Bài báo này áp dụng kỹ thuật xác định độ sâu từ ảnh vệ tinh Landsat-8 để đánh giá sự thay đổi của thông tin độ sâu của đáy biển so với hải đồ ở vịnh Đà Nẵng và quanh cảng Đà Nẵng. Các thí nghiệm được thực hiện đã cho thấy sai số của hiệu chuẩn mô hình, tính bằng mét (RMSE), khoảng 5-10% chiều sâu thực tế và có độ tương quan rất cao tới độ sâu 20 m.
Nghiên cứu - Ứng dụng NGHIÊN CỨU CẬP NHẬT ĐỘ SÂU HẢI ĐỒ BẰNG ẢNH VỆ TINH VIỄN THÁM LANDSAT-8 Ở KHU VỰC CẢNG ĐÀ NẴNG DƯƠNG VÂN PHONG(1), NGUYỄN VĂN VIỆT(2), KHƯƠNG VĂN LONG(3) Đại học Mỏ Địa chất Cơng ty TNHH MTV TVĐ miền Trung (3) Đồn Đo đạc biên vẽ hải đồ Nghiên cứu biển (1) (2) Tóm tắt Hải đồ (Nautical Chart) cơng cụ quan trọng cho hàng hải Tuy nhiên, tính chuẩn xác hải đồ bị ảnh hưởng biến đổi liên tục theo hoạt động người tự nhiên Do đó, việc sử dụng hải đồ cũ để điều hướng hàng hải dẫn đến hậu nghiêm trọng.Mặc dù kỹ thuật sử dụng sóng âm (MBSE) hay sử dụng sóng laser (LiDAR) cung cấp khả đo đạc độ sâu có độ xác cao độ phủ dày đặc, nhiên kỹ thuật đòi hỏi đầu tư cao chi phí khó áp dụng vùng nước nông Bài báo áp dụng kỹ thuật xác định độ sâu từ ảnh vệ tinh Landsat-8 để đánh giá thay đổi thông tin độ sâu đáy biển so với hải đồ vịnh Đà Nẵng quanh cảng Đà Nẵng Các thí nghiệm thực cho thấy sai số hiệu chuẩn mơ hình, tính mét (RMSE), khoảng 5-10% chiều sâu thực tế có độ tương quan cao tới độ sâu 20 m Do đó, phương pháp dùng để đánh giá tương quan mức độ thay đổi địa hình đáy biển từ đưa hiệu chỉnh cập nhật hải đồ cách kịp thời Giới thiệu Hải đồ công cụ quan trọng việc định vị biển, thể độ sâu đáy biển độ cao đất liền, đặc điểm tự nhiên nhân tạo dùng để định vị, thông tin thủy triều dòng chảy, chi tiết từ trường khu vực cơng trình nhân tạo cảng, nhà cầu Tuy nhiên, gia tăng mật độ tàu bè qua lại hoạt động công nghiệp sinh hoạt người dẫn đến thay đổi địa hình đáy biển đường bờ Ngồi ra, với lượng phù sa lớn đổ từ sông làm luồng lạch vào cảng biển bị bồi lấp, làm cho hải đồ khơng cịn xác gây an tồn cho hoạt động hàng hải Từ đặt yêu cầu phải cập nhật đồ độ sâu đáy biển thường xuyên, đặc biệt xung quanh khu vực cảng biển, để có hướng nạo vét khơi thơng luồng hàng hải Hiện để thực công việc này, chủ yếu sử dụng công nghệ đo sâu hồi âm công nghệ quét Laser từ không (Airborne LiDAR Bathymetry) Tuy nhiên cơng nghệ có hạn chế định, đo sâu hồi âm thực khu vực nước sâu nơi thuận tiện cho tàu khảo sát hoạt động, máy móc thiết bị cho đo LiDAR đắt thực vùng nước đục (Ricardo đồng nghiệp., 2015) Ngày nay, với phát triển cơng nghệ vệ tinh, viễn thám xem giải pháp hữu hiệu để giải vấn đề khả bao phủ rộng, chi phí thấp khả cập nhật liên tục (Jagalingam đồng nghiệp., 2015) Theo đó, mục tiêu báo nghiên cứu khả sử dụng ảnh vệ tinh viễn thám để trích xuất độ sâu đáy biển, từ nâng cao khả cập nhật hải đồ Khu vực nghiên cứu tài liệu sử dụng cho nghiên cứu 2.1 Khu vực nghiên cứu Cảng Đà Nẵng cảng biển lớn khu vực Miền Trung Việt Nam điểm cuối “Hành lang kinh tế Đông Tây” kết nối Việt Nam, Lào, Ngày nhận bài: 03/8/2018, ngày chuyển phản biện: 06/8/2018, ngày chấp nhận phản biện: 28/8/2018, ngày chấp nhận ng: 30/8/2018 tạp chí khoa học đo đạc ®å sè 37-9/2018 51 Nghiên cứu - Ứng dụng Myanmar Đơng Bắc Thái Lan Cảng Đà Nẵng có hệ thống giao thông đường nối liền thông suốt cảng với Sân bay quốc tế Đà Nẵng Ga đường sắt; cách Quốc lộ 1A khoảng 12 km gần đường hàng hải quốc tế Năm 2008, cảng Đà Nẵng bốc dỡ 2,7 triệu hàng hóa, 1,2 triệu hàng hóa xuất khẩu, cảng Đà Nẵng điểm đến lý tưởng cho tàu du lịch Ngồi ra, nằm cửa sơng Hàn, nên cảng Đà Nẵng năm nhận lượng lớn vật liệu bồi tụ, yếu tố kể dẫn đến địa hình đáy biển xung quanh cảng có thay đổi lớn theo thời gian Trong nghiên cứu này, hạn chế độ sâu hiệu phương pháp độ phân giải ảnh dùng để khảo sát nên chúng tơi khảo sát tính hiệu mơ hình khu vực có độ sâu 20 m Hình 1: Khu vực nghiên cứu 2.2 Các nguồn tài liệu sử dụng cho nghiên cứu 2.2.1 Ảnh Landsat-8 Chương trình vệ tinh Landsat phát triển Cơ quan Hàng không vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) Cơ quan Đo đạc địa chất Hoa Kỳ (USGS).Vệ tinh phóng đầu tiênvào năm 1972 hệ vệ tinh phát triển Vệ tinh Landsat cung cấp nguồn liệu có độ phân giải trung bình 15-100m cho hoạt động theo dõi thay đổi bề mặt Trái đất, giám sát tài nguyên môi trường, quy hoạch quản lý nông nghiệp, đô thị… Vệ tinh Landsat vệ tinh Landsat-8, phóng năm 2013 Vệ tinh 52 Landsat-8 có cảm biến OLI (Operational Land Imager) cho mục đích theo dõi bề mặt TIRS (Thermal Infrared Sensor) cho thu thập ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat thu nhận ảnh với tổng số 11 kênh phổ, bao gồm kênh sóng ngắn với độ phân giải 15-30m kênh nhiệt sóng dài có độ phân giải 100m Bảng 1: Các kênh ảnh vệ tinh Landsat-8 (Nguồn: https://www.usgs.gov) Trong nghiên cứu này, có kênh ảnh xanh dương (blue), xanh lục (green) cận hồng ngoại (Near Infrared) ảnh Landsat-8 thu nhận vào ngày 23/6/2017 sử dụng Lý hai kênh ảnh xanh dương xanh lục có bước sóng ngắn nên sóng điện từ kênh có khả xuyên qua lớp nước dày kênh khác Hơn kênh xanh lục (525-600 nm) có bước sóng dài kênh xanh dương (450-515 nm) nên xạ (radiance) kênh xanh lục bị suy giảm nhanh truyền qua mơi trường nước qua phân biệt độ nơng sâu vùng nước Ngồi lan truyền sóng điện từ thuộc dãy cận hồng ngoại thấp nên dựa vào kênh ảnh dễ dàng tách biệt đối tượng đất liền đối tượng nước khỏi đối tượng nghiên cứu 2.2.2 Hải đồ Hải đồ mà sử dụng làm đối tượng tham khảo nghiên cứu có số hiệu I200-32 thành lập phương pháp đo sâu hồi âm, xuất năm 2011 Đoàn đo đạc biên vẽ đồ, quân chủng Hải Quân Trước sử dụng hải đồ, cần đưa hải đồ hệ quy chiếu với ảnh vệ tinh mà sử t¹p chí khoa học đo đạc đồ số 37-9/2018 Nghiên cứu - Ứng dụng dụng, cụ thể hệ quy chiếu WGS-84 UTM 49N Hình 2: Hải đồ khu vực nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lượng ánh sáng sau truyền qua tầng nước bị phản xạ đáy nước, chứa thơng tin độ sâu tầng nước đặc điểm vật liệu bề mặt đáy Cho nên để ước tính độ sâu cần tách xạ bề mặt đáy khỏi tổng xạ thu nhận từ vệ tinh (Lt) Dựa nguyên lý Lyzenga (1985) đưa phương pháp tuyến tính để xác định độ sâu Phương pháp dựa hai giả thuyết, đặc điểm tính chất tầng nước đồng nhất, nghĩa hệ số hấp thụ lượng ánh sáng truyền qua môi trường nước (attenuation coefficient) số Thứ hai ánh sáng truyền qua môi trường nước tuân theo “Định luật Beer” nghĩa lượng suy giảm theo độ sâu tuân theo hàm mũ số e biểu diễn công thức sau: 3.1 Tổng quan nghiên cứu Nghiên cứu tiến hành sở giả thuyết ánh sáng bị hấp thụ xuyên qua tầng nước độ sâu mà ánh sáng xuyên qua phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng Trên sở Jensen (2007) giả thuyết xạ (radiance) mà vệ tinh thu nhận hàm yếu tố: xạ bề mặt đáy (Lb), xạ bề mặt nước (Ls), xạ cột nước (Lv), xạ khí (Lp) thể công thức (1) sau đây: Lt = Lb + Lv + Ls + Lp (1) (2) Trong Lw = (Lt – Lp – Ls) xạ thu nhận vệ tinh sau loại trừ ảnh hưởng khí xạ bề mặt nước, L∞ xạ vùng nước sâu, nơi ta giả thuyết xạ mà thu không chứa thông tin bề mặt đáy, g hệ số hấp thụ, z độ sâu Dựa vào cơng thức (2) tính độ sâu công thức sau (3) Phương pháp Lyzenga (1985) tỏ không hiệu xác định độ sâu nơi bề mặt đáy có thay đổi phức tạp Để cải thiện phương pháp này, Stumpf đồng nghiệp (2003) đưa công phức phi tuyến tính để ước tính độ sâu Bằng cách giả thuyết rằng, kênh ảnh có độ hấp thụ cao suy giảm nhanh độ sâu tăng, Stumpf đồng nghiệp nhận thấy tỷ số hai kênh ảnh tương ứng tăng độ sâu tăng Vì vậy, tỷ lệ hai kênh ảnh phụ thuộc vào thay đổi độ sâu phụ thuộc vào thay đổi bề mặt đáy Khi lấy tỷ lệ hai kênh ảnh ta có: Hình 3: Các yếu tố ảnh hưởng đến xác định độ sâu từ ảnh vệ tinh (4) Trong xạ bề mặt đáy (Lb) t¹p chÝ khoa học đo đạc đồ số 37-9/2018 53 Nghiên cứu - Ứng dụng Trong m0, m1 số mơ hình, Lw(Bandi) Lw(Bandj) tương ứng với kênh i j Ở nghiên cứu kênh i tương ứng với kênh xanh dương, j tương ứng với kênh xanh lục Các giá trị m0, m1 tính tốn cách so sánh giá trị từ thuật toán giá trị độ sâu lấy từ hải đồ tương ứng 3.2 Quy trình xử lý số liệu xạ bề mặt Cho nên tín hiệu thu vệ tinh đối tượng bao gồm thông tin phản xạ, tán xạ khí Do cách trừ tín hiệu này, loại trừ ảnh hưởng khí (Chavez, 1988) Sau thực bước hiệu chỉnh tính tốn giá trị độ sâu từ thuật toán cách lấy tỷ số hai kênh ảnh xanh dương xanh lục Hình 5: Độ sâu tính tốn từ thuật tốn Stumpf Hình 4: Quy trình xử lý số liệu Kết thảo luận Dữ liệu vệ tinh mà thu thập bị ảnh hưởng nhiều yếu tố khác nhau, trước xử lý cần hiệu chỉnh yếu tố để nâng cao độ xác việc ước tính độ sâu Quá trình hiệu chỉnh trải qua công đoạn khác lọc không gian, phân tách nước, hiệu chỉnh khí quyển, loại trừ ảnh hưởng bề mặt nước Trong đó, ảnh hưởng khí nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến kết nghiên cứu, làm thơng tin thu nhận bị suy giảm khơng xác Ngun nhân ảnh hưởng khí hấp thụ tán xạ thành phần khí quyển, mà chủ yếu hạt sol khí (aerosol) Có nhiều phương pháp để hạn chế ảnh hưởng khí quyển, nhiên nghiên cứu sử dụng phương pháp đơn giản phương pháp “Trừ đối tượng tối” (Dark Object Subtraction) Bằng cách giả thuyết đối tượng tối ảnh khơng có chứa thơng tin phản 54 Các số mơ hình tính tốn độ sâu m0, m1 tính tốn cách thực thuật tốn hồi quy tuyến tính sử dụng giá trị độ sâu thực tế từ hải đồ Tương ứng với điểm độ sâu hải đồ, giá trị pixel tương ứng thuật tốn thu thập tính tốn Để kiểm nghiệm mơ hình, chúng tơi sử dụng hệ số tương quan (R2), hệ số thể độ phù hợp hai giá trị: độ sâu hải đồ giá trị mơ hình (Xem hình 6) Từ hình (6) nhận thấy hai giá trị độ sâu hải đồ giá trị từ mơ hình có tương quan lớn với (R2= 0.94) khoảng độ sâu từ 0-20 m điều có nghĩa trường hợp này, mơ hình độ sâu dùng để ước tính độ sâu khu vực vịnh Đà Nẵng Ngồi để kiểm tra độ xác kết nghiên cứu, chúng tơi cịn sử dụng số thống kê khác sai số trung phương Lý sử dụng sai số trung phương mà không sử dụng tiêu sai số khác mơ hình chúng tơi giả thuyết giá trị độ sâu trích xuất từ hải đồ l tạp chí khoa học đo đạc đồ sè 37-9/2018 Nghiên cứu - Ứng dụng coi giá trị tin cậy dùng để làm giá trị tham khảo cho mơ hình Hình 6: Biểu đồ tương quan (5) Trong đó: độ sâu ước tính từ mơ hình, yz độ sâu từ hải đồ, N tổng số điểm quan trắc Giá trị Hệ số tương quan R2 Sai số trung phương 0.94 2.35 Ở thấy sai số trung phương kết nghiên cứu lớn RMSE =2.35m, nguyên nhân sai lệch đến từ hạn chế khâu thu thập số liệu Hải đồ mà sử dụng nghiên cứu hải đồ giấy, giá trị độ sâu lấy thủ cơng dẫn đến có khơng tương quan với giá trị mơ hình Điều dễ dàng cải thiện sử dụng hải đồ điện tử có độ phủ cao Một yếu tố góp phần cải thiện đáng kể kết nghiên cứu sử dụng ảnh đầu vào có độ phân giải không gian cao Bằng kết thực nghiệm cho thấy sử dụng ảnh độ phân giải cao kết hợp với liệu LiDAR cho kết độ sâu với sai số RMSE 0,3m Kết luận Việc đánh giá tính cập nhật Hải đồ quan trọng hoạt động hàng hải, xung quanh hải cảng Việc sử dụng viễn thám công tác cập nhật hải đồ cơng nghệ mới, có giá thành rẻ khả cập nhật cao tỏ đặc biệt hiệu vùng nước nông 20m, nơi mà cơng nghệ khác cịn nhiều hạn chế Từ kết cho thấy phương pháp ước tính độ sâu cơng nghệ viễn thám phương pháp cập nhật độ sâu hiệu quả, làm tài liệu tham khảo trước tiến hành công tác đo đạc phương pháp đo sâu xác khác Hơn nữa, số nghiên cứu khác rằng, có liệu đầu vào mơ hình có đủ độ xác liệu ảnh vệ tinh có độ phân giải khơng gian cao Worldview 1,2,3 (0,5m), GeoEye-1 (0.5m), Pleiades-1B (0.5m) liệu cho hiệu chỉnh đảm bảo độ xác liệu đo sâu hồi âm, LiDAR kết ước tính độ sâu dựa ảnh viễn thám dùng cơng tác cập nhật hải đồ.m Tài liệu tham khảo [1] Chavez, P S (1988) “An improved darkobject subtraction technique for atmospheric scattering correction of multispectral data.” Remote Sensing of Environment 24(3): 459-479 [2] Lyzenga, D.R (1985) “Shallow-Water Bathymetry Using Combined Lidar and Passive Multispectral Scanner Data.” International Journal of Remote Sensing, 6, 115-125 http://dx.doi.org/10.1080/01431168508948428 [3] Stumpf, R P (2003) “Determination of water depth with high-resolution satellite imagery over variable bottom types.” Limnol Oceanogr [4] Jensen, J R 2007 “Remote sensing of the environment: An earth resource perspective”, 2nd ed Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall Hình 7: Hải đồ vịnh Đà Nẵng sau hiệu chỉnh [5] Jagalingam, P., et al (2015) “Bathymetry Mapping Using Landsat Satellite Imagery. tạp chí khoa học đo đạc đồ số 37-9/2018 55 Nghiờn cu - Ứng dụng Procedia Engineering 116: 560-566 [6] Ricardo, F.; Shachak, P.; Brian, M.; Yuri, R.; Lee, A., Parrish, C., and Lippmann, T 2015 “Monitoring near-shore bathymetry using a Summary multi-image satellite-derived bathymetry approach” Proceedings of the U.S Hydrographic Conference (US HYDRO) 2015 (Maryland, USA, National Harbor), 7p.m Avaluate the ability updating of nautical chart by using Landsat-8 satellite imagery in Danang bay Duong Van Phong, Nguyen Van Viet, Khuong Van Long Nautical Chart is an important navigational instrument that represents water depth, ground elevation, seafloor characteristics, shoreline characteristics, man-made structures, flow information, tides and other characteristics However, these features can be continuously altered by human activities and natural fluctuations Therefore, using old Nautical Chart days for navigation may lead to serious consequences Furthermore, the accuracy and effectiveness of Nautical Chart must ensure that any navigational access to the port is guaranteed Recently, there are a variety of charting methods, from traditional methods such asMulti-Beam Echo-Sounder (MBES) to modern methods like Light Detection and Ranging (LiDAR).Although both of these techniques provide high accuracy and dense coverage of in-depth measurements, these techniques require high investment costs and are difficult to apply in shallow waters.This article applies to the depths from the Landsat-8 image to assess the effectiveness of ocean charts in Da Nang Bay and around Da Nang Port, Vietnam.The implementation shows Root-mean square error of the standard model, in meters (RMSE), about 10% of the actual depth and also illustrates a very high correlation to the depth of 20m.Therefore, this method can be identified as an efficient and economical way to ensure the accuracy of nautical charts without doing MBES or LiDAR survey in Viet Nam coastal regions.m NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐO (Tiếp theo trang 50) - Có thể sử dụng phương pháp đo cao GPS RTK để tiến hành đo vẽ đồ địa hình đáy biển ven bờ tỷ lệ lớn phục vụ khảo sát thiết kế cơng trình ven biển Phương pháp hiệu đo đạc đồ địa hình đáy biển ven bờ vùng cửa sơng, vùng biển có tượng dịng chảy đối lưu.m Tài liệu tham khảo [1] Bộ Tài nguyên Môi trường (2007), Quy định kỹ thuật thành lập Bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:50.000, ban hành kèm theo Quyết định số 03/2007/QĐ-BTNMT ngày 12 tháng 02 năm 2007, Hà Nội [2] Phan Văn Hiến nnk (2003), Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ GPS trắc địa cơng trình, đề tài NCKH cấp Bộ mã số B200136-23, Hà Nội 56 [3] Phạm Hoàng Lân (1998), Cơ sở Trắc địa biển, Bài giảng cho học viên cao học Trắc địa, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội [4] Vũ Tiến Quang (2002), Công nghệ GPS động khả ứng dụng công tác đo vẽ đồ tỷ lệ lớn Việt Nam, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội [5] Trần Viết Tuấn (2013), Nghiên cứu số giải pháp công nghệ đo vẽ đồ địa hình đáy biển ven bờ phục vụ khảo sát thiết kế cơng trình cảng biển Việt Nam, Tạp chí Khoa học Đo đạc Bản đồ, 2013 [6] Phạm Vọng Thành (2002), Ứng dụng GPS động cơng tác đo vẽ đồ địa hình nước ta, đề tài cấp Bộ Tài nguyên Môi trng, H Ni, 2002.m tạp chí khoa học đo đạc đồ số 37-9/2018 ... Việc đánh giá tính cập nhật Hải đồ quan trọng hoạt động hàng hải, xung quanh hải cảng Việc sử dụng viễn thám công tác cập nhật hải đồ công nghệ mới, có giá thành rẻ khả cập nhật cao tỏ đặc biệt... cần đưa hải đồ hệ quy chiếu với ảnh vệ tinh m chỳng ta s tạp chí khoa học đo đạc đồ số 37-9/2018 Nghiờn cu - ng dụng dụng, cụ thể hệ quy chiếu WGS-84 UTM 49N Hình 2: Hải đồ khu vực nghiên cứu Phương... hàng hải quốc tế Năm 2008, cảng Đà Nẵng bốc dỡ 2,7 triệu hàng hóa, 1,2 triệu hàng hóa xuất khẩu, cảng Đà Nẵng cịn điểm đến lý tưởng cho tàu du lịch Ngoài ra, nằm cửa sông Hàn, nên cảng Đà Nẵng