Ứng dụng viễn thám giám sát sự suy giảm hàm lượng Chlorophyll do ô nhiễm môi trường biển tỉnh Cà Mau

  • Số trang: 76 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 29 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 26946 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Ngọc Anh ỨNG DỤNG VIỄN THÁM GIÁM SÁT SỰ SUY GIẢM HÀM LƢỢNG CHLOROPHYLL DO Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG BIỂN TỈNH CÀ MAU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Ngọc Anh ỨNG DỤNG VIỄN THÁM GIÁM SÁT SỰ SUY GIẢM HÀM LƢỢNG CHLOROPHYLL DO Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG BIỂN TỈNH CÀ MAU Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên môi trường Mã số: 60850101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Doãn Hà Phong Hà Nội – Năm 2013 ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết...........................................................................................................1 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ...........................................................................2 3. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................3 5. Quan điểm và phương pháp nghiên cứu .................................................................3 6. Bố cục của đề tài .....................................................................................................4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG BIỂN ...........................................................................................................................5 1.1 Sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu ô nhiễm môi trƣờng biển ..5 1.1.1 Tổng quan sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu vùng biển ở trong nước và nước ngoài .....................................................................................................5 1.1.2 Các loại ảnh viễn thám ứng dụng nghiên cứu biển và đại dương ......................7 1.2 Chlorophyll-a .....................................................................................................24 1.2.1 Khái niệm Chlorophyll-a..................................................................................24 1.2.2 Chlorophyll-a trong nghiên cứu ô nhiễm môi trường biển ..............................24 1.2.3 Chlorophyll-a từ dữ liệu vệ tinh MODIS .........................................................25 CHƢƠNG 2. KHU VỰC NGHIÊN CỨU CÀ MAU ............................................29 2.1 Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên khu vực Cà Mau ......................................29 2.1.1 Vị trí địa lý và địa hình ....................................................................................29 2.1.2 Chế độ khí hậu .................................................................................................30 2.1.3. Chế độ thủy hải văn.........................................................................................33 2.2 Điều kiện kinh tế - xã hội, môi trƣờng ............................................................38 2.2.1 Điều kiện kinh tế- xã hội ..................................................................................39 2.2.2 Thực trạng môi trường .....................................................................................48 CHƢƠNG 3. ĐÁNH GIÁ SỰ SUY GIẢM HÀM LƢỢNG CHLOROPHYLLA DO Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG .........................................................................51 iii 3.1 Thành lập bản đồ Chlorophyll-a năm 2006-2007-2008 khu vực biển Cà Mau từ ảnh vệ tinh MODIS ...................................................................................51 3.1.1 Quy trình thành lập bản đồ hàm lượng Chlorophyll-a .....................................51 3.1.2 Thành lập bản đồ hàm lượng Chlorophyll-a trung bình các năm 2006-2008 ..53 3.2 Phân tích, đánh giá các kết quả giá trị hàm lƣợng Chlorophyll-a ...............58 3.2.1 Nghiên cứu mặt cắt vùng biển ô nhiễm dựa trên sự suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a ............................................................................................................59 3.2.2 Tính toán diện tích vùng suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a .........................62 3.2.3 Nguyên nhân giả thiết gây ra sự cố làm suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a khu vực Cà Mau năm 2007…………………………………………………...........62 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................66 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................68 iv MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1 Vệ tinh TERRA ..........................................................................................10 Hình 1.2 Quỹ đạo bay của vệ tinh TERRA...............................................................10 Hình 1.3 Dữ liệu ảnh vệ tinh thu nhận vào ngày 16/11/2002, những dải sọc trắng không có dữ liệu sẽ được phủ vào ngày hôm sau. ....................................................11 Hình 1.4 Trạm đo ảnh MODIS của Viện Vật Lý và Điện Tử...................................13 Hình 1.5 Vệ tinh AQUA và các bộ cảm biến............................................................15 Hình 1.6 Quỹ đạo bay của vệ tinh AQUA ................................................................16 Hình 1.7 Phân tử Chlorophyll ...................................................................................24 Hình 1.8 Quy trình xử lý Chl-a từ ảnh MODIS .......................................................27 Hình 2.1. Bản đồ hành chính tỉnh Cà Mau ................................................................29 Hình 2.2. Hướng gió thịnh hành mùa hè khu vực biển Cà Mau ...............................32 Hình 2.3. Hướng gió thịnh hành mùa đông khu vực biển Cà Mau ...........................32 Hình 2.4. Hệ thống sông và trạm đo hải văn Cà Mau ...............................................34 Hình 2.5. Tỷ trọng của các khu vực kinh tế 1997-2011...........................................39 Hình 2.6. Nuôi tôm ở Cà Mau ...................................................................................41 Hình 2.7. Rừng tràm ở U Minh- Cà Mau ..................................................................44 Hình 2.8. Khởi công xây dựng nhà máy đóng tàu Cà Mau ......................................44 Hình 2.9. Đất mũi Cà Mau ........................................................................................45 Hình 2.10. Cửa biển Rạch Gốc .................................................................................46 Hình 2.11. Các cống trên địa bàn tỉnh Cà Mau đang được triển khai xây dựng .......47 Hình 3.1 Sơ đồ khối thành lập bản đồ chuyên đề .....................................................54 Hình 3.2 Ảnh tổ hợp màu MODIS độ phân giải 250m năm 2008 ............................54 Hình 3.3. Bản đồ giá trị hàm lượng Chlorophyll-a khu vực biển Cà Mau 6 tháng đầu năm 2006 ...................................................................................................................55 Hình 3.4. Bản đồ giá trị hàm lượng Chlorophyll-a khu vực biển Cà Mau 6 tháng đầu năm 2007 ...................................................................................................................56 Hình 3.5. Bản đồ giá trị hàm lượng Chlorophyll-a khu vực biển Cà Mau 6 tháng đầu năm 2008 ...................................................................................................................57 v Hình 3.6 So sánh ảnh Chlorophyll-a qua các năm 2006-2007-2008 ........................58 Hình 3.7 Vị trí mặt cắt nghiên cứu ............................................................................59 Hình 3.8 Độ biến thiên chlorophyll-a ở mặt cắt thứ nhất .........................................59 Hình 3.9 Độ biến thiên chlorophyll-a ở mặt cắt thứ hai ...........................................60 Hình 3.10 Độ biến thiên chlorophyll-a ở mặt cắt thứ ba ..........................................61 Hình 3.11. Ảnh thể hiện các vùng suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a ...................62 Hình 3.12. Ảnh MODIS ngày 1/6/2007 (đầu thu Terra, độ phân giải 250m) ...........64 Hình 3.13. Ảnh thể hiện các vùng suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a ...................62 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1 Bảng thông số phổ của ảnh vệ tinh MODIS ..............................................11 Bảng 1.2 Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS .....................................................17 Bảng 1.3 Một số vệ tinh và đầu thu sử dụng trong quan trắc môi trường ................17 Bảng 1.4 Các thông số tính kỹ thuật của vệ tinh ENVISAT ...................................19 Bảng 1.5 Thuộc tính phổ của ảnh MERIS ...............................................................21 Bảng 1.6 So sánh các thuộc tính kỹ thuật của ảnh MERIS và MODIS ....................22 Bảng 1.7. Các kênh phổ MODIS sử dựng tính toán .................................................26 Bảng 2.1. Nhiệt độ trung bình tại một số trạm trong khu vực ..................................31 Bảng 2.2. Tốc độ gió trung bình tại một số trạm trong khu vực ...............................33 Bảng 2.3. Độ cao sóng trung bình .............................................................................36 Bảng 2.4. Phân bố dân số của tỉnh Cà Mau ..............................................................42 Bảng 3.1 Độ biến thiên Chlorophyll-a ở mặt cắt thứ nhất ........................................60 Bảng 3.2 Độ biến thiên Chlorophyll-a ở mặt cắt thứ hai ..........................................60 Bảng 3.3 Độ biến thiên Chlorophyll-a ở mặt cắt thứ ba ...........................................61 Bảng 3.4. Tính toán diện tích vùng suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a .................63 vi LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn luận văn của tôi, PGS.TS Doãn Hà Phong, thầy đã 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 thầy chính là tiền đề giúp tôi đạt được những thành tựu và kinh nghiệm quý báu. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến khoa Địa lý trường ĐH KHTN, các thầy cô đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ và truyền đạt kiến thức cũng như kinh nghiệm cho tôi trong suốt thời gian học tập. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các anh, chị làm việc tại Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường đã tận tình giúp đỡ, động viên và tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn! vii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Trong 6 tháng đầu năm 2007, tại 20 tỉnh, thành phố ven biển ở nước ta xảy ra hiện tượng dầu thô trôi dạt vào bờ. Tổng lượng dầu thu gom là 2.071,3 tấn, trong đó đã xử lý được 1.904,8 tấn. Dầu thô đã xuất hiện dọc bờ biển từ Hà Tĩnh đến Cà Mau và tại các đảo như Cù Lao Chàm, Côn Đảo, Bạch Long Vỹ... Quy mô của đợt ô nhiễm dầu là rất lớn và kéo dài, tác động nghiêm trọng tới sự phát triển bền vững của đất nước. Trong đó, ngành thủy sản và du lịch đã bị thiệt hại nặng nề do ô nhiễm dầu. Ở Cà Mau có diện tích nuôi trồng thủy sản lớn tập trung trên rừng đước Năm Căn và rừng tràm U Minh Hạ. Những cây đước bị chặt phá bừa bãi, vừa để dành đất nuôi tôm, làm rẫy, vừa lấy gỗ, hầm than bán. Tiếp sau phá rừng là việc tự ý đào nhiều kênh xáng để dẫn và thoát nước. Nhiều cửa sông lớn như Bảy Háp, Cửa Lớn, vùng bãi bồi phía tây huyện Ngọc Hiển bị lấn chiếm, làm cho lòng sông thu hẹp, giảm tốc độ dòng chảy, tăng thêm mức độ ô nhiễm nước sông rạch trong nội đồng và ven biển. Các đoàn tàu khai thác đánh bắt thủy sản ở đây lại thải rác, cặn dầu, nhớt trực tiếp xuống biển. Tỉnh Cà Mau còn có các khu công nghiệp tập trung như khu công nghiệp khí - điện - đạm, chế biến thủy sản. Bên cạnh đó, dân số gia tăng, kèm theo quá trình đô thị hóa quá nhanh, sản sinh ra lượng chất thải ngày càng lớn. Vì vậy, Cà Mau phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm môi trường khu vực ven biển ngày càng cao. Cùng với sự phát triển nhanh và mạnh của công nghệ vũ trụ, rất nhiều nước trên thế giới đã ứng dụng thành công công nghệ viễn thám trong nghiên cứu và giám sát môi trường biển. Với kỹ thuật viễn thám hiện đại, đặc biệt là sự phát triển của viễn thám quang học với độ phân giải 30 m LandSat/MSS, TM và thậm chí 2,5 m như SPOT có thể cho những số liệu điều tra, phân tích và đánh giá một cách rất chi tiết và chính xác bề mặt Trái đất. Ảnh đa phổ được thu nhận không chỉ trong dải phổ nhìn thấy, mà phần lớn các thông tin được thu nhận trong vùng phổ hồng ngoại, nằm ngoài khả năng phát hiện bằng mắt thường. Các đầu thu quang học trên 1 vệ tinh (Sensor) được thiết kế thu nhận các vùng phổ riêng biệt khác nhau phản xạ từ mặt đất, phụ thuộc vào loại đối tượng cần quan sát. Các vệ tinh thám sát hiện nay thu nhận ảnh trên nhiều kênh phổ. Các vệ tinh Terra và Aqua mang thiết bị thu ảnh MODIS (của Mỹ) có thể thu nhận tới 36 kênh ảnh phục vụ nghiên cứu chuyên đề về các đối tượng khác nhau trên mặt đất, trên đại dương và trong khí quyển. Các đối tượng nghiên cứu có khả năng phản xạ khác nhau, tuỳ thuộc vào đặc tính hoá - lý của chúng, như thành phần vật chất, mầu sắc, nhiệt độ, độ ẩm... Hàm lượng Chlorophyll-a thu nhận trên bề mặt mặt biển là một tham số môi trường biểu thị mức độ ô nhiễm trên một khu vực rộng lớn và đồng bộ về thời gian.. Với đặc tính của công nghệ Viễn thám, các vệ tinh độ phân giải trung bình với tần suất thu nhận ảnh cao có nhiệm vụ cảnh báo và giám sát môi trường biển, việc nghiên cứu giám sát ô nhiễm môi trường biển thông qua xác định theo dõi hàm lượng Chlorophyll-a trên ảnh vệ tinh MODIS có thể chủ động trong công tác ứng phó sự cố ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm dầu trên biển nói riêng. Do đó, tôi chọn đề tài nghiên cứu “Ứng dụng viễn thám giám sát sự suy giảm hàm lượng Chlorophyll do ô nhiễm môi trường biển tỉnh Cà Mau”. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu *) Mục tiêu nghiên cứu Theo dõi, giám sát ô nhiễm môi trường biển khu vực Cà Mau thông qua sự biến đổi hàm lượng Chlorophyll-a trung bình 6 tháng đầu các năm 2006, 2007 và 2008 thu nhận được từ ảnh vệ tinh MODIS. *) Nhiệm vụ nghiên cứu - Thu thập, hệ thống hoá, tổng hợp và đánh giá nguồn tài liệu, số liệu từ các dự án, đề tài, báo cáo trước đây về nghiên cứu giám sát môi trường biển để tìm các phương pháp tối ưu cho việc xử lý số liệu và tính toán tại khu vực nghiên cứu. - Sử dụng ảnh vệ tinh MODIS để khảo sát trực tiếp hàm lượng Chlorophyll-a trung bình 6 tháng đầu các năm 2006, 2007 và 2008 thuộc khu vực biển Cà Mau. - Phân tích, đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường biển khu vực Cà Mau qua hàm lượng chlorophyll – a (mg/m3) trên cơ sở ảnh vệ tinh MODIS. 2 3. Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi không gian : vùng biển tỉnh Cà Mau từ 8.3° đến 9.8° vĩ Bắc và từ 103.6° đến 106.1° kinh Đông. - Phạm vi thời gian : 6 tháng đầu các năm 2006, 2007, 2008 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 phân giải trung bình vào việc nghiên cứu ô nhiễm môi trường biển bằng việc theo dõi biến động hàm lượng Chlorophyll-a. *) Ý nghĩa thực tiễn: Xây dựng phương pháp nghiên cứu đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường biển bằng chỉ số hàm lượng Chlorophyll-a, thông qua đó để giám sát, theo dõi từ đó đưa ra các biện pháp xử lý kịp thời. 5. Quan điểm và phƣơng pháp nghiên cứu *) Quan điểm nghiên cứu - Quan điểm hệ thống: Đối tượng nghiên cứu (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 gây ô nhiễm môi trường nước bề mặt. - Quan điểm tổng hợp: Sử dụng các kiến thức khoa học về môi trường, viễn thám và các khoa học khác có liên quan để nghiên cứu vấn đề ô nhiễm môi trường tại khu vực biển của Cà Mau. - Quan điểm tiếp cận ứng dụng công nghệ hiện đại: Công nghệ hiện đại đang phát triển nhanh và mạnh, đặc biệt là công nghệ viễn thám và GIS và các ứng dụng của nó trong phát triển của các chuyên ngành. - Quan điểm kế thừa các tài liệu đã có: Tài liệu đã có bao gồm các cơ sở dữ liệu về điều kiện tự nhiên, điều kiện xã hội. Các kết quả nghiên cứu của các đề tài, dự án đã được tiến hành. Cách tiếp cận này cho phép tận dụng nhiều số liệu tốt đã có, giảm chi phí và giúp cho so sánh tài liệu lịch sử trong quá trình nghiên cứu. - Quan điểm mô hình hoá các hiện tượng vật lý của các đối tượng để đưa vào các mô hình tự động hoá tính toán: Các giá trị hàm lượng Chlorophyll-a được tính toán trực tiếp từ dữ liệu viễn thám thu nhận được, được hệ thống hóa so sánh 3 theo các chu kỳ trung bình tháng, mùa và năm. Trong đề tài sử dụng theo chu kỳ trung bình 6 tháng đầu năm. *) Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp xử lý ảnh viễn thám : Thực hiện công tác xử lý, tính toán trực tiếp hàm lượng Chlorophyll-a (mg/m3) trên ảnh viễn thám MODIS. - Phương pháp sử dụng công nghệ GIS : Thành lập ảnh theo dõi diễn biến Chlorophyll-a theo trung bình năm. - Phương pháp chuyên gia tư vấn: Tham khảo chuyên gia tư vấn trong lĩnh vực đo đạc, giám sát môi trường nước. 6. Bố cục của đề tài Mở đầu Chương 1. Tổng quan về nghiên cứu ô nhiễm môi trường biển Chương 2. Khu vực nghiên cứu Cà Mau Chương 3. Đánh giá sự suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a do ô nhiễm môi trường Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG BIỂN Công ước Luật biển 1982 đã đưa ra một khái niệm khá toàn diện về ô nhiễm môi trường biển. Ô nhiễm môi trường biển là “việc con người trực tiếp hoặc gián tiếp đưa các chất liệu hoặc năng lượng vào môi trường biển, bao gồm cả các cửa sông, khi việc đó gây ra hoặc có thể gây ra những tác hại như gây nguy hiểm cho sức khoẻ con người, gây trở ngại cho các hoạt động ở biển, kể cả biệc đánh bắt hải sản và các việc sử dụng biển một cách hợp pháp khác, làm biến đổi chất lượng nước biển về phương tiện sử dụng nó và làm giảm sút các giá trị mỹ cảm của biển” [9]. 1.1 Sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu ô nhiễm môi trƣờng biển 1.1.1 Tổng quan sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu vùng biển ở trong nước và nước ngoài Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu vùng ven biển có ứng dụng các thông tin viễn thám với hai dạng dữ liệu: tương tự (analog) và dữ liệu số (digital). Việc nghiên cứu, khảo sát ở vùng biển ven bờ, đồng bằng ven biển hiện nay còn gặp nhiều khó khăn khi gặp thời tiết bất ổn, như trường hợp có bão, áp thấp, giông lốc hay khi có lũ lớn và gió mùa thổi mạnh... Để khắc phục khó khăn này, một trong những phương pháp có hiệu quả hiện nay trong nghiên cứu vùng biển là sử dụng kết hợp thông tin Viễn thám (RS) và Hệ thông tin địa lý (GIS). Tư liệu viễn thám rất đa dạng về chủng loại và độ phân giải không gian, bao gồm có các loại ảnh máy bay, ảnh vệ tinh thám sát thu nhận trong các thời gian khác nhau; trong đó loại ảnh đa phổ (Multispectral Image) hiện nay được sử dụng rất rộng rãi. Ảnh đa phổ được thu nhận trên các thiết bị quang học trong dải sóng điện từ rất rộng, từ phổ thị tần (Visible) cho đến phổ hồng ngoại (Infra-Red) và là nguồn cung cấp thông tin quan trọng, phục vụ cho các nghiên cứu chuyên đề khác nhau. Trong thời gian qua, nhóm nghiên cứu thuộc Trung tâm Viễn thám quốc gia và Viện Vật lý (Viện KH và CN Việt Nam) đã tiến hành thử nghiệm ứng dụng ảnh vệ tinh để tính toán nhiệt độ nước biển (SST) và hàm lượng chlorophyll-a (Chl-a) trên biển – hai trong số các 5 thông số môi trường cho biết chất lượng nước biển. Mục tiêu của thử nghiệm này nhằm hỗ trợ các trạm quan trắc môi trường biển của nước ta, hiện có số lượng trạm và tần suất quan trắc còn quá thưa thớt so với vùng biển rộng lớn. Với ưu thế cung cấp thông tin thường xuyên và liên tục, quan sát trong một vùng rộng lớn, ảnh viễn thám đã được phát triển và ứng dụng ở nhiều nước trong nghiên cứu biển và đại dương. Một số các đề tài, dự án và nghiên cứu trong nước ứng dụng nghiên cứu về ô nhiễm trên vùng biển nước ta như: - Đề tài cấp nhà nước “Ô nhiễm dầu trên vùng biển Việt Nam và biển Đông” thuộc đề tài cấp Nhà nước mã số KC.09.22/06-10. PGS.TS. Nguyễn Đình Dương_Viện Địa lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam làm chủ nhiệm [2]. Đề tài khẳng định về cơ bản tư liệu siêu cao tần sẽ là tư liệu chủ đạo trong nhưng các tư liệu quang học trong một số trường hợp cũng có thể cung cấp thông tin hữu ích và kịp thời cho việc quan trắc vết dầu trên biển. - Bài báo “Nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám quang học trong giám sát ô nhiễm dầu trên vùng biển Việt Nam” năm 2007 của PGS.TS Doãn Hà Phong đã đạt được mục tiêu nghiên cứu quan trắc hằng ngày và phát hiện các tai biến tràn dầu, cũng như các sự cố khác trên biển (ô nhiễm chất hóa học) của ảnh MODIS dựa vào giá trị hàm lượng Chlorophyll và một số yếu tố khác [7]. Từ đó cung cấp các số liệu về phân bố, diện tích cho các mô hình dự báo để đưa ra các các phương án xử lý tràn dầu xa bờ. Các kết quả thu nhận được có ý nghĩa góp phần xây dựng cơ sở khoa học và phương pháp luận về ứng dụng công nghệ Viễn thám và GIS vào nghiên cứu, theo dõi và có thể cảnh báo sớm một số loại thiên tai, sự cố vùng biển của nước ta. Trên thế giới, công nghệ viễn thám trong nghiên cứu biển và đại dương đã được ứng dụng từ rất sớm: - Tại Trung Quốc công nghệ viễn thám được ứng dụng nghiên cứu hiện tượng thủy triều đỏ đã góp phần quan trọng trong việc cảnh báo thiên tai này (Coastal Environment Remote Sensing in Bohai and Yellow Sea in China -Ling Sun, 2003) - Tại Mỹ, công nghệ viễn thám được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: 6 + Lập bản đồ vùng ven biển : NOAA đã sử dụng công nghệ cảm biến từ xa (chủ yếu là chụp ảnh từ trên không) để khảo sát gần 95.000 dặm bờ biển của Mỹ, cung cấp dữ liệu cho việc sản xuất đồ hải lý và tài liệu tham khảo địa lý cần thiết để quản lý tài nguyên ven biển. Khảo sát chụp ảnh trên không được bay vào chu kỳ thay đổi thời gian để cập nhật dữ liệu định kỳ. + Xác định ranh giới : NOAA sử dụng viễn thám để phân định nghĩa là thấp hơn nước thấp (MLLW) (hoặc MLW ở một số bang) và có nghĩa là nước cao (MHW) đường được sử dụng trong xác định ranh giới. Cụ thể là, với ảnh hồng ngoại màu đen và trắng cung cấp một sự tương phản sắc nét giữa nước và đất đai đặc biệt là dọc theo các khu vực bờ biển dốc. Các vị trí chính xác của ranh giới bờ biển là vô cùng quan trọng bởi vì nó là ranh giới định nghĩa nhà nước, tư nhân, và quyền sở hữu của liên bang. + Lập bản đồ vùng đất ngập nước ven biển : Lập bản đồ và giám sát các vùng đất ngập nước trong khu vực rộng lớn là nhờ có sử dụng từ xa, cảm nhận hình ảnh. Phân tích hình ảnh SAR đa thời vụ, kết hợp với vệ tinh và nắm giữ các dữ liệu khác, với mục đích đánh giá khả năng mô tả đặc điểm cải tiến và phân định vùng đất ngập nước. + Lập bản đồ đáy : dự án lập bản đồ đáy của NOAA. Trọng tâm của dự án là tài nguyên sinh vật ở gần cửa sông ven bờ và môi trường biển bao gồm tảo biển, rạn san hô, các vùng đáy cứng, giường, đồ biển, và các cộng đồng tảo của chương trình thiết lập một cơ sở dữ liệu liên tục và nhất quán của dữ liệu quốc gia ven biển sống ở đáy vào tài liệu và các xu hướng thay đổi theo thời gian. Dự án này dựa chủ yếu vào độ phân giải cao chụp ảnh trên không và số liệu quan trắc để xây dựng cơ sở dữ liệu quốc gia [5]. + Thành lập các bản đồ được sử dụng để giám sát công trình ven biển, theo dõi chất nền ven biển, và hỗ trợ bảo vệ bờ biển, quản lý tài nguyên và khai thác. 1.1.2 Các loại ảnh viễn thám ứng dụng nghiên cứu biển và đại dương 1.1.2.1 Ảnh MODIS và các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS 7 Từ khi vệ tinh OrbView-2 được phóng lên quỹ đạo mang theo đầu thu chụp SeaWiFS vào năm 1997, ảnh của nó đã được ứng dụng để quan sát bề mặt đại dương. Các dữ liệu được phân tích từ ảnh sử dụng để nghiên cứu biển và đại dương như năng suất sơ cấp, địa hóa sinh, nguồn dinh dưỡng và hiện tượng tảo độc trong đại dương. Các thế hệ vệ tinh tiếp theo được phóng lên sau đó (TERRA, AQUA, ENVISAT, NOAA ) đã chứng minh sự thành công của loạt vệ tinh quan sát trái đất, giúp cho các nhà khoa học nghiên cứu và theo dõi sự thay đổi của khí hậu trên hành tinh. Vệ tinh NOAA có thể đo đạc SST (Sea Surface Temperature) tuy nhiên NOAA không đo đạc trực tiếp được Chlorophyll-a vì vậy đề tài sử dụng MODIS. TERRA là một vệ tinh quốc tế, có sự tham gia của các cơ quan nghiên cứu hàng không vũ trụ Canada, 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 [12]. AQUA là vệ tinh được thiết kế tiếp theo TERRA, 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. Vệ tinh AQUA 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 qua xích đạo lúc 1h30 chiều, theo hướng bay xuống 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 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 [12]. Bộ cảm biến MODIS (đặt trên vệ tinh TERRA và AQUA) được thiết kế để thu thập nhiều loại thông tin khác nhau trong quá trình sinh học và vật lý của khí quyển và trái đất bằng các thông số đo đạc trong dải phổ nhìn thấy và hồng ngoại, 8 MODIS quan tâm tới khoảng phổ rộng và nhiều mục tiêu hơn [6]. 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 . Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS: Đặc tính của vệ tinh TERRA và AQUA mang bộ cảm biến MODIS Đặc điểm vệ tinh TERRA Vệ tinh TERRA (hay còn gọi là vệ tinh EOS-AM) được phóng vào 18/12/1999, có quỹ đạo đồng bộ mặt trời, mang các bộ cảm biến như:  Aster (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer – bức xạ kế đo bức xạ phản xạ và phát xạ nhiệt)  Ceres (Clouds and the Earth’s Radiant Energy System - hệ thống đo mây và năng lượng bức xạ trái đất)  Misr (Multi-angle Imaging Spectroradiometer –phổ kế chụp ảnh đa góc)  MODIS (Moderate Resolution Spectroradiometer – phổ kế có độ phân giải trung bình)  Mopitt (Measurements of Pollution in the Troposphere – đo mức độ ô nhiễm của tầng đối lưu) Vệ tinh TERRA được bay ở độ cao 720 km. Vệ tinh TERRA ban ngày đi từ Bắc xuống Nam, qua xích đạo khoảng 10h30’ giờ địa phương, ban đêm thì bay ngược lại từ Nam lên Bắc qua xích đạo khoảng 22h30’ giờ địa phương. Thời gian bay hết một vòng trái đất là 1h40’ . 9 Hình 1.1 Vệ tinh TERRA (nguồn ISPRS Tutorial) Hình 1.2 Quỹ đạo bay của vệ tinh TERRA (Nguồn http://rapidfire.sci.gsfc.nasa.gov/realtime/) Hình 1.2 là quỹ đạo bay của vệ tinh TERRA trong 1 ngày đêm vào ngày 12/10/2006. Trên hình thể hiện thời điểm mà vệ tinh TERRA bay qua. Đặc điểm của bộ cảm biến MODIS- TERRA: MODIS là một bộ cảm biến chủ yếu của vệ tinh TERRA. Bộ cảm biến có độ rộng của dải quét là 2330km, chiều dài 10km, góc chụp là 55o. Bộ cảm biến MODIS quét gần hết trái đất trong 1 ngày đêm trừ một số dải hẹp vùng xích đạo (Hình 1.). Các dải này được phủ hết vào ngày hôm sau. Nếu thu nhận dữ liệu ảnh vào ban ngày thì được 36 kênh phổ, nhưng nếu ban đêm chỉ thu nhận được băng hồng ngoại nhiệt (từ kênh phổ 20 đến 36). 10 Ảnh vệ tinh thu nhận dạng 12 bit có 36 kênh phổ theo Bảng 1.1. Hình 1.3 Dữ liệu ảnh vệ tinh thu nhận vào ngày 16/11/2002, những dải sọc trắng không có dữ liệu sẽ được phủ vào ngày hôm sau. (Nguồn http://daac.gsfc.nasa.gov/MODIS/gallery/) Bảng 1.1 Bảng thông số phổ của ảnh vệ tinh MODIS Ứng dụng chính Kênh phổ Bƣớc sóng Độ phân giải (m) Ranh giới đất/mây/ Aerosols Thuộc tính đất/mây/Aerosols Màu sắc, thực vật phù du, sinh địa hóa của biển 1 620 – 670 nm 250 2 841 – 876 nm 250 3 459 – 479 nm 500 4 545 – 565 nm 500 5 1230 – 1250 nm 500 6 1628 – 1652 nm 500 7 2105 – 2155 nm 500 8 405 – 420 nm 1000 9 438 – 448 nm 1000 10 483 – 493 nm 1000 11 526 – 536 nm 1000 12 546 – 556 nm 1000 11 13 662 – 672 nm 1000 14 673 – 683 nm 1000 15 743 – 753 nm 1000 16 862 – 877 nm 1000 17 890 – 920 nm 1000 18 931 – 941 nm 1000 19 915 – 965 nm 1000 20 3.660 - 3.840 µm 1000 21 3.929 - 3.989 µm 1000 22 3.929 - 3.989 µm 1000 23 4.020 - 4.080 µm 1000 24 4.433 - 4.498 µm 1000 25 4.482 - 4.549 µm 1000 Mây li ti 26 1.360 - 1.390 µm 1000 Hơi nước 27 6.535 - 6.895 µm 1000 28 7.175 - 7.475 µm 1000 Tính chất mây 29 8.400 - 8.700 µm 1000 Ozone 30 9.580 - 9.880 µm 1000 Nhiệt độ của bề mặt và của 31 10.780 - 11.280 µm 1000 32 11.770 - 12.270 µm 1000 33 13.185 - 13.485 µm 1000 34 13.485 - 13.785 µm 1000 35 13.785 - 14.085 µm 1000 36 14.085 - 14.385 µm 1000 Hơi nước trong khí quyển Nhiệt độ của bề mặt và của mây Nhiệt độ của khí quyển mây Nhiệt độ của đỉnh các đám mây (Nguồn: MODIS Website) 12 Các mức độ xử lý của ảnh vệ tinh MODIS: - L0: cấp độ thô nhất, dữ liệu được thu trực tiếp từ vệ tinh - L1A: được tạo ra khi mở dữ liệu (giải nén L0), có kèm theo thông số định chuẩn bức xạ, địa lý - L1B: dữ liệu đã hiệu chỉnh hình học - L1R, 2R: dữ liệu đã hiệu chỉnh bức xạ - L2G: dữ liệu đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt và hình học - L2RG: dữ liệu đã xử lý theo lưới mô hình phản xạ bề mặt để đồng nhất về thời gian và không gian. Đặc điểm trạm thu ảnh MODIS tại Viện Vật Lý và Điện Tử Hình 1.4 Trạm đo ảnh MODIS của Viện Vật Lý và Điện Tử (Nguồn www.iop.vast.ac.vn/Mod/) Trạm thu nhận ảnh của Viện Vật Lý và Điện từ bao gồm một Ăngten parabol và thiết bị giải mã EOS-SCANEX. Ăngten parabol có 2 trục quay đồng bộ, đường kính 2.8m, trọng lượng 180kg, tần số 912,5 MHz ± 300Hz và có tốc độ thu nhận ảnh là 13.20 Mbps. Tổ hợp thiết bị EOS-SCANEX được thiết kế dựa trên việc hoạt động dựa trên tiêu chuẩn của PC, người sử dụng có thể tự điều khiển trạm. Nhằm nâng cao tính bảo mật của dữ liệu thu phát, dòng dữ liệu được mã hóa theo tiêu chuẩn ReedSolomon và Viterbi. Việc giải mã được tiến hành trong phần cứng của trạm thu EOS-SCANEX. Công đoạn mở và lưu trữ dữ liệu ảnh được vệ tinh truyền về được 13
- Xem thêm -