(Luận văn thạc sĩ) 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


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 Ơ NHIỄM MƠI TRƢỜNG
BIỂN ...........................................................................................................................5
1.1 Sử dụng cơng 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 tốn 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
khơng có dữ liệu sẽ được phủ vào ngày hơm 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 đơng khu vực biển Cà Mau ...........................32
Hình 2.4. Hệ thống sơng 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. Ni tơm ở Cà Mau ...................................................................................41
Hình 2.7. Rừng tràm ở U Minh- Cà Mau ..................................................................44
Hình 2.8. Khởi cơng 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 thơng 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 tốn .................................................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 tốn 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 tơi,
PGS.TS Dỗn Hà Phong, thầy đã tạo mọi điều kiện, tận tình hướng dẫn và
giúp đỡ tơi hồn thành tốt luận văn này. Sự hiểu biết sâu sắc về khoa học,
cũng như kinh nghiệm của thầy chính là tiền đề giúp tơi 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 cơ 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 Mơi trường đã tận tình giúp đỡ, động viên và tạo nhiều
điều kiện thuận lợi cho tơi trong q trình nghiên cứu.
Tơi 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 ni 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 lịng sơng thu hẹp,
giảm tốc độ dịng 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 cịn có các khu cơng nghiệp tập trung như
khu cơng nghiệp khí - điện - đạm, chế biến thủy sản. Bên cạnh đó, dân số gia tăng,

kèm theo q trình đơ thị hóa q 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 khơng 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 hố - 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 cơng 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 cơng tác ứng
phó sự cố ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm dầu trên biển nói riêng. Do đó,
tơi 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 mơi trường biển để tìm các
phương pháp tối ưu cho việc xử lý số liệu và tính tốn 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 ơ nhiễm mơi
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, thơng 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 ơ 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 mơ hình hố các hiện tượng vật lý của các đối tượng để đưa
vào các mơ hình tự động hố tính tốn: Các giá trị hàm lượng Chlorophyll-a được
tính tốn 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 tốn
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 tồn diện về ơ nhiễm
mơi trường biển. Ơ 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 cơng trình nghiên cứu vùng ven biển có ứng dụng các
thơng 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
cịn gặp nhiều khó khăn khi gặp thời tiết bất ổn, như trường hợp có bão, áp thấp,
giơng 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 khơng 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 mơi 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 thơng 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 mơ 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 vơ 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 mơ 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 cơng 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 thơng tin khác nhau trong q trình sinh học và vật lý của khí
quyển và trái đất bằng các thơng 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 thơng 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 thơng 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 />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 hơm 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

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 thơng 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 mơ 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


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. Ngồi 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 5o và khoảng cách liên kết là 3082km tương ứng với góc
thiên đỉnh là 64o. Khoảng thu cho chất lượng ảnh tốt nhất là ứng với góc thiên đỉnh
từ 10o đến 60o.
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 cịn 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 khơng 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 hịa tan, phiêu sinh thực vật trong nước biển, khơng khí, đất; và nhiệt độ của
nước.
Vệ tinh AQUA mang 6 bộ cảm biến như sau:

14


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 98.2o. 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: />
15

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 dịng 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.

16


Bảng 1.2 Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS
- Độ cao bay chụp: 705 km
- Thời điểm chụp trong ngày:
Quỹ đạo

1.

+ 10.15 am, descending (TERRA)
+ 1.30 PM, ascending (AQUA)
- Quỹ đạo đồng bộ mặt trời, cận cực

Độ rộng dải chụp

2.

2300 km
- 250 m: kênh 1-2

Độ phân giải không gian tại điểm

3.

- 500 m: kênh 3-7

thiên đế (nadir)

- 1000 m: kênh 8-36

Chu kỳ lặp

4.

16 ngày

Góc nghiêng của mặt phẳng quỹ

5.

98,2 độ

đạo

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

Vệ tinh

quản lý

Ngày hoạt

Độ phân

Số

động/ kết

giải (m)

lượng phổ (nm)

thúc

Khoảng

kênh
phổ

CZCS

OCTS

POLDER-1

MOS

NASA

Nimbus-7

24/10/78-

(USA)

(USA)

22/06/88

NASDA

ADEOS

17/8/96-

(Japan)

(Japan)

01/07/97

CNES

ADEOS

17/8/96-

(France)

(Japan)

01/07/97

DLR

IRS-P3

31/2/96

17

825

6

43312500

700

12

40212500

6000

9

443-910

500

18

408-1600


(German) (India)
SeaWIFS

NASA

Orbview2

01/08/97-

(USA)

(USA)

2004

NEC

ROCSAT-1 02/1999

(Japan)

(Taiwan)

ISRO

IRS-P4

(India)

(India)

MODIS

NASA

Terra

Terra

(USA)

(USA)

(250,500)

OSMI

KARI

KOMPSAT 20/12/99

850

6

400-900

(Korea)

(Korea)

ESA

Envisat

01/03/02

300/1200

15

412-1050

(Europe)

(Europe)

MODIS

NASA

Aqua

04/05/02

1000

34

405-

Aqua

(USA)

CMODIS

CNSA

ShenZou-3

25/03/02-

(China)

(China)

15/09/02

CNSA

HaiYang-1

15/05/02

(China)

(China)

CNSA

HaiYang-1

15/05/02-

(China)

(China)

01/12/03

NASDA

ADEOS-II

14/12/02-

(Japan)

(Japan)

25/10/03

CNES

ADEOS-II

14/12/02-

(France)

(Japan)

25/10/03

OCI

OCM

MERIS

COCTS

CZI

GLI

POLDER-2

1100

8

402-885

825

6

44512500

18/12/99

1000

36

14385

(250,500)
400

405-

14385
34

40312500

1100

10

40212500

18

250

36

37512500

250/1000

36

37512500

6000

9

443-910