Đồng bộ số liệu viễn thám với số liệu thực đo

5. Cấu trúc luận văn

2.3.1. Đồng bộ số liệu viễn thám với số liệu thực đo

Để đánh giá độ tin cậy của số liệu SST và Chl-a từ dữ liệu viễn thám so với số liệu thực đo, yêu cầu tiên quyết đầu tiên đối với hai loại số liệu này là phải đồng bộ (nghĩa là phải cùng vị trí: tọa độ kinh, vĩ tuyến và cùng thời gian: ngày, tháng, năm đo trùng với ngày thu nhận ảnh). Đối với ảnh viễn thám quang học MODIS Aqua dữ liệu Chl-a bị che phủ nhiều bởi mây và sương mù, vùng ven bờ dữ liệu Chl-a thường bị nhiễu do ảnh hưởng bởi đường bờ. Số liệu Chl-a thực đo tại các trạm đo ven bờ, cửa sông, vũng, vịnh thì bị ảnh hưởng nhiều bởi thủy triều, độ đục, phù sa nên độ chính xác không cao. Để đánh giá chính xác hơn, các trạm thực đo cách mép bờ >=5 hải lý ưu tiên sẽ được chọn để đánh giá độ tin cậy với số liệu viễn thám. Nhiệt độ nước biển thay đổi trong ngày phụ thuộc vào từng thời điểm và vị trí địa lý. Vì vậy để đồng bộ số liệu nhiệt độ, Chl-a từ dữ liệu ảnh viễn thám với thực đo, học viên đã đồng bộ số liệu theo thời gian tuần (7 ngày) và không gian là tâm ô lưới 0,25o x 0,25o.

39

Trên thực tế các trạm thực đo thường có sai khác ít nhiều so với các tâm ô lưới, do vậy cần phải đồng bộ số liệu viễn thám với số liệu thực đo để đánh giá độ tin cậy như sau:

+ Bước 1: Loại bỏ sai số thô của số liệu thực đo sau đó tách số liệu nhiệt độ và Chl-a tầng mặt (độ sâu từ 0 – 1m) theo từng trạm đo và lưu vào tệp riêng;

+ Bước 2: Sau khi trích lọc dữ liệu viễn thám về file số *csv độ phân giải 0,1o x 0,1o kinh, vĩ tuyến cần lọc loại bỏ các sai số Chl-a nằm ngoài khoảng (0 - 20mg/m3) và lọc bỏ SST nằm ngoài khoảng (10 - 40oC) [28, 38, 39], sau đó chọn ra những file có số liệu thực đo dựa vào thông tin dữ liệu (ngày, tháng, năm) và lưu tệp riêng.

+ Bước 3: Đồng bộ số liệu viễn thám với số liệu thực đo theo tâm ô lưới 0,25o x 0,25o và thời gian trung bình tuần theo các ngày tương ứng. Trường hợp những vị trí nằm trên các đường kinh, vĩ tuyến thì vị trí đó được tính cho cả hai ô lưới.

+ Bước 4: Quét tìm tâm ô lưới có vị trí trùng nhau sau đó nhập vào chuỗi số liệu thực đo và viễn thám đã đồng bộ theo các bước trên vào cùng một file, thư mục. 2.3.2.Kiểm chứng số liệu từ dữ liệu ảnh viễn thám

Kiểm chứng số liệu từ dữ liệu ảnh viễn thám là rất quan trọng vì các số liệu này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau và độ chính xác của số liệu quyết định đến chất lượng của các kết quả. Ngoài ra, việc đánh giá, so sánh các số liệu ước tính (viễn thám) do thuật toán tính ra với các giá trị được quan sát (thực đo) đáng tin cậy là bước cơ bản để phát triển và sử dụng thuật toán. Vì vậy, học viên sử dụng các phương pháp sau để kiểm chứng số liệu từ dữ liệu ảnh viễn thám.

Phân tích tương quan hồi quy là một phương pháp có hiệu lực trong phân tích quan hệ dự đoán giá trị của biến phụ thuộc Y dựa trên giá trị đã biết của một hay nhiều biến độc lập. Mục đích của hồi quy là đi tìm một phương trình mà khi biểu diễn nó trên đồ thị, chúng ta có một đường thẳng phù hợp nhất và ước tính được biến phụ thuộc Y dựa vào những thay đổi của biến độc lập X.

Phương trình hồi quy tuyến tính đơn giản có dạng:

Yi = A + B*Xi + Ei (2.6)

40

 Ei: Sai số ngẫu nhiên;

 A: Giá trị trung bình của biến phụ thuộc Y khi biến độc lập X thay đổi 1 đơn vị (điểm cắt đường thẳng hồi quy và trục Y);

 B: Diễn tả sự thay đổi của giá trị trung bình của biến phụ thuộc Y khi biến độc lập X thay đổi 1 đơn vị (hệ số góc).

Trong phân tích tương quan hồi quy, hệ số tương quan (R) Pearson là thống kê kiểm định đo lường mối quan hệ thống kê, hay sự liên kết (mức độ tuyến tính) giữa hai biến liên tục. Nó được biết đến là phương pháp tốt nhất để đo lường mối liên hệ giữa các biến quan tâm vì nó dựa trên phương pháp hiệp phương sai. Nó cung cấp thông tin về độ lớn của mối liên kết hoặc mối tương quan, cũng như hướng của mối quan hệ. Hệ số tương quan Pearson là thước đo sức mạnh của mối quan hệ tuyến tính giữa hai biến. Tương quan bình phương R (hay còn gọi hệ số xác định: R2) là một thước đo thống kê quan trọng, trong mô hình hồi quy thể hiện tỷ lệ của sự khác biệt hoặc phương sai về mặt thống kê đối với một biến phụ thuộc có thể được giải thích bằng một biến hoặc các biến độc lập. Hệ số xác định R2 được xác định mức độ phù hợp của dữ liệu với mô hình hồi quy với dữ liệu quan sát. Để tính toán hệ số xác định cần tính toán tương quan R sau đó bình phương nó.

Trong nghiên cứu này, hệ số tương quan R cho phép đánh giá mối quan hệ tuyến tính giữa tập giá trị viễn thám và tập giá trị thực đo tại các trạm đồng bộ. Giá trị của nó biến thiên trong khoảng -1 đến 1, giá trị hoàn hảo bằng 1. Giá trị tuyệt đối của hệ số tương quan càng lớn thì mối quan hệ tuyến tính giữa hai biến càng chặt chẽ. Hệ số tương quan dương phản ánh mối quan hệ cùng chiều (đồng biến), ngược lại hệ số tương quan âm biểu thị mối quan hệ ngược chiều (nghịch biến) giữa số liệu viễn thám và thực đo. Trong khi đó, hệ số xác định R2 có giá trị giữa 0 và 1, R2 càng cao cho biết độ chính xác của kết quả nghiên cứu càng cao. Công thức tính hệ số tương quan R_Pearson [8, 12]. R = ∑n (Xi−X̅)(Yi−Y̅) i=1 √∑n (Xi−X̅)2 i=1 √∑n (Yi−Y̅)2 i=1 (2.7) Trong đó:

41

 Yi, Xi tương ứng là giá trị từ viễn thám và giá trị thực đo;

 𝑌̅ , 𝑋̅ tương ứng là giá trị trung bình từ viễn thám và thực đo;

 n là độ dài chuỗi số liệu. Miền xác định R: -1 ≤ R ≤ 1

R > 0: mối tương quan tuyến tính thuận (cùng chiều);

R < 0: mối tương quan tuyến tính nghịch (ngược chiều);

R = ± 1: mối liên hệ chặt chẽ;

R = 0: không có mối liên hệ;

|R| càng gần 1: mối liên hệ càng chặt chẽ.

 Nếu |R|< 0,1 thì tương quan rất yếu;

 Nếu 0,2 < |R|< 0,3: yếu;

 Nếu 0,4 < |R|< 0,5: trung bình;

 Nếu 0,6 < |R| < 0,7: cao;

 Nếu |R| > 0,8: tương quan rất cao. 2.3.3.Đánh giá sai số số liệu từ dữ liệu viễn thám

Một số chỉ số thường dùng trong mô hình dự báo được áp dụng để đánh giá sai số số liệu từ viễn thám với số liệu thực đo: Sai số trung bình (ME - Mean Error); sai số tuyệt đối trung bình (MAE - Mean Absolute Error) và sai số trung phương (RMSE - Root Mean Square Error). Trong các công thức dưới đây: Yi là giá trị viễn thám, Xi là giá trị thực đo, n là số trạm đồng bộ.

Sai số trung bình ME cho biết xu hướng lệch trung bình của giá trị viễn thám so với giá trị thực đo, nhưng không phản ánh độ lớn của sai số. ME dương cho biết giá trị viễn thám cao hơn giá trị thực đo, ME âm cho biết giá trị viễn thám thấp hơn giá trị thực đo, ME = 0 được xem là “hoàn hảo” (không thiên lệch về một phía nào cả). Giá trị của ME nằm trong khoảng (-∞, +∞), công thức sai số trung bình ME:

ME = 1

n ∑ni=1(Yi− Xi) (2.8) Sai số tuyệt đối trung bình MAE biểu thị biên độ trung bình của sai số nhưng không nói lên xu hướng lệch của giá trị viễn thám và thực đo. Khi MAE = 0, giá trị viễn thám hoàn toàn trùng khớp với giá trị thực đo, mô hình được xem là “lý tưởng”.

42

Thông thường MAE được sử dụng cùng với ME để đánh giá độ tin cậy. Chẳng hạn, nếu MAE khác biệt hẳn so với ME thì việc hiệu chỉnh là hết sức mạo hiểm. Trong trường hợp ngược lại, khi mà MAE và ME tương đối “sát” với nhau thì có thể dùng ME để hiệu chỉnh dữ liệu viễn thám một cách đáng tin cậy, giá trị MAE nằm trong khoảng (0, +∞). Công thức tính sai số tuyệt đối trung bình MAE:

MAE = 1

n ∑n |Yi− Xi|

i=1 (2.9)

Sai số trung phương RMSE là một trong những đại lượng cơ bản và thường được sử dụng phổ biến cho việc đánh giá kết quả của mô hình dự báo số trị. Người ta thường hay sử dụng đại lượng sai số trung phương RMSE để biểu thị độ lớn trung bình của sai số. Đặc biệt RMSE rất nhạy với những giá trị sai số lớn. Do đó nếu RMSE càng gần MAE sai số mô hình càng ổn định và có thể thực hiện việc hiệu chỉnh sản phẩm mô hình. Giống như MAE, RMSE không chỉ ra độ lệch giữa giá trị viễn thám và giá trị thực đo. Giá trị của RMSE nằm trong khoảng (0, +∞). Khi so sánh MAE và RMSE ta thấy: RMSE ≥ MAE. Còn RMSE = MAE khi và chỉ khi tất cả các sai số có độ lớn như nhau: RMSE = MAE = 0. Công thức tính sai số trung phương RMSE:

RMSE = √∑ (Yi− Xi)2

n i=1

n (2.10)

2.4. Quy trình thành lập bản đồ phân bố hàm lượng Chl-a và SST từ dữ liệu ảnh viễn thám MODIS viễn thám MODIS

Quy trình thành lập bản đồ phân bố hàm lượng Chl-a và SST từ dữ liệu ảnh viễn thám MODIS được thể hiện trong Hình 2.3.

Những cảnh ảnh SST và Chl-a có độ che phủ mây thấp (<20%) chụp tại vùng biển nghiên cứu trong giai đoạn 2015 - 2020 được lựa chọn thu thập, sau đó tiến hành các bước cắt ảnh, lọc mây, chuyển đổi hệ toạ độ, các giá trị Chl-a hoặc SST sẽ được tính toán. Các giá trị này sau đó được kiểm chứng và đánh giá sai số với số liệu thực đo. Hiệu chỉnh số liệu đã tính toán trên ảnh với số liệu thực đo sử dụng phương trình hồi quy tuyến tính. Số liệu sau hiệu chỉnh được đưa vào phần mềm Surfer và Mapinfo

43

để thành lập bản đồ phân bố không gian hàm lượng Chl-a và SST trên cơ sở bản đồ nền hành chính, ranh giới đường bờ và tư liệu ảnh vệ tinh MODIS.

Hình 2.3. Quy trình thành lập bản đồ phân bố hàm lượng Chl-a và SST từ dữ liệu ảnh viễn thám MODIS

44

CHƯƠNG 3.PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG CHL-A VÀ SST TỪ DỮ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM PHỤC VỤ DBNT TẠI VÙNG BIỂN VIỆT NAM

3.1. Điều kiện tự nhiên và tài nguyên sinh vật

3.1.1.Vị trí địa lý

Vùng biển nghiên cứu được nằm gọn trong Biển Đông, là một biển nằm rìa lục địa, nửa kín bao phủ khoảng 3,6 triệu km2 giới hạn khung trong bản đồ từ vĩ tuyến 5oN đến vĩ tuyến 23oN và từ kinh tuyến 102oE đến kinh tuyến 117oE. Việt Nam và 9 nước khác tiếp giáp với Biển Đông, bao gồm: Trung Quốc, Philippines, Indonesia, Brunei, Malaysia, Singapore, Thái Lan, Campuchia và Đài Loan. Đất liền Việt Nam giáp với vùng biển từ ba hướng: Đông, Nam và Tây nam. Các vùng biển và thềm lục địa Việt Nam là một phần Biển Đông trải dọc theo bờ biển dài 3260km, từ Móng Cái (Quảng Ninh) đến Hà Tiên (Kiên Giang) với nhiều bãi biển đẹp như: Trà Cổ, Đồ Sơn, Sầm Sơn, Cửa Lò, Cam Ranh, Vũng Tàu, … trung bình cứ 100km2 lục địa thì có 1km bờ biển, tỷ lệ này cao gấp 6 lần tỷ lệ của các nước trên thế giới (trung bình của thế giới là 600km2 đất liền có 1km bờ biển).

Việt Nam có vùng nội thủy, lãnh hải, vùng tiếp giáp lãnh hải, vùng đặc quyền kinh tế về thềm lục địa với 28 tỉnh ven biển, thành phố trực thuộc trung ương có biển theo thứ tự từ Bắc vào Nam: Quảng Ninh, Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định, Ninh Bình, Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa, Ninh Thuận, Bình Thuận, Bà Rịa - Vũng Tàu, TP HCM, Tiền Giang, Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau và Kiên Giang và 125 huyện ven biển.

Việt Nam có 12 huyện đảo: Huyện đảo Cô Tô, Vân Đồn (Quảng Ninh); huyện đảo Cát Hải, Bạch Long Vĩ (Hải Phòng); huyện đảo Cồn Cỏ (Quảng Trị); huyện đảo Hoàng Sa (Đà Nẵng); huyện đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi); huyện đảo Trường Sa (Khánh Hòa); huyện đảo Phú Quý (Bình Thuận); huyện đảo Côn Đảo (Bà Rịa – Vũng Tàu); huyện đảo Kiên Hải, Phú Quốc (Kiên Giang) và có khoảng 2800 đảo ven bờ phân bố tập trung ở các vùng biển thuộc các tỉnh như: Quảng Ninh, Hải Phòng, Khánh Hòa,

45

Kiên Giang, … và khoảng 200 đảo xa bờ trong đó có quần đảo Hoàng sa (Đà Nẵng) và quần đảo Trường sa (Khánh Hòa).

Hình thế phần đất liền của Việt Nam hẹp chiều ngang (không có nơi nào cách biển trên 500km) với đường bờ biển dài (không kể bờ các đảo) chạy theo hướng kinh tuyến, kéo từ Móng Cái (Quảng Ninh) xuống tới Hà Tiên (Kiên Giang). Bờ biển Việt Nam khúc khuỷu, nhiều eo, vũng, vịnh ven bờ và cứ 20km chiều dài đường bờ biển lại bắt gặp một cửa sông lớn. Đặc biệt, Việt Nam có hai đồng bằng châu thổ rộng lớn và phì nhiêu ven biển là đồng bằng châu thổ sông Hồng ở phía bắc và đồng bằng sông Cửu Long ở phía nam. Lượng nước và phù sa lớn nhất đổ vào Biển Đông hàng năm chính là từ các hệ thống sông của hai đồng bằng này. Bên cạnh việc bổ sung nguồn dinh dưỡng cho biển Việt Nam và Biển Đông, các hệ thống sông này cũng đổ ra biển không ít chất gây ô nhiễm môi trường biển và vùng cửa sông ven biển nước ta. 3.1.2.Điều kiện tự nhiên

a)Chế độ khí hậu

Việt Nam nằm trong vành đai nội chí tuyến, quanh năm có nhiệt độ cao và độ ẩm lớn. Chế độ khí hậu vùng biển Việt Nam khác nhau với ba miền khí hậu chủ yếu:

(i) Miền khí hậu phía bắc: từ đèo Hải Vân (Đà Nẵng) trở ra phía bắc có chế độ khí hậu nhiệt đới gió mùa, với bốn mùa rõ rệt (Xuân - Hạ - Thu - Đông), chịu ảnh hưởng gió mùa đông bắc (từ lục địa châu Á tới) và gió mùa đông nam.

(ii) Miền khí hậu phía nam: từ đèo Hải Vân trở vào phía nam do ít chịu ảnh hưởng gió mùa đông bắc nên khí hậu nhiệt đới khá điều hòa (khí hậu nhiệt đới cận xích đạo), nóng quanh năm và chia thành hai mùa rõ rệt (mùa khô và mùa mưa).

(iii) Miền khí hậu Biển Đông: có chế độ khí hậu mang tính chất gió mùa nhiệt đới biển.

Đối chiếu với những tiêu chuẩn khí hậu của vùng nội chí tuyến (khí hậu nhiệt đới) khí hậu Việt Nam có nền nhiệt độ thấp hơn và lượng mưa ẩm cao hơn, sự phân hoá giữa hai mùa trong năm rất rõ về chế độ nhiệt ở phía bắc và chế độ mưa - ẩm ở phía nam Việt Nam.

46

b)Gió biển

Gió mùa đông bắc (hay còn gọi là gió mùa đông) là một thuật ngữ để chỉ một khối khí lạnh hình thành từ trung tâm áp cao Xibia di chuyển xuống khu vực có khối không khí ấm tại Việt Nam, gây ra gió đông bắc mạnh, thời tiết xấu, thời gian đặc trưng là vào thời kỳ từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau tại Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ.

Gió mùa đông bắc là hiện tượng thời tiết đặc biệt nguy hiểm, vì khi nó tràn về ngoài khơi vịnh Bắc Bộ có gió với độ mạnh đến cấp 6 – cấp 7, có thể đánh đắm tàu thuyền, trên đất liền gió cấp 4 – cấp 5. Đặc biệt những đợt mạnh thậm chí còn gây ra dông, tố, lốc và cả mưa đá. Ngoài ra nó còn tác động lớn tới sức khỏe người dân chịu gió mùa. Vào đầu mùa đông (từ tháng 11 năm trước đến khoảng tháng 2 năm sau), gió mùa đông bắc từ cao áp Xibia di chuyển về nước ta với tính chất lạnh khô và gây nên một mùa đông lạnh cho miền bắc. Vào nửa cuối gió mùa đông bắc (từ tháng 2 đến tháng 4), áp cao Xibia dịch chuyển ra biển, ở đây khối khí nhận được lượng nhiệt ẩm lớn và bắt đầu tràn vào nước ta, gây mưa phùn ở vùng ven biển đông bắc nước ta. Gió mùa tây nam (hay còn gọi là gió tây nam hoặc gió mùa hè) là một đợt gió mùa hình thành từ trung tâm áp thấp Ấn Độ - Myanmar, hút gió từ bắc Ấn Độ Dương qua vịnh Bengan vào Việt Nam, thường xuất hiện bắt đầu vào tháng 4, hoạt động