nghiên cứu xác định nhiệt độ bề mặt đô thị bằng phương pháp viễn thám nhiệt

Viễn thám hồng ngoại nhiệt đo lường bức xạ bề mặt trái đất có thể giúp ta khôi phục giá trị nhiệt độ bề mặt trên toàn vùng nghiên cứu theo từng pixel. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt cho đô thị TP.HCM, có tính đến việc hiệu chỉnh kết quả tính toán thông qua việc xác định độ phát xạ bề mặt từ phương pháp NDVI. Phương pháp này cho bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt có độ phân giải cao hơn là tính trực tiếp từ các kênh nhiệt. Nghiên cứu thử nghiệm thực hiện trên 2 dòng ảnh vệ tinh Landsat và Aster có các kênh hồng ngoại nhiệt với độ phân giải không gian trung bình, thích hợp cho các nghiên cứu về các quá trình nhiệt ở các khu đô thị. Kết quả tính toán được đối sánh với số liệu đo thực tế của 10 điểm quan trắc nhiệt độ và phân tích sai số theo nhiều phương pháp khác nhau để chứng minh tính ưu việt của phương pháp trong điều kiện thực tế của khu vực nghiên cứu nói riêng cũng như của Việt Nam nói chung. Kết quả nghiên cứu này sẽ đóng góp một hướng tiếp cận giải quyết vấn đề xác định các yếu tố khí tượng liên quan đến quá trình nhiệt trong nghiên cứu biến đổi khí hậu hiện nay.

Phân bố nhiệt độ bề mặt trên 2 ảnh Landsat và Aster
Phân bố nhiệt độ bề mặt trên 2 ảnh Landsat và Aster

1. Giới thiệu nghiên cứu xác định nhiệt độ bề mặt đô thị bằng phương pháp viễn thám nhiệt

Nhiệt độ bề mặt đất là một biến quan trọng trong nhiều tính toán ứng dụng như khí hậu, thủy văn, nông nghiệp, sinh địa hóa và các nghiên cứu biến động môi trường. Nó là một yếu tố chỉ thị về cân bằng năng lượng ở bề mặt trái đất. Nhiệt độ bề mặt đất bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi khả năng của bề mặt phát ra bức xạ, tức là độ phát xạ bề mặt. Vì vậy, biết rõ độ phát 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 phụ thuộc vào 2 yếu tố: (1) nhiệt độ bề mặt, là chỉ thị của tình trạng nhiệt động lực gây nên bởi cân bằng nhiệt của các thông lượng giữa khí quyển, bề mặt và lớp đất mặt phụ; (2) độ phát xạ bề mặt, là hiệu suất của bề mặt để truyền dẫn năng lượng bức xạ được sinh ra trong đất đi vào khí quyển. Nó phụ thuộc vào thành phần, độ nhám bề mặt và các tham số vật lý của bề mặt như độ ẩm đất. Vì vậy, để ước tính định lượng nhiệt độ bề mặt, cần phải tách các hiệu ứng của nhiệt độ và độ phát xạ trong bức xạ được quan sát.

Viễn thám thụ động đo lường bức xạ phát ra từ bề mặt trái đất trên từng pixel phụ thuộc vào trường nhìn tức thời của bộ cảm biến (IFOV) đặt trên vệ tinh. Vùng bước sóng điện từ 3- 35μm thường được gọi là vùng hồng ngoại trong viễn thám mặt đất. Dải quang phổ điện từ này cho phép thu nhận bức xạ và ước tính nhiệt độ bề mặt, đặc biệt trong cửa sổ khí quyển từ 8- 14μm. Các bộ cảm biến thu nhận ảnh có chứa kênh hồng ngoại nhiệt có thể kể đến như AVHRR (trên vệ tinh NOAA), MVIRI (Meteosat), AATSR (ENVISAT), MODIS (TERRA) với độ phân giải thấp từ 1km trở lên. Trong nghiên cứu đô thị thường yêu cầu độ phân giải cao hơn, trong đó có các ảnh vệ tinh thu nhận từ các bộ cảm biến như LANDSAT: TM có độ phân giải kênh nhiệt 120m, EMT+ – 60m; ASTER độ phân giải không gian 90m; TIMS độ phân giải 18m; ATLAS độ phân giải 10m. Trong đó, ảnh TIMS và ATLAS được thu nhận từ các vệ tinh nhỏ phục vụ cho các nghiên cứu địa phương. Ảnh hồng ngoại nhiệt của Landsat và Aster mặc dù có độ phân giải thấp hơn nhưng lại có quỹ đạo bay chụp toàn cầu và tư liệu lưu trữ lâu dài, rất thích hợp cho nhiều nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt nghiên cứu lịch sử.

Ứng dụng viễn thám hồng ngoại nhiệt (viễn thám nhiệt) trong nghiên cứu ước tính nhiệt độ bề mặt đô thị có tính ưu việt đặc biệt là 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. Bài báo này sẽ trình bày kết quả nghiên cứu phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt đối tượng ở cấp đô thị (sử dụng ảnh vệ tinh LANDSAT và ASTER) 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 ảnh vệ tinh không phụ thuộc vào số lượng kênh nhiệt và tăng cường được 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.

2. Cơ sở lý thuyết

Bức xạ Mặt Trời đi qua khí quyển ảnh hưởng lên các điều kiện khí tượng bằng cách truyền năng lượng vào không khí và trái đất. Vật đen được dùng để nghiên cứu bức xạ. Đó là một vật lý tưởng hấp thụ hoàn toàn và phát xạ toàn bộ năng lượng đạt tới nó. Thực tế chỉ tồn tại vật thể tự nhiên (vật xám) với khả năng phát xạ của vật thể tự nhiên có giá trị trong khoảng 0-1. Năng lượng bức xạ trái đất là hàm số của hai thông số: nhiệt độ và độ phát xạ. Nếu vật tự nhiên và vật đen có cùng nhiệt độ bề mặt thì vật tự nhiên phát xạ kém hơn vật đen.

Vùng bước sóng điện từ 3-35μm thường được gọi là vùng hồng ngoại trong viễn thám mặt đất. Trong vùng này, bức xạ phát ra bởi Trái Đất lớn hơn nhiều so với bức xạ phản xạ bởi Mặt Trời, do đó viễn thám vùng này được dùng để khôi phục giá trị nhiệt độ bề mặt đất. Các bộ cảm biến vận hành chủ yếu phát hiện đặc tính bức xạ nhiệt của các vật liệu mặt đất. Tuy nhiên, các kênh phổ hữu ích bị hạn chế do cường độ bức xạ phát ra và các cửa sổ khí quyển. Cửa sổ khí quyển tốt nhất là 8-14μm [10] do có sự hấp thụ vật chất của khí quyển là thấp nhất [13]. Phần lớn năng lượng bề mặt đất được các bộ cảm biến nhiệt thu nhận trong dải bước sóng 10.5-12.5 μm, và được dùng để ước tính nhiệt độ bề mặt đất và các quá trình nhiệt khác [12], [10], [4]. Viễn thám hồng ngoại nhiệt thu nhận dữ liệu trong 2 cửa sổ 3-5μm và 8-14μm nói chung là bị động, nghĩa là, các bộ cảm biến thu thập dữ liệu theo bức xạ phát ra một cách tự nhiên. Các kỹ thuật chủ động triển khai các búp sóng laser bước sóng đơn sắc (gọi là radar lazer hoặc LIDAR) chỉ mới được phát triển gần đây.

Bức xạ hồng ngoại nhiệt trong dải 8-14μm được phát ra từ bề mặt tương quan với nhiệt độ động năng và độ phát xạ bề mặt. Tuy nhiên, có hai vấn đề chính cần phải giải quyết để đạt được nhiệt độ và độ phát xạ bề mặt từ dữ liệu hồng ngoại nhiệt. Thứ nhất, bức xạ đo được ở bộ cảm biến bị ảnh hưởng bởi khí quyển từ quá trình hấp thụ và phát xạ lại bởi các khí, chủ yếu là hơi nước trong vùng hồng ngoại của phổ điện từ. Vì vậy, để đạt được nhiệt độ bề mặt, cần phải hiệu chỉnh khí quyển qua việc sử dụng mô hình truyền bức xạ. Thứ hai, bản chất không xác định được của các số đo nhiệt độ và độ phát xạ. Nếu bức xạ nhiệt được đo trong N kênh, thì sẽ có N+1 tham số không biết gồm N lớp độ phát xạ (đối với N kênh) và 1 lớp nhiệt độ bề mặt. Ước tính độ phát xạ và nhiệt độ trong dữ liệu hồng ngoại nhiệt đa phổ cần các giả thiết bổ sung để giải biến không xác định [16], [11]. Các giả thiết thường liên quan đến các đo đạc độ phát xạ trong phòng thí nghiệm hoặc trên thực tế.

Giá trị bức xạ thu nhận trong dải hồng ngoại nhiệt của phổ điện từ trên các bộ cảm biến vệ tinh gồm 3 thành phần: (1) phát xạ bề mặt được truyền qua khí quyển (τεBλ); (2) bức xạ hướng dưới được phát ra bởi khí quyển được phản xạ bởi bề mặt và truyền qua khí quyển đến bộ cảm
Xem thêm tại:

Nguồn: TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 12, SỐ 04 – 2009

 

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here