Báo cáo " ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ THÔNG SỐ QUANG SINH HỌC Ở VỊNH NHA TRANG " docx

HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 116 ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ THÔNG SỐ QUANG SINH HỌC Ở VỊNH NHA TRANG (ESTIMATION OF MARINE BIO-OPTICS IN NHA TRANG BAY) Phan Minh Thụ Viện Hải Dương Học, 01 Cầu Đá, Nha Trang, Khánh Hòa Email: phanminhthu@vnio.org.vn, phanminhthu@gmail.com Abstract: Decision No 09-NQ/TW about strategy of marine economic development for the century XXI orients toward “going the ocean” and “enriched from the sea”. The condition of these processes has to assess generally natural resources and environment in coastal, marine and offshore regions. Remote sensing analysis is an effective tool which can help to recognize and to set up the database of marine natural resources and environment. However, almost remote sensing studies in Vietnam have been targeted to the features in the inland parts, a few works contributed to the features of water parts but these studies lacked of verifying results and calibration. This paper aims to discuss the scientific foundation of remote sensing application and development for assessment of water environment. Additionally, based on data set of light reflectance of water bodies, the paper contributed to assess some marine bio-optic parameters – such as absorption and scattering of phytoplankton, suspended sediment and dissolve organic matter of water. These results took into account of making algorithm model for remote sensing application in the field of environmental water assessment. Keywords: Marine bio-optic, Remote sensing, Nha Trang bay. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Định hướng lớn của Nghị quyết TW 09-NQ/TW trong chiến lược phát triển kinh tế biển trong thế kỷ XXI là “Tiến ra biển lớn” và “làm giàu từ biển”. Để xây dựng kế hoạch chi tiết cho quá trình này, các nhà hoạch định chính sách phải nắm bắt, biết rõ và hiểu một cách tường tận nguồn lợi tự nhiên, thiên nhiên và môi trường. Chính vì vậy, nhiều chương trình điều tra nghiên cứu về nguồn lợi tài nguyên, thiên nhiên và môi trường trong nước và hợp tác với quốc tế đã, đang và sẽ được tiến hành. Một trong những hướng nghiên cứu này là ứng dụng viễn thám trong đánh giá nguồn lợi và môi trường ở vùng biển ven bờ và vùng biển khơi. Nhiều nghiên cứu ứng dụng viễn thám ở Việt Nam đã được tiến hành nhưng hầu hết các nghiên cứu này được tiến hành để xác định hiện trạng đất dùng, và phân b ố các hệ sinh thái trên phần đất liền. Rất ít nghiên cứu được tiến hành trên phần nước (ví dụ: Nguyễn Tác An và cs., 2003; Trần Văn Điền, 2004; Phan Minh Thụ, 2005; Nguyễn Ngọc Thạch và cs., 2010). Tuy nhiên, hầu hết những nghiên cứu này ứng dụng các giải thuật giải đoán ảnh viễn thám được xây dựng từ các dữ liệu nghiên cứu ở nước ngoài. Do đó, khi áp dụng vào vùng nước ở Việt Nam, độ chính xác không cao, đặc biệ t là vùng ven bờ (Trần Văn Điền, 2004b; Yan và cs., 2002). Giá trị của điểm ảnh trên ảnh viễn thám được xác định là hàm của tỷ lệ cường độ ánh sáng đến đối tượng nghiên cứu với cường độ ánh sáng phản xạ lại. Đối với môi trường nước, mối quan hệ này được nghiên cứu và mô tả đầu tiên trong các công trình Gordon và cs., (1975) và Morel & Prieur (1977). Những tác giả này chỉ ra rằng bức xạ ánh sáng khi ra khỏi bề mặt nước có mối tương quan với tỷ lệ hấp thụ với tổng tán xạ ánh sáng của nước. Các HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 117 thông số hấp thụ và tán xạ ánh sáng của các thành phần trong nước gọi là các thông số quang sinh học. Tuy nhiên, những dữ liệu này chưa được nghiên cứu ở vùng biển Việt Nam. Báo cáo sử dụng phân bố lan truyền ánh sáng trong toàn cột nước để xác định các thông số quang sinh học giúp đánh giá một số thông số môi trường có thể xác định được bằng phương pháp giải đoán ảnh viễn thám. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vị trí nghiên cứu và phương pháp thu thập số liệu Hình 1a: Trạm vị nghiên cứu Hình 1b: Máy thu dữ liệu ánh sáng dưới nước PRR2600 Kế hoạch nghiên cứu được tiến hành tại hai mặt cắt với 8 trạm nghiên cứu từ độ sâu 5m đến độ sâu 45m vào tháng 7/2007 thuộc chương trình NF-POGO 2007 (hình 1a). Phân bố ánh sáng trong tầng nước được thu bằng máy PRR2600 (hình 1b) tại các bước sóng 380, 412, 443, 490, 555, 625, 665 nm với các giá trị ánh sáng đi xuống (Ed(λ, z)) và ánh sáng phản xạ đi lên (Lu(λ, z)), cũng như cường độ năng lượng có giá trị cho quang hợp (PAR - photosynthetically active radiation) (Phan Minh Thụ và cs., 2008). Th ời gian khảo sát từ 9 giờ sáng đến 15 giờ để đảm bảo góc tới của ánh sáng nhỏ hơn 30°. Điều này giúp giảm thiểu sai số khi ánh sáng truyền qua 2 môi trường nước và không khí. 2.2. Phương pháp xác định hệ số suy giảm ánh sáng của PAR (K PAR ) Hệ số suy giảm ánh sáng của PAR tại độ sâu z (K PAR (z) – đơn vị tính m -1 ) được xác định theo công thức sau: )1()1( )1(ln)1(ln )( +−− − − + = zz zEdzEd zK PARPAR PAR Trong đó: Ed PAR (z+1) và Ed PAR (z-1) là cường độ của PAR tại độ sâu (z+1) và (z-1)m. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 118 2.3. Phương pháp xác định các thông số quang sinh học Các giá trị đo Ed(λ, z) và Lu(λ, z) tại các bước sóng λ khác nhau có thể được ứng dụng để xác định giá trị r rs (λ) theo công thức sau: Trong đó, Lu(0 - , λ) và Ed(0 - , λ) là giá trị Lu(λ) và Ed(λ) ở ngay dưới mặt nước. Sau khi tính toán r rs (λ), quá trình tính toán tiếp theo được thực hiện theo phương pháp QQA (Lee và cs., 2002) (bảng 1). Bảng 1: Các bước xác định hấp thụ ánh sáng theo phương pháp QQA STT Ký hiệu Công thức Ghi chú: g 0 = 0.0895; g 1 =0.1247; và S g =0.015 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Hệ số suy giảm ánh sáng của PAR Hệ số suy giảm ánh sáng của PAR (K PAR ) đóng vai trò quan trọng không chỉ trong việc sử dụng để xác định năng suất tích phân của toàn cột nước mà còn được sử dụng trong nhiều mô hình sinh thái học như EcoPath, EcoSIM, ECOHAM và ECOSMO. Trong đánh giá năng suất sinh học dựa vào dữ liệu ảnh viễn thám, K PAR được xác định gián tiếp bàng giá trị K 490 . Tuy nhiên, giá trị K PAR thu được tại hiện trường có giá trị để hiệu chỉnh K 490 cũng như áp dụng trong tính toán cho mức độ tin cậy cao hơn. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 119 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 0.05 0.1 0.15 0.2 PAR Depth (m) St1 St2 St3 St4 St5 St6 St7 St8 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 0.1 0.2 0.3 0.4 KPAR Depth (m) St1 St2 St3 St4 St5 St6 St7 St8 Hình 2: PAR (µE m -2 s -1 ) và K PAR (m -1 ) ở vịnh Nha Trang Kết quả nghiên cứu (hình 2) cho thấy trong toàn cột nước, giá trị K PAR biến động mạnh ở tầng nước 0-5m sau đó ổn định và tăng đột biến ở tầng Chlorophyll-a cực đại. Điều này phù hợp với những nghiên cứu của Phan Minh Thụ và Nguyễn Tác An (2005, 2011) về phân bố sắc tố thực vật trong vùng Biển Đông. Giả sử trong môi trường không có chất hữu cơ lơ lửng nhiều, K PAR có thể sử dụng để đánh giá xu thế biến động Chlorophyll-a trong toàn cột nước. Giá trị K PAR tầng 1 m dao động trong khoảng 0,018 - 0,180 m -1 . 3.2. Quang sinh học của nước biển tinh khiết Trong môi trường nước biển, giá trị suy giảm ánh sáng (c) được xác định bằng tổng hấp thụ ánh sáng của các thành phần trong nước (a) và tán xạ ánh sáng (b). Một cách tổng quát: c = a + b Trong đó: a(λ) = a w (λ) + a φ (λ) + a g (λ) và b(λ) = b bp (λ)+b w (λ)*(λ 0 /λ) η ở đây: a w : hấp thụ ánh sáng của nước biển tinh khiết; a φ : hấp thụ ánh sáng của sắc tố thực vật nổi; a g : hấp thụ ánh sáng của chất hữu cơ; b bp : tán xạ ánh sáng của vật chất lơ lửng và b w : tán xạ ánh sáng của nước. Theo Pore & Fry (1977) và Morel (1974), các giá trị hấp thụ ánh sáng và tán xạ ánh sáng của nước biển tinh khiết là không đổi (Hình 3 và 4). Ở vùng ánh sáng hồng ngoại dường như ánh sáng bị hấp thụ toàn bộ bởi nước biển tinh khiết (Hình 4). HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 120 Hình 3: Hấp thụ ánh sáng của nước tinh khiết (a w ) (Theo Pore & Fry, 1997) Hình 4: Suy giảm ánh sáng (c) và tán xạ ánh sáng (b) của nước tinh khiết (Morel, 1974). 3.3. Hấp thụ ánh sáng của các thành phần trong nước biển Dựa vào phương pháp QAA (Lee và cs., 2002), các thành phần quang sinh học biển như hấp thụ ánh sáng và tán xạ ánh sáng ở vịnh Nha Trang được xác định và trình bày ở hình 5, 6 và 7. Hình 5: Giá trị điểm ảnh (Trái) và Tổng hấp thụ ánh sáng của các thành phần trong nước ở vịnh Nha Trang (Phải) So sánh kết quả hình 5, 6 và 7, cho thấy ở vùng ánh sáng bước sóng cao (ánh sáng đỏ), hấp thụ ánh sáng bởi thực vật nổi chi phối toàn bộ giá trị điểm ảnh của ảnh viễn thám. Trong khi đó, ở vùng ánh sáng có bước sóng thấp, hấp thụ ánh sáng của các thành phần hữu cơ hấp thụ màu với tán xạ ánh sáng của vật chất lơ lửng chi phối giá trị điểm ảnh của ảnh viễn thám (hình 6). HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 121 Một đỉnh khác hấp thụ ánh sáng của thực vật nổi được tìm thấy ở vùng ánh sáng có bước sóng từ 412 – 490 nm. Điều đó cho thấy tính đa dạng về thành phần sắc tố trong tầng nước mặt, tương ứng với đa dạng về thành phần loài của thực vật nổi. Tại bước sóng 555nm, ánh sáng không bị hấp thụ bởi thực vật nổi (hình 7). Hình 6: Tán xạ ánh sáng của vật chất lơ lửng Hấp thụ ánh sáng của chất hữu cơ (phải) ở vịnh Nha Trang Riêng đối với dữ liệu tại St2 và St3 (hình 7), tại đỉnh thứ nhất, giá trị a φ cao khác với các trạm khác, đỉnh hấp thụ của nó được xác định ở bước sóng 380nm. Tại thời điểm nghiên cứu, xuất hiện nhiều bào tử của rong mơ tại 2 trạm này. Phải chăng, chính sắc tố của bào từ đã ảnh hưởng đến đặc điểm hấp thụ ánh sáng của thực vật nổi. Hình 5 còn cho thấy, tán xạ ánh sáng vùng nước ít vật chất lơ lửng hơn thường cao hơn. Ngược lại, tại những trạm gần cửa sông hay vùng ven bờ, tán xạ ánh sáng thấp hơn. Tại các trạm này, quá trình hấp thụ ánh sáng chi phối giá trị điểm ảnh của ảnh viễn thám. 4. KẾT LUẬN Đây là nghiên cứu đầu tiên về đánh giá các thông số quang sinh học ở vùng biển Nha Trang nói riêng, vùng biển Việt Nam nói chung. Mặc dù, chưa có những kết quả th ực địa để kiểm chứng các dữ liệu tính toán, nhưng các kết quả nghiên cứu thu được góp phần bổ sung nguồn dữ liệu quang sinh học biển trong cơ sở dữ liệu biển Việt Nam. Thêm vào đó, các kết quả nghiên cứu này cũng là tiền đề để nghiên cứu, xây dựng và hiệu chỉnh các giải thuật giải đoán ảnh viễn thám trong đánh giá chất lượng môi trường nước bằ ng phương pháp viễn thám. Hình 7: Hấp thụ ánh sáng của thực vật nổi HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 122 Lời cảm ơn Hoàn thành nghiên cứu này, tác giả nhận được sự đồng ý của CN. Tống Phước Hoàng Sơn (Điều phối viên dự án NF-POGO 2007) và sự giúp đỡ của Viện Hải Dương Học. Nhân đây,cho phép tác giả gởi lời cảm ơn chân thành đến sự giúp đỡ quý báu đó. Tác giá cũng gởi lời cảm ơn đến ban tổ chức Hội nghị GIS toàn quốc 2011 tạo điều kiện để chúng tôi trao đổi học thuật. Tài liệu tham khảo Gordon, H.R., Brown, O.B. & Jacobs, M.M. (1975). Computed relationship between the inherent and apparent optical properties of a flat homogeneous ocean. Appl. Opt. 14: 417-427. Morel, A. (1974). Optical properties of pure water and pure sea water. In: Optical Aspects of Oceanography. Jerlov, N.G., and Nielsen, E. S. (eds). Academic Press, New York, p. 1-24. Nguyễn Tác An, Tống Phước Hoàng Sơn, Phan Minh Thụ (2003). Ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu phân bố chlorophyll ở Biển Đông, Việt Nam. Hội nghị "Những vần đề nghiên cứu cơ bản trong Khoa học Sự sống 2003", Huế,25-26/7/2003. 548-551. Pope, R.M. & Fry, E.S. (1997). Absorption spectrum (380–700 nm) of pure water. II. Integrating cavity measurements. Appl. Opt. 36, 8710-8723. Phan Minh Thu (2005). Application of remote sensing analysis in assessment of environmental quality in coastal waters of Vietnam: Case study in Cam Ranh Bay. USA-Vietnam Workshop on Water Pollution Prevention Technologies. Ha Noi, November 16-18, 2005. 303-313. Phan Minh Thu, M. E. Schaepman, R. Leemans, Nguyen Tac An, Tong Phuoc Hoang Son, Ngo Manh Tien and Phan Thanh Bac (2008). Water quality assessment in the Nha Trang Bay (Vietnam) by using in-situ and remotely sensed data. The Proceedings of GIS-IDEA 2008 conference, 4-6 Dec 2008, Ha Noi, Vietnam. Phan Minh Thụ, Nguyễn Tác An (2005). Mô hình hóa phân bố hàm lượng Chlorophyll-a của thực vật nổi trong Biển Đông. Hội ngh ị "Những vần đề nghiên cứu cơ bản trong Khoa học Sự sống 2005", Hà Nội, 3/11/2005. 1078-1080. Phan Minh Thụ, Nguyễn Tác An (2011). Mô hình hóa phân bố chlorophyll-a ở vùng biển Nam Trung bộ trong khuôn khổ dự án hợp tác Việt Đức. Tuyển tập báo cáo Hội thảo Quốc tế về "Hợp tác quốc tế trong điều tra, nghiên cứu tài nguyên và môi trường biển". Hà Nội, 15-16/9/2011. 413- 419. (ISBN: 978-604-913-036-6). Tran Văn Dien (2004a). Initial Result of Using Remote Sensing Data for Study Suspended Sediment Distribution in Bach Dang Estuary. The Proceedings of GIS-IDEA2004 conference, Hanoi, Vietnam, 16-18 September 2004. Tran Văn Dien (2004b). Using Remote Sensing Data for Studying Distribution and Seasonal Variation of Chlorophyll-a and Sea Surface Temperature in Gulf of Tonkin. The Proceedings of GIS- IDEA2004 conference, Hanoi, Vietnam, 16-18 September 2004. Yan, B., Stamnes, K., Toratani, M., Li, W., Stamnes, J.J. (2002). Evaluation of a reflectance model used in the SeaWiFS ocean color algorithm: implications for chlorophyll concentration retrievals. Applied Optics 41 (30) p. 6243-6259. . 116 ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ THÔNG SỐ QUANG SINH HỌC Ở VỊNH NHA TRANG (ESTIMATION OF MARINE BIO-OPTICS IN NHA TRANG BAY) Phan Minh Thụ Viện Hải Dương Học, . cứu ở vùng biển Việt Nam. Báo cáo sử dụng phân bố lan truyền ánh sáng trong toàn cột nước để xác định các thông số quang sinh học giúp đánh giá một số thông