Nghiên cứu phương pháp xác định các thông số chất lượng nước mặt từ tư liệu ảnh vệ tinh quang học VNREDSat-1A

Bài viết trình bày kết quả đánh giá chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội sử dụng ảnh vệ tinh VNRDSat-1A. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên cứu.

Nghiên cứu - Trao đổi Nghiên cứu phương pháp xác định thông số chất lượng nước mặt từ tư liệu ảnh vệ tinh quang học VNREDSat - 1A ĐINH THỊ THU HIỀN, TRẦN XUÂN TRƯỜNG, NGUYỄN VĂN TRUNG Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội TÓM TẮT Công nghệ viễn thám với ưu điểm so với phương pháp nghiên cứu truyền thống sử dụng rộng rãi nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên giám sát môi trường Các nghiên cứu giới Việt Nam cho thấy, ảnh vệ tinh quang học sử dụng hiệu đánh giá chất lượng nước mặt Bài báo trình bày kết đánh giá chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội sử dụng ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Kết nhận nghiên cứu sử dụng phục vụ công tác theo dõi, giám sát quản lý chất lượng nước mặt ABSTRACT Method for determination of surface water quality parameters using VNREDSat-1A multispectral image Remote sensing technique with advantages over traditional sampling methods has been widely applied in natural resource and environmental monitoring Many studies around the world shows that optical satellite imagery can be used effectively in evaluating surface water quality This article presents results of surface water quality assessment in Hanoi using VNREDSat-1A satellite image The results obtained in the study can be used to serve the management, monitoring and evaluation of surface water quality Mở đầu Các nghiên cứu nước cho thấy, phổ phản xạ mặt nước xác định từ ảnh vệ tinh quang học có quan hệ chặt chẽ với hàm lượng thông số chất lượng nước [3, 6] Do vậy, tư liệu ảnh vệ tinh quang học sử dụng hiệu phục vụ công tác đánh giá giám sát chất lượng môi trường nước mặt Có thể kể đến nghiên cứu Doxaran (2007) [6], Weipi He (2008) [8], Olet (2000) [7], Montalvo (2010) [9], Frohn and Autrey (2008) [10] sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh quang học Landsat, SPOT nhằm xác định hàm lượng chất gây ô nhiễm nước mặt Ở Việt Nam có số nghiên cứu sử dụng tư liệu ảnh viễn thám để đánh giá chất lượng nước nghiên cứu Nguyễn Thị Thu Hà cộng (2016) [1] khu vực Hồ Tây (Hà Nội), nghiên cứu Nguyễn Văn Thảo (2016) [2] sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A tương đương đánh giá chất lượng nước khu vực ven biển Hải Phòng, nghiên cứu Trịnh Lê Hùng (2014) [4] sử dụng ảnh vệ tinh Landsat đánh giá chất lượng nước mặt hồ Trị An VNREDSat-1A quan sát Việt Nam, có khả chụp ảnh toàn khu vực treõn be maởt Traựi ẹaỏt Tài nguyên Môi trờng Kú - Th¸ng 12/2017 23 Bảng Kết phân tích chất lượng nước điểm lấy mẫu VNREDSat-1A phóng thành công lên quỹ đạo vào 07/05/2013 bãi phóng Kourou nằm Trung tâm không gian Guyana (Pháp) Sau năm hoạt động, vệ tinh VNREDSat-1A chụp hàng nghìn cảnh ảnh, giúp Việt Nam phần chủ động cung cấp ảnh vệ tinh độ phân giải cao phục vụ công tác nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên, giám sát môi trường đảm bảo quốc phòng – an ninh Mặc dù vậy, nước ta có nghiên cứu ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A đánh giá chất lượng môi trường nước mặt Bài báo trình bày kết sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A đánh giá chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội Phương pháp nghiên cứu 2.1 Phương pháp lấy mẫu chất lượng nước Để xây dựng hàm số thể mối quan hệ hàm lượng chất ô nhiễm nước mặt phổ phản xạ thu từ ảnh vệ tinh, cần phải tiến hành lấy mẫu phân tích chất lượng nước mẫu thử nghiệm Các mẫu nước mặt thu thập sát mặt nước độ sâu – 25 cm nước mặt độ sâu lớn 25 cm không ảnh hưởng đến phổ phản xạ mặt nước [1] Để đánh giá chất lượng nước mặt khu vửùc Haứ Noọi, nghieõn 24 Tài nguyên M«i trưêng cứu tác giả tiến hành lấy mẫu vị trí phân tích hàm lượng thông số chất lượng nước, bao gồm độ đục, tổng chất rắn lơ lửng (TSS), COD, BOD chất diệp lục (chlorophyll) Bảng Các điểm lấy mẫu phân bố khu vực nghiên cứu nhằm đảm bảo thể đặc trưng phân bố hàm lượng chất ô nhiễm nước mặt Các mẫu nước lấy vào chai nhựa màu tối, ướp lạnh đưa phân tích phòng thí nghiệm ngày 2.2 Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Ảnh viễn thám sau thu nhận từ vệ tinh, thông thường tồn nhiều sai số, có sai số phổ sai số hình học Những sai số xảy lỗi phát sinh trình truyền liệu từ vệ tinh mặt đất sai sót cảm biển, ảnh hưởng khí quyển… Trước trình phân tích, giải đoán, ảnh vệ tinh cần hiệu chỉnh hình học (geometric correction) để có hệ tọa độ xác định, hiệu chỉnh sai số cho hình ảnh gần với đồ địa hình phép chiếu trực giao Kết giải đoán phụ thuộc nhiều vào độ xác ảnh sau nắn Do vậy, hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh đóng vai trò quan trọng cho bước phân tích Kú - Th¸ng 12/2017 Để hiệu chỉnh khí nhằm xác định phổ phản xạ bề mặt, nghiên cứu sử dụng phương pháp “trừ đối tượng tối” – DOS (Dark Object Subtraction) [11] Phương pháp DOS giả định giá trị điểm ảnh khác không vùng nước trong, yên tónh sâu, xạ khí giá trị xạ đối tượng Giả định giá trị ổn định khí thời điểm chụp ảnh, giá trị trừ cho tất giá trị điểm ảnh ảnh Kết ta có giá trị phản xạ điểm ảnh không ảnh hưởng khí Kết thực nghiệm Khu vực nghiên cứu lựa chọn để đánh giá chất lượng nước mặt Hà Nội, nơi tập trung đông dân cư khu công nghiệp, nhà máy, bệnh viện Đây nguồn gây ô nhiêm nước mặt chủ yếu Tư liệu ảnh vệ tinh sử dụng nghiên cứu ảnh VNREDSat1A chụp ngày 20/10/2016 Ảnh có chất lượng tốt, không bị ảnh hưởng điều kiện thời tiết hiệu chỉnh phổ, hiệu chỉnh hình học trước tính phản xạ phổ bề mặt Phản xạ phổ bề mặt kênh (xanh lam), kênh (xanh lục), kênh (đỏ) kênh (cận hồng ngoại) sử dụng nhằm xây dựng mô hình ước lượng hàm lượng thông số chất lượng nước Tư liệu ảnh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội tổ hợp màu tự nhiên trình bày Hình Để xác định mối quan hệ phản xạ mặt nước xác định từ ảnh vệ tinh hàm lượng thông số chất lượng nước (độ đục, Kết nhận cho thấy, việc sử dụng phổ phản xạ kênh đa phổ ảnh VNREDSat-1A nhằm xây dựng hàm hồi quy với giá trị thông số chất lượng nước điểm đo cho kết với độ hình xác cao (Bảng 2) so với việc sử dụng đơn kênh, ảnh tỉ lệ sử dụng kênh kênh Giá trị hệ số R2 hàm hồi quy sử dụng kênh đa phổ đạt cao, thấp đạt 0,784064 (chlorophyll) cao đạt 0,959472 (COD) Như vậy, khẳng định, sử dụng ảnh vệ tinh VNREDSat-1A xác định hàm lượng thông số chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội cho độ xác đảm bảo Trong đó: B1, B2, B3, B4 phổ phản xạ mặt nước xác định từ kênh 1, 2, 3, ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Hình Tư liệu ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A ngày 20/10/2016 khu vực Hà Nội tổ hợp màu tự nhiên (a) kênh (b), kênh (c), kênh (d), keânh (e) TSS, COD, BOD, chlorophyll), nghiên cứu thử nghiệm với phương án hồi quy khác nhau, bao gồm sử dụng đơn kênh, tỉ lệ ảnh kênh cận hồng ngoại kênh xanh lục, sử dụng kênh, kênh sử dụng đồng thời kênh đa phổ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Mô hình hồi quy tuyến tính đa biến thử nghiệm trường hợp sử dụng kênh, kênh kênh Trong với trường hợp sử dụng đơn kênh ảnh tỉ lệ, tác giả thử nghiệm với nhiều mô hình hồi quy khác nhau, từ hồi quy đa thức, hàm mũ, hàm logarith hàm tuyến tính nhằm lựa chọn phương án tối ưu Quá trình hồi quy thực phần mềm Microsoft Ecxel với trợ giúp công cụ Regression Sau lựa chọn mô hình tối ưu nhằm xác định hàm lượng thông số chất lượng nước, nghiên cứu tiến hành xác định hàm lượng độ đục, TSS, COD, BOD chất diệp lục nước mặt khu vực Hà Nội từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Phân tích kết đạt cho thấy, hàm lượng chất lơ lửng nước mặt khu vực Hà Nội đạt giá trị khoảng từ 4,6 đến 434,9 (mg/l), khu vực có hàm lượng TSS đạt cao tập trung ven bờ sông Hồng, khu vực xung quanh bãi bồi vị trí tiếp giáp với chi lưu Hàm lượng TSS đạt cao ghi nhận hồ Định Công phía Tây hồ Linh Đàm Trong đó, hồ, đầm khu vửùc coõng vieõn Tài nguyên Môi trờng Kỳ - Th¸ng 12/2017 25 Bảng Kết xác định hàm hồi quy phổ phản xạ giá trị thông số chất lượng nước Yên Sở, hàm lượng TSS nước đạt thấp Tương tự với thông số chất lơ lửng, hàm lượng độ đục nước mặt khu vực Hà Nội đạt cao hồ Định Công, khu vực ven bờ xung quanh bãi bồi sông Hồng, hàm lượng cao đạt 609,457 (NTU) Hàm lượng độ đục đạt thấp hồ, đầm thuộc công viên Yên Sơ, hàm lượng thấp đạt khoảng 13,08 (NTU) Từ kết đạt cho thấy, nước mặt sông, hồ Hà Nội có hàm lượng chất lơ lửng độ đục cao, đặc biệt khu vực sông Hồng hồ Định Công Nếu so sánh với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước mặt QCVN 08-MT:2015/BTNMT [5], hàm lượng độ đục chất lơ lửng nước mặt khu vực hồ Định Công sông Hồng cao tiêu chuẩn cho phép nhiều lần Nguyên nhân dẫn đến nước có độ đục hàm lượng chất lơ lửng cao khu vực nước thải sinh hoạt nước thải công nghiệp từ nhà máy, xí nghiệp thải Kết luận Sự gia tăng dân số học phát triển KT-XH có taực ủoọng saõu saộc ủeỏn moõi trửụứng, 26 Tài nguyên Môi trờng ủoự coự moõi trửụứng nửụực maởt thành phố lớn Ô nhiễm nước mặt trở thành vấn đề môi trường cấp thiết Hà Nội Ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao VNREDSat-1A sử dụng hiệu xác định hàm lượng thông số chất lượng nước với độ xác đảm bảo Phân tích kết nhận cho thấy, nước mặt khu vực Hà Nội có hàm lượng chất lơ lửng độ đục cao, có nơi vượt quy chuẩn cho phép nhiều lần hồ Định Công, khu vực ven bờ sông Hồng Hàm lượng chất lơ lửng nước ghi nhận cao nhât lên đến 433,993 mg/l, hàm lượng độ đục cao đạt 609,457 NTU Kết nhận nghiên cứu nguồn thông tin hữu ích, giúp nhà quản lý đưa biện pháp theo dõi, ứng phó giảm thiểu thiệt hại ô nhiễm nước mặt gây TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Thu Hà, Bùi Đình Cảnh, Nguyễn Thiên Phương Thảo, Bùi Thị Nhị (2016), “Thử nghiệm mô hình hóa phân bố không gian hàm lượng chlorophyll-a số trạng thái phú dưỡng nước Hồ Tây sử dụng Kú - Th¸ng 12/2017 ảnh Sentinel-2A”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, chuyên san Các Khoa học Trái đất Môi trường, tập 32, số 2S, trang 121 – 130 [2] Nguyễn Văn Thảo (2016) Nghiên cứu phương pháp phân tích, đánh giá giám sát chất lượng nước ven bờ tư liệu viễn thám độ phân giải cao độ phân giải trung bình, đa thời gian; Áp dụng thử nghiệm cho ảnh vệ tinh VNREDSat-1, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước [3] Lương Chính Kế (2014) Sử dụng công nghệ viễn thám GIS xây dựng sở liệu thành lập đồ diễn biến vùng ô nhiễm nguồn nước thải từ khu công nghiệp, đô thị nhằm đưa cảnh báo vùng có nguy ô nhiễm thuộc vùng kinh tế trọng điểm miền Bắc, Dự án nghiên cứu khoa học, Cục Viễn thám quốc gia, Bộ Tài nguyên Môi trường [4] Trinh Le Hung (2015), “Mapping suspended sediment concentrations in surface water of Tri An lake using remote sensing and GIS”, Journal of Science, Natural Sciences Issue, Hue University, Vol 96(8), 59 - 70 [5] Bộ Tài nguyên Môi trường, 2015 Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước mặt QCVN 08-MT:2015/BTNMT [6] David Doxaran, Jean – Marie Froidefond, Samantha Lavender, Patrice Castaing (2007) Spectral signature of highly turbid waters application with SPOT data to quantify suspended particulate matter concentrations, Remote sensing of Enviroment, Vol 81, pp 149 – 161.n ... lượng hàm lượng thông số chất lượng nước Tư liệu ảnh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội tổ hợp màu tự nhiên trình bày Hình Để xác định mối quan hệ phản xạ mặt nước xác định từ ảnh vệ tinh hàm lượng thông. .. ta có nghiên cứu ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A đánh giá chất lượng môi trường nước mặt Bài báo trình bày kết sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A đánh giá chất lượng nước mặt khu... hình tối ưu nhằm xác định hàm lượng thông số chất lượng nước, nghiên cứu tiến hành xác định hàm lượng độ đục, TSS, COD, BOD chất diệp lục nước mặt khu vực Hà Nội từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Phân