Nghiên cứu áp dụng công nghệ viễn thám (RS) và hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong khí tượng thủy văn

BTNMT
VKTTVMT
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ MÔI TRƯỜNG
23/62 Nguyễn Chí Thanh, Đống Đa, Hà Nội
********




BÁO CÁO
TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM
(RS) VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS)
TRONG KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN









Chủ nhiệm Đề tài: TS. Dương Văn Khảm






7040
01/12/2008





HÀ NỘI, 11-2008
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ MÔI TRƯỜNG
5/62 Nguyễn Chí Thanh, Đống Đa, Hà Nội
********


BÁO CÁO
TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM
(RS) VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS)
TRONG KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN


Chỉ số đăng ký:
Chỉ số phân loại:
Chỉ số lưu trữ:
Cộng tác viên chính:
TS. Doãn Hà Phong, Ths. Phạm Ngọc Hải, KS. Chu Minh Thu,
CN. Đỗ Thanh Tùng, CN. Hoàng Thanh Tùng, CN. Nguyễn Thị Huyền

Hà Nội, ngày10tháng11năm2008 Hà Nội, ngày10 tháng11 năm2008 Hà Nội, ngày…tháng 11 năm2008
CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI





TS. Dương Văn Khảm

ĐƠN VỊ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI





Dương Văn Khảm
CƠ QUAN CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI





Trần Thục

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2008 Hà Nội, ngày… tháng… năm 2008
HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ CHÍNH THỨC
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG







TS. Lê Kim Sơn

CƠ QUAN QUẢN LÝ ĐỀ TÀI
TL. BỘ TRƯỞNG
VỤ TRƯỞNG

VỤ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ





Nguyễn Đắc Đồng





CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AIRS Bộ đo hồng ngoại phản hồi khí quyển
ASTER Bức xạ kế phát xạ và phản xạ nhiệt nâng cao
AVHRR Máy quét phân giải phổ cao
ASCII Khuôn dạng chuẩn chuyển đổi thông tin
BRDF Hàm tán xạ lưỡng hướng
BIL Cấu trúc đường xen đường trong 1 band ảnh vệ tinh
BIP Cấu trúc xen kẽ giữa các pixel của các band ảnh vệ tinh
BSQ Tần số band
ERS Vệ tinh tài nguyên trái đất
ETM Hệ thống lập bả
n đồ chuyên đề nâng cao
EOS Hệ thống quan trắc trái đất
GSFC Trung tâm các chuyến bay không gian
HIRS Máy quét phổ độ phân giải cao
IFOV Trường nhìn liên tục
LST Nhiệt độ bề mặt đất

LTER Nghiên cứu hệ sih thái dài hạn
LUT Bảng tra
LWIR Sóng dài hồng ngoại
MODIS Máy quét ảnh phổ độ phân giải trung bình
MOS Vệ tinh quan trắc biển của Nhật
MODATM Sản phẩm khí quyển của MODIS
MODLAND Sản phẩm đất của MODIS
NDVI Chỉ số thực vậ
t chuẩn hóa
NOAA Cơ quan quốc gia về Đại dương và Khí quyển
RGB Ba màu cơ bản (đỏ, lục, lam)
RSR Quan hệ phổ phản hồi
SRF Hàm phổ phản xạ
SST Nhiệt độ mặt nước biển
SWIR Sóng ngắn hồng ngoại
TM Lập bản đồ chuyên đề (của Landsat 2)
TIR Hồng ngoại nhiệt
UTM Hệ tọa độ chuyển đổi tổng hợp của Mỹ


1
LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã
đạt đến trình độ cao và đã trở thành kỹ thuật phổ biến được ứng dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội ở nhiều nước trên thế giới, không những
đối với các nước phát triển có trình độ khoa học kỹ thuật tiên tiến mà còn đối
với các nước đang phát tri
ển nền kinh tế còn lạc hậu.
Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý

(GIS) trong lĩnh vực điều tra, nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài
nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng nhanh chóng không
những trong phạm vi Quốc gia, mà cả phạm vi Quốc tế. Tiềm năng ứng dụng
công nghệ viễn thám và GIS giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định
chính sách các phương án lựa chọn có tính chiến lược về sử dụng và quả
n lý
tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Vì vậy viễn thám và GIS được sử dụng
như là một “công nghệ đi đầu” rất có ưu thế hiện nay
[21]
.
Để đẩy mạnh công tác nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ
thống thông tin địa lý trong khí tượng thuỷ văn, nhằm tạo ra những cơ sở vật
chất khoa học và những nghiên cứu ứng dụng ban đầu, từng bước đưa các sản
phẩm viễn thám và GIS vào công tác phục vụ Khí tượng Thủy văn (KTTV),
phòng tránh giảm nhẹ thiên tai, tăng cường năng lực phát triển khoa học công
nghệ về
KTTV, góp phần thúc đẩy công tác nghiên cứu, giám sát, dự báo
KTTV, phục vụ công cuộc phát triển kinh tế xã hội của đất nước trong thời kỳ
công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã giao
cho Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường chủ trì thực hiện đề
tài “Nghiên cứu áp dụng công nghệ viễn thám (RS) và hệ thống thông tin địa
lý (GIS) trong khí tượng thuỷ văn”
Đây là đề tài thuộc lĩ
nh vực khoa học công nghệ mới, lần đầu tiên được
đề cập nghiên cứu tại Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường, vì
vậy các điều kiện phục vụ cho công tác nghiên cứu còn rất thiếu, các thiết bị
xử lý, tư liệu ảnh viễn thám hầu như chưa có, trình độ và kinh nghiệm nghiên
cứu trong lĩnh vực viễn thám của nhóm thực hiện đề tài còn rất hạn chế
.
Nhưng với sự động viên chỉ đạo kịp thời của các cấp lãnh đạo, cùng với sự nỗ

lực vừa học, vừa làm của tập thể các cộng tác viên, đến nay đề tài đã hoàn
thành được mục tiêu và nội dung đề ra.
Trong quá trình thực hiện, chủ nhiệm đề tài cùng đội ngũ cộng tác viên
đã nhận được sự chỉ đạo, động viên và tạo điều kiện thu
ận lợi của lãnh đạo
Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường, các Vụ Khoa học và
Công nghệ, Khí tượng Thủy văn, Kế hoạch Tài chính, Bộ Tài nguyên và Môi

2
trường, lãnh đạo các đơn vị trong và ngoài Viện cùng với sự cộng tác, giúp đỡ
nhiệt tình của các đơn vị bạn như: Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Quốc gia,
Trung tâm Viễn thám, Viện Vật lý và Điện tử, Trung tâm Nghiên cứu ứng
dụng Công nghệ Vũ trụ, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trung tâm
Viễn Thám và GIS, Đại học Khoa học Tự nhiên, Chúng tôi xin trân trọng
cảm ơn sự chỉ đạo, giúp đỡ và sự
hợp tác quý báu đó.

Chủ nhiệm đề tài

3
MỞ ĐẦU

Ý nghĩa khoa học và tính cấp thiết của đề tài
Ở nước ta công tác nghiên cứu, dự báo Khí tượng Thuỷ văn (KTTV), Khí
tượng Nông nghiệp (KTNN) đã đạt được nhiều thành tựu trong việc phát triển
kinh tế-xã hội, phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai, phát triển sản xuất nông
nghiệp, chuyển đổi cơ cấu cây trồng vật nuôi làm đa dạng hoá sản phẩm cho
tiêu dùng trong nước và xuất khẩu. Song trước kia do điều kiện kinh tế c
ủa đất
nước chưa cho phép phát triển sâu rộng công nghệ viễn thám và GIS trong lĩnh

vực KTTV và KTNN. Các nghiên cứu trước đây được tiến hành trong điều kiện
số liệu còn thiếu thốn, kỹ thuật tính toán còn hạn chế, việc nghiên cứu, đánh giá
chủ yếu chỉ tập trung khai thác số liệu ở các trạm khí tượng thuỷ văn và khí
tượng nông nghiệp mà chưa có số liệu đặc trưng được thu nh
ận và tính toán từ
các công nghệ và mô hình tiên tiến, như: viễn thám (RS), hệ thống thông tin địa
lý (GIS), hệ thống định vị toàn cầu (GPS) vì vậy kết quả thu được còn chưa
được như mong muốn.
Nước ta nhiều đồi núi, địa hình phức tạp (độ cao, độ dốc, hướng, khe suối,
thung lũng…) điều kiện khí tượng, khí hậu, thuỷ văn ở vùng núi diễn biến phức
tạp, thay đổi lớn trên ph
ạm vi hẹp. Hơn nữa, vùng đồi núi mạng lưới quan trắc
khí tượng thuỷ văn, khí tượng nông nghiệp rất thưa thớt, số liệu rất hạn chế cho
công tác nghiên cứu và ứng dụng. Để khắc phục tình trạng này thường phải đo
đạc khảo sát để bổ sung thêm số liệu, như vậy sẽ mất rất nhiều thời gian, công
sức và kinh phí mà vẫn không thể đáp ứng
được các yêu cầu đặt ra. Đặc biệt,
hiện nay các hiện tượng thời tiết bất thường như hạn hán, lũ lụt ngày càng gia
tăng và mức độ gây tổn hại ngày càng lớn, nhiệt độ tăng cao kết hợp với hạn hán
dẫn tới nguy cơ cháy rừng, sự phát sinh phát triển của sâu bệnh đối với mùa
màng, vật nuôi ngày càng trầm trọng, việc sử dụng các thông tin từ các trạm
quan trắc KTTV, KTNN và các báo cáo t
ừ các địa phương để phân tích đánh giá
và giám sát những bất thường của thời tiết là khó kịp thời và đầy đủ.
Ngày nay kỹ thuật viễn thám đã chụp được bề mặt trái đất với độ phân
giải rất cao cả về không gian, thời gian và phổ. Độ phân giải không gian của
Landsat/MSS, TM, Spot là 30 m thậm chí 2,5 m; độ phân giải phổ của MODIS
với 36 kênh từ bước sóng 0,45 đến 14,38 µm; vệ tinh GMS, MTSAT-1R, FY-2
có thể ch
ụp ảnh được toàn bộ lãnh thổ Việt Nam 30 phút một lần. Với độ phân

giải cao như vậy, viễn thám có thể xác định được kịp thời và chi tiết diễn biến
từng điểm cụ thể của bề mặt trái đất. Trong nhiều trường hợp số liệu viễn thám
là loại thông tin duy nhất được dùng để bổ sung, cung cấp mảng số liệu thiếu hụt,
nhấ
t là ở các vùng khó tiếp cận. Viễn thám kết hợp với hệ thống thông tin địa lý
và hệ thống định vị toàn cầu có thể xây dựng được những bản đồ hiện trạng với
độ chính xác cao đi cùng với nhiều thông tin hữu ích khác rất thuận tiện cho
người sử dụng. Vì vậy việc sử dụng các thông tin viễn thám, công nghệ GIS,

4
GPS và kết hợp với các quan trắc thu được từ bề mặt sẽ đáp ứng một cách
khách quan các thông tin cần thiết như thời gian, phạm vi, mức độ và vị trí của
các yếu tố KTTV, KTNN đáp ứng kịp thời và đa dạng các số liệu phục vụ cho
công tác nghiên cứu, đánh giá và dự báo, đặc biệt phục vụ cho công tác giám sát
và cảnh báo tác hại của thiên tai để có các biện pháp phòng tránh và ứng cứu kịp
thời.
Ngày nay, yêu cầu phục vụ phát triển kinh tế-xã hội nói chung và KTTV
nói riêng, nhất là đối với những đòi hỏi ngày càng cao của xã hội đối với công
tác phục vụ KTTV trên phạm vi cả nước thì việc nghiên cứu ứng dụng công
nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý là rất cần thiết. Những nghiên cứu
và ứng dụng công nghệ này sẽ tạo ra những cơ sở vật chất khoa học cao để
từng
bước đưa các sản phẩm viễn thám và GIS vào công tác phục vụ KTTV, phòng
tránh giảm nhẹ thiên tai, tăng cường năng lực phát triển khoa học công nghệ về
KTTV, thúc đẩy công tác nghiên cứu, giám sát, dự báo KTTV, KTNN trong thời
kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước là nhu cầu cấp bách.

Sự phát triển, ứng dụng công nghệ viễn thám trên thế giới và Việt Nam
Sự phát triển, ứng dụng công nghệ viễn thám trên thế giớ
i

Từ những năm 60 của thế kỷ 20 với sự xuất hiện của vệ tinh nhân tạo đầu
tiên thì kỹ thuật không gian đã có sự phát triển vượt bậc. Vệ tinh là công cụ
quan trọng trong nghiên cứu khoa học hiện đại. Ngày 1 tháng 4 năm 1960 Mỹ đã
phóng thành công vệ tinh khí tượng TIROS-1, mở ra một kỷ nguyên mới trong
quan trắc khí tượng. Từ đó đến nay, một loạt nước như Nga, Liên Minh Châu
Âu, Nhật B
ản, Trung Quốc, Ấn Độ đã phóng thành công rất nhiều các vệ tinh
khí tượng của mình, kỹ thuật thám trắc bằng vệ tinh đã phát triển nhanh chóng,
hình thành lên hệ thống quan trắc khí tượng vệ tinh toàn cầu. Quan trắc trái đất
và quan trắc không gian đã bước sang một giai đoạn mới, làm thay đổi cục diện
quan trắc, làm phong phú thêm phạm vi, nội dung quan trắc, từ quan trắc mang
tính cục bộ ở tầng thấp của khí quyển chuy
ển sang quan trắc cả hệ thống khí
quyển. Rất nhiều những yếu tố, những vị trí trong khí quyển và trên trái đất
trước đây rất khó quan trắc thì ngày nay với vệ tinh khí tượng đều có thể thực
hiện được. Công nghệ viễn thám đã cung cấp rất nhiều số liệu cho các lĩnh vực
như: Thiên văn, khí tượng, địa chất, địa lý, hải dương, nông nghiệp, lâm nghiệp,
quân sự, thông tin, hàng không, v
ũ trụ
[29]
,
Năm 1982, trong hội nghị sử dụng vũ trụ vào mục đích hoà bình do Liên
hiệp quốc tổ chức tại Viên (Áo) (UNISPACE) đã có một nghị quyết rất quan
trọng là việc chuyển giao kỹ thuật tiên tiến này cho tất cả các nước, trong đó cần
quan tâm đến các nước đang phát triển và nêu rõ trách nhiệm của các nước phát
triển giúp các nước đang phát triển thông qua các số liệu vũ trụ để có những
hi
ểu biết chính xác về tài nguyên thiên nhiên, điều kiện tự nhiên, tạo điều kiện
phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường.

5
Triển khai nghị quyết này, từng khu vực đã tổ chức thành lập các hội viễn
thám như: Hiệp hội viễn thám Châu Á, Mỹ La Tinh. Nhiều nước đã thành lập
các cơ quan hoặc trung tâm viễn thám Quốc gia, nhiều đề án viễn thám có tính
Quốc gia hoặc khu vực do cơ quan phát triển Liên hiệp quốc tài trợ đã ra đời.
Tất cả các sự kiện trên xảy ra đồng thời và mang tính quốc tế sâu rộng, đi
ều đó
khẳng định kỹ thuật viễn thám đã và đang trở thành công cụ đắc lực cho những
nhà nghiên cứu tự nhiên, môi trường và tác dụng của nó như một cuộc cách
mạng khoa học kỹ thuật
[30]
.
Ngày nay có rất nhiều loại vệ tinh, tàu vũ trụ điều tra thiên nhiên của
nhiều nước khác nhau như: Mỹ, Pháp, Nga, Ấn Độ, Trung Quốc, Nhật Bản, Cơ
quan vũ trụ châu Âu… Ngoài ra các trạm thu mặt đất hầu như giải khắp thế giới
như: Cecuaba (Brazil), Prince Albert (Canađa), Fairbank-Alaska, Greenbelt
(Mỹ), Kuwsuna (Thuy Điển), Fucino (Italia), Johannebug (Nam Phi), Hydeafbat
(Ấn Độ), Bangkok (Thái Lan), Bắc Kinh (Trung quốc), Tokyo (Nhật Bản),
Alicerping (Úc), Dacc (Bangladef), Jakata (Inđonessia)… đã thu được các số
liệ
u viễn thám từ các vệ tinh khác nhau cung cấp kịp thời số liệu cho nghiên cứu
và ứng dụng nghiệp vụ mang lại những hiệu quả kinh tế to lớn.
Công nghệ viễn thám trên thế giới đã được ứng dụng cụ thể trong các lĩnh
vực như sau:
1) Viễn thám ứng dụng trong quản lý sự biến đổi môi trường:
- Điều tra về sự biến đổi sử dụ
ng đất và lớp phủ;
- Xây dựng bản đồ lớp phủ thực vật;
- Nghiên cứu các quá trình sa mạc hoá và phá rừng;
- Giám sát thiên tai (hạn hán, lũ lụt, cháy rừng, bão, mưa đá, sương muối,…);

- Nghiên cứu ô nhiễm nước và không khí.
2) Viễn thám ứng dụng trong điều tra đất:
- Xác định và phân loại các vùng thổ nhưỡng;
- Đánh giá mức độ thoái hoá đất, tác hại của xói mòn, quá trình muối hoá.
3) Viễn thám trong lâm nghiệp, diễn biến của r
ừng:
- Điều tra phân loại rừng, diễn biến của rừng:
- Nghiên cứu về côn trùng và sâu bệnh phá hoại rừng.
4) Viễn thám trong quản lý sử dụng đất:
- Thống kê và thành lập bản đồ sử dụng đất;
- Điều tra giám sát trạng thái mùa màng và thảm thực vật.
5) Ứng dụng viễn thám trong địa chất:
- Thành lập bản đồ địa chất;
- Lập bản đồ phân bố khoáng sả
n;
- Lập bản đồ phân bố nước ngầm;

6
- Lập bản đồ địa mạo.
6) Viễn thám trong nghiên cứu tài nguyên nước:
- Lập bản đồ phân bố tài nguyên nước;
- Bản đồ phân bố tuyết;
- Bản đồ phân bố mạng lưới thuỷ văn;
- Bản đồ các vùng đất thấp.
7) Viễn thám trong địa chất công trình:
- Xác định các vị trí khảo sát cho xây dựng các công trình;
- Nghiên cứu các hiện tượng trượt lở đất.
8) Viễn thám trong môi trường đô thị:
- Theo dõi ki
ểm kê đất đai đô thị;

9) Viễn thám trong khảo cổ học:
- Phát hiện các thành phố cổ, các dòng sông cổ hay các di khảo cổ khác.
10) Viễn thám trong khí tượng:
- Đánh giá định lượng lượng mưa, giám sát, cảnh báo bão và lũ lụt, hạn hán;
- Đánh giá, dự báo dòng chảy, đánh giá tài nguyên khí hậu, phân vùng khí hậu
- Tích hợp các thông tin viễn thám với các thông tin quan trắc được từ bề mặt
phục vụ cho công tác điều tra cơ
bản, quản lý tài nguyên thiên nhiên và là nguồn
số liệu đầu vào cho các mô hình giám sát, cảnh báo và dự báo khí tượng thuỷ
văn và môi trường.
Về lĩnh vực này Cơ quan Khí tượng nhiều nước đã xây dựng các hệ thống
tích hợp các thông tin viễn thám, nhằm giám sát cán cân năng lượng và nước
như: hệ thống giám sát cán cân năng lượng và nước của Châu Âu “European
Energy and Water Balance Monitoring System” (EWBMS) đã được áp dụng rất
thành công ở Châu Âu đặc biệt là Hà Lan, Tây Ban Nha, ở Châu Phi; hệ thống
giám cán cân n
ăng lượng và nước của Trung Quốc “China Energy and Water
Balance Monitoring System”
Những kết quả từ các hệ thống này đã được ứng dụng trong rất nhiều
lĩnh vực. Sau đây là một số ứng dụng quan trọng:
Nông nghiệp:

- Dự báo và cảnh báo sớm năng suất mùa màng (Crop yield forecasting and
early famine warning)
- Giám sát và cảnh báo sớm châu chấu (Locust monitoring and early warning)
Thuỷ văn:

- Nghiên cứu cán cân nước cho từng vùng (Regional water balance studies)
- Kế hoạch phân phối nước (Water distribution planning)
- Quản lý nước (Real time water basin management)

Môi trường:


7
- Giám sát hạn hán (Monitoring of drought)
- Mô hình hoá sự huỷ diệt của các chất hoá học trong nông nghiệp (Modeling
fate of agro-chemicals );
Khí hậu:

- Tăng cường số liệu trong mạng lưới quan trắc khí tượng (Filling gaps in
existing meteorological network)
- Số liệu đầu vào cho các mô hình thời tiết (Weather modeling input and
validation)
Khí tượng:

- Tăng cường số liệu trong mạng lưới quan trắc khí tượng (Filling gaps in
existing meteorological network)
- Số liệu đầu vào cho các mô hình thời tiết (Weather modeling input and
validation)
Các nước khác như Mỹ, Canada đã xây dựng các hệ thống tích hợp viễn
thám trong giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường như hệ thống thực
nghiệm tuần hoàn năng lượng và nước của NASA (NASA/GEWEX), chương
trình phủ kín bức xạ trái đất (ERBE), dự án quốc tế viễn thám mây khí hậu
(ISCCP) Những kế
t quả của các dự án này đã đáp ứng được các thông tin
trong việc giám sát, quản lý và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ
môi trường. Đặc biệt ngày 22/12/2005 vệ tinh MSG2 đã được phóng lên quỹ
đạo, sắp tới đây Châu Âu cũng sẽ phóng vệ tinh Metop một dạng vệ tinh quan
sát và phân tích các hiện tượng khí hậu, cặp đôi vệ tinh này sẽ tạo ra bước đột
phá đối với ngành khí tượng thế giới, với mục tiêu trong vòng 10 n

ăm tới, sẽ
đưa ra những dự báo tin cậy trước 10 ngày, thay vì 3 đến 5 ngày như hiện nay.

Tình hình phát triển viễn thám và GIS ở Việt Nam
Ở Việt Nam kỹ thuật viễn thám được sử dụng từ năm 1976 (Viện điều tra
quy hoạch rừng). Mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển viễn thám ở Việt Nam
là sự hợp tác nhiều bên trong chương trình vũ trụ Quốc tế (Inter Kosmos) nhân
chuyến bay v
ũ trụ Xô - Việt tháng 7 năm 1980. Đây là đợt thí nghiệm kỹ thuật
viễn thám đầu tiên ở Việt Nam có sự phối hợp 3 tầng nghiên cứu - Tầng vũ trụ
(tàu vũ trụ Coliut-7 đặt thiết bị MKF-6). Tầng máy bay (máy bay AH-30 đặt
thiết bị MKF-6) và tầng khảo sát mặt đất. Hai tầng mặt đất và máy bay đều tiến
hành đo phổ. Kết quả nghiên cứu của chương trình khoa học này là đã biế
t sử
dụng ảnh đa phổ MKF-6 vào thành lập các bản đồ chuyên đề như: sử dụng đất,
địa chất, tài nguyên nước, thuỷ văn, rừng v.v. Sau đó các dự án viện trợ Quốc tế
của UNDP và FAO như VIE76/011 và VIE 83/004 đã trang bị một số thiết bị kỹ
thuật Viễn thám cho Viện khoa học Việt Nam nay là Viện khoa học tự nhiên và
công nghệ Quốc gia.

8
Ngoài ra do yêu cầu cấp thiết một số ngành đã hình thành một số cơ sở
nghiên cứu và đưa tiến bộ kỹ thuật viễn thám vào ứng dụng ở một số ngành
chuyên môn như:
• Nhóm vệ tinh khí tượng, Trung tâm DBKTTVTƯ, Trung tâm KTTVQG, Bộ
Tài nguyên và Môi trường.
• Trung tâm Viễn thám Bộ Tài nguyên và Môi trường;
• Trung tâm Viễn thám và Geomatic, Viện Địa chất, Viện Khoa học và Công
nghệ Việt Nam;
• Phòng Viễn thám thuộc Viện Điều tra quy hoạch rừng, Bộ Nông nghiệp và

phát triển Nông thôn;
• Phòng Viễn thám và GIS của Viện Quy hoạch và Thiết kế nông nghiệp, Bộ
Nông nghiệp và phát triển Nông thôn;
• Phòng thu ảnh MODIS thuộc Trung tâm Vật lý Môi trường, Viện Vật lý Điện
tử, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam.
• Trung tâm Ứng dụng Công nghệ Vũ trụ Viện Vật lý Điện tử, Viện Khoa học
Công nghệ Việt Nam.
• Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng Viễn thám và GIS, Trường Đại học Khoa
học tự nhiên.
Những cơ sở trên được trang bị một số máy móc thiết bị viễn thám
chuyên dùng và đã có các trạm thu ảnh vệ tinh (NOAA, GMS, MTSAT-1R,
FW-2, TERRA và AQUA- MODIS). Các trung tâm đã có những nghiên cứu và
ứng dụng các thông tin viễn thám phục vụ phát triển kinh tế xã hội mang lại
những hiệu quả kinh tế rõ rệt.
Thời gian vừa qua nhà nước đã đầu tư cho Bộ
Tài nguyên và Môi trường
Dự án “Xây dựng hệ thống giám sát tài nguyên thiên nhiên ở Việt Nam” đây là
dự án thu ảnh vệ tinh mang tầm cỡ quốc gia và khu vực, đến nay đã bắt đầu đi
vào hoạt động. Kết quả của dự án sẽ là những cơ sở dữ liệu vệ tinh với nhiều độ
phân giải đáp ứng số liệu cho nghiên cứu khoa học và ứng dụng nghiệp vụ thuộc
nhiều lĩnh vực khác nhau ở nước ta.
Đối với lĩnh vực khí tượng thuỷ văn, đến nay đã có một số kết quả nghiên
ứng dụng số liệu vệ tinh trong đánh giá phân tích mây và dự báo lượng mưa và
bão như:
- Chương trình nghiên cứu và sử dụng không gian vũ trụ cấp nhà nước về “Sử
dụng số liệu vệ tinh để phân tích và dự báo sự hình thành tiến triển và di
chuy
ển của bão nhiệt đới hoạt động trên biển Đông và Tây Bắc Thái Bình
Dương” của tập thể công trình nhiều tác giả, năm 1985.
- Xác định toạ độ tâm bão theo ảnh mây vệ tinh, của Trần Đình Bá, năm 1985.

- Sử dụng mức xám phân tích ảnh bão, của Trần Đình Bá, năm 1985;
- Phương pháp sử dụng ảnh mây vệ tinh để đánh giá cường độ và xác định tâm
xoáy nhiệt đới, c
ủa Trần Đình Bá, năm 1986,

9
- Xử lý số ảnh vệ tinh GMS phục vụ phân tích mây, của Trần Đình Bá, Nguyễn
Công Thành, năm 1994.
- Sử dụng ảnh vệ tinh GMS khoanh vùng mưa lớn trong bão, của Trần Đình Bá,
Đào Kim, Hoàng Minh Hiền, năm 1995.
- Nghiên cứu phân bố mưa bão theo số liệu hiện có của ra đa MRL-5 Phủ Liễn,
của Trần Tấn Dũng, năm 1996.
- Bước đầu xác định khoanh vùng mưa lớn trong bão từ
ảnh vệ tinh địa tĩnh, của
Hoàng Minh Hiền, năm 2001.
Những nghiên cứu này đã góp phần không nhỏ trong việc ứng dụng
những thành quả cao của khoa học thế giới trong việc đánh giá và dự báo mưa,
giám sát và cảnh báo bão phục vụ sản xuất và đời sống của nhân dân, phòng
tránh giảm nhẹ tác hại của thiên tai. Song những nghiên cứu trước đây mới chỉ
dừng lại trong phạm vi phân tích đánh giá mây và bão mà ch
ưa có những nghiên
cứu đánh giá diễn biến liên quan đến bề mặt lục địa, một trong những ưu thế của
công nghệ viễn thám.
Từ những phân tích về Công nghệ Viễn thám ở trên thế giới và ở Việt
Nam, căn cứ vào thực tế công tác nghiên cứu Công nghệ Viễn thám ở Viện
Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường, đề tài đã xác định mục tiêu
nghiên cứu như
sau:

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Đầu tư xây dựng được một số cơ sở vật chất khoa học kỹ thuật cơ bản cho
công tác nghiên cứu công nghệ viễn thám (RS) và hệ thống thông tin địa lý (GIS)
ở Viện Khoa học Khí Tượng Thuỷ văn và Môi trường.
- Đào tạo được đội ngũ cán bộ có đủ trình độ chuyên môn làm chủ được các cơ
sở vật chấ
t khoa học được trang bị, biết sử dụng công nghệ viễn thám và GIS
trong nghiên cứu và phục vụ KTTV, KTNN, MT, sẵn sàng đáp ứng yêu cầu ứng
dụng ảnh vệ tinh khi Dự án trạm thu ảnh vệ tinh Quốc gia đưa vào hoạt động.
- Bước đầu nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa
lý tích hợp với các số liệu KTTV, KTNN trong việc giám sát một số yếu tố
KTTV, KTNN trên lãnh thổ
Việt Nam.

Các nội dung nghiên cứu của đề tài
1) Thuê chuyên gia tư vấn mua sắm một số trang thiết bị cơ bản trong việc ứng
dụng công nghệ viễn thám và GIS phù hợp cho ngành KTTV, KTNN.
2) Đào tạo chuyển giao công nghệ các phần mềm xử lý ảnh viễn thám và các
phần mềm GIS để xây dựng bản đồ và sử dụng các sản phẩm viễn thám
trong lĩnh vực khí tượng thuỷ văn, khí t
ượng nông nghiệp và môi trường.
3) Thu thập số liệu phục vụ cho mục tiêu nghiên cứu.

10
4) Đo đạc khảo sát thực địa làm cơ sở số liệu tính toán và hiệu chỉnh các
phương pháp tính toán của các mô hình.
5) Phân tích xử lý và hiệu chỉnh ảnh viễn thám cho mục tiêu nghiên cứu của đề
tài
6) Nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát một số yếu tố KTTV, KTNN trên cơ
sở các thông tin viễn thám
7) Nghiên cứu ứng dụng phần mềm cho việc phân tích, lưu trữ dữ liệu xây

dựng bản
đồ và hiển thị kết quả tính toán
8) Xây dựng thử nghiệm các bản tin và bản đồ (theo ảnh) về giám sát một số
yếu tố KTTV, KTNN trên trang Web của Viện KTTV.

Phương pháp nghiên cứu của đề tài
1) Phương pháp phân tích, xử lý, giải đoán ảnh viễn thám.
2) Phương pháp mô hình hóa động lực học giữa bề mặt và khí quyển.
3) Phương pháp tính toán thành phần khí tượng và các chỉ số thực v
ật sử dụng
số liệu các kênh phổ của viễn thám đang được áp dụng trên thế giới.
4) Phương pháp thống kê áp dụng trong khí hậu, khí hậu nông nghiệp.
5) Phương pháp nghiên cứu đánh giá điều kiện tài nguyên KTTV bằng các
thông tin viễn thám đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới.
6) Công nghệ GIS trong việc chuyển đổi lưới toạ độ, thành lập cơ sở dữ liệu,
thành lập các bản đồ số hoá.
Số liệu sử dụng trong nghiên cứu của đề tài
Để giải quyết những nội dung nêu trên của đề tài, tác giả đã sử dụng những
số liệu sau:
- Số liệu khí tượng thuỷ văn từ năm 2000-2008
- Số liệu đo đạc khảo sát thực địa năm 2006 và năm 2007
- Số liệu viễ
n thám: ảnh MODIS theo thời gian thu ảnh từ năm 2001 đến 2008
với 36 kênh ảnh, số liệu tổ hợp ảnh MODIS 8 ngày và 32 ngày. Số liệu ảnh
Landsat năm 2001 và năm 2004.

Một số kết quả thực hiện các mục tiêu của đề tài
Đối với mục tiêu 1

Đã đầu tư xây dựng được một số cơ sở vật chất khoa học kỹ thuật cơ bản

như sau:
 Thiết bị (phần cứng) xử lý ảnh viễn thám gồm:
- Hệ thống các máy tính cấu hình đủ cho việc xử lý ảnh viễn thám ở mức trung
bình (đủ phục vụ cho nghiên cứu).
- Hệ thống máy in, máy quét ảnh cấu hình (đủ cho nghiên cứu).

11
 Thiết bị đo đạc khảo sát
Máy đo quang phổ FieldSpec®
3JR (Analytical Spectral Devices ASD) của
Mỹ (cấu hình hiện đại). Giải phổ đo từ 350 – 2500 nm
 Phần mềm
- Phần mềm xử lý ảnh ENVI, ERDAS, WinAsian, SIP
- Phần mềm GIS: MapInfo, Acview, Acgis, Microstation
- Phần mềm thống kê: MATLAB, SAS, SPSS.
(Các thiết bị phần cứng và phần mềm được thể hiện trong phụ lục 1 hình
P1.1a,b,c)
Đối với mục tiêu 2

- Đã mở lớp đào tạo về xử lý ảnh viễn thám và công nghệ GIS cho 16 cán bộ
trong Viện Khoa học KTTV&MT, thời gian học tập chung liên tục 01 tháng,
do các chuyên gia đầu ngành về công nghệ viễn thám ở Việt Nam giảng dạy,
như: Chủ nghiệm đề tài TS. Dương Văn Khảm, Viện Khoa học KTTV&MT;
TS. Doãn Hà Phòng, TS. Nguyễn Hùng Sơn Viện Vật lý và Điện tử, Viện
Khoa học và Công nghệ Việt Nam; TS. Phạm Thanh Sơ
n Viện Địa chất, Viện
Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam; TS. Nguyễn Xuân Lâm, Trung tâm
Viễn thám, Bộ Tài nguyên và Môi trường; PGS. TS Nguyễn Ngọc Thạch,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên;
- Đã phối hợp với trường Đại học Khoa học Tự nhiên đào tạo được 01 thạc sỹ

và 02 thạc sỹ sắp tốt nghiệp về chuyên ngành viễn thám và GIS.
- Các cán bộ đã được tham gia nhiều khoá họ
c về viễn thám do TT Viễn thám
tổ chức thuộc Dự án “Xây dựng hệ thống giám sát tài nguyên thiên nhiên và
môi trường tại Việt Nam” do Trung tâm Viễn thám làm chủ đầu tư.
- Trong quá trình thực hiện đề tài các cán bộ của Phòng đã thành thạo xử lý giải
đoán ảnh viễn thám và đã có những nhận thức nhất định về việc ứng dụng
viễn thám trong các nghiên cứu sau này.
(Các hình ảnh về lớp học trong hình phụ l
ục 1 hình P1.2a,b,c)

Đối với mục tiêu 3

Đối với mục tiêu 3, bao hàm phần lớn nội dung khoa học của đề tài được thể
hiện ở các chương và các nội dung như sau:
- Chương 1: Một số loại vệ tinh và phương pháp tiền xử lý ảnh viễn thám.
- Chương 2: Nghiên cứu tính toán lựa chọn thông tin để đánh giá trạng thái lớp
phủ bề mặt
- Chương 3: Nghiên cứu tính toán lựa chọn thông tin để tính toán nhiệt độ lớ
p
phủ bề mặt và nhiệt độ mặt nước biển
- Chương 4: Ứng dụng ảnh viễn thám xây dựng mô hình giám sát và theo dõi
hạn hán ở Việt Nam.

12
- Chương 5: Nghiên cứu tính toán lựa chọn thông tin để đánh giá hiện trạng và
diễn biến ngập lụt ở Đồng bằng sông Cửu Long.
- Chương 6: Xây dựng cơ sở dữ liệu, bản đồ và trang thông tin viễn thám trên
website.
- Kết luận, kiến nghị và các phụ lục kèm theo.

- 11 bản đồ về chỉ số thực vật NDVI và 11 bản đồ về chỉ số hạ
n hán LSWI.


13
CHƯƠNG 1
MỘT SỐ LOẠI VỆ TINH
VÀ PHƯƠNG PHÁP TIỀN XỬ LÝ ẢNH VIỄN THÁM

1.1. TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA MỘT SỐ LOẠI
VỆ TINH
Hiện nay, nhờ những hệ thống vệ tinh thám sát khác nhau không những có
thể theo dõi được diễn biến bất thường của thời tiết như lũ lụt, hạn hán trong
suốt ngày đêm và trong mọi điều kiện thời tiết mà còn có thể tính được một số
trường các yếu tố khí tượng thuỷ
văn như nhiệt độ bề mặt lớp phủ, nhiệt độ mặt
nước biển
[1,29]
Thông thường một hệ thống vệ tinh được thiết kế giới hạn
những nhiệm vụ nhất định, chúng không thể đáp ứng được tất cả các mục tiêu
đặt ra, vì vậy, cần thiết phải hiểu được tính năng của từng hệ thống có khả năng
ứng dụng cho nhiệm vụ nào.
Căn cứ theo quỹ đạo bay và phương pháp thu ảnh có thể phân chia vệ tinh
theo các nhóm sau đ
ây:
- Theo kiểu quĩ đạo vệ tinh (orbit), gồm hai loại: vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ
đạo cực.
- Theo dạng đầu thu (sensor), gồm thu quang học và thu ảnh radar.
- Theo độ phân giải không gian (resolution), gồm ảnh phân giải thấp, phân giải
trung bình, phân giải cao và siêu cao.

© CCRS 1997


)

VÖ tinh ®Þa tÜnh

VÖ tinh quÜ ®¹o cùc




Hình 1.1. Vệ tinh địa tĩnh và quỹ đạo cực
Dưới đây là một số tính năng và nhiệm vụ cơ bản của một số vệ tinh.
1.1.1 Vệ tinh GMS (Geostationary Meteo System)
Vệ tinh GMS của Nhật bay ở độ cao khoảng 36000 km với độ phủ rộng,
độ phân giải không gian ở băng nhìn thấy là 1km và băng hồng ngoại nhiệt là 4
km. Đặc biệt vệ tinh MTSAT có độ phân giải thời gian rất cao, tại cùng một địa

14
điểm cứ 30 phút lại có một ảnh chụp. Vì vậy vệ tinh MTSAT được ứng dụng rất
phổ biến trong khí tượng: theo dõi mây, mưa, bão


1.1.2. Vệ tinh NOAA
Vệ tinh NOAA của Mỹ mang đầu thu AVHRR gồm 5 kênh từ kênh nhìn
thấy đến kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại. Độ phân giải không gian của vệ
tinh NOAA là 1,1 km với phạm vi chụp rộng 2400 km rất được ứng dụng trong
khí tượng thuỷ văn, khí tượng nông nghiệp và hải văn, tính toán các trường nhiệt

độ lớp phủ bề mặt và nhiệt độ mặt nước biển.

1.1.3. Vệ tinh Meteosat
V
ệ tinh Meteosat là vệ tinh khí tượng của khối liên minh Châu Âu thế hệ
đầu tiên được phóng năm 1997 (Meteosat first Generation-MFG) đến nay đã có
7 vệ tinh thuộc thế hệ thứ nhất được phóng lên quỹ đạo. Thế hệ thứ hai
(Meteosat Second Generation-MSG) được phóng lên quỹ đạo năm 2002
(Meteosat-8) và năm 2005 đã phóng thành công Meteosat-9 và dự kiến năm
2009 sẽ phóng vệ tinh Meteosat-10. Độ phân giải không gian của các kênh hồng
ngoại nhiệt là 3 km và của kênh thị phổ là 1 km. Độ phân giải thời gian củ
a
MSG là 15 phút. Vệ tinh này được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực khí tượng
thủy văn.

1.1.4. Vệ tinh Feng Yun-2 (FY-2)
Vệ tinh FY-2 là vệ tinh địa tĩnh khí tượng của Trung Quốc được đưa vào
quỹ đạo ngày 25 tháng 6 năm 2000, bao gồm FY-2A, FY-2B và FY-2C. Các
ứng dụng chính của vệ tinh FY-2 trong khí tượng thuỷ văn bao gồm: Phân tích
mây, xác định độ cao mây và và nhiệt độ đỉnh mây; cung cấp số liệu đầu vào
cho các mô hình dự báo số trị của Trung Quốc; phân tích h
ệ thống khí hậu ở các
vùng cao nguyên của Trung Quốc; phân tích biến đổi khí hậu; tính toán trường
nhiệt độ lớp phủ bề mặt, nhiệt độ nước biển, dự báo cháy rừng, giám sát và dự
báo bão, lũ lụt, hạn hán, dự báo mùa màng v.v
1.1.5 Các dữ liệu radar
Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nước và tổ chức đưa lên vệ tinh các
thiết bị quét radar.
Dữ liệu radar có đặc điểm ư
u việt là có khả năng thu ảnh trong mọi điều

kiện thời tiết (có mây hay quang mây) và thời gian (ngày hay đêm). Dữ liệu
radar đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu đại
dương (sóng biển, gió trên biển, hướng sóng, hướng gió, phát hiện vết dầu tràn
trên biển…), nông nghiệp (độ ẩm đất, dự báo năng suất mùa màng…), xây dựng
bản đồ DEM…
Một số dữ li
ệu radar chính trên thế giới

15
• Vệ tinh RADARSAT
Vệ tinh RADARSAT được phóng năm 1995, vệ tinh được chế tạo với sự
phối hợp của cơ quan hàng không Canada và Mỹ (NASA). RADARSAT có quỹ
đạo đồng trục với mặt trời, nghiêng 98,5
0
, độ cao bay của vệ tinh 798km. Thời
gian cho 1 quỹ đạo bay là 100,7 phút. RADARSAT hoạt động ở band C
(5,6cm), phần cực thẳng đứng (HH). Vệ tinh có nhiều mode chụp ảnh khác
nhau, cho các sản phẩm khác nhau về chiều rộng dải quét, về độ phân giải và
góc ép, thời gian hoạt động khoảng 5 năm.
• Tư liệu radar của Mỹ
Trung tâm NASA của Mỹ đã có sự phối hợp với nhiều công ty, tư nhân và
nhiều trung tâm nghiên cứ
u của các mức khác để nghiên cứu chế tạo và phóng
nhiều loại vệ tinh hoặc thiết kế các loại máy bay chụp ảnh radar khác nhau với
nguyên tắc chụp ảnh cũng có những sự khác nhau, có thể kể đến một số nguồn
tư liệu ảnh radar chính của Mỹ như sau:
- SEASAT-1: nghiên cứu môi trường biển, thu ảnh theo nguyên tắc cửa
đóng mở đồng thời của 2 hệ thống tạo
ảnh gọi là SIRA và SIRB (Shuttle
Imaging Radar).

- SLAR (Side Looking Airbone Radar): chụp ảnh radar nhìn bên.
- SAR (Synthetic Aperture Radar): chụp ảnh radar có mở đồng thời làm
tăng khả năng thu nhận tín hiệu với sự thu nhỏ kích thước của anten.

• Vệ tinh chụp ảnh radar của Nhật
JERS-1 (Japanes Earth Resource Satellite) phóng ngày 11-2-1992, trên đó
có cả sensor chụp ảnh quang học (OPS) và sensor chụp ảnh radar SAR với dải
sóng band L. Độ phân giải 18m, dải quét rộng 75km ở góc ép 35
0
, là quỹ đạo
đồng trục với mặt trời, nghiêng 98
0
5. Độ cao 568km, thời gian cho 1 quỹ đạo là
44 ngày, JERS-1 hoạt động 2 năm. Sau JERS-1 là các vệ tinh khác của Nhật có
tên MSS-1, 2 và ADEOS.
Các loại vệ tinh với các phương pháp chụp ảnh khác nhau như đã nêu ở
trên do những nguyên nhân khác nhau như: độ phân giải không gian, phân giải
thời gian, phân giải phổ, phương pháp lưu trữ số liệu và nguồn số liệu phục vụ
cho các ứng dụng sau này không phù hợp với mục tiêu nghiên cứu của đề tài, vì
vậy đề
tài chưa đề cập cụ thể các loại vệ tinh này.
Vệ tinh TERRA, AQUA với đầu đo MODIS là những vệ tinh mới được
phóng nên trên quỹ đạo với nhiều tính năng vượt trội (đối với lĩnh vực khí tượng
thủy văn) kể cả phân giải không gian, thời gian và phổ, hơn nữa nguồn số liệu
vệ tinh này rất dồi dào (hiện ở Việt Nam có hai trạm thu miễn phí và có thể t
ải
miễn phí trên mạng interet), vì vậy vệ tinh này rất phù hợp cho công tác nghiên
cứu cũng như sẽ thuận lợi cho công tác ứng dụng nghiệp vụ sau này.
Trong quá trình nghiên cứu đề tài có sử dụng dữ liệu vệ tinh phân giải cao
Landsat với nguồn số liệu phong phú hiện có ở các trung tâm viễn thám của Việt

16
Nam làm cơ sở so sánh hiệu chỉnh cho các dữ liệu vệ tinh MODIS. Dưới đây là
một số tính năng kỹ thuật và nguyên lý hoạt động của hai loại vệ tinh này.

1.1.6. Vệ tinh TERRA, AQUA
a) Nguyên lý hoạt động của vệ tinh TERRA, AQUA với đầu đo MODIS
Vệ tinh TERRA và AQUA (còn được gọi là vệ tinh EOS-AM và EOS-PM)
được phóng lên quỹ đạo lần lượt ngày 18 tháng 12 năm 1999 và ngày 4 tháng 5
năm 2002 tại Caliofrnia (Hoa Kỳ). Trên vệ tinh này có các đầu đo sau:
- Bức xạ k
ế đo bức xạ phản xạ và phát xạ nhiệt (Advanced Spaceborne Thermal
Emission and Reflection Radiometer - ASTER)
- Đầu đo mây và năng lượng bức xạ của Trái đất (Clouds and the Earth’s
Radiant Energy System - CERES)
- Đầu đo phổ bức xạ tạo ảnh đa góc (Multi-angle Imaging Spectroradio-meter -
MISR)
- Đầu đo phổ bức xạ độ phân giải trung bình (Moderate Resolution
Spectroradiometer - MODIS)
- Đầu đo độ ô nhiễm của tầng đối lưu (Measurements of Pollution in the
Troposphere – MOPITT

Hình 1.2. Quỹ đạo bay của vệ tinh TERRA

MODIS là một đầu đo viễn thám chủ yếu của vệ tinh TERRA và AQUA.
Trong khoảng thời gian một ngày đêm, các đầu đo của vệ tinh sẽ quét gần hết
Trái đất trừ một số dải hẹp ở vùng xích đạo, các dải này sẽ được phủ hết vào
ngày hôm sau. Trong mỗi phiên thu sẽ thu được dữ liệu tại 36 băng phổ (nếu
phiên thu được thực hiện vào ban ngày) hoặc tại các băng 20 đế
n 36 là các băng

17
hồng ngoại nhiệt (nếu phiên thu được thực hiện vào ban đêm)
[34]
(Hình 1.2 là
quỹ đạo bay của vệ tinh TERRA).

b) Các ứng dụng chính của vệ tinh TERRA, AQUA
Trước khi đưa các thiết bị chụp MODIS (Moderate Imaging
Spectroradiometer) vào hệ thống các vệ tinh TERRA và AQUA lên quỹ đạo
NASA đã cùng với 3 quốc gia khác là Anh, Australia, Pháp thành lập 4 nhóm
khoa học nghiên cứu về khí quyển, mặt đất, đại dương và định chuẩn phổ phục
vụ cho việc tính toán định lượng các yếu tố khí hậu. Ngoài nhóm nghiên cứu
định chuẩn phổ để hi
ệu chỉnh các giá trị bức xạ thu được trên vệ tinh thì các
nhóm còn lại đều tập trung vào nghiên cứu ứng dụng. Do độ rộng của ảnh chụp
(2330 km) và đều mang đặc tính theo dõi đa thời gian nên các nghiên cứu này
đều được tiến hành ở quy mô khu vực. Với 36 băng phổ từ 0,4 đến 14 m
µ
và độ

phân giải không gian từ 250 m (băng1, 2), 500 m (băng 3 đến 7) và 1000 m
(băng 8 đến 36) các dữ liệu MODIS đã được đưa vào sử dụng theo dõi mây, chất
lượng khí quyển, chỉ số thực vật, phân loại lớp phủ, cháy rừng, hàm lượng diệp
lục (chlorophyll) trong nước biển, nhiệt độ mặt nước biển, nhiệt độ bề mặt lục
địa, bốc thoát hơi bề mặt lớp phủ, di
ễn biến các khối băng lục địa và đại dương.
Với tính năng như vậy, các dữ liệu MODIS được sử dụng ở nhiều tỷ lệ khác
nhau: tỷ lệ trung bình và nhỏ, hoặc về phương diện lãnh thổ, từ quy mô cấp
vùng, khu vực đến quy mô toàn cầu. Vệ tinh TERRA và AQUA mang đầu đo
MODIS ban ngày đi từ bắc xuống nam, qua xích đạo khoảng 10
h
30’ và 13
h
30
’
giờ địa phương, thời gian bay hết một vòng quanh Trái đất xấp xỉ 1
h
40
’
. Còn về
ban đêm thì chiều bay của vệ tinh ngược lại. Như vậy vệ tinh TERRA và AQUA
sẽ bay qua lãnh thổ Việt Nam một ngày bốn lần vào khoảng 10
h
30, 13
h
30
’
,
22
h

30 và 1
h
30
’
, do đó ở Việt Nam sẽ thu được ảnh MODIS bốn lần trong một
ngày. Các kênh phổ và của đầu đo MODIS và các ứng dụng điển hình được
trình bày ở bảng 1.1
[2]
Bảng 1.1. Các kênh phổ và các ứng dụng cơ bản của đầu đo MODIS
Kênh
Khoảng phổ
m
µ

Phân giải
không gian
Các đối tượng ứng dụng điển hình
1 0.620-0.670 0.25 km
Các loại mây và các loại đối tượng bao phủ
bề mặt Trái đất
2 0.841-0.876 0.25 km
Các loại mây và các loại đối tượng bao phủ
bề mặt Trái đất
3 0.459-0.479 0.5 km
Các loại mây và các loại đối tượng bao phủ
bề mặt Trái đất
4 0.545-0.565 0.5 km
Các loại mây và các loại đối tượng bao phủ
bề mặt Trái đất
5 1.230-1.250 0.5 km

Các loại mây và các loại đối tượng bao phủ
bề mặt Trái đất
6 1.628-1.625 0.5 km
Các loại mây và các loại đối tượng bao phủ
bề mặt Trái đất

18
7 2.105-2.155 0.5 km
Các loại mây và các loại đối tượng bao phủ
bề mặt Trái đất
8 0.405-0.420 1 km
Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hoá
của đại dương
9 0.438-0.448 1 km
Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hoá
của đại dương
10 0.483-0.493 1 km
Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hoá
của đại dương
11 0.526-0.536 1 km
Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hoá
của đại dương
12 0.546-0.556 1 km
Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hoá
của đại dương
13 0.662-0.627 1 km
Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hoá
của đại dương
14 0.673-0.683 1 km
Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hoá

của đại dương
15 0.743-0.753 1 km
Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hoá
của đại dương
16 0.863-0.877 1 km
Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hoá
của đại dương
17 0.890-0.920 1 km Hơi nước trong khí quyển
18 0.931-0.941 1 km Hơi nước trong khí quyển
19 0.915-0.965 1 km Hơi nước trong khí quyển
20 3.66-3.84 1 km
Nhiệt độ của mây và các đối tượng bao
phủ bề mặt Trái đất
21 3.929-3.989 1 km
Nhiệt độ của mây và các đối tượng bao
phủ bề mặt Trái đất
22 3.929-3.989 1 km
Nhiệt độ của mây và các đối tượng bao
phủ bề mặt Trái đất
23 4.02-4.08 1 km
Nhiệt độ của mây và các đối tượng bao
phủ bề mặt Trái đất
24 4.433-4.498 1 km Nhiệt độ của khí quyển
25 4.482-4.549 1 km Nhiệt độ của khí quyển
26 1.36-1.39 1 km Mây ti (Cirrus cloud)
27 6.535-6.895 1 km Hơi nước
28 7.175-7.475 1 km Hơi nước
29 8.400-8.700 1 km Hơi nước
30 9.580-9.880 1 km Tầng ozone
31 10.780-11.280 1 km

Nhiệt độ của mây và các đối tượng bao
phủ bề mặt Trái đất
32 11.770-12.270 1 km
Nhiệt độ của mây và các đối tượng bao
phủ bề mặt Trái đất
33 13.185-13.485 1 km Nhiệt độ đỉnh mây
34 13.485-13.785 1 km Nhiệt độ đỉnh mây
35 13.785-14.085 1 km Nhiệt độ đỉnh mây
36 14.085-14.385 1 km Nhiệt độ đỉnh mây


19
1.1.7. Vệ tinh Landsat
Ảnh Landsat là dữ liệu quan sát Trái đất độ phân giải cao thu từ các bộ
cảm trên một trong các vệ tinh Landsat của NASA. Các bộ cảm vệ tinh Landsat
thu được những ảnh toàn vẹn của bề mặt Trái đất một cách hệ thống. Người sử
dụng có thể lấy và dùng những ảnh này để nghiên cứu trạng thái và phân loại
thực vật, nghiên cứu bề mặt kiến trúc dân sinh trong phạm vi rộng, đánh giá sự
thành công của mùa vụ nông nghiệp, hoặc dùng nó cho nhiều ứng dụng
khác
[21,27]
.


Hình 1.3. Quỹ đạo bay của vệ tinh Landsat

• Các đặc trưng kỹ thuật của Landsat
Ảnh từ các vệ tinh Landsat bắt đầu được thu từ năm 1972. Hiện nay có 6
vệ tinh Landsat đang hoạt động với 3 loại bộ cảm có chức năng khác nhau, tất cả
dữ liệu của hệ thống này đều sẵn có thông qua hệ thống cung cấp số liệu toàn

cầu (Global Land Cover Facility GLCF). Bộ cảm MSS cung cấp dữ liệu Landsat
chất lượng th
ấp, năm 1972, bộ cảm TM đã cải tiến chất lượng và đưa vào sử
dụng. Bộ cảm ETM+ trên vệ tinh Landsat 7 có chất lượng tốt nhất, cho tới nay
những vệ tinh Landsat vẫn thu ảnh bình thường và tuân theo Hệ thống Thám sát
Trái đất (WRS1 cho MSS, WRS2 cho TM và ETM+). Những vệ tinh Landsat
này đi theo một quỹ đạo lặp đi lặp lại, vòng tròn, đồng bộ mặt trời và quỹ đạo
gần Trái đất (Hình 1.3).
Ảnh Landsat vớ
i đầu đo quang học có độ phân giải cao cung cấp những
đặc tính riêng biệt cho từng đối tượng bề mặt ảnh. Tùy theo đối tượng nghiên
cứu các band ảnh sẽ cho mục đích sử dụng khác nhau band 1, 2 và 3 được sử
dụng cùng nhau đề xác định xấp xỉ bề mặt của thế giới thực. Band 4, 5 và 7 từ
ETM+ được sử dụng trong tổ hợp với các band 1, 2 và 3 để giải đoán các điề
u
kiện về thực vật.



20
Bảng 1.2. Vệ tinh Landsat và các đặc tính
Vệ tinh Bộ cảm Độ rộng dải
quét (km)
Độ rộng cảnh
(km)
Độ cao (km) Số ngày lặp
lại quỹ đạo
(ngày)
Landsat
Landsat -5

MSS

180

180 x 170

917

18
Landsat 4-5 TM 185 170 x 183 705 16
Landsat 7 ETM+ 185 170 x 183 705 16

Bảng 1.3. Các đặc tính hình học của Landsat
Vệ tinh Độ phân giải phổ
(
µ
m)
Band Độ phân giải
không gian
Landsat 1-3 MSS
Band 4: 0.50 - 0.60
Band 5: 0.60 - 0.70
Band 6: 0.70 - 0.80
Band 7: 0.80 - 1.10

Green
Red
Near IR
Near IR

79
79
79
79
MSS
Band 4: 0.50 - 0.60
Band 5: 0.60 - 0.70
Band 6: 0.70 - 0.80
Band 7: 0.80 - 1.10

Green
Red
Near IR
Near IR

82
82
82
82
Landsat 4-5
TM
Band 1: 0.45 - 0.52
Band 2: 0.52 - 0.60
Band 3: 0.63 - 0.69
Band 4: 0.76 - 0.90
Band 5: 1.55 - 1.75
Band 6: 10.4 - 12.5
Band 7: 2.08 - 2.36

Blue
Green
Red
Near IR
Mid IR
Thermal
Mid IR

30
30
30
30
30
120
30
ETM+
Band 1: 0.450 - 0.515
Band 2: 0.525 - 0.605
Band 3: 0.630 - 0.690
Band 4: 0.760 - 0.900
Band 5: 1.550 - 1.750
Band 6: 10.40 - 12.5
Band 7: 2.080 - 2.35

Blue
Green
Red
Near IR
Mid IR
Thermal

Mid IR

30
30
30
30
30
60
30
Landsat 7
Band 8: 0.52 - 0.92 Pan 15
Band 6 trên Landsat 7 chia thành 2 band: thấp và cao.


21
• Các đặc trưng định dạng dữ liệu
Ảnh Landsat được phân loại cho người sử dụng từ GLCF trong một loạt
các dạng dữ liệu đặc biệt, tất cả chúng được thiết kế phù hợp với đại đa số người
sử dụng có thể tiếp cận với những phần mềm đồ họa cơ bản. Mỗi cảnh ảnh
Landsat vớ
i các band là một file riêng biệt. Hầu hết các file được nén dạng gzip
và các file này có phần mở rộng là “.gz”. Sau khi giải nén file gzip ảnh Landsat
ở định dạng GeoTIFF. Một file GeoTIFF có thể được sử dụng như một file TIFF
ở bất kỳ phần mềm đồ họa nào. Trong mỗi file GeoTIFF đều có các header sẽ
cung cấp các tham chiếu không gian. Dữ liệu tham chiếu không gian được sản
xuất bởi GLCF cho ảnh Landsat theo elipsoid WGS84 và lưới chiếu UTM.
Thêm vào thông tin tham chiếu không gian, một file ảnh Landsat có thể được
nắn trực ảnh một cách đặc biệt nếu đó là một ảnh Landsat GeoCover. Tất cả
những đặc trưng này được liệt kê ở file metadata đi cùng với cảnh ảnh. Hầu hết
các đặc trưng có thể được chuyển sang định dạng khác, tùy vào nhu cầu ứng

dụng và phần mềm xử lý.

1.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TIỀN XỬ LÝ ẢNH VIỄN THÁM
Trước khi sử dụng
ảnh vệ tinh trong các mô hình số để tính toán các thành
phần khí quyển hoặc tính toán các sản phẩm dẫn xuất từ ảnh vệ tinh cần phải
loại bỏ một số sai số trên ảnh như: sự không ổn định về vị trí trên quỹ đạo của
vệ tinh và các hiện tượng nhiễu khí quyển. Quá trình này được gọi là tiền xử lý
ảnh (pre-processing).
Các công việc cần xử lý về cơ bản gồm: sắ
p xếp đồng bộ các ảnh vệ tinh
theo không gian và thời gian (registration); chuẩn hóa ảnh (normalization) sai số
do độ cong của bề mặt Trái đất, sai lệch góc nhìn của vệ tinh, sự nhiễu động về
giá trị đo đạc, hiện tượng lóe sáng từ chuyển động biểu kiến của mặt trời
[34]
.

1.2.1. Hiệu chỉnh bức xạ
1.2.1.1. Chuẩn hóa ảnh (normalization)
Nguyên nhân sinh ra sự không đồng nhất về các giá trị đo là sự chuyển
động liên tục của Trái đất và bầu khí quyển xung quanh Trái đất và sự suy yếu
bức xạ trên các kênh hồng ngoại do sự hấp thụ của khí quyển. Tùy thuộc vào sự
thay đổi góc chiếu mặt trời mà bức xạ tới đầu đo của vệ tinh dưới các góc khác
nhau, tạ
o nên hiện tượng không đồng nhất trên ảnh thu được, đặc biệt với thời
điểm sáng sớm và chiều tối.
Các công thức chuẩn hóa ảnh thị phổ thường sử dụng một số phương
pháp như sau:
Phương pháp của KNMI (Hà Lan):
Nếu cos(θ) < 0.2 thì đặt cos(θ) = 0.2; bức xạ hiệu chỉnh bằng bức xạ gốc

chia cho cos(θ). Trong đó θ là góc quan trắc vệ tinh