Phương pháp xác định nhiệt độ mặt biển từ ảnh MODIS

TAP CHỈ KHOA HOC DHQGHN. KHTN &CN. T.XXI,

S Ố IP T .,2 0 0 5

PHƯƠNG P H Á P XÁC ĐỊNH N HIỆ T ĐỘ MẶT BIÊN TỪ ẢNH MODIS
Lại A nh Khôi
Viện V ậ t lý và Đ iện tử, Viện K h o a học và C ô n g n g h ệ Việt N a m

1. Ctí s ở l ý t h u y ế t
N h ư t a đã biét mọi v ậ t t h ế ở n h i ệ t độ lớn h ơ n 0 ° K đ ề u p h á t xạ với đặc đ i ểm
(cường độ và phô') p h ụ t h u ộ c c h ặ t chẽ vào n h i ệ t độ và h ệ s ố p h á t xạ c ủ a đổi tượng.
T ro n g t r ư ờ n g h ớp c ủ a v ậ t đ e n t u y ệ t đối, mối l iên h ệ n à y được b i ể u d i ễ n b ằ n g đ ị n h l u ậ t
Plank:
B * ( À , T ) = C ị / [ Ằ 5( e c2/ẢT - 1 ) J

T r o n g dó:

(1)

C’i = 2hc~ = 1 , 1 9 1 0 4 4 X 10* w /( m - .s te r .c m ');

c 2 = h c / k = 1,438 76 9 k.cm;
h - Hộ sỏ H a n k :
k - H ệ sô B o l t z m a n n ;
c - V ạ n tốc á n h s áng.
Đôi VỚI các vật th ể k h ô n g phải là vậ t đen tu y ệt đối ta có:
B (À,T) = B * ( Ả , T ) x c a j ,

(2)

vởi íf Ả) là hộ sô p h á t xạ đ ặ c t r ư n g r i ê n g cho mỗi đôi t ượng.

N h ư vậy, kh i bicl tị Ả), n h i ệ t độ củ a dôi t ư ợ ng có t h ổ xác đ ị n h được n h ờ đo bức xạ
ph át ra t ừ chú ng . T u y n h i ên , do á n h h ư ở ng củ a k h í q u y ế n n ê n việc xác đ ị n h n h iệ t độ củ a
các clỏi t ư ợ ng nói c h u n g và m ặ t nước nói ri ên g t ừ vệ t i n h sẽ k h ô n g dơn g i ản n h ư vậy. Ánh
hưởng của k h í q u y ê n đôn sô liệu do có t í n h h a i m ặt : m ộ t m ặt nó l à m s u y g i ảm bức xạ t h u
(lược do hi ện t ư ợ ng h ấ p t h ụ , t á n x ạ củ a các c h ấ t khí, hơi nước và son k h í có t r o n g k h í
quyển, m ậ t k h á c b á n t h â n k h í q u y ể n c ũ n g là n g u ồ n p h á t xạ. Ngoài r a dối với các ả n h t h u
vào b a n ng ày còn cẩn p h á i kè tới a n h h ư ở ng củ a M ặ t tròi.
B ằ n g việc t í n h đ ạo h à m c ủ a h à m P l a n k t h eo bước s ón g Ả và g á n vê 0, W i e n dã xác
(lịnh dược môi liên hộ gi ữa bước s óng Ảmax ứ n g với cực đ ại c ủ a h à m P l a n k và n h i ệ t độ của
vật t h ê p h á t xạ:
Ảnmx = 0 . 2 8 9 7 / T (cm)

(3)

T h e o đó t a b i ế t r ằ n g bức xạ c ủ a các đối t ư ợ n g m ặ t đ ấ t (có n h i ệ t độ d a o đ ộ n g x u n g
q u a n h giá trị 3 0 0 ”K) sẽ đ ạ t cực đ ạ i ròi vào v ù n g s ó n g h ồ n g n g o ạ i n h i ệ t n ê n v ù n g phô
n ày t h ư ờ n g được c họn cho việc xác đ ị n h n h i ệ t độ c ủ a các đối t ư ợ n g m ặ t đ ất . T u y n h i ê n ,
dây lại là v ù n g m à hoi n ước có k h ả n ă n g h ấ p t h ụ r ấ t l ổn n ê n t r o n g v i ễn t h á m người t a
p há i giới h ạ n v ù n g p h ố sử d ụ n g vào h a i cử a số c ủ a k h í q u y ể n ỏ các d ả i s ó n g 3, 7-4,2| im
và 10-12|im ( b ả n g 1). K ê n h 21 m ặ c d ù c ũ n g n ằ m t r o n g v ù n g n à y , n h ư n g do được t h i ế t
kê r i ê n g đê p h á t h i ệ n c h á y n ê n có k h o ả n g đo rộng, độ n h ạ y t h ấ p , k h ô n g t h í c h hợp đê
xác đ ị n h t r ư ờ n g n h i ệ t m ặ t biên.

79


I

Lại A n h K h ô i

B ả n g 1. Một số k ê n h phô cua ả n h MODIS
Sô hièu kênh

Bước sóng trun g tàm

Độ rộng

20
22
23
31
32

3,750
3,959
4,050
11,030
12,020

0,1800
0,0594
0,0608
0,5000
0,5000

So s á n h giữa các k ê n h ở h a i cửa sổ n à y t a t h ấ y các k ê n h ỏ v ù n g h ồ n g ngoại t r u n g
(20-23) có ư u t h ế là độ n h ạ y (được xác đ ị n h bởi đại l ượng — — ) cao hơn, ít chịu ả n h
h ư ởn g của hơi nước h ơ n (xem h ì n h 1), n h ư n g lại có độ rộ ng h ẹp , n ă m ngoai ri a v u n g
p h á t xạ cực đại c ủ a các đối t ư ợn g m ặ t đ ấ t và v ẫ n còn chịu ả n h h ư ơ n g t ư ơn g đôi lớn của
bức xạ m ặ t trời. T r o n g k hi đó các k ê n h t r o n g v ù n g h ồ n g ngoại x a (31-32) lại rơi vào t â m

củ a v ù n g p h á t x ạ cực đạ i c ủ a các đôi t ư ợ ng m ặ t đâ t, a n h h ư ơ n g c u a M ạ t trơi k h o n g
đ á n g kể n h ư n g ả n h h ư ở n g c ủ a hơi nưốc lại lớn hơn. T u y n h i ê n ả n h h ư ớ n g n à y l ên 2
k ê n h là r ấ t k h á c n h a u .

H ì n h 1. Hệ số tr u y ề n dẫn bức xạ của khí quyển trong vùng hồng ngoại nhiệt

Ký h i ệ u 1LẢ là s a i s ố s ố đo bức x ạ gây n ê n bởi k h í q u yể n , t a có:
IL X = B; ( T J ■L ,
= "ị [B Ằ (T,J - B Ằ (T(P))Jdt;_(0,P)/'

<■!>


Plnrơng p h á p xác đ ị n h n h iệ t đ ộ m ặ t b iẽn từ.
8 1

tronR đỏ L, là bức xạ đo đ ư ợ c t ừ vệ t i n h ỏ ngoài k h i quyển, t;(0,p) là hệ s ố t r u y ề n d ẫ n
b ức xạ t ừ 1ỚỊ) k h i q u y ế n ở đ ộ c ao có á p s u ấ t p đ ế n đ ỉ n h c ủ a k h í q u y ê n có á p s u ấ t b à n g tì,
B ,'T , = T - T, .

(5)

T h e o đ ị n h l u ậ t P l a n k t a có:
(ôB/õTịlữ '
Đôi VỚI t r ư ờ n g hợp k h í q u y ể n có độ d ày q u a n g học n hỏ ta có t h ể lấy g ầ n đúng:
dt;(0,P) z - k ; dU(P).

(7)

I
r o n g đó k , là h ệ sô h à p t h ụ ớ bước sóng À, U(P) là c h i ề u d à y c ủ a k h í q u y ể n t ừ
d í n h k h í q u y ể n đ ế n độ cao có á p s u ấ t P .
G i ả t h i ế t 1-ầng h à m P l a n k có t h ể bi ểu di ễn b ằ n g chuỗi T a y l o r bậc 1 n g h ĩ a là:
B Ả/T(P )J= B À (T,J +

/ To ỊTiP) - T J .

(8)

l ÕT )
T h a y (6),(7), (8) v ào (4) t a có:
/ T = k Á J ỊT„ - T(P)JdU (P).

(9)

o

N ô u COI k h í q u y ể n là đ ồ n g n h ấ t (theo chi ếu n ga ng ) t r o n g k h u vực n g h i ê n cứu v ế
phai c ủ a (l ăng t h ứ c t r ê n là m ộ t h ằ n g số đối với mỗi k ê n h ả n h . N ế u t í n h t h ê m hệ s ô ' p h á t
xạ cua nước t hì T s có t h ô b i ểu di ễn n h ư m ộ t h à m t u y ế n t í n h c ủ a T;\

(10)

Ts = a,Tị + a2 .
T r o n g t r ư ờ n g hợp sử d ụ n g k ế t hợp 2 k ê n h t a có:
T s = a ịT

+ a >Tte + a 3 .

(1 1 )

Điôm đ á n g lưu ý là khi sử d ụ n g các công t hức này, các sai sô'sẽ c hủ yếu liên q u a n
tlỏn t í nh k h ô n g t h ự c tè c ủ a giá d i nh về t í n h b ấ t bi ến c ủ a k h í q u y ể n t r o n g p h ạ m vi ng hi ên
cửu, c ũ n g n h ư do sự d ao đ ộ n g lệch khỏi vị t rí t h ắ n g đ ứ n g c ủ a góc q u a n s á t n ê n có t h ể coi
n h ư chỉ liên q u a n đ ến s ố h ạ n g tự do. Do vậy công t h ứ c (11) có t h ể cải bi ến t h à n h :
T s = a j T ÁI +

+ a 3 + f (d) .

(12)

T r o n g đó f(d ) là h à m d ù n g để h i ệ u c h ỉ n h sai s ố nói t r ê n. T r o n g t h ự c tế, k h i xây
(lựng các h à m t h ự c n g h i ệ m người t a t h ư ờ n g sử d ụ n g các sô'liệu đo đ ể xác đ ị n h các h ệ số
t r o n g công t h ứ c (11) rồi xác đ ị n h t ư ơn g q u a n giữa các sai lệch gi ữa s ô' li ệu t í n h t oán và
sô liệu đo VỚI các t h a m sô k h á c n h a u (t rê n cơ sở xây d ự n g các b iểu đồ đôi s á n h giữa các
sai sô và các t h a m sô này) đê t ừ đó xác đ ị n h h à m fid) t r o n g công t h ứ c (12).

2. C ô n g t h ứ c t h ự c n g h i ê m c h o c á c k ê n h tr o n g c ử a số 10-12^m
T r o n g t r ư ờ n g họp s ử d ụ n g h a i k ê n h ỏ v ù n g h ồ n g ngoại xa 31 và 32, công t hứ c
(12) có dạng :
T s = c, + c2T 31 + C,(T:,J - T :n) + c4 (see6 - 1) (T 32 - T 3I),
t r o n g đó ớ là góc t h i ê n đ ỉ n h c ủ a t ia q u a n trắc.

(13)


Lai Anh Khôi

Hai k ê n h này. n h ư đ ã t r ì n h b à y ở t r ê n , n ằ m t r o n g v ù n g h ồn g ngoại xa và chịu

a n h h ưở n g t ư ơ n g đối lớn c ủ a sự h ấ p t h ụ bởi hơi nước n ê n h à m hi ệu c h ỉ n h /hỉ) t rong
t rư ờ ng hợp n à y có d ạ n g n h ư t r ê n và được sử d ụ n g c h ủ yếu đổ loại bỏ sự c h ê n h ]ệ'h vê
độ dài q u a n g học c ủ a t ia q u a n t rác. Ngo ài ra, do á n h h ư ớ n g cua hơi nước lên h ai kênh
r ấ t k h á c n h a u n ê n hi ệu T , , - T :„ có t h ể x em n h ư một chỉ t hị vồ lượng hơi nước t ro n ? khí
qu yể n và các h ệ số t r ê n t h ư ờ n g được xác đ ị n h ri êng cho h a i t rư ờ ng họp khi h i ệu này <0,7
và >0,7.

3. C ôn g th ứ c th ự c n g h i ệ m c h o c á c k ê n h t r o n g cửa sô 3,7- 4 , 2 ụ . m
Đối với các k ê n h ở v ù n g h ồ n g n g oạ i t r u n g 20. 22 và 23, do có độ n h ạ y cao với sự
t h a y đối c ủ a n h i ệ t độ n ê n đơn g i ản n h ấ t t a có t h ê sử d ụ n g một k ê n h t h e o công thưc
( 10).

Đê n â n g cao độ c h í n h xác có t h ể sử d ụ n g tô hợp h a i k ê n h b á t kỳ t heo
(11) Do các k ê n h t r o n g cửa sổ n à y c ủ a k h í q u y ên n ă m t ro n g dai bước sóng
n gán, và c hị u ả n h h ư ờ n g t ư ơ ng đối lớn c ủ a bức xạ m ặ t tròi n ê n kh i p h â n tích
lại [(d) người t a n h ậ n t h ấ y rõ sự dao động của nó t heo thòi gi an t rong n ă m .

cong thuc
tương đoi
sai sô còn
H à m f(d)

t r ong tr ườ ng hợp n à y được xây d ự n g dưới dạng:
f(d) = m X COS [ 2 r í d + n ) / 3 6 5 ] + p ■

(14)

C ông t h ứ c (12) được vi ết lại t h à n h :
T s = a + b T , + cT 2 + m x c o s (2 r íd + n ) / 3 6 5 ) + p.

(lõ)

t r o n g đó a, b, c, m, n, p là các hộ s ố t h ự c n g h i ệ m , d la n g à y t r o n g n ă m k ể t ừ n g à y h ạ chí
(tức n gày t h ứ 173) đối VỐI B á n cầ u Bắc hoặc n g à y đô ng chí (ngày t h ứ 357) đôi VỚI Bán
cầu Na m.
Ngoài r a người t a còn n h ậ n t h ấ y sự p h ụ t h u ộc củ a sai sô vào vĩ độ của di êm q u a n
t r ác và sự x u ấ t h i ệ n c ủ a son k h í t r o n g t ầ n g b ì n h lưu n ê n các hộ sô t r o n g công thức (12)
được xác đ ị n h r i ê n g cho h a i t r ư ờ n g hợp: có ho ặc k h ô n g có son k h í t r o n g t ầ n g b ình lưu.
T r o n g mỗi t r ư ờ n g hợp, các h ệ sô m, n, p lại dược xác đ ị n h r i ê n g cho các đ ai đị a lý sau:
- T ừ 23°27' N a m đ ế n 23°27’ Bắc;
- T ừ 23°27’ đ ế n 4 6° 54’ ở mỗi b á n cầu;
• T ừ 46°54’ đ ế n h a i cực.

4. C h ư ơ n g t r ìn h t ín h t o á n t r ư ờ n g n h i ệ t m ặ t b iê n
Các t h u ậ t t o á n t r ê n đã được t ác giả cụ t h ể h o á t r o n g một ch ươ ng t r ì n h viêt b ă n g
ngôn n gữ I D L v à k ế t nối t h à n h m ộ t t i ệ n ích t r o n g p h ầ n m ề m ENVI. C h ư ơ n g t r ì n h chọ
p h é p đọc s ố liệu t ừ file * . h d f (MODO 2 1 KM) c ủ a t r ạ m t h u . t i ế n h à n h t í n h t o á n n h i ệ t độ
bể m ặ t bi ển với 4 t u ỳ chọ n các tổ hợp k ê n h (20-22, 20-23, 22-23 và 31-32) v ậ n d ụ n g công
t hứ c (13) h oặc ( l õ) t u ỳ t h u ộ c vào tổ hợp k ê n h đ ã chọn. Sô liệu t r ư ờ n g n h i ệ t s a u k h i t í n h
được n á n c h ỉ n h t h eo t oạ độ đ ịa lý v à ghi r a dưới d ạ n g file ả n h t i êu c h u ẩ n đ ã g ắn k ế t toa
đỏ đị a lý c ủ a hệ EN VI n ê n s a u đó có t h ể dễ d à n g sử d ụ n g các chức n a n g s ẵ n có của
p h ầ n m ề m n à y để: t á c h r i ê n g p h ầ n lục địa, g ắ n lưới t oạ độ, r a n h priới h à n h c hí n h , t r ì n h
b à y bi ên t ậ p t h à n h b a n dồ, h oặc x u ấ t r a dưới n h i ề u đ ị n h d ạ n g á n h k h á c n h a u .


I 'ln r o ii” pim p \á c (tịn h Iiln ẽ l

ill) m ãt

h ie II lừ...

s ;ỉ

Lưu ý r a n g sô liệu a nh trong file *./;(//' được ghi dưới d ạ n g nănfí lượng bức xạ quy
chuyên t h a n h so nguyên nên trước tiên can chuyển ngược vồ s ố liệu đo thực thc>0 cóng thức-

L : = S', ■D N - ();. .

(1(5)

tronfi dó s , là h ệ sô ty ]ệ và 0. là giá trị lệch 0 (offset) c ủ a mồi k ê n h . Các giá trị n à y
diíỢc ghi dưới d ạ n g các m a n g 1 chi ều trong ille * . h d f .
( ác giá trị n hi ệt độ p h á t xạ T; s a u đó được t í nh ngược t ừ h à m P l a n k n h ư sau:
T

=

C, /

À In

À'B,

■
+

1

(17)

Vồ n g u y ê n tắc. các hệ s ố t h ự c n g h i ệ m t r o n g công t h ứ c (13) và (15) có t h ể dễ d à n g
xac (lịnh được n êu có đủ sô liệu đo b ằ n g cách giải bài t o á n hồi quy t h eo p h ư ơ n g p h á p số
b ì nh p h ư ơ n g n h ỏ n h ấ t . Nhu'ng do t h i ế u các s ố liệu đo t h ự c t ế n ê n ch ươ n g t r ì n h h i ện vẫn
sử d ụ n g các hộ sò do Cơ q u a n H à n g k h ô n g Vũ t r ụ Hoa Kỳ (NASA) c u n g cấp (bá ng 2 và
C a r ilia trị n à y được NAS A xác đ ịn h d ựa t r ê n h à n g n g h ì n s ú' li ệu t h u t h ậ p được t ừ
các c h u y ê n k h á o s át t r ô n n h i ề u v ù n g bi ển k h á c n h a u ở Đại T â y Dương, Ấn Độ Dương và
T h á i Bình Dương.
H ì n h 2 hi ên thị kết q u ả một ví d ụ t í n h t r ư ờ n g n h i ệ t m ặ t hi ên sử d ụ n g tổ hóp 2
k c n h 22 và 2M cua á n h M O D I S c h ụ p đôm n g à y 10 t h á n g 7 n a m 2002.

t 1

Hình 2. Trường nhiệt mặt biên, tính từ các kênh 22-23 của ảnh MODIS đêm 10/7/2002


Lại A n h Khôi
84

B ả n g 2. Các hộ số trong công thức tính trường nhiệt sử dụng các kênh trong giải phổ

hồng ngoại trung (trong trường hợp không có son khí trong tầng bình lưu)
C ác hệ số

Kênh 22, 23

a

b

c

0.481199

1.62184

-0.613398

m

n

p

Chung toẳn cầu

-0.010300

-33 856434

-0.003171

23.45: N a m - 23.45 Bắc

-0.014913

-44.695727

0.002888

23.45 - 46.9 Bắc hoặc Nam

-0.010569

-9.100864

-0.012191

46.9° Bac hoăc Nam đến hai cực

-0.010300

-33.856434

-0.003171

Các hệ sô

Kênh 20, 22

a

b

c

1.63973

0.008332

1.01495

m

n

p

Chung toần cẩu

-0.02128

-27 77708

-0.010976

23.45 N a m - 23.45 Bắc

-0.021016

-65.4177

0.018011

23.45° - 46.9 Bắc hoảc Nam

-0.02128

-27 77708

-0.010976

46.9 Bắc hoãc Nam đến hai cưc

-0.02128

-27 77708

-0.010976

Các hệ sỏ

Kênh 20, 23

a

b

c

1.63771

0.799358

0.249784

m

n

p

Chung toàn cắu

-0.089330

-14.636338

-0.039860

23.45 Nam - 23.45 Bắc

-0.096743

-47.855918

0 033071

23.45° - 46.9° Bắc hoặc Nam

-0.052036

0.006510

-0 138790

46.9° Bắc hoặc Nam đến hai cưc

-0.089330

-14.636338

-0.039860

B ả n g 3. Các hệ số thực nghiệm trong công thức tinh nhiệt cỉỏ mặt biến

sử dụng các kênh trong dải phô hồng ngoại xa
T 3 2 -T 3 1 < 0 ,7

T 3 2 -T 3 1 > 0 ,7

c1

1,228552

1.692521

c2

0,9576555

0,9558419

c3

0,1182196

0,0873754

c4

1,774631

1,199584


P hư ơn g p h á p x á c d i n h 11 hiệt đ ỏ m ặ t b iến lừ.

85

5. Kết lu ậ n
Xac đ i n h n h i ẹ t đọ m ặ t b i ên b ả n g công n g h ệ viên t h á m là m ộ t p h ư ơ n g p h á p có
n h i ề u t r i ê n vọng. Bài b á o đ ã t r ì n h b à y chi t i ế t cơ sở p h ư ơ n g p h á p l u ậ n c ũ n g n h ư các
cô n g th ứ c th ự c n g h i ệ m d ù n g xác đ ịn h n h iệ t độ b ể m ặ t b iển từ các tô’ hợp k ê n h khác

n h a u c u a a n h vọ t i n h M O D I S ( Mo d e r a t e R es o lu t io n I m a g i n g S p e c t r o r a d i o m e t e r ) và
giới t h i ệ u vê' c h ư ơ n g t r i n h t í n h nh iệt độ bề m ặ t bi ển áp d ụ n g t h u ậ t t o á n t rên. C hư ơng
t r ì n h n à y do t á c giả x â y d ự n g t r ê n ng ôn n g ữ IDL củ a p h ầ n m ề m E N V I và được k ế t nối
n h ư m ộ t t i ệ n ích c ủ a h ệ t h ô n g xử lý ả n h này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lại Anh Khôi và nnk, Thử nghiệm sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh MODIS trong xác định một
sô tham sỏ' vật lý môi trường biến, Báo cáo tông kết Đề tài Khoa học Công nghệ cấp Viện
Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Viện KH&CN VN, Hà Nội, 2004.
2.

Charles Elachi, Introduction to the physics and techniques o f remote sensing, John Wiley
and Sons, 19S7.

3.

Otis B. Brown, Pet er J. Minnett, MODIS Infrared Sea Surface Temperature Algorithm Algorithm Theoretical Basis Document Version 2.0. NASA. 1999.

VNU JO U R N AL OF S C IEN C E, Nal , Sci , & Tech , T.XXI, N01AP , 2005

SEA SURFACE TEMPERATURE DETERMINATION
BY USING MODIS IMAGE
Lai A n h Khoi
I n s t i t u t e o f Phycics a n d E lectronics
V i e t n a m A c a d e m y o f Science a n d Techno log y

T h e p a p e r gi ves i n d e t a i l s a d es c ri p ti o n of t h e m e t h o d s for d e r i v a t i o n of sea
s u rf a ce t e m p e r a t u r e fr om M O D I S ( M o de r at e R es o lu t io n I m a g i n g S p e c t r o r a d i o m e t e r )
d a t a a s well a s t h e a l g o r i t h m for its p ra ct i cal i m p l e m e n t a t i o n u s i n g different
c o m b i n a t i o n s of M O D I S c h a n n e l s . I t also i n t r o d u c e s to r e a d e r s a c o m p u t e r p r o g r a m
d eve lope d bv t h e a u t h o r for t h e a p p l ic a ti o n of t h e d es c ri b ed a l g o r i t h m . T h e p ro g r a m
w a s w r i t t e n i n I D L l a n g u a g e by u s i n g ENVI e n v i r o n m e n t , i n t e g r a t e d int o i ts m e n u as
o n e of i ts c o m p o n e n t f u nc ti o ns .