2.1.1. Ảnh vệ tinh MODIS
a. Vệ tinh TERRA
TERRA là một vệ tinh quốc tế, có sự tham gia của các cơ quan nghiên cứu hàng không vũ trụ Canađa, 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. Thời gian hoạt động của Terra theo dự kiến là 6 năm. Hiện nay vệ tinh vẫn đang hoạt động.
Điều kiện tự nhiên và khí hậu trên trái đất hiện tại có rất nhiều thay đổi so với cách đây 4,5 tỷ năm khi hình thành trái đất. Các nhà khoa học đã đưa ra những chứng cứ thuyết phục về các hoạt động của con người đã gây ra những tác động mạnh làm thay đổi các điều kiện đó. Từ khi cách mạng về công nghiệp, mức các-bon đi-ô-xít đã tăng 25%, khoảng 40% diện tích bề mặt trái đất đã bị biến đổi. Các nhà khoa học khó có thể dự đoán được mối liên hệ giữa nguyên nhân và hậu quả của các yếu tố bề mặt đất, đại dương và khí quyển và các tác động nhanh chóng của chúng đối với điều kiện khí quyển trong tương lai. Việc này cần có sự đo đạc trong phạm vi toàn cầu, chu kỳ dài hạn để thu thập những thông tin cần thiết nhằm xây dựng mô hình tính toán có độ chính xác cao để dự báo nguyên nhân và hậu quả của sự thay đổi khí hậu. Một cách khả thi để thu thập các thông tin này là dựa vào các bộ cảm nhận đặt trên vệ tinh và Terra được thiết kế để thực hiện nhiệm vụ đó.
18
Vệ tinh Terra mang 5 đầu thu chụp: ASTER do Nhật bản cung cấp, CERES, MISR và MODIS do các cơ quan nghiên cứu của Mỹ, MOPITT do cơ quan nghiên cứu vũ trụ Canađa cung cấp.
b. Vệ tinh AQUA
AQUA là vệ tinh được thiết kế nhằm nghiên cứu theo dõi và phân tích sự thay đổi của các yếu tố trên trái đất và khí quyển. Vệ tinh 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.
Nhiệm vụ của Aqua là thu thập các thông tin về chu kỳ trao đổi nước trên trái đất, bao gồm: bề mặt nước đại dương, sự bốc hơi của nước trên đại dương, hơi nước trong khí quyển, mây, lượng mưa, hơi ẩm trong đất, băng tuyết trên đại dương và lục địa.
Các nhân tố biến đổi cũng được theo dõi như: luồng năng lượng phát xạ, bụi khí quyển, lớp phủ thực vật trên đất liền, sinh vật phù du, vấn đề phân hủy hữu cơ trong đại dương, không khí, nhiệt độ bề mặt đại dương và lục địa.
Lợi ích của Aqua là tăng cường cho kết quả dự báo thời tiết nhờ vào khả năng quan sát nhiệt độ khí quyển và hơi nước.
Nước có ảnh hưởng rất quan trọng tới khí hậu và các loài sinh vật sống trên trái đất. Chính vì tầm quan trọng và sự dồi dào của nước mà trái đất còn được gọi là "hành tinh nước". Nước bao phủ 70% diện tích trái đất và là yếu tố cần thiết đối với con người và các dạng sống khác. Một dạng khác của nước là hơi nước trong khí quyển, giữ cho khí quyển trái đất có nhiệt độ ổn định có lợi cho sự sống trên trái đất. Nước ở dạng rắn, băng và tuyết giúp kiểm soát được khí hậu ở vùng cực vì chúng phản xạ lại vào vũ trụ phần lớn tia phát xạ mặt trời ở vùng cực. Sự bốc hơi nước - hấp thụ năng lượng, dẫn tới sự ngưng tụ trong khí quyển dưới thể lỏng hoặc thể rắn. Nguồn năng lượng trong quá trình bốc hơi nước là nguồn cho chu kỳ của khí quyển. Nhiệt độ của nước đại dương
19
cũng làm ảnh hưởng tới nhiệt độ và chu kỳ của khí quyển. Các thông số đo đạc của Aqua sẽ cung cấp tất cả các thông tin cấu thành của chu kỳ nước toàn cầu và góp phần vào việc dự đoán về băng, tuyết, mây, hơi nước tăng cường hay suy giảm trên quy mô toàn cầu hoặc mọi sự thay đổi về nhiệt độ trên phạm vi vùng cũng như xu hướng khác về thay đổi khí hậu.
Vệ tinh Aqua mang 6 thiết bị chính để quan sát trái đất, 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 (northward) qua xích đạo lúc 1h30 chiều, theo hướng bay xuống (southward) 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 quan sát trái đất thuộc EOS – 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.
Sáu thiết bị thu nhận của vệ tinh AQUA là: + Atmospheric Infrared Sounder (AIRS),
+ Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS (AMSR-E), + Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU),
+ Clouds and the Earths Radiant Energy System (CERES), + Humidity Sounder for Brazil (HSB),
+ Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)
2.1.2. Thiết bị thu nhận MODIS
MODIS được thiết kế để thu thập nhiều loại thông tin khác nhau trong quá trình sinh học - vật lý của khí quyển và trái đất bằng các thông số đo đạc trong dải phổ nhìn thấy và hồng ngoại, khác với CERES - chỉ tập trung vào đo đạc năng lượng phát xạ,
20
MODIS quan tâm tới khoảng phổ rộng hơn và nhiều mục tiêu hơn.
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. Lớp phủ mặt đất và các điều kiện của chúng được MODIS giám sát các biến thiên hàng ngày, ở độ phân giải không gian 250m và 500m, cho phép tăng cường thông tin về vị trí và mức độ chặt phá rừng và các sự biến đổi khác của lớp phủ mặt đất. Năng suất của đại dương và lục địa được kết hợp sẽ đưa ra các chỉ dẫn về năng suất sơ cấp nguyên toàn cầu. Bụi khí quyển là tác nhân gây nên tán xạ và hấp thụ phản xạ mặt trời và làm biến đổi lý tính của mây. Thông tin về bụi khí quyển thu được ở mức toàn cầu với độ phân giải 10km, bằng cách tổ hợp từ dữ liệu phân giải cao của MODIS. Mây ti được ghi nhận không chỉ đặc tính mà còn độ dầy và mức độ mây phủ, các thông tin này còn được dùng để loại trừ mây này ở một số ảnh để có được cảnh ảnh rõ ràng về lớp phủ mặt đất.
* Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS (theo NASA, 2006)
Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS
1. Quỹ đạo
- Độ cao bay chụp: 705 km - Thời điểm chụp trong ngày: 10:15 a.m (TERRA)
1:30 p.m (AQUA)
- Quỹ đạo đồng bộ mặt trời, cận cực 2. Độ rộng dải chụp 2300 km
3. Độ phân giải không gian
- 250 m: kênh 1-2 - 500 m: kênh 3-7 - 1000 m: kênh 8-36
21
* Các ứng dụng chính của các kênh ảnh MODIS:
Bảng 2.2: Các ứng dụng chính của các kênh ảnh MODIS
Các ứng dụng cơ bản Kênh Dải sóng (nm) Các ứng dụng cơ bản Kênh Dải sóng (nm) Bụi khí quyển Ranh giới bề mặt đất/mây 1 620 - 670 Nhiệt độ bề mặt/mây 20 3.660 - 3.840 2 841 - 876 21 3.929 - 3.989 Các đặc tính bụi khí quyển bề mặt đất/mây 3 459 - 479 22 3.929 - 3.989 4 545 - 565 23 4.020 - 4.080 5 1230 - 1250 Nhiệt độ Khí quyển 24 4.433 - 4.498 6 1628 - 1652 25 4.482 - 4.549 7 2105 - 2155
Hơi nước khí quyển, mây ti
26 1.360 - 1.390
Mầu nước biển/ Thực vật phù du/ Sinh hóa 8 405 - 420 27 6.535 - 6.895 9 438 - 448 28 7.175 - 7.475 10 483 - 493 Các đặc tính mây 29 8.400 - 8.700 11 526 - 536 Ô zôn 30 9.580 - 9.880 12 546 - 556 Nhiệt độ bề mặt, mây 31 10.780 - 11.280 13 662 - 672 32 11.770 - 12.270 14 673-683 33 13.185 - 13.485 15 743 - 753 34 13.485 - 13.785 16 862 - 877 35 13.785 - 14.085
Hơi nước khí quyển
17 890 - 920 36 14.085 - 14.385
18 931 - 941 19 915 - 965
22
2.2. Phương pháp tính nhiệt độ bề mặt (LST) từ dữ liệu MODIS
2.2.1. Cơ sở khoa học chiết xuất nhiệt độ bề mặt từ tư liệu ảnh viễn thám
Bức xạ Mặt Trời đi qua khí quyển ảnh hưởng lên các điều kiện khí tượng bằng cách truyền năng lượng vào không khí và trái đất. Vật đen được dùng để nghiên cứu bức xạ. Đó là một vật lý tưởng hấp thụ hoàn toàn và phát xạ toàn bộ năng lượng đạt tới nó. Thực tế chỉ tồn tại vật thể tự nhiên (vật xám) với khả năng phát xạ của vật thể tự nhiên có giá trị trong khoảng 0-1. Năng lượng bức xạ trái đất là hàm số của hai thông số: nhiệt độ và độ phát xạ. Nếu vật tự nhiên và vật đen có cùng nhiệt độ bề mặt thì vật tự nhiên phát xạ kém hơn vật đen.
Vùng bước sóng điện từ 3-35μm thường được gọi là vùng hồng ngoại trong viễn thám mặt đất. Trong vùng này, bức xạ phát ra bởi Trái Đất lớn hơn nhiều so với bức xạ phản xạ bởi Mặt Trời, do đó viễn thám vùng này được dùng để khôi phục giá trị nhiệt độ bề mặt đất. Các bộ cảm biến vận hành chủ yếu phát hiện đặc tính bức xạ nhiệt của các vật liệu mặt đất. Tuy nhiên, các kênh phổ hữu ích bị hạn chế do cường độ bức xạ phát ra và các cửa sổ khí quyển. Cửa sổ khí quyển tốt nhất là 8-14μm do có sự hấp thụ vật chất của khí quyển là thấp nhất. Phần lớn năng lượng bề mặt đất được các bộ cảm biến nhiệt thu nhận trong dải bước sóng 10.5-12.5μm, và được dùng để ước tính nhiệt độ bề mặt đất và các quá trình nhiệt khác. Viễn thám hồng ngoại nhiệt thu nhận dữ liệu trong 2 cửa sổ 3-5μm và 8-14μm nói chung là bị động, nghĩa là các bộ cảm biến thu thập dữ liệu theo bức xạ phát ra một cách tự nhiên. Các kỹ thuật chủ động triển khai các búp sóng laser bước sóng đơn sắc (gọi là radar lazer hoặc LIDAR) chỉ mới được phát triển gần đây.
Bức xạ hồng ngoại nhiệt trong dải 8-14μm được phát ra từ bề mặt tương quan với nhiệt độ động năng và độ phát xạ bề mặt. Tuy nhiên, có hai vấn đề chính cần phải giải quyết để đạt được nhiệt độ và độ phát xạ bề mặt từ dữ liệu hồng ngoại nhiệt. Thứ nhất, bức xạ đo được ở bộ cảm biến bị ảnh hưởng bởi khí quyển từ quá trình hấp thụ và phát
23
xạ lại bởi các khí, chủ yếu là hơi nước trong vùng hồng ngoại của phổ điện từ. Vì vậy, để đạt được nhiệt độ bề mặt, cần phải hiệu chỉnh khí quyển qua việc sử dụng mô hình truyền bức xạ. Thứ hai, bản chất không xác định được của các số đo nhiệt độ và độ phát xạ. Nếu bức xạ nhiệt được đo trong N kênh, thì sẽ có N+1 tham số không biết gồm N lớp độ phát xạ (đối với N kênh) và 1 lớp nhiệt độ bề mặt. Ước tính độ phát xạ và nhiệt độ trong dữ liệu hồng ngoại nhiệt đa phổ cần các giả thiết bổ sung để giải biến không xác định. Các giả thiết thường liên quan đến các đo đạc độ phát xạ trong phòng thí nghiệm hoặc trên thực tế.
Giá trị bức xạ thu nhận trong dải hồng ngoại nhiệt của phổ điện từ trên các bộ cảm biến vệ tinh gồm 3 thành phần: (1) phát xạ bề mặt được truyền qua khí quyển (τεBλ); (2) bức xạ hướng dưới được phát ra bởi khí quyển được phản xạ bởi bề mặt và truyền qua khí quyển đến bộ cảm (τ(1-ε)Lλ↓) và (3) phát xạ từ khí quyển được truyền qua khí quyển ở trên điểm phát xạ (Lλ↑).
Minh họa điều này qua phương trình truyền bức xạ như sau:
Lsensor, λ = τ [ε Bλ + (1 - ε) Lλ↓] + Lλ↑ (2.1) Trong đó, τ và ε là độ truyền qua và độ phát xạ.
Thành phần (2) và (3) phụ thuộc vào các điều kiện khí quyển. Các thông số này thường được đo đạc đồng thời cùng lúc thu nhận ảnh từ vệ tinh, dùng để hiệu chỉnh khí quyển cho các bài toán liên quan bằng các mô hình như MODTRAN, ATCOR... Thực tế các số đo điều kiện khí quyển không sẵn có, do đó việc hiệu chỉnh khí quyển cho việc khôi phục lại các số đo mặt đất là một việc khó khăn đối với một vùng bất kỳ vào một thời điểm bất kỳ và thường bỏ qua trong một số nghiên cứu ứng dụng.
Trong công thức (2.1), bức xạ bề mặt đất Rλ được đo trong kênh bước sóng λ gồm hai thành phần:
24
Do nhiệt độ khí quyển thường thấp hơn nhiệt độ mặt đất nên phần mặt đất hấp thụ được bức xạ phát ra từ khí quyển ((1 - ε) Lλ↓) thường rất nhỏ so với phần phát xạ của mặt đất. Thực tế tính toán, đối với các bề mặt tự nhiên, bức xạ bề mặt sẽ được biểu diễn gần đúng như sau:
Rλ = ε Bλ (2.3)
2.2.2. Phương pháp chiết xuất nhiệt độ bề mặt từ tư liệu viễn thám
a. Xác định nhiệt độ
Trong viễn thám hồng ngoại nhiệt, nhiệt độ bức xạ (TR) được định nghĩa như là nhiệt độ tương đương của vật đen truyền cùng một lượng bức xạ thu được từ một vật thực tế và phụ thuộc vào nhiệt độ động lực bề mặt thực (TK) và độ phát xạ. Trường hợp không phải vật đen, tổng lượng bức xạ phát ra được biểu diễn theo định luật Stefan- Bolzman như sau:
4 R B T (2.4) Suy ra: 1 4 R K T T (2.5) Như vậy, nhiệt độ bức xạ của vật tự nhiên sẽ nhỏ hơn nhiệt độ bức xạ của vật đen tại cùng một nhiệt độ. Điều này cho thấy rằng nhiệt độ được đo bằng phương pháp viễn thám sẽ nhỏ hơn nhiệt độ động lực bề mặt tương đương bởi hệ số ε¼.
Nhiệt độ bức xạ được đo bởi các bộ cảm biến trên vệ tinh là nhiệt độ bức xạ còn gọi là nhiệt độ sáng của vật đen tuyệt đối (với ε=1) và được xác định theo định luật:
2 1 ln 1 B K T K B (2.6)
25
Trong đó, Bλ - bức xạ của vật đen tuyệt đối (Wm-2μm-1); K1 = 2πhc2/λ5; K2= hc/kλ; h - hằng số Planck (6,62x10-34 Js); c - vận tốc ánh sáng (3x108ms-1); k - hằng số Boltzman (1,38x10-23 JK-1); λ - bước sóng trung tâm (μm).
Nhiệt độ bề mặt (hay nhiệt độ động năng bề mặt) là nhiệt năng của một vật thể và có thể được đo bằng nhiệt kế. Công thức (2.5) cho thấy giữa nhiệt độ bức xạ và nhiệt độ bề mặt có mối được nhiệt độ bức xạ thì số liệu này có thể được dùng để tính nhiệt độ mặt đất như sau: 2 1 4 S B K T T (2.7)
Nhiệt độ bề mặt bị ảnh hưởng chủ yếu bởi bức xạ mặt trời. Độ chính xác ước tính của nhiệt độ bề mặt từ dữ liệu viễn thám nhiệt phụ thuộc vào các yếu tố: khí quyển, tương tác giữa bề mặt và khí quyển, độ phát xạ vật thể và độ phân giải ảnh. Nhiệt độ bề mặt đo lường từ viễn thám nhiệt có thể bị ảnh hưởng bởi sự hỗn hợp của các yếu tố dưới