Phân tích, xử lý ảnh vệ tinh nhiệt độ nước biển từ trong vòng 10 năm từ 1996 đến 2005

Cục Viễn thám quốc gia được giao chủ trì dự án chuyên môn “Điều tra khảo sát, bổ sung, xây dựng bản đồ dị thường động lực các vùng biển Việt Nam phục vụ phát triển kinh tế biển và an ninh quốc phòng” trong đó có hạng mục Phân tích xử lý ảnh vệ tinh nhiệt độ nước biển từ trong vòng 10 năm từ 1996 đến 2005

Phạm vi thu thập và xử lý, phân tích nhiệt độ từ ảnh vệ tinh nhằm phục vụ tính toán và thành lập bản đồ đặc trưng và dị thường động lực cho các vùng biển, hải đảo Việt Nam như hình 1. Như vậy, có 5 vùng biển được tính toán và xây dựng bản đồ đặc trưng và dị thường động lực, đó là: vùng Vịnh Bắc bộ (từ Quảng Ninh đến Hà Tĩnh), vùng từ Quảng Trị đến Quảng Ngãi, vùng từ Bình Định đến Ninh Thuận, vùng từ Bình Thuận đến Cà Mau, vùng từ Cà Mau đến Kiên Giang (thực hiện ở tỷ lệ 1:1.000.000). 

Hình 1: Sơ đồ khu vực thực hiện Phân tích dữ liệu nhiệt độ nước biển từ ảnh vệ tinh trong một tháng

Phạm vi thực hiện Phân tích dữ liệu nhiệt độ nước biển từ ảnh vệ tinh giai đoạn 2006 - 2015 trong một tháng.

Đặc điểm địa hình địa vật và điều kiện tự nhiên. Biển Đông nằm ở phía Tây Thái Bình Dương với 9 quốc gia là Việt Nam, Trung Quốc, Philippines, Indonexia, Bruney, Malayxia, Campuchia, Thái Lan, Singapore. Biển Đông là biển rộng thứ hai trong các biển ven Thái Bình Dương và đứng vào hàng thứ 3 trên thế giới. Biển Đông được bao bọc bởi đảo Đài Loan, quần đảo Philippin ở phía đông; các đảo Inđônêxia (Borneo, Sumatra) và bán đảo Malayxia ở phía nam và đông nam, bán đảo Đông Dương ở phía tây và lục địa nam Trung Hoa ở phía bắc. Biển Đông có khả năng trao đổi nước với các biển và các đại dương lân cận qua các eo biển. Phía tây nam Biển Đông giao lưu với ấn Độ Dương qua eo biển Karimata và eo biển Malaca. Phía bắc và phía đông Biển Đông giao lưu thuận lợi với Thái Bình Dương qua các eo biển sâu rộng như eo biển Đài Loan rộng 100 hải lý, độ sâu nhỏ nhất là 70 m và eo biển Bashi rất sâu, độ sâu nhỏ nhất là 1800 m tạo nên vị trí chiến lược quan trọng trong khu vực (hình 2). 

Hình 2: Vị trí địa lý Biển Đông trên Thái Bình Dương

         Khu vực thi công nằm trên hai vịnh lớn là Vịnh Thái Lan và Vịnh Bắc Bộ. Vịnh Bắc Bộ trải từ 105^o36’E đến 109^o55’E trải dài từ vĩ tuyến 17^oN đến vĩ tuyến 21^oN, diện tích khoảng 160.000 km², chu vi khoảng 1.950 km, trong đó phía bờ Việt Nam là 740 km, chiều dài vịnh là 496 km, nơi rộng nhất là 314 km. Vịnh Bắc Bộ được bao bọc bởi bờ biển miền Bắc Việt Nam ở phía tây, bờ biển Nam Trung Hoa ở phía bắc trong đó có bán đảo Lôi Châu và đảo Hải Nam. Bờ biển khúc khuỷu với khoảng hơn 2.300 hòn đảo lớn nhỏ, tập trung chủ yếu ở phía ven bờ Việt Nam. Đặc biệt đảo Bạch Long Vĩ của Việt Nam nằm khoảng giữavịnh với diện tích 2,5 km² cách bờ biển Việt Nam khoảng 110 km.

Khối nước của Vịnh Bắc Bộ chủ yếu giao lưu với Biển Đông qua cửa phía nam của vịnh rộng chừng 230 km và sâu hơn 100m. Một phần nhỏ nước được trao đổi qua eo biển hẹp (18 km) Quỳnh Châu và không sâu (20 m). Chế độ khí tượng thủy văn của vịnh chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của chế độ gió mùa đông bắc và địa hình nông ven bờ Việt Nam.

Vịnh Thái Lan nằm sâu vào phía bờ tây nam của Biển Đông là kết quả miền địa động học tách giãn, cắt trượt tạo địa hào, dọc kinh tuyến. Bốn quốc gia Việt Nam, Cămpuchia, Thái Lan và Malaisia có bờ biển chung với Vịnh Thái Lan dài khoảng 2.300 km và diện tích 293.000 km². Vịnh có chiều dài lớn nhất là 628 km và là một vịnh nông, nơi sâu nhất là 80 m, trung bình là 60 m, không có nhiều đảo như Vịnh Bắc Bộ, khoảng 165 đảo với 613 km², nhưng lại có nhiều đảo lớn, như đảo Phú Quốc rộng hơn 568 km² là đảo lớn nhất ven bờ Việt Nam.

Các đường biển quốc tế nối liền Nam Á với Đông Bắc Á cũng như nối với châu Mỹ phần lớn đều đi qua biển Đông, vì vậy có thể nói biển Đông là cánh cửa ra Thái Bình Dương. Trong tổng số 10 tuyến đường biển lớn nhất trên thế giới hiện nay, có 5 tuyến đi qua Biển Đông hoặc có liên quan đến Biển Đông. Như vậy, Biển Đông từ lâu đã là nhân tố quan trọng trong chiến lược phát triển không chỉ của các nước xung quanh Biển Đông mà còn của một số cường quốc hàng hải khác trên thế giới. Hàng năm khoảng 70% khối lượng dầu mỏ nhập khẩu từ Trung Đông và Đông Nam Á, khoảng 45% khối lượng hàng hóa xuất khẩu của Nhật Bản và khoảng 60% của Trung quốc được vận chuyển trên các tuyến đường biển qua Biển Đông (hình 3). Ngoài ra, các hoạt động thăm dò và khai thác dầu khí ở Biển Đông là một trong các địa điểm nhộn nhịp nhất trên thế giới. 

Biển và hải đảo Việt Nam chiếm gần 1/3 diện tích biển Đông, có nhiều tài nguyên thiên nhiên quý giá, có vị trí địa kinh tế - chính trị quan trọng ở khu vực và trên thế giới. Không kể chiều dài đường bờ của các đảo, Việt Nam có hơn 3.260 km đường bờ biển kéo dài từ Móng Cái tới Hà Tiên và hơn 3.000 hòn đảo lớn nhỏ, trong đó có hai quần đảo ngoài khơi là Hoàng Sa và Trường Sa. Vùng ven biển có nhiều cửa sông đổ ra biển (cứ 20 km lại có một cửa sông) mang theo một lượng chất dinh dưỡng khổng lồ từ trong lục địa tạo nên hệ sinh thái ven bờ đa dạng và phong phú. Bên cạnh đó, bờ biển nước ta có nhiều vịnh đẹp với những bãi cát dài, phong cảnh sơn thuỷ hữu tình vào loại bậc nhất thế giới, là điều kiện lý tưởng cho du lịch và an dưỡng nghỉ mát.

Hình 3: Các tuyến đường biển trên Biển Đông

           Kết quả điều tra, khảo sát cho thấy tiềm năng tài nguyên biển, hải đảo nước ta khá phong phú và đa dạng, tuy trữ lượng không lớn như một số vùng biển khác trên thế giới, song có ý nghĩa cực kỳ to lớn đối với phát triển kinh tế đất nước. Trong đó, đáng chú ý nhất là tiềm năng dầu mỏ, khí đốt và nguồn sa khoáng biển như thiếc, titan, silicat, diricon đã được phát hiện từ những năm 60 của thế kỷ trước. Sản lượng dầu khí của Việt Nam đạt khoảng trên 300.000 thùng/ngày. Năm 1998 khai thác được 12,6 triệu tấn. Đến giữa năm 1999, Việt Nam đã khai thác được tổng cộng 74,62 triệu tấn, dự kiến sẽ tăng sản lượng lên đến 30 triệu tấn dầu quy đổi/năm vào khoảng năm 2010. Thêm vào đó, gần đây dưới đáy biển nước ta còn phát hiện chứa một khối lượng lớn băng cháy (khí Hydrate), là nguồn năng lượng mới thay thế nguồn năng lượng hóa thạch trong thế kỷ XXI. 

Cục Viễn thám quốc gia xây dựng quy trình công nghệ và giải pháp kỹ thuật phân tích xử lý ảnh vệ tinh nhiệt độ nước biển trong vòng 10 năm từ 1996 đến 2005, Quy trình công nghệ tính toán biến động nhiệt độ bề mặt nước biển vùng biển Việt Nam qua các thời kỳ bằng dữ liệu từ đầu thu MODIS được thực hiện theo các quy trình công nghệ đã công bố của NASA trong tài liệu “MODIS Infrared Sea Surface Temperature Algorithm, Algorithm Theoretical Basis Document Version 2.0”. Quy trình được mô tả trong sơ đồ Hình 4

Các phương pháp và giải pháp kỹ thuật đã áp dụng

- Thu nhận dữ liệu ảnh viễn thám mức L1A theo các tại khu vực và thời gian phục vụ thực hiện dự án. 

- Xác định loại dữ liệu viễn thám và chu kỳ thu nhận để phục vụ thành lập bản đồ chuyên đề. Tùy vào thời điểm của từng chu kỳ, xác định loại ảnh sử dụng để phân tích nhiệt độ  bề mặt biển theo khảo sát dữ liệu như hình 5.

Hình 5: Dữ liệu viễn thám phục vụ tính toán biến động nhiệt độ tại khu vực biển Đông giai đoạn (1996-2016).

Xử lý dữ liệu viễn thám

a) Thành lập bình đồ ảnh vệ tinh

Quá trình này sẽ được thực hiện trên phần mềm Seadas theo các bước sau:

Bước1: Lựa chọn các kênh nắn, nắn chỉnh hình học và đưa về hệ quy chiếu bản đồ thống nhất: (1) Tính toán các thông số hiệu chỉnh hình học, (2) Xử lý ảnh từ mức L1A lên mức L2B, (3) Chuyển đổi về hệ quy chiếu WGS84, (4) Chiết tách kênh phổ tính nhiệt độ gồm các kênh:

Bước 2. Tạo ảnh Composite cho một chu kỳ.

- Một chu kỳ là một tháng, số hiệu chu kỳ sẽ là YYYYMM. Ảnh tổ hợp là ảnh trị trung bình cộng giá trị bức xạ của bề mặt trái đất của từng kênh. Ảnh đặt trong thư mục XYYYYMM_3B. Ảnh được đặt tên là XYYYYMM_IC.tif.

- Kết quả của bước này là dữ liệu ảnh tổ hợp theo chu kỳ dạng geotiff  XYYYYMM_IC.tiff.

b). Hiệu chỉnh khí quyển, bức xạ

Quá trình này sẽ được thực hiện trên phần mềm Seadas theo quy định sau: (1) Từ sản phẩm L1B, module sẽ hiệu chỉnh khí quyển, bức xạ gồm hiệu chỉnh các thông số:  Hiệu chỉnh nhiễu đa tán xạ do sol khí; Hiệu chỉnh bức xạ bị hấp thụ của sol khí; Hiệu chỉnh phân bổ năng suất phản xạ hai chiều;  Hiệu chỉnh hiệu ứng lóa của ánh sáng mặt trời;

c) Tính toán ảnh độ lệch nhiệt độ bề mặt biển giữa các thời kỳ với trị trung bình các thời kỳ.

Quá trình này sẽ được thực hiện trên phần mềm ENVI. Từ bộ dữ liệu ảnh số liệu nhiệt độ theo chu kỳ, tổng hợp các chu kỳ để tính trị trung bình và xác định độ lệch nhiệt giữa các thời kỳ so với trị trung bình. Kết quả là trị độ lệnh nhiệt của từng chu kỳ với giá trị trung bình và được lưu trữ dạng geotiff với tên như sau: XYYYYMM_DT.tif. Giải pháp tổ chức và lưu trữ dữ liệu: Việc tổ chức và lưu trữ dữ liệu rất quan trọng do khối lượng dữ liệu khổng lồ trong suốt 20 năm. Do đó việc tổ chức lưu trữ dữ liệu sẽ được tổ chức theo dạng thư mục như mục biên tập khoa học đã quy định.