Phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu được về các đối tượng. Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ (cường độ, dạng đường cong ở các dải sóng khác nhau) có thể phân tích, so sánh và nhận diện các đối tượng trên bề mặt. Thông tin về phổ là thông tin đầu tiên, là tiền đề cho các phương pháp phân tích ảnh trong viễn thám.
2.2. Đặc điểm của ảnh vệ tinh Landsat 8
Vệ tinh Landsat 8 đã được Mỹ phóng thành cơng lên quỹ đạo vào ngày 11/02/2013 với tên gọi đầy đủ Landsat Data Continuity Mission (LDCM). Đây là dự án hợp tác giữa NASA và cơ quan Đo đạc Địa chất Mỹ. Landsat sẽ tiếp tục cung cấp các ảnh có độ phân giải trung bình (từ 15 - 100 mét), phủ kín ở các vùng cực cũng như những vùng địa hình khác nhau trên trái đất. Nhiệm vụ của Landsat 8 là cung cấp những thông tin quan trọng trong nhiều lĩnh vực như quản lý năng lượng và nước, theo dõi rừng, giám sát tài nguyên môi trường, quy hoạch đô thị, khắc phục thảm họa và lĩnh vực nông nghiệp (Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ 2013).
Landsat 8 (LDCM) mang theo 2 bộ cảm: bộ thu nhận ảnh mặt đất (OLI - Operational Land Imager) và bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt (TIRS - Thermal Infrared Sensor). Những bộ cảm này được thiết kế để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với các bộ cảm Landsat thế hệ trước. Landsat 8 thu nhận ảnh với tổng số 11 kênh phổ, bao gồm 9 kênh sóng ngắn và 2 kênh nhiệt sóng dàị Hai bộ cảm này sẽ cung cấp chi tiết bề mặt trái đất theo mùa ở độ phân giải không gian 30 mét (ở các kênh nhìn thấy, cận hồng ngoại, và hồng ngoại sóng ngắn); 100 mét ở kênh nhiệt và 15 mét đối với kênh toàn sắc. Dải quét của LDCM giới hạn trong khoảng 185 km x 180 km. Độ cao vệ tinh đạt 705 km so với bề mặt trái đất. Bộ cảm OLI cung cấp hai kênh phổ mới, Kênh 1 dùng để quan trắc biến động chất lượng nước vùng ven bờ và Kênh 9 dùng để phát hiện các mật độ dày, mỏng của đám mây (có ý nghĩa đối với khí tượng học), trong khi đó bộ cảm TIRS sẽ thu thập dữ liệu ở hai kênh hồng ngoại nhiệt sóng dài (kênh 10 và 11) dùng để đo tốc độ bốc hơi nước, nhiệt độ bề mặt. Bộ cảm OLI và TIRS đã được thiết kế cải tiến để giảm thiểu tối đa nhiễu khí quyển (SNR), cho phép lượng tử hóa dữ liệu là 12 bit nên chất lượng hình ảnh tăng lên so với phiên bản trước.
Bảng 2.1. Đặc trưng Bộ cảm của ảnh vệ tinh Landsat 8
Vệ tinh Kênh Bước sóng
(μm) Độ phân giải (m) LDCM – Landsat 8 (Bộ cảm OLI và TIRs)
Band 1 – Coastal aerosol 0,433 – 0,453 30
Band 2 – Blue 0,450 – 0,515 30
Band 3 – Green 0,525 – 0,600 30
Band 4 – Red 0,630 – 0,680 30
Band 5 – Near Infrared (NIR) 0,845 – 0,885 30
Band 6 – SWIR 1 1,560 – 1,660 30
Band 7 – SWIR 2 2,100 – 2,300 30
Band 8 – Panchromatic 0,500 – 0,680 15
Band 9 – Cirrus 1,360 – 1,390 30
Band 10 – Thermal Infrared (TIR) 1 10,3 – 11,3 100 Band 11 – Thermal Infrared (TIR) 2 11,5 – 12,5 100
Các thông số kỹ thuật của sản phẩm ảnh vệ tinh Landsat 8 như sau:
+ Loại sản phẩm: Đã được xử lý ở mức 1T nghĩa là đã cải chính biến dạng do chênh cao địa hình (mức trực ảnh Orthophoto);
+ Định dạng: GeoTIFF;
+ Kích thước Pixel: 15m/ 30m/ 100m tương ứng ảnh Đen trắng/ Đa phổ/ Nhiệt + Phép chiếu bản đồ: UTM;
+ Hệ tọa độ: WGS 84;
+ Độ chính xác: Với bộ cảm OLI đạt sai số 12m theo tiêu chuẩn CE, có độ tin cậy 90%; với bộ cảm TIRS đạt sai số 41m theo tiêu chuẩn CE, có độ tin cậy 90%;
+ Dữ liệu ảnh: Có giá trị 16 bit pixel, khi tải về ở dạng file nén có định dạng là .tar.gz.
Landsat 8 thu nhận gần 400 cảnh/ngày, thời gian hoạt động của vệ tinh theo thiết kế là 5,25 năm nhưng nó được cung cấp đủ năng lượng để có thể kéo dài hoạt động đến 10 năm. So với Landsat 7, Landsat 8 có cùng độ rộng dải chụp, cùng độ phân giải ảnh và chu kỳ lặp lại 16 ngàỵ
2.3. Vai trò của dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 trong việc chiết xuất, tính tốn các tham số phục vụ ước tính lượng bốc thốt hơi nước tham số phục vụ ước tính lượng bốc thốt hơi nước
Cơng tác ước tính, xác định lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ theo các mơ hình tính tốn dựa vào số liệu khí tượng đo trực tiếp cho độ chính xác caọ Tuy nhiên, việc thu thập dữ liệu khí tượng như (Nhiệt độ, Độ ẩm khơng khí, số giờ nắng thực, Vận tốc gió) thơng thường dựa vào các thiết bị đo trực tiếp đặt tại các trạm quan trắc khí tượng, thủy văn. Việc thu thập dữ liệu này khá thủ cơng, địi hỏi nhiều cơng lao động trực tiếp, chi phí cao mà hiệu quả cơng việc thấp, mặt khác để tính tốn các tham số phục vụ ước tính lượng bốc thốt hơi nước phải tính qua nhiều bước trung gian, đòi hỏi nhiều tham số dữ liệu đầu vào và cơng thức tính khá phức tạp. Để khắc phục việc thu thập dữ liệu khí tượng theo phương pháp đo trực tiếp tại các trạm khí tượng, thủy văn, cần có phương pháp khác để xác định các tham số phục vụ ước tính lượng bốc thốt hơi nước nhanh hơn, chi phí thấp hơn, hiệu quả cao hơn và đặc biệt cần ứng dụng công nghệ trong công tác thu thập số liệu và ước tính lượng bốc thốt
hơi nước. Để giải quyết vấn đề này, việc sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh trong việc chiết xuất, tính tốn các tham số phục vụ ước tính lượng bốc thốt hơi nước là giải pháp hữu hiệu và có thể tự động hóa trong cơng tác ước tính giám sát lượng bốc thốt hơi nước bề mặt lớp phủ.
Các giá trị (Rnd – Năng lượng bức xạ ròng mặt trời đến bề mặt đất (MJ/m2/ngày); Δ – Độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hịa của khơng khí (kPa/0C), γ – Hằng số Psychrometric (kPa/0C), λ - Giá trị nhiệt ẩn của quá trình bốc thốt hơi nước (MJ/kg)) phục vụ tính tốn lượng bốc thốt hơi nước theo mơ hình Priestley – Taylor là hàm của các tham số được chiết xuất, tính tốn từ dữ liệu ảnh vệ tinh và thơng tin độ cao từ mơ hình số độ caọ
Mỗi tham số được sử dụng để tính tốn lượng bốc thốt hơi nước theo mơ hình Priestley – Taylor đều sử dụng các tham số trung gian để tính tốn như: Suất phân sai bề mặt (α); Nhiệt độ bề mặt (Ts); Các chỉ số thực vật (NDVI), Chỉ số diện tích lá (LAI), Chỉ số thực vật có điều chỉnh ảnh hưởng của đất (SAVI); Hệ số phát xạ bề mặt dải hẹp, dải rộng (ε0, εNB); Bức xạ sóng ngắn tới RS↓; Bức xạ sóng dài tới RL↓; Bức xạ sóng dài đi RL↑; Áp suất khí quyển (P); Độ cao (Z). Các tham số này hồn tồn có khả năng chiết xuất, tính tốn được từ dữ liệu ảnh vệ tinh và thông tin độ cao từ mơ hình số độ caọ Điều này một lần nữa khẳng định có thể ước tính lượng bốc thốt hơi nước bề mặt lớp phủ từ dữ liệu ảnh vệ tinh mà khơng cần sử dụng số liệu khí tượng đo trực tiếp tại các trạm khí tượng, thủy văn. Dữ liệu khí tượng đo trực tiếp tại các trạm quan trắc khí tượng, thủy văn chỉ sử dụng để xác định hệ số tuyến tính a, b của mơ hình Priestley- Taylor và phục vụ đánh giá độ chính xác, mức độ tin cậy của các tham số được chiết xuất, tính tốn từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8. Việc sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mơ hình số độ cao trong việc chiết xuất, tính tốn các tham số phục vụ ước tính, giám sát lượng bốc thốt hơi nước có thể tin học hóa thành các chương trình tự động ước tính, giám sát lượng bốc thốt hơi nước bề mặt lớp phủ phù hợp với điều kiện thực tế và trình độ cơng nghệ, khoa học kỹ thuật tại Việt Nam, góp phần nâng cao hiệu quả về kinh tế trong cơng tác ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ.
2.4. Khả năng ứng dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 trong việc ước tính lượng bốc thốt hơi nước bề mặt lớp phủ bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ
Theo kết quả nghiên cứu của (Allen và cộng sự 2002), bức xạ ròng tại thời điểm i được tính tốn từ dữ liệu ảnh vệ tinh dựa trên nguyên lý cân bằng năng lượng bề mặt. Năng lượng bức xạ ròng bề mặt đất hấp thụ (Rn) đại diện cho năng lượng bức xạ thực tế tại bề mặt đất. Giá trị năng lượng bức xạ ròng là hiệu số giữa bức xạ mặt trời đi tới bề mặt đất và năng lượng bức xạ, phản xạ, phát xạ từ bề mặt đất trở về khí quyển. Bức xạ rịng bề mặt đất hấp thụ được mơ tả như sau (hình 2.5)
(Nguồn: Allen và cộng sự 2002)