TAP CHỈ KHOA HOC DHQGHN KHTN &CN T.XXI, S Ố IP T ,2 0 PHƯƠNG P H Á P XÁC ĐỊNH N HIỆ T ĐỘ MẶT BIÊN TỪ ẢNH MODIS Lại A nh Khôi Viện V ậ t lý Đ iện tử, Viện K h o a học C ô n g n g h ệ Việt N a m Ctí s l ý t h u y ế t N h t a biét v ậ t t h ế n h i ệ t độ lớn h n ° K đ ề u p h t xạ với đặc đ i ểm (cường độ phô') p h ụ t h u ộ c c h ặ t chẽ vào n h i ệ t độ h ệ s ố p h t xạ c ủ a đổi tượng T ro n g t r n g h ớp c ủ a v ậ t đ e n t u y ệ t đối, mối l iên h ệ n y b i ể u d i ễ n b ằ n g đ ị n h l u ậ t Plank: B * ( À , T ) = C ị / [ Ằ 5( e c2/ẢT - ) J T r o n g dó: (1) C’i = 2hc~ = , 4 X 10* w /( m - s te r c m '); c = h c / k = 1,438 76 k.cm; h - Hộ sỏ H a n k : k - H ệ sô B o l t z m a n n ; c - V n tốc n h s Đôi VỚI vật th ể k h ô n g phải vậ t đen tu y ệt đối ta có: B (À,T) = B * ( Ả , T ) x c a j , (2) vởi íf Ả) hộ sô p h t xạ đ ặ c t r n g r i ê n g cho đôi t ượng N h vậy, kh i bicl tị Ả), n h i ệ t độ củ a dôi t ợ ng có t h ổ xác đ ị n h n h đo xạ ph át t ng T u y n h i ên , n h h ng củ a k h í q u y ế n n ê n việc xác đ ị n h n h iệ t độ củ a clỏi t ợ ng nói c h u n g m ặ t nước nói ri ên g t vệ t i n h k h ô n g dơn g i ản n h Ánh hưởng k h í q u y ê n đôn sô liệu có t í n h h a i m ặt : m ộ t m ặt l m s u y g i ảm xạ t h u (lược hi ện t ợ ng h ấ p t h ụ , t n x củ a c h ấ t khí, nước son k h í có t r o n g k h í quyển, m ậ t k h c b n t h â n k h í q u y ể n c ũ n g n g u n p h t xạ Ngoài r a dối với ả n h t h u vào b a n ng ày cẩn p h i kè tới a n h h ng củ a M ặ t tròi B ằ n g việc t í n h đ ạo h m c ủ a h m P l a n k t h eo bước s ón g Ả g n vê 0, W i e n dã xác (lịnh dược môi liên hộ gi ữa bước s óng Ảmax ứ n g với cực đ ại c ủ a h m P l a n k n h i ệ t độ vật t h ê p h t xạ: Ảnmx = / T (cm) (3) T h e o t a b i ế t r ằ n g xạ c ủ a đối t ợ n g m ặ t đ ấ t (có n h i ệ t độ d a o đ ộ n g x u n g q u a n h giá trị 0 ”K) đ t cực đ i ròi vào v ù n g s ó n g h n g n g o i n h i ệ t n ê n v ù n g phô n ày t h n g c họn cho việc xác đ ị n h n h i ệ t độ c ủ a đối t ợ n g m ặ t đ ất T u y n h i ê n , dây lại v ù n g m hoi n ước có k h ả n ă n g h ấ p t h ụ r ấ t l ổn n ê n t r o n g v i ễn t h m người t a p há i giới h n v ù n g p h ố sử d ụ n g vào h a i cử a số c ủ a k h í q u y ể n ỏ d ả i s ó n g 3, 7-4,2| im 10-12|im ( b ả n g 1) K ê n h 21 m ặ c d ù c ũ n g n ằ m t r o n g v ù n g n y , n h n g t h i ế t kê r i ê n g đê p h t h i ệ n c h y n ê n có k h o ả n g đo rộng, độ n h y t h ấ p , k h ô n g t h í c h hợp đê xác đ ị n h t r n g n h i ệ t m ặ t biên 79 I Lại A n h K h ô i B ả n g Một số k ê n h phô cua ả n h MODIS Sô hièu kênh Bước sóng trun g tàm Độ rộng 20 22 23 31 32 3,750 3,959 4,050 11,030 12,020 0,1800 0,0594 0,0608 0,5000 0,5000 So s n h k ê n h h a i cửa sổ n y t a t h ấ y k ê n h ỏ v ù n g h n g ngoại t r u n g (20-23) có u t h ế độ n h y (được xác đ ị n h đại l ượng — — ) cao hơn, chịu ả n h h ởn g nước h n (xem h ì n h 1), n h n g lại có độ rộ ng h ẹp , n ă m ngoai ri a v u n g p h t xạ cực đại c ủ a đối t ợn g m ặ t đ ấ t v ẫ n chịu ả n h h n g t ơn g đôi lớn xạ m ặ t trời T r o n g k hi k ê n h t r o n g v ù n g h n g ngoại x a (31-32) lại rơi vào t â m củ a v ù n g p h t x cực đạ i c ủ a đôi t ợ ng m ặ t đâ t, a n h h n g c u a M t trơi k h o n g đ n g kể n h n g ả n h h n g c ủ a nưốc lại lớn T u y n h i ê n ả n h h n g n y l ên k ê n h r ấ t k h c n h a u H ì n h Hệ số tr u y ề n dẫn xạ khí vùng hồng ngoại nhiệt Ký h i ệ u 1LẢ s a i s ố s ố đo x gây n ê n k h í q u yể n , t a có: IL X = B; ( T J ■L , = "ị [B Ằ (T,J - B Ằ (T(P))Jdt;_(0,P)/' Plnrơng p h p xác đ ị n h n h iệ t đ ộ m ặ t b iẽn từ tronR đỏ L, xạ đo đ ợ c t vệ t i n h ỏ k h i quyển, t;(0,p) hệ s ố t r u y ề n d ẫ n b ức xạ t 1ỚỊ) k h i q u y ế n đ ộ c ao có p s u ấ t p đ ế n đ ỉ n h c ủ a k h í q u y ê n có p s u ấ t b n g tì, B ,Tte + a (1 ) Điôm đ n g lưu ý sử d ụ n g công t hức này, sai sô'sẽ c hủ yếu liên q u a n tlỏn t í nh k h ô n g t h ự c tè c ủ a giá d i nh t í n h b ấ t bi ến c ủ a k h í q u y ể n t r o n g p h m vi ng hi ên cửu, c ũ n g n h d ao đ ộ n g lệch khỏi vị t rí t h ắ n g đ ứ n g c ủ a góc q u a n s t n ê n có t h ể coi n h liên q u a n đ ến s ố h n g tự Do công t h ứ c (11) có t h ể cải bi ến t h n h : T s = a j T ÁI + + a + f (d) (12) T r o n g f(d ) h m d ù n g để h i ệ u c h ỉ n h sai s ố nói t r ê n T r o n g t h ự c tế, k h i xây (lựng h m t h ự c n g h i ệ m người t a t h n g sử d ụ n g sô'liệu đo đ ể xác đ ị n h h ệ số t r o n g công t h ứ c (11) xác đ ị n h t ơn g q u a n sai lệch gi ữa s ô' li ệu t í n h t oán sô liệu đo VỚI t h a m sô k h c n h a u (t rê n sở xây d ự n g b iểu đồ đôi s n h sai sô t h a m sô này) đê t xác đ ị n h h m fid) t r o n g công t h ứ c (12) C ô n g t h ứ c t h ự c n g h i ê m c h o c c k ê n h tr o n g c a số 10-12^m T r o n g t r n g họp s d ụ n g h a i k ê n h ỏ v ù n g h n g ngoại xa 31 32, công t c (12) có dạng : T s = c, + c2T 31 + C,(T:,J - T :n) + c4 (see6 - 1) (T 32 - T 3I), t r o n g góc t h i ê n đ ỉ n h c ủ a t ia q u a n trắc (13) Lai Anh Khôi Hai k ê n h n h đ ã t r ì n h b y t r ê n , n ằ m t r o n g v ù n g h ồn g ngoại xa chịu a n h h ưở n g t n g đối lớn c ủ a h ấ p t h ụ nước n ê n h m hi ệu c h ỉ n h /hỉ) t rong t rư ng hợp n y có d n g n h t r ê n sử d ụ n g c h ủ yếu đổ loại bỏ c h ê n h ]ệ'h vê độ dài q u a n g học c ủ a t ia q u a n t rác Ngo ài ra, n h h n g cua nước lên h kênh r ấ t k h c n h a u n ê n hi ệu T , , - T :„ có t h ể x em n h t hị vồ lượng nước t ro n ? khí qu yể n h ệ số t r ê n t h n g xác đ ị n h ri êng cho h a i t rư ng họp h i ệu 0,7 C ôn g th ứ c th ự c n g h i ệ m c h o c c k ê n h t r o n g cửa sô 3,7- , ụ m Đối với k ê n h v ù n g h n g n g oạ i t r u n g 20 22 23, có độ n h y cao với t h a y đối c ủ a n h i ệ t độ n ê n đơn g i ản n h ấ t t a có t h ê sử d ụ n g k ê n h t h e o công thưc ( 10) Đê n â n g cao độ c h í n h xác có t h ể sử d ụ n g tô hợp h a i k ê n h b t kỳ t heo (11) Do k ê n h t r o n g cửa sổ n y c ủ a k h í q u y ên n ă m t ro n g dai bước sóng n gán, c hị u ả n h h n g t ng đối lớn c ủ a xạ m ặ t tròi n ê n kh i p h â n tích lại [(d) người t a n h ậ n t h ấ y rõ dao động t heo thòi gi an t rong n ă m cong thuc tương đoi sai sô H m f(d) t r ong tr ườ ng hợp n y xây d ự n g dạng: f(d) = m X COS [ r í d + n ) / ] + p ■ (14) C ông t h ứ c (12) vi ết lại t h n h : T s = a + b T , + cT + m x c o s (2 r íd + n ) / ) + p (lõ) t r o n g a, b, c, m, n, p hộ s ố t h ự c n g h i ệ m , d la n g y t r o n g n ă m k ể t n g y h chí (tức n gày t h ứ 173) đối VỐI B n cầ u Bắc n g y đô ng chí (ngày t h ứ 357) đôi VỚI Bán cầu Na m Ngoài r a người t a n h ậ n t h ấ y p h ụ t h u ộc củ a sai sô vào vĩ độ di êm q u a n t r ác x u ấ t h i ệ n c ủ a son k h í t r o n g t ầ n g b ì n h lưu n ê n hộ sô t r o n g công thức (12) xác đ ị n h r i ê n g cho h a i t r n g hợp: có ho ặc k h ô n g có son k h í t r o n g t ầ n g b ình lưu T r o n g t r n g hợp, h ệ sô m, n, p lại dược xác đ ị n h r i ê n g cho đ đị a lý sau: - T 23°27' N a m đ ế n 23°27’ Bắc; - T 23°27’ đ ế n 6° 54’ b n cầu; • T 46°54’ đ ế n h a i cực C h n g t r ìn h t ín h t o n t r n g n h i ệ t m ặ t b iê n Các t h u ậ t t o n t r ê n t ác giả cụ t h ể h o t r o n g ch ươ ng t r ì n h viêt b ă n g ngôn n gữ I D L v k ế t nối t h n h m ộ t t i ệ n ích t r o n g p h ầ n m ề m ENVI C h n g t r ì n h chọ p h é p đọc s ố liệu t file * h d f (MODO KM) c ủ a t r m t h u t i ế n h n h t í n h t o n n h i ệ t độ bể m ặ t bi ển với t u ỳ chọ n tổ hợp k ê n h (20-22, 20-23, 22-23 31-32) v ậ n d ụ n g công t c (13) h oặc ( l õ) t u ỳ t h u ộ c vào tổ hợp k ê n h đ ã chọn Sô liệu t r n g n h i ệ t s a u k h i t í n h n n c h ỉ n h t h eo t oạ độ đ ịa lý v ghi r a d n g file ả n h t i c h u ẩ n đ ã g ắn k ế t toa đỏ đị a lý c ủ a hệ EN VI n ê n s a u có t h ể dễ d n g sử d ụ n g chức n a n g s ẵ n có p h ầ n m ề m n y để: t c h r i ê n g p h ầ n lục địa, g ắ n lưới t oạ độ, r a n h priới h n h c hí n h , t r ì n h b y bi ên t ậ p t h n h b a n dồ, h oặc x u ấ t r a n h i ề u đ ị n h d n g n h k h c n h a u I 'ln r o ii” pim p \á c (tịn h Iiln ẽ l ill) m ãt h ie II lừ s ;ỉ Lưu ý r a n g sô liệu a nh file *./;(//' ghi d n g nănfí lượng xạ quy chuyên t h a n h so nguyên nên trước tiên can chuyển ngược vồ s ố liệu đo thực thc>0 cóng thức- L : = S', ■D N - (); (1(5) tronfi dó s , h ệ sô ty ]ệ giá trị lệch (offset) c ủ a mồi k ê n h Các giá trị n y diíỢc ghi d n g m a n g chi ều ille * h d f ( ác giá trị n hi ệt độ p h t xạ T; s a u t í nh ngược t h m P l a n k n h sau: T = C, / À In À'B, ■ + (17) Vồ n g u y ê n tắc hệ s ố t h ự c n g h i ệ m t r o n g công t h ứ c (13) (15) có t h ể dễ d n g xac (lịnh n có đủ sô liệu đo b ằ n g cách giải t o n hồi quy t h eo p h n g p h p số b ì nh p h n g n h ỏ n h ấ t Nhu'ng t h i ế u s ố liệu đo t h ự c t ế n ê n ch ươ n g t r ì n h h i ện sử d ụ n g hộ sò Cơ q u a n H n g k h ô n g Vũ t r ụ Hoa Kỳ (NASA) c u n g cấp (bá ng C a r ilia trị n y NAS A xác đ ịn h d ựa t r ê n h n g n g h ì n s ú' li ệu t h u t h ậ p t c h u y ê n k h o s át t r ô n n h i ề u v ù n g bi ển k h c n h a u Đại T â y Dương, Ấn Độ Dương T h i Bình Dương H ì n h hi ên thị kết q u ả ví d ụ t í n h t r n g n h i ệ t m ặ t hi ên sử d ụ n g tổ hóp k c n h 22 2M cua n h M O D I S c h ụ p đôm n g y 10 t h n g n a m 2002 t Hình Trường nhiệt mặt biên, tính từ kênh 22-23 ảnh MODIS đêm 10/7/2002 Lại A n h Khôi 84 B ả n g Các hộ số công thức tính trường nhiệt sử dụng kênh giải phổ hồng ngoại trung (trong trường hợp son khí tầng bình lưu) C ác hệ số Kênh 22, 23 a b c 0.481199 1.62184 -0.613398 m n p Chung toẳn cầu -0.010300 -33 856434 -0.003171 23.45: N a m - 23.45 Bắc -0.014913 -44.695727 0.002888 23.45 - 46.9 Bắc Nam -0.010569 -9.100864 -0.012191 46.9° Bac hoăc Nam đến hai cực -0.010300 -33.856434 -0.003171 Các hệ sô Kênh 20, 22 a b c 1.63973 0.008332 1.01495 m n p Chung toần cẩu -0.02128 -27 77708 -0.010976 23.45 N a m - 23.45 Bắc -0.021016 -65.4177 0.018011 23.45° - 46.9 Bắc hoảc Nam -0.02128 -27 77708 -0.010976 46.9 Bắc hoãc Nam đến hai cưc -0.02128 -27 77708 -0.010976 Các hệ sỏ Kênh 20, 23 a b c 1.63771 0.799358 0.249784 m n p Chung toàn cắu -0.089330 -14.636338 -0.039860 23.45 Nam - 23.45 Bắc -0.096743 -47.855918 033071 23.45° - 46.9° Bắc Nam -0.052036 0.006510 -0 138790 46.9° Bắc Nam đến hai cưc -0.089330 -14.636338 -0.039860 B ả n g Các hệ số thực nghiệm công thức tinh nhiệt cỉỏ mặt biến sử dụng kênh dải phô hồng ngoại xa T -T < ,7 T -T > ,7 c1 1,228552 1.692521 c2 0,9576555 0,9558419 c3 0,1182196 0,0873754 c4 1,774631 1,199584 P hư ơn g p h p x c d i n h 11 hiệt đ ỏ m ặ t b iến lừ 85 Kết lu ậ n Xac đ i n h n h i ẹ t đọ m ặ t b i ên b ả n g công n g h ệ viên t h m m ộ t p h n g p h p có n h i ề u t r i ê n vọng Bài b o đ ã t r ì n h b y chi t i ế t sở p h n g p h p l u ậ n c ũ n g n h cô n g th ứ c th ự c n g h i ệ m d ù n g xác đ ịn h n h iệ t độ b ể m ặ t b iển từ tô’ hợp k ê n h khác n h a u c u a a n h vọ t i n h M O D I S ( Mo d e r a t e R es o lu t io n I m a g i n g S p e c t r o r a d i o m e t e r ) giới t h i ệ u vê' c h n g t r i n h t í n h nh iệt độ bề m ặ t bi ển áp d ụ n g t h u ậ t t o n t rên C hư ơng t r ì n h n y t c giả x â y d ự n g t r ê n ng ôn n g ữ IDL củ a p h ầ n m ề m E N V I k ế t nối n h m ộ t t i ệ n ích c ủ a h ệ t h ô n g xử lý ả n h TÀI LIỆU THAM KHẢO Lại Anh Khôi nnk, Thử nghiệm sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh MODIS xác định sô tham sỏ' vật lý môi trường biến, Báo cáo tông kết Đề tài Khoa học Công nghệ cấp Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Viện KH&CN VN, Hà Nội, 2004 Charles Elachi, Introduction to the physics and techniques o f remote sensing, John Wiley and Sons, 19S7 Otis B Brown, Pet er J Minnett, MODIS Infrared Sea Surface Temperature Algorithm Algorithm Theoretical Basis Document Version 2.0 NASA 1999 VNU JO U R N AL OF S C IEN C E, Nal , Sci , & Tech , T.XXI, N01AP , 2005 SEA SURFACE TEMPERATURE DETERMINATION BY USING MODIS IMAGE Lai A n h Khoi I n s t i t u t e o f Phycics a n d E lectronics V i e t n a m A c a d e m y o f Science a n d Techno log y T h e p a p e r gi ves i n d e t a i l s a d es c ri p ti o n of t h e m e t h o d s for d e r i v a t i o n of sea s u rf a ce t e m p e r a t u r e fr om M O D I S ( M o de r at e R es o lu t io n I m a g i n g S p e c t r o r a d i o m e t e r ) d a t a a s well a s t h e a l g o r i t h m for its p ct i cal i m p l e m e n t a t i o n u s i n g different c o m b i n a t i o n s of M O D I S c h a n n e l s I t also i n t r o d u c e s to r e a d e r s a c o m p u t e r p r o g r a m d eve lope d bv t h e a u t h o r for t h e a p p l ic a ti o n of t h e d es c ri b ed a l g o r i t h m T h e p ro g r a m w a s w r i t t e n i n I D L l a n g u a g e by u s i n g ENVI e n v i r o n m e n t , i n t e g r a t e d int o i ts m e n u as o n e of i ts c o m p o n e n t f u nc ti o ns ... y 10 t h n g n a m 2002 t Hình Trường nhiệt mặt biên, tính từ kênh 22-23 ảnh MODIS đêm 10/7/2002 Lại A n h Khôi 84 B ả n g Các hộ số công thức tính trường nhiệt sử dụng kênh giải phổ hồng ngoại... n g 20 22 23, có độ n h y cao với t h a y đối c ủ a n h i ệ t độ n ê n đơn g i ản n h ấ t t a có t h ê sử d ụ n g k ê n h t h e o công thưc ( 10) Đê n â n g cao độ c h í n h xác có t h ể sử d... h ô n g xử lý ả n h TÀI LIỆU THAM KHẢO Lại Anh Khôi nnk, Thử nghiệm sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh MODIS xác định sô tham sỏ' vật lý môi trường biến, Báo cáo tông kết Đề tài Khoa học Công nghệ cấp