MODIS – Giới thiệu ảnh MODIS và các ứng dụng

Giới thiệu về Ảnh MODIS

MODIS – Máy đo quang phổ hình ảnh có độ phân giải vừa phải (The MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer) là cảm biến gắn trên vệ tinh và được sử dụng để đo quan sát trái đất và khí hậu. Có 02 cảm biến MODIS trên quỹ đạo Trái đất: một trên vệ tinh Terra (EOS AM), được NASA phóng vào năm 1999; và một trên vệ tinh Aqua (EOS PM), được phóng vào năm 2002.

Cảm biến MODIS hiện đã được thay thế bằng VIIRS, được phóng lần đầu tiên vào năm 2011 trên vệ tinh Suomi NPP.

Các thiết bị MODIS được chế tạo bởi Viễn thám Santa Barbara. Chúng được thiết kế để cung cấp các phép đo về động lực quy mô lớn toàn cầu , bao gồm những thay đổi trong độ che phủ của đám mây trên Trái đất, lượng bức xạ và các quá trình xảy ra ở đại dương, trên đất liền và trong tầng khí quyển thấp hơn.

Thông số kỹ thuật và thông tin chính của cảm biến MODIS

Thông tin	Nội dung
Quỹ đạo	705 km, 10:30 sáng theo chiều giảm dần (Terra) hoặc 1:30 chiều theo chiều tăng dần (Aqua), đồng bộ mặt trời, gần cực, tròn
Tốc độ quét	20.3 vòng/phút, theo dõi chéo
Độ phủ	2330 km (ngang) x 10 km (dọc theo đường ray ở điểm thấp nhất)
Kích thước Kính viễn vọng	Đường kính 17.78 cm
Kích thước cảm biến	1.0×1.6×1.0m
Trọng lượng cảm biến	228.7 kg
Công suất	162.5 W (trung bình quỹ đạo đơn)
Tốc độ dữ liệu	10.6 Mbit/s (ban ngày cao điểm); 6.1 Mbit/s (trung bình quỹ đạo)
Lượng tử hóa	Dữ liệu dạng 12 bit
Độ phân giải không gian	3 độ phân giải từ 0.4 μm đến 14.4 μm với 36 dải phổ: + 250 m (băng tần 1–2) + 500 m (băng tần 3–7) + 1000 m (băng tần 8–36) Lưới mô hình hóa khí hậu (CMG – Climate Modeling Grid): + Độ phân giải không gian là 5600 m (0.05 độ) + Bao phủ toàn cầu: 7200 cột và 3600 hàng.
Thời gian cung cấp ảnh	+ Hằng ngày (Daily) + 8 ngày + 16 ngày + 32 ngày + Hằng tháng (Monthly) + Hằng năm (Yearly) + Grid (lưới)
Tuổi thọ thiết kế	6 năm

Hệ thống ô ảnh MODIS – MODIS Tiling Systems

Hầu hết các sản phẩm MODIS Land tiêu chuẩn đều sử dụng hệ thống ngói dạng lưới hình sin.

Ô gạch (Tiling) có kích thước 10 độ x 10 độ ở xích đạo. Hệ tọa độ ô vuông bắt đầu tại (0,0) (số ô ngang, số ô dọc) ở góc trên bên trái và tiến về bên phải (ngang) và đi xuống (theo chiều dọc). Ô ở góc dưới bên phải là (h35,v17).

Để nắm rõ hơn, xem thêm ở phần gọi tên ảnh ở mục “Đọc thêm”.

Các sản phẩm có độ phân giải cao hơn với độ phân giải không gian 250, 500 và 1.000 mét được sắp xếp theo các ô không chồng chéo dựa trên lưới hình sin. Có 460 ô không lấp đầy trên toàn cầu.

Một số ảnh MODIS minh họa

Mặc dù độ phân giải không cao, nhưng với tầm phủ rộng, thời gian quan trắc liên tục và đặc biệt là miễn phí. Do đó ảnh MODIS là nguồn tài liệu tham khảo giá trị cao đối với các nhà khoa học.

Các ứng dụng chính từ ảnh MODIS

Các ứng dụng của ảnh MODIS:

• Theo dõi tình trạng thực vật bằng phương pháp phân tích chuỗi thời gian với các chỉ số thực vật (NDVI)

• Theo dõi mức độ hạn hán dựa dựa trên LST, NDVI, SPI và SVHI.

• Ngập nước do lũ lụt, sông hoặc mực nước biển dâng ở các khu vực ven biển.

Đọc thêm

Nội dung được dịch từ từ nguồn LP DAAC (Link nằm ở mục Nguồn tham khảo).

1. Các kênh ảnh (36 kênh) của Cảm biến MODIS

Band Kênh	Band width (μm) Độ rộng băng tần	Shortwave/Sóng ngắn	Resolution (m) Độ phân giải	Primary use Các dùng thông thường
1	0.620 – 0.670	VIS – Nhìn thấy	250	Land/cloud/aerosols boundaries Ranh giới Mặt đất/Mây/Sol khí
2	0.841 – 0.876	NIR – Cận hồng ngoại	250
3	0.459 – 0.479	VIS – Nhìn thấy	500	Land/cloud/aerosols properties Thuộc tính Mặt đất/Mây/Sol khí
4	0.545 – 0.565	VIS – Nhìn thấy	500
5	1.230 – 1.250	NIR – Cận hồng ngoại	500
6	1.628 – 1.652	Shortwave Infrared/SWIR Hồng ngoại sóng ngắn	500
7	2.105 – 2.155	Shortwave Infrared/SWIR Hồng ngoại sóng ngắn	500
8	0.405 – 0.420	VIS – Nhìn thấy	1000	Ocean color/phytoplankton/ biogeochemistry Màu đại dương/thực vật phù du/ địa hóa sinh học
9	0.438 – 0.448	VIS – Nhìn thấy	1000
10	0.483 – 0.493	VIS – Nhìn thấy	1000
11	0.526 – 0.536	VIS – Nhìn thấy	1000
12	0.546 – 0.556	VIS – Nhìn thấy	1000
13	0.662 – 0.672	VIS – Nhìn thấy	1000
14	0.673 – 0.683	VIS – Nhìn thấy	1000
15	0.743 – 0.753	VIS – Nhìn thấy	1000
16	0.862 – 0.877	NIR – Cận hồng ngoại	1000
17	0.890 – 0.920	NIR – Cận hồng ngoại	1000	Atmospheric water vapor Hơi nước khí quyển
18	0.931 – 0.941	NIR – Cận hồng ngoại	1000
19	0.915 – 0.965	NIR – Cận hồng ngoại	1000
Band Kênh	Band width (μm) Độ rộng băng tần	Longwave/Sóng dài	Resolution (m) Độ phân giải	Primary use Các dùng thông thường
20	3.660–3.840	Thermal Infrared/TIR Hồng ngoại nhiệt	1000	Surface/cloud temperature Nhiệt độ bề mặt/mây
21	3.929–3.989	Thermal Infrared/TIR Hồng ngoại nhiệt	1000
22	3.929–3.989	Thermal Infrared/TIR Hồng ngoại nhiệt	1000
23	4.020–4.080	Thermal Infrared/TIR Hồng ngoại nhiệt	1000
24	4.433–4.498	Thermal Infrared/TIR Hồng ngoại nhiệt	1000	Atmospheric temperature Nhiệt độ khí quyển
25	4.482–4.549	Thermal Infrared/TIR Hồng ngoại nhiệt	1000
26	1.360–1.390	Shortwave/NIR Cận hồng ngoại	1000	Cirrus clouds water vapor Mây hơi nước
27	6.535–6.895	Thermal Infrared/TIR Hồng ngoại nhiệt	1000
28	7.175–7.475	Thermal Infrared/TIR Hồng ngoại nhiệt	1000
29	8.400–8.700	Thermal Infrared/TIR Hồng ngoại nhiệt	1000	Cloud properties Thuộc tính mây
30	9.580–9.880	Thermal Infrared/TIR Hồng ngoại nhiệt	1000	Ozone
31	10.780–11.280	Thermal Infrared/TIR Hồng ngoại nhiệt	1000	Surface/cloud temperature Nhiệt độ bề mặt/mây
32	11.770–12.270	Thermal Infrared/TIR Hồng ngoại nhiệt	1000
33	13.185–13.485	Thermal Infrared/TIR Hồng ngoại nhiệt	1000	Cloud top altitude Độ cao đỉnh mây
34	13.485–13.785	Thermal Infrared/TIR Hồng ngoại nhiệt	1000
35	13.785–14.085	Thermal Infrared/TIR Hồng ngoại nhiệt	1000
36	14.085–14.385	Thermal Infrared/TIR Hồng ngoại nhiệt	1000

2. Cấu trúc tên tệp ảnh MODIS (Nguồn: LP DAAC)

Tên tệp MODIS (tức là ID địa phương cục bộ – i.e., the local granule ID) tuân theo quy ước đặt tên cung cấp thông tin hữu ích về sản phẩm cụ thể. Tên viết tắt của sản phẩm như sau: MOD cho Terra MODIS, MYD cho Aqua MODIS và MCD cho Terra và Aqua MODIS kết hợp.

Ví dụ 1 về sản phẩm swath, tên tệp MOD14.A2023082.0430.061.2023082091705.hdf cho biết:

• MOD14 – Tên viết tắt của sản phẩm Terra MODIS
• A2023082 – Ngày chụp (tính theo ngày Julian) có dạng: A-YYYYDDD
• 0430 – Giờ và Phút Mua Lại (HHMM)
• 061 – Phiên bản sưu tập/lưu trữ
• 2023082091705 – Ngày tạo ảnh, tính theo ngày Julian (YYYYDDDHHMSS)
• .hdf – Định dạng dữ liệu (HDF-EOS).

Ví dụ 2 về sản phẩm Lưới mô hình hóa khí hậu (CMG), tên tệp MYD09CMG.A2023081.061.2023083032243.hdf cho biết:

• MYD09CMG – Tên viết tắt của sản phẩm Aqua MODIS
• A2023081 – Ngày chụp (tính theo ngày Julian) có dạng: A-YYYYDDD
• 061 – Phiên bản sưu tập/lưu trữ
• 2023083032243 – Ngày tạo ảnh, tính theo ngày Julian (YYYYDDDHHMSS)
• .hdf – Định dạng dữ liệu (HDF-EOS)

Ví dụ 3 về sản phẩm liền kề, tên tệp MCD19A2.A2023081.h22v02.061.2023082164002.hdf cho biết:

• MCD19A2 – Tên viết tắt của sản phẩm kết hợp Terra và Aqua MODIS
• A2023081 – Ngày chụp (tính theo ngày Julian) có dạng: A-YYYYDDD
• h22v02 – Mã định danh ô xếp (ngangXXdocYY)
• 061 – Phiên bản sưu tập/lưu trữ
• 2023082164002 – Ngày tạo ảnh, tính theo ngày Julian (YYYYDDDHHMSS)
• .hdf – Định dạng dữ liệu (HDF-EOS)

3. Tên dài của sản phẩm ảnh MODIS (Nguồn: LP DAAC)

Quy ước đặt tên Tên dài của sản phẩm MODIS (tức là Cấp độ bộ sưu tập – i.e., Collection-Level) cung cấp thông tin hữu ích về sản phẩm và cho biết các tệp được liên kết cho tập dữ liệu là swath, lưới ô hình sin hay CMG. Các sản phẩm Swath được tạo ra trong khoảng thời gian 5 phút thu được vệ tinh.

Trong ví dụ này đối với tập dữ liệu swath, tất cả các sản phẩm thuộc bộ sưu tập MODIS/Terra Thermal Anomalies/Fire 5-Minute L2 Swath 1 km V061 đều có các đặc điểm sau:

• MODIS/Terra – Thiết bị/Vệ tinh
• Thermal Anomalies/Fire (Dị thường nhiệt/Lửa) – Thông số địa vật lý
• 5-Minute (5 phút) – Độ phân giải tạm thời
• L2 – Mức xử lý
• Swath – dải quét
• 1 km – Độ phân giải không gian
• V061 – Phiên bản sưu tập/lưu trữ.

Trong ví dụ này về tập dữ liệu CMG, tất cả các sản phẩm thuộc bộ sưu tập MODIS/Aqua Surface Reflectance Daily L3 Global 0,05 Deg CMG V061 đều có các đặc điểm sau

• MODIS/Aqua – Thiết bị/Vệ tinh
• Surface Reflectance (Phản xạ bề mặt) – Thông số địa vật lý
• Daily (Hàng ngày) – Độ phân giải tạm thời
• L3 – Mức xử lý
• Global (Toàn cầu) – Bao phủ toàn cầu
• 0,05 độ – Độ phân giải không gian
• CMG – Lưới mô hình hóa khí hậu
• V061 – Phiên bản sưu tập

Trong ví dụ này đối với tập dữ liệu xếp chồng, tất cả các sản phẩm thuộc bộ sưu tập MODIS/Terra+Aqua Land Aerosol Độ sâu quang học hàng ngày L2G Toàn cầu 1 km SIN Grid V061 có các đặc điểm sau:

• MODIS/Terra+Aqua – Dụng cụ/Vệ tinh
• Land Aerosol Optical Depth (Độ sâu quang học của khí dung đất) – Thông số địa vật lý
• Daily (Hàng ngày) – Độ phân giải tạm thời
• L2G – Cấp độ xử lý
• Global (Toàn cầu) – Bao phủ toàn cầu
• 1 km – Độ phân giải không gian
• SIN Grid (Lưới SIN) – Lưới Hình Sin
• V061 – Phiên bản sưu tập/lưu trữ.

4. Các cấp độ xử lý ảnh MODIS (Nguồn: LP DAAC)

Ảnh MODIS mức độ 1 (Level-1) và các sản phẩm khí quyển, phân phối bởi LAADS (L1 and Atmosphere Archive and Distribution System)

Ảnh MODIS mức độ 2 trở lên (Level-2 to up) được phân phối bởi LP DAAC (Land Processes Distributed Active Archive Center):

• Level-2 (Cấp độ 2): các biến địa vật lý dẫn xuất ở cùng độ phân giải và vị trí với dữ liệu nguồn cấp 1 (sản phẩm quét – Swath)
• Level-2G (Cấp độ 2G): dữ liệu cấp 2 được ánh xạ trên thang lưới không-thời gian thống nhất (Hình sin)
• Level-3 (Cấp độ 3): các biến dạng lưới ở độ phân giải không gian và/hoặc thời gian dẫn xuất
• Level-4 (Cấp độ 4): đầu ra của mô hình hoặc kết quả từ việc phân tích dữ liệu cấp độ thấp hơn

Sản phẩm các phần băng (Cryosphere) được phân phối bởi NSIDC DAAC (National Snow and Ice Data Center Distributed Active Archive Center)

Viễn thám màu và các sản phẩm nhiệt độ bề mặt biển: Ocean color web.

Mô tả xử lý MODIS
Cùng với tất cả dữ liệu từ các thiết bị khác trên nền tảng Terra và Aqua, dữ liệu MODIS được truyền đến các trạm mặt đất ở White Sands, New Mexico, thông qua Hệ thống vệ tinh chuyển tiếp dữ liệu và theo dõi (TDRSS). Sau đó, dữ liệu được gửi đến Hệ thống vận hành và dữ liệu EOS (EDOS) tại Trung tâm bay không gian Goddard.

Sau quá trình xử lý Cấp 0 tại EDOS, Trung tâm Dịch vụ Thông tin và Dữ liệu Khoa học Trái đất Goddard (GES DISC) sản xuất các sản phẩm Cấp 1A, Cấp 1B, định vị địa lý và mặt nạ đám mây.

Các sản phẩm đất và khí quyển MODIS cấp cao hơn được sản xuất bởi Hệ thống xử lý thích ứng MODIS (MODAPS), sau đó được chia thành ba DAAC để phân phối. Các sản phẩm màu đại dương được Hệ thống xử lý dữ liệu màu đại dương (OCDPS) sản xuất và phân phối cho cộng đồng khoa học và ứng dụng.

5. Công cụ và dịch vụ ảnh MODIS (Nguồn: LP DAAC)

Các trang tải ảnh dữ liệu MODIS:

• Data Pool
• Earthdata Search Client
• AppEEARS
• EarthExplorer

Tệp HDF-EOS chứa thông tin cần thiết cho các công cụ và dịch vụ truy cập dữ liệu của NASA. Hầu hết các chương trình phần mềm có thể xử lý tệp HDF tiêu chuẩn đều có thể đọc tệp HDF-EOS. Tuy nhiên, rất khó để một lệnh gọi HDF tiêu chuẩn diễn giải thông tin vị trí địa lý hoặc thời gian của HDF-EOS nếu không có kiến thức sâu hơn về cấu trúc tệp.

Một số công cụ nguồn mở và công cụ bản quyền nhất định có sẵn để sử dụng với các sản phẩm MODIS HDF-EOS và được bao gồm trong danh sách sau:

Công cụ nguồn mở

• QGIS
• Panoply
• HDFView
• Explorer series
• GDAL

Công cụ bản quyền

• ArcMap
• ENVI/IDL
• MATLAB
• Mathematica

==========

Nguồn tham khảo:

• NASA.
• LP DAAC (Land Processes Distributed Active Archive Center), URL: Link truy cập tại đây.
• Trần Văn Thương, Cao Thanh Xuân, Nguyễn Trọng Hiệu, Phan Văn Tuấn, Danh Mởn, “Sử dụng dữ liệu MODIS đa thời gian đánh giá biến động khô hạn tại Tây Nguyên giai đoạn 2001–2020”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 733, 1-14; doi:10.36335/VNJHM.2022(733).1-14.
• Huỳnh Thị Thu Hương, Võ Quang Minh, Lê Anh Tuấn, “Ứng dụng ảnh viễn thám MODIS trong phân vùng canh tác lúa có ảnh hưởng của điều kiện khô hạn và ngập lũ khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long”, Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường: 45 (2016): 52-65, DOI:10.22144/ctu.jvn.2016.511.