𝐿𝑎: giá tr b c x ị ứ ạ điện từ tán xạđi vào bộ cảm do ảnh hưởng c a b củ ộ ảm. Trong phương trình (2.4), phần thứ nhất tương ứng với giá trị bức xạ được ph n x t b mả ạ ừ ề ặt và đi trực ti p vào cế ảm biến, trong khi đó phần thứ 2 phản ánh b c x t b mứ ạ ừ ề ặt bị phân tán vào b u khí quyầ ển và đi vào bộ cám biến. Các giá tr cị ủa A, B, S và 𝐿𝑎 được tính toán từ góc nhìn, góc ngưỡng của m t trặ ời, độ cao trung bình c a b m t. FLAASH giủ ề ặ ảđịnh một mô hình khí quy n nhể ất định, các d ng aerosol khí, các vùng nhìn th y. Các giá tr cạ ấ ị ủa A, B, S và 𝐿𝑎 phụ thuộc vào hàm lượng hơi nước, có thểthay đổi theo khu vực thực địa.
Phương pháp tính toán giá trị bức x không gian trung bình trên ạ ảnh 𝐿𝑒, t ừ đó phản xạ không gian trung bình 𝜌𝜀được tính toán tương ứng như sau [25]:
a e e e L S B A L 1 ) ( , (2.5)
Mô hình FLAASH d a theo ự phương pháp để thu thập aerosol khí /ước
lượng lượng sương mù từ việc lựa chọn các đối tượng tối trên thực địa.
Phương pháp này dựa trên quan sát của Kaufman et al.(1997) của một tỷ lệ
gần như cố định gi a các ph n xữ ả ạcho các điểm ảnh như vậy ở 660 nm và 2100 nm. FLAASH aerosol khí b ng cách l p lằ ặ ại phương trình (2.4) và (2.5) qua m t lo t kho ng nhìn thộ ạ ả ấy được, ví d , tụ ừ17 đến 200 km. Đối với mỗi vùng có th nhìn th y, nó s l y ra các c nh 660 nm và 2100 nm ph n x cho ể ấ ẽ ấ ả ả ạ các điểm ảnh tối, và nội suy tốt nhất uớc lượng phạm vi có thể nhìn thấy bằng cách k t h p t l v i t lế ợ ỷ ệ ớ ỷ ệ trung bình ~ 0,45 đó là đối tượng quan sát bởi Kaufman et al. (1997).
-Yêu c u các giá tr ầ ị đầu vào c a FLAASH ủ
Dữ liệu đầu vào của FLAASH giá trlà ị bức xạ phổ(Lλ)được định dạng ở
dạng BIL – band interleaved by line ( ghi lần lượt liên tiếp các dòng của các kênh) hoặc ở dạng BIP – band interleaved by pixel (ghi lần lượt liên tiếp các pixel của các kênh). Phải có ít nhất hai kênh ảnh có bức xạ phổ trong khoảng 15nm hoặ ốc t t
hơn trong các khoảng: 1050 - 1210 nm; 770 - 870nm; 870 - 1020nm.
Các tham s trên giao di n FLAASH: ố ệ
Hình 2.3. Giao diện hiệu chỉnh khí quyển của FLAASH
Các tham s u vào c a FLAASH bao gố đầ ủ ồm:
- Giá tr b c x ị ứ ạ đầu vào, thiết l p mậ ặc định d ữliệu đầu ra - Điền các thông tin c nh nh và các thông s c a b cả ả ố ủ ộ ảm
Các thông tin v c nh nh và b c m bao g m Scene Center Location ề ả ả ộ ả ồ (kinh độ và vĩ độ trung tâm c a c nh nh), thông tin b c m Sensor type, ủ ả ả ộ ả độ
cao b c m (Sensor Atitude), các thông s v ngày bay ch p (Flight date), ộ ả ố ề ụ
- Chọn mô hình c a khí quyủ ển (Atmospheric Model):
Hình 2.4. Giá trịtính toán hơi nước và nhiệt độ bề mặt từ mô hình khí quyển MODTRAN
Hình 5. L2. ựa chọn mô hình MODTRAN dựa vào kinh độvà vĩ độ/dựa vào
các mùa trong năm
- S d ng Water Retrieval ( h p th ử ụ ấ ụ nước)
Để ả gi i quyết vấn đề chuyển các giá trị phản xạ phổ tại đỉnh khí quyển về phản xạ phổ mặt đất, các cột hơi nước dựđoán cho từng pixel nh phả ải
được xác định. Đối với các ảnh đa phổ thì luôn được cài đặt là No vì trên các bộ c m không có các kênh thu c d ng này.Water Retrieval ch n là Yes khi ả ộ ạ ọ các đối tượng tính toán có bước sóng là 1135nm. Do không khí ẩm ướt, chọn
các kênh có bước sóng 1135nm hoặc 940nm tính năng sẽ ị b bão hòa. Nếu đối
tượng 820nm sẽđượ ực t động s dử ụng tính năng này nếu các băng tần trải rộng trong khu v c này. ự
- Ch n mô hình sol khí (Aerosol Model): ọ
+ Rural Vùng không b : ị ảnh hưởng mạnh bởi đô thị và công nghiệp. + Urban Vùng có nhi u khu v c thành ph: ề ự ố, đô thị, công nghiệp.
+ Maritime: Vùng ranh giới các đại dương và lục địa, vùng v nh, hị ải đảo. + Tropospheric: Áp dụng cho các vùng địa hình b ng ph ng, có t m nhìn ằ ẳ ầ
xa trên 40 km, có m t ph n nh bao g m khu vộ ầ ỏ ồ ực nông thôn. - S d ng Aerosol Retrieval (tán x soi khí): ử ụ ạ
+ None: Khi chọn trường này giá tr tị ầm nhìn ban đầu (Initial Visibility) sẽđược sử d ng mô hình sol khí ụ
+ 2 band – –(K-T): s s d ng mô hình tán x soi khí. Nẽ ử ụ ạ ếu không có đối
tượng tối nào thích h p, giá tr s ợ ị ẽ được tính tầm nhìn ban đầu. - Nhậ ầm nhìn ban đầp t u (Initial Visibility)
Bảng 2.2. Các giá tr tị ầm nhìn ban đầu trong FLAASH
Điều kiện thời ti t ế Tầm nhìn của ảnh
Không có sương mù 40 đến 100 km
Lượng sương mù vừa phải 20 đến 30 km
Lượng sương mù dày đặc 15km ho c thặ ấp hơn
c. Xác định độ phát xạ bề m t ặ
Độ phát x b m t hay còn gạ ề ặ ọi là độ phát x nhiạ ệt (ε) là đại lượng chỉ
khảnăng phát xạ nhiệt của vật. Độ phát xạ bề mặt được hiểu là tỷ số giữa
năng lượng nhiệt phát ra của vật chất tại một thời điểm nào đó và năng lượng phát ra c a vủ ật đen tại cùng nhiệt độđó. Nó có giá trị trong kho ng tả ừ0 đến 1 tùy thu c vào thành ph n v t chộ ầ ậ ất.
Chỉ số NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) được xác định dựa trên sự phản x khác nhau c a thạ ủ ực vật thể hiện gi a kênh ph nhìn th y ữ ổ ấ
và kênh ph c n h ng ngoổ ậ ồ ại. NDVI dùng để biểu th mị ức độ ậ t p trung của thực v t trên mậ ặt đấ đượt, c dùng r t rấ ộng rãi đểxác định mật độ phân bố của thảm th c vự ật, đánh giá trạng thái sinh trưởng và phát tri n c a cây ể ủ trồng, làm
cơ sở số liệu để dự báo sâu b nh, h n hán, diệ ạ ện tích năng suất và sản lượng cây trồng… RED NIR RED NIR NDVI (2.6) trong đó:
RED: giá tr ịphản x c a kênh ph . ạ ủ ổ đỏ
NIR: giá tr ịphản x cạ ủa kênh ph cổ ận h ng ngoồ ại.
Dựa trên ch sỉ ố thực vật NDVI, độ phát x bạ ề m t có th tính bặ ể ằng hai
phương pháp do Van De Griend A., Owe M. (1993) [26] và phương pháp của Valor E Caselles V. (1996) , [27]. Trong phương pháp của Van De Griend A,
Owe M. (1993), phát xđộ ạε được xác định bằng cách đo trực tiếp độ phát xạ và phản xạ phổ trong dải sóng nhìn thấy và cận hồng ngoại để xác định mối liên quan với chỉ số thực vật NDVI. Phương pháp này rất đơn giản nhưng chỉ áp dụng được cho các khu vực có tính đồng nhất, có nghĩa là trong một pixel ảnh chỉ có một loại đối tượng thuần nhất [26]:
𝜀 = 1.0094+ 0.047 𝑙𝑛(𝑁𝐷𝑉𝐼) , (2.7)
Tuy nhiên, trên thực tế, trong một pixel ảnh có thể chứa nhiều loại đối tượng khác nhau như đất trống, cây cối, nhà cửa,... Phương pháp thứ hai do Valor E., Caselles V. (1996) đưa ra cũng dựa trên chỉ số NDVI nhưng có thể áp dụng trên các khu vực không đồng nhất với nhiều kiểu bề mặt thay đổi. Trong phương pháp này, độ phát xạ của một pixel được tính bằng tổng độ phát xạ của các thành phần chứa trong đó [27]:
𝜀 = 𝜀𝑣𝑃𝑣+ 𝜀𝑠(1 − 𝑃𝑣) , (2.8)
trong đó:
𝜀𝑣 , 𝜀𝑠– độ phát xạ đặc trưng cho đất và thực vật thuần nhất.
v
P - tỉ lệ thực vật trong một pixel. Pv có giá trị bằng 0 đối với đất trống và bằng 1 đối với khu vực được phủ kín bởi thực vật.
So sánh ưu nhược điểm của các phương pháp trên, luận văn tập trung nghiên c u và s dứ ử ụng phương pháp Valor E. để tính độ phát xạ bề mặt. Theo nhiều nghiên cứu trên th ếgiới, độ phát xạε được lấy giá trị b ng 0.95 trong ằ trường h p NDVI < 0.2 và 0.99 nợ ếu NDVI > 0.5. Trường hợp 0.2 ≤ NDVI ≤
0.5, 𝑃𝑣được tính theo công th c sau:ứ
2 min max min NDVI NDVI NDVI NDVI Pv
Hệ số phát xạ được tính theo công thức nào thì v n sẫ ử dụng ch s ỉ ố
NDVI làm n n tề ảng. Do đó, chỉ ố s NDVI gi vai trò quan tr ng trong quy ữ ọ
trình tính giá tr nhiị ệt độ ặt đấ m t.
d. Chuyển đổi giá tr b c xị ứ ạ ph (Lổ λ) sang nhiệt độ
Sau khi hi u ch nh b c xệ ỉ ứ ạ, ảnh h ng ngo i nhi t sồ ạ ệ ẽ được s dử ụng để
tính nhiệt độ. Nhiệt độnày còn được g i là nhiọ ệt độ ứ b c x hay nhiạ ệt độđộ
sáng (brightness temperature). Trong vi n thám h ng ngo i nhi t, nhiễ ồ ạ ệ ệt độ
bức xạđược định nghĩa là nhiệt độtương đương của vật đen truyền cùng một
lượng b c xứ ạthu đượ ừ ộc t m t v t th c tậ ự ế. Nó phụ thuộc vào nhiệt độđộng lực bề mặt thực và độ phát xạ.
Việc xác định nhiệt độ bức xạ từ giá trị bức xạ của ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat được thực hiện dựa theo công th c Planck: ứ
𝑇𝐵 = 𝐾2
ln(𝐿𝜆 𝐾1+1) , (2.10) (2.9) ,
trong đó:
TB: giá tr nhiị ệt độ bức xạ của ảnh (Đơn vị Kelvin).
K1, K2: h ng s ằ ố được cung c p trong file metadata nh v tinh Landsat. ấ ả ệ
+ K : h s 1 ệ ốhiệu chỉnh 1. Đơn vị: ( Watts.m-2.ster µm-1 -1) + K : h s 2 ệ ốhiệu chỉnh 2. Đơn vị: (oK)
𝐿λ: Giá tr bị ức xạphổ ( W.m-2.ster µm-1 -1)
Bảng 2.3. Giá trị K1, K2 đố ới v i ảnh h ng ngo i nhi t Landsat 8 ồ ạ ệ Kênh phổ K1 ( Watts.m-2.ster .µm-1 -1) K2 (oK)
10 774.89 1321.08
11 480.89 1201.14
e. Xác định nhiệt độ ề ặ b m t
Sau khi xác định được độ phát xạ bề mặt, nhiệt độđộ sáng sẽđược hiệu chỉnh để thu được giá trị nhiệt độ bề mặt. Giá trị nhiệt độ bề mặt đất được xác
định theo công th c sau: ứ
𝐿𝑆𝑇 = 𝑇𝐵
1+(𝜆𝑇𝐵𝜌 )∗ (𝜀)𝑙𝑛 , (2.11)
trong đó:
LST - nhiệt độ ề ặt đấ b m t (Land Surface Temperature) TB - giá tr nhiị ệt độ bức xạ hay nhiệt độđộ sáng
λ - giá tr ị bước sóng trung tâm c a d i sóng h ng ngo i nhi t. ủ ả ồ ạ ệ
Đối v i kênh 10 và kênh 11 c a ớ ủ ảnh vệ tinh Landsat 8, giá trị bước sóng trung tâm gi i sóng h ng ngo i nhiả ồ ạ ệt được lấy tương ứng là 10.9µm và 12µm
𝜀 - phát x b m t độ ạ ề ặ
𝜌được tính theo công th c: ứ
Giá tr các hị ằng s ố được ghi theo b ng sau: ả Bảng 2.4. Giá tr ịcác h ng s ằ ố Kí hi u ệ Tên kí hi u ệ Giá tr ị 𝜎 Hằng s Stefan ố – Boltzmann 1.38*10-38 J/K h Hằng s Plank ố 6.626*10-34 J.sec c Vận t c ánh sáng ố 2.998*108 m/s 2.2. Đánh giá độchính xác xác định nhiệt độ ề b m t t dặ ừ ữ liệu ảnh v ệ tinh Landsat
Sai sốđược định nghĩa là sự sai khác gi a các giá trữ ị thực nghiệm thu
được so v i giá tr mong muớ ị ốn hay nói cách khác là giá trị chênh l ch giệ ữa giá trịđo được hoặc tính được và giá trị thự ếc t hay giá tr chính xác c a mị ủ ột
đại lượng nào đó.
Công tác đánh giá độ chính xác trong xác định nhiệt độ bề mặt đất là rất quan trọng để kiểm tra tính đúng đắn c a k t qu . ủ ế ả Đểđánh giá độ chính xác của phương pháp xác định nhiệt độ từ dữ liệu ảnh v tinh Landsat, ta áp dệ ụng theo các phương pháp sau:
Sai s trung bình ố
Sai s trung bình là tr trung bình c ng các trố ị ộ ị tuyệt đối sai số thực thành phần, được xác định bởi công thức:
𝜃 =∑ |∆𝑛𝑖=1 𝑖|
𝑛 =[|∆|]𝑛 , (2.13) trong đó:
∆𝑖=Ttính–Tđo là sai s ốthực c a lủ ần đo thứ i Ttính - giá tr nhiị ệt độ tính được từảnh Landsat Tđo - giá tr nhiị ệt độ đo thực tế từ các trạm khí tượng n – s lố ần đo
Sai s ố trung phương
Để khuếch đại những sai số có giá trị l n (vì nh ng sớ ữ ố l n khi bình ớ phương lên sẽ rất lớn) thì Gauss đã dùng căn bậc 2 của số trung bình cộng
bình phương các sai số thực thành phần:
𝑚 = ±√[∆𝑛2] , (2.14)
trong đó:
∆=Ttính–Tđo
Ttính - giá tr nhiị ệt độ tính được từảnh Landsat Tđo - giá tr nhiị ệt độ đo thực tế từ các trạm khí tượng n – s lố ần đo
Phân tích h i quy ồ
Phân tích h i quy là nghiên c u sồ ứ ự phụ thuộc c a m t bi n ( bi n ph ủ ộ ế ế ụ
thuộc) vào m t hay nhiộ ều biến khác (các bi n giế ải thích) đểước lượng hay dự đoán giá trị trung bình của biến phụ thuộc trên cơ sở các giá trị biết trước của các bi n gi i thích. ế ả
Phương trình hồi quy tuyến tính được viết dướ ạng đơn giải d n sau: 𝑌𝑖= 𝛽𝑂+ 𝛽1𝑋𝑖+ 𝜀𝑖 , (2.15) trong đó: Xi– biến độc lập (biến giải thích) Yi– biến ph thuụ ộc 𝛽𝑂, 𝛽1 h s h i quy – ệ ố ồ 𝛽1 –chặn (intercept) 𝛽𝑂 d c (slope) – độ ố 𝜀𝑖 - sai s ốngẫu nhiên
2.3. Quy trình xác định nhiệt độ bề mặt và đánh giá độ chính xác xác định nhiệt độ bề mặ ừt t d ữliệu ảnh v tinh Landsat ệ
Hình 2.6. Quy trình xác định nhiệt độ bề mặt và đánh giá độchính xác xác định nhiệt độ
bề mặ ừt t tư liệu ảnh vệ tinh Landsat
Chỉ số thực vật NDVI Độ phát xạ bề mặt Nhiệt độđộ sáng Hiệu ch nh ỉ ảnh hưởng khí Nhiệt độ bề m t (LST) ặ Ảnh vệ tinh Landsat
Hiệu chỉnh bức xạ huyển giá trị số sang giá trị bức xạ , c phổ
Kênh hồng ngoại nhiệt Ảnh đa phổ
Đánh giá độchính xác xác định nhiệt độ b m t ề ặ từ dữ liệ ảu nh v tinh Landsat ệ
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT TỪẢNH VỆ TINH LANDSAT TẠI KHU VỰC HÀ NỘI
3.1. Khu v c nghiên c u ự ứ
3.1.1. Vịtrí địa lý
Hình 3.1. Sơ đồ khu vực nghiên cứu
N m ch ch v phía Tây B c cằ ế ề ắ ủa trung tâm vùng đồng b ng châu th ằ ổ
sông H ng, Hà N i có v trí tồ ộ ị ừ20°53' đến 21°23' vĩ độ ắc và 105°44' đế B n
106°02' kinh độĐông.
V ị trí địa lý:
- Phía Bắc giáp Thái Nguyên, Vĩnh Phúc ở phía bắc;
- Phía Nam giáp Hà Nam và Hoà Bình;
- Phía Đông giáp các tỉnh Bắc Giang, Bắc Ninh và Hưng Yên;
Hà Nội nằm ở phía hữu ngạn sông Đà và hai bên sông Hồng, vị trí và địa thế thuận lợi cho một trung tâm chính trị, kinh tế, vǎn hoá, khoa học và đầu mối giao thông quan trọng của Việt Nam.
3.1.2. Đặc điểm t nhiên ự
Khí hậu
Khí hậu Hà Nội khá tiêu biểu cho kiểu khí hậu Bắc bộ với đặc điểm của khí hậu nhiệt đới gió mùa ấm, mùa hè nóng, mưa nhiều và mùa đông lạnh, mưa ít. Nằm trong vùng nhiệt đới, Hà Nội quanh nǎm tiếp nhận được lượng bức xạ mặt trời rất dồi dào và có nhiệt độ cao. Lượng bức xạ tổng cộng trung bình hàng nǎm ở Hà Nội là 122,8 kcal/cm và nhiệt độ không khí trung bình 2 hàng nǎm là 23,6ºC. Do chịu ảnh hưởng của biển, Hà Nội có độ ẩm và lượng mưa khá lớn. Ðộ ẩm tương đối trung bình hàng nǎm là 79%. Lượng mưa
trung bình hàng nǎm là 1.800mm và mỗi nǎm có khoảng 114 ngày mưa.
Là m t trong nh ng y u t quan tr ng ộ ữ ế ố ọ ảnh hưởng đến nhiệt độ ề ặ b m t,
đặc điểm khí hậu Hà Nội rõ nét nhất là sự thay đổi và khác biệt của hai mùa nóng, lạnh. Từ tháng 5 đến tháng 9 là mùa nóng và mưa. Nhiệt độ trung bình