So sánh đặc điểm phổ ảnh Landsat 8 và Sentinel 2

Hiện nay, ảnh đa phổ Landsat 8 và Sentinel 2 là hai cái tên được đặc biệt chú ý trong cộng đồng viễn thám. Lý do rất đơn giản:

  • Ảnh được phân phối miễn phí ở quy mô toàn cầu
  • Hỗ trợ tìm và tải ảnh nhanh, cụ thể
  • Độ phân giải không gian khá cao (Bảng 1), có thể phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau
  • Tần suất bay lặp cao: 2 cảnh 1 tháng đối với ảnh Landsat 8 và 1 cảnh/tháng đối với ảnh Sentinel 2
  • Quy trình xử lý rõ, nhiều bước được tự động hóa. Người sử dụng có thể yêu cầu xử lý đến phản xạ bề mặt (Surface Reflectance) đối với Landsat 8 [3] hoặc chuyển về gía trị phản xạ tại đáy khí quyển (RefBOA) đối với ảnh Sentinel 2 [4].

Bảng 1: Độ phân giải không gian của ảnh Landsat 8 [1] và Sentinel 2 [2]

Landsat 8 Sentinel 2
Độ phân giải không gian
100m Băng 10, 11
60m Băng 1, 9, 10
30m Băng 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9
20m Băng 5, 6, 7, 8a, 11, 12
15m Băng toàn sắc (B8)
10m Băng 2, 3, 4, 8

Một số đặc điểm chung được biểu diễn qua bảng sau (Bảng 2).

Bảng 2. Thông tin chung giữa ảnh Landsat 8 và Sentinel 2

Tham số Sentinel 2 Landsat 8
Đường quét 290 km 185 km
Chu kỳ lặp lại 10 ngày 16 ngày
Trường nhìn 20,6° 15°
Giờ qua xích đạo 10:30 sáng 10:13 sáng
Dải phổ 440-2300 nm 440-2300 nm
Số băng phổ 13 9
Mã hóa dữ liệu 12 bit 12 bit

Landsat 8 và Sentinel 2 có cùng chung dải phổ từ 400nm – 2300nm, tuy vậy, số băng phổ lại khác nhau với 13 băng phổ của ảnh Sentinel 2 so với 9 băng phổ của ảnh Landsat 8. Hình 1 mô tả sự tương đồng về khoảng phổ của hai ảnh. Trong dải phổ này, chỉ có các băng có bước sóng từ 400nm – 900nm là phù hợp cho mục đích lập bản đồ phân bố nguồn tài nguyên dưới nước, tính chuyển các tham số chất lượng nước như hàm lượng các chất hữu cơ màu hòa tan (CDOM), Chl-a, tổng vật chất rắn lơ lửng (TSM), hệ số Kd, độ đục, độ sâu cũng như các loài thực vật sống trôi nổi.

Điều này được giải thích chủ yếu do khả năng đâm xuyên vào môi trường nước của các băng phổ khác nhau. Theo mức năng lượng của chúng thì khả năng bị hấp thụ tăng dần từ bước sóng 400nm đến bi hấp thụ gần như hoàn toàn ở bước sóng 900nm. Băng xanh blue có thể đi sâu tối đa 15m, băng xanh green xuyên được tối đa 10m và chỉ 5m đối với băng đỏ. Từ đó có thể thấy, cả ảnh Landsat 8 và Sentinel 2 đều chứa các băng phổ có bước sóng phù hợp đối với các nhiệm vụ đánh gía biến động nguồn lợi hoặc chất lượng nước vùng ven bờ, đầm phá, sông.

http://landsat.gsfc.nasa.gov/wp-content/uploads/2015/06/Landsat.v.Sentinel-2.pngHình 1. So sánh sự tương đồng về dải phổ giữa ảnh Landsat 8 và Sentinel 2 (http://landsat.gsfc.nasa.gov)

Sự tương đồng này được khẳng định qua nghiên cứu của Emanuele et al. (2016) qua việc tính hệ số tương quan của gía trị phổ giữa các băng 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 8A, 11, 12 (Bảng 3 và Bảng 4).

Bảng 3. Hệ số tương quan gía trị phổ giữa các băng của ảnh Landsat 8 và Sentinel 2

Băng Hệ số tương quan Pearson  (TB±SE)
Sentinel 2 Landsat 8
1 1 0,98808 ± 0,00467
2 2 0,99218 ± 0,003
3 3  0,9951 ± 0,00136
4 4  0,99662 ± 0,0008
8 5  0,9936 ± 0,003
8A 5  0,99752 ± 0,0008
11 6  0,99766 ± 0,0009
12 7  0,99708 ± 0,0012

Giá tri TB±SE được tính lại từ kết qủa của Emanuele et al. (2016) [5].

Bảng 4. Tương quan các chỉ số phổ (NDVI, NDWI, FII) giữa ảnh Lnadsat 8 và Sentinel 2

Chỉ số Hệ số tương quan (TB±SE)
Sentinel 2 Landsat 8
NDVI 4, 8A 4, 5 0,9771 ± 0,01
NDWI 3, 8A 3, 5 0,89 ± 0,047
FII 3, 4, 8A, 12 3, 4, 5, 7 0,944 ± 0,0138

trong đó: NDVI (Nomalised difference vegetation index); NDWI (Normalised differencce water index; FII: Ferrous iron index). Giá tri TB±SE được tính lại từ kết qủa của Emanuele et al. (2016) [5].

Điều này có ý nghĩa gì?

Sự tương đồng về mối quan hệ phổ giữa ảnh Sentinel 2 và Landsat 8 sẽ làm tăng gía trị sử dụng khi kết hợp cả hai nguồn ảnh vào những mục đích sử dụng khác nhau. Bảng 1 và 2 cho thấy khả năng sử dụng chung của hai nguồn ảnh.

Trong một nghiên cứu khác, Marit van Oostende (2015) đã chỉ ra một số điểm rất thú vị về khả năng tính chuyển tham số chất lượng nước từ ảnh Landsat 7, Landsat 8, Sentinel 2 và Sentinel 3. Hình 2, 3 dưới đây chỉ ra sự khác biệt này.

Hình 2. Sai số tính theo phương pháp bình phương nhỏ nhất (RMSE) giữa gía trị OAC (Optically active constitutions: thành phần hoạt hóa quang học) đo trong thực tế với gía trị OAC tính chuyển từ các nguồn ảnh.

Đáng lưu ý là gía trị của ảnh Sentinel 3. RMSE thấp nhất trong các ảnh và thậm chí còn thấp hơn gía trị đo từ máy.

(a)

(b)

(c)

(d)

Hình 3. Biểu đồ phân tán thể hiện mối quan hệ giữa gía trị đo trong thực tế với gía trị tính chuyển từ ảnh: (a) ảnh Sentinel 3; (b) ảnh Sentinel 2; (c) ảnh Landsat 8 và (d) ảnh Landsat 7. Tham số chất lượng nước được dùng để so sánh bao gồm Chl-a, CDOM và NAP (Non Algae Particles). Các kí BDF, BLO, CAR, HUM, và LBG là tên các hồ được dùng để đo và tính chuyển.

Kết qủa cho thấy, ảnh Sentinel 3 có độ chính xác cao nhất. Tuy mới chỉ là nghiên cứu bước đầu nhưng đây là nguồn thông tin rất có giá trị để người nghiên cứu có thể nhanh chóng ứng dụng nguồn ảnh Sentinel 3 hoặc Sentinel 2 cho các lưu vực có diện tích lớn hoặc nhỏ, góp phần nâng cao hiệu qủa ứng dụng ảnh vệ tinh trong công tác quản lý.

Tuy nhiên, công việc này hiện tồn tại một số vấn đề như:

  • Sự khác biệt về độ phân giải không gian giữa băng 8A (Sentinel 2) và băng 5 (ảnh Landsat 8).
  • Quy trình hiệu chỉnh bức xạ của hai nguồn ảnh về cơ bản có sự khác biệt.
  • Mối tương quan tỏ ra khá chặt chẽ giữa các chỉ số nhưn khi số băng phổ tăng lên, hệ số tương quan Pearson có thể giảm xuống (chỉ số FII; biểu đồ Hình 3).
  • Hiệu chỉnh bức xạ ban đầu có vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng đến độ chính xác của kết qủa khi tính chuyển từ các cảnh ảnh khác nhau.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. http://landsat.gsfc.nasa.gov/landsat-8/landsat-8-bands/

2. https://earth.esa.int/web/sentinel/user-guides/sentinel-2-msi

3. https://espa.cr.usgs.gov

4. U.-W. Müller, “Sentinel-2 MSI: Level-2A prototype processor installation and user manual,” Germany, 2016.

5. E. Mandanici and G. Bitelli, “Preliminary Comparison of Sentinel-2 and Landsat 8 Imagery for a Combined Use,” Remote Sens., vol. 8, no. 12, p. 1014, Dec. 2016.

6. Marit van Oostende, Emiel van Loon. Comparison between simulated Landsat-7, Landsat-8, Sentinel-2 and Sentinel-3 satellite data for detecting inland water quality variables. Thesis, 2015.

Bài thực hiện bởi Soulextremely. Yêu cầu dẫn nguồn từ http://oceanrs.com trong trường hợp sử dụng lại bài viết.

Comments are closed.