Viễn thám siêu phổ trong nghiên cứu đại dương – Một thập kỷ mới (p2)

3.  Một số ví dụ về phân tích dữ liệu siêu phổ

Các kĩ thuật hiện đang được áp dụng với dữ liệu siêu phổ có thể giúp các nhà hải dương học nhận diện và đánh giá chính xác các đặc điểm của vùng bờ; xác định thời điểm và vị trí của các đợt nở hoa nước (Millie et al., 1997; Lohrenz et al., 1999). Hình 1 minh họa phổ hấp thụ thực vật phù du của Karenis brevis – một loài gây ra hiện tượng thủy triều đỏ, được so sánh giữa bộ cảm đa phổ, siêu phổ và mô hình hóa dùng lý thuyết Mie (Mahoney, 2001). Karenis brevis có thể  được xác định nhờ vào sắc tố phụ của nó – Gyroxanthin (một hợp chất “diester”) – có đỉnh hấp thụ phổ đặc trưng ở bước sóng 444 và 469 nm (Örnólfsdóttir et al., 2003). Như có thể thấy ở hình 1, dữ liệu đa phổ thiếu chi tiết về thông tin hấp thụ (do số lượng băng phổ hạn chế). Dữ liệu siêu phổ cho phép phân tích chi tiết hơn, so sánh phổ thực nghiệm từ ảnh với một thư viện phổ đã được xây dựng trước đó. Wood et al. (2002) đã sử dụng những kĩ thuật này và chứng minh các tín hiệu siêu phổ riêng biệt liên quan đến sự nở hoa nước của Synechococcus ở vùng nước trồi và vùng giàu dinh dưỡng ở vịnh California. Cannizzaro et al. (2002) chứng minh có thể sử dụng kĩ thuật đa phổ (ví dụ với ảnh SeaWiFS) để lập bản đồ phân bố cảu loài K.brevis. Tuy nhiên, kĩ thuật của họ chỉ chính xác trong một số điều kiện môi trường nhất định (ví dụ, ở nồng độ thấp của CDOM, chất vẩn lơ lửng, Chlorophyll-a hoặc vùng có đặc tính tán xạ ngược thấp so với hấp thụ).

Cách đây không lâu, kĩ thuật đa phổ được sử dụng hiệu quả để lập bản đồ độ sâu (Philpot, 1989; Maritorena et al., 1994), và gần đây hơn cho việc lập bản đồ các loại nền đáy (xem thêm “Light in Shallow Water” ở tạp chí “Limnology and Oceanography”, 48(2), 2003). Những phân tích này về cơ bản đã cải thiện tính chính xác của các thuật toán thực nghiệm, trong đó giá trị cường độ bức xạ ghi nhận trên ảnh hồi quy với độ sâu của khu vực nghiên cứu. Sự giới hạn về số lượng băng phổ cùng với giả định (bắt buộc phải có), bao gồm sự đồng nhất các đặc điểm môi trường theo chiều đứng của thủy vực, có thể dẫn đến sai số khi hiệu chỉnh cột nước, chuyển tải sai lệch giá trị độ sâu nền đáy, và dẫn đến sai về bản đồ phân bố các loại nền đáy khác nhau. Những hạn chế này có thể được khắc phục tốt hơn khi chúng ta sử dụng dữ liệu siêu phổ (Lee và Carder, 2002 và các tài liệu đi kèm). Hình 2 minh họa phổ phản xạ viễn thám (remote sensing reflectance) cho hai loại thủy vực nước, được tạo bởi “mô hình chuyển bức xạ” Hydrolight (Mobley, 1994). Loại thủy vực 1 sâu 6,5 m, nồng độ Chlorophyll-a và CDOM thấp, nền đáy là hỗn hợp của san hô mềm và Sargassum. Loại thủy vực 2 sâu 13 m, nước trong với một lớp mỏng bọt biển trên nền đáy. Việc sử dụng dữ liệu siêu phổ cho thấy đường cong phổ của hai loại hình thủy vực này khác nhau rõ rệt ở khoảng 500-600 nm. Tuy nhiên, đường cong phổ của hai loại thủy vực trên khá đồng nhất khi sử dụng dữ liệu SeaWiFS. Hình 3 minh họa 122 đường cong phổ phản xạ tạo bởi mô hình Hydrolight cho nhiều bộ dữ liệu khác nhau (9 loại IOPs, 32 loại phản xạ đáy, 22 mức độ sâu trong khoảng 5.5 và 50 m). Các đường phổ này rõ ràng là riêng biệt. Mỗi đường phổ đều có gần chung một tỉ lệ phản xạ viễn thám theo bước sóng: Rrs(490)/Rrs(550) = 1,71 ± 0,01. Tỉ lệ này là 0,59 ± 0,01 nếu sử dụng thuật toán OC2 với ảnh SeaWiFS (Ocean Chlorophyll 2) (O’Reilly et al.,1998, xem thêm http://seawifs.gsfc.nasa.gov/SEAWIFS/RECAL/Repro3/OC4_repro-cess.html). Chúng ta có thể thấy rằng, trong hai loại thủy vực được mô phỏng ở trên, những vùng có IOPs tương ứng với nồng độ Chlorophyll-a thấp (0 – 0,2 mg/l), có đường cong phổ tương tự nhau đối với thuật toán OC2. OC2 thất bại trong trường hợp này vì không tính chuyển được ảnh hưởng của yếu tố nền đáy như trong mô hình Hydrolight.
spectrum1
Hình 1: Phổ hấp thụ của thực vật phù du theo ba phương pháp: đa phổ (ac9),siêu phổ (HiStar), và theo lý thuyết Mie
spectrum2
Hình 2: Dữ liệu mô phỏng giữa mô hình Hydrolight và ảnh SeaWiFS
spectrum3
Hình 3: Đường cong phổ tính chuyển từ bộ dữ liệu kết hợp nhiều đặc điểm môi trường
spectrum4
Hình 4: Phổ hấp thụ của các hợp chất vô cơ
Bên cạnh vùng phổ nhìn thấy, chúng ta còn có thể khai thác vùng phổ cực tím (Ogura và Hanya, 1966) để phân tích nồng độ các chất dinh dưỡng khác trong môi trường vùng bờ. Một trong số đó là hợp chất nitrate, một trong nhiều yếu tố giới hạn sức sản xuất vật chất vô cơ ở nhiều vùng đại dương trên thế giới. Nitrate hòa tan trong nước biển có phổ hấp thụ khá rộng, với tâm bước sóng trong khoảng 210 nm, trùng với khoảng hấp thụ của hợp chất bromide, và ít hơn, với các ion carbonate (hình 4). Vùng kị khí, hợp chất sulphide cũng có phổ hấp thụ quanh bước sóng 220 nm, cũng nhiều hợp chất vô cơ hòa tan khác hấp thụ mạnh nhất ở vùng cực tím. Những nỗ lực ước tính nồng độ nitrate và các hợp chất vô cơ hòa tan trong nước từ dữ liệu đa phổ đã đạt được những thành công bước đầu. Thiết bị đo phổ vùng cực tím In Situ (In Situ UV Spectrometer) cùng kĩ thuật “spectroscopic deconvolution” giúp tăng khả năng đo lường trên (Johnson và Coletti, 2002, hình 4). Các nhà hải dương học giờ đây có thể đo lường nồng độ các muối nitrate, hợp chất vô cơ hòa tan ở cả khía cạnh không gian và đa thời gian. Bản đồ nhiệt độ và độ mặn sẽ giúp tăng khả năng dự báo các quá trình sinh địa hóa ở đại dương.

4. Một số kết luận

Công nghệ siêu phổ cung cấp các phương tiện hữu hiệu giúp các nhà hải dương – quang học phân loại và định lượng các đặc tính của môi trường phức hợp ở vùng bờ (cả trong phòng thí nghiệm và vùng xa bờ): độ sâu, loại nền đáy, các chất vẩn, IOPs theo độ sâu, hợp chất vô cơ hòa tan, phân loại đến loài thực vật phù du. Phổ tán xạ ngược ở độ phân giải cao có thể cung cấp những thông tin rất khác biệt về đặc điểm đến loài của thực vật phù du.

Dữ liệu siêu phổ đóng vai trò ngày càng quan trọng, không chỉ với nhà nghiên cứu mà còn với các nhà phát triển chính sách. Các bộ cảm siêu phổ độ phân giải cao sẽ cung cấp nhiều hơn băng phổ, hỗ trợ nhiều kĩ thuật phân tích hơn, giúp chúng ta hiểu rõ hơn các môi trường có độ phức tạp cao về khía cạnh quang phổ học. Một thời kì mới đang dần mở ra với các nhà hải dương học. Họ sẽ được cung cấp nhiều dữ liệu hơn, thuật toán có độ chính xác cao hơn, và cả trang thiết bị nhỏ gọn, hiện đại hơn rất nhiều.

Tài liệu tham khảo

Ahn, Y.H., Bricaud, A., and A. Morel, 1992: Light backscattering efficiency and related properties of some phytoplankters, Deep-Sea Res., 39, 1835-1855.

Bricaud, A., Morel, A., and L. Prieur, 1983: Optical efficiency factors of some phytoplankters, Limnol.Oceanogr., 28, 816-832.

Cannizzaro, J.P., K.L. Carder, F.R. Chen, and C.A. Heil, 2002: Remote detection of red tide blooms on the west Florida shelf: A novel classifi cation technique, Ocean Optics XVI, CD-ROM.

Hu C., K.L. Carder, and F.E. Muller-Karger, 2000: Atmospheric Correction of SeaWiFS Imagery over Turbid Coastal Waters: A Practical Method, Rem. Sens. Environ., 74(2), 195-206.

Johnson, K.S., and L.J. Coletti, 2002: In situ ultraviolet spectrophotometry for high resolution and longterm monitoring of nitrate, bromide and bisulfi de in the ocean, Deep-Sea Res. I, 49, 1291-1305.

Lee, Z.P., and K.L. Carder, 2002: Effect of spectral band numbers on the retrieval of water column and bottom properties from ocean color data, Appl. Opt., 41, 2191-2201.

Lohrenz, S.E., G.L. Fahnenstiel, G.J. Kirkpatrick, C.L. Carroll, and K.A. Kelly, 1999:

Microphotometric assessment of spectral absorption and its potential application for characterization of harmful algal species, J. Phycol., 35, 1438-1446.

Mahoney, K., 2001: Optical properties of Karenis brevis and implications for remote sensing refl ectance, Ph.D. Dissertation, University of Southern Mississippi.

Maritorena, S., A. Morel, and B. Gentili, 1994: Diffuse reflectance of oceanic shallow waters: Infl uence of water depth and bottom albedo, Limnol. Oceanogr., 39, 1689-1703.

Millie, D.F., O.M. Schofield, G.J. Kirkpatrick, G. Johnsen, P.A. Tester, and B.T. Vinyard, 1997: Detection of harmful algal blooms using photopigments and absorption signatures: A case study of the Florida red tide dinoflagellates, Gymnodinium breve, Limnol.Oceanogr., 42(5, part 2), 1240-1251.

Mobley, C.D., 1994: Light and Water: Radiative Transfer in Natural Waters, Academic Press, San Diego, 592 pp.

Morel, A.,and Y.H. Ahn, 1990: Optical effi ciency factors of free-living marine bacteria: Influence of bacterioplankton upon the optical properties and particulate organic carbon in oceanic waters, J. Mar. Res., 48, 145-175.

Morel, A., and Y.-H. Ahn, 1991: Optics of heterotrophic nanoflagellates and ciliates: A tentative assessment of their scattering role in oceanic waters compared to those of bacterial and algal cells, J. Mar. Res., 49, 177-202.

Ogura, N., and T. Hanya, 1966: Nature of ultra-violet absorption in sea water, Nature, 212, 758-759.

Örnólfsdóttir, E.B., J.L. Pinckney, and P.A. Tester, 2003: Quantification of the relative abundance of the toxic dinofl agellate, Karenia brevis (Dinophyta), using unique photopigments, J. of Phycol., 39(2), 449-457. O’Reilly, J.E., S. Maritorena, B.G. Mitchell, D.A. Siegel,

K.L. Carder, S.A. Garver, M. Kahru, and C. McClain,

1998: Ocean color chlorophyll algorithms for SeaWiFS, J. Geophys. Res., 103(C11), 24,937-24,953.

Philpot, W.D., 1989: Bathymetric mapping with passive multispectral imagery, Appl. Opt., 28, 1569-1578.

Dịch từ The New Age of Hyperspectral Oceanography bởi Soulextremely 

Leave a Reply

Your email address will not be published.