Bộ cảm Vệ tinh Đặc điểm
Landsat TM, ETM Landsat 4,5,7,8
Độ phân giải khơng gian 30 m, kích thước cảnh 180 km, chu kỳ lặp 16 - 18 ngày, không đâm xuyên mây
IRS LISS-3 IRS 1C/1D
Độ phân giải khơng gian 23 m, kích thước cảnh 142 - 148 km, chu kỳ lặp 24 ngày, không đâm xuyên mây
SPOT SPOT
Độ phân giải không gian 2.5 - 20 m, kích thước cảnh 60 km, chu kỳ lặp 3 - 26 ngày, không đâm xuyên mây
IKONOS IKONOS
Độ phân giải không gian 1 - 4 m, kích thước cảnh 11 km, chu kỳ lặp 3 ngày, không đâm xuyên mây
QUICKBIRD QUICKBIRD Độ phân giải không gian 0.6 - 2.4 m, kích thước cảnh 16.5 km, chu kỳ lặp 14
ngày, không đâm xuyên mây
AVHRR NOAA
Độ phân giải không gian 1.1 km, kích thước cảnh 3000 km, chu kỳ lặp: hàng ngày, không đâm xuyên mây
MODIS Terra
Độ phân giải không gian 250 m, kích thước cảnh 2300 km, chu kỳ lặp: hàng ngày, không đâm xuyên mây
PALSAR ALOS
Độ phân giải không gian 10 - 100 m, kích thước cảnh 70 - 350 m, chu kỳ lặp: 45 ngày, có khả năng đâm xuyên mây
ASAR ENVISAT
Độ phân giải khơng gian 30 m, kích thước cảnh 100 km, chu kỳ lặp: 45 ngày, có khả năng đâm xuyên mây
AMI-SAR ERS-2
Độ phân giải không gian 30 m, kích thước cảnh 100 km, chu kỳ lặp: 16 - 35 ngày, có khả năng đâm xuyên mây
SAR RADARSAT-2
Độ phân giải khơng gian 3 - 100 m, kích thước cảnh 10 - 500 km, chu kỳ lặp: 4 - 6 ngày, có khả năng đâm xuyên mây
Trong viễn thám, các tham số chất lượng nước được đánh giá thông qua việc đo những thay đổi về thuộc tính quang học của nước bởi sự hiện có của chất gây ơ nhiễm. Vì thế, viễn thám quang học được sử dụng phổ biến để đánh giá các tham số chất lượng nước. Các tham số chất lượng nước đã được xác định sử dụng công nghệ viễn thám như hàm lượng chlorophyl, tính trong, tính đục, chất rắn lơ lửng,... Ngoài ra, ảnh viễn thám nhiệt cũng được sử dụng rộng rãi để đánh giá nhiệt độ bề mặt nước trong các hồ và cửa sông. Dựa trên các phân tích hiện có, các thành phần VIS và NIR của dải phổ điện từ với chiều dài bước sóng từ 0.7 đến 0.8 m là các kênh
Trong thời gian đầu, ảnh Landsat TM đã được sử dụng cho mục đích đánh giá tham số chất lượng nước tuy nhiên do chu kỳ lặp 16 ngày là hạn chế lớn. Với sự phát triển của các vệ tinh mới hơn, độ phân giải thời gian, không gian và phổ được cải thiện đáng kể. Sử dụng các bộ cảm như MODIS (36 kênh phổ) và MERIS (15 kênh phổ) cho độ chính xác cao hơn để đánh giá tham số chất lượng nước. Với những tiến bộ công nghệ, trong những năm gần đây, các bộ cảm siêu phổ cũng được sử dụng để đánh giá chất lượng nước. Với số lượng lớn các kênh phổ hẹp giúp cho việc phát hiện các chất gây ô nhiễm và sự hiện có của chất hữu cơ trong nước. Sử dụng ảnh siêu phổ để giám sát các chất lơ lửng và hàm lượng chlorophyl trên bề mặt nước ở các cửa sông và hồ.
- Kế thừa:
GIS phát triển nhanh chóng trong thập kỷ qua và đã bắt đầu được sử dụng trong các nghiên cứu phát triển ngành đánh bắt cá và nuôi trồng thủy sản. Trên một phạm vi rộng, đã có vơ số các nghiên cứu được tiến hành. Ví dụ, ở Châu Phi (Kapetsky, 1994), vịnh Nicoya, Costa Rica (Kapetsky, 1987), Joho, Malaysia (Kapetsky, 1986), bang Lousiana của Mỹ (Kapetsky và nnk, 1990) và ở Ghana (Kapetsky và nnk, 1991). Ứng dụng GIS vào nuôi trồng cá trê được phát triển bởi Kapetsky và nnk, (1988), ứng dụng trong nghề nuôi cá hồi lồng bởi Ross và nnk, (1993) và mơ hình tơm panđan trắng với Scott và nnk (1998).
Đến nay, GIS đã được ứng dụng tới tận qui mô vùng, quốc gia hay các lĩnh vực nghiên cứu trong nuôi trồng thủy sản, nơi mà tài nguyên nhân văn, vùng đặc dụng, kinh tế, thị trường và tài nguyên văn hóa - xã hội được sử dụng. CSIRO - Nhóm phân tích khơng gian và ứng dụng mơ hình trong nghiên cứu biển ở Brisbane đã phát triển một công cụ GIS và kỹ thuật để hỗ trợ việc lựa chọn điểm cho nuôi trồng thủy sản, họ đã kết hợp các kỹ năng trong thống kê môi trường và mơ hình. Đối với các nước Châu Á, hệ thống thơng tin trong thủy sản cũng khá phát triển có thể kể đến như Srilanka, Trung Quốc, Ấn Độ, Bangladesh... Tại Bangladesh các nghiên cứu ứng dụng GIS trong nuôi trồng thủy sản tương đối hiệu quả.
Ở Việt Nam, có thể nói ứng dụng GIS trong ngành Thủy sản cịn khiêm tốn. Ngành thuỷ sản chưa có cơ quan hoặc phòng ban chuyên trách nghiên cứu ứng dụng GIS; lực lượng cán bộ nghiên cứu còn rất mỏng, các công bố kết quả nghiên cứu ứng dụng GIS là rất hiếm. Hầu hết các sở Thuỷ sản đều có nhu cầu sử dụng, nhưng vẫn chỉ dừng lại ở việc vẽ và xây dựng các bản đồ hiện trạng quy hoạch bằng phương pháp thủ cơng hoặc số hố mà chưa có sự tích hợp sử dụng đồng bộ các thông tin trong hệ thống GIS. Việc ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám trong việc đánh giá tiềm năng phát triển thủy sản và quy hoạch thủy sản tại một số địa phương trong cả nước cũng đã bắt đầu được thực hiện. Nuôi trồng thủy sản chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: đất đai, khí hậu, nguồn nước....Mỗi lồi thủy sản lại thích hợp với những điều kiện mơi trường đất và nước khác nhau, do đó phải dựa vào đặc tính sinh học của từng lồi để đánh giá thích nghi cho từng đối tượng khác nhau.
1.3. Cơ sở viễn thám và GIS trong đánh giá, giám sát chất lượng nước tại khu vực nghiên cứu vực nghiên cứu
Chất lượng nước là một dấu hiệu chung nhất biểu trưng cho đặc tính của nước về mặt vật lý, hóa học, và sinh học. Tuy vậy, rất khó để xác định tiêu chuẩn chất lượng nước đơn lẻ đáp ứng được tất cả các yêu cầu của người dùng. Ví dụ, các thơng số lý, hóa hay sinh học của nước thích hợp cho các hoạt động của con người thì lại khác với các thơng số của nước thích hợp cho việc tưới tiêu. Chất lượng nước bị ảnh hưởng bởi các thành phần vật chất trong nước từ các nguồn xác định hoặc khơng xác định. Nguồn xác định có thể dị ra được ví dụ như đường ống hay mương máng. Nguồn không xác định thường khuếch tán và liên quan đến cảnh quan và tương ứng với nó là sự vận động của nước, sử dụng đất và các hoạt động của con người, thiên nhiên trong lưu vực.
Giám sát và đánh giá chất lượng của nước mặt là tối quan trọng trong quản lý và nâng cao chất lượng nước nói chung và trong ni trồng thủy sản nói riêng. Các chất trong nước mặt có thể thay đổi rõ rệt thuộc tính tán xạ ngược của nước mặt. Công nghệ viễn thám phụ thuộc vào khả năng đo đạc các thay đổi trong tín hiệu phổ
các mơ hình phân tích thơng số chất lượng nước. Bước sóng tối ưu để đo đạc thơng số chất lượng nước phụ thuộc vào các chất đo được, hàm lượng của chúng, và đặc tính của bộ cảm.
Để thực hiện công tác giám sát chất lượng nước tại khu vực nghiên cứu, các loại dữ liệu ảnh viễn thám được lựa chọn thử nghiệm là MODIS, Landsat-8, Sentinel-2, và VNREDSat-1. Các loại ảnh này trừ ảnh VNREDSat-1 thì có thể được thu thập thường xuyên khơng mất phí. Các loại ảnh này sẽ được sử dụng kết hợp nhằm tận dụng các ưu điểm của chúng trong tính tốn chất lượng nước, cụ thể: Ảnh MODIS, đây là vệ tinh có độ phân giải thời gian cao (2 lần chụp/ngày) nên cho phép thu nhận thông tin một cách liên tục khu vực nghiên cứu, nhưng nhược điểm của loại dữ liệu này là độ phân giải không gian thấp. Dữ liệu Landsat-8, Sentinel-2 là các dữ liệu ảnh có độ phân giải thời gian thấp nhưng có độ phân giải khơng gian cao, cho phép thu thập thông tin các khu vực sâu trong đất liền (đặc biệt là diện tích mặt nước được dùng để nuôi trồng thủy sản). Dữ liệu ảnh VNREDSat-1, có độ phân giải khơng gian tốt hơn, cho phép chi tiết hóa các khu vực nghiên cứu. Việc kết hợp các loại dữ liệu viễn thám này sẽ giúp cho công tác đánh giá về hiện trạng môi trường nước trong khu vực nghiên cứu được cả tổng quan và chi tiết.
Công tác xử lý dữ liệu ảnh vệ tinh đều dựa trên cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám. Dựa trên bản chất vật lý trong tự nhiên là các vật thể (đối tượng) trong những điều kiện khác nhau thì khả năng phản xạ hoặc bức xạ của sóng điện từ sẽ có những đặc trưng riêng. Từ đó, nguồn tư liệu viễn thám được hình thành như là kết quả thu nhận năng lượng phản xạ hoặc bức xạ các sóng điện từ của các đối tượng bằng các thiết bị gọi là bộ viễn cảm hay bộ cảm (remote sensor) hoặc bằng các máy chụp ảnh.
Năng lượng chiếu tới đối tượng được phản xạ không những phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt đối tượng mà còn phụ thuộc vào bước sóng của năng lượng chiếu tới. Trên ảnh ta thấy hình ảnh đối tượng do ghi nhận được khả năng phản xạ phổ của các bước sóng khác nhau sẽ khác nhau. Đối với lớp phủ mặt đất, các đối tượng tự
nhiên là mục tiêu quan tâm chính. Do đó, các phương pháp xử lý số đều dựa trên đặc tính phản xạ phổ của chúng.
Đồ thị phản xạ được xây dựng với chức năng là một hàm số của giá trị phổ phản xạ và bước sóng, được gọi là đường cong phản xạ phổ. Hình dáng của đường cong phổ phản xạ cho biết một cách tương đối rõ ràng tính chất phổ của mọi đối tượng và hình dạng đường cong phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn các dải sóng mà ở đó thiết bị viễn thám có thể ghi nhận được các tín hiệu phổ. Nó cịn phụ thuộc vào tính chất của các đối tượng.
Đối với công tác giám sát chất lượng nước thì yếu tố ảnh hưởng chủ yếu là khả năng phản xạ phổ của nước. Khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi theo bước sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong nước. Khả năng phản xạ phổ ở nước còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước. Trên kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại đường bờ nước được phát hiện rất dễ dàng. Nước trong chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng của tia blue và yếu dần khi sang tia green, triệt tiêu ở cuối dải sóng red. Khi nước bị đục khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hưởng sự tán xạ của các vật chất lơ lửng. Sự thay đổi tính chất nước đều ảnh hưởng đến tính chất phổ của chúng.
1.4. Phương pháp thực hiện
1.4.1. Lựa chọn thông số đánh giá chất lượng nước
Nghiên cứu đánh giá chất lượng nước là q trình xác định đặc tính hóa học, vật lý và sinh học của nước và nhận biết các nguồn khả năng gây ra ô nhiễm làm suy giảm chất lượng nước. Sự suy giảm chất lượng nước có thể là do quá trình thải rác, thuốc trừ sâu, kim loại nặng, chất dinh dưỡng, vi sinh vật và trầm tích. Các tiêu chuẩn khác nhau về chất lượng nước được đưa ra để hỗ trợ trong việc kiểm tra quy mô của ơ nhiễm nước, và từ đó có biện pháp khắc phục, xử lý.
Các thông số định lượng đo được thơng dụng nhất có thể kể ra là: Chlorophyll-a, nhiệt độ, chất hữu cơ hịa tan có màu (CDOM), tổng lượng các bon hữu cơ (TOC), các bon hữu cơ hòa tan (DOC), tổng lượng chất lơ lửng (TSM), độ đục, nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), nitơ-amoniac (NH3- N),... Các chất trong nước mặt có thể thay đổi rõ rệt thuộc tính tán xạ ngược của nước mặt. Tuy nhiên không phải yếu tố nào cũng có thể xác định được một cách rõ ràng bằng ảnh viễn thám.
Chlorophyll-a (Chl-a) là sắc tố chính tham gia q trình quang hợp của tảo và
oxy được phóng thích từ q trình quang hợp này. Chl-a là chất chỉ thị chính của tình trạng dinh dưỡng do các hoạt động của nó là liên kết giữa hàm lượng chất dinh dưỡng, đặc biệt là phốt pho, và sản lượng tảo. Chl-a phản xạ chủ yếu kênh xanh lá, hấp thụ hầu hết năng lượng của bước sóng trong khoảng ánh sáng tím - xanh lục và cam - đỏ, do vậy có thể thấy được phần phản xạ thể hiện chlorophyll có màu xanh lá.
Hình 1.4. Khoảng hấp thụ phổ của Chl-a và Chl-b
Các kênh phổ khác nhau trong khoảng nhìn thấy và tỉ lệ của chúng được sử dụng rộng rãi để xác định Chl-a. Việc tính tốn tỉ lệ các kênh phổ sẽ giảm ảnh hưởng của bức xạ, khí quyển, bề mặt tiếp xúc nước - khí đến giá trị thực nhận được. Nét đặc trưng nổi bật tán xạ - hấp thụ của Chl-a bao gồm sự hấp thụ mạnh mẽ trong khoảng bước sóng 450 - 475nm (blue) và tại 670nm (red) và giá trị phản xạ đạt tới đỉnh tại 550nm (green) và gần 700nm (NIR). Giá trị phản xạ tại đỉnh ở 700nm và tỉ lệ của nó với giá trị phản xạ tại 670nm được dùng để phát triển các thuật toán đa dạng để xác định Chl-a trong nước đục. Hầu hết các thuật toán xác định hàm lượng Chl-a đều cần dùng bước sóng gần 675nm và một kênh khác ở bước sóng gần 700nm.
Chl-a đóng một vai trị quan trọng trong thành phần phản xạ của nước bởi vì nó địi hỏi cần phải có sự xuất hiện của thực vật phù du, và có thể coi như là một chất chỉ thị cho sự phát triển của tảo hay một cách gián tiếp chỉ thị cho chất dinh dưỡng có trong nước. Sự phát triển quá mức khi tảo nở hoa trong nước sẽ làm suy giảm lượng ơxy hịa tan và là nguyên nhân phú dưỡng trong nước, cụ thể trong nghiên cứu này là sơng ngịi, dịng chảy. Do đo đạc Chl-a tương đối đơn giản hơn sinh khối của tảo, nên Chl-a thường được sử dụng như là một chỉ thị dinh dưỡng.
thông số này. Sự phản xạ của hàm lượng Chl-a biến đổi trong khoảng xanh lam (blue) và xanh lá (green). Nói cách khác, hàm lượng Chl-a cao phản xạ mạnh hơn ở bước sóng blue và green. Thêm vào đó, khí quyển giữa nước và cảm biến cũng sẽ ảnh hưởng đến tỉ số này; tuy nhiên, Chl-a sẽ hấp thụ bức xạ mạnh ở trong khoảng bước sóng 450 - 670nm.
Độ đục gây ra bởi các hạt vật chất lơ lửng trong nước, bao gồm các hạt chất
vô cơ (PIC) và các hạt vật chất hữu cơ (POC). Các vật chất vô cơ ở thể rắn là bùn, cát, các vật chất hữu cơ là các hợp chất Carbon hòa tan trong nước. Nước đục là một thuộc tính quang học của nước, nó tán xạ và hấp thụ ánh sáng nhiều hơn là truyền ánh sáng theo đường thẳng. Các trầm tích lơ lửng là tác nhân chính của tán xạ, trong khi sự hấp thụ thì chịu sự chi phối của Chl-a và các chất hịa tan có màu hay các hạt vật chất.
Nước đục là kết quả chính của sự hiện diện các chất lơ lửng. Việc đo đạc độ đục thường sử dụng để tính tốn hàm lượng trầm tích lơ lửng của sơng và thường được xem xét theo chiều ngược lại của độ trong. Mức độ đục hay độ tối phụ thuộc toàn bộ vào lượng hạt lơ lửng trong một mẫu nước. Càng nhiều hạt lơ lửng, càng khó để ánh sáng đi xuyên qua nước và vì vậy, độ đục của nước sẽ cao hơn. Bản chất phức tạp của các chất lơ lửng trong nước thay đổi phản xạ của nước và do đó dẫn đến sự khác nhau về màu sắc của nước. Việc giải đoán dữ liệu viễn thám chỉ dựa trên màu sắc của nước là khơng thích hợp và chưa chính xác. Độ đục được coi là