Nghiên cứu ứng dụng ảnh landsat trong việc tính toán nhiệt độ bề mặt đất

TRƯỜNG ĐẠII HỌC H TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG NG HÀ N NỘI KHOA TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ SINH VIÊN: VIÊN TRẦN MINH TRÂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG D ẢNH LANDSAT TRONG VIỆC C TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT Hà Nội - 2015 TRƯỜNG ĐẠII HỌC H TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG NG HÀ N NỘI KHOA TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ SINH VIÊN VIÊN: TRẦN MINH TRÂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG D ẢNH LANDSAT TRONG VIỆC C TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT Chuyên ngành: Tr Trắc Địa - Bản Đồ Mã ngành:D520503 NGƯỜII HƯỚNG H DẪN : ThS NGUYỄN THỊ QUỲNH QU TRANG Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Đồ án “nghiên cứu ứng dụng ảnh landsat việc tính toán nhiệt độ bề mặt đất” công trình nghiên cứu khoa học độc lập với giúp đỡ giáo viên hướng dẫn Đây đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Trắc Địa - Bản Đồ Số liệu hoàn toàn tác giả tính toán, không chép từ tài liệu Đồ án chưa dùng để bảo vệ học vị Hà Nội, ngày 14 tháng 6năm 2015 Tác giả đồ án Trần Minh Trâm MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Mục tiêu nhiệm vụ đồ án 11 Giới hạn phạm vi khu vực nghiên cứu 12 Cấu trúc đồ án 13 CHƯƠNG I 14 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ẢNH LANDSAT TRONG TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT 14 1.1 Giới thiệu viễn thám liệu ảnh viễn thám 14 1.1.1 Giới thiệu viễn thám 14 1.1.2 Dữ liệu ảnh viễn thám 14 1.2 Khái niệm nhiệt độ mặt đất 15 1.3 Giới thiệu chung liệu ảnh Landsat 16 1.3.1 Đặc trưng ảnh Landsat 16 1.3.2 Ứng dụng ảnh Landsat 20 1.4 Cơ sở ứng dụng liệu ảnh Landsat tính toán nhiệt độ bề mặt đất 23 1.4.1 Cơ sở lý thuyết tính toán nhiệt độ bề mặt 23 1.4.2 Tính toán số nhiệt độ bề mặt đất tự ảnh Landsat 26 1.5 Các phương pháp nghiên cứu 29 CHƯƠNG II 31 CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT NÓI CHUNG VÀ CỦA TỈNH LÂM ĐỒNG NÓI RIÊNG 31 2.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt đất 31 2.1.1 Cán cân nhiệt mặt đất 31 2.1.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt đất 32 2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt đất tỉnh Lâm Đồng 35 2.2.1 Các nhân tố tự nhiên 35 2.2.2 Các hoạt động kinh tế- xã hội 44 CHƯƠNG III 46 TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT CHO KHU VỰC TỈNH LÂM ĐỒNG BẰNG TƯ LIỆU ẢNH LANDSAT 46 3.1 Cơ sở liệu 46 3.2 Tính toán nhiệt độ bề mặt đất tỉnh Lâm Đồng từ liệu ảnh Landsat 47 3.2.1 Tính toán nhiệt độ bề mặt đất tỉnh Lâm Đồng 47 3.2.2 Lọc mây phân lớp nhiệt độ 52 3.3 Kết tính toán nhiệt độ bề mặt đất 58 KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên đầy đủ - Mô tả LST : Land surface temperature - Nhiệt độ bề mặt đất NĐBM : Nhiệt độ bề mặt DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các hệ vệ tinh Landsat 17 Bảng 1.2: Một số thông số kênh phổ ảnh Landsat TM 18 Bảng1.3: Một số thông số kênh phổ ảnh Landsat ETM+ 18 Bảng 1.4: Một số thông số kênh phổ ảnh vệ tinh Landsat 19 Bảng 1.5: Khả ứng dụng kênh phổ ảnh Landsat TM 20 Bảng 1.6: Khả ứng dụng kênh phổ ảnh vệ tinh Landsat ETM+ 21 Bảng 1.7: Ứng dụng kênh phổ ảnh Landsat 22 Bảng 1.8: Sự phát xạ số đối tượng tự nhiên dải sóng 8-14 µm 26 Bảng 1.9: Giá trị ‫ ܮܯ‬, ‫ ܮܣ‬đối với ảnh Landsat 29 Bảng 1.10: Giá trị phổ ảnh Landsat 29 Bảng 2.1: Hiệu nhiệt độ đất sườn dốc hướng Nam hướng Bắc độ 34 Bảng 2.2: Hiện trạng, biến động sử dụng đất đai nước năm 1990-2008 34 Bảng 2.3: Danh sách đơn vị hành trực thuộc tỉnh Lâm Đồng [4] 36 Bảng 2.4:Số liệu thống kê diện tích loại đất rừng 41 Bảng 2.5: Các loại đất địa bàn tỉnh Lâm Đồng 42 Bảng 2.6: Tỷ lệ diện tích đất phân theo độ dốc 42 Bảng 3.1: Thống kê cảnh ảnh sử dụng để tính LST 47 DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ Hình 1: Sơ đồ khu vực nghiên cứu 12 Hình 1.1: Đặc trưng kênh phổ ảnh Landsat ETM+ ảnh Landsat 19 Hình 1.2: Độ phủ chụp vệ tinh Landsat quy mô toàn cầu 23 Hình 1.3: Đặc điểm phát xạ nhiệt vật chất [5] 24 Hình 1.4: Cửa số khí vùng phát xạ nhiệt [5] 25 Hình 2.1: Sơ đồ cán cân nhiệt mặt đất vào ban ngày (trái) ban đêm (phải) 31 Hình 2.2: Bản đồ tỉnh Lâm Đồng 35 Hình 2.3:Nhiệt độ trung bình tháng lượng mưa tháng trạm Đà Lạt năm 2012 40 Hình 3.1: Dữ liệu ảnh ban đầu kênh 10 48 Hình 3.2: Ảnh Lâm Đồng cắt theo ranh giới 48 Hình 3.3: Ảnh sau tính chuyển từ giá trị độ xám sang giá trị xạ phổ 49 Hình 3.4: Ảnh sau tính chuyển từ giá trị xạ phổ sang nhiệt độ 50 Hình 3.5: Ảnh sau chuyển nhiệt độ Kenvil đơn vị Celcius(℃) 51 Hình 3.6: Hộp thoại Band Math Variables to Bands Pairings 51 Hình 3.7: Dữ liệu ảnh ban đầu dùng để lọc mây 53 Hình 3.8: Ảnh sau cắt theo ranh giới 53 Hình 3.9: Xác định giá trị Data mây bóng mây 54 Hình 3.10: Giá trị mây bóng mây 55 Hình 3.11: Hộp thoại Available Vectors List Output EVF Layers to Shapfile 55 Hình 3.12: Ranh giới tỉnh Lâm Đồng bị xóa bỏ mây 56 Hình 3.13: Ảnh Lâm Đồng xóa bỏ mây 57 Hình 3.14: Ảnh nhiệt sau phân lớp 58 Hình 3.15: Bản đồ nhiệt độ bề mặt đất tỉnh Lâm Đồng vào mùa khô tổ hợp tháng từ 2/2015 đến 4/2015 59 Hình 3.16: Kết tính toán nhiệt độ bề mặt đất tỉnh Lâm Đồng cho mùa khô 2013, mùa mưa 2013, mùa khô 2014, mùa mưa2014 62 Hình 3.17: Biểu đồ diện tích đất Lâm Đồng nhiệt độ lớn 30℃ năm 64 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Th.S Nguyễn Thị Quỳnh Trang, cô tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án Nhờ có giúp đỡ cô, em thấy học hỏi nhiều sau đồ án tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy, cô thuộc phòng Công nghệ Viễn thám, GIS GPS, Viện Công nghệ Vũ trụ, Viện Hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam Các thầy cô bảo tận tình, giúp đỡ tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án Sau đồ án tốt nghiệp, em học hỏi nhiều điều kinh nghiệm nghiên cứu, làm việc Em xin chân thành cảm ơn đề tài TN3/T16 thuộc chương trình Khoa học Công nghệ phục vụ phát triển kinh tế - xã hội vùng Tây Nguyên giúp em thực đồ án Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô khoa Trắc địa-Bản đồtrường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho em thời gian học tập nghiên cứu Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân bạn bè giúp đỡ, động viên khích lệ chia sẻ em trình thực đồ án tốt nghiệp Hà Nội, ngày 14 tháng năm 2015 Sinh viên thực Trần Minh Trâm MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Lâm Đồng nằm phía Nam Tây Nguyên, có đất bazan màu mỡ chiếm diện tích lớn, thời tiết ôn hòa mát mẻ quanh năm với hai mùa: mùa khô mùa mưa Tuy nhiên nay, vùng đất phải đối mặt với khó khăn biến đổi khí hậu gây ra.Trong mùa khô, ảnh hưởng gió mùa Đông Bắc nên lượng mưa Lâm Đồng ít, chiếm 10-15% lượng mưa năm, có thời điểm 2-3 tháng mưa nên Lâm Đồng nơi có tình trạng hạn hán thiếu nước trầm trọng nước Tuy nhiên, mùa mưa chịu ảnh hưởng gió mùa Tây Nam nên lượng mưa mùa chiếm 85-90% lượng mưa năm, có năm mưa lớn kéo dài gây nên lũ lụt, lũ quét Nhiệt độ bề mặt Trái đất tạo cân lượng Mặt trời bề mặt Trái đất Nhiệt độ bề mặt (NĐBM) tham số quan trọng việc đặc trưng hóa trao đổi lượng bề mặt đất khí Vì thế, NĐBM sử dụng cho nhiều nghiên cứu khí hậu, thủy văn, khí quyển, sinh địa hóa nghiên cứu biến động địa chất, môi trường NĐBM bị ảnh hưởng mạnh mẽ độ phát xạ bề mặt, hiệu ứng khí loại hình lớp phủ loại hình sử dụng đất Hiện nay, Trái Đất ngày nóng lên, cân trao đổi lượng bề mặt Trái Đất môi trường xung quanh làm nhiệt độ khí tăng lên, kéo theo nhiều hậu trực tiếp gián tiếp, ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt sản xuất người Đối với phương pháp nghiên cứu truyền thống, việc tính toán nhiệt độ bề mặt đất dựa vào liệu quan trắc thời tiết trạm khí tượng riêng biệt, mà trung bình tỉnh thành có từ đến vài ba trạm, từ nội suy vùng lân cận Số liệu đo từ phương pháp truyền thống có ưu điểm độ phân giải thời gian cao ghi chép thời gian dài, không đảm bảo độ phân giải không gian số điểm đo thưa thớt, đảm bảo liệu chi tiết xác để theo dõi thay đổi NĐBM đất khu vực rộng lớn 10 Trong đó, liệu viễn thám có khả cung cấp liệu cách đồng thường xuyên phản xạ phát xạ bề mặt đất với độ phân giải không gian từ thấp đến cao Hiện nay, liệu viễn thám nhiệt, phân tích chi tiết thay đổi NĐBMcủa khu vực rộng lớnmà không bị hạn chế số điểm đo trạm khí tượng phương pháp đo đạc truyền thống Nguồn liệu viễn thám lý tưởng kết hợp với số liệu quan trắc thời tiết trạm khí tượng để thiết lập mối liên kết NĐBM thay đổi trạng lớp phủ trạng sử dụng đất Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đất làm sở theo dõi biến động môi trường, lớp phủ Đồng thời, đồ nhiệt tư liệu quan trọng để đưa dự đoán khô hạn, làm sở cho việc quy hoạch, sử dụng đất, sử dụng tài nguyên cách hợp lí Xuất phát từ lý nêu trên, em lựa chọn đề tài : “Nghiên cứu ứng dụng ảnh Landsat việc tính toán nhiệt độ bề mặt đất” cho khu vực tỉnh Lâm Đồng Mục tiêu nhiệm vụ đồ án Mục tiêu đồ án nghiên cứu đặc tính kĩ thuật ảnh Landsat, từ tính toán nhiệt độ bề mặt đất, phục vụ cho việc thành lập đồ nhiệt cho khu vực tỉnh Lâm Đồng Để thực mục tiêu đồ án thực nhiệm vụ nội dung sau: - Thu thập tư liệu: Ảnh viễn thám, đồ chuyên đề nguồn tài liệu tham khảo khác -Tổng quan sở khoa học công nghệ viễn thám việc tính toán nhiệt độ bề mặt khu vực tỉnh Lâm Đồng -Nghiên cứu đặc điểm điều kiện tự nhiên kinh tế - xã hội, yếu tố ảnh hưởng tới nhiệt độ bề mặt đất khu vực tỉnh Lâm Đồng -Tính toán nhiệt độ bề mặt đất từ liệu ảnh vệ tinh Landsat cho khu vực tỉnh Lâm Đồng 11 Giới hạn phạm vi khu vực nghiên cứu Lâm Đồng thuộc phía Nam Tây Nguyên, có tọa độ địa lý từ 11˚12’-12˚15’ vĩ độ Bắc 107˚45’ kinh độ Đông Phía đông giáp với tỉnh Khánh Hoà Ninh Thuận, phía tây giáp Đắk Nông, phía tây nam giáp tỉnh Đồng Nai Bình Phước, phía nam đông nam gáp tỉnh Bình Thuận, giáp tỉnh Đắc Lắc phía Bắc (hình 1)[4] Hình 1: Sơ đồ khu vực nghiên cứu Lâm Đồng năm tỉnh thuộc vùng Tây Nguyên, đồng thời tiếp giáp với vùng kinh tế trọng điểm phía nam Lâm Đồng tỉnh Tây Nguyên đường biên giới quốc tế Tỉnh lỵ thành phố Đà Lạt nằm cách Thành phố Hồ Chí Minh 300 km hướng Bắc, đồng thời cách cảng biển Nha Trang 210 km hướng Tây 12 Cấu trúc đồ án Ngoài phần Mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo đồ án bao gồm 3chương, cụ thể sau: Chương 1: Tổng quan tài liệu nghiên cứu ứng dụng ảnh Landsat tính toán nhiệt độ bề mặt đất Chương 2: Các nhân tố ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt đất nói chung tỉnh Lâm Đồng nói riêng Chương 3: Tính toán nhiệt độ bề mặt đất cho khu vực tỉnh Lâm Đồng từ liệu ảnh Landsat 13 [...]... thám trong việc tính toán nhiệt độ bề mặt khu vực tỉnh Lâm Đồng -Nghiên cứu các đặc điểm về điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội, các yếu tố ảnh hưởng tới nhiệt độ bề mặt đất khu vực tỉnh Lâm Đồng -Tính toán nhiệt độ bề mặt đất từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat cho khu vực tỉnh Lâm Đồng 11 3 Giới hạn phạm vi khu vực nghiên cứu Lâm Đồng thuộc phía Nam Tây Nguyên, có tọa độ địa lý từ 11˚12’-12˚15’ vĩ độ. .. khảo thì đồ án bao gồm 3chương, cụ thể như sau: Chương 1: Tổng quan tài liệu nghiên cứu ứng dụng ảnh Landsat trong tính toán nhiệt độ bề mặt đất Chương 2: Các nhân tố ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt đất nói chung và của tỉnh Lâm Đồng nói riêng Chương 3: Tính toán nhiệt độ bề mặt đất cho khu vực tỉnh Lâm Đồng từ dữ liệu ảnh Landsat 13 ... dụng đất Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đất làm cơ sở theo dõi những biến động về môi trường, lớp phủ Đồng thời, bản đồ nhiệt sẽ là một trong những tư liệu quan trọng để đưa ra những dự đoán về khô hạn, cũng như làm cơ sở cho việc quy hoạch, sử dụng đất, sử dụng tài nguyên một cách hợp lí Xuất phát từ những lý do nêu trên, em đã lựa chọn đề tài : Nghiên cứu ứng dụng ảnh Landsat trong việc tính toán nhiệt. .. trong việc tính toán nhiệt độ bề mặt đất cho khu vực tỉnh Lâm Đồng 2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đồ án Mục tiêu của đồ án là nghiên cứu đặc tính kĩ thuật của ảnh Landsat, từ đó tính toán nhiệt độ bề mặt đất, phục vụ cho việc thành lập bản đồ nhiệt cho khu vực tỉnh Lâm Đồng Để thực hiện được mục tiêu trên thì đồ án thực hiện những nhiệm vụ và nội dung sau: - Thu thập tư liệu: Ảnh viễn thám, bản đồ chuyên.. .Trong khi đó, dữ liệu viễn thám có khả năng cung cấp dữ liệu một cách đồng nhất và thường xuyên về sự phản xạ và phát xạ của bề mặt đất với độ phân giải không gian từ thấp đến cao Hiện nay, dữ liệu viễn thám nhiệt, có thể phân tích chi tiết được sự thay đổi NĐBMcủa một khu vực rộng lớnmà không bị hạn chế... Nguyên, có tọa độ địa lý từ 11˚12’-12˚15’ vĩ độ Bắc và 107˚45’ kinh độ Đông Phía đông giáp với các tỉnh là Khánh Hoà và Ninh Thuận, phía tây giáp Đắk Nông, phía tây nam giáp tỉnh Đồng Nai và Bình Phước, phía nam và đông nam gáp tỉnh Bình Thuận, giáp tỉnh Đắc Lắc ở phía Bắc (hình 1)[4] Hình 1: Sơ đồ khu vực nghiên cứu Lâm Đồng là một trong năm tỉnh thuộc vùng Tây Nguyên, đồng thời tiếp giáp với vùng