Theo nghiên cứu của Zhengming Wan và cộng sự (2004) [26].
Bằng cách tiếp cận theo dõi hạn hán thời gian gần đây được phát triển sử dụng sản phẩm Terra-MODIS, chỉ số thực vật (NDVI) và nhiệt độ bề mặt đất (LST).
Cách tiếp cận này được gọi là chỉ số điều kiện nhiệt độ thực vật (VTCI), được tích hợp phản xạ bề mặt đất và đặc tính nhiệt. VTCI được định nghĩa là tỷ lệ khác biệt giữa các pixel LST với một giá trị NDVI cụ thể trong một khu vực nghiên cứu đủ lớn; tử số là sự khác biệt giữa nhiệt độ bề mặt LST lớn nhất của các điểm và nhiệt độ bề mặt LST của một điểm ảnh; và mẫu số là sự khác biệt giữa giá trị nhiệt độ bề mặt LST lớn nhất và thấp nhất của các điểm ảnh. Chỉ số VTCI thấp đối với điều kiện hạn hán và cao đối với điều kiện ẩm ướt. Các dữ liệu đo mưa ở mặt đất từ một khu vực nghiên cứu bao gồm các bộ phận của tiểu bang Texas và Oklahoma ở phía nam Great Plains, Hoa Kỳ, được sử dụng để xác nhận cách tiếp cận theo dõi hạn hán. Phân tích tương quan tuyến tính giữa VTCI và tổng lượng mưa hàng tháng,
8 cho thấy VTCI không chỉ liên quan chặt chẽ với các trận mưa gần đây mà còn liên quan đến lượng mưa trong quá khứ, và chỉ ra rằng VTCI có thể là phương pháp tiếp cận theo dõi hạn hán một cách tốt hơn và gần với thời gian thực.
VTCI phục thuộc vào thời gian và khu vực nghiên cứu cụ thể, và sử dụng tốt hơn trong mùa sinh trưởng thực vật. Một vấn đề đang được áp dụng VTCI là làm cách nào xác định “rìa nóng” và “rìa lạnh”. Tương lai phát triển của việc tiếp cận giám sát hạn hán này là nên tập trung vào những cách xác định khả thi các rìa và sự xác nhận phương pháp tiếp cận trong các khu vực khác.
Theo nghiên cứu của Hulley và các cộng sự (2013) [14].
Nhiệt độ bề mặt đất (LST) và phát xạ là các thông số cân bằng năng lượng nhạy cảm để kiểm soát sự tan chảy và thay đổi năng lượng giữa các bề mặt và khí quyển. MODIS LST hiện đang được sử dụng để theo dõi các vùng nóng chảy trên các sông băng và có thể được sử dụng cho các sông băng hoặc những tính toán cân bằng khối lượng băng. Nhiều sự chú ý đã được quan tâm gần đây là sự ấm lên của Bắc Cực trong bối cảnh của sự nóng lên toàn cầu, tập trung vào các tảng băng ở Greenland vì tầm quan trọng của nó với mực nước biển dâng. Nhiều nhà nghiên cứu khác nhau đã cho thấy mức độ suy giảm ổn định của biển băng bán cầu Bắc, cả hai tổng mức độ và phạm vi của băng hàng năm hoặc kéo dài nhiều năm. Đặc điểm bề mặt tan chảy trên tảng băng ở Greenland đã được theo dõi bằng cách truyền thống sử dụng LST MODIS và các sản phẩm phản xạ (ví dụ như MOD11 và MOD10A2). Có rất ít nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu phát xạ nhiệt để theo dõi đặc điểm bề mặt tan chảy do sự thiếu dữ liệu phù hợp. Về lý thuyết, phát xạ sóng dài kết hợp với thông tin LST để đưa ra đo lường trực tiếp hơn với các đặc điểm tuyết tan chảy, từ khi phát xạ là một thuộc tính bên trong của bề mặt, trong khi phản xạ phụ thuộc vào các yếu tố khác như góc thiên đỉnh, và các hiệu ứng bóng. Hiện tại không có sản phẩm phát xạ tiêu chuẩn nào tồn tại mà có thể tự động lấy những thay đổi trong bức xạ sóng dài liên tục trong thời gian dài. Vấn đề này đã được giải quyết với sản phẩm MOD21 mới, trong đó sử dụng các thuật toán TES ASTER để tự động lấy LST và phát xạ quang phổ (dải 29, 31, 32) ở độ phân giải 1 km. Trong nghiên cứu này chúng tôi cho thấy rằng việc sử dụng một chỉ số đề xuất mới gọi là chỉ số tuyết phát xạ khác nhau (SEDI) có nguồn gốc từ các sản phẩm phát xạ sóng
9 dài MOD21, kết hợp với LST, sẽ cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về tuyết tan và động thái đóng băng như Greenland. Các kết quả cũng cho thấy rằng việc sử dụng đồng thời của cả hai dữ liệu dựa trên nhiệt và phản xạ sẽ giúp cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về tuyết tan chảy trên các dòng sông băng và các tảng băng, và làm giảm sự không chắc chắn trong việc ước tính độ lớn và xu hướng.
1.2.2. Tại Việt Nam
Theo nghiên cứu của Trần Thị Vân (2006) [8].
Do sự gia tăng dân số và tăng trưởng kinh tế xã hội, nên đã tác động không nhỏ đến sự biến đổi khí hậu toàn cầu và khu vực, rõ nét nhất là sự hình thành các vùng có nhiệt độ cao (gọi là đảo nhiệt) tại các trung tâm đô thị, so với các vùng lân cận. Nghiên cứu đã ứng dụng phương pháp viễn thám nhiệt bằng việc sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 7 ETM+ có độ phân giải 60 m để chỉ ra những sự khác nhau về nhiệt độ ở khu vực đô thị và so sánh mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt đô thị và các kiểu thảm phủ. Bản đồ phân bố nhiệt đô thị và các phân tích quan hệ nhiệt – thảm phủ có thể được dùng làm tham khảo cho quy hoạch đô thị và đề ra các giải pháp làm giảm nhiệt độ tại các khu vực trọng điểm.
Tác giả đã sử dụng phương pháp nghiên cứu dựa trên phép chuyển đổi nhiệt độ từ giá trị độ xám (ở dạng số) sang giá trị bức xạ phổ, và chuyển đổi tiếp giá trị bức xạ này sang giá trị nhiệt độ. Đồng thời, tác giả còn đưa ra bước thử nghiệm hiệu chỉnh độ phát xạ để nâng cao độ chính xác. Trong nghiên cứu này, ảnh vệ tinh Landsat được chụp vào mùa nắng tháng 2 năm 2002 và sử dụng tổ hợp kênh 4, 3, 2 dùng để phân loại. Tổ hợp này sẽ cung cấp thông tin nhiều nhất cho việc phân loại sử dụng đất. Kết quả nghiên cứu cho thấy được các nguyên nhân dẫn đến việc phân bố nhiệt độ bề mặt; các khu công nghiệp do vật liệu mái nhà bằng nhôm cộng với năng lượng nhiệt phát ra từ hoạt động sản xuất sẽ là nơi có nhiệt độ cao nhất; còn trong khu vực đô thị thì nhiều nhà cao tầng, các mái nhà và nhựa đường là nguyên nhân chính dẫn đến nhiệt độ ở khu vực này cao hơn các vùng lân cận; những vùng có thực vật phong phú và sông ngòi sẽ làm cho nhiệt độ bề mặt nơi đây giảm xuống.
Từ đó lập ra bản đồ phân bố nhiệt độ đô thị và phân tích quan hệ nhiệt-thảm phủ dùng làm tham khảo cho quy hoạch đô thị và đưa ra các giải pháp để làm giảm tình trạng “đảo nhiệt”.
10
Theo nghiên cứu của Huỳnh Thị Thu Hương và các cộng sự (2012) [1].
Nghiên cứu dùng ảnh vệ tinh MODIS (MOD11A2) có độ phân giải thấp 1 km và chu kỳ thời gian ngắn 8 ngày từ năm 2000 đến năm 2010, để tính toán, đánh giá nhiệt độ bề mặt đất và chỉ số khô hạn vùng Đồng bằng sông Cửu Long kết hợp với phỏng vấn hộ nông dân trong vùng nghiên cứu. Kết quả đã xây dựng hoàn chỉnh qui trình tính toán nhiệt độ bề mặt đất và chỉ số khô hạn thực vật TVDI cho vùng ĐBSCL từ ảnh MODIS. Kết quả số liệu tính toán có độ tin cậy cao, vì phù hợp với số liệu thu thập được ngoài thực địa. Bên cạnh đó, những vùng có chỉ số khô hạn cao trên bản đồ cũng phù hợp với kết quả khảo sát thực tế tại cùng thời điểm. Điều này cho thấy khả năng ứng dụng ảnh viễn thám nhiệt MODIS với độ phân giải thấp (1km) và chu kỳ thời gian ngắn (8 ngày) để theo dõi và dự báo khô hạn cho toàn vùng ĐBSCL là phù hợp. Đây là nghiên cứu góp phần xác định các khu vực khô hạn ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp liên quan đến biến đổi khí hậu như hiện nay.
Phạm vi nghiên cứu được thực hiện ở 13 tỉnh, thành thuộc vùng ĐBSCL và nguồn dữ liệu chính là ảnh viễn thám được chụp trong khoảng thời gian 3 mùa khô năm 2000, 2005 và 2010. Hai loại ảnh được sử dụng trong nghiên cứu này là ảnh MODIS nhiệt độ bề mặt đất (MOD11A2), chu kỳ quan sát 8 ngày/lần, độ phân giải không gian 1 km và ảnh MODIS phản xạ bề mặt (MOD09Q1) tạo ảnh chỉ số thực vật NDVI, chu kỳ quan sát 8 ngày/lần, độ phân giải không gian 250m. Kết quả cho thấy giá trị khô hạn dao động trong khoảng từ 0 (rất ướt) đến 1 (rất khô). Dựa vào ảnh đa thời gian để đánh giá diễn biến khô hạn, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của khô hạn đến vùng canh tác lúa. Từ dữ liệu tính toán cho thấy các tỉnh An Giang, Sóc Trăng, Trà Vinh và Long An thường có mức nhiệt độ trung bình trong mùa khô cao hơn so với các tỉnh khác trong vùng, nguyên nhân là do các tỉnh này có đặc trưng về điều kiện đất đai như đất đồi núi và đất giồng cát ven biển. Nhìn chung, nhiệt độ bề mặt đất tính toán được từ ảnh vệ tinh thường có khoảng biến động lớn hơn so với nhiệt độ không khí đo thực tế. Tuy nhiên, nhiệt độ bề mặt đất trung bình thu được từ ảnh mang tính đại diện cao hơn vì được tính toán từ trung bình tất cả các điểm ảnh thay vì trên cơ sở một số trạm quan trắc theo phương pháp đo đạc trực tiếp.
11
Theo luận văn Thạc sỹ của Nguyễn Văn Thọ (2011) [6].
Đề tài sử dụng ảnh MODIS TERRA trong việc xác định chỉ số khô hạn để dự báo và xây dựng hệ thống giám sát, cảnh báo hạn thực tế trong thời gian dài. Đề tài thực hiện nhằm mục tiêu ứng dụng viễn thám MODIS tính toán nhiệt độ bền mặt đất (LTS), chỉ số thực vật (NDVI), chỉ số khô hạn nhiệt độ - thực vật (TVDI) ở ĐBSCL; theo dõi, đánh giá xu hướng biến đổi của nhiệt độ bề mặt, chỉ số khô hạn nhiệt độ - thực vật theo thời gian và không gian; xác định và đánh giá được những vùng đất trồng lúa có khả năng bị ảnh hưởng của khô hạn cục bộ. Kết quả cho thấy sự phù hợp giữa tư liệu ảnh MODIS với hệ sinh thái vùng nghiên cứu. Hơn nữa, chỉ số TVDI kết hợp với những chỉ số khô hạn khác và các quan trắc khí tượng tích lũy trong nhiều năm để nghiên cứu biến đổi khí hậu; đồng thời xây dựng hệ thống theo dõi và dự báo sớm những thảm họa trong nông và lâm nghiệp cấp khu vực.
Tác giả sử dụng dòng sản phẩm vệ tinh MODIS LST phiên bản 5 với đặc tính chuyên biệt cho việc xác định nhiệt độ bề mặt, các thông số kỹ thuật được thiết lập vào đầu thu vệ tinh dựa trên các thuật toán tính nhiệt độ nên công việc trở nên đơn giản hơn. Phương pháp nghiên cứu dựa trên phép tính chuyển từ giá trị độ xám trên ảnh vệ tinh sang giá trị số (DN) 12 bit cho từng pixel. Sau đó nhân với hệ số quy đổi, đây là hệ số scale factor được cung cấp từ nhà sản xuất thông qua các thông số kỹ thuật được tính toán dựa trên thực nghiệm, sẽ cho ra kết quả nhiệt độ bề mặt Kelvin (°K) và chuyển sang nhiệt độ Celcus (-273.15). Kết quả này khá chính xác cho từng pixel, từng tọa độ trên ảnh cho một vùng.
Theo nghiên cứu của Trần Thị Vân và các cộng sự (2009) [9].
Nhiệt độ bề mặt đất bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi độ phát xạ bề mặt. Vì vậy, biết rõ độ pháp xạ bề mặt là điều quyết định để ước tính cân bằng bức xạ ở bề mặt trái đất. Bức xạ nhiệt từ bất kỳ bề mặt nào cũng phụ thuộc vào 2 yếu tố: nhiệt độ bề mặt và độ phát xạ bề mặt. Nó phụ thuộc vào thành phần, độ nhám bề mặt và các tham số vật lý của bề mặt như độ ẩm đất. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt đối tượng ở cấp độ đô thị (sử dụng ảnh viễn thám hồng ngoại nhiệt Landsat và Aster, được chọn vào thời điểm mùa khô và ít mây) có tính đến yếu tố phát xạ trong hiệu chỉnh kết quả tính toán với quy trình tính toán có thể áp dụng cho bất kỳ vệ tinh mà không phụ thuộc vào số lượng kênh nhiệt và tăng
12 cường độ phân giải ảnh kết quả. Đồng thời kết quả nghiên cứu sẽ được kiểm chứng với số đo quan trắc nhiệt độ bề mặt thực tế để đánh giá độ chính xác.
Nghiên cứu giúp ta hiểu rõ thêm về quy trình tính toán nhiệt độ bề mặt từ ảnh vệ tinh. Đồng thời đây cũng là nghiên cứu góp phần thay thế phương pháp đo đạc truyền thống từ các trạm quan trắc khí tượng. Phương pháp sử dụng ảnh viễn thám thì ta có thể tính toán được giá trị nhiệt cho từng pixel và cho bức tranh phân bố nhiệt độ toàn thể khu vực nghiên cứu, còn đối với phương pháp truyền thống thì khó có thể đo đạc cho từng đối tượng trên một khu vực nghiên cứu vì sẽ cần sử dụng nhiều công lao động, chi phí thực địa lại rất cao, nhu cầu thiết bị đo nhiều và sẽ tốn kém nếu ta tăng dày mật độ các trạm đo khí tượng.