CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ VIỄN THÁM
Bức xạ, phản xạ và phát xạ bởi Trái Đất đi qua lớp khí quyển dày, trong quá trình này chúng tương tác với các thành phần của khí quyển và sau đó từng phần tán xạ, hấp thụ và truyền qua. Mức độ suy giảm này phụ thuộc vào chiều dài đường đi và bước sóng.
Chiều dài đường đi là khoảng cách mà bức xạ đi qua khí quyển và phụ thuộc vào vị trí nguồn năng lượng và độ cao của vật mang bộ cảm biến. Việc cảm nhận vùng phản xạ Mặt Trời cho biết bức xạ phải đi qua khí quyển hai lần:
từ Mặt Trời đến Trái Đất và từ Trái Đất đến bộ cảm biến. Ngược lại bức xạ phát ra từ Trái Đất phải đi qua khí quyển chỉ một lần. Ảnh hưởng của tầng ôzôn cũng khá quan trọng khiến cho chiều dài đường đi phụ thuộc vào độ cao của vật mang.
26
Sự suy giảm bức xạ qua khí quyển cũng phụ thuộc vào bước sóng. Một vài bước sóng được truyền qua với hiệu suất cao hơn, trong khi những bước sóng khác bị tán xạ và hấp thụ nhiều hơn. Vì vậy, khí quyển đóng vai trò như là vật tán xạ và hấp thụ bức xạ phát ra từ mặt đất và đi qua nó. Bản thân khí quyển cũng là một nguồn bức xạ sóng điện từ do tình trạng nhiệt của nó. Tăng hấp thụ khí quyển khiến cho nhiệt độ bức xạ thu nhận ở bộ cảm biến thấp hơn nhiệt độ thực tế, trong khi tăng sự phát xạ khí quyển khiến cho nhiệt độ bức xạ thu nhận ở bộ cảm biến vượt cao hơn nhiệt độ thực tế. Các thành phần khí quyển nổi bật có ảnh hưởng đến quá trình bức xạ là H2O, CO2, O3, chúng làm giảm và tán xạ bức xạ Mặt Trời trong dải phổ khả kiến. Trong vùng hồng ngoại nhiệt, các phân tử trong khí quyển phát ra bức xạ và xử sự như là nguồn năng lượng khuếch tán. Nói chung, các mất mát theo đường đi từ đối tượng đến bộ cảm biến có thể làm thay đổi việc đo lường bức xạ ở bộ cảm biến (Gupta, 1991).
Độ truyền xạ của khí quyển ở bước sóng cụ thể là số đo của phân số của bức xạ phát ra từ mặt đất (do khúc xạ mặt trời hay tự phát xạ) và đi qua khí quyển không có tương tác với nó. Giá trị thay đổi từ 0 đến 1. Độ truyền xạ quan hệ ngược với độ dày quang học (optical thickness) của khí quyển, đây là hiệu ứng của khí quyển ngăn cản bức xạ điện từ đến mặt đất bằng sự hấp thụ hoặc tán xạ.
Do đó, khí quyển ảnh hưởng rất lớn đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên. Sự biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời trong khí quyển là tán xạ và hấp thụ sóng điện từ bởi các thành phần khí quyển và các sol khí. Vì quá trình này mà sự phân bố phổ, phân bố góc và phân bố không gian do việc phát xạ của các đối tượng đang nghiên cứu bị suy yếu đi.
Tán xạ khí quyển là sự khuếch tán bức xạ không ổn định bởi các hạt trong khí quyển. Có hai loại tán xạ là tán xạ Raleigh và tán xạ Mie.
- Tán xạ Rayleigh còn được gọi là tán xạ phân tử, phổ biến khi bức xạ tương tác với các phân tử khí và các hạt lơ lửng khác có kích thước nhỏ hơn chiều dài sóng bức xạ. Tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng. Như vậy, bước sóng càng ngắn thì khuynh hướng tán xạ càng mạnh. Kiểu
27
tán xạ này rất mãnh liệt trong phần cực tím và phần cuối màu xanh của phổ và khụng đỏng kể ở cỏc bước súng lớn hơn 1àm. Bầu trời màu xanh là biểu thị của tán xạ Rayleigh. Trong viễn thám, tán xạ Rayleigh là kiểu tán xạ quan trọng nhất và nó gây ra kiểu bức xạ đường đi tại phần cuối màu xanh của phổ. Hiện tượng này dẫn đến sương mù trên ảnh viễn thám, làm giảm độ tương phản và độ sắc nét của hình ảnh.
- Tán xạ Mie xảy ra do các phần tử trong khí quyển có đường kính lớn hơn độ dài sóng năng lượng. Các phân tử hơi nước và các hạt bụi lơ lửng thường tạo ra kiểu tán xạ này. Tán xạ Mie tác động đến toàn bộ dải phổ từ cận cực tím đến cận hồng ngoại và có ảnh hưởng nhiều hơn đối với các bước sóng lớn hơn so với tán xạ Rayleigh. Tán xạ Mie phụ thuộc vào các nhân tố khác nhau như tỷ số kích thước hạt tán xạ với bước sóng, chỉ số khúc xạ của đối tượng và góc tới. Khi bị ảnh hưởng bởi hơi nước, hiệu ứng tán xạ Mie là biểu hiện bầu trời u ám.
Hấp thụ ngược lại với tán xạ, hấp thụ là sự mất năng lượng của bức xạ bởi thành phần khí quyển. Mức độ hấp thụ thay đổi tùy theo bước sóng. Các chất hấp thụ bức xạ mặt trời đáng kể là hơi nước, khí carbonic và Ozone. Do các chất này hấp thụ năng lượng điện từ theo các kênh có độ dài sóng nhất định, cho nên điều quan trọng là hệ thống viễn thám sử dụng đang khảo sát ở mức phổ nào. Những khoảng độ dài sóng mà khí quyển để cho năng lượng truyền qua gọi là cửa sổ khí quyển (Hình 2.1) (Gupta, 1991).
Hình 2.1: Khả năng truyền qua khí quyển của các loại phổ khác nhau (Nguồn: Gupta, 1991)
28 2.2.2. Viễn thám giám sát ô nhiễm không khí 2.2.2.1. Giám sát môi trường
Việc ứng dụng Viễn Thám trong giám sát các vấn đề về môi trường nước, không khí hay đất,… cần phải phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lựa chọn ảnh vệ tinh có độ phân giải không gian thích hợp với tỉ lệ bản đồ mong muốn, hoặc có độ phân giải thời gian thích hợp, đặc biệt là các nghiên cứu theo dõi những biến động xảy ra thường xuyên, như giám sát ô nhiễm không khí hay theo dõi lũ lụt cần có chu kỳ lặp ảnh vệ tinh ngắn, hoặc các ảnh vệ tinh được lựa chọn phải có thông tin các kênh phổ đầy đủ để có thể lọc ra những thông tin cần thiết (Lê Văn Trung, 2015).
Một trong những hạn chế lớn nhất của ảnh viễn thám là do mây (che khuất các đối tượng trên ảnh). Tại TP.HCM mây xuất hiện nhiều hơn vào mùa mưa, vì thế để ảnh viễn thám cho ảnh đối tượng không bị che phủ bởi mây tốt nhất nên lấy ảnh viễn thám vào mùa khô, từ khoảng tháng 1 đến tháng 5.
2.2.2.2. Giám sát PM môi trường không khí
Bộ cảm biến trên các vệ tinh viễn thám sẽ ghi nhận giá trị phản xạ từ các bức xạ mặt trời đến trái đất. Sự suy giảm phản xạ của sóng ánh sáng trong môi trường không khí bao gồm quá trình hấp thụ và tán xạ bởi các thành phần khí quyển và các hạt vật chất lơ lửng (PM). Do đó, giá trị DN thu được trên bộ cảm biến thường bị nhiễu và không mang giá trị thực năng lượng phản xạ đối với bước sóng tương ứng. Bên cạnh đó, Giá trị DN thu được là số nguyên dương.
Trong khi đó, các giá trị ảnh thu được phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tính chất hình học của vệ tinh, vị trí mặt trời, thời tiết,.. vì thế cần thiết phải thực hiện hiệu chỉnh bức xạ để giá trị phản xạ mang giá trị thực đến số thập phân (Lê Văn Trung, 2015). Để thực hiện quá trình hiệu chỉnh bức xạ, cần thực hiện thông qua hai bước. Thứ nhất, tính toán giá trị bức xạ từ dữ liệu cấp độ xám DN của ảnh viễn thám, sau đó chuyển đổi giá trị bức xạ thành giá trị phản xạ, hoặc đối với một số ảnh vệ tinh mới, như Landsat 8, có thể tính toán trực tiếp giá trị phản xạ từ giá trị DN.
29
Quá trình hấp thụ và tán xạ bức xạ mặt trời của các vật chất lơ lửng diễn ra trong dải phổ nhìn thấy đến cận hồng ngoại. Vì thế ảnh viễn thám trong dải bước sóng này sẽ được sử dụng để xây dựng bản đồ phân bố bụi PM2.5.
Dựa vào giá trị nồng độ hạt vật chất lơ lửng (PM) thu được từ các trạm quan trắc và giá trị phản xạ thực đến vệ tinh tương ứng của các bước sóng phù hợp để lặp hàm hồi quy tốt nhất. Hàm hồi quy tốt nhất có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến tính. Sau khi có được hàm hồi quy tốt nhất có thể lặp được bản đồ phân bố nồng độ bụi phục vụ cho mục đích giám sát.
Ngoài ra, để đặc trưng cho sự suy giảm bức xạ của tia mặt trời đi qua khí quyển do hấp thụ và tán xạ các phần tử lơ lửng (sol khí), một thông số khác được áp dụng để xác định nồng độ các hạt vật chất (PM) là độ dày quang học sol khí (AOD) từ ảnh vệ tinh. AOD là thước đo sự truyền xạ của một cột không khí theo chiều thẳng đứng trên đơn vị diện tích mặt cắt ngang. Độ dày quang học có giá trị từ 0 đến 1, 0 tương ứng với một bầu khí quyển hoàn toàn trong suốt, trong khi đó 1 tương ứng với một bầu khí quyển mờ đục. Tương tự như phương pháp trên, phép phân tích hồi quy được sử dụng để nghiên cứu mối quan hệ giữa nồng độ các phần tử lơ lửng và các giá trị AOD tính toán trên ảnh viễn thám (Trần Thị Vân, 2014).