ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
------o0o------

TRẦN THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỔI NHIỆT ĐỘ
ĐÔ THỊ DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA QUÁ
TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA BẰNG PHƯƠNG
PHÁP VIỄN THÁM VÀ GIS, TRƯỜNG HỢP
KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2011


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
------o0o------

TRẦN THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỔI NHIỆT ĐỘ
ĐÔ THỊ DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA QUÁ TRÌNH
ĐÔ THỊ HÓA BẰNG PHƯƠNG PHÁP
VIỄN THÁM VÀ GIS, TRƯỜNG HỢP
KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CHUYÊN NGÀNH: SỬ DỤNG VÀ BẢO VỆ TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG
MÃ SỐ: 62.85.15.01


Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2011


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận án

Trần Thị Vân


ii

LỜI CẢM ƠN
Tác giả chân thành bày tỏ lòng biết ơn:
- PGS.TS. Hoàng Thái Lan, PGS.TS. Lê Văn
Trung, những người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo
điều kiện cho tôi hoàn thành luận án.
- Ban lãnh đạo Viện Môi trường và Tài nguyên thuộc
ĐHQG-HCM, đã quan tâm, động viên, đóng góp ý
kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong suốt
thời gian làm luận án.
- Các Thầy, Cô thuộc những lớp đàn anh đi trước, đã có những
ý kiến trao đổi bổ ích và giúp đỡ nghiên cứu sinh.
- Các tổ chức tạp chí, nhà xuất bản, các thầy phản biện đã kòp
thời giúp đỡ nghiên cứu sinh trong việc đăng tải các công

triển công nghệ viễn thám kết hợp hệ thông tin địa lý trong hỗ trợ các quan trắc khí
tượng và môi trường; Làm rõ được mối quan hệ giữa quá trình phát triển đô thị và
sự thay đổi nhiệt độ, tạo nền tảng trong các nghiên cứu về biến đổi khí hậu. Luận án
triển khai ứng dụng cho thành phố Hồ Chí Minh là một trong những thành phố của
Việt Nam có tốc độ đô thị hóa mạnh. Về thực tiễn, phương pháp này có thể ứng
dụng rộng rãi cho các khu vực đô thị tương tự. Kết quả của luận án là gợi ý giúp
cho quy hoạch phát triển đô thị bền vững khi xem xét đến các đặc trưng của môi
trường khí hậu, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu làm cho môi trường ngày
càng nóng bức như hiện nay.
Các luận điểm khoa học và thực tiễn mới được giải quyết trong luận án gồm:
(1) Đề xuất đối tượng vật lý “Mặt không thấm” để phân tích, đánh giá và làm rõ đặc
điểm địa mạo của môi trường đô thị ở thành phố Hồ Chí Minh, làm cơ sở nhận
dạng trong xử lý ảnh số về đối tượng đô thị; (2) Xây dựng quy trình xác định độ
phát xạ và nhiệt độ bề mặt đất cho các loại dữ liệu viễn thám thụ động, không phụ
thuộc vào số lượng kênh phổ hồng ngoại nhiệt và có tính đến hiệu chỉnh giá trị từ
độ phát xạ bề mặt đối tượng; (3) Nghiên cứu chi tiết và xác định hình thái “Ốc đảo
nhiệt đô thị bề mặt” ở thành phố Hồ Chí Minh là kết quả tác động của quá trình đô
thị hóa lên nhiệt độ bề mặt đô thị; (4) Xây dựng được mối tương quan giữa các yếu
tố bề mặt chỉ thị quá trình đô thị hóa và sự biến đổi nhiệt độ nhằm để hiểu rõ hơn
các nguyên nhân gây nên sự gia tăng nhiệt độ đô thị, góp phần hỗ trợ cho công tác
quản lý hiệu quả môi trường đô thị, phục vụ phát triển đô thị bền vững.


iv

ABSTRACT

L

and surface temperature is an important measurement in research on

temperature variations in order to better understand the cause of the urban temperature
increase, contribute to the effective management of urban environment for sustainable
urban development.


v

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT............................................ ix
DANH MỤC BẢNG.................................................................................................. x
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. xii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

Tính cần thiết của luận án............................................................................ 1
Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................... 3
Giới hạn và phạm vi nghiên cứu ................................................................ 4
Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................. 4
Luận điểm bảo vệ ........................................................................................ 5
Tính mới của luận án .................................................................................. 5
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn..................................................................... 6

CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................. 32
2.1. Cơ sở khoa học liên quan đến nghiên cứu đô thị............................................ 32
2.1.1. MKT như là yếu tố chỉ thị đô thị và môi trường ................................. 32
2.1.2. Các đặc trưng vật lý của Mặt không thấm ........................................... 33
2.2. Cơ sở khoa học liên quan nhiệt độ bề mặt đô thị............................................ 36
2.2.1. Nhiệt độ và độ phát xạ trong năng lượng bức xạ trái đất .................... 36
2.2.2. Đảo nhiệt đô thị và biến đổi khí hậu ................................................... 40
2.3. Cơ sở viễn thám và thông tin đối tượng ........................................................ 43
2.3.1. Thông tin đối tượng từ dữ liệu viễn thám trong dải phổ phản xạ........ 44
2.3.2. Bức xạ bề mặt đối tượng trong viễn thám hồng ngoại nhiệt ............... 46
2.3.3. Các hiệu ứng đối với thông tin viễn thám .......................................... 50
2.3.4. Đánh giá biến động từ ảnh vệ tinh ....................................................... 53
2.4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 55
2.4.1. Phương pháp viễn thám ....................................................................... 56
2.4.1.1. Viễn thám đa phổ nhận dạng đối tượng đô thị ....................... 56
2.4.1.2. Viễn thám đa phổ xác định độ phát xạ ................................... 57
2.4.1.3. Viễn thám nhiệt khôi phục giá trị nhiệt độ bề mặt ................. 60
2.4.1.4. Các phép hiệu chỉnh cần thiết trong tiền xử lý dữ liệu
viễn thám................................................................................. 61
2.4.1.5. Tỷ số kênh và các chỉ số thực vật ........................................... 65
2.4.1.6. Tiêu chí chọn lựa dữ liệu viễn thám ....................................... 65
2.4.2. Phương pháp GIS................................................................................. 68
2.4.3. Phương pháp thống kê ........................................................................ 69
Chương 3
BIẾN ĐỘNG ĐẤT ĐÔ THỊ VÀ NHIỆT ĐỘ TPHCM GIAI ĐOẠN
1989-2006................................................................................................................. 72
3.1. Bản đồ phân bố không gian đô thị TPHCM ................................................... 72
3.1.1. Tiền xử lý ảnh ...................................................................................... 73
3.1.2. Phân loại có kiểm định......................................................................... 75
3.1.3. Kết hợp và chiết xuất thông tin............................................................ 78

3.4.4. Biến động đảo nhiệt đô thị bề mặt ..................................................... 111
3.4.5. Hình thái các dạng đảo nhiệt đô thị bề mặt ....................................... 115
Biến đổi nhiệt độ không khí từ số đo trạm khí tượng mặt đất ...................... 116
3.5.1. Biến thiên nhiệt độ không khí trung bình năm ................................. 116
3.5.2. Biến thiên nhiệt độ không khí trong chu kỳ ngày đêm...................... 117
3.5.3. Đảo nhiệt đô thị trung bình năm ....................................................... 121
3.5.4. Đảo nhiệt đô thị trung bình tháng ...................................................... 122
Sự khác biệt phân bố không gian nhiệt độ không khí từ trạm khí tượng
và nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu viễn thám........................................................ 124

Chương 4
XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐÔ THỊ VÀ QUAN HỆ GIỮA ĐÔ THỊ
HÓA VÀ NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT Ở TPHCM ..................................................... 128
4.1. Xu hướng phát triển đô thị ở TPHCM .......................................................... 128
4.2. Tương quan giữa biến đổi nhiệt độ bề mặt và các yếu tố đô thị hóa ở
TPHCM ........................................................................................................ 130
4.2.1. Cơ sở chọn biến tham gia .................................................................. 130
4.2.2. Hồi quy tuyến tính đơn ...................................................................... 132
4.2.3. Hồi quy tuyến tính bội ....................................................................... 135
4.3. Phát triển đô thị bền vững trong sự cân bằng môi trường sinh thái qua
việc kiểm soát hợp lý các Mặt không thấm và hiệu ứng đảo nhiệt............... 147
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 150
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ............................... 154


viii

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 156
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 168
Phụ lục 1. Đặc điểm chính của vệ tinh và bộ cảm biến Landsat TM,

LSE
MKT
MLC
NEM
ND
NDVI
NOR
obs
OLS
PD
SST
SUHI
SWT
TES
TISI
TOA
TPHCM
Ts
UBND
UHI
WA
WLS

Mô hình hàm phân bố phản xạ hai hướng (Bi-directional
Reflection Distribution Function)
Công nghiệp – Tiểu thủ công nghiệp
Trường nhìn tức thời (Instantaneous Field of View)
Biến số phần trăm diện tích mặt không thấm
Điểm khống chế mặt đất (Ground Control Points)
Độ phát xạ bề mặt (Land surface emissivity)

1.

Ảnh vệ tinh được sử dụng trong luận án......................................................... 7

1.1.

Phân khu đô thị và đô thị hóa ở TPHCM...................................................... 24

2.1.

Các đặc trưng cơ bản của một số ảnh vệ tinh đối với việc quyết định
chọn lựa dữ liệu cho khu vực nghiên cứu ..................................................... 67

3.1.

Độ phân tách mẫu ảnh năm 1989, 1998, 2002 và 2006................................ 77

3.2.

Ma trận sai số độ chính xác phân loại cho ảnh các năm 1989, 1998,
2002 và 2006 ................................................................................................. 81

3.3.

Diện tích đất đô thị tại TPHCM qua các năm theo kết quả phân tích
ảnh viễn thám ................................................................................................ 83

3.4.

Mức độ tăng diện tích đất đô thị mỗi năm theo từng giai đoạn của

3.13. Thống kê nhiệt độ bề mặt trung bình và độ chênh lệch từng
quận/huyện qua ảnh vệ tinh tại 4 thời điểm ............................................... 106


xi

3.14. Nhiệt độ bề mặt của các kiểu bề mặt đất khác nhau trên ảnh vệ tinh tại
4 thời điểm .................................................................................................. 109
3.15. Thống kê diện tích các SUHI của 2 năm 1989 và 2006 ............................. 112
3.16. Diện tích SUHI và MKT khu vực 19 quận qua 4 năm ảnh......................... 112
3.17. Nhiệt độ không khí trung bình trạm Tân Sơn Hòa qua từng giai đoạn....... 118
3.18. Số đo nhiệt độ không khí trung bình năm giai đoạn 1989-2006................. 118
3.19. Độ lệch nhiệt độ không khí trung bình giữa trạm Tân Sơn Hòa và các
trạm lân cận giai đoạn 1989-2006............................................................... 119
3.20. Nhiệt độ không khí quan trắc theo từng giờ trong chu kỳ ngày đêm
ngày 25-12-2006 ......................................................................................... 121
3.21. Nhiệt độ không khí trung bình tháng giữa 2 trạm đại diện khu đô thị
và nông thôn của giai đoạn 1989-2006 (oC) ............................................... 124
4.1.

Hiện trạng và dự kiến phân bố dân cư TP.HCM ........................................ 129

4.2.

Tập số liệu mẫu để tính tương quan và hồi quy.......................................... 131

4.3.

Các hệ số tương quan đơn giữa nhiệt độ bề mặt và các biến chỉ thị sự
đô thị hóa..................................................................................................... 134

1.1.

Vị trí khu vực nghiên cứu và cao độ địa hình Thành phố Hồ Chí Minh ...... 20

1.2.

Phân khu đô thị TPHCM............................................................................... 25

2.1.

Phân bố phổ năng lượng điện từ phát xạ từ vật đen ở nhiệt độ khác
nhau .............................................................................................................. 37

2.2.

Mặt cắt đứng của một UHI điển hình .......................................................... 40

2.3.

Thay đổi nhiệt độ bức xạ của các vật liệu bề mặt khác nhau trong chu
kỳ ngày đêm ................................................................................................. 41

2.4.

Các kênh được sử dụng trong viễn thám ...................................................... 44

2.5.

Phản xạ phổ của đất, nước và thực vật.......................................................... 45



3.4.

Sơ đồ tính biến động không gian đô thị ........................................................ 82

3.5.

Biểu đồ tăng trưởng diện tích không gian đô thị giai đoạn 1989-2006 ........ 84

3.6.

Bản đồ biến động không gian đô thị ............................................................. 87

3.7.

Sơ đồ quy trình thực hiện tính toán độ phát xạ bề mặt ................................. 90

3.8.

Sơ đồ quy trình thực hiện tính toán nhiệt độ bề mặt..................................... 91

3.9.

Vị trí 10 điểm quan trắc nhiệt độ bề mặt ...................................................... 95

3.10. Ảnh AST08 ngày 25-12-2006....................................................................... 95


xiii



xiv

3.28. Chênh lệch nhiệt độ không khí và bề mặt theo thời gian trong ngày
quan trắc 07-04-2007 .................................................................................. 127
3.29. Nội suy không gian nhiệt độ không khí đo vào lúc 10g ngày 25-122006............................................................................................................. 127
3.30. Nhiệt độ bề mặt trích xuất từ ảnh vệ tinh Aster chụp lúc 10g ngày 2512-2006 ....................................................................................................... 127
4.1.

Đồ thị điểm và hình dạng tương quan tuyến tính giữa biến Ts và các
biến IS, ND, WA, PD................................................................................. 133


MỞ ĐẦU

1. Tính cần thiết của luận án
2. Mục tiêu nghiên cứu
3. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
5. Luận điểm bảo vệ
6. Tính mới của luận án
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
8. Cơ sở dữ liệu thực hiện luận án

9. Khối lượng và cấu trúc luận án


-1-

MỞ ĐẦU

tốt của cân bằng năng lượng ở bề mặt Trái Đất. Cân bằng bức xạ này phụ thuộc vào


-2-

các đặc trưng truyền dẫn trong dải hồng ngoại của hơi nước, mây, các phần tử khác,
ví dụ các khí nhà kính như CO2… Nồng độ của các khí này đang tăng lên và đóng
góp vào việc thay đổi khí hậu. Từ đó, yêu cầu quan trắc nhiệt độ bề mặt ở quy mô
toàn cầu và cấp vùng là không thể thiếu được để nghiên cứu đặc trưng của biến đổi
khí hậu.
Cho đến nay, các nghiên cứu ở Việt Nam chỉ dựa vào những dữ liệu quan
trắc thời tiết tại các trạm khí tượng riêng biệt. Trung bình mỗi tỉnh thành chỉ có từ 1
đến vài ba trạm, từ đó nội suy từ các vùng lân cận. Số liệu đo từ nguồn này có thuận
lợi là độ phân giải thời gian cao (đo hàng ngày và đo nhiều đợt trong ngày) và dữ
liệu được ghi chép trong thời gian dài, nhưng độ phân giải không gian thì thô do số
điểm đo ít và thưa thớt, không thể cung cấp khả năng dữ liệu chi tiết để có thể nhận
dạng các khu vực tăng cường nhiệt bề mặt giữa các trạm quan sát trong một khu
vực đô thị. Vì vậy, chúng không đảm bảo tính chính xác cho toàn vùng. Trong khi
đó, mặc dù độ phân giải thời gian thấp và ghi chép lịch sử ngắn hơn, dữ liệu viễn
thám có khả năng cung cấp các phương tiện để thu được các quan sát đồng nhất và
thường xuyên về phản xạ và phát xạ của bức xạ từ mặt đất ở tỷ lệ từ vĩ mô đến vi
mô với độ phân giải không gian từ thấp đến cao. Ngoài ra, viễn thám nhiệt có khả
năng thực hiện phân tích chi tiết sự thay đổi nhiệt độ bề mặt cho một vùng mà
không bị hạn chế bởi số điểm đo như trạm khí tượng. Phương pháp vễn thám dựa
trên năng lượng sẽ là lý tưởng khi kết hợp với số liệu quan trắc thời tiết tại các trạm
khí tượng để thiết lập mối liên kết giữa nhiệt độ bề mặt và sự thay đổi hiện trạng bề
mặt đất. Bên cạnh đó sự hình thành đảo nhiệt trên các bề mặt đô thị (SUHI) cũng sẽ
được phát hiện và có khả năng định lượng tốt hơn.
Thành phố Hồ Chí Minh (TPHCM) là một trung tâm chính trị, kinh tế, văn
hóa, khoa học kỹ thuật, giao thông và du lịch của cả nước. Trước năm 1945,

thông tin địa lý (GIS) mang tính cấp thiết cao và đề tài đã đặt ra cách tiếp cận áp
dụng vào trường hợp cụ thể cho khu vực đô thị TPHCM.
2.

Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu biến đổi nhiệt độ bề mặt đô thị trên cơ sở ứng dụng viễn thám và

GIS, qua đó phân tích và thiết lập mối tương quan giữa sự thay đổi nhiệt độ và quá
trình đô thị hóa cho khu vực TPHCM, góp phần phục vụ quy hoạch phát triển đô thị
bền vững.


-4-

3.

Giới hạn phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu này được giới hạn trong phạm vi sau đây:
-

Đối tượng nghiên cứu: là nhiệt độ bề mặt đối tượng trích xuất từ ảnh vệ tinh

tài nguyên có kênh nhiệt với độ phân giải trung bình từ 60m đến 120m. Vấn đề về
đô thị được đề cập đến nhằm làm rõ ảnh hưởng của quá trình đô thị hóa đến biến
đổi nhiệt độ thể hiện qua sự hình thành các “đảo nhiệt đô thị”.
-

Không gian nghiên cứu: khu vực nghiên cứu là thành phố Hồ Chí Minh và

khu vực nội thành, nơi đây có đặc điểm địa hình và cảnh quan phong phú, bên cạnh


-

Phân tích biến động nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu ảnh viễn thám và nhiệt độ
không khí của các trạm đo khí tượng trong và ngoài vùng lân cận TPHCM,
qua đó đánh giá ưu thế của viễn thám so với quan trắc khí tượng.


-5-

-

Phân tích sự hình thành “đảo nhiệt đô thị” dưới tác động của đô thị hóa ở
TPHCM

-

Xác lập các mối quan hệ giữa quá trình đô thị hóa và biến động nhiệt độ cho
khu vực TPHCM, qua đó đề xuất một số định hướng xây dựng và quản lý đô
thị theo mục tiêu phát triển bền vững.

5.

Luận điểm bảo vệ
-

Giá trị bức xạ từ ảnh vệ tinh được cảm nhận bởi bộ cảm biến nhiệt, bằng
phương pháp xử lý ảnh số viễn thám, cho phép xác định nhiệt độ bề mặt đối
tượng trên mặt đất có hiệu chỉnh độ phát xạ đối tượng với các thuật toán phù
hợp nhằm chính xác hóa kết quả tính toán.



-6-

bộ cảm biến) và tăng cường độ phân giải ảnh kết quả, thích hợp ứng dụng
cho nghiên cứu ở mức độ đô thị.
-

Hiệu ứng “Đảo nhiệt đô thị” ở TPHCM lần đầu tiên đã được nghiên cứu chi
tiết, định lượng, qua đó cũng đã xác định được phân bố không gian cũng như
hình thái mặt cắt đứng của đảo nhiệt đô thị ở TPHCM.

-

Kết quả quan trọng và nổi bật nhất của luận án là đã xây dựng được mối
tương quan giữa các yếu tố bề mặt chỉ thị quá trình đô thị hóa và sự biến đổi
nhiệt độ nhằm để hiểu rõ hơn các nguyên nhân gây nên sự gia tăng nhiệt độ
đô thị, góp phần hỗ trợ cho công tác quản lý hiệu quả môi trường đô thị.

7.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:
-

Hệ thống hóa cơ sở khoa học và phương pháp luận trong nghiên cứu phân bố
trường nhiệt độ và tác động của diễn biến phát triển đô thị đến sự thay đổi
nhiệt độ, góp phần minh chứng ưu thế của công tác nghiên cứu ứng dụng
công nghệ vũ trụ.


Từ các kết quả nghiên cứu của luận án, phương pháp thực hiện có tính khả
thi cao và có thể ứng dụng rộng rãi cho các khu vực đô thị tương tự trong
điều kiện của Việt Nam, đồng thời có thể mở rộng ứng dụng trong các lĩnh
vực khác như nông nghiệp, lâm nghiệp, môi trường khi có xem xét đến điều
kiện lớp phủ bề mặt và tình trạng nhiệt của đối tượng.

8.

Cơ sở dữ liệu thực hiện luận án
Dữ liệu viễn thám được sử dụng cho luận án gồm 4 năm ảnh chính là năm

1989, 1998, 2002 và 2006 được dùng phân tích cho toàn thành phố, bên cạnh đó, để
xem xét sự biến động ở khu vực nội thành 19 quận (được xếp loại vào đô thị)
nghiên cứu sinh đã sử dụng thêm 6 năm ảnh vệ tinh 1993, 1994, 1999, 2001, 2003
và 2004 (Bảng 1).
Bảng 1. Ảnh vệ tinh được sử dụng trong luận án
Bộ cảm biến

Ngày thu nhận

Mức xử lý

Khu vực áp dụng

TM

16-01-1989

1G


1G

19 quận nội thành

ETM+

11-12-2001

1G

19 quận nội thành

ETM+

13-02-2002

1G

19 quận nội thành + Toàn TPHCM

ETM+

16-02-2003

1G

19 quận nội thành

ETM+