Nghiên cứu ứng duụng ảnh vệ tinh để xác định nhiệt đo và hàm lượng chlorophyll bề mặt nước biển

Bộ GIáO DụC ĐàO TạO TRƯờNG ĐạI HọC Mỏ - ĐịA CHấT Lê Quang Minh NGHIÊN CứU ứNG DụNG ảNH Vệ TINH Để XáC ĐịNH NHIệT Độ Và HàM LƯợNG CHLOROPHYLL Bề MặT NƯớC BIểN Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hà nội - 2013 Bộ GIáO DụC ĐàO TạO TRƯờNG ĐạI HọC Mỏ - ĐịA CHấT Lê Quang Minh NGHIÊN CứU ứNG DụNG ảNH Vệ TINH Để XáC ĐịNH NHIệT Độ Và HàM LƯợNG CHLOROPHYLL Bề MặT NƯớC BIểN Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám hệ thống thông tin địa lý Mà số: 60.44.76 Luận văn th¹c sÜ kü tht Ng­êi h­íng dÉn khoa häc: TS Trần Vân Anh Hà nội - 2013 LờI Cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Lê Quang Minh Mục lục LờI CAM ĐOAN MụC LụC DANH MụC CáC Ký HIệU, CáC CHữ VIếT TắT DANH MụC CáC BảNG DANH MụC CáC HìNH Vẽ, Đồ THị Mở ĐầU Chương - Các vấn đề chung 1.1 NhiƯt ®é bỊ mỈt n­íc biĨn 1.1.1 Kh¸i niƯm 1.1.2 Phương pháp đo nhiệt độ nước biển 1.1.3 Vật đen tuyệt đối nhiệt độ phát xạ 1.2 Chlorophyll bỊ mỈt n­íc biĨn 1.2.1 Kh¸i niƯm 1.2.2 Phương pháp đo đạc chlorophyll nước biển 11 1.3 Mét sè dù án quan trắc môi trường biển giới 12 1.3.1 Dù ¸n Gi¸m s¸t Môi trường Biển Châu Âu 12 1.3.2 Dù ¸n CoastWatch 15 1.4 M¹ng lưới quan trắc môi trường biển Việt Nam 17 1.5 Các quan chịu trách nhiệm vấn đề nước biển vùng bờ 18 1.6 Tổng quan phương pháp quan trắc trạm Việt Nam 19 1.7 Mục tiêu, nhiệm vụ thông số quan trắc trạm 20 Chương - ứng dụng tư liệu ảnh viễn thám nghiên cứu môi trường biển 22 2.1 Vệ tinh quan sát môi trường 22 2.1.1 VÖ tinh Terra 22 2.1.2 VÖ tinh Aqua 24 2.1.3 ThiÕt bÞ thu nhËn MODIS 26 2.1.4 HÖ thèng VÖ tinh NOAA 31 2.1.5 VƯ tinh OrbView-2 vµ ®Çu chơp SeaWiFS 32 2.1.6 Bảng tóm tắt số vệ tinh đầu thu chụp sử dụng quan trắc môi trường biÓn 34 2.2 Hấp thụ phản xạ chlorophyll với ánh sáng mặt trời 34 2.3 HiƯu chØnh ¶nh h­ëng cđa khÝ quyÓn 36 2.4 C¸c tht to¸n sư dơng 37 2.4.1 ThuËt to¸n tÝnh to¸n chlorophyll-a 37 2.4.2 Thuật toán tính toán nhiệt độ bỊ mỈt n­íc biĨn 39 2.5 Mét sè hƯ thèng xư lý ¶nh MODIS 41 2.5.1 HÖ thèng IMAPP (International MODIS/AIRS Processing Package) 41 2.5.2 Trạm thu ảnh MODIS Viện Vật lý §iƯn tư 41 2.5.3 Trạm thu ảnh MODIS Cục Kiểm lâm 42 2.5.4 Sư dơng ¶nh MODIS ë ViÖt Nam 43 Chương - xử lý ảnh modis 44 3.1 Xử lý ảnh MODIS tổ hợp phần mềm SCANEX MODIS 44 3.1.1 TiỊn xư lý ¶nh 44 3.1.2 Các kênh phổ MODIS sư dơng 44 3.1.3 Chuyển đổi giá trị vật lý 45 3.1.4 HiƯu chØnh h×nh häc 45 3.1.5 §é chÝnh xác hình học 47 3.1.6 HiƯu chØnh khÝ qun 47 3.1.7 Trích ảnh MODIS theo khu vực nghiên cứu 48 3.1.8 TÝnh to¸n gi¸ trị vật lý phần mềm ENVI 48 3.1.9 Giao diƯn phÇn mỊm ScanEx MODIS Processor 1.7 49 3.2 Xử lý ảnh MODIS SeaWIFS sử dụng phần mềm SeaDAS 5.1 54 3.2.1 Quy tr×nh xư lý 54 3.2.2 Dữ liệu bổ trợ trình xử lý 55 3.2.3 PhÇn mỊm SeaDAS 57 Ch­¬ng - Nghiên cứu đề xuất qui trình tính toán nhiệt độ nước biển SST hàm lượng Chlorophyll-a phục vụ nghiên cứu môi trường biển 63 4.1 §Ị xuất quy trình xử lý SST Chl-a từ ảnh MODIS 63 4.2 Liªn kÕt giá trị quan trắc liệu ảnh 69 4.2.1 Lùa chän thêi ®iĨm 70 4.2.2 Kết so sánh 71 4.3 Xây dựng phương pháp cải liÖu 73 4.3.1 Mơc ®Ých 73 4.3.2 D÷ liƯu 74 4.3.3 Quan hệ Chl-a ảnh MODIS vµ SeaWIFS 76 4.3.4 HiƯu chØnh d÷ liƯu 76 4.4 Quy luËt phân bố dị thường hàm lượng chlorophyll-a 79 4.5 Danh sách ảnh SeaWiFS MODIS sử dụng trong luận văn 80 4.6 Mét sè kÕt qu¶ xư lý ¶nh MODIS (minh häa) 81 KÕt luận kiến nghị 82 Tài liệu tham khảo 84 PHụ LụC Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt ATBD: Algorithms Theorical Basic Document Các thuật toán tính toán giá trị vật lý, ứng dụng cho thiết bị thu nhận vệ tinh quan sát Trái đất ATBD đưa lý thuyết trình vật lý thu nhận, thuật toán ứng dụng để tính toán chuyển đổi giá trị phát xạ thu mà thiết bị thu nhận sang định lượng vật lý Các định lượng vật lý sau sử dụng để nghiên cứu đặc tính Trái đất (khí quyển, bề mặt đất, bề mặt biển ) BT: Brightness Temperature nhệt độ phản xạ Chlorophyll: Chất diệp lục, sắc tố màu xanh có thực vật Cây cối sử dụng chất diệp lục trình quang hợp Chlorophyll-a: Chất diệp lôc nhãm a CZCS: Coastal Zone Color Scanner – ThiÕt bị thu nhận phục vụ mục đích nghiên cứu màu n­íc biĨn DMSP: Defence Meteorological Satellite Program – HƯ thèng vệ tinh khí tượng phục vụ quốc phòng EPTOMS: The Earth Probe Total OZONE MAPPING SPECTROMETER Thiết bị thăm dò đo đạc khí ô-zôn ESA: European Space Agency Cơ quan Nghiên cứu Vũ trụ Châu Âu EOS : Earth Observing System – HƯ thèng quan s¸t Tr¸i ®Êt GEOS: Geostationary Satellite – VƯ tinh ®Þa tÜnh HDF: Hierarchical Data Fomat - Định dạng liệu dạng HDF LWIR: Long wave Infrared Hồng ngoại sóng dài MCST: MODIS Characterization Support Team: Nhãm khoa häc nghiªn cøu đặc tính ảnh MODIS MWIR: Midle- Wave Infrared – Hång ngo¹i sãng trung MCST: MODIS Calibration Support Team Nhóm khoa học nghiên cứu thông số hiệu chØnh ¶nh MODIS MERIS: Medium Resolution Imaging Spectroradiometer – ThiÕt bị thu nhận phổ có độ phân giải trung bình, đặt vệ tinh TERRA AQUA MODIS: Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer – ThiÕt bÞ thu nhËn phỉ cã độ phân giải trung bình, đặt vệ tinh TERRA 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 Đại dương Mỹ Vệ tinh NOAA đặt tên theo quan NOAA/AVHHR: NOAA Advandced Very High Resolution Radiometer Thiết bị thu nhận có độ phân giải cao cđa vƯ tinh NOAA NESDIS: NOAA’s National Environmental Satellite Data and Infomation Service Cơ quan thông tin liƯu vƯ tinh m«i tr­êng NOAA Net Primary Productivity - suất sơ cấp nguyên: Năng lượng hóa học thực vật tích tụ mô sau đà sử dụng phần tổng lượng đồng hóa trình quang hợp OBPG: Ocean Biology Procesing Group Nhóm nghiên cứu xử lý sản phẩm ứng dụng nghiên cứu biển đại dương PDS: Production Data Set Tập liệu MODIS thô POES: Polar – orbiting Operationnal Environmental Satellite – VÖ tinh quan sát môi trường, quỹ đạo cực QuikSCAT: Quick Scatterometer SatelliteThiết bị đo tán xạ nhanh đặt vệ tinh RSMAS: Rosentinel School of Marine and Atmospheric Science, Miami USA Trường Đại học Khoa học Khí Đại dương Miami, Mỹ SAR: Synthetic Aperture Radar - ảnh radar ®é më tỉng hỵp SeaWIFS: Sea – Viewing Wide – Field – of – View Sensor – ThiÕt bÞ thu nhận có trường nhìn rộng, phục vụ nghiên cứu biển đại dương SeaDAS: SeaWIFS Data Analysis System Hệ thống xử lý phân tích ảnh SeaWIFS SST: Sea suface temprature Nhiệt độ bề mặt nước biển, tính toán từ ảnh vệ tinh thông qua sóng phản xạ hồng ngoại nhiệt (sóng ngắn sóng dài) từ bề mặt biển đại dương SST cho biết nhiệt độ lớp nước bề mặt, độ dày khoảng mm SSM/I: Special Sensor Microwave Imager TOA: Top of Atmosphere radiance Phát xạ bề mặt khÝ qun TRMM: Tropical Rainfall Measuring Mission satellite – VƯ tinh phục vụ nghiên cứu vùng nhiệt đới danh mục bảng Bảng 1.1: Các quan chịu trách nhiệm vấn đề nước biển vùng bờ 18 Bảng 2.1: Các đặc tính kỹ thuật ảnh MODIS 30 Bảng 2.2: Các ứng dụng kênh ảnh MODIS 31 Bảng 2.3: Các thông số kỹ thuật đầu thu chụp SeaWiFS 33 Bảng 2.4: Một số vệ tinh đầu thu chụp sử dụng quan trắc môi trường biển 34 Bảng 2.5: Các thuật toán hiệu chỉnh khí đầu thu 36 Bảng 2.6: Các thuật toán tính chlorophyll-a theo đầu thu chơp 38 B¶ng 2.7: HƯ sè sư dơng cho ¶nh MODIS TERRA từ ngày 31/12/2006 40 Bảng 3.1: Các kênh ảnh MODIS sử dụng 45 Bảng 4.1: Kết so sánh hàm lượng chlorophyll-a điểm quan trắc 71 Bảng 4.2: Kết so sánh nhiệt độ bề mặt nước biển điểm quan trắc 72 Bảng 4.3: Các thông tin cặp ảnh SeaWIFS MODIS dùng để khảo sát 74 Bảng 4.4: So sánh giá trị chl-a ảnh MODIS ảnh SeaWIFS ngày 12/7/2003 75 Bảng 4.5: Danh sách ảnh SeaWiFS MODIS sử dụng trong luận văn 80 Phụ lục 4: Các trạm quan trắc môi trường biển Việt Nam (Nguồn: www.nea.gov.vn) Trạm Biển khơi Vị trí Tên trạm Tỉnh thành Kinh độ Vĩ độ Cửa Lục 107.058 20.950 Quảng Ninh Trà Cổ 108.032 21.430 Quảng Ninh Đồ Sơn 106.833 20.716 Tp Hải Phòng Ba Lạt 106.616 20.250 Thái Bình Sầm Sơn 108.883 19.728 Thanh Hóa Cửâ Lò 105.716 18.826 Nghệ An Bạch Long Vĩ 107.725 20.149 Quảng Ninh Tần xuất quan trắc: lần năm , vào tháng 2, 5, 8, 11 Trạm Biển khơi Vị trí Tỉnh thành Kinh độ Vĩ độ Đèo Ngang 106.583 17.916 Quảng Bình Cồn Cỏ 107.333 17.083 Quảng trị Thuận An 107.633 16.583 Thừa Thiên - Huế Đà Nẵng 108.250 16.200 TP Đà Nẵng Dung Quất 108.800 15.483 Quảng NgÃi Sa Huỳnh 109.083 14.666 Quảng NgÃi Quy Nhơn 109.316 13.750 Bình Định Đồng Hới 107.525 17.510 Quảng Bình Tần xuất quan trắc: lần năm, vào tháng 3, 5, 8, 11 Tên trạm Trạm Biển khơi Tên trạm Vị trí Kinh độ Tỉnh thành Vĩ độ Nha Trang 109.222 12.212 Khánh Hòa Cửa Định An 106.348 9.530 Rạch Giá 104.938 10.007 Kiên Giang Phan Thiết 108.110 10.902 Bình Thuận Vũng Tàu 107.030 10.458 Bà Rịa - Vũng Tàu Cà Mau 104.855 8.827 Đảo Phú Quý 108.933 10.566 Trà Vinh Cà Mau Ninh Thuận Tần xuất quan trắc: lần năm, tháng 2, 3, 5, 8, 11 Trạm biển khơi (Vùng biển Đông Nam Bộ) Tần suất quan trắc: lần năm, tháng 4, 5, 10, 11 Trạm biển khơi (Vùng biển Tây Nam Bộ) Tần suất quan trắc: lần năm, tháng 5, 10, 11 Sơ đồ trạm quan trắc phụ lục độ xác hình học ảnh tham chiếu Các thông tin ảnh ảnh Landsat ETM+ dùng để kiểm tra độ xác hình học ảnh MODIS (xử lý phần mềm SeaDAS, ScanEX MODIS) ảnh - ¶nh Landsat ETM+, - Møc xư lý: Trùc ảnh, - Độ phân giải: 28.5 m, - Nguồn gốc: Global Land Cover Facility, - HƯ täa ®é: WGS 1984, l­íi chiÕu UTM/ zone 49 N §iĨm khèng chÕ: Điểm khống chế dùng để kiểm tra độ xác ảnh Landsat ETM+ ảnh MODIS Các điểm khống chế thu thập Trung tâm Thu nhận Xử lý ảnh Viễn thám Điểm đo GPS, đà dùng để sản xuất đồ ảnh SPOT5 phục vụ mục đích chỉnh đồ địa hình tỷ lệ 1/25 000 Kiểm tra hiệu chỉnh hình học Kiểm tra hiệu chỉnh hình học ảnh Landsat ETM+ thực phần mềm GEOVIEW, sai số điểm sau đà hiệu chỉnh hình học sau: Sơ đồ điểm khống chế: Kết Độ xác hình học ảnh Landast ETM+ dùng để làm ảnh tham chiếu có sai số trung bình 37m (cao 85,6m, thÊp nhÊt lµ ± 9,4 m) Phơ lục số Khảo sát độ xác hình học ảnh MODIS Phương pháp ảnh MODIS có độ phân giải thấp (1km), độ phủ rộng nên có độ biến dạng hình học lớn Ngoài biến dạng ảnh hưởng góc chụp điểm ảnh tâm (điểm nadir) điểm ảnh vùng biên đường quét, ảnh MODIS chịu ảnh hưởng lớn độ cong Trái đất (hiệu ứng toàn cảnh) Độ xác hình học ảnh MODIS hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp xử lý hình học ứng dụng lĩnh vực nghiên cứu biển đại dương, liệu (SST chlorophyll) xử lý cho ngày tổng hợp cho tuần, tháng quý, năm Nếu độ xác hình học điểm ảnh giá trị tổng hợp không xác, gây sai lệch tới việc sử dụng liệu sau Phương pháp xử lý lựa chọn ảnh sử dụng thông số quỹ đạo vệ tinh để mô hình hóa trình chụp ảnh, khử sai số biến dạng trình chụp ảnh gây Tuy nhiên, độ xác hình học ảnh sau xử lý phần mềm thương mại có kết khác nhau, phụ thuộc vào phương pháp hiệu chỉnh Vì cần đánh giá độ xác xử lý hình học ảnh trước sử dụng Để khảo sát độ xác hình học ảnh sau xử lý hai hệ thống xử lý ảnh MODIS (ScanEX MODIS SeaDAS), luận văn dựa so sánh điểm nhận dạng rõ ảnh MODIS với kênh ảnh có độ phân giải 250m ảnh tham chiếu đà kiểm tra độ xác hình học ảnh tham chiếu ảnh Landsat ETM+ đà xử lý hình học (trực ảnh), có sai số hình học