.HCM 14

1.3.3 Hiện trạng môi trường nhiệt đô thị tại thành phố 15

Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ 17

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17

2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ VIỄN THÁM 17

2.1.1 Nguyên lý viễn thám và thông tin đối tượng 17

2.1.2 Dải quang phổ hồng ngoại nhiệt 18

2.2.2 Công thức tính toán chỉ số bất tiện nghi DI 22

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.3.1 Hiệu chỉnh bức xạ 23

2.3.2 Chỉ số thực vật NDVI 24

2.3.3 Nhiệt độ bề mặt 24

2.3.4 Phương pháp thống kê 27

2.3.5 Đánh giá sai số kết quả 29

2.4 DỮ LIỆU VIỄN THÁM SỬ DỤNG NGHIÊN CỨU 29

2.6 QUY TRÌNH THỰC HIỆN 31

2.6.1 Sơ đồ quy trình thực hiện 31

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33

3.1 TIỀN XỬ LÝ ẢNH VÀ PHÂN LOẠI LỚP PHỦ 33

3.1.1 Kết quả hiệu chỉnh hình học 33

3.1.3 Phân loại lớp phủ bề mặt 34

3.2 XÁC ĐỊNH HÀM ƯỚC TÍNH CÁC THAM SỐ KHÍ TƯỢNG TỪ ẢNH VỆ TINH 36

3.3.1 Nhiệt độ không khí 36

3.3.2 Độ ẩm không khí 39

3.3 HỆ THỐNG PHÂN NGƯỠNG THAM SỐ KHÍ TƯỢNG VÀ KHU VỰC PHÂN TÍCH 41

3.3.1 Hệ thống phân ngưỡng tham số nhiệt độ không khí Ta 41

3.3.2 Hệ thống phân ngưỡng tham số độ ẩm tương đối không khí Rh 42

ix

3.3.3 Hệ thống phân ngưỡng chỉ số bất tiện nghi nhiệt 43

3.3.5 Phân chia khu vực đô thị 46

3.4 HIỆN TRẠNG LỚP PHỦ 46

3.4.1 Trên không gian toàn thành phố 46

3.4.2 Trên không gian theo khu vực 49

3.4.3 Phân tích lớp phủ đô thị theo quận huyện 53

3.5 HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG NHIỆT ĐÔ THỊ 55

3.5.1 Phân bố nhiệt độ không khí 55

3.5.2 Phân bố độ ẩm không khí 65

3.5.3 Phân bố không gian tiện nghi nhiệt 73

3.6 QUAN HỆ GIỮA CÁC MỨC TIỆN NGHI NHIỆT VỚI LỚP PHỦ BỀ MẶT 82

3.7 ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP GIẢM CĂNG THẲNG NHIỆT MÔI TRƯỜNG ĐÔ THỊ 85

3.7.1 Cải thiện mảng xanh 85

3.7.2 Tuyên truyền giáo dục ý thức 86

3.7.3 Quy hoạch và cấu trúc xây dựng đô thị .86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87

KẾT LUẬN 87

KIẾN NGHỊ 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

Phụ lục 1: Một số hình ảnh thực địa vào tháng 1 năm 2019 94

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng dữ liệu ảnh thu nhận 30

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của ảnh vệ tinh Landsat 30

Bảng 3.1 Sai số nắn chỉnh ảnh RMSE 33

Bảng 3.2 Bảng phân ngưỡng giá trị NDVI 35

Bảng 3.3 Độ chính xác phân loại theo pixel ảnh ngày 19/01/2019 36

Bảng 3.4.Tập dữ liệu dùng tính tương quan xác định hàm hồi quy giữa Ta và Ts 38

Bảng 3.5 Tập dữ liệu dùng tính tương quan giữa xác định hàm hồi quy NDVI và Rh 40Bảng 3.6 Bảng phân ngưỡng các mức giá trị nhiệt độ không khí Ta 42

Bảng 3.7 Bảng phân ngưỡng các mức giá trị độ ẩm không khí RH 43

Bảng 3.8 Bảng phân ngưỡng tiện nghi nhiệt cho Akure 44

Bảng 3.9 Bảng phân ngưỡng tiện nghi dựa trên thang đo nhiệt độ hiệu quả 45

Bảng 3.10 Bảng phân ngưỡng các mức tiện nghi dựa trên thang đo chỉ số DI 45

Bảng 3.11 Diện tích và Tỉ lệ lớp phủ bề mặt trên toàn khu vực nghiên cứu 48

Bảng 3.12 Diện tích và Tỉ lệ lớp phủ bề mặt 13 quận nội thành 49

Bảng 3.13 Diện tích và Tỉ lệ lớp phủ bề mặt 6 quận nội thành phát triển mới 50

Bảng 3.14 Diện tích và Tỉ lệ lớp phủ bề mặt 19 quận nội thành 51

Bảng 3.15 Diện tích và Tỉ lệ lớp phủ bề mặt 4 huyện ngoại thành 52

Bảng 3.16 Giá trị NDVI trung bình chi tiết quận/huyện thuộc TPHCM 54

Bảng 3.17 Số liệu và kết quả sai số tính nhiệt độ không khí ngày 19/1/2019 56

Bảng 3.18 Phân bố diện tích và tỉ lệ các mức nhiệt độ không khí trên toàn khu vực nghiên cứu 58

Bảng 3.19 Bảng diện tích và tỉ lệ các mức nhiệt độ 13 quận nội thành 60

Bảng 3.20 Bảng diện tích và tỉ lệ các mức nhiệt độ 6 quận nội thành phát triển mới 61

Bảng 3.21 Bảng diện tích và tỉ lệ các mức nhiệt độ 19 quận nội thành 62

Bảng 3.22 Bảng diện tích và tỉ lệ các mức nhiệt độ 4 huyện ngoại thành 63

Bảng 3.23 Giá trị nhiệt độ không khí trung bình chi tiết quận/huyện thuộc TPHCM 64

Bảng 3.24 Số liệu và kết quả sai số tính nhiệt độ không khí ngày19/01/2019 66

Bảng 3.25 Bảng diện tích và tỉ lệ các mức độ ẩm trên toàn khu vực nghiên cứu 67

Bảng 3.26 Bảng diện tích và tỉ lệ các mức độ ẩm 13 quận nội thành TPHCM 68

Bảng 3.27 Bảng diện tích và tỉ lệ các mức độ ẩm 6 quận nội thành 69

Bảng 3.28 Bảng diện tích và tỉ lệ các mức độ ẩm 19 quận nội thành 69

Bảng 3.29 Bảng diện tích và tỉ lệ các mức độ ẩm 4 huyện ngoại thành 70

Bảng 3.30 Giá trị độ ẩm trung bình chi tiết quận/huyện thuộc TPHCM 71

Bảng 3.31 Bảng diện tích và tỉ lệ các mức tiện nghi khu vực nghiên cứu 74

Bảng 3.32 Bảng diện tích và tỉ lệ các mức tiện nghi khu vực 13 quận nội thành 76

xi

Bảng 3.33 Bảng diện tích và tỉ lệ các mức tiện nghi khu vực 6 quận nội thành 77

Bảng 3.34 Bảng diện tích và tỉ lệ các mức tiện nghi khu vực 19 quận nội thành 78

Bảng 3.35 Bảng diện tích và tỉ lệ các mức tiện nghi khu vực 4 quận ngoại thành 79

Bảng 3.36 Giá trị DI trung bình chi tiết quận/huyện thuộc TPHCM 80

Bảng 3.37 Giá trị bất tiện nghi nhiệt trung bình (oC) theo phân khu vực 81

Bảng 3.38 Tương quan giữa lớp phủ đô thị và các vùng tiện nghi nhiệt từ chỉ số DI 83

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Khu vực nghiên cứu trong toàn thành phố Hồ Chí Minh 13

Hình 2.1 Các kênh được sử dụng trong viễn thám 18

Hình 2.2 Phổ điện từ thể hiện các kênh sử dụng trong các vùng hấp thụ của khí quyển của viễn thám quang học 19

Hình 2.3 Sơ đồ quy trình thực hiện 32

Hình 3.1 Ảnh trước và sau khi cắt theo khu vực nghiên cứu TPHCM 34

Hình 3.2 Biểu đồ thể hiện tương quan giữa Ta và Ts 39

Hình 3.3 Biểu đồ thể hiện tương quan giữa độ ẩm không khí và NDVI 41

Hình 3.4 Bản đồ phân vùng đánh giá trên khu vực nghiên cứu 46

Hình 3.5 Bản đồ phân bố lớp phủ bề mặt khu vực nghiên cứu ngày 19/01/2019 47

Hình 3.6 Biểu đồ tỉ lệ (%) phân bố lớp phủ trên toàn khu vực nghiên cứu 48

Hình 3.7 Bản đồ phân bố lớp phủ bề mặt 13 quận nội thành 49

Hình 3.8 Bản đồ phân bố lớp phủ bề mặt 6 quận nội thành phát triển mới 50

Hình 3.9 Bản đồ phân bố lớp phủ bề mặt 19 quận nội thành 51

Hình 3.10 Bản đồ phân bố lớp phủ 4 huyện ngoại thành 52

Hình 3.11 Bản đồ phân bố lớp phủ Q Tân Phú, Q.Thủ Đức,huyện Củ Chi 53

Hình 3.12 Biểu đồ phân bố lớp phủ trên 23 quận huyện 54

Hình 3.13 Bản đồ phân bố nhiệt độ không khí khu vực nghiên cứu ngày 19/01/2019 57

Hình 3.14 Biểu đồ tỉ lệ (%) các mức nhiệt độ TP.HCM 58

Hình 3.15 Biểu đồ giá trị nhiệt độ trung bình theo khu vực 59

Hình 3.16 Bản đồ nhiệt độ không khí 13 quận nội thành 60

Hình 3.17 Bản đồ nhiệt độ không khí 6 quận nội thành phát triển mới 61

Hình 3.18 Bản đồ nhiệt độ không khí 19 quận nội thành 62

Hình 3.19 Bản đồ nhiệt độ không khí 4 huyện ngoại thành 63

Hình 3.20 Bản đồ nhiệt độ không khí Q Tân Phú, Q.Thủ Đưc, huyện Củ Chi 64

Hình 3.21 Biểu đồ giá trị nhiệt độ không khí trung bình các quận huyện 65

Hình 3.22 Bản đồ phân bố độ ẩm không khí khu vực nghiên cứu ngày 19/1/2019 67

Hình 3.23 Bản đồ độ ẩm 13 quận nội thành TPHCM 68

Hình 3.24 Bản đồ độ ẩm 6 quận nội thành phát triển mới 68

Hình 3.25 Bản đồ độ ẩm 19 quận nội thành 69

Hình 3.26 Bản đồ phân bố độ ẩm 4 huyện ngoại thành 70

Hình 3.27 Bản đồ độ ẩm quận Tân Phú, quận Thủ Đức, huyện Củ Chi 71

Hình 3.28 Biểu đồ ngưỡng độ ẩm trung bình 23 quận tại TP.HCM 72

Hình 3.29 Bản đồ phân bố mức tiện nghi nhiệt khu vực nghiên cứu ngày 19/01/2019.73Hình 3.30 Biểu đồ tỷ lệ diện tích các mức tiện khu vực nghiên cứu 74

Hình 3.31 Biểu đồ giá trị DI trung bình các vùng trên khu vực nghiên cứu 75

xiii

Hình 3.32.Bản đồ DI khu vực 13 quận nội thành 76

Hình 3.33.Bản đồ tiện nghi nhiệt khu vực 6 quận nội thành phát triển mới 77

Hình 3.34.Bản đồ % mức tiện nghi khu vực 19 quận nội thành 78

Hình 3.35 Bản đồ các mức tiện nghi khu vực 4 quận ngoại thành 79

Hình 3.36.Bản đồ mức tiện nghi đặc trưng Q Tân Phú, Q.Thủ Đưc,huyện Củ Chi 80

Hình 3.37 Biểu đồ mức tiện nghi đặc trưng ở các quận Huyện 82

Hình 3 38 Biểu đồ tương quan giữa lớp phủ đô thị và các vùng tiện nghi nhiệt từ chỉ số DI 84

NDVI : Normalized Differential Vegetation Index

Chỉ số thực vật khác biệt thông thường QCVN : Quy chuẩn Việt Nam

RED : Kênh phản xạ ở dải bước sóng đỏ

Relative humidity Độ ẩm tương đối Ta : Air Temperature

Nhiệt độ không khí TP.HCM : Thành phố Hồ Chí Minh Ts : Surface Temperature

Nhiệt độ bề mặt UHI : Urban heat island

Đảo nhiệt đô thị UTM : Universal Transverse Mercator

Hệ tọa độ UTM

1

MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, tốc độ phát triển đô thị ngày càng cao, dân số tăng nhanh cùng với sự di dân, tạo ra nhiều vấn đề về môi trường về xã hội Trong đó, cảm nhận rõ nhất là sự căng thẳng nhiệt trong môi trường đô thị, đặt biệt là khu vực nội thành, dẫn đến sự thiếu tiện nghi về môi trường làm việc, môi trường sống cũng như làm giảm năng suất lao động Nhiệt tạo ra và nhiệt thu giữ từ các tòa nhà, mặt đường, khiến cho môi trường thành phố nóng lên (được gọi là hòn đảo nhiệt đô thị) Các vấn đề này làm cho môi trường nhiệt ngày càng khắc nghiệt, sự tiện nghi trở nên bất ổn cho thành phố ở hiện tại và tương lai, đòi hỏi chúng ta phải nghiên cứu về môi trường nhiệt đô thị để thành phố trong tương lai trở thành khu vực đáng sống hơn với mức tiện nghi về nhiệt tốt hơn

Chỉ số nhiệt môi trường đô thị UEHI (Urban-Environment Heat Index), bản chất là chỉ số mức độ tiện nghi nhiệt tại nơi làm viêc và nơi sinh sống của cư dân thành phố, chỉ số này được đo lường từ các yếu tố khí tượng, chủ yếu bao gồm nhiệt độ và độ ẩm được đo ở độ cao 2m Các quan trắc từ trạm khí tượng chỉ cho biết số đo tại điểm quan trắc, nhưng khi được kết hợp với việc ứng dụng viễn thám để mô phỏng rộng hơn mức độ tiện nghi nhiệt về mặt không gian Cho chúng ta thấy được khái quát hơn, toàn diện hơn mức độ tiện nghi nhiệt trên toàn thành phố, cũng như mở rộng hơn nữa trên nhiều vùng nghiên cứu khác Viễn thám là công nghệ nhiều tiềm năng, do sử dụng nguồn ảnh vệ tinh có khả năng cung cấp được nhiều thông tin hữu ích trên một phạm vi rộng lớn, theo chu kì và thể hiện hình ảnh không gian, ngoài ra viễn thám còn là một kỹ thuật nổi bật trong quá trình đánh giá, nhờ khả năng cung cấp thông tin nhanh chóng, chi phí hợp lí và thông tin bao phủ toàn khu vực nghiên cứu

Thành phố Hồ Chí Minh là một trong những đô thị phát triển và mở rộng nhanh Sự gia tăng dân số và phát triển kinh tế – xã hội dẫn đến cơ sở hạ tầng tăng nhanh, diện tích nhà ở được mở rộng ra ngoại thành nhiều hơn so với trước đây Điều đó tác động đến sự biến đổi vi khí hậu, rõ nét nhất là sự tăng lên của nhiệt độ bề mặt đô thị so với các vùng lân cận, hình thành nên “đảo nhiệt” (heat island) trong lớp biên khí quyển bên trên của thành phố, đồng thời cũng gây nên những vấn đề môi trường nghiêm trọng đối

với cư dân, đặc biệt là sự tiện nghi nhiệt ngày càng suy giảm do sự nóng toàn cầu và ngay chính bên trong thành phố

Xuất phát từ những lý do trên, để phản ánh thực tế trên toàn vùng nghiên cứu về mặt không gian, lựa chọn phương pháp viễn thám sử dụng trong bài nghiên cứu này là

giải pháp hiệu quả nhất Đề tài “Ứng dụng viễn thám xác định các tham số khí tượng,

hỗ trợ tính chỉ số nhiệt môi trường đô thị cho Thành Phố Hồ Chí Minh” được đề xuất

thực hiện cho luận văn tốt nghiệp

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xác định các tham số khí tượng từ kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám để mô phỏng phân bố không gian tình trạng nhiệt môi trường đô thị cho Thành Phố Hồ Chí Minh (TPHCM), từ đó đề xuất giải pháp giảm thiểu tác động của tình trạng căng thẳng nhiệt nhằm phục vụ chất lượng sống đô thị ngày càng tốt hơn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: bao gồm:

- Hai tham số khí tượng: nhiệt độ không khí và độ ẩm không khí - Chỉ số nhiệt môi trường đô thị UEHI thông qua chỉ số bất tiện nghi nhiệt DI (Thermal Discomfort Index)

Các tham số này được tính toán từ ảnh vệ tinh với các kỹ thuật xử lý ảnh số và thông kê

Giới hạn nghiên cứu: Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sống và khả

năng làm việc, sức khỏe của con người có thể kể đến như nhiệt độ môi trường, chất lượng nước, chất lượng không khí, chất thải rắn, cây xanh, tiếng ồn, các yếu tố kinh tế xã hội, áp lực môi trường … Mỗi nhà quản lý sẽ có những chỉ tiêu riêng để đánh giá chất lượng môi trường sống và làm việc Tuy nhiên, luận văn theo hướng ứng dụng viễn thám nên chỉ xem xét các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, chỉ số tiện nghi nhiệt được trích xuất trực tiếp và gián tiếp từ ảnh vệ tinh, mang đặc tính không gian và định lượng có tính khách quan cao Nghĩa là, luận văn sẽ không xem xét các yếu tố về kinh tế xã hội liên quan, cũng như các yếu tố về chất lượng môi trường đất, nước, khí khác

3

Khu vực nghiên cứu:

Phía Bắc thành phố Hồ Chí Minh (trừ huyện Cần Giờ)

Thời gian nghiên cứu:

Ảnh chụp vệ tinh ngày 19 tháng 01 năm 2019

4 Nội dung nghiên cứu

(1) Tổng quan các tài liệu, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về ứng dụng viễn thám trong giám sát nhiệt môi trường

(2) Xác định các tham số khí tượng từ xử lý ảnh, gồm nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, tính toán chỉ số DI và thành lập bản đồ phân bố không gian

(3) Đánh giá hiện trạng các yếu tố thành phần và phân tích tương quan giữa lớp phủ bề mặt với môi trường nhiệt đô thị

(4) Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, đề xuất các giải pháp phù hợp hỗ trợ công tác quản lý môi trường, nhằm phục vụ chất lượng sống đô thị ngày càng tốt hơn

5 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận văn bao gồm:

1 Phương pháp tổng quan tài liệu, thu thập dữ liệu: Phương pháp này dùng để

tổng hợp thông tin tài liệu về vấn đề nghiên cứu trong đề tài Các thông tin được thu thập từ các bài báo khoa học, luận văn, luận án, các sách, tập san cũng như từ các nguồn thông tin đáng tin cậy trên mạng Internet và các cơ quan quản lý liên quan

2 Phương pháp thống kê: Phương pháp được sử dụng chủ yếu trong đề tài là

tính toán chỉ số bất tiện nghi nhiệt theo phương trình tuyến tính từ các giá trị nhiệt độ và độ ẩm, phân tích hồi quy tuyến tính (hoặc phi tuyến) để tìm ra mối quan hệ giữa nhiệt độ và độ ẩm được tính toán từ ảnh vệ tinh với giá trị nhiệt độ tại các trạm đo Ngoài ra, đề tài còn sử dụng các phép thống kê theo phần trăm, phân tích xu hướng biến động để đánh giá sự biến động của vùng tiện nghi nhiệt theo thời gian và không gian

3 Phương pháp viễn thám: Các phép xử lý ảnh số kết hợp tính toán các chỉ số

thành phần và thành lập bản đồ được thực hiện bằng phương pháp này

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

5.1 Tính khoa học

Kết quả của đề tài sẽ đóng góp cơ sở khoa học xác định tình trạng căng thẳng nhiệt, sự tiện nghi nhiệt của môi trường đô thị Thành phố Hồ Chí Minh bằng viễn thám, hỗ trợ con người không cần trực tiếp đến tận nơi hay đo đạc từng điểm Nhờ tiếp cận viễn thám mà có thể đánh giá chính xác hơn các vùng tiện nghi nhiệt, sự phân bố của nó về mặt không gian đối với 23 quận huyện khu vực TPHCM

5.2 Tính thực tiễn

Vấn đề về căng thẳng nhiệt, sự tiện nghi nhiệt của môi trường đô thị hiện nay đang được quan tâm không chỉ tại Việt Nam mà các quốc gia khác trên thế giới cũng quan tâm không kém Căng thẳng nhiệt đô thị tác động xấu đến sức khỏe cộng đồng, sống và làm việc trong môi trường nhiệt độ càng cao và độ ẩm ngoài vùng tiện nghi sẽ khiến con người có nguy cơ gánh chịu một áp lực đáng kể dẫn đến nhiều rủi ro về sức khỏe Do đó, việc ứng dụng tư liệu ảnh viễn thám để xây dựng bản đồ và đánh giá tình trạng nhiệt môi trường đô thị thông qua chỉ số DI là một vấn đề có ý nghĩa thực tiễn

Kết quả của đề tài góp phần chi các nghiên cứu về dự báo những diễn biến mức độ tiện nghi nhiệt môi trường đô thị, đánh giá xem xét tác động đến sức khỏe cộng đồng cũng như xây dựng các giải pháp giảm thiểu rủi ro Ngoài ra, đề tài cũng cung cấp cơ sở dữ liệu để làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu có liên quan trong tương lai, đưa ra những cảnh báo về nguy cơ cũng như các biện pháp thích ứng và giảm nhẹ tác động nhiệt môi trường đô thị

5

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ

NGHIÊN CỨU 1.1 NHIỆT MÔI TRƯỜNG ĐÔ THỊ

Nhiệt độ trái đất đóng vai trò cực kỳ quan trọng đối với con người, động vật và thực vật về các mặt quay vòng sinh sản, tốc độ hô hấp, tiêu hóa và nhiều hoạt động sinh hóa Khi nhiệt độ tăng lên sẽ làm tăng tốc độ phản ứng hóa học dẫn đến làm tăng quá trình trao đổi chất, tăng quá trình sinh lý làm cho con người và động vật cần nhiều thức ăn hơn Tuy nhiên nếu lượng nhiệt thải vào môi trường không khí quá nhiều làm cho tốc độ biến đổi nhiệt độ nhanh trong khi khả năng thích nghi của con người, động vật và thực vật chưa đáp ứng kịp sẽ gây nên những tác động xấu, ví dụ khi con người hay động vật đang làm việc ở ngoài trời nóng bức nếu gặp mưa to đột ngột sẽ dễ bị cảm lạnh, đôi khi có thể tử vong, hoặc khi con người đang ở trong phòng điều hòa ra ngoài mà nhiệt độ không khí rất cao sẽ gây nên hiện tượng “sốc nhiệt” Theo khảo sát khi nhiệt độ tăng cao sẽ làm cho con người có nhu cầu về uống tăng lên còn về ăn lại giảm đi dẫn đến mệt mỏi, năng suất lao động và chất lượng lao động giảm, tai nạn lao động tăng lên

Đô thị được cấu trúc bởi các công trình xây dựng được bao phủ bởi các bề mặt không thấm Các bề mặt này có đặc tính hấp thu nhiệt tốt từ bức xạ mặt trời, đồng thời ngăn cản các dòng nước thấm vào bên trong lòng đất, hệ quả là nguồn bức xạ nhiệt từ mặt đất trở lại vào bầu khí quyển sẽ có nhiệt độ cao và đốt nóng lớp không khí bên trên Chính điều này làm cho môi trường nhiệt đô thị ngày càng khắc nghiệt do thiếu đi lớp phủ xanh tự nhiên Để đo lường môi trường nhiệt đô thị, có nhiều cách tiếp cận nhưng đều với cùng một mục đích là để định lượng mức nhiệt mà cơ thể con người và sinh thái có thể chịu đựng được Các chỉ số nhiệt là các đơn vị đo lường thường được sử dụng trong nhiều công trình nghiên cứu

1.1.1 Chỉ số nhiệt

Chỉ số nhiệt (Heat index), còn được gọi là nhiệt độ rõ ràng, là nhiệt độ cảm thấy đối với cơ thể con người khi độ ẩm tương đối được kết hợp với nhiệt độ không khí Điều này có những cân nhắc quan trọng cho sự thoải mái của cơ thể con người

Chỉ số nhiệt là thước đo mức độ cảm giác thực sự nóng khi độ ẩm tương đối được tính với nhiệt độ không khí thực tế (National oceanic and atmospheric administration)

Chỉ số nhiệt là chỉ số kết hợp giữa nhiệt độ không khí và độ ẩm tương đối ở các khu vực bóng râm, để tạo ra nhiệt độ tương đương với con người Kết quả còn được gọi là "nhiệt độ không khí cảm nhận"

1.1.2 Khái niệm tiện nghi nhiệt

Tiện nghi nhiệt trong công trình đã và đang được các nước phát triển như Mỹ và Châu Âu rất quan tâm Vào khoảng đầu thế kỷ thứ 19, khi Châu Âu khởi động những bước đi nhằm tổ chức lại điều kiện làm việc trong các nhà máy và nhà ở Khái niệm độ ấm cơ sở (basic warmth) được thiết lập đầu tiên trong ngành công nghiệp mỏ, luyện kim và dệt – khi các tai nạn và bệnh tật liên quan đến nhiệt và độ ẩm liên tục gia tăng

Tiêu chuẩn ASHRAE 55 của Hiệp hội kỹ sư thông gió, cấp nhiệt Mỹ (ASHRAE)

định nghĩa: tiện nghi nhiệt là điều kiện của cảm giác thể hiện sự thỏa mãn với môi

trường nhiệt và được quyết định bởi đánh giá chủ quan của con người Trong khái

niệm này, ASHRAE nhấn mạnh yếu tố chủ quan, tức tiện nghi nhiệt có được không phải bằng tính toán mà nên thông qua điều tra trên một số lượng lớn cá thể trong môi trường - mặc dù để làm được điều này cần sử dụng nhiều công cụ toán học thống kê (Nguyễn Tiến Đức và cộng sự, 2015)

Theo tác giả Phạm Đức Nguyên tiện nghi được định nghĩa hay nhất là khi không có sự thiếu tiện nghi Người ta cảm thấy thiếu tiện nghi khi thấy quá nóng hoặc quá lạnh, hoặc là không khí có mùi khó chịu Điều kiện tiện nghi là điều kiện không làm ta bực bội bởi những cảm giác khó chịu về nhiệt độ, độ ẩm hoặc các yếu tố môi trường khác (Phạm Đức Nguyên, 2008)

7 Cảm nhận của con người đối với môi trường nhiệt không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ không khí mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ bức xạ, áp suất hơi nước trong không khí và tốc độ gió Ngoài ra còn có các yếu tố chủ quan là nhiệt trở quần áo và mức nhiệt sinh lý Nhiều nghiên cứu chi tiết đã chỉ ra rằng tiện nghi nhiệt còn chịu ảnh hưởng nhỏ bởi một số yếu tố khác như độ tuổi, giới tính, chủng tộc, độ cao, thời gian trong ngày, vị trí địa lý, chế độ ăn uống… nhưng ở các mức độ khác nhau

Sự trung tính về nhiệt được duy trì khi nhiệt sinh ra bởi quá trình trao đổi chất của con người được phép tiêu tán, do đó duy trì sự cân bằng nhiệt với môi trường xung quanh Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự thoải mái nhiệt là những yếu tố quyết định nhiệt độ tăng và mất nhiệt, đó là tốc độ trao đổi chất , cách nhiệt quần áo , nhiệt độ không khí, nhiệt độ bức xạ trung bình , tốc độ không khí và độ ẩm tương đối Các thông số tâm lý, chẳng hạn như kỳ vọng cá nhân, cũng ảnh hưởng đến sự thoải mái nhiệt

Sự hài lòng với môi trường nhiệt là quan trọng vì lợi ích của nó và vì nó ảnh hưởng đến năng suất và sức khoẻ Nhân viên văn phòng hài lòng với môi trường nhiệt độ của họ có năng suất cao hơn Khó chịu nhiệt cũng đã được biết là dẫn đến các triệu chứng hội chứng ức chế xây dựng Sự kết hợp của nhiệt độ cao và độ ẩm tương đối cao làm giảm sự thoải mái về nhiệt và chất lượng không khí trong nhà Các mô hình thích nghi nhiệt độ thích ứng cho phép linh hoạt trong việc thiết kế các tòa nhà thông gió tự nhiên có nhiều điều kiện trong nhà thay đổi Các tòa nhà như vậy có thể tiết kiệm năng lượng và có tiềm năng tạo ra những người cư ngụ hài lòng hơn

Vì có sự khác biệt rất lớn giữa người với người về sự hài lòng về sinh lý và tâm lý nên khó tìm được nhiệt độ tối ưu cho mọi người trong một không gian nhất định Số liệu phòng thí nghiệm và hiện trường đã được thu thập để xác định các điều kiện sẽ được tìm thấy thoải mái cho một số phần trăm người dân nhất định

1.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt môi trường đô thị đến con người

Thời tiết nắng nóng từ lâu đã được công nhận trong cộng đồng nghiên cứu khoa học, y tế và lao động là có hại cho sức khỏe và năng suất lao động Mặc dù vậy, việc thực hiện cập nhật các cơ chế chính sách y tế hiện hành cũng như nhận thức của cộng

đồng và khối doanh nghiệp về những rủi ro này vẫn ở mức thấp (Nguyễn, 2013; Zeng et al., 2012; Huang et al., 2011)

Nhiệt độ môi trường đô thị tăng sẽ làm tăng sự khó chịu của cơ thể người Sống và lao động ở nơi có áp lực môi trường thấp sẽ tạo tâm lý thoải mái dễ chịu, cho tinh thần hưng phấn, làm việc đạt năng suất cao Ngược lại, sống và làm việc ở nơi áp lực môi trường quá cao sẽ sẽ khó có thể tập trung, mệt mỏi, từ đó năng suất lao động giảm Ngoài ra có thể gây thêm một số bệnh Bệnh say nóng do rối loạn điều hoà nhiệt nếu nhiệt độ tăng đến 400C – 410C, gây hôn mê, nếu không cứu chữa kịp thời sẽ gây tử vong (Luật an toàn vệ sinh lao động số 84/2015/QH13)

Song song với việc suy giảm sức khỏe thì các hệ lụy của áp lực nhiệt môi trường cao gây ra như suy giảm hiệu suất lao động của các cá nhân đặc biệt là những người làm việc ngoài trời hoặc lao động tay chân Một số đối tượng như công nhân lao động chân tay có nguy cơ bị ảnh hưởng nghiêm trọng trong những đợt nắng nóng Mặc khác gười lao động làm việc trong điều kiện nhà xưởng có hệ thống thông gió kém, không có quạt hay điều hòa nhiệt độ hoặc vận hành các máy móc sinh nhiệt (như máy may, máy sản xuất hoặc có nhiều máy tính) có thể cảm thấy nhiệt độ trong nhà cao hơn nhiệt độ ngoài trời (IPCC 2012)

Tình trạng nắng nóng cực đoan kéo dài liên tục nhiều ngày sẽ hủy hoại sức khỏe của người lao động, làm tình trạng sức khỏe cơ bản xấu đi và có thể gây gánh nặng nhiệt và tăng nguy cơ tử vong Bộ Y tế Việt Nam đã đưa ra các khuyến cáo về cho người lao động về thực hiện các biện pháp phòng ngừa đặc biệt khi nhiệt độ môi trường và độ ẩm đạt tới các ngưỡng cụ thể nào đó tại Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 26:2016/BYT về vi khí hậu - Giá trị cho phép vi khí hậu tại nơi làm việc Đối với người lao động nặng như công nhân làm việc ngoài trời, như thợ xây, người bán hàng rong, nông dân và ngư dân, quy chuẩn khuyến cáo cần thận trọng khi nhiệt độ không khí từ 30°C trở lên Người lao động làm việc trong nhà tham gia các công việc nhẹ nhàng, như việc bàn giấy về lý thuyết có thể chịu được mức nhiệt lên tới 34°C và ẩm độ tới 80% (QCVN 26:2016/BYT) Ngoài ra những người ốm yếu không lao động chân tay như những người bị bệnh tim, bệnh hô hấp, bệnh mãn tính, suy dinh dưỡng, tiểu đường hay

9 người cao tuổi, trẻ em và phụ nữ mang thai có sức chịu nóng kém hơn so với người bình thường vì vậy họ thường có cảm giác khó chịu, ngột ngạt khi nhiệt độ tăng cao

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NHIỆT MÔI TRƯỜNG ĐÔ THỊ 1.2.1 Nghiên cứu trên thế giới

Một số các nghiên cứu công bố trên thê giới về nhiệt môi trường, áp lực nhiệt, tiện nghi nhiệt như sau:

NIOSH [1986a] Tiêu chí cho một tiêu chuẩn được khuyến nghị: tiếp xúc nghề nghiệp với môi trường nóng: tiêu chí sửa đổi 1986 Cincinnati, OH: Bộ Y tế và Dịch vụ Nhân sinh Hoa Kỳ, Trung tâm Kiểm soát Bệnh tật, Viện Sức khỏe và An toàn Lao động Nội dung nói về Sự tiếp xúc nghề nghiệp với nhiệt có thể dẫn đến thương tật, bệnh tật, giảm năng suất, và tử vong Bản sửa đổi này bao gồm thông tin bổ sung về những thay đổi sinh lý do stress nhiệt; thông tin cập nhật từ các nghiên cứu có liên quan, chẳng hạn như những người sử dụng caffeine; bằng chứng để xác định lại đột quỵ nhiệt và các triệu chứng liên quan; và cập nhật thông tin về theo dõi sinh lý và thiết bị bảo hộ cá nhân và quần áo có thể được sử dụng để kiểm soát stress nhiệt Công nhân tiếp xúc với nhiệt độ quá cao hoặc làm việc trong môi trường nóng trong nhà hoặc ngoài trời, hoặc thậm chí những người tham gia các hoạt động thể chất vất vả có thể có nguy cơ bị stress nhiệt Tiếp xúc với nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến các bệnh nghề nghiệp do căng thẳng nhiệt, bao gồm say nắng, kiệt sức vì nóng, ngất do nhiệt, chuột rút do nhiệt, phát ban do nhiệt hoặc tử vong Nhiệt cũng có thể làm tăng nguy cơ chấn thương của công nhân, vì nó có thể dẫn đến lòng bàn tay đổ mồ hôi, kính an toàn bị mờ, chóng mặt và có thể làm giảm chức năng não chịu trách nhiệm về khả năng suy luận, tạo ra các mối nguy hiểm bổ sung

Năm 2004 Wang weiwu và cộng sự đã có nghiên cứu phân tích về biến đổi không gian thoải mái nhiệt con người đô thị UHTC ở Hàng Châu, Trung Quốc bằng ảnh Landsat và sử dụng phần mềm erdas image và chỉ số bất tiện nghi nhiệt (DI - Discomfort Index) Kết quả nghiên cứu đã tính được chỉ số căng thẳng nhiệt và thành lập bản đồ không gian thoải mái nhiệt con người thành phố Hàng Châu (Wang weiwu và cộng sự, 2004)

Năm 2010 nhóm tác giả Ahmed A Balogun, Ifeoluwa A Balogun và Zachariah Debo Adeyewa nghiên cứu và so sánh các điều kiện stress nhiệt trong một trung tâm thành phố và môi trường vùng sân bay nông thôn ở Akure, một thành phố nhiệt đới vừa ở tây nam Nigeria Kết quả đã chỉ ra tác động của đảo nhiệt đô thị đến Akure làm trung tâm thành phố là ấm hơn so với sân bay nông thôn trong suốt cả ngày Điều kiện nóng chiếm ưu thế ở cả hai nơi, điều kiện thoải mái được chỉ có trải qua một lúc vào buổi sáng và buổi tối tháng Giêng ở cả hai nơi, nhưng các khu vực nông thôn có buổi sáng dễ chịu hơn và buổi tối và ít điều kiện rất nóng và nóng bỏng Sự xuất hiện thường xuyên mức nhiệt độ cao ở trung tâm thành phố đã gây nên môi trường căng thẳng nhiệt đáng kể và nguy cơ sức khỏe con người ở Akure (Ahmed A Balogun và cộng sự, 2010)

Năm 2014, Hamidreza Heidari và các cộng sự đã có nghiên cứu đánh giá điều kiện nhiệt cho người lao động ngoài trời khu vực cả nước Iran bằng chỉ số (DI) Các kết quả thu được chỉ ra rằng các giá trị của chỉ số bất tiện nghi nhiệt (DI) được thay đổi rõ rệt trong các mùa khác nhau và theo vùng khí hậu Theo các giá trị được đề nghị của DI thì gần như không có bất kỳ sự khó chịu trong mùa xuân ngược lại tỷ lệ phần trăm lớn nhất của chỉ số khó chịu cho mùa và bất kể mùa nào thì giá trị khó chịu được cho là cao hơn 24°C (Hamidreza Heidari và các cộng sự, 2014)

Nhìn chung, các tác động của nhiệt đô thị và mức tiện nghi nhiệt của con người đã được nghiên cứu khá rộng rãi trên thể giới thông qua phương pháp viễn thám Các nghiên cứu này cho thấy việc sử dụng phương pháp viễn thám mang tính chất khách quan, ít tốn chi phí và quan sát bao quát được toàn khu vực rộng lớn

1.2.2 Nghiên cứu ở Việt Nam

Một số nghiên cứu đánh giá nhiệt độ khu vực đô thị trong những năm gần đây: Năm 2009, Công trình của tác giả Trần Thị Vân và cộng sự “Nghiên cứu xác định nhiệt độ bề mặt đô thị bằng phương pháp viễn thám nhiệt” Kết quả nghiên cứu phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt cho đô thị TP.HCM góp phần đóng góp một hướng tiếp cận giải quyết vấn đề xác định các yếu tố khí tượng liên quan đến quá trình nhiệt trong nghiên cứu biến đổi khí hậu hiện nay

11 Trần Thị Vân, Hoàng Thái Lan, & Lê Văn Trung 2009 Nghiên cứu xác định nhiệt độ bề mặt đô thị bằng phương pháp viễn thám nhiệt Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, 12(4), 107-120 Nội dung trình bày vấn đề viễn thám hồng ngoại nhiệt đo lường bức xạ bề mặt trái đất có thể giúp chúng ta khôi phục giá trị nhiệt độ bề mặt trên toàn vùng nghiên cứu theo từng vùng Pixel Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt cho đô thị TP.HCM, có tính đến việc hiệu chỉnh kết quả tính toán thông qua việc xác định độ phát xạ bề mặt từ phương pháp NDVI Kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp một hướng tiếp cận giải quyết vấn đề xác định các yếu tố khí tượng liên quan đến quá trình nhiệt trong nghiên cứu biến đổi khí hậu hiện nay

Trần Thị Vân, Hoàng Thái Lan, Lê Văn Trung, 2009 Phương pháp viễn thám nhiệt trong nghiên cứu phân bố nhiệt độ bề mặt đô thị, Tạp chí Các khoa học về Trái đất, NXB Khoa học TN&CN thuộc Viện KH&CN Việt Nam, tập31, số 2, pp 168-177 Nội dung trình bày phương pháp viễn thám nhiệt trong nghiên cứu về phân phối nhiệt độ bề mặt đô thị, nhiệt độ bề mặt đất (LST) bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi khả năng của phát xạ bề mặt Do đó, việc tính toán LST đòi hỏi một quyết định phát xạ bề mặt trước khi về tính chính xác Nhiệt hồng ngoại viễn thám có khả năng đo bức xạ bề mặt trái đất để lấy các giá trị nhiệt độ bề mặt trong vùng nghiên cứu toàn bộ bằng pixel Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu về phương pháp để quy kết nhiệt độ bề mặt các khu đô thị tại thành phố Hồ Chí Minh được coi là yếu tố phát xạ bề mặt từ NDVI phương pháp kết hợp

Trần Thị Vân 2006, “Ứng dụng viễn thám nhiệt khảo sát đặc trưng nhiệt độ bề mặt đô thị với sự phân bố các kiểu thảm phủ ở Thành phố Hồ Chí Minh” Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 9 , pp 70-74, (2006).Nội dung trình bày về vấn đề Thành phố Hồ Chí Minh là một trong những đô thị phát triển và mở rộng nhanh với hơn 6 triệu dân Sự gia tăng dân số và phát triển kinh tế – xã hội dẫn đến giao thông tăng nhanh, diện tích nhà ở được mở rộng ra ngoại thành nhiều hơn so với trước đây Điều đó tác động đến sự biến đổi vi khí hậu, rõ nét nhất là sự tăng lên của nhiệt độ bề mặt đô thị so với các vùng lân cận, hình thành nên “đảo nhiệt” (heat island) trong lớp biên khí quyển bên trên của thành phố, đồng thời cũng gây nên những vấn đề môi trường

nghiêm trọng đối với cư dân Viễn thám nhiệt thể hiện khá tốt khả năng thám sát trường nhiệt độ này Mục đích nghiên cứu này là đánh giá việc sử dụng ảnh Landsat ETM+ để chỉ thị những sự khác nhau về nhiệt độ ở khu vực đô thị và so sánh mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt đô thị và các kiểu thảm phủ

Trần Thị Vân, Nguyễn Hằng Hải (2011), Quan hệ nhiệt và chỉ số thực vật trong phân loại lớp phủ phục vụ đánh giá biến động đất đô thị CD Kỷ yếu Hội nghị Khoa học công nghệ lần 12 trường ĐH Bách khoa TPHCM, Phân ban Địa tin học, pp 67, 26-28/10/2011, TPHCM, Việt Nam

1.3 TỔNG QUAN KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.3.1 Điều kiện tự nhiên TP.HCM

 Vị trí địa lý

Thành phố Hồ Chí Minh có toạ độ 10°22' – 11°22' Bắc và 106°01 – 101°01' Đông Chiều dài của thành phố theo hướng tây bắc - đông nam là 150 km, còn chiều tây - đông là 75 km Trung tâm thành phố cách bờ biển Đông 59 km đường chim bay Thành phố có 12 km bờ biển, cách thủ đô Hà Nội 1.730 km (đường bộ) về phía Nam Với vị trí tâm điểm của khu vực Đông Nam Á, Thành phố Hồ Chí Minh là một đầu mối giao thông quan trọng về cả đường bộ, đường thủy và đường không, nối liền các tỉnh trong vùng và còn là một cửa ngõ quốc tế

13

Hình 1.1 Khu vực nghiên cứu trong toàn thành phố Hồ Chí Minh

Hiện nay, thành phố Hồ Chí Minh có diện tích 2.056,5 km2 chiếm 0,76% diện tích toàn quốc được chia thành 19 quận và 5 huyện với 322 phường, xã, thị trấn Khu vực nghiên cứu gồm 19 quận và 4 huyện Thành Phố Hồ Chí Minh (trừ khu vực Cần Giờ)

 Địa hình

Địa hình thành phố Hồ Chí Minh phần lớn bằng phẳng, có ít đồi núi ở phía Bắc và Đông Bắc, với độ cao giảm dần theo hướng Đông Nam Nhìn chung có thể chia địa hình thành phố Hồ Chí Minh thành 4 dạng chính có liên quan đến chọn độ cao bố trí các công trình xây dựng Phần cao trên 10 m phân bố phần lớn ở huyện Củ Chi, Hóc Môn, một phần ở Thủ Đức; dạng đất bằng phẳng thấp (độ cao xấp xỉ 2 đến 4 m, điều kiện tiêu thoát nước tương đối thuận lợi, phân bố ở nội thành, phần đất của Thủ Đức và Hóc Môn nằm dọc theo sông Sài Gòn dạng trũng thấp, đầm lầy phía tây nam (độ cao phổ biến từ 1 đến 2 m, chiếm khoảng 34% diện tích); dạng trũng thấp đầm lầy mới hình thành ven biển (độ cao phổ biến khoảng 0 đến 1 m, nhiều nơi dưới 0 m, đa số chịu ảnh hưởng của thuỷ triều hàng ngày, chiếm khoảng 21% diện tích)

 Khí hậu

Thành phố Hồ Chí Minh nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa cận xích đạo Đặc điểm chung của khí hậu-thời tiết TPHCM là nhiệt độ cao đều trong năm và có hai mùa mưa - khô rõ ràng Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11, mùa khô từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau

Số giờ nắng trung bình/tháng 160-270 giờ Nhiệt độ không khí trung bình 27 độC Ðiều kiện nhiệt độ và ánh sáng thuận lợi cho sự phát triển các chủng loại cây trồng và vật nuôi đạt năng suất sinh học cao

- Ðộ ẩm tương đối của không khí bình quân/năm 79,5%; bình quân mùa mưa 80% và trị số cao tuyệt đối tới 100%; bình quân mùa khô 74,5% và mức thấp tuyệt đối xuống tới 20%

Lượng mưa cao, bình quân/năm 1.949 mm Về gió, Thành phố Hồ Chí Minh chịu ảnh hưởng bởi hai hướng gió chính và chủ yếu là gió mùa Tây - Tây Nam và Bắc - Ðông Bắc Ngoài ra, thành phố có thuận lợi là không trực tiếp chịu tác động của bão lụt

 Thủy văn

Về nguồn nước, nằm ở vùng hạ lưu hệ thống sông Ðồng Nai - Sài Gòn, thành phố Hồ Chí minh có mạng lưới sông ngòi kênh rạch rất phát triển Hầu hết các sông rạch Thành phố Hồ Chí Minh đều chịu ảnh hưởng dao động triều bán nhật của biển Ðông Mỗi ngày, nước lên xuống hai lần, theo đó thủy triều thâm nhập sâu vào các kênh rạch trong thành phố, gây nên tác động không nhỏ đối với sản xuất nông nghiệp và hạn chế việc tiêu thoát nước ở khu vực nội thành

1.3.2 Điều kiện kinh tế - xã hội TP.HCM

 Về kinh tế

Thành phố Hồ Chí Minh là thành phố cảng lớn nhất đất nước, có đủ các điềukiện thuận lợi về giao thông đường bộ, đường thủy, đường sắt, đường hàng không,là một đầu mối giao thông kinh tế lớn nối liền với các địa phương trong nước và quốc tế

Theo tổng cục thống kê Tình hình kinh tế - xã hội năm 2018 của TP Hồ Chí Minh có nhiều khởi sắc: Tổng sản phẩm nội địa trong nước (GRDP) trên địa bàn cả năm tăng 8,25% so năm trước Lĩnh vực dịch vụ tăng 13% so với cùng kỳ Kim ngạch xuất khẩu tăng

15 7,5% so với cùng kỳ, nhập khẩu tăng 8,8% so với cùng kỳ Chỉ số sản xuất công nghiệp tăng 8%, gồm bốn ngành công nghiệp trọng yếu là cơ khí, chế tạo, điện tử và hóa chất –cao su-nhựa và chế biến lương thực thực phẩm Giá trị sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy sản cả năm tăng 6,2% so với cùng kỳ

 Về xã hội

Theo thống kê của Tổng cục Thống kê năm 2019, thì dân số Thành phố Hồ Chí Minh là 8993082 người người Tuy nhiên, nếu tính những người cư trú không đăng ký thì dân số thực tế của thành phố này năm 2018 là gần 14 triệu người Giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế Việt Nam Ước tính đến cuối năm 2018, thành phố giảm còn 3773 hộ nghèo, chiếm 0,19% hộ dân thành phố Số hộ cận nghèo 22940 hộ, chiếm tỷ lệ 1,15% hộ dân thành phố

Trong năm 2018 thành phố đã thu hút và giải quyết việc làm 312.157 lượt người, vượt 11,4% kế hoạch năm, so với cùng kỳ, giải quyết việc làm giảm được 11,35% , số viêc làm mới 2,69%

1.3.3 Hiện trạng môi trường nhiệt đô thị tại thành phố

Thành phố Hồ Chí Minh nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa cận xích đạo Cũng như các tỉnh ở Nam bộ, đặc điểm chung của khí hậu - thời tiết TPHCM là nhiệt độ cao đều trong năm và có hai mùa mưa - khô rõ ràng làm tác động chi phối môi trường cảnh quan sâu sắc Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11, mùa khô từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau Ðộ ẩm tương đối của không khí bình quân/năm 79.5% ; Do quá trình phát triển nhanh chóng trong vài thậpkỷ qua, có nhiều nhà cao tầng và đường giao thông được xây dựng, cùng với nhiều xe hơi và máy điều hòa nhiệt độ, khiến nhiệt độ cao bị giữ lại và làm cho khu vực nội đô nóng hơn so với các khu vực canh tác nông nghiệp xung quanh Hiện tượng “hiệu ứng đảo nhiệt đô thị” này có thể làm cho các khu đô thị đông đúc ở TP.HCM nóng hơn đến 10°C so với các vùng nông thôn xung quanh, tương tự như ở các thành phố khác (Mohan et al 2013) Dưới tác động của biến đổi khí hậu những năm gần đây nhiệt độ trung bình của thanh phố Hồ Chí Minh tăng cao có những nơi có thể xuất hiện nắng nóng gay gắt với nhiệt độ ở mức 37-38o

C Thời tiết oi bức nhất là vào buổi trưa, khi nhiệt độ lên hơn 36oC Giữa trưa, nhiệt độ ngoài trời nóng hầm hập, người dân khi ra đường phải bịt kín, tránh cái nắng “đốt” da Hơi nóng từ mặt

đường bốc lên hừng hực, khiến mọi người cảm thấy bực bội, khó chịu Nhiều người dân TP HCM đã hạn chế đi ra đường để tránh cái nóng có lúc lên đến 40o

C Khí hậu nóng ẩm tự nhiên cùng với đảo nhiệt đô thị có thể tạo ra điều kiện nhiệt độ cực đoan, gây nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến cư dân và người lao động Đặc biệt là người già và trẻ nhỏ Nhiệt độ cao và chênh lệch dễ dẫn đến bệnh cảm hoặc các bệnh về đường hô hấp Cũng như ở nhiều nơi trên thế giới, BĐKH dự kiến sẽ làm tăng số ngày và đêm nóng nực ở TP.HCM, kéo dài mùa nóng và làm tăng số đợt nắng nóng trong thành phố Tất cả những thay đổi này sẽ tác động mạnh đến con người, gia súc, đến y tế, cấp nước, nông nghiệp và nhiều hệ thống khác

17

Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ VIỄN THÁM

2.1.1 Nguyên lý viễn thám và thông tin đối tượng

Viễn thám là khoa học nghiên cứu về các phương pháp thu thập, đo đạc và phân tích thông tin của vật thể quan sát mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng Do các tính chất của vật thể có thể được xác định thông qua năng lượng bức xạ hay phản xạ từ vật thể nên viễn thám còn là một công nghệ nhằm xác định và nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua những đặc trưng riêng về sự phản xạ Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính đối tượng Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời Thông tin về năng lượng phản xạ của vật thể được ghi nhận bởi ảnh viễn thám, sau đó được giải đoán trực tiếp dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia Các dữ liệu và thông tin liên quan sẽ được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như: nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường (Lê Văn Trung, 2012)

Thực vật có phản xạ phổ cao nhất ở bước sóng màu lục (0,5μm-0,6μm) trong vùng nhìn thấy, do đó có màu xanh lục Nhưng các đặc trưng phản xạ phổ của thực vật nổi bật nhất ở vùng hồng ngoại gần (0,7μm-1,4μm), là vùng bước sóng mà thực vật có phản xạ cao nhất Mức độ phản xạ của thực vật phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, có thể kể đến là lượng chlorophyll (chất diệp lục), độ dày tán lá và cấu trúc tán lá Nước có phản xạ chủ yếu nằm trong vùng nhìn thấy (0,4μm-0,7μm) và phản xạ mạnh ở dải sóng lam (0,4μm-0,5μm) và lục (0,5μm-0,6μm) Giá trị phản xạ của nước phụ thuộc chủ yếu vào thành phần, độ đục và độ rối Ðất có phần trăm phản xạ tăng dần theo chiều tăng của chiều dài bước sóng Phần trăm phản xạ của đất chủ yếu phụ thuộc vào độ ẩm và màu của đất (hình 2.1) Phản xạ phổ của cùng một loại đối tượng cũng có thể được thể hiện khác nhau trên cùng một ảnh do có nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nhau, chủ yếu là do các sai biệt về không gian khi các sai biệt này khiến đối tượng được chiếu sáng khác nhau hoặc có cấu trúc khác nhau so với nguồn sáng (Trần Thị Vân, 2011)

Các kênh sử dụng trong viễn thám được mô tả trong hình sau:

Hình 2.1 Các kênh được sử dụng trong viễn thám

(Nguồn: Gupta, 1991)

Chú thích: EHF, SHF, UHF, VHF, HF, MF, LF, VLF: các loại tần số Wavelength: bước sóng; Infrared visible: hồng ngoại nhìn thấy; - Ultraviolet: tia cực tím Near infrared: hồng ngoại gần; Short wave infrared: sóng hồng ngoại ngắn Thermal infrared: hồng ngoại nhiệt; Intermediate infrared: hồng ngoại trung

2.1.2 Dải quang phổ hồng ngoại nhiệt

Trong viễn thám hồng ngoại nhiệt, bức xạ phát ra từ các đối tượng mặt đất thường được quan tâm nhiều nhất Vùng bước sóng điện từ 3-35µm thường được gọi là vùng hồng ngoại nhiệt 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, vì vậy bất kỳ bộ cảm biến nào vận hành trong vùng này sẽ phát hiện đặc tính bức xạ nhiệt của vật liệu bề mặt Trong vùng 3-35µm, vùng được quan tâm nhất là khoảng 8-14µm do ở nhiệt độ môi trường xung quanh, các bức xạ vật đen của trái đất xáy ra vào khoảng 9-10µm (cao nhất 9.7µm), các kênh phổ hữu ích sẽ bị hạn chế do cường độ bức xạ vật đen trái đất và vùng này chỉ ra năng lượng cao nhất sẳn có cho các cảm biến

19 Cửa sổ khí quyển tốt nhất nằm trong khoảng 8-14µm và xấu hơn trong khoảng 3-5µm và 17-25µm Ở các cửa sổ này sự hấp thụ vậtchất của khí quyển là thấp nhất và dữ liệu trong vùng 3-5µm là khá phức tạp do hình ảnh trong ngày có sự trùng lặp với bức xạ phản xạ mặt trời Ozone hấp thụ mạnh trong vùng 9-10µm, vì vậy hệ thống vệ tinh viễn thám hồng ngoại thường hoạt động trong vùng 10,5-15,5µm Riêng đối với máy bay, do hoạt động dưới tầng ozone nên có thể ghi nhận từ 8-14µm

Hình 2.2 Phổ điện từ thể hiện các kênh sử dụng trong các vùng hấp thụ của khí quyển

của viễn thám quang học

(Nguồn: Jensen, 2000)

Chú thích:

Visible: nhìn thấy; - Reflective infrared: phản xạ hồng ngoại; - Thermal infrared: hồng ngoại nhiệt; - Photographic infrared: quang học hồng ngoại; - Mid infrared: hồng ngoại giữa;– Absorption: sự hấp thụ

Viễn thám của các hiệu ứng nhiệt độ trực tiếp được thực hiện bằng cách cảm nhận bức xạ phát ra từ vật thể trong vùng hồng ngoại của quang phổ Hầu hết cảm nhận nhiệt của các chất rắn và chất lỏng xảy ra trong 2 cửa sổ khí quyển 3-5µm và 8-14µm, nơi mà sự hấp thụ là cực tiểu Dải bước sóng 3-4µm chịu ảnh hưởng nhiễm phản xạ mặt trời ở một vài mức độ vào ban ngày, vì vậy dải này thường dùng trong các nghiên cứu trái đất khi đo đạc vào ban đêm Tuy nhiên vùng này đặc biệt hữu ích để giám sát các đối tượng cực nóng như cháy rừng và các hoạt động địa nhiệt nhận trong dải bước sóng 10.5-12.5µm, vì vậy hầu hết chúng đều được thiết kế để thu nhận phát xạ từ bề mặt trong dải này, và được dùng để ước tính nhiệt độ bề mặt đất và các quá trình nhiệt khác

Viễn thám hồng ngoại nhiệt thu nhận dữ liệu trong 2 cửa sổ 3-5µm và 8-14µm nói chung là bị động, nghĩa là, các bộ cảm biến thu nhập dữ liệu theo bức xạ phát ra một cách tự nhiên Các kỹ thuật chủ động triển khai các chum tia laser bước sóng đơn sắc (gọi là radar lazer hoặc LIDAR) chỉ mới được phát triển gần đây (Gupta, 1991)

2.1.3 Bức xạ

Trái đất nhận nhiệt chủ yếu từ mặt trời và bề mặt trái đất lại bức xạ vào khí quyển và không gian Các khí, hơi nước và thành phần của khí quyển có thể hấp thụ và phát xạ mạnh mẽ đối với bước sóng trong phổ bức xạ ở mặt đất Bức xạ mặt trời đi qua khí quyển ảnh hưởng lên các điều kiện khí tượng bằng cách truyền năng lượng vào không khí và trái đất Hầu hết bức xạ mặt trời bị hấp thụ ở bề mặt trái đất và cung cấp năng lượng cho quá trình quang hợp và sự sống Phân tích các hiệu ứng khác nhau phải xem xét các yếu tố như bức xạ thứ nhất và thứ hai trong khí quyển, sự dẫn truyền, sự hấp thụ tia bởi nhiều thành phần của khí quyển và bề mặt đất

Các phân tử và nguyên tử trong vật thể có nhiệt độ tuyệt đối trên 0 đều trong trạng thái kích động và phát ra bức xạ điện từ Nhiệt độ của vật thể là biểu thị của năng lượng nhiệt nội tại của chúng Cường độ và thành phần phổ phát ra phụ thuộc vào thành phần và nhiệt độ của vật thể Khái niệm vật đen thường được dùng để nghiên cứu bức xạ, đó là một vật lý tưởng hấp thụ hoàn toàn và phát xạ toàn bộ năng lượng đạt tới nó Vật đen có đường cong phát xạ phổ liên tục, ngược lại, các vật thể tự nhiên chỉ phát xạ tại các kênh phổ rời rạc tùy vào thành phần tạo nên vật thể đó Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến cường độ bức xạ phát ra từ vật đen Nhiệt độ của vật bức xạ càng cao thì tổng bức xạ do vật đó phát ra càng lớn, đồng thời đỉnh đường cong phát xạ phổ cũng dịch chuyển càng gần phía bước sóng ngắn hơn

2.1.4 Nhiệt độ bức xạ

Trong viễn thám nhiệt, bức xạ phát ra bởi các đối tượng trên mặt đất được đo để ước tính nhiệt độ Những đại lượng đo lường nhiệt độ bức xạ của một vật thể phụ thuộc vào 2 yếu tố: nhiệt động học và độ phát xạ

(1) Nhiệt động học

21 Các vật thể phát ra bức xạ trong vùng hồng ngoại của quang phổ điện từ Năng lượng được bức xạ phụ thuộc vào bước sóng, cụ thể là phụ thuộc vào độ phát xạ bề mặt và nhiệt động lực học của nó Tuy nhiên, đối với bề mặt được xem xét ở một khoảng cách đối với bức xạ kế, động năng không là thước đo nhiệt độ thích hợp, và nhiệt độ động lực gần đúng nhất có thể đạt được qua cân bằng năng lượng bức xạ của bề mặt dựa trên việc đo bức xạ rời khỏi bề mặt Nhiệt độ động lực còn gọi là nhiệt độ bề mặt đất phụ thuộc vào hai nhóm nhân tố chính: quỹ năng lượng nhiệt và các đặc tính nhiệt của vật chất

(2) Độ phát xạ

Độ phát xạ bề mặt là một thước đo hiệu quả của bề mặt để chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng bức xạ trong không gian Nó phụ thuộc phần lớn vào các thành phần, độ nhám và các tính chất vật lý khác của bề mặt (chẳng hạn như độ ẩm, tính chụi nhiệt…) Mặc khác tùy theo tính chất của bề mặt mà nó thay đổi theo bước sóng Những hiểu biết về độ phát xạ bề mặt cho phép chúng ta phân biệt được các loại khác nhau trên bề mặt giám sát và xác định được nhiệt độ bề mặt

Độ phát xạ được xem là đại lượng đặc tính của vật chất kiểm soát dòng năng lượng bức xạ, hay còn gọi là khả năng phát xạ của vật chất và độ phát xạ (ε) của vật đen tuyệt đối là 1, còn đối với các vật chất khác luôn luôn nhỏ hơn 1, trong phạm vi từ 0.7 – 0.95 Nếu vật tự nhiên và vật đen có cùng nhiệt độ bề mặt thì vật tự nhiên phát xạ kém hơn vật đen

Độ phát xạ phụ thuộc vào hai nhân tố chính: kết cấu và hình học bề mặt Nó liên quan mật thiết đến phản xạ và màu theo đặc tính phổ Các vật liệu màu đen hấp thụ nhiều hơn và phát xạ nhiều năng lượng hơn so với vật màu sáng Độ hấp thụ phổ bằng với độ phát xạ phổ theo định luật Kirchoft Silica là thành phần quan trọng trong vỏ trái đất và phần trăm của silica có quan hệ nghịch với độ phát xạ trong vùng 8 - 14μm Vì vậy, sự hiện diện của các vật liệu với độ phát xạ thấp có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ phát xạ chính của cả tập hợp Bề mặt nhẵn có độ phát xạ thấp hơn của bề mặt nhám

2.2 CƠ SỞ LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN CHỈ SỐ NHIỆT MÔI TRƯỜNG ĐÔ THỊ

2.2.1 Cơ sở lựa chọn

Đô thị hóa làm gia tăng các bề mặt không thấm, nhiệt độ hấp thụ làm cho bề mặt nóng dần lên Hoạt động của con người trong điều kiện khí hậu nóng dễ dẫn đến các căng thẳng, hiệu quả làm viêc giảm Căng thẳng nhiệt càng cao thì mối nguy và rủi ro cho vấn đề sức khỏe của con người càng cao, đặt biệt là môi trường đô thị ngày càng mở rộng như hiện nay, thì cần thiết phải có một chỉ số diễn tả chỉ số nhiệt môi trường đô thị Tuy nhiên chưa tìm được công thức chung để mô tả thật chính xác cảm giác nóng của con người Yếu tố chính trong sự khó chịu về nhiệt của con người là thành phần nhiệt và các điều kiện môi trường được tính toán nhiều như nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió (Tawhida A Yousif, 2013)

Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu mô hình thực nghiệm khác nhau trong việc đánh giá tiện nghi nhiệt và điều kiện sinh khí hậu Trong tất cả các chỉ số trên thì chỉ số bất tiện nghi nhiệt DI (Discomfort Index) của Thom (1959) là một trong những chỉ số nổi tiếng và được sử dụng nhiều nhất để tính toán sự không tiện nghi nhiệt của cơ thể dựa trên nhiệt độ và độ ẩm không khí Chỉ số bất tiện nghi nhiệt DI được đánh giá là chỉ số dễ tiếp cận và tốt nhất cho ước tính nhiệt độ hiệu quả, mang tính khách quan cao do không phụ thuộc vào cảm tính chủ quan của con người Mặc khác chỉ số DI sử dụng 2 nguồn dữ liệu là nhiệt độ và độ ẩm tương đối Từ những cơ sở phân tích trên, nghiên cứu này sẽ sử dụng chỉ số bất tiện nghi nhiệt DI đại diện đánh giá sự căng thẳng nhiệt môi trường đô thị

2.2.2 Công thức tính toán chỉ số bất tiện nghi DI

DI được xác định bởi nhiệt độ không khí và độ ẩm tương đối (Thom, 1959) Chỉ số này đã được sử dụng trong nhiều cuộc điều tra sinh khí hậu (Unger năm 1999; Matzarakis và Mayer 1991) Chỉ số DI đã được sử dụng ban đầu để xác định sự khó chịu do tác động nhiệt và đã được đánh giá trên một phạm vi rộng

23

Trong đó: DI: Chỉ số bất tiện nghi nhiệt (0C)

T: Nhiệt độ không khí (0C) Rh: Độ ẩm tương đối không khí (%)

Sau khi tính toán chỉ số DI, dựa vào điều kiện tự nhiên và các tiêu chuẩn về tiện nghi nhiệt áp dụng tại Việt Nam đề tài lựa chọn đưa ra mức phân cấp tiện nghi nhiệt phù hợp cho khu vực nghiên cứu

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3.1 Hiệu chỉnh bức xạ

Để đảm bảo nhận được giá trị chính xác của năng lượng bức xạ và phản xạ của vật thể trên ảnh vệ tinh, nhằm loại trừ các nhiễu trước khi sử dụng ảnh, cần thiết phải thực hiện hiệu chỉnh bức xạ để đưa giá trị số nguyên DN (Digital Number) sang giá trị năng lượng bức xạ thực Bước này áp dụng cho các kênh ảnh nhiệt Đối với mỗi loại vệ tinh, tùy thuộc vào thiết bị sẽ có cách tính và những hệ số chuyển đổi riêng trong hiệu chỉnh bức xạ

Đối với ảnh vệ tinh Landsat 8, hiệu chỉnh bức xạ theo công thức:

Trong đó:  L : Giá trị bức xạ trên vệ tinh (W.m-2.μm-1

)  A: Gain, với MaxMin

Lmax, Lmin: giá trị phản xạ lớn nhất và nhỏ nhất; Qmax và Qmin: giá trị phản xạ lượng hóa nhỏ nhất và lớn nhất của pixel  DN: Giá trị phản xạ dạng số nguyên của pixel

 Qmin: Giá trị phản xạ lượng hóa nhỏ nhất của pixel  B = Lmin: Giá trị phản xạ nhỏ nhất

 Đối với Landsat 8, A = ML và B = AL được cho sẵn từ tập tin *.MTL đi kèm

A = ML là Gain (giá trị thu được cho một kênh cụ thể), cho sẵn trong tập tin *.MTL đi kèm ảnh:

RADIANCE_MULT_BAND_10 = 3.3420E-04 RADIANCE_MULT_BAND_11 = 3.3420E-04 B = AL là Bias (giá trị sai số cho một kênh cụ thể), cho sẵn trong tập tin *.MTL đi kèm ảnh:

RADIANCE_ADD_BAND_10 = 0.10000 RADIANCE_ADD_BAND_11 = 0.10000

2.3.2 Chỉ số thực vật NDVI

NDVI là một đại lượng thay thế về số lượng thực vật và điều kiện sống Chỉ số này liên kết với đặc điểm che phủ của thực vật như là sinh khối, chỉ số diện tích và phần trăm thực phủ (Trần Thống Nhất, Nguyễn Kim Lợi, 2009) Chỉ số thực vật NDVI được xác định dựa trên sự phản xạ khác nhau của thực vật thể hiện giữa kênh phổ khả kiến và kênh phổ hồng ngoại, dùng để biểu thị mức độ tập trung của thực vật trên mặt đất Chỉ số thực vật được tính toán theo công thức của Townshend and Justice, (1986):

Xác định nhiệt độ bề mặt hiệu chỉnh theo độ phát xạ tính từ phương pháp NDVI có ưu điểm là các bộ cảm biến trên vệ tinh thường cung cấp độ phân giải không gian cao hơn đối với các kênh khả kiến và cận hồng ngoại so với kênh nhiệt, vì vậy ảnh

25 nhiệt độ bề mặt thu được sẽ có độ phân giải không gian cao hơn so với các phương pháp tính trực tiếp từ các kênh nhiệt Đồng thời phương pháp này có thể được ứng dụng cho bất kỳ bộ cảm biến nào, không phụ thuộc vào số lượng kênh nhiệt và trình tự tính toán đơn giản, ít phức tạp (Trần Thị Vân, 2011)

Nhiệt độ bề mặt là nhiệt độ được tính toán trên cơ sở sự phát xạ của các đối tượng bề mặt (đất đai, lớp phủ bề mặt, bề mặt của nhà cửa…) trên kênh hồng ngoại nhiệt Bức xạ phát ra từ vật đen tuyệt đối liên quan đến nhiệt độ theo định luật Planck như sau:

hcB







Trong đó: Bλ: bức xạ của vật đen tuyệt đối (Wm-2

µm-1) h: hằng số Planck (6,62 x 10-34

Js) c: vận tốc ánh sáng ( ms-1

) k: hằng số Boltzman (1,38 x10-23

JK-1) λ: bước sóng trung tâm (µm)

T: nhiệt độ bức xạ (o

K) Trong viễn thám, nhiệt độ bức xạ T được ghi nhận trên các ảnh còn được gọi là nhiệt độ chói, do đó Tb = T Chuyển đổi công thức Planck sẽ được giá trị nhiệt độ chói như sau:

Tb = (

)

(2.5)

Đặt thay thế: K1 = K2 =

K1, K2 đã được nhà cung cấp cho sẵn trong file metadata của mỗi ảnh Tb là nhiệt độ chói