LỜI CẢM ƠN
.
Đồ án được hoàn thành dưới sự giúp đỡ của các thầy cô giáo Trường
Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, đặc biệt là các thầy giáo hướng
dẫn PGS.TS. Trịnh Lê Hùng – Học viện Kỹ thuật Quân sự. Tôi xin được bày
tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo, đã luôn động viên và tận tình
hướng dẫn tôi hoàn thành đồ án này.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Trắc địa – Bản đồ
Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã giảng dạy trong quá
trình học tập, cũng như quá trình thực hiện đồ án.

Hà Nội, ngày 17 tháng 12 năm 2016
Tác giả

LÊ HUY HIỆP

i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.................................................................................................i
MỤC LỤC.......................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................xi
DANH MỤC CÁC HÌNH
.........................................................................................................................
xii
MỞ ĐẦU.........................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài...............................................................................1
2. Mục tiêu của đề tài......................................................................................3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...............................................................3
4. Nội dung của đề tài......................................................................................3

2004, 2011. Ngoài ra, còn có các vụ cháy ở quy mô tương đối lớn như ở mỏ
than Nông Sơn, tỉnh Quảng Nam (năm 2011 đến nay), mỏ than Khánh Hòa,
tỉnh Thái Nguyên (từ năm 2007 đến nay). Nhìn chung, các vụ cháy ngầm ở
mỏ than đã gây ra những thiệt hại nghiêm trọng đối với sản xuất cũng như
môi trường sống của người dân [3,4]..............................................................8
.........................................................................................................................8
.........................................................................................................................9
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước trong ứng dụng phương pháp
viễn thám nhiệt phát hiện cháy ngầm..............................................................9
a) Ngoài nước.................................................................................................9
Phương pháp viễn thám nhiệt với những ưu điểm nổi bật so với các phương
pháp nghiên cứu truyền thống đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong
chiết tách thông tin nhiệt độ bề mặt phục vụ phát hiện và cảnh báo sớm cháy
ngầm. Cracknell A.P., Mansor S.B. (1992), Prakash và nnk (1999), Prasun

iii


K.G. (2005) đã sử dụng tư liệu ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat 5 TM nhằm phát
hiện và tính toán diện tích cháy ở các vỉa than Jharia, Ranigaji (Ấn Độ).......9
Voight và nnk (2004) sử dụng tư liệu viễn thám nhằm phát hiện và theo dõi
cháy ngầm trên cơ sở quan sát những thay đổi trên bề mặt khu vực khai thác
mỏ....................................................................................................................9
.........................................................................................................................10
Misha và nnk (2012, 2014) sử dụng tư liệu viễn thám đánh giá hàm lượng bụi
trong không khí khu vực cháy mỏ than Jharia (Ấn Độ) cũng như xác định mối
quan hệ giữa giữa nhiệt độ tính toán từ ảnh vệ tinh và nhiệt độ bề mặt. Từ các
nghiên cứu này, Misha chứng minh rằng hàm lượng bụi trong không khí ở
phía đông vỉa than Jharia cao hơn rất nhiều so với phía tây do ảnh hưởng của
cháy mỏ...........................................................................................................10

vực mỏ than Nông Sơn, tỉnh Quảng Nam cũng như xây dựng phần mềm chiết
tách thông tin nhiệt độ bề mặt từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat [1-6]................12
.........................................................................................................................13
1.3 Tổng quan về công nghệ viễn thám và khả năng ứng dụng trong nghiên
cứu tài nguyên, môi trường.............................................................................13
1.3.1 Lịch sử ra đời và phát triển của công nghệ viễn thám............................13
1.3.2 Các thành phần chính của một hệ thống viễn thám................................18
1.3.3 Nguyên lý hoạt động của viễn thám.......................................................20
1.4 Một số tư liệu ảnh hồng ngoại nhiệt cơ bản..............................................22
1.5 Ứng dụng của viễn thám hồng ngoại nhiệt................................................26
Kết luận chương 1...........................................................................................30
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT TÁCH THÔNG
TIN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT TỪ TƯ LIỆU ẢNH HỒNG NGOẠI NHIỆT
LANDSAT.......................................................................................................31
2.1 Nguyên lý bức xạ nhiệt của vật chất.........................................................31
2.2 Các định luật bức xạ điện từ......................................................................34

v


2.3 Nguyên lý hoạt động của viễn thám hồng ngoại nhiệt..............................37
2.4 Phương pháp chiết tách thông tin nhiệt độ bề mặt từ tư liệu ảnh hồng
ngoại nhiệt Landsat.........................................................................................38
2.4.1 Phương pháp chuyển đổi giá trị số nguyên của ảnh về giá trị bức xạ điện
từ......................................................................................................................38
2.4.2 Phương pháp xác định nhiệt độ độ chói (brightness temperature).........40
2.4.3 Phương pháp xác định độ phát xạ bề mặt...............................................42
2.4.4 Phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt..................................................46
2.5 Quy trình xác định nhiệt độ bề mặt từ tư liệu ảnh hồng ngoại nhiệt
LANDSAT.......................................................................................................47

Bảng 2.3 Giá trị K1, K2 đối với ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat......................42
Bảng 2.4 Độ phát xạ của một số đối tượng.....................................................43
Bảng 2.5 Độ phát xạ bề mặt của một số loại hình lớp phủ..............................44
Bảng 2.7 So sánh kết quả xác định độ phát xạ bề mặt....................................46
Bảng 3.1. Tư liệu ảnh Landsat sử dụng trong nghiên cứu...............................56
Bảng 3.2 Diện tích cháy ngầm ở mỏ than Khánh Hòa xác định từ tư liệu ảnh
Landsat............................................................................................................65

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH
STT

Tên hình

Trang

Hình 1.1 Hình ảnh các vụ cháy mỏ than ở Trung Quốc....................................5
Hình 1.2 Cháy ngầm ở vỉa than Jharia (Ấn Độ)................................................6
Hình 1.3 Cháy ngầm ở Penasylvavia (Mỹ).......................................................7
Hình 1.4 Cháy ngầm ở mỏ than Nông Sơn (tỉnh Quảng Nam).........................8
Hình 1.5 Cháy ở bãi thải mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên....................9
Hình 1.6 Kết quả xác định cháy ngầm ở mỏ than Jharia (Ấn Độ) trong nghiên
cứu của Misha (2014)......................................................................................10
Hình 1.7 Biến động các khu vực cháy than ở Nội Mông, Trung Quốc sử dụng
tư liệu ảnh Landsat (Hongyuan Huo, 2014)....................................................11
Hình 1.8 Kết quả xác định nhiệt độ bề mặt khu vực mỏ than Nông Sơn
(Quảng Nam) [6].............................................................................................13
Hình 1.9 Ảnh viễn thám đầu tiên trên thế giới vùng Bievre, Pháp.................15

Hình 3.12 Cháy ngầm ở mỏ than Khánh Hòa ngày 08 – 11 – 2007................66
Hình 3.13 Cháy ngầm ở mỏ than Khánh Hòa ngày 08 – 11 – 2010................67
Hình 3.14 Cháy ngầm ở mỏ than Khánh Hòa ngày 19 – 01 - 2014................68

ix


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nằm ở khu vực Đông Nam Á, Việt Nam là một quốc gia giàu tiềm năng
khoáng sản, trong đó than đá có trữ lượng lớn và chất lượng tốt. Theo ước tính,
nước ta có khoảng 10 tỷ tấn than antraxit và hơn 200 tỷ tấn than nâu ở khu vực
đồng bằng Bắc Bộ. Cũng như hầu hết các nước sản xuất than lớn như Mỹ, Nam
Phi, Venezuela, Trung Quốc, Ấn Độ…, Việt Nam cũng đối mặt với nguy cơ
cháy mỏ trong khai thác than. Nguyên nhân cơ bản dẫn đến hiện tượng tự cháy
của than là quá trình oxy hóa của than sinh ra nhiệt, nhiệt độ tích tụ lại qua thời
gian dài không có nơi thoát ra sẽ gia tăng đến nhiệt độ tới hạn và sinh ra hiện
tượng tự cháy trong than. Một số vụ cháy ngầm mỏ than đã được ghi nhận ở
Việt Nam trong thời gian gần đây như ở các mỏ Nông Sơn (tỉnh Quảng Nam)
trong các năm 2009, 2011, 2014, Quảng Ninh (2009), mỏ than Khánh Hòa
(Thái Nguyên) từ năm 2007 đến nay… Đây là hiện tượng vô cùng nguy hiểm
trong khai thác hầm lò, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống của
người dân, gây sụt lún bề mặt và phá hủy các công trình xây dựng.
Từ những năm đầu thập kỷ 60 thế kỷ XX, công nghệ viễn thám với
những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống đã
được sử dụng hiệu quả trong phát hiện và quan trắc hiện tượng cháy ngầm.
Cracknell A.P., Mansor S.B. (1992), Prakash et al. (1999), Prasun K.G. (2005)
đã sử dụng tư liệu ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat 5 TM nhằm phát hiện và tính
toán diện tích cháy ở các vỉa than Jharia, Ranigaji (Ấn Độ). Voight et al
(2004) sử dụng tư liệu viễn thám nhằm phát hiện và theo dõi cháy ngầm trên

nhiệt mới chỉ dừng lại ở xác định nhiệt độ bề mặt khu vực đô thị, giám sát hạn
hán…mà như chưa có nghiên cứu nào trong phát hiện và giám sát cháy ngầm
khu vực khai thác mỏ. Chính vì các lý do trên, tôi chọn đề tài: “Ứng dụng
phương pháp viễn thám nhiệt trong phát hiện và giám sát cháy ngầm khu
vực khai thác mỏ ”.

2


2. Mục tiêu của đề tài
• Nghiên cứu phương pháp chiết tách thông tin nhiệt độ bề mặt từ tư liệu
ảnh viễn thám hồng ngoại nhiệt phục vụ công tác phát hiện và giám sát
cháy ngầm;
• Thực nghiệm phát hiện cháy ngầm khu vực mỏ than Khánh Hòa, tỉnh
Thái Nguyên từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu trong đồ án là hiện tượng cháy ngầm. Phạm vi
nghiên cứu là khu vực mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên – nơi diễn ra
tình trạng cháy than từ năm 2007 đến nay.
4. Nội dung của đề tài
• Nghiên cứu các công trình, tài liệu trong và ngoài nước liên quan đến
đề tài;
• Nghiên cứu, phân tích khả năng ứng dụng tư liệu viễn thám nói chung,
tư liệu ảnh hồng ngoại nhiệt nói riêng trong nghiên cứu tài nguyên thiên
nhiên và giám sát môi trường;
• Nghiên cứu phương pháp xử lý ảnh vệ tinh Landsat nhằm chiết tách
thông tin nhiệt độ bề mặt;
• Xây dựng quy trình chiết tách thông tin nhiệt độ bề mặt từ tư liệu ảnh
vệ tinh Landsat;
• Thực nghiệm phát hiện cháy ngầm khu vực mỏ than Khánh Hòa, tỉnh

Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, nội dung
chính của đề tài được trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Cơ sở khoa học phương pháp chiết tách thông tin nhiệt độ
bề mặt từ tư liệu ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat
Chương 3: Thực nghiệm xác định nhiệt độ bề mặt và phát hiện cháy
ngầm khu vực mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Tổng quan về cháy ngầm
Cháy ngầm mỏ than là một hiện tượng nguy hiểm, ảnh hưởng
nghiêm trọng đến môi trường sống do việc giải phóng khí độc, gây cháy
rừng và sụt lún bề mặt các cơ sở hạ tầng. Hầu hết các loại than đều có khả
năng tự cháy trong những điều kiện môi trường nhất định (cháy nội sinh).
Nguyên nhân cơ bản dẫn đến hiện tượng tự cháy của than là quá trình oxy hóa
của than sinh ra nhiệt, nhiệt độ tích tụ lại qua thời gian dài không có nơi thoát
ra sẽ gia tăng đến nhiệt độ tới hạn và sinh ra hiện tượng tự cháy trong than.
Cháy ngầm xảy ra ở hầu như tất cả các quốc gia có nền công nghiệp khai thác
than như Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Nam Phi, Venezuela, Việt Nam....
Trên thế giới, cháy mỏ than được ghi nhận ở nhiều quốc gia. Có những
vụ cháy có diện tích hàng trăm km2 và kéo dài nhiều năm, thậm chí hàng chục
năm mà vẫn không xử lý dứt điểm được. Có thể kể đến một số vụ cháy mỏ
than lớn trên thế giới như:
Cháy ngầm ở các mỏ than thuộc Trung Quốc: diện tích cháy khoảng
5000 km2, kéo dài từ đông sang tây với chiều dài 750 km. Hàng trăm thợ mỏ
thiệt mạng mỗi năm do các vụ cháy, nổ trong khai thác than gây ra ở Trung
Quốc.

dài 30 dặm.

7


Ở Việt Nam, hiện tượng cháy ngầm đã được ghi nhận ở nhiều mỏ than
với quy mô khác nhau. Một số vụ cháy nhỏ được ghi nhận ở các mỏ than Hà
Lầm, Thống Nhất, Khe Chuối, Hồng Thái (tỉnh Quảng Ninh) trong các năm
2004, 2011. Ngoài ra, còn có các vụ cháy ở quy mô tương đối lớn như ở mỏ
than Nông Sơn, tỉnh Quảng Nam (năm 2011 đến nay), mỏ than Khánh Hòa,
tỉnh Thái Nguyên (từ năm 2007 đến nay). Nhìn chung, các vụ cháy ngầm ở
mỏ than đã gây ra những thiệt hại nghiêm trọng đối với sản xuất cũng như
môi trường sống của người dân [3,4].

Hình 1.4 Cháy ngầm ở mỏ than Nông Sơn (tỉnh Quảng Nam)

8


Hình 1.5 Cháy ở bãi thải mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước trong ứng dụng phương
pháp viễn thám nhiệt phát hiện cháy ngầm
a) Ngoài nước
Phương pháp viễn thám nhiệt với những ưu điểm nổi bật so với các
phương pháp nghiên cứu truyền thống đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới
trong chiết tách thông tin nhiệt độ bề mặt phục vụ phát hiện và cảnh báo sớm
cháy ngầm. Cracknell A.P., Mansor S.B. (1992), Prakash và nnk (1999),
Prasun K.G. (2005) đã sử dụng tư liệu ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat 5 TM
nhằm phát hiện và tính toán diện tích cháy ở các vỉa than Jharia, Ranigaji (Ấn
Độ).

nghiên cứu giám sát hiện tượng cháy ngầm ở mỏ than.
b) Trong nước
Viễn thám hồng ngoại nhiệt là một trong ba loại cơ bản của công nghệ
viễn thám. So với viễn thám quang học, viễn thám siêu cao tần, viễn thám
hồng ngoại nhiệt còn ít được ứng dụng ở Việt Nam. Hầu hết các nghiên cứu
11


ứng dụng phương pháp viễn thám nhiệt mới dừng lại ở xác định nhiệt độ bề
mặt phục vụ công tác giám sát hiện tượng đảo nhiệt đô thị (urban heat island)
hoặc đánh giá độ ẩm đất. Có thể kể đến các nghiên cứu của Trần Thị Vân
(2011), Trịnh Lê Hùng (2014), Bùi Quang Thành (2015)...đã sử dụng tư liệu
ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat, Aster trong khảo sát sự phân bố nhiệt độ bề
mặt khu vực đô thị cũng như đánh giá mối quan hệ giữa nhiệt độ và lớp phủ.
Trần Hùng (2004), Trịnh Lê Hùng (2015) đã sử dụng tư liệu viễn thám nhiệt
trong phân vùng mức độ hạn hán khu vực Tây Nguyên và Nam Bộ trên cơ sở
chỉ số khô hạn nhiệt độ – thực vật TVDI (Temperature Vegetation Dryness
Index).
Cho đến nay ở Việt Nam mới chỉ có một số nghiên cứu mang tính thử
nghiệm của Trịnh Lê Hùng (2014, 2015) trong xác định nhiệt độ bề mặt khu
vực khai thác than. Trong các nghiên cứu này, tác giả đã thử nghiệm cho khu
vực mỏ than Nông Sơn, tỉnh Quảng Nam cũng như xây dựng phần mềm chiết
tách thông tin nhiệt độ bề mặt từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat [1-6].

12


Hình 1.8 Kết quả xác định nhiệt độ bề mặt khu vực mỏ than Nông Sơn
(Quảng Nam) [6]
1.3 Tổng quan về công nghệ viễn thám và khả năng ứng dụng trong

Một số tài liệu nghiên cứu cho rằng, lịch sử phát triển của viễn thám có
thể tính từ thế kỷ thứ 4 trước công nguyên khi Aristote sáng tạo ra camera –
obscura (obscura - dark). Mặc dù những thành tựu đáng kể trong lý thuyết
quang học đã đạt được từ thế kỷ 17 cũng như thấu kính quang học đã xuất
hiện sớm hơn, bước phát triển thực sự đầu tiên của khoa học viễn thám là vào
giữa thế kỷ 19. Vào năm 1839, Louis Daguerre đã đưa ra báo cáo công trình
nghiên cứu về hóa ảnh photo, khởi đầu cho ngành chụp ảnh. Bức ảnh đầu tiên
chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu được thực hiện vào năm 1858 bởi nhà
nhiếp ảnh người Pháp Gaspard Tournachon. Ông đã sử dụng khinh khí cầu ở

14


độ cao 80 m để chụp ảnh vùng Bievre nước Pháp 9 (hình 1.9). Từ sự kiện này,
năm 1858 được coi là năm khai sinh của công nghệ viễn thám. Năm 1860,
James Black đã chụp ảnh vùng Boston, Mỹ cũng từ khinh khí cầu. Năm 1863,
Mackwell đã tìm ra các định luật về sóng điện từ, kết quả này là cơ sở vật lý
cơ bản của lý thuyết viễn thám.

Hình 1.9 Ảnh viễn thám đầu tiên trên thế giới vùng Bievre, Pháp
Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu
của công nghệ chụp ảnh từ máy bay phục vụ mục đích quân sự. Công nghệ
chụp ảnh từ máy bay đã kéo theo sự ra đời của rất nhiều thiết kế về các loại
máy chụp ảnh, là cơ sở hình thành một ngành khoa học mới: đo đạc ảnh
(photogrametry). Năm 1929 ởLiên Xô cũ đã thành lập Viện nghiên cứu ảnh
hàng không Leningrad, viện đã sử dụng ảnh hàng không để nghiên cứu địa
mạo, thực vật, thổ nhưỡng.
Trong thời gian chiến tranh thế giới thứ 2 đã chứng kiến những bước
nhảy thực sự trong công nghệ viễn thám. Ngành khoa học đo đạc ảnh đã phát
triển lên tầm cao mới: tạo ra các dụng cụ cảm biến bước sóng hồng ngoại, các

trạm Salyut. Sản phẩm thu được là các ảnh chụp trên các thiết bị quét đa phổ
độ phân giải cao, như MSU-E (trên Meteor - priroda). Các bức ảnh chụp từ vệ

16