Bộ GIáO DụC và 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 và 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 và hệ thống thông tin địa lý
MÃ số: 60.44.76

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học:
TS Trần Vân Anh

Hà nội - 2013

LờI Cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào 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 ................................................................................................................ 1
Chương 1 - Các vấn đề chung .................................................................... 6
1.1 Nhiệt độ bề mặt nước biển ................................................................................. 6
1.1.1 Khái niệm ....................................................................................................... 6
1.1.2 Phương pháp đo nhiệt độ nước biển................................................................. 6
1.1.3 Vật đen tuyệt đối và nhiệt độ phát xạ .............................................................. 8
1.2 Chlorophyll bề mặt nước biển ............................................................................ 9
1.2.1 Khái niệm ....................................................................................................... 9
1.2.2 Phương pháp đo đạc chlorophyll trong n­íc biĨn .......................................... 11
1.3 Mét sè dù ¸n quan trắc môi trường biển trên thế giới ....................................... 12
1.3.1 Dự án Giám sát Môi trường Biển của Châu Âu.............................................. 12
1.3.2 Dự án CoastWatch ........................................................................................ 15
1.4 Mạng lưới quan trắc môi trường biển Việt Nam ............................................... 17
1.5. Các cơ quan chịu trách nhiệm về các vấn đề nước biển và vùng bờ.................. 18

1.6 Tổng quan về phương pháp quan trắc tại các trạm của Việt Nam ..................... 19
1.7 Mục tiêu, nhiệm vụ và các thông số quan trắc tại trạm ..................................... 20
Chương 2 - ứng dụng tư liệu ảnh viễn thám trong nghiên cứu
môi trường biển ............................................................................................ 22
2.1 Vệ tinh quan sát môi trường ............................................................................. 22
2.1.1 Vệ tinh Terra................................................................................................. 22
2.1.2 Vệ tinh Aqua ................................................................................................ 24
2.1.3 ThiÕt bÞ thu nhËn MODIS .............................................................................. 26


2.1.4 HÖ thèng VÖ tinh NOAA .............................................................................. 31
2.1.5 VÖ tinh OrbView-2 và đầu chụp SeaWiFS ..................................................... 32
2.1.6 Bảng tóm tắt một số vệ tinh và đầu thu chụp sử dụng trong quan trắc môi
trường biển ............................................................................................................ 34
2.2 Hấp thụ và phản xạ của chlorophyll với ánh sáng mặt trời ................................ 34
2.3 HiƯu chØnh ¶nh h­ëng cđa khÝ qun. .............................................................. 36
2.4 C¸c tht to¸n sư dơng ..................................................................................... 37
2.4.1 Tht to¸n tÝnh toán 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 HƯ thèng IMAPP (International MODIS/AIRS Processing Package) ............. 41
2.5.2 Trạm thu ảnh MODIS của Viện Vật lý và Điện tử ......................................... 41
2.5.3 Trạm thu ¶nh MODIS cđa Cơc KiĨm l©m ...................................................... 42
2.5.4 Sư dơng ¶nh MODIS ë ViƯt Nam .................................................................. 43
Ch­¬ng 3 - xư lý ảnh modis..................................................................... 44
3.1 Xử lý ảnh MODIS trên tổ hợp phần mềm SCANEX MODIS ........................... 44
3.1.1 Tiền xử lý ảnh ............................................................................................... 44
3.1.2 Các kênh phổ MODIS sử dụng ...................................................................... 44
3.1.3 Chuyển đổi các giá trị vật lý.......................................................................... 45
3.1.4 Hiệu chỉnh hình học ...................................................................................... 45

3.1.5 Độ chính xác hình học .................................................................................. 47
3.1.6 HiƯu chØnh khÝ qun .................................................................................... 47
3.1.7 TrÝch ¶nh MODIS theo khu vực nghiên cứu .................................................. 48
3.1.8 Tính toán giá trị vật lý trên phần mềm ENVI ................................................ 48
3.1.9 Giao diƯn phÇn mỊm ScanEx MODIS Processor 1.7 ...................................... 49
3.2 Xử lý ảnh MODIS và 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 trong quá trình xử lý ............................................................... 55
3.2.3 PhÇn mỊm SeaDAS ....................................................................................... 57


Chương 4 - Nghiên cứu đề xuất qui trình tính toán nhiệt độ
nước biển SST và hàm lượng Chlorophyll-a phục vụ nghiên
cứu môi trường biển. .................................................................................. 63
4.1 Đề xuất quy trình xử lý SST và Chl-a từ ảnh MODIS........................................ 63
4.2 Liên kết giá trị quan trắc và dữ liệu ảnh ........................................................... 69
4.2.1 Lựa chọn thời điểm ....................................................................................... 70
4.2.2 Kết quả so sánh ............................................................................................. 71
4.3 Xây dựng phương pháp cải chính dữ liệu.......................................................... 73
4.3.1 Mục đích....................................................................................................... 73
4.3.2 Dữ liệu .......................................................................................................... 74
4.3.3 Quan hệ giữa Chl-a trên ảnh MODIS và SeaWIFS ......................................... 76
4.3.4 Hiệu chỉnh dữ liệu......................................................................................... 76
4.4 Quy luật phân bố và các dị thường hàm lượng chlorophyll-a ............................ 79
4.5 Danh sách các ảnh SeaWiFS và MODIS sử dụng trong trong luận văn. ............ 80
4.6 Một số kết quả xử lý ảnh MODIS (minh họa)................................................... 81
Kết luận và kiến nghị ................................................................................ 82
Tài liệu tham khảo ..................................................................................... 84
PHụ LụC



Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
ATBD: Algorithms Theorical Basic Document Các thuật toán cơ bản tính toán
các giá trị vật lý, ứng dụng cho các thiết bị thu nhận của các vệ tinh quan sát Trái
đất. ATBD đưa ra lý thuyết về quá trình vật lý thu nhận, các thuật toán ứng dụng để
tính toán và chuyển đổi các giá trị phát xạ thu mà thiết bị thu nhận được sang các
định lượng vật lý. Các định lượng vật lý sau đó được sử dụng để nghiên cứu đặc tính
của 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 trong lá thực vật. Cây cối sử dụng
chất diệp lục trong quá trình quang hợp.
Chlorophyll-a: Chất diệp lục nhóm a
CZCS: Coastal Zone Color Scanner – ThiÕt bÞ thu nhËn phơc vơ mục đích nghiên
cứu màu nước biển.
DMSP: Defence Meteorological Satellite Program Hệ thống vệ tinh khí tượng
phục vụ quốc phòng.
EPTOMS: The Earth Probe Total OZONE MAPPING SPECTROMETER Thiết
bị thăm dò và đo đạc khí ô-zôn.
ESA: European Space Agency Cơ quan Nghiên cứu Vũ trụ Châu Âu.
EOS : Earth Observing System Hệ thống quan sát Trái đất.
GEOS: Geostationary Satellite Vệ tinh địa tĩnh.
HDF: Hierarchical Data Fomat - Định dạng dữ liệu dạng HDF.
LWIR: Long wave Infrared Hồng ngoại sóng dài.
MCST: MODIS Characterization Support Team: Nhóm khoa học nghiên cứu các
đặc tính của ảnh MODIS.
MWIR: Midle- Wave Infrared – Hång ngo¹i sãng trung.
MCST: MODIS Calibration Support Team Nhóm khoa học nghiên cứu các thông
số hiệu chỉnh ảnh MODIS.
MERIS: Medium Resolution Imaging Spectroradiometer Thiết bị thu nhận phổ
có độ phân giải trung bình, đặt trên vƯ tinh TERRA vµ AQUA.



MODIS: Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer – ThiÕt bÞ thu nhËn phổ
có độ phân giải trung bình, đặt trên vệ tinh TERRA và 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 quyển và Đại dương của Mỹ. Vệ tinh NOAA được đặt tên theo cơ quan này.
NOAA/AVHHR: NOAA Advandced Very High Resolution Radiometer Thiết bị
thu nhận có độ phân giải cao của vệ tinh NOAA.
NESDIS: NOAA’s National Environmental Satellite Data and Infomation Service –
C¬ quan thông tin dữ liệu vệ tinh môi trường NOAA.
Net Primary Productivity - năng suất sơ cấp nguyên: Năng lượng hóa học được
thực vật tích tụ trong mô của mình sau khi đà sử dụng một phần của tổng năng
lượng đồng hóa trong quá trình quang hợp.
OBPG: Ocean Biology Procesing Group Nhóm nghiên cứu và xử lý các sản phẩm
ứng dụng trong nghiên cứu biển và đại dương.
PDS: Production Data Set Tập dữ liệu MODIS thô.
POES: Polar orbiting Operationnal Environmental Satellite Vệ tinh quan sát
môi trường, quỹ đạo cực.
QuikSCAT: Quick Scatterometer SatelliteThiết bị đo tán xạ nhanh đặt trên vệ tinh.
RSMAS: Rosentinel School of Marine and Atmospheric Science, Miami USA
Trường Đại học Khoa học Khí quyển và Đại dương Miami, Mỹ.
SAR: Synthetic Aperture Radar - ảnh radar độ mở tổng hợp.
SeaWIFS: Sea Viewing Wide Field – of – View Sensor – ThiÕt bÞ thu nhận có
trường nhìn rộng, phục vụ nghiên cứu biển và đại dương.
SeaDAS: SeaWIFS Data Analysis System Hệ thống xử lý và phân tích ảnh
SeaWIFS.
SST: Sea suface temprature Nhiệt độ bề mặt nước biển, được tính toán từ ảnh vệ
tinh thông qua các sóng phản xạ hồng ngoại nhiệt (sóng ngắn hoặc sóng dài) từ bề



mặt biển và đại dương. SST chỉ cho biết nhiệt độ của lớp nước trên bề mặt, trong độ
dày khoảng 1 mm.
SSM/I: Special Sensor Microwave Imager.
TOA: Top of Atmosphere radiance Phát xạ bề mặt khí quyển.
TRMM: Tropical Rainfall Measuring Mission satellite – VƯ tinh phơc vơ nghiªn
cøu vïng nhiƯt ®íi.


danh mục các bảng
Bảng 1.1: Các cơ quan chịu trách nhiệm các vấn đề nước biển và vùng bờ

18

Bảng 2.1: Các đặc tính kỹ thuật của ảnh MODIS

30

Bảng 2.2: Các ứng dụng chính của các kênh ảnh MODIS

31

Bảng 2.3: Các thông số kỹ thuật của đầu thu chụp SeaWiFS

33

Bảng 2.4: Một số vệ tinh và đầu thu chụp sử dụng trong quan trắc môi trường biển

34


Bảng 2.5: Các thuật toán hiệu chỉnh khí quyển của các đầu thu

36

Bảng 2.6: Các thuật toán tính chlorophyll-a theo các đầu thu chụp

38

Bảng 2.7: Hệ số sử dụng cho ảnh MODIS TERRA từ ngày 31/12/2006.

40

Bảng 3.1: Các kênh ảnh MODIS được sử dụng.

45

Bảng 4.1: Kết quả so sánh hàm lượng chlorophyll-a tại điểm quan trắc

71

Bảng 4.2: Kết quả so sánh nhiệt độ bề mặt nước biển tại điểm quan trắc

72

Bảng 4.3: Các thông tin của cặp ảnh SeaWIFS và MODIS dùng để khảo sát

74

Bảng 4.4: So sánh giá trị chl-a trên ảnh MODIS và ảnh SeaWIFS ngày 12/7/2003


75

Bảng 4.5: Danh sách các ảnh SeaWiFS và MODIS sử dụng trong trong luận văn

80


Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1: Hệ thống quan trắc môi trường biển của Mỹ
Hình 1.2: Mối liên hệ giữa chlorophyll-a và hàm lượng ôxy hòa tan
Hình 1.3: Thiết bị đo nhiệt độ, độ mặn,ô xy hòa tan và chorophyll-a
Hình 1.4: Phạm vi cung cấp thông tin dầu tràn của dự án Marcoast
Hình 1.5: Phạm vi cung cấp dữ liệu SST và chlorophyll-a của dự án Marcoast
Hình 1.6: Phạm vi cung cấp dữ liệu tảo độc của dự án Marcoast
Hình 1.7: Các trạm địa phương trong dự án CoasWatch
Hình 2.1 : ảnh hưởng của khí quyển
Hình 2.2: Thiết bị trạm thu MODIS của Viện Vật lý và Điện tử
Hình 3.1: Sơ đồ khối của công tác tiền xử lý ảnh MODIS
Hình 3.2: Minh họa hệ thống thu nhận ảnh MODIS vệ tinh EOS-AM
Hình 3.3: ảnh hưởng toàn cảnh bởi hiệu ứng hình nơ và sự chồng điểm ảnh theo
dòng quét.
Hình 3.4: Giao diện của chương trình ScanExMODIS
Hình 3.5: Thanh chức năng InMODIS
Hình 3.6: Thanh chức năng MODISCorr
Hình 3.7: Thanh chức năng HDF Viewer
Hình 3.8: Thanh chức năng Projection
Hình 3.9: Thanh chức năng OutCom
Hình 3.10: Các bước xử lý ảnh trên phần mềm SeaDAS
Hình 3.11: Giao diện phần mềm SeaDAS (Main Menu và Terminal)

Hình 3.12: Giao diện chương trình Modis_l1agen và giao diện chương trình
Modis_l1bgen62
Hình 3.13: Giao diện File Selection
H×nh 3.14: Giao diƯn Subset/Subsample
H×nh 3.15: Giao diƯn Processing Options
H×nh 4.1: Quy trình xử lý SST và Chl-a từ ảnh MODIS
Hình 4.2: ảnh MODIS mức 1Avà ảnh MODIS mức 1B
Hình 4.3: Hiển thị giá trị chlorophyll-a
Hình 4.4: ảnh chưa được nắn chỉnh hình học
Hình 4.5: ảnh sau khi nắn chỉnh hình học (ảnh Modis màu thật, chụp ngày
12/07/2003)
Hình 4.6: Sự tập trung chlorophyll-a theo thời gian và độ sâu nước biển
Hình 4.7: So sánh Chl_seawifs và Chl_modis ngày 12-7-2003
Hình 4.8: Quan hệ giữa Chl_seawifs và Ch_modis ngày 12-7-2003
Hình 4.9: So sánh Ch_seawifs trước và sau khi hiệu chỉnh

7
9
11
13
14
15
16
37
42
44
46
46
49
50

51
52
53
53
54
57
59
62
62
62
64
65
66
67
68
70
76
77
78


1

Mở ĐầU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Nhiệt độ nước biển và hàm lượng chlorophyll-a là hai trong nhiều thông số
thuộc nhóm môi trường và chất lượng nước biển hợp phần nước. Hợp phần nước,
hợp phần trầm tích và hợp phần sinh vật được quan trắc và phân tích nhằm phát hiện
những vấn đề thay đổi môi trường và ô nhiễm, từ đó đưa ra cảnh báo, kiểm soát và
ngăn ngừa để bảo vệ môi trường biển.

Nhiệt độ nước biển và hàm lượng chlorophyll-a được quan trắc trực tiếp tại
các trạm quan trắc môi trường biển của Việt Nam. Các trạm này có nhiệm vụ quan
trắc và phân tích môi trường chất lượng nước biển. Trên cơ sở dữ liệu quan trắc định
kỳ để xây dựng các báo cáo về môi trường và chất lượng nước biển hàng năm, và dự
báo những xu thế biến động trong một khoảng thời gian nhất định. Công tác điều
tra và quan trắc chủ yếu là sử dụng các tàu nhỏ di chuyển ở vùng ven bờ, thu thập và
quan trắc mẫu ở một điểm nhất định và trong khoảng thời gian nhất định của năm.
Hạn chế của công tác điều tra và quan trắc hiện tại là các điểm quan trắc còn quá
thưa thít so víi vïng biĨn réng lín, h¹n chÕ thø hai là tần suất quan trắc còn ít. Để
khắc phục hạn chế này thì cần thiết phải tăng cường số lượng trạm và tăng tần suất
quan trắc trong năm, tuy nhiên sẽ cần một khoản kinh phí quá lớn, vì vậy cần phải
áp dụng các phương pháp khác để có thể cung cấp thông tin thường xuyên với chi
phí thấp.
Công nghƯ viƠn th¸m cã rÊt nhiỊu ­u thÕ trong quan trắc và giám sát tài
nguyên thiên nhiên và môi trường nói chung. Đặc biệt, viễn thám được phát triển và
ứng dụng với các đặc thù riêng của biển và đại dương. Với ưu thế cung cấp thông tin
thường xuyên và liên tục (có thể 2 lần trong ngày), quan sát trong một vùng rộng
lớn, ảnh viễn thám đà được phát triển và ứng dụng ở nhiều nước trong nghiên cứu
biển và đại dương. ở Mỹ, các vệ tinh đà được sử dụng để nghiên cứu và quan trắc
môi trường và chất lượng nước biển từ những năm 1978. Với các ảnh
NOAA/AVHRR và CZCS được ứng dụng từ năm 1978 đà cung cấp các thông số về
nhiệt độ bề mặt nước biển và hàm lượng chlorophyll trong nước biển cùng các thông
số khác trên phạm vi toàn cầu. Các thế hệ vệ tinh liên tục được phát triển và phương


2
pháp tính toàn ngày càng chính xác và đảm bảo cung cấp thông tin liên tục, hàng
ngày với độ tin cậy cao. Hiện tại, ảnh MODIS có khả năng cung cấp các thông tin
liên tục hai lần trong ngày (AQUA và TERRA) giúp cho việc nghiên cứu sự thay
đổi của các yếu tố trong ngày.

Với mục tiêu thử nghiệm ứng dụng ảnh vệ tinh để hỗ trợ công tác quan trắc
chất lượng nước bề mặt nước biển, luận văn lựa chọn sử dụng ảnh vệ tinh để tính
toán nhiệt độ bề mặt nước biển và hàm lượng chlorophyll trong nước biển. Đây là
hai trong nhiều thông số thuộc nhóm môi trường và chất lượng nước biển của các
trạm có nhiệm vụ quan trắc hàng năm. Các thử nghiệm được tiến hành trên ảnh
MODIS, thông qua các thuật toán ứng dụng cho tính toán thông số nhiệt độ bề mặt
và hàm lượng chlorophyll-a nước biển đà được các cơ quan nghiên cứu của NASA
phát triển. Ngoài ra, thông qua các tập dữ liệu quan trắc thực địa sắn có, luận văn
cũng thử so sánh và đối chiếu với dữ liệu tính toán từ ảnh và qua đó có thể có một số
nhận xét về độ chính xác của dữ liệu từ ảnh vệ tinh.
Đề tài sử dụng phần mềm SEADAS để xử lý và tính toán dữ liệu. Đây là phần
mềm mà nguồn mở, được cung cấp miễn phí. Dữ liệu quan trắc thực địa sử dụng dữ
liệu tàu thăm dò biển của nước ngoài, được các đồng nghiệp cung cấp.
Do trong quá trình làm việc và nghiên cứu học viên thấy các dữ liệu SST và
Chlorophyll-a tính toán từ ảnh MODIS có thể hỗ trợ tốt cho công tác quan trắc môi
trường ở vùng biển Việt Nam, bằng cách cung cấp dữ liệu hàng ngày, trên một khu vực
biển rộng, khắc phục được các hạn chế về điểm quan trắc và đồng bộ dữ liệu trong công
tác quan trắc hiện tại. Mặt khác, các trạm thu ảnh MODIS đà hoạt động ở Việt Nam,
cần đẩy mạnh các ứng dụng của dữ liệu này để hỗ trợ cho các trạm quan trắc, khai thác
dữ liệu vệ tinh, sử dụng có hiệu quả nguồn vốn đà được nhà nước đầu tư nên học viên
đà lựa chọn tên đề tài của luận văn thạc sỹ: Nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh để xác
định nhiệt độ và hàm lượng chlorophyll bề mặt nước biển.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
*) Mục tiêu nghiên cứu
-

Sử dụng ảnh vệ tinh MODIS theo dõi diễn biến theo trung bình năm nhiệt độ
nước biển và hàm lượng Chlorophyll-a ở Biển Đông.



3
-

Thành lập các bản đồ theo dõi nhiệt độ nước biển và hàm lượng Chlorophylla trung bình (mg/m3) qua các năm.

-

Bằng các thực nghiệm, so sánh kết quả dữ liệu ảnh vệ tinh với dữ liệu quan
trắc thực địa để đánh giá dữ liệu SST và Chlorophyll-a tính toán từ ảnh
MODIS có thể hỗ trợ được đến đâu cho công tác quan trắc môi trường biển ở
Việt Nam.
*) Nhiệm vụ nghiên cứu

-

Thu thập các tài liệu có liên quan đến việc quan trắc, đánh giá chất lượng
nước biển trong nghiên cứu biển và đại dương, các tài liệu kỹ thuật về các đặc
tính kỹ thuật của các loại ảnh vệ tinh dùng cho việc giám sát quan trắc tài
nguyên và môi trường biển và đại dương. Tìm hiểu phần mềm SEADAS phục
vụ công tác xử lý ảnh MODIS.

-

Giải quyết vấn đề ứng dụng ảnh vệ tinh MODIS vào mục đích quan trắc,
giám sát nhiệt độ nước biển cũng như hàm lượng chlorophyll bề mặt nước
biển.

-

Thực nghiệm đánh giá độ chính xác của việc sử dụng tư liệu ảnh viễn thám

vào công tác xác định nhiệt độ bề mặt nước biển và hàm lượng chlorophyll
bề mặt nước biển dựa trên các kết quả so sánh và đánh giá cụ thể.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
*) Đối tượng nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu (Nhiệt độ nước biển SST, Chlorophyll-a) sẽ được coi là
một chỉnh thể tự nhiên, các hiện tượng chịu ảnh hưởng của một tập hợp các yếu tố tự
nhiên đến môi trường bề mặt nước biển.
*) Phạm vi nghiên cứu.
**) Phạm vi không gian : Khu vực Biển Đông Việt Nam.
**) Phạm vi thời gian : Giai đoạn từ 2003 đến 2007
4. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
*) ý nghĩa khoa học: Góp phần khẳng định và mở rộng khả năng ứng dụng
phương pháp viễn thám với độ phân giải trung bình vào quan trắc môi trường biển
bằng việc theo dõi biến động nhiệt độ nước biển và hàm lượng chlorophyll-a.


4

*) ý nghĩa thực tiễn: Xây dựng phương pháp nghiên cứu quan trắc môi trường
biển bằng việc chiết xuất các thông tin từ ảnh MODIS như nhiệt độ nước biển, hàm
lượng Chlorophyll-a.
5. Phương pháp nghiên cứu
-

Phương pháp xử lý ảnh viễn thám : Thực hiện công tác xử lý, tính toán trực
tiếp nhiệt độ nước biển, hàm lượng Chlorophyll-a (mg/m3) trên ảnh viễn thám
MODIS (SeaWIFS).

-


Phương pháp thống kê: Phân tích mặt cắt số liệu nhiệt độ nước biển, hàm
lượng Chlorophyll (mg/m3) theo ngày.

-

Phương pháp điều tra khảo sát thực địa: Đo đạc, lấy mẫu tại khu vực
nghiên cứu

-

Phương pháp sử dụng công nghệ Gis : Thành lập bản đồ theo dõi diễn biến
Nhiệt độ nước biển SST, Chlorophyll-a theo ngày.

-

Phương pháp chuyên gia tư vấn: Tham khảo chuyên gia tư vấn trong lĩnh
vực đo đạc môi trường nước.

6. Bố cục của đề tài
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn gồm 4 chương, được
trình bày trong 118 trang ( gåm c¶ phơ lơc) khỉ A4, víi 33 hình vẽ và 13 bảng biểu.


5

Lời cảm ơn

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới cô giáo hướng dẫn luận văn của
tôi, Tiến sĩ Trần Vân Anh, cô đà tạo mọi điều kiện, tận tình hướng dẫn và

giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này. Sự hiểu biết sâu sắc về khoa học,
cũng như kinh nghiệm của cô chính là tiền đề giúp tôi đạt được những thành
tựu và kinh nghiệm quý báu.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh, chị làm việc tại Trung tâm
Viễn thám quốc gia đà tận tình giúp đỡ cũng như tạo nhiều điều kiện thuận lợi
cho tôi trong quá trình nghiên cứu.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn bạn bè và gia đình đà luôn bên tôi, cổ vũ và
động viên tôi những lúc khó khăn để có thể vượt qua và hoàn thành tốt luận
văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!


6

Chương 1
Các vấn đề chung
1.1 Nhiệt độ bề mặt nước biển
1.1.1 Khái niệm
Nhiệt độ bề mặt nước biển là yếu tố quan trọng cho các quá trình vật lý xảy
ra trong cán cân năng lượng bề mặt, trong quá trình trao đổi và tương tác nhiệt giữa
biển và không khí và trao đổi giữa khí quyển và đại dương.
Đối với môi trường chất lượng nước biển, nhiệt độ cùng với độ muối là hai
đặc trưng vật lý cơ bản chi phối mọi quá trình thủy nhiệt động lực biển và đảm bảo
sự tồn tại và phát triển đời sống sinh vật biển. Phân bố nhiệt và muối trong nước
biển phản ánh cấu trúc khối nước và chế độ động lực của biển. Đối với Biển Đông,
lớp nước mặt tồn tại các khối nước nhạt và lạnh ven bờ, khối nước ngoài khơi Đông
Bắc và ngoài khơi Nam biển Đông là khối nước trồi mùa hè, giữa các khối nước là
các front thủy văn. Các đàn cá thường tập trung gần ở các front thủy văn, sự biến
động của các front thủy văn dẫn tới sự di cư của các đàn cá và các loại hải sản. Đối
với các khối nước trồi, nhiệt độ tại tâm khối thường thấp, nhỏ hơn 24oC, xung quanh

khối nước trồi thì nhiệt độ trong khoảng 28-29 oC (Theo Vũ Thi, Điều kiện Tự nhiên
của Biển Đông).
1.1.2 Phương pháp đo nhiệt độ nước biển
Phương pháp hiện tại để đo đạc và quan trắc nhiệt độ bề mặt nước biển
thường sử dụng phương pháp lấy mẫu thực địa, trên không hoặc trên bề mặt. Phương
pháp đầu tiên được sử dụng là đo đạc bằng tay: dùng nhiệt kế nhúng trực tiếp xuống
bề mặt nước biển. Phương pháp đo tự động đầu tiên được thực hiện bằng cách sử
dụng các đường ống dẫn nước biển vào trong tàu biển và đo tự động, tuy nhiên độ
chính xác và sự đồng bộ về thời gian luôn là một vấn đề khó khăn đối với các số liệu
đo đạc truyền thống. Phương pháp được coi là có độ chính xác cao nhất và tần suất
nhiều lần nhất là đo đạc dựa trên các phao đặt cố định biển, dữ liệu được truyền về
trung tâm qua vệ tinh để cung cấp tự động và liên tục. Một hệ thống phao biển đÃ
được sử dụng tại vùng biển của Mỹ và trên Thái Bình Dương và do một trung tâm dữ
liệu quản lý.


7
Từ năm 1980, vệ tinh đà được ứng dụng trong quan trắc nhiệt độ bề mặt,
phương pháp này đà khắc phục được các hạn chế của quan trắc truyền thống, cung
cấp được dữ liệu phủ trùm toàn cầu có cùng độ phân giải không gian và cùng một
thời điểm. Quan trắc từ ảnh vệ tinh đáp ứng được các yêu cầu cho ứng dụng phân
tích và nghiên cứu khí hậu trên phạm vi rộng, phương pháp này cũng được ứng dụng
cho nghiên cứu về sinh học đại dương và các ứng dụng trong lĩnh vực thủy sản.
Nhiệt độ bề mặt nước biển đưa ra tầm nhìn cơ bản toàn cảnh bề mặt đại
dương, cho phép nghiên cứu các quá trình động lực học đại dương. Nhiệt độ bề mặt
nước biển chỉ ra các dòng chảy chính trên đại dương, và còn cho thấy các dòng chảy
bất thường hiện tại như các xoáy nước nóng và lạnh. Một khu vực nhất định trên
biển có thể được quan trắc bằng vệ tinh nhiều lần trong ngày.

Hình 1.1: Hệ thống quan trắc môi trường biển của Mỹ

Thiết bị cảm nhận được đặt trên vệ tinh sẽ đo đạc 2 hay nhiều bước sóng
trong dải sóng hồng ngoại nhiệt, các bước sóng này được chọn trong khoảng phát xạ


8
mạnh nhất của vật thể đen tuyệt đối phát xạ từ Trái đất và truyền qua khí quyển.
Phương pháp đo đạc này cho phép đo đạc nhiệt độ lớp bề mặt của đại dương, trong
khoảng độ dày xấp xỉ 1 mm, nó không cho phép đo đạc nhiệt độ ở các tầng sâu của
nước biển. Thu nhận và tính toán nhiệt độ bề mặt nước biển bằng vệ tinh có thể được
mô tả khái quát như sau:


Vệ tinh mang các thiết bị có thể ghi nhận các phát xạ điện từ.



Thiết bị được thiết kế để đo đạc các khoảng sóng điện từ trong dải phổ
hồng ngoại nhiệt (các tia phát xạ hồng ngoại phát ra từ bề mặt biển).



Các thiết bị này sẽ thu nhận phát xạ phát ra từ bề mặt biển.



Máy tính sẽ tính toán từ các phát xạ đo được để tạo thành ảnh

Phương pháp đo đạc từ vệ tinh có thể cung cấp nguồn dữ liệu khổng lồ, liên
tục với tần suất cao, bao trùm khu vực rộng lớn mà các phương pháp truyền thống
như đo đạc trực tiếp, bằng tàu biển, bằng phao biển không đáp ứng được.

1.1.3 Vật đen tuyệt đối và nhiệt độ phát xạ
Lý thuyết về thu nhận nhiệt độ bề mặt Trái đất từ vệ tinh dựa trên định luật
Planck, mọi vật thể có nhiệt độ lớn hơn 0oC đều phát xạ nhiệt, vật đen tuyệt đối là
vật phát xạ lý tưởng: hấp thụ sóng điện từ trong toàn bộ dải độ dài bước sóng và phát
xạ toàn bộ năng lượng ở nhiệt độ của vật thể.
Lượng phát xạ L là năng lượng phát ra trên một đơn vị diện tích và góc khối
(steradian) nhất định (Wm-2 sr-1).
Lượng phát xạ L ở một bước sóng nào đó (đối với vật đen tuyệt đối, được
mô tả theo định luật Planck:

Trong đó:

2hc 2 hc / kT
L  5 (e
 1) 1


(1.1)

h: h»ng sè Planck = 6,6260775 x10-34 (Js)
k: h»ng sè Boltzman = 1,380658 x 10-23(JK-1)
c: vận tốc ánh sáng trong môi trường chân không = 2,99792458 x 108 (ms-1)
T: nhiệt độ vật thể (thang Kevin)
độ dài bước sóng


9
e: h»ng sè e, = 2,71828 18284 59045 23536...
NhiƯt ®é phát xạ hay nhiệt độ độ sáng được tính bằng nghịch đảo hàm Planck.
Để có thể tính toán được nhiệt độ của vật thể phát xạ nhiệt ở bước sóng L , đầu thu

chụp được lắp một bộ phận gọi là Black Body dùng để so sánh và là nguồn để hiệu
chỉnh phát xạ tổng hợp. ở đầu thu chụp MODIS, bộ phận này có tên gọi là V-groove
BB, bộ phận này cung cấp nguồn phát xạ đà được biết trước và được sử dụng để hiệu
chỉnh phát xạ cho dải sóng MWIR và LWIR. Các lỗ hổng ở đầu quét được thiết kế
để thu nhận nhiệt độ đối sánh tõ bé phËn BB ë 273oK.
1.2 Chlorophyll bỊ mỈt n­íc biển
1.2.1 Khái niệm
Nước và các chất trong nước luôn thay đổi. Sự thay đổi của nước là do ảnh
hưởng của nguồn nước sạnh chảy từ lục địa và của nguồn nước mặn trong biển. Môi
trường nước biển là một trong 3 hợp phần môi trường được quan tâm: nước, trầm
tích và sinh vật. Có nhiều chỉ tiêu được đo đạc để quan trắc môi trường nước,
chlorophyll-a cũng là một trong các chỉ tiêu mà các nhà nghiên cứu môi trường nước
quan tâm.
Chất diệp lục là sắc tố màu xanh có trong thực vật. Chất diệp lục nhóm a
được quan tâm nhất trong các nhóm diệp lục. Cây cối sử dụng chất diệp lục thu nhận

Hình 1.2: Mối liên hệ giữa chlorophyll-a và hàm lượng ôxy hòa tan


10
ánh sáng mặt trời để quang hợp. Thực vật có thể sử dụng các sắc tố khác trong quá
trình quang hợp nhưng chlorophyll được sử dụng phổ biến nhất. Chlorophyll-a được
đo đạc để đánh giá sự phong phú về sinh vËt phï du cã trong m«i tr­êng n­íc, nhiỊu
chlorophyll-a chØ thÞ sù phong phó cđa sinh vËt phï du trong nước.
Phần lớn lượng chlorophyll-a tập trung gần bề mặt của nước vì ở dưới sâu
không có ánh sáng. Chlorophyll tập trung đông nhất ngay bên dưới mặt nước, không
phải trên bề mặt nước. Sinh vật phù du ban ngày cần ánh sáng mặt trời để phát triển.
Lượng ô xy hòa tan và chlorophyll bắt đầu tăng cùng thời điểm mặt trời mọc vì lúc
đó các sinh vật phù du bắt đầu quang hợp và sản sinh ra ô xy. Vào lúc trưa thì
chlorophyll bắt đầu giảm và giảm nhanh sau khi mặt trời lặn. Hình 1.2 cho thấy mối

liên hệ giữa hàm lượng chlorophyll và lượng ô xy hòa tan ë bỊ mỈt n­íc biĨn (Water
properties, Discovery of Estuarine Environment. Dr. Dana Kester, University of
Rhode Island- URI [5]).
Sù tËp trung của chlorophyll thay đổi theo các yếu tố mà nó ¶nh h­ëng tíi sù
sinh tr­ëng cđa sinh vËt phï du. Các kết quả nghiên cứu trong chương trình biển của
URI cho thấy các yếu tố đó là:


Lượng ánh sáng mặt trêi,



Sù tËp trung dinh d­ìng (nitrate, phosphate),



Sù trén lÉn c¸c tầng nước,



Nhiệt độ nước,



Chất lượng nước,

Đo đạc lượng chlorophyll-a có trong nước biển cho ta đánh giá được chất
lượng của thực vật phù du sống trong nước. Tảo là nguồn thức ăn quan trọng cho cá
và các loại động vật có vỏ. Khi lượng dinh dưỡng sản sinh ra tăng và tảo nở hoa thì
kéo theo nhiều vấn đề nảy sinh như: cá bị chết do lượng ô xy hòa tan thấp, cỏ biển

suy giảm do lượng ánh sáng chiếu xuống giảm đi. Tảo nở hoa là triệu chứng của hệ
sinh thái suy giảm.
Thực vật phù du như là cỏ cây ở trên đất liền, hầu như mọi sự sống trên Trái
đất đều nhờ vào thực vật để lấy nguồn dinh dưỡng. Trong đại dương, các vi sinh vật,
thực vật phù du là thức ăn của cá. Vì vậy, thực vật phù du có thể coi như là mắt xích


11
đầu tiên trong chuỗi thức ăn.
Thực vật phù du, cũng như các loài thực vật trên mặt đất, cũng cần ánh sáng,
nước, khí các-bon-nic và các chất dinh dưỡng để sinh trưởng. Trong quá trình quang
hợp, thực vật phù du cần có ánh sáng và khí các-bon-nic. Loại khí này luôn luôn
được thải đầy trong khí quyển, trên bề mặt đại dương được hòa tan trong nước cung
cấp cho thực vật phù du. Trong đại dương, yếu tố chính kích thích sự phát triển của
thực vật phù du là chất dinh dưỡng (nitrates, phosphates, silicates ...). Các chất này
có rất nhiều ở dưới biển sâu, những vùng nước lạnh nằm sâu trong lòng đại dương.
Khi những dòng nước này trồi lên gần mặt nước biển, lúc đó hội tụ đầy đủ các điều
kiện để tảo bùng phát. Lúc này mặt nước dầy đặc chất dinh dưỡng và kích thích tảo
phát triển.
Lượng chlorophyll-a có trong nước là bao nhiêu là đủ? Có thể là khác nhau
đối với các vùng biển khác nhau. Các nhà khoa học nghiên cứu hệ sinh thái các vịnh
vùng ven biển Maryland đưa ra con số: 15g/l chlorophyll là ngưỡng thấp (chất
lượng nước nghèo) và ngưỡng cao là 50 g/l chlorophyll.
1.2.2 Phương pháp đo đạc chlorophyll trong nước biển
Lượng chlorophyll-a có thể đo được bằng các cách khác nhau. Các mẫu nước
có chứa chlorophyll được cho vào lớp lưới lọc đặc biệt ta thu được lượng
chlorophyll-a trong lớp lưới, lớp lưới này được nhúng vào dung dịch a-xê-tôn, thiết
bị đo huỳnh quang hoặc thiết bị đo phổ được dùng để đọc lượng ánh sáng truyền qua
lưới ở độ dài bước sóng ánh sáng nhất định và lượng ánh sáng này được sử dụng để
tính toán hàm lượng chlorophyll-a.


Hình 1.3: Thiết bị đo nhiệt độ, độ mặn,ô xy hòa tan và chlorophyll-a


12
Việc đo đạc được thực hiện ngoài thực địa bằng huỳnh quang kế (fluometer).
Mẫu nước được soi qua ánh sáng đơn kênh, một số vật chất có trong mẫu nước bao
gồm cả chlorophyll-a sẽ tỏa sáng, phát sáng. Lượng ánh sáng do chlorophyll phát ra
được ghi nhận và sử dụng để tính toán hàm chlorophyll. Huỳnh quang kế cần hiệu
chỉnh bằng các mẫu lưới lọc. Phương pháp này được sử dụng để đo đạc lượng
chlorophyll-a trong các vùng vịnh ở Mỹ.
Chlorophyll-a cũng có thể đo đạc được bằng phương pháp viễn thám, thông
qua vệ tinh. Vệ tinh đo đạc mầu của nước biển để xác định lượng chlorophyll-a có
trong nước. Nước biển thường là có mầu xanh lơ, khả năng của vệ tinh có thể phát
hiện được sự thay đổi rất nhỏ về mầu sắc của nước biển cho kết quả là hàm lượng
chlorophyll-a có trong tảo. Việc đo đạc bằng vệ tinh cần có sự so sánh với kết quả
đo đạc thực địa để hiệu chỉnh dữ liệu đo đạc từ vệ tinh.
Xác định chlorophyll-a trong nước biển từ ảnh vệ tinh cho phép nhìn tổng
quát khu vực rộng lớn của đại dương tại cùng một thời điểm, điều mà đo đạc bằng
thiết bị đo gắn trên tàu hoặc phao biển không có được thông tin như vậy. Tuy nhiên,
dữ liệu đo đạc bằng tàu hoặc phao biển có thể thực hiện đo đạc sâu trong lòng nước,
đo đạc nhiều thông số khác nhau cùng một thời điểm với độ chính xác cao, đáp ứng
cho yêu cầu khảo sát khu vực hẹp. Việc kết hợp với dữ liệu quan trắc đo đạc thực địa
sẽ tăng thêm độ chính xác và độ tin cậy của phương pháp sử dụng ảnh vệ tinh.
1.3 Một số dự án quan trắc môi trường biển trên thế giới
1.3.1 Dự án Giám sát Môi trường Biển của Châu Âu
(Global Monitoring for Environment and Security - GMS) GMS là dự án của
Châu Âu, bao gồm các quốc gia thành viên và các cơ quan chuyên môn của Anh,
Pháp, Italia, Bỉ. Mục tiêu của dự án là giám sát và cung cấp thông tin trên các vùng
biển Địa Trung Hải, Bắc Đại Tây Dương. Các thông tin bao gồm:



Dầu tràn,



Chất lượng nước,



Mô hình đại dương,



Mô hình khí hậu bề mặt.

Dự án được chia thành nhiều giai đoạn và được tiến hành trong nhiều năm.
Giai đoạn 1: Được tiến hành trong 2 năm (2003 - 2004), bao gồm xác định và phân


13
tích nhiệm vụ, cụ thể như:


Xác định các dịch vụ thông tin cần giám sát và quan trắc,



Lợi ích của các thông tin sẽ cung cấp,




Xác định các nhiệm vụ cụ thể cho giai đoạn 2.

Giai đoạn 2: Tiến hành trong 2005 đến 2008, bao gồm các mục tiêu:


Khả năng duy trì bền vững của dự án, bao gồm tìm kiếm và chuẩn bị
nguồn tài trợ cho dự án thông qua các cơ quan sử dụng dữ liệu,



Thiết lập cơ sở lâu dài, mở rộng mạng lưới cung cấp dịch vụ, dữ liệu.

Giai đoạn 3: Từ năm 2008, là giai đoạn dự án đi vào hoạt động.
Marcoast (Marine & Coastal Environmental Information Services) là một dự
án thuộc GMS, được ESA tài trợ kéo dài trong 3 năm, có mục đích thiết lập mạng
lưới ổn định nhằm cung cấp dịch vụ thông tin biển và dải ven biển. Dự án được tiến

Hình 1.4: Phạm vi cung cấp thông tin dầu tràn cđa dù ¸n Marcoast


14
hành từ 10/2005, các thông tin phục vụ giám sát bao gồm 2 dòng dữ liệu: dòng dịch
vụ dữ liệu dầu tràn và dòng dịch vụ dữ liệu chất lượng nước.
Dòng dịch vụ dữ liệu dầu tràn, gồm các nhiệm vụ:
Giám sát dầu tràn,
Dự báo sự di chuyển của dầu tràn.
Dòng dịch vụ dữ liệu chất lượng nước, bao gồm các nhiệm vụ:
Giám sát và cảnh báo chất lượng nước,

Giám sát, dự báo tảo độc trong nước,
Đánh giá chất lượng nước,
Cung cấp dữ liệu khí tượng biển. Dòng dịch vụ dữ liệu dầu tràn sử dụng ảnh
SAR để mô hình hóa sự di chuyển của vệt dầu tràn.
Giám sát chất lượng nước bao gồm các thông số chlorophyll - a và nhiệt độ
bề mặt nước biển. Để quan trắc các thông số này, dự án sử dụng ảnh vệ tinh quang
học MERIS, MODIS, NOAA/AVHRR.

Hình 1.5: Phạm vi cung cấp dữ liệu SST và chlorophyll-a của dự án Marcoast
Giám sát, dự báo tảo độc trong nước, dựa trên dữ liệu màu nước biển, sử dụng
ảnh vệ tinh quang học MERIS, MODIS, NOAA/AVHRR và các dữ liệu quan trắc
thực địa sẵn có.