Ứng dụng GIS trong nghiên cứu nhiệt độ bề mặt tại huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên


Đăng lúc: 20:06:13 16/06/2016 - Đã Đọc: 809
Từ khóa Từ khóa:
Nhiệt độ bề mặt đất là một thông số quan trọng trong nghiên cứu đánh giá hiện trạng môi trường. Tuy nhiên, để xác định nhiệt độ một cách chính xác, liên tục theo thời gian vẫn là một trong những vấn đề nan giải đối với các nhà khoa học. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều phương pháp quan trắc nhiệt độ môi trường đã được tìm ra, bài viết này sẽ giới thiệu về phương pháp sử dụng công nghệ viễn thám, ảnh vệ tinh landsat trong tính toán, quan trắc nhiệt độ bề mặt của một khu vực (huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên)

Nhiệt độ bề mặt đất (Land Surface Temperature _LST) là một yếu tố quan trọng đối với một loạt các các ứng dụng như thủy văn, nông nghiệp, và biến đổi khí hậu… Cũng như một thông số quan trọng trong nghiên cứu hiện trạng môi trường, đặc biệt là đối với môi trường đô thị. Tuy nhiên, để tính toán LST với độ chính xác cao, trên một khu vực liên tục là một trong những mối quan tâm lớn nhất của các nhà khoa học. Việc quan sát nhiệt độ bề mặt đất trong một vùng diện tích lớn trở nên khó khăn hơn bởi vì chúng ta không thể xây dựng một hệ thống các trạm thời tiết với mật độ dày đặc và hoạt động một cách liên tục. Dữ liệu viễn thám với các đặc điểm của đa pha, thời gian ngắn để xử lý và bao gồm các khu vực rộng cho phép người dùng quan sát các vị trí đặc biệt và liên tục, cũng như sự thay đổi nhiệt độ của một khu vực nhất định.

Thái Nguyên là một tỉnh ở Đông Bắc Việt Nam, tiếp giáp với thủ đô Hà Nội và nằm trong quy hoạch vùng thủ đô Hà Nội. Là một trung tâm kinh tế - xã hội lớn của Nam khu vực Đông Bắc hay cả vùng trung du và miền núi phía Bắc. Bên cạnh nguồn lợi đem lại từ sự phát triển kinh tế văn hóa, và thương mại thì sự tác động đến Tài nguyên và Môi trường ngày càng gia tăng. Là một huyện trong tỉnh, tiếp giáp với thành phố Thái Nguyên. Đại Từ là một trong những huyện có sự phát triển nông nghiệp, công nghiệp khai khoáng, thương mại và du lịch diễn ra sôi nổi. Đây cũng chính là nguyên nhân gây ra sự tăng lên nhiệt độ bề mặt của khu vực này.

Trong nghiên cứu này sử dụng nguồn dữ liệu chính là ảnh vệ tinh Landsat 5 TM và landsat 8 TIRS để đánh giá nhanh sự biến đổi nhiệt độ bề mặt giai đoạn 1996 -2014 và mối quan hệ giữa nhiệt độ và các kiểu lớp phủ khác nhau ở huyện Đại Từ.

 

Hình 1: Sơ đồ nghiên cứu nhiệt độ bề mặt khu vực huyện Đại Từ

Phương pháp nghiên cứu dựa trên phép tính chuyển đổi nhiệt độ từ giá trị xám độ trên kênh nhiệt 6 của ảnh vệ tinh Landsat TM và kênh 10 của landsat TIRS. Quá trình thực hiện bắt đầu từ việc chuyển đổi giá trị số (Digital Number - DN) sang giá trị bức xạ phổ (Lλ), sau đó chuyển đổi tiếp giá trị bức xạ này sang giá trị nhiệt độ, cụ thể các bước tiến hành như sau:

1, Chuyển đổi giá trị số (DN) sang giá trị bức xạ phổ (Lλ)

Gía trị bức xạ phổ (Lλ) được tính toán theo công thức sau: 

Radiance = =(LMAXLMIN)/255*DN + LMIN

Trong đó:

Lλ là giá trị bức xạ phổ;

Lmax và Lmin là giá trị bức xạ phổ được tính tương ứng với từng trạng thái low và high gain;

DN là giá trị số (digital number).

2, Chuyển đổi giá trị bức xạ phổ sang nhiệt độ

 Đây là nhiệt độ hiệu quả trên vệ tinh (nhiệt độ vật thể đen) của hệ thống được nhìn từ trái đất khí quyển dưới giả thiết sự phát xạ bằng 1. [5] Công thức chuyển đỏi giá trị bức xa sang nhiệt độ như sau:

T = K2/ ln(K1/ + 1)

Trong đó:

      T          : Nhiệt độ hiệu quả tại vệ tinh ( đơn vị kelvin)

      K1       : Hằng số hiệu chỉnh 1(watts/meter squared*ster*µm)

      K2       : Hằng số hiệu chỉnh 2 (Kelvin)

      Lλ        : Giá trị bức xạ phổ (watts/meter squared*ster*µm)

3, Chuyển từ nhiệt độ kelvin sang nhiệt độ Celsius (oC) theo công thức sau:

T(oC) = T – 273

Trong đó:

T(oC): Nhiệt độ theo đơn vị Celsius  (oC) 

T: Nhiệt độ theo đơn vị Kelvin

4, Tính toán chỉ số khác biệt  thực vật (Normalized Difference Vegetation Index_NDVI)

Công thức xác định NDVI như sau:  NDVI = (NIR — VIS)/(NIR + VIS)

Trong đó:

NIR      :  Giá trị bức xạ của bước sóng cận hồng ngoại (Near Infrared),

VIS     : Giá trị bức xạ của bước sóng nhìn thấy (Visible)

Kết quả phân tích nhiệt bề mặt cho thấy nhiệt độ bề mặt huyện Đại Từ thay đổi theo thời gian và không gian. Trong năm 1996, nhiệt độ tháng 1 giao động từ 5 đến 20 0C, trung bình trong khoảng 12,50C. Đối với tháng 9 nhiệt độ cao hơn giao động trong khoảng 12-27 0C, trung bình giao động trong khoảng 220C. Khu vực nhiệt độ thấp tập trung ở phía bắc và phía Tây Nam của huyện, được bao phủ bởi rừng và núi. Các khu vực nhiệt độ cao là trung tâm công nghiệp thuộc các xã Quân Chu, Cát Nê, Ký Phú, Văn Yên, Yên Mỹ, An Khanh.

Hình 2:  Phân tích ảnh vệ tinh landsat 5 TM năm 1996, nhiệt độ bề mặt và lớp phủ huyện Đại Từ: a) Nhiệt độ bề mặt tháng 1 năm 1996; b) phân tích nhiệt độ bề mặt tháng 9 1996; c) phân loại lớp phủ huyện Đại từ năm 1996

Hình 3:  Phân tích ảnh vệ tinh landsat 8 TIRS năm 2014, nhiệt độ bề mặt và lớp phủ huyện Đại Từ: a) Nhiệt độ bề mặt tháng 1 năm 2014; b) phân tích nhiệt độ bề mặt tháng 9 2014; c) phân loại lớp phủ huyện Đại từ năm 2014

Đến năm 2014 nhiệt độ có biểu hiện tăng lên đáng kể, vào tháng 1 nhiệt độ giao động từ 10 -24 0C  trong đó nhiệt độ trung bình vào khoảng 160C . Đến tháng 9 nhiệt độ thay đổi giao động trong khoảng 18-320C, trung bình nhiệt độ trong giá trị là 25 0C. Số lượng các nhà máy, xí nghiệp, dân cư… tăng mạnh, gây ra sự gia tăng nhiệt độ bề mặt. Đối với khu vực phía Nam địa hình đồi núi và thảm thực vật khá phong phú nên nhiệt độ ở đây là khá thấp.

Trong giai đoạn 1996 đến 2014 nhiệt độ có sự gia tăng đáng kể, biên độ nhiệt giao động mạnh, một phần là do sự mở rộng của đất đô thị và sản xuất kinh doanh trong khu vực diễn ra mạnh trong những thời gian gần đây kéo theo đó là sự suy giảm về rừng và nguy cơ cạn kệt nguồn nước dẫn đến nhiệt độ trung bình tăng lên, bên cạnh đó, do ảnh hưởng của hiện tượng biến đổi khí hậu, nên khu vực này không thể tránh khỏi ảnh hưởng của hiện tượng này, một trong những biểu hiện của nó là gia tăng nhiệt độ. Như vậy trong giai đoạn 1996 – 2014 nhiệt độ của huyện Đại Từ có sự biến động, tăng lên 4-5 0C và sự thay đổi này phụ thuộc rất nhiều vào sự biến động của thảm phủ thực vật. 

Qua nghiên cứu này, ta có thể thấy rằng công nghệ viễn thám là một công nghệ tiên tiến và khả năng ứng dụng mạnh mẽ trên mọi lĩnh vực, đặc biệt là trong quản lý Tài nguyên và Môi trường. Cụ thể hơn trong nghiên cứu này, việc sử dụng Viễn thám trong đánh giá nhanh nhiệt độ về mặt và lớp phủ đã thể hiện được khả năng tối ưu hóa trong phân tích nguồn dữ liệu này so với các phương pháp thủ công trước kia.

Viết bài: GIRC

Trung tâm Địa tin học - Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên

Địa chỉ: Xã Quyết Thắng - TP. Thái Nguyên | Tel: 0904.031.103

Email: girc.tuaf@gmail.com | Website: www.girc.tuaf.edu.vn