5. Cấu trúc luận văn
1.3.1. Cách tiếp cận
Tiếp cận tổng hợp:
Để ứng dụng viễn thám trong dự báo đánh bắt hải sản, cần phải nghiên cứu đặc điểm môi trường sinh thái của hải sản như các yếu tố SST, Chl-a … và khả năng chiết xuất các thông tin từ ảnh viễn thám để từ đó DBNT khai thác, đánh bắt hải sản.
Tiếp cận công nghệ:
- Tiếp cận công nghệ viễn thám để chiết tách thông tin SST, hàm lượng Chl-a để từ đó đưa vào mô hình xác định ngư trường khai thác hải sản.
- Tiếp cận công nghệ GIS và bản đồ để tính toán và thể hiện kết quả nghiên cứu. 1.3.2.Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân loại và hệ thống hóa tài liệu
Căn cứ vào mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, các tài liệu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu về Chl-a và SST từ dữ liệu ảnh viễn thám. Các tài liệu của đề tài nghiên cứu liên quan đến viễn thám, MODIS Aqua, Chl-a, SST và DBNT. Các tài liệu bản đồ, địa hình, tài nguyên, môi trường, khí hậu vùng nghiên cứu, tài liệu từ kết quả khảo sát điều tra thực địa, các tài liệu số trên internet là các bài báo, sách, báo cáo, liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu.
- Phương pháp thu thập và phân tích xử lý số liệu thực đo
Đây là một việc làm rất quan trọng và được thực hiện ngay từ đầu nhằm xây dựng một cơ sở dữ liệu phù hợp, có độ tin cậy cao trên cơ sở kế thừa các nguồn số liệu, tài liệu đã có. Cơ sở dữ liệu phục vụ nghiên cứu được hệ thống hóa sắp xếp và cập nhật theo nội dung nghiên cứu của đề tài và được xác định đầy đủ các nguồn trích dẫn.
28
Đối với bản thân học viên đang công tác tại Trung tâm Dự báo ngư trường khai thác Hải sản - Viện Nghiên cứu Hải sản, thường xuyên được tham gia thực hiện các đề tài dự án, trực tiếp đi khảo sát thực địa, thu thập và xử lý số liệu hải dương học về vùng biển Việt Nam. Đây là một sự thuận lợi rất lớn đối với học viên tạo nên sự hiểu biết đầy đủ hơn về lĩnh vực nghiên cứu, cũng như tạo cơ hội trong việc thu thập tài liệu, số liệu và thực hiện các nội dung nghiên cứu của đề tài luận văn đạt được chất lượng tốt hơn và có độ tin cậy cao hơn. Phương pháp này nhằm đo đạc, lấy mẫu, chụp ảnh hiện trạng các yếu tố hải dương nhằm thu thập nguồn tài liệu, số liệu để xây dựng một hệ thống cơ sở dữ liệu đầy đủ, chi tiết để đồng bộ với dữ liệu ảnh viễn thám nhằm xây dựng mô hình và quy trình tính toán. Từ đó làm cơ sở để xác định các đối tượng nghiên cứu.
Số liệu thực đo SST và Chl-a thu thập bằng thiết bị tự ghi CTD - Conductyvity Temperature Depth (Nhật Bản) với độ chính xác cao (sai số thiết bị đã được kiểm chứng: nhiệt độ là ± 0,01oC; Chl-a là ± 0,1FS ở dải nhiệt từ 0 – 35oC, độ sâu từ 0 - 600m). Dữ liệu tại các trạm đo được lưu lại thành file riêng, thư mục riêng trên máy tính cho từng trạm đo. Sau khi kết thúc đo tại mỗi trạm đo tiến hành trút dữ liệu ra file riêng, thư mục riêng trên máy tính ngay tại hiện trường (có đầy đủ thông tin dự án, vùng biển, thời gian, người quan trắc, ….). Sau đó kiểm tra file số liệu vừa thu được tại mỗi trạm đo, nếu có hiện tượng sai số thô hay nghi ngờ số liệu bất thường, chưa chính xác tiến hành kết nối máy và thiết bị đo đạc, đo lại mẫu để kiểm tra.
- Phương pháp viễn thám
Ảnh viễn thám là nguồn tài liệu cho phép thu nhận những thông tin mà ảnh thu thập được tại thời kỳ thu nhận ảnh. Sử dụng phương pháp này có thể ước tính hàm lượng Chl-a và SST dựa vào thuật toán tính toán mà NASA thiết lập. Phương pháp viễn thám sử dụng bức xạ điện từ như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng. Phân tích và tách chiết thông tin từ dữ liệu ảnh viễn thám gồm SST, hàm lượng Chl-a.
29
Các dữ liệu sau khi ước tính ra dữ liệu số, sử dụng phương pháp thống kê thông thường trong toán học để tính toán, xác định các giá trị đặc trưng cơ bản của chuỗi số liệu như các giá trị lớn nhất, nhỏ nhất hay trung bình, …. Các giá trị đặc trưng này được xác định cho các chuỗi số liệu ngày, tháng, mùa, năm và nhiều năm.
- Phương pháp bản đồ - GIS
Các số liệu được thống kê trung bình, tiến hành xây dựng biến trình theo thời gian và không gian các đặc trưng thống kê của yếu tố SST và hàm lượng Chl-a. Các kết quả được trình bày dưới dạng biểu đồ, đồ thị, bản đồ cho việc phân tích đánh giá kết quả. Để đảm bảo tính thống nhất của tất cả các bản đồ được thể hiện và tính khách quan, chính xác của các ranh giới phạm vi, địa danh, thang màu … cần phải kết hợp với các công cụ, phần mềm của hệ thông tin địa lý. Trong luận văn, các bản đồ SST, Chl-a được thành lập và phân tích xuyên suốt. Các file *.xlsx được đưa vào phần mềm bản đồ Surfer và Mapinfo để vector hoá, biên tập thành bản đồ phân bố không gian. Để biểu thị rõ xu thế đặc trưng tại khu vực nghiên cứu giữa hai mùa gió đông bắc và tây nam, trước tiên các bản đồ trung bình cho từng mùa gió được tính toán xây dựng trên chuỗi số liệu đã ước tính. Các bản đồ là kết quả về nền nhiệt độ, hàm lượng Chl-a trung bình theo tháng, mùa gió được thể hiện thành các đường đẳng với khoảng chia đều là 0,5oC đối với SST và 0,2mg/m3 đối với Chl-a.
- Phương pháp xác định bộ chỉ số thích ứng sinh thái
Với mỗi yếu tố môi trường, từ giá trị nhỏ nhất đến giá trị lớn nhất của nó sẽ được chia thành N khoảng dao động (có thể chia khoảng không đều và chọn N bằng bao nhiêu phải tùy thuộc vào bản chất và sự biến động của yếu tố). Tại mỗi khoảng dao động thứ k (k = 1... N), từ các số liệu CPUE tức thời đồng bộ với yếu tố môi trường, chúng ta sẽ tính được tổng giá trị CPUE tương ứng cho khoảng dao động k đó, ký hiệu là T_CPUEk và hiển nhiên xác định được T_CPUEk lớn nhất, ký hiệu là T_CPUEmax. Chỉ số SI của yếu tố môi trường ứng với khoảng dao động thứ k được xác định theo công thức:
SIk = T_CPUEk
30
Các giá trị SIk nằm trong khoảng từ 0 đến 1 và tiêu chí đánh giá sự thích ứng sinh thái của cá đối với yếu tố môi trường được cho trong Bảng 1.2 [7, 19, 20].
Bảng 1.2. Hiệu quả khai thác cá nổi nhỏ tương ứng với chỉ số SI của yếu tố môi trường
Giá trị SI Mức năng suất khai thác
(CPUE) 0,0 - 0,2 Rất thấp 0,2 - 0,4 Thấp 0,4 - 0,6 Trung bình 0,6 - 0,8 Cao 0,8 - 1,0 Rất cao
Dựa trên các chỉ số thích ứng SI (còn gọi là chỉ số phù hợp được dùng để đánh giá mối quan hệ theo cặp giữa năng suất khai thác cá nổi nhỏ với từng yếu tố môi trường) mô hình HSI được tính toán theo một trong bốn mô hình phụ trợ dưới đây:
- Mô hình tích số vô hạn (CPM)[23] HSI =SI1 x SI2 xSI3…...x SIn (1.3) - Mô hình tối thiểu (MINM)[40] HSI =Min (SI1 , SI2 , SI3…..SIn) (1.4) - Mô hình trung bình số học (AMM)[24] HSI =(SI1 +SI2+SI3+.…+SIn)/n (1.5) Mô hình trung bình khoảng cách (GMM)
[27]
HSI = ( SI1 x SI2 xSI3…..x SIn)1/n (1.6)
Với cả bốn mô hình trên, tính phù hợp và tiêu chí thông tin Akaike (AIC) được xác định như sau:
(1.7)
(1.8)
Trong đó:
L(data/θ) là khả năng quan sát tập dữ liệu với các tham số θ;
vector θ biểu thị vector của tất cả các tham số;
31 i của bộ dữ liệu;
n là số mẫu;
𝛿 là phương sai của chuỗi dữ liệu quan sát; m là số tham số mô hình (yếu tố hải dương);
Lmax là tối đa của L (data/θ).
Mô hình có tiêu chí AIC nhỏ nhất được chọn là mô hình tốt nhất và được sử dụng để thử nghiệm và hiệu chỉnh. Sơ đồ quy trình tính toán của mô hình HSI từ chỉ số SI của từng yếu tố môi trường được thể hiện trên Hình 1.4.
Hình 1.4. Sơ đồ khối mô hình (HSI) DBNT khai thác cá nổi nhỏ ở biển Việt Nam Kết quả dự báo năng suất khai thác cá nổi nhỏ tương ứng với giá trị HSI đầu ra của mô hình được cho trong Bảng 1.3 và mô phỏng quá trình xây dựng DBNT theo mô hình HSI (Hình 1.5).
Bảng 1.3. Năng suất khai thác cá nổi nhỏ tương ứng với chỉ số HSI của yếu tố môi trường
Giá trị HSI Năng suất khai thác (kg/ngày)
0,0 - 0,2 <= 250
0,2 - 0,4 250 - 500
0,4 - 0,6 500 - 750
0,6 - 0,8 750 - 1000
32
33
CHƯƠNG 2.CƠ SỞ KHOA HỌC ƯỚC TÍNH HÀM LƯỢNG CHL-A VÀ SST BẰNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM
2.1. Nguồn dữ liệu sử dụng
2.1.1.Dữ liệu ảnh viễn thám
Ocean Color của NASA được hỗ trợ bởi nhóm xử lý sinh học đại dương (OBPG) tại trung tâm chuyến bay không gian Goddard của NASA. Với tư cách là hệ thống xử lý do nhà điều tra Khoa học (SIPS) lãnh đạo, trách nhiệm bao gồm việc thu thập, xử lý, hiệu chuẩn, xác nhận các sản phẩm liên quan đến đại dương từ một số lượng lớn các nhiệm vụ viễn thám dựa trên vệ tinh hoạt động, cung cấp màu đại dương, SST và SSS cho cộng đồng nghiên cứu quốc tế. Dữ liệu MODIS thu nhận từ nguồn cung cấp của NASA được Ocean Color Web phân phối ở nhiều cấp độ khác nhau. Hệ thống thu nhận của NASA xử lý dữ liệu MODIS cho toàn cầu và tạo ra các sản phẩm chuẩn để lưu trữ cho các mục đích nghiên cứu và theo dõi tài nguyên môi trường bề mặt lục địa và đại dương toàn cầu.
Trong quá trình nghiên cứu, luận văn sử dụng dữ liệu ảnh viễn thám MODIS Aqua cấp độ 2 (level 2) hàng ngày, độ phân giải 1000m, thu thập ảnh trong khoảng thời gian từ 01/2015 đến 12/2020 qua trang wed: http://www.oceancolor.com (Hình 2.1). Sau khi thu thập những cảnh ảnh có độ che phủ mây thấp (<20%) tại vùng biển nghiên cứu, lưu trữ ảnh trong cùng một thư mục (folder) để xử lý đồng thời. Cảnh ảnh thu thập về có định dạng netCDF - Network Common Data Form (phần tập tin mở rộng có dạng *.nc), định dạng netCDF được xuất hiện lần đầu tiên vào cuối những năm 1980 bởi Unidata Program Center với mục đích là xây dựng một định dạng tệp cho phép chia sẻ dữ liệu giữa các nhà khoa học trong lĩnh vực khí quyển, đại dương.
34
Hình 2.1. Trang web tải ảnh MODIS Aqua cấp độ 2 hàng ngày 2.1.2.Dữ liệu thực đo
Để bổ trợ cho quá trình kiểm chứng độ tin cậy, đánh giá độ chính xác những số liệu SST, Chl-a được xác định từ dữ liệu ảnh viễn thám, luận văn sử dụng số liệu thực đo SST, hàm lượng Chl-a tầng mặt để kiểm chứng với số liệu từ dữ liệu ảnh viễn thám. Những số liệu này được thu thập từ các chuyến điều tra, khảo sát của các chương trình, đề tài, dự án thực hiện tại Viện Nghiên cứu Hải sản trong vùng biển Việt Nam từ năm 2015 đến năm 2020 bằng thiết bị CTD - Conductyvity Temperature Depth (Nhật Bản) với độ chính xác cao. Chi tiết các trạm thực đo thể hiện trong Hình 2.2; Bảng 2.1.
35
Hình 2.2. Phân bố mạng trạm thực đo
Bảng 2.1. Thống kê trạm thực đo được sử dụng
Thời gian Trạm đo SST Trạm đo Chl-a
2015 40 40 2016 160 160 2017 176 176 2018 515 515 2019 450 450 2020 66 66 Tổng số trạm đo 1407 1407
36
Các dữ liệu này cùng với toàn bộ các dữ liệu khí tượng, hải dương học khác (sóng, gió, độ muối, độ đục, dòng chảy, độ ẩm không khí, nhiệt độ không khí, áp suất khí quyển, ...) của các chương trình, đề tài, dự án đã thực hiện trên vùng biển Việt Nam được tổng hợp trong cơ sở dữ liệu (CSDL) hải dương học lưu trữ tại Viện Nghiên cứu Hải Sản.
2.1.3.Dữ liệu khác
Ngoài ra, để phục vụ cho việc xây dựng thành lập bản đồ phân bố không gian, một số nguồn dữ liệu khác được đưa vào sử dụng như: bản đồ nền, … Các bản đồ được xây dựng trên bản đồ nền hành chính có ranh giữa biển, đất liền, hệ thống các đảo và quần đảo Việt Nam và tư liệu ảnh MODIS.
2.2. Thuật toán xác định hàm lượng Chl-a và SST từ dữ liệu ảnh viễn thám MODIS MODIS
2.2.1.Thuật toán xác định hàm lượng Chl-a
Chl-a cũng có thể đo đạc được bằng phương pháp viễn thám. Các cảm biến đặt trên vệ tinh đo đạc màu của nước biển để xác định lượng Chl-a có trong nước. Nước biển thường có màu xanh lơ, khả năng của vệ tinh có thể phát hiện được sự thay đổi rất nhỏ về màu sắc của nước biển cho kết quả hàm lượng Chl-a có trong tảo.
Thuật toán OC3M được sử dụng để tính toán giá trị Chl-a từ ảnh MODIS (còn gọi là Chl-a MODIS), thuật toán sử dụng ba kênh phổ ở dải phổ trung tâm 0,443µm; 0,488µm; 0,551µm (Bảng 2.2) [11, 19].
Chla = 10a0− a1R + a2R2+ a3R3− a4R4 (2.1) Trong nghiên cứu này các hệ số: ao = 0,283, a1 = - 2,753, a2 = 1,457, a3 = 0,659 và a4 = -1,403
R = lg (max (R443, R488)
R551 ) (2.2)
Trong đó:
Chla là nồng độ chất diệp lục (mg/m3)
R443, R488, R551, là giá trị bức xạ của các kênh phổ tương ứng
37
Bảng 2.2. Các kênh phổ MODIS sử dụng trong tính toán hàm lượng Chl-a Kênh phổ Dải phổ (µm) Ứng dụng chính Độ phân giải (m)
Kênh 09 0,438 – 0,448 Màu đại dương 1000
Kênh 10 0,483 – 0,493 Màu đại dương 1000
Kênh 12 0,546 – 0,556 Màu đại dương 1000
Việc sử dụng các đơn vị đo hàm lượng Chl-a có khác nhau trong các thiết bị đo, song các đơn vị này đều tương đương nhau. Về mặt lịch sử, những phép đo trực tiếp hàm lượng Chl-a thể hiện chung một đơn vị là μg/l và phép đo gián tiếp trên ảnh viễn thám là mg/m3, còn phụ thuộc vào phương pháp và thiết bị sử dụng. Trong văn bản kỹ thuật đo lường Việt Nam TCVN 6662:2000, các đơn vị đo hàm lượng Chl-a đó là tương đương nhau:
1mg/m3 = 1μg/l
Trong nghiên cứu này, các dữ liệu đo đạc thực đo được thực hiện bằng thiết bị đo chuyên dụng hải dương học CTD với đơn vị đo hàm lượng Chl-a là μg/l. Dữ liệu ảnh viễn thám MODIS Aqua đơn vị đo hàm lượng Chl-a là mg/m3 vì vậy đơn vị hàm lượng Chl-a được sử dụng trong nghiên cứu này là mg/m3.
2.2.2.Thuật toán xác định SST
Trong các thuật toán tính SST từ dữ liệu MODIS có sự tham gia của các thông số khí quyển và bề mặt, đó là hàm lượng hơi nước trong khí quyển. Theo bản chất vật lý của sóng điện từ và cấu tạo của đầu thu, để tính toán tổng lượng hơi nước trong khí quyển các nghiên cứu thường sử dụng các kênh 2, 17, 18 và 19 của đầu thu MODIS. Trong đó, kênh 2 là kênh cửa sổ khí quyển, kênh 17, 18, 19 là các kênh hấp thụ hơi nước.
Từ lý thuyết trên, Sobrino (2003) đã đưa ra ba thuật toán ước tính SST từ dữ liệu ảnh MODIS, bao gồm:
Thuật toán bậc nhất:
SST1 =T31+a0 (T31 −T32 ) + a1 (2.3) Thuật toán bậc hai:
38
SST2 = T31 + a0 (T31 − T32 ) + a1(T31 − T32 )2 + a2 (2.4) Thuật toán cấu trúc (có xét ảnh hưởng của tổng cột hơi nước)
SST3 = T31 + (a0 +a1W)(T31 − T32 ) + a3 + a2W (2.5) Trong đó
ai: hệ số và được Sobrino đề xuất theo Bảng 2.3