ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------

NGUYỄN NGUYÊN VŨ

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG
NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT THÀNH PHỐ ĐÀ LẠT

Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thống thông tin địa lý
Mã số:

60440214

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2015


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LÊ VĂN TRUNG

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. TRẦN THỊ VÂN

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. LÊ THANH HÒA

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM,
ngày 06 tháng 08 năm 2015.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Trần Trọng Đức (Chủ tịch)
2. TS. Trần Anh Tú (Thư ký)

3. TS. Trần Thị Vân (Ủy viên – Phản biện 1)
4. TS. Lê Thanh Hòa (Ủy viên – Phản biện 2)
5. TS. Phan Hiền Vũ (Ủy viên)
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG


i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên
Ngày, tháng, năm sinh
Chuyên ngành
Mã số

: Nguyễn Nguyên Vũ
MSHV: 13220215
: 23-10-1984
Nơi sinh: TPHCM
: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thống thông tin địa lý

: 60440214

I. TÊN ĐỀ TÀI:
ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG NHIỆT ĐỘ
BỀ MẶT THÀNH PHỐ ĐÀ LẠT
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Hệ thống hóa cơ sở khoa học trong việc ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá
biến động nhiệt độ bề mặt đất.

-

Đánh giá biến động các loại lớp phủ mặt đất và biến động nhiệt độ bề mặt
thành phố Đà Lạt, giai đoạn 1996 – 2014.

-

Phân tích mối tương quan giữa quá trình biến động các loại lớp phủ mặt đất
và biến động nhiệt độ bề mặt thành phố Đà Lạt.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/01/2015
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/6/2015
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. LÊ VĂN TRUNG
Tp.HCM, ngày …. tháng …. năm 2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS. TS. Lê Văn Trung

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ii

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trường Đại học Bách khoa
TP.HCM, những người đã dành ra rất nhiều tâm huyết để giảng dạy, hướng dẫn, định
hướng cho tôi trong suốt thời gian tôi học tập tại trường.
Xin cảm ơn các bạn, các anh chị học viên đã cùng tôi học tập, trao đổi, và hỗ
trợ tơi rất nhiều trong q trình học tập, giúp tôi nhận ra những khiếm khuyết, những
hạn chế về kỹ năng và kiến thức để tôi bổ sung và hoàn thiện kịp thời.
Đặc biệt, xin cảm ơn PGS.TS. Lê Văn Trung, người hướng dẫn khoa học của
tôi, đã dành ra rất nhiều thời gian và tâm huyết để hướng dẫn tơi hồn thành luận văn
này.
Xin chân thành cảm ơn.


iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nhiệt độ bề mặt là một tham số quan trọng trong nghiên cứu hiện trạng môi
trường. Việc đo lường liên tục nhiệt độ bề mặt trên qui mô lớn là việc làm cần thiết
để theo dõi các biến động của môi trường. Mục tiêu của nghiên cứu này là ứng dụng
viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) để đánh giá tác động của quá trình biến
động các loại lớp phủ mặt đất đến sự biến động của nhiệt độ bề mặt thành phố Đà Lạt
trong giai đoạn 1996 – 2014.
Dựa vào các ảnh vệ tinh Landsat thu thập vào các thời điểm tháng 3/1996,
3/2003, 3/2010, 3/2014, bốn loại lớp phủ mặt đất (đất đô thị, đất trống, thực phủ và

mặt nước) được phân loại bằng phương pháp phân loại có giám định. Kênh nhiệt của
ảnh vệ tinh được dùng để ước tính nhiệt độ bề mặt bằng cách hiệu chỉnh giá trị độ
phát xạ bề mặt (ước tính bằng phương pháp NDVI) vào giá trị nhiệt độ sáng.
Trong giai đoạn nghiên cứu (1996 – 2014) nhiệt độ bề mặt tăng trung bình 6,80C
và phân tích thống kê khơng gian chỉ ra nền nhiệt độ bề mặt cao có xu hướng tập
trung ở khu vực có tốc độ đơ thị hóa cao. Phân tích chồng lớp trong GIS thành lập
các tờ bản đồ thể hiện biến động các loại lớp phủ mặt đất và nhiệt độ bề mặt cho thấy
nơi có nhiệt độ bề mặt tăng cao nhất là các khu vực thực phủ bị mất đi thay bằng đất
trống và đất đô thị.
Phân tích hồi quy tuyến tính đa biến chỉ ra mối liên hệ giữa các loại lớp phủ và
nhiệt độ bề mặt. Diện tích đất đơ thị, đất trống có tương quan dương với giá trị nhiệt
độ bề mặt, trong khi diện tích thực phủ và mặt nước có tương quan âm với giá trị
nhiệt độ bề mặt. Trong các loại lớp phủ mặt đất thì sự biến động của đất trống có ảnh
hưởng lớn nhất đến biến động của nhiệt độ bề mặt, kế đến lần lượt là đất đô thị, thực
phủ và mặt nước. Bên cạnh việc phân tích hồi quy tuyến tính đa biến bằng phương
pháp thống kê truyền thống, nghiên cứu này còn tiến hành phân tích hồi quy khơng
gian để liên kết dữ liệu thống kê và dữ liệu khơng gian, cho phép phân tích rõ hơn
mối tương quan về mặt không gian của các đối tượng nghiên cứu.


iv

ABSTRACT

Surface temperature is an importance parameter in the studies of environmental
process. The continuous measure surface temperature on a large scale is necessary to
supervise the changes of the environment. This study investigates the application of
remote sensing and GIS for assessing impacts of land cover change on surface
temperature in Dalat from 1996 – 2014.
Based on the Landsat images (dates: 3/1996, 3/2003, 3/2010, 3/2014), four

classes of land cover (urban land, bareland, vegetation and water) are classified by
the supervise classification method. Thermal band of Landsat images are used to
estimate the surface temperature by adjusting the value of the surface emissivity
(estimated by NDVI method) in brightness temperature.
During the study period (1996 – 2014), the surface temperature increased by an
average 6,80C and spatial statistical analysis showed high surface temperature to be
concentrated in areas with high urbanization rate. Overlay technician in GIS to
establish the change maps showed positions of the maximum rise in surface
temperature are areas where vegetation is replaced by bareland and urban land.
Analysis of multivariate linear regression indicates the relationship between
land cover and surface temperature. The area of urban land and bareland is positively
correlated with the surface temperature, whereas the area of vegetation and water is
negatively correlated with the surface temperature. The change of bareland has the
greatest impact to the change of the surface temperature, following by urban land,
vegetation and water. Beside the analysis of multivariate linear regression using the
traditional statistical method, this study also conducted the analysis of spatial
regression to link the statistical data and spatial data, allowing further analyzed
correlation in the spatial of the study objects.


v

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả luận văn xin cam đoan tất cả nội dung của luận văn này được trình bày
theo cấu trúc và dàn ý do tác giả tự mình tìm tịi, nghiên cứu, thu thập và phân tích
các tài liệu, dữ liệu có liên quan, đồng thời được sự góp ý, hướng dẫn của PGS.TS.
Lê Văn Trung để hồn thành luận văn.
Tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan trên.


Học viên: Nguyễn Nguyên Vũ
MSHV: 13220215
Ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thống thông tin địa lý
Khóa học: 2013


vi

MỤC LỤC
Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ ........................................................................................... i
Lời cảm ơn ................................................................................................................. ii
Tóm tắt luận văn thạc sĩ ............................................................................................ iii
Lời cam đoan ...............................................................................................................v
Danh mục hình vẽ, sơ đồ, biểu đồ ........................................................................... viii
Danh mục bảng biểu....................................................................................................x
Mở đầu .......................................................................................................................1
Dẫn nhập ..................................................................................................................1
Lý do chọn đề tài .....................................................................................................2
Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................4
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ....................................................4
Cấu trúc của luận văn ..............................................................................................5
Chương 1. Tổng quan về ứng dụng Viễn thám và GIS .........................................6
1.1. Tích hợp viễn thám và GIS ...............................................................................6
1.1.1. Giới thiệu ....................................................................................................6
1.1.2. Sự cần thiết tích hợp viễn thám và GIS......................................................6
1.2. Viễn thám và GIS trong đánh giá tác động của biến động lớp phủ mặt đất đến
nhiệt độ bề mặt .........................................................................................................7
1.2.1. Ước tính nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt.............10
1.2.2. Tương quan giữa biến động nhiệt độ bề mặt và biến động các loại lớp phủ
mặt đất ................................................................................................................12

Chương 2. Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu ....................................17
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................17
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ...............................................................................17
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................17
2.2. Dữ liệu được sử dụng .....................................................................................19
2.2.1. Dữ liệu viễn thám .....................................................................................20
2.2.2. Dữ liệu GIS...............................................................................................21
2.2.3. Dữ liệu bổ trợ ...........................................................................................21
2.3. Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu..................................................21


vii

2.3.1. Phân loại lớp phủ mặt đất .........................................................................22
2.3.2. Ước tính nhiệt độ bề mặt ..........................................................................27
2.3.3. Phát hiện biến động ..................................................................................33
2.3.4. Tương quan giữa biến động nhiệt độ bề mặt và biến động các loại lớp phủ
mặt đất ................................................................................................................35
Chương 3. Phân tích kết quả thực nghiệm ...........................................................42
3.1. Phần mềm được sử dụng.................................................................................42
3.2. Quá trình biến động lớp phủ mặt đất và biến động nhiệt độ bề mặt ..............42
3.2.1. Phân loại lớp phủ mặt đất thành phố Đà Lạt ............................................42
3.2.2. Ước tính nhiệt độ bề mặt thành phố Đà Lạt .............................................49
3.2.3. Xu hướng biến động lớp phủ mặt đất và biến động nhiệt độ bề mặt .......52
3.3. Tương quan giữa diện tích phân bố các loại lớp phủ mặt đất và biến động
nhiệt độ bề mặt .......................................................................................................61
3.3.1. Phân tích hồi quy tuyến tính đa biến bằng phương pháp Bayesian Model
Average (BMA) ..................................................................................................61
3.3.2. Hồi quy không gian ..................................................................................65
Kết luận và kiến nghị ............................................................................................722

Tài liệu tham khảo ................................................................................................744
Phụ lục ......................................................................................................................79
Phụ lục 1. Hiệu chỉnh hình học, bức xạ và tăng cường chất lượng ảnh ................79
Phụ lục 2. Ma trận sai số phân loại lớp phủ mặt đất ............................................800
Phụ lục 3. Ảnh NDVI thành phố Đà Lạt vào thời điểm tháng 3 các năm 1996,
2003, 2010, 2014 .................................................................................................844
Phụ lục 4. Ảnh độ phát xạ thành phố Đà Lạt vào thời điểm tháng 3 các năm 1996,
2003, 2010, 2014 .................................................................................................855
Phụ lục 5. Dữ liệu tính tốn tâm trung bình trọng số và ellipse độ lệch chuẩn….86
Phụ lục 6. Dữ liệu đầu vào cho các biến phục vụ phân tích hồi quy tuyến tính đa
biến và hồi quy khơng gian………………………………………………………...86
Lý lịch trích ngang ..................................................................................................89


viii

DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1. Biểu đồ hộp thể hiện sự phân bố giá trị nhiệt độ bề mặt của các loại bề mặt
vật liệu trong nghiên cứu tại Đại học California

8

Hình 1.2. Biểu đồ hộp thể hiện sự phân bố giá trị nhiệt độ không khí xung quanh các
loại bề mặt vật liệu trong nghiên cứu tại Đại học California

9

Hình 1.3. Bản đồ lớp phủ mặt đất vùng Ismailia Governorate


12

Hình 1.4. Bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt vùng Ismailia Governorate

13

Hình 1.5. Bản đồ phân bố khơng gian đơ thị TP.HCM qua các năm

14

Hình 1.6. Bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt TP.HCM qua các năm

15

Hình 2.1. Phạm vi nghiên cứu: thành phố Đà Lạt, giai đoạn 1996 – 2014

19

Hình 2.2. Sơ đồ tóm tắt quy trình nghiên cứu

22

Hình 2.3. Quy trình phân loại ảnh viễn thám

24

Hình 2.4. Quang phổ điện từ

28


Hình 2.5. Quy trình ước tính nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh

30

Hình 2.6. Mơ tả thuật tốn Post-classification phát hiện biến động

34

Hình 2.7. Quy trình phát hiện biến động các loại lớp phủ mặt đất thực hiện bằng thuật
tốn Post-classification Comparison

35

Hình 2.8. Sơ đồ xây dựng mơ hình hồi quy tuyến tính đa biến

37

Hình 2.9. Thống kê khơng gian mơ tả

39

Hình 2.10. Mơ hình hồi quy khơng gian

40

Hình 3.1. Ảnh vệ tinh tổ hợp màu giả TP. Đà Lạt

43

Hình 3.2. Các ảnh chuyển đổi phục vụ cơng tác phân loại ảnh


44

Hình 3.3. Phương pháp phân loại gần đúng nhất (Maximum Likelihood Classifier –
MLC)

45

Hình 3.4. Thuật tốn lọc Majority

46

Hình 3.5. Bản đồ lớp phủ mặt đất thành phố Đà Lạt vào thời điểm tháng 3 các năm
1996, 2003, 2010, 2014

48

Hình 3.6. Biểu đồ xu thế biến động diện tích các loại lớp phủ mặt đất thành phố Đà
Lạt, giai đoạn 1996 – 2014

49


ix

Hình 3.7. Bản đồ nhiệt độ bề mặt thành phố Đà Lạt vào thời điểm tháng 3 các năm
1996, 2003, 2010, 2014

51


Hình 3.8. Biểu đồ xu hướng biến động nhiệt độ bề mặt của các loại lớp phủ thành phố
Đà Lạt, giai đoạn 1996 – 2014

52

Hình 3.9. Tâm trung bình trọng số và ellipse độ lệch chuẩn thể hiện trên bản đồ lớp
phủ mặt đất thành phố Đà Lạt

53

Hình 3.10. Bản đồ biến động lớp phủ mặt đất và bản đồ biến động nhiệt độ bề mặt
thành phố Đà Lạt, giai đoạn 1996 – 2014

55

Hình 3.11. Xu hướng nhiệt độ bề mặt trung bình thành phố Đà Lạt (1996 – 2014) 56
Hình 3.12. Bản đồ biến động lớp phủ mặt đất và bản đồ biến động nhiệt độ bề mặt
thành phố Đà Lạt, giai đoạn 1996 – 2003

57

Hình 3.13. Bản đồ biến động lớp phủ mặt đất và bản đồ biến động nhiệt độ bề mặt
thành phố Đà Lạt, giai đoạn 2003 – 2010

59

Hình 3.14. Bản đồ biến động lớp phủ mặt đất và bản đồ biến động nhiệt độ bề mặt
thành phố Đà Lạt, giai đoạn 2010 – 2014

60


Hình 3.15. Sơ đồ xây dựng mơ hình hồi quy tuyến tính đa biến

61

Hình 3.16. Biểu đồ phân tích phần dư để kiểm tra các giả định trong phân tích hồi
quy tuyến tính đa biến

63

Hình 3.17. Bản đồ phần dư chuẩn hóa (Standardized Residual) và kết quả phân tích
tự tương quan khơng gian của phần dư chuẩn hóa

65

Hình 3.18. Các tờ bản đồ phân bố giá trị hệ số hồi quy của các biến tiên lượng: DDT,
DTR, TP, MN

66

Hình 3.19. Bản đồ thể hiện kết quả tiên lượng nhiệt độ bề mặt bằng mơ hình hồi quy
khơng gian với số liệu đầu vào của mơ hình được cung cấp từ Bảng 3.12

69

Hình 3.20. Bản đồ thể hiện kết quả tiên lượng nhiệt độ bề mặt bằng mơ hình hồi quy
khơng gian với số liệu đầu vào của mơ hình được cung cấp từ Bảng 3.13

71



x

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Nhiệt độ bề mặt trung bình của các loại bề mặt vật liệu trong nghiên cứu
tại Đại học California

8

Bảng 1.2. Nhiệt độ khơng khí trung bình xung quanh các loại bề mặt vật liệu trong
nghiên cứu tại Đại học California

9

Bảng 2.1. Dữ liệu ảnh viễn thám sử dụng trong đề tài

20

Bảng 2.2. Giá trị Lmin, Lmax, QCALmin, QCALmax của ảnh Landsat 5,7,8

31

Bảng 2.3. Giá trị K1, K2 của ảnh Landsat 5,7,8

31

Bảng 3.1. Hệ thống phân loại lớp phủ mặt đất sử dụng trong luận văn

42


Bảng 3.2. Kết quả đánh giá độ chính xác phân loại ảnh thành phố Đà Lạt vào thời
điểm tháng 3 các năm 1996, 2003, 2010, 2014

47

Bảng 3.3. Diện tích và phần trăm diện tích các loại lớp phủ mặt đất thành phố Đà Lạt
tại bốn thời điểm: năm 1996, 2003, 2010, 2014

48

Bảng 3.4. Giá trị NDVI và độ phát xạ (ɛ) của vùng đất trống hoàn toàn (bare soil) và
của vùng phủ đầy thực vật (full vegetation) thành phố Đà Lạt tại thời điểm tháng 3
các năm 1996, 2003, 2010, 2014 được ước tính từ dữ liệu viễn thám

50

Bảng 3.5. Nhiệt độ bề mặt trung bình của các loại lớp phủ thành phố Đà Lạt

52

Bảng 3.6. Ma trận biến động diện tích lớp phủ Đà Lạt, giai đoạn 1996 – 2014

54

Bảng 3.7. Nhiệt độ bề mặt trung bình của thành phố Đà Lạt ước tính từ dữ liệu ảnh
viễn thám

56


Bảng 3.8. Ma trận biến động diện tích lớp phủ Đà Lạt, giai đoạn 1996 – 2003

57

Bảng 3.9. Ma trận biến động diện tích lớp phủ Đà Lạt, giai đoạn 2003 – 2010

58

Bảng 3.10. Ma trận biến động diện tích lớp phủ Đà Lạt, giai đoạn 2010 – 2014

60

Bảng 3.11. Kết quả phân tích mơ hình hồi quy tuyến tính đa biến sử dụng phương
pháp BMA

62


xi

Bảng 3.12. Phần trăm diện tích các loại lớp phủ bố trí cho các đơn vị hành chính đưa
vào mơ hình hồi quy khơng gian để tiên lượng nhiệt độ bề mặt thành phố Đà Lạt (1)68
Bảng 3.13. Phần trăm diện tích các loại lớp phủ bố trí cho các đơn vị hành chính đưa
vào mơ hình hồi quy khơng gian để tiên lượng nhiệt độ bề mặt thành phố Đà Lạt (2)70


1

MỞ ĐẦU


Dẫn nhập
Nhiệt độ bề mặt là một trong các chỉ số vật lý về quá trình cân bằng năng lượng
trên bề mặt trái đất, nó là yếu tố cơ bản quyết định các hiện tượng nhiệt trên mặt đất.
Nhiệt độ bề mặt là kết quả tổng hợp của sự tương tác và trao đổi năng lượng giữa khí
quyển và mặt đất, là sự cân bằng giữa bức xạ nhiệt mặt trời với thơng lượng khí
quyển, mặt đất trên quy mơ khu vực và tồn cầu [34].
So với nhiệt độ khơng khí thì nhiệt độ bề mặt phản ứng nhanh hơn với những
biến đổi năng lượng cục bộ. Nhiệt độ bề mặt thể hiện trạng thái của nhiệt động lực từ
việc cân bằng năng lượng giữa khí quyển, bề mặt đất và lớp bên dưới bề mặt đất. Vì
vậy, nhiệt độ bề mặt là thông số quan trọng trong nghiên cứu hiện trạng mơi trường.
Do đó, việc đo lường liên tục nhiệt độ bề mặt ở quy mơ tồn cầu và cấp vùng là việc
cần làm để theo dõi các đặc trưng của biến đổi khí hậu [34].
Bức xạ mặt trời truyền xuống bề mặt trái đất sẽ tương tác với bề mặt đất, do đó,
năng lượng nhiệt trao đổi giữa khí quyển và bề mặt đất sẽ chịu ảnh hưởng bởi đặc
trưng của các loại bề mặt đất. Bề mặt đất được che phủ bởi các loại lớp phủ mặt đất,
đó có thể là thực vật, hạ tầng đơ thị, nước, đất trống … vì thế, khi nghiên cứu biến
động của nhiệt độ bề mặt thì cần thiết phải nghiên cứu mối tương quan giữa nhiệt độ
bề mặt và các loại lớp phủ mặt đất.
Viễn thám là kỹ thuật quan trọng trong việc thu thập dữ liệu trên bề mặt trái đất.
Những dữ liệu thu thập từ viễn thám sẽ được xử lý, phân tích để tách các thơng tin
hữu ích về đối tượng nghiên cứu mà nhà phân tích quan tâm. Ảnh đa phổ và ảnh đa
thời gian thu nhận từ kỹ thuật viễn thám kết hợp với cơng cụ phân tích khơng gian
của hệ thống thơng tin địa lý (GIS) được dùng để đánh giá và giám sát sự biến động
của các điều kiện môi trường (nhiệt độ bề mặt), các nguồn tài nguyên trên mặt đất
(các loại lớp phủ mặt đất) trong một khoảng thời gian xác định [48].


2

Lý do chọn đề tài

Đà Lạt là một thành phố du lịch, nghỉ dưỡng nổi tiếng, có đa dạng sinh học cao
và là nơi sản xuất nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao hàng đầu của cả nước nhờ
vào lợi thế về địa hình, thổ nhưỡng, khơng khí trong lành, khí hậu điều hịa, mát mẻ
quanh năm.
Tuy nhiên, trong tiến trình xây dựng và phát triển thành phố, Đà Lạt cũng đang
đứng trước những thách thức của biến đổi khí hậu. Theo ghi nhận của Trung tâm Khí
tượng – Thủy văn tỉnh Lâm Đồng từ năm 2003 đến năm 2012, nhiệt độ trung bình
năm của thành phố Đà Lạt tăng giảm khá thất thường và chênh lệch giữa nhiệt độ
thấp nhất và cao nhất bình quân đạt từ 120C đến 150C (những năm trước đây chỉ từ
80C đến 100C). Trong mười năm (2003 – 2012) nhiệt độ khơng khí trung bình năm
của Đà Lạt tăng 0,60C. Nhiệt độ khơng khí và nhiệt độ bề mặt tăng gây ra những tác
động xấu đối với môi trường, cảnh quan, kinh tế, xã hội và cuộc sống của người dân,
cụ thể như:
 Gia tăng các hiện tượng thời tiết cực đoan: mưa lớn bất thường gây lụt,
sạt lở đất, sương muối, mưa đá…
 Tạo môi trường thuận lợi cho việc xuất hiện và lây truyền dịch bệnh
gây hại cho cây trồng và con người;
 Ảnh hưởng xấu đến đa dạng sinh học;
 Tăng nồng độ các chất ô nhiễm gây hại đến môi trường sống và sức
khỏe con người;
 Nhiệt độ tăng cao ở nội ô so với khu vực ngoại ô xung quanh hình thành
hiện tượng đảo nhiệt đơ thị dẫn đến tăng tần suất sóng nhiệt ở đơ thị ảnh
hưởng đến môi trường đô thị, sức khỏe và năng suất lao động của con
người…
Nghiên cứu này hướng đến việc giám sát biến động của nhiệt độ bề mặt, đánh
giá tác động của các loại lớp phủ mặt đất đến nhiệt độ bề mặt từ đó giúp các nhà quản
lý có giải pháp hạn chế sự gia tăng nhiệt độ bề mặt nhằm giảm thiểu những tác động
tiêu cực đến môi trường, cảnh quan, kinh tế, xã hội và cuộc sống của người dân tại
thành phố Đà Lạt.



3

Phân loại lớp phủ mặt đất bằng phương pháp khảo sát, đo vẽ thành lập bản đồ
là công việc rất mất thời gian và tốn kém, chưa kể đến việc thành lập bản đồ lớp phủ
ở các thời điểm trong quá khứ để theo dõi quá trình biến động là cơng việc rất khó
thực hiện bằng phương pháp truyền thống.
Ngồi ra, giá trị nhiệt độ bề mặt quan trắc tại trạm khí tượng chỉ phản ánh được
giá trị nhiệt độ bề mặt cục bộ tại vị trí quan trắc, vấn đề đặt ra là cần phải đo đạc liên
tục nhiệt độ bề mặt trên một phạm vi rộng lớn để theo dõi đầy đủ hơn các đặc trưng
của biến đổi môi trường.
Nghiên cứu này ứng dụng kỹ thuật viễn thám và GIS để cải thiện các hạn chế
trên. Dữ liệu viễn thám với các ảnh vệ tinh đa thời gian với độ phân giải cao là cơng
cụ hữu ích để giám sát quá trình biến động lớp phủ mặt đất và nhiệt độ bề mặt từ quá
khứ cho đến hiện tại. Tích hợp viễn thám – GIS tăng khả năng cập nhật dữ liệu, đồng
thời việc tận dụng khả năng phân tích, thống kê khơng gian trong GIS là giải pháp
hiệu quả, tiết kiệm được thời gian và chi phí để đánh giá tác động của các loại lớp
phủ mặt đất đối với sự biến động của nhiệt độ bề mặt, từ đó giúp các nhà quản lý có
được các thơng tin kịp thời và chính xác để ra quyết định.
Nghiên cứu này đi tìm câu trả lời cho các câu hỏi sau:
 Các loại lớp phủ mặt đất tại Đà Lạt biến động như thế nào trong thời
gian nghiên cứu?
 Nhiệt độ bề mặt của Đà Lạt biến động như thế nào trong thời gian
nghiên cứu?
 Có tồn tại mối tương quan giữa biến động nhiệt độ bề mặt và biến động
diện tích phân bố của các loại lớp phủ mặt đất tại Đà Lạt khơng?
 Có thể tiên lượng được mức độ biến động của nhiệt độ bề mặt dựa vào
phân bố của các loại lớp phủ mặt đất tại Đà Lạt không?



4

Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chung là ứng dụng viễn thám và GIS để phân tích và đánh giá biến
động nhiệt độ bề mặt thành phố Đà Lạt.
Mục tiêu cụ thể:
 Hệ thống hóa cơ sở khoa học trong việc ứng dụng viễn thám và GIS để
thành lập bản đồ biến động lớp phủ mặt đất và bản đồ biến động nhiệt
độ bề mặt.
 Phân tích, đánh giá biến động các loại lớp phủ mặt đất và biến động
nhiệt độ bề mặt thành phố Đà Lạt, giai đoạn 1996 – 2014.
 Xây dựng mơ hình tương quan giữa diện tích phân bố các loại lớp phủ
mặt đất và nhiệt độ bề mặt của thành phố Đà Lạt.
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học của đề tài
Đề tài này tập trung vào việc kết hợp những điểm mạnh của hai công nghệ viễn
thám và GIS để ước tính giá trị độ phát xạ bề mặt phù hợp với khu vực cao nguyên
Đà Lạt, từ đó cải thiện độ chính xác ước tính nhiệt độ bề mặt thành phố Đà Lạt.
Đề tài xây dựng mơ hình hồi quy tuyến tính đa biến kết hợp với mơ hình hồi
quy khơng gian để liên kết dữ liệu thống kê với dữ liệu về không gian nhằm làm cho
kết quả phân tích được trực quan hơn và cung cấp nhiều thông tin hơn về mối tương
quan giữa các loại lớp phủ mặt đất và nhiệt độ bề mặt thành phố Đà Lạt.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Thông qua nghiên cứu, các thông tin về sự biến động của các loại lớp phủ mặt
đất và nhiệt độ bề mặt được thể hiện bằng các tờ bản đồ, biểu đồ, bảng biểu, và mơ
hình hồi quy giúp nhà quản lý có được cái nhìn sâu sắc về thực trạng và xu hướng
của mối quan hệ giữa các loại lớp phủ mặt đất và nhiệt độ bề mặt thành phố Đà Lạt.
Từ đó, họ có thể đề ra những giải pháp hợp lý để hạn chế sự gia tăng nhiệt độ bề mặt
nhằm giảm thiểu suy giảm đa dạng sinh học, tiến đến ổn định môi trường tự nhiên,
cải thiện môi trường sống và đời sống dân sinh của thành phố Đà Lạt.



5

Cấu trúc của luận văn
Nội dung của luận văn gồm:
 Phần mở đầu giới thiệu về vấn đề nghiên cứu, lý do chọn đề tài và phát
biểu các mục tiêu mà nghiên cứu cần đạt được cũng như ý nghĩa khoa
học và thực tiễn của đề tài.
 Chương 1 phân tích, đánh giá các cơng trình nghiên cứu của các tác giả
trong và ngồi nước có liên quan mật thiết đến đề tài, từ đó nêu lên những
vấn đề cịn tồn tại mà đề tài cần tập trung, nghiên cứu giải quyết.
 Chương 2 giới thiệu đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và dữ
liệu sử dụng trong nghiên cứu. Chương này sẽ hệ thống hóa cơ sở khoa
học và mô tả phương pháp ứng dụng viễn thám và GIS để đánh giá biến
động lớp phủ mặt đất và biến động nhiệt độ bề mặt thành phố Đà Lạt.
 Chương 3 tập trung phân tích, đánh giá các kết quả thực nghiệm thu được
từ nghiên cứu.
 Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị.


6

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS

1.1. Tích hợp viễn thám và GIS
1.1.1. Giới thiệu
Viễn thám là một trong những công nghệ thu thập dữ liệu quan trọng và hiệu
quả nhất cho việc cập nhật và xây dựng cơ sở dữ liệu GIS. Việc phối hợp hiệu quả

dữ liệu cũng như các chức năng sẵn có của viễn thám và GIS giúp khai thác tối đa
việc cung cấp thông tin phục vụ công tác lập kế hoạch, chính sách và chiến lược phát
triển kinh tế xã hội. Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng từ 75 – 90% thơng tin gắn kết
với vị trí khơng gian được sử dụng mỗi ngày bởi hầu hết các cơ quan. Nếu các thơng
tin địa lý này đảm bảo đầy đủ, chính xác và được cập nhật thường xuyên sẽ cho phép
tiết kiệm đáng kể kinh phí và thời gian cung cấp các thông tin cần thiết trong việc
thực thi các kế hoạch phát triển kinh tế xã hội [48].
1.1.2. Sự cần thiết tích hợp viễn thám và GIS
Tích hợp viễn thám và GIS nhằm tạo ra công nghệ hiệu quả kết hợp chiến lược
xử lý ảnh cũng như dòng luân chuyển thơng tin và chuyển đổi dữ liệu trong q trình
xử lý và giải đoán ảnh, để tạo ra dữ liệu địa lý cần thiết cho GIS đáp ứng nhu cầu đa
dạng trong công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường.
Theo các chuyên gia GIS, công nghệ viễn thám là một trong những công nghệ
thu thập dữ liệu không gian quan trọng và hiệu quả nhất. Sự tích hợp dữ liệu viễn
thám vào GIS dựa trên dữ liệu raster rất khả thi vì cấu trúc dữ liệu giống nhau, hơn
nữa có sự tương đồng giữa kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám và GIS đó là trong thực tế
cả hai kỹ thuật này đều xử lý dữ liệu khơng gian và có thể thành lập bản đồ số, đặc
biệt là có cùng một số thuật tốn xử lý dữ liệu không gian số. Khi ảnh vệ tinh đã được
xử lý và cung cấp dưới dạng tương thích với GIS, những chức năng phân tích của
GIS có thể áp dụng hiệu quả đối với dữ liệu viễn thám. Do đó, cơng nghệ tích hợp
viễn thám và GIS không chỉ sử dụng ảnh viễn thám phối hợp với dữ liệu vector của


7

GIS, phối hợp các chức năng sẵn có của hai cơng nghệ mà cịn có thể khai thác tối đa
dữ liệu thuộc tính nhằm đạt hiệu quả cao nhất trong việc cung cấp thông tin đáp ứng
nhanh các nhu cầu trong quy hoạch, quản lý tài nguyên thiên nhiên, giám sát môi
trường, theo dõi biến động lớp phủ mặt đất…
Độ chính xác của dữ liệu GIS khi được cung cấp bởi công nghệ viễn thám phụ

thuộc chủ yếu vào độ phân giải không gian và thời gian của ảnh vệ tinh được sử dụng.
Công việc theo dõi biến động lớp phủ mặt đất thường được tiến hành từ dữ liệu viễn
thám đa thời gian và nhà phân tích ảnh viễn thám sẽ khơng có đủ thơng tin để trả lời
câu hỏi vì sao lại có những biến động như vậy? Tốc độ biến động như thế nào?... Để
trả lời được câu hỏi đó, GIS là cơng cụ hữu hiệu cho phép chồng lớp bản đồ và phân
tích biến động đáp ứng yêu cầu người sử dụng.
Nhìn chung, việc sử dụng cơng nghệ tích hợp dữ liệu viễn thám và GIS cho
phép tạo nên một giải pháp cập nhật, xây dựng dữ liệu và phân tích biến động hiệu
quả và đóng vai trò khá quan trọng cho việc hỗ trợ ra quyết định nhanh, trên phạm vi
rộng với chi phí thấp so với biện pháp truyền thống [48].
1.2. Viễn thám và GIS trong đánh giá tác động của biến động lớp phủ mặt đất
đến nhiệt độ bề mặt
Một cơng trình nghiên cứu tại Đại học California đã so sánh giá trị nhiệt độ bề
mặt và nhiệt độ khơng khí xung quanh trên các loại bề mặt đất khác nhau [17]. Mục
tiêu của nghiên cứu này là tìm sự khác biệt giữa nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ khơng
khí xung quanh giữa các loại bề mặt khác nhau từ đó đánh giá tác động của các loại
bề mặt vật liệu đến nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ khơng khí trong môi trường đô thị.
Tác giả sử dụng nhiệt kế chuyên dụng để đo đạc nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ
khơng khí tại các điểm mẫu ứng với các loại vật liệu bề mặt khác nhau trên khu vực
nghiên cứu. Sau đó, tác giả dùng phần mềm R để phân tích thống kê sử dụng phương
pháp ANOVA nhằm mơ tả sự khác biệt về nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ khơng khí
xung quanh giữa các loại vật liệu khác nhau. Kết quả nghiên cứu cho thấy, về nhiệt
độ bề mặt, khơng có sự khác biệt nhiều giữa các loại bề mặt vật liệu nhân tạo nhưng
có sự khác biệt đáng kể giữa loại bề mặt vật liệu nhân tạo và bề mặt tự nhiên (Bảng
1.1 và Hình 1.1).


8

Bảng 1.1. Nhiệt độ bề mặt trung bình của các loại bề mặt

vật liệu trong nghiên cứu tại Đại học California [17]
Material

Average surface temperature (0C)

Asphalt

40,045

Concrete

33,623

Grass

25,372

Pavers

37,279

Hình 1.1. Biểu đồ hộp thể hiện sự phân bố giá trị nhiệt độ bề mặt của các loại bề mặt
vật liệu trong nghiên cứu tại Đại học California [17]
Trong khi đó, Bảng 1.2 và Hình 1.2 cho thấy khơng có sự khác biệt đáng kể về
nhiệt độ khơng khí xung quanh đối với tất cả các loại bề mặt vật liệu quan tâm trong
nghiên cứu này.


9


Bảng 1.2. Nhiệt độ khơng khí trung bình xung quanh các loại
bề mặt vật liệu trong nghiên cứu tại Đại học California [17]
Material

Average air temperature (0C)

Asphalt

24,925

Concrete

24,833

Grass

24,671

Pavers

24,254

Hình 1.2. Biểu đồ hộp thể hiện sự phân bố giá trị nhiệt độ không khí xung quanh các
loại bề mặt vật liệu trong nghiên cứu tại Đại học California [17]
Nghiên cứu tại Đại học California cho thấy, so với nhiệt độ khơng khí thì nhiệt
độ bề mặt nhạy cảm hơn với những thay đổi trên bề mặt đất, do đó, nó là một tham
số quan trọng trong nghiên cứu mơi trường, khí hậu. Tuy nhiên, nghiên cứu này dùng
nhiệt kế điện tử nên chỉ đo nhiệt độ bề mặt cục bộ cho từng điểm rải rác trên mặt đất
nên phương pháp này không đáp ứng được yêu cầu theo dõi các đặc trưng của biến
đổi mơi trường, khí hậu, là cơng tác địi hỏi phải đo lường liên tục nhiệt độ bề mặt ở

quy mơ tồn cầu và cấp vùng. Để giải quyết vấn đề này, hiện nay, dữ liệu viễn thám
hồng ngoại nhiệt thu nhận từ các bộ cảm biến đặt trên các vật mang (Landsat


10

TM/ETM+/OLI&TIRS, ASTER, MODIS, AVHRR…) đang được sử dụng rộng rãi
cho việc đo lường nhiệt độ bề mặt trên một phạm vi rộng lớn.
Dữ liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt đa thời gian đo lường nhiệt độ bề mặt ở các
thời điểm khác nhau tại cùng một khu vực được sử dụng để đánh giá biến động của
nhiệt độ bề mặt, từ đó giám sát hiệu quả hiện tượng nóng lên tồn cầu hay biến đổi
khí hậu. Ngồi ra, dữ liệu viễn thám đa thời gian cịn cung cấp thơng tin về sự biến
động của các loại lớp phủ mặt đất hỗ trợ cho việc nghiên cứu mối tương quan giữa
biến động nhiệt độ bề mặt và biến động các loại lớp phủ mặt đất.
Dựa vào các ưu điểm trên, tại Việt Nam và trên thế giới đã có một số nghiên
cứu liên quan đến việc ứng dụng viễn thám và GIS để đánh giá biến động nhiệt độ bề
mặt dưới sự tác động của quá trình biến đổi các loại lớp phủ mặt đất.
1.2.1. Ước tính nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt
Phần lớn năng lượng bề mặt đất được thu nhận từ các bộ cảm biến nhiệt trong
dải bước sóng 10,5 – 12,5μm và được dùng để ước tính nhiệt độ bề mặt. Nghiên cứu
tại thành phố Đà Nẵng [46] ước tính nhiệt độ bề mặt bằng thuật tốn chuẩn hóa độ
phát xạ (NOR – thuật toán được phát triển đầu tiên bởi Gillespie năm 1985 đưa ra giả
thiết tồn tại một hằng số phát xạ chung cho các pixel tại một vị trí đã xác định trước
tương ứng với tất cả kênh nhiệt) sử dụng kênh nhiệt của ảnh Landsat 7 ETM+.
Một nghiên cứu khác tại Thái Lan sử dụng ảnh vệ tinh Landsat TM thu nhận tại
các thời điểm 05/3/1994, 18/12/2000, 25/4/2009 để ước tính nhiệt độ bề mặt phục vụ
cho việc giám sát sự biến đổi khí hậu đơ thị tại khu vực Bangkok [27]. Bên cạnh đó
là nghiên cứu về tác động của khu vực công nghiệp lên nhiệt độ bề mặt thành phố
Jubail (Ả rập Saudi) ước tính nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh Landsat ETM+ với giả
định độ phát xạ bằng 1 [13].

Các nghiên cứu trên sử dụng dữ liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt để ước tính
nhiệt độ bề mặt nhưng bỏ qua giá trị độ phát xạ bề mặt (chỉ dừng ở việc tính toán
nhiệt độ sáng) hoặc xem độ phát xạ là hằng số cho toàn tờ ảnh. Song, bức xạ nhiệt
phát ra từ các bề mặt phụ thuộc vào hai yếu tố: nhiệt độ bề mặt và độ phát xạ bề mặt
(độ phát xạ bề mặt là đại lượng đặc trưng cho khả năng hấp thụ nhiệt và tỏa nhiệt của


11

một bề mặt, nó phụ thuộc vào màu sắc, độ gồ ghề, đặc trưng vật lý của bề mặt) [43].
Do đó, để tăng độ chính xác ước tính nhiệt độ bề mặt, cần phải tính tốn giá trị độ
phát xạ bề mặt để hiệu chỉnh vào giá trị nhiệt độ sáng. Độ phát xạ bề mặt có thể được
xác định dựa vào đo đạc thực nghiệm hoặc được ước tính bằng nhiều phương pháp:
Phương pháp chuẩn hóa độ phát xạ (NOR - Gillespie, 1985), phương pháp chỉ số
quang phổ nhiệt (Thermal spectral indices – Becker, Li, 1990), phương pháp tỉ số phổ
(Spectral ratio method – Watson, 1992), phương pháp ước tính dựa trên kết quả phân
loại (Classification – based estimation – Snyder et al., 1998), phương pháp NDVI
(Valor, Cassells, 1996) [43]…
Phương pháp NDVI (NDVI – chỉ số thực vật) (Valor, Cassells, 1996) được sử
dụng khá rộng rãi vì sử dụng hai kênh khả kiến và cận hồng ngoại nên có những ưu
điểm: (1) cho tờ ảnh độ phát xạ có độ phân giải cao hơn so với việc tính tốn từ kênh
nhiệt; (2) ứng dụng cho mọi bộ cảm biến, không phụ thuộc vào số lượng kênh nhiệt.
Các nghiên cứu của Yogesh Kant và S. Badarinath (1998) [21], Jose A. Sobriano và
cộng sự (2008) [35], Juan Jimenez - Munoz và cộng sự (2006) [28], El-Sayed Ewis
Omran (2012) [30], S. M. Bhamare, Vikram Agone (2011) [5] sử dụng phương pháp
NDVI để ước tính giá trị độ phát xạ bề mặt.
Trong phương pháp NDVI, vấn đề quan trọng là xác định ngưỡng giá trị NDVI
của vùng phủ đầy thực vật (full vegetation) và của vùng đất trống hồn tồn (bare
soil). Đã có nghiên cứu ước tính giá trị NDVI của vùng phủ đầy thực vật và của vùng
đất trống hoàn toàn dựa trên bộ dữ liệu phổ phản xạ của đất thu thập trên toàn cầu từ

các nguồn: (1) LARS của Đại học Purdue, (2) ICRAF Soil Laboratory, (3) ASTER
Spectral Library. Kết quả nghiên cứu cho thấy giá trị NDVI cho vùng phủ đầy thực
vật được chọn bằng giá trị NDVI lớn nhất (NDVImax) trên khu vực nghiên cứu, trong
khi đó, giá trị NDVI cho vùng đất trống hoàn toàn gần bằng 1/5 giá trị NDVI trung
bình của đất trống trên khu vực nghiên cứu [26].
Những nghiên cứu tại Bangkok, Jubail, Ismailia, châu thổ sơng Châu Giang…
tính tốn độ phát xạ cho khu vực đồng bằng, nơi có lượng bức xạ mặt trời và đặc
trưng bề mặt (như độ ẩm, thực phủ, đất trống, đồi trọc, mặt không thấm, mặt nước…)
khác với vùng cao nguyên nên không thể sử dụng kết quả ước tính độ phát xạ của


12

những nghiên cứu này áp dụng cho vùng cao nguyên. Do đó, luận văn này sẽ tính
tốn độ phát xạ phù hợp với khu vực cao nguyên như Đà Lạt.
1.2.2. Tương quan giữa biến động nhiệt độ bề mặt và biến động các loại lớp
phủ mặt đất
Một số nghiên cứu trong và ngoài nước đã chỉ ra sự tương quan giữa biến động
nhiệt độ bề mặt và biến động của các loại lớp phủ mặt đất. Kết quả nghiên cứu về
biến động nhiệt độ bề mặt và biến động của các loại lớp phủ mặt đất tại khu vực
Ismailia Governorate, Ai Cập [30] trong giai đoạn từ năm 1984 – 2011 (với các ảnh
Landsat thu nhận tại các thời điểm 20/9/1984, 04/12/2006, 10/4/2011) cho thấy, ở tất
cả các năm, đất đơ thị/đất xây dựng, đất trống có nhiệt độ bề mặt cao nhất (năm 1984:
nhiệt độ bề mặt trung bình của đất trống là 37,30C (độ lệch chuẩn là ±0,70C), của đất
đô thị là 37,60C (±0,60C); năm 2011, nhiệt độ bề mặt trung bình của đất trống là
42,80C (±0,80C), của đất đơ thị là 43,90C (±0,60C)). Ngồi ra, nhiệt độ bề mặt có xu
hướng gia tăng cùng với sự mở rộng không gian đô thị thay thế các loại lớp phủ thực
vật (từ năm 1984 đến năm 2011, nhiệt độ bề mặt trung bình tăng 3,30C, diện tích đất
đơ thị tăng 68%) (Hình 1.3 và Hình 1.4).


Hình 1.3. Bản đồ lớp phủ mặt đất vùng Ismailia Governorate [30]