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

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


ii
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



iii
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 CHLOROPHYLL-
A DO Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG 51


iv
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



















v
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


vi
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






vii
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!


1
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


2
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/m
3
) trên cơ sở ảnh vệ tinh MODIS.


3
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


4
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/m
3
) 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














5
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


6
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:


7

+ 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

8
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,

9
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’ .


10

Hình 1.1 Vệ tinh TERRA
(nguồn ISPRS Tutorial)

Hình 1.2 Quỹ đạo bay của vệ tinh TERRA
(Nguồn
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 55
o
. 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).


11
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
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
1
620 – 670 nm
250
2
841 – 876 nm
250
Thuộc tính đất/mây/Aerosols
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
Màu sắc, thực vật phù du,
sinh địa hóa của biển
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


12
13
662 – 672 nm
1000
14
673 – 683 nm
1000
15
743 – 753 nm
1000
16
862 – 877 nm
1000
Hơi nước trong khí quyển
17
890 – 920 nm
1000

18
931 – 941 nm
1000
19
915 – 965 nm
1000
Nhiệt độ của bề mặt và của
mây

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
Nhiệt độ của khí quyển

24
4.433 - 4.498 µm
1000
25
4.482 - 4.549 µm
1000
Mây li ti

Hơi nước
26
1.360 - 1.390 µm
1000
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
mây
31
10.780 - 11.280 µm
1000
32
11.770 - 12.270 µm
1000
Nhiệt độ của đỉnh các đám
mây
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
(Nguồn: MODIS Website)


13
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 Reed-
Solomon 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


14
thực hiện bằng phần mềm Scannex. Dữ liệu được giải mã đơn giản được lưu trữ
mức L1B.
Trạm thu Eos-Scanex đặt tại Viện Vật Lý và Điện Tử thu nhận dữ liệu từ vệ
tinh TERRA, ảnh MODIS ở chế độ truyền trực tiếp. Ngoài ra trạm có khả năng thu
được ảnh của các vệ tinh độ phân giải cao của Liên bang Nga.
Khoảng cách liên kết giữa vệ tinh TERRA và trạm là 2575km ứng với góc
thiên đỉnh tại trạm thu là 5
o
và khoảng cách liên kết là 3082km tương ứng với góc
thiên đỉnh là 64
o
. Khoảng thu cho chất lượng ảnh tốt nhất là ứng với góc thiên đỉnh
từ 10
o
đến 60
o
.
Dữ liệu MODIS thu được tại trạm trên 36 kênh phổ. Các kênh 1, 2 có độ
phân giải 250m, các kênh 3,4,5,6,7 có độ phân giải 500m còn các kênh từ 8 đến 36
có độ phân giải 1000m. Độ rộng ảnh thu được: 1354 pixel (1km), 2708 pixel
(500m), 5416 pixel (250m) và chiều dài là 2030 pixel (1km), 4060 pixel (500m),

8120 pixel (250m).
Trạm thu này chính thức hoạt động từ ngày 14/8/2001. Từ ngày 5/11/2003
trạm được cải tiến để có thể thu thêm ảnh MODIS của vệ tinh AQUA (theo tài liệu
của Viện Vật Lý và Điện Tử)
Vệ tinh AQUA mang bộ cảm biến MODIS
Đặc điểm vệ tinh AQUA
Vệ tinh AQUA (hay còn gọi là EOS PM) được phóng lên không gian vào
ngày 4/5/2002, với quỹ đạo đồng bộ với mặt trời.
AQUA tiếng Latin có nghĩa là “Nước”, do cơ quan nghiên cứu NASA đặt
tên do vệ tinh này thu nhận nhiều thông tin về sự luân chuyển của nước trên trái đất,
hơi nước từ mặt nước biển, hơi nước trong khí quyển, mây, mưa, cấu tạo đất, băng
đá ở biển, băng đá ở đất liền và tuyết ở biển và đất liền. Ngoài ra vệ tinh AQUA còn
đo được năng lượng phản xạ của thực vật, dòng chảy phủ trên mặt đất; chất hóa
học hòa tan, phiêu sinh thực vật trong nước biển, không khí, đất; và nhiệt độ của
nước.
Vệ tinh AQUA mang 6 bộ cảm biến như sau:


15
1. AIRS (Atmospheric Infrared Sounder)

2. AMSU-A

3. MODIS (Moderate Resolution Spectroradiometer)
HSB (Humidity Sounder for Brazil)
4. AMSR-E (Advanced Microwave Scanning
Radiometer for EOS)
5. CERES (Earth's Radiant Energy System)
Vệ tinh bay ở độ cao 705km, góc quét là 98.2
o

. Vệ tinh AQUA bay từ Bắc
xuống Nam qua xích đạo khoảng 13h30’.
Hình 1.5 Vệ tinh AQUA và các bộ cảm biến
(Nguồn:


16

Hình 1.6 Quỹ đạo bay của vệ tinh AQUA
(Nguồn
Hình 1.6 là quỹ đạo bay của vệ tinh AQUA trong 1 ngày đêm vào ngày
12/10/2006. Trên hình thể hiện thời điểm mà vệ tinh AQUA bay qua.
Đặc điểm của bộ cảm biến MODIS- AQUA
Bộ cảm biến MODIS ở vệ tinh AQUA có số kênh phổ tương tự như MODIS
của vệ tinh TERRA. Tuy nhiên MODIS-AQUA có những khác biệt:
- Do khiếm khuyết của MODIS-AQUA nên kênh phổ 5 (1.23 – 1.25 m), 6
(1.628 – 1.652 m) bị lỗi sọc trên ảnh
- Hiện tượng dòng điện từ ít xen vào kênh phổ hồng ngoại bước sóng ngắn
hơn.
- Tính được nhiệt độ bề mặt biển bằng kênh 31, 32 tốt hơn.







17
Bảng 1.2 Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS
1.

Quỹ đạo
- Độ cao bay chụp: 705 km
- Thời điểm chụp trong ngày:
+ 10.15 am, descending (TERRA)
+ 1.30 PM, ascending (AQUA)
- Quỹ đạo đồng bộ mặt trời, cận cực
2.
Độ rộng dải chụp
2300 km
3.
Độ phân giải không gian tại điểm
thiên đế (nadir)
- 250 m: kênh 1-2
- 500 m: kênh 3-7
- 1000 m: kênh 8-36
4.
Chu kỳ lặp
16 ngày
5.
Góc nghiêng của mặt phẳng quỹ
đạo
98,2 độ
1.1.2.2 So sánh một số vệ tinh và đầu thu chụp sử dụng trong quan trắc môi trường
biển
Bảng 1.3 Một số vệ tinh và đầu thu sử dụng trong quan trắc môi trường
Bộ cảm biến
Cơ quan
quản lý
Vệ tinh
Ngày hoạt

động/ kết
thúc
Độ phân
giải (m)
Số
lượng
kênh
phổ
Khoảng
phổ (nm)
CZCS
NASA
(USA)
Nimbus-7
(USA)
24/10/78-
22/06/88
825
6
433-
12500
OCTS
NASDA
(Japan)
ADEOS
(Japan)
17/8/96-
01/07/97
700
12

402-
12500
POLDER-1
CNES
(France)
ADEOS
(Japan)
17/8/96-
01/07/97
6000
9
443-910
MOS
DLR
IRS-P3
31/2/96
500
18
408-1600


18
(German)
(India)
SeaWIFS
NASA
(USA)
Orbview2
(USA)
01/08/97-

2004
1100
8
402-885
OCI
NEC
(Japan)
ROCSAT-1
(Taiwan)
02/1999
825
6
445-
12500
OCM
ISRO
(India)
IRS-P4
(India)




MODIS
Terra
NASA
(USA)
Terra
(USA)
18/12/99

1000
(250,500)
36
405-
14385
OSMI
KARI
(Korea)
KOMPSAT
(Korea)
20/12/99
850
6
400-900
MERIS
ESA
(Europe)
Envisat
(Europe)
01/03/02
300/1200
15
412-1050
MODIS
Aqua
NASA
(USA)
Aqua
04/05/02
1000

(250,500)
34
405-
14385
CMODIS
CNSA
(China)
ShenZou-3
(China)
25/03/02-
15/09/02
400
34
403-
12500
COCTS
CNSA
(China)
HaiYang-1
(China)
15/05/02
1100
10
402-
12500
CZI
CNSA
(China)
HaiYang-1
(China)

15/05/02-
01/12/03
250
36
375-
12500
GLI
NASDA
(Japan)
ADEOS-II
(Japan)
14/12/02-
25/10/03
250/1000
36
375-
12500
POLDER-2
CNES
(France)
ADEOS-II
(Japan)
14/12/02-
25/10/03
6000
9
443-910