IMHEN
Hoạt động nghiệp vụ / Công nghệ viễn thám
Bản đồ trường nhiệt độ bề mặt mặt đất gần thời gian thực bằng ảnh vệ tinh MODIS tỷ lệ 1: 250.000
Thứ ba, 23/02/2016

Việc sử dụng ảnh vệ tinh quang học và hồng ngoại nhiệt sẽ giúp quan trắc trung bình 3 tháng trong năm (4 thời kỳ) trên toàn bộ khu vực Việt Nam. Dựa vào chuỗi số liệu này ta có thể thấy được quy luật, diễn biến của các yếu tố khí tượng, thủy văn (trường nhiệt mặt đất, độ ẩm bề mặt mặt đất và lớp phủ bề mặt).

 

Bộ cảm MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometers) đặt trên vệ tinh TERRA và AQUA cung cấp hàng ngày tư liệu với nhiều kênh phổ (ví dụ đo nhiệt độ bề mặt đất từ kênh 20-22 với bước sóng đo nhiệt trong khoảng 3,66-4,08) được ứng dụng rất rộng rãi, có thể cung cấp thông tin về bề mặt trái đất, có chu kỳ thời gian ngắn hơn và phần phủ mặt đất lớn hơn. Ngoài ra, với tính ưu việt là ước tính được nhiệt độ bề mặt và độ ẩm không khí khá chính xác, đặc biệt là mức độ chi tiết của kết quả được thể hiện trên toàn vùng, hiệu quả hơn so với chỉ số đo tại điểm quan trắc, viễn thám nhiệt có thể được xem là phương pháp thay thế ưu việt cho phương pháp đo đạc truyền thống từ các trạm quan trắc khí tượng hiện nay.

 
 
 
 

Ảnh được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm ảnh MODIS nhiệt độ bề mặt đất, chu kỳ quan sát 8 ngày/lần, độ phân giải không gian 1 km (MODIS/Terra Land Surface Temperature/Emissivity 8-Day L3 Global 1km SIN Grid V005 - MOD11A2) và ảnh MODIS phản xạ bề mặt, chu kỳ quan sát 8 ngày/lần, độ phân giải không gian 250m (MODIS/Terra Surface Reflectance 8-Day L3 Global 250m SIN Grid V005 - MOD09Q1). Tất cả được thu thập từ vệ tinh quan trắc Trái Đất của NASA (website: https://wist.echo.nasa.gov, thời gian truy cập từ tháng 12 năm 2014 đến tháng 10 năm 2015).

Dữ liệu ảnh MODIS sau khi được thu thập sẽ được xử lý theo quy trình kỹ thuật sau đây để xác định nhiệt độ bề mặt:

            - Chuyển đổi định dạng tập tin ảnh: dữ liệu MODIS với định dạng HDF-EOS (Hierarchical Data Format Earth Observing System) được chuyển đổi về định dạng GeoTIFF bằng cách sử dụng phần mềm Envi 4.8.

- Chuyển đổi về hệ quy chiếu phù hợp với vùng nghiên cứu: dữ liệu MODIS với hệ quy chiếu ISIN (Integerized Sinusoidal) được chuyển đổi về hệ quy chiếu UTM (Universal Transverse Mercator) để tương thích với các bản đồ của Việt Nam hiện có.

- Tách lớp dữ liệu chuyên biệt: Dữ liệu ảnh MODIS LST có nhiều lớp dữ liệu (MOD11A2 có 12 lớp) phục vụ cho các mục đích khác nhau. Để tính toán nhiệt độ bề mặt đất, lớp dữ liệu nhiệt độ bề mặt đất ngày/đêm có độ phân giải không gian 1km và độ phân giải bức xạ 16 bit được chiết tách và chuyển sang dữ liệu số (DN-digital numbers) có độ phân giải bức xạ 12 bit.

- Nhân với hệ số quy đổi: hệ số quy đổi (scale factor) được cung cấp từ nhà sản xuất thông qua các thông số kĩ thuật được tính toán dựa trên thực nghiệm sử dụng các thuật toán xác định nhiệt độ từ nhiều phương pháp. Nhiệt độ bề mặt được xác định bằng cách nhân giá trị số DN của ảnh (12 bit) với hệ số quy đổi để có được nhiệt độ Kelvin (0K), sau đó quy đổi về nhiệt độ Celcius (oC).

Hệ số phát xạ bề mặt rất khó có thể đo trực tiếp từ ảnh vệ tinh, nguồn chủ yếu để tính toán đại lượng này là dữ liệu của các kênh hồng ngoại nhiệt (TIR). Về mặt lý thuyết, quá trình tính toán hệ số phát xạ bề mặt tuân theo đúng định nghĩa:

SE (1) ; trong đó: SE là hệ số phát xạ bề mặt; R là phát xạ phổ bề mặt thực tế ở bước sóng các kênh hồng ngoại nhiệt (đơn vị: Wcm-2sr-1mm-1); RB là phát xạ phổ khi giả thiết bề mặt là vật đen tuyệt đối.

Đối với dữ liệu MODIS, các đại lượng của công thức (1) đều được tính toán tự động một cách chính xác và được trung tâm dữ liệu của NASA cung cấp miễn phí dưới dạng dữ liệu thứ cấp cho các hoạt động khoa học. Ngoài ra, dữ liệu LST cũng được chiết xuất từ MOD13A1 để kiểm chứng một cách tương đối độ chính xác của các phương pháp nội suy.

Trước khi nội suy, dữ liệu nhiệt độ phải được chuẩn hóa bằng cách lấy số liệu nhiệt độ ở các trạm chia cho hệ số phát xạ mặt đất ở pixel có cùng vị trí với trạm đo tương ứng. Sau đó, tiến hành phương pháp nội suy Kriging, Cuối cùng, nhân lớp dữ liệu đã nội suy với lớp dữ liệu hệ số phát xạ mặt đất để hoàn tất việc chuẩn hóa nhiệt độ mặt đất bằng hệ số phát xạ.

Bản đồ trường nhiệt độ bề mặt đất thời gian của năm 2015 được thể hiện trên hình 2; trong đó, giá trị nhiệt độ có xu hướng cao tại khu vực miền Trung và miền Nam, thấp hơn tại miền Bắc và dao động trong cả nước như sau:

- Cả năm (12/2014-10/2015): giá trị nhiệt độ từ 19,80C đến 32,50C

- Mùa xuân (3-5/2015): giá trị nhiệt độ từ 13,80C đến 300C

- Mùa hè (6-8/2015):giá trị nhiệt độ từ 21,80C đến 350C

- Mùa thu (9-10/2015):giá trị nhiệt độ từ 19,20C đến 32,30C

               - Mùa đông (12/2014-2/2015): giá trị nhiệt độ từ 10,60C đến 260C