NGHIÊN cứu xây DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIÁM sát môi TRƯỜNG nước mặt KHU vực hà nội từ dữ LIỆU vệ TINH VNREDSAT 1a tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT ĐINH THỊ THU HIỀN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ GIÁM SÁT MƠI TRƯỜNG NƯỚC MẶT KHU VỰC HÀ NỘI TỪ DỮ LIỆU VỆ TINH VNREDSAT-1A Ngành : Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số : 9.52.05.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2018 Cơng trình hồn thành tại: Bộ môn Đo ảnh Viễn thám, Khoa Trắc địa - Bản đồ Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Xuân Trường, Trường Đại học Mỏ - Địa chất TS Lê Quốc Hưng, Cục Viễn thám quốc gia Phản biện 1: PGS.TS Trần Thị Vân Anh Phản biện 2: PGS.TS Phạm Quang Vinh Phản biện 3: PGS.TS Phạm Việt Hòa Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp trường họp Trường Đại học Mỏ - Địa chất, vào hồi ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiều luận án thư viện : Thư viện Quốc gia Hà Nội Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Nước nói chung nước mặt nói riêng yếu tố khơng thể thiếu tồn sống trình xảy Trái Đất Nước môi trường cho phản ứng chuyển dịch nhiều loại vật chất, góp phần điều tiết điều hịa khí hậu Nước cịn có vai trị định hoạt động kinh tế đời sống văn hóa tinh thần lồi người [18] Các phương pháp nghiên cứu truyền thống sử dụng kết phân tích mẫu nước thử nghiệm đánh giá chất lượng nước cách cục xung quan điểm đo Hơn nữa, lấy nhiều mẫu thử nghiệm hay thiết lập mạng lưới quan trắc chất lượng nước dày đặc tốn thời gian chi phí Những hạn chế khắc phục sử dụng tư liệu viễn thám, với ưu điểm diện tích phủ trùm rộng, tiết kiệm thời gian, dải phổ số lượng kênh phổ đa dạng, chi phí thấp Dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A sử dụng thành lập đồ lớp phủ, giám sát biến động khu vực lục địa, hải đảo xuyên biên giới, đảm bảo mục đích quốc phòng - an ninh… Mặc dù vậy, có Cục viễn thám quốc gia thực dự án sản xuất liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A, dự án thông qua nhiều lần hội thảo khoa học, bảo vệ sản phẩm niên độ qua thời kỳ đánh giá giám sát chất lượng nước mặt Các nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám đánh giá chất lượng môi trường nước mặt chủ yếu sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải trung bình Landsat, SPOT,…hoặc độ phân giải thấp (MODIS)Với lý trên, đề tài “Nghiên cứu xây dựng quy trình cơng nghệ giám sát mơi trường nước mặt khu vực Hà Nội từ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A” lựa chọn xuất phát từ nhu cầu thực tế, có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục đích nghiên cứu luận án Nghiên cứu nhằm xây dựng quy trình giám sát chất lượng nước mặt số sông, hồ, đầm khu vực Hà Nội từ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat - 1A Đối tượng phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu: đối tượng nghiên cứu luận án chất lượng nước mặt số sơng, hồ, đầm khu vực Hà Nội • Phạm vi nghiên cứu: + Phạm vi không gian: Giới hạn số sông, hồ khu vực Hà Nội + Phạm vi thời gian: nghiên cứu sử dụng 02 cảnh ảnh VNREDSat-1A, chụp ngày 20 tháng 10 năm 2016 ngày 21 tháng 12 năm 2017 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp phân tích, tổng hợp; Phương pháp viễn thám; Phương pháp GIS; Phương pháp hồi quy Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án a) Ý nghĩa khoa học: • Kết nghiên cứu minh chứng tính hiệu độ tin cậy công nghệ viễn thám đánh giá giám sát chất lượng nước mặt so với phương pháp nghiên cứu truyền thống • Góp phần minh chứng tính hiệu liệu ảnh vệ tinh quang học VNREDSat-1A xác định phân bố hàm lượng thông số chất lượng nước mặt, phục vụ công tác giám sát, đánh giá thành lập đồ chất lượng nước mặt b) Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần cung cấp thông tin để nhà quản lý đưa biện pháp giám sát ứng phó với ô nhiễm môi trường nước mặt khu vực Hà Nội Bên cạnh đó, kết nhận đề tài sử dụng, tham khảo cơng tác nghiên cứu khoa học, giảng dạy trường đại học, viện nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Luận án gồm: phần mở đầu, ba chương, phần kết luận kiến nghị phụ lục Chương trình bày tổng quan vấn đề nghiên cứu; Chương trình bày sở khoa học xây dựng quy trình công nghệ giám sát môi trường nước mặt từ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A; Chương thực nghiệm xác định hàm lượng chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội từ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Các kết luận án trình bày phần kết luận kiến nghị Luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Có mối quan hệ chặt chẽ phổ phản xạ nước mặt xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A sau hiệu chỉnh khí với hàm lượng thông số chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội Luận điểm 2: Quy trình cơng nghệ giám sát nước mặt đề xuất góp phần nâng cao hiệu độ xác xác định hàm lượng thông số chất lượng nước mặt từ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Những điểm luận án • Xây dựng quy trình cơng nghệ, giám sát môi trường nước mặt thông qua thông số chất lượng nước mặt từ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A • Xây dựng hàm quan hệ hàm lượng thông số chất lượng nước xác định từ mẫu thực địa giá trị phổ phản xạ từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A sau hiệu chỉnh khí CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan tài nguyên nước mặt Việt Nam Việt Nam có 2.360 sơng có chiều dài từ 10 km trở lên, có 109 sơng Cả nước có 16 lưu vực sơng với diện tích lưu vực lớn 2.500 km2, 10/16 lưu vực có diện tích 10.000 km2 Tổng diện tích lưu vực sơng nước lên đến 1.167.000 km2, phần lưu vực nằm ngồi diện tích lãnh thổ chiếm đến 72% [4] Như vậy, nhận thấy, tài nguyên nước Việt Nam có vai trị quan trọng trở nên quý năm gần Trong nhu cầu nước không ngững tăng cao, nguồn nước mặt nhiều sông, hồ lại bị suy thối nhiễm nghiêm trọng dẫn đến nguồn nước ngày khan Hạn hán, thiếu nước xảy thường xuyên, nghiêm trọng nhiều vùng nước ta, không vào mùa khô mà mùa mưa Ảnh hưởng biến đổi khí hậu, gia tăng dân số hoạt động người gây áp lực lớn đến chất lượng nguồn nước mặt, đe dọa an ninh nguồn nước Việt Nam Ở nhiều thành phố lớn Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, hệ thống sơng, hồ bị ô nhiễm nghiêm trọng rác thải, nước thải sinh hoạt, công nghiệp, ý tế Đặc biệt Hà Nội, nơi tập trung 22% làng nghề nước (1.350 làng có nghề, 286 làng nghề truyền thống), có 43 làng chế biến thực phẩm, 59 làng dệt nhuộm đồ da, 135 làng thủ công mỹ nghệ, chất lượng nước mặt sông, hồ bị ô nhiễm nặng nề 1.2 Các nguyên nhân gây ô nhiễm nước mặt: Ô nhiễm nước thải sinh hoạt; Ơ nhiễm nước thải cơng nghiệp; Ơ nhiễm nước thải y tế; Ô nhiễm nước thải nông nghiệp, làng nghề 1.3 Các thông số chất lượng mơi trường nước mặt Có nhiều thơng số để đánh giá chất lượng môi trường nước mặt Theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước mặt năm 2015 (QCVN 08-MT:2015/BTNMT), có tới 36 thơng số sử dụng nhằm đánh giá chất lượng môi trường nước mặt (Bảng 1.4) [7] 1.4 Tổng quan nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám giám sát chất lượng nước mặt 1.4.1 Khả ứng dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu chất lượng nước mặt Dữ liệu ảnh viễn thám với độ phân giải không gian đa dạng cho phép nghiên cứu, giám sát vùng nước quy mô khác Đối với khu vực rộng lớn biển, đại dương, liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải thấp áp dụng diện tích phủ trùm cảnh ảnh lên đến vài km2 1.4.2 Tình hình nghiên cứu giới Các nghiên cứu giới cho thấy tính hiệu phương pháp sử dụng liệu viễn thám đánh giá ước lượng hàm lượng thông số chất lượng nước, đặc biệt số thông số TSS, chlorophyll-a, tổng nitơ tổng photphor Mặt khác, phân tích nghiên cứu giới cho thấy, hiệu xác định hàm lượng số thông số chất lượng nước BOD5, COD từ liệu viễn thám mức định, thể qua giá trị hệ số R2 thường đạt thấp đáng kể so với xác định TSS, chlorophylla 1.4.3 Tình hình nghiên cứu nước Trước đây, Việt Nam, để đánh giá mức độ ô nhiễm nước mặt thường dựa vào việc phân tích thơng số chất lượng nước riêng biệt, sau so sánh giá trị thơng số với giá trị giới hạn quy định tiêu chuẩn/quy chuẩn nước quốc tế Cho đến nay, nước ta có số nghiên cứu sử dụng liệu ảnh vệ tinh quang học đánh giá giám sát chất lượng nước mặt, sử dụng liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải trung bình SPOT, Landsat (nghiên cứu chất lượng nước mặt lục địa) ảnh vệ tinh độ phân giải thấp MODIS (nghiên cứu chất lượng nước biển ven bờ) 1.5 Đặc điểm liệu ảnh vệ tinh VNREDSAT-1A VNREDSat-1 hay VNREDSat-1A (tên đầy đủ Vietnam Natural Resources, Environment and Disaster-monitoring Satellite-1A) vệ tinh quang học quan sát Trái Đất Việt Nam, có khả chụp ảnh toàn khu vực bề mặt Trái Đất VNREDSat-1A phóng thành cơng lên quỹ đạo vào 07/05/2013 bãi phóng Kourou nằm Trung tâm khơng gian Guyana (Pháp) VNREDSat-1A Công ty EADS Astrium (Pháp) thiết kế, chế tạo trang bị cảm biến quang học bao gồm kênh phổ, có kênh đa phổ với độ phân giải không gian 10m, kênh tồn sắc với độ phân giải khơng gian 2,5m Hệ thống chụp ảnh cho phép chụp ảnh với độ phân giải không gian 2,5m kênh toàn sắc 10m kênh đa phổ (Bảng 1.9) Độ rộng dải quét ảnh vệ tinh VNREDSat – 17,5 km Độ phân giải xạ 12 bit, tương đương với 4096 cấp độ độ xám Tóm lại: Từ những vấn đề nêu trên, luận án tập trung nghiên cứu nhằm: Xây dựng quy trình cơng nghệ giám sát mơi trường nước mặt thông qua thông số chất lượng nước mặt từ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A; Xây dựng hàm quan hệ giá trị thông số chất lượng nước mặt xác định từ mẫu thực địa giá trị phổ phản xạ từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A sau hiệu chỉnh khí CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ GIÁM SÁT NƯỚC MẶT TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH VNREDSAT-1A 2.1 Cơ sở khoa học phương pháp ứng dụng liệu viễn thám đánh giá chất lượng nước 2.1.1 Bức xạ trực tiếp đối tượng nước tính chất quang học bất biến Khi xạ Mặt Trời tới nguồn nước, thông tin phản hồi cảm (sensor) ghi nhận lại bao gồm ba thành phần: • xạ từ mặt nước Lw (water leaving radiance); • xạ bầu trời Ls(skylight radiance); • xạ phản xạ trực tiếp từ mặt nước Lr (sky radiance directly reflected by the surface) Hình 2.1 Các thành phần xạ Mặt Trời tới nguồn nước cảm biến ghi nhận 2.1.2 Bức xạ gián tiếp đối tượng nước quan trắc liệu viễn thám Do đặc điểm thu nhận, ảnh viễn thám quang học, để đưa vào sử dụng cần phải tiến hành hiệu chỉnh ảnh hưởng mơi trường khí (atmospheric correction) Để hiệu chỉnh ảnh hưởng khí đến chất lượng ảnh, ảnh gốc cần biến đổi từ giá trị số nguyên (digital number - DN) giá trị thực xạ điện từ (spectral radiance), sau xác định ảnh phản xạ đỉnh khí R* (top of atmospheric - TOA) Từ phân tích kết luận, phản xạ viễn thám xác định từ liệu ảnh vệ tinh quang học tuân theo quy luật khách quan có tương tác ánh sáng vào đối tượng nước 2.1.3 Phương pháp xác định hàm lượng thông số chất lượng nước từ liệu viễn thám Để thành lập đồ phân bố hàm lượng thành phần ô nhiễm nước mặt từ liệu ảnh viễn thám, điểm mấu chốt cần thiết lập mơ hình ước lượng thơng số chất lượng nước dựa phản xạ rời khỏi bề mặt nước [8] [47] [48] Bản chất việc thiết lập mơ hình xây dựng hàm hồi quy giá trị đo hàm lượng thành phần ô nhiễm nước mặt từ trạm đo thực địa phản xạ rời khỏi bề mặt nước xác định từ liệu ảnh viễn thám quang học Tùy đặc điểm cụ thể khu vực nghiên cứu, sử dụng mơ hình hàm hồi quy khác hàm mũ, hàm tuyến tính, hàm đa thức Ngoài ra, bên cạnh phần số liệu phân tích chất lượng nước điểm đo sử dụng để xây dựng mơ hình hàm quan hệ với phản xạ bề mặt nước xác định từ ảnh vệ tinh, phần số liệu sử dụng để đánh giá độ xác kết xây dựng mơ hình 2.1.4 Cơ sở khoa học phân tích hồi quy Phân tích hồi quy nghiên cứu phụ thuộc biến (biến phụ thuộc) vào hay nhiều biến khác (các biến giải thích) để ước lượng hay dự đốn giá trị trung bình biến phụ thuộc sở giá trị biết trước biến giải thích Trong đánh giá chất lượng nước từ liệu viễn thám, phân tích hồi quy sử dụng để nghiên cứu phụ thuộc hàm lượng thông số chất lượng nước vào phản xạ phổ hay nhiều kênh ảnh vệ tinh Các mối quan hệ phân tích hồi quy a) Quan hệ thống kê quan hệ hàm số b) Hồi quy quan hệ nhân c) Hồi quy tương quan 2.2 Đặc trưng phổ phản xạ nước Nhìn chung, khả phản xạ phổ nước thấp so với đối tượng khác thực vật, đất có xu hướng giảm dần theo chiều tăng chiều dài bước sóng (hình 2.4) [72] Phần lượng phản xạ bề mặt nước kết hợp phần lượng sinh sau trình tán xạ hạt vật chất lơ lửng nước phản xạ lại, tạo thành lượng phản xạ nước Hình 2.4 Đặc trưng phổ phản xạ nước số đối tượng khác (nguồn Internet) 2.3 Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh VNREDSAT - 1A 2.3.1 Phương pháp hiệu chỉnh khí ảnh vệ tinh VNREDSat - 1A Có thể chia phương pháp hiệu chỉnh khí thành hai nhóm phương pháp chính: nhóm phương pháp sử dụng tham số vật lý khí quyển; nhóm phương pháp sử dụng tham số ảnh gốc Trong phạm vi luận án sử dụng mơ hình COST để hiệu chỉnh ảnh hưởng khí ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Các bước thực theo sơ đồ hình 2.8 Bước 1: Giá trị số nguyên ảnh VNREDSat-1A chuyển đổi giá trị thực xạ điện từ (spectral radiance) theo công thức sau: Lλ Gainλ DN + Biasλ = Bước 2: Chiết xuất thông tin từ tệp siêu liệu (metadata) Bước 3: Tính D, dSE, L1%λ Lλhaze Bước 4: Chuyển phản xạ bề mặt qua phép hiệu chỉnh khí COST theo công thức : 𝜌𝜆 = 𝜋.𝑑𝑆𝐸 𝐿𝜆ℎ𝑎𝑧𝑒 𝐸𝜆 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑖 Bước 5: Ở bước cuối cùng, ảnh giá trị phản xạ bề mặt 𝜌𝜆 xác định sau hiệu chỉnh khí Hình 2.15 So sánh phổ phản xạ nước trước sau hiệu chỉnh khí (nguồn gisapmaps.com) 2.3.2 Phương pháp hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Mục đích hiệu chỉnh hình học nhằm loại bớt sai lệch xảy trình chụp ảnh đưa ảnh toạ độ chuẩn để tích hợp với nguồn liệu khác Độ xác ảnh nắn ảnh hưởng trực tiếp tới độ xác đối tượng đồ Việc nắn chỉnh hình học hệ xử lý ảnh tiến hành dựa điểm khống chế mặt đất (GCPs – Ground Control Points) Các điểm khống chế phải biến động phải dễ nhận biết ảnh đồ, phải yếu tố địa vật đặc trưng thay đổi Số lượng điểm khống chế lấy phải đáp ứng yêu cầu mà phương pháp nắn bậc nắn đòi hỏi phân bố phạm vi toàn ảnh Để hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh VNREDSat-1A, luận án sử dụng phần mềm xử lý ảnh thương mại ERDAS IMAGINE 2014 Sơ đồ bước hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh VNREDSat-1A trình bày hình 2.18 Bước 1: Tạo Project làm việc Bước 2: Nhập ảnh Bước 3: Mơ hình hố nhập điểm khống chế Bước 4: Thiết lập khối ảnh Bước 5: Liên kết mơ hình đo liên kết mơ hình Bước 6: Tính tốn bình sai Bước 7: Nắn ảnh Bước 8: Cắt ghép ảnh Bước 9: Xuất liệu Tạo Project Ảnh gốc - Bản đồ - GCP - DEM Nhập ảnh Mơ hình hóa đo điểm khống chế Thiết lập khối Liên kết mơ hình đo liên kết mơ hình Tính tốn bình sai Khơng đạt Đạt Nắn ảnh Cắt, ghép ảnh Xuất liệu Hình 2.18 Sơ đồ bước hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Ảnh vệ tinh sau nắn chỉnh hình học chồng lên đồ địa hình để kiểm tra độ trùng khít đánh giá độ xác Nhìn chung, kết hiệu chỉnh có độ xác cao khu vực sai lệch có khoảng cách ≤ m ảnh toàn sắc ≤ 10 m ảnh đa phổ (Bảng 2.4) Chất lượng nắn ảnh đạt trung bình khu vực sai lệch có khoảng cách từ đến m ảnh toàn sắc 10 đến 15 m ảnh đa phổ Trong đó, độ 11 thực theo quy định Quy chuẩn quốc gia chất lượng nước mặt QCVN 08MT:2015/BTNMT 3.1.2.3 Số liệu đo phổ trường Phổ phản xạ trường đo 22 điểm (khu vực Hồ Linh Đàm, hồ Tứ Kỳ, Đầm lớn, Hồ Yên Sở Sông Hồng) với ảnh năm 2016; 23 điểm đo Hồ Tây Sơng Hồng với ảnh năm 2017 (nơi có bề mặt nước tương đối đồng nhất) xác định máy đo quang phổ cầm tay GER 1500 sử dụng nhằm tính tốn độ lệch phổ trung bình với phổ phản xạ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A theo công thức n ∑ ( ρ (λ ) − ρ (λ )) i =1 ∆ρ (λ ) = w n Bảng 3.6 Chênh lệch phổ phản xạ trường phổ phản xạ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A (đợt năm 2016) Blue band Phản xạ vệ tinh Green Red band band NIR band Phản xạ trường Blue Green Red NIR band band band band 0,118 0,103 0,065 0,059 0,074 0,061 0,062 0,056 0,102 0,106 0,070 0,073 0,086 0,067 0,068 0,062 0,101 0,091 0,081 0,070 0,087 0,071 0,076 0,050 Hồ Tứ Kỳ 0,116 0,086 0,062 0,052 0,097 0,063 0,048 0,054 Hồ Yên Sở 0,119 0,102 0,065 0,071 0,076 0,081 0,049 0,040 Hồ Yên Sở 0,101 0,091 0,067 0,075 0,082 0,065 0,065 0,042 Hồ Yên Sở 0,100 0,091 0,081 0,070 0,102 0,087 0,054 0,058 Hồ Yên Sở 0,116 0.100 0.078 0.066 0.081 0.093 0.069 0.059 Hồ Yên Sở 0,126 0,159 0,148 0,068 0,101 0,125 0,101 0,076 Đầm Lớn 0,126 0,142 0,148 0,087 0,130 0,117 0,114 0,060 Đầm Lớn 0,143 0,144 0,150 0,084 0,106 0,109 0,116 0,068 Đầm Lớn 0,125 0,142 0,143 0,064 0,112 0,139 0,099 0.072 Đầm Lớn 0,123 0,140 0,141 0,076 0,120 0,137 0,113 0,056 Sông Hồng-1 0,126 0,144 0,129 0,077 0,126 0,129 0,117 0,053 Sông Hồng-2 0,130 0,162 0,149 0,085 0,110 0,115 0,106 0,073 Điểm Hồ Linh Đàm1 Hồ Linh Đàm2 Hồ Linh Đàm3 12 Sông Hồng-3 0,128 0,160 0,131 0,084 0,130 0,132 0,109 0,059 Sông Hồng-4 0,142 0,143 0,144 0,065 0,106 0,133 0,111 0,052 Sông Hồng-5 0,125 0,158 0,144 0,078 0,130 0,137 0,117 0,062 Sông Hồng-6 0,125 0,156 0,127 0,080 0,107 0,116 0,120 0,060 Sông Hồng-7 0,153 0,150 0,139 0,089 0,131 0,135 0,107 0,070 Sông Hồng-8 0,132 0,163 0,137 0,074 0,127 0,115 0,102 0,073 Sông Hồng-9 0,144 0,160 0,130 0,069 0,112 0,118 0,107 0,057 Tổng 2,721 2,893 2,529 1,616 2,334 2,345 2,030 1,301 Δλ 0,0176 0,0249 0,0227 0,0143 Bảng 3.7.Chênh lệch phổ phản xạ trường phổ phản xạ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A (đợt năm 2017) Điểm Hồ Tây Hồ Tây Hồ Tây Hồ Tây Hồ Tây Hồ Tây Hồ Tây Hồ CV Thống Nhất Sông Hồng-1 Sông Hồng-2 Sông Hồng-3 Sông Hồng-4 Sông Hồng-5 Sông Hồng-6 Sông Hồng-7 Sông Hồng-8 Sông Hồng-9 Sông Hồng-10 Sông Hồng-11 Sông Hồng-12 Sông Hồng-13 Sông Hồng-14 Sông Hồng-15 Tổng Δλ Blue band 0,109 0,111 0,11 0,107 0,11 0,11 0,109 Phản xạ vệ tinh Green Red band band 0,096 0,073 0,099 0,078 0,098 0,073 0,093 0,07 0,095 0,073 0,098 0,075 0,098 0,073 NIR band 0,066 0,066 0,063 0,059 0,064 0,068 0,063 Phản xạ trường Blue Green Red NIR band band band band 0,083 0,071 0,056 0,049 0,095 0,077 0,062 0,055 0,096 0,081 0,07 0,056 0,088 0,073 0,054 0,047 0,085 0,071 0,055 0,046 0,091 0,075 0,059 0,048 0,093 0,077 0,06 0,051 0,107 0,093 0,07 0,059 0,09 0,083 0,063 0,052 0,135 0,135 0,134 0,134 0,132 0,135 0,139 0,137 0,133 0,134 0,134 0,144 0,141 0,135 0,142 3,77 0,0142 0,152 0,149 0,151 0,149 0,147 0,151 0,155 0,153 0,15 0,151 0,149 0,157 0,156 0,153 0,155 3,866 0,0189 0,14 0,14 0,142 0,135 0,133 0,137 0,141 0,139 0,136 0,136 0,135 0,147 0,145 0,138 0,144 3,357 0,0183 0,075 0,08 0,077 0,071 0,069 0,07 0,078 0,077 0,072 0,071 0,073 0,082 0,081 0,076 0,08 2,219 0,0099 0,11 0,121 0,115 0,121 0,111 0,117 0,119 0,121 0,115 0,121 0,116 0,122 0,118 0,121 0,122 3,251 0,115 0,127 0,119 0,129 0,127 0,119 0,125 0,122 0,123 0,127 0,126 0,125 0,125 0,128 0,135 3,16 0,107 0,108 0,11 0,105 0,107 0,111 0,112 0,103 0,105 0,111 0,114 0,113 0,108 0,113 0,117 2,681 0,069 0,066 0,061 0,065 0,062 0,059 0,066 0,065 0,058 0,055 0,053 0,063 0,066 0,063 0,067 1,806 13 3.2 Kết xử lý ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A chụp ngày 20/10/2016 21/12/2017 sau thu thập hiệu chỉnh phổ, sau hiệu chỉnh hình học nhằm loại bỏ sai số liên quan đến hình dạng ảnh đưa hệ tọa độ ảnh hệ tọa độ VN-2000 Luận án sử dụng sở liệu thông tin địa lý tỷ lệ 1: 2.000 khu vực Hà Nội để nắn ảnh Q trình hiệu chỉnh khí giúp đưa giá trị phản xạ phổ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A gần với giá trị phản xạ thực bề mặt Trái Đất 3.3 Xác định chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội từ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A 3.3.1 Xây dựng hàm quan hệ chất lượng nước phổ phản xạ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Mơ hình hồi quy tuyến tính tác giả lựa chọn trường hợp sử dụng đa kênh ảnh (2, kênh ảnh) Trong đó, với trường hợp sử dụng kênh đơn (1 kênh ảnh), mơ hình hồi quy khác hàm mũ, logarithm, đa thức, tuyến tính thử nghiệm Sau so sánh độ xác phương pháp hồi quy (sử dụng hệ số R2), mơ hình phù hợp lựa chọn nhằm đánh giá chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội 3.3.1.1 Khu vực hồ, đầm Để xây dựng hàm hồi quy thể mối quan hệ phổ phản xạ hàm lượng thông số chất lượng nước khu vực hồ, đầm Hà Nội, số liệu chất lượng nước 12 vị trí lấy mẫu sử dụng để hồi quy, vị trí cịn lại (03 vị trí cảnh ảnh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 04 vị trí cảnh ảnh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017) sử dụng để đánh giá độ xác mơ hình a) Sử dụng kênh đơn Trong trường hợp này, tác giả sử dụng phổ phản xạ mặt nước kênh riêng biệt (kênh 1, kênh 2, kênh kênh 4) ảnh vệ tinh VNREDSat-1A để đánh giá mối quan hệ với hàm lượng thông số chất lượng nước điểm đo Các mơ hình hồi quy bao gồm hồi quy tuyến tính, hồi quy hàm mũ, hồi quy đa thức hồi quy logarithm thử nghiệm để lựa chọn mơ hình có hệ số R2 cao Đối với ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 Bảng 3.8 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 hàm lượng độ đục STT Hàm hồi quy Y = 3077B1-307,70 Y = 4026,0.B2 – 398,9 Y = 4951.B3 – 318,6 Y = 3584.B4 - 159,7 R2 0,380 0,517 0,285 0,244 14 Bảng 3.9 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 hàm lượng TSS Hàm hồi quy Y = 2103.B1 – 189,2 Y = 2766,0.B2 – 253,1 Y = 3510,0.B3 - 205,5 Y = 2409.B4 - 85,83 STT R2 0,404 0,556 0,327 0,251 Bảng 3.10 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 hàm lượng COD Hàm hồi quy Y = 307,7.B1 - 23,01 Y = 346,0.B2 + 26,07 Y = 549,4.B3 + 27,94 Y = 22B4 + 9,848 STT R2 0,269 0,261 0,226 0,001 Bảng 3.11 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 hàm lượng BOD5 Hàm hồi quy Y = 155,9.B1 + 4,953 y = 193,5.B2 + 1,454 Y = 313,8.B3 – 0,061 Y = 171,9.B4 + 12,97 STT R2 0,228 0,279 0,268 0,131 Có thể nhận thấy, nhìn chung hệ số R2 hàm hồi quy thấp Như vậy, khẳng định việc sử dụng kênh đơn ảnh vệ tinh VNREDSat-1A xác định hàm lượng thông số chất lượng nước không hiệu Đối với ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 Bảng 3.12 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 hàm lượng độ đục STT Hàm hồi quy R2 Y = 483,9.B1 – 36,03 0,216 Y = 439,7.B2 – 27,43 0,558 Y = 255,0.B3 – 4,033 0,630 Y = 412,0.B4 – 12,01 0,625 Bảng 3.13 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 hàm lượng TSS STT Hàm hồi quy Y 301,4.B1 – 12,34 Y =409 ,6.B2 – 20,48 Y = 241,9.B3 + 0,973 Y = 411,1.B4 – 7,989 R2 0,072 0,417 0,489 0,622 15 Bảng 3.14 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 hàm lượng COD Hàm hồi quy Y = 362,2.B1 - 22,63 Y = 56,09.B2 + 10,95 Y =16,79.B3 + 15,2 Y = -0,691.B4 + 16,58 STT R2 0,267 0,020 0,006 0,000 Bảng 3.15 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 hàm lượng BOD5 Hàm hồi quy Y = -250,2.B1 + 33,80 Y = -119,9.B2 + 18,68 Y = -68,69.B3 + 12,22 Y = -101,4.B4 + 13,71 STT R2 0,278 0,200 0,220 0,212 Cũng với cảnh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A chụp ngày 20/10/2016, nhận thấy, việc sử dụng kênh riêng biệt để đánh giá chất lượng nước không hiệu Điều thể qua hệ số R2 đạt giá trị thấp, kể sử dụng với dạng hàm hồi quy khác b) Sử dụng đồng thời kênh Đối với ảnh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 Có thể nhận thấy, sử dụng hai kênh 3, ảnh vệ tinh VNREDSat-1A chụp ngày 20/10/2016, hàm hồi quy có giá trị số R2 không cao so với phương án khác, đặc biệt thông số COD BOD5 (giá trị R2 nhỏ 0,3) Bảng 3.16 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 hàm lượng thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Độ đục (NTU) TSS (mg/l) COD(mg/l) BOD5 (mg/l) Hàm hồi quy R2 Y = 7911,141B1 - 3639,164B2 – 412,963 Y = 5564,189B1 - 2620,24B2 – 263,216 Y = 187,181B1 + 148,833B2 - 25,5021 Y = 288,8224B1 – 89,272B2 + 1,112 0,567 0,615 0,585 0,286 Bảng 3.17 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 hàm lượng thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Độ đục (NTU) TSS (mg/l) COD(mg/l) BOD5 (mg/l) Hàm hồi quy R2 Y = -3139,07B1 + 4660,2637B3 – 260,141 Y = -1139,34B1 + 2678,298B3 - 171,936 Y = 121,4218B1 + 246,528B3 - 24,854 Y = 345,925B1 – 18,483B3 - 0,293 0,394 0,409 0,572 0,269 16 Bảng 3.18 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 hàm lượng thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Độ đục (NTU) TSS (mg/l) COD(mg/l) BOD5 (mg/l) Hàm hồi quy R2 Y = 2039,173B1 + 2473,265B4 – 350,359 Y = 1343,563B1 + 1705,715B4 – 217,29 Y = -208,995B1 + 369,677B4 - 18,645 Y = 91,443B1 + 128,846B4 + 3,042 0,444 0,468 0,470 0,258 Bảng 3.19 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 hàm lượng thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Độ đục (NTU) TSS (mg/l) COD(mg/l) BOD5 (mg/l) Hàm hồi quy R2 Y = -12294,7B2 + 11040,09B3 – 278,774 Y = -7461,84B2 + 7023,817B3 - 180,193 Y = 80,964B2 + 299,879B3 - 26,865 Y = 105,955B2 + 133,073B3 + 0,418 0,709 0,717 0,473 0,282 Bảng 3.20 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 hàm lượng thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Độ đục (NTU) TSS (mg/l) COD(mg/l) BOD5 (mg/l) Hàm hồi quy R2 Y = 1556,046B2 + 3486,267B4 – 424,616 Y = 1001,583B2 + 2419,444B4 – 269,649 Y = -224,735B2 + 424,039B4 - 22,372 Y = 74,362B2 + 167,720B4 + 0,230 0,554 0,590 0,487 0,299 Bảng 3.21 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 hàm lượng thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Độ đục (NTU) TSS (mg/l) COD(mg/l) BOD5 (mg/l) Hàm hồi quy R2 y = 2405,026B4 + 3699,807B3 – 358,889 Y = 1546,88B4 + 2705,292B3 – 231,445 Y = -183,65B4 + 645,027B3 - 24,8733 Y = 86,199B4 + 268,965B042 - 1, 0,378 0,413 0,407 0,296 Đối với ảnh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 Bảng 3.22 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 hàm lượng thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Độ đục (NTU) TSS (mg/l) COD(mg/l) BOD5 (mg/l) Hàm hồi quy R2 Y = -55,110B1 + 460,347B2 – 23,53 Y = -317,231B1 + 528,388B2 + 2,009 Y = 527,923B1 – 141,474B2 - 26,476 Y = -195,39B1 -46,849B2 + 32,535 0,559 0,463 0,339 0,295 17 Bảng 3.23 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 hàm lượng thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Độ đục (NTU) TSS (mg/l) COD(mg/l) BOD5 (mg/l) Hàm hồi quy R2 Y = -71,063B1 + 268,949B3 + 2,539 Y = -332,299B1 + 307,130B3 + 31,705 Y = 550,692B1 – 91,312B3 - 35,730 Y = -182.349B1 – 32,903B3 + 29,088 0,633 0,542 0,374 0,309 Bảng 3.24 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 hàm lượng thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Độ đục (NTU) TSS (mg/l) COD(mg/l) BOD5 (mg/l) Hàm hồi quy R2 Y = -122,518B1 +447,829B4 – 1,226 Y = -422,533B1 + 534,646B4 + 29,213 Y = 601,209B1 - 176,447B4 - 36,349 Y = -186,82B1 – 46,837B4 + 30,167 0,734 0,709 0,445 0,306 Bảng 3.25 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 hàm lượng thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Độ đục (NTU) TSS (mg/l) COD(mg/l) BOD5 (mg/l) Hàm hồi quy R2 Y = -727,474B2 + 646,136B3 +37,136 Y = -949,75B2 + 752,546B3 + 54,722 Y = 896,238B2 - 465,085B3 - 35,521 Y = 143,573B2 – 145,893B3 + 4,099 0,675 0,554 0,153 0,229 Bảng 3.26 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 hàm lượng thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Độ đục (NTU) TSS (mg/l) COD(mg/l) BOD5 (mg/l) Hàm hồi quy R2 Y = -407,989B2 + 731,405B4 + 6,618 Y = -721,212B2 + 975,722B4 + 24,946 Y = 614,008B2 – 481,365B4 - 11,454 Y = -25,764B2 – 81,282B4 + 14,895 0,770 0,743 0,223 0,213 Bảng 3.27 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 hàm lượng thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Độ đục (NTU) TSS (mg/l) COD(mg/l) BOD5 (mg/l) Hàm hồi quy R2 Y = -198,516B3 + 792,741B4 - 16,163 Y = -426,793B3 + 1036,166B4 - 16,912 Y = 314,099B3 - 460,692B4 + 23,152 Y = -58,803B3 – 15,335B4 + 12,489 0,746 0,706 0,116 0,221 18 c) Sử dụng đồng thời kênh Đối với ảnh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 Bảng 3.28 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh 1, 2, ảnh vệ tinh VNREDSat1A ngày 20/10/2016 hàm lượng thông số chất lượng nước STT Thông số chất Hàm hồi quy lượng nước Độ đục (NTU) Y = -1188,25B1 + 11882,3B2 - 11547,4B3 – 290,646 TSS (mg/l) Y = -1196,15B1 + 7871,617B2 - 6709,58B3 – 192,144 COD(mg/l) Y = 151,929B1 + 192,196B2 – 14,584B3 - 25,348 BOD5 (mg/l) Y = -187,069B1 +224,489B2 + 187,069B3 - 0,870 R2 0,714 0,728 0,585 0,295 Bảng 3.29 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh 1, 2, ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 hàm lượng thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Độ đục (NTU) TSS (mg/l) COD(mg/l) BOD5 (mg/l) Hàm hồi quy Y = -3668,46B1 + 7396,696B2 + 1572,952B4 – 438,989 Y = -2639,12B1 + 5232,636B2 + 1013,745B4 – 279,99 Y = 153,033B1 + 260,913B2 - 225,441B4 – 21,772 Y = -90,665B1 + 264,635B2 + 74,780B4 - 0,126 R2 0,605 0,651 0,600 0,306 Bảng 3.30 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh 1, 3, ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 hàm lượng thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Độ đục (NTU) TSS (mg/l) COD(mg/l) BOD5 (mg/l) Hàm hồi quy Y = 4102,633B1 - 3240,23B3 + 2054,119B4 – 301,529 Y = 2312,052B1 - 1205,79B3 + 1349,125B4 – 199,119 Y = 303,429B1 + 131,744B3 - 209,603B4 – 20,631 Y = -42,879B1 + 341,499B3 + 89,868B4 + 18,97 R2 0,460 0,473 0,674 0,298 Bảng 3.31 Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ kênh 2, 3, ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 hàm lượng thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Độ đục (NTU) TSS (mg/l) COD(mg/l) BOD5 (mg/l) Hàm hồi quy R2 Y = 10416,25B2 - 12027,2B3 + 1358,28B4 – 303,766 Y = 6618,844B2 - 7288,2B3 + 881,741B4 – 196,417 Y = 402,820B2 + 36,827B3 - 224,13B4 - 22,742 Y = 98,006B2 + 120,990B3 + 76,351B4 - 0,986 0,737 0,744 0,687 0,303 ... định hàm lượng chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội từ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat- 1A CHƯƠNG THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT KHU VỰC HÀ NỘI TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH VNREDSAT- 1A 3.1... nhằm xây dựng quy trình giám sát chất lượng nước mặt số sông, hồ, đầm khu vực Hà Nội từ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat - 1A Đối tượng phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu: đối tượng nghiên cứu. .. hàm lượng thơng số chất lượng nước mặt từ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat- 1A Những điểm luận án • Xây dựng quy trình cơng nghệ, giám sát mơi trường nước mặt thông qua thông số chất lượng nước mặt từ