Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu giám sát chất lượng môi trường nước biển ven bờ phía Nam bằng công nghệ viễn thám

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN AN BÌNH NGHIÊN CỨU GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN VEN BỜ PHÍA NAM BẰNG CƠNG NGHỆ VIỄN THÁM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC TRÁI ĐẤT TP HỒ CHÍ MINH – 2023 iii MỤC LỤC MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH v DANH MỤC BẢNG BIỂU .x TỪ NGỮ VIẾT TẮT xi PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Điểm luận án .3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn Giá trị thực tiễn luận án CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC, TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU .6 1.1 Tầm quan trọng vùng ven biển 1.2 Đặc trưng quang học nước biển tư liệu viễn thám .8 1.3 Hiệu chỉnh khí .11 1.4 Giải đoán yếu tố môi trường biển từ liệu viễn thám 18 1.5 Tông quan nghiên cứu lĩnh vực viễn thám môi trường biển 22 1.5.1 Trên giới 22 1.5.2 Tại Việt Nam 30 1.6 Kết luận chương .42 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 44 2.1 Đối tượng nghiên cứu 44 2.2 Khu vực nghiên cứu .44 2.3 Dữ liệu 46 2.3.1 Dữ liệu thực địa .46 2.3.2 Dữ liệu ảnh 47 2.4 Phương pháp 47 2.4.1 Hiệu chỉnh khí 50 2.4.2 Thuật toán quang sinh học biển 54 2.4.3 Tái cấu trúc liệu không gian 55 iv 2.4.4 Đánh giá độ xác mơ hình 56 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59 3.1 Hiệu chỉnh khí .59 3.2 Tái cấu trúc liệu không gian liệu sản phẩm chl-a 64 3.3 Độ xác mơ hình ước tính hàm lượng chlorophyll-a 71 3.4 Thảo luận 78 3.4.1 Hiệu chỉnh khí khu vực vùng biển ven bờ Việt Nam 78 3.4.2 Độ xác thuật toán quang sinh học biển theo phân vùng đặc trưng quang học nước biển khác 82 3.4.3 Khắc phục nhược điểm tư liệu ảnh vệ tinh quang học khí hậu nhiệt đới gió mùa vùng biển ven bờ Việt Nam 87 3.4.4 Khả nguồn liệu ảnh vệ tinh Sentinel phục vụ giám sát môi trường biển ven bờ Việt Nam 88 3.4.5 Kết hợp nguồn liệu viễn thám màu đại dương nhằm bổ sung thông tin không gian tăng cường độ phân giải thời gian 89 3.4.6 Định hướng nghiên cứu tương lai lĩnh vực viễn thàm môi trường biển Việt Nam .97 3.4.7 Hướng tới giám sát phú dưỡng vùng biển ven bờ tư liệu viễn thám 98 3.5 Kết luận chương 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CÔNG BỐ 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Phân biệt vùng nước case case dựa sắc tố thực vật phù du, chất hữu hịa tan có màu vật liệu lơ lửng (Nguồn: [14]) .9 Hình 1.2 Phổ phản xạ trường hợp nước case-1 case-2 (Nguồn: [9]) 10 Hình 1.3 Mối quan hệ đặc tính sẵn có nước số môi trường biển (Nguồn: [16]) .11 Hình 1.4 Quang phổ điện từ ( Nguồn: [17]) 12 Hình 1.5 Phổ phản xạ thực vật, đất nước (Nguồn: [17] ) .12 Hình 1.6 Hiệu ứng liền kề thu nhận tín hiệu phản xạ rời mặt nước vệ tinh (Nguồn: [24]) 16 Hình 1.7 Ảnh hưởng tia sáng mặt trời đến hiệu chỉnh khí (Nguồn: [18]) 17 Hình 1.8 Sóng biển với tượng bọt trắng, vệt sóng với thay đổi đáng kể bề mặt độ sáng (Nguồn: [18]) 17 Hình 1.9 Phổ phản xạ thu bước sóng 440, 550, 650 850 nm vùng có sóng (trái) khơng có sóng (phải) (Nguồn: [18]) .18 Hình 1.10 Mối quan hệ giá trị phổ phản xạ nước giá trị chl-a ước tính ảnh viễn thám, giá trị đo thực tế thực địa màu nước biển quan sát thực địa (Nguồn: [16]) 20 Hình 1.11 Tương quan độ phân giải phổ, không gian thời gian liệu ảnh viễn thám với lĩnh vực nghiên cứu (Nguồn: [46]) 25 Hình 1.12 Các vấn đề lĩnh vực viễn thám màu đại dương (Nguồn: [47]) 26 Hình 1.13 Giai đoạn hoạt động hệ vệ tinh màu đại dương (Nguồn: tổng hợp thông tin) 28 Hình 1.14 Các khu vực đánh giá suy giảm chất lượng môi trường biển giới (Nguồn : [81]) 30 Hình 1.15 Giá trị tổng chất rắn lơ lửng (TSS) NH4+ (dưới) vùng nước biển ven bờ phía Nam giai đoạn 2015 - 2019 (Nguồn : [90]) 33 Hình 1.16 Xu biến động số thông số chất lượng nước biển ven bờ Vịnh Gành Rái (Cần Giờ - TP Hồ Chí Minh) giai đoạn 2014 – 208 ( Nguồn: Viện Hải dương học - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam) 34 vi Hình 1.17 Xu biến động số thơng số chất lượng nước biển ven bờ Vịnh Rạch Giá (Kiên Giang) giai đoạn 2014 - 208 (Nguồn: Viện Hải dương học - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam) 35 Hình 1.18 Phân bố khơng gian hàm lượng chl-a ước tính từ liệu ảnh MERIS vùng biển ven bờ Việt Nam tính trung bình tháng giai đoạn 2002 - 2012 (Nguồn: [96]) 40 Hình 1.19 Thay đổi hàm lượng trầm tích lơ lửng vùng ven biển đồng sơng Cửu Long tính trung bình tháng cho giai đoạn 2003 - 2012 (Nguồn: [97]) 41 Hình 2.1 Khu vực nghiên cứu vị trí thu mẫu thực địa .45 Hình 2.2 Quy trình ước tính .49 Hình 3.1 Kết hiệu chỉnh khí phương pháp C2RCC cho kênh ảnh 413, 443, 490, 510, 560, 665 nm sử dụng cho thuật toán ước tính nồng độ chl-a (ảnh S-3A ngày 16/10/2018) .60 Hình 3.2 Histogram phân bố giá trị phổ phản xạ bước sóng 413 nm, 443 nm, 490 nm, 510 nm, 560 nm, 665 nm theo thuật toán C2RCC khu vực nghiên cứu (ảnh S-3A ngày 16/10/2018) .61 Hình 3.3 Kết hiệu chỉnh khí phương pháp DSF cho kênh ảnh 413, 443, 490, 510, 560, 665 nm sử dụng cho thuật toán ước tính nồng độ chl-a (ảnh S-3B ngày 05/07/2019) .62 Hình 3.4 Histogram phân bố giá trị phổ phản xạ bước sóng 413nm, 443nm, 490nm, 510nm, 560nm, 665nm theo thuật toán DSF khu vực nghiên cứu (ảnh S-3B ngày 05/07/2019) .63 Hình 3.5 Sai khác sản phẩm hiệu chỉnh khí theo phương pháp khác nhau: (a) ảnh tổ hợp màu, (b) C2RCC, (c) DSF Ảnh S-3A chụp ngày 13/08/2019, kênh ảnh 510nm 64 Hình 3.6 So sánh kết tái cấu trúc liệu dựa liệu tổng hợp hai vệ tinh S-3A S-3B năm 2019 theo hai phương pháp hiệu chỉnh khí C2RCC DSF: (a) Dữ liệu gốc C2RCC, (b) Dữ liệu tái cấu trúc C2RCC, (c) Dữ liệu gốc DSF, (d) Dữ liệu tái cấu trúc DSF 67 Hình 3.7 Sai số (RMSEDINEOF) trình kiểm định chéo theo hàm trực giao EOF mơ hình DINEOF tệp liệu dựa S-3A, S-3B, kết hợp liệu hai vệ tinh (hình trên) Giá trị trung bình (mean) độ lệch chuẩn (standard vii deviation - SD) ước tính cho tệp liệu (hình dưới) Phương pháp hiệu chỉnh khí C2RCC 68 Hình 3.8 Sai số (RMSEDINEOF) trình kiểm định chéo theo hàm trực giao EOF mơ hình DINEOF tệp liệu dựa S-3A, S-3B, kết hợp liệu hai vệ tinh (hình trên) Giá trị trung bình (mean) độ lệch chuẩn (standard deviation - SD) ước tính cho tệp liệu (hình dưới) Phương pháp hiệu chỉnh khí DSF 69 Hình 3.9 Tái cấu trúc liệu khơng gian DINEOF sản phẩm chl-a ước tính theo thuật tốn khác nhau, phương pháp hiệu chỉnh khí C2RCC, liệu vệ tinh S-3A (trên) S-3B (dưới), ảnh chụp ngày 05/08/2019 70 Hình 3.10 Tái cấu trúc liệu không gian DINEOF sản phẩm chl-a ước tính theo thuật tốn khác nhau, liệu vệ tinh S-3B, phương pháp hiệu chỉnh khí C2RCC (trên) DSF (dưới), ảnh chụp ngày 31/10/2018 71 Hình 3.11 So sánh kết ước tính nồng độ chl-a dựa thuật toán quang sinh học biển viễn thám màu đại dương với liệu S-3A hiệu chỉnh khí từ phương pháp C2RCC, S-3A (ảnh trên) S-3B (ảnh dưới), khu vực vịnh Nha Trang, ảnh chụp ngày 05/08/2019 73 Hình 3.12 Đồ thị phân tán theo tỷ lệ logartit số 10 thể giá trị chl-a ước tính so sánh theo hai vệ tinh S-3A S-3B Trường hợp sử dụng hiệu chỉnh khí C2RCC (p-value < 0.00001) 74 Hình 3.13 So sánh kết ước tính nồng độ chl-a dựa thuật toán quang sinh học biển viễn thám màu đại dương với liệu S-3B hiệu chỉnh khí từ phương pháp C2RCC (ảnh trên) DSF (anh dưới), ảnh chụp ngày 31-10-2018 khu vực vịnh Vân Phong 75 Hình 3.14 Đồ thị phân tán theo tỷ lệ logartit số 10 thể giá trị chl-a ước tính so sánh theo hai vệ tinh S-3A S-3B Trường hợp sử dụng hiệu chỉnh khí DSF (p-value < 0.00001) 76 Hình 3.15 Biểu đồ Taylor thể hiệu suất độ xác thuật tốn ước tính chl-a dựa hai phương pháp hiệu chỉnh khí C2RCC DSF, với liệu S-3A (trái) S-3B (phải) 77 viii Hình 3.16 Tương quan giá trị phổ phản xạ sau q trình hiệu chỉnh khí bước sóng 413, 443, 490, 510, 560, 665 nanomet theo hai thuật toán C2RCC DSF cho vệ tinh S-3A 79 Hình 3.17 Tương quan giá trị phổ phản xạ sau q trình hiệu chỉnh khí bước sóng 413, 443, 490, 510, 560, 665 nanomet theo hai thuật toán C2RCC DSF cho vệ tinh S-3B 80 Hình 3.18 So sánh độ xác mơ hình ước tính phân theo khu vực với đặc tính quang học nước biển khác kết hợp hai nguồn liệu S-3A S-3B Trường hợp sử dụng phương pháp hiệu chỉnh khí C2RCC 84 Hình 3.19 Hàm lượng chl-a khu vực vịnh Vân Phong, vịnh Nha Phu, vịnh Nha Trang, vịnh Cam Ranh thuộc tỉnh Khánh Hòa; vịnh Phan Rang thuộc tỉnh Ninh Thuận .86 Hình 3.20 Kết hợp liệu từ hai vệ tinh S-3A S-3B bổ sung thông tin không gian Minh họa cho ngày 05/08/2019, phương pháp hiệu chỉnh khí C2RCC, thuật tốn OC5v7 .90 Hình 3.21 Tương quan phổ phản xạ mặt nước sau q trình hiệu chỉnh khí thuật tốn DSF bước sóng 413, 443, 490, 510, 560, 665 nanomet khu vực nghiên cứu hai vệ tinh S-3A S-3B 91 Hình 3.22 Tương quan phổ phản xạ mặt nước sau q trình hiệu chỉnh khí thuật tốn C2RCC bước sóng 413, 443, 490, 510, 560, 665 nanomet hai vệ tinh S-3A S-3B 92 Hình 3.23 Hiệu suất mơ hình ước tính chl-a dựa sản phẩm hiệu chỉnh khí C2RCC kết hợp hai nguồn liệu S-3A and S-3B (p value < 0.00001) 93 Hình 3.24 Thống kê sai số đánh giá tương quan sản phẩm chl-a ước tính theo thuật tốn quang sinh học biển khác kết hợp liệu hai vệ tinh S-3A and S-3B (p value < 0.00001) 94 Hình 3.25 Giải pháp xử lý liệu không gian bị ảnh hưởng mây che phủ đồng thời tăng cường độ phân giải thời gian kết hợp hai vệ tinh S-3A S-3B, mơ hình tái cấu trúc liệu DINEOF Ví dụ cho tệp liệu ảnh chụp từ ngày 04/08 đến ngày 10/08 năm 2019 96