Ứng dụng viễn thám giám sát sự suy giảm hàm lượng Chlorophyll do ô nhiễm môi trường biển tỉnh Cà Mau: Luận văn ThS. Quản lý tài nguyên môi trường: 60 85 01 01

Với đặc tính của công nghệ Viễn thám, các vệ tinh độ phân giải trung bình với tần suất thu nhận ảnh cao có nhiệm vụ cảnh báo và giám sát môi trường biển, việc nghiên cứu giám sát ô nhiễm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Doãn Hà Phong

Hà Nội – Năm 2013

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết 1

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 2

3 Phạm vi nghiên cứu 3

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

5 Quan điểm và phương pháp nghiên cứu 3

6 Bố cục của đề tài 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG BIỂN 5

1.1 Sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu ô nhiễm môi trường biển 5

1.1.1 Tổng quan sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu vùng biển ở trong nước và nước ngoài 5

1.1.2 Các loại ảnh viễn thám ứng dụng nghiên cứu biển và đại dương 7

1.2 Chlorophyll-a 24

1.2.1 Khái niệm Chlorophyll-a 24

1.2.2 Chlorophyll-a trong nghiên cứu ô nhiễm môi trường biển 24

1.2.3 Chlorophyll-a từ dữ liệu vệ tinh MODIS 25

CHƯƠNG 2 KHU VỰC NGHIÊN CỨU CÀ MAU 29

2.1 Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên khu vực Cà Mau 29

2.1.1 Vị trí địa lý và địa hình 29

2.1.2 Chế độ khí hậu 30

2.1.3 Chế độ thủy hải văn 33

2.2 Điều kiện kinh tế - xã hội, môi trường 38

2.2.1 Điều kiện kinh tế- xã hội 39

2.2.2 Thực trạng môi trường 48

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ SỰ SUY GIẢM HÀM LƯỢNG CHLOROPHYLL-A DO Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG 51

3.1 Thành lập bản đồ Chlorophyll-a năm 2006-2007-2008 khu vực biển Cà Mau từ ảnh vệ tinh MODIS 51

3.1.1 Quy trình thành lập bản đồ hàm lượng Chlorophyll-a 51 3.1.2 Thành lập bản đồ hàm lượng Chlorophyll-a trung bình các năm 2006-2008 53

3.2 Phân tích, đánh giá các kết quả giá trị hàm lƣợng Chlorophyll-a 58

3.2.1 Nghiên cứu mặt cắt vùng biển ô nhiễm dựa trên sự suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a 59 3.2.2 Tính toán diện tích vùng suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a 623.2.3 Nguyên nhân giả thiết gây ra sự cố làm suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a khu vực Cà Mau năm 2007……… 62

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1 Vệ tinh TERRA 10

Hình 1.2 Quỹ đạo bay của vệ tinh TERRA 10

Hình 1.3 Dữ liệu ảnh vệ tinh thu nhận vào ngày 16/11/2002, những dải sọc trắng không có dữ liệu sẽ được phủ vào ngày hôm sau 11

Hình 1.4 Trạm đo ảnh MODIS của Viện Vật Lý và Điện Tử 13

Hình 1.5 Vệ tinh AQUA và các bộ cảm biến 15

Hình 1.6 Quỹ đạo bay của vệ tinh AQUA 16

Hình 1.7 Phân tử Chlorophyll 24

Hình 1.8 Quy trình xử lý Chl-a từ ảnh MODIS 27

Hình 2.1 Bản đồ hành chính tỉnh Cà Mau 29

Hình 2.2 Hướng gió thịnh hành mùa hè khu vực biển Cà Mau 32

Hình 2.3 Hướng gió thịnh hành mùa đông khu vực biển Cà Mau 32

Hình 2.4 Hệ thống sông và trạm đo hải văn Cà Mau 34

Hình 2.5 Tỷ trọng của các khu vực kinh tế 1997-2011 39

Hình 2.6 Nuôi tôm ở Cà Mau 41

Hình 2.7 Rừng tràm ở U Minh- Cà Mau 44

Hình 2.8 Khởi công xây dựng nhà máy đóng tàu Cà Mau 44

Hình 2.9 Đất mũi Cà Mau 45

Hình 2.10 Cửa biển Rạch Gốc 46

Hình 2.11 Các cống trên địa bàn tỉnh Cà Mau đang được triển khai xây dựng 47

Hình 3.1 Sơ đồ khối thành lập bản đồ chuyên đề 54

Hình 3.2 Ảnh tổ hợp màu MODIS độ phân giải 250m năm 2008 54

Hình 3.3 Bản đồ giá trị hàm lượng Chlorophyll-a khu vực biển Cà Mau 6 tháng đầu năm 2006 55

Hình 3.4 Bản đồ giá trị hàm lượng Chlorophyll-a khu vực biển Cà Mau 6 tháng đầu năm 2007 56

Hình 3.5 Bản đồ giá trị hàm lượng Chlorophyll-a khu vực biển Cà Mau 6 tháng đầu năm 2008 57

Hình 3.6 So sánh ảnh Chlorophyll-a qua các năm 2006-2007-2008 58

Hình 3.7 Vị trí mặt cắt nghiên cứu 59

Hình 3.8 Độ biến thiên chlorophyll-a ở mặt cắt thứ nhất 59

Hình 3.9 Độ biến thiên chlorophyll-a ở mặt cắt thứ hai 60

Hình 3.10 Độ biến thiên chlorophyll-a ở mặt cắt thứ ba 61

Hình 3.11 Ảnh thể hiện các vùng suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a 62

Hình 3.12 Ảnh MODIS ngày 1/6/2007 (đầu thu Terra, độ phân giải 250m) 64

Hình 3.13 Ảnh thể hiện các vùng suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a 62

MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1 Bảng thông số phổ của ảnh vệ tinh MODIS 11

Bảng 1.2 Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS 17

Bảng 1.3 Một số vệ tinh và đầu thu sử dụng trong quan trắc môi trường 17

Bảng 1.4 Các thông số tính kỹ thuật của vệ tinh ENVISAT 19

Bảng 1.5 Thuộc tính phổ của ảnh MERIS 21

Bảng 1.6 So sánh các thuộc tính kỹ thuật của ảnh MERIS và MODIS 22

Bảng 1.7 Các kênh phổ MODIS sử dựng tính toán 26

Bảng 2.1 Nhiệt độ trung bình tại một số trạm trong khu vực 31

Bảng 2.2 Tốc độ gió trung bình tại một số trạm trong khu vực 33

Bảng 2.3 Độ cao sóng trung bình 36

Bảng 2.4 Phân bố dân số của tỉnh Cà Mau 42

Bảng 3.1 Độ biến thiên Chlorophyll-a ở mặt cắt thứ nhất 60

Bảng 3.2 Độ biến thiên Chlorophyll-a ở mặt cắt thứ hai 60

Bảng 3.3 Độ biến thiên Chlorophyll-a ở mặt cắt thứ ba 61

Bảng 3.4 Tính toán diện tích vùng suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a 63

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn luận văn của tôi, PGS.TS Doãn Hà Phong, thầy đã tạo mọi điều kiện, tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này Sự hiểu biết sâu sắc về khoa học, cũng như kinh nghiệm của thầy chính là tiền đề giúp tôi đạt được những thành tựu và kinh nghiệm quý báu

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến khoa Địa lý trường ĐH KHTN, các thầy cô đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ và truyền đạt kiến thức cũng như kinh nghiệm cho tôi trong suốt thời gian học tập

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các anh, chị làm việc tại Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường đã tận tình giúp đỡ, động viên và tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn!

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Trong 6 tháng đầu năm 2007, tại 20 tỉnh, thành phố ven biển ở nước ta xảy ra hiện tượng dầu thô trôi dạt vào bờ Tổng lượng dầu thu gom là 2.071,3 tấn, trong đó

đã xử lý được 1.904,8 tấn Dầu thô đã xuất hiện dọc bờ biển từ Hà Tĩnh đến Cà Mau

và tại các đảo như Cù Lao Chàm, Côn Đảo, Bạch Long Vỹ Quy mô của đợt ô nhiễm dầu là rất lớn và kéo dài, tác động nghiêm trọng tới sự phát triển bền vững của đất nước Trong đó, ngành thủy sản và du lịch đã bị thiệt hại nặng nề do ô nhiễm dầu

Ở Cà Mau có diện tích nuôi trồng thủy sản lớn tập trung trên rừng đước Năm Căn và rừng tràm U Minh Hạ Những cây đước bị chặt phá bừa bãi, vừa để dành đất nuôi tôm, làm rẫy, vừa lấy gỗ, hầm than bán Tiếp sau phá rừng là việc tự ý đào nhiều kênh xáng để dẫn và thoát nước Nhiều cửa sông lớn như Bảy Háp, Cửa Lớn, vùng bãi bồi phía tây huyện Ngọc Hiển bị lấn chiếm, làm cho lòng sông thu hẹp, giảm tốc độ dòng chảy, tăng thêm mức độ ô nhiễm nước sông rạch trong nội đồng

và ven biển Các đoàn tàu khai thác đánh bắt thủy sản ở đây lại thải rác, cặn dầu, nhớt trực tiếp xuống biển Tỉnh Cà Mau còn có các khu công nghiệp tập trung như khu công nghiệp khí - điện - đạm, chế biến thủy sản Bên cạnh đó, dân số gia tăng, kèm theo quá trình đô thị hóa quá nhanh, sản sinh ra lượng chất thải ngày càng lớn

Vì vậy, Cà Mau phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm môi trường khu vực ven biển ngày càng cao

Cùng với sự phát triển nhanh và mạnh của công nghệ vũ trụ, rất nhiều nước trên thế giới đã ứng dụng thành công công nghệ viễn thám trong nghiên cứu và giám sát môi trường biển Với kỹ thuật viễn thám hiện đại, đặc biệt là sự phát triển của viễn thám quang học với độ phân giải 30 m LandSat/MSS, TM và thậm chí 2,5

m như SPOT có thể cho những số liệu điều tra, phân tích và đánh giá một cách rất chi tiết và chính xác bề mặt Trái đất Ảnh đa phổ được thu nhận không chỉ trong dải phổ nhìn thấy, mà phần lớn các thông tin được thu nhận trong vùng phổ hồng ngoại, nằm ngoài khả năng phát hiện bằng mắt thường Các đầu thu quang học trên

vệ tinh (Sensor) được thiết kế thu nhận các vùng phổ riêng biệt khác nhau phản xạ

từ mặt đất, phụ thuộc vào loại đối tượng cần quan sát Các vệ tinh thám sát hiện nay thu nhận ảnh trên nhiều kênh phổ Các vệ tinh Terra và Aqua mang thiết bị thu ảnh MODIS (của Mỹ) có thể thu nhận tới 36 kênh ảnh phục vụ nghiên cứu chuyên đề về các đối tượng khác nhau trên mặt đất, trên đại dương và trong khí quyển

Các đối tượng nghiên cứu có khả năng phản xạ khác nhau, tuỳ thuộc vào đặc tính hoá - lý của chúng, như thành phần vật chất, mầu sắc, nhiệt độ, độ ẩm Hàm lượng Chlorophyll-a thu nhận trên bề mặt mặt biển là một tham số môi trường biểu thị mức độ ô nhiễm trên một khu vực rộng lớn và đồng bộ về thời gian

Với đặc tính của công nghệ Viễn thám, các vệ tinh độ phân giải trung bình với tần suất thu nhận ảnh cao có nhiệm vụ cảnh báo và giám sát môi trường biển, việc nghiên cứu giám sát ô nhiễm môi trường biển thông qua xác định theo dõi hàm lượng Chlorophyll-a trên ảnh vệ tinh MODIS có thể chủ động trong công tác ứng phó sự cố ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm dầu trên biển nói riêng Do đó,

tôi chọn đề tài nghiên cứu “Ứng dụng viễn thám giám sát sự suy giảm hàm lượng Chlorophyll do ô nhiễm môi trường biển tỉnh Cà Mau”

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

*) Mục tiêu nghiên cứu

Theo dõi, giám sát ô nhiễm môi trường biển khu vực Cà Mau thông qua sự biến đổi hàm lượng Chlorophyll-a trung bình 6 tháng đầu các năm 2006, 2007 và

2008 thu nhận được từ ảnh vệ tinh MODIS

*) Nhiệm vụ nghiên cứu

- Thu thập, hệ thống hoá, tổng hợp và đánh giá nguồn tài liệu, số liệu từ các dự

án, đề tài, báo cáo trước đây về nghiên cứu giám sát môi trường biển để tìm các phương pháp tối ưu cho việc xử lý số liệu và tính toán tại khu vực nghiên cứu

- Sử dụng ảnh vệ tinh MODIS để khảo sát trực tiếp hàm lượng Chlorophyll-a trung bình 6 tháng đầu các năm 2006, 2007 và 2008 thuộc khu vực biển Cà Mau

- Phân tích, đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường biển khu vực Cà Mau qua hàm lượng chlorophyll – a (mg/m3) trên cơ sở ảnh vệ tinh MODIS

3 Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi không gian : vùng biển tỉnh Cà Mau từ 8.3° đến 9.8° vĩ Bắc và từ

103.6° đến 106.1° kinh Đông

- Phạm vi thời gian : 6 tháng đầu các năm 2006, 2007, 2008

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 phân giải trung bình vào việc nghiên cứu ô nhiễm môi trường biển bằng việc theo dõi biến động hàm lượng Chlorophyll-a

*) Ý nghĩa thực tiễn: Xây dựng phương pháp nghiên cứu đánh giá mức độ ô

nhiễm môi trường biển bằng chỉ số hàm lượng Chlorophyll-a, thông qua đó để giám sát, theo dõi từ đó đưa ra các biện pháp xử lý kịp thời

5 Quan điểm và phương pháp nghiên cứu

*) Quan điểm nghiên cứu

- Quan điểm hệ thống: Đối tượng nghiên cứu (Chlorophyll-a) sẽ được coi là

một chỉnh thể tự nhiên, các hiện tượng chịu ảnh hưởng của một tập hợp các yếu tố

tự nhiên gây ô nhiễm môi trường nước bề mặt

- Quan điểm tổng hợp: Sử dụng các kiến thức khoa học về môi trường, viễn

thám và các khoa học khác có liên quan để nghiên cứu vấn đề ô nhiễm môi trường tại khu vực biển của Cà Mau

- Quan điểm tiếp cận ứng dụng công nghệ hiện đại: Công nghệ hiện đại

đang phát triển nhanh và mạnh, đặc biệt là công nghệ viễn thám và GIS và các ứng dụng của nó trong phát triển của các chuyên ngành

- Quan điểm kế thừa các tài liệu đã có: Tài liệu đã có bao gồm các cơ sở dữ

liệu về điều kiện tự nhiên, điều kiện xã hội Các kết quả nghiên cứu của các đề tài,

dự án đã được tiến hành Cách tiếp cận này cho phép tận dụng nhiều số liệu tốt đã

có, giảm chi phí và giúp cho so sánh tài liệu lịch sử trong quá trình nghiên cứu

- Quan điểm mô hình hoá các hiện tượng vật lý của các đối tượng để đưa vào các mô hình tự động hoá tính toán: Các giá trị hàm lượng Chlorophyll-a được

tính toán trực tiếp từ dữ liệu viễn thám thu nhận được, được hệ thống hóa so sánh

theo các chu kỳ trung bình tháng, mùa và năm Trong đề tài sử dụng theo chu kỳ

trung bình 6 tháng đầu năm

*) Phương pháp nghiên cứu

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

trực tiếp hàm lượng Chlorophyll-a (mg/m3) trên ảnh viễn thám MODIS

- Phương pháp sử dụng công nghệ GIS : Thành lập ảnh theo dõi diễn biến

Chlorophyll-a theo trung bình năm

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

vực đo đạc, giám sát môi trường nước

6 Bố cục của đề tài

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về nghiên cứu ô nhiễm môi trường biển

Chương 2 Khu vực nghiên cứu Cà Mau

Chương 3 Đánh giá sự suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a do ô nhiễm môi

trường

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM

MÔI TRƯỜNG BIỂN

Công ước Luật biển 1982 đã đưa ra một khái niệm khá toàn diện về ô nhiễm

môi trường biển Ô nhiễm môi trường biển là “việc con người trực tiếp hoặc gián

tiếp đưa các chất liệu hoặc năng lượng vào môi trường biển, bao gồm cả các cửa sông, khi việc đó gây ra hoặc có thể gây ra những tác hại như gây nguy hiểm cho sức khoẻ con người, gây trở ngại cho các hoạt động ở biển, kể cả biệc đánh bắt hải sản và các việc sử dụng biển một cách hợp pháp khác, làm biến đổi chất lượng nước biển về phương tiện sử dụng nó và làm giảm sút các giá trị mỹ cảm của biển”

[9]

1.1 Sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu ô nhiễm môi trường biển

1.1.1 Tổng quan sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu vùng biển ở trong nước và nước ngoài

Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu vùng ven biển có ứng dụng các

thông tin viễn thám với hai dạng dữ liệu: tương tự (analog) và dữ liệu số (digital)

Việc nghiên cứu, khảo sát ở vùng biển ven bờ, đồng bằng ven biển hiện nay còn gặp nhiều khó khăn khi gặp thời tiết bất ổn, như trường hợp có bão, áp thấp, giông lốc hay khi có lũ lớn và gió mùa thổi mạnh Để khắc phục khó khăn này, một trong những phương pháp có hiệu quả hiện nay trong nghiên cứu vùng biển là

sử dụng kết hợp thông tin Viễn thám (RS) và Hệ thông tin địa lý (GIS) Tư liệu viễn thám rất đa dạng về chủng loại và độ phân giải không gian, bao gồm có các loại ảnh máy bay, ảnh vệ tinh thám sát thu nhận trong các thời gian khác nhau; trong đó loại

ảnh đa phổ (Multispectral Image) hiện nay được sử dụng rất rộng rãi Ảnh đa phổ

được thu nhận trên các thiết bị quang học trong dải sóng điện từ rất rộng, từ phổ thị

tần (Visible) cho đến phổ hồng ngoại (Infra-Red) và là nguồn cung cấp thông tin

quan trọng, phục vụ cho các nghiên cứu chuyên đề khác nhau Trong thời gian qua, nhóm nghiên cứu thuộc Trung tâm Viễn thám quốc gia và Viện Vật lý (Viện KH và

CN Việt Nam) đã tiến hành thử nghiệm ứng dụng ảnh vệ tinh để tính toán nhiệt độ nước biển (SST) và hàm lượng chlorophyll-a (Chl-a) trên biển – hai trong số các

thông số môi trường cho biết chất lượng nước biển Mục tiêu của thử nghiệm này nhằm hỗ trợ các trạm quan trắc môi trường biển của nước ta, hiện có số lượng trạm

và tần suất quan trắc còn quá thưa thớt so với vùng biển rộng lớn Với ưu thế cung cấp thông tin thường xuyên và liên tục, quan sát trong một vùng rộng lớn, ảnh viễn thám đã được phát triển và ứng dụng ở nhiều nước trong nghiên cứu biển và đại dương Một số các đề tài, dự án và nghiên cứu trong nước ứng dụng nghiên cứu về

ô nhiễm trên vùng biển nước ta như:

- Đề tài cấp nhà nước “Ô nhiễm dầu trên vùng biển Việt Nam và biển Đông” thuộc đề tài cấp Nhà nước mã số KC.09.22/06-10 PGS.TS Nguyễn Đình Dương_Viện Địa lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam làm chủ nhiệm [2] Đề tài khẳng định về cơ bản tư liệu siêu cao tần sẽ là tư liệu chủ đạo trong nhưng các tư liệu quang học trong một số trường hợp cũng có thể cung cấp thông tin hữu ích và kịp thời cho việc quan trắc vết dầu trên biển

- Bài báo “Nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám quang học trong giám sát

ô nhiễm dầu trên vùng biển Việt Nam” năm 2007 của PGS.TS Doãn Hà Phong đã đạt được mục tiêu nghiên cứu quan trắc hằng ngày và phát hiện các tai biến tràn dầu, cũng như các sự cố khác trên biển (ô nhiễm chất hóa học) của ảnh MODIS dựa vào giá trị hàm lượng Chlorophyll và một số yếu tố khác [7] Từ đó cung cấp các số liệu về phân bố, diện tích cho các mô hình dự báo để đưa ra các các phương án xử

lý tràn dầu xa bờ

Các kết quả thu nhận được có ý nghĩa góp phần xây dựng cơ sở khoa học và phương pháp luận về ứng dụng công nghệ Viễn thám và GIS vào nghiên cứu, theo dõi và có thể cảnh báo sớm một số loại thiên tai, sự cố vùng biển của nước ta

Trên thế giới, công nghệ viễn thám trong nghiên cứu biển và đại dương đã được ứng dụng từ rất sớm:

- Tại Trung Quốc công nghệ viễn thám được ứng dụng nghiên cứu hiện tượng thủy triều đỏ đã góp phần quan trọng trong việc cảnh báo thiên tai này (Coastal Environment Remote Sensing in Bohai and Yellow Sea in China -Ling Sun, 2003)

- Tại Mỹ, công nghệ viễn thám được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:

+ Lập bản đồ vùng ven biển : NOAA đã sử dụng công nghệ cảm biến từ xa (chủ yếu là chụp ảnh từ trên không) để khảo sát gần 95.000 dặm bờ biển của Mỹ, cung cấp dữ liệu cho việc sản xuất đồ hải lý và tài liệu tham khảo địa lý cần thiết để quản lý tài nguyên ven biển Khảo sát chụp ảnh trên không được bay vào chu kỳ thay đổi thời gian để cập nhật dữ liệu định kỳ

+ Xác định ranh giới : NOAA sử dụng viễn thám để phân định nghĩa là thấp hơn nước thấp (MLLW) (hoặc MLW ở một số bang) và có nghĩa là nước cao (MHW) đường được sử dụng trong xác định ranh giới Cụ thể là, với ảnh hồng ngoại màu đen và trắng cung cấp một sự tương phản sắc nét giữa nước và đất đai đặc biệt là dọc theo các khu vực bờ biển dốc Các vị trí chính xác của ranh giới bờ biển là vô cùng quan trọng bởi vì nó là ranh giới định nghĩa nhà nước, tư nhân, và quyền sở hữu của liên bang

+ Lập bản đồ vùng đất ngập nước ven biển : Lập bản đồ và giám sát các vùng đất ngập nước trong khu vực rộng lớn là nhờ có sử dụng từ xa, cảm nhận hình ảnh Phân tích hình ảnh SAR đa thời vụ, kết hợp với vệ tinh và nắm giữ các dữ liệu khác, với mục đích đánh giá khả năng mô tả đặc điểm cải tiến và phân định vùng đất ngập nước

+ Lập bản đồ đáy : dự án lập bản đồ đáy của NOAA Trọng tâm của dự án là tài nguyên sinh vật ở gần cửa sông ven bờ và môi trường biển bao gồm tảo biển, rạn san hô, các vùng đáy cứng, giường, đồ biển, và các cộng đồng tảo của chương trình thiết lập một cơ sở dữ liệu liên tục và nhất quán của dữ liệu quốc gia ven biển sống

ở đáy vào tài liệu và các xu hướng thay đổi theo thời gian Dự án này dựa chủ yếu vào độ phân giải cao chụp ảnh trên không và số liệu quan trắc để xây dựng cơ sở dữ liệu quốc gia [5]

+ Thành lập các bản đồ được sử dụng để giám sát công trình ven biển, theo dõi chất nền ven biển, và hỗ trợ bảo vệ bờ biển, quản lý tài nguyên và khai thác

1.1.2 Các loại ảnh viễn thám ứng dụng nghiên cứu biển và đại dương

1.1.2.1 Ảnh MODIS và các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS

Từ khi vệ tinh OrbView-2 được phóng lên quỹ đạo mang theo đầu thu chụp SeaWiFS vào năm 1997, ảnh của nó đã được ứng dụng để quan sát bề mặt đại dương Các dữ liệu được phân tích từ ảnh sử dụng để nghiên cứu biển và đại dương như năng suất sơ cấp, địa hóa sinh, nguồn dinh dưỡng và hiện tượng tảo độc trong đại dương

Các thế hệ vệ tinh tiếp theo được phóng lên sau đó (TERRA, AQUA, ENVISAT, NOAA ) đã chứng minh sự thành công của loạt vệ tinh quan sát trái đất, giúp cho các nhà khoa học nghiên cứu và theo dõi sự thay đổi của khí hậu trên hành tinh Vệ tinh NOAA có thể đo đạc SST (Sea Surface Temperature) tuy nhiên NOAA không đo đạc trực tiếp được Chlorophyll-a vì vậy đề tài sử dụng MODIS

TERRA là một vệ tinh quốc tế, có sự tham gia của các cơ quan nghiên cứu hàng không vũ trụ Canada, Nhật Bản và Mỹ, được phóng lên quỹ đạo ngày 18/9/1999 Vệ tinh hoạt động ở độ cao 705 km, thu nhận dữ liệu khi bay từ phía Bắc xuống phía Nam, qua xích đạo vào buổi sáng theo giờ địa phương, với mục đích quan sát rõ bề mặt trái đất ở thời điểm ít mây nhất [12]

AQUA là vệ tinh được thiết kế tiếp theo TERRA, AQUA là một phần trong

Hệ thống quan sát trái đất (EOS) - Chương trình vệ tinh quan sát trái đất quốc tế do

Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) tiến hành Vệ tinh AQUA được phóng vào quỹ đạo ngày 4-5-2002, thu thập nguồn dữ liệu đa dạng toàn cầu Hoạt động ở quỹ đạo cận cực, độ cao 700 km, thời gian vòng quanh quỹ đạo 98,8 phút, theo hướng bay lên qua xích đạo lúc 1h30 chiều, theo hướng bay xuống qua xích đạo lúc 1h30 sáng theo giờ địa phương Nó cho phép thu nhận dữ liệu vào khoảng thời gian trưa 1h30 bổ sung với dữ liệu buổi sáng 10h30 của vệ tinh TERRA Với mục đích thu nhận dữ liệu có độ khác biệt trong ngày (sáng/chiều), vệ tinh AQUA và TERRA còn được gọi là vệ tinh EOS-PM và EOS-AM [12]

Bộ cảm biến MODIS (đặt trên vệ tinh TERRA và AQUA) được thiết kế để thu thập nhiều loại thông tin khác nhau trong quá trình sinh học và vật lý của khí quyển và trái đất bằng các thông số đo đạc trong dải phổ nhìn thấy và hồng ngoại,

MODIS quan tâm tới khoảng phổ rộng và nhiều mục tiêu hơn [6] Ví dụ, MODIS thu nhận thông tin về nhiệt độ và độ ẩm của khí quyển, mây và đặc tính của mây, đặc tính của bụi khí quyển, nhiệt độ bề mặt nước biển và bề mặt lục địa, màu đại dương, vật chất lơ lửng trong đại dương, sự phát quang của chlorophyll, 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, độ dầy và sự phân bố của tuyết trên lục địa, nhiệt độ bề mặt và phân bố của băng trên đại dương Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS:

Đặc tính của vệ tinh TERRA và AQUA mang bộ cảm biến MODIS

Đặc điểm vệ tinh TERRA

Vệ tinh TERRA (hay còn gọi là vệ tinh EOS-AM) được phóng vào 18/12/1999, có quỹ đạo đồng bộ mặt trời, mang các bộ cảm biến như:

 Aster (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer – bức xạ kế đo bức xạ phản xạ và phát xạ nhiệt)

 Ceres (Clouds and the Earth’s Radiant Energy System - hệ thống đo mây

và năng lượng bức xạ trái đất)

 Misr (Multi-angle Imaging Spectroradiometer –phổ kế chụp ảnh đa góc)

 MODIS (Moderate Resolution Spectroradiometer – phổ kế có độ phân giải trung bình)

 Mopitt (Measurements of Pollution in the Troposphere – đo mức độ ô nhiễm của tầng đối lưu)

Vệ tinh TERRA được bay ở độ cao 720 km Vệ tinh TERRA ban ngày đi từ

Bắc xuống Nam, qua xích đạo khoảng 10h30’ giờ địa phương, ban đêm thì bay ngược lại từ Nam lên Bắc qua xích đạo khoảng 22h30’ giờ địa phương Thời gian bay hết một vòng trái đất là 1h40’

Hình 1.1 Vệ tinh TERRA (nguồn ISPRS Tutorial)

Hình 1.2 Quỹ đạo bay của vệ tinh TERRA (Nguồn http://rapidfire.sci.gsfc.nasa.gov/realtime/)

Hình 1.2 là quỹ đạo bay của vệ tinh TERRA trong 1 ngày đêm vào ngày 12/10/2006 Trên hình thể hiện thời điểm mà vệ tinh TERRA bay qua

Đặc điểm của bộ cảm biến MODIS- TERRA:

MODIS là một bộ cảm biến chủ yếu của vệ tinh TERRA Bộ cảm biến có độ rộng của dải quét là 2330km, chiều dài 10km, góc chụp là 55o Bộ cảm biến MODIS quét gần hết trái đất trong 1 ngày đêm trừ một số dải hẹp vùng xích đạo (Hình 1.) Các dải này được phủ hết vào ngày hôm sau

Nếu thu nhận dữ liệu ảnh vào ban ngày thì được 36 kênh phổ, nhưng nếu ban đêm chỉ thu nhận được băng hồng ngoại nhiệt (từ kênh phổ 20 đến 36)

Ảnh vệ tinh thu nhận dạng 12 bit có 36 kênh phổ theo Bảng 1.1

Hình 1.3 Dữ liệu ảnh vệ tinh thu nhận vào ngày 16/11/2002, những dải sọc trắng

không có dữ liệu sẽ được phủ vào ngày hôm sau

(Nguồn http://daac.gsfc.nasa.gov/MODIS/gallery/) Bảng 1.1 Bảng thông số phổ của ảnh vệ tinh MODIS

25 4.482 - 4.549 µm 1000 Mây li ti

Các mức độ xử lý của ảnh vệ tinh MODIS:

- L0: cấp độ thô nhất, dữ liệu được thu trực tiếp từ vệ tinh

- L1A: được tạo ra khi mở dữ liệu (giải nén L0), có kèm theo thông số định chuẩn bức xạ, địa lý

Đặc điểm trạm thu ảnh MODIS tại Viện Vật Lý và Điện Tử

Hình 1.4 Trạm đo ảnh MODIS của Viện Vật Lý và Điện Tử

(Nguồn www.iop.vast.ac.vn/Mod /)

Trạm thu nhận ảnh của Viện Vật Lý và Điện từ bao gồm một Ăngten parabol

và thiết bị giải mã EOS-SCANEX

Ăngten parabol có 2 trục quay đồng bộ, đường kính 2.8m, trọng lượng 180kg, tần số 912,5 MHz ± 300Hz và có tốc độ thu nhận ảnh là 13.20 Mbps

Tổ hợp thiết bị EOS-SCANEX được thiết kế dựa trên việc hoạt động dựa trên tiêu chuẩn của PC, người sử dụng có thể tự điều khiển trạm Nhằm nâng cao tính bảo mật của dữ liệu thu phát, dòng dữ liệu được mã hóa theo tiêu chuẩn Reed-Solomon và Viterbi Việc giải mã được tiến hành trong phần cứng của trạm thu EOS-SCANEX Công đoạn mở và lưu trữ dữ liệu ảnh được vệ tinh truyền về được

thực hiện bằng phần mềm Scannex Dữ liệu được giải mã đơn giản được lưu trữ mức L1B

Trạm thu Eos-Scanex đặt tại Viện Vật Lý và Điện Tử thu nhận dữ liệu từ vệ tinh TERRA, ảnh MODIS ở chế độ truyền trực tiếp Ngoài ra trạm có khả năng thu được ảnh của các vệ tinh độ phân giải cao của Liên bang Nga

Khoảng cách liên kết giữa vệ tinh TERRA và trạm là 2575km ứng với góc thiên đỉnh tại trạm thu là 5o

và khoảng cách liên kết là 3082km tương ứng với góc thiên đỉnh là 64o Khoảng thu cho chất lượng ảnh tốt nhất là ứng với góc thiên đỉnh

Vệ tinh AQUA mang bộ cảm biến MODIS

Đặc điểm vệ tinh AQUA

Vệ tinh AQUA (hay còn gọi là EOS PM) được phóng lên không gian vào ngày 4/5/2002, với quỹ đạo đồng bộ với mặt trời

AQUA tiếng Latin có nghĩa là “Nước”, do cơ quan nghiên cứu NASA đặt tên do vệ tinh này thu nhận nhiều thông tin về sự luân chuyển của nước trên trái đất, hơi nước từ mặt nước biển, hơi nước trong khí quyển, mây, mưa, cấu tạo đất, băng

đá ở biển, băng đá ở đất liền và tuyết ở biển và đất liền Ngoài ra vệ tinh AQUA còn

đo được năng lượng phản xạ của thực vật, dòng chảy phủ trên mặt đất; chất hóa học hòa tan, phiêu sinh thực vật trong nước biển, không khí, đất; và nhiệt độ của nước

Vệ tinh AQUA mang 6 bộ cảm biến như sau:

1 AIRS (Atmospheric Infrared Sounder)

2 AMSU-A

3 MODIS (Moderate Resolution Spectroradiometer)

HSB (Humidity Sounder for Brazil)

4 AMSR-E (Advanced Microwave Scanning

Radiometer for EOS)

5 CERES (Earth's Radiant Energy System)

Vệ tinh bay ở độ cao 705km, góc quét là 98.2o Vệ tinh AQUA bay từ Bắc xuống Nam qua xích đạo khoảng 13h30’

Hình 1.5 Vệ tinh AQUA và các bộ cảm biến (Nguồn: http://aqua.nasa.gov/)

Hình 1.6 Quỹ đạo bay của vệ tinh AQUA (Nguồn http://rapidfire.sci.gsfc.nasa.gov/realtime/)

Hình 1.6 là quỹ đạo bay của vệ tinh AQUA trong 1 ngày đêm vào ngày 12/10/2006 Trên hình thể hiện thời điểm mà vệ tinh AQUA bay qua

Đặc điểm của bộ cảm biến MODIS- AQUA

Bộ cảm biến MODIS ở vệ tinh AQUA có số kênh phổ tương tự như MODIS của vệ tinh TERRA Tuy nhiên MODIS-AQUA có những khác biệt:

- Do khiếm khuyết của MODIS-AQUA nên kênh phổ 5 (1.23 – 1.25 m), 6 (1.628 – 1.652 m) bị lỗi sọc trên ảnh

- Hiện tượng dòng điện từ ít xen vào kênh phổ hồng ngoại bước sóng ngắn hơn

- Tính được nhiệt độ bề mặt biển bằng kênh 31, 32 tốt hơn

Bảng 1.2 Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS

1 Quỹ đạo

- Độ cao bay chụp: 705 km

- Thời điểm chụp trong ngày:

+ 10.15 am, descending (TERRA) + 1.30 PM, ascending (AQUA)

- Quỹ đạo đồng bộ mặt trời, cận cực

Bảng 1.3 Một số vệ tinh và đầu thu sử dụng trong quan trắc môi trường

Bộ cảm biến Cơ quan

quản lý

Vệ tinh Ngày hoạt

động/ kết thúc

Độ phân giải (m)

Số lượng kênh phổ

Khoảng phổ (nm)

(USA)

Nimbus-7 (USA)

22/06/88

01/07/97

01/07/97

(German) (India)

SeaWIFS NASA

(USA)

Orbview2 (USA)

MODIS

Terra

NASA (USA)

Terra (USA)

(Europe)

Envisat (Europe)

01/03/02 300/1200 15 412-1050

MODIS

Aqua

NASA (USA)

15/09/02

01/12/03

25/10/03

25/10/03

1.1.2.3 So sánh một số đặc tính kỹ thuật của ảnh vệ tinh MODIS với ảnh vệ tinh MERIS

Vệ tinh ENVISAT và đầu thu MERIS

Vệ tinh ENVISAT được thiết kế với mục đích quan trắc môi trường trái đất

và bầu khí quyển Vệ tinh ENVISAT được phóng vào ngày 1 tháng 3 năm 2002 trên tên lửa đẩy Ariane 5 vào quỹ đạo đồng bộ mặt trời

Các thuộc tính kỹ thuật của vệ tinh được nêu trong bảng 1.4

Bảng 1.4 Các thông số tính kỹ thuật của vệ tinh ENVISAT

Các thông số Thuộc tính kỹ thuật

Thời gian quay quanh quỹ đạo

101 phút Thời gian lặp quỹ đạo 35 ngày Thời gian qua xích đạo 10:30

Máy thu ảnh MERIS là loại máy đo phổ độ phân giải trung bình được lắp đặt trên vệ tinh ENVISAT có khả năng ghi nhận năng lượng mặt trời phản xạ từ trái đất trong khoảng bước sóng nhìn thấy được và cận hồng ngoại :

Các thuộc tính kỹ thuật của ảnh MERIS: Ảnh MERIS là ảnh vệ tinh đa phổ

có độ phân dải trung bình được chụp dưới dạng quét bề mặt trái đất Dữ liệu thu thập được lưu trữ trên 15 kênh phổ trong khoảng bước sóng từ 390 nm đến 1040

nm Dữ liệu thu được của ảnh MERIS được sử dụng để thu thập các thông tin sau đây :

Thông số màu của nước biển xa bờ như chất diệp lục trong nước biển và các thông số của nước biển ven bờ như hàm lượng chất diệp lục, hàm lượng các chất hữu cơ hòa tan, hàm lượng vật thể lửng dạng rắn;

Tính chất của mây như áp suất khí quyển, độ dày quang học của khí quyển (optical thickness);

- Hiện trạng thực phủ và tính chỉ số đại diện cho tính chất của lớp phủ thực vật để theo dõi độ màu mỡ của thực vật;

- Thông số của khí quyển như aerosol optical thickness, dạng aerosol, và cột hơi nước

Thuộc tính kỹ thuật của dữ liệu ảnh MERIS

Dữ liệu ảnh MERIS có một số thuộc tính kỹ thuật như sau:

- Trường nhìn vuông góc với hướng bay;

- Độ phân giải thấp (RR): 1040 m theo hướng vuông góc với hướng bay và

1160 m theo hướng bay (độ phân giải này thu được từ khối 16 điểm ảnh của độ phân giải cao);

- Độ dài tối đa một ảnh là 43,5 phút tương đương với chiều dài 17400 km Chiều dài bước sóng tại tâm của 15 kênh phổ và một số ứng dụng của các kênh phổ được ghi trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Thuộc tính phổ của ảnh MERIS

Kênh

phổ

Bước sóng

trung bình (nm)

Độ rộng dải phổ (nm)

Sự khác biệt giữa ảnh MERIS và MODIS được mô tả trong bảng 1.6

Bảng 1.6 So sánh các thuộc tính kỹ thuật của ảnh MERIS và MODIS

Độ rộng dải phổ không gian 300m, 1000 m 250 m, 500 m, 1000 m

Ta có thể thấy ảnh MERIS và MODIS đều là loại ảnh có độ phân giải trung bình với mục đích giám sát môi trường Đây đều là loại ảnh được chụp trên quỹ đạo cực đồng bộ mặt trời Tuy nhiên hai loại ảnh này có một số các khác biệt cơ bản như sau:

Về mặt hình học, ảnh MERIS có khả năng cho độ phân giải hình học 300 m trên toàn bộ 15 kênh phổ, trong khi đó ảnh MODIS có thể cho ảnh có độ phân giải cao (250 m) với hai kênh đầu ở dải sóng nhìn thấy, còn lại 5 kênh tiếp theo có độ

phân giải 500 m và 29 kênh tiếp theo với độ phân giải 1000 m Trường nhìn của ảnh MERIS là khá nhỏ (680 đơn vị) nếu so với trường nhìn của ảnh MODIS (1100 đơn vị) Góc nhìn rộng của ảnh MODIS tạo sự khác biệt giữa độ phân giải của các điểm ảnh tại rìa dải quét với điểm ở vị trí đáy ảnh là khoảng 3 lần trong khi đó sự khác biệt này đối với ảnh MERIS chỉ là khoảng 1,5 lần Việc sử dụng phương pháp quét ảnh tuyến tính cũng tạo điều kiện cho ảnh MERIS có khả năng liên kết hình học ổn định hơn nếu so với ảnh MODIS

Ảnh MODIS có tất cả 36 kênh phổ có độ rộng dải phổ trải dài từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại sóng dài tạo khả năng ứng dụng của ảnh MODIS có khả năng quan trắc nhiệt độ bề mặt trái đất và nhiều các ứng dụng khác trong vùng phổ hồng ngoại sóng ngắn, hồng ngoại sóng trung và hồng ngoại sóng dài , ví dụ như quan trắc nhiệt độ của trái đất, nhiệt độ của bề mặt mây Trong khi đó, ảnh MERIS chỉ có 15 kênh phổ với độ rộng dải phổ từ dải sóng nhìn thấy tới cận hồng ngoại Tuy nhiên, ảnh MERIS có độ rộng dải phổ 10 nm là tốt hơn đáng kể nếu so với độ rộng dải phổ của ảnh MODIS là 20 nm Điều này tạo điều kiện cho ảnh MERIS có khả năng quan trắc tốt các chỉ số môi trường mà nó có khả năng theo dõi

Với việc sử dụng kênh hồng ngoại nhiệt cho phép ảnh MODIS có khả năng quan trắc bề mặt trái đất cả ban ngày cũng như đêm, cùng với độ rộng dải quét lớn hơn đáng kể (2330 km) so với ảnh MERIS (1165 km) và hai máy chụp ảnh lắp đặt trên vệ tinh TERRA và AQUA, khả năng chụp lặp của ảnh MODIS là tốt hơn rất nhiều (1 đến 2 ngày) nếu so với ảnh MERIS (3 ngày) Với việc chụp ảnh vào hai thời điểm trong ngày(10 giờ 30 với vệ tinh TERRA và 13 giờ 30 với vệ tinh AQUA) ảnh MODIS có thể quan trắc các thông số môi trường trái đất vào các thời điểm khác nhau trong ngày cũng như đêm Ảnh MODIS cho phép tải tự do trên internet do đó giá thành chi phí thấp Do đó, đề tài đã lựa chọn sử dụng ảnh MODIS

+ Chlorophyll phải hấp thụ các bước sóng khác để thu năng lượng

Phần lớn các lọai chlorophyll hấp thụ các màu của ánh sáng trắng trừ lục để dùng cho quang hợp Việc thu năng lượng này nhờ vào cấu trúc phức tạp của màng thylakoid, mà chlorophyll là chất lõi của trung tâm quang hợp

- Chlorophyll a là phổ biến hơn và đóng vai trò chủ yếu Nó gồm 4 vòng pirol kết lại gọi là tetrapirolic ở giữa là ion Mg++ và đuôi kị nước dài

- Chlorophyll a CT đơn giản: C55 H72 O5 N4 Mg

- Chlorophyll b CT đơn giản: C55 H70 O6 N4 Mg

Hình 1.7 Phân tử Chlorophyll

1.2.2 Chlorophyll-a trong nghiên cứu ô nhiễm môi trường biển

Nước và các chất trong nước luôn thay đổi Sự thay đổi của nước là do ảnh hưởng của nguồn nước sạnh chảy từ lục địa và của nguồn nước mặn trong biển Môi trường nước biển là một trong 3 hợp phần môi trường được quan tâm: nước, trầm

tích và sinh vật Có nhiều chỉ tiêu được đo đạc để quan trắc môi trường nước, chlorophyll-a cũng là một trong các chỉ tiêu mà các nhà nghiên cứu môi trường nước quan tâm Chlorophyll-a được đo đạc để đánh giá sự phong phú về sinh vật phù du có trong môi trường nước, nhiều chlorophyll-a chỉ thị sự phong phú của sinh vật phù du trong nước

Lượng chlorophyll-a có thể đo được bằng các cách khác nhau Các mẫu nước

có chứa chlorophyll được cho vào lớp lưới lọc đặc biệt ta thu được lượng chlorophyll-a trong lớp lưới, lớp lưới này được nhúng vào dung dịch a-xê-tôn, thiết

bị đo huỳnh quang hoặc thiết bị đo phổ được dùng để đọc lượng ánh sáng truyền qua lưới ở độ dài bước sóng ánh sáng nhất định và lượng ánh sáng này được sử dụng để tính toán hàm lượng chlorophyll-a

Chlorophyll-a cũng có thể đo đạc được bằng phương pháp viễn thám, thông qua vệ tinh Vệ tinh đo đạc mầu của nước biển để xác định lượng chlorophyll-a có trong nước Nước biển thường là có mầu xanh lơ, khả năng của vệ tinh có thể phát hiện được sự thay đổi rất nhỏ về mầu sắc của nước biển cho kết quả là hàm lượng chlorophyll-a có trong tảo Việc đo đạc bằng vệ tinh cần có sự so sánh với kết quả

đo đạc thực địa để hiệu chỉnh dữ liệu đo đạc từ vệ tinh

Xác định chlorophyll-a trong nước biển từ ảnh vệ tinh cho phép nhìn tổng quát khu vực rộng lớn của đại dương tại cùng một thời điểm, điều mà đo đạc bằng thiết bị đo gắn trên tàu hoặc phao biển không có được thông tin như vậy Tuy nhiên,

dữ liệu đo đạc bằng tàu hoặc phao biển có thể thực hiện đo đạc sâu trong lòng nước

và đo đạc nhiều thông số khác nhau cùng một thời điểm với độ chính xác cao và đáp ứng cho yêu cầu khảo sát khu vực hẹp Việc kết hợp với dữ liệu quan trắc đo đạc thực địa sẽ tăng thêm độ chính xác và độ tin cậy của phương pháp sử dụng ảnh

vệ tinh

1.2.3 Chlorophyll-a từ dữ liệu vệ tinh MODIS

1.2.3.1 Thuật toán tính toán Chlorophyll-a từ dữ liệu vệ tinh MODIS

Các thuật toán được sử dụng để tính toán dữ liệu Chlorophyll-a là các hàm số

đa thức, dựa trên tỷ số của các kênh phổ của ảnh viễn thám trong dải phổ blue và

dải phổ green Trong môi trường nước, khi chlorophyll tập trung cao thì lượng hấp thụ ánh sáng blue cao hơn rất nhiều so với lượng hấp thụ ánh sáng green, vì vậy tỷ

số giữa kênh blue/green thu được giảm Có rất nhiều phương trình toán học được sử dụng để mô tả mối quan hệ này Công thức và các hệ số của phương trình được xác định bằng cách xây dựng mô hình hóa quang-sinh (bio-optical) và kinh nghiệm thực nghiệm nhằm tìm ra mô hình thích hợp giữa các giá trị trên các kênh ảnh thu được

và giá trị đo đạc quan trắc thực địa Các thuật toán có tính áp dụng cho toàn cầu được mô hình hóa phù hợp với các giá trị quan trắc đa dạng ở một số vùng biển khác nhau và được giả định áp dụng cho toàn bộ các khu vực biển trong tất cả thời gian trong năm

Thuật toán OC3M

Thuật toán OC3M được sử dụng để tính toán giá trị chlorophyll-a từ ảnh MODIS (còn gọi là chl_Modis), thuật toán sử dụng 3 kênh phổ ở dải sóng 443, 488,

551 nm [8]

Trong đó: Ca: hàm lượng diệp lục trong nước biển (mg/l)

R443, R488, R551 là giá trị bức xạ của kênh phổ 443µm, 488µm, 551 µm (W/str/ µm/m2) [13]

Bảng 1.7 Các kênh phổ MODIS sử dựng tính toán

hàm lượng diệp lục trong nước biển

10

log

R

R R

R

10 0

a

C = 0.283 - 2.753R + 1.457R 2 + 0.659 R 3 - 1.403 R 4

1.2.3.2 Quy trình xử lý Chl-a từ ảnh MODIS (ví dụ sử dụng phần mềm SeaDAS)

Hình 1.8 Quy trình xử lý Chl-a từ ảnh MODIS

Xuất tập tin HDF)

Nhập vào phần mềm

ENVI

Hiệu chỉnh và xuất dữ liệu trên phần mềm ENVI

Xử lý mức 1B

(modis_l1bgen)

Level 1A Geo file

Xử lý mức 2 (msl12)

Dữ liệu dự báo khí

tượng và ozone

(msl12)

Dữ liệu chính xác khí tượng và ozone

Các bước xử lý ảnh trên

phần mềm SeaDAS

Nắn chỉnh hình học (Georeference Modis)

Hiệu chỉnh theo dữ liệu thực địa (lựa chọn) Quản lý dữ liệu trong GIS Trình bày bản đồ

Khôi phục các giá trị SST và Chl-a

Xử lý mức 1A

Chương trình MOD_PR01 xử lý dữ liệu MODIS từ mức 0 được xử lý về mức 1A do nhóm SDST phát triển (MODIS Science Data Support Team) Trong

phần mềm SeaDAS, chương trình này được gọi là modis_l1agen Để giảm bớt

dung lượng của dữ liệu, sản phẩm sau khi được xử lý đã loại bỏ những kênh phổ không sử dụng trong nghiên cứu biển Sản phẩm theo tiêu chuẩn MODIS ở mức 1A với đầy đủ các kênh ảnh là 575 MB (215 MB sau khi được nén)

LUT file là giá trị cải chính thiết bị, dữ liệu này được phân tích từ các đo đạc

về khuếch tán tia mặt trời đối với đầu thu chụp, từ các quan sát mặt trăng và từ các đèn cảm nhận đặt trên vệ tinh Chương trình tự động sử dụng LUT mặc định xây dựng cho từng vệ tinh

Xử lý mức 2

Xử lý mức 2 bao gồm hiệu chỉnh các ảnh hưởng của khí quyển và tính toán giá trị quang sinh (chlorophyll-a, SST ) bằng các thuật toán đã được NASA xây dựng

CHƯƠNG 2 KHU VỰC NGHIÊN CỨU CÀ MAU 2.1 Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên khu vực Cà Mau

2.1.1 Vị trí địa lý và địa hình

Cà Mau là tỉnh cực Nam của Việt Nam, nằm cách thành phố Hồ Chí Minh 350

km, cách Cần Thơ 180 km về phía Nam Phía Bắc giáp tỉnh Bạc Liêu & Kiên Giang, ba hướng còn lại đều tiếp giáp với biển Vùng biển chủ quyền của Việt Nam thuộc tỉnh Cà Mau có diện tích khoảng 100.000 km2, trong đó có nhiều đảo như Hòn đá Bạc (Trần Văn Thời), Hòn Chuối, Hòn Buông (Cái Nước) thuộc Biển Tây; Hòn Khoai (Ngọc Hiển) thuộc Biển Đông Hòn Khoai là một cụm đảo gồm 4 đảo là đảo Đồi Mồi, Hòn Sao, Hòn Gò và lớn nhất là Hòn Khoai Cà Mau nối với các tỉnh khu vực đồng bằng Sông Cửu Long và TP Hồ Chí Minh bằng cả ba hệ thống giao thông: Đường bộ, đường sông, đường hàng không nên rất thuận lợi về mặt giao thương

Hình 2.1 Bản đồ hành chính tỉnh Cà Mau

Tỉnh Cà Mau có 9 đơn vị hành chính cấp huyện, gồm 1 thành phố (TP Cà Mau) và 8 huyện (Đầm Dơi, Ngọc Hiển, Cái Nước, Trần Văn Thời, U Minh, Thới Bình, Năm Căn và Phú Tân) Với tổng diện tích 5.211 km², Cà Mau có khoảng 100.600 ha rừng, 130.513 ha ruộng lúa, 33.591 ha cây công nghiệp, 8.334 ha vườn, 204.381 ha nuôi thủy sản Bờ biển phía tây của tỉnh giáp vịnh Thái Lan dài 145 km;

bờ phía đông giáp biển Đông dài 104 km [3,4]

Nằm xa đới bồi tụ trực tiếp và thường xuyên của sông Cửu Long nên Cà Mau

có địa hình thấp Phần lớn lãnh thổ Cà Mau thuộc đồng bằng thấp, khá bằng phẳng,

có độ cao từ 0,5 m – 1,5 m Hướng địa hình nghiêng dần từ Bắc xuống Nam, từ Đông Bắc xuống Tây Nam Những vùng trũng cục bộ Thới Bình, Cà Mau nối liền với Hồng Dân, Giá Rai (thuộc tỉnh Bạc Liêu) thuộc vùng trũng trung tâm bán đảo

Cà Mau, quan hệ với địa hình lòng sông cổ Những ô trũng U Minh, Trần Văn Thời

là những vùng trũng treo nội địa được giới hạn bởi đê tự nhiên của các dòng sông Ông Đốc, sông Cái Tàu, sông Trẹm và gờ đất cao ven Biển Tây Con người thông qua hoạt động sản xuất cũng tác động rất lớn tới địa hình tự nhiên của tỉnh Hàng trăm km kênh mương, đường xá với hàng triệu mét khối đất được đào trong nhiều thế hệ đã làm thay đổi đáng kể hình dạng bề mặt đồng bằng

C

Chế độ gió thịnh hành theo mùa Mùa khô hướng gió thịnh hành theo hướng đông bắc và đông, với vận tốc gió trung bình khoảng 1,6 - 2,8m/s Mùa mưa gió thịnh hành theo hướng tây nam hoặc tây, với tốc độ gió trung bình 1,8 - 4,5m/s Vào mùa mưa, thỉnh thoảng có giông hay lốc xoáy lên đến cấp 7 - cấp 8 Cà Mau ít bị

ảnh hưởng của bão, cơn bão số 5 đổ bộ vào Cà Mau cuối năm 1997 là một hiện tượng đặc biệt sau gần 100 năm qua ở đồng bằng sông Cửu Long

2.1.2.1 Nhiệt độ không khí

Khí hậu tỉnh Cà Mau mang đặc trưng của khí hậu nhiệt đới gió mùa cận xích đạo Nhiệt độ trung bình năm vào khoảng 26,50C, nhiệt độ trung bình cao nhất trong năm vào tháng 4 khoảng 27,60C, nhiệt độ trung bình thấp nhất vào tháng 1 khoảng

250C, biên độ nhiệt độ trung bình trong 1 năm là 2,70

C

Nhiệt độ của các mùa không khác nhau nhiều Bảng 2.1 trình bày nhiệt độ trung bình tháng tại hai trạm Rạch Giá và Phú Quốc Có thể thấy nhiệt độ trung bình vào tháng I (mùa đông) chỉ thấp hơn nhiệt độ tháng VII (mùa hè) là 1,4 độ

Bảng 2.1 Nhiệt độ trung bình tại một số trạm trong khu vực

2.1.2.3 Gió

Cấp gió quanh năm chủ yếu là vừa và nhỏ, tốc độ gió trung bình khoảng 3 m/s Tốc độ gió trung bình tháng thấp nhất vào tháng giêng (khoảng 2 m/s) và lớn nhất là mùa hè (khoảng 4,2 m/s)

Về mùa đông hướng gió thịnh hành đông và đông bắc, tổng tần suất hai hướng gió này chiếm khoảng 70% Gió mạnh nhất vào mùa đông là gió đông bắc từ 6-10m/s, tần suất xuất hiện là 8-10% và thời gian lặng gió khoảng 10-11% Các