Bài viết Khai thác dữ liệu vệ tinh Jason 2 để quan trắc mực nước hồ chứa nước Phú Ninh, tỉnh Quảng Nam nghiên cứu việc khai thác dữ liệu đo cao mực nước từ vệ tinh Jason-2 (với chu kỳ lặp lại 10 ngày) để đo mực nước tại hồ chứa Phú Ninh.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 39 KHAI THÁC DỮ LIỆU VỆ TINH JASON-2 ĐỂ QUAN TRẮC MỰC NƯỚC HỒ CHỨA NƯỚC PHÚ NINH, TỈNH QUẢNG NAM APPLYING SATELLITE RADAR ALTIMETRY JASON-2 DATA TO MONITOR PHU NINH RESERVOIR WATER LEVEL Phạm Thành Hưng, Nguyễn Chí Công Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; hungptbk@gmail.com Tóm tắt - Quan trắc mực nước hệ thống cơng trình thuỷ lợi đóng vai trị quan trọng việc vận hành hồ chứa nhằm cấp nước kịp thời cho sản xuất Tuy nhiên, phương pháp gặp nhiều khó khăn tầm nhìn bị hạn chế mưa to, gió lớn Trong đó, phương pháp đo tự động có chi phí cao Trong năm gần đây, việc ứng dụng liệu miễn phí vệ tinh đo cao để quan trắc mực nước sông hồ chứa lớn ứng dụng rộng rãi giới Tuy nhiên, phương pháp chưa sử dụng nhiều Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu khai thác liệu đo cao mực nước từ vệ tinh Jason-2 (với chu kỳ lặp lại 10 ngày) để đo mực nước hồ chứa Phú Ninh Kết nghiên cứu cho thấy, mực nước đo đạc dùng vệ tinh Jason-2 từ năm 2008 đến năm 2016 cho kết giống với mực nước thực đo hồ chứa Phú Ninh, với hệ số tương quan tương đối cao R2 = 0,995 Abstract - Water level monitoring in reservoirs play an important role in developing operation rules It is used to manage water supply and flood controls Conventional methods are difficult to measure in flood events, while costs of automatic measurement systems are very high Currently, application of satellite radar altimetry in water level monitoring at large rivers or reservoirs has received increasing attention However, this application is still limited in Vietnam This study aims to explore satellite radar altimetry Jason-2 (10-day) to measure water levels at Phu Ninh Reservoir The results indicate that satellite altimetry-derived water levels have a good agreement with the in-situ water levels at the reservoir (R2=0,995) This reveals a potential application of satellite radar altimetry data to complement the in-situ data in this reservoir Từ khóa - mực nước hồ chứa; Jason-2; vệ tinh đo cao; hồ chứa Phú Ninh; ảnh vệ tinh Landsat TM Key words - Water level; Jason-2; satelilte radar altimetry; Phu Ninh reservoir; Landsat TM Đặt vấn đề Vấn đề quản lý tài nguyên nước tác động biến đổi khí hậu gia tăng dân số ngày trở thành vấn đề thu hút quan tâm giới Một công tác quản lý tài nguyên nước việc xây dựng quy trình vận hành hiệu hồ chứa phục vụ công tác cấp nước điều tiết lũ Để đáp ứng yêu cầu đó, số liệu đo đạc mực nước hồ chứa đóng vai trị quan trọng Hiện nay, mực nước hồ chứa thường đo đạc theo phương pháp truyền thống Tuy nhiên, phương pháp gặp nhiều khó khăn đặc biệt điều kiện thời tiết mưa lũ Trong năm gần đây, số liệu đo cao vệ tinh (satellite radar altimetry) áp dụng rộng rãi việc quan trắc mực nước sông lớn hồ chứa [1, 2] Một vệ tinh đo cao vệ tinh ENVISAT, vận hành quan vũ trụ châu Âu ESA (European Space Agency) với bước thời gian quan trắc 35 ngày [3] Khác với quỹ đạo vệ tinh ENVISAT, vệ tinh T/P (Topex/Poseidon), Jason-1 Jason-2 vận hành quan hàng không vũ trụ Mỹ NASA (National Aeronautics and Space Administration) Trung tâm Nghiên cứu Vũ trụ Quốc gia Pháp CNES (Centre National d'études Spatiales) với quỹ đạo quan trắc 10 ngày Số liệu vệ tinh khai thác để quan trắc mực nước lưu vực sông lớn chảy qua biên giới đa quốc gia, sơng Mêkơng [4], sơng Ganges-Brahmaputra Băng-la-đét [5] Ngồi ra, vệ tinh khai thác để quan trắc mực nước sông hồ chứa lớn [6, 7] Ở Việt Nam, Đoàn Văn Chinh [8] ứng dụng số liệu đo cao vệ tinh Jason-1 T/P để quan trắc thay đổi mực nước biển Hiện nay, việc khai thác sử dụng số liệu miễn phí từ vệ tinh đo cao để quan trắc mực nước sông hồ chứa Việt Nam cách tiếp cận hồn tồn Mục đích nghiên cứu khai thác số liệu đo cao vệ tinh Jason-2 để quan trắc mực nước hồ chứa Phú Ninh, tỉnh Quảng Nam Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh Landsat TM7 để xác định phần mặt nước hồ chứa Phú Ninh Căn vào vị trí đường quan trắc (Pass 077) vệ tinh Jason-2 mặt đất (ground-tracksPass 077) phần mặt nước hồ chứa Phú Ninh để xác định khu giao cắt Khu giao cắt gọi trạm ảo (virtual station) Mực nước quan trắc vệ tinh đo cao Jason-2 tính tốn vị trí trạm ảo vừa xác định Kết mực nước quan trắc vệ tinh đo cao Jason-2 có tương quan chặt chẽ với mực nước thực đo hồ chứa Phú Ninh Giới thiệu vùng nghiên cứu liệu 2.1 Vùng nghiên cứu Hồ chứa nước Phú Ninh thuộc tỉnh Quảng Nam, khởi công xây dựng từ năm 1977, hồn thành năm 1986 với dung tích 344 triệu m3 nước, nhằm cung cấp nước tưới cho 23.000 đất nông nghiệp huyện: Phú Ninh, Tam Kỳ, Núi Thành, Thăng Bình, Quế Sơn Duy Xuyên (Hình 1) Mực nước hồ đo qua cơng trình tràn nằm sát đập (điểm hình vng màu vàng Hình 1c) Vị trí đường quan trắc số 77 (Pass 77) vệ tinh đo cao Jason-2 (đường chấm đứt màu đỏ) cắt qua phần mặt nước hồ chứa Phú Ninh (Hình 1b 1c) Phần giao cắt gọi trạm ảo, ký hiệu khung chữ nhật màu đỏ (ở giữa), trọng tâm trạm ảo ký hiệu tam giác màu vàng (Hình 1c) Phạm Thành Hưng, Nguyễn Chí Cơng 40 Hình a) Vị trí tỉnh Quảng Nam, b) Vị trí hồ chứa Phú Ninh, c) Vị trí đường quan trắc số 77 Jason-2 2.2 Vệ tinh đo cao Jason-2 Nghiên cứu khai thác số liệu đo cao vệ tinh Jason-2 vệ tinh có bước thời gian đo đạc (10 ngày) ngắn vệ tinh ENVISAT (35 ngày) Vệ tinh Jason-2 phóng lên quỹ đạo vào năm 2008 hoạt động để thu thập số liệu quan trắc mực nước toàn cầu [9] Nghiên cứu sử dụng sản phẩm S-GDR (Sensor-Geopysical Data Records) với tần suất sóng radar 20 Hz tương ứng với khoảng cách hai điểm đo gần 300m Thơng số kỹ thuật vệ tinh Jason-2 trình bày Bảng Số liệu Jason-2 S-GDR tải miễn phí ftp://ftp.nodc.noaa.gov/pub/data.nodc/jason2/ Bảng Thơng tin đặc tính vệ tinh đo cao Jason-2 Tên vệ tinh Sản phẩm Chu kỳ lặp lại Jason- S-GDR 10 ngày 2/OSTM (20hz) Độ phân Độ Giai đoạn giải xác đo cao đo 300 m x 315 km 2,5 cm 2008hiện 2.3 Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat TM7 Ảnh viễn thám quang học (optical remote sensing) với độ phân giải cao Landsat TM (Thermatic Mapping) sử dụng để xác định ranh giới đường mặt nước hồ chứa Landsat TM có tổng cộng kênh (band) đánh số thứ tự từ đến kênh tồn sắc (panchromatic) Trong vùng xạ nhìn thấy gồm kênh 1, Vùng hồng ngoại với độ phân giải 30 m gồm có kênh 4, Kênh số thuộc vùng hồng ngoại nhiệt có độ phân giải 60 m Kênh tồn sắc có độ phân giải 15m Ảnh vệ tinh Landsat TM tải miễn phí từ trang web USGS (https://earthexplorer.usgs.gov) 2.4 Mực nước đo hồ Phú Ninh Mực nước thực đo hồ Phú Ninh quan trắc vị trí tràn xả lũ Mực nước đo lần ngày đo từ năm 2008 đến Số liệu cao độ mực nước thực đo hồ chứa cung cấp Công ty TNHHMTV Thuỷ lợi Quảng Nam Phương pháp 3.1 Mực nước đo vệ tinh đo cao Jason-2 Vệ tinh đo cao Jason-2 với mục đích đo cao độ mực nước biển (Hình 2a) Cao độ mực nước biển tính tốn dựa theo ngun lý trình bày Fu and Cazenave [10] Cao độ mực nước so với mặt chuẩn (H) tính tốn sau: H=A–R+C (1) Trong đó, A độ cao vệ tinh so với mặt chuẩn (reference ellipsoid), R khoảng cách vệ tinh mực nước biển, C giá trị hiệu chỉnh sai số gây ảnh hưởng tầng đối lưu, tầng điện ly, thủy triều Khi áp dụng nguyên lý để tính tốn mực nước sơng hồ chứa, sai số hiệu chỉnh kể đến sai số tầng đối lưu (dry troposphere, wet troposphere), tầng điện ly (ionophere), thủy triều (solid earth pole tides) Các sai số khác áp dụng cho tính tốn cao độ mực nước biển bỏ qua tính tốn mực nước sông hồ chứa đất liền [11] Hình 2b thể đường quan trắc vệ tinh đo cao Jason-2 cắt qua hệ thống sông phần đất liền Việt Nam Hình (a) Nguyên lý đo đạc cao độ mực nước biển vệ tinh Jason-2 yếu tố ảnh hưởng đến sai số đo đạc, (b) Đường quan trắc bề mặt trái đất (ground-tracks) vệ tinh Jason-2 cắt qua hệ thống sông Việt Nam Khi vệ tinh đo cao độ mực nước đại dương, sóng tín hiệu phát từ vệ tinh đến mặt biển phản xạ lại vệ tinh không bị ảnh hưởng nhiễu tầng phủ mặt đất (rừng cây, bụi cỏ hay mặt đất) Tuy nhiên, vệ tinh đo cao độ mực nước sơng hồ đất liền, sóng radar thu phát từ vệ tinh bị nhiễu lớp phủ thực vật, cồn cát (đụn cát) sơng, đảo hồ chứa Vì khơng thể áp dụng trực tiếp tham số đo đạc vệ tinh đo cao Jason-2 cho đại dương vào tính tốn mực nước sơng hồ đất liền Do đó, Bamber [12] phát triển thuật tốn Ice-1 để theo dõi phân tích lại dạng sóng (waveform re-tracker) phản xạ từ mặt đất liền để ước tính tham số cao độ sai số hiệu chỉnh quan trắc mực nước đất liền Nghiên cứu sử dụng tham số ước tính từ thuật tốn Ice-1 để tính tốn cao độ mực nước cho hồ chứa Phú Ninh Đầu tiên, liệu kênh 5, 4, vệ tinh Landsat TM7 tổ hợp để tạo ảnh mô màu sắc tự nhiên (đỏ - xanh cây- xanh da trời) (Hình 3) Sau đường bao mặt nước hồ chứa xác định dựa vào khác biệt màu sắc mặt nước mặt đất Đường quan trắc Pass 77 vệ tinh Jason-2 thể điểm hình vành khăn cắt qua mặt thống hồ chứa (Hình 3) Phần giao cắt vệ tinh hồ chứa (khung chữ nhật) gọi trạm ảo (Hình 3) Kích thước hình chữ nhật chọn lựa cho vừa đảm bảo chứa nhiều điểm quan trắc vệ tinh đồng thời bị ảnh hưởng phần mặt đất cối Sau xây dựng trạm ảo, cao độ mực nước tính tốn dựa theo cơng thức (1) điểm quan trắc ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 thuộc bên hình chữ nhật (trạm ảo) Cao độ mực nước hồ chứa thời điểm quan trắc định xác định cách tính trung vị (median) điểm đo lựa chọn trạm ảo [13] Cuối cùng, điểm ngoại lai (outliers) loại bỏ từ chuỗi số liệu quan trắc cách so sánh giá trị quan trắc với khoảng tin cậy 95% (confidence interval of 95%) tồn chuỗi quan trắc 41 việc ước tính mực nước trạm đo hồ chứa, phương trình hồi quy tuyến tính bậc áp dụng để xây dựng quan hệ hai chuỗi số liệu mực nước Y = a + bX (6) Trong đó, a b hai hệ số phương trình tuyến tính bậc X số liệu mực nước quan trắc vệ tinh (10 ngày) Y số liệu mực nước ước tính vị trí trạm thực đo thời điểm tương ứng Kết bàn luận Kết cho thấy mực nước quan trắc vệ tinh có quan hệ chặt chẽ với mực nước đo trạm với hệ số tương quan cao R2=0,995 (Hình 4) Mực nước quan trắc vệ tinh thể rõ dao động mực nước theo mùa (mùa khô mùa mưa) Sự chênh lệch độ lớn hai chuỗi mực nước Hình ảnh hưởng độ dốc đường mặt nước hồ hai vị trí đo đạc (cách gần 5,6 km) Hình Ảnh màu tự nhiên hồ chứa Phú Ninh tạo từ ảnh vệ tinh Landsat TM7 Đường chấm vành khăn đường quan trắc Pass 77 vệ tinh Jason-2 3.2 Phương pháp đánh giá Vị trí trạm thực đo hồ chứa Phú Ninh bố trí vị trí tràn xả lũ Trong đó, vị trí trọng tâm trạm ảo nhằm phía thượng lưu hồ, cách vị trí trạm thực đo tràn gần 5,6 km Do khác vị trí quan trắc nên hai chuỗi số liệu mực nước có chênh lệch độ cao gây độ dốc đường mặt nước hồ chứa Để so sánh đánh giá độ xác mực nước quan trắc vệ tinh đo cao so với mực nước thực đo trạm, nghiên cứu sử dụng phương pháp thu phóng (cơng thức 2) để chuyển hai chuỗi số liệu mực nước tỷ lệ để so sánh Cơng thức thu phóng sau MNthu phóng = (MNquan trắc – MNmin) / (MNmax – MNmin) (2) Trong đó, MNthu phóng mực nước sau thu phóng, MNquan trắc mực nước quan trắc vệ tinh trạm đo, MNmax MNmin tương ứng mực nước lớn bé chuỗi số liệu quan trắc vệ tinh trạm đo Hai chuỗi số liệu mực nước sau thu phóng so sánh đánh giá dựa theo tiêu chí độ tương quan (R2), sai số quân phương (RMSE), độ thiên lệch (Bias) Hình Chuỗi số liệu mực nước đo hồ (đường nét liền) mực nước quan trắc vệ tinh Jason-2 (điểm tròn) Hai chuỗi số liệu mực nước sau thu phóng tỷ lệ (từ đến 1) thể Hình Kết cho thấy mực nước quan trắc vệ tinh gần mơ tả xác dao động mực nước thực đo với độ lệch quân phương RSME = cm Mực nước quan trắc vệ tinh Jason-2 bé mực nước thực đo hồ 0,03 m (Hình 5) Nguyên nhân dẫn đến độ lệch gió Tây Nam tạo độ dềnh mực nước hồ chứa R2 = [ 𝑜 ̅̅̅̅ 𝑜 ̂ −𝑦 ̅ ∑𝑛 𝑖 ̂) 𝑖=1(𝑦𝑖 −𝑦 )(𝑦 2 𝑜 ) ∑𝑛 (𝑦 ̅̅̅̅ √∑𝑛 (𝑦 𝑜 −𝑦 ̂̅ ) 𝑖=1 𝑖 𝑖=1 ̂ 𝑖 −𝑦 𝑜 ̂ )2 ∑𝑛 𝑖 𝑖=1(𝑦𝑖 −𝑦 RMSE = √ Bias = ( 𝑦̂ 𝑦0 𝑛 − 1) ] (3) (4) (5) Trong đó, y mực nước thực đo trạm, 𝑦̂ mực nước quan trắc vệ tinh ̅̅̅ 𝑦 𝑜 𝑦̅̂ giá trị trung bình chuỗi mực nước đo trạm mực nước quan trắc vệ tinh 3.3 Phương trình quan hệ mực nước thực đo mực nước quan trắc vệ tinh Để sử dụng mực nước quan trắc vệ tinh Hình Số liệu mực nước thu phóng từ mực nước đo trạm (đường nét liền) mực nước thu phóng từ số liệu quan trắc vệ tinh (điểm trịn) Để dự báo mực nước hồ chứa từ liệu vệ tinh đo cao Jason-2, phương trình hồi quy tuyến tính thiết lập dựa vào số liệu quan trắc mực nước từ vệ tinh số liệu thực đo hồ (Hình 6) Hệ số độ dốc phương trình (b) gần 1, trị số a = -2,26 m thể chênh lệch độ cao mực nước hai điểm đo Hiện tại, chưa có số liệu thực đo độ dốc đường mực nước hồ nên nghiên Phạm Thành Hưng, Nguyễn Chí Công 42 cứu tạm thời chưa đánh giá độ lệch mực nước trạm thực đo trạm ảo Tuy nhiên, kết cho thấy tiềm việc sử dụng số liệu đo cao vệ tinh Jason-2 việc hỗ trợ quan trắc mực nước hồ chứa Phú Ninh phân tích theo mùa nằm ngồi phạm vi đối tượng nghiên cứu báo Do đó, việc đánh giá độ xác số liệu đo cao từ vệ tinh theo mùa mưa mùa khô hướng nghiên cứu nhóm tác giả TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Phương trình quan hệ mực nước đo trạm mực nước quan trắc vệ tinh Jason-2 (đường nét liền), giá trị mực nước quan trắc (điểm tròn) Kết luận Hiện nay, chưa có nghiên cứu sử dụng số liệu vệ tinh đo cao Jason-2 để quan trắc mực nước hồ chứa sông Việt Nam Nghiên cứu khả ứng dụng vệ tinh đo cao Jason-2 quan trắc mực nước hồ chứa Phú Ninh Kết cho thấy mực nước quan trắc vệ tinh có tương quan chặt chẽ với mực nước đo trạm (R2 = 0,995) sai số nhỏ cm Phương trình tương quan hồi quy tuyến tính sử dụng để ước tính mực nước hồ chứa từ số liệu quan trắc vệ tinh đo cao Jason-2 Với chu kỳ lặp lại 10 ngày, số liệu vệ tinh Jason-2 áp dụng cho việc xây dựng kế hoạch cấp nước hồ vào mùa khô Tuy nhiên, số liệu mực nước quan trắc vệ tinh chưa thể áp dụng cho việc điều tiết lũ hồ Do đó, việc tạo số liệu mực nước ngày từ số liệu mực nước 10 ngày vệ tinh đo cao Jason-2 hướng nghiên cứu có nhiều tiềm Nghiên cứu dừng lại việc đánh giá dựa toàn chuỗi số liệu, việc [1] C M Birkett and B Beckley, "Investigating the Performance of the Jason-2/OSTM Radar Altimeter over Lakes and Reservoirs”, Marine Geodesy, vol 33, pp 204-238, 2010 [2] J.-F Crétaux and C Birkett, "Lake studies from satellite radar altimetry”, Comptes Rendus Geoscience, vol 338, pp 1098-1112, 2006 [3] S Calmant and F Seyler, "Continental surface waters from satellite altimetry”, Comptes Rendus Geoscience, vol 338, pp 1113-1122, 2006 [4] K.-T Liu, K.-H Tseng, C Shum, C.-Y Liu, C.-Y Kuo, G Liu, et al., "Assessment of the Impact of Reservoirs in the Upper Mekong River Using Satellite Radar Altimetry and Remote Sensing Imageries”, Remote Sensing, vol 8, p 367, 2016 [5] S Biancamaria, F Hossain, and D P Lettenmaier, "Forecasting transboundary river water elevations from space”, Geophysical Research Letters, vol 38, 2011 [6] F Papa, S K Bala, R K Pandey, F Durand, V Gopalakrishna, A Rahman, et al., "Ganga‐Brahmaputra river discharge from Jason‐2 radar altimetry: An update to the long‐term satellite‐derived estimates of continental freshwater forcing flux into the Bay of Bengal”, Journal of Geophysical Research: Oceans, vol 117, 2012 [7] A K Dubey, P K Gupta, S Dutta, and R P Singh, "An improved methodology to estimate river stage and discharge using Jason-2 satellite data”, Journal of Hydrology, vol 529, pp 1776-1787, 2015 [8] B T K T Đoàn Văn Chinh, Li Dawei, "Sử dụng số liệu đo vệ tinh Topex/Poseidon Jason-1 khảo sát thay đổi nước biển”, Tuyển tập Hội nghị khoa học thường niên- Đại học Thủy lợi, pp 131-133, 2013 [9] J Dumont, V Rosmorduc, N Picot, S Desai, H Bonekamp, J Figa, et al., "OSTM/Jason-2 products handbook”, CNES: SALP-MU-M-OP15815-CN, EUMETSAT: EUM/OPS-JAS/MAN/08/0041, JPL: OSTM29-1237, NOAA/NESDIS: Polar Series/OSTM J, vol 400, 2009 [10] L.-L Fu and A Cazenave, Satellite altimetry and earth sciences: a handbook of techniques and applications vol 69: Academic Press, 2000 [11] J G Leon, S Calmant, F Seyler, M P Bonnet, M Cauhopé, F Frappart, et al., "Rating curves and estimation of average water depth at the upper Negro River based on satellite altimeter data and modeled discharges”, Journal of Hydrology, vol 328, pp 481-496, 2006 [12] J L Bamber, "Ice sheet altimeter processing scheme”, International Journal of Remote Sensing, vol 15, pp 925-938, 1994 [13] F Frappart, F Seyler, J.-M Martinez, J G León, and A Cazenave, "Floodplain water storage in the Negro River basin estimated from microwave remote sensing of inundation area and water levels”, Remote Sensing of Environment, vol 99, pp 387-399, 2005 (BBT nhận bài: 22/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 02/06/2017) ... Hình a) Vị trí tỉnh Quảng Nam, b) Vị trí hồ chứa Phú Ninh, c) Vị trí đường quan trắc số 77 Jason- 2 2 .2 Vệ tinh đo cao Jason- 2 Nghiên cứu khai thác số liệu đo cao vệ tinh Jason- 2 vệ tinh có bước... trắc vệ tinh Để sử dụng mực nước quan trắc vệ tinh Hình Số liệu mực nước thu phóng từ mực nước đo trạm (đường nét liền) mực nước thu phóng từ số liệu quan trắc vệ tinh (điểm trịn) Để dự báo mực nước. .. mực nước thực đo trạm,