phương pháp của APHA [29]
Sau khi xác định được hàm lượng SSC, trong nghiên cứu này, giấy lọc sẽ
được sấy tiếp ở nhiệt độ 5000C trong vịng 4h, sau đó cân lại giấy lọc để xác định
hàm lượng chất vô cơ lơ lửng (ISS). Hàm lượng chất hữu cơ (OSS) sẽ bị biến mất khi sấy ở nhiệt độ cao [39].
2.3.4. Phương pháp viễn thám - bản đồ
Tất cả các cảnh ảnh sử dụng đã được hiệu chỉnh hình học và bức xạ để đưa dữ liệu về giá trị độ phản xạ tại đỉnh khí quyển (TOA-reflectance) bởi ESA trước khi đến tay người sử dụng nên trong nghiên cứu này ba phương pháp xử lý ảnh chủ yếu được sử dụng là: phương pháp đồng bộ hóa độ phân giải các kênh ảnh S2A, phương pháp hiệu chỉnh khí quyển và phương pháp trích xuất mặt nước.
2.3.4.1. Phương ph p đồng nhất đ phân giải các kênh ảnh S2A
Các cảnh ảnh sử dụng sẽ được xử l để đồng nhất các kênh ảnh có độ phân giải khơng gian khác nhau (kênh 2, 3, 4, 8 có độ phân giải 10 m, kênh 5, 6, 7, 8a, 11, 12 có độ phân giải 20 m, kênh 1, 9, 10 có độ phân giải 60 m). Đây là bước xử lý ảnh bắt buộc trước khi tiến hành các nghiên cứu chuyên sâu hơn khi sử dụng ảnh S2A. Quá trình này sẽ được thực hiện trong phần mềm SNAP 5.0. Độ phân giải không gian được đồng nhất cho tất cả kênh phổ ảnh là 10 m vì đây là độ phân giải cao nhất đối với các sản phẩm của vệ tinh S2A, đồng thời đây cũng là độ phân giải có mức độ phản ánh đối tượng nghiên cứu chi tiết nhất. Bằng cách thu nhỏ hình ảnh từ độ phân giải 20 hoặc 60 m xuống độ phân giải 10 m, mọi giá trị phản xạ gốc sẽ không bị mất cũng như dữ liệu gốc không bị thay đổi ngoại trừ tổng số pixel mà cảnh ảnh hiện có.
2.3.4.2. Phương ph p hiệu chỉnh khí quyển
Theo Antoine và Morel [28], khi bộ cảm biến đo bức xạ tán xạ bởi hệ thống khí quyển - mặt nước, nó nhận được trong vùng nhìn thấy của quang phổ các tín hiệu mà trong đó một phần lớn bị chi phối bởi bức xạ từ khơng khí. Do các phân tử khơng khí và các aerosols này có thể gây lên hơn 90% tín hiệu ghi nhận được bởi các bộ cảm biến nên ảnh hưởng của nó cần phải được loại bỏ nhằm tính tốn chính xác hơn các bức xạ từ nước. Quá trình chiết tách các bức xạ từ nước trong bức xạ toàn phần được biết đến như là hiệu chỉnh khí quyển [28] là một quy trình quan trọng trong viễn thám màu nước và là một trong các bước cần thiết nhất của quá trình chuẩn bị và xử lý dữ liệu [85].
Trong nghiên cứu này, các ảnh S2A được hiệu chỉnh khí quyển dựa vào phương pháp loại trừ điểm đen (Dark object subtraction) được đề xuất bởi Chavez [31] - đây là phương pháp đơn giản nhưng mang lại độ chính xác cao trong nghiên cứu chất lượng nước khi sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh [19,45,47,49].
Hình 2.7. So sánh cảnh ảnh trước (A) và sau (B) khi hiệu chỉnh khí quyển
2.3.4.3. Phương ph p trích xuất mặt nước
Để chiết tách đất và nước cho khu vực lớn bằng kỹ thuật viễn thám, cách tiếp cận bằng viễn thám quang học tương đối dễ hơn so với viễn thám radar. Hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau để phân tách hai lớp đất và nước. Đối với ảnh S2A trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng giá trị ngưỡng của kênh SWIR 1 (B11) và kênh Green (B3).
Hình 2.8. Mặt nước được thể hiện rõ nét hơn thông qua hiển thị tỷ số kênh phố
2.3.5. Phương pháp thống kê, đánh giá độ chính xác
Các phép phân tích thống kê, hồi quy trong nghiên cứu được thực hiện sử dụng phần mềm IBM SPSS Statistics 20, trong đó kết quả phân tích đều dựa trên 95% phân bố của các chuỗi số. Các thông số thống kê cơ bản như: giá trị trung bình, giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ nhất, giá trị lệch chuẩn, hệ số xác định (R2), sai số tồn phương trung bình (RMSE), hệ số góc (slope), hệ số chặn (y-intercept) đều được tính tốn sử dụng các phép hồi quy tuyến tính trong phần mềm này.
Cuối cùng, sơ đồ phân bố không gian SSC của nước sông Thao (đoạn từ Hà Khẩu, Lào Cai đến Việt Trì, Phú Thọ) được thành lập dựa trên phương pháp phân 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 10.3.
2.4. Cơ sở tài liệu nghiên cứu
Luận văn sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh S2A level 1C với độ phân giải không gian là 10 m, 30 m và 60 m tùy theo kênh phổ kết hợp với kết quả phổ phản xạ mặt nước và SSC đo được ngồi thực địa để xây dựng phương trình tính tốn hàm lượng SSC của nước sông Thao. Các ảnh được thu thập để sử dụng trong nghiên cứu đều là các ảnh được lựa chọn vào thời điểm tốt, độ che phủ mây tại khu vực nghiên cứu dưới 10%.
Vệ tinh S2A chụp ảnh sông Thao (đoạn từ Hà Khẩu, Lào Cai đến Việt Trì, Phú Thọ) vào khoảng 3:10 - 3:20 GMT (tương ứng với 10:10 - 10:20 giờ địa phương) trong hệ tọa độ WGS 84, múi 48N. Khu vực nghiên cứu được bao phủ bởi 4 cảnh ảnh S2A với mã số phân vùng từng cảnh ảnh lần lượt là QUK, QVK, QVJ và
QWJ (Hình 2.9). Trong nghiên cứu này, 20 cảnh ảnh S2A level 1C được tải miễn
phí trực tiếp từ trang web của ESA (https://scihub.copernicus.eu/dhus/) sẽ được sử dụng (Bảng 2.1).
Bảng 2.1 Các ảnh vệ tinh S2A sử dụng trong nghiên cứu
STT Ảnh Ngày Độ phân giải 1 L1C_T48QUK_A013929_20180221T035040 21/02/2018 10 m 2 L1C_T48QUK_A014787_20180422T033845 22/04/2018 10 m 3 L1C_T48QUK_A016360_20180810T034602 10/08/2018 10 m 4 L1C_T48QUK_A016932_20180919T033653 19/09/2018 10 m 5 L1C_T48QUK_A017504_20181029T034246 29/10/2018 10 m 6 L1C_T48QUK_A017933_20181128T034057 28/11/2018 10 m 7 L1C_T48QVK_A014601_20180409T033500 09/04/2018 10 m 8 L1C_T48QVK_A015173_20180519T033135 19/05/2018 10 m 9 L1C_T48QVK_A015459_20180608T033448 08/06/2018 10 m 10 L1C_T48QVK_A016746_20180906T033023 06/09/2018 10 m 11 L1C_T48QVK_A017175_20181006T033107 06/10/2018 10 m
STT Ảnh Ngày Độ phân giải 12 L1C_T48QVK_A017604_20181105T032916 05/11/2018 10 m 13 L1C_T48QVK_A017890_20181125T033852 25/11/2018 10 m 14 L1C_T48QVK_A013028_20171220T034145 20/12/2017 10 m 15 L1C_T48QWJ_A013457_20180119T033647 19/01/2018 10 m 16 L1C_T48QWJ_A014172_20180310T034149 10/03/2018 10 m 17 L1C_T48QWJ_A014601_20180409T070457 09/04/2018 10 m 18 L1C_T48QWJ_A015459_20180608T033448 08/06/2018 10 m 19 L1C_T48QWJ_A016603_20180827T033024 27/08/2018 10 m 20 L1C_T48QWJ_A013028_20171220T034145 20/12/2018 10 m
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Hiện trạng phù sa lơ lửng trong nƣớc sông Thao 3.1. Hiện trạng phù sa lơ lửng trong nƣớc sông Thao
Phù sa lơ lửng là một trong những thành phần quan trọng của dòng chảy. Cường độ mưa rào, động năng của dịng sơng, cấu tạo địa chất, thổ nhưỡng, lớp phủ thực vật và hoạt động của con người trên bề mặt lưu vực là những nhân tố chủ yếu ảnh hưởng đến chế độ phù sa trong sơng.
Lưu vực sơng Thao có lượng mưa hàng năm phong phú, mùa mưa kéo dài từ tháng V cho tới tháng X, với nhiều ngày có lượng mưa lớn từ 50 mm đến trên 100 mm, mực nước trong sông cao và được duy trì nhiều ngày trong mùa lũ là những yếu tố thuận lợi cho đất đá bở rời, rửa trơi hịa vào dịng nước làm tăng SSC.
Bảng 3.1. Kết quả đo SSC, ISS, OSS và SD của nước sông trong 3 đợt khảo sát
Ngày khảo sát Thông số Số mẫu GTNN GTLN GTTB Độ lệch chuẩn RSSC
11/11/2017 SSC (mg/L) 13 92 178 124,9 24,6 - ISS (mg/L) 13 50,6 101,5 71,4 14,3 0,83 OSS (mg/L) 13 39,6 76,5 54,1 11,6 0,81 SD (cm) 13 15 22,1 17,4 1,89 -0,73 23/03/2018 SSC (mg/L) 20 77,7 116,2 93,2 9,6 - SD (m) 20 27,7 33,2 30,8 1,38 -0,71 01/04/2018 SSC (mg/L) 20 78,5 109,7 92,7 8,3 - SD (m) 20 27 36 30,5 1,85 -0,68 29/07/2018 SSC (mg/L) 12 164,8 187,7 174,1 6,6 - SD (m) 12 19,2 23,9 21,7 1,4 -0,75 10/08/2018 SSC (mg/L) 12 145,5 265,8 199,8 33,8 - ISS (mg/L) 12 77,1 147,5 115,6 23,2 0,85 OSS (mg/L) 12 44,5 119,6 84,1 18,7 0,75 SD (cm) 12 10 17 14 2,04 -0,77
Trong quá trình thực hiện luận văn, học viên đã tiến hành 3 đợt khảo sát trên 2 đoạn sông vào các thời điểm khác nhau trong năm. Theo đó, lần thứ nhất được
tiến hành vào thời gian cao điểm của mùa khô (11/11/2017) tại hợp lưu ba sông lớn Lô - Đà - Thao. Đợt khảo sát lần thứ 2 được thực hiện vào tháng 3 và 4/2018 đặc trưng cho thời kỳ chuyển tiếp giữa mùa khô và mùa mưa và lần thứ 3 vào tháng 7 và 8/2018 - ngay sau khi lũ về để đặc trưng cho SSC trong nước sông vào mùa mưa tại khu vực sông Thao đoạn qua thành phố Lào Cai. Kết quả phân tích hàm lượng SSC trong cả 3 đợt lấy mẫu được thể hiện chi tiết trong Bảng 3.1 và cho thấy, SSC trong nước có giá trị dao động từ 77,7 - 265,8 mg/l, trung bình đạt 128,6 mg/l, độ lệch chuẩn đạt 46,1 mg/l. Giá trị SSC đo tại sơng Thao đoạn qua Thành phố Lào Cai có sự thay đổi rõ rệt theo mùa. Hàm lượng SSC vào mùa mưa (tháng 7-8/2018) cao gấp 2 lần so với giá trị SSC đo được vào mùa khô (tháng 3-4/2018). Cụ thể, SSC vào tháng 3-4/2018 dao động trong khoảng từ 77,7 mg/L - 116,2 mg/L, trung bình đạt 92,9 mg/L trong khi đó hàm lượng SSC vào tháng 8/2018 tăng khá cao với giá trị thấp nhất là 145,5 mg/L, giá trị lớn nhất lên tới 265,8 mg/L và giá trị trung bình dao động khoảng 186,9 mg/L.
So sánh hàm lượng SSC thu được trong thời gian cuối mùa mưa - đầu mùa khô tại 2 đoạn sông khảo sát là đoạn qua thành phố Lào Cai và đoạn hợp lưu Lô - Đà - Thao cho thấy SSC trên đoạn ngã ba sông dao động từ 92 - 178 mg/L, trung bình đạt 124,9 mg/L, độ lệch chuẩn 24,6 mg/L, có giá trị thấp hơn nhiều so với hàm lượng SSC đoạn Hà Khẩu. Từ kết quả phân tích có thể thấy giá trị SSC phân bố tương đối cao ở thượng nguồn đoạn qua thành phố Lào Cai và giảm dần về hạ lưu đặc biệt ở khu vực ngã ba sông Lô - Đà - Thao, sự thay đổi theo mùa và thời gian của hàm lượng SSC cũng tương đối đáng kể và rõ rệt. Bên cạnh đó, hàm lượng ISS chiếm tỷ trọng lớn (hơn 50%) trong phù sa sơng, cho thấy các yếu tố tác động chính đến hàm lượng SSC trong nước sơng Hồng có liên quan đến các q trình tự nhiên.
Kết quả đo độ thấu quang của nước (SD) sông Thao đoạn qua thành phố Lào Cai vào 2 đợt khảo sát cho thấy nước sơng khu vực này có độ đục cao, SD chỉ khoảng 10 cm đến 23,9 cm, trung bình đạt 13,8 cm, độ lệch chuẩn giữa các điểm đo vào khoảng 1,6 cm trong cả 2 mùa (mùa mưa ứng với giá trị đo tháng 7-8 và mùa khô ứng với giá trị đo tháng 3-4). Trong khi đó tại đoạn hợp lưu Đà - Lô - Thao, giá trị SD có xu hướng tăng dần hay nước sơng có chiều hướng trong dần dao động từ
15-22,1 cm, độ lệch chuẩn 1,8 cm vào tháng 11/2017. Giá trị SD đo được cũng thể hiện sự thay đổi theo mùa của thông số này, SD của nước sông vào mùa khô (tháng 3-4/2018) cao gần gấp 2 lần so với giá trị SD đo được vào mùa mưa (tháng 7- 8/2018) tại đoạn sông nghiên cứu. Kết quả phân tích cũng cho thấy SSC tương quan khá chặt chẽ với SD với R lần lượt là -0,73, -0,71, -0,68, -0,75 và -0,77. Các điểm khảo sát có giá trị SD thấp đều có hàm lượng SSC tương đối cao
Hình 3.1. Đặc trưng phổ phản xạ mặt nước w đo tại sông Thao đoạn qua thành phố Lào Cai và hợp lưu sơng Lơ-Đà-Thao so với vị trí của các kênh phổ ảnh Sentinel
2A (S2A): a) w đo vào tháng 11/11/2017 tại hợp lưu sông Lô-Đà-Thao; b) w đo
vào tháng 3-4/2018 và c) w đo vào tháng 7-8/2018 tại sông Hồng đoạn qua thành
phố Lào Cai. B1 đến B8a ứng với vị trí các kênh phổ của ảnh S2A từ 1 đến 8a.
Đặc trưng phổ phản xạ mặt nước - w của 77 điểm đo trên sông Thao đoạn
qua thành phố Lào Cai và đoạn hợp lưu ngã ba sông Lô - Đà - Thao được thể hiện trong hình 3.1. Theo đó, phổ phản xạ của nước sơng Thao có các đặc điểm điển hình của vùng nước đục với sự lệch phải của giá trị phản xạ cực đại trong vùng sóng từ 550-700 nm và giá trị phản xạ cực đại ở vùng sóng đỏ (~650-690 nm) [62,64]. Dựa trên vị trí phân bố của các kênh phổ của ảnh S2A, các kênh phổ ứng với điểm cực đại (peak) của phổ phản xạ mặt nước là kênh 3 (Green), kênh 4 (Red) trong khi kênh 5 và kênh 6 (trong dải sóng cận hồng ngoại, ứng với 705 và 740 nm) phân bố
gần với điểm cực tiểu của w. Tương đồng với xu hướng dao động của SSC, giá trị
w của mặt nước có xu hướng cao hơn trong mùa mưa (Hình 3.1.c) và thấp hơn trong mùa khơ (Hình 3.1.b), phù hợp với nhận định về sự ảnh hưởng của các vật chất lơ lửng đến việc tăng cao giá trị phổ phản xạ mặt nước w.
3.2. Phƣơng trình tính tốn hàm lƣợng phù sa lơ lửng từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A
Việc lựa chọn thành cơng các mơ hình đơn kênh phổ hay các tỷ lệ kênh phổ để tính tốn SSC phụ thuộc phần lớn vào các đặc tính hóa sinh của nước mà các đặc tính này được thể hiện rất rõ qua phổ phản xạ của nước. Trong nghiên cứu này, các thuật toán phổ biến thường dùng để ước tính hàm lượng SSC trong vùng nước đục như thuật toán dựa trên đơn kênh phổ đỏ (ρw(666)), cận hồng ngoại (ρw(705),
ρw(740), ρw(783), ρw(865)) hay như tỷ lệ dải phổ đỏ/xanh lục (ρw(666)/ρw(560)) sẽ
được phân tích và đánh giá dựa trên dữ liệu của 45 điểm đo ngày 11/11/2017, 23/03/2018 và 10/08/2018. Kết quả phân tích bước đầu cho thấy, trong tất cả các trường hợp, phương trình đường cong có giá trị tương quan cao và sai số nhỏ nhất là đường cong hàm mũ (Bảng 3.2). Điều này một lần nữa khẳng định sự phù hợp của hàm số mũ để tính tốn các thành phần chất lượng nước từ dữ liệu viễn thám đã được chứng minh trong nghiên cứu trước đó của Ha và Koike [47].
Bảng 3.2. Mối quan hệ tuyến tính giữa SSC và tỷ số phổ phản xạ ứng với dải phổ
của kênh ảnh S2A sử dụng dữ liệu của 45 điểm đo ngày 11/11/2017, 23/03/2018 và 10/08/2018
Thuật toán Kênh phổ/Tỷ lệ
kênh phổ S2A
Hàm tuyến tính Hàm số mũ Hàm logarith
R2 RMSE R2 RMSE R2 RMSE
Kênh đỏ B4 0,16 45,98 0,19 0,32 0,21 44,57 Kênh cận hồng ngoại B5 0,21 44,68 0,25 0,30 0,28 42,67 B6 0,40 0,37 0,45 0,26 0,49 35,67 B7 0,46 36,93 0,51 0,24 0,54 34,17 B8A 0,34 40,89 0,37 0,28 0,43 38,03 Đỏ /xanh lục B4/B3 0,72 26,53 0,80 0,15 0,72 26,55 (Đỏ + cận hồng ngoại)/xanh lục (B4+B5)/B3 0,81 22,10 0,87 0,13 0,80 22,67
Hình 3.2 biểu diễn phương trình hàm mũ thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa SSC và w ứng với kênh đỏ 4, kênh cận hồng ngoại 6-8a và kênh 4/kênh 3 của
ảnh S2A sử dụng dữ liệu của 45 điểm đo ngày 11/11/2017, 23/03/2018 và 10/08/2018. Kết quả phân tích cho thấy SSC tương quan rất thấp với các kênh phổ đỏ (ρw(666)) và cận hồng ngoại (ρw(705), ρw(740), ρw(783), ρw(865) với hệ số xác định lần lượt là 0,19; 0,25; 0,45; 0,51 và 0,37 trong khi đó lại tương quan khá cao với B4/B3 (ρw(666)/ρw(560)) với hệ số xác định là R2 = 0,8.
Hình 3.2. Biểu đồ biểu diễn phương trình hàm mũ thể hiện mối quan hệ tuyến tính
của SSC với tỷ số của ρw ứng với kênh 4 (a), kênh 6-8a (b-d), kênh 5/kênh 4 (e), tỷ số (kênh 5 + kênh 4)/kênh 3 (f) của ảnh S2A sử dụng dữ liệu của 45 điểm đo
ngày 11/11/2017, 23/03/2018 và 10/08/2018
Việc sử dụng kết hợp tỷ số 3 kênh phổ của ảnh S2A chưa được đề cập trong các nghiên cứu trước đây, cho tới nay mới chỉ có sự kết hợp của các kênh 2 (Blue), kênh 3 (Green) và kênh 4 (Red) của ảnh Landsat 8 [64]. Dựa trên các ảnh hưởng của hàm lượng SSC đến phổ phản xạ mặt nước, một số tỷ số kết hợp 3 kênh phổ