Bài viết giới thiệu cách tiếp cận mới trong việc sử dụng ảnh Synthetic Aperture Radar (SAR) Sentinel-1 vào xây dựng mới đường đặc tính hồ chứa cho các hồ chưa có và hiệu chỉnh lại đường đặc tính hồ chứa cho các hồ đã có đường đặc tính có dung tích trên một triệu m3 của khu vực Tây Nguyên.
BÀI BÁO KHOA HỌC CÁCH TIẾP CẬN MỚI XỬ LÝ DỮ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM RADAR SENTINEL-1 VÀO VIỆC XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH HỒ CHỨA Nguyễn Vũ Việt1, Nguyễn Quốc Hiệp2 Tóm tắt: Bài báo giới thiệu cách tiếp cận việc sử dụng ảnh Synthetic Aperture Radar (SAR) Sentinel-1 vào xây dựng đường đặc tính hồ chứa cho hồ chưa có hiệu chỉnh lại đường đặc tính hồ chứa cho hồ có đường đặc tính có dung tích triệu m3 khu vực Tây Nguyên Bài báo giới thiệu đặc điểm tán xạ ngược phân cực ảnh radar số đất khô, đất ẩm đất ngập nước; bước tiền xử lý ảnh Sentinel-1, vấn đề gặp phải xây dựng thuật toán giải đoán ảnh Kết nghiên cứu báo tiền đề bước đầu để hoàn thiện giải pháp xây dựng đường đặc tính hồ chứa từ ảnh vệ tinh miễn phí mở hướng giải cho nhu cầu thành lập đồ lũ, kiểm kê tài nguyên nước Từ khoá: Viễn thám, Sentinel-1, Hồ chứa, Đường đặc tính diện tích mặt hồ, Đường đặc tính dung tích hồ ĐẶT VẤN ĐỀ* Việt Nam có 108 lưu vực sơng với khoảng 3450 sơng, suối tương đối lớn có hệ thống sơng lớn có diện tích lưu vực lớn 10.000 km2, gồm lưu vực sơng Hồng, Thái Bình, Bằng Giang - Kỳ Cùng, Mã, Cả, Vu Gia Thu Bồn, Ba, Đồng Nai sông Cửu Long Tổng lượng nước mặt trung bình năm khoảng 830-840 tỷ m3, 60% lượng nước sản sinh từ nước ngồi, có khoảng 310-320 tỷ m3 sản sinh lãnh thổ Việt Nam Lượng nước bình quân đầu người 9.000 m3/năm Nước đất có tổng trữ lượng tiềm khoảng 63 tỷ m3/năm, phân bố 26 đơn vị chứa nước lớn, tập trung chủ yếu Đồng Bắc Bộ, Nam Bộ khu vực Tây Nguyên Về hồ chứa, lưu vực sơng có dung tích hồ chứa lớn gồm: sơng Hồng (khoảng 30 tỷ m3); sông Đồng Nai (trên 10 tỷ m3); sông Sê San (gần 3,5 tỷ m3); sông Mã, sông Cả, sông Hương, sông Vũ Gia - Thu Bồn sơng Srêpok (có tổng dung tích hồ chứa từ gần tỷ m3 đến tỷ Viện KHTL Việt Nam Trung tâm Công nghệ phần mềm Thủy lợi m3).Vai trò cơng trình hồ chứa để phân phối lại dòng chảy sơng theo thời gian khơng gian cho thích ứng với nhu cầu dùng nước ngành kinh tế, làm sở cho việc quy hoạch, sử dụng tài nguyên nước hợp lý, đảm bảo cân đối cung cầu giảm nhẹ lũ cho hạ lưu việc làm cần thiết Đường đặc tính lòng hồ chứa (quan hệ Z-FW) sử dụng trìnhđiều tiết nước mùa lũ phân phối nước mùa kiệt Theo thống kê gần Tổng cục Thủy lợi Việt Nam có khoảng 6636 hồ chứa có khoảng 474 hồ chứa có đường đặc tính lòng hồ 6162 hồ chứa chưa có đường đặc tính lòng hồ Để điều tiết phân phối nước cho hồ chứa chưa có đường đặc tính lòng hồ, đơn vị quản lý hồ coi đường đặc tính lòng hồ tuyến tính theo đường thẳng, nghĩa dựa mực nước chết ứng với dung tích chết mực nước dâng bình thường ứng với dung tích mực nước dâng bình thường để nội suy dung tích nước hồ từ số liệu đo mực nước Với cách làm này, kết thường có sai số tương đối lớn sử dụng để vận hành hồ chứa KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 155 Ngay hồ chứa có đường đặc tính lòng hồ số liệu khơng xác nhiều hồ xây dựng từ lâu, tình hình bồi lắng, xói lở làm thay đổi bề mặt đáy hồ chứa, nên cần phải kiểm tra để hiệu chỉnh lại Chi phí để đo vẽ xây dựng lại đường đặc tính hồ chứa theo phương pháp truyền thống lớn,khoảng từ 300 đến 400 triệu cho hồ chứa Trước tình hìnhnhư vậy, buộc nhà khoa học phải tìm cách làm để xây dựng đường đặc tính lòng hồ chứa với kinh phí tốn kém, xác định nhanh có độ tin cậy cao Đó sử dụng ảnh viễn thám miễn phí Bài viết trình bày nét cách tiếp cận sử dụng ảnh viễn thám miễn phí radar Sentinel-1 vào xây dựng đường đặc tính lòng hồ kết mà mang lại CÁCH TIẾP CẬN Để xây dựng đường đặc tính lòng hồ chứa cần có số liệu mực nước, số liệu diện tích mặt hồ dung tích hồ ứng với mực nước Hướng tiếp cận nhóm nghiên cứu sử dụng số liệu mực nước hồ chứa (Z) cập nhậthàng ngày từ thiết bị quan trắc mực nước tự động hoặccập nhật thủ công vào hệ thống http://thuyloivietnam.vn (đây trang web thống Tổng cục Thủy lợi thuộc Bộ NN&PTNT) Nguồn liệu ảnh vệ tinh Sentinel-1 thu thập từ trang web https://scihub.copernicus.eu/dhus/ Cơ quan Vũ trụ châu Âu (tiếng Anh: European Space Agency, viết tắt: ESA)để nghiên cứu xác định diện tích mặt nước hồ (F) Từ đường quan hệ ZF nhiều năm, nhóm nghiên cứu phân tích xử lý để xây dựng đường quan hệ Z-F-W lòng hồ Diện tích mặt hồ chứa xác định dựa vào kết giải đoán ảnh vệ tinh Trước có ảnh vệ tinh radar miễn phí Sentinel-1 việc ứng dụng ảnh vệ tinh để giải đốn diện tích mặt hồ không khả thi ảnh miễn phí có độ phân giải trung bình thấp nên sai số cao Thêm vào đa phần ảnh miễn phí ảnh quang học loại ảnh bị ảnh hưởng mây mù che phủ mặt hồ chứa Nếu sử dụng ảnh viễn thám siêu cao có phí chi phí lại q cao so với phương pháp đo đạc truyền thống.Từ năm 156 2015, quan ESA châu Âu bắt đầu chia sẻ miễn phí loại ảnh vệ tinh Sentinel với độ phân giải cao giúp mở cách tiếp cận xây dựng đường đặc tính hồ chứa Vệ tinh Sentinel1A Sentinel-1B cung cấp ảnh radar với độ phân giải không gian mặt đất 10m, không bị ảnh hưởng mây che phủ, không phụ thuộc vào thời tiết, nhạy cảm với bề mặt nước nguồn tư liệu quý báu để xây dựng đường đặc tính hồ với chi phí thấp Đối với khu vực Việt Nam, 12 ngày có ảnh Sentinel-1 chụp khu vực rút ngắn lại ngày có ảnh vệ tinh S1A S1B bay chụp đan xen 180 độ Có hai phương pháp để xác định diện tích bề mặt hồ chứa Phương pháp thứ dùng nhân lực sử dụng phần mềm chuyên dụng ArcGIS, ENVI,… để khoanh vi diện tích bề mặt hồ chứa ảnh Phương pháp thực đơn giản người số hóa dễ dàng xác định đâu hồ chứa, đâu nhiễu bóng địa hình gây Tuy nhiên phương pháp khó khả thi số lượng hồ chứa nước lớn, số lượng ảnh nhiều, chi phí nhân cơng để thực công việc tốn Phương pháp thứ hai sử dụng thuật toán để tự động nhận biết điểm ảnh hồ chứa Phương pháp khả thi nhiên gặp khó khăn nhiều phải xử lý nhiễu ảnh radar Nhóm nghiên cứu định sử dụng phương pháp thứ hai phương pháp tự động giải đốn ảnh để xác định diện tích mặt nước hồ Phương pháp mẻ Việt Nam để xây dựng thuật toán phải hiểu chất ảnh radar phải chuyên gia lập trình xử lý tốn tính tốn khoa học Các bước thực hiện: - Tìm hiểu đặc tính ảnh radar Sentinel-1, - Quy trình tiền xử lý ảnh, - Thuật toán giải đoán ảnh, - Xác định Z ~ F ~ W Một khó khăn mà nhóm nghiên cứu gặp phải xử lý nhiễu ảnh radar Đối với hồ có dạng hình tròn sai số giải đốn thấp nhất, hồ có hình dạng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) dài, có chiều dài đường mép nước lớn sai số giải đoán ảnh lớn Để giảm nhiễu nhóm sử dụng cửa sổ 5x5 để lọc trung bình điểm ảnh Dưới chi tiết bước thực 2.1 Đặc tính ảnh radar Sentinel-1 Để xác định diện tích mặt nước hồ, cần phải xác định vị trí hồ chứa nước, vị trí mặt nước khơng phải hồ chứa nước Mặt nước hồ chứa khác so với vùng mặt nước khác vùng đất ngập nước, vùng bị lũ lụt.Vùng nước hồ chứa vùng nước tích tụ nước với lượng nước đáng kể (nước mặn, nước lợ, nước ngọt), nhận nước từ đại dương, sông suối, mưa,… tới hồ.Vùng bị ngập nước vùng chuyển tiếp từ hệ sinh thái khô sang trạng thái bị ướt vĩnh viễn, bao gồm hệ sinh thái đất than bùn, đầm lầy, rừng ngập lũ, đồng cỏ ướt, vùng ngập nước, khu rừng ngập mặn Nó nơi cư trú hệ thực vật động vật phù hợp với điều kiện độc Vùng đất ngập nước có tầm quan trọng đặc biệt Nó mơi trường sống động vật chuyên ngành thực vật, hồ chứa đa dạng sinh học Nó có chức lọc nước tham gia nhiều chức chu kỳ carbon, nguồn sinh CH4, than bùn dạng khí CO2.Vùng lũ vùng đất khơ bị ngập nước, xảy dọc theo sông, hồ, bờ biển khu vực phẳng bị bão hòa nước, ví dụ sau mưa to Vùng lũ gây tổn hại thể chất ảnh hưởng đến nguồn cung cấp nước, thức ăn trồng lây lan bệnh nước gây Dựa chế độ tán xạ ngược khác mặt nước mặt đất, lập đồ loại mặt nước vùng nước, vùng đất ngập nước, vùng ngập Các bề mặt nước tĩnh xuất mịn gây tán xạ gương dẫn đến tán xạ ngược thấp Đối với bề mặt đất xung quanh xuất nhiều gồ ghề địa hình gây tán xạ ngược lớn Sự khác biệt chế tán xạ ngược bề mặt nước mở bề mặt đất khô Đất khô Đất lũ có cao che phủ Dựa vào độ ẩm đất để phân loại vùng nước Độ nhạy thay đổi độ ẩm đất để xác định vùng có nước, vùng khơng có nước mặt nước thực vật Đối với bề mặt nước mở, xuất tán xạ gương Đối với vùng đất có diện tích đất nơng nghiệp bước sóng dài thích hợp thâm nhập thực vật tốt Tăng cường trở lại che phủ nước (hiệu gấp đôi - mặt nước mịn - cấu trúc thảm thực vật theo chiều dọc) Chất chống ăn mòn nâng cao cho đất ướt Đối với đất lũ có cao che phủ giá trị tán xạ ngược mạnh so với đất khơ có che phủ KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 157 Đất ẩm Đất bị ngập lũ Có thể thấy tán xạ ngược gia tăng từ đất khô đến đất ẩm có gia tăng độ ẩm đất Sau mực nước tăng, tán xạ ngược trở nên yếu tượng tán xạ gương (phân tán khỏi cảm biến thu) Các phân cực ảnh radar: Ảnh radar có phân cực VV, HH, VH HV Phân cực HH tốt để phát vùng đất ngập nước bị ảnh hưởng cấu trúc thực vật theo chiều dọc Phân cực VV nhạy cảm với điều kiện ẩm ướt độ ẩm đất Các phân cực chéo HV tốt cho việc phân biệt kiểu thảm thực vật thân thảo với gỗ (nhạy cảm với sinh khối) Ở khu vực Việt Nam, ESA cung cấp hai phân cực VV VH ảnh Sentinel-1 Bài viết sử dụng phân cực VH ảnh Sentinel-1 để phát tách điểm ảnh nước hồ chứa Phân cực VH có khả tách nhiễu bóng địa hình với đường mép nước hồ chứa tốt Dưới bước tiền xử lý ảnh(bước chạy từ 30 đến 40 phút) quy trình giải đốn ảnh (hết phút để giải đoán, 30 phút để cập nhật vào Cơ sở liệu gần hai phút để tính diện tích hồ chứa cảnh ảnh cập nhật 2.2 Quy trình tiền xử lý ảnh Sentinel-1 Trước tiến hành giải đoán, ảnh cần tiền xử lý phần mềm miễn phí Snap Desktop sau tải máy tính từ trang chủ https://scihub.copernicus.eu/dhus, quy trình sau: Hình Hồ Krơng-Buk Hạ lọc với giá trị dB