Phương pháp xác định nhiệt độ mặt biển từ ảnh MODIS

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 C

PHƯƠNG P H Á P XÁC ĐỊNH N H IỆ T ĐỘ MẶT B IÊ N TỪ ẢNH MODIS

L ạ i A n h K h ô i

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 đ ã 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 x ạ với đặ c đ i ểm

(cường độ và phô') p h ụ t h u ộ c c h ặ t c h ẽ và o n h i ệ t độ v à h ệ s ố p h á t xạ c ủ a đổi tượng

T r o 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 i ên 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

P la nk:

T r o n g dó: C’i = 2hc~ = 1 , 1 9 1 0 4 4 X 10* w / ( m - s t e r c m ');

c 2 = h c / k = 1 ,4 3 8 7 6 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 v ậ t th ể k h ô n g phải là v ậ t đen tu y ệ t đối ta có:

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, k h i bicl tị Ả), n h i ệ t độ củ a dôi t ư ợ n g có t h ổ xác đ ị n h được n h ờ đo bức xạ

ph át ra t ừ ch ú ng T u y n h i ên , do á n h h ư ở n g c ủ a k h í q u y ế n n ê n việc xác đ ị n h n h i ệ t độ c ủ a các clỏi t ư ợ n g nói c h u n g và m ặ t nước nói r i ê n g t ừ vệ t i n h sẽ k h ô n g dơn g i ản n h ư vậy Án h

h ưở n g c ủ a 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 n g h ấ p t h ụ , t á n x ạ c ủ 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 Ngoà i r a dối với các ả n h t h u vào b a n n g ày còn c ẩ n p h á i kè tới a n h h ư ở n g củ a M ặ t tròi

B ằ n g việc t í n h đ ạ o 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 ón g 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:

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 và o 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 à y t h ư ờ n g được c họ n 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 ,

d â y 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 h á i giới h ạ n v ù n g p h ố sử d ụ n g và o h a i c ử 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| i m ( 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 r ộng, 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 bi ên

7 9

L ạ i A n h K h ô i

B ả n g 1 Một số k ê n h phô cua ả n h MODIS

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 n goại 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 ở n g của hơi nước h ơ n (xem h ì n h 1), n h ư n g lại có độ r ộ n g h ẹ p , n ă m n goai r i a v u n g

p h á t xạ cực đại c ủ a các đối t ư ợ n g m ặ t đ ấ t v à v ẫ n còn chị u ả n h h ư ơ n g t ư ơ n 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 đ ạ i c ủ a các đôi t ư ợ n g m ặ t đ â 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 ê n 2

k ê n h là r ấ t k h á c n h a u

H ì n h 1 Hệ số t r u y ề n d ẫ n bức xạ của k h í quyển trong vù n g hồng ngoại n h iệ t

Ký h i ệ u 1LẢ là s a i s ố s ố đo bức x ạ gâ y n ê n bởi k h í q u y ể n , t a có:

I L X = B ; ( T J ■ L ,

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 ứ c 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,J là h à m sô' F l a n k T ư ơ n g t ự ta có t h ể viết:

T h e o đ ị n h l u ậ t P l a n k t a có:

( ô B / õ T ị l ữ '

Đôi VỚI t r ư ờ n g hợp k h í q u y ể n có độ d à y q u a n g học n h ỏ ta có t h ể lấy g ầ n đúng:

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:

l ÕT )

T h a y (6),(7), (8) v à o (4) t a có:

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 h ệ s ô ' p h á t

xạ cua nước t hì T s có t h ô b i ể u di ễn n h ư m ộ t h à m t u y ế n t í n h c ủ a T;\

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:

Điôm đ á n g lưu ý là khi sử d ụ n g các công t hức này, các sai sô' sẽ c h ủ 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 n g hi ê n cửu, c ũ n g n h ư do sự d a o 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 ế n 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 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' li ệu 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 g i ữa s ô' li ệu t í n h t oá n và

sô liệu đo VỚI các t h a m sô k h á c n h a u ( t r ê n cơ sở xây d ự n g các b iể u đồ đôi s á n h giữa các

sai sô và các t h a m sô nà y ) 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 t r 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 d ạ n g :

T s = c, + c 2T 31 + C,(T:,J - T :n) + c4 (see6 - 1) (T 32 - T 3I), (13)

t r o n g đó ớ là góc t h i ê n đ ỉ n h c ủ a t i a q u a n trắc

Ha i 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 ồ n g ngoại xa và chịu

a n h h ư ở 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 /h ỉ) t rong

t r ư ờ n g 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 i a q u a n t rác N g o 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 e m n h ư một chỉ t hị vồ lượng hơi nước t r o 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 ên g cho h a i t r ư ờ n g họp khi h i ệu này <0,7

và >0,7

3 C ô n g t h ứ c t h ự c n g h i ệ m c h o c á c k ê n h t r o n g c ử a 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 o ạ i t r u n g 20 22 v à 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 cong thuc (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 ê n n ă m t r o n g dai bước sóng t ương đoi

n gá n , và c hị u ả n h h ư ờ n g t ư ơ n g đối lớn c ủ a bức xạ m ặ t tròi n ê n kh i p h â n tích sai sô còn

lại [(d) người t a n h ậ n t h ấ y rõ sự dao động c ủ a nó t he o thòi gi an t rong n ă m H à m f(d)

t r on g tr ườ ng hợp n à y được xâ y 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 v i ế t lại t h à n h :

T s = a + b T , + c T 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 gà y t h ứ 173) đối VỐI B á n cầ u Bắc h oặc n g à y đô ng chí (ngày t h ứ 357) đôi VỚI Bán cầu Na m

Ngoà i r a người t a còn n h ậ n t h ấ y sự p h ụ t h u ộc c ủ a sai sô vào vĩ độ c ủ a di êm q u a n

t r á c 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 h o 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 ì n h t í n h t o á n t r ư ờ n g n h i ệ t m ặ t b i ê n

Các t h u ậ t t o á n t r ê n đ ã được t á c giả cụ t h ể h o á t r o n g một c h ươ ng t r ì n h viêt b ă n g

ngôn n g ữ 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 (MODO2 1KM) 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 c h ọ 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 và o 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 e o 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 ắ n k ế t toa

đỏ đị a lý c ủ a h ệ E N V I 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 h í 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

Lưu ý r a n g sô liệu a n h trong file *./;(//' được ghi dưới d ạ n g nănfí lượng bức xạ quy

c huyê n t h a n h so nguyên nê n trước tiên can chuyển ngược vồ s ố liệu đo t hực thc>0 cóng

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 h i ệ t 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

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 ê u 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 c h ư ơ n g t r ì n h h i ện vẫ n

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 H o a Kỳ (NASA) c u n g cấp ( b á 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

8 4

hồng ngoại trung (trong trường hợp không có son khí trong tầng bình lưu)

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

5 Kết l u 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

c ô n g th ứ c t h ự c n g h i ệ m d ù n g x ác đ ịn h n h i ệ t độ b ể m ặ t b iể n từ các tô’ hợp k ê n h k h á c

n h a u c u a a n h vọ t i n h M O D I S ( M o d e r a t e R e s o l u 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 iệ t 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 ơn g

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 I DL 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 LIỆ U 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, P e t er J Minnett, MODIS Infrared Sea Surface Temperature Algorithm - Algorithm Theoretical B asis Document Version 2.0 NASA 1999.

VNU JO U R N A L OF S C IEN C E , N al , Sci , & Tech , T.XXI, N01AP , 2005

SEA SURFACE TEMPERATURE DETERMINATION

BY USING MODIS IMAGE

L a i A n h K h o i

I n s t i t u t e o f Phycics a n d E lec tro n ics

V i e t n a m A c a d e m y o f Science a n d T ech n o lo g y

T h e p a p e r gi ves i n d e t a i l s a d es c r i 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 f r o m M O D I S ( M o d e r at e R e s o l u 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 r a ct i ca l 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 i c a ti o n of t h e d es c r i b ed a l g o r i t h m T h e p r o 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 t s m e n u as

o n e of i ts c o m p o n e n t f u n c t i o ns