Luận văn Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ giám sát môi trường nước mặt khu vực Hà nội từ dữ liệu vệ tinh vnredsat - 1A

án đã thông qua nhiều lần hội thảo khoa học, bảo vệ sản phẩm niên độ qua các thời kỳ trong đánh giá và giám sát chất lượng nước mặt. Các nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám đánh giá chất lượng môi trường nước mặt chủ yếu sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải trung bình như Landsat, SPOT,hoặc độ phân giải thấp (MODIS)Với những lý do trên, đề tài “Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ giám sát môi trường nước mặt khu vực Hà Nội từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A” được lựa chọn xuất phát từ nhu cầu thực tế, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án Nghiên cứu nhằm xây dựng được quy trình giám sát chất lượng nước mặt một số sông, hồ, đầm khu vực Hà Nội từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat - 1A. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu: đối tượng nghiên cứu trong luận án là chất lượng nước mặt ở một số sông, hồ, đầm khu vực Hà Nội. • Phạm vi nghiên cứu: + Phạm vi không gian: Giới hạn trong một số sông, hồ khu vực Hà Nội. + Phạm vi thời gian: trong nghiên cứu sử dụng 02 cảnh ảnh VNREDSat-1A, chụp ngày 20 tháng 10 năm 2016 và ngày 21 tháng 12 năm 2017. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp phân tích, tổng hợp; Phương pháp viễn thám; Phương pháp GIS; 2 Phương pháp hồi quy 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a) Ý nghĩa khoa học: • Kết quả nghiên cứu đã minh chứng tính hiệu quả và độ tin cậy của công nghệ viễn thám trong đánh giá và giám sát chất lượng nước mặt so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống. • Góp phần minh chứng tính hiệu quả của dữ liệu ảnh vệ tinh quang học VNREDSat-1A trong xác định phân bố hàm lượng các thông số chất lượng nước mặt, phục vụ công tác giám sát, đánh giá và thành lập bản đồ chất lượng nước mặt. b) Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần cung cấp thông tin để các nhà quản lý đưa ra các biện pháp trong giám sát và ứng phó với ô nhiễm môi trường nước mặt ở khu vực Hà Nội. Bên cạnh đó, kết quả nhận được trong đề tài cũng có thể sử dụng, tham khảo trong công tác nghiên cứu khoa học, giảng dạy ở các trường đại học, viện nghiên cứu. 6. Nội dung nghiên cứu Luận án gồm: phần mở đầu, ba chương, phần kết luận và kiến nghị và phụ lục. Chương 1 trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu; Chương 2 trình bày cơ sở khoa học xây dựng quy trình công nghệ giám sát môi trường nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A; Chương 3 thực nghiệm xác định hàm lượng chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A. Các kết quả chính của luận án được trình bày trong phần kết luận và kiến nghị 7. Luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Có mối quan hệ chặt chẽ giữa phổ phản xạ của nước mặt được xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A sau khi hiệu chỉnh khí quyển với hàm lượng các thông số chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội. Luận điểm 2: Quy trình công nghệ giám sát nước mặt được đề xuất góp phần nâng cao hiệu quả và độ chính xác xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A. 8. Những điểm mới của luận án • Xây dựng được quy trình công nghệ, giám sát môi trường nước mặt thông qua các thông số chất lượng nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A. • Xây dựng được hàm quan hệ giữa hàm lượng các thông số chất lượng nước xác 3 định từ các mẫu thực địa và giá trị phổ phản xạ từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A sau khi đã hiệu chỉnh khí quyển. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về tài nguyên nước mặt Việt Nam Việt Nam có hơn 2.360 con sông có chiều dài từ 10 km trở lên, trong đó có 109 sông chính. Cả nước có 16 lưu vực sông với diện tích lưu vực lớn hơn 2.500 km2, trong đó 10/16 lưu vực có diện tích trên 10.000 km2. Tổng diện tích các lưu vực sông trên cả nước lên đến 1.167.000 km2, trong đó phần lưu vực nằm ngoài diện tích lãnh thổ chiếm đến 72% [4]. Như vậy, có thể nhận thấy, tài nguyên nước ở Việt Nam có vai trò hết sức quan trọng và đang trở nên quý hiếm trong những năm gần đây. Trong khi nhu cầu về nước không ngững tăng cao, nguồn nước mặt ở nhiều sông, hồ lại đang bị suy thoái và ô nhiễm nghiêm trọng dẫn đến nguồn nước sạch ngày càng khan hiếm. Hạn hán, thiếu nước xảy ra thường xuyên, nghiêm trọng ở nhiều vùng ở nước ta, không chỉ vào mùa khô mà cả mùa mưa. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, sự gia tăng dân số và các hoạt động của con người đang gây áp lực rất lớn đến chất lượng nguồn nước mặt, đe dọa an ninh về nguồn nước ở Việt Nam. Ở nhiều thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, các hệ thống sông, hồ bị ô nhiễm hết sức nghiêm trọng bởi rác thải, nước thải sinh hoạt, công nghiệp, ý tế. Đặc biệt ở Hà Nội, nơi tập trung 22% làng nghề cả nước (1.350 làng có nghề, 286 làng nghề truyền thống), trong đó có 43 làng chế biến thực phẩm, 59 làng dệt nhuộm đồ da, 135 làng thủ công mỹ nghệ, chất lượng nước mặt ở các sông, hồ bị ô nhiễm nặng nề. 1.2 Các nguyên nhân gây ô nhiễm nước mặt: Ô nhiễm do nước thải sinh hoạt; Ô nhiễm do nước thải công nghiệp; Ô nhiễm do nước thải y tế; Ô nhiễm do nước thải nông nghiệp, làng nghề 1.3 Các thông số chất lượng môi trường nước mặt Có nhiều thông số để đánh giá chất lượng môi trường nước mặt. Theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt năm 2015 (QCVN 08-MT:2015/BTNMT), có tới 36 thông số có thể sử dụng nhằm đánh giá chất lượng môi trường nước mặt (Bảng 1.4) [7]. 1.4 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám giám sát chất lượng nước mặt 1.4.1 Khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu chất lượng nước mặt Dữ liệu ảnh viễn thám với độ phân giải không gian đa dạng cho phép nghiên cứu, giám sát các vùng nước ở các quy mô khác nhau. Đối với những khu vực rộng lớn như 4 biển, đại dương, dữ liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải thấp có thể được áp dụng do diện tích phủ trùm của một cảnh ảnh có thể lên đến một vài km2. 1.4.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Các nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy tính hiệu quả của phương pháp sử dụng dữ liệu viễn thám trong đánh giá và ước lượng hàm lượng các thông số chất lượng nước, đặc biệt đối với một số thông số như TSS, chlorophyll-a, tổng nitơ và tổng photphor. Mặt khác, phân tích các nghiên cứu trên thế giới cũng cho thấy, hiệu quả xác định hàm lượng một số thông số chất lượng nước như BOD5, COD từ dữ liệu viễn thám cũng ở mức nhất định, thể hiện qua giá trị hệ số R2 thường đạt thấp hơn đáng kể so với khi xác định TSS, chlorophyll- a... 1.4.3 Tình hình nghiên cứu trong nước Trước đây, ở Việt Nam, để đánh giá mức độ ô nhiễm nước mặt thường dựa vào việc phân tích các thông số chất lượng nước riêng biệt, sau đó so sánh giá trị từng thông số đó với giá trị giới hạn được quy định trong các tiêu chuẩn/quy chuẩn trong nước hoặc quốc tế. Cho đến nay, ở nước ta đã có một số nghiên cứu sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh quang học trong đánh giá và giám sát chất lượng nước mặt, trong đó sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải trung bình như SPOT, Landsat (nghiên cứu chất lượng nước mặt lục địa) hoặc ảnh vệ tinh độ phân giải thấp như MODIS (nghiên cứu chất lượng nước biển ven bờ). 1.5 Đặc điểm dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSAT-1A VNREDSat-1 hay VNREDSat-1A (tên đầy đủ Vietnam Natural Resources, Environment and Disaster-monitoring Satellite-1A) là vệ tinh quang học quan sát Trái Đất đầu tiên của Việt Nam, có khả năng chụp ảnh toàn bộ các khu vực trên bề mặt Trái Đất. VNREDSat-1A được phóng thành công lên quỹ đạo vào 07/05/2013 tại bãi phóng Kourou nằm trong Trung tâm không gian Guyana (Pháp). VNREDSat-1A do Công ty EADS Astrium (Pháp) thiết kế, chế tạo và được trang bị bộ cảm biến quang học bao gồm 5 kênh phổ, trong đó có 4 kênh đa phổ với độ phân giải không gian 10m, kênh toàn sắc với độ phân giải không gian 2,5m. Hệ thống chụp ảnh cho phép chụp các tấm ảnh với độ phân giải không gian là 2,5m ở kênh toàn sắc và 10m ở các kênh đa phổ (Bảng 1.9). Độ rộng dải quét đối với ảnh vệ tinh VNREDSat – 1 là 17,5 km. Độ phân giải bức xạ 12 bit, tương đương với 4096 cấp độ độ xám. Tóm lại: Từ những những vấn đề nêu trên, luận án tập trung nghiên cứu nhằm: Xây dựng được quy trình công nghệ giám sát môi trường nước mặt thông qua các thông số chất lượng nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A; Xây dựng được hàm quan hệ giữa giá trị các thông số chất lượng nước mặt xác định từ các mẫu thực địa và giá trị phổ phản xạ 5 từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A sau khi đã hiệu chỉnh khí quyển. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIÁM SÁT NƯỚC MẶT TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH VNREDSAT-1A 2.1 Cơ sở khoa học phương pháp ứng dụng dữ liệu viễn thám trong đánh giá chất lượng nước 2.1.1 Bức xạ trực tiếp đối tượng nước và tính chất quang học bất biến của nó Khi bức xạ Mặt Trời đi tới nguồn nước, thông tin phản hồi được bộ cảm (sensor) ghi nhận lại bao gồm ba thành phần: • bức xạ từ mặt nước Lw (water leaving radiance); • bức xạ bầu trời Ls(skylight radiance); • bức xạ phản xạ trực tiếp từ mặt nước Lr (sky radiance directly reflected by the surface). Hình 2.1. Các thành phần của bức xạ Mặt Trời đi tới nguồn nước được bộ cảm biến ghi nhận 2.1.2 Bức xạ gián tiếp đối tượng nước quan trắc bằng dữ liệu viễn thám Do đặc điểm thu nhận, ảnh viễn thám quang học, để đưa vào sử dụng cần phải tiến hành hiệu chỉnh ảnh hưởng của môi trường khí quyển (atmospheric correction). Để hiệu chỉnh các ảnh hưởng của khí quyển đến chất lượng ảnh, ảnh gốc cần biến đổi từ giá trị số nguyên (digital number - DN) về giá trị thực của bức xạ điện từ (spectral radiance), sau đó xác định ảnh phản xạ ở đỉnh khí quyển R* (top of atmospheric - TOA). Từ các phân tích trên có thể kết luận, phản xạ viễn thám xác định từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học tuân theo quy luật khách quan khi có tương tác của ánh sáng vào đối tượng nước. 2.1.3 Phương pháp xác định hàm lượng thông số chất lượng nước từ dữ liệu viễn thám Để thành lập bản đồ phân bố hàm lượng các thành phần ô nhiễm nước mặt từ dữ liệu ảnh viễn thám, điểm mấu chốt cần thiết lập mô hình ước lượng các thông số chất lượng nước dựa trên phản xạ rời khỏi bề mặt nước [8] [47] [48]. Bản chất của việc thiết lập mô hình này là xây dựng hàm hồi quy giữa giá trị đo hàm lượng các thành phần ô nhiễm nước mặt từ các trạm đo thực địa và phản xạ rời khỏi bề mặt nước xác định từ dữ liệu ảnh viễn thám quang học. 6 Tùy đặc điểm cụ thể của khu vực nghiên cứu, có thể sử dụng các mô hình hàm hồi quy khác nhau như hàm mũ, hàm tuyến tính, hàm đa thức... Ngoài ra, bên cạnh một phần số liệu phân tích chất lượng nước tại các điểm đo được sử dụng để xây dựng mô hình hàm quan hệ với phản xạ bề mặt nước xác định từ ảnh vệ tinh, một phần số liệu có thể được sử dụng để đánh giá độ chính xác kết quả xây dựng mô hình. 2.1.4 Cơ sở khoa học phân tích hồi quy Phân tích hồi quy là nghiên cứu sự phụ thuộc của một biến (biến phụ thuộc) vào một hay nhiều biến khác (các biến giải thích) để ước lượng hay dự đoán giá trị trung bình của biến phụ thuộc trên cơ sở các giá trị biết trước của các biến giải thích. Trong đánh giá chất lượng nước từ dữ liệu viễn thám, phân tích hồi quy được sử dụng để nghiên cứu sự phụ thuộc của hàm lượng các thông số chất lượng nước vào phản xạ phổ của một hay nhiều kênh ảnh vệ tinh. Các mối quan hệ trong phân tích hồi quy a) Quan hệ thống kê và quan hệ hàm số b) Hồi quy và quan hệ nhân quả c) Hồi quy và tương quan 2.2 Đặc trưng phổ phản xạ của nước Nhìn chung, khả năng phản xạ phổ của nước thấp so với các đối tượng khác như thực vật, đất và có xu hướng giảm dần theo chiều tăng của chiều dài bước sóng (hình 2.4) [72]. Phần năng lượng phản xạ trên bề mặt nước kết hợp phần năng lượng sinh ra sau quá trình tán xạ các hạt vật chất lơ lửng trong nước phản xạ lại, tạo thành năng lượng phản xạ của nước. Hình 2.4. Đặc trưng phổ phản xạ của nước và một số đối tượng khác (nguồn Internet) 2.3 Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh VNREDSAT - 1A 2.3.1 Phương pháp hiệu chỉnh khí quyển ảnh vệ tinh VNREDSat - 1A Có thể chia các phương pháp hiệu chỉnh khí quyển thành hai nhóm phương pháp chính: nhóm phương pháp sử dụng tham số vật lý khí quyển; nhóm phương pháp sử dụng các tham số của ảnh gốc. 7 Trong phạm vi của luận án sử dụng mô hình COST để hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển đối với ảnh vệ tinh VNREDSat-1A. Các bước thực hiện theo sơ đồ trên hình 2.8. Bước 1: Giá trị số nguyên của ảnh VNREDSat-1A được chuyển đổi về giá trị thực của bức xạ điện từ (spectral radiance) theo công thức sau: .L Gain DN Biasλ λ λ= + Bước 2: Chiết xuất thông tin từ tệp siêu dữ liệu (metadata) Bước 3: Tính D, dSE, L1%λ và Lλhaze Bước 4: Chuyển về phản xạ bề mặt qua phép hiệu chỉnh khí quyển COST theo công thức : 𝜌𝜆 = 𝜋.𝑑𝑆𝐸2 .𝐿𝜆ℎ𝑎𝑧𝑒𝐸𝜆.𝑐𝑜𝑠𝜃𝑖 Bước 5: Ở bước cuối cùng, ảnh giá trị phản xạ bề mặt 𝜌𝜆 được xác định sau khi hiệu chỉnh khí quyển. Hình 2.15. So sánh phổ phản xạ của nước trước và sau khi hiệu chỉnh khí quyển (nguồn gisapmaps.com) 2.3.2 Phương pháp hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Mục đích của hiệu chỉnh hình học là nhằm loại bớt các sai lệch xảy ra trong quá trình chụp ảnh và đưa ảnh về toạ độ chuẩn để có thể tích hợp với các nguồn dữ liệu khác. Độ chính xác của ảnh nắn ảnh hưởng trực tiếp tới độ chính xác của các đối tượng trên bản đồ. Việc nắn chỉnh hình học bằng các hệ xử lý ảnh được tiến hành dựa trên các điểm khống chế mặt đất (GCPs – Ground Control Points). Các điểm khống chế phải ít biến động và phải dễ nhận biết trên ảnh cũng như trên bản đồ, phải là các yếu tố địa vật đặc trưng và ít thay đổi. Số lượng các điểm khống chế được lấy phải đáp ứng yêu cầu mà phương pháp nắn và bậc nắn đòi hỏi cũng như phân bố đều trên phạm vi toàn ảnh. Để hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh VNREDSat-1A, trong luận án sử dụng phần mềm xử lý ảnh thương mại ERDAS IMAGINE 2014. Sơ đồ các bước hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh VNREDSat-1A được trình bày trên hình 2.18. Bước 1: Tạo Project làm việc Bước 2: Nhập ảnh Bước 3: Mô hình hoá và nhập điểm khống chế Bước 4: Thiết lập khối ảnh 8 Bước 5: Liên kết mô hình và đo liên kết mô hình Bước 6: Tính toán bình sai Bước 7: Nắn ảnh Bước 8: Cắt ghép ảnh Bước 9: Xuất dữ liệu Hình 2.18. Sơ đồ các bước hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Ảnh vệ tinh sau khi nắn chỉnh hình học được chồng lên bản đồ nền địa hình để kiểm tra độ trùng khít và đánh giá độ chính xác. Nhìn chung, kết quả hiệu chỉnh có độ chính xác cao nếu khu vực sai lệch có khoảng cách ≤ 3 m đối với ảnh toàn sắc và ≤ 10 m đối với ảnh đa phổ (Bảng 2.4). Chất lượng nắn ảnh đạt trung bình khi khu vực sai lệch có khoảng cách từ 3 đến 4 m đối với ảnh toàn sắc và 10 đến 15 m đối với ảnh đa phổ. Trong khi đó, nếu độ Nắn ảnh - Bản đồ - GCP - DEM Mô hình hóa và đo điểm khống chế Tạo Project Nhập ảnh Thiết lập khối Liên kết mô hình và đo liên kết mô hình Ảnh gốc Tính toán bình sai Xuất dữ liệu Cắt, ghép ảnh Không đạt Đạt 9 sai lệch lớn hơn 15 m đối với các kênh đa phổ và lớn hơn 4 m đối với kênh toàn sắc, chất lượng nắn ảnh đạt thấp 2.4 Phương pháp đo phổ hiện trường Phổ phản xạ mặt nước có thể được đo bằng cách sử dụng các máy đo quang phổ bức xạ điện từ hiện trường (field spectroradiometer). Trong luận án này, tác giả sử dụng máy đo bức xạ phổ hiện trường GER 1500. Máy có thể vận hành đơn giản kiểu cầm tay hoặc lắp trên giá ba chân. 2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác kết quả xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước bao gồm: - Số lượng điểm lấy mẫu chất lượng nước - Đặc điểm phân bố các điểm lấy mẫu - Quá trình bảo quản, vận chuyển mẫu nước - Kết quả hiệu chỉnh hình học, hiệu chỉnh khí quyển ảnh vệ tinh - Sự phù hợp giữa thời gian lấy mẫu nước và thời gian chụp ảnh 2.6 Phương pháp lấy mẫu chất lượng nước Các mẫu nước mặt được lấy cùng vị trí các điểm đo phổ phản xạ hiện trường và được thu thập tại sát mặt nước ở độ sâu 0 - 25 cm do nước mặt ở độ sâu lớn hơn 25 cm không ảnh hưởng đến phổ phản xạ mặt nước [10]. Số lượng điểm lấy mẫu phải đủ lớn và phân bố đều trên khu vực nghiên cứu nhằm đảm bảo thể hiện đặc trưng phân bố hàm lượng các chất ô nhiễm nước mặt. Các mẫu nước được lấy vào chai nhựa màu tối, ướp lạnh và đưa về phân tích trong phòng thí nghiệm trong ngày. 2.7 Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ giám sát nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSAT-1A Nghiên cứu đặc trưng phổ phản xạ của nước và cơ sở khoa học phương pháp đánh giá chất lượng nước từ dữ liệu viễn thám cho thấy, ảnh vệ tinh VNREDSat-1A có thể sử dụng trong xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước. Từ những phân tích trên, trong luận án đề xuất quy trình đánh giá và giám sát chất lượng nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A như sau: Bước 1: Thu thập tư liệu, bao gồm thu thập tư liệu bản đồ và DEM ảnh vệ tinh quang học VNREDSat-1A khu vực nghiên cứu. Bước 2: Nắn ảnh vệ tinh VNREDSat-1A. Bước 3: Xác định phổ phản xạ đỉnh khí quyển TOA – Top of Atmospheric từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Bước 4: Xác định độ lệch giữa phổ phản xạ hiện trường và phổ phản xạ xác định từ ảnh vệ tinh (phản xạ đỉnh khí quyển). Bước 5: Hiệu chỉnh khí quyển. Bước 6: Xác định quan hệ giữa phổ phản xạ mặt nước và hàm lượng các thông số 10 chất lượng nước. Bước 7: Lựa chọn mô hình hồi quy tối ưu Bước 8: Xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước Bước 9: Thành lập bản đồ phân bố hàm lượng các thông số chất lượng nước Bước 10: Kết quả xác định hàm lượng và thành lập bản đồ phân bố các thông số chất lượng nước mặt từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Tóm lại Trong chương 2 đã nghiên cứu cơ sở khoa học phương pháp ứng dụng dữ liệu viễn thám trong việc đánh giá chất lượng nước bao gồm: bức xạ trực tiếp đối tượng chất lượng nước và tính chất quang học bất biến của nó, bức xạ gián tiếp đối tượng nước quan trắc bằng dữ liệu viễn thám; phương pháp xác định hàm lượng thông số chất lượng nước từ dữ liệu viễn thám; cơ sở khoa học phân tích hồi quy; đặc trưng phản xạ phổ của nước và phương pháp xử lý ảnh vệ tinh VNREDSat-1A; phương pháp đo phổ hiện trường; phương pháp lấy mẫu chất lượng nước; xây dựng quy trình công nghệ giám sát môi trường nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A. Đó là cơ sở khoa học cho việc thực nghiệm xác định hàm lượng chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A. CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT KHU VỰC HÀ NỘI TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH VNREDSAT-1A 3.1 Đặc điểm khu vực nghiên cứu và dữ liệu sử dụng 3.1.1 Khu vực nghiên cứu: Một số sông, hồ, đầm khu vực Hà Nội 3.1.2 Dữ liệu sử dụng 3.1.2.1 Dữ liệu viễn thám Dữ liệu viễn thám sử dụng trong luận án là 02 cảnh ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao VNREDSat-1A, chụp ngày 20/10/2016 và 21/12/2017 khu vực Hà Nội vào lúc 03h41 phút 00 giây (giờ quốc tế). Cảnh ảnh có định danh là VNR20102016_034100_X1A và VNR20171221_032803_X1A, ở mức xử lý 1A. 3.1.2.2 Số liệu quan trắc Để đánh giá chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội, trong nghiên cứu tác giả tiến hành 02 đợt lấy mẫu chất lượng nước, tương ứng với thời gian chụp 02 cảnh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội. Số lượng mẫu nước mặt được lấy trong đợt quan trắc năm 2016 là 30 mẫu (15 mẫu khu vực đầm, hồ; 15 mẫu khu vực sông Hồng), trong đợt quan trắc năm 2017 là 31 mẫu (16 mẫu khu vực đầm, hồ; 15 mẫu khu vực sông Hồng) – bảng 3.2, 3.3. Các điểm lấy mẫu phân bố đều trên khu vực nghiên cứu nhằm đảm bảo thể hiện đặc trưng phân bố hàm lượng các chất ô nhiễm nước mặt. Quá trình lấy mẫu, bảo quản và phân tích 11 được thực hiện theo quy định trong Quy chuẩn quốc gia về chất lượng nước mặt QCVN 08- MT:2015/BTNMT. 3.1.2.3 Số liệu đo phổ hiện trường Phổ phản xạ hiện trường được đo ở 22 điểm (khu vực Hồ Linh Đàm, hồ Tứ Kỳ, Đầm lớn, Hồ Yên Sở và Sông Hồng) với ảnh năm 2016; ở 23 điểm đo tại Hồ Tây và Sông Hồng với ảnh năm 2017 (nơi có bề mặt nước tương đối đồng nhất) xác định bằng máy đo quang phổ cầm tay GER 1500 được sử dụng nhằm tính toán độ lệch phổ trung bình với phổ phản xạ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A theo công thức 1 ( ( ) ( )) ( ) n w i n ρ λ ρ λ ρ λ = − ∆ = ∑ Bảng 3.6. Chênh lệch giữa phổ phản xạ hiện trường và phổ phản xạ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A (đợt 1 năm 2016) Điểm Phản xạ vệ tinh Phản xạ hiện trường Blue band Green band Red band NIR band Blue band Green band Red band NIR band Hồ Linh Đàm- 1 0,118 0,103 0,065 0,059 0,074 0,061 0,062 0,056 Hồ Linh Đàm- 2 0,102 0,106 0,070 0,073 0,086 0,067 0,068 0,062 Hồ Linh Đàm- 3 0,101 0,091 0,081 0,070 0,087 0,071 0,076 0,050 Hồ Tứ Kỳ 0,116 0,086 0,062 0,052 0,097 0,063 0,048 0,054 Hồ Yên Sở 1 0,119 0,102 0,065 0,071 0,076 0,081 0,049 0,040 Hồ Yên Sở 2 0,101 0,091 0,067 0,075 0,082 0,065 0,065 0,042 Hồ Yên Sở 3 0,100 0,091 0,081 0,070 0,102 0,087 0,054 0,058 Hồ Yên Sở 4 0,116 0.100 0.078 0.066 0.081 0.093 0.069 0.059 Hồ Yên Sở 5 0,126 0,159 0,148 0,068 0,101 0,125 0,101 0,076 Đầm Lớn 1 0,126 0,142 0,148 0,087 0,130 0,117 0,114 0,060 Đầm Lớn 2 0,143 0,144 0,150 0,084 0,106 0,109 0,116 0,068 Đầm Lớn 3 0,125 0,142 0,143 0,064 0,112 0,139 0,099 0.072 Đầm Lớn 4 0,123 0,140 0,141 0,076 0,120 0,137 0,113 0,056 Sông Hồng-1 0,126 0,144 0,129 0,077 0,126 0,129 0,117 0,053 Sông Hồng-2 0,130 0,162 0,149 0,085 0,110 0,115 0,106 0,073 12 Sông Hồng-3 0,128 0,160 0,131 0,084 0,130 0,132 0,109 0,059 Sông Hồng-4 0,142 0,143 0,144 0,065 0,106 0,133 0,111 0,052 Sông Hồng-5 0,125 0,158 0,144 0,078 0,130 0,137 0,117 0,062 Sông Hồng-6 0,125 0,156 0,127 0,080 0,107 0,116 0,120 0,060 Sông Hồng-7 0,153 0,150 0,139 0,089 0,131 0,135 0,107 0,070 Sông Hồng-8 0,132 0,163 0,137 0,074 0,127 0,115 0,102 0,073 Sông Hồng-9 0,144 0,160 0,130 0,069 0,112 0,118 0,107 0,057 Tổng 2,721 2,893 2,529 1,616 2,334 2,345 2,030 1,301 Δλ 0,0176 0,0249 0,0227 0,0143 Bảng 3.7.Chênh lệch giữa phổ phản xạ hiện trường và phổ phản xạ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A (đợt 2 năm 2017) Điểm Phản xạ vệ tinh Phản xạ hiện trường Blue band Green band Red band NIR band Blue band Green band Red band NIR band Hồ Tây 1 0,109 0,096 0,073 0,066 0,083 0,071 0,056 0,049 Hồ Tây 2 0,111 0,099 0,078 0,066 0,095 0,077 0,062 0,055 Hồ Tây 3 0,11 0,098 0,073 0,063 0,096 0,081 0,07 0,056 Hồ Tây 4 0,107 0,093 0,07 0,059 0,088 0,073 0,054 0,047 Hồ Tây 5 0,11 0,095 0,073 0,064 0,085 0,071 0,055 0,046 Hồ Tây 6 0,11 0,098 0,075 0,068 0,091 0,075 0,059 0,048 Hồ Tây 7 0,109 0,098 0,073 0,063 0,093 0,077 0,06 0,051 Hồ CV Thống Nhất 0,107 0,093 0,07 0,059 0,09 0,083 0,063 0,052 Sông Hồng-1 0,135 0,152 0,14 0,075 0,11 0,115 0,107 0,069 Sông Hồng-2 0,135 0,149 0,14 0,08 0,121 0,127 0,108 0,066 Sông Hồng-3 0,134 0,151 0,142 0,077 0,115 0,119 0,11 0,061 Sông Hồng-4 0,134 0,149 0,135 0,071 0,121 0,129 0,105 0,065 Sông Hồng-5 0,132 0,147 0,133 0,069 0,111 0,127 0,107 0,062 Sông Hồng-6 0,135 0,151 0,137 0,07 0,117 0,119 0,111 0,059 Sông Hồng-7 0,139 0,155 0,141 0,078 0,119 0,125 0,112 0,066 Sông Hồng-8 0,137 0,153 0,139 0,077 0,121 0,122 0,103 0,065 Sông Hồng-9 0,133 0,15 0,136 0,072 0,115 0,123 0,105 0,058 Sông Hồng-10 0,134 0,151 0,136 0,071 0,121 0,127 0,111 0,055 Sông Hồng-11 0,134 0,149 0,135 0,073 0,116 0,126 0,114 0,053 Sông Hồng-12 0,144 0,157 0,147 0,082 0,122 0,125 0,113 0,063 Sông Hồng-13 0,141 0,156 0,145 0,081 0,118 0,125 0,108 0,066 Sông Hồng-14 0,135 0,153 0,138 0,076 0,121 0,128 0,113 0,063 Sông Hồng-15 0,142 0,155 0,144 0,08 0,122 0,135 0,117 0,067 Tổng 3,77 3,866 3,357 2,219 3,251 3,16 2,681 1,806 Δλ 0,0142 0,0189 0,0183 0,0099 13 3.2 Kết quả xử lý ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A chụp ngày 20/10/2016 và 21/12/2017 sau khi được thu thập sẽ được hiệu chỉnh phổ, sau đó hiệu chỉnh hình học nhằm loại bỏ các sai số liên quan đến hình dạng ảnh và đưa hệ tọa độ ảnh về hệ tọa độ VN-2000. Luận án sử dụng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý tỷ lệ 1: 2.000 khu vực Hà Nội để nắn ảnh. Quá trình hiệu chỉnh khí quyển đã giúp đưa giá trị phản xạ phổ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A về gần hơn với giá trị phản xạ thực của bề mặt Trái Đất. 3.3 Xác định chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A 3.3.1 Xây dựng hàm quan hệ giữa chất lượng nước và phổ phản xạ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Mô hình hồi quy tuyến tính được tác giả lựa chọn trong trường hợp sử dụng đa kênh ảnh (2, 3 hoặc 4 kênh ảnh). Trong khi đó, với trường hợp sử dụng kênh đơn (1 kênh ảnh), các mô hình hồi quy khác nhau như hàm mũ, logarithm, đa thức, tuyến tính được thử nghiệm. Sau khi so sánh độ chính xác của các phương pháp hồi quy này (sử dụng hệ số R2), mô hình phù hợp sẽ được lựa chọn nhằm đánh giá chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội. 3.3.1.1 Khu vực hồ, đầm Để xây dựng hàm hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa phổ phản xạ và hàm lượng các thông số chất lượng nước khu vực hồ, đầm ở Hà Nội, số liệu chất lượng nước tại 12 vị trí lấy mẫu được sử dụng để hồi quy, trong khi các vị trí còn lại (03 vị trí đối với cảnh ảnh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và 04 vị trí đối với cảnh ảnh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017) được sử dụng để đánh giá độ chính xác của mô hình. a) Sử dụng kênh đơn Trong trường hợp này, tác giả chỉ sử dụng phổ phản xạ mặt nước tại từng kênh riêng biệt (kênh 1, kênh 2, kênh 3 hoặc kênh 4) ảnh vệ tinh VNREDSat-1A để đánh giá mối quan hệ với hàm lượng các thông số chất lượng nước tại các điểm đo. Các mô hình hồi quy bao gồm hồi quy tuyến tính, hồi quy hàm mũ, hồi quy đa thức và hồi quy logarithm được thử nghiệm để lựa chọn mô hình có hệ số R2 cao nhất. Đối với ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 Bảng 3.8. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại các kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng độ đục STT Hàm hồi quy R2 1 Y = 3077B1-307,70 0,380 2 Y = 4026,0.B2 – 398,9 0,517 3 Y = 4951.B3 – 318,6 0,285 4 Y = 3584.B4 - 159,7 0,244 14 Bảng 3.9. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại các kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng TSS STT Hàm hồi quy R2 1 Y = 2103.B1 – 189,2 0,404 2 Y = 2766,0.B2 – 253,1 0,556 3 Y = 3510,0.B3 - 205,5 0,327 4 Y = 2409.B4 - 85,83 0,251 Bảng 3.10. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại các kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng COD STT Hàm hồi quy R2 1 Y = 307,7.B1 - 23,01 0,269 2 Y = 346,0.B2 + 26,07 0,261 3 Y = 549,4.B3 + 27,94 0,226 4 Y = 22B4 + 9,848 0,001 Bảng 3.11. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại các kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng BOD5 STT Hàm hồi quy R2 1 Y = 155,9.B1 + 4,953 0,228 2 y = 193,5.B2 + 1,454 0,279 3 Y = 313,8.B3 – 0,061 0,268 4 Y = 171,9.B4 + 12,97 0,131 Có thể nhận thấy, nhìn chung hệ số R2 trong các hàm hồi quy này đều khá thấp. Như vậy, có thể khẳng định việc sử dụng từng kênh đơn ảnh vệ tinh VNREDSat-1A trong xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước là không hiệu quả. Đối với ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 Bảng 3.12. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại các kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng độ đục STT Hàm hồi quy R2 1 Y = 483,9.B1 – 36,03 0,216 2 Y = 439,7.B2 – 27,43 0,558 3 Y = 255,0.B3 – 4,033 0,630 4 Y = 412,0.B4 – 12,01 0,625 Bảng 3.13. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại các kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng TSS STT Hàm hồi quy R2 1 Y 301,4.B1 – 12,34 0,072 2 Y =409 ,6.B2 – 20,48 0,417 3 Y = 241,9.B3 + 0,973 0,489 4 Y = 411,1.B4 – 7,989 0,622 15 Bảng 3.14. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại các kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng COD STT Hàm hồi quy R2 1 Y = 362,2.B1 - 22,63 0,267 2 Y = 56,09.B2 + 10,95 0,020 3 Y =16,79.B3 + 15,2 0,006 4 Y = -0,691.B4 + 16,58 0,000 Bảng 3.15. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại các kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng BOD5 STT Hàm hồi quy R2 1 Y = -250,2.B1 + 33,80 0,278 2 Y = -119,9.B2 + 18,68 0,200 3 Y = -68,69.B3 + 12,22 0,220 4 Y = -101,4.B4 + 13,71 0,212 Cũng như với cảnh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A chụp ngày 20/10/2016, có thể nhận thấy, việc sử dụng từng kênh riêng biệt để đánh giá chất lượng nước là không hiệu quả. Điều này thể hiện qua hệ số R2 đạt giá trị rất thấp, kể cả sử dụng với các dạng hàm hồi quy khác nhau. b) Sử dụng đồng thời 2 kênh Đối với ảnh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 Có thể nhận thấy, khi sử dụng hai kênh 2 và 3, 1 và 3 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A chụp ngày 20/10/2016, các hàm hồi quy có giá trị chỉ số R2 không cao so với phương án khác, đặc biệt đối với thông số COD và BOD5 (giá trị R2 nhỏ hơn 0,3). Bảng 3.16. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1 và 2 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R2 1 Độ đục (NTU) Y = 7911,141B1 - 3639,164B2 – 412,963 0,567 2 TSS (mg/l) Y = 5564,189B1 - 2620,24B2 – 263,216 0,615 3 COD(mg/l) Y = 187,181B1 + 148,833B2 - 25,5021 0,585 4 BOD5 (mg/l) Y = 288,8224B1 – 89,272B2 + 1,112 0,286 Bảng 3.17. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1 và 3 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R 2 1 Độ đục (NTU) Y = -3139,07B1 + 4660,2637B3 – 260,141 0,394 2 TSS (mg/l) Y = -1139,34B1 + 2678,298B3 - 171,936 0,409 3 COD(mg/l) Y = 121,4218B1 + 246,528B3 - 24,854 0,572 4 BOD5 (mg/l) Y = 345,925B1 – 18,483B3 - 0,293 0,269 16 Bảng 3.18. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1 và 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R 2 1 Độ đục (NTU) Y = 2039,173B1 + 2473,265B4 – 350,359 0,444 2 TSS (mg/l) Y = 1343,563B1 + 1705,715B4 – 217,29 0,468 3 COD(mg/l) Y = -208,995B1 + 369,677B4 - 18,645 0,470 4 BOD5 (mg/l) Y = 91,443B1 + 128,846B4 + 3,042 0,258 Bảng 3.19. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 2 và 3 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R 2 1 Độ đục (NTU) Y = -12294,7B2 + 11040,09B3 – 278,774 0,709 2 TSS (mg/l) Y = -7461,84B2 + 7023,817B3 - 180,193 0,717 3 COD(mg/l) Y = 80,964B2 + 299,879B3 - 26,865 0,473 4 BOD5 (mg/l) Y = 105,955B2 + 133,073B3 + 0,418 0,282 Bảng 3.20. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 2 và 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R 2 1 Độ đục (NTU) Y = 1556,046B2 + 3486,267B4 – 424,616 0,554 2 TSS (mg/l) Y = 1001,583B2 + 2419,444B4 – 269,649 0,590 3 COD(mg/l) Y = -224,735B2 + 424,039B4 - 22,372 0,487 4 BOD5 (mg/l) Y = 74,362B2 + 167,720B4 + 0,230 0,299 Bảng 3.21. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 3 và 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R 2 1 Độ đục (NTU) y = 2405,026B4 + 3699,807B3 – 358,889 0,378 2 TSS (mg/l) Y = 1546,88B4 + 2705,292B3 – 231,445 0,413 3 COD(mg/l) Y = -183,65B4 + 645,027B3 - 24,8733 0,407 4 BOD5 (mg/l) Y = 86,199B4 + 268,965B042 - 1, 0,296 Đối với ảnh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 Bảng 3.22. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1 và 2 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R 2 1 Độ đục (NTU) Y = -55,110B1 + 460,347B2 – 23,53 0,559 2 TSS (mg/l) Y = -317,231B1 + 528,388B2 + 2,009 0,463 3 COD(mg/l) Y = 527,923B1 – 141,474B2 - 26,476 0,339 4 BOD5 (mg/l) Y = -195,39B1 -46,849B2 + 32,535 0,295 17 Bảng 3.23. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1 và 3 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R 2 1 Độ đục (NTU) Y = -71,063B1 + 268,949B3 + 2,539 0,633 2 TSS (mg/l) Y = -332,299B1 + 307,130B3 + 31,705 0,542 3 COD(mg/l) Y = 550,692B1 – 91,312B3 - 35,730 0,374 4 BOD5 (mg/l) Y = -182.349B1 – 32,903B3 + 29,088 0,309 Bảng 3.24. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1 và 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R 2 1 Độ đục (NTU) Y = -122,518B1 +447,829B4 – 1,226 0,734 2 TSS (mg/l) Y = -422,533B1 + 534,646B4 + 29,213 0,709 3 COD(mg/l) Y = 601,209B1 - 176,447B4 - 36,349 0,445 4 BOD5 (mg/l) Y = -186,82B1 – 46,837B4 + 30,167 0,306 Bảng 3.25. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 2 và 3 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R2 1 Độ đục (NTU) Y = -727,474B2 + 646,136B3 +37,136 0,675 2 TSS (mg/l) Y = -949,75B2 + 752,546B3 + 54,722 0,554 3 COD(mg/l) Y = 896,238B2 - 465,085B3 - 35,521 0,153 4 BOD5 (mg/l) Y = 143,573B2 – 145,893B3 + 4,099 0,229 Bảng 3.26. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 2 và 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R 2 1 Độ đục (NTU) Y = -407,989B2 + 731,405B4 + 6,618 0,770 2 TSS (mg/l) Y = -721,212B2 + 975,722B4 + 24,946 0,743 3 COD(mg/l) Y = 614,008B2 – 481,365B4 - 11,454 0,223 4 BOD5 (mg/l) Y = -25,764B2 – 81,282B4 + 14,895 0,213 Bảng 3.27. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 3 và 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R 2 1 Độ đục (NTU) Y = -198,516B3 + 792,741B4 - 16,163 0,746 2 TSS (mg/l) Y = -426,793B3 + 1036,166B4 - 16,912 0,706 3 COD(mg/l) Y = 314,099B3 - 460,692B4 + 23,152 0,116 4 BOD5 (mg/l) Y = -58,803B3 – 15,335B4 + 12,489 0,221 18 c) Sử dụng đồng thời 3 kênh Đối với ảnh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 Bảng 3.28. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 2, 3 ảnh vệ tinh VNREDSat- 1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R2 1 Độ đục (NTU) Y = -1188,25B1 + 11882,3B2 - 11547,4B3 – 290,646 0,714 2 TSS (mg/l) Y = -1196,15B1 + 7871,617B2 - 6709,58B3 – 192,144 0,728 3 COD(mg/l) Y = 151,929B1 + 192,196B2 – 14,584B3 - 25,348 0,585 4 BOD5 (mg/l) Y = -187,069B1 +224,489B2 + 187,069B3 - 0,870 0,295 Bảng 3.29. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 2, 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R 2 1 Độ đục (NTU) Y = -3668,46B1 + 7396,696B2 + 1572,952B4 – 438,989 0,605 2 TSS (mg/l) Y = -2639,12B1 + 5232,636B2 + 1013,745B4 – 279,99 0,651 3 COD(mg/l) Y = 153,033B1 + 260,913B2 - 225,441B4 – 21,772 0,600 4 BOD5 (mg/l) Y = -90,665B1 + 264,635B2 + 74,780B4 - 0,126 0,306 Bảng 3.30. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 3, 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R 2 1 Độ đục (NTU) Y = 4102,633B1 - 3240,23B3 + 2054,119B4 – 301,529 0,460 2 TSS (mg/l) Y = 2312,052B1 - 1205,79B3 + 1349,125B4 – 199,119 0,473 3 COD(mg/l) Y = 303,429B1 + 131,744B3 - 209,603B4 – 20,631 0,674 4 BOD5 (mg/l) Y = -42,879B1 + 341,499B3 + 89,868B4 + 18,97 0,298 Bảng 3.31. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 2, 3, 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R2 1 Độ đục (NTU) Y = 10416,25B2 - 12027,2B3 + 1358,28B4 – 303,766 0,737 2 TSS (mg/l) Y = 6618,844B2 - 7288,2B3 + 881,741B4 – 196,417 0,744 3 COD(mg/l) Y = 402,820B2 + 36,827B3 - 224,13B4 - 22,742 0,687 4 BOD5 (mg/l) Y = 98,006B2 + 120,990B3 + 76,351B4 - 0,986 0,303 19 Đối với ảnh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 Bảng 3.32. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 2, 3 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R 2 1 Độ đục (NTU) 4,374B1 - 730,462B2 + 646,884B3 + 36,901 0,675 2 TSS (mg/l) Y = -251,991B1 - 777,634B2 + 709,472B3 + 68,286 0,582 3 COD(mg/l) Y = 492,904B1 + 559,572B2 - 380,83B3 - 62,053 0,427 4 BOD5 (mg/l) Y = -212,14B1 + 288,470B2 – 182,166B3 + 15,518 0,339 Bảng 3.33. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 2, 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R2 1 Độ đục (NTU) Y = -51,274B1 - 388,392B2 + 731,053B4 + 10,237 0,771 2 TSS (mg/l) Y = -312,122B1 - 601,918B2 + 973,578B4 + 46,979 0,786 3 COD(mg/l) Y = 525,416B1 + 413,192B2 - 477,757B4 - 48,544 0,539 4 BOD5 (mg/l) Y = -195,823B1 + 49,080B2 – 82,627B4 + 28,718 0,309 Bảng 3.34. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 3, 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R2 1 Độ đục (NTU) Y = -97,935B1 - 184,879B3 + 711,398B4 - 7,256 0,752 2 TSS (mg/l) Y = -372,683B1 -374,897B3 + 1069,112B4 + 16,986 0,772 3 COD(mg/l) Y = 569,998B1 + 234,726B3 - 511,081B4 – 28,693 0,509 4 BOD5 (mg/l) Y = -182,378B1 - 33,406B3 + 0,788B4 + 29,076 0,309 Bảng 3.35. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 2, 3, 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R2 1 Độ đục (NTU) Y = -573,4B2 + 140,582B3 + 655,013B4 + 17,111 0,773 2 TSS (mg/l) Y = -720,12B2 – 0,928B3 + 976,226B4 + 24,876 0,743 3 COD(mg/l) Y = 803,606B2 - 161,139B3 – 393,803B4 - 23,481 0,232 4 BOD5 (mg/l) Y = 142,761B2 – 143,229B3 – 3,452B4 + 4,205 0,229 Đối với phương án sử dụng tổ hợp 3 kênh đa phổ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A trong ước lượng hàm lượng các thông số chất lượng nước, giá trị hệ số R2 trong hàm hồi quy đều 20 có sự cải thiện so với việc sử dụng kênh đơn hoặc tổ hợp 2 kênh ảnh. d) Sử dụng cả 4 kênh đa phổ Bảng 3.36. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 2, 3, 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước khu vực hồ, đầm STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R 2 1 Độ đục Y = -863,731B1 + 11131,56B2 – 11626,6B3 + 1285,46B4 – 310,163 0,832 2 TSS (mg/l) Y = -1258,95B1 + 7502,485B2 - 6492,72B3 + 900,623B4 – 209,343 0,856 3 COD(mg/l) Y = 167,733B1 + 285,09B2 – 69,157B3 - 226,645B4 - 21,02 0,701 4 BOD5 (mg/l) Y= -134,442B1 +192,369B2 + 205,939B3 + 78,368B4 - 2,366 0,317 Bảng 3.37. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 2, 3, 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước khu vực hồ, đầm STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R2 1 Độ đục Y = -39,758B1 - 544,859B2 +129,239B3 + 660,904B4 + 19,07 0,774 2 TSS (mg/l) Y = -320,348B1 – 490,15,17B2 – 92,319B3 + 1023,687B4 + 40,669 0,787 3 COD(mg/l) Y = 524,388B1 + 427,161B2 - 11,538B3 – 471,494B4 - 49,333 0,539 4 BOD5 (mg/l) Y = -214,027B1 + 296,406B2 – 204,288B3 + 28,257B4 + 14,756 0,341 Trong đó: B1, B2, B3, B4 là phổ phản xạ mặt nước xác định từ các kênh 1 (xanh lam), 2 (xanh lục), 3 (đỏ) và 4 (cận hồng ngoại) ảnh vệ tinh VNREDSat-1A. 3.3.1.2 Khu vực sông Hồng Bảng 3.38. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 2, 3, 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước khu vực sông Hồng STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R 2 1 Độ đục Y = 4366,702B1 – 1356,96B2 + 112,929B3 - 15,641B4 + 10,643 0,862 2 TSS (mg/l) Y = 4256,776B1 - 1282,95B2 + 411,052B3 - 208,47B4 – 7,279 0,897 3 COD(mg/l) Y = 127,899B1 - 50,452B2 + 19,009B3 - 46,805B4 + 0,035 0,301 4 BOD5 (mg/l) Y= 447,921B1 - 143,752B2 + 6,842B3 + 96,876B4 + 4,334 0,221 21 Bảng 3.39. Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 2, 3, 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước khu vực sông Hồng ST T Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R 2 1 Độ đục Y = 2485,142B1 + 437,018B2 - 1129,31B3 – 306,296B4 - 141,153 0,789 2 TSS (mg/l) Y = 1543,708B1 + 2007,273B2 – 727,947B3 - 182,194B4 - 302,181 0,819 3 COD(mg/l) Y = 145,112B1 - 68,131B2 - 83,384B3 + 5,056B4 + 3,256 0,383 4 BOD5 (mg/l) Y = 300,787B1 + 363,231B2 – 1033,07B3 + 530,240B4 + 20,638 0,181 3.3.2 Đánh giá độ chính xác kết quả hồi quy Bảng 3.40. Kết quả đánh giá độ chính xác đối với ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 STT Điểm kiểm tra Thông số chất lượng nước Giá trị tính toán từ hàm hồi quy Giá trị quan trắc Sai số (mg/l) Sai số (%) Khu vực hồ, đầm Hồ Zin 2 Độ đục (NTU) 63,6 71,3 -7,7 12,11 TSS (mg/l) 61,8 58 3,8 6,15 COD(mg/l) 16,98 13,33 3,65 21,49 BOD5 (mg/l) 19,9 17 2,9 14,57 Linh Đàm 2 Độ đục (NTU) 19,2 15,9 3,3 17,18 TSS (mg/l) 37,1 36 1,1 2,96 COD(mg/l) 12,45 14,64 -2,19 17,59 BOD5 (mg/l) 23,1 25 -1,9 8,22 Yên Sở 5 Độ đục (NTU) 18,3 18,2 0,1 0,55 TSS (mg/l) 33,5 29 4,5 13,43 COD(mg/l) 8,92 7,08 -0,16 1,79 BOD5 (mg/l) 23,3 21 2,3 9,87 Khu vực sông Hồng Sông Hồng 3 Độ đục (NTU) 97,5 95,7 1,8 1,84 TSS (mg/l) 98,7 97 1,7 1,72 COD(mg/l) 1,6 1,5 0,1 6,25 BOD5 (mg/l) 15,8 17 -1,2 7,59 Sông Hồng 7 Độ đục (NTU) 94,8 96,7 -1,9 2,00 TSS (mg/l) 94,6 97 -2,4 2,53 COD(mg/l) 1,9 2,3 -0,4 21,05 BOD5 (mg/l) 14,6 15 -0,4 2,73 Sông Hồng 11 Độ đục (NTU) 93,7 96,3 -2,6 2,77 TSS (mg/l) 91,3 95 -3,7 4,05 COD(mg/l) 1,6 1,9 -0,3 18,75 BOD5 (mg/l) 15,1 14 1,1 7,28 22 Bảng 3.41. Kết quả đánh giá độ chính xác đối với ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 STT Điểm kiểm tra Thông số chất lượng nước Giá trị tính toán từ hàm hồi quy Giá trị quan trắc Sai số (mg/l) Sai số (%) Khu vực hồ, đầm Linh Đàm 3 Độ đục (NTU) 13,90 13,41 0,49 3,52 TSS (mg/l) 19,13 21 -1,87 9,77 COD(mg/l) 14,75 14,7 0,05 0,33 BOD5 (mg/l) 8,34 11 -2,66 31,89 Hồ Zin 4 Độ đục (NTU) 19,09 20,72 -1,63 8,53 TSS (mg/l) 24,07 21 3,07 12,43 COD(mg/l) 14,82 15,7 -0,88 5,94 BOD5 (mg/l) 4,87 4 0,87 17,86 Hồ Tây 7 Độ đục (NTU) 12,41 13,14 -0,73 5,88 TSS (mg/l) 15,46 14 1,46 9,44 COD(mg/l) 19,14 21,1 -1,96 10,24 BOD5 (mg/l) 7,34 9 -1,66 22,61 Hồ Tây 2 Độ đục (NTU) 14,41 15,89 -1,48 10,27 TSS (mg/l) 16,95 16 0.95 5,60 COD(mg/l) 19,66 20,3 -0,64 3,25 BOD5 (mg/l) 6,27 5 1,27 20,25 Khu vực sông Hồng Sông Hồng 3 Độ đục (NTU) 73,90 71,26 2,64 3,57 TSS (mg/l) 90,38 91 -0,62 0,68 COD(mg/l) 0,96 0,95 0,01 1,04 BOD5 (mg/l) 9,92 14 -4,08 41,13 Sông Hồng 7 Độ đục (NTU) 88,89 89,25 -0,36 0,40 TSS (mg/l) 106,67 100 6,67 6,25 COD(mg/l) 1,50 1,05 0,45 30,0 BOD5 (mg/l) 14,44 13 1,44 9,97 Sông Hồng 12 Độ đục (NTU) 94,19 95,18 -0,99 1,05 TSS (mg/l) 113,31 115 -1,69 1,49 COD(mg/l) 1,41 1,59 -0,18 12,76 BOD5 (mg/l) 14,31 12 2,31 16,14 3.4 Đánh giá chất lượng môi trường nước mặt khu vực Hà Nội từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A a) Đối với ảnh vệ tinh VNREDSat-1A chụp ngày 20/10/2016 Khu vực hồ, đầm: Hàm lượng độ đục có sự chênh lệch rất lớn giữa các hồ, ao khu vực Hà Nội. Giá trị tối đa của thông số độ đục ghi nhận ngày 20/10/2016 đạt 289,257 NTU, trong khi giá trị tối thiểu đạt 4,083. giá trị hàm lượng TSS trong nước mặt ở khu vực hồ, đầm tại Hà Nội cũng có sự chênh lệch rất lớn. Hàm lượng TSS cao nhất đạt tới 206,973 mg/l, trong khi hàm lượng thấp nhất chỉ là 2,927 mg/l Khu vực sông Hồng: Giá trị hàm lượng độ đục cao nhất ghi nhận vào ngày 20/10/2016 là 169,457 NTU, giá trị thấp nhất đạt 54,088. Giá trị hàm lượng TSS đạt cao nhất là 154,993 mg/l; giá trị thấp nhất đạt 44,694 mg/l. 23 b) Đối với ảnh VNREDSat-1A chụp ngày 21/12/2017 Khu vực hồ, đầm: Phần lớn các hồ, đầm ở Hà Nội có hàm lượng độ đục trong khoảng từ 30 – 60 NTU. Đối với thông số TSS, sự chênh lệch hàm lượng TSS trong nước mặt các hồ, đầm ở Hà Nội ngày 21/12/2017 nhìn chung rõ ràng hơn so với thông số độ đục. Nước mặt ở khu vực phía nam Hồ Tây, các hồ trong công viên Yên Sở nhìn chung có hàm lượng TSS đạt thấp, trong khi nước mặt ở phía bắc Hồ Tây, hồ Định Công, hồ Linh Đàm và Đầm Lớn có giá trị cao hơn. Khu vực sông Hồng: Hàm lượng độ đục trong nước mặt sông Hồng ngày 21/12/2017 nhìn chung khá cao, trong đó giá trị lớn nhất đạt 112,203 NTU; giá trị thấp nhất đạt 75,177 NTU. Giá trị hàm lượng TSS cao nhất và thấp nhất ngày 21/12/2017 khu vực sông Hồng tương ứng là 139,943 mg/l và 14,96 mg/l Tóm lại Ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao VNREDSat-1A có thể sử dụng hiệu quả trong xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước với độ chính xác đảm bảo, trong đó phương án sử dụng cả 4 kênh đa phổ cho phép thể hiện chính xác hơn phân bố hàm lượng các thông số chất lượng nước so với việc sử dụng kênh đơn hoặc sử dụng 2, 3 kênh. So sánh kết quả xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước cho thấy, độ chính xác trong xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước bằng ảnh vệ tinh VNREDSat- 1A sau khi hiệu chỉnh khí quyển cao hơn đáng kể so với ảnh trước khi hiệu chỉnh khí quyển (thể hiện ở giá trị hệ số R2). Phân tích kết quả nhận được cho thấy, nước mặt khu vực Hà Nội có hàm lượng chất lơ lửng và độ đục cao, có những nơi vượt quy chuẩn cho phép nhiều lần như hồ Định Công, khu vực ven bờ sông Hồng... Hàm lượng chất lơ lửng trong nước được ghi nhận cao nhât lên đến 206,973 mg/l, trong khi hàm lượng độ đục cao nhất đạt 289,257 NTU. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận 1. Dữ liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao VNREDSat-1A có thể sử dụng hiệu quả trong nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước mặt. Kết quả nhận được cho thấy, khi sử dụng cả 4 kênh đa phổ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A xác định hàm hồi quy giữa giá trị phổ phản xạ và hàm lượng các thông số nước mặt tại các điểm đo cho độ chính xác cao hơn. Giá trị hệ số R2 trong các hàm hồi quy này có thể đạt trên 0.9, thể hiện mối quan hệ chặt chẽ giữa phổ phản xạ thu được từ ảnh vệ tinh và hàm lượng các thông số chất lượng nước. 2. Đã xây dựng được quy trình công nghệ, giám sát môi trường nước mặt thông qua các thông số chất lượng nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A. 24 3. Đã xây dựng được hàm quan hệ giữa hàm lượng các thông số chất lượng nước xác định từ các mẫu thực địa và giá trị phổ phản xạ từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A sau khi đã hiệu chỉnh khí quyển. 4. Kết quả nghiên cứu đã minh chứng tính hiệu quả và độ tin cậy của công nghệ viễn thám trong đánh giá và giám sát chất lượng nước mặt so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống. 5. Góp phần minh chứng tính hiệu quả của dữ liệu ảnh vệ tinh quang học VNREDSat-1A trong xác định phân bố hàm lượng các thông số chất lượng nước mặt, phục vụ công tác giám sát, đánh giá và thành lập bản đồ chất lượng nước mặt. 6. Góp phần cung cấp thông tin để các nhà quản lý đưa ra các biện pháp trong giám sát và ứng phó với ô nhiễm môi trường nước mặt ở khu vực Hà Nội. Bên cạnh đó, kết quả nhận được trong đề tài cũng có thể sử dụng, tham khảo trong công tác nghiên cứu khoa học, giảng dạy ở các trường đại học, viện nghiên cứu.Góp phần cung cấp thông tin để các nhà quản lý đưa ra các biện pháp trong giám sát và ứng phó với ô nhiễm môi trường nước mặt ở khu vực Hà Nội. Bên cạnh đó, kết quả nhận được trong đề tài cũng có thể sử dụng, tham khảo trong công tác nghiên cứu khoa học, giảng dạy ở các trường đại học, viện nghiên cứu. Kiến nghị Trên cơ sở những kết quả đạt được, nghiên cứu sinh đề xuất một số kiến nghị sau: 1 Do khả năng chủ động trong cung cấp nguồn dữ liệu, các cơ quan quản lý Nhà nước có thể xây dựng phần mềm tự động cập nhật và xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước phục vụ công tác giám sát và đánh giá chất lượng môi trường nước mặt ở Việt Nam. 2 Để thể hiện được đầy đủ đặc điểm phân bố hàm lượng các thông số chất lượng nước, đặc biệt với các thông số như BOD5, COD; Số lượng điểm lấy mẫu chất lượng nước cần đủ lớn và phân bố đều trên địa bàn khu vực nghiên cứu. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 1. Mạc Văn Chiến, Trần Văn Ý, Nguyễn Thanh Tuấn, Lưu Thế Anh, Đinh Thị Thu Hiền (2014), “Ứng dụng công nghệ viễn thám GIS thành lập bản đồ thảm thực vật và bước đầu ước tính khả năng tích tục cacbon ở vườn quốc gia Yok Don”, Tạp chí khoa học đo đạc và bản đồ, số 21, tháng 9-2014. 2. Đinh Thị Thu Hiền (2017), “Đánh giá chất lượng môi trường nước mặt sông hồng khu vực Thành phố Hà Nội bằng ảnh vệ tinh Sentinel - 2A”, Tạp chí khoa học và bản đồ, số 34, tháng 12-2017. 3. Đinh Thị Thu Hiền (2017), “Nghiên cứu đề xuất quy trình đánh giá chất lượng môi trường nước mặt từ ảnh vệ tinh VNREDSat - 1A”, Tạp chí Tài nguyên và môi trường, số 24 (278), kỳ 2, tháng 12 năm 2017. 4. Đinh Thị Thu Hiền, Trần Xuân Trường, Nguyễn Văn Trung (2017), “Nghiên cứu phương pháp xác định các thông số chất lượng nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học VNREDSat - 1A”, Tạp chí Tài nguyên và môi trường, số 24 (278), kỳ 2, tháng 12 năm 2017. 5. Đinh Thị Thu Hiền, Lê Thanh Toàn (2018), “Mối quan hệ giữa phổ phản xạ và hàm lượng độ đục (NTU) nước mặt khu vực hồ, đầm Hà Nội từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 sau khi hiệu chỉnh khí quyển”, Tạp chí Tài nguyên và môi trường, số 13 (291), kỳ 1, tháng 7 năm 2018. 6. Đinh Thị Thu Hiền, Đinh Lam Thắng (2018), “Mối quan hệ giữa phổ phản xạ và hàm lượng chất lơ lửng (TSS) nước mặt khu vực hồ, đầm Hà Nội từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 sau khi hiệu chỉnh khí quyển”, Tạp chí Tài nguyên và môi trường, số 14 (292), kỳ 2, tháng 7 năm 2018.