HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 14 NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH LANDSAT 7 ETM+ (RESEARCHING THE LAND SURFACE TEMPERATURE IN DANANG CITY FROM THE SATELLITE IMAGE OF LANDSAT 7 ETM+) Trần Thị Ân (1) , Nguyễn Thị Diệu (1) , Trương Phước Minh (2) (1) Khoa Địa Lí - Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng 459 Tôn Đức Thắng, TP Đà Nẵng Email: tta.dna@gmail.com dieunguyen77@gmail.com (2) Trưởng Phòng Khoa học - Sau Đại học và Hợp tác quốc tế Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng Email: truongphuocminh@gmail.com Abstract: Observation the land surface temperature in a province becomes more difficult because we can not build a system of weather stations with the high density and continuous operation. Remote sensing data with the characteristics of multiphase, short time to process and cover the wide region enable the user to observe particularly and continuously the situation and the change of temperature for a certain area. Danang is one of the cities which are developing rapidly in industrialization and urbanization. This is one of the causes of the change in its land surface temperature. Researching the land surface temperature from the satellite image of Landsat 7 ETM+ serve for environmental management and natural resource supevision, along with the evaluating the application of remote sensing in studying the temperature, that is the target of this research. This paper used the thermal band of the Landsat 7 ETM+ image in the wavelenght of Near Infrared in order to caculate the surface temperature of Danang city. The result shows that the urban zone with the high intensity of houses, transportations, buildings, has the higher temperature than other zones, lead to the “heat island effect”. This is a large envirnmental problem in many big cities in which the temperature of the urban increase continously along with the urbanization and industrialization. This paper pointed out the distribution of surface temperature in Danang city that help for the uban planers in looking for the method to treat this environmental problem. Keywords: the land surface temperature, Landsat 7 ETM+, Danang city. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nhiệt độ bề mặt đất là một thông số quan trọng trong nghiên cứu hiện trạng môi trường, đặc biệt với môi trường đô thị. Các quan trắc mặt đất chỉ phản ánh được nhiệt độ cục bộ xung quanh trạm đo mà trên thực tế, ta không thể thiết lập được hệ thống trạm quan trắc với mật độ dày đặc, liên tục theo nhiều thời gian. Với dữ liệu viễn thám có độ phân giải không gian, thời gian cao ta có thể giám sát một cách chi tiết, liên tục hiện trạng và sự thay đổi của nhiệt độ cho một khu vực rộng lớn. Đà Nẵng là một trong những thành phố lớn của cả nước, là trung tâm của khu vực duyên hải Miền Trung. Thành phố này đang trên đà phát triển mạnh, tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa phục vụ cho phát tri ển kinh tế xã hội đang diễn ra với tốc độ nhanh chóng. Nguyên nhân này đã làm cho nhiệt độ bề mặt của thành phố, đặc biệt là vùng trung tâm nội thành nơi tập trung đông các khu dân cư, các khu công nghiệp, tăng lên nhanh chóng. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 15 Dữ liệu ảnh Landsat 7 ETM+ với các kênh nhiệt thu ảnh ở vùng sóng hồng ngoại là nguồn dữ liệu quan trọng và hiệu quả cho việc tính toán nhiệt độ bề mặt. Với những lí do trên chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất thành phố Đà Nẵng từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 7 ETM+” với mục tiêu đánh giá khả năng thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt đất thành phố Đà Nẵng nhằm phục vụ công tác quản lí môi trường và giám sát tài nguyên thiên nhiên. 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Giới thiệu vệ tinh Landsat Vệ tinh Landsat là vệ tinh viễn thám tài nguyên đầu tiên được phóng lên quỹ đạo năm 1972, cho đến nay đã có 7 thế hệ vệ tinh Landsat đã được phóng lên quỹ đạo và dữ liệu đã được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Vệ tinh Landsat được thiết kế có bề rộng tuyến chụp là 185km. Các giá trị pixel được mã hóa 8 bit tức là cấp độ xám từ 2550 ÷ . Vệ tinh Landsat được trang bị bộ cảm MSS (Multispectral Scanner), TM (Thematic Mapper) và ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus). Bảng 1: Đặc trưng của sensor và độ phân giải không gian của ảnh Landsat 7 ETM+ Nguồn: http://landsat.org.vn Ảnh vệ tinh Landsat được sử dụng khá hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau: thành lập bản đồ chuyên đề, phân tích biến động (hiện trạng sử dụng đất, lớp phủ, biến động đường bờ ), phân biệt các loại khoáng vật, phân biệt hiện trạng thực phủ, và đặc biệt dữ liệu từ Band 6 (gồm có Band 61 và Band 62 được ghi nhận ở hai mức low gain và high gain) là cơ sở quan trọng để thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt đất, giúp cho việc giám sát hiệu quả hiệu ứng nhà kính, tác động của quá trình đô thị hóa đến việc gia tăng nhiệt độ cũng như diễn biến trạng thái nhiệt độ trong những khoảng thời gian khác nhau ở những khu vực khác nhau. 2.2. Phương pháp nghiên cứu Dữ liệu sử dụng kênh hồng ngoại nhiệt Landsat 7 ETM+ (Có các kênh 6H, 6L) thu nhận từ vệ tinh. Sau khi đ ã thực hiện các định dạng lại, hiệu chỉnh khí quyển, hiệu chỉnh bức xạ và hiệu chỉnh hình học sẽ được phân phối đến người sử dụng ở cấp độ 1G (L1G, Level 1 Geometrically Corrected). Ở cấp độ sản phẩm 1G, dữ liệu Landsat 7 ETM+ được thu nhận dưới dạng ảnh xám độ 8 bit nghĩa là giá trị pixel được lưu 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 lượng phát ra từ mỗi vật thể được 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 bước sau: Kênh 1 Kênh 2 Kênh 3 Kênh 4 Kênh 5 Kênh 6 Kênh 7 Kênh 8 52.045.0 ÷ 61.053.0 ÷ 69.063.0 ÷ 90.075.0 ÷ 75.155.1 ÷ 5.124.10 ÷ 35.209.2 ÷ 90.052.0 ÷ Xanh lơ Lục Đỏ Hồng ngoại gần Hồng ngoại TB Hồng ngoại nhiệt Hồng ngoại TB Lục đến hồng ngoại gần 30m 30m 30m 30m 30m 60m 30m 15m HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 16 Tính giá trị nhiệt bề mặt LST (Kelvin) - DN (Digital Number): giá trị số - LST (Land Surface Temperature): nhiệt độ bề mặt đất 2.2.1. Thực hiện tính chuyển các giá trị pixel từ dạng số DN sang dạng bức xạ theo công thức: Radiance = L λ = (LMAX – LMIN)/255*DN + LMIN Trong đó: LMAX, LMIN là giá trị bức xạ phổ được tính tương ứng với từng trạng thái low gain và high gain, DN là giá trị số (Đơn vị: w/m 2 .ster.µm) Kênh phổ Trạng thái Low gain (kênh 61) Trạng thái High gain (kênh 62) LMIN LMAX LMIN LMAX 6 0.00 17.04 3.2 12.65 (Thông tin về Low gain và High gain được lấy từ file p124r049_7t20010323.MET trên website: ftp://ftp.glcf.umiacs.umd.edu/glcf/Landsat/WRS2/ ) 2.2.2. Tính giá trị nhiệt độ bề mặt (LST): Sau khi chuyển sang giá trị bức xạ L λ , cần phải áp dụng thuật toán để tính giá trị nhiệt bề mặt tương ứng (giá trị nhiệt bề mặt lúc này được tính theo đơn vị Kelvin). Có nhiều thuật toán có thể sử dụng để tính giá trị nhiệt bề mặt như thuật toán kênh tham chiếu (Reference channel method, REF), thuật toán phân loại độ phát xạ (Classification-based emissivity method)… Ở đây, tác giả chọn thuật toán chuẩn hóa giá trị phát xạ (Emissivity Normalization Method, NOR). Thuật toán NOR đơn giản và cho kết quả chính xác hơn các thuật toán khác. Thuật toán này dựa trên phương trình chuyển đổi giá trị bức xạ sang giá trị nhiệt độ của Planck (Công thức Planck): T = K 2 / ln(K 1 /L λ + 1) Trong đó: - T: Nhiệt độ hiệu quả tại vệ tinh (Đơn vị: Kelvin) - K 1 : Hằng số hiệu chỉnh 1 (K 1 = 666.09 W/m 2 .Ster.µm) ẢNH GỐC Tính chuyển các giá trị pixel từ dạng DN sang dạng bức xạ Tính chuyển đơn vị nhiệt độ ( o C ) HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 17 - K 2 : Hằng số hiệu chỉnh 2 (K 2 = 1282,7 K) - L λ : Giá trị bức xạ phổ (W/m 2 .Ster.µm) Kết quả nhiệt độ bề mặt tính theo đơn vị Kelvin: Hình 1: Kết quả tính nhiệt độ bề mặt theo đơn vị Kelvin Thực hiện chuyển giá trị nhiệt bề mặt từ đơn vị Kelvin về đơn vị Celcius ( o C) theo công thức: T ( o C) = T (Kelvin) - 273.16 • Sau khi chuyển: Hình 2: Giá trị nhiệt độ tính theo o C HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 18 • Chuyển giá trị nhiệt độ về dạng số nguyên: Hình 3: Giá trị nhiệt độ ở dạng số nguyên 2.3. Kết quả và thảo luận 2.3.1. Thông tin về dữ liệu ảnh phục vụ quá trình nghiên cứu: Trong đề tài này, khu vực khảo sát là phần diện tích thành phố Đà Nẵng ứng với dữ liệu ảnh Landsat 7 ETM+ khu vực Trung Trung Bộ được ghi nhận vào ngày 23/03/2001 với hệ tọa độ là WGS84_zone 49. Hình 4: Kết quả tổ hợp màu các Band 7,5,1 của ảnh Landsat thành phố Đà Nẵng HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 19 Toàn bộ quá trình tính toán và xử lí được thực hiện bằng phần mềm ENVI phiên bản 4.5. Sau khi tính toán các giá trị trên ảnh gốc, tiến hành cắt ảnh theo khu vực thành phố Đà Nẵng bằng cách sử dụng lớp vector bản đồ nền ranh giới hành chính. 2.3.2. Kết quả tính toán nhiệt độ bề mặt thành phố Đà Nẵng: Hình 5: Giá trị nhiệt độ hiệu quả tại vệ tinh Landsat 7 ETM+ khu vực Đà Nẵng ngày 23/03/2001 ở Band 62 2.3.3. Giải thích sự phân bố nhiệt độ bề mặt đất thành phố Đà Nắng Trong cùng một khu vực, sự khác nhau về nhiệt độ bề mặt đất có liên quan đến các loại lớp phủ thực vật. Do vậy, để giải thích sự phân bố nhiệt độ bề mặt đất thành phố Đà Nẵng cần tiến hành phân loại ảnh theo các đơn vị lớp phủ mặt đất. Kết quả phân loại trong khu vực này có 3 kiểu thảm phủ như: nước, thực vật và không thực vật. Hình 6: Kết quả phân loại lớp phủ mặt đất thành phố Đà Nẵng (Ảnh Landsat 7 ETM+ ngày 23/03/2001, tổ hợp màu các kênh 1, 2, 3, 4, 5, 7) HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 20 3. KẾT LUẬN 3.1. Về sự phân bố nhiệt độ thành phố Đà Nẵng - Phân tích từ ảnh cho thấy sự phân bố theo màu của nhiệt độ bề mặt đất là khác nhau. Các khu vực công nghiệp, dân cư là những nơi có nhiệt độ bề mặt cao nhất, tiếp đó là khu vực đất trống, còn những nơi có thực vật che phủ và mặt nước có nhiệt độ bề mặt thấp hơn. - Nhiệt độ bề mặt cao nhất ở thành phố Đà Nẵng tập trung ở khu vực nội thành thuộc các quận Hải Châu, Thanh Khê, nơi tập trung đông đúc các khu đô thị, nhà ở, và một phần ở Quận Liên Chiểu nơi tập trung các khu công nghiệp. - Các khu công nghiệp thể hiện bởi màu đỏ có nhiệt độ cao nhất (từ 36 – 42 o C) do năng lượng nhiệt từ hoạt động sản xuất (các chất thải hóa học, khói…) và vật liệu mái nhà bằng tôn cũng là nguồn phản xạ nhiệt tốt. - Trong khu vực đô thị sự tập trung các tòa nhà cao tầng và hệ thống đường nhựa là những yếu tố dẫn đến sự phản xạ nhiệt xảy ra nhiều và mạnh hơn. Đây là nguyên nhân làm cho nhiệt độ bề mặt ở khu vực đô thị tăng cao so với các khu vực xung quanh. - Ngoài ra, các khu vực đất trống, đặc biệt là các bãi cát ven biển Đà Nẵng nơi có rất ít thực vật che phủ, cũng là những nơi có nhiệt độ cao. - Màu vàng là khoảng nhiệt độ 25 o C - 28 o C thể hiện các vùng có thực vật phong phú (lúa, hoa màu, rừng). Đây là kết quả của việc làm phân tán năng lượng mặt trời do sự hấp thụ nhiệt của thực vật và qua quá trình bốc thoát hơi nước từ lá cây. - Các khu vực mặt nước lạnh hơn với nhiệt độ giữa 25 o C– 28 o C được thể hiện bằng màu xanh lá cây. Đây là do tác dụng điều hòa nhiệt độ của nước. Các giải pháp được đưa ra nhằm hạn chế sự gia tăng nhiệt độ ở đô thị có thể là: - Gia tăng hệ thống mặt nước và cây xanh nhằm tạo các lá phổi giữa lòng đô thị. - Sử dụng đúng loại vật liệu xây dựng, trong đó ưu tiên dùng các chất liệu sáng màu cho mặt đường, vỉa hè và các mái kiến trúc. - Hạn chế sử dụng các loại phương tiện đi lại hay chuyên chở chạy bằng nhiên liệu hoá thạch, đồng thời quy hoạch các khu công nghiệp ra khu vực ngoại thành. 3.2. Về hiệu quả của phương pháp viễn thám trong nghiên cứu nhiệt độ bề mặt - Việc sử dụng tư liệu viễn thám trong tính toán nhiệt độ bề m ặt tương đối đơn giản và nhanh chóng, chỉ cần sử dụng duy nhất một kênh nhiệt. - Mức độ chi tiết của kết quả được thể hiện trên toàn vùng, chứ không phải chỉ là số đo tại điểm quan trắc như trong phương pháp đo đạc truyền thống từ các trạm quan trắc khí tượng. - Tuy nhiên, thực tế các số đo điều kiện khí quyển không s ẵn có, do đó việc hiệu chỉnh khí quyển cho việc khôi phục lại các số đo mặt đất là một việc khó khăn đối với một vùng bất kỳ vào một thời điểm bất kỳ và thường bỏ qua. Do vậy, cần chú ý đến việc hiểu chỉnh khí quyển để có thể tính toán nhiệt độ bề mặt một cách chính xác hơn. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 21 Tài liệu tham khảo Czajkowski, K.P., Goward, S.N., Mulhern, T, Goetz, S.J., Walz, A., Shirey, D., Stadler, S., Prince, S.D. and Dubayah, R.O., Estimating environmental variables using thermal remote sensing, in Thermal Remote Sensing in Land Surface Processes, CRC Press, (2004). Lê Văn Trung, Viễn thám, NXB ĐHQG TP Hồ Chí Minh, 2005. Nguyễn Ngọc Thạch, Cơ sở viễn thám, NXB, ĐHQG Hà Nội, 2005. Phạm Thế Hùng, Thành lập bản đồ nhiệt độ bề mặt đất tỉnh Đồng Tháp từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 7 ETM+. Tran Thi Van, 2005, Investigating feature of urban surface temperature with sistribution of land cover types in Hochiminh city using thermal infrared remote sensing, The 26th Asian Conference of Remote Sensing, Ha Noi, November 7-11, 2005. . đề tài: Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất thành phố Đà Nẵng từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 7 ETM+ với mục tiêu đánh giá khả năng thành lập bản đồ nhiệt độ. ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 14 NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH LANDSAT 7 ETM+ (RESEARCHING THE LAND SURFACE