2.3.1. Tiền xử lý ảnh
Trong đánh giá biến động ảnh viễn thám đa thời gian cần chú ý đến việc nắn chỉnh ảnh và hiệu chỉnh bức xạ.
Hiệu chỉnh bức xạ
Các bƣớc hiệu chỉnh bức xạ nhằm để cực tiểu hóa hoặc loại trừ các nhiễu ảnh hƣởng đến giá trị độ sáng của các pixel ảnh. Tuy nhiên do nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh đƣợc chụp vào mùa khô (tháng 11, tháng 12), đây là thời gian có những ngày quang đãng, ảnh tốt hoặc rất ít mây. Thêm nữa, các bộ cảm biến thu nhận ảnh Landsat đƣợc thiết kế ở những dải sóng hạn chế thấp nhất các ảnh hƣởng của khí quyển [15], do đó sai số của khí quyển tác động đến kết quả cuối cùng sẽ không đáng kể [16], [17].
Nắn chỉnh hình học
Nắn chỉnh ảnh tốt giúp cho sự sai lệch đối tƣợng giữa 2 thời điểm ảnh không đáng kể, từ đó sẽ cho kết quả phát hiện thay đổi chính xác hơn. Nắn chỉnh hình học đƣợc tiến hành nhằm loại bớt các méo gây ra trong quá trình chụp ảnh và đƣa ảnh về toạ độ chuẩn để có thể tích hợp với các nguồn dữ liệu khác. Việc nắn chỉnh hình học bằng các hệ xử lý ảnh đƣợc tiến hành dựa trên các điểm khống chế mặt đất (GCPs). Các điểm khống chế thƣờng đƣợc chọn là các điểm ít biến động, ví dụ nhƣ điểm giao nhau giữa các đƣờng, các suối... Việc lấy các điểm khống chế có ảnh hƣởng quan trọng đến độ chính xác của phép nắn. Các điểm khống chế phải thoả mãn những yêu cầu sau:
- Ðƣợc rải đều trên toàn bộ phạm vi ảnh nắn. Ðiều này làm giảm sai số cho phép nắn. Tại khu vực không có điểm khống chế hay điểm khống chế ít, sai số sẽ lớn hơn.
- Các điểm khống chế phải dễ nhận biết trên cả ảnh và bản đồ, phải là các yếu tố ít thay đổi của địa hình hay địa vật.
39
Do đặc điểm của dữ liệu đa độ phân giải, việc chọn khoảng tái chia mẫu thích hợp để xác định kích thƣớc cuối cùng của pixel trong ảnh nắn chỉnh sử dụng cho các quá trình xử lý tiếp theo là cần thiết. Để giữ lại chất lƣợng không gian và bức xạ của ảnh, cần phải tái chia mẫu ít nhất theo cùng độ phân giải không gian của dữ liệu gốc. Tái chia mẫu đến kích thƣớc pixel lớn hơn sẽ làm giảm độ phân giải không gian và thay đổi phân bố bức xạ của các pixel trên ảnh.. Nguồn ảnh vệ tinh dùng trong luận án có nhiều cấp độ phân giải khác nhau. Độ phân giải của ảnh Landsat TM là 30m và 120m, của ảnh Landsat ETM+ là 15m, 30m và 60m. Độ phân giải cao nhất ở đây là 15m và sẽ đƣợc chọn là khoảng tái chia mẫu tối ƣu.
Ảnh vệ tinh năm 2009 khu vực TP Hà Nội đƣợc nắn bằng các điểm khống chế đƣợc chọn trên bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50.000. Ở tỷ lệ bản đồ này, các điểm khống chế có thể đƣợc lấy chính xác và tƣơng đối dễ dàng. Trong khu vực TP Hà Nội hầu hết các điểm khống chế đƣợc chọn là giao điểm của các đƣờng giao thông, kênh rạch là những yếu tố ít thay đổi. Bậc nắn đƣợc chọn là bậc 1, các bậc nắn cao hơn sẽ cho độ chính xác cao hơn về mặt hình học nhƣng lại làm biến đổi đáng kể giá trị phản xạ phổ tại các pixel sau phép nắn và qua đó ảnh hƣởng tới các bƣớc xử lý ảnh số sau này.
Ðể đảm bảo chính xác cho việc phân tích biến động lớp phủ thực vật bằng xử lý ảnh số, các ảnh Landsat còn lại đƣợc nắn theo ảnh năm 2009 để đảm bảo sai số nắn chỉnh giữa hai ảnh là nhỏ nhất. Ðiều này đặc biệt quan trọng trong theo dõi biến động bằng ảnh vệ tinh đa thời gian vì sai số do nắn ảnh sẽ đem lại sai lệch đáng kể trong kết quả tính toán biến động bằng bất kỳ phƣơng pháp nào. Sai số của phép nắn chỉnh hình học ảnh năm 1993, 1999 và 2005 so với ảnh năm 2009 là nhỏ hơn 1 pixel. Điều này có thể chấp nhận đƣợc trong trƣờng hợp dữ liệu đa nguồn.
2.3.2. Tính chỉ số thực vật NDVI
Chỉ số thực vật, NDVI ( Normalized Difference Vegetation Index) đƣợc tính theo công thức sau [18]:
NDVI=( IR IR) IR IR N N
40
Trong đó NIR (Near Infrared) là giá trị của kênh cận hồng ngoại, IR (Infrared) là giá trị của kênh hồng ngoại. Cho cả Landsat 5 TM và Landsat 7 ETM+, NDVI đƣợc tính nhƣ sau:
NDVI=( 4 3) ( 4 3) b b b b
Ở đây b3 (band 3) và b4 là giá trị của kênh 3 và 4. Cho cả Landsat 5 TM và Landsat 7 ETM+, hai kênh này có độ phân giải là 30m x 30m. NDVI có giá trị trong khoảng từ -1 đến 1
2.3.3. Phƣơng pháp tính nhiệt độ bề mặt
Dữ liệu sử dụng kênh hồng ngoại nhiệt Landsat 7 ETM+ (Có các kênh 6H, 6L) thu nhận từ vệ tinh. Sau khi đã thực hiện các định dạng lại, hiệu chỉnh khí quyển, hiệu chỉnh bức xạ và hiệu chỉnh hình học sẽ đƣợc phân phối đến ngƣời sử dụng ở cấp độ 1G (L1G, Level 1 Geometrically Corrected). Ở cấp độ sản phẩm 1G, dữ liệu Landsat 7 ETM+ đƣợc thu nhận dƣới dạng ảnh xám độ 8 bit nghĩa là giá trị pixel đƣợc lƣu trữ ở định dạng số (DN, Digital Number). Do đó cần phải chuyển đổi giá trị số 8 bit của dữ liệu ảnh số này sang giá trị bức xạ phổ là giá trị phản ánh năng lƣợng phát ra từ mỗi vật thể đƣợc thu nhận trên kênh nhiệt. Vì thế để thực hiện tính giá trị nhiệt độ bề mặt từ các kênh hồng ngoại nhiệt, ta thực hiện trình tự theo các bƣớc sau:
Thực hiện tính chuyển các giá trị pixel từ dạng số DN sang dạng bức xạ theo công thức:
Radiance = Lλ = (LMAX – LMIN)/255*DN + LMIN [18]
Trong đó: LMAX, LMIN là giá trị bức xạ phổ đƣợc tính tƣơng ứng với từng trạng thái low gain và high gain, DN là giá trị số
Tính giá trị nhiệt độ bề mặt (LST):
Ảnh kênh 6 của Landsat ETM+ có thể đƣợc chuyển đổi từ giá trị bức xạ phổ sang biến vật lý hữu ích hơn. Đây là nhiệt độ hiệu quả trên vệ tinh (nhiệt độ vật thể đen) của hệ thống đƣợc nhìn từ trái đất – khí quyển dƣới giả thiết sự phát xạ bằng 1 [18]. Công thức chuyển đổi tính theo công thức Planck:
41
Trong đó:
- T: Nhiệt độ hiệu quả tại vệ tinh (Đơn vị: Kelvin)
- K1: Hằng số hiệu chỉnh 1 (K1 = 666.09 W/m2.Ster.μm) - K2: Hằng số hiệu chỉnh 2 (K2 = 1282,7 K)
- Lλ: Giá trị bức xạ phổ (W/m2.Ster.μm)
Kết quả nhiệt độ bề mặt tính theo đơn vị Kelvin: T (oC) = T (Kelvin) - 273.16 [18]
2.3.4. Phân tích lớp phủ
Xây dựng bản đồ sử dụng đất đô thị dựa thành 3 loại: cây xanh, nƣớc và đất xây dựng. Căn cứ vào ba hợp phần này, lần lƣợt các chỉ số gồm: chỉ số thực vật SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index), chỉ số nƣớc MNDWI (Modified Normalized Difference Wate Index) và chỉ số khác biệt xây dựng NDBI (Normalized Difference Built-up Index) đƣợc tính toán từ ảnh viễn thám Landsat. Công thức tính các chỉ số [18]: NDBI=( IR IR) ( IR IR) M N M N SAVI=( IR Re )(1 l) ( IR Re ) N d N d l
MNDWI =(Green IR) (Green IR)
M M
Landsat TM; Green: kênh 2 của Landsat TM; l: hệ số hiệu chỉnh có giá trị từ 0 đến 1 (l = 0 tại nơi có mật độ thực vật cao; l = 1 tại nơi có mật độ thực vật thấp);
Chỉ số xây dựng nhƣ sau:
IBI=[ ( ) / 2]
[ ( ) / 2]
NDBI SAVI MNDWI
NDBI SAVI MNDWI
42
2.3.5. So sánh kết quả với số liệu khí tƣợng
Số đo nhiệt độ không khí trung bình nhiều năm từ năm 1980-2010 tại 8 trạm đo khí tƣợng nhằm để phân tích diễn biến nhiệt độ khu vực nôi thành và khu vực xung quanh để chứng minh giả thuyết nghiên cứu là sự nóng lên của khí hậu trong khu vực trong ba thập kỉ vừa qua là ảnh hƣởng của quá trình đô thị hóa.
43
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Biến đổi đô thị và mặt không thấm
Dựa vào các công thức đƣợc nêu ở trên, lần lƣợt ảnh của chỉ số thực vật SAVI, chỉ số nƣớc MNDWI và chỉ số xây dựng NDBI khu vực thành phố Hà Nội đƣợc tạo ra.
Căn cứ vào kết quả của ba chỉ số SAVI, MNDWI và NDBI, chỉ số xây dựng cơ sở IBI đƣợc thiết lập theo công thức và có giá trị từ -1 đến + 0.554. Kiểm tra số liệu thống kê cho thấy, đất đô thị thƣờng có giá trị số lớn hơn 0 (DN > 0); ngƣợc lại, những loại đất khác có giá trị số từ 0 đến -1 (-1 < DN ≤ 0). Để thuận lợi cho việc thành lập bản đồ sử dụng đất đô thị, chỉ số IBI đƣợc tăng lên trong khoảng -1 đến +1. Thực hiện phân tách lớp đất đô thị với nhiều ngƣỡng khác nhau, cuối cùng ngƣỡng giá trị 0.6 đƣợc lựa chọn. Theo đó, chỉ những điểm ảnh chứa thông tin về đất đô thị mới đƣợc hiển thị và đƣợc gán giá trị bằng 1; những điểm ảnh còn lại không phải đất đô thị đƣợc gán giá trị bằng 0 và không đƣợc thể hiện trên ảnh.
45
Hình 3. 1: Bản đồ phân bố không gian đô thị TP Hà Nội tại thời điểm chụp qua các năm theo kết quả phân tích ảnh viễn thám
Kết quả xử lý ảnh vệ tinh bằng phƣơng pháp viễn thám đã cho thấy trong vòng 16 năm từ năm 1993 đến năm 2009 (tháng 12-1993 đến tháng 11-2009 theo thời gian ảnh vệ tinh đã đƣợc sử dụng), diện tích đất đô thị tăng lên 1.4 lần.
Hình 3.2: Biểu đồ tăng trƣởng diện tích không gian đô thị giai đoạn 1993-2009
1993 1999 2005 2009
46
Tăng trƣởng diện tích không gian đô thị theo thời gian có độ dốc dƣơng với các giai đoạn tăng trƣởng khác nhau theo chu kỳ của ảnh vệ tinh quan sát. Giai đoạn 1999-2005 có độ dốc cao nhất. Từ năm 1993-2005, trong vòng 12 năm diện tích đất xây dựng tăng từ 443km2 lên 559km2, tƣơng đƣơng 26%. Từ năm 1993 đến năm 2009, trong vòng 16 năm diện tích đất xây dựng tăng 179 km2, tăng 40% so với năm 1993. Điều này chứng tỏ giai đoạn 2005-2009 có sự bùng nổ đô thị hóa đáng kể.
47
1999-2005
48
1993-2009
Hình 3. 3: Bản đồ biến động không gian đô thị
Đánh giá độ chính xác bản đồ phân bố đất đô thị
Nhằm kiểm tra độ chính xác, 480 mẫu ngẫu nhiên từ ảnh phân lớp đất đô thị khu vực thành phố Hà Nội năm 2009 đƣợc so sánh với bản đồ hiện trạng sử dụng đất của thành phố Hà Nội năm 2009, kết quả độ chính xác chung đạt 91.04%, chỉ số Kappa = 0.904.
3.2. Biến đổi chỉ số thức vật NDVI
Kết quả phân tích chỉ số NDVI thời kì 1993-2009 khu vực Hà Nội từ ảnh Landsat đƣợc thể hiện ở hình 3.4. Khu vực có nhiều thực vật ở thành phố Hà Nội là các huyện ngoại thành nhƣ Ba Vì, Sóc Sơn, Sơn Tây, Mê Linh, Phúc Thọ, Đông Anh, Từ Liêm. Khu vực nôi thành có chỉ số thực vật thấp nhất là Hoàn Kiếm, Hai Bà Trƣng, Tây Hồ, Đống Đa.
49
Hình 3. 4: Chỉ số thực vật các quận, huyện năm 1993, 2000, 2005, 2009
3.3. Biến đổi nhiệt độ đô thị giai đoạn 1993-2009
Nhìn chung, phân bố nhiệt độ bề mặt trên 4 ảnh tập trung nền nhiệt độ cao ở các quận nội thành. Khu vực rừng quốc gia Ba Vì, Tam Đảo và các khu vực cây xanh đất nông nghiệp có nền nhiệt độ thấp hơn.
Nhiệt độ lớn hơn 25-30o C tập trung chủ yếu ở các khu đô thị, khu vực dân cƣ thiếu cây xanh hoặc với mật độ cây xanh thƣa thớt hay các khu vực đất trống khô. Do tính chất của vật liệu bề mặt (bê tông, đá, nhựa đƣờng…) của những nơi này mang tính dẫn nhiệt cao, hấp thu nhiệt tốt và nhanh, nhƣng quá trình bốc thoát hơi nƣớc lại kém bởi bề mặt không thấm, nên thông lƣợng nhiệt hiện luôn luôn cao hơn so với những vùng có cây xanh hay đất ẩm ƣớt.
Khoảng giá trị 20-25oC tập trung ở các khu vực cây xanh, đất nông nghiệp. Thấp hơn 20oC là khu vực rừng quốc gia. Riêng mặt nƣớc thể hiện giá trị nhiệt độ gần nhƣ là hằng số ở những khu vực chất lƣợng nƣớc tốt, các khu vực với chất lƣợng nƣớc thay đổi thì nhiệt độ bề mặt cũng thay đổi tùy thuộc vào lƣợng thực vật, phù du hoặc chất thải rắn lơ lửng trên mặt nƣớc. Trên 4 năm ảnh cũng cho giá trị nhiệt độ mặt nƣớc trung bình khác nhau: năm 1993 ≈ 19, 2 oC,
1999 ≈ 19,7 oC, 2005 ≈ 23,9oC và 2009 ≈ 24,2o
51
Hình 3. 5: Bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt đô thị TP Hà Nội trên 4 năm ảnh vệ tinh tại thời điểm chụp
52
Ở cả 4 ảnh, khu vực nội thành vẫn luôn luôn thể hiện nền nhiệt độ cao hơn xung quanh. Đồng thời, khi so sánh các ảnh phân bố MKT và nhiệt độ bề mặt, nền nhiệt độ cao này đều tập trung ở các khu vực có phủ các MKT dày đặc. Điều này có thể cho thấy hệ quả rõ ràng của việc “nóng ấm” từ nguyên nhân “đô thị hóa”.
Kết quả phân bố này cho biết thông tin giữa nhiệt độ bề mặt và lớp phủ thực vật trên một khu vực nghiên cứu có mối quan hệ không gian với nhau thông qua các đặc tính nhiệt của vật chất. Do đó, sản phẩm kết quả nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu viễn thám sẽ hữu ích cho việc phát hiện thực phủ cũng nhƣ đánh giá biến động trong nghiên cứu đô thị hóa qua đặc tính các bề mặt không thấm.
Bảng 3. 1: Thống kê nhiệt độ bề mặt trung bình vào các thời điểm ảnh vệ tinh ghi nhận
Thời gian Nhiệt độ (oC)
27-12-1993 19.75
20-12-1999 21.47
9-10-2005 25.44
5-11-2009 25.85
Hình 3. 6: Xu hƣớng nhiệt độ bề mặt trung bình toàn TP Hà Nội theo 4 năm ảnh vệ tinh 1993, 1999, 2005 và 2009
53
Hình 3. 7: Xu hƣớng nhiệt độ bề mặt trung bình khu vực nội đô theo 4 năm ảnh vệ tinh 1993, 1999, 2005 và 2009
Khảo sát 4 năm ảnh vệ tinh cho toàn thành phố Hà Nội vào các năm chụp ảnh 1993, 1999, 2005 và 2009, cho thấy nhiệt độ bề mặt trung bình toàn thành phố có xu hƣớng tăng dần theo thời gian từ 19,75oC vào năm 1993 tăng lên 25,85oC vào cuối năm 2009. Xét trong giai đoạn 1993-2009, chuỗi số liệu đƣợc ƣớc lƣợng theo đƣờng hồi quy tuyến tính để xem xu hƣớng nhiệt độ bề mặt toàn TP Hà Nội. Đƣờng biểu diễn thể hiện theo phƣơng trình y = 0.4176x - 812.68. Hệ số độ dốc dƣơng 0.41 cho thấy nhiệt độ bề mặt tăng khoảng 0.41oC mỗi khi tăng đơn vị thời gian là 1 năm. Trong khi đó, nếu chỉ xét chuỗi số liệu trong khu vực nội đô thì đƣờng xu thế nhiệt độ bề mặt trung bình khu vực này có độ dốc cao hơn và đƣợc biểu diễn theo phƣơng trình y = 0.4914x - 958.72, tƣơng tự có thể ƣớc lƣợng nhiệt độ bề mặt tăng khoảng 0.49oC mỗi khi tăng 1 đơn vị thời gian năm. Kết quả này cho thấy khu vực đô thị đã đóng góp phần lớn vào nền nhiệt độ cao trung bình cho toàn thành phố.
3.4. Mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và các loại đất phủ khác nhau
Các kiểu lớp phủ đất khác nhau sẽ có khả năng phát xạ khác nhau do tính chất vật lý khác nhau, đƣợc thể hiện qua sự khác biệt về giá trị độ phát xạ. Nhiệt độ cao nhất tập trung ở các khu công nghiệp, là nơi thƣờng xuyên có các hoạt động sản xuất thải ra nhiệt cùng với nhiệt hấp thu từ bức xạ Mặt Trời khiến cho chúng thƣờng có nhiệt độ cao hơn ở những nơi khác. Khu vực dân cƣ cùng với sự tăng trƣởng đô thị, nhiệt độ bề mặt cũng tăng theo do có sự thay thế của lớp phủ thực vật tự nhiên bằng các bề mặt không thấm, không có khả năng thấm thấu vào trong đất nhƣ bê tông, nhựa đƣờng, kim loại. Các bề mặt này làm tăng