Định lượng ô nhiễm nước mặt tại thành phố hội an dựa trên dữ liệu viễn thám và mô hình học máy

TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ SỐ 52 6/2022 54 Nghiên cứu Ứng dụng 1 ĐỊNH LƯỢNG Ô NHIỄM NƯỚC MẶT TẠI THÀNH PHỐ HỘI AN DỰA TRÊN DỮ LIỆU VIỄN THÁM VÀ MÔ HÌNH HỌC MÁY ĐỖ THỊ NHUNG(1), NGUYỄN THỊ DIỄM[.]

Nghiên cứu - Ứng dụng ĐỊNH LƯỢNG Ô NHIỄM NƯỚC MẶT TẠI THÀNH PHỐ HỘI AN DỰA TRÊN DỮ LIỆU VIỄN THÁM VÀ MƠ HÌNH HỌC MÁY ĐỖ THỊ NHUNG(1), NGUYỄN THỊ DIỄM MY(1), TRẦN QUỐC TUẤN(2) NGHIÊM VĂN TUẤN(3), PHẠM VĂN MẠNH(1) (1) Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội (2) Viện Bảo tồn Di tích, Bộ Văn hóa, Thể thao Du lịch (3) Cục Viễn thám Quốc gia, Bộ Tài ngun Mơi trường Tóm tắt: Tình trạng nước mặt thành phố Hội An phải đối diện với thách thức mức độ ô nhiễm thập kỷ qua Nghiên cứu giới thiệu tích hợp mơ hình học máy với hệ thống suy luận mờ dựa mạng thích ứng (ANFIS), kết hợp với liệu viễn thám quang học radar để ước tính ba thơng số chất lượng nước TSS, COD BOD Hiệu suất mơ hình đánh giá cách sử dụng tham số bao gồm RMSE, R2, MAE Các số dự đoán cung cấp kết đáng kể, với RMSE dao động từ 3,52 mg/l đến 4,59 mg/l, R2 dao động từ 0,69-0,82 MAE dao động từ 2,39 mg/l đến 3,16 mg/l Kết cho thấy, nồng độ ba thông số đánh giá chất lượng nước cao phân bố khu vực Đô thị cổ Hội An, sơng Hồi Phương pháp sử dụng để đánh giá thông số chất lượng nước mặt, nhằm giám sát nhanh tình trạng môi trường nước, cung cấp phương pháp giám sát chất lượng nước mặt, tảng để đưa giải pháp bảo vệ sử dụng nguồn nước thành phố Di sản Từ khóa: Ơ nhiễm nước mặt, Viễn thám, Chất lượng nước, Mơ hình ANFIS, Thành phố Hội An Tính cấp thiết Môi trường nước tự nhiên sở cho phát triển bền vững nguồn lực trực tiếp việc phát triển sử dụng du lịch [1] Trong thời kì hội nhập, thị hóa nhìn nhận q trình, xu hướng trở thành sóng khơng ngừng gia tăng mạnh mẽ [2] Sự suy giảm chất lượng nước sông, hồ mang theo nhiều chất thải gây ô nhiễm môi trường nước mặt Nước mặt tài nguyên cảnh quan quan trọng địa điểm du lịch [3] Do thị hóa hoạt động du lịch, chất lượng nước mặt danh lam thắng cảnh thường bị tổn hại Giám sát chất lượng nước mặt giảm thiểu tác động tiêu cực đến tài nguyên nước đòi hỏi liệu xác, đáng tin cậy phải cập nhật thường xuyên [4], [5] Hiện nay, với việc Ngày nhận bài: 1/5/2022, ngày chuyển phản biện: 5/5/2022, ngày chấp nhận phản biện: 9/5/2022, ngày chấp nhận đăng: 20/5/2022 54 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ SỐ 52-6/2022 Nghiên cứu - Ứng dụng ứng dụng rộng rãi công nghệ viễn thám (RS) hệ thống thông tin địa lý (GIS), nghiên cứu giải từ góc độ không gian thời gian, chẳng hạn lập đồ phân bố tài nguyên nước giám sát mức độ ô nhiễm nước [6], [7] Các phương pháp phát từ xa dựa vào việc đo thay đổi mà tín hiệu phản xạ tán xạ ngược từ môi trường nước liên hệ với thay đổi có chủ ý mơ hình phân tích thực nghiệm với thơng số chất lượng nước Các mơ hình điều tra chất lượng nước nguồn lực hữu hiệu để đánh giá xác định mức độ ô nhiễm, xu hướng chất ô nhiễm, ghi nhận phân bố theo không gian thời gian chất ô nhiễm nước [8] Tiềm việc áp dụng mơ hình học máy kết hợp với liệu viễn thám quang học radar giúp ước tính chất lượng nước mặt, liệu SAR cải thiện giá trị gần cho số vùng nước bề mặt [9] Trong năm gần đây, mở rộng khu vực đô thị ghi nhận toàn thành phố Hội An Sự phát triển mạnh mẽ ngành du lịch-dịch vụ-thương mại công nghiệp hóa, đại hóa Hội An mang lại nhiều giá trị kinh tế nâng cao mức sống người dân Tuy nhiên, du lịch phát triển thiếu kiểm soát chặt chẽ Hội An dẫn đến nguy phát triển theo hướng thiếu bền vững gây nhiều hậu nguy hại đến môi trường, mỹ quan thành phố, đặc biệt vấn đề ô nhiễm nguồn nước mặt [10] Do đó, nghiên cứu thực phân tích định lượng dựa tích hợp mơ hình học máy với hệ thống suy luận mờ dựa mạng thích ứng (ANFIS), kết hợp với liệu viễn thám quang học radar để đánh giá nồng độ thông số chất lượng nước mặt khu vực Khu vực nghiên cứu cách tiếp cận 2.1 Khu vực nghiên cứu Thành phố Hội An (phần đất liền) thuộc tỉnh Quảng Nam có tổng diện tích 6.171,25 nằm vùng cửa sông ven biển, cuối tả ngạn sông Thu Bồn, ôm trọn bờ bắc Cửa Đại, giới hạn từ 15015’26” đến 15055’15” vĩ độ Bắc từ 108017’08” đến 108023’10” kinh độ Đơng (Hình 1) Hình 1: Khu vực nghiên cứu thành phố Hội An phần đất liền vị trí mẫu nước Thành phố Hội An mang đặc điểm chung khí hậu nhiệt đới ẩm, gió mùa Do nằm hạ lưu sông Thu Bồn-hệ thống sông lớn bậc miền Trung, vùng thượng nguồn hệ thống sơng có lượng mưa lớn (3.0004.000 mm/năm) Q trình thị hóa hoạt động du lịch, dịch vụ khiến môi trường tự nhiên khu dân cư Hội An thêm bí Nồng độ số thơng số chất lượng nước đo số điểm quanh khu vực Chùa Cầu, sơng Hồi kênh rạch Cẩm Châu, Cẩm Thanh, vượt giới hạn tiêu chuẩn gấp nhiều lần [10] Khắc phục tình trạng nhiễm môi trường Hội An dù cấp thiết không đơn giản 2.2 Dữ liệu cách tiếp cận 2.2.1 Bộ liệu xử lý ảnh vệ tinh Trong phương pháp chỗ cung cấp liệu xác thời điểm lấy mẫu, thường tốn nhiều cơng sức khơng hiệu thời gian chi phí [11] Hơn nữa, giám sát tồn vùng nước mặt TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ SỐ 52-6/2022 55 Nghiên cứu - Ứng dụng (sông, hồ) từ tập liệu lần/duy khác biệt [12] Do đó, liệu/kỹ thuật khơng gian địa lý cơng cụ định lượng nghiên cứu chất lượng nước [13], sử dụng để đo thông số tổng lượng cặn lơ lửng (TSS), Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), nhu cầu oxy hóa học (COD),… [7], [14], [15], [16], [17], [18] Những nghiên cứu cung cấp sở khoa học phương pháp tính tốn đại giám sát chất lượng nước mặt Do đó, nghiên cứu này, liệu viễn thám sử dụng để tham gia vào mơ hình tính tốn số thông số chất lượng nước (BOD, COD, TSS) khu vực nghiên cứu Các thông số lựa chọn thông số sử dụng phổ biến để phân tích chất lượng nước xác định mức độ phù hợp sử dụng nước theo mức độ chất lượng nước định khác [19] tinh vậy, thông số sau so sánh khả thi Hơn nữa, khơng có liệu tương tự khác cho ngày thay khoảng thời gian lấy mẫu, nên phân tích thực dựa liệu có sẵn Dữ liệu Sentinel-2 đa phổ (Blue, Green, Red, NIR với độ phân giải không gian 10m; Red edge SWIR với độ phân giải không gian 20m) sử dụng nghiên cứu Khu vực thành phố Hội An có độ phủ mây 3% Quy trình xử lý ảnh bao gồm ba phần: (i) hiệu chỉnh đỉnh phản xạ tầng khí quyển; (ii) loại bỏ mây mù ảnh; (iii) chuyển đổi giá trị xạ phản xạ bề mặt Đối với liệu ảnh vệ tinh Sentinel-1 SAR, giai đoạn xử lý ảnh bao gồm, (1) hiệu chuẩn đo tán xạ để chuyển đổi giá trị hình ảnh thơ (DN) sang hệ số tán xạ ngược Radar (sigma naught); (2) sử dụng lọc thích ứng Lee với kích thước cửa sổ (7×7) áp dụng để giảm nhiễu hạt làm mịn hệ số tán xạ ngược liệu; (3) hiệu chỉnh địa hình cách sử dụng liệu mơ hình độ cao độ phân giải không gian 10m để hiệu chỉnh biến dạng hình học Cuối cùng, hai liệu tham chiếu hệ tọa độ VN2000 múi 49 Hai nguồn liệu ảnh vệ tinh sử dụng: (i) Dữ liệu đa phổ Sentinel-2 (ii) liệu Sentinel-1 SAR, thu nhận vào 26/4/2022 khoảng thời gian gần với phép đo lấy mẫu ngồi thực địa tiến hành Mặc dù có khác biệt nhỏ ngày thông số chất lượng nước đo hình ảnh vệ tinh (vì liệu thu thập từ hai nguồn khác nhau), ngày lấy mẫu nước gần với ngày thu nhận ảnh vệ Bảng 1: Các số trích xuất từ liệu viễn thám sử dụng nghiên cứu 56 Chú thích Xanh lam (458 nm-523 nm) GREEN Xanh (543-578 nm) RED Đỏ (650-680 nm) NIR Cận hồng ngoại (785-899 nm) NDWI Chỉ số Nước chênh lệch chuẩn hóa MNDWI Chỉ số Nước chênh lệch chuẩn hóa sửa đổi WRI Chỉ số Tỷ lệ nước AWEInsh Chỉ số Khai thác nước tự động AWEIsh Chỉ số Khai thác nước tự động Các số quang phổ từ Sentinel-2A Sentinel-2A Biến dự đốn BLUE Cơng thức 𝐺𝑅𝐸𝐸𝑁 − 𝑁𝐼𝑅 𝐺𝑅𝐸𝐸𝑁 + 𝑁𝐼𝑅 𝐺𝑅𝐸𝐸𝑁 − 𝑆𝑊𝐼𝑅1 𝑀𝑁𝐷𝑊𝐼 = 𝐺𝑅𝐸𝐸𝑁 + 𝑆𝑊𝐼𝑅1 𝐺𝑅𝐸𝐸𝑁 + 𝑅𝐸𝐷 𝑊𝑅𝐼 = 𝑁𝐼𝑅 + 𝑆𝑊𝐼𝑅1 𝐴𝑊𝐸𝐼𝑛𝑠ℎ = × (𝐺𝑅𝐸𝐸𝑁 − 𝑆𝑊𝐼𝑅1) − (0.25 × 𝑁𝐼𝑅 + 2.75 × 𝑆𝑊𝐼𝑅2) 𝐴𝑊𝐸𝐼𝑠ℎ = 𝐵𝐿𝑈𝐸 + 2.5 ∗ 𝐺𝑅𝐸𝐸𝑁 − 1.5 ∗ (𝑁𝐼𝑅 + 𝑆𝑊𝐼𝑅1) − 0.25 ∗ 𝑆𝑊𝐼𝑅2 𝑁𝐷𝑊𝐼 = TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ SỐ 52-6/2022 Nghiên cứu - Ứng dụng Sentinel-1A Biến dự đốn Chú thích Cơng thức SWI Chỉ số Nước Sentinel-2 𝑆𝑊𝐼 = MBWI VH VV Chỉ số Nước đa kênh phổ Phân cực truyền dọc-nhận ngang (dB) Phân cực truyền dọc-nhận dọc (dB) Sigma𝜃_VH ADDITIONvhvv Chỉ số phân cực tổng (dB) VH+VV AVERAGEvhvv MULTvhvv Chỉ số phân cực trung bình (dB) Chỉ số phân cực tích (dB) (VH+VV)/2 2.2.2 Nguồn phân tích liệu chất lượng nước Tổng cộng có 65 vị trí lấy mẫu nước mặt dọc theo sơng (35 mẫu) hồ (30 mẫu) khu vực nghiên cứu (Hình 1) Các mẫu thu thập vào khoảng thời gian từ ngày 25-27 tháng năm 2022, mẫu nước thu thập mặt nước 0,5 m cách bờ sơng 10 m cách sử dụng bình nhựa có dung tích 500 ml mẫu bảo quản thùng đá lạnh tiến hành phân tích Hình 2: Minh họa vị trí lấy mẫu nước mặt bảo quản mẫu Hội An Các giá trị thông số đánh giá chất lượng nước (BOD, COD TSS) kết phân tích phịng thí nghiệm từ chun gia thuộc Trung Tâm Quan Trắc Môi Trường Hội An cung cấp Giá trị số đánh giá chất lượng nước (BOD, COD TSS) mẫu nước mặt, BOD có giá trị dao động khoảng (20,69- 𝑉𝑅𝐸1 − 𝑆𝑊𝐼𝑅2 𝑉𝑅𝐸1 + 𝑆𝑊𝐼𝑅2 𝑀𝐵𝑊𝐼 = × (𝐺𝑅𝐸𝐸𝑁) − 𝑅𝐸𝐷 − 𝑁𝐼𝑅 − 𝑆𝑊𝐼𝑅1 − 𝑆𝑊𝐼𝑅2 Sigma𝜃_VV VH*VV 43,53 mg/l), COD (25,51-54,53 mg/l) TSS (40,48-87,62 mg/l) Các mẫu chia thành hai phần ngẫu nhiên, 70% số mẫu sử dụng tham gia vào mơ hình tính tốn 30% số mẫu cịn lại sử dụng để kiểm chứng kết mơ hình dự đốn Các mẫu (BOD, COD TSS) sử dụng biến phụ thuộc, biến độc lập chiết tách từ liệu ảnh viễn thám 2.3.2 Mơ hình ước tính thông số chất lượng nước từ liệu viễn thám Hệ thống suy luận mờ dựa mạng thích ứng (ANFIS) sử dụng phổ biến để giải nhiều vấn đề ứng dụng hồi quy đa biến [20] ANFIS kỹ thuật học tập liệu đơn giản sử dụng Logic mờ để chuyển đổi đầu vào cho thành đầu mong muốn thông qua mạng thần kinh kết nối thông tin tính tốn trọng số để ánh xạ đầu vào thành đầu Trong ANFIS, số lượng nút ẩn mạng nơ-ron hệ thống suy luận mờ bao gồm năm lớp cố định (Hình 3) Kiến trúc ANFIS cho mơ hình đa biến với đầu vào gồn 16 biến độc lập (Bảng 1), đầu y cách giả định quy tắc với quy tắc "if-then" mờ hiển thị phương trình (1) p If Zk is Akj then y ( j ) =  j +  jk Z k jk (1) k =1 Trong Zk đầu vào, y ( j ) =  j +  jk Z k jk đầu định p k =1 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ SỐ 52-6/2022 57 Nghiên cứu - Ứng dụng quy tắc mờ;  j , jk tham số tuyến tính; Akj tham số phi tuyến; j=1,2…m; k=1,2…p; ước tính thơng qua số bước mô tả năm lớp sau: Lớp-1: Lớp bao gồm liệu đào tạo với mười sáu biến dự đốn liên quan (như trình bày Bảng 1) Bước sơ bộ, phương pháp phân cụm sử dụng để xác định cụm tối ưu cho tập liệu đào tạo Các đầu Lớp-1 cấp độ thành viên mờ đầu vào viết dạng hàm thành viên theo phương trình (2)  1Z −c jk  Akj ( Z k ) = exp  −  k   a jk       , j = 1, m; k = 1, p   (2) Trong Z đầu vào nút k, cjk tham số vị trí ajk tham số tỷ lệ hàm thành viên Đây tham số tiền đề đưa vào lớp Lớp-2: Trong lớp 2, nút nút cố định gắn nhãn với  , lớp sử dụng toán tử mờ để làm mờ đầu vào thực cấp số nhân đơn giản Đầu lớp biểu diễn dạng phương trình (3) p Wj =   Akj , j = 1, m Lớp-3: Mọi nút lớp thứ ba nút cố định, tính tốn tỷ lệ độ chặt chuẩn hóa điều gắn nhãn N Kết đầu lớp gọi độ chặt chuẩn hóa Đầu biểu diễn theo phương trình (4) Wj = (4) Wj m W j j=1 Lớp-4: Trong lớp 4, nút lớp thích ứng lấy tổng hàm tuyến tính nhân với trọng số chuẩn hóa bước trước Đầu nút tính theo phương trình (5) W j y ( j ) = Wj ( j1Z1 +  j Z2 + +  jp Z p +  j ) (5) Lớp-5: Mỗi nút lớp thứ năm nút cố định bổ sung tất tín hiệu đến gắn nhãn ∑ Đầu tồn mạng tính (6) y =  W j ( j1Z1 +  j Z + +  jp Z p +  j ) m (6) j =1 Khi mơ hình ANFIS theo phương trình (7), việc ước lượng tham số hệ mơ hình ANFIS (  jk ; j=1,2…m; k=1,2…p) sử dụng thuật tốn lọc thích ứng nhằm mục đích giảm bớt sai số (3) k =1 ˆ11 ( w1Z t −1 ) + ˆ12 ( w1Z t −2 ) + +ˆ20 w2 + + ˆ1 p ( w1Z t − p ) + ˆ10 w1 + ˆ21 ( w2 Z t −1 ) + ˆ22 ( w2 Z t −2 ) + + ˆm1 ( wm Z t −1 ) + ˆm ( wm Z t − ) + Khi tham số dự đốn ước tính, tham số độc lập cập nhật cách sử dụng phương pháp truyền ngược lỗi Tất liệu đào tạo qua mạng nơ-ron, để điều chỉnh tham số đầu vào để tìm mối quan hệ đầu vào/ đầu giảm thiểu lỗi 58 + ˆmp ( wm Z t − p ) + ˆm wm = Z t + ˆ2 p ( w2 Z t − p ) (7) Hình 3: Hệ thống suy luận mờ dựa mạng thích ứng (ANFIS) TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ SỐ 52-6/2022 Nghiên cứu - Ứng dụng Nghiên cứu sử dụng 70% liệu mẫu để tham gia trình đào tạo mơ hình lựa chọn số tối ưu ước tính ba thơng số chất lượng nước (BOD, COD TSS); 30% liệu mẫu lại sử dụng để đánh giá hiệu suất mơ hình tính tốn kiểm chứng kết dựa đốn Các thơng số mơ hình học máy tối ưu hóa cách kiểm tra theo chu kỳ với phạm vi tham số kích thước định Phương trình ước tính thơng số chất lượng nước (BOD, COD TSS), tính tốn từ mơ hình ANFIS mơ tả phương trình (TSS), phương trình (COD) phương trình 10 (BOD) TSS = 99.3 − 32.3  MNDWI − 43  AWEI sh + 24.5  AWEI nsh − 11  NDWI + 0.65 VH (8) COD = 31.9 + 42.3  AWEI nsh − 8.8  WRI − 63  AWEI sh − 94  MBWI + 27.9  NDWI (9) −1.78 VV − 19.1  MNDWI + 10.6  SWI − 0.25 VH BOD = 80.65 + 0.12  MULTvhvv + 2.59  VV + 2.26  VH − 25.4  NDWI + 4.38  WRI (10) −4.9  MNDWI − 13.3  AWEI sh Các thông số chất lượng nước (BOD, COD TSS) tính tốn từ mơ hình ANFIS theo phương trình (8), (9) (10), kết hợp với phương pháp Fuzzy- AHP để lập đồ số ô nhiễm nước mặt tiềm liên quan thảo luận phần 2.4 2.3 Đánh giá độ xác Trong mơ hình ANFIS, nghiên cứu sử dụng phương pháp xác nhận chéo k-fold sử dụng để đánh giá hiệu suất mô hình dự đốn, liệu chia ngẫu nhiên 10-fold 10-fold số tối ưu để xác nhận chéo tối ưu [11] Các số hiệu suất mơ hình để hiệu chuẩn xác nhận đánh giá thông qua ước tính Hệ số xác định (R2), Sai số tồn phương trung bình (RMSE) Sai số tuyệt đối trung bình (MAE) Những giá trị xác định mơ hình học máy hiệu với liệu vị trí định Hệ số xác định (R2) sử dụng để xác định tính độc lập biến phương trình n R = 1− (y i =1 n ob i (y i =1 ob i − y pre ) −y ) ob (11) Trong đó, n số mẫu quan sát được; y giá trị quan sát được, giá trị ob i dự đoán yipre ; y ob mức trung bình giá trị quan sát Sai số tồn phương trung bình (RMSE) phản ánh độ xác mơ hình ước tính cách so sánh giá trị dự đoán với liệu quan sát thực tế RMSE tính tốn phương trình n RMSE = (y ob i i =1 − y pre ) (12) n Sai số tuyệt đối trung bình (MAE) cung cấp sai số dự đốn trung bình với điểm số với định hướng tiêu cực MAE thể phương trình 10 n MAE = | y i =1 ob i − yipre | (13) n Để tối ưu hóa việc ước tính thông số chất lượng nước (BOD, COD, TSS), giá trị điều chỉnh học máy với lần lặp lại tách ngẫu nhiên (70% liệu cho đào tạo 30% liệu lại để xác nhận) từ tập liệu gốc Dữ liệu đào tạo (45 mẫu) liệu xác nhận (20 mẫu) tách TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ SỐ 52-6/2022 59 Nghiên cứu - Ứng dụng ngẫu nhiên từ 65 mẫu để đánh giá chất lượng nước từ thông số BOD, COD TSS 2.4 Lập đồ số ô nhiễm nước mặt thành phố Hội An Phương pháp tích hợp q trình phân tích mờ (Fuzzy-AHP) sử dụng để xác định trọng số ba thông số chất lượng nước sử dụng nghiên cứu Phương pháp FuzzyAHP dựa việc đưa trực tiếp lý thuyết tập mờ vào ma trận so sánh theo cặp để đảm bảo tính khách quan xác ba thơng số chất lượng nước Giá trị ba thông số đánh giá chất lượng nước TSS, COD BOD tính tốn từ phương trình (8), (9) (10) Chỉ số mức độ nhiễm nước mặt (SWP) tính tốn theo phương trình (14) kết hợp trọng số từ Fuzzy-AHP Chỉ số sử dụng để đánh giá khác biệt phân bố không gian mức độ ô nhiễm ba thông số SWP = WA  ( BOD) + WB  (COD) + WC  (TSS ) (14) Trong đó: WA, WB WC trọng số BOD, COD TSS Phạm vi không gian SWP trình bày phần Các số phân loại thành năm mức độ giá trị để đánh giá mức độ chất lượng nước dựa thuật toán "Natural Break" ArcGIS Bảng phân ngưỡng giá trị ô nhiễm liên quan đến số chất lượng nước chia thành năm loại: (i) Rất thấp, (ii) Thấp, (iii) Vừa phải, (iv) Cao (v) Rất cao Bảng 2: Mức độ ô nhiễm nước khu vực nghiên cứu TSS COD BOD Phân ngưỡng mức độ ô nhiễm Thấp Vừa phải Cao 55 - 60 60 - 70 70 -85 35 - 45 45 - 60 60 - 80 30 - 35 35 - 45 45 - 55 Rất thấp < 55 < 35 < 30 Kết thảo luận 3.1 Đánh giá mơ hình hiệu suất mơ hình tính tốn thông số chất lượng nước Nghiên cứu sử dụng tổng số 45 mẫu trường để đào tạo mô hình ANFIS để tính tốn thơng số BOD, COD TSS vùng nước mặt, 20 mẫu lại để đánh giá hiệu suất kết dự đốn Kết mơ hình học máy tối ưu hóa với quy trình điều chỉnh cách xác nhận chéo 10 lần theo chu kỳ Dựa kết mơ hình tối ưu hóa, CV-RMSE dao động từ 3,45 mg/l đến 3,61 mg/l, CV-R2 dao động từ 0,73-0,83, CV-MAE dao động từ 2,32 60 Rất cao > 85 > 80 > 55 mg/l đến 2,74 mg/l (Bảng 3) Trong đó, giá trị thông số chất lượng nước (BOD, COD TSS) ước tính từ liệu ảnh viễn thám có giá trị lớn khơng đáng kể so với hiệu suất mơ hình tính tốn Độ xác ước tính cách sử dụng mơ hình học máy với số liệu kết hợp khác tương đối tốt Nhìn chung, số (BOD, COD TSS) có giá trị CV-RMSE, CV-R2 CVMAE chấp nhận Như vậy, phương trình ước tính TSS (8), phương trình ước tính COD (9) phương trình ước tính BOD (10) áp dụng để ước tính thơng số chất lượng nước từ liệu ảnh viễn thám thành phố Hội An TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ SỐ 52-6/2022 Nghiên cứu - Ứng dụng Bảng 3: Hiệu suất mô hình ước tính thơng số chất lượng nước Thơng số chất lượng nước Chỉ số chọn Hiệu suất mô hình Kiểm chứng CV-RMSE CV-R2 CV-MAE RMSE R2 MAE TSS (Tổng chất rắn lơ lửng) MNDWI, AWEIsh, AWEInsh, NDWI, VH 3.45 0.83 2.32 3.52 0.82 2.39 COD (Nhu cầu oxy hóa học) AWEInsh, WRI, AWEIsh, MBWI, NDWI, VV, MNDWI, SWI, VH 3.57 0.81 2.59 4.11 0.79 3.05 BOD (Nhu cầu oxy sinh học) MULTvhvv, VV, VH, NDWI, WRI, MNDWI, AWEIsh 3.61 0.73 2.74 4.59 0.69 3.16 Hình minh họa phân bố không gian nồng độ Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) cao cao chủ yếu số hồ nhỏ trung tâm thành phố, phân bố dọc theo sơng Hồi, số khu vực nuôi trồng thủy sản khu canh tác nông nghiệp Lượng BOD cần thiết để phân hủy chất hữu nước dao động khu vực nghiên cứu dao động từ 20,69-80,08 mg/l Sự phân bố không gian nồng độ COD cao cao phân bố khu vực nước mặt, nồng độ tập trung sông, kênh nước ven sông lớn nơi có mơ hình ni trồng thủy sản (sơng Đế Vọng, sơng Thu Bồn, sơng Hồi) với giá trị dao động từ 25,51-102,86 mg/l Trong đó, phân bố khơng gian nồng độ TSS cao cao dọc theo hai bên bờ sông lớn hồ, ao nước thành phố với tổng lượng cặn lơ lửng từ 40,54-111,85 mg/l Hình 4: Phân bố theo khơng gian BOD (bên trái), COD (trung tâm), TSS (bên trái) 3.2 Bản đồ số ô nhiễm nước mặt năm mức độ: (i) Ô nhiễm thấp (< 35), (ii) thành phố Hội An Ô nhiễm thấp (35-45), (iii) Ô nhiễm vừa phải Từ thông số đánh giá chất lượng nước (45-55), (iv) Ô nhiễm cao (55-70) (v) Ơ tính tốn từ mơ hình, đồ số ô nhiễm cao (> 70) Sự phân bố theo không nhiễm nước mặt xác định kịp thời Quy gian SWP có mức độ nhiễm cao trình phân tích thứ bậc mờ (Fuzzy-AHP) cao khu vực đông dân cư với hoạt sử dụng để xác định trọng số số động kinh doanh khu vực trung tâm chất lượng nước Chỉ số ô nhiễm nước mặt thành phố Vùng ô nhiễm cao 35,52 (xấp (SWP) ước tính giá trị SWP xỉ 2,5%), vùng ô nhiễm cao 59,38 (xấp xỉ theo phương trình (14) Trọng số số 4,18%), vùng nhiễm vừa phải 92,05 (xấp tính cho BOD, COD TSS 0,37; xỉ 6,48%), vùng ô nhiễm thấp 514 (xấp xỉ 0,47; 0,15 với λmax = 3,05, CI = 0,03 CR = 36,2%), vùng ô nhiễm thấp 719,05 0,05