STT Ngày chụp Cảnh Độ phân giải 1 06/06/2013 LC81270452013160LGN00 30 x 30 m 2 29/09/2013 LC81270452013272LGN00 30 x 30 m 3 18/12/2013 LC81270452013352LGN00 30 x 30 m 4 11/05/2014 LC81270452014131LGN00 30 x 30 m 5 01/06/2015 LC81270452015182LGN00 30 x 30 m 6 16/05/2016 LC81270452016137LGN00 30 x 30 m 7 01/06/2016 LC81270452016153LGN00 30 x 30 m 8 07/10/2016 LC81270452016281LGN00 30 x 30 m 9 10/12/2016 LC81270452016345LGN00 30 x 30 m 10 01/04/2017 LC81270452017091LGN00 30 x 30 m 11 04/06/2017 LC81270452017155LGN00 30 x 30 m 12 07/08/2017 LC81270452017219LGN00 30 x 30 m
Trong nghiên cứu này, dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 đƣợc sử dụng để xây dựng phƣơng trình tính tốn TSI từ phổ phản xạ chiết xuất từ ảnh trong nƣớc hồ.
Sau đ phƣơng trình này đƣợc áp dụng vào 12 cảnh ảnh Landsat 8 OLI để mô tả sự biến đổi TSI theo không gian và thời gian. Các ảnh Landsat 8 OLI đƣợc thu thập tại địa chỉ của cục địa chất Hoa Kỳ là http://glovis.usgs.com (Bảng 2.2).Vị trí ảnh thu thập Path/Row: 127/45 và đều nằm trong hệ tọa độ WGS 84, múi 48N. Ảnh thu đƣợc đều c độ che phủ của m y dƣới 20% và đƣợc hiệu chỉnh hình học, khí quyển.
2.5. PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ ẢNH
Các ảnh sau khi download về đƣợc xử l theo các bƣớc hiệu chỉnh bức xạ, hiệu chỉnh khí quyển và chiết tách các giá trị phổ phản xạ.
Hiệu chỉnh bức xạ
Hiệu chỉnh bức xa: c n thiết khi so sánh các ảnh đƣợc thu thập từ các bộ cảm biến khác nhau vào những thời gian hác nhau, và để ghép nhiều cảnh ảnh từ một bộ cảm biến để khoanh trọn vùng nghiên cứu. Hiệu chỉnh bức xạ trong nghiên cứu này bao gồm: (1) chuyển đổi giá trị cấp độ xám (DN) sang giá trị bức xạ trên vệ tinh, (2) chuyển đổi giá trị bức xạ sang giá trị phản xạ trên vệ tinh và (3) chuyển đổi sang giá trị phản xạ bề mặt (top-of-atmosphere - TOA)
Landsat 8 OLI đƣợc hiệu chỉnh bức xạ sử dụng quy trình hƣớng dẫn trong Landsat Users Handbook (2012, 2015) bằng ph n mềm ENVI 5.3 [166]. Theo đ , phổ phản xạ của mỗi pixel ảnh sẽ đƣợc tính tốn theo phƣơng trình (4):
( (4) Trong đ : là độ bức xạ, c đơn vị là
d là khoảng cách Trái đất - Mặt trời trong đơn vị thiên văn là bức xạ mặt trời, c đơn vị
là độ cao mặt trời
Hiệu chỉnh khí quyển
Theo Antoine và Morel, khi bộ cảm biến đo bức xạ tán xạ bởi hệ thống khí quyển - mặt nƣớc, nó nhận đƣợc trong vùng nhìn thấy của quang phổ các tín hiệu mà trong đ một ph n lớn bị chi phối bởi bức xạ từ khơng khí. Do các phân tử khơng khí và các aerosols này có thể g y lên hơn 90% tín hiệu ghi nhận đƣợc bởi các bộ cảm biến nên ảnh hƣởng của nó c n phải đƣợc loại bỏ nhằm tính tốn chính
xác hơn các bức xạ từ nƣớc. Quá trình chiết tách các bức xạ từ nƣớc trong bức xạ toàn ph n đƣợc biết đến nhƣ là hiệu chỉnh khí quyển [97] là một quy trình quan trọng trong viễn thám màu nƣớc và là một trong các bƣớc c n thiết nhất của quá trình chuẩn bị và xử lý dữ liệu [141].
a) b)
Hình 2.5. Ảnh gốc a) và ảnh sau hi đƣợc hiệu ch nh khí quyển (b)
Trong nghiên cứu này, các ảnh đƣợc hiểu chỉnh khí quyển theo phƣơng pháp loại trừ điểm đen (Dar subtraction) đƣợc đề xuất bởi Chevez sử dụng dữ liệu
R() do ngƣời dùng cung cấp. Ở đ y, độ lệch trung bình R() của 10 điểm đo
vào ngày 01/04/2017 đƣợc tính tốn giữa phổ phản xạ đo đƣợc trên mặt nƣớc Rw() tại bƣớc sóng trung tâm kênh phổ ảnh sử dụng và giá trị phổ thu đƣợc từ pixel ảnh tƣơng ứng RI() theo phƣơng trình:
10 10 1 i RI RW R (5) Tách mực nước sử dụng tỷ số kênh phổ
Để chiết tách đất và nƣớc cho khu vực lớn bằng kỹ thuật viễn thám, cách tiếp cận bằng viễn thám quang học tƣơng đối dễ hơn so với viễn thám radar.
a) b)
Hình 2.6. Mặt nƣớc đƣợc thể hiện rõ nét hơn thông qua hiển thị tỷ số kênh phổ 6:3 (b) so với ảnh toàn sắc (a)
Hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp hác nhau để phân ranh hai lớp đất và nƣớc. Đối với ảnh Landsat OLI thì sử dụng giá trị ngƣỡng của band SWIR và band GREEN.
2.6. PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG PHÚ DƢỠNG
Hồ và hồ chứa có thể xếp loại theo mức độ phú dƣỡng thành 4 loại: dinh dƣỡng ít, dinh dƣỡng trung bình, phú dƣỡng và siêu phú dƣỡng (Bảng 2.3). Phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng nƣớc hồ thông qua chỉ số trạng thái phú dƣỡng TSI đƣợc phát triển bởi Carlson và Simpson (1996) [36].
Bảng 2.3. ảng ph n loại mức độ ph dƣ ng hồ của Carlson và Simpson
TSI Chlorophyll-a (g/L) Mức độ phú dƣỡng < 30 < 0,95 Nghèo dinh dƣ ng (oligotrophy) 30 - 40 0,95 - 2,6 40 - 50 2,6 - 7,3 Trung bình (mesotrophy) 50 - 60 7,3 - 20 Ph dƣ ng (eutrophy) 60 - 70 20 - 56 70 - 80 56 - 155 Siêu ph dƣ ng (hypereutrophy)
2.7. PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THỐNG KÊ VÀ ẢN ĐỒ
Các phép phân tích hồi quy, thống ê cơ bản, tính tốn độ lệch, độ sai số trong nghiên cứu đƣợc thực hiện sử dụng ph n mềm IBM SPSS Statistics 20. Hệ số tƣơng quan đƣợc tính tốn trong nghiên cứu là hệ số Pearson. Các phép phân tích đều dựa trên 95% phân bố của các chuỗi số
Bản đồ phân bố chỉ số trạng thái phú dƣỡng (TSI) đƣợc thành lập dựa trên phƣơng pháp ph n bố xác suất của biến ngẫu nhiên sử dụng modul phân mảnh mật độ (density slicing) trong ENVI 5.3 và biên tập trong ArcGIS 10.2.
CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. KẾT QUẢ
3.1.1. Hiện trạng ph dƣ ng tại các hồ nghiên cứu tại quận Hoàng Mai
Quận Hoàng Mai có các hồ lớn nhƣ hồ Yên Sở, Linh Đàm, Định Cơng với diện tích mặt nƣớc lớn, tạo cho quận cảnh quan đẹp, thích hợp cho điều kiện phát triển các khu vực công viên cây xanh, phục vụ cho việc nghỉ ngơi, giải trí và điều hịa khơng khí. Tuy nhiên, do là khu vực tiêu thoát nƣớc thải của thành phố chảy qua các con sông Kim Ngƣu, sông Lừ và sơng Sét vào hệ thống hồ điều hịa n Sở trong hi nƣớc thải chƣa đƣợc xử lý triệt để nên vấn đề ô nhiễm đang là mối quan t m hàng đ u trên địa bàn quận. Đã c rất nhiều nghiên cứu điều tra khảo chất lƣợng môi trƣờng nên các con sông này, theo kết quả của Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội, tại sông Sét và sông Lừ, chỉ số về ô nhiễm BOD5 đã vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép từ 6 - 8 l n. Cịn sơng Tơ Lịch và sơng Kim Ngƣu là 10 - 12 l n. Hàm lƣợng COD, TSS ở sông Tô Lịch, sông Kim Ngƣu, sông Sét, sông Lừ cũng đã vƣợt ô nhiễm nặng tới hàng chục l n. Điều đáng lo ngại nhất là: kết quả khảo sát cho thấy ph n lớn chức năng lọc nƣớc sạch tự nhiên ở các sông này đã hông c n, yếu tố này sẽ ảnh hƣởng rất lớn tới sự tồn tại của các d ng sơng. Tuy nhiên để đánh giá tình trạng phú dƣỡng của các hồ trên địa bàn quận cho tới nay vẫn chƣa c cơng trình nghiên cứu nào.
Qua 6 đợt thực địa, kết quả phân tích cho thấy, hàm lƣợng Chl-a tại 3 hồ nghiên cứu đạt giá trị trung bình tại 100,14 g/L, dao động trong khoảng rất rộng từ 28,5 đến 304,3 g/L. Giá trị TSI tƣơng ứng đạt trung bình tại 76 và dao động trong khoảng 63 đến 87 (Bảng 3.1). Nhƣ vậy, dựa theo chỉ số trạng thái phú dƣỡng của hồ đƣợc đề xuất bởi Carlson (1977) [37] và phân loại bởi Carlson và Simpson (1996) [36] thì các hồ nƣớc nghiên cứu có giá trị TSI ứng với mức từ phú dƣỡng đến siêu phú dƣỡng. Trong 3 hồ nghiên cứu, TSI tại hồ Linh Đàm cho ết quả cao hơn so với hai hồ còn lại.
Bảng 3.1. Kết quả thống ê hàm lƣợng Chl-a và TSI trong các đợt khảo sát tại 3 hồ nghiên cứu
1/06/2016 28/09/2016 1/04/2017 16/04/2017 04/06/2017 07/08/2017 Chla TSI Chla TSI Chla TSI Chla TSI Chla TSI Chla TSI
Minimium 182,1 82 50,5 69 28,8 64 28,5 63 30,3 64 43,7 68 Maximium 304,3 87 128,3 78 106,3 76 114,0 77 186,0 82 113,6 77 Trung bình 222,1 83 90,08 75 57,1 70 67,1 72 84,9 71 79,6 74
Tại ngày 01/06/2016, chỉ tiến hành đo phổ và lấy mẫu tại hồ Linh Đàm, ết quả phân tích cho thấy, hàm lƣợng Chl-a trong hồ Linh Đàm dao động trong khoảng 182,1 - 304,3 g/L, đạt giá trị trung bình tại 222,1 g/L, theo đ TSI tƣơng ứng
cũng dao động trong khoảng 82 - 83 và đạt giá trị trung bình là 83, điểm có TSI cao tại vị trí LD1 tại khu vực g n bờ phía đƣờng Nguyễn Hữu Thọ, theo khảo sát vị trí này g n khu vực cống xả thải trực tiếp nƣớc từ ngoài vào hồ.
Vào ngày 28/09/2016, tiến hành lấy mẫu phân tích và đo phổ tại cả 3 hồ nghiên cứu, theo kết quả ph n tích, hàm lƣợng Chl-a tại 3 hồ dao động trong khoảng 50,5 - 128,3 g/L, đạt giá trị trung bình là 90,08 g/L, giá trị TSI tƣơng ứng dao động trong khoảng 69 - 78 và đạt trung bình tại 75, những vị trí cho kết quả TSI cao bao gồm: LD3, LD5 và DC3 đ y là những vị trí g n bờ, bên dƣới các vị trí này theo khảo sát có các cống ng m xả thải trực tiếp nƣớc từ ngoài vào các hồ.
Tƣơng tự, ngày 01/04/2017, hàm lƣợng Chl-a tại 3 hồ nghiên cứu dao động trong khoảng khá rộng từ 28,8 g/L đến 106,3 g/L, đạt giá trị trung bình tại 57,1 g/L, TSI tƣơng ứng đạt giá trị trung bình tại 70 với khoảng dao động 64 - 76, các
vị trí có TSI cao bao gồm: tại hồ Linh Đàm: LD7 và LD9; tại hồ Định Công: DC7 và DC5; tại hồ Yên Sở: YS5, cũng tƣơng tự nhƣ các đợt khảo sát trên, tại các vị trí này đƣợc xác định có các kênh rạch đổ th ng vào và một số vị trí có cống ng m bên dƣới xả thải trực tiếp nƣớc bên ngoài vào hồ.
Bảng 3.2. Kết quả thống ê hàm lƣợng Chl-a và TSI trong các đợt khảo sát tại hồ Linh Đàm
1/06/2016 28/09/2016 1/04/2017 16/04/2017 04/06/2017 07/08/2017 Chla TSI Chla TSI Chla TSI Chla TSI Chla TSI Chla TSI
Minimium 182,1 82 113,6 77 30,9 64 50,6 69 30,3 64 58,3 70 Maximium 304,3 87 128,3 78 106,3 76 114,0 77 186,0 82 105,0 76 Trung bình 222,1 83 121,0 78 78,1 73 79,4 73 63,9 73 87,4 74
Ngày 16/04/2017, hàm lƣợng Chl-a tại 3 hồ nghiên cứu đạt giá trị trung bình tại 67,1 g/L, dao động trong khoảng 28,5 - 114,0 g/L, TSI tƣơng ứng dao động
trong khoảng 63 - 77, đạt giá trị trung bình 72. Những vị trí cho kết quả TSI cao bao gồm: tại hồ Linh Đàm: LD11; tại hồ Định Công: DC9, DC10; tại hồ Yên Sở: YS9. Tƣơng tự những vị trí này cũng là những vị trí g n bờ, nơi có thể dễ bị ảnh hƣởng trực tiếp của các hoạt động con ngƣời nhất.
Ngày 04/06/2017, hàm lƣợng Chl-a tại 3 hồ nghiên cứu dao động trong
theo đ TSI tƣơng ứng dao động trong khoảng 64 - 82, đạt giá trị trung bình là 71. Các điểm có TSI cao bao gồm: tại hồ Linh Đàm: LD13; tại hồ Định Công: DC12.
Bảng 3.3. Kết quả thống ê hàm lƣợng Chl-a và TSI trong các đợt khảo sát tại hồ Định Công
28/09/2016 1/04/2017 16/04/2017 04/06/2017 07/08/2017 Chla TSI Chla TSI Chla TSI Chla TSI Chla TSI
Minimium 50,5 69 30,4 64 57,9 70 51,0 69 49,6 69 Maximium 106,3 76 98,0 76 97,6 76 101,3 76 103,3 76 Trung bình 84,34 74 42,7 67 63,15 71 61,9 71 77,4 73
Ngày 07/08/2017, hàm lƣợng Chl-a dao động trong khoảng 43,7 - 113,6
g/L, đạt giá trị trung bình tại 79,6 g/L, tƣơng tự TSI dao động trong khoảng 68 -
77, đạt giá trị trung bình tại 74 (Bảng 3.1). Những vị trí khảo sát có kết quả TSI cao bao gồm: tại hồ Linh Đàm: LD16, LD18, LD14; tại hồ Yên Sở: YS14; tại hồ Định Công: DC10; DC13, đ y là những vị trí g n bờ, theo khảo sát thực địa, những vị trí này có thể bị ảnh hƣởng trực tiếp từ việc xả thải của các hoạt động trên bờ xuống mặt nƣớc hồ nhƣ vứt rác thải, xả nƣớc thừa, nƣớc đã đƣợc sử dụng cho nhiều mục đích từ các quán nƣớc ven hồ, từ nhà d n... đồng thời các vị trí này cũng g n các cống ng m bên dƣới, nơi trực tiếp xả thải nƣớc từ bên ngoài vào hồ.
Bảng 3.4. Kết quả thống ê hàm lƣợng Chl-a và TSI trong các đợt khảo sát tại hồ Yên Sở
28/09/2016 1/04/2017 16/04/2017 04/06/2017 07/08/2017 Chla TSI Chla TSI Chla TSI Chla TSI Chla TSI
Minimium 51,7 69 28,8 64 28,5 63 30,7 64 43,7 68 Maximium 102,5 76 77,3 73 93,2 75 61,8 71 113,6 77 Trung bình 64,9 72 50,6 69 60,6 71 45,0 68 74,1 73
3.1.2. Mối quan hệ giữa ch số TSI với phổ mặt nƣớc tại các hồ nghiên cứu
Ánh sáng đƣợc hấp thụ bởi các sắc tố của tảo nhƣng lại bị tán xạ bởi các tế bào tảo và các hạt vật chất lơ lửng khác. Hiện tƣợng này đã đƣợc ứng dụng trong các thuật tốn hiện c để tính tốn TSI từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học.
Cùng với quá trình lấy mẫu nƣớc ph n tích hàm lƣợng Chl-a tại các hồ, nghiên cứu cũng tiến hành đo giá trị phổ của nƣớc ngoài thực địa tại các hồ thuộc quận Hoàng Mai vào các ngày khảo sát, đồng thời quá trình xử lý ảnh để chiết tách giá trị phổ phản xạ cũng đƣợc thực hiện. Hình 3.1 diễn tả phổ phản xạ của nƣớc các hồ nghiên cứu và giá trị TSI tƣơng ứng tại mỗi điểm đo.
Hình 3.1. Phổ phản xạ của mặt nƣớc tại các hồ trên địa bàn quận Hồng Mai, vị trí các kênh phổ ảnh Landsat 8 (B1-B5 ứng với kênh 1 - ênh 5) và TSI tƣơng ứng
Tƣơng quan của TSI ứng với các kênh phổ của ảnh Landsat 8 thể hiện rõ xu hƣớng tƣơng quan nghịch với phổ phản xạ từ ênh 1 đến kênh 5 với hệ số tƣơng quan 0,05 đến 0,76. Trong hi đ , tƣơng quan của TSI với tỷ số 2 kênh phổ tƣơng đối cao, với b5/b1 là 0,69; b5/b2 là 0,73; b5/b3 là 0,60; b5/b4 là 0,68; b4/b1 là 0,68; b4/b2 là 0,75; b3/b1 là 0,83; b3/b2 là 0,90; b3/b4 là 0,28 và b2/b1 là 0,28 (Bảng 3.5). Hình 3.2 thể hiện mối quan hệ của TSI và các tỷ số kênh phổ có hệ số tƣơng quan cao sử dụng phép thuật tốn hồi quy xác định phƣơng trình tính tốn. Theo đ , TSI cho kết quả chính xác nhất khi sử dụng tỷ số kênh 3 trên kênh 2 của ảnh Landsat 8 bằng hàm tuyến tính với hệ số xác định r2 = 0,78 sai số ƣớc tính chuẩn của TSI là 2,2 (tƣơng ứng đến 2 - 3% tiêu chuẩn TSI đo lƣờng).
Bảng 3.5. Hệ số tƣơng quan Pearson (R) giữa TSI và các dải kênh/tỷ lệ các kênh của Landsat OLI tại các hồ nghiên cứu
Sự kết hợp với các kênh/tỷ lệ các kênh R Sự kết hợp với các kênh/tỷ lệ các kênh R Sự kết hợp với các kênh/tỷ lệ các kênh R b1 -0,76 b4/b1 0,68 b3/b2 0,90* b2 -0,72 b3/b1 0,83 b5/b3 0,60 b3 -0,51 b2/b1 0,38 b3/b4 0,28 b4 -0,51 b5/b2 0,73 b5/b4 0,68 b5 -0,05 b4/b2 0,75 b3/b4 0,28 b5/b1 0,69
Hình 3.2. Mối quan hệ giữa TSI tính tốn từ thực địa và tỷ số phổ phản xạ mặt nƣớc tƣơng đƣơng tỷ số ảnh vệ tinh Landsat 8: a) kênh 3 với 2; b) kênh 5 với 4;