Viễn thám siêu phổ trong nghiên cứu đại dương – Một thập kỷ mới (p1)

hyperspectral

1. Giới thiệu

Việc ứng dụng viễn thám đa phổ trong nghiên cứu đại dương đã được các nhà hải dương học sử dụng từ rất sớm (đầu những năm 1980s), đạt được những thành tựu lớn [1]. Về cơ bản, viễn thám đa phổ ghi nhận bức xạ phổ của các đối tượng trên bề mặt trái đất ở những băng phổ xác định. Ví dụ, ảnh SeaWiFS (Sea-viewing Wide-Field-of-View Sensor) ghi nhận tại 8 băng phổ từ 402 đến 885 nm (băng thông khoảng 20-40 nm, với các đỉnh sóng lần lượt là 412, 443, 490, 510, 555, 670, 765, và 865 nm). Một bộ cảm siêu phổ có khả năng ghi nhận bức xạ phổ ở dải phổ liên tục với băng thông hẹp hơn. Dải phổ này ít nhất thuộc phần phổ nhìn thấy (trong khoảng 400 nm đến 800nm), hoặc trong trường hợp tốt hơn, từ băng cận tử ngoại (near UV) đến cận hồng ngoại (near IR), với băng thông tối thiểu là 10 nm. Viễn thám siêu phổ đã được áp dụng khoảng 30 năm trở lại đây. Tuy nhiên, mãi cho đến tận 5 năm trở lại đây, khi nhiều hạn chế về trang thiết bị, công nghệ và cả kiến thức về môi trường hải dương được cải thiện đáng kể, công nghệ siêu phổ mới đáp ứng được kỳ vọng từ các nhà hải dược học. Nhiều lĩnh vực được nghiên cứu sâu hơn, như đo đạc đặc tính quang học trong môi trường nước (Inherence Optical Properties: IOPs), đặc tính quang học biểu kiến (Appearance Optical Properties: AOPs, phụ thuộc vào IOPs và cả yếu tố hình học của trường ánh sáng. Mặc dù dữ liệu đa phổ có tỉ lệ tín hiệu/nhiễu cao hơn, dữ liệu siêu phổ đang ngày càng được nâng cao về chất lượng, và chi phí đang ngày càng giảm. Chính vì vậy, nhu cầu chuyển từ việc sử dụng dữ liệu đa phổ sang dữ liệu siêu phổ được xác định là xu hướng chủ đạo trong thời gian tới. Dưới đây, chúng tôi sẽ thảo luận thêm một số khía cạnh quan trọng, giải thích khả năng ứng dụng của dữ liệu siêu phổ trong lĩnh vực môi trường biển.

2. Kĩ thuật phổ

Với một số ít băng phổ được chọn lọc, ảnh đa phổ cung cấp bộ công cụ khá toàn diện trong nghiên cứu môi trường ở các vùng xa bờ, nơi các đặc trưng phổ của nó được đại diện bởi yếu tố Chlorophyll-a. Tuy nhiên, khi những thuật toán này (O’Reilly et al., 1998) được áp dụng cho vùng gần bờ (đầm phá, ven bờ), kết quả ít khả quan, nếu không muốn nói là ít có khả năng sử dụng (Hu et al., 2000; Lee và Carder, 2002). Môi trường vùng ven bờ là một phức hợp phức tạp, bao gồm nhiều thành phần (thực vật phù du, chất hữu cơ hòa tan (CDOM), phần tử lơ lửng) và quá trình tác động từ vùng đất liền; sự thay đổi nhanh chóng về không gian ở vùng bờ do những hoạt động của con người gây nên. Những yếu tố này không những làm môi trường nước trở nên phức tạp hơn, mà còn khiến quá trình hiệu chỉnh khí quyển cũng nan giải hơn. Thuật toán “điểm ảnh đen” (black pixel, Siegel et al., 2000) áp dụng ở vùng xa bờ không còn hữu dụng ở vùng ven bờ, đầm phá cạn, nơi ít khi các điểm ảnh băng cận hồng ngoại bị hấp thụ hoàn toàn. Do vậy, hiệu chỉnh khí quyển cần đến một lượng dữ liệu tương đối đầy đủ về điều kiện khí quyển vào thời điểm thu ảnh, bao gồm hơi nước, các loại hình và mật độ “aerosol”, nồng độ ozone…). Ngoài ra, chúng ta còn cần tính đến đặc điểm cụ thể của vùng hiệu chỉnh, và trong một số trường hợp, các thành phần của môi trường khí quyển thậm chí sẽ khác nhau ngay trong một cảnh chụp. May mắn là, dữ liệu siêu phổ có thể cung cấp đủ thông tin để chúng ta hiệu chỉnh khí quyển một cách hiệu quả, đồng thời giúp phân loại chính xác các loại hình nền đáy khác nhau, nở hoa nước, các đặc điểm IOPs theo độ sâu. Với thông tin từ ảnh siêu phổ, các thuật toán phân loại, giải đoán ảnh sẽ được xây dựng tốt hơn với độ chính xác cao hơn. Nhiều thuật toán sử dụng trong nghiên cứu đại dương được xây dựng từ các mối quan hệ thực nghiệm giữa đặc trưng phổ của vùng nước (ví dụ, nồng độ Chlorophyll-a, đặc điểm IOPs..) và tỉ lệ các băng của bức xạ phản xạ của ảnh (remote sensing reflectance) hoặc bức xạ rời mặt nước (water-leaving radiance) (O’Reilly et al., 1998). Tuy nhiên, độ phân giải phổ của các kết quả thu được từ các thuật toán trên thường bị giới hạn do băng thông của ảnh đa phổ khá hẹp. Phép đo hấp thụ phổ có thể xác định tương đối chính xác nồng độ và sự biến động của các thành phần khác nhau trong môi trường nước: thực vật phù du, CDOM, các chất hữu cơ (Schofield et al.,). Đỉnh hấp thụ của Chlorophyll-a, các thành phần không chứa sắc tố, độ dốc hàm mũ của CDOM và vật chất hữu cơ được phân biệt khá tốt từ dữ liệu phổ hấp thụ bởi hầu hết bộ cảm đa phổ. Tuy nhiên, các nhà hải dương cần nhiều hơn thế. Trong nhiều trường hợp, chúng ta cần xác định đến loài của thực vật phù du, đánh dấu các loại sắc tố ngoài Chlorophyll-a – những dữ liệu không thể phân định rõ từ một số lượng giới hạn băng phổ với băng thông rộng. Với dữ liệu siêu phổ, những phương pháp như tách phổ, “deconvolution”, phân giải Gaussian, phân tích đường cong phổ (so sánh đỉnh và độ dốc, hình dáng của các đường cong phổ khác nhau) có thể được áp dụng để tách riêng các thông tin trên. Những kĩ thuật này thường không được áp dụng cho ảnh đa phổ do các đỉnh phổ và độ dốc của đường cong phổ không được xác định rõ như trong ảnh siêu phổ.

Một điểm khác cần lưu tâm đó là đặc tính tán xạ ngược (backscattering) của thực vật phù du cũng như các phần tử trong môi trường nước. Điều này là quan trọng vì phần phản xạ ở phía trên bề mặt đại dương liên hệ trực tiếp đến tỉ lệ giữa hệ số tán xạ ngược với hệ số hấp thu. Các kết quả đo đạc cho thấy hệ số tán xạ ngược của tế bào tảo không giông với các phần tử khác trong môi trường nước (Bricaud et al., 1983; Stramski et al., 2000). Kết quả đo trong phòng thí nghiệm chỉ rõ một số loài thực vật phù du có đặc điểm tán xạ ngược rất khác nhau giữa các loài được nuôi (Bricaud et al., 1983; Ahn et al., 1992). Trong khi đó, những loài vi sinh vật khác như vi khuẩn, nhóm hình roi cho thấy đặc điểm tán xạ ngược độc lập với bước sóng (Morel và Ahn, 1990, 1991). Những nghiên cứu này và nhiều kết quả mô hình hóa khác (xem thêm Stramski et al., 2001 và các tài liệu tham khảo đi cùng) chỉ rõ rằng quá trình tán xạ ngược có sự khác biệt về đặc điểm phổ và không dễ dàng dự báo cho tất cả các phần tử khác nhau. Do vậy, quá trình tán xạ ngược có thể cung cấp công cụ và dữ liệu hữu ích cho việc xác định đến loài cũng như những đặc điểm chi tiết của các loại hình phần tử khác nhau trong môi trường nước. Điều này sẽ làm nảy sinh nhiều ý tưởng sáng tạo cho quá trình phát triển bộ cảm và thuật toán về tán xạ ngược siêu phổ trong phòng thí nghiệm.

Dịch từ The New Age of Hyperspectral Oceanography bởi Soulextremely

Leave a Reply

Your email address will not be published.