Nghiên cứu quan trắc nhiệt độ bề mặt biển đông bằng ảnh viễn thám và gis

NESDIS NOAA’s National Environmental Satellite Data and Imformation Service – Cơ quan thông tin dữ liệu vệ tinh môi trường NOAA STT Sea suface temprature – Nhiệt độ bề mặt nước biển, đượ

MỤC LỤC

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu quan trắc nhiệt độ bề mặt biển đông ở Việt

Nam 6

1.1.1 Khái niệm bề mặt nước biển 6

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu quan trắc nhiệt độ bề mặt biển đông trên Thế Giới 17

1.2.1 Dự án giám sát Môi trường biển của Châu Âu 17

1.2.2 Dự án CoastWatch 18

2.1 Nguyên lý viễn thám nhiệt 21

2.2 Hệ thống các vệ tinh viễn thám 22

2.2.1 Vệ tinh quan sát môi trường 23

2.2.2 Thiết bị thu nhận MODIS 27

2.2.3 Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS (theo NASA 2006) 31

2.2.4 Hệ thống vệ tinh NOAA 33

2.2.5 Vệ tinh Orb View-2 và đầu chụp SeaWIFS 34

2.2.6 Thuật toán tính toán nhiệt độ bề mặt nước biển 38

2.2.7 Một số hệ thống xử lý ảnh MODIS 40

2.3 Quy trình xử lý ảnh viễn thám 43

2.3.1 Xử lý ảnh MODIS và SeaWiFS sử dụng phần mềm SeaDAS 5.1 43

2.3.2 Dữ liệu bổ trợ trong quá trình xử lý 45

2.3.3 Một số hệ thống xử lý ảnh MODIS 46

2.3.4 Các kênh phổ MODIS sử dụng 49

3.1 Tổng quan về khu vực nghiên cứu 52

3.1.1 Lich sử đo đạc SST 53

3.2 Dữ liệu sử dụng 54

3.3 Phần mềm ứng dụng 61

3.3.1 Phần mềm ScanEx MODIS Processor 1.7 61

3.3.2 Phần mềm SeaDAS 61

3.4 Kết quả 61

3.4.1 Liên kết giá trị quan trắc và dữ liệu ảnh 61

3.4.2 Lựa chọn thời điểm 62

3.4.3 Kết quả so sánh 62

3.5 Đánh giá, Nhận xét 69

1 Kết luận 70

2 Kiến Nghị 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer – Thiết bị thu nhận

phổ có độ phân giải trung bình, đặt trên vệ tinh TERRA và AQUA

NASA National Aeronautics and Space Administration – Cơ quan hàng

không vũ trụ Mỹ

NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration – Cơ quan nghiên

cứu Khí quyển và Đại dương của Mỹ Vệ tinh NOAA được đặt têntheo cơ quan này

NOAA/A

VHHR

NOAA Advandced Very High Resolution Radiometer – Thiết bị thunhận có độ phân giải cao của vệ tinh NOAA

NESDIS NOAA’s National Environmental Satellite Data and Imformation

Service – Cơ quan thông tin dữ liệu vệ tinh môi trường NOAA

STT Sea suface temprature – Nhiệt độ bề mặt nước biển, được tính toán từ

ảnh vệ tinh thông qua các sóng phản xạ hồng ngoại nhiệt (sóng ngắnhoặc sóng dài) từ bề mặt biển và đại dương STT chỉ cho biết nhiệt độcủa lớp nước trên bề mặt,trong độ dày khoảng 1mm

TRMM Tropical Rainfall Measuring Mission satellite – Vệ tinh phục vụ

nghiên cứu vùng nhiệt đới

SeaWIFS Sea – Viewing Wide – Field – of – View Sensor – Thiết bị thu nhận

có trường nhìn rộng,phục vụ nghiên cứu biển và đại dương

SeaDAS SeaWIFS Data Analysis System - Hệ thống xử lý và phân tích ảnh

SeaWIFS

CZCS Coastal Zone Color Scanner – thiết bị thu nhận phục vụ mục đích

nghiên cứu màu nước biển

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ,BIỂU ĐỒ

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn đồ án của tôi, Thạc

sĩ Lê Minh Sơn, thầy đã tạo mọi điều kiện, tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt đồ án này Sự hiểu biết sâu sắc về khoa học, cũng như kinh nghiệm của thầy là tiền đề giúp tôi đạt được những thành tựu và kinh nghiệm quý báu.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh, chị làm việc tại trung tâm Viễn thám quốc gia đã tận tình giúp đỡ cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu.

Cuối cùng tôi xin cảm ơn bạn bè và gia đình đã luôn bên tôi, cổ vũ và động viên tôi những lúc khó khăn để tôi có thể vuợt qua và hoàn thành tốt đồ án này

Tôi xin chân thành cảm ơn !

LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam là quốc gia ven biển nằm bên bờ Tây của Biển Đông, có địa chínhtrị và địa kinh tế rất quan trọng, với bờ biển dài trên 3.260 km trải dài từ Bắc xuốngNam, đứng thứ 27 trong số 157 quốc gia ven biển, các quốc đảo và các lãnh thổ trênthế giới Chỉ số chiều dài bờ biển trên diện tích đất liền của nước ta là xấcủa cảnước thì 28 tỉnh, thành phố có biển và gần một nửa dân số sinh sống tại các tỉnh,thành ven biển Biển và đại dương tích tụ nhiệt mặt trời và điều tiết sự biến đổi của

nó theo không gian và thời gian, làm điều hòa khí hậu, thời tiết biển và cáp xỉ 0,01(nghĩa là cứ 100 km2 đất liền có 1km bờ biển) Trong 63 tỉnh, thành phố c vùng lụcđịa rộng lớn ven biển Việt Nam là một đất nước nằm ở phía đông của bán đảoĐông Dương, ở gần trung tâm của khu vực Đông Nam Á và có bờ biển trải dài theohình dáng của đất nước với 28 tỉnh thành phố Về kinh tế, đối với Việt Nam, vùngbiển và ven biển Việt Nam nằm án ngữ trên con đường hàng hải và hàng khônghuyết mạch thông thương giữa Ấn Độ Dương và Thái Bình Dương, giữa châu Âu,Trung Cận Đông với Trung Quốc, Nhật Bản và các nước trong khu vực Điều kiện

tự nhiên của bờ biển Việt Nam là tiềm năng to lớn cho ngành giao thông hàng hảiViệt Nam Về quốc phòng, Biển nước ta được ví như mặt tiền, sân trước, cửa ngõquốc gia; biển, đảo, thềm lục địa và đất liền hình thành phên dậu, chiến lũy nhiềulớp, nhiều tầng, bố trí thành tuyến phòng thủ liên hoàn bảo vệ Tổ quốc Lịch sử dântộc đã ghi nhận có tới 2/3 cuộc chiến tranh, kẻ thù đã sử dụng đường biển để tấncông xâm lược nước ta

- Nghị quyết 03 của Bộ Chính trị (khóa VI) tháng 5/1993 đã chỉ rõ “tiến ra biển trở thành một hướng phát triển của loài người”và “ trở thành một nước mạnh

về biển là một mục tiêu chiến lược xuất phát từ yêu cầu về điều kiện khách quan của sự nghiệp xây dựng và bảo vệ tổ quốc Việt Nam”.

- Chỉ thị số 20 của Bộ Chính trị tháng 9/1997 nhấn mạnh: “Vùng biển, hải đảo

và ven biển là địa bàn chiến lược có vị trí quyết định đối với sự phát triển của đất nước, là tiềm năng và thế mạnh quan trọng cho sự nghiệp CNH-HĐH”.

- Nghị quyết đại hội IX của Đảng khẳng định: “phải phát triển tổng hợp kinh

tế biển và ven biển, khai thác lợi thế của các khu vực biển, hải cảng để tạo thành vùng phát triển cao thúc đẩy các vùng kinh tế khác và phải phát triển kinh biển kết hợp với bảo vệ vùng biển”.

- Nghị quyết Trung ương 8 (khóa IX), Nghị quyết đại hội X và mới đây làNghị quyết Trung ương 4 (khóa X) của Đảng về “Chiến lược biển Việt Nam đến

2020” đã xác định mục tiêu tổng quát: “Đến năm 2020, phấn đấu nước ta trở thành quốc gia mạnh về biển, làm giàu từ biển, bảo đảm vững chắc chủ quyền, quyền chủ quyền quốc gia trên biển, đảo góp phần quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa, làm cho đất nước giàu mạnh”

Trong đại dương luôn luôn tồn tại sự chênh lệch nhiệt độ theo các khu vựcriêng biệt Sự chênh lệch này có thể là do sự xâm nhập của các khối nước, quá trìnhvận chuyển nước của các hoàn lưu hay do sự khác biệt của các yếu tố vật lý, dinhdưỡng Nhiệt độ của bề mặt đại dương là một nghiên cứu quan trọng về hệ thốngkhí hậu trái đất, cho dự báo thời tiết, và nghiên cứu hải dương học Mô hìnhcủanhiệt độ mặt biển (SST) cho biết sự phức tạp của dòng bề mặt đại dương, và dịthường SST của đại dương trong việc dự đoán nhiễu loạn khí hậu SST cho biết cácyếu tố như nhiệt độ dòng chảy, độ ẩm, động lực và hiệu ứng nhà kính Vệ tinh viễnthám đã mở ra một kỷ nguyên mới cho lĩnh vực này bằng cách đo hồng ngoại vàcác sóng phát xạ nhiệt từ mặt biển Tuy vậy trong thực tế, trong quá trình truyền dữliệu, các đám mây đã che khuất đi tầm nhìn của bề mặt biển Đặc biệt, mô hình kếtiếp của các vệ tinh NOAA cho độ phân giải rất cao trong việc đo kênh hồng ngoạinhiệt, đã cho phép công tác đo SST một cách dễ dàng hơn trong 2 thập kỷ qua.Chính vì thế, nghiên cứu front nhiệt có thể giúp xác định các điều kiện vật lý khácbiệt của các khu vực nước rộng lớn, nhờ đó có thể xác định ranh giới của các khốinước hay ranh giới của các dòng chảy lớn Khu vực Biển Đông là khu vực có đặctrưng gió mùa: gió mùa Đông Bắc

Vào mùa đông và gió mùa Tây Nam vào mùa hè Trường nhiệt trong BiểnĐông cũng có sự thay đổi theo mùa Nhiệt độ bề mặt nước biển, hay nói cách khác,cường độ bốc hơi của bề mặt nước biển chính là năng lượng, tác động đến đặc điểmkhí hậu toàn cầu nói chung và khu vực Việt Nam nói riêng Nhiệt độ bề mặt nướcbiển đã được các nhà khoa học xem xét đến như một thông số trong nghiên cứu cáchiện tương thời tiết đặc biệt như bão, La Nina, El Nino tuy nhiên những đề tài này

còn ở mức khái quát và chưa ứng dụng vào thực tế Việt Nam Đề tài “Quan trắc nhiệt độ bề mặt biển Đông bằng ảnh hồng ngoại độ phân giải trung bình” bước

đầu cung cấp các dữ liệu nhiệt độ bề mặt mặt biển từ vệ tinh độ phân giải trung bình

và mang tính ứng dụng và khoa học

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nhiệt độ nước biển là trong những thông số thuộc nhóm môi trường và chấtlượng nước biển – hợp phần nước Hợp phần nước, hợp phần trăm tích và hợp phầnsinh vật được quan trắc và phân tích nhằm phát hiện những vấn đề thay đổi môitrường và ô nhiễm, từ đó đưa ra cảnh báo, kiểm soát và ngăn ngừa để bảo vệ môitrường nước biển

Nhiệt độ nước biển được quan trắc trực tiếp tại các trạm quan trắc môi trườngbiển của Việt Nam Các trạm này có nhiệm vụ quan trắc và phân tích môi trườngchất lượng nước biển Trên cơ sở dữ liệu quan trắc định kỳ để xây dựng báo cáo vềmôi trường và chất lượng nước biển hàng năm, và dự báo những xu thế biến độngtrong một khoảng thời gian nhất định Công tác điều tra và quan trắc chủ yếu là sửdụng các tàu nhỏ di chuyển ở vùng ven bờ, thu thập và quan trắc mẫu ở một điểmnhất định và trong khoảng thời gian nhất định của năm Hạn chế của công tác điềutra và quan trắc hiện tại là các điểm quan trắc còn quá thưa thớt so với vùng biểnrộng lớn, hạn chế thứ hai là tần suất quan trắc còn ít Để khắc phục hạn chế này thìcần thiết phải tăng cường số lượng trạm và tăng tần suất quan trắc trong năm, tuynhiên sẽ cần một khoản kinh phí quá lớn, vì vậy cần phải áp dụng các phương phápkhác để có thể cung cấp thông tin thường xuyên với chi phí thấp

Công nghệ viễn thám có rất nhiều ưu thế trong quan trắc và giám sát tài nguyênthiên nhiên và môi trường nói chung Đặc biệt, viễn thám được phát triển và ứng

dụng với các đặc thù riêng của biển và đại dương Với ưu thế cung cấp thông tinthường xuyên và liên tục (có thể 2 lần trong ngày), quan sát trong một vùng rộng lớn,ảnh viễn thám đã được phát triển và ứng dụng ở nhiều nước trong nghiên cứu biển vàđại dương Ở Mỹ, các vệ tinh đã được sử dụng để nghiên cứu và quan trắc môi trường

và chất lượng nước biển từ những năm 1978 Với các ảnh NOAA/AVHRR và CZCSđược ứng dụng từ những năm 1978 đã cung cấp các thông số về nhiệt độ bề mặt nướcbiển cùng các thông số khác trên phạm vi toàn cầu Các thế hệ vệ tinh liên tục đượcphát triển và phương pháp tính toán ngày càng chính xác và đảm bảo cung cấp thôngtin liên tục, hàng ngày với độ tin cậy cao Hiện tại, hình ảnh MODIS có khả năngcung cấp các thông tin liên tục hai lần trong ngày (AQUA và TERRA) gips cho việcnghiên cứu sự thay đổi của các yếu tố trong ngày

Với mục tiêu thử nghiệm ứng dụng ảnh vệ tinh để hỗ trợ công tác quan trắcchất lượng nước bề mặt nước biển, luận văn lựa chọn sử dụng ảnh vệ tinh để tínhtoán nhiệt độ bề mặt nước biển Đây là trong nhiều thông số thuộc nhóm môi trường

và chất lượng nước biển của các trạm có nhiệm vụ quan trắc hàng năm Các thửnghiệm được tiến hành trên ảnh MODIS, thông qua các thuật toán ứng dụng chotính toán thông số nhiệt độ bề mặt đã được các cơ quan nghiên cứu của NASA pháttriển Ngoài ra, thông qua các tập dữ liệu quan trắc thực địa sẵn có, luận văn cũngthử so sánh và đối chiếu với dữ liệu tính toán từ ảnh và qua đó có thể có một sốnhận xét về độ chính xác của dữ liệu từ ảnh vệ tinh

Đề tài sử dụng phần mềm SEADAS để xử lý và tính toán dữ liệu Đây là phầnmềm mã nguồn mở, được cung cấp miễn phí Dữ liệu quan trắc thực địa sử dụng dữliệu tàu thăm dò biển của nước ngoài, được các đồng nghiệp cung cấp

Do trong quá trình làm việc và nghiên cứu, học viên thấy các dữ liệu SST tínhtoán từ ảnh MODIS có thể hỗ trợ tốt cho công tác quan trắc môi trường ở vùng biểnViệt Nam, bằng cách cung cấp dữ liệu hàng ngày, trên một khu vực biển rộng, khắcphục được các hạn chế về điểm quan trắc và đồng bộ dữ liệu trong công tác quantrắc hiện tại Mặt khác, các trạm thu ảnh MODIS đã hoạt động ở Việt Nam, cần đẩymạnh các ứng dụng của dữ liệu này để hỗ trợ cho các trạm quan trắc, khai thác dữliệu vệ tinh, sử dụng có hiệu quả nguồn vốn đã được nhà nước đầu tư

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu.

*) Mục tiêu nghiên cứu:

- Sử dụng ảnh vệ tinh MODIS theo dõi diễn biến theo trung bình năm nhiệt độnước biển ở Biển Đông

- Thành lập các bản đồ theo dõi nhiệt độ nước biển trung bình qua các năm

- Bằng các thực nghiệm, so sánh kết quả dữ liệu ảnh vệ tinh với dữ liệu quantrắc thực địa để đánh giá dữ liệu SST tính toán từ ảnh MODIS có thể hỗ trợ đượcđến đâu cho công tác quan trắc môi trường biển ở Việt Nam

*) Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Thu thập các tài liệ có liên quan đến việc quan trắc, đánh giá chất lượngnước biển trong nghiên cứu biển và đại dương, các tài liệu kỹ thuật về các đặc tính

kỹ thuật của các loại ảnh vệ tinh dùng cho việc giám sát quan trắc tài nguyên và môitrường biển, đại dương Tìm hiểu phần mềm SEADAS phục vụ công tác xử lý ảnhMODIS

- Giải quyết vấn đề ứng dụng ảnh vệ tinh MODIS vào mục đích quan trắc,giám sát nhiệt độ nước biển

- Thực nghiệm đánh giá độ chính xác của việc sử dụng tư liệu ảnh viễn thámvào công tác xác định nhiệt độ bề mặt nước biển dựa trên các kết quả so sánh vàđánh giá cụ thể

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

*) Đối tượng nghiên cứu.

Đối tượng nghiên cứu (Nhiệt độ nước biển SST,) sẽ được coi là một chỉnh thể

tự nhiên, các hiện tượng chịu ảnh hưởng của một tập hợp các yếu tố tự nhiên đếnmôi trường bề mặt nước biển

*) Phạm vi nghiên cứu.

*) Phạm vi không gian: Khu vực Biển Đông – Việt Nam.

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

*)Ý nghĩa khoa học: Góp phần khẳng định và mở rộng khả năng ứng dụng

phương pháp viễn thám với độ phân giải trung bình vào quan trắc môi trường biểnbằng việc theo dõi biến động nhiệt độ nước biển

*) Ý nghĩa thực tiễn: Xây dựng phương pháp nghiên cứu quan trắc môi trường

biển bằng việc chiết xuất các thông tin từ ảnh MODIS như nhiệt độ nước biển

5 Phương pháp nghiên cứu.

- Phương pháp xử lý ảnh viễn thám: Thực hiện các công tác xử lý, tính toán

trực tiếp nhiệt độ nước biển, trên ảnh viễn thám MODIS (SeaWIFS)

- Phương pháp thống kê: Phân tích mặt cắt số liệu nhiệt độ nước biển theo

ngày

- Phương pháp điều tra khảo sát thực địa: Đo đạc, lấy mẫu tại khu vực

nghiên cứu

- Phương pháp sử dụng công nghệ Gis: Thành lập bản đồ theo dõi diễn biến

Nhiệt độ nước biển SST, theo ngày

- Phương pháp chuyên gia tư vấn: Tham khảo chuyên gia tư vấn trong lĩnh

vực đo đạc môi trường nước

6 Bố cục của đề tài.

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn gồm 3 chương

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu quan trắc nhiệt độ bề mặt biểnđông trên Thế giới và Việt Nam

Chương 2: Cơ sở lý thuyết ảnh viễn thám về nghiên cứu quan trắc nhiệt độ bềmặt biển đông

Chương 3: Thực nghiệm xác định về tình hình nghiên cứu quan trắc nhiệt độ

bề mặt biển đông

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU QUAN TRẮC

NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT BIỂN ĐÔNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu quan trắc nhiệt độ bề mặt biển đông ở Việt Nam

1.1.1 Khái niệm bề mặt nước biển.

Nhiệt độ bề mặt nước biển là yêu tố quan trọng cho các quá trình vật lý xảy ratrong cán cân năng lượng bề mặt, trong quá trình trao đổi và tương tác nhiệt giữabiển và không khí, và trao đổi giữa khí quyển và đại dương

Đối với môi trường chất lượng nước biển, nhiệt độ cùng với độ muối là 2 đặctrưng vật lý cơ bản chi phối mọi quá trình thủy nhiệt động lực biển và đảm bảo sựtồn tại và phát triển đời sống sinh vật biển Phân bố nhiệt và muối trong nước biểnphản ánh cấu trúc khối nước và chế độ động lực của biển Đối với Biển Đông, lớpnước mặt tồn tại các khối nước nhạt và lạnh ven bờ, khối nước ngoài khơi ĐôngBắc và ngoài khơi Nam Biển Đông là khối nước trồi mùa hè, giữa các khốinuowcsmlaf các front thủy văn Các đàn cá thường tập trung gần các front thủy văn,

sự biến động của các front thủy văn dẫn đến sự di cư của các đàn cá và các loại hảisản Đối với khối nước trối, nhiệt độ tại tâm khối thường thấp, nhỏ hơn 240C, xungquanh khối nước trồi thì nhiệt độ khoảng 28 – 290C (theo Vũ Thi, Điều kiện Tựnhiên của Biển Đông)

 Phương pháp đo nhiệt độ nước biển.

Phương pháp hiện tại để đo đạc và quan trắc nhiệt độ bề mặt nước biển thường

sử dụng phương pháp lấy mẫu thực địa, trên hoặc không trên bề mặt Phương phápđầu tiên được sử dụng là đo đạc bằng tay; dùng nhiệt kế nhúng trực tiếp xuống bềmặt nước biển Phương pháp đo tự động đầu tiên được thực hiện bằng cách sử dụngcác đường ống dẫn nước biển vào trong tàu biển và đo tự động, tuy nhiên độ chínhxác và sự đồng bộ về thời gian luôn là 1 vấn đề khó khăn đối với các số liệu đo đạctruyền thống Phương pháp được coi là có độ chính xác cao nhất và tần suất nhiềulần nhất là đo đạc dựa trên các phao đặt cố định ở biển, dữ liệu được truyền về trungtâm qua vệ tinh để cung cấp tự động và liên tục Một hệ thống phao biển đã được sửdụng tại vùng biển của Mỹ và trên Thái Bình Dương do một trung tâm dữ liệu quảnlý

Từ năm 1980, vệ tinh đã được dùng trong quan trắc nhiệt độ bề mặt, phươngpháp này đã khắc phục được các hạn chế của quan trắc truyền thống, cung cấp được

dữ liệu phủ trùm toàn cấu có cùng độ phân giải không gian và cùng một thời điểm.Quan trắc từ ảnh vệ tinh đáp ứng được các yêu cầu cho ứng dụng phân tích vànghiên cứu khí hậu trên phạm vi rộng, phương pháp này cũng được áp dụng chonghiên cứu về sinh học đại dương và các ứng dụng trên lĩnh vực thủy sản

Nhiệt độ bề mặt nước biển đưa ra tầm nhìn cơ bản toàn cảnh về mặt đạidương, cho phép nghiên cứu các quá trình động lực học đại dương Nhiệt độ bề mặt

nước biển chỉ ra các dòng chảy chính trên đại dương, và còn cho thấy các dòngchảy bất thường hiện tại như các xoáy nước nóng và lạnh Một khu vực nhất địnhtrên biển có thể được quan trắc bằng vệ tinh nhiều lần trong ngày.

Thiết bị cảm nhận được đặt trên vệ tinh sẽ đo đạc 2 hay nhiều bước sóng trongdải sóng hồn ngoại nhiệt, các bước sóng này được chọn trong khoảng phát xạ mạnhnhất của vật thể đen tuyệt đối phát xạ từ trái đất và truyền qua khí quyển Phươngpháp đo đạc này cho phép đo đạc nhiệt độ lớp bề mặt của đại dương, trong khoảng

độ dầy xấp xỉ 1 mm, nó không cho phép đo đạc nhiệt độ ở các tầng sâu của nướcbiển Thu nhận tính toán nhiệt độ bề mặt nước biển bằng vệ tinh có thể được mô tảkhái quát như sau:

+ Vệ tinh mang các thiết bị có thể ghi nhận các phát xạ điện từ

+ Thiết bị được thiết kế để đo đạc các khoảng sóng điện từ trong dải phổ hồngngoại nhiệt (các tia phát xạ hồng ngoại phát ra từ bề mặt biển)

+ Các thiết bị này sẽ thu nhận phát xạ phát ra từ bề mặt biển

+ Máy tính sẽ tính toán từ các phát xạ đo được để tạo thành ảnh

Phương pháp đo đạc từ vệ tinh có thể cung cấp nguồn dữ liệu khổng lồ, liêntục với tần số cao, bao trùm khu vực rộng lớn mà các phương pháp truyền thốngnhư đo đạc trực tiếp, bằng tàu biển, bằng phao biển không đáp ứng được

1.1.2 Thông số chất lượng môi trường nước biển.

 Về chất lượng nước biển ven bờ

+ Giải thích thuật ngữ

Nước biển ven bờ là nước biển ở vùng vịnh, cảng và những nơi cách bờtrong vòng 03 hải lý (khoảng 5,5 km)

QUY ĐỊNH KỸ THUẬT

Giá trị giới hạn của các thông số chất lượng nước biển ven bờ được quyđịnh tại Bảng 1.1

Bảng 1.1 Giá trị giới hạn của các thông số trong nước biển ven bờ

vị

Giá trị giới hạn Vùng nuôi

trồng thuỷ sản, bảo tồn thủy sinh

Vùng bãi tắm, thể thao dưới nước

Các nơi khác

0,400,32

0,400,32

-25

Ghi chú: Dấu (-) là không quy định.

 Về chất lượng nước biển xa bờ

Phạm vi điều chỉnh

 Quy chuẩn này quy định giá trị giới hạn các thông số chất lượng nước biển

xa bờ

 Quy chuẩn này áp dụng để đánh giá và kiểm soát chất lượng của nước biển

xa bờ, phục vụ mục đích bảo vệ môi trường biển

 Không áp dụng với những vị trí cách bờ đảo, các công trình khai thác, thăm

dò dầu khí trong khoảng bán kính nhỏ hơn hoặc bằng 1km

TT Thông số Đơn vị Giá trị giới hạn

(**); Các chất và giới hạn phát hiện của phương pháp phân tích theo TCVN9241: 2012 (ISO 6468: 1996) Chất lượng nước - Xác định thuốc trừ sâu clo hữu cơ,polyclobiphenyl và clorobenzen - phương pháp sắc ký khí sau khi chiết lỏng - lỏng

1.1.3 Mạng lưới quan trắc môi trường biển Việt Nam.

Mạng lưới quan trắc biển của Việt Nam đã được thiết lập và đang hoạt động.Mạng lưới này bao gồm ba trạm quan trắc ven bờ (cho khu vực biển miền Bắc,miền Trung và miền Nam) và hai trạm ngoài khơi Việc quan trắc được thực hiệnhàng quý với các thông số và phương pháp xác định Các số liệu từ mạng lưới này

đã được sử dụng để đánh giá hiện trạng môi trường và lập báo cáo hàng năm trình

Quốc hội (theo Báo cáo Quốc gia về ô nhiểm Biển từ đất liền)

Các trạm quan trắc môi trường biển bao gồm:

+Trạm vùng nước ven biển phía Bắc (Viện Tài nguyên Môi trường Biển HảiPhòng)

+Trạm vùng nước ven biển phía Trung (Trung tâm Tư vấn Môi trường Biển,Viện cơ học)

+Trạm vùng nước ven biển phía Nam (Viện Hải dương học Nha Trang)

+Trạm vùng biển Đông Nam Bộ (do Hải quân Việt Nam đảm nhiệm)

+Trạm vùng biển Tây Nam Bộ (do Hải quân Việt Nam đảm nhiệm)

Dữ liệu quan trắc thuộc các thành phần nhứ: khí tượng thủy văn biển, chấtlượng nước biển, sinh vật biển, trầm tích biển Các nhóm thông số quan trắc baogồm:

+Đặc điểm thời tiết, thủy văn,

+Dư lượng thuốc bảo vệ thực vật,

+Hàm lượng kim loại nặng,

+Chất lượng nước biển

+Động vật phù du, sinh vật biển,

+Trầm tích biển,

1.1.4 Các cơ quan chịu trách nhiệm về các vấn đề nước biển và vùng bờ.

Việt Nam có đường bờ biển dài hơn 3260 km, vùng đặc quyên kinh tế trênbiển của Việt Nam rộng khoảng 1 triệu km2, biển có vai trò rất lớn trong phát triểnkinh tế và an ninh quốc phòng Tuy nhiên, chất lượng môi trường biển đang bị suygiảm môi trường ven bờ đang bị ô nhiễm do dầu, các chất thải sinh hoạt, các chấtrắn lơ lửng Hàm lượng hóa chất bảo vệ thực vật cao hơn giới hạn cho phép

Do vung biển Việt Nam rộng, công tác quản lý môi trường biển còn phân tán

ở các cơ quan cấp bộ Số liệu điều tra cơ bản còn ít hoặc thiếu, còn nặng về mô tả,định tính Cần thiết phải điều tra, bổ sung và cập nhật định lỳ hơn

Môi trường liên quan tới nước do Tổng cục Môi trường Việt Nam, thuộc BộTài nguyên và Môi trường chịu trách nhiệm quản lý nhà nước, các cơ quan trực tiếpquản lý và nghiên cứu thuộc cán bộ, ngành Năm 2008, Tổng cục Biển và Hải đảo

Việt Nam được thành lập, các chương trình điều tra cơ bản và nghiên cứu khoa họcbiển và đại dương là một trong nhiều nhiệm vụ mà Tổng cục này chịu trách nhiệmchỉ đạo và thực hiện Các cơ quan có trách nhiệm về các vấn đề nước biển và vùng

bờ được liệt kê trong bảng (Tham khảo Báo cáo Quốc gia về Ô nhiễm Biển từ đất liền Việt Nam, 2004)

Bảng 1.3 Các cơ quan chịu trách nhiệm các vấn đề nước biển và vùng bờ

1 Cục Bảo vệ Môi Trường Việt Nam Quản lý môi trường toàn

Việt Nam

2 Trung tâm Khí tượng Thủy Văn Quốc Gia

- Viện Khí tượng Thủy Văn (Hà Nội)|

- Trung tâm Khí tượng Thủy văn Biển (Hà Nội)

- Phân viện Khí tượng Thủy văn (TPHCM)

Quản lý và nghiên cứu

về khí tượng và thủy văn

3 Book NN&PTNT (Bộ thủy sản trước đây)

- Viện Nghiên cứu Hải sản( Hải Phòng) Quản lý và nghiên cứuthủy văn

Nghiên cứu hải sản

4 Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

- Viện Hải Dương Học Nha Trang(IO)

- Phân Viện Hải Dương Học Hải Phòng(HIO)

- Phân Viện Hải Dương Học Hà Nội

- Trung tâm Nghiên cứu, Khảo sát và tư vấn Môi

trường Biển Hà Nội (CMESRC)

Các cơ quan nghiên cứuquốc gia

5 Bộ Giao thông Vận tải

- Công ty Thiết kế Giao thông Vận tải Hà Nội Quản lý và nghiên cứugiao thông vận tải trong

đó có vận tải biển

6 Bộ Công Thương

- Viện Mỏ Địa chất Hà Nội

Nghiên cứu dưới đất

7 Mạng lưới quan trắc Quốc gia về nước và không khí

- Trạm vùng phía Bắc: Đại Học Xây Dựng Hà Nội

- Trạm vùng miền trung: Trung tâm Môi trường Quân sự

- Trạm vùng phía Nam: Trường Đại học Bách Khoa

TPHCM

- Trạm vùng nước ven biển phía bắc: HIO

- Trạm vùng nước ven biển miền Trung: CMESRC

- Trạm vùng nước ven biển phía Nam:IO

- Trạm vùng nước Côn Đảo: Viện nghiên cứu Hải sản

Khảo sát chất lượng môitrường, trong đó có môitrường biển

1.1.5 Tổng quan về phương pháp quan trắc tại các trạm của Việt Nam.

Các trạm quan trắc đảm nhiệm việc quan trắc trong một phạm vi nhất đinhtrên vùng biển Việt Nam Phương pháp quan trắc là lấy mẫu và đo đạc hiện trường,

tổ chức quan trắc được chia thành tưng nhóm, mỗi nhóm được trang bị các thiết bị

đo đạc và lấy mẫu tại hiện trường phương tiện di chuyển trên mặt biển trong quátrình quan trắc chủ yếu là các tàu đánh cá thuê của ngư dân

Các dụng cụ đo đạc và lấy mẫu được trang bị cho từng nhóm, để đo nhiệt độnước biển dùng máy đo nhiệt hoặc nhiệt kế thủy ngân, có độ chính xác 0.1 C.

Để có thể đánh giá kết quả quan trắc giữa các điểm trong cùng một đợt thìviệc đảm bảo đồng bộ về thời gian quan trắc là yêu cầu vô cùng quan trọng Tuynhiên, việc di chuyển trong một vùng rộng lớn cũng là một cản trở về đồng bộ thờigian giữa các nhóm cũng như về thời gian tổ chức quan trắc giữa các trạm quan trắc

ở khu vực biển khác nhau Hạn chế của nguồn dữ liệu này là chỉ có chủ yếu ở vùngven bờ biển

Ngoài các dữ liệu quan trắc tại các trạm còn có một số dữ liệu quan trắc củacác tổ chức nghiên cứu biển kết hợp phục vụ đa mục tiêu Dữ liệu này được quantrắc và đo đạc bằng các tàu quan trắc chuyên dụng, khảo sát theo một số tuyến xácđịnh Phạm vi quan trắc được mở rộng xa bờ tới các vùng biển quốc tế, nguồn dữliệu này không thuộc phạm vi quản lý và lưu trữ ở các trạm quan trắc, tuy nhiên lànguồn dữ liệu tin cậy phục vụ cho công tác nghiên cứu của các chuyên gia

1.1.6 Mục tiêu nhiệm vụ và các thông số quan trắc tại trạm.

Các trạm quan trắc và phân tích môi trường biển đảm nhiệm quan trắcthường xuyên, 4 lần trong năm Mục tiêu là quan trắc và phân tích chất lượng bahợp phần môi trường: nước, trầm tích và sinh vật, nhằm phát hiện những thay đổi

về môi trường và ô nhiễm Trên cơ sở đó đưa ra cảnh báo, kiểm soát và ngăn ngừa,bảo vệ môi trường biển

Nhiệm vụ của các trạm là quan trắc và phân tích các thông số tại các điểmtheo từng đợt trong năm Các trạm được phân bố dọc theo bờ biển từ Bắc tới Namchủ yếu là quan trắc và phân tích các thông số cho dải chịu tác động ven bờ biển

Phương pháp quan trắc là tổ chức thành các nhóm và khảo sát theo đợt, lấymẫu thực địa, sử dụng ô tô, tàu thuyền thuê của dân để di chuyển ven bờ Mỗi nhómquan trắc được trang bị các thiết bị đo đạc, lấy mẫu hiện trường cũng như bảo quản

và xử lý mẫu

Kết quả của các đợt quan trắc và phân tích được thống kê theo dạng bảngbiểu, trên đó ghi các thông số qua các đợt quan trắc Các giá trị quan trắc và phântích trong phòng được sử dụng để xây dựng các báo cáo và phân tích môi trườngbiển hàng năm Vì tần suất quan trắc trong năm là ít (4 lần) và chỉ có ở các điểmquan trắc, nhưng những điểm quan trắc này là đại diện cho cả một vùng biển, cho

nên các giá trị quan trắc không đưa ra bức tranh tổng thể và chi tiết cho từng vùngbiển Théo đánh giá chung, công tác điều tra có bản tài nguyên môi trường biển hiệntại của Việt Nam thì còn nhiêu hạn chế, trong đó có mạng lưới điểm quan trắc cònthưa, quan trắc chưa tuân thủ một quy định và chưa đáp ứng được yêu cầu đối vớicác cơ quan sử dụng thông tin.

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu quan trắc nhiệt độ bề mặt biển đông trên Thế Giới

1.2.1 Dự án giám sát Môi trường biển của Châu Âu

( Global Montitoring for Environment and Security – GMS) GMS là dự áncủa Châu Âu, bao gồm các quốc gia thành viên và các cơ quan chuyên môn củaAnh, Pháp, Italia, Bỉ Mục tiêu của dự án là giám sát và cung cấp thông tin trên cácvùng biển Địa Trung Hải, Bắc Đại Tây Dương Các thông tin bao gồm:

+ Dầu tràn

+ Chất lượng nước

+ Mô hình đại dương

+ Mô hình khí hậu bề mặt

Dự án được chia làm nhiều giai đoạn và được tiến hành nhiều năm

Giai đoạn 1: Được tiến hành trong 2 năm (2003-2004), bao gồm xác định

và phân tích nhiệm vụ cụ thể như:

+ Xác định các dịch vụ thông tin cần giám sát và quan trắc,

+ Lợi ích của các thông tin sẽ cung cấp,

+ Xác định các nhiệm vụ cụ thể cho giai đoạn 2

Giai đoạn 2: Tiến hành trong 2005 đến 2008 bao gồm các mục tiêu:

+ Khả năng duy trì bền vững của dự án, bao gồm tìm kiếm và chuẩn bịnguồn tài trợ cho dự án thông qua các cơ quan sử dụng dữ liệu,

+ Thiết lập cơ sở lâu dài, mở rộng mạng lưới cung cấp dịch vụ, dữ liệu

Giai đoạn 3: Từ năm 2008 là giai đoạn dự án đi vào hoạt động.

Marcoast (Marine & Coastal Environmental Information Services) là một dự

án thuộc GMS, được ESA tài trợ kéo dài trong 3 năm, có mục đích thiết lập mạnglưới ổn định nhằm cung cấp dịch vụ thông tin biển cà dải ven biển Dự án được tiếnhành từ 10/2005, các thông tin phục vụ giám sát bao gồm 2 dòng dữ liệu: dòng dịch

vụ dữ liệu dầu tràn và dòng dịch vụ dữ liệu chất lượng nước

Dòng dịch vụ dữ liệu tràn dầu bao gồm các nhiệm vụ:

+ Giám sát dầu tràn

+ Dự báo sự di chuyển của dầu tràn

Dòng dịch vụ dữ liệu chất lượng nước bao gồm các nhiệm vụ:

+ Giám sát và cảnh báo chất lượng nước

+ Giám sát, dự báo tảo độc trong nước

+ Đánh giá chất lượng nước

+ Cung cấp dữ liệu khí tượng biển Dòng dịch vụ dữ liệu dầu tràn sử dụngảnh SAR để mô hình hóa sự di chuyển của dầu tràn

1.2.2 Dự án CoastWatch

CoastWatch là dự án được phối hợp giữa các cơ quan trong NOAA và một

số cơ quan khác của Mỹ Nội dung của dự án là thiết lập và cung cấp các sản phẩm

dữ liệu phân tích từ ảnh vệ tinh với thời gian thực để bảo vệ, phục hồi và quản lý tàinguyên vùng biển nước Mỹ, nghiên cứu sự thay đổi của khí hậu Người sử dụng dữliệu bao gồm các cơ quan và tổ chức của nhà nước, các nhà khoa học nghiên cứumôi trường biển, các nhà quản lý tài nguyên dải ven biển

Dự án CoasWatch được thiết lập từ năm 1987, nhằm quan sát hai hiện tượngđiển hình Hiện tượng thứ nhất là tảo độc xuất hiện trên vùng biển Carolina và dòngnước ấm Gulf Stream chuyển tới vùng nước lạnh hơn ở gần Cape Loookout Hiệntượng thứ hai là một động vật có vú bi chết và hớn 700 cá thể cá heo mũi to chết độtngột ở giữa biển Đại Tây Dương Cả hai trường hợp đã cảnh báo các cơ quan khaithác các nguồn dữ liệu truyền thống để giảm sát các vùng nước ven bờ Dữ liệu đó

có thế là dữ liệu vệ tinh cung cấp với thời gian thực

Dự án CoastWatch khởi đầu chỉ cung cấp dữ liệu nhiệt độ bề mặt nước biểntrên vùng biển phía đông, sử dụng dữ liệu NOAA/A VHRR Hiện tại, dự án cungcấp các loại dữ liệu từ các vệ tinh khác nhau phủ trùm toàn bộ vùng biển nước Mỹ.

Dữ liệu nhiệt độ bề mặt nước biển ứng dụng trong dự báo thời tiết và xác định cácvùng đánh bắt cá Các nhà sinh vật học sử dụng dữ liệu màu nước biển để dự đoán

sự nở hoa của tảo gây hại Hoa tiêu tàu biển sử dụng dữ liệu gió bề mặt đại dương

để dẫn đường cho tàu

Dự án CoatWatch bao gồm hai hợp phần: Trung tâm xử lý và các trạm địaphương (Regional nodes) Các hoạt động tại trung tâm được điều hành bởi NÉSDIS(NOAA’s National Environmental Satellite Data and Information Service) Cáctrạm địa phương nằm rải rác trên toàn lãnh thổ, bao gồm trang thiết bị và con người,cung cấp dữ liệu thời gian thực và kiến thức chuyên gia cho các người sử dụng ởđịa phương

Nhóm dữ liệu cung cấp từ Trung tâm xử lý:

+ Nhiệt độ bề mặt nước biển

+ Gió bề mặt đại dương

Các sản phẩm hiện tại dự án cung cấp bao gồm:

+ Ảnh màu thực

- Terra/Aqua MODIS True Color(250m)

+ Ảnh màu nước biển

- Dự báo tảo nở hoa từ ảnh SeaWiFS

+ Nhiệt độ bề mặt nước biển

- Các sản phẩm SST từ ảnh MODIS

- Các sản phẩm SST từ ảnh MODIS, từ ảnh POES/A VHRR,GOES

- Các sản phẩm SST từ ảnh radar TRMM

+ Gió bề mặt đại dương

- Các sản phẩm gió bề mặt biển từ ảnh QuikSCAT

- Các sản phẩm gió bề mặt biển từ ảnh DMSP SSM/I.

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ẢNH VIỄN THÁM VỀ NGHIÊN CỨU QUAN TRẮC

NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT BIỂN ĐÔNG 2.1 Nguyên lý viễn thám nhiệt

- Khái niệm :

Viễn thám (Remote sensing) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thunhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việcphân tích tư liệu thu nhận được bằng các phương tiện Những phương tiệnnày không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng đượcnghiên cứu

Viễn thám có thể hiểu đơn giản là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc mộthiện tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiệntượng đó

Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi địnhnghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thôngtin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất

Sóng điện từ hoặc được phản xạ hoặc được bức xạ từ vật thể thường

là nguồn tài nguyên chủ yếu trong viễn thám Tuy nhiên những năng lượng như từtrường, trọng trường cũng có thể được sử dụng

Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vậtthể được gọi là bộ cảm

Phương tiện dùng để mang các bộ cảm được gọi là vật mang Vật manggồm khí cầu máy bay, vệ tinh, tầu vũ trụ

nhận năng lượng bức xạ (không ảnh và ảnh vệ tinh) và sóng phản hồi(ảnh radar) phát ra từ vật thể khi khảo sát Năng lượng phổ dưới dạng sóng điện từ,nằm trên các dải phổ khác nhau, cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ

sẽ góp phần giải đoán đối tượng một cách chính xác hơn Nếu biết trước phổ phát

xạ, phản xạ (emited/reflected) chuẩn của vật thể trong phòng thí nghiệm, xác địnhbằng các máy đo phổ, ta có thể giải đoán vật thể bằng cách phân tích đường congphổ thu được từ ảnh vệ tinh

Xử lý ảnh số là kỹ nghệ làm hiển thị rõ ảnh và tách lọc thông tin từ các dữ liệuảnh số, dựa vào các thông tin chìa khóa về phổ bức xạ phát ra Các phần mềm xử lýảnh số được phát triển, nhằm cho ra thông tin về phổ bức xạ của các vật thể hoặccác hiện tượng xảy ra trong giới hạn diện phủ của ảnh

Giải đoán, tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh viễn thám được thực hiện dựa trêncác cách tiếp cận khác nhau, có thể kể đến là:

- Đa phổ: Sử dụng nghiên cứu vật từ nhiều kênh phổ trong dải phổ từ nhìnthấy đến sóng radar

- Đa nguồn dữ liệu: Dữ liệu ảnh thu nhận từ các nguồn khác nhau ở các độ caokhác nhau, như ảnh chụp trên mặt đất, chụp trên khinh khí cầu, chụp từ máy baytrực thăng và phản lực đến các ảnh vệ tinh có người điều khiển hoặc tự động

- Đa thời gian: Dữ liệu ảnh thu nhận vào các thời gian khác nhau

- Đa độ phân giải: Dữ liệu ảnh có độ phân giải khác nhau về không gian, phổ

và hiện tượng tảo độc trong đại dương (theo Huet al ,2005; Muller-Kareret.,2004)

Các thế hệ vệ tinh tiếp theo được phóng lên sau đó (TERRA, AQUA,ENVISAT) đã chứng minh sự thành công của loạt vệ tinh quan sát trái đất, giúp chocác nhà khoa học nghiên cứu và theo dõi sự thay đổi của khí hậu trên hành tinh.

2.2.1 Vệ tinh quan sát môi trường

Điều kiện tự nhiên và khí hậu trên trái đất hiện tại có rất nhiều thay đổi sovới các đây 4,5 tỷ năm khi hình thành trái đất Các nhà khoa học đã đưa ra nhữngchứng cứ thuyết phục về các hoạt động của con người đã gây ra những tác độngmạnh làm thay đổi các điều kiện đó Từ khi cách mạng về công nghiệp ,mức các-bon đi- ô- xít đã tăng 25%, khoảng 40% diện tích bề mặt trái đất đã bị biến đổi Cácnhà khoa học khó có thể dự đoán được mối liên hệ giữa nguyên nhân và hậu quảcủa các yếu tố bề mặt đất ,đại dương và khí quyển và các tác động nhanh chóng củachúng biến đổi với điều kiện khí quyển trong tương lai Việc này cần có sự đo đạctrong phạm vi toàn cầu, chu kỳ dài hạn để thu nhập những thông tin cần thiết nhằmxây dựng mô hình tính toán có độ chính xác cao để dự báo nguyên nhân và hậu quảcủa sự thay đổi khí hậu Một cách khả thi để thu nhập các thông tin này là dựa vàocác bộ cảm nhận đặt trên vệ tinh và Terra được thiết kế để thực hiện nhiệm vụ đó

Vệ tinh Terra mang 5 đầu thu chụp: ASTER do Nhật Bản cung cấp,CERES.MISR và MODIS do các cơ quan nghiên cứu của Mỹ, MOPITT do cơ quannghiên cứu vũ trụ Ca-na-đa cung cấp

Đầu thu chụp ASTER (Advanced Spacebirne Thermal Emission andReflection Radiometer)

Là đầu thu có đọ phân giải cao nhất trong các đầu thu chụp của Terra (độphân giải không gian từ 15m tới 90m),thu nhận các kênh phổ trong dải sóng nhìnthấy và hồng ngoại nhiệt ASTER được ứng dụng trong phân tích chi tiết nhiệt độ

bề mặt đất, sự phát xạ và phản xạ của các đối tượng trên bề mặt đất, ứng dụng phântích độ cao của định hình

Đàu thu chụp CERES( Clouds and the Earth’s Radiant Energy Sysem)

Là thiết bị đo tổng phát xạ của trái đất và cung cấp thông tin đánh giá về cácđặc tính của mây nhằm cung cấp cho các nhà khoa học nghiên cứu mây qua cácluồng phát xạ từ bề mặt tới tầng trên của khí quyển Có hai thiết bị CERES cùnghoạt động trên vệ tinh Terra, một thiết bị hoạt động theo kiểu quét cross-track(ngang) và một hoạt động quét theo 2 trục Kiểu quét ngang sẽ đo liên tục tổng nănglượng phát xạ từ trái đất, kiểu quét theo hai trục sẽ cung cấp thông tin về các luồngsáng theo hướng khác so với kiểu ngang nhầm tăng cường độ chính xác của môhình góc chiếu đối với cán cân phát xạ của trái đất Hai thiết bị CERES của Terracũng tương tự như vệ tinh Aqua

Đàu thu chụp MISR(Multi-angle Imaging Spectro-Radiometer)

Thu nhận lượng tán xạ mặt trời theo các hướng khác nhau trong điều kiện tựnhiên MISR ghi nhận rán xạ của trái đất qua 9 camera khác quét phía trước, phíasau, 26.10, 45.60, 60.00 70.50C Dữ liệu của MIRS có thể phân biệt các kiểu mâykhác nhau ,bụi khí quyên, bề mặt đất, Đặc biệt, MIRS sẽ giám sát hàng tháng, theomùa và chu kỳ dài theo:

+ Khối lượng và kiểu bụi khí quyển trong tự nhiên và do cả hoạt động củacon người

+ Lượng, kiểu và độ cao của mây,

+ Phân bố lớp phủ mặt đất bao gồm cả cấu trúc tán thực phủ

Đầu thu chụp MOPITT (Measurement of Pollution in the Troposphere)

MOPITT được thiết kế để nghiên cứu tầng thấp của khí quyển, đặc biệt làdùng để quan sát sự tương tác với tằng sinh quyển trên đại dương và mặt đất

MOPITT chú trọng đặc biệt vào sự phân bố, vận chuyển, điểm bắt nguồn và bề mặtcủa lớp các-bon mô-nô-xít và mê-tan trong tầng đối lưu Mê-tan là khí gây ra hiệuứng nhà kính với mức độ lớn hơn 30 lần sơ với khả năng phản nhiệt của các-bon đi-ô-xít.Mê-tan được thoát ra từ các đầm lầy, từ các đàn thú và vật nuôi, từ các vụthiêu đốt sinh khối nhưng lượng Mê-tan tạo thành từ các nguồn đơn lẻ như trên làkhông xác định được Các-bon mô-nô-xít được thải ra từ các nhà máy, ô tô, các vụcháy rừng và gây ô nhiễm độc hại cho khí quyển.

MOPITT là bộ cảm ứng đầu tiên được đặt trên vệ tinh sử dụng tương quanphổ của khí ga Bộ cảm nhận đo đạc các phát xạ và phản xạ từ bề mặt trái đất ở 3kênh phổ Tia sáng đi vào bộ cảm ứng, được dẫn vào theo 2 ống khác nhau có chứacác-bon mô-nô-xít và mê-tan.Năng lượng hấp thụ ở hai ống khác nhau dẫn đến sựchênh lệch về tín hiệu thu được và nó tương quan với sự hiện diện của khí ga trongkhí quyển

MOPITT là bộ cảm ứng đầu tiên được đặt trên vệ tinh sử dụng tương quanphổ của khí ga Bộ cảm nhận đo đạc các phản xạ và phản xạ từ bề mặt trái đất ở 3kênh phổ Tia sáng đi vào bộ cảm ứng, được dẫn vào theo 2 ống khác nhau có chứacác-bon mô-nô-xít và mê-tan Năng lượng hấp thụ ở hai ống khác nhau dẫn đến sựchênh lệch về tín hiệu thu được và nó tương quan với sự hiện diện của khí ga trongkhí quyên

MOPITT có độ phân giải không gian là 22km khi thu nhận ở phương thẳngđứng và độ dải quan sát là 640km, có khả năng đo đạc sự tập trung của các-bon mô-nô-xít ở các lớp trong độ dày 5 km theo chiều thằng đứng của khí quyển

 Vệ tinh Aqua

Aqua là vệ tinh được thiết kế nhằm nghiên cứu theo dõi và phân tích sự thayđổi của các yếu tố trên trái đất và khí quyển Vệ tinh Aqua là một phần trong hệthống quan sát trái đất (EOS) – Chương trình vệ tinh quan sát trái đất quốc tế do Cơquan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) tiến hành

Nhiệm vụ của Aqua là thu thập các thông tin về chu kỳ trao đổi nước trên bềmặt Trái đất, bao gồm: bề mặt nước đại dương, sự bốc hơi của nước trên đại dương,hơi nước trong khí quyển,mây, lượng mưa, hơi ẩm trong đất,băng tuyết trên đạidương và lục địa.

Các nhân tố biển đổi cũng được theo dõi như: luồng năng lượng phát xạ, bụikhí quyển,lớp phủ thực vật trên đất liền, sinh vật phù du, vấn đề phân hủy hữu cơtrong đại dương, không khí, nhiệt độ bề mặt đại dương và lục địa

Lợi ích của Aqua là tăng cường cho kết quả dự báo thời tiết nhờ vào khảnăng quan sát nhiệt độ khí quyển và hơi nước

Nước có ảnh hưởng rất quan trọng tới khí hậu và các loài sinh vật sống trêntrái đất Chính vì tầm quàn trọng và sự dồi dào của nước mà trái đất còn được gọi là

“hành tinh nước” Nước bảo phủ 70% diện tích trái đất và là yếu tố cần thiết đối vớicon người và các dạng sống khác Một dạng khác của nước là hơi nước trong khíquyển, giữ cho khí quyên của trái đất có nhiệt độ ổn định có lợi cho sự sống trên tráiđất.Nước ở dạng rắn, băng và tuyết giúp kiểm soát được khí hậu ở vùng cực vìchúng phản xạ lại vào vũ trụ phần lớn tia phát xạ mặt trời ở vùng cực Sự bốc hơinước-hấp thu năng lượng, dẫn tới sự ngưng tụ trong khí quyển dưới thể lỏng hoặcthể rắn Nguồn năng lượng trong quá trình bốc hơi nước là nguồn cho chu kỳ củakhí quyển Nhiệt độ của đại dương cũng làm ảnh hưởng tới nhiệt độ và chu kỳ củakhí quyển Khi nhiệt độ của đại dương thay đổi nhất là ở vùng nhiệt đới Thái BìnhDương, là dấu hiệu của hiện tượng E1 Nino và La Nina Các thống số đo đạc củaAqua sẽ cung cấp tất cả các thống tin cấu thành của chu kỳ nước toàn cầu và gópphần vào việc dự đoán về băng tuyết, mây, hơi nước tăng cường hay suy giảm trênquy mô toàn cầu hoặc mọi sự thay đổi về nhiệt độ trên phạm vi vũng cũng như xuhương khác về thay đồi khí hậu

Vệ tinh Aqua mang 6 thiết bị chính để quan sát trái đất, được phóng vào quỹđạo ngày 4-5-2002, thu thập nguồn dữ liệu đa dạng toàn cầu Hoạt động ở quỹ đạocận cực, độ cao 700 km, thời gian vòng quanh quỹ đạo 98,8 phút, theo hướng baylên (northward) qua xích đạo lúc 1h30 chiều, theo hướng bay xuống (southward)

qua xích đạo lúc 1h30 sáng theo giờ địa phương Nó cho phép thu nhận dữ liệu vàokhoảng thời gian trưa 1h30 bổ sung với dữ liệu buổi sáng 10h30 của vệ tinh quansát Trái đất thuộc EOS-Terra Với mục đích thu nhận dữ liệu có độ khác biệt trongngày (sáng/chiều), vệ tinh Aqua và Terra còn được gọi là vệ tinh EOS-PM và EOS-AM.

Sáu thiết bị thu nhận của vệ tinh Aqua là:

+ Atmospheric Infrared Sounder (AIRS),

+ Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU)

+ Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS (AMSR-E)

+ Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES)

+ Humidity Sounder for Brazail (HSB)

+ Moderate Resolution Imaging Sepctroradimeter (MODIS)

2.2.2 Thiết bị thu nhận MODIS

MODIS được thiết kế để thu thập nhiều loại thông tin khác nhau trong quátrình sinh học - vật lý của khí quyển và trái đất bằng các thông số đo đạc trong dảiphổ nhìn thấy và hồng ngoại, khác với CERES – chỉ tập trung vào đo đạc nănglượng phát xạ, MODIS quan tâm tới khoảng phổ rộng hơn và nhiều mục tiêu hơn

Ví dụ MODIS thu nhận thông tin về nhiệt độ và độ ẩm của khí quyển, mây và đặctính của mây, đặc tính của bụi khí quyển, nhiệt độ bề mặt nước biển và bề mặt lụcđịa, màu đại dương, vật chất lơ lửng trong đại dương, năng suất sơ cấp nguyên, chỉ

số thực vật, lớp phủ mặt đất và sự thay đổi, cháy rừng do thiên tai và con người, độdầy và sự phân bố của tuyết trên lục địa, nhiệt độ bề mặt và phân bố của băng trênđại dương Lớp phủ mặt đất và các điều kiện của chúng được MODIS giám sát cácbiến thiên hàng ngày, ở độ phân giải không gian 250 m và 500 m, cho phép tăngcường thông tin về địa lý và mức độ chặt phá rừng và các sự biến đổi khác của lớpphủ mặt đất Năng suất của đại dương và lục địa được kết hợp sẽ đưa ra các chỉ dẫn

về năng suất sơ cấp nguyên toàn cầu Bụi khí quyển là tác nhân gây lên tán xạ vàhấp thụ phản xạ mặt trời và làm cho biến đổi lý tính của mây Thông tin về bụi khí

quyển thu được ở mức toàn cầu với độ phân giải 10 km, bằng cách tổ hợp từ dữ liệuphân giải cao của MODIS Mây ti được ghi nhận không chỉ đặc tính mà còn độ dày

và mức độ mây phủ, các thông tin này còn được dùng để loại trừ mây này ở một sốảnh để có được cảnh ảnh rõ ràng về lớp phủ mặt đất

 Các sản phẩm từ ảnh MODIS

Các sản phẩm cung cấp từ ảnh MODIS rất đa dạng, áp dụng trong nhiều lĩnhvực như nghiên cứu khí quyển, mặt đất, đại dương và các lĩnh vực khác, sau đây làcác sản phẩm từ ảnh MÓDIS

Sản phẩm nghiên cứu khí quyển:

+ Đặc tính khí quyển – Atmospheric Profiles (gồm nhiệt độ và hơi nước)+ Tổng ô zôn – Total Ozone,

+ Tổng lượng nước ngưng đọng – Total Precipitable Water,

+ Các đặc tính vi lý của mây - Cloud Microphysical Properties (chiều dàyquang học, kích thước hạt, các pha nhiệt động lực)

+ Các đặc tính bề mặt mây – Cloud Top Properties (nhiệt độ, bức xạ áp suất)+ Mặt nạ mây – Cloud Mask

+ Độ dày bụi khí quyển – Aerosol Optical Depth,

+ Phân bố kích thước bụi khí quyển – Aerosol Size Distribution

Các sản phẩm nghiên cứu đại dương:

+ Phản xạ bề mặt – Normalized Water- Leaving Radiance

+ Hệ số Ecủa nước nông – Clear- Water Epsion

+ Hệ số loãng của đại dương – Ocean Water Attenuation Coefficient

+ Hệ số hấp thụ của đại dương – Absorption Coefficients in the Oceans+ Nhiệt độ bề mặt nước biển – Sea Surface Temperature

+ Năng suất sơ cấp của đại dương – Ocean Primary Productivity

+ Hàm lượng các-bon-nát can-xi ở đại dương,

+ Phân bố vật chất hữu cơ trong đại dương

Các sản phẩm nghiên cứu bề mặt đất và băng:

+ Bức xạ và nhiệt độ mặt đất - Land Surface Temperature and Emissivity,

+ Phản xạ bề mặt có hiệu chỉnh ảnh hưởng khí quyển – AtmosphericallyCorrected Surface Reflectance,

+ Hàm hiệu chỉnh phản xạ 2 chiều của bề mặt biển và hệ số phản xạ Albedo– Surface Nadir-adjusted Bidirectional Reflectance Distribution Function andAlbedo,

+ Kiểu lớp phủ và thay đổi lớp phủ bề mặt - Land Cover Type and LandCover Change,

+ Chỉ số LAI và phân số phát xạ quang hợp – Left Area Index and Fraction

of Photosynthetucally Active Radiation,

+ Chỉ số thực vật GVI – Gridded Vegetation Indices,

+ Sự chuyển đổi lớp phủ thực vật – Vegetation Cover Conversion,

+ Nguy cơ cháy – Burn Scars

+ Lớp phủ băng – Sea Ice Cover

+ Lớp phủ tuyết – Snow Cover,

 Các sản phẩm dữ liệu chuẩn của ảnh MODIS

+ Giá trị phản xạ của các kênh ảnh ở độ phân giải 250 m, 500m, 1000m.+ Mặt nạ mây độ phân giải 250m, 1000m, với dữ liệu ban ngày vaf1000mvới dữ liệu ban đêm

+ Phân bố bụi khí quyển và các đặc tính quang học độ phân giải 10 km trongngày

+ Đặc tính mây (độ dày quang học, đường kính hạt nước, thời kỳ nhiệt động,trạng thái bề mặt, nhiệt độ bề mặt, mức phản xạ của mây ti) ở độ phân giải từ 1 –5km đối với dữ liệu ngày và độ phân giải 5km đối với dữ liệu ban đêm

+ Tổng lượng nước kết tủa ở độ phân giải 1- 5km đối với dữ liệu ban ngày

và 5km với dữ liệu ban đêm

+ Mặt cắt khí quyển (nhiệt độ và hơi nước) và tổng lượng ô zôn ở đô phângiải 5km.

+ Sản phẩm toàn cầu về khí quyên dạng lưới độ phân giải 1 độ kinh tuyến/vĩtuyến, theo chu kỳ hàng ngày, 8 ngày và hàng tháng

+ Lớp phủ thực vật và lớp phủ mặt đất, trạng thái, năng suất, được xác định:-Phản xạ bề mặt ở độ phân giải 250 m,500 m,1 km và phản xạ albedo ở 1 km

- Các chỉ số thực vật được hiệu chỉnh ảnh hưởng khí quyển, đất, các ảnhhưởng về hướng ở độ phân giải 250 m và 500 m

+ Cháy rừng và các dị thường về nhiệt ở độ phân giải 1km

+ Lớp phủ tuyết và băng trên biển, mức phản xạ albedo của tuyết ở độ phângiải: 500 m (lớp phủ tuyết), 1km (lớp băng trên biển và phản xạ albedo), và 5 km

mô hình khí hậu ở dạng lưới (lớp phủ tuyết và băng trên biển)

+ Nhiệt độ nước biển

- Nhiệt độ và phản xạ bề mặt đất hàng ngày ở độ phân giải 1km, độ chính xác 1C

- Nhiệt độ bề mặt nước biển: hàng ngày ở độ phân giải 1 km và toàn cầu hàngngày, hàng tuần, hàng tháng ở độ phân giải 4,6 km,36km, và độ phân giải 1 độ kinhtuyến /vĩ tuyến

+ Các đặc tính quang sinh của đại dương, bao gồm độ chói của phản xạ nước

ở độ phân giải 1km, và năng suất hàng tuần ở độ phân giải 4,6 km,36 km,1 độ kinhtuyến/vĩ tuyến

- Độ chói của phản xạ nước có hiệu chỉnh ảnh hưởng khí quyển, phân cực,hướng.

- Phân bố sắc tố của tảo và các-bô-nát can-xi

- Phân bố vật chất phù du

- Sự hấp thụ phổ của thực vật phù du

- Sự hấp thụ của các chất hữu cơ hòa tan

- Các chỉ số năng suất sơ cấp hàng tuần

2.2.3 Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS (theo NASA 2006)

Bảng 2.1 Các đặc tính kỹ thuật của ảnh MODIS

1 Quỹ đạo - Độ cao bay chụp: 705 km

- Thời gian chụp trong ngày: 10:15a.m, descending(TERRA) 1:30p.m, ascending (AQUA)

- Quỹ đạo đồng bộ mặt trời, cận cực

Bảng 2.2 Các ứng dụng chính của các kênh ảnh MODIS

+ Các vệ tinh địa tĩnh – GOES (Geostationnary Operational EnvironmentalSatellites), hoạt động trên quỹ đạo địa tĩnh có độ cao 35 800 km, cung cấp cácthông tin giám sát liên tục, ngày và đêm, các điều kiện thời tiết bất thường như lốcxoáy, lũ quét, mưa đá, bão lớn Khi các điều kiện thời tiết khí hậu xuất hiện và pháttriển, các vệ tinh GOES sẽ giám sát sự phát triển của bão và giám sát đường đi củachúng Các vệ tinh thuộc hệ thống DMSP (Defense Meteorological SatelliteProgram) cung cấp thông tin về môi trường cho quân đội Mỹ Các thông tin về đặcđiểm môi trường như mây, các đối tượng nước, tuyết, cháy, ô nhiễm được quan sáttrong dải phổ nhìn thấy và cận hồng ngoại Các thông tin được ghi nhận có thể giúpcho việc xác định kiểu mây và độ cao mây, nhiệt độ bề mặt biển và bề mặt đất,dòng chảy đại dương, các đặc điểm bề mặt đại dương,băng và tuyết Dữ liệu đượcthu nhận qua các trạm mặt đất Dữ liệu được các nhà khí tượng xử lý và giải đoán

và cuối cùng được sử dụng cho mục đích lập kế hoạch và tổ chức các hoạt động củaquân đội Mỹ trên toàn thế giới

+ Các vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo cực – POES (Polar OperationalEnvironmental Satellite) Hệ thống vệ tinh này cung cấp các thông tin hàng ngàyphủ trùm toàn cầu 4 lần trong ngày, dữ liệu ban ngày và ban đêm Hệ thống POESbao gồm các thiết bị AVHRR (Advanced Very High Resolution radiometer) vàTOVS (Tiros Operationl Vertical Sounder) Các vệ tinh có khả năng thu nhận dữliệu toàn cầu đáp ứng các yêu cầu cơ bản cho các ứng dụng trong khí quyển, trênđại dương và trên đất liền Dữ liệu từ POES hỗ trợ các ứng dụng giám sát môitrường như phân tích và dự báo thời tiết, nghiên cứu và dự báo khí hậu,đo đạc toàncầu nhiệt độ bề mặt nước biển,đo đạc nhiệt độ và độ ẩm ở các tầng khí quyển,nghiên cứu động lực biển, giám sát sự phun trào của núi lửa, phát hiện cháy rừng,phân tích thực phủ toàn cầu, tìm kiếm và cứu hộ, và rất nhiều các ứng dụng khác.Các vệ tinh NOAA cho thu ảnh miễn phí, thuộc loại quỹ đạo cực,được phónglên nối tiếp nhau nhằm mục đích thu thập các thông tin về khí hậu ,đại dương,quansát nghiên cứu lãnh thổ và môi trường toàn cầu.

2.2.5 Vệ tinh Orb View-2 và đầu chụp SeaWIFS

Vệ tinh Orb View-2 được phóng lên quỹ đạo ngày 1-8-1997, vệ tinh này chỉmang một thiết bị nghiên cứu khoa học SeaWIFS SeaWIFS được phát triển tiếptheo sau thành công của đàu chụp CZCS.CZCS được đặt trên vệ tinh Nimbus-7, làthiết bị thu chụp có thể xác định màu nước biển từ trên vệ tinh.CZCS cung cấp dữliệu liên tục kể từ khi được phóng lên quỹ đạo vào năm 1978 đến năm 1986 thìngừng hoạt động.SeaWiFS được tăng cường so với CZCS là chụp toàn bộ bề mặttrái đất chỉ trong 2 ngày

Việc quan sát tầng sinh quyển của đại dương từ CZCS là một cuộc cách mạngthực sự trong lĩnh vực nghiên cứu biển và đại dương, chuyển từ việc nghiên cứu trựctiếp sinh học đại dương bằng cách nghiên cứu tính chất vật lý của đại dương.SeaWiFS tiếp tục thể hiện phương pháp nghiên cứu mới là NASA đã lựa chọn, nó cóthể cung cấp các thông tin ở mức toàn cầu về tầng sinh quyển của đại dương cũngnhư các thông tin quan trọng cho đánh bắt cá và quản lý tổng hợp đới bờ