CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.2. Ứng dụng viễn thá m GIS trong đánh giá chất lượng nước phục vụ nuôi trồng thủy
1.2.3. Sử dụng dữ liệu viễn thám trong nghiên cứu và đánh giá chất lượng nước
Từ năm 1972 (bắt đầu phóng vệ tinh Cơng nghệ Tài ngun Trái đất, ERTS- 1), các nhà khoa học đã sử dụng dữ liệu viễn thám từ các bộ cảm biến khác nhau để mơ tả, lập bản đồ, phân tích và lập mơ hình bề mặt Trái đất và các q trình trên đó. Với sự xuất hiện phong phú của các vệ tinh quan sát Trái Đất, viễn thám đã trở thành một cơng cụ quan trọng để phân tích các đặc điểm bề mặt trái đất và vì thế cung cấp thơng tin có giá trị cần thiết cho nghiên cứu về nước. Với sự trợ giúp của các thuật tốn mới, thơng tin thủy hệ mới được trích xuất từ dữ liệu viễn thám được sử dụng trong mơ hình thủy văn và mơi trường. Những thơng tin mới này và các thông số thủy văn đã làm tăng sự hiểu biết của chúng ta về các q trình thủy văn khác nhau thơng qua việc định lượng mức độ, lượng nước và thông lượng năng lượng trong môi trường. Vai trò của viễn thám trong việc tìm hiểu các quá trình thủy văn trên quy mơ khơng gian và thời gian khác nhau có thể là rất lớn nếu có dữ liệu viễn thám phù hợp về độ phân giải không gian và thời gian với các kênh ảnh của nó. Việc áp dụng viễn thám vào nghiên cứu tài nguyên nước ngày càng tăng trong những năm gần đây.
Một loại dữ liệu viễn thám được sử dụng khá phổ biến trong nghiên cứu tài ngun nước đó chính là dữ liệu ảnh vệ tinh được thu nhận từ chuỗi hệ thống vệ tinh SPOT. Các thế hệ vệ tinh từ SPOT 1 đến SPOT 6 được phóng lên quĩ đạo lần lượt vào năm 1986, 1990, 1993, 1998, 2002 và 2012. Dữ liệu ảnh SPOT 1, 2, 3, 4 có độ phân giải không gian 10 m, đảm bảo cung cấp thông tin cho các loại bản đồ chuyên đề ở tỷ lệ 1:50.000 và nhỏ hơn. Như vậy, với loại dữ liệu ảnh này, tài nguyên nước mặt lưu trữ trên các sông, suối, hồ (lớp thủy hệ) có diện tích lớn hơn 1000 m2 sẽ được phát hiện và số hóa chính xác trên bản đồ. Với ảnh vệ tinh SPOT 5 độ phân giải không gian 2.5 m cho phép lập bản đồ với tỷ lệ 1:10.000 khiến việc
phát hiện các đối tượng thủy văn càng trở nên dễ dàng hơn. Ảnh SPOT 6 độ phân giải 1.5 m có thể xác định các đối tượng thủy văn nhỏ mà các ảnh độ phân giải thấp hơn không phát hiện ra.
Đối với tư liệu viễn thám sử dụng trong nghiên cứu thủy văn, có thể sử dụng ảnh với các kênh phổ ở các dải sóng nhìn thấy, cận hồng ngoại, hồng ngoại nhiệt và cả sóng radar nữa. Tư liệu bao gồm cả ảnh máy bay và ảnh vệ tinh các loại với nhiều thời kì chụp khác nhau, có độ phân giải khơng gian, thời gian, phổ khác nhau. Để có sự lựa chọn dữ liệu phù hợp cho mục đích đánh giá, quản lý tài nguyên nước, cần hiểu biết rõ về điểm mạnh và yếu về đặc tính của mỗi loại ảnh và cũng cần quan tâm đến chi phí mua ảnh. Chỉ có một số nguồn ảnh miễn phí có thể trực tiếp tải từ Internet như Landsat, MODIS. Nhìn chung, ở mức địa phương, các ảnh độ phân giải cao như IKONOS, QuickBird và SPOT 5, 6 là cần thiết để quan sát những đối tượng nhỏ. Ở mức vùng, dữ liệu ảnh độ phân giải trung bình như Landsat và ASTER là các nguồn dữ liệu phổ biến thường dùng. Để quan sát trên diện rộng mức quốc gia, châu lục hay tồn cầu thì dữ liệu độ phân giải thấp như AVHRR, MODIS được lựa chọn sử dụng. Trong quá trình xử lý tư liệu viễn thám cần có sự kết hợp nhuần nhuyễn các kiến thức như thuỷ văn, kiến thức địa lí địa mạo với các kinh nghiệm trên thực địa. Có như vậy mới đảm bảo độ chính xác, sát với thực tế và dần dần từ định tính có thể tới định lượng hóa các kết hợp qua tính tốn.
Vì nước là một bức xạ vật đen trung tính tuyệt đối, dữ liệu hồng ngoại nhiệt (TIR) có thể được kết hợp với động lực chất lỏng và các lý thuyết truyền nhiệt để đánh giá và hồn thiện mơ hình thủy động lực học tốn học và vật lý hiện có. Dữ liệu TIR có thể được sử dụng hiệu quả cho mục đích như vậy. Nhiều nhà nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu viễn thám Landsat TM (có kênh TIR) để lập bản đồ chất lượng nước trong nội địa và tại các hệ thống cửa sông. Các dữ liệu độ phân giải cao hơn của SPOT và IRS cho phép lập bản đồ chất lượng nước cịn chính xác hơn nữa. Dữ liệu viễn thám để thành lập bản đồ chất diệp lục và các tham số chất lượng nước khác cũng đã được nghiên cứu và báo cáo. [12]
Việc xác định và lập bản đồ khoanh vùng nước bề mặt là ứng dụng cơ bản và trực tiếp nhất của viễn thám trong nghiên cứu tài nguyên nước. Viễn thám quang học về tài nguyên nước dựa trên sự khác nhau về phản xạ phổ của đất và nước. Nước hấp thụ hầu hết các năng lượng trong bước sóng hồng ngoại gần (NIR) và hồng ngoại trung (MIR), trong khi thực vật và đất có sự phản xạ cao hơn trong những vùng bước sóng này. Vì thế trong ảnh đa phổ, nước xuất hiện có màu tối hơn ở kênh hồng ngoại (IR) và có thể dễ dàng phân biệt với thành phần đất và thực vật. Tất cả các loại ảnh quang học đều có khả năng phân biệt được vùng nước ở các mức độ chi tiết khác nhau tùy thuộc vào độ phân giải không gian. Ảnh có độ phân giải càng cao thì cung cấp mức độ chi tiết về đối tượng càng lớn. Ảnh có các kênh ảnh khác nhau và mỗi kênh cũng có sự thể hiện khác nhau về màu sắc để phân biệt đối tượng nước. Sự kết hợp các kênh ảnh một cách thích hợp cũng mang lại tác dụng đáng kể trong việc phân biệt vùng nước với các vùng khác. [11]
Hình 1.2. Ảnh Landsat ETM+ chụp lưu vực sơng với các kênh phổ khác nhau
Nhìn trên hình, trên các kênh phổ trong dải sóng nhìn thấy (B1, B2, B3), sự tương phản giữa nước và các đối tượng khác là không đáng kể. Xác kênh IR (B4, B5) lại chỉ ra sự tương phản đáng kể giữa chúng vì sự phản xạ kém của nước trong
vùng IR của phổ bức xạ điện từ. Với các tổ hợp màu lần lượt như trên hình: Tổ hợp màu tự nhiên (True Colour Composite), Tổ hợp màu giả chuẩn (Standard False Colour Composite), tổ hợp màu giả (False Colour Composite), ta có thể nhận thấy tổ hợp màu giả thể hiện đối tượng nước rõ nét nhất.
Lập bản đồ vùng nước mặt sử dụng cơng nghệ viễn thám có rất nhiều ứng dụng trong giám sát ngập lụt, giám sát tài nguyên nước và nghiên cứu quản lý lưu vực sông. Lập bản đồ tài nguyên nước cần dữ liệu viễn thám độ phân giải tốt để đạt được độ chính xác về chiết tách vùng nước. Các ảnh có thể sử dụng được từ độ phân giải trung bình như Landsat đến các ảnh có độ phân cao như SPOT và các ảnh độ phân giải siêu cao IKONOS. Tùy mục đích cụ thể và điều kiện để có thể lựa chọn loại ảnh thích hợp do giá của các loại ảnh có độ phân giải càng cao thì càng đắt.
Viễn thám quang học tuy có thể cung cấp độ phân giải cao nhưng khơng có khả năng đâm xuyên mây, nên bị giới hạn về khả năng thu nhận hình ảnh chất lượng trong điều kiện thời tiết xấu hoặc có nhiều mây. Điều này là một trở ngại lớn với các nước nhiệt đới như Việt Nam khi thường xuyên bị mây che phủ. Điều này giới hạn khả năng của viễn thám quang học đối với giám sát lũ lụt (các thảm họa thiên tai thường xảy ra khi điều kiện thời tiết xấu, có bão,...). Một hạn chế khác của viễn thám quang học là khả năng kém trong việc xác định vùng nước ở các vùng có thực vật trên đó.
Sử dụng bộ cảm siêu cao tần chủ động giúp khắc phục được những hạn chế này. Sóng radar có thể đâm xuyên mây và lớp phủ thực vật (phụ thuộc vào chiều dài bước sóng của tín hiệu và cấu trúc thực vật). Bề mặt nước cung cấp sự phản xạ gương đối với bức xạ siêu cao tần vì thế rất ít năng lượng bị tán xạ ngược trở lại so với các đối tượng khác. Sự khác nhau trong năng lượng nhận lại được ở bộ cảm radar được dùng để phân biệt và xác định vùng nước. Ví dụ: Ảnh ENVISAT/ASAR mặc dù độ phân giải không cao (30 m cho ảnh chụp ở chế độ chụp ảnh và 150 m cho ảnh chụp ở chế độ quét) nhưng có thể chụp ảnh khơng mây tại mọi thời điểm. Như vậy, sự biến động của tài ngun nước trong mùa mưa và mùa khơ có thể được
xác định bằng loại ảnh này, nhất là với các khu vực ngập lụt thường xuyên với diện tích rộng. Các loại vệ tinh radar nói chung đều có thể quan sát bề mặt Trái đất trong mọi điều kiện thời tiết, chụp ảnh được cả ban ngày và ban đêm nên thích hợp để giám sát lũ lụt. Viễn thám radar đã được sử dụng thành công để xác định vùng nước và vùng ngập ở các khu vực có rừng rậm. Sự phát triển quan trọng khác là sử dụng các kênh nhiệt để phát hiện ra các vùng nước qua vùng thực vật dày đặc. Phương pháp này sử dụng pháp đo nhiệt độ độ sáng (TB) sử dụng kênh TIR (10.5 - 12.5 m) của vệ tinh Meteosat. Dữ liệu TB được xử lý để nhận được dữ liệu tổ hợp cực đại nhiệt Tmax và vùng chỉ ra các giá trị thấp hơn Tmax được đánh dấu là vùng ngập nước. Phương pháp này có thuận lợi đối với yêu cầu có dữ liệu thường xuyên (tần suất chụp lặp của vệ tinh là 30 phút). Tuy nhiên, do độ phân giải không gian kém (5km) của dữ liệu viễn thám là trở ngại lớn để áp dụng trên qui mô địa phương.
Bảng 1.3. Đặc điểm một số loại dữ liệu VT trong nghiên cứu tài nguyên nước
Bộ cảm Vệ tinh Đặc điểm
Landsat TM, ETM Landsat 4,5,7,8
Độ phân giải không 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 khơng 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,... Ngồi ra, ảnh viễn thám nhiệt cũng được sử dụng rộng rãi để đánh giá nhiệt độ bề mặt nước trong các hồ và cửa sơng. 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 ơ 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 mơi trường và mơ hình. Đối với các nước Châu Á, hệ thống thông 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 còn khiêm tốn. Ngành thuỷ sản chưa có cơ quan hoặc phịng ban chun 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 công 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 môi 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.