5. Cấu trúc luận văn
3.2.1. Tạo ảnh hàm lượng Chl-a và trích xuất dữ liệu
Sử dụng phần mềm Envi xử lý ảnh viễn thám MODIS Aqua đã thu thập được thông qua các bước sau:
Bước 1: Dữ liệu ảnh viễn thám MODIS Aqua sau khi thu thập được chuyển sang định dạng GeoTIFF sau đó tiến hành hiệu chỉnh chuyển đổi hệ quy chiếu từ hệ quy chiếu ISIN (Integerized Sinmusoidal) sang hệ toạ độ VN-2000 để phù hợp với bản
53
đồ nền hiện nay. Hình 3.2 thể hiện cảnh ảnh MODIS ngày 26/07/2020 trước và sau khi hiệu chỉnh chuyển đổi hệ quy chiếu.
Hình 3.2. Cảnh ảnh MODIS Aqua ngày 26/07/2020 trước khi hiệu chỉnh (a) và sau khi hiệu chỉnh (b)
Bước 2: Cắt ảnh theo vùng biển nghiên cứu để giảm tải dung lượng.
Bước 3: Trích xuất giá trị Chl-a trong vùng biển nghiên cứu. Các thông tin đi kèm như thời gian (năm, tháng, ngày) và tọa độ, đơn vị đo lường cũng được trích xuất song song với giá trị thông số.
Việc chuyển đổi hệ quy chiếu và trích xuất dữ liệu cũng có thể tiến hành đồng thời cùng nhau, file dữ liệu chưa trích xuất (*.nc) có nhiều lớp (layer) phục vụ cho các mục đích nghiên cứu khác nhau. Khi trích xuất lựa chọn lớp thông tin Chl-a để trích xuất dữ liệu, những vùng đất liền hoặc bị mây che phủ không đo được giá trị Chl-a được thể hiện màu trắng trong file ảnh và nhận giá trị “NAN”. Dữ liệu Chl-a cũng được trích xuất chuyển sang dữ liệu số (DN – Digital Numbers) dưới dạng file *.csv. Sau khi xử lý dữ liệu đồng bộ hàng loạt thì lọc loại bỏ những vị trí bị khuất hoặc không có giá trị này. Kết quả thu được ảnh tổ hợp màu giả hàm lượng Chl-a được thể hiện trong Hình 3.3.
54
Hình 3.3. Ảnh màu giả Chl-a ngày 16/5/2020
Bước 4: Dữ liệu Chl-a trung bình theo tuần, theo tháng, theo mùa được tổ hợp trên phần mềm Envi từ ảnh hàng ngày, hoặc sử dụng số liệu đã trích xuất từ file dữ liệu hàng ngày sau đó sử dụng phương pháp thống kê toán học trong Excel để tính trung bình tuần, tháng, mùa, năm và nhiều năm. Ảnh hàm lượng Chl-a trung bình tháng giai đoạn 2015 - 2020 sau khi được tổ hợp từ nhiều ảnh hàng ngày trong tháng được thể hiện trong Hình 3.4.
55
Hình 3.4. Ảnh tổ hợp Chl-a trung bình tháng giai đoạn 2015 - 2020 3.2.2.Đánh giá chất lượng số liệu Chl-a từ dữ liệu ảnh viễn thám MODIS
Việc đánh giá chất lượng số liệu Chl-a từ dữ liệu ảnh viễn thám MODIS là một việc hết sức khó khăn. Kết quả ước tính Chl-a từ ảnh viễn thám phụ thuộc rất nhiều yếu tố như thời tiết, thời gian và thiết bị chụp cũng như các thuật toán sử dụng trong việc giải đoán.
Theo báo cáo của Võ Văn Lành và Vũ Văn Tác (2000), khoảng giới hạn của yếu tố Chl-a vùng Biển Đông được xác định là (0 - 20mg/m3), dựa trên 1.894 trạm với 3.467 số số liệu, quan trắc trong khoảng thời gian từ 1961 - 1998 [28].
Tuy nhiên theo tài liệu cơ sở dữ liệu biển thế giới [39, 40] thì giới hạn của yếu tố Chl-a như sau:
56
Hàm lượng Chl-a vùng biển ven bờ bắc Thái Bình Dương nằm trong khoảng (0 - 50mg/m3) còn vùng khơi thì Chl-a nằm trong khoảng (0 - 1,5mg/m3).
Hàm lượng Chl-a vùng biển xích đạo Thái Bình Dương khu vực ven bờ nằm trong khoảng (0 - 50mg/m3) còn vùng ngoài khơi Chl-a nằm trong khoảng (0 - 1mg/m3).
Theo cách phân chia của NODC (National Oceanographic Data Center), vùng biển nghiên cứu gần như nằm trọn trong vùng biển bắc Thái Bình Dương. Tuy nhiên có một phần thuộc về vùng biển xích đạo Thái Bình Dương. Để đánh giá chất lượng số liệu Chl-a thu thập được từ ảnh dựa trên các đánh giá số liệu đã tham khảo được, cả hai khoảng giới hạn trên (0 - 20mg/m3 và 0 - 50mg/m3) đã được lần lượt sử dụng để kiểm tra. Kết quả kiểm tra được mô tả trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Kiểm tra chất lượng số liệu Chl-a (mg/m3) từ dữ liệu ảnh viễn thám MODIS
Khoảng giới hạn
kiểm tra Tổng số liệu
Số liệu nằm ngoài khoảng giới hạn Tỷ lệ % ngoài khoảng (0 - 20) 5.093.272 5.305 0,10% (0 - 50) 5.093.272 1.478 0,03%
Theo kết quả kiểm tra chất lượng số liệu Chl-a từ viễn thám thì 99,9% số liệu nằm trong khoảng (0 - 20 mg/m3) và 99,97% số liệu nằm trong khoảng (0 - 50mg/m3). Điều này có nghĩa là những giá trị Chl-a lớn hơn 20mg/m3 là rất hiếm và các số liệu Chl-a giải đoán từ ảnh viễn thám là hợp lý và đáng tin cậy. Vì vậy, khoảng dữ liệu (0 - 20 mg/m3) đã được lựa chọn để sử dụng cho việc nghiên cứu tiếp theo.
3.2.3.Tương quan hàm lượng Chl-a từ viễn thám với thực đo
Đã đồng bộ được 57 trạm hàm lượng Chl-a từ dữ liệu ảnh viễn thám và thực đo trong năm 2017 và 2020 của hai đề tài, dự án KC.09.19/16-20 và I9. Cụ thể 31 trạm đồng bộ từ dự án I9 vào tháng 7 - 8/2017 và 26 trạm đồng bộ từ đề tài KC.09.19/16- 20 vào tháng 9 - 10/2020, phân bố các trạm đồng bộ phủ khắp vùng biển từ Nghệ An đến Cà Mau (Hình 3.5).
57
Hình 3.5. Phân bố các trạm đồng bộ Chl-a
Phân tích tương quan giữa hai chuỗi số liệu Chl-a thực đo và viễn thám tại tất cả các trạm đồng bộ cho thấy hệ số tương quan rất cao. Với 57 trạm Chl-a đã đồng bộ cho hệ số tương quan R = 0,92 với hệ số xác định R2 = 0,8387. Điều đó cho thấy số liệu Chl-a từ dữ liệu ảnh viễn thám MODIS gần đúng với số liệu Chl-a thực đo là 83,87% (Hình 3.6). Trong hầu hết các trạm đồng bộ, hàm lượng Chl-a từ dữ liệu ảnh viễn thám cao hơn hàm lượng Chl-a thực đo nhưng không nhiều, dao động lớn nhất là các trạm đo trong tuần từ ngày 28/7 - 4/8/2017 với 1,4mg/m3 và nhỏ nhất vào các trạm đo trong tuần từ ngày 21 - 28/9/2020 (Hình 3.7).
58
Hình 3.6. Tương quan hàm lượng Chl-a từ viễn thám với thực đo
Hình 3.7. Biến động hàm lượng Chl-a tại các trạm đồng bộ 3.2.4.Đánh giá sai số và hiệu chỉnh số liệu Chl-a từ viễn thám
Với 57 trạm Chl-a đã đồng bộ được đưa vào tính các chỉ số sai số, theo công thức (2.8) và (2.9) thì sai số trung bình MEChl-a = 0,13mg/m3; sai số tuyệt đối trung bình MAEChl-a = 0,17 mg/m3. Nghĩa là Chl-a từ dữ liệu ảnh viễn thám có xu hướng cao hơn giá trị thực đo, trung bình ở khoảng 0,17mg/m3. Theo công thức (2.10) sai số trung phương RMSEChl-a = 0,12mg/m3 nghĩa là độ lớn sai số Chl-a từ dữ liệu ảnh viễn thám so với thực đo, trung bình khoảng 0,12mg/m3. Từ các hệ số R, R2 và các chỉ số
59
sai số ME, MAE, RMSE đã tính toán có thể khẳng định số liệu Chl-a từ viễn thám MODIS là rất tốt, có thể sử dụng nghiên cứu nhiều lĩnh vực trong môi trường biển.
Việc hiệu chỉnh dữ liệu giữa hai loại dữ liệu khác nhau có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp. Nếu các tập dữ liệu có sự chênh lệch theo số gia nào đó thì hiệu chỉnh có thể thực hiện bằng cách cộng thêm số gia. Nếu hai tập dữ liệu có mối tương quan theo một hàm số tuyến tính thì có thể dùng hàm số này để hiệu chỉnh. Trong luận văn, sử dụng tập dữ liệu được đo trực tiếp và dữ liệu ước tính trên ảnh MODIS, trên cơ sở xử lý thống kê dữ liệu và tìm ra hàm số tuyến tính thể hiện tương quan của 2 tập dữ liệu. Với tương quan của các cặp điểm trong đồ thị Hình 3.8 ở trên, dữ liệu Chl-a ước tính từ ảnh viễn thám MODIS có thể tương quan với dữ liệu thực đo theo hàm tuyến tính y = 1,164x + 0,0828. Hàm số này có thể dùng để hiệu chỉnh tập dữ liệu MODIS theo tập dữ liệu thực đo đối với khu vực nghiên cứu tại vùng biển Việt Nam. Các số liệu sau hiệu chỉnh được trình bày bằng biểu đồ Hình 3.8.
Hình 3.8. Hàm lượng Chl-a sau khi hiệu chỉnh tại các trạm đồng bộ
Phân bố không gian Chl-a thực đo và viễn thám qua các trạm đồng bộ cho thấy sự tương đồng và đồng nhất tại các vị trí. Khu vực ven biển Trung Trung Bộ hàm lượng Chl-a ở mức thấp khoảng 0,2mg/m3, khu vực ven bờ bắc Trung Bộ hàm lượng Chl-a ở mức khoảng 0,62mg/m3 đến 1,52mg/m3, hàm lượng Chl-a tập trung cao nhất ở khu vực cửa sông Mekong và Bạc Liêu, Bến Tre (Hình 3.9).
60
Hình 3.9. Phân bố không gian Chl-a (mg/m3) từ dữ liệu đã đồng bộ
3.3. Nhiệt độ bề mặt biển (SST) từ dữ liệu ảnh viễn thám MODIS
3.3.1.Tạo ảnh SST và trích xuất dữ liệu
Dữ liệu ảnh SST thu thập về cũng có định dạng file *nc. Phương pháp thực hiện việc chuyển đổi định dạng tập tin ảnh, hệ quy chiếu cũng giống như phương pháp với yếu tố Chl-a. Sau khi xử lý dữ liệu đồng bộ hàng loạt thì lọc loại bỏ những vị trí đất liền này (Hình 3.10).
61
Tổ hợp ảnh SST theo tuần, ảnh tổ hợp theo tháng và ảnh tổ hợp theo mùa cũng được thực hiện trên phần mềm Envi (Hình 3.11). Tổ hợp ảnh nhiều ngày dựa trên những thông tin thời gian (ngày, tháng, năm) của từng ảnh.
Hình 3.11. Ảnh tổ hợp SST trung bình tháng giai đoạn 2015 - 2020 3.3.2.Tương quan SST viễn thám với thực đo
Tổng số đã đồng bộ được 323 trạm SST từ dữ liệu ảnh viễn thám và thực đo trong suốt giai đoạn từ 2015 đến 2020 từ các đề tài dự án như: Dự án I8, I9, Việt - Trung, Long - Sơn, KC.09.19/16-20, …vv. Cụ thể các trạm đồng bộ SST như sau: tháng 7/2015 là 6 trạm, tháng 9 - 10/2016 là 26 trạm, tháng 7 - 8/2017 là 54 trạm, tháng 6/2018 là 18 trạm, tháng 8 - 11/2018 là 146 trạm, tháng 3 - 4/2019 là 54 trạm, tháng 9/2020 là 19 trạm. Phân bố các trạm đồng bộ SST như Hình 3.12.
62
Hình 3.12. Phân bố các trạm đồng bộ SST
Phân tích tương quan giữa hai chuỗi số liệu SST từ viễn thám và thực đo tại tất cả các trạm đồng bộ cho thấy hệ số tương quan rất cao. Với 323 trạm SST đã đồng bộ trong giai đoạn 2015 - 2020 cho hệ số tương quan R = 0,91 (hệ số xác định R2 = 0,8353) (Hình 3.13). Điều đó cho thấy số liệu SST từ dữ liệu ảnh viễn thám MODIS gần đúng với số liệu thực đo là 83,53%. So sánh với nghiên cứu trước đây của Nguyễn Thị Hải (2013), đối với vùng biển vịnh Bắc Bộ đã đánh giá tương quan SST từ dữ liệu ảnh viễn thám MODIS với số liệu thực đo tại các trạm cố định: Cô Tô, Bạch Long Vỹ, Hòn Dấu, Hòn Ngư, Cồn Cỏ cũng cho hệ số tương quan cao (R > 0,9) [3].
63
Hình 3.13. Tương quan SST (oC) từ viễn thám với thực đo
3.3.3.Đánh giá sai số và hiệu chỉnh số liệu SST từ dữ liệu ảnh viễn thám MODIS Với 323 trạm đồng bộ SST được đánh giá sai số số liệu từ dữ liệu ảnh viễn thám. Với 323 trạm đồng bộ SST được đánh giá sai số số liệu từ dữ liệu ảnh viễn thám. Theo công thức (2.8) thì sai số trung bình MESST = -0,05oC và theo công thức (2.9) sai số tuyệt đối trung bình MAESST = 0,5oC nghĩa là giá trị SST từ dữ liệu ảnh viễn thám có xu hướng thấp hơn giá trị thực đo, trung bình một khoảng 0,5oC. Theo công thức (2.10) sai số trung phương RMSESST = 0,67oC, như vậy qua các chỉ số được đánh giá có thể khẳng định số liệu SST từ dữ liệu ảnh viễn thám MODIS cho kết quả độ chính xác cao. Khoảng dao động giá trị SST tại các trạm đồng bộ của thực đo và viễn thám khá tương đồng. Trong hầu hết các trạm đồng bộ, SST đều có xu hướng giống nhau, chênh lệch giá trị lớn nhất giữa thực đo và viễn thám tại các trạm đồng bộ là 2,7oC. Như vậy qua sự kiểm chứng và đánh giá sai số trên cho thấy, số liệu SST từ viễn thám MODIS rất đáng tin cậy để sử dụng nghiên cứu trong môi trường biển. Với các chỉ số sai số ME, MAE và RMSE đã tính toán, cho thấy sai số rất gần nhau nên việc hiệu chỉnh số liệu SST từ dữ liệu ảnh viễn thám là hoàn toàn có thể.
Với tương quan của các cặp điểm trong đồ thị Hình 3.13 ở trên, số liệu SST ước tính từ ảnh viễn thám MODIS có thể tương quan với số liệu thực đo theo hàm tuyến tính y = 0,8728x + 3,6253. Hàm số này có thể dùng để hiệu chỉnh tập số liệu viễn thám theo tập số liệu thực đo đối với khu vực nghiên cứu tại vùng biển Việt Nam.
64
Đồ thị Hình 3.14 cho thấy số liệu viễn thám và số liệu thực đo tại các trạm đồng bộ có xu hướng giống nhau nhưng chưa trùng khít, sau khi hiệu chỉnh thì số liệu MODIS đã có kiểu phân bố gần trùng với số liệu thực đo, đường cong đồ thị giá trị từ viễn thám có các đỉnh và đáy tương ứng với đỉnh và đáy của tập số liệu thực đo với sự chênh lệch rất nhỏ.
Hình 3.14. SST (oC) sau khi hiệu chỉnh tại các trạm đồng bộ
Phân bố không gian SST từ số liệu thực đo và viễn thám tại các trạm đã đồng bộ cho thấy có sự tương đồng và đồng nhất giữa các vị trí trong vùng biển. Vùng ven biển Quảng Ninh, Thanh Hóa SST thấp nhất so toàn vùng, vùng ven biển Tuy Hòa (Phú Yên) đến Nha Trang có khối nước xoáy, SST tăng cao nhất (Hình 3.15).
65
Hình 3.15. Phân bố không gian SST (oC) từ dữ liệu đã đồng bộ
3.4. Phân tích dữ liệu ảnh viễn thám MODIS giai đoạn 2015 - 2020
3.4.1.Phân tích hàm lượng Chl-a từ dữ liệu MODIS
Theo Kirk (1994) thì hàm lượng Chl-a trung bình trong đại dương là 0,2mg/m3. Nguyễn Tác An (1989) cho rằng vùng biển ven bờ có giá trị trung bình nằm trong khoảng 0,6 ± 0,3mg/m3 là vực nước có những điều kiện sinh thái thích hợp cho quá trình sản xuất sơ cấp. Phân tích tổng hợp số liệu đã tính toán từ viễn thám cho thấy giai đoạn 2015 - 2020 hàm lượng Chl-a trong toàn vùng biển Việt Nam (bao gồm cả vùng biển ven bờ) có giá trị trung bình là 0,6mg/m3. Khu vực vùng vịnh Bắc Bộ có hàm lượng Chl-a trung bình cao nhất trong toàn vùng biển vào cả hai mùa gió (đông bắc và tây nam). Vào mùa gió đông bắc, hàm lượng Chl-a trung bình toàn vùng cao hơn so với mùa gió tây nam từ 0,03 - 0,54mg/m3 (Bảng 3.2).
66
Bảng 3.2. Giá trị hàm lượng Chl-a (mg/m3) trong từng khu vực vùng biển
Mùa gió Giá trị
(mg/m3) Khu vực vùng biển Vịnh Bắc Bộ Trung Bộ Đông Nam Bộ Tây Nam Bộ Mùa gió đông bắc Nhỏ nhất 0,10 0,05 0,06 0,07 Trung bình 1,62 0,26 0,29 0,66 Lớn nhất 19,01 16,43 15,27 17,02 Độ lệch chuẩn 1,65 0,56 0,58 0,99 Mùa gió tây nam Nhỏ nhất 0,08 0,05 0,05 0,06 Trung bình 1,08 0,23 0,25 0,46 Lớn nhất 19,58 18,91 18,25 18,25 Độ lệch chuẩn 1,61 0,56 0,56 1,03
Đồ thị biến động Chl-a từng năm cho thấy, giá trị Chl-a cao nhất ở các tháng chính mùa đông bắc (tháng 12 và tháng 1) và thấp nhất ở các tháng chính mùa tây nam (tháng 6 và tháng 7). Xét trong từng khu vực vùng biển, giá trị hàm lượng Chl- a trung bình tháng dao động từ 0,23 - 1,63mg/m3. Qua đồ thị Hình 3.16 có thể thấy rằng hàm lượng Chl-a khu vực vùng biển Trung Bộ và Đông Nam Bộ ổn định và đồng đều hơn ở mức thấp nhất, giá trị dao động từ 0,19 - 0,36mg/m3. Khu vực vùng biển Tây Nam Bộ vào các tháng mùa gió đông bắc (từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau) hàm lượng Chl-a tăng cao hơn và giảm dần vào các tháng mùa gió tây nam (từ tháng 5 đến tháng 9), khoảng giá trị trung bình tháng dao động từ 0,37 - 0,98mg/m3. Khu vực vùng biển vịnh Bắc Bộ có hàm lượng Chl-a trung bình tháng cao nhất, dao động từ 0,68 - 1,93mg/m3 và phụ thuộc vào ảnh hưởng của gió mùa nhất, giá trị dao động