Ứng dụng viễn thám hồng ngoại nhiệt (viễn thám nhiệt) trong nghiên cứu, ước tính nhiệt độ bề mặt có tính ưu việt đặc biệt là mức độ chi tiết của kết quả được thể hiện trên toàn vùng, chứ không phải chỉ là số đo tại điểm quan trắc như trong phương pháp đo đạc truyền thống từ các trạm quan trắc khí tượng. Trên cơ sở đó, em lựa chọn đề tài: “Ứng dụng phương pháp viễn thám nhiệt trong đánh giá mức độ khô hạn bề mặt trên cơ sở chỉ số khô hạn nhiệt độ – thực vật TVDI (thử nghiệm cho khu vực huyện Thạch Hà, tỉnh Hà Tĩnh)”.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
CƠ SỞ CHỈ SỐ KHÔ HẠN NHIỆT ĐỘ - THỰC VẬT
TVDI (THỬ NGHIỆM CHO KHU VỰC HUYỆN THẠCH HÀ, TỈNH HÀ TĨNH)
Trang 2HÀ NỘI - 2017
Trang 3TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
CƠ SỞ CHỈ SỐ KHÔ HẠN NHIỆT ĐỘ - THỰC VẬT
TVDI (THỬ NGHIỆM CHO KHU VỰC HUYỆN THẠCH HÀ, TỈNH HÀ TĨNH)
Chuyên ngành : Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN : PGS TS TRỊNH LÊ HÙNG
Trang 4HÀ NỘI - 2017
Trang 5LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS.Trịnh Lê Hùng – Học viện Kỹ thuật Quân
Sự, người đã hướng dẫn và định hướng cho em trong suốt quá trình thực hiệnnghiên cứu này
Em cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Bản đồ - Viễn thám và GIScũng như các thầy cô Khoa Trắc địa – Bản đồ cùng toàn thể quý thầy cô TrườngĐại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã truyền đạt cho em những kiến thức
bổ ích, ý nghĩa; giúp đỡ và chỉ dạy em trong quá trình học tập trên giảng đường.Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến gia đình và các bạntrong tập thể lớp ĐH3TĐ1 luôn tận tình giúp đỡ, động viên em trong quá trình họctập cũng như trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp
Do kiến thức chuyên môn còn nhiều hạn chế, thời gian nghiên cứu khôngnhiều nên trong đồ án không tránh khỏi những sai sót, kính mong nhận được sựđóng góp của thầy cô và các bạn
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 14 tháng 5 năm 2017
Sinh viên Hoàng Thị Bích Thùy
Trang 6MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH ẢNH
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4
1.1 Tổng quan về tình trạng hạn hán trên thế giới và Việt Nam 4
1.1.1 Tìm hiểu về hạn hán 4
1.1.2 Tình trạng hạn hán trên thế giới 5
1.1.3 Tình trạng hạn hán trong trong nước 12
1.2 Tình hình ứng dụng phương pháp viễn thám trong nghiên cứu, giám sát hạn hán 15
1.2.1 Trên thế giới 15
1.2.2 Trong nước 18
1.3 Tổng quan về viễn thám hồng ngoại nhiệt 20
1.4 Một số tư liệu ảnh viễn thám hồng ngoại nhiệt cơ bản 25
1.4.1 Ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT 25
1.4.2 Ảnh hồng ngoại nhiệt ASTER 29
1.4.3 Ảnh hồng ngoại nhiệt MODIS 31
1.4.4 Ứng dụng của ảnh hồng ngoại nhiệt 32
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ KHÔ HẠN NHIỆT ĐỘ - THỰC VẬT TVDI 35
2.1 Phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt (LST) 35
2.1.1 Chuyển giá trị số nguyên sang giá trị bức xạ điện từ……… 35
2.1.2 Phương pháp xác định chỉ số NDVI 36
2.1.3 Phương pháp xác định giá trị bức xạ phổ .36
2.1.4 Phương pháp xác định độ phát xạ bề mặt 37
2.1.5 Phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt 37
2.2 Phương pháp xác định “cạnh khô” và “cạnh ướt” trong không gian nhiệt độ/lớp phủ 40
2.3 Phương pháp xác định chỉ số TVDI 42
Trang 72.4 Sơ đồ khối phương pháp xác định chỉ số khô hạn nhiệt độ – thực vật TVDI từ tư liệu
ảnh vệ tinh Landsat 45
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM PHÂN BỐ MỨC ĐỘ KHÔ HẠN KHU VỰC HUYỆN THẠCH HÀ, TỈNH HÀ TĨNH TRÊN CƠ SỞ CHỈ SỐ TVDI 47
3.1 Đặc điểm khu vực nghiên cứu 47
3.1.1 Vị trí địa lý 47
3.1.2 Địa hình, khí hậu 48
3.2 Đặc điểm tư liệu sử dụng trong đề tài 49
3.3 Kết quả xác định nhiệt độ bề mặt (Land surface temperature) 51
3.3.1 Kết quả xác định chỉ số thực vật (NDVI) 51
3.3.2 Kết quả xác định độ phát xạ bề mặt (Surface emissivity) 53
3.3.3 Kết quả xác định nhiệt độ bề mặt 54
3.4 Kết quả xác định chỉ số khô hạn nhiệt độ – thực vật TVDI 57
3.4.1 Kết quả xác định chỉ số TVDI 57
3.4.2 Thành lập bản đồ phân vùng mức độ khô hạn khu vực huyện Thạch Hà, tỉnh Hà Tĩnh (Bản đồ đi kèm) 59
3.5 Đánh giá tình trạng hạn hán khu vực nghiên cứu 59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO 63
Trang 8I DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ETM+ Enhaced Thematic Mapper Plus Bản đồ chuyên đề tăng
cường
NDVI Normalized Difference Vegetation Index Chỉ số thực vật
TVDI Temperature Vegetation Dryness Index Chỉ số khô hạn nhiệt độ
thực vật
Trang 9DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Độ phát xạ của một số đối tượng 24
Bảng 1.2 Thông tin kênh ảnh Landsat với bộ cảm ETM+ 27
Bảng 1.3 Thông tin kênh ảnh Landsat với bộ cảm TM 27
Bảng 1.4 Kênh phổ của ảnh Landsat – bộ cảm ETM+ 28
Bảng 1.5 Ứng dụng từng kênh ảnh Landsat – bộ cảm ETM+ 28
Bảng 1.6 Ứng dụng từng kênh ảnh Landsat – bộ cảm TM 29
Bảng 1.7 So sánh Landsat 7 và Landsat 8 30
Bảng 1.8 Thông tin kênh ảnh ASTER 31
Bảng 1.9 Ứng dụng của ảnh MODIS 32
Bảng 2.1 Phân cấp mức độ khô hạn đối với chỉ số TVDI 35
Bảng 2.2 Giá trị ML, AL đối với ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT 8 36
Bảng 2.3 Phân cấp mức độ khô hạn đối với chỉ số TVDI… 45
Bảng 3.1 Kết quả đánh giá mức độ khô hạn bề mặt mỏ sắt Thạch Khê, 61
huyện Thạch Hà, tỉnh Hà Tĩnh 61
Trang 10DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hạn hán tại thôn Vĩnh Sơn, xã Vĩnh Hào, huyệnVụ Bản, 4
tỉnh Nam Định 4
Hình 1.2 Bản đồ biến động nhiệt toàn cầu trong 2015, số vùng có nhiệt độ trung bình cao hơn giai đoạn 1961 - 1990 chiếm tỷ lệ áp đảo 6
Hình 1.3 Nhiều đợt hạn hán đã xảy ra với quy mô và cường độ lớn 6
Hình 1.4 Bản đồ do Cơ quan hải dương và khí quyển quốc gia Mỹ (NOAA) cung cấp cho thấy tình trạng hạn hán ảnh hưởng tới hơn nửa diện tích nước Mỹ 7
Hình 1.5 Một hồ bị cạn sạch nước tại Crossville 7
Hình 1.6 Một nhiệt kế bên đường đo được nhiệt độ tại Washington 8
Hình 1.7 Người dân chen chân chật kín quanh một giếng nước tại làng Natwargadh, thuộc bang Gujarat, miền tây Ấn Độ trong một đợt hạn hán 8
Hình 1.8 Dưới lòng hồ Aleixo, đất đai nứt nẻ khô cằn 9
Hình 1.9 Hạn hán ở Úc, 1982-1983 9
Hình 1.10 Hạn hán Trung Quốc năm 1941 10
Hình 1.11 Hạn hán ở Đông Phi, 2011 10
Hình 1.12 Hạn hán ở Bắc Mỹ, 2002 11
Hình 1.13 Hạn hán ở Tây Ban Nha, 2014 11
Hình 1.14 Mức tăng nhiệt độ trung bình năm phổ biến từ 1,3 đến 1,7oC vào giữa thế kỷ 21; từ 1,7 đến 2,4oC vào cuối thế kỷ 12
Hình 1.15 Tình trạng hạn hán trên cả nước 9/2016 13
Hình 1.16 Phân vùng chỉ số khô hạn tỉnh Ninh Thuận tháng 9 năm 2015 13
Hình 1.17 Hàng ngàn héc ta đất nông nghiệp tại 6 xã ảnh hưởng trực tiếp dự án khai thác mỏ sắt Thạch Khê 14
Hình 1.18 Thực trạng xả nước ra biển của Công ty CP Sắt Thạch Khê 15
Hình 1.19 Nhiệt độ bề mặt nước biển phân tích từ ảnh NOAA 19
Hình 1.20 Ảnh tổ hợp màu khu vực Hồ Chí Minh 21
Hình 1.21 Nguyên lý hoạt động của viễn thám hồng ngoại nhiệt 23
Hình 1.22 Mô hình nhiệt của các vật chất có sự khác biệt lớn về nhiệt độ của vật giữa ngày và đêm 25
Hình 1.23 Cơ chế thu ảnh hồng ngoại nhiệt theo phương pháp quét 25
Hình 1.24 Ảnh hồng ngoại nhiệt thu nhận vào ban ngày (a) và ban đêm (b) 26
Trang 11Hình 1.25 Ảnh ASTER 32
Hình 1.26 Ảnh MODIS bão Lupin, 26/11/2003, Tây Philippin 33
Hình 2.1 Quy trình công nghệ xác định nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT 39
Hình 2.2 Nhiệt độ bề mặt toàn cầu (26 – 10 – 2013) xác định từ ảnh nhiệt NOAA/AVHRR 39
Hình 2.3 Ví dụ xác định Tsmax bằng phương pháp hồi quy tuyến tính 41
Hình 2.4 Đồ thị tương quan giữa chỉ số thực vật (NDVI) với nhiệt độ bề mặt LST (Ts) 42
Hình 2.5 Chỉ số TVDI của một pixel ảnh [TS /NDVI] được xác định như một tỷ lệ giữa đường A = (Ts - Tmin) và B = (Ts - Tsmax) 44
Hình 2.6 Quy trình công nghệ đánh giá độ ẩm đất từ dữ liệu ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT 48
Hình 3.1 Bản đồ hành chính huyện Thạch Hà-tỉnh Hà Tĩnh 1:25000 49
Hình 3.2 Bản đồ huyện Thạch Hà 50
Hình 3.3 Kết quả xác định chỉ số NDVI khu vực Thạch Hà, Hà Tĩnh 2006 54
Hình 3.4 Kết quả xác định chỉ số NDVI khu vực Thạch Hà, Hà Tĩnh 2009 55
Hình 3.5 Kết quả xác định chỉ số NDVI khu vực Thạch Hà, Hà Tĩnh 2013 55
Hình 3.6 Kết quả xác định độ phát xạ bề mặt khu vực Thạch Hà, Hà Tĩnh 2006 56
Hình 3.7 Kết quả xác định độ phát xạ bề mặt khu vực Thạch Hà, Hà Tĩnh 2009 57
Hình 3.8 Kết quả xác định độ phát xạ bề mặt khu vực Thạch Hà, Hà Tĩnh 2013 57
Hình 3.9 Kết quả xác định nhiệt độ bề mặt khu vực Thạch Hà, Hà Tĩnh 2006 58
Hình 3.10 Kết quả xác định nhiệt độ bề mặt khu vực Thạch Hà, Hà Tĩnh 2009 59
Hình 3.11 Kết quả xác định nhiệt độ bề mặt khu vực Thạch Hà, Hà Tĩnh 2013 59
Hình 3.12 Kết quả phân vùng khô hạn khu vực Thạch Hà, Hà Tĩnh 03/06/2006 60
Hình 3.13 Kết quả phân vùng khô hạn khu vực Thạch Hà, Hà Tĩnh 09/07/2009 61
Hình 3.14 Kết quả phân vùng khô hạn khu vực Thạch Hà, Hà Tĩnh 18/06/2013 61
Trang 12MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Mỏ sắt Thạch Khê (Hà Tĩnh) là mỏ sắt lớn nhất nước ta cũng như khu vựcĐông Nam Á, với trữ lượng lên đến khoảng 544 triệu tấn Với vị trí địa lý thuận lợi,cách thành phố Hà Tĩnh khoảng 8 km về phía Đông Bắc, cách bờ biển Đông 1,6 km
và cách cảng Vũng Áng 66 km, việc khai thác và chế biến quặng sắt ở Thạch Khêgặp nhiều thuận lợi, góp phần phát triển kinh tế – xã hội của địa phương Tuy nhiên,bên cạnh lợi ích về kinh tế – xã hội, việc khai thác quặng sắt ở Thạch Khê cũng ảnhhưởng nặng nề đến môi trường sống và hoạt động sản xuất của người dân, trong đó
có tình trạng hạn hán và hoang mạc hóa đang diễn ra hết sức nghiêm trọng Mộtdiện tích lớn đất sản xuất đã bị cát vùi lấp, bị sa mạc hóa nhanh chóng trong một vàinăm trở lại đây
Do hạn hán thường xảy ra trên diện rộng, việc nghiên cứu bằng các phươngpháp truyền thống gặp rất nhiều khó khăn do chi phí lớn và tốn kém thời gian.Nhược điểm này có thể khắc phục khi sử dụng tư liệu viễn thám với đặc trưng diệntích phủ trùm rộng, thời gian cập nhật ngắn, dải phổ và số lượng kênh phổ đa dạng
Đề tài dự kiến nghiên cứu, đánh giá hiện trạng hạn hán ở khu vực Thạch Hà (HàTĩnh) do ảnh hưởng của quá trình khai thác mỏ sắt Thạch Khê từ tư liệu ảnh vệ tinhLandsat đa thời gian Trong đánh giá hạn hán, nhiệt độ bề mặt và độ ẩm là hai yếu
tố vô cùng quan trọng Ứng dụng viễn thám hồng ngoại nhiệt (viễn thám nhiệt)trong nghiên cứu, ước tính nhiệt độ bề mặt có tính ưu việt đặc biệt là mức độ chi tiếtcủa kết quả được thể hiện trên toàn vùng, chứ không phải chỉ là số đo tại điểm quantrắc như trong phương pháp đo đạc truyền thống từ các trạm quan trắc khí tượng
Trên cơ sở đó, em lựa chọn đề tài: “Ứng dụng phương pháp viễn thám nhiệt
trong đánh giá mức độ khô hạn bề mặt trên cơ sở chỉ số khô hạn nhiệt độ – thực vật TVDI (thử nghiệm cho khu vực huyện Thạch Hà, tỉnh Hà Tĩnh)”
2 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng chỉ số khô hạn nhiệt độ – thực vật TVDI trong phânvùng mức độ khô hạn, thử nghiệm cho khu vực mỏ sắt Thạch Khê, huyện Thạch
Hà, tỉnh Hà Tĩnh
Trang 133 Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: Hiện trạng hạn hán, khả năng ứng dụngphương pháp viễn thám nhiệt trong nghiên cứu, giám sát hạn hán
- Nghiên cứu, phân tích đặc điểm tư liệu ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat
- Nghiên cứu cơ sở khoa học phương pháp đánh giá độ ẩm đất trên cơ sở chỉ
số khô hạn nhiệt độ – thực vật TVDI
- Thực nghiệm xác định chỉ số TVDI và phân vùng mức độ khô hạn khu vựchuyện Thạch Hà, tỉnh Hà Tĩnh
- Thành lập bản đồ phân vùng mức độ khô hạn khu vực huyện Thạch Hà, tỉnh
Hà Tĩnh tỉ lệ 1:100 000
4 Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở khoa học phương pháp đánh giá độẩm đất trên cơ sở chỉ số khô hạn nhiệt độ - thực vật TVDI
- Phương pháp tổng hợp và kế thừa: Phân tích, tổng hợp và áp dụng sáng tạocác nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài
- Phương pháp viễn thám: Phương pháp tiền xử lý ảnh, chiết tách thông tin độphát xạ, nhiệt độ bề mặt, chỉ số thực vật NDVI, chỉ số TVDI…
5 Địa điểm, thời gian và đối tượng nghiên cứu
- Địa điểm nghiên cứu: Khu vực khai thác mỏ Thạch Khê, Thạch Hà, Hà Tĩnh
- Thời gian nghiên cứu: 2006 – 2013
- Đối tượng nghiên cứu: Hạn hán
Chương 1: Tổng quan về vấn đề cần nghiên cứu.
Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học phương pháp xác định chỉ số khô hạn
Trang 14nhiệt độ – thực vật TVDI.
Chương 3: Thực nghiệm phân vùng mức độ khô hạn khu vực huyện Thạch
Hà, tỉnh Hà Tĩnh trên cơ sở chỉ số TVDI
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Trang 15CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Tổng quan về tình trạng hạn hán trên thế giới và Việt Nam
1.1.1 Tìm hiểu về hạn hán
1.1.1.1 Khái niệm hạn hán
Hạn hán là hiện tượng lượng mưa thiếu hụt nghiêm trọng kéo dài, làm giảmhàm lượng ẩm trong không khí và hàm lượng nước trong đất, làm suy kiệt dòngchảy sông suối, hạ thấp mực nước ao hồ, mực nước trong các tầng chứa nước dướiđất gây ảnh hưởng xấu đến sự sinh trưởng của cây trồng, làm môi trường suy thoáigây đói nghèo dịch bệnh
Hạn hán là một hiện tượng thiên tai tự nhiên, khi một khu vực phải trải quatình trạng thiếu nước trong một thời gian dài nhiều tháng, nhiều năm, làm giảmthiểu lượng ẩm trong không khí, hàm lượng nước trong đất, gây suy kiệt dòng chảycủa sông suối…ảnh hưởng xấu đến sự sinh trưởng của cây trồng, suy thoái môitrường dẫn tới đói nghèo và dịch bệnh Ở những khu vực xảy ra hạn hán, lượngnước mưa luôn ở dưới mức trung bình, vì vậy nó sẽ tác động rất lớn đến hệ sinh thái vànông nghiệp của những khu vực đó, gây thiệt hại không nhỏ cho nền kinh tế ở đó
Hình 1.1 Hạn hán tại thôn Vĩnh Sơn, xã Vĩnh Hào, huyện Vụ Bản,
tỉnh Nam Định 1.1.1.2 Những nguyên nhân gây ra hạn hán
Nguyên nhân gây ra hạn hán có rất nhiều, song tập trung chủ yếu là hainguyên nhân chính:
Nguyên nhân khách quan: Do khí hậu thời tiết bất thường gây nên lượng mưa
Trang 16thường xuyên ít ỏi hoặc nhất thời thiếu hụt.
- Mưa rất ít, lượng mưa không đáng kể trong thời gian dài hầu như quanh năm,đây là tình trạng phổ biến trên các vùng khô hạn và bán khô hạn Lượng mưa trongkhoảng thời gian dài đáng kể thấp hơn rõ rệt mức trung bình nhiều năm cùng kỳ.Tình trạng này có thể xảy ra trên hầu khắp các vùng, kể cả vùng mưa nhiều
- Mưa không ít lắm, nhưng trong một thời gian nhất định trước đó không mưahoặc mưa chỉ đáp ứng nhu cầu tối thiểu của sản xuất và môi trường xung quanh.Đây là tình trạng phổ biến trên các vùng khí hậu gió mùa, có sự khác biệt rõ rệt vềmưa giữa mùa mưa và mùa khô Bản chất và tác động của hạn hán gắn liền với địnhloại về hạn hán
Nguyên nhân chủ quan:
Do con người gây ra, trước hết là do tình trạng phá rừng bừa bãi làm mấtnguồn nước ngầm dẫn đến cạn kiệt nguồn nước; việc trồng cây không phù hợp,vùng ít nước cũng trồng cây cần nhiều nước (như lúa) làm cho việc sử dụng nướcquá nhiều, dẫn đến việc cạn kiệt nguồn nước; thêm vào đó công tác quy hoạch sửdụng nước, bố trí công trình không phù hợp, làm cho nhiều công trình không pháthuy được tác dụng Vùng cần nhiều nước lại bố trí công trình nhỏ, còn vùng thiếunước (nguồn nước tự nhiên) lại bố trí xây dựng công trình lớn Bên cạnh đó, chấtlượng thiết kế, thi công công trình chưa được hiện đại hóa và không phù hợp
Thêm nữa, hạn hán thiếu nước trong mùa khô (mùa kiệt) là do không đủnguồn nước và thiếu những biện pháp cần thiết để đáp ứng nhu cầu sử dụng ngàycàng gia tăng do sự phát triển kinh tế - xã hội ở các khu vực, các vùng chưa có quyhoạch hợp lý hoặc quy hoạch phát triển không phù hợp với mức độ phát triển nguồnnước, không hài hoà với tự nhiên, môi trường vốn vẫn tồn tại lâu nay Mức độnghiêm trọng của hạn hán thiếu nước càng tăng cao do nguồn nước dễ bị tổnthương, suy thoái lại chịu tác động mạnh của con người
1.1.2 Tình trạng hạn hán trên thế giới
Trong ba thập niên liên tiếp vừa qua, nhiệt độ bề mặt Trái đất luôn nóng hơn
so với tất cả các thập niên trước đây kể từ năm 1850 Hạn hán luôn được coi là ‘sátthủ thầm lặng (silent killer), chỉ trong 30 năm 1983-2012 hạn hán trong vùng châu
Á – Thái Bình Dương đã ảnh hưởng đến cuộc sống của hơn 1,3 tỷ người và thiệt hại
53 tỷ US$ (theo ESCAP)
Trang 17Hình 1.2 Bản đồ biến động nhiệt toàn cầu trong 2015, số vùng có nhiệt độ
trung bình cao hơn giai đoạn 1961 - 1990 chiếm tỷ lệ áp đảo
Hình 1.3 Nhiều đợt hạn hán đã xảy ra với quy mô và cường độ lớn
Theo tờ The Los Angeles Times(2015), nước Mỹ đang trải qua đợt hạn hán
nghiêm trọng nhất trong gần 6 thập niên qua, với khoảng 55% diện tích nước này,đặc biệt là miền trung tây, đã không có mưa trong nhiều ngày và nhiệt độ tăng lênmức kỷ lục
Trang 18Hình 1.4 Bản đồ do Cơ quan hải dương và khí quyển quốc gia Mỹ (NOAA) cung cấp cho thấy tình trạng hạn hán ảnh hưởng tới hơn nửa diện tích nước Mỹ
Hình 1.5 Một hồ bị cạn sạch nước tại Crossville
Trang 19Hình 1.6 Một nhiệt kế bên đường đo được nhiệt độ tại Washington
1.1.2.1 Hạn hán ở Ấn Độ (2009)
Hạn hán bất thường ở Ấn Độ (2009): Hàng triệu người dân sống ở phía tây
Ấn Độ đang phải hứng chịu hạn hán tồi tệ nhất trong vòng gần bốn thập kỷ qua
Hình 1.7 Người dân chen chân chật kín quanh một giếng nước tại làng Natwargadh, thuộc bang Gujarat, miền tây Ấn Độ trong một đợt hạn hán.
Trang 201.1.2.2 Hạn hán ở Brazil (2014)
Brazil (2014): TPO - Đây được coi như đợt hạn hán kinh khủng và khắc nghiệtnhất trong 100 năm qua tại Brazil khiến hàng trăm nghìn hộ dân lâm vào cảnh thiếunước trầm trọng, các hồ lớn trơ đáy, thuyền mắc cạn,
Hình 1.8 Dưới lòng hồ Aleixo, đất đai nứt nẻ khô cằn 1.1.2.3 Hạn hán ở Úc, 1982-1983
Hình 1.9 Hạn hán ở Úc, 1982-1983
Trang 21Năm 1982-1983 là đợt hạn hán tồi tệ nhất ở Australia trong thế kỷ XX Đợthạn hán này bắt đầu vào mùa thu năm 1982, với sự thiếu hụt lượng mưa nặng nề ởphía đông Úc và sự xuất hiện của sương giá lạnh càng khiến thời tiết trầm trọng hơntrong tháng Sáu và tháng Bảy Thời điểm đó, lượng nước ở thượng nguồn sôngMurrumbidgee và các hồ chứa khắp miền đông nam Úc giảm đến mức chưa từng cótrước đó.
1.1.2.4 Hạn hán Trung Quốc năm 1941
Hình 1.10 Hạn hán Trung Quốc năm 1941
Đây là thảm họa tồi tệ nhất hoàn toàn do hạn hán và thiếu mưa gây ra màkhông hề có mặt bất kỳ yếu tố nào khác như các cuộc xung đột, chiến tranh haydịch bệnh Hạn hán Trung Quốc năm 1941 gây thiệt hại hàng triệu cây trồng vàthiếu lương thực, hậu quả là gần ba triệu người đã chết
1.1.2.5 Hạn hán ở Đông Phi, 2011
Hình 1.11 Hạn hán ở Đông Phi, 2011
Giữa tháng 7 năm 2011 và giữa năm 2012, một đợt hạn hán nghiêm trọng ảnhhưởng đến toàn bộ Đông Phi Hạn hán gây ra một cuộc khủng hoảng lương thực
Trang 22trầm trọng khắp Somalia, Djibouti, Ethiopia, Kenya và đe dọa cuộc sống của hơnmười triệu người.
1.1.2.6 Hạn hán ở Bắc Mỹ, 2002
Hình 1.12 Hạn hán ở Bắc Mỹ, 2002
Hạn hán năm 2002 kéo dài và khá nghiêm trọng ở một số khu vực, đặc biệt ảnh hưởng nặng nề đến miền Tây Hoa Kỳ, miền Trung Tây
1.1.2.7 Hạn hán ở Tây Ban Nha, 2014
Hình 1.13 Hạn hán ở Tây Ban Nha, 2014
Năm 2014, nhiều nơi ở Tây Ban Nha bị hạn hán cường độ cao nhất trong hơnmột thế kỷ rưỡi Valencia và Alicante là hai trong những khu vực tồi tệ nhất bị ảnhhưởng Theo cơ quan khí tượng của nước nước này, trong vòng 150 năm qua, họchưa bao giờ chứng kiến một đợt hạn hán dài và dữ dội như vậy
Như vậy, hạn hán có tác động to lớn đến môi trường, kinh tế, chính trị xã hội
Trang 23và sức khoẻ con người Hạn hán là nguyên nhân dẫn đến đói nghèo, bệnh tật thậmchí là chiến tranh do xung đột nguồn nước Hạn hán tác động đến môi trường nhưhuỷ hoại các loài thực vật, các loài động vật, quần cư hoang dã, làm giảm chấtlượng không khí, nước, làm gia tăng nguy cơ cháy rừng, xói lở đất Các tác độngnày có thể kéo dài và không khôi phục được Hạn hán tác động đến kinh tế xã hộinhư giảm năng suất cây trồng, giảm diện tích gieo trồng, giảm sản lượng cây trồng,chủ yếu là sản lượng cây lương thực Tăng chi phí sản xuất nông nghiệp, giảm thunhập của lao động nông nghiệp Tăng giá thành và giá cả các lương thực Giảm tổnggiá trị sản phẩm chăn nuôi Các nhà máy thuỷ điện gặp nhiều khó khăn trong quátrình vận hành.
1.1.3 Tình trạng hạn hán trong nước
Nhiệt độ trung bình năm tăng khoảng 0,5oC trên phạm vi cả nước; nhiệt độmùa đông tăng nhanh hơn mùa hè và nhiệt độ vùng sâu trong đất liền tăng nhanhhơn nhiệt độ vùng ven biển và hải đảo
Hình 1.14 Mức tăng nhiệt độ trung bình năm phổ biến từ 1,3 đến 1,7 o C vào giữa
thế kỷ 21; từ 1,7 đến 2,4 o C vào cuối thế kỷ
Hạn hán có xu thế tăng lên, tuy mức độ không đồng đều giữa các vùng Hiệntượng nắng nóng có dấu hiệu gia tăng rõ rệt ở nhiều vùng trong cả nước, đặc biệt là
ở Trung Bộ và Nam Bộ
Trang 24Hình 1.15 Tình trạng hạn hán trên cả nước 9/2016
Hình 1.16 Phân vùng chỉ số khô hạn tỉnh Ninh Thuận tháng 9 năm 2015
Lượng mưa và phân bố mưa thay đổi có thể gây lũ lụt nghiêm trọng vào mùamưa và khô hạn vào mùa khô, tăng mâu thuẫn trong khai thác và sử dụng tài nguyênnước, càng làm trầm trọng thêm vấn đề an ninh tài nguyên nước trong bối cảnh tàinguyên nước ở nước ta đang chịu nhiều áp lực từ các hoạt động phát triển thượngnguồn trong khi lại đang bị ô nhiễm, suy thoái ở nhiều nơi trước áp lực phát triển
Trang 25kinh tế xã hội ngày càng tăng Nhiệt độ tăng lên ảnh hưởng đến các hệ sinh thái tựnhiên, làm thay đổi nơi cứ trú, cơ cấu tự nhiên của nhiều loài động thực vật, gâynguy cơ suy giảm đa dạng sinh học cao do nhiều loại bị biến mất hoặc tuyệt chủng.Nhiệt độ tăng lên còn tác động trực tiếp đến các lĩnh vực như năng lượng, giaothông vận tải, công nghiệp, xây dựng, du lịch, thương mại, y tế cộng đồng…
Hạn hán xảy ra từ những hoạt động khai thác tài nguyên khoáng sản, mỏ sắtThạch Khê (Hà Tĩnh) là mỏ sắt lớn nhất nước ta cũng như khu vực Đông Nam Á, vớitrữ lượng lên đến khoảng 544 triệu tấn Với vị trí địa lý thuận lợi, cách thành phố HàTĩnh khoảng 8 km về phía Đông Bắc, cách bờ biển Đông 1,6 km và cách cảng VũngÁng 66 km, việc khai thác và chế biến quặng sắt ở Thạch Khê gặp nhiều thuận lợi,góp phần phát triển kinh tế – xã hội của địa phương Tuy nhiên, bên cạnh lới ích vềkinh tế – xã hội, việc khai thác quặng sắt ở Thạch Khê cũng ảnh hưởng nặng nề đếnmôi trường sống và hoạt động sản xuất của người dân, trong đó có tình trạng hạn hán
và hoang mạc hóa đang diễn ra hết sức nghiêm trọng Một diện tích lớn đất sản xuất
đã bị cát vùi lấp, bị sa mạc hóa nhanh chóng trong một vài năm trở lại đây
Hình 1.17 Hàng ngàn héc ta đất nông nghiệp tại 6 xã ảnh hưởng trực tiếp dự án
khai thác mỏ sắt Thạch Khê
Do hạn hán thường xảy ra trên diện rộng, việc nghiên cứu bằng các phươngpháp truyền thống gặp rất nhiều khó khăn do chi phí lớn và tốn kém thời gian.Nhược điểm này có thể khắc phục khi sử dụng tư liệu viễn thám với đặc trưng diệntích phủ trùm rộng, thời gian cập nhật ngắn, dải phổ và số lượng kênh phổ đa dạng
Đề tài dự kiến nghiên cứu, đánh giá hiện trạng hạn hán ở khu vực Thạch Hà (HàTĩnh) do ảnh hưởng của quá trình khai thác mỏ sắt Thạch Khê từ tư liệu ảnh vệ tinhLandsat đa thời gian
Trang 26Hình 1.18 Thực trạng xả nước ra biển của Công ty CP Sắt Thạch Khê
1.2 Tình hình ứng dụng phương pháp viễn thám trong nghiên cứu, giám sát hạn hán
và New Jersy (Mỹ) Từ những kết quả đạt được, các tác giả trên đã chứng minhrằng hiện tượng đảo nhiệt xuất hiện và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môitrường sống các đô thị lớn Cùng với dữ liệu ảnh hồng ngoại nhiệtNOAA/AVHRR, ảnh hồng ngoại nhiệt độ phân giải thấp TERRA/MODIS cũngđược sử dụng hiệu quả trong xác định sự phân bố nhiệt độ bề mặt
Bên cạnh ảnh hồng ngoại nhiệt độ phân giải thấp, cho đến nay trên thế giới đã
có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng dữ liệu ảnh hồng ngoại nhiệt độ phân giải trungbình LANDSAT (60m, 100m, 120m), ASTER (60m) trong nghiên cứu, giám sát tàinguyên môi trường Năm 2007, O.R Garcia Cueto và các cộng sự đã sử dụng dữliệu ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT TM, ETM+ trong đánh giá ảnh hưởng của
Trang 27đảo nhiệt đô thị ở thủ đô Mexico (Mexico) Trong nghiên cứu này, các tác giả đãphân tích mối quan hệ giữa đảo nhiệt đô thị và các loại hình sử dụng đất Các tácgiả đã chứng minh rằng, cùng với sự thay đổi bề mặt sử dụng đất, ở thủ đô Mexico
đã xuất hiện các khu vực có nhiệt độ bề mặt cao cục bộ (đảo nhiệt) và sự chênhlệch nhiệt độ giữa vùng đô thị và ngoại thành cũng tăng lên nhanh chóng
Trong nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và các loại hình lớp phủ đángchú ý có hai công trình của Van de Griend A., Owen M (1993) và Valor E., Caselles
V (1996) Trong các nghiên cứu này, các tác giả đã đề xuất phương pháp xác định độphát xạ bề mặt trên cơ sở chỉ số thực vật chuẩn hóa NDVI bằng cách tính toán mật độphủ của thực vật trên từng pixel ảnh So với phương pháp xác định độ phát xạ bề mặt
từ kết quả phân loại lớp phủ, phương pháp dựa trên chỉ số thực vật NDVI có độ chínhxác đảm bảo hơn và đã tính được độ phát xạ chi tiết tới từng pixel
Nhiệt độ bề mặt và lớp phủ thực vật là các yếu tố quan trọng trong đánh giá
độ ẩm đất và sức khỏe cây trồng Lambin T.R., Ehrlich D (1996), Gillies R.R et al(1997) trong các nghiên cứu của mình đã sử dụng phương pháp tam giác khônggian nhiệt độ/NDVI (triangle method) để đánh giá độ ẩm đất Trong các nghiên cứunày, các tác giả đã chứng minh rằng, nhiệt độ bề mặt có thể tăng lên rất nhanh trongtrường hợp bề mặt khô hạn hoặc thực vật thiếu nước Trong không gian Ts/NDVIcác đường hồi quy liên quan đến mức độ bay hơi của thực vật, đến kháng trở của lácây và độ ẩm trung bình của đất Với cùng một điều kiện khí hậu, nhiệt độ bề mặt
sẽ đạt giá trị nhỏ nhất tại các vị trí có độ bốc hơi (của bề mặt) và sự thoát hơi nước(của lá cây) cực đại do lượng nước bão hòa tạo nên cạnh ướt trong không gianTs/NDVI Ở những vị trí không có lớp phủ thực vật hoặc thực vật khô, độ bay hơi
là cực tiểu dẫn đến nhiệt độ bề mặt đạt cực đại Sandholt I.et al (2002) đã lượng hóamối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và chỉ số thực vật NDVI bằng cách đưa ra chỉ sốkhô hạn nhiệt độ thực vật TVDI (temperature vegetation dryness index) Điểm mấuchốt trong chỉ số khô hạn nhiệt độ thực vật TVDI là xác định canh khô (dry edge)trong tam giác không gian Ts/NDVI Cho đến nay, việc ứng dụng chỉ số khô hạnnhiệt độ thực vật TVDI trong đánh giá độ ẩm đất và sức khỏe cây trồng đã đạt đượcnhững kết quả quan trọng, góp phần ứng phó và giám sát hiện tượng hạn hán Một
số nghiên cứu tiêu biểu trong đánh giá độ ẩm đất phục vụ giám sát hạn hán sử dụng
Trang 28chỉ số TVDI có thể kể đến như của Parinaz Rahimzaded – Bajgrian et al (2012),Zhiqiang Gao et al (2010), Z Wan, P Wang, X Li (2004), Jan Haas (2010),…
Sự phát triển của viễn thám, đi liền với sự phát triển của công nghệ nghiêncứu vũ trụ, phục vụ cho nghiên cứu trái đất và các hành tinh và khí quyển Các ảnhchụp nổi (stereo), thực hiện theo phương đứng và xiên, cung cấp từ vệ tinh Gemini(1965), đã thể hiện ưu thế của công việc nghiên cứu trái đất Tiếp theo, tàu Apolocho ra sản phẩm ảnh chụp nổi và đa phổ, có kích thước ảnh 70mm, chụp về trái đất,
đã cho ra các thông tin vô cùng hữu ích trong nghiên cứu mặt đất Ngành hàngkhông vũ trụ Nga đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên cứu Trái Đất từ vũtrụ.Việc nghiên cứu trái đất đã được thực hiện trên các con tàu vũ trụ có người nhưSoyuz, các tàu Meteor và Cosmos (từ năm 1961), hoặc trên các trạm chào mừngSalyut Sản phẩm thu được là các ảnh chụp trên các thiết bị quét đa phổ phân giảicao, như MSU-E (trên Meteor - priroda) Các bức ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos códải phổ nằm trên 5 kênh khác nhau, với kích thước ảnh 18 x18cm Ngoài ra, cácảnh chụp từ thiết bị chụp KATE-140, MKF-6M trên trạm quỹ đạo Salyut, cho ra 6kênh ảnh thuộc dải phổ 0.40 đến 0.89μm Độ phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt 20 xm Độ phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt 20 x20m.Tiếp theo vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS (sau đổi tên là Landsat-1), là các
vệ tinh thế hệ mới hơn như Landsat-2, Landsat-3, Landsat-4 và Landsat-5 Ngay từđầu, ERTS-1 mang theo bộ cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, và
bộ cảm RBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phổ khác nhau Ngoài các vệ tinhLandsat-2, Landsat-3, còn có các vệ tinh khác là SKYLAB (1973) và HCMM(1978) Từ 1982, các ảnh chuyên đề được thực hiện trên các vệ tinh Landsat TM-4
và Landsat TM-5 với 7 kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt Điềunày tạo nên một ưu thế mới trong nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác nhau.Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên đề từ Landsat-7 đã được phổ biến với giá rẻ hơn cácảnh vệ tinh Landsat TM-5, cho phép người sử dụng ngày càng có điều kiện để tiếpcận với các phương pháp nghiên cứu môi trường qua các dữ liệu vệ tinh
Trong nghiên cứu môi trường và khí hậu trái đất, các ảnh vệ tinh NOAA có
độ phủ lớn và có sự lặp lại hàng ngày, đã cho phép nghiên cứu các hiện tượng khíhậu xảy ra trong quyển khí như nhiệt độ, áp suất nhiệt đới hoặc dự báo bão
Sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu trái đất bằng viễn thám được đẩy
Trang 29mạnh do áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật mới với việc sử dụng các ảnh radar.Viễn thám radar tích cực, thu nhận ảnh bằng việc phát sóng dài siêu tần và thu tiaphản hồi, cho phép thực hiện các nghiên cứu độc lập, không phụ thuộc vào mây.Sóng radar có đặc tính xuyên qua mây, lớp đất mỏng và thực vật và là nguồn sóngnhân tạo, nên nó có khả năng hoạt động cả ngày và đêm, không phụ thuộcvàonguồn năng lượng mặt trời Các bức ảnh tạo nên bởi hệ radar kiểu SLAR được ghinhận đầu tiên trên bộ cảm Seasat Đặc tính của sóng radar là thu tia phản hồi từnguồn phát với góc xiên rấtđa dạng Sóng này hết sức nhạy cảm với độ gồ ghề của
bề mặt vật, được chùm tia radar phát tới, vì vậy nó được ứng dụng cho nghiên cứucấu trúc một khu vực nào đó
Hình 1.19 Nhiệt độ bề mặt nước biển phân tích từ ảnh NOAA
1.2.2 Trong nước
Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám để quản lý tài nguyên thiên nhiêntrước hết là tài nguyên đất, tài nguyên nước, tài nguyên khoáng sản, tài nguyênrừng, và giám sát môi trường ngày càng trở nên bức xúc và trở thành một trongcác nhiệm vụ chủ đạo của ứng dụng và phát triển công nghệ của Bộ Tài nguyên vàMôi trường Trong khi đó, việc ứng dụng công nghệ viễn thám để giám sát tàinguyên và môi trường ở nước ta trong thời gian qua tuy đã thu được một số kết quảsong còn ít, tản mạn và trên thực tế chưa đáp ứng được nhu cầu
Các ứng dụng công nghệ viễn thám chủ yếu mới tập trung vào lĩnh vực hiệnchỉnh bản đồ địa hình, thành lập một số bản đồ chuyên đề, bước đầu đề cập đến ứngdụng công nghệ viễn thám phục vụ quản lý đất đai và một số khía cạnh của môitrường Thực tế đó đòi hỏi phải đẩy mạnh ứng dụng rộng rãi công nghệ viễn thám
Trang 30phục vụ quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường Để đạt được nhiệmvụ trên việc đầu tư công nghệ mới nhằm xây dựng đồng bộ hệ thống thu nhận, xử
lý dữ liệu và áp dụng tư liệu ảnh vũ trụ là yêu cầu cần thiết và bức xúc với nước tahiện nay
So với viễn thám quang học và viễn thám radar, ở Việt Nam viễn thám hồngngoại nhiệt còn ít được nghiên cứu và ứng dụng trong giám sát tài nguyên môitrường Cho đến nay đã có một số công trình nghiên cứu ứng dụng viễn thám hồngngoại nhiệt trong xác định nhiệt độ bề mặt và đánh giá độ ẩm đất
Một số các nghiên cứu kể đến như: (2008-2009) Trần Thị Vân (Viện Tàinguyên Môi trường TP HCM), Hoàng Thái Lan (Viện Vật lý Tp.HCM, Viện Khoahọc và Công nghệ Việt Nam), Lê Văn Trung (Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM) đã sử dụng dữ liệu ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT,ASTER trong khảo sát
sự phân bố nhiệt độ bề mặt khu vực thành phố Hồ Chí Minh Trong nghiên cứunày, tác giả đã lựa chọn phương pháp xác định độ phát xạ bề mặt dựa trên chỉ sốthực vật NDVI và tiến hành đo trực tiếp độ phát xạ bề mặt của thực vật và đấttrống
Trần Hùng, Ykusoda Y (2001, 2004) đã có một số bài báo ứng dụng dữ liệuảnh viễn thám hồng ngoại nhiệt MODIS trong nghiên cứu hiện tượng đảo nhiệt đôthị và đánh giá mức độ khô hạn bề mặt phục vụ giám sát hạn hán Trong các nghiêncứu này, tác giả đã sử dụng chỉ số khô hạn nhiệt độ thực vật TVDI xây dựng từ dữliệu ảnh MODIS để đánh giá độ ẩm đất khu vực phía Nam và Tây Nguyên
Trang 31Hình 1.20 Ảnh tổ hợp màu khu vực Hồ Chí Minh
Trong đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám đểgiám sát và cảnh báo những tác động của biến đổi khí hậu nhằm chủ động phòngtránh và giảm thiểu thiệt hại do tai biến thiên nhiên”, mã số: BĐKH.02 thuộcChương trình KH&CN phục vụ chương trình mục tiêu quốc gia ứng phó với biếnđổi khí hậu do Cục viễn thám quốc gia thực hiện đã nghiên cứu xác định nhiệt độ bềmặt từ dữ liệu ảnh hồng ngoại nhiệt độ phân giải thấp MODIS và xác định độ ẩmđất từ dữ liệu ảnh radar
Trong đề tài “Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu và hoang mạc hoá đến môi trường tự nhiên và xã hội ở khu vực Nam Trung Bộ (Nghiên cứu thí điểm cho tỉnh Bình Thuận)” (Phạm Quang Vinh, 2011, Viện Hàn lâm khoa học và
công nghệ Việt Nam), tác giả đã kết hợp sử dụng dữ liệu viễn thám và GIS trongđánh giá nguy cơ và ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và hiện tượng hoang mạc hóađến môi trường tự nhiên và xã hội ở khu vực nam Trung Bộ trên cơ sở đánh giá độẩm đất
Trịnh Lê Hùng (2015) đã sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh đa phổ LANDSAT sửdụng chỉ số khô hạn nhiệt độ thực vật (TVDI) để đánh gia nguy cơ hạn hán khu vựchuyện Bắc Bình, tỉnh Bình Thuận
Ngoài các nghiên cứu trên, có thể kể đến các luận án Tiến sỹ của Doãn HàPhong (Viện Khoa học Khí tượng thủy văn và Môi trường), Trần Xuân Trường (ĐH
Mỏ địa chất Hà Nội) Trong nghiên cứu của Doãn Hà Phong, tác giả đã sử dụng ảnhhồng ngoại độ phân giải thấp MODIS (TERRA, AQUA) nhằm phát hiện và cảnhbáo cháy rừng Trong nghiên cứu của Trần Xuân Trường, tác giả xác định độ ẩmđất khu vực Tây Phi từ dữ liệu ảnh hồng ngoại nhiệt MODIS và dữ liệu ảnh siêu caotần (Trần Xuân Trường)
1.3 Tổng quan về viễn thám hồng ngoại nhiệt
Viễn thám hồng ngoại nhiệt là một trong ba loại cơ bản của kỹ thuật viễn thámbao gồm viễn thám trong dải phổ quang học và hồng ngoại, viễn thám radar, viễnthám hồng ngoại nhiệt Viễn thám hồng ngoại nhiệt sử dụng các bức xạ điện từ cóbước sóng trong khoảng 3-20 µm Tuy nhiên, trong phần lớn các ứng dụng của ảnhhồng ngoại nhiệt thường sử dụng dãy sóng với bước sóng 8-14 µm
Trang 32Khi bức xạ mặt trời đi qua khí quyển thì nó ảnh hưởng lên các điều kiện khítượng bằng cách truyền năng lượng vào không khí và trái đất, xác đinh được nguồnnăng lượng này thì ta sẽ dễ dàng nắm bắt được dữ liệu và thông tin vật thể Đểnghiên cứu về bức xạ Trái Đất, người ta dùng viễn thám hồng ngoại nhiêt Viễnthám hồng ngoại nhiệt sẽ đo lường bức xạ bề mặt trái đất có thể giúp ta khôi phụcgiá trị nhiệt độ bề mặt trên toàn vùng nghiên cứu theo từng pixel.
Nguyên lý cơ bản của viễn thám hồng ngoại nhiệt là ghi nhận thông tin vềnhiệt độ bức xạ của vật thể trong dải sóng hồng ngoại nhiệt bằng phương pháp quét(hình 1.21) Bức xạ nhiệt có cường độ yếu, lại bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển nên
để thu các tín hiệu phải có thiết bị quét nhiệt với độ nhạy cao Tính chất bức xạnhiệt các đối tượng tự nhiên dựa vào nguyên lý bức xạ nhiệt của vật đen tuyệt đối.Vật đen tuyệt đối hấp thụ toàn bộ năng lượng của dải sóng điện từ và mặt trời Tuynhiên, trong thực tế hiếm khi có sự tồn tại của vật đen tuyệt đối mà chỉ có một sốvật gần giống vật đen tuyệt đối như bồ hóng
Bức xạ nhiệt có cường độ yếu, lại bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển nên để thucác tín hiệu phải có thiết bị quét nhiệt với độ nhạy cao Tính chất bức xạ nhiệt cácđối tượng tự nhiên dựa vào nguyên tắc bức xạ nhiệt của vật đen tuyệt đối.Vật đentuyệt đối hấp thụ toàn bộ năng lượng của dải sóng điện từ và mặt trời có thể coi làvật đen tuyệt đối Tuy nhiên, trong thực tế hiếm khi có sự tồn tại của vật đen tuyệtđối mà chỉ có một số vật gần giống vật đen tuyệt đối như bồ hóng…
Nhiệt độ của vật chất đo được khi tiếp xúc với nó được gọi là nhiệt độ Kinetic,thể hiện sự trao đổi năng lượng của các phần tử cấu tạo nên vật chất Sự bức xạnăng lượng của vật chất là một hàm số của nhiệt độ Kinetic của chúng Khi bức xạ,vật chất có một nhiệt độ khác gọi là nhiệt độ bên ngoài vật chất Viễn thám hồngngoại nhiệt đảm nhiệm vai trò ghi lại thông tin về nhiệt độ bên ngoài hay chính là
sự bức xạ của vật chất
Với vật đen tuyệt đối, nó phát xạ toàn bộ năng lượng làm cho nhiệt độ tăng lênnhưng với vật thực chỉ phát ra một phần năng lượng Cường độ bức xạ và tính chấtphổ của bức xạ là một hàm số của thành phần vật chất tại thời điểm đó Các đườngcong phân bố năng lượng có hình dạng giống nhau nhưng các tia của chúng có xuhướng chuyển dịch về phía có bước sóng ngắn hơn khi nhiệt độ tăng cao theo quy
Trang 33luật chuyển dịch cực trị năng lượng bức xạ của định luật Wien
Hình 1.21 Nguyên lý hoạt động của viễn thám hồng ngoại nhiệt
Khác với vật đen tuyệt đối hấp thụ toàn bộ năng lượng chiếu tới, vật chất thựcchỉ phát xạ một phần năng lượng chiếu tới nó Khả năng phát xạ nhiệt của vật chấtcòn gọi là độ phát xạ nhiệt ε Độ phát xạ nhiệt được hiểu là tỉ số giữa năng lượngnhiệt phát ra của vật chất tại một thời điểm nào đó và năng lượng phát ra của vậtđen tại cùng nhiệt độ đó Độ phát xạ nhiệt có giá trị trong khoảng từ 0 đến 1 tùythuộc vào thành phần vật chất Ngoài ra, ở nhiệt độ, dải sóng điện từ và góc phát xạkhác nhau, sự phát xạ nhiệt của vật chất cũng khác nhau
Vật xám là vật có độ phát xạ nhỏ hơn 1 nhưng sự phát xạ là đều ở một bướcsóng tương tự như ở vật đen tuyệt đối Một vật có sự phát xạ khác nhau ở các dảisóng điện từ khác nhau được gọi là vật phát xạ lựa chọn Trong tự nhiên có rấtnhiều vật chất có sự phát xạ giống vật đen như nước (độ phát xạ 0.98 – 0.99 ở dảisóng 6 – 14 µm) Ngược lại, một số vật chất lại có sự phát xạ lựa chọn như thạchanh có sự phát xạ rất khác biệt trong dải sóng điện từ 6 – 14 µm Dải sóng điện từ 8– 14 µm có đặc điểm là ngoài việc thể hiện sự phát xạ của khí quyển còn thể hiện sựphát xạ của các đối tượng trên bề mặt trái đất với nhiệt độ trung bình 3000K, trong
đó nhiệt độ đạt cực đại ở bước sóng 9.7 µm Vì vậy, hầu hết các bộ cảm biến nhiệttrên vệ tinh viễn thám đều hoạt động trong dải sóng này Sự phát xạ của một số đối
Trang 34tượng trong dải sóng 8 – 14 µm được thể hiện trong bảng 1.1 dưới đây.
Bảng 1.1 Độ phát xạ của một số đối tượng
Hình 1.22 Mô hình nhiệt của các vật chất có sự khác biệt lớn về nhiệt độ của vật
giữa ngày và đêm
Do các tín hiệu thấp và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố môi trường nênphương pháp thu ảnh hồng ngoại nhiệt được áp dụng phổ biến là phương pháp quétvới các sensor nhiệt, có trường nhìn tức thời lớn Cấu tạo của hệ thống tạo ảnh hồng
Trang 35ngoại nhiệt bao gồm Sensor nhiệt, hệ thống quét cơ quang học, hệ thống tạo ảnhđược minh họa trên hình 1.23
Hình 1.23 Cơ chế thu ảnh hồng ngoại nhiệt theo phương pháp quét
Ảnh hồng ngoại nhiệt có các đặc điểm hình học chính sau:
Rất hay bị méo do ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết, môi trường như gió,mưa, mây, thực vật, …
Ảnh hồng ngoại nhiệt thu nhận ban ngày và ban đêm có sự khác biệt rất lớn
do phụ thuộc vào mô hình nhiệt của các vật chất khác nhau (hình 3.10, khu vực cónhiệt độ cao có màu trắng sáng)
Nhiệt độ cực đại, tốc độ nóng lên hay lạnh đi của một vật thể phụ thuộc vàothành phần vật chất và trạng thái của vật thể đó Ví dụ, nước có giá trị nhiệt độ cựcđại và cực tiểu nhỏ hơn cũng như thời điểm xuất hiện giá trị cực đại, cực tiểu cũngchậm hơn 1 – 2 giờ so với các đối tượng khác Do vậy, nhiệt độ của địa hình thườngcao hơn vào ban ngày nhưng thấp hơn vào ban đêm so với nhiệt độ của nước Sựchênh lệch nhiệt độ vật chất giữa ngày và đêm còn gọi là quán tính nhiệt của vậtchất (Hình 1.24)
Trang 36b)
Hình 1.24 Ảnh hồng ngoại nhiệt thu nhận vào ban ngày (a) và ban đêm (b)
1.4 Một số tư liệu ảnh viễn thám hồng ngoại nhiệt cơ bản
1.4.1 Ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT
Chương trình Landsat được bắt đầu vào năm 1972 Cho đến nay, hệ thốngLandsat gồm 8 vệ tinh, trong đó có 7 vệ tinh được phóng thành công lên quỹ đạo.Đây là hệ thống vệ tinh đa phổ lớn trên thế giới được ứng dụng rộng rãi trong quản
lý tài nguyên môi trường Nguồn dữ liệu ảnh Landsat đa dạng, phong phú, phổ biếntrên toàn cầu Ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat được thu trên vệ tinh có bộ cảm biến
TM và ETM+ Ảnh hồng ngoại nhiệt TM có độ phân giải không gian 120m, trongkhi ở bộ cảm biến ETM+ độ phân giải không gian là 60m
Ảnh Landsat 7 ETM+ có 6 kênh phổ, 1 kênh hồng ngoại nhiệt, 1 kênh toàn sắc.Đặc điểm chính của ảnh Landsat TM và ETM+ được thể hiện trên Bảng 1.2 và 1.3
Trang 37Bảng 1.2 Thông tin kênh ảnh Landsat với bộ cảm ETM+
Bộ cảm biến Kênh ảnh Khoảng phổ Kích thước
vùng quét
Độ phân giải không gian
Số dòng quét Số bit
Độ phủ cảnh của TM4- TM7
185 x 185 km10% chồngphía trước, 8%hai rìa
Đặc điểm chính và ứng dụng của các kênh ảnh Landsat TM, ETM+ được trìnhbày trong Bảng 1.4, 1.5 và 1.6