Dùng viễn thám và GIS đánh giá của việc mở rộng đô thị và tác động của nó lên nhiệt độ bề mặt ở đồng bằng delta sông zhujiang, trung quốc

BÁO CÁO MÔN GIS VÀ VIỄN THÁM Tên đề tài báo cáo Dùng Viễn Thám và GIS đánh giá của việc mở rộng đô thị và tác động của nó lên nhiệt độ bề mặt ở đồng bằng Delta sông Zhujiang, Trung Quốc Học tên HV: CAO THỊ DIỆU PHƯƠNG MSSV: 12260674 GVGD: PGS. TS. LÊ VĂN TRUNG TpHCM, tháng 11 năm 2012 Dùng Viễn Thám và GIS đánh giá của việc mở rộng đô thị và tác động của nó lên nhiệt độ bề mặt ở đồng bằng Delta sông Zhujiang, Trung Quốc Q. WENG Khoa Địa lý, Đại học Alabama, Tuscaloosa, AL 35.487, Mỹ (ngày 26 tháng 5 năm 1999; định dạng cuối cùng ngày 22 tháng 11 năm 1999) Tóm tắt. Đồng bằng sông Zhujiang của Nam Trung Quốc đã trải qua việc mở rộng đô thị nhanh chóng trong hai thập kỷ qua do tăng tốc trong tăng trưởng kinh tế. Bài báo này báo cáo một cuộc điều tra về các ứng dụng của sự tích hợp viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) để phát hiện phát triển đô thị và đánh giá tác động của nó đến nhiệt độ bề mặt trong khu vực. Kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng để thực hiện lớp sử dụng đất / bao gồm phát hiện thay đổi bằng cách sử dụng dữ liệu dữ liệu Landsat multitemporal Mapper. Mô hình phát triển đô thị đã được phân tích bằng cách sử dụng một phương pháp tiếp cận mô hình hóa dựa trên GIS. Sự tích hợp của viễn thám và GIS đã được tiếp tục áp dụng để kiểm tra tác động của phát triển đô thị lên nhiệt độ bề mặt. Kết quả cho thấy một sự tăng trưởng đô thị đáng chú ý và không đồng đều ở vùng nghiên cứu. Phát triển đô thị đã tăng nhiệt độ bức xạ bề mặt 13.01K trong khu vực đô thị hoá. Việc tích hợp viễn thám và GIS được nhận thấy có hiệu quả trong việc theo dõi và phân tích các mô hình phát triển đô thị, và trong việc đánh giá tác động đô thị hóa lên nhiệt độ bề mặt. 1. Giới thiệu Lớp phủ đất đai là trạng thái sinh học của bề mặt trái đất và phần ngay bên dưới, là nguồn và nơi lưu trữ cho hầu hết các chuyển động của vật chất, năng lượng và tương tác giữa địa quyển và sinh quyển. Những thay đổi về độ che phủ đất bao gồm thay đổi đa dạng sinh học, năng suất thực tế và tiềm năng, chất lượng đất, khả năng thoát nước, và tỷ lệ lắng đọng trầm tích (Steven et al 1992), và không thể được hiểu rõ nếu không có kiến thức về thay đổi sử dụng đất và sự ghi nhận chúng. Vì vậy, sử dụng đất và thay đổi lớp phủ đất có tác động môi trường ở các cấp địa phương và khu vực và có lẽ có liên quan đến quá trình môi trường toàn cầu. Bởi vì sự tương quan của các yếu tố tự nhiên trong môi trường tự nhiên, Tác động trực tiếp trên một trong những yếu tố này có thể gây ra các tác động gián tiếp vào những yếu tố khác. Đô thị hóa: việc chuyển đổi các loại đất khác để sử dụng kết hợp với tăng trưởng của dân số và nền kinh tế, là một loại chính của thay đổi sử dụng đất và che phủ đất trong lịch sử nhân loại. Nó có một tác động lớn trên khí hậu. Lớp phủ gồm các tòa nhà, đường giao thông và các bề mặt không thấm khác làm cho khu đô thị thường hấp thụ năng lượng mặt trời cao hơn, công suất và độ dẫn nhiệt lớn hơn, vì vậy nhiệt được lưu trữ trong ngày và phát tán vào ban đêm. Do đó, khu vực thành thị có xu hướng giữ nhiệt độ tương đối cao hơn so với vùng nông thôn xung quanh. Sự khác biệt về nhiệt này cùng với nhiệt thải phát sinh từ nhà ở trong thành thị, giao thông vận tải và các ngành công nghiệp, đóng góp vào sự phát triển của hòn đảo nhiệt đô thị (UHI). Sự khác biệt về nhiệt độ giữa các đô thị và khu vực nông thôn thường rất ít, trung bình ít hơn 1 ° C, nhưng đôi khi tăng lên vài độ khi tại đô thị, điều kiện địa hình và khí tượng thuận lợi cho “UHI” phát triển (Mather 1986). Ở Trung Quốc, các mô hình sử dụng đất và che phủ đất đã trải qua một sự thay đổi cơ bản do phát triển kinh tế tăng tốc theo chính sách cải cách kinh tế kể từ năm 1978. Phát triển đô thị đã được đẩy mạnh và đã gây áp lực cực lớn đối với môi trường. Điều này đặc biệt đúng ở vùng ven biển như đồng bằng Zhujiang nơi lượng lớn đất nông nghiệp biến mất mỗi năm, chuyển thành đô thị hoặc những dạng sử dụng liên quan. Đánh giá mức độ và mô hình phát triển đô thị của Trung Quốc là một nhu cầu cấp thiết. Hơn nữa, do thiếu quy hoạch sử dụng đất thích hợp và các biện pháp phát triển bền vững, tăng trưởng đô thị tràn lan tạo ra những hậu quả nghiêm trọng về môi trường. Vì vậy, đó cũng là một nhu cầu để đánh giá tác động môi trường của việc mở rộng đô thị nhanh. Việc tích hợp viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) đã được áp dụng rộng rãi và được công nhận như một công cụ mạnh mẽ và hiệu quả trong việc phát hiện đất đô thị và thay đổi độ che phủ đất (Ehlers et al 1990, Treitz et al 1992, Harris và Ventura1995). Truyền hình vệ tinh viễn thám thu thập dữ liệu đa phân giải, đa phổ và đa thời gian, và biến chúng thành thông tin có giá trị để hiểu, giám sát quá trình đô thị hóa và xây dựng bộ dữ liệu lớp phủ đất đô thị. Công nghệ GIS cung cấp một môi trường linh hoạt để truy cập, phân tích và hiển thị dữ liệu kỹ thuật số từ các nguồn khác nhau cần thiết cho đặc tính đô thị xác định, phát hiện thay đổi và phát triển cơ sở dữ liệu. Tuy nhiên, rất ít các nghiên cứu phát triển đô thị đã liên kết những phát hiện thay đổi để phân tích tác động môi trường. Câu hỏi là làm thế nào để phát triển một quá trình hoạt động bằng cách sử dụng các kỹ thuật hiện có của viễn thám và GIS để kiểm tra tác động môi trường của sự phát triển đô thị nhanh chóng. Mục tiêu của bài báo này là để chứng minh việc sử dụng tích hợp viễn thám và GIS trong việc giải quyết các vấn đề môi trường tại Trung Quốc ở cấp địa phương. Mục tiêu cụ thể là để đánh giá các mô hình phát triển đô thị ở đồng bằng sông Zhujiang và phân tích tác động của phát triển đô thị trên nhiệt độ bề mặt. 2. Khu vực nghiên cứu Khu vực nghiên cứu, đồng bằng Zhujiang (nghĩa đen là "sông Pearl), nằm giữa vĩ độ 21 ° 40 N và 23 ° N, và kinh độ 112 ° E và 113 ° 20 E (Số 1 và 2). Nó là đồng bằng sông lớn thứ ba ở Trung Quốc và có diện tích 17 200 km2. Bởi vì các hạn chế về vùng chụp dữ liệu vệ tinh, nên nghiên cứu này tập trung vào vùng lõi của đồng bằng bao gồm 15 thành phố/quận: Quảng Châu, Phiên Ngung, Tam Thủy, Nam Hải, Phật Sơn, Thuận Đức, Giang Môn, Trung Sơn, Chu Hải, Xinhui, Doumen, Zengcheng, Đông Quan, Baoan và Thâm Quyến. Về địa mạo, đồng bằng sông Zhujiang bao gồm ba tiểu vùng châu thổ được hình thành bởi các trầm tích, vùng đồng bằng Tây Giang, Beijiang và Donjiang, có nguồn gốc khoảng 40 ngàn năm trước (Khoa Địa lý, Đại học Trung Sơn 1988). Quá trình bùn lắng vẫn tiếp tục cho đến ngày nay và mở rộng hướng ra biển với tốc độ 40 m mỗi năm (Luân Công và Chen 1964). Vùng đồng bằng có khí hậu cận nhiệt đới với nhiệt độ trung bình hàng năm giữa 21 và 23°C, lượng mưa trung bình dao động từ 1600 đến 2600mm. Do tác động của dòng lưu Moonsoonal Đông châu Á, khoảng 80% lượng mưa trong giai đoạn từ tháng tư đến tháng chín với nồng độ cao nhất trong tháng năm tới tháng Bảy, khi mà lũ lụt dễ xảy ra (Ditu chubanshe 1977). Một nguy hiểm khác là bão, xuất hiện thường xuyên nhất từ tháng sáu- tháng mười. Phù sa màu mỡ của vùng đồng bằng lắng lại, kết hợp với khí hậu cận nhiệt đới làm cho nó trở thành một trong những khu vực nông nghiệp màu mỡ ở Trung Quốc. Hệ thống sinh thái nông nghiệp đê và sản xuất tơ lụa được tìm thấy là bắt đầu tại Theming Dynasty (1368 1644A.D) (1980 Zhong, Ruddle và Zhong 1988). Về Kinh tế thì đồng bằng sông Zhujiang là khu vực tập trung kinh tế lớn nhất ở Nam Trung Quốc. Quảng Châu, thành phố lớn thứ sáu của Trung Quốc, Hồng Kông và Ma Cao được đặt ở đây. Từ năm 1978, vùng đồng bằng đã trở thành một ngôi sao đang lên do tăng trưởng kinh tế đáng kể theo chính sách cải cách kinh tế của Trung Quốc, và do đó đã được coi là một mô hình cho sự phát triển khu vực của Trung Quốc. Việc thành lập Thâm Quyến và Chu Hải khu kinh tế đặc biệt vào năm 1979 và Khu kinh tế mở Đồng bằng Zhujiang vào năm 1985 đã kích thích Hồng Kông và công ty nước ngoài đặt vị trí các nhà máy của họ như các cụm doanh nghiệp. Các ngành công nghiệp sử dụng lao động, kết hợp với việc sản xuất cây hoa màu, đặc biệt là hải sản, thịt gia cầm, rau quả, trái cây và hoa đã chuyển đổi nền kinh tế của đồng bằng (Lo 1989, Weng 1998). Phát triển kinh tế nhanh chóng đã mang lại những thay đổi cơ bản trong sử dụng đất và các mô hình che phủ đất. Cách tiếp cận tích hợp phát triển trong bài viết này là để phân tích các mô hình thay đổi sử dụng đất đô thị (lớp phủ) và tác động của nó đối với nhiệt độ bề mặt. 3.Phương pháp 3.1. Phát hiện và phân tích sự mở rộng đô thị Mô hình sử dụng đất/ lớp phủ cho các năm 1989 và 1997 đã được ánh xạ bởi việc sử dụng dữ liệu Landsat Thematic Mapper (TM) (Ngày: ngày 13 tháng 12 năm 1989 và 29 tháng 8 năm 1997). Bảy loại sử dụng đất và các loại che phủ được nhận diện và được sử dụng trong nghiên cứu này, bao gồm: (1) đất đô thị hoặc xây dựng, (2) đất trống, (3) đất canh tác, (4) trang trại trồng trọt, (5) đê, (6) đất rừng và (7) nước. Với sự hỗ trợ của phần mềm Erdas Imagine, mỗi ảnh Landsat được tăng cường bằng cách sử dụng cân bằng biểu đồ (để đạt được một sự tương phản cao hơn ở "đỉnh” của biểu đồ ban đầu) để tăng lượng thông tin có thể nhìn thấy được. Bước này quan trọng để giúp xác định các điểm kiểm soát mặt đất trong việc tách sóng. Tất cả hình ảnh được lọc để một hệ thống tọa độ UTM (Universal Transverse Mercator) chung phối hợp hệ thống dựa trên 1550 000 bản đồ địa hình của tỉnh Quảng Đông sản xuất bởi chính phủ Trung Quốc. Mỗi hình ảnh sau đó đã được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng phương pháp hiệu chỉnh tương đối phóng xạ (Jensen 1996). Việc phân loại được giám sát với các thuật toán khả năng tối đa đã được tiến hành để phân loại các hình ảnh Landsat bằng cách sử dụng các ban kênh 2 (màu xanh lá cây), 3 (màu đỏ) và 4 (cận hồng ngoại). Độ chính xác của phân loại được xác định bởi việc kiểm tra hoặc so sánh với việc sử dụng đất hiện có và các bản đồ lớp phủ đã được kiểm tra. Trong việc thực hiện phát hiện thay đổi sử dụng đất/lớp phủ, một phương pháp phát hiện qua lập bảng đã được sử dụng. Một ma trận thay đổi được tạo ra với sự giúp đỡ của phần mềm ERDAS IMAGINE. Dữ liệu định lượng khu vực của thay đổi sử dụng đất/lớp phủ cũng như lợi ích và thiệt hại trong mỗi loại giữa năm 1989 và 1997 sau đó được biên dịch. Để phân tích tính chất, tỷ lệ và vị trí của biến đổi đất đô thị, một hình ảnh của đất đô thị và đất xây dựng được lấy ra từ mỗi ảnh lớp phủ đất gốc. Các hình ảnh được lấy ra sau đó được phủ lên và tái mã hóa để có được sự hình ảnh thay đổi (mở rộng) đất đô thị. Những hình ảnh mở rộng đô thị đã được lồng ghép với một số ảnh địa lý tham khảo để giúp phân tích các mô hình mở rộng đô thị, bao gồm cả một hình ảnh của ranh giới quận / thành phố, các đường phố chính và các trung tâm đô thị lớn. Những lớp này được xây dựng trong một môi trường vector GIS và chuyển đổi sang một định dạng raster (kích thước lưới = 30m). Những hình ảnh ranh giới quận/thành phố có thể được sử dụng để tìm những thông tin thay đổi đất đô thị trong mỗi quận / thành phố. Bởi vì mối liên quan của những đối tượng gần nhau, chẳng hạn như các con đường chính, có một ý nghĩa quan trọng trong phát triển đất đô thị, quá trình mở rộng đô thị thường cho thấy một mối quan hệ mật thiết với khoảng cách từ các đối tượng địa lý. Sử dụng chức năng buffer trong GIS, một hình ảnh buffer tạo ra, cho thấy gần gũi với những con đường chính của khu vực nghiên cứu. Mười khu buffer đã được tạo ra xung quanh một con đường lớn có chiều rộng 500m. Điều kiện mỗi địa phương đã được đưa vào trong việc lựa chọn các độ rộng buffer. Những hình ảnh buffer đã được lồng ghép với hình ảnh mở rộng đô thị để tính toán khối lượng đô thị mở rộng trong từng khu vực. Sau đó, mật độ mở rộng đô thị được tính bằng cách chia tổng số lượng đô thị mở rộng cho số lượng đất trong từng khu buffer. Những giá trị của mật độ có thể được sử dụng để xây dựng một chức năng phân rã khoảng cách mở rộng đô thị. 3.2.Phân tích tác động của mở rộng đô thị hóa Phát triển đô thị thường đưa đến một sự thay đổi đáng kể của bề mặt trái đất, là thảm thực vật tự nhiên được loại bỏ và thay thế bởi các bề mặt không bay hơi và không thấm nước như nhựa đường, kim loại và bê tông. Điều này thay đổi chắc chắn sẽ dẫn đến phân bố lại bức xạ mặt trời đến, và tạo ra sự tương phản đô thị - nông thôn trong bức xạ bề mặt và nhiệt độ không khí. Sự khác biệt trong nhiệt độ không khí môi trường xung quanh giữa một đô thị và khu vực nông thôn xung quanh nó được biết đến như là tác động của UHI. Với mối quan hệ giữa nhiệt độ bức xạ bề mặt và kết cấu che phủ đất, tác động của phát triển đô thị về nhiệt độ bề mặt ở đồng bằng sông Zhujiang có thể được đánh giá. Các nghiên cứu về đặc tính nhiệt độ bề mặt của khu vực đô thị bằng cách sử dụng dữ liệu vệ tinh viễn thám đã được thực hiện chủ yếu bằng cách sử dụng dữ liệu NOAA AVHRR (Kidder và Ngô 1987, balling và 1988 Brazell, Roth et al 1989, Gallo et al. 1993a). Độ phân giải 1.1 km không gian của những dữ liệu được tìm thấy chỉ thích hợp cho lập bản đồ nhiệt độ đô thị quy mô nhỏ. Dữ liệu Landsat TM nhiệt hồng ngoại độ phân giải cao hơn nhiều (120m) hiếm khi được sử dụng để lấy được nhiệt độ bề mặt. Gần đây, Carnahan và Larson (1990) đã sử dụng dữ liệu TM nhiệt hồng ngoại để quan sát sự khác biệt nhiệt độ trung bình giữa các khu vực đô thị và nông thôn ở Indianapolis, trong khi Nichol (1994) sử dụng nó để giám sát vi khí hậu cho một số bất động sản, nhà ở tại Singapore. Tuy nhiên, không có nghiên cứu nào đã cố gắng để phát hiện sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đô thị gây ra theo thời gian ở cấp địa phương bằng cách sử dụng dữ liệu TM nhiệt hồng ngoại đa thời gian. Để đo sự thay đổi nhiệt độ bề mặt từ 1989 để 1997, nhiệt độ bề mặt đã được bắt nguồn từ hiệu chỉnh dữ liệu TM nhiệt hồng ngoại (kênh 6), sử dụng mô hình bậc hai sau đây để chuyển đổi số kỹ thuật số (DN) vào nhiệt độ bức xạ (Malaret et al. 1985): T (K) = 209,831 + 0,834 DN - 0,00133 DN 2 (1) Sau đó, chỉnh sửa cho phát xạ (e) đã được áp dụng cho nhiệt độ bức xạ theo bản chất của độ che phủ đất. Nhìn chung, khu vực thảm thực vật đã đưa ra một giá trị 0,95 và không có thảm thực vật khu vực 0,92 (Nichol 1994). Phát xạ đã hiệu chỉnh nhiệt độ bề mặt có thể được tính như sau (Artis và Carnahan 1982): Ts= T(K) /(1+( ƛ T(K)/α) lne) (2) mà ƛ = bước sóng của ánh sáng phát xạ phát ra (đáp ứng giới hạn cao nhất và trung bình của các bước sóng (ƛ = 11,5 mm) (Markham và Barker 1985) sẽ được sử dụng), α = hc / K (1,438 × 10 2mK), K= hằng số Stefan Boltzmann (1,38 × 10 -23 JK -1 ), h = hằng số Planck (6,26 × 10 -34 J s), và c = vận tốc ánh sáng (2,998 × 10 8 s -1 ). Trong kiểm tra các mối quan hệ không gian giữa các loại sử dụng đất / lớp phủ và năng lượng bề mặt bức xạ được đo bằng Ts, Các ảnh phân loại lớp phủ đất vào năm 1989 và 1997 đã được lồng ghép lên hình ảnh Ts năm tương ứng. Bởi vì Tiêu chuẩn hóa sự khác biệt chỉ số thực vật (NDVI) đã được nhận thấy là một chỉ số tốt về phát xạ nhiệt độ bề mặt (Nemani and Running 1989, Gallo et al. 1993b, Gillies and Carlson 1995, Lo et al. 1997), một ảnh NDVI được tính toán cho năm 1989 và 1997 trong vùng ánh sáng khả kiến (0,63-0,69 mm) và hồng ngoại gần (0,76- 0,90 mm) dữ liệu Landsat TM, bằng cách sử dụng công thức sau đây: NDVI = (3) Kết quả các ảnh NDVI đã được che phủ với ảnh Ts cho từng năm. Bằng cách này, sự tương tác giữa sử dụng đất /lớp phủ, NDVI, và nhiệt độ bề mặt có thể được tiết lộ. Nhiệt độ bề mặt thay đổi giữa ảnh năm 1989 và 1997 cũng được tạo ra bằng cách sử dụng ảnh khác nhau. Hình ảnh này đã được lồng ghép với bản đồ thay đổi sử dụng / lớp phủ đất và với bản đồ thay đổi NDVI để nghiên cứu tất cả những thay đổi này đã tương tác như thế nào. 4.Kết quả và thảo luận 4.1. Mở rộng đô thị ở đồng bằng sông Zhujiang, 1989-1997 Độ chính xác tổng thể của bản đồ sử dụng / lớp phủ đất cho năm 1989 và 1997 được xác định là 90,57% và 85,43%, tương ứng (bảng 1 và 2). Các chỉ số Kappa cho bản đồ năm 1989 và 1997 tương ứng là 0,8905 và 0,8317. Rõ ràng, những dữ liệu này có độ chính xác tương đối cao, và do đó đủ để phát hiện sự phát triển đô thị. Bảng 3 cho thấy ma trận việc sử dụng đất và sự thay đổi độ che phủ đất của đồng bằng sông Zhujiang từ 1989 đến 1997. Từ bảng này, rõ ràng là đã có một sự thay đổi đáng kể (12,82% tổng diện tích) trong sử dụng đất và che phủ đất trong khu vực nghiên cứu trong thời gian 8-năm. Đất đô thị hoặc xây dựng và trang trại đã tăng lên trong khu vực (tương ứng 47,68% và 88,66%), và đất trồng trọt đã giảm trong khu vực (bằng 48,37%). Lồng ghép bản đồ sử dụng đất/ lớp phủ năm 1989 và 1997 tiếp tục chỉ ra rằng đất đô thị hoặc xây dựng tăng 47,68% (65 690 ha), hầu hết các kết quả từ đất trồng trọt (37,92%) và các trang trại trồng trọt (16.05%). Hình 3 cho thấy mức độ phân bố và không gian xuất hiện của việc mở rộng đô thị. Lồng ghép bản đồ này với một lớp quận – thành phố cho thấy không gian xuất hiện mở rộng đô thị trong khu vực hành chính. Bảng 4 cho thấy rằng mở rộng đô thị lớn nhất xảy ra ở Đông Quan (23 478,90 ha), Baoan (14 941,08 ha), Nam Hải (8004,1 ha) và Chu Hải (5869,71 ha). Tuy nhiên, về tỷ lệ phần trăm, mức tăng lớn nhất trong đất đô thị hoặc xây dựng xảy ra ở Chu Hải (1100,00%), tiếp theo là Thâm Quyến (306,65%), Baoan (233,33%) và Đông Quan (125,71%). Bảng 1.Lỗi ma trận của việc sử dụng đất và bản đồ che phủ, 1989. Bảng 2.Lỗi ma trận của việc sử dụng đất và bản đồ che phủ năm 1997. Bảng 3. Ma trận sử dụng đất / lớp phủ thay đổi, 1989-1997 (ha). . MÔN GIS VÀ VIỄN THÁM Tên đề tài báo cáo Dùng Viễn Thám và GIS đánh giá của việc mở rộng đô thị và tác động của nó lên nhiệt độ bề mặt ở đồng bằng Delta sông. hình của việc mở rộng đô thị. Sự tích hợp của viễn thám và GIS cung cấp một cách hiệu quả để phát hiện mở rộng đô thị và đánh giá tác động của nó lên nhiệt