Tổng quan về viễn thám (remote sensing) và một số khái niệm cơ bản

Giới thiệu tổng quan

Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và đã trở thành kỹ thuật phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội ở nhiều nước trên thế giới. Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trư­ờng ngày càng gia tăng nhanh chóng không những trong phạm vi Quốc gia, mà cả phạm vi Quốc tế. Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách các phương án lựa chọn có tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Vì vậy viễn thám được sử dụng như là một công nghệ đi đầu rất có ­ưu thế hiện nay.

Từ những năm 60 của thế kỷ 20 với sự xuất hiện của vệ tinh nhân tạo đầu tiên thì kỹ thuật không gian đã có sự phát triển vượt bậc. Vệ tinh là công cụ quan trọng trong nghiên cứu của khoa học hiện đại. Kỹ thuật thám trắc bằng vệ tinh đã phát triển nhanh chóng hình thành lên hệ thống quan trắc khí tượng vệ tinh toàn cầu. Quan trắc trái đất và quan trắc không gian đã bước sang một giai đoạn mới, làm phong phú thêm phạm vi, nội dung quan trắc. Từ quan trắc mang tính cục bộ ở tầng thấp của khí quyển chuyển sang quan trắc cả hệ thống khí quyển. Rất nhiều những yếu tố, những vị trí trong khí quyển và trên trái đất trước đây rất khó quan trắc thì ngày nay với vệ tinh khí tượng đều có thể thực hiện được. Công nghệ viễn thám đã cung cấp rất nhiều số liệu cho các lĩnh vực như: thiên văn, khí tượng, địa chất, địa lý, hải dương, nông nghiệp, lâm nghiệp, quân sự, thông tin, hàng không, vũ trụ...

Nước ta nhiều đồi núi, địa hình phức tạp (độ cao, độ dốc, hướng, khe suối thung lũng…) điều kiện khí tượng, khí hậu, thuỷ văn diễn biến phức tạp. Cùng với sự ấm lên của khí hậu toàn cầu các hiện tượng thời tiết bất thường như hạn hạn, lũ lụt ngày càng gia tăng và mức độ gây tổn hại ngày càng lớn, nhiệt độ tăng cao kết hợp với hạn hán dẫn tới nguy cơ cháy rừng, sự phát sinh phát triển của sâu bệnh đối với mùa màng ngày càng trầm trọng. Vì vậy việc sử dụng các thông tin viễn thám tích hợp với hệ thống thông tin địa lý (GIS) và hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cùng với các quan trắc thu được từ bề mặt sẽ đáp ứng khách quan và đa dạng các thông tin cần thiết phục vụ công tác nghiên cứu giám sát và dự báo khí tượng thuỷ văn, khí tượng nông nghiệp và môi trường mà đặc biệt là phục vụ cho công tác giám sát và cảnh báo tác hại của thiên tai để có các biện pháp phòng tránh và ứng cứu kịp thời.

Với mục đích trên chúng tôi thử nghiệm đưa ra một số kết quả xử lý ảnh vệ tinh TERRA-AQUA với đầu đo MODIS để giám sát một số yếu tố khí tượng thuỷ văn và khí tượng nông nghiệp như: nhiệt độ lớp phủ bề mặt, nhiệt độ mặt nước biển, diễn biến trạng thái sinh trưởng và phát triển của lớp phủ thực vật, tình trạng hạn hán, ngập lụt và cháy rừng trên mạng Internet nhằm cung cấp cho người đọc những thông tin nhanh nhất về những vấn đề mà mỗi người đọc cần quan tâm.

Ảnh viễn thám được xử lý và tích hợp trên các phần mềm hiện đại như ENVI, MATLAB, MAPINFO, ACVIEW... Các sản phẩm được tính toán thông qua các thuật toán đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, EU, Nhật Bản, Trung Quốc... và đã được hiệu chỉnh cho phù hợp với điều kiện Việt Nam. Các kết quả thu được đã được tích hợp với hệ thống thông tin địa lý tạo ra các bản đồ chuyên đề. Ngoài ra các giá trị số của các sản phẩm viễn thám còn được lưu trữ dưới dạng nhị phân rất thuận tiện trong việc khai thác và sử dụng.

Các thông tin viễn thám này là kết quả bước đầu của đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý trong khí tượng thuỷ văn” chủ nhiệm TS. Dương Văn Khảm trưởng phòng Viễn thám và Hệ thống Thông tin Địa lý, Trung tâm ứng dụng Công nghệ mới, Cơ quan chủ trì Viện Khí tượng Thuỷ văn, Cơ quan chủ quản Bộ Tài nguyên và Môi trường.

Giải thích một số khái niệm

-Viễn thám (Remote Sensing RS): là sự thu thập và phân tích thông tin về một đối tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp đến đối tượng. Viễn thám là phương pháp sử dụng bức xạ điện từ như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng.

-Vệ tinh TERRA và AQUA (MODIS): Là hai vệ tinh nghiên cứu môi trường của NASA mang đầu đo quang học là MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer). Độ rộng của cảnh chụp MODIS là 2330 km, gồm 36 băng phổ từ bước sóng 0,4 đến 14 micro mét và độ phân giải không gian là 250m (băng 1, 2), 500m (băng 3 đến băng 7) và 1000m (băng 8 đến băng 36). Các dữ liệu MODIS thường được sử dụng trong công tác theo dõi mây, nghiên cứu chất lượng khí quyển, chỉ số thực vật, nhiệt độ bề mặt lục địa, nhiệt độ mặt nước biển, hạn hán, ngập lụt, cháy rừng...Vệ tinh TERRA và AQUA bay qua lãnh thổ Việt Nam 4 lần trong một ngày vào khoảng 1giờ 30 phút, 10h 30 phút, 13 giờ 30 phút, 20 giờ 30 phút tuỳ theo quỹ đạo bay.

-Nhiệt độ lớp phủ bề mặt (Land surface temperature LST) : Là nhiệt độ được tính toán trên cơ sở sự phát xạ của các đối tượng bề mặt (đất đai, lớp phủ thực vật, bề mặt của nhà cửa…) trên băng nhiệt hồng ngoại,

-Nhiệt độ mặt nước biển (Sea surface temperature SST): Là nhiệt độ được tính toán trên cơ sở sự phát xạ của bề mặt nước biển trên băng nhiệt hồng ngoại, như vậy nhiệt độ mặt nước biển chính là nhiệt độ lớp trên cùng của mặt nước biển.

-Chỉ số thực vật (Normalized vegetation index NDVI): Được tính theo công thức:
NDVI=(IR-R)/(IR+R)
Trong đó IR là giá trị phản xạ ở giải sóng cận hồng ngoại (Near Infrared), R là giá trị phản xạ ở giải sóng đỏ (Red). Chỉ số thực vật được dùng rất rộng rãi để xác định mật độ phân bố của thảm thực vật, đánh giá trạng thái sinh trưởng và phát triển của cây trồng, làm cơ sở số liệu để dự báo sâu bệnh, hạn hán, diện tích, năng suất và sản lượng cây trồng…

-Chỉ số diện tích lá (Leaf Area Index LAI): là tỉ lệ giữa tổng diện tích lá của thực vật trên một đơn vị diện tích đất. Chỉ số LAI thường được dùng để tính tổng sản phẩm quang hợp và tiềm năng năng suất sinh khối của thực vật. Chỉ số LAI còn được dùng để đánh giá trạng thái sinh trưởng của cây trồng...

-Chỉ số nước bề mặt lớp phủ (Land surface water index LSWI): Biểu thị mức độ thay đổi hàm lượng nước của lớp phủ bề mặt. LSWI là một trong những chỉ số để đánh giá mức độ hạn hán của lớp phủ thực vật nói chung và cây trồng nói riêng, được xác định theo công thức:
LSWI=(p860 -p2130)/(p860 + p2130)
Trong đó p860 và p2130 là giá trị bức xạ ở các bước sóng 860 và 2130 nm.

-Điểm cháy rừng (Forest fire): Là điểm mà có nhiệt độ lớn dị thường so với các điểm xung quanh được phát hiện trên một số kênh nhiệt hồng ngoại. Đối với ảnh MODIS để phát hiện điểm cháy thường sử dụng các thuật toán ngưỡng đa kênh ở các kênh nhiệt hồng ngoại với bước sóng 3,95 và 10.80 micro mét.