Ứng dụng ảnh vệ tinh Landsat giám sát biến động dung tích hồ chứa Kẻ Gỗ

Việc giám sát biến động nguồn tài nguyên nước mặt một cách chính xác, kịp thời để hỗ trợ ra quyết định, chính sách hợp lý, hiệu quả là một yêu cầu cấp bách hiện nay. Những năm gần đây, công nghệ viễn thám kết hợp với công nghệ GIS thường được sử dụng để trích xuất đường ranh giới mặt nước và công tác thành lập bản đồ. Bài báo này tập trung nghiên cứu ứng dụng ảnh viễn thám Landsat 7 ETM+ tính toán các chỉ số NDWI (chỉ số khác biệt nước tiêu chuẩn) và chỉ số MNDWI (chỉ số khác biệt nước tiêu chuẩn có điều chỉnh) [1], [2] để trích xuất đường ranh giới mặt nước hồ Kẻ Gỗ từ năm 2011 đến năm 2016, từ đó, giám sát được mức độ biến động dung tích hồ chứa tương ứng theo từng năm.

Kết nghiên cứu KHCN Ứng dụng ảnh vệ tinh Landsat giám sát biến động dung tích hồ chứa Kẻ Gỗ Nguyễn Thiện Sơn1, Vũ Huy Chưởng1, Phạm Đình Kiên1, Nguyễn Thị Nguyệt1, Phạm Thị Dung2, Trần Thị Quỳnh Liên3 1.Viện Nước, Tưới tiêu Môi trường Vụ KHCN MT - Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thơn Ban Quản lý Dự án Thuỷ lợi TĨM TẮT Xác định ranh giới mặt nước hồ chứa, sông suối, nhiệm vụ quan trọng nhằm phục vụ công tác quản lý biến động lượng nước trữ hồ chứa, sơng suối, giám sát tình hình xói mịn, sạt lở địa hình xung quanh đánh giá trạng nguồn tài nguyên nước Việc giám sát biến động nguồn tài nguyên nước mặt cách xác, kịp thời để hỗ trợ định, sách hợp lý, hiệu yêu cầu cấp bách Những năm gần đây, công nghệ viễn thám kết hợp với công nghệ GIS thường sử dụng để trích xuất đường ranh giới mặt nước công tác thành lập đồ Bài báo tập trung nghiên cứu ứng dụng ảnh viễn thám Landsat ETM+ tính tốn số NDWI (chỉ số khác biệt nước tiêu chuẩn) số MNDWI (chỉ số khác biệt nước tiêu chuẩn có điều chỉnh) [1], [2] để trích xuất đường ranh giới mặt nước hồ Kẻ Gỗ từ năm 2011 đến năm 2016, từ đó, giám sát mức độ biến động dung tích hồ chứa tương ứng theo năm N I GIỚI THIỆU ước yếu tố thiết yếu hệ sinh thái, tạo bền vững sống trái đất, bao gồm sống người Nước đảm bảo cân hệ sinh thái, trì khí hậu, chu trình các-bon, Tuy nhiên, nước mặt trái đất tác động tự nhiên hoạt động người bị biến đổi lượng chất theo thời gian không gian Vì vậy, việc xác định đối tượng nước mặt việc cấp thiết cần nghiên cứu chuyên sâu Ngày nay, Iphát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ vũ trụ, liên tục phát triển phương pháp theo dõi, giám sát bề mặt trái đất, có cơng nghệ viễn thám Trong đó, việc xác định thành lập đồ mặt nước ứng dụng quan trọng viễn thám Các nghiên cứu gần phương pháp phân loại đối tượng mặt nước việc sử dụng liệu ảnh viễn thám đa phổ tiến hành đạt kết khả quan giám sát quản lý nguồn tài nguyên nước Một số nhà nghiên cứu có xu hướng tập trung sử dụng ảnh viễn thám có độ phân giải cao để trích xuất thông tin đường mặt nước, nhiên, thường phải đầu tư kinh phí khơng nhỏ để có ảnh viễn thám độ phân giải cao [3] Vì vậy, nghiên cứu hướng tới mục tiêu sử dụng ảnh viễn thám có độ phân giải trung bình, sẵn có tải miễn phí để thành lập đồ mặt nước hồ Kẻ Gỗ theo thời gian, từ đó, việc sử dụng đường đặc tính hồ Kẻ Gỗ, tính tốn dung tích hồ tương ứng giám sát biến động dung tích hồ vào thời điểm năm Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2018 91 Kết nghiên cứu KHCN II KHU VỰC NGHIÊN CỨU Hồ Kẻ Gỗ nằm địa bàn xã Cẩm Mỹ, huyện Cẩm Xuyên, tỉnh Hà Tĩnh, cách thành phố Vinh 70km phía Nam Vị trí hệ thống cơng trình đầu mối nằm khoảng: 18000’ đến 18020’ vĩ độ bắc 105055’ đến 106010’ kinh độ đông Nhiệm vụ hồ tưới cho 21,136ha đất canh tác hai huyện Thạch Hà Cẩm Xun, kết hợp ni cá phịng chống lũ cho hạ du [4] Hồ Kẻ Gỗ lựa chọn để nghiên cứu trích xuất ranh giới nước mặt, nhằm giám sát dung tích hồ chứa, cải thiện khả đáp ứng nguồn nước chất lượng phục vụ sản xuất, đời sống nhân dân vùng (Hình 1) Nhiệt độ khơng khí khu vực hồ Kẻ Gỗ trung bình năm 23,80C, nhiệt độ lên cao tới 40,10C (tháng 6, 7) Vào mùa đơng nhiệt độ hạ thấp xuống cịn 6,80C (tháng 12,1) Trong năm, khí hậu chia thành hai mùa rõ rệt: Mùa mưa tháng đến tháng 11, với tổng lượng mưa mùa mưa chiếm đến 70% lượng mưa năm, ngồi mưa vụ cịn Hình 1: Khu vực nghiên cứu Hình 2: Phân phối nhiệt độ lượng mưa trung bình khu vực nghiên cứu 92 có mùa mưa tiểu mãn vào tháng 5, Tháng có lượng mưa lớn tháng 9, lượng mưa tháng lớn đạt tới 539mm Mùa khô từ tháng 12 đến tháng năm sau, lượng mưa nhỏ vào tháng 2, tháng tháng [5].Nhiệt độ, lượng mưa phân phối năm Hình III DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Dữ liệu nghiên cứu Trong nghiên cứu này, liệu ảnh Landsat ETM+ liệu hỗ trợ liệu khí tượng, thủy văn, quy trình vận hành hồ chứa Kẻ Gỗ sử dụng cách tổng hợp Để thấy biến động dung tích hồ chứa kẻ Gỗ cách rõ ràng nhất, ta phải có liệu giai đoạn khác Trong nghiên cứu này, liệu ảnh viễn thám Landsat ETM+ (Bảng 1) thu thập vào tháng từ năm 2011 đến năm 2016 Ảnh Landsat ETM + liên tục thu thập liệu bề mặt trái đất kể từ tháng 7/1999, với độ phân giải thời gian 16 ngày [6] Mặc dù kế thừa nâng cấp thiết bị quan trắc trái đất, nhiên từ ngày 31/5/2003 thiết bị Scan Line Corrector, phận sensor điều chỉnh hướng bay vệ tinh Landsat gặp cố kỹ thuật, kết tất cảnh Landsat ETM+ thu nhận kể từ ngày 14/7/2003 đến chế độ “SLC-off” nghĩa xuất vết sọc Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2018 Kết nghiên cứu KHCN Bảng 1: Tổng hợp liệu ảnh viễn thám sử dụng nghiên cứu Loҥi ҧnh Landsat ETM+ Thӡi gian thu thұp Các kênh 7/7/2011 9/7/2012 12/7/2013 2/7/2015 20/7/2016 Các dҧi phә Ĉӝ phân giҧi khơng gian (m) ETM1 Xanh lam nhìn thҩy 0,45 - 0,52 30 ETM2 Xanh lөc nhìn thҩy 0,52 - 0,60 30 ETM3 Ĉӓ nhìn thҩy 0,63 - 0,69 30 ETM4 Cұn hӗng ngoҥi 0,76 - 0,90 30 ETM5 Hӗng ngoҥi sóng ngҳn 1,55 - 1,75 30 ETM6 Hӗng ngoҥi nhiӋt 10,40 - 12,50 60 (30) ETM7 Hӗng ngoҥi sóng ngҳn 2,08 - 2,35 30 ETM8 Tồn sҳc 0,50 - 0,90 15 đen cách làm giảm khả thu nhận thông tin quan sát trái đất khoảng 30% nên cần xử lý 3.2 Phương pháp nghiên cứu 3.2.1 Xử lý ảnh Landsat ETM+ phần mềm ArcGIS 10.2 Xử lý vết kẻ sọc (SLC-off) bao gồm cải nhiễu xạ, cải hình học bổ sung pixel bị thiếu chế độ SLC-off NASA (the National Aeronautics and Space Administration of the United States) cung cấp công cụ riêng (công cụ Gapfill) phần mềm ArcGIS 10.2 để khắc phục vấn đề Kết xử lý vết kẻ sọc thể Hình 3: Kênh gốc từ vệ tinh Bѭӟc sóng (µm) Kênh sau xử lý Hình 3: Phân phối nhiệt độ lượng mưa trung bình khu vực nghiên cứu 3.2.2 Hiệu chỉnh khí Hiệu chỉnh khí bước quan trọng loại bỏ nhiễu khí q trình truyền thu nhận lượng xạ điện tử Những hiệu ứng khí bao gồm q trình tán xạ hấp thụ lượng điện từ thành phần khí hạt ion khí mà cảm biến vệ tinh phát Vì trình mà phân bố phổ, phân bố góc phân bố không gian việc phát xạ đối tượng nghiên cứu bị yếu Để khắc phục vấn đề này, có nhiều mơ hình sử dụng bao gồm DOS [7], ATCOR [8] hay FLAASH [9] Để tăng cường độ xác, mơ hình hiệu chỉnh khí FLAASH (Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Hypercubes) sử dụng nghiên cứu để loại bỏ ảnh hưởng hiệu ứng khí Dữ liệu đầu vào Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2018 93 Kết nghiên cứu KHCN Ảnh sau Gapfill Ảnh sau hiệu chỉnh Trong đó: "ρETM2", "ρETM4" "ρETM5" tương ứng phản xạ phổ kênh xanh lục nhìn thấy, kênh cận hồng ngoại, kênh hồng ngoại sóng ngắn IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 4: Kết hiệu chỉnh khí ảnh Landsat ETM + mơ hình FLAASH mơ hình hiệu chỉnh khí ảnh tính chuyển sang giá trị xạ (Radiance) Các thơng số đưa vào mơ hình lựa chọn dựa loại tư liệu, tọa độ địa lý vị trí khu vực nghiên cứu thời gian thu nhận ảnh viễn thám (Hình 4) Chỉ số NDWI có giá trị nằm khoảng từ -1 đến 1, đó, giá trị NDWI lớn thể mặt nước, ngược lại, giá trị NDWI nhỏ thể vùng mặt nước Từ đó, trích xuất ranh giới đường mặt nước hồ Kẻ Gỗ tính diện tích mặt nước hồ Kẻ Gỗ sau: 3.2.3 Tạo ranh giới đường mặt nước hồ Kẻ Gỗ sử dụng số NDWI MNDWI Đường mặt nước sở để đo vẽ phân chia ranh giới phần đất liền phần nước mặt Việc xác định ranh giới này, từ trước đến nay, thường chuyên gia đo vẽ đồ tiến hành thông qua việc đo đạc, khảo sát trường Tuy nhiên, phương pháp xác định khó khăn, tốn thời gian, công sức số trường hợp khơng thể thực Vì vậy, cơng nghệ viễn thám phát triển giúp cho việc xác định đường ranh giới phần mặt đất phần mặt nước dễ dàng xác Theo đó, trình tự tạo đường ranh giới mặt nước hồ Kẻ Gỗ nghiên cứu tiến hành sau: sử dụng ảnh viễn thám Landsat ETM + qua bước xử lý, hiệu chỉnh bên để tính tốn số NDWI MNDWI theo cơng thức Bảng 2: Bảng 2: Cơng thức tính toán số đường mặt nước sử dụng ảnh Landsat ETM+ ChӍ sӕ Công thӭc NDWI NDWI = MNDWI MNDWI = 94 ȡETM2 - ȡETM4 ȡETM2 + ȡETM4 ȡETM2 - ȡETM5 ȡETM2 + ȡETM5 DiӉn giҧi Nguӗn Nѭӟc có giá trӏ NDWI dѭѫng [1] Nѭӟc có giá trӏ MNDWI dѭѫng [2] Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2018 Kết nghiên cứu KHCN Bảng 3: Diện tích mặt nước (km2) Thӡi gian thu thұp 7/7/2011 9/7/2012 12/7/2013 2/7/2015 20/7/2016 DiӋn tích mһt nѭӟc (km2) Tính theo cơng thӭc NDWI Tính theo cơng thӭcMNDWI 16,963 16,439 20,184 20,226 18,253 19,160 19,665 20,014 18,447 19,521 Từ liệu mực nước hồ chứa công bố trang website Công ty TNHH MTV Thủy lợi Nam Hà Tĩnh: http://www.thuyloinamhatinh.vn, ta thấy có liệu mực nước thực đo vào ngày 2/7/2015 Vì vậy, lựa chọn liệu mực nước đo đạc ngày 2/7/2015 để kiểm định kết trích xuất diện tích mặt hồ từ ảnh vệ tinh theo bước sau: - Xu hướng mực nước hồ Kẻ Gỗ giai đoạn 2013 - 2018: Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2018 95 Kết nghiên cứu KHCN Trong đó, mực nước đo đạc ngày 2/7/2015 là: 24,39(m) - Từ đường đặc tính lịng hồ ban hành kèm theo Quyết định số 37/2011/QĐ-UBND ngày 23 tháng 12 năm 2011 Ủy ban Nhân dân tỉnh Hà Tĩnh việc Ban hành quy trình vận hành điều tiết hồ chứa nước Kẻ Gỗ, tỉnh Hà Tĩnh, ta thiết lập quan hệ mực nước, diện tích mặt hồ dung tích hồ chứa Kẻ Gỗ (quan hệ Z~F~W): - Tra quan hệ mực nước ~ diện tích mặt hồ Kẻ Gỗ, mực nước ~ dung tích hồ Kẻ Gỗ bên ta thu giá trị diện tích mặt hồ (F) dung tích hồ Kẻ Gỗ (W) ngày 2/7/2015 tương ứng F = 19,25km2 W = 149,25 x 106m3 Từ đó, ta đánh giá sai số tính tốn trích xuất đường mặt nước theo cơng thức NDWI MNDWI Bảng Vì vậy, lựa chọn giá trị diện tích mặt hồ Kẻ Gỗ tính tốn theo cơng thức MNDWI để làm sở tính tốn dung tích hồ Kẻ Gỗ tương ứng Bảng Bảng 4: Sai số tính tốn Sai sӕ tính tốn Thӡi gian thu thұp Tính theo cơng thӭc NDWI Tính theo cơng thӭc MNDWI 2/7/2015 5,17% 4,16% Bảng 5: Dung tích hồ Kẻ Gỗ giai đoạn 2011-2016 (106m3) Thӡi gian thu thұp 7/7/2011 9/7/2012 12/7/2013 2/7/2015 20/7/2016 96 Dung tích hӗ Kҿ Gӛ giai ÿoҥn 2011-2016 (106 m3) DiӋn tích mһt hӗ (km2) Dung tích (106m3) Dung tích thay ÿәi tӯng năm (106m3) 16,439 108,507 2013– 2012: 53,024 19,665 20,014 18,447 19,521 155,876 2012 – 2011: - 47,369 161,530 2015 – 2013: -24,577 153,573 2016 – 2011: - 2,303 136,953 2016 – 2015: 16,620 Taïp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2018 Kết nghiên cứu KHCN KẾT LUẬN Bài báo sử dụng số NDWI MNDWI để trích xuất đường ranh giới mặt nước hồ chứa Kẻ Gỗ Thông qua phân tích so sánh, báo kết luận rằng, hồ Kẻ Gỗ, số MNDWI cho kết với độ sai số Vì vậy, số MNDWI lựa chọn để tính tốn giá trị diện tích mặt nước hồ chứa theo năm giai đoạn 2011 – 2016, từ tính tốn dung tích hồ tương ứng Kết tính tốn rằng, biến động tăng giảm tuân theo chu kì năm tăng, năm giảm với lượng tăng giảm lớn, đặc biệt giai đoạn 2011– 2012 2012– 2013 với lượng tăng giảm lên tới khoảng 50 triệu m3 Điều biến đổi bất thường thời tiết ảnh hưởng đến lượng mưa năm 2012, hồ Kẻ Gỗ đạt 1.703mm, 65% lượng mưa trung bình nhiều năm Bài báo mở hướng ứng dụng ảnh vệ tinh việc giám sát biến động dung tích hồ chứa khác Việt Nam nhằm đề giải pháp sử dụng nguồn tài nguyên nước hiệu tăng cường công tác quản lý hồ chứa tương lai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] McfeetersS K (1996), The use of the Normalized Difference Water Index (NDWI) in the delineation of open water features, International Journal Of Remote Sensing, Volume 17, No 7, pp 1425-1432 [2] Matthew, M W (2003), Atmospheric correction of spectral imagery: evaluation of the FLAASH algorithm with AVIRIS data, Algorithms and Technologies for Multispectral, Hyperspectral and Ultraspectral Imagery SPIE, Orlando, FL, USA, pp 474-482 đề xuất biện pháp khai thác hiệu quả, giảm thiểu rủi ro, Luận văn Thạc sỹ Khoa học, Trường Đại Học Thủy Lợi, Hà Nội [5] Trần Nhật Anh (2018), Nghiên cứu giải pháp nhằm nâng cao hiệu khai thác đa mục tiêu điều kiện biến đổi khí hậu hệ thống thủy lợi Kẻ Gỗ-Tỉnh Hà Tĩnh, Luận văn Thạc sỹ Khoa học, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia Hà Nội [6] Richter, R (2003), Status of Model ATCOR4 on Atmospheric/Topographic Correction for Airborne Hyperspectral Imagery, 3rd EARSeL Workshop on Imaging Spectroscopy, Herrsching,pp 13-16 [7] Bagli S, Soille P (2003), Morphological automatic extraction of panEuropean coastline from Landsat ETM+ images COASTGIS03: Fifth International Symposium on GIS and Computer Cartography for Coastal Zone Management, Genova, Italy, pp 16-18 [8] Xu, H (2006), Modification of Normalised Difference Water Index (NDWI) to enhance open water features in remotely sensed imagery, Int J Remote Sens., Vol 27, pp 3025–3033 [9] Shen, L., Li, C (June 2010), Water Body Extraction from Landsat ETM+ Imagery Using Adaboost Algorithm, In Proceedings of 18th International Conference on Geoinformatics, Beijing, China; pp 1–4 [10] Feyisa, G.L.; Meilby, H.; Fensholt, R.; Proud, S.R (2014), Automated water extraction index: A new technique for surface water mapping using Landsat imagery, Remote Sens Environ., Vol 140, pp 23-35 [3] Eva WILLERSLEV (2011), Methods of Extracting a Coastline from Satellite Imagery and Assessing the Accuracy, Geospatial Crossroads @ GI_Forum [4] Nguyễn Thị Phương Dung (2014), Đánh giá trạng quản lý, sử dụng hồ Kẻ Gỗ, tỉnh Hà Tĩnh Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2018 97 ... diện tích mặt hồ dung tích hồ chứa Kẻ Gỗ (quan hệ Z~F~W): - Tra quan hệ mực nước ~ diện tích mặt hồ Kẻ Gỗ, mực nước ~ dung tích hồ Kẻ Gỗ bên ta thu giá trị diện tích mặt hồ (F) dung tích hồ Kẻ Gỗ. .. Điều biến đổi bất thường thời tiết ảnh hưởng đến lượng mưa năm 2012, hồ Kẻ Gỗ đạt 1.703mm, 65% lượng mưa trung bình nhiều năm Bài báo mở hướng ứng dụng ảnh vệ tinh việc giám sát biến động dung tích. .. nghiên cứu này, liệu ảnh Landsat ETM+ liệu hỗ trợ liệu khí tượng, thủy văn, quy trình vận hành hồ chứa Kẻ Gỗ sử dụng cách tổng hợp Để thấy biến động dung tích hồ chứa kẻ Gỗ cách rõ ràng nhất,