2.1. Quy trình thực hiện nghiên cứu
Để đạt được các mục tiêu đề ra của đề tài, quy trình thực hiện nghiên cứu được xây dựng và thể hiện như hình 2.1 dưới đây.
Hình 2.1. Quy trình thực hiện nghiên cứu 2.2. Cách tiếp cận 2.2. Cách tiếp cận 2.2. Cách tiếp cận
2.2.1. Cách tiếp cận hệ thống
Sông Hồng là một hệ thống tự nhiên mà trong đó các thành phần của hệ thống (môi trường, sinh thái, điều kiện tự nhiên, chế độ thuỷ văn, các yếu tố nhân sinh) có quan hệ chặt chẽ và tương hỗ với nhau. Theo cách tiếp cận này, việc nghiên cứu giám sát hàm lượng SSC trong nước sông phải được tiến hành đồng bộ, hệ thống, tồn diện, gắn liền với biến động mơi trường và sinh thái khác. Bên cạnh đó, kết quả từ nghiên cứu này phải được tính đến các yếu tố tác động từ bên ngoài đến đối tượng nghiên cứu.
2.2.2. Cách tiếp cận tích hợp và liên ngành
Nghiên cứu giám sát hàm lượng SSC trên sông Thao (đoạn từ Hà Khẩu, Lào Cai đến Việt Trì, Phú Thọ) bằng ảnh vệ tinh S2A nhằm phục vụ mục đích quan trắc, quản lý và bảo vệ môi trường nước sơng do đó cần có những kiến thức, kỹ năng
Ảnh vệ tinh S2A
(độ phủ mây < 10%)
Xử lý ảnh/Hiệu chỉnh khí quyển
theophương pháp DOS
Sơ đồ phân bố hàm lượng SSC
trongnước sông Hồng sử dụng
ảnh S2A
Phổ phản xạ mặt nước của 12 điểm ngày 10/08/2018 (~ 12 pixels không mây của ảnh S2A)
Khảo sát thực địa
(đo phổ phản xạ mặt nước, đo độ
sâuđĩa Secchi, lấy mẫu nước)
45 điểm đo ngày 11/11/2017, 23/03/2018,
10/08/2018
32 điểm đo ngày 01/04/2018,
29/07/2018
Phương trình thực nghiệm tính tốn SSC từ phổ phản xạ mặt nước
(ứng với các kênh phổ ảnh S2A Mối quan hệ giữa
phổ phản xạ mặt nước và SSC Kiểm chứng K iể m chứ ng , So sánh N gà y chụp ảnh P h â n tí ch h ồ iquy
chuyên sâu về sử dụng dữ liệu viễn thám và GIS; kiến thức về địa lý (khí hậu, thuỷ văn, địa chất, địa hình, địa mạo,...); kiến thức về môi trường (cách đo đạc và phân tích, đánh giá) và điều kiện xã hội. Do vậy, nghiên cứu này cần phải dựa vào sự tích hợp các chuyên ngành như viễn thám, địa chất, địa l , môi trường.
2.3. Phƣơng pháp nghiên ứu
2.3.1. Phương pháp thu thập và tổng hợp số liệu
Phương pháp thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu là phương pháp được sử dụng ở những bước đầu tiên của nghiên cứu khoa học. Nguồn tài liệu thu thập sẽ là cơ sở giúp cho người thực hiện đánh giá tổng quan về khu vực nghiên cứu từ đó xác định được các yếu tố góp phần gây ảnh hưởng đến chất lượng nước sông Thao (đoạn từ Hà Khẩu, Lào Cai đến Việt Trì, Phú Thọ).
Hình 2.2. Thu thập tài liệu tại trạm quan trắc nước xuyên biên giới tỉnh Lào Cai
Các tài liệu đã thu thập phục vụ cho thực hiện luận văn gồm các cơng trình nghiên cứu trước đây, các báo cáo kinh tế - xã hội, niên giám thống kê các địa phương. Từ các tài liệu này có thể tổng hợp, khái quát các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng SSC trong nước sơng Thao như địa hình, địa chất, đặc điểm khí hậu, chế độ thủy văn, các hoạt động nhân sinh… Một số nghiên cứu về ứng dụng công nghệ
viễn thám phục vụ giám sát hàm lượng SSC trong môi trường nước ở Việt Nam và trên thế giới cũng đã được thu thập.
Các tài liệu thu thập sẽ được phân loại, sắp xếp có trình tự và được định hướng vào nghiên cứu. Tổng hợp, phân tích, đánh giá tài liệu một cách khoa học nhằm sử dụng hiệu quả nhất những thơng tin đó. Các số liệu thống kê về các tác nhân gây ảnh hưởng đến hàm lượng phù sa lơ lửng trong nước sông được xử lý trên phần mềm Microsoft Office Excel 2013 để phân tích, tính tốn thống kê. Tổng hợp, phân tích tài liệu thu thập được thực hiện nhằm đánh giá sơ bộ hiện trạng nước sông và các yếu tố ảnh hưởng. Từ đó xác định khối lượng nghiên cứu, các vấn đề đã được giải quyết và những vấn đề còn tồn tại.
2.3.2. Phương pháp khảo sát thực địa
Đây là phương pháp quan trọng nhất nhằm bổ sung và hiệu chỉnh các thơng tin có được từ các tài liệu thu thập và tiến hành đo phổ phản xạ mặt nước và hàm lượng SSC trực tiếp trên sơng tại các điểm khác nhau, để có cơ sở lập mối tương quan giữa hàm lượng SSC của nước sông và phổ phản xạ thu được từ xử lý ảnh vệ tinh S2A. Đồng thời để có được những đánh giá khách quan và thực tế về các điều kiện tự nhiên cũng như xã hội của khu vực nghiên cứu.
Trong quá trình thực hiện luận văn, học viên đã thực hiện 3 đợt đi khảo sát thực địa (Hình 2.3), cụ thể là:
- Đợt 1 vào ngày 11/11/2017 (mùa khô) với 13 điểm khảo sát phân bố dọc theo sông Lao tại địa phận tỉnh Phú Thọ trước khi hợp lưu với 2 nhánh chính là sơng Lơ và sơng Đà.
- Đợt 2 vào ngày 23/03/2018 và ngày 01/04/2018 (đặc trưng cho thời gian chuyển mùa từ mùa khô sang mùa mưa) với 40 điểm khảo sát phân bố dọc thượng nguồn sông Thao từ cửa khẩu Hà Khẩu đến hết chân cầu Giang Đông của thành phố Lào Cai. Đây là khu vực tập trung đơng dân cư và nằm trên vị trí địa hình cao nhất của đoạn sông nghiên cứu nhằm xác định sự thay đổi SSC của nước sông Hồng theo không gian.
- Đợt 3 được thực hiện vào ngày 29/07/2018 và ngày 10/08/2018 (đặc trưng cho mùa mưa) với 24 điểm khảo sát dọc theo sông Thao từ cửa khẩu Lào Cai đến
hết chân cầu Phố Mới nhằm xác định sự thay đổi SSC của nước sông Thao theo thời gian. Bên cạnh đó, học viên cũng tiến hành khảo sát dọc bờ sông tại một số xã, phường ven sông của 2 huyện Bảo Thắng, Văn Bản và thành phố Lào Cai để có được những đánh giá khách quan và thực tế về các điều kiện tự nhiên cũng như xã hội của khu vực nghiên cứu.
Hình 2.3. Vị trí điểm đo trên sơng Thao đoạn qua thành phố Lào Cai (A) và ngã ba
sông Lô - Đà - Thao (B) trong 3 đợt khảo sát trên ảnh màu giả của S2A (11:4:3)
2.3. . . Phương ph p đo phổ phản xạ mặt nước
Phổ phản xạ mặt nước sông Thao được tiến hành đo bằng cách sử dụng máy đo bức xạ hiện trường GER 1500 do Trung tâm CARGIS, trường Đại học Khoa học Tự nhiên cung cấp. Máy đo bức xạ hiện trường GER 1500 được sản xuất bởi Tập đoàn Vista (Vista Corporation), Hoa Kỳ sản xuất, 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
với hướng chiếu của mặt trời theo phương pháp của Mobley [59]. Theo đó, phổ phản xạ của mặt nước được tính tốn bằng phương trình (2.1) dưới đây:
( ) ( ) ( )
( ) (2.1)
trong đó: w là phổ phản xạ của mặt nước được đo ngay trên 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; Lsky() là hệ số phát xạ của bầu trời thu được tại thời
điểm đo; Lr() là hệ số phát xạ thu được của bề mặt vật phản xạ chuẩn (panel).
Hình 2.4. Đo phổ phản xạ trên sơng Thao đoạn qua thành phố Lào Cai
2.3. . . Phương ph p lấy mẫu nước v đo đ thấu quang của nước
Độ thấu quang (hay còn gọi là độ trong) của nước là một đặc tính quang học của nước liên quan mật thiết đến các hợp phần khác có trong mơi trường nước như chất rắn lơ lửng, CDOM, các chất dinh dưỡng,... Độ thấu quang có tương quan nghịch với tổng hàm lượng phù sa lơ lửng 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 [54]. Phương pháp phổ biến nhất để đo độ thấu quang nước
được dựa trên các nguyên tắc tập trung ánh sáng [48]. 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 kính khoảng 20cm 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 hoặc 10cm. 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 kéo lên đến khi vừa phân biệt được hai màu đen trắng, ghi nhận khoảng cách lần 2. Độ thấu quang của nước đo bằng đĩa secchi là độ dài trung bình của hai lần ghi nhận khoảng cách.
Hình 2.5. Đo độ thấu quang của nước sử dụng đĩa Secchi
Các mẫu nước mặt được lấy trong khoảng độ sâu biểu kiến (xác định bằng độ sâu đĩa Secchi) tại các điểm định trước bằng thuyền máy, mẫu nước được lấy đồng thời với thời điểm đo phổ phản xạ mặt nước. Mẫu nước được lấy bằng chai nhựa, tối màu đã tráng qua 3 lần với nước tại vị trí cần lấy mẫu, sau đó cho nước chảy đầy chai và đậy nắp ln dưới nước (tránh để lọt khơng khí vào). Các mẫu sau khi được
lấy vào chai sẽ được đóng kín, để lạnh (4-6oC) và gửi đến phịng phân tích. Các vị
2.3.3. Phương pháp xác định hàm lượng phù sa lơ lửng
Các mẫu nước sau khi thu được từ các đợt khảo sát thực địa đã được tiến hành phân tích thơng số SSC bằng phương pháp tiêu chuẩn của APHA [29]. Các mẫu nước được lọc qua bộ lọc Whatman GF/F có đường kính 47 nm, sau đó giấy lọc sẽ được sấy khô ở nhiệt độ 104 ± 1°C trong tối thiểu 1 giờ và cân giấy lọc để xác định SSC. Hàm lượng SSC sau đó sẽ được tính tốn theo phương trình sau:
( ) ⁄ (2.2) trong đó A là khối lượng của giấy lọc và cặn khô (mg), B là khối lượng của giấy lọc (mg) và V là thể tích của mẫu nước được lọc (L).
Hình 2.6. Phân tích SSC trong phịng thí nghiệm theo phương pháp của APHA [29] 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 không 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