1.3.2. Việt Nam
Tại Vi t Nam, việ ễn thám mới được quan tâm từnăm 1980 khi nước ta tham gia tổ chức vũ trụ quố ếc t Intercomos [14]. Tuy nhiên, do điều ki n kinh ệ
phí h n h p và k thuạ ẹ ỹ ật còn chưa cao nên trước những năm 1990 việc sử dụng
ảnh vệ tinh còn hạn ch . Tế ừ những năm 1990 trở ại đây, nhậ l n thức được vai trò to l n cớ ủa ảnh v tinh, nhi u Bệ ề ộ và các Ban ngành, Vi n nghiên cệ ứu, các
trường Đạ ọc như Bộ Tài nguyên và Môi trười h ng; Bộ Nông nghi p và phát ệ
triển nông thôn; T ng cổ ục khí tượng thủy văn;... đã đầu tư trang thiế ị, đào t b tạo nhân l c và s dự ử ụng công ngh ệ này đểphục v cho nhi u mụ ề ục đích nghiên
cứu cũng như phục vụđời sống dân sinh, kinh t - xã hế ội.
Hình 1.8. Thảm h a cháy rọ ừng được nhìn t nh vừ ả ệ tinh
Cho đến nay, đã có khá nhiều công trình khoa h c c a các B , các Ban ọ ủ ộ
quy ho ch, s dạ ử ụng đất, quản lý môi trường và giám sát tài nguyên thiên nhiên. Việc ứng d ng công ngh GIS và vi n thám vào ụ ệ ễ trong lĩnh vực xác
định nhiệt độ bề mặt đất đã đạt được những thành tựu đáng kểnhư xây dựng
được bản đồ nhiệt độ ề b mặt đất ph c v công tác giám sát hiụ ụ ện tượng “đảo nhiệt đô thị” (urban heat island), xác định nhiệt độ bề mặt để đánh giá độẩm
đất, phục vụ công tác d báo cháy r ng, theo dõi tình hình hự ừ ạn hán t i mạ ột s ố
khu vực…
Có th kể ểđến các nghiên cứu của Trần Th Ân (2011), ị Trịnh Lê Hùng (2013), Trần Th Vân (2008), Hu nh Thị ỳ ịThu Hương (2013),.. đã sử ụng tư d liệu ảnh h ng ngo i nhi t Landsat, Aster, MODIS trong viồ ạ ệ ệc nghiên c u nhiứ ệt
độ ề b mặt đất từảnh vệ tinh 5], [1 xác định nhiệt độ ề b mặt đô thị [16], nghiên cứu sựthay đổi nhiệt độ bề mặt đô thịdưới tác động của sự phát triển đô thị
tại Thành ph H Chí Minh [17], nghiên cố ồ ứu hiện tượng đảo nhi t t i Hà N i ệ ạ ộ
[18], theo dõi sựthay đổi nhiệt độ ề ặt đấ b m t và tình hình khô cạn vùng đồng bằng sông C u Long [19],... B ng vi c s dử ằ ệ ử ụng các phương pháp khác nhau: phương pháp hàm truyền bức xạ, phương pháp đơn kênh, phương pháp cửa sổ đơn,.. để tính toán ra nhiệt độ bề mặt đất, các nhà khoa học đã cho thấy tính
ưu việt của viễn thám nhiệt trong việc xác định nhiệt độ bề mặt so với phương pháp đo đạc truyền thống từ các trạm quan trắc khí tượng tốn kém, s d ng ử ụ
nhiều lao động, nhu c u thi t b ầ ế ị đo nhiều, và chi phí thực địa cao. ..
Qua m t s nghiên c u n i b t k trên, có thộ ố ứ ổ ậ ể ể thấy r ng, trong nhằ ững
năm gần đây, việc sử dụng công nghệ viễn thám trong việc tính toán xác định nhiệt độ bề mặt đất và thành lập bản đồ nhiệt độ đã được Nhà nước quan tâm và ng dứ ụng tương đố ội r ng rãi trong các ngành qu n lý tài nguyên, trong ả
công tác quản lý đất đai cũng như các công trình nghiên cứu khoa học, chính
điều này đã góp phần không nhỏ cho việc bảo vệ và phát tri n b n v ng các ể ề ữ
CHƯƠNG CƠ SỞ2: KHOA HỌC XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT TỪ NH VẢ Ệ TINH LANDSAT
2.1. Cơ sở khoa học xác định nhiệt độ ề b m t t dặ ừ ữ liệu ảnh v tinh ệ
Landsat
2.1.1. Cơ sở lý thuyết xác định nhiệt độ ề ặ b m t
Hình 2.1. Đặc điểm phát xạ nhiệt của vật chất [20]
Tất c mả ọi v t thậ ể có nhiệt độ ớn hơn 0 K đề l u phát xạ khi có sự biến
đổi cấu trúc mạng điện trở của nguyên t và phân từ ừ, cũng như khi có sự biến
đổi của h t nhân nguyên t và s quay cạ ử ự ủa phân t . Tính ch t b c x nhiử ấ ứ ạ ệt của các đối tượng t nhiên d a vào nguyên t c b c x c a vự ự ắ ứ ạ ủ ật đen tuyệt đối.
Khác v i vớ ật đen tuyệt đối h p th toàn bấ ụ ộ năng lượng chi u t i, vế ớ ật chất th c tự ế chỉ phát x mạ ột phần năng lương chiế ớu t i nó. Khi vật phát ra bức xạthì năng lượng của nó giảm và kéo theo là nhiệt độ ủa nó cũng giả c m và
ngược lại, khi v t hậ ấp th b c xụ ứ ạthì năng lượng của nó tăng và nhiệt độ của
Để ả gi i quyết vấn đềkhông tương quan giữa lý thuyết và kết quả thực nghiệm, năm 1990 Max Planck đã phát minh ra thuyết lượng tử. Thuyết lượng tửPlanck được phát biểu như sau: “ Các nguyên t và phân t phát x hay ử ử ạ
hấp thụ năng lượng c a b c xủ ứ ạ điện t mừ ột cách gián đoạn nghĩa là phần
năng lượng phát xạ hay hấp thụ luôn là bội số nguyên của một lượng năng lượng nhỏxác định gọi là lượng tửnăng lượng hay quantum năng lượng. M t ộ lượng tửnăng lượng của bức xạđiện từđơn sắ ầc t n sốv, bước sóng 𝜆là:
𝜀 = ℎ.𝑣 =ℎ𝑐𝜆 , (2.1) trong đó:
h: t n s Planck; h=6,ầ ố 625.10-34
c: v n t c ánh sáng trong chân không ậ ố
Nhờ thuyết lượng t cử ủa Planck, người ta đã có thể tính được cường độ
phát x c a vạ ủ ật đen tuyệt đối.
Năm 1879, Josef Stefan qua nhiều thí nghiệm về bức xạ nhiệt, kết hợp với những cơ sở lý thuyết củ Ludwig Boltzmann, đã tổa ng kết thành định lý Stefan- Boltzmann: “Công su t b c x nhi t c a m t v t thì t l vấ ứ ạ ệ ủ ộ ậ ỷ ệ ới lũy thừa bậc b n cố ủa nhiệt độ tuyệt đối của vật bức x và di n tích b m t v t b c xạ ệ ề ặ ậ ứ ạ”.
j* = . 𝜎 𝑇4 , (2.2)
trong đó:
j*: công su t b c x nhiấ ứ ạ ệt .
σ: Hệ số Stefan–Boltzmann constant:
4 2 1 8 3 2 4 5 10 . 670400 , 5 15 2 Js m K h c k T: nhiệt độ tuyệt đối ( K). o Thực nghi m ch ra r ng, nh ng v t th h p th m nh b c x chi u tệ ỉ ằ ữ ậ ể ấ ụ ạ ứ ạ ế ới
cũng là những vật phát x tạ ốt và ngượ ạ Theo địc l i. nh lý, t ng nhiổ ệt lượng phát xạ t b mừ ề ặt vật đen thì khác nhau theo tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ
tuyệt đối. Viễn thám hồng ngoại nhiệt đo được năng lượng b c x c a v t chứ ạ ủ ậ ất nên có th cho biể ết thông tin nhiệt độ của vật.
(Nguồn: Phạm Văn Cự, 2006)
Hình 2. C2. ửa số khí quyển và các vùng phát xạ nhiệt
Các b c m bi n v n hành ch y u phát hiộ ả ế ậ ủ ế ện đặc tính b c x nhi t cứ ạ ệ ủa các v t li u mậ ệ ặt đất. Tuy nhiên, các kênh ph h u ích b h n chổ ữ ị ạ ếdo cường độ
bức x phát ra và các c a s khí quy n. C a s khí quy n t t nh t là vùng ph ạ ử ổ ể ử ổ ể ố ấ ổ
8-14 m [21] do có s h p th v t ch t c a khí quy n là th p nh t [22] và ự ấ ụ ậ ấ ủ ể ấ ấ thông qua đó các nguồn năng lượng của mặt đất có thể truyền qua với mức thất thoát ít nh ất.
Phần lớn năng lượng bề mặt đất được các bộ cảm bi n thu nh n trong ế ậ
dải sóng 10,5-12,5 m và được dùng đểước tính nhiệt độ ề ặt đấ b m t và các quá trình nhi t khác [22], [23], [24]. Các b c m bi n thu nh n dệ ộ ả ế ậ ữ liệu viễn thám h ng ngo i nhi t trong hai c a s c a khí quyồ ạ ệ ử ổ ủ ển ở các d i sóng: 3-5ả m và 8-14m theo b c x phát ra m t cách t nhiên. B c xứ ạ ộ ự ứ ạđo được ở các b ộ
các khí, ch yủ ếu là hơi nước trong vùng h ng ngo i c a phồ ạ ủ ổđiệ ừn t . B i v y, ở ậ đểđạt được nhiệt độ bề mặt, cầm phải hi u ch nh khí quyệ ỉ ển qua vi c s d ng ệ ử ụ
mô hình truy n b c xề ứ ạ.
2.1.2. Phương pháp tính toán xác định nhiệt độ ề ặ b m t t dừ ữ liệ ảu nh v ệ
tinh Landsat
a. Chuyển đổi giá tr s (DN) sang giá tr b c xị ố ị ứ ạ phổ (Lλ)
Tín hi u nhi t c a v t chệ ệ ủ ậ ất được thu nh n b i các b c m bi n nhi t. ậ ở ộ ả ế ệ
Các b c m bi n ghi nhộ ả ế ận cường độ ứ b c xạđiệ ừ ề ặ đấ đượn t b m t t c thể hiện theo giá tr s nguyên (Digital Number DN) v i m i kênh. Do vị ố – ớ ỗ ậy, để tính nhiệt độ bề mặt, bước đầu tiên phải tiến hành hiệu chỉnh bức xạđể chuyển đổi giá tr s nguyên cị ố ủa ảnh sang giá tr ịthực c a b c x ủ ứ ạ điện t . ừ
Phương pháp hiệu chỉnh bức xạđối v i các th hớ ế ệảnh v tinh Landsat ệ
là khác nhau. Với ảnh h ng ngo i nhi t Landsat 8, hi u ch nh b c xồ ạ ệ ệ ỉ ứ ạđược thực hiện theo công thức như sau:
𝐿𝜆 = 𝑀𝐿 . 𝑄𝑐𝑎𝑙 + 𝐴𝐿 , (2.3)
trong đó:
𝐿λ: giá tr b c x ị ứ ạphổ.
𝑄𝑐𝑎𝑙 : giá tr xám c a kênh nh. ị độ ủ ả
𝑀𝐿 : h sệ ốđố ớ ừi v i t ng kênh nh cả ụ thể (giá trịRADIANCE_MULT_BAND_x trong d ữliệu ảnh Landsat 8 - x là kênh nh). ả
𝐴𝐿 : hệ sốđối v i t ng kênh nh cớ ừ ả ụ thể (giá trị RADIANCE_ADD_BAND_x trong d u nh Landsat - x là kênh ữliệ ả 8 ảnh).
Các giá tr ịML , AL được li t kê trong b ng 2.1 ệ ả dưới đây:
Bảng 2.1. Giá tr M , Aị L Lđố ới v i ảnh Landsat 8
Vệ tinh Kênh ph ổ 𝑴𝑳 𝑨𝑳
Landsat 8 10 3,3420.10
-4 0,10000
b. Hiệu ch nh b c xỉ ứ ạ tại đỉnh khí quy n v giá trể ề ị phản xạ bề m t ặ
Bức x ạ điện từ thu nh n b i b c m chậ ở ộ ả ịu ảnh hưởng của khí quyển. Để
tính nhiệt độ ề ặ đấ đượ b m t t c chính xác, hi u ch nh khí quy n là m t trong ệ ỉ ể ộ
những bước quan trọng loại bỏ nhiễu khí quyển trong quá trình truyền và thu nhận nănglượng sóng hồng ngoại. Mục đích của việc hiệu chỉnh ảnh hưởng khí quy n là làm giể ảm ảnh hưởng c a s h p th , tán x gây ra b i các thành ủ ự ấ ụ ạ ở
phần có trong khí quyển đến giá trịphản x bạ ề mặt. Trong nghiên c u này, ứ đểtăng cường độ chính xác, mô hình hiệu chỉnh khí quyển FLAASH (Fast line of sight Atmospheric Analysis of Hypercubes) – – [25] đã được s d ng ử ụ để ạ lo i bỏ các ảnh hưởng bởi các hiệu ứng khí quy n. ể
Dữ liệu đầu vào của mô hình FLAASH là ảnh đã được tính chuyển sang giá tr b c x (Radiance). Các thông sị ứ ạ ốđưa vào mô hình đượ ực l a chọn dựa trên tọa độđịa lý v trí khu v c nghiên c u và th i gian thu nhị ự ứ ờ ận tư liệu
ảnh. Sử dụng Google Earth để xác định độ cao trung bình c a khu vủ ực nghiên cứu. Các đặc điểm điển hình của khu vực nghiên cứu như khí hậu nhiệt đới, vị trí khu vực thành thị (Urban) lần lượt được đặt vào mô hình khí quyển và mô hình sol khí để ựa trên các đặc điể d m khí quy n này k t hể ế ợp với th i gian quan tr c, mô hình hi u ch nh khí quy n FLAASH s tính toán ờ ắ ệ ỉ ể ẽ
ra các thông s khí quy n liên quan ph c v cho quá trình hi u ch nh. ố ể ụ ụ ệ ỉ
FLAASH bắt đầu bằng phương trình tiêu chuẩn cho độ ứ b c xạ phổ trên bộ c m (L) [25]: ả 𝐿 = ( AS e 1 ) + ( Be S e 1 )+𝐿𝑎 , (2.4) trong đó: 𝜌: giá tr ịphản x ạphổ trên b mề ặt đất
A và B: các h sệ ố phụ thuộc vào điều ki n khí quy n và ệ ể điều ki n hình hệ ọc
nhưng không ở trên bề mặt.
S : Su t ph n chi u (Albedo) cấ ả ế ủa đỉnh khí quyển.
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