Để xác định độ phản xạ phổ từ hình ảnh VNREDSAT-1A, dữ liệu hình ảnh cần được hiệu chỉnh và hiệu chỉnh về mặt hình học để loại bỏ các lỗi liên quan đến các giá trị thang độ xám và thang hình ảnh. Nghiên cứu này giới thiệu tổng quan tài liệu và đề xuất quy trình đánh giá chất lượng nước bằng VNREDSAT -1A.
Nghiên cứu - Trao đổi Nghiên cứu đề xuất quy trình đánh giá chất lượng môi trường nước mặt từ ảnh vệ tinh VNREDSat - 1A m NCS ĐINH THỊ THU HIỀN Trường Đại học Mỏ -Địa chất Hà Nội ABSTRACT Research proposal on the assessment of surface water quality using VNREDSAT – 1A Spectral reflectance of surface water identified from optical imagery is closely related to water quality parameters Thus, estimating the content of surface water contaminants from remote sensing imagery requires the identification of relationship between survey points and spectral reflectance In order to define spectral reflectance from VNREDSAT-1A imagery, image data needs to be calibrated and corrected geometrically to eliminate errors related to grayscale and image scale values This study introduces literature review and proposes procedures for assessing water quality using VNREDSAT -1A Cơ sở khoa học phương pháp sử dụng viễn thám đánh giá chất lượng nước 1.1 Bức xạ 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: - Bức xạ rời khỏi mặt nước Lw (water leaving radiance); - Bức xạ bầu trời Ls (skylight radiance); - Bức xạ phản xạ trực tiếp từ mặt nước Lr (sky radiance directly reflected by the surface) Theo định nghóa Mobley (1999), giá trị phản xạ viễn thám Rrs nước xác định công thức [1]: (1) Trong đó: Lw xạ rời khỏi mặt nước, Ed xạ từ Mặt Trời hay xạ nguồn sáng tới mặt nước Bức xạ nguồn sáng tới mặt nước xác định theo công thức sau: (2) Trong đó: Ld xạ phổ đo được, Rp tham số phản xạ, l kênh ảnh tương ứng với bước sóng tương thích Giá trị xạ phổ mặt nước (above – water radiance) Lu tổng xạ rời khỏi mặt nước Lw xạ phản xạ bề mặt nước Lw, nghóa là: (3) (4) Với k tham số tỷ lệ xạ bầu trời Ls xạ phản xạ trực tiếp từ bề mặt nước Lw Bức xạ rời khỏi mặt nước có dạng [35]: (5) Giá trị hệ số k phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường khí Trong trường hợp sử dụng liệu ảnh vệ tinh quang học SPOT, LANDSAT, VnredSat1-A , giá trị k phụ thuộc vào bước sóng kênh ảnh 1.2 Bức xạ gián tiếp đối tượng nước quan trắc tư liệu viễn thám Do đặc điểm thu nhận, ảnh viễn thám quang học nói chung để đưa vào sử dụng cần phải tiến hành hiệu chỉnh ảnh hưởng môi 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) Bước sử dụng mô hình hiệu chỉnh khí biến đổi từ ảnh phản xạ đỉnh khí phản xạ bề mặt (surface reflectance) Tài nguyên Môi trờng Kỳ - Tháng 12/2017 19 Phản xạ R* liên quan với đối tượng nước, cụ thể phản xạ rời khỏi mặt nước Rw thông qua công thức [1] [2]: (6) Trong đó: Rw Rr phản xạ sol khí phản xạ Rayleigh; Tg – tham số truyền dẫn xạ khí quyển; Td – tham số khuyếch tán xạ khí Như vậy, phản xạ viễn thám Rrs tính theo mối quan hệ [35]: (7) Ở đây, S giá trị suất phân chiếu bầu trời (albedo) Từ phân tích kết luận, phản xạ viễn thám xác định từ tư liệu ảnh vệ tinh quang học tuân theo quy luật khách quan có tương tác ánh sáng vào đối tượng nước [1] 1.3 Phương pháp xác định hàm lượng thông số chất lượng nước từ tư liệu viễn thám Các nghiên cứu nước cho thấy, hàm lượng thông số chất lượng nước chất lơ lửng, chất diệp lục, BOD, COD, có mối quan hệ chặt chẽ với phản xạ phổ mặt nước [2] [3], giá trị bình phương hệ số tương quan R2 đạt 0,8 Như vậy, để thành lập đồ phân bố hàm lượng thành phần ô nhiễm nước mặt từ tư liệu ảnh viễn thám, điểm mấu chốt cần thiết lập mô hình ước lượng thông số chất lượng nước dựa phản xạ rời khỏi bề mặt nước [5] Tùy đặc điểm cụ thể khu vực nghiên cứu, sử dụng mô hình hàm hồi quy khác hàm mũ, hàm tuyến tính, hàm đa thức Các mô hình hồi quy phổ biến tóm tắt bốn dạng sau [2]: (8) (9) (10) (11) Trong đó: Y biến số chất lượng nước (hàm lượng BOD, COD, TSS ), Xi phản xạ rời khỏi mặt nước dải sóng cụ thể Độ xác kết ước lượng hàm lượng thông số chất lượng nước từ tư liệu viễn thám đánh giá cách sử dụng hệ số tương quan liệu đo phản xạ phổ mặt nước (giá trị R2) Ngoài ra, bên cạnh phần số liệu phân tích chất lượng nước điểm đo sử dụng để xây dựng mô 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 quaỷ xaõy dửùng moõ hỡnh 20 Tài nguyên Môi trưêng Kú - Th¸ng 12/2017 1.4 Đặc trưng phản xạ phổ nước Nước có khả hấp thụ mạnh lượng bước sóng cận hồng ngoại hồng ngoại, lượng phản xạ Trên kênh ảnh dải sóng này, nước có màu đen phân biệt rõ ràng với đối tượng khác Trong nước chứa nhiều thành phần hữu vô cơ, khả phản xạ phổ nước phụ thuộc vào thành phần trạng thái nước Nước đục có khả phản xạ phổ cao nước trong, đặc biệt dải sóng nhìn thấy cận hồng ngoại ảnh hưởng hợp chất có nước Hàm lượng chất diệp lục (chlorophyll-a) ảnh hưởng đến khả phản xạ phổ nước, làm giảm khả phản xạ phổ dải sóng ngắn tăng dải sóng màu xanh Ngoài ra, số thông số chất lượng nước mặt khác ảnh hưởng đến khả phản xạ phổ nước, rõ rệt qua khác biệt đồ thị phổ độ mặn nước, hàm lượng chất BOD (Biochemical Oxygen Demand), COD (chemical oxygen demand), DO (Dissolved oxygen), oxi, nitơ, cacbonic nước Khả thấu quang nước phụ thuộc vào độ đục/trong nước Các loại nước khác nước biển, nước nước cất có chung đặc tính thấu quang, nhiên độ thấu quang nước đục giảm rõ rệt so với nước bước sóng dài độ thấu quang lớn Khả thấu quang cao hấp thụ lượng dải sóng nhìn thấy lớp nước mỏng (ao, hồ nông) lượng phản xạ lớp đáy cát, đá 1.5 Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh VNREDSAT – 1A Phương pháp hiệu chỉnh khí ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A Do nhiễu khí ảnh hưởng lớn đến chất lượng ảnh vệ tinh, để khắc phục điều có nhiều phương pháp hiệu chỉnh khí Có thể chia 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; Nhóm phương pháp sử dụng tham số vật lý khí tiêu biểu phương pháp 6S dựa lý thuyết truyền xạ khí Chandsarekhar (1950) Các tham số vật lý khí có liên quan tới hai tượng tượng tán xạ tượng hấp thụ số thành phần khí như: ôzôn, ô-xy, dioxit cac-bon, hỗn hợp khí sol khí (aerosol) Các tham số đầu vào cho mô hình 6S bao gồm: Quan hệ hình học Mặt Trời – Trái Đất – đầu thu; mô hình khí (mô hình khí quốc tế, mô hình khí Mỹ 1962 1976) cho thành phần khí; mô hình sol-khí (loại hàm lượng sol-khí); giá trị phản xạ đo thực địa đo ảnh kênh phổ Trong thực tế, việc tiếp cận với tham số khí không dễ dàng, nhóm phương pháp sử dụng tham số từ liệu gốc ảnh giải pháp thiết thực cho phép hiệu chỉnh ảnh hưởng khí Một phương pháp tiêu biểu cho nhóm phương pháp sử dụng tham số từ liệu header phương pháp “trừ đối tượng tối” – DOS (Dark Object Substraction) Đây phương pháp đơn giản, dựa giá trị phản xạ đỉnh khí (TOA) thu kênh ảnh Phương pháp COST kết hợp giả định phương pháp DOS với thực tế đối tượng bề mặt trái đất đối tượng tối [5] [6] vậy, thông thường tương ứng với 1% ảnh phản xạ Giá trị xạ đối tượng hoàn toàn tối không chịu ảnh hưởng bóng tính sau: Trong L1%# giá trị 1% xạ đối tượng tối theo giả định Sau giá trị xạ chuyển thành phản xạ bề mặt Trái đất cách sử dụng công thức sau: (12) Trong đó: rl-giá trị phản xạ vệ tinh bước sóng l; (13) d – khoảng cách Trái đất Mặt trời, xác định theo công thức: Trong đó: D thứ tự ngày năm El – xạ Mặt trời trung bình khí quyển; qi – góc thiên đỉnh Trong phạm vi nghiên cứu sử dụng mô hình (14) COST để hiệu chỉnh ảnh hưởng khí ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A Phương pháp hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A Ảnh viễn thám sau thu nhận từ vệ tinh, thông thường tồn nhiều sai số, có 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 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 Việc nắn chỉnh hình học hệ xử lý ảnh tiến hành dựa điểm khống chế mặt đất (GCPs – Ground Control Points) 1.6 Phương pháp đo phổ trường Độ xác chiết tách thông tin phổ phản xạ bề mặt nước từ tư liệu ảnh vệ tinh đóng vai trò định đến độ xác kết ước lượng hàm lượng chất ô nhiễm môi trường nước mặt Phương pháp hiệu chỉnh khí COST đơn giản, nhiên sử dụng thông tin từ ảnh gốc, phương pháp có nhược điểm độ xác xác định “đối tượng tối” chừng mực hạn chế Để khắc phục tồn này, sử dụng kết đo phổ phản xạ trường vào thời điểm đồng thời với thời gian vệ tinh VNREDSat1A chụp ảnh nhằm xác định độ lệch phổ mặt nước phổ phản xạ từ ảnh 1.7 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 mặt mẫu thử nghiệm Các mẫu nước mặt lấy vị trí điểm đo phản xạ phổ trường 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 Số lượng điểm lấy mẫu phải đủ lớn phân bố khu vực nghiên cứu nhằm đảm bảo thể đặc trưng phân bố hàm lượng chất ô nhiễm nước mặt Đề xuất quy trình đánh giá chất lượng nước mặt từ ảnh vệ tinh VNREDSAT – 1A Nghiên cứu sở khoa học phương pháp đánh giá chất lượng nước từ tư liệu viễn thám cho thấy, ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A sử dụng hiệu xác định hàm lượng thông số chất lượng nước Từ phân tích trên, nhóm nghiên cứu đề xuất quy trình đánh giá chất lượng nước mặt từ tư liệu ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A hinh1: Giải thích qui trình Bước 1: Thu thập tư liệu, bao gồm ảnh vệ tinh quang học VNREDSat – 1A khu vực nghiên cứu, kết Tài nguyên Môi trờng Kỳ - Tháng 12/2017 21 phân tích chất lượng nước điểm lấy mẫu kết đo phổ phản xạ trường vị trí điểm lấy mẫu chất lượng nước Các kênh ảnh đa phổ ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A, bao gồm kênh (blue), kênh (green), kênh (red) kênh (NIR – cận hồng ngoại) sử dụng để đánh giá hàm lượng thông số chất lượng nước Bước 2: Tiền xử lý (pre-processing) tư liệu ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A Quá trình tiền xử lý ảnh nhằm loại bỏ sai số hình học sai số phổ ảnh vệ tinh Việc tiền xử lý ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A thực phần mềm xử lý ảnh thương mại, trong luận án lựa chọn phần mềm ERDAS Imagine Bước 3: Hiệu chỉnh khí Hiệu chỉnh khí nhằm loại bỏ ảnh hưởng khí đến chất lượng ảnh, phục vụ công tác chiết tách thông tin phổ phản xạ bề mặt Trong luận án lựa chọn phương pháp hiệu chỉnh khí COST sở phương pháp «trừ đối tượng tối» - DOS Các đối tượng tối xác định trực tiếp từ ảnh vệ tinh, sử dụng độ lệch phản xạ phổ trung bình phổ phản xạ trường #(#) và# phổ phản xạ xác định từ ảnh vệ tinh #w(#) điểm đo sử dụng máy đo phổ trường Bước 4: Xác định quan hệ phổ phản xạ mặt nước hàm lượng thông số chất lượng nước Phổ phản xạ mặt nước kênh đa phổ ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A sử dụng để đánh giá mối quan hệ với giá trị hàm lượng thông số chất lượng nước điểm đo Trong luận án sử dụng phương án bao gồm: phổ phản xạ kênh đơn, hai kênh, ba kênh, bốn kênh, ảnh tỉ lệ kênh cận hồng ngoại kênh xanh lam nhằm xác định hàm quan hệ với giá trị thông số chất lượng nước điểm đo Trong luận án thử nghiệm với mô hình hàm hồi quy khác hàm tuyến tính, hàm đa thức, hàm logarith, hàm mũ để đánh giá tương quan phản xạ phổ mặt nước hàm lượng chất ô nhiễm nước mặt Bước 5: Lựa chọn mô hình hồi quy tối ưu Trên sở kết thử nghiệm xác định mô hình hàm hồi quy phản xạ phổ mặt nước hàm lượng chất ô nhiễm nước mặt, tiến hành lựa chọn mô hình có độ xác tốt Để đánh giá độ xác mô hình dựa vào giá trị hệ số R2 kết so sánh với giá trị thông số chất lượng nước điểm lấy mẫu sử dụng để kiểm nghiệm mô hình (bên cạnh điểm sử dụng để xác định mô hình) Các mô hình lựa chọn cho loại thông số chất lửụùng nửụực 22 Tài nguyên Môi trờng Kỳ - Th¸ng 12/2017 Bước 6: Ước lượng hàm lượng thông số chất lượng nước Sau lựa chọn mô hình, luận án tiến hành xác định hàm lượng thông số chất lượng nước từ tư liệu ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A Bước 7: Thành lập đồ phân bố hàm lượng thông số chất lượng nước Kết nhận bước sử dụng để thành lập đồ phân bố hàm lượng chất ô nhiễm nước mặt khu vực nghiên cứu Kết luận Phố phản xạ mặt nước xác định từ ảnh viễn thám quang học có quan hệ chặt chẽ với hàm lượng thông số chất lượng nước Như vậy, để ước lượng hàm lượng chất ô nhiễm nước mặt từ tư liệu viễn thám cần phải xác định quan hệ hàm lượng thông số điểm đo phản xạ phổ xác định từ ảnh vệ tinh Ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A với độ phân giải không gian cao sử dụng hiệu đánh giá chất lượng nước Để xác định phổ phản xạ bề mặt từ ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A, liệu ảnh cần hiệu chỉnh xạ hiệu chỉnh hình học nhằm loại bỏ sai số liên quan đến giá trị độ xám hình dạng ảnh Bên cạnh đó, sử dụng kết đo phản xạ phổ trường nhằm nâng cao độ xác hiệu chỉnh khí ảnh VNREDSat – 1A Quy trình đánh giá chất lượng nước mặt từ tư liệu ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A cho phép ước lượng hàm lượng chất gây ô nhiễm nước mặt, từ xây dựng đồ phân bố hàm lượng thông số phục vụ công tác giám sát quản lý chất lượng môi trường nước mặt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C Mobley, « A numerical model for computation of radiance distributions in natural waters,» Limnology and Oceanography, vol 34, nr 8, pp 1473-1483, 1989 [2] 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 [3] S C X L J C Wuiqi He, «Water quality monitoring in slightly – polluted body through remote sensing – a case study in Guanting Reservoir Beijing, China,» Front Environment Engin China, vol 1, pp 1-11, 2008 [4] V D T T L H Nguyễn Thị Lệ Hằng, “Ứng dụng GIS số WQI đánh giá chất lượng nước mặt, thử nghiệm cho khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh,” Tạp chí Công nghiệp Mỏ, tập 1, pp 55-59, 2017.n ... hàm lượng thông số chất lượng nước Từ phân tích trên, nhóm nghiên cứu đề xuất quy trình đánh giá chất lượng nước mặt từ tư liệu ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A hinh1: Giải thích qui trình Bước 1: Thu... chỉnh khí ảnh VNREDSat – 1A Quy trình đánh giá chất lượng nước mặt từ tư liệu ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A cho phép ước lượng hàm lượng chất gây ô nhiễm nước mặt, từ xây dựng đồ phân bố hàm lượng thông... chất lượng nước mặt từ ảnh vệ tinh VNREDSAT – 1A Nghiên cứu sở khoa học phương pháp đánh giá chất lượng nước từ tư liệu viễn thám cho thấy, ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A sử dụng hiệu xác định hàm lượng