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

-1A – 2018 -1A – 9.52.05.03 – 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu khoa học riêng tơi Các số liệu trình bày luận án phản ánh hoàn toàn trung thực Các kết nghiên cứu luận án chưa có cơng bố cơng trình nghiên cứu Hà Nội ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Đinh Thị Thu Hiền ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH VẼ xi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu 3 Nội dung nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Những điểm luận án Luận điểm bảo vệ Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Cơ sở tài liệu thực luận án 10 Cấu trúc luận án LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan tài nguyên nước mặt Việt Nam 1.2 Các nguyên nhân gây ô nhiễm nước mặt 12 1.2.1 Ô nhiễm nước thải sinh hoạt 12 1.2.2 Ô nhiễm nước thải công nghiệp 13 1.2.3 Ô nhiễm nước thải y tế 15 1.2.4 Ô nhiễm nước thải nông nghiệp, làng nghề 15 1.3 Các thông số chất lượng môi trường nước mặt 16 1.4 Tổng quan nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thámgiám sát chất lượng nước mặt 20 iii 1.4.1 Khả ứng dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu chất lượng nước mặt 20 1.4.2 Tình hình nghiên cứu giới 25 1.4.3 Tình hình nghiên cứu nước 34 1.5 Đặc điểm liệu ảnh vệ tinh VNREDSAT-1A 41 1.6 Kết luận chương 44 CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG QUY TRÌNH 46 CƠNG NGHỆ GIÁM SÁT NƯỚC MẶT TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH VNREDSAT-1A 46 2.1 Cơ sở khoa học phương pháp ứng dụng liệu viễn thám đánh giá chất lượng nước 46 2.1.1 Bức xạ trực tiếp đối tượng nước tính chất quang học bất biến 46 2.1.2 Bức xạ gián tiếp đối tượng nước quan trắc liệu viễn thám48 2.1.3 Phương pháp xác định hàm lượng thông số chất lượng nước từ liệu viễn thám 49 2.1.4 Cơ sở khoa học phân tích hồi quy 51 2.2 Đặc trưng phổ phản xạ nước 53 2.3 Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh VNREDSAT - 1A 59 2.3.1 Phương pháp hiệu chỉnh khí ảnh vệ tinh VNREDSat - 1A 59 2.3.2 Phương pháp hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh VNREDSat-1A 65 2.4 Phương pháp đo phổ trường 73 2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xác kết xác định hàm lượng thông số chất lượng nước 75 2.6 Phương pháp lấy mẫu chất lượng nước 79 2.7 Nghiên cứu xây dựng quy trình cơng nghệ giám sát nước mặt từ liệu ảnh vệ tinh VNREDSAT-1A 80 2.8 Kết luận chương 84 iv CHƯƠNG 3.THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG MỘT SỐ THÔNG SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT KHU VỰC HÀ NỘI TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH VNREDSAT-1A 85 3.1 Đặc điểm khu vực nghiên cứu liệu sử dụng 85 3.1.1 Khu vực nghiên cứu 85 3.1.2 Dữ liệu sử dụng 89 3.1.2.1 Dữ liệu viễn thám 89 3.1.2.2 Số liệu quan trắc 93 3.1.2.3 Số liệu đo phổ trường 100 3.2 Kết xử lý ảnh vệ tinh VNREDSAT-1A 104 3.3 Xác định chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội từ liệu ảnh vệ tinh VNREDSAT-1A 108 3.3.1 Xây dựng hàm quan hệ chất lượng nước phổ phản xạ ảnh vệ tinh VNREDSAT-1A 108 3.3.1.1 Khu vực hồ, đầm 108 3.3.1.2 Khu vực sông Hồng 124 3.3.2 Đánh giá độ xác kết hồi quy 126 3.4 Đánh giá chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A 128 3.5 Kết luận chương 135 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 136 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO 139 PHỤ LỤC v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên đầy đủ tiếng anh Geographical GIS Information System Tên đầy đủ tiếng việt Hệ thống thông tin địa lý Chỉ số chất lượng nước WQI Water Quality Index TSS Total Suspended Sediment BOD COD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học Tổng hàm lượng chất lơ lửng Vietnam Natural Resources, Vệ tinh Việt Nam quan sát VNREDSAT- Environment and Disaster tài nguyên thiên nhiên, môi 1A monitoring Satellite-1A trường thiên tai TM Thematic Mapper ETM+ Enhanced Thematic Mapper Pl OLI Operational Land Imager Satellites Pour l'Observation de SPOT la Terre or Earth-observing Satellites Cảm biến tài nguyên mặt đất đa phổ Cảm biến tài nguyên mặt đất đa phổ độ phân giải cao Bộ chụp ảnh bề mặt trái đất Vệ tinh quan sát trái đất Pháp Moderate Resolution Imaging Bộ chụp ảnh phổ kế xạ MODIS Spectroradiometer độ phân giải trung bình vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1.Một số đặc trưng hệ thống sơng Việt Nam Bảng 1.2.Các hồ chứa thủy lợi, thủy điện quan trọng 11 Bảng 1.3 Tổng lượng nước thải thải lượng chất ô nhiễm nước thải từ khu công nghiệp [5] 14 Bảng 1.4 Giá trị giới hạn thông số chất lượng nước mặt (theo QCVN 08MT:2015/BTNMT)[7] 17 Bảng 1.5 Các cảm viễn thám sử dụng phổ biến đánh giá chất lượng nước [38] 21 Bảng 1.6 Đặc điểm số cảm siêu phổ sử dụng đánh giá chất lượng nước [38] 22 Bảng 1.7 Đặc điểm số cảm siêu cao tần sử dụng hải dương học đánh giá chất lượng nước [38] 24 Bảng 1.8 Tổng quan thông số vệ tinh VNREDSat-1A (nguồn VAST) 42 Bảng 1.9 Một số thông số ảnh vệ tinh VNREDSat-1A (nguồn VAST) 43 Bảng 2.1 Độ thấu quang nước phụ thuộc bước sóng [22] 59 Bảng 2.2 Giá trị Gian Bias kênh phổ ảnh VNREDSat-1A (nguồn VAST) 64 Bảng 2.3 Đánh giá chất lượng hiệu chỉnh hình học ảnh VNREDSat-1A 73 Bảng 2.4 Phương thức bảo quản thời gian lưu trữ số tiêu chất lượng nước 77 Bảng 2.5 So sánh độ xác kết xây dựng hàm hồi quy phổ phản xạ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 (trước sau hiệu chỉnh khí quyển) hàm lượng thơng số chất lượng nước khu vực Sông Hồng 78 Bảng 2.6 So sánh độ xác kết xây dựng hàm hồi quy phổ phản xạ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 (trước sau hiệu chỉnh khí quyển) hàm lượng thơng số chất lượng nước khu vực Sông Hồng 78 vii Bảng 2.7 Các tiêu chất lượng nước mặt sử dụng luận án 80 Bảng 3.1 Một số hồ nội thành Hà Nội [13] 87 Bảng 3.2.Tọa độ điểm lấy mẫu chất lượng nước đợt 94 Bảng 3.3 Tọa độ điểm lấy mẫu chất lượng nước đợt 96 Bảng 3.4 Kết phân tích chất lượng nước điểm lấy mẫu đợt 97 Bảng 3.5.Kết phân tích chất lượng nước điểm lấy mẫu đợt 98 Bảng 3.6 Chênh lệch phổ phản xạ trường phổ phản xạ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A (đợt năm 2016) 101 Bảng 3.7 Chênh lệch phổ phản xạ trường phổ phản xạ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A (đợt năm 2017) 103 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 110 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 110 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 111 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 111 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 112 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 112 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 113 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 113 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 114 viii 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 114 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 115 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 115 Bảng 3.20 Kết xác định hàm hồi quy phản xạ phổ kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 hàm lượng thông số chất lượng nước 115 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 116 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 116 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 117 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 117 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 117 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 118 PHỤ LỤC SƠ ĐỒ CÁC ĐIỂM LẤY MẪU CHẤT LƯỢNG NƯỚC NĂM 2016 VÀ 2017 Sơ đồ điểm lấy mẫu chất lượng nước ngày 20/10/2016 Sơ đồ điểm lấy mẫu chất lượng nước ngày 21/12/2017 PHỤ LỤC ẢNH VNREDSAT-1 NGÀY 20/10/2016 VÀ 21/12/2017 VNREDSAT-1 DIMAP product data-sheet Type VNREDSAT1 SCENE level 1A Layer SCENE V1 M 2016-10-20 03:41:00.644588 Format DIMAP Raster GEOTIFF General Information Map Name SCENE V1 M 2016-10-20 03:41:00.644588 Geometric Processing Level SYSTEM Radiometric Processing Level SYSTEM Image dimensions Number of pixels per line Number of lines Number of spectral bands Corner #1 #2 #3 #4 Center Longitude (DEG) E105°45' 42" E105°57' 19" E105°43' 07" E105°54' 45" E105°50' 14" 1750 1750 Dataset framing Latitude (DEG) N21°01' 01" N20°59' 49" N20°49' 45" N20°48' 34" N20°54' 50" Line 1 1750 1750 875 Dataset sources SCENE V1 M 2016-10-20 03:41:00.644588 Id SCENE V1 M 2016-10-20 03:41:00.644588 K-J Line shift Date 2016-10-20 Time 03:41:00.644588 Instrument NAOMI1 Sensor MS Satellite incidence angle 29.205215 Satellite azimuth angle 35.039094 Viewing angle along track 24.232418 Viewing angle across track -11.003249 Sun azimuth 153.034305 Sun elevation 55.534784 NOT-DEFINED Pixel 1750 1750 875 VNREDSAT-1 DIMAP product data-sheet Data strip id Filename Revolution number Calibration type Calibration filename BAND DESCRIPTION Dataset Strip / Calibration VNREDSAT_1_2016294_18435_3072_MS.lv0 18435 NOMINAL VNREDSAT_1_20160324_070000_20160325_000000.CPF Band Gain number : Physical Gain : 1.6382548072236700e+00 Physical Bias : 0.0000000000000000e+00 Band Gain number : Physical Gain : 1.6213056650501201e+00 Physical Bias : 0.0000000000000000e+00 Band Gain number : Physical Gain : 1.8478962570830899e+00 Physical Bias : 0.0000000000000000e+00 Band Gain number : Physical Gain : 2.5112173640667201e+00 Physical Bias : 0.0000000000000000e+00 Coordinate Reference System Horizontal Coordinate System Geocoding tables identification Horizontal Coordinate System type Horizontal coordinate system identification name Geographic Coordinate System EPSG(5.2) GEOGRAPHIC WGS 84 Production Production Date Job identification Product type identification Dataset Producer Identification Producer link NOT-DEFINED 2016-10-21 02:34:17.000000 V20161020_034100_X1A VNREDSAT1 SCENE ENRMS http://www.vast.ac.vn VNREDSAT-1 DIMAP product data-sheet Quicklook NOT-DEFINED VNREDSAT-1 DIMAP product data-sheet Type VNREDSAT1 SCENE level 1A Layer SCENE V1 M 2017-12-21 03:28:04.071232 178 Format DIMAP Raster GEOTIFF General Information Map Name SCENE V1 M 2017-12-21 03:28:04.071232 178 Geometric Processing Level SYSTEM Radiometric Processing Level SYSTEM Image dimensions Number of pixels per line Number of lines Number of spectral bands Corner #1 #2 #3 #4 Center Longitude (DEG) E105°46' 31" E105°58' 59" E105°44' 00" E105°56' 30" E105°51' 32" 1750 1750 Dataset framing Latitude (DEG) N21°07' 06" N21°06' 26" N20°55' 51" N20°55' 13" N21°01' 11" Line 1 1750 1750 875 Dataset sources SCENE V1 M 2017-12-21 03:28:04.071232 178 Id SCENE V1 M 2017-12-21 03:28:04.071232 178 K-J Line shift 178 Date 2017-12-21 Time 03:28:04.071232 Instrument NAOMI1 Sensor MS Satellite incidence angle 32.178501 Satellite azimuth angle 45.355742 Viewing angle along track 24.424125 Viewing angle across track -17.035573 Sun azimuth 153.747724 Sun elevation 40.968482 NOT-DEFINED Pixel 1750 1750 875 VNREDSAT-1 DIMAP product data-sheet Data strip id Filename Revolution number Calibration type Calibration filename BAND DESCRIPTION Dataset Strip / Calibration VNREDSAT_1_2017355_24678_3073_MS.lv0 24678 NOMINAL VNREDSAT_1_20171129_233000_20171130_000000.CPF Band Gain number : Physical Gain : 1.6382548072236700e+00 Physical Bias : 0.0000000000000000e+00 Band Gain number : Physical Gain : 1.6213056650501201e+00 Physical Bias : 0.0000000000000000e+00 Band Gain number : Physical Gain : 1.8478962570830899e+00 Physical Bias : 0.0000000000000000e+00 Band Gain number : Physical Gain : 2.5112173640667201e+00 Physical Bias : 0.0000000000000000e+00 Coordinate Reference System Horizontal Coordinate System Geocoding tables identification Horizontal Coordinate System type Horizontal coordinate system identification name Geographic Coordinate System EPSG(5.2) GEOGRAPHIC WGS 84 Production Production Date Job identification Product type identification Dataset Producer Identification Producer link NOT-DEFINED 2018-01-22 08:39:39.000000 V20171221_032803_X1A VNREDSAT1 SCENE ENRMS http://www.vast.ac.vn VNREDSAT-1 DIMAP product data-sheet Quicklook NOT-DEFINED PHỤ LỤC PHIẾU KẾT QUẢ THỬ NGHIỆMMẪU NƯỚC NGÀY 20/10/2016 VÀ 21/12/2017 ... 9.52.05.03 – 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu khoa học riêng tơi Các số liệu trình bày luận án phản ánh hoàn toàn trung thực Các kết nghiên cứu luận án chưa có... cứu Những điểm luận án Luận điểm bảo vệ Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Cơ sở tài liệu thực luận án 10 Cấu trúc luận án LỜI CẢM ƠN ... kết nghiên cứu luận án chưa có cơng bố cơng trình nghiên cứu Hà Nội ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Đinh Thị Thu Hiền ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC