CHƯƠNG 2 : CÁC SẢN PHẨM ẢNH VỆ TINH
2.3. Dữ liệu sol khí của AERONET
2.3.1. Giới thiệu về AERONET
AERONET (AErosol RObotic NETwork) là một mạng lưới liên kết các điểm quan trắc trên Trái đất được NASA và PHOTONS thiết lập. Chương trình có sự đóng góp của các cộng tác viên từ các cơ quan, viện nghiên cứu, trường đại học, các nhà khoa học cá nhân và các đối tác quốc gia. Chương trình cung cấp một cơ sở dữ liệu tên miền công cộng lâu dài, liên tục và dễ tiếp cận về các đặc tính quang học, vật lý và bức xạ của sol khí cho nghiên cứu. Hình 1.3 thể hiện mạng lưới các vị trí quan trắc trên thế giới. AERONET cung cấp dữ liệu quan
sát trên toàn cầu về độ dày quang học (AOD). Tại các vị trí quan trắc, các máy đo quang phổ mặt trời của CIMEL đa năng thực hiện phép đo độ phản xạ và bức xạ mặt trời (Hình 2.7), các máy đo thế hệ mới có thể đo vào thời gian ban đêm dựa vào bức xạ ánh sáng mặt trăng. Thiết bị gồm một đầu cảm biến được được gắn vào một robot 40 cm. Robot này tự động cảm ứng và di chuyển đầu cảm biến ở mặt trời hoặc mặt trăng theo một chương trình được lập trình sẵn. Bộ điều khiển và các thiết bị đi kèm được đặt trong một vỏ nhựa có kích thước 30 cm x 62 cm x 46 cm. Trọng lượng tổng thể của máy đo
quang phổ Cimel xấp xỉ 15 kg. Hình 2.8: Thiết bị đo đạc của trạm quan trắc
AERONET
Có hai phép đo cơ bản, hoặc là đo trực tiếp mặt trời (direct sun) hoặc bầu trời (sky). Các phép đo trực tiếp được thực hiện trong tám dải phổ 340, 380, 440, 500, 670, 870, 940 và 1020 nm. Một chuỗi các phép đo được lập trình trước được thực hiện bởi các thiết bị này bắt đầu từ 7 giờ sáng và kết thúc vào khoảng 7 giờ tối. Độ sâu quang
học được tính từ sự suy giảm của chùm tia bức xạ trực tiếp tại mỗi bước sóng dựa trên Luật Beer-Bouguer. Sự suy giảm do tán xạ Rayleigh, sự hấp thụ ozon, và các chất ô nhiễm không khí được ước lượng và loại bỏ để lấy ra độ dày quang học sol khí. Một chuỗi ba phép đo đó được thực hiện cách nhau 30 giây để tạo ra một tập quan sát cho mỗi bước sóng. Các phép đo có khoảng cách thường là 15 phút.
Dữ liệu được truyền đi theo hai cách: truyền qua vệ tinh hoặc truyền qua internet. Truyền qua vệ tinh được thực hiện theo giờ hoặc nửa giờ từ bộ nhớ của bộ vi xử lý qua Hệ thống Thu thập Dữ liệu (DCS) tới một trong ba vệ tinh không đồng bộ GOES, METEOSAT hoặc GMS và sau đó được truyền lại đến trạm tiếp nhận mặt đất thích hợp. Ngoài ra, dữ liệu có thể được tải về tự động và lưu trữ trên máy tính cục bộ. Máy tính này có thể chạy phần mềm để tự động chuyển các tập tin sang hệ thống xử lý AERONET thông qua Internet. Ngoài ra, người dùng có thể tải các tập tin bằng tay sử dụng máy tính hoặc máy tính xách tay và đưa các tệp này vào hệ thống xử lý.
Tại Việt Nam, tháng 10 năm 2005, Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ NASA đã ký biên bản thoả thuận để Việt Nam tham gia trong chương trình AERONET. Hiện nay, các trạm quan trắc đã được đặt các trạm tại khu vực: Bắc Giang, Sơn La, Hà Nội, Bạc Liêu, Nha Trang…
2.3.2. Dữ liệu sol khí từ các trạm AERONET
Dữ liệu từ các trạm quan trắc AERONET được chia làm ba cấp: cấp 1.0, cấp độ 1.5 và cấp 2.0. Dữ liệu cấp 2.0 là đảm bảo chất lượng. Trong đó các sản phẩm được chia thành hai loại: Aerosol Optical Depth (v2,v3) và Aerosol Inversion . Dữ liệu cấp 1.0 cung cấp theo thời gian thực. Sau đó khoảng 12 tháng, dữ liệu cấp 2.0 sẽ được cung cấp trên website AERONET [20].
AERONET cung cấp nhiều sản phẩm dựa trên các thuật toán khác nhau. Luận văn chủ yếu sử dụng loại sản phẩm Aerosol Optical Depth (v2). Có 4 sản phẩm chính trong loại này: AOD với thông số liên quan nước và hệ số Angstrom; Thông tin dụng cụ đo; Tổng độ sâu quang học với tất cả các thành phần; Spectral Deconvolution Algorithm (SDA) phân tích ra các thông số Fine Mode AOD, Coarse Mode AOD, và Fine Mode Fraction. Sol khí trong khí quyển thường có phân bố hai chiều. Các hạt nhỏ hơn có đường kính 0.1 - 0.25 µm được gọi Fine Mode. Các hạt lớn hơn có đường kính 1.0 - 2.5 µm là Coarse Mode. Fine Mode Fraction là tỷ lệ của sol khí Fine Mode so với tổng thể. Đối với mỗi sản phẩm đều có 3 dạng dữ liệu: dữ liệu quan trắc theo thời gian, dữ liệu trung bình ngày, dữ liệu trung bình tháng. Tuỳ từng thời điểm và trạm quan trắc cần lấy dữ liệu, sản phẩm có thể có dữ liệu của cả ba cấp: 1.0, 1.5, 2.0.
Bảng 2.3: Các trường dữ liệu sản phẩm AOD cấp 2.0
STT Trường dữ liệu Mô tả
1 Date(dd-mm-yy) Ngày
2 Time(hh:mm:ss) Thời gian
3 Julian_Day Ngày theo định dạng
Julian 4 AOD tại 1640, 1020, 870, 675, 667, 555, 551, 532, 531,
500, 490, 443, 440, 412, 380, 340 nm
Độ dày quang học sol khí tại 1640 nm
5 Water(cm) Hơi nước
6 AOD tại 1640, 1020, 870, 675, 667, 555, 551, 532, 531, 500, 490, 443, 440, 412, 380, 340 nm
Tỷ lệ biến thể tại 1640 nm
7 %WaterError Tỷ lệ hơi nước
8 Angstrom cho các dải bước sóng , 380-500, 440-675,
500-870, 340-440, 440-675 nm
9 Last_Processing_Date(dd/mm/yyyy) Ngày xử lý
10 Solar_Zenith_Angle Góc so với mặt trời
Có hai phương pháp có thể xem dữ liệu từ các trạm AERONET là xem trực tiếp trên website bằng các công cụ hiển thị hoặc tải dữ liệu về. Dữ liệu tải về là các tệp tin văn bản. Sản phẩm sol khí cấp 2.0 có định dạng gồm dữ liệu nhiều trường, chi tiết các trường dữ liệu được liệt kê trong Bảng 2.4.Trong đó có một số các trường dữ liệu được sử dụng trong luận văn là thời gian, AOD_500 (độ dày quang học sol khí tại 500nm), thông số Angstrom tại dải 440-675 nm sẽ được sử dụng trong luận văn. Dữ liệu độ dày quang học sol khí của sản phẩm được lưu dưới dạng số thực.
3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ
3.1. Mô tả bài toán
Hệ thống các vệ tinh quay quanh Trái đất với độ cao và tần suất khác nhau phục vụ các nhu cầu cho con người. Một số vệ tinh vũ trụ dùng để quan sát các hành tinh xa xôi, thiên hà và các vật thể khác ngoài vũ trụ. Một số vệ tinh Trái đất quan sát các đặc điểm, khí hậu, đất nước trên Trái đất và cung cấp các sản phẩm về khí hậu. Một số vệ tinh phục vụ nhu cầu truyền nhận tín hiệu, quân sự… Vệ tinh Aqua, Terra mang theo bộ cảm biến MODIS và Suomi-NPP mang theo VIIRS là các vệ tinh quan sát Trái đất. Các bộ cảm biến thu nhận và gửi về các dữ liệu liên quan đến khí hậu. Một trong số các thông số mà các vệ tinh thực hiện quan sát là độ dày quang học sol khí (AOD hay AOD).
Dữ liệu AOD từ vệ tinh cung cấp số liệu thường xuyên với độ che phủ lớn nên được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu về sol khí. Tuy nhiên, việc quan sát các thông số sol khí tại vị trí cách xa mặt đất dẫn đến nhiều hiện tượng tác động lên số liệu thu nhận được làm cho số liệu này có tính chính xác kém hơn so với đo trực tiếp từ mặt đất. Để hiệu chỉnh và cải thiện tính chính xác của bộ dữ liệu MODIS, VIIRS cũng như xây dựng cơ sở dữ liệu lâu dài cho nghiên cứu khí hậu, các nhà khoa học thực hiện đánh giá bằng cách sử dụng dữ liệu từ các phép đo AOD tại các trạm mặt đất.
Mặc dù dữ liệu cho các sản phẩm sol khí của VIIRS và MODIS cấp 2 đã được hiệu chỉnh, nhưng vẫn xuất hiện những sai lệch trên từng khu vực khác nhau. Vì vậy, số liệu AOD có thể không chính xác khi sử dụng trong các ứng dụng về giám sát sol khí và nghiên cứu khí hậu. Do vậy, việc thực hiện đánh giá chất lượng của sản phẩm trong khu vực nghiên cứu trước khi đưa vào ứng dụng là vô cùng cần thiết. Đánh giá dựa trên việc tích hợp dữ liệu không gian và thời gian là hướng nghiên cứu phổ biến được áp dụng cho các nguồn dữ liệu AOD từ vệ tinh và AOD từ trạm mặt đất. Bằng cách sử dụng các kết quả đánh giá chất lượng sản phẩm, luận văn có thể đưa ra đặc điểm của AOD trên từng khu vực khác nhau. Đồng thời nâng cao tính chính xác và tăng độ tinh cậy cho ứng dụng khi sử dụng nguồn dữ liệu đầu vào là các sản phẩm sol khí từ vệ tinh.
Nhiều tác giả trên thế giới và trong nước đã thực hiện đánh giá các sản phẩm ảnh sol khí của MODIS hay VIIRS trên phạm vi toàn thế giới, một khu vực nhất định hay một quốc gia… Tại khu vực Đông Nam Á có nhiều đánh giá về AOD từ các trạm AERONET hoặc đánh giá về AOD từ MODIS cho sản phẩm 10km hay đánh giá về giải thuật của sản phẩm MODIS 3 km… Tại Việt Nam, đã có tác giả thực hiện đánh giá AOD của sản phẩm MODIS 10km kết hợp với sản phẩm VIIRS AOD 6 km và
CALIPSO AOD. Để có được cái nhìn rộng hơn về sản phẩm VIIRS và MODIS cũng như phục vụ các ứng dụng giám sát sol khí và nghiên cứu trộn dữ liệu ảnh độ phân giải thấp với phạm vi rộng lớn hơn, luận văn thực hiện đánh giá MODIS AOD kết hợp với VIIRS AOD dựa trên dữ liệu AERONET AOD tại các trạm quan trắc mặt đất trên các nước Đông Nam Á, Đài Loan và Hồng Kông trong khoảng thời gian từ năm 2012 đến năm 2016. Đây là khu vực lấy Việt Nam làm trung tâm từ đó thực hiện đánh giá trực quan hơn về độ dày quang học sol khí tại khu vực nói chung và Việt Nam nói riêng. Để đưa ra được kết quả đánh giá, tôi tiến hành từng bước theo mô hình trong Hình 3.1.
Sản phẩm sol khí của MODIS và VIIRS Sản phẩm AOD của AERONET Tiền xử lý ảnh vệ tinh và trích xuất dữ liệu AOD ở 550nm Trích xuất dữ liệu AOD ở 500nm Trích xuất dữ liệu các điểm cháy Nội suy sang dữ
liệu AOD 550nm
Tích hợp dữ liệu AOD của MODIS, VIIRS và AOD của
AERONET
Sản phẩm điểm cháy của MODIS
Đánh giá AOD của MODIS và VIIRS
Dữ liệu AOD sau khi tích hợp
Đánh giá mối quan hệ của AOD và các điểm cháy Thu thập dữ liệu
nghiên cứu
Hình 3.1: Mô hình đánh giá dữ liệu sol khí
Đầu tiên, các sản phẩm sol khí của MODIS, VIIRS, AERONET và sản phẩm điểm cháy của MODIS được tải về từ các nguồn cung cấp dữ liệu. Thứ hai, các ảnh vệ tinh được tiền xử lý và trích xuất dữ liệu AOD tại 550nm để lưu trữ vào cơ sở dữ liệu. Dữ liệu AOD của AERONET được trích xuất và nội suy sang dữ liệu cho AOD tại
550nm. Dữ liệu các điểm cháy được lưu trữ vào cơ sở dữ liệu. Thứ ba, các dữ liệu độ dày quang học sol khí được tích hợp tạo nên tập dữ liệu AOD của VIIRS, MODIS và AERONET. Cuối cùng, sử dụng các dữ liệu đã tích hợp để đưa ra các đánh giá về AOD theo năm, tháng, theo quốc gia và mối quan hệ của AOD với các điểm cháy.