CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT THỰC ĐỊA
Đây là phương pháp quan trọng trong nghiên cứu nhằm bổ sung và hiệu chỉnh các thơng tin có được từ các tài liệu thu thập và tiến hành đo đạc các thơng số ngồi hiện trường như: 1) đo độ thấu quang của nước (SD) bằng cách sử dụng đĩa Secchi; 2) đo phổ phản xạ tại mặt nước đồng thời với đo độ thấu quang để xây dựng, phân tích mối quan hệ giữa độ thấu quang của nước và phổ phản xạ mặt nước và phổ ảnh vệ tinh sử dụng (Landsat 8 OLI và Landsat 5 TM); 3) đo các thông số môi trường nước hác như: nhiệt độ, pH, DO. B n canh đó, trong q trình hảo sát đo đạc, học vi n đồng thời phỏng vấn ý kiến của người dân sống quanh khu vực để có được những đánh giá hách quan và thực tế về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của nước hồ tại các vị trí nghiên cứu.
Để tiến hành nghiên cứu trong Luận văn, học viên đã thực hiện 3 đợt khảo sát thực địa, cụ thể là:
- Đợt 1: Vào ngày 01/06/2016 với 8 điểm phân bố dọc ven bờ dọc đường Thụy Khu , đường Thanh Niên, đường Yên Phụ. Đây là khu vực tập trung dịch vụ kinh doanh nhà thuyền và nơi tập trung nhiều cống xả thải nhất của Hồ Tây như Cống Tàu Bay, Cống Cây Si, Cống Đõ nhằm đánh giá tác động của hoạt động kinh doanh và xả thải quanh hồ tới độ trong của nước Hồ Tây.
- Đợt 2: Vào ngày 27/09/2016 với 8 điểm dọc theo hồ từ hu Công vi n nước Hồ Tây đến đường Thanh Niên nhằm xác định sự thay đổi độ trong của nước Hồ Tây theo không gian.
- Đợt 3: Vào ngày 03.09.2017 với 8 điểm khu vực ven hồ dọc đường Bưởi, Lạc Long Quân và khu vực phường Quảng An. Đây là hu vực khơng có hoạt động nhà thuyền để so sánh với độ trong với những khu vực tập trung hoạt động nhà thuyền thu thập từ đợt khảo sát thứ nhất nhằm làm rõ sự ảnh hưởng của hoạt động nhân sinh tới chất lượng nước Hồ Tây.
Vị trí các điểm khảo sát, đo đạc phân bố chủ yếu ở gần bờ do điều kiện thuê tàu, thuyền hó hăn và một số hạn chế về mặt kỹ thuật (máy đo phổ bị rung lắc và không hoạt động khi dùng thuyền nghiên cứu trên mặt nước). Các vị trí này được thể hiện trên hình 2.1.
Hình 2. 1. Sơ đồ mạng lƣới khảo sát
Để chuẩn bị cho công tác thực địa cần chuẩn bị PS, máy đo phổ, máy GPS cầm tay, đĩa Secchi, thước dây, thuyền… Các thiết bị chính sử dụng trong q trình lấy mẫu đều được kiểm tra và hiệu chuẩn đạt yêu cầu, đảm bảo độ chính xác trong q trình vận hành. Ngày thực địa được chọn vào các ngày thời tiết có nắng đẹp trùng với ngày chụp ảnh vệ tinh Landsat 8 OLI. Vị trí các điểm khảo sát được xác định bằng máy đo PS hiện trường. Thuyền nhỏ được sử dụng làm phương tiện di chuyển đi đến các điểm khảo sát đã định sẵn trước đó.
Trong q trình khảo sát có các phương pháp đo hiện trường cụ thể như sau:
2.2.1. Đo độ phản xạ bề mặt nƣớc
Phổ phản xạ mặt nước Hồ Tây được tiến hành đo bằng cách sử dụng máy đo bức xạ hiện trường ER 1500 do Trung tâm CAR IS, trường Đại học Khoa học Tự
nhiên cung cấp. Máy đo bức xạ hiện trường ER 1500 được sản xuất bởi Tập đoàn Vista (Vista Corporation), Hoa Kỳ cho phép đo phổ phản xạ mặt nước trong dải sóng từ tia cực tím (UV) đến cận hồng ngoại (NIR) ứng với 350 nm đến 1050 nm với độ phân giải kênh phổ là 1,5 nm sử dụng sóng điện từ tự nhiên phát xạ từ mặt trời. Phổ phản xạ mặt nước được đo ở góc chiếu 40-45o theo hướng 130-135o so vớihướng chiếu của mặt trời theo phương pháp của Mobley [10] và Mueller [46] (hình 2.2). Theo đó, phổ phản xạ của mặt nước được tính tốn bằng phương trình (1) dưới đây:
100 r t p w L L R R Trong đó:
- Rw là phổ phản xạ của mặt nước được đo ngay tr n bề mặt nước có đơn vị là %; Rp là hệ số phản xạ ảnh hưởng bởi bầu trời được cung cấp theo năm bởi Field Spectroscopy Facility (http://fsf.nerc.ac.uk/)
- Lt là hệ số phát xạ thu được của mặt nước tại điểm đo;
- Lr là hệ số phát xạ thu được của bề mặt vật phản xạ chuẩn (panel).
Hình 2. 2 Đo phổ phản xạ mặt nƣớc tại Hồ Tây sử dụng máy GER 1500
2.2.2. Đo độ thấu quang của nƣớc
Độ thấu quang (hay còn gọi là độ trong) của nước là một đặc tính quang học
chất rắn lơ lửng, CDOM, các chất dinh dưỡng,... Độ thấu quang có tương quan nghịch với tổng số lượng chất rắn lơ lửng (TSS) có trong các vùng nước. Nó có thể được sử dụng để nghiên cứu sự có mặt của các chất dinh dưỡng và tải lượng chất rắn trong môi trường nước [41]. Phương pháp phổ biến nhất để đo độ thấu quang nước được dựa trên các nguyên tắc tập trung ánh sáng [28]. Phương pháp phổ biến được dùng để đo độ thấu quang của nước là phương pháp sử dụng đĩa Secchi, được tạo ra bởi Pietro Angelo Secchi SJ năm 1865. Đĩa secchi dạng hình trịn,dẹt làm bằng vật liệu khơng thấm nước (inox, thiếc), đường kình khoảng 20 cm được chia đĩa làm 4 phần đều nhau, sơn hai màu đen và trắng xen kẽ nhau. Đĩa được treo trên một que hay trên một sợi dây có đánh dấu khoảng cách mỗi khoảng chia là 5 cm hoặc 10 cm. Hai đầu của đĩa được cố định để giữ đĩa luôn nằm ngang.
Khi đo, cầm đầu dây thả từ từ cho đĩa ngập nước và ghi nhận lần 1 khoảng cách từ mặt nước đến đĩa khi khơng cịn phân biệt được hai màu đen trắng trên mặt đĩa. Sau đó cho đĩa secchi sâu hơn vị trí vừa rồi và éo l n đến khi vừa phân biệt được hai màu đen trắng, ghi nhận khoảng cách lần 2 (Hình 2.3a). Độ thấu quang của nước ao/biển đo bằng đĩa secchi là độ dài trung bình của hai lần ghi nhận khoảng cách.
Hình 2. 3. Nguyên lý của phƣơng pháp đo độ thấu quang của nƣớc (a) và đo độ thấu quang của nƣớc Hồ Tây sử dụng đĩa Secchi (b)
2.3. DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH SỬ DỤNG VÀ PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ ẢNH
Luận văn sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat Surface Reflectance Level 2 Science Products Landsat 8/OLI (Operational Land Imager) và ảnh Landsat 5/TM
(Thematic Mapper) với độ phân giải 30 x 30m kết hợp với kết quả đo phổ thực địa và đo độ thấu quang bằng đĩa Secchi để xây dựng phương trình tính tốn độ thấu quang của của nước Hồ Tây. Các ảnh được thu thập để sử dụng trong nghiên cứu đều là các ảnh được lựa chọn vào thời điểm thời tiết tốt, độ che phủ mây tùy thuộc vào từng cảnh ảnh nằm trong khoảng từ 1 (ảnh Landsat 5 TM vào chụp vào ngày 08/11/2010) đến 79% (ảnh Landsat 5 TM vào chụp vào ngày 01/06/2010).
Các ảnh Landsat 8 OLI (5 ảnh) và Landsat 5 TM (9 ảnh) (bảng 2.2) được thu thập tại địa chỉ của Cục Địa chất Hoa Kỳ là https://earthexplorer.usgs.gov/. Vị trí ảnh thu thập Path/Row: 127/45 và đều nằm trong hệ tọa độ W S 84, múi 48N, định dạng GEOTIFF. Các ảnh được sử dụng được lấy vào các năm 2016, 2017 (thời điểm khảo sát thực địa); các mốc thời gian theo bước nhảy 5 năm (2015, 2010, 2005); riêng năm 2000 và 1995 do hơng có ảnh nên luận văn sử dụng ảnh của các năm 2001 và 1996.
Bảng 2.1. Danh sách các cảnh ảnh Landsat sử dụng trong nghiên cứu
TT Thời gian Ảnh Độ phân giải
1 04/06/2017 LC08_L1TP_127045_20170401_20170414_01_T1 30x30m 2 01/12/2016 LC08_L1TP_127045_20161210_20170317_01_T1 30x30m 3 01/06/2016 LC08_L1TP_127045_20160601_20170324_01_T1 30x30m 4 22/11/2015 LC08_L1TP_127045_20151122_20170401_01_T1 30x30m 5 30/05/2015 LC08_L1TP_127045_20150530_20170408_01_T1 30x30m 6 08/11/2010 LT05_L1TP_127045_20101108_20161012_01_T1 30x30m 7 01/06/2010 LT05_L1TP_127045_20100601_20161015_01_T1 30x30m 8 26/11/2005 LT05_L1TP_127045_20051126_20161123_01_T1 30x30m 9 02/05/2005 LT05_L1TP_127045_20050502_20161127_01_T1 30x30m 10 01/12/2001 LT05_L1TP_127045_20011201_20161210_01_T1 30x30m 11 24/06/2001 LT05_L1TP_127045_20010624_20161210_01_T1 30x30m 12 16/10/1996 LT05_L1TP_127045_19961016_20170102_01_T1 30x30m 13 02/01/1996 LT05_L1TP_127045_19960102_20170106_01_T1 30x30m
Ưu điểm của ảnh Landsat Surface Reflectance Level 2 là đã được xử lý theo tiêu chuẩn khoa học cao nhất và mức độ xử lý được yêu cầu được thực hiện để sử dụng trực tiếp trong việc giám sát và đánh giá thay đổi cảnh quan. Phương pháp xử
lý của ảnh Landsat để thu được Landsat Surface Reflectance Level 2 được thể hiện trong hình 2.4. Đây là sản phẩm nằm trong chương trình Landsat ARD (Landsat Analysis Ready Data) của US S được công bố vào ngày 25 tháng 9 năm 2017, có sẵn để tải xuống từ EarthExplorer cho Hoa Kỳ, Alaska và Hawaii với vộ tham chiếu W S84 và định dạng GeoTIFF. Phép chiếu được sử dụng Alber Equal Area Conic. Khoảng thời gian sẽ bao gồm hình ảnh từ năm 1985 đến năm 2016 cho Hoa Kỳ và từ 2000-2016 cho Alaska và Hawaii. Dữ liệu được cung cấp bao gồm phản xạ khí quyển, độ sáng, phản xạ bề mặt và thơng tin chất lượng điểm ảnh. Mỗi ảnh có kích thước 5000 x 5000 với độ phân giải 30 mét.
Hình 2. 4. Quy trình và phƣơng pháp xử lý ảnh Landsat OLI để có đƣợc dữ liệu Landsat Surface Reflectance Level 2 [65]
Với ảnh Landsat Surface Reflectance Level 2 Science Products người dùng có thể bỏ qua nhiều cơng đoạn như xác định nguồn gốc của dữ liệu ảnh và hệ thống xử lý mà trước đây thường tốn rất nhiều thời gian. Landsat Surface Reflectance Level 2 Science Products cung cấp các cảnh ảnh được hiệu chỉnh một cách đồng bộ, xác định chất lượng ảnh tới từng Pixel, cung cấp nhiều dữ liệu có thể sử dụng được hơn. Theo đó, dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat thu đươc sẽ ngay lập tức được hệ thống xử lý một cách chính xác và đồng bộ giúp rút ngắn thời gian làm việc đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng ảnh; phân loại ảnh vào từng nhóm theo đặc điểm hình học, đặc điểm khí quyển giúp cho việc sử dụng được dễ dàng hơn; và cuối cùng là cung cấp dữ liệu Landsat với chất lượng cao nhất cho người sử dụng. Vì thế
Landsat Surface Reflectance Level 2 Science Products cung cấp sẽ trở thành cơng cụ hữu ích cho các nghiên cứu chuyên sâu trong thời gian tới.
Do các ảnh Landsat thu thập được qua trang Earthexplorer của Cục Địa chất Hoa Kỳ đã được hiệu chỉnh hình học, tọa độ và hiệu chỉnh khí quyển nên việc hiệu chỉnh này được loại bỏ. Ảnh thu thập được trích rút mực nước thơng qua áp dụng tỷ số của hai kênh 5 và 2 (với ảnh Landsat 5); kênh 6 và kênh 3 (với ảnh Landsat 8) bằng phần mềm ENVI 5.3 để tách đối tượng đất và nước để từ đó tìm ra được hông gian nước mặt trong từng thời điểm hác nhau để tính tốn biến động chất lượng nước mặt. Từ đó có được bộ dữ liệu gồm các bảng dữ liệu và bản đồ dạng raster cho độ thấu quang của nước thông qua độ sâu đĩa Secchi tại các thời gian khác nhau.
Bảng 2.2. Các kênh phổ của Landsat 5-8 sử dụng trong các phƣơng trình hồi quy với với bƣớc sóng tƣơng ứng [6, 64]
Vệ tinh viễn thám
Band 1 Band 2 Band 3 Band 4 Band 5
Landsat 5 450-520 nm 520-600 nm 630-690 nm 760-900 nm 1550-1750 nm Landsat 8 435-451 nm 452-512 nm 533-590 nm 636-673 nm 851-879 nm
Nghiên cứu được tiến hành trên phần mềm ENVI 5.3 và ArcGIS 10.4. Trong đó, phần mềm ENVI được thiết kế dựa trên ngôn ngữ lập trình IDL (Interactive Data Language) có điểm mạnh của ENVI là: 1 - khả năng xử lý ảnh kết hợp cách tiếp cận theo file ảnh (file-based) và theo kênh (bandbased); 2 - khả năng xử lý và phân tích đa nh/ đa dữ liệu; 3 - khả năng mở rộng và đưa th m những modul phân tích xử lý và phân tích ảnh với các kích cỡ và định dạng ảnh khác nhau; 4 - hồn thiện nhiều cơng cụ phân tích phổ với các thuật tốn hồn chỉnh và khả năng tích hợp với GIS. Ngồi ra phần mềm ENVI có các cơng cụ để đưa dữ liệu ảnh về khuôn dạng bản đồ cuối cùng như các công cụ nắn chỉnh hình học ảnh với ảnh, ảnh với bản đồ, tạo ảnh trực chiếu, ghép ảnh, biên tập bản đồ.
Hình 2. 5. Quy trình làm việc với ảnh Landsat để tính tốn TSI
Bản đồ phân bố chỉ số phú dưỡng trong nước Hồ Tây cuối cùng được thành lập dựa tr n phương pháp phân bố xác suất của biến ngẫu nhiên sử dụng “Slice raster” trong ENVI 5.3 và bi n tập trong ArcGIS 10.4. Quy trình làm việc với ảnh Landsat Surface Reflectance Level 2 Science Products bằng phần mềm ENVI 5.3 được thể hiện trong hình 2.5.
2.4. PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ PHÚ DƢỠNG TỪ SD
Năm 1996, Carlson và Simpson [12] đã công bố hệ thống phân loại chất lượng nước bằng chỉ số phú dưỡng thông qua việc đánh giá các thông số chất lượng nước như độ thấu quang (SD), Chl-a, phốt pho tổng (TP) cung cấp một công cụ hiệu quả để đánh giá chất lượng nước thông qua chỉ số phú dưỡng (Trophic State Index) của các hồ nội địa. Theo đó, trạng thái phú dưỡng của hồ và hồ chứa được đánh giá
tr n thang chia độ 100 và chia thành 4 cấp độ: Nghèo dinh dưỡng (Oligotrophy), Dinh dưỡng trung bình (Mesotrophy), Phú dưỡng (Eutrophy), Si u phú dưỡng (Hypereutrophy) (bảng 2.3).
Phương trình tính TSI sử dụng SD (Carlson 1973): TSI(SD)=60- 14.41*ln(SD)
Bảng 2.3. Mối quan hệ giữa tỷ số TSI, độ trong của nƣớc với mức độ ph dƣỡng của nƣớc hồ theo Carlson và Simpson [12]
TSI Độ trong (m) Mức độ ph dƣỡng
< 30 > 8
Nghèo dinh dưỡng (Oligotrophy) 30 - 40 8 - 4
40 - 50 4 - 2 Dinh dưỡng trung bình (Mesotrophy) 50 - 60 2 - 1 Phú dưỡng (Eutrophy) 60 - 70 0.5 - 1 70 - 80 0.25 - 0.5 Si u phú dưỡng (Hypereutrophy) > 80 < 0.25
Chỉ số TSI của nước hồ được tính tốn dựa tr n độ thấu quang của nước đo được bằng cách sử dụng đĩa Secchi (TSISD)
2.5. PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM TÍNH TỐN ĐỘ THẤU QUANG CỦA NƯỚC
Độ thấu quang của nước là một chỉ thị hợp lý về điều kiện phú dưỡng (sự phong phú của tảo) ngoại trừ các hồ có độ màu cao mà chl-a thấp và khơng có tảo (sét, canxi cacbonat) [9]. Secchi dis depth tương quan nghịch với lượng TSS có trong các vùng nước. Do đó, viễn thám có thể là một công cụ lý tưởng để theo dõi độ thấu quang của nước và ước lượng đo độ thấu quang. Gần đây, Lee và cộng sự [40] đã đưa ra một mơ hình thuật tốn để tính tốn độ trong của nước, khơng giống với mơ hình cổ điển mà dựa hồn tồn vào sự suy giảm hệ số bức xạ, mơ hình mới chỉ dựa trên hệ số suy giảm khuếch tán tại bước sóng tương ứng cho độ thấu quang tối đa cho cách diễn giải này. Nhiều nhà nghiên cứu đã áp dụng viễn thám cho mục
đích này và cho thấy rằng dữ liệu viễn thám có tương quan với giá trị độ trong của nước đo bằng đĩa Secchi [19, 28, 30, 32, 37].
Kết quả đo độ thấu quang thực địa thường bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bên ngồi như: màu nước, sóng, gió, ánh sáng mặt trời [16]. Vì thế cần lên kế hoạch cụ thể trước khi tiến hành thực địa nhằm giảm thiểu tác động tới chất lượng kết quả đo. Theo đó thì thời gian thích hợp nhất để tiến hành đo là hoảng từ 10 giờ đến 16 giờ, vào những ngày trời trong, ít mây. Khi đo cần chú ý tránh sóng và các hoạt động nhiễu động vùng nước gây ảnh hưởng không mong muốn tới kết quả đo.
Nhiều nhà nghi n cứu đã áp dụng viễn thám cho mục đích giám sát độ thấu quang của nước và cho thấy trong nghi n cứu của họ rằng dữ liệu viễn thám có tương quan với giá trị độ thấu quang của nước [14]. Mối quan hệ này há chính xác với giá trị độ sâu của đĩa Secchi nhỏ hơn 16 m [8]. Các thuật toán quan trọng đã được phát triển cho việc giám sát độ thấu quang của nước sử dụng các dữ liệu viễn thám hác nhau, như TM [2, 3, 5, 38, 49], MSS [22, 30, 32, 66] và IKONOS [4, 15, 20, 51]. Tuy nhiên, landsat-TM thường xuy n được sử dụng để để ước lượng độ thấu quang. Braga và cộng sự [8] thấy rằng dộ trong có tương quan chặt chẽ với dữ liệu TM, đặc biệt là hi triều cao. Hơn nữa, các mơ hình thích hợp cao đã được phát