Nghiên cứu quy trình giám sát hàm lượng chất lơ lửng, chất diệp lục vùng ven biển bằng dữ liệu ảnh vệ tinh LANDSAT

TRẦN THỊ HÀ PHƯƠNG NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH GIÁM SÁT HÀM LƯỢNG CHẤT LƠ LỬNG, CHẤT DIỆP LỤC VÙNG VEN BIỂN BẰNG DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH LANDSAT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017... 17 1.

TRẦN THỊ HÀ PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH GIÁM SÁT HÀM LƯỢNG CHẤT LƠ LỬNG, CHẤT DIỆP LỤC VÙNG VEN BIỂN

BẰNG DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH LANDSAT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2017

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Nguyễn Văn Trung

HÀ NỘI - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong trong luận văn là trung thực Tôi xin chịu trách nhiệm về các nội dung trình bày trong luận văn

Hà Nội, tháng 11 năm 2017

Tác giả luận văn

Trần Thị Hà Phương

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

M C L C ii

ANH M C C C CHỮ C I VI T TẮT v

ANH M C NG I U vi

ANH M C H NH V .vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 T NG QUAN V T NH H NH NGHI N CỨU V KH N NG ỨNG NG C NG NGH VI N TH M TRONG Đ NH GI CH T LƯ NG NƯỚC 5

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng ng công nghệ vi n thám trong đánh giá ch t l ng n ớc 5

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài n ớc 5

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong n ớc 8

1.2 Khái niệm và nguyên l ho t động của công nghệ vi n thám 9

1.3 T ng tác năng l ng s ng điện từ với các đối t ng tự nhiên 13

1.4 Phân lo i vi n thám 15

1.5 Đ c đi m ảnh vệ tinh quang học LAN SAT 17

1.6 Khả năng ứng ng công nghệ vi n thám trong nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi tr ờng 22

CHƯƠNG 2 NGHI N CỨU X Y ỰNG V LỰA CHỌN QUY TR NH X C Đ NH H M LƯ NG CH T LƠ LỬNG, CH T I P L C TRONG NƯỚC V NG V N I N TỪ TƯ LI U NH V TINH LAN SAT 25

2.1 C sở khoa học ph ng pháp ứng ng t liệu vi n thám trong đánh giá ch t l ng n ớc 25

2.1.1 Đ c tr ng phản x phổ của n ớc 25

2.1.2 ức x đối t ng n ớc và t nh ch t quang học t iến của n 27

2.1.3 ức x gián tiếp đối t ng n ớc quan trắc ng t liệu vi n thám 29

2.1.4 Các thông số đánh giá ch t l ng n ớc m t 30

2.1.5 Ph ng pháp xác định thành ph n các ch t ô nhi m n ớc m t 32

2.1.6 Ph ng pháp đánh giá ch t l ng n ớc trên c sở ch số WQI 34

2.2 Ph ng pháp xử l ảnh LAN SAT trong đánh giá ch t l ng n ớc 36

2.2.1 Tiền xử l ảnh vệ tinh LAN SAT 36

2.2.2 Hiệu ch nh ức x 37

2.2.3 Xác định giá trị phản x 39

2.2.4 Hiệu ch nh kh quy n 40

2.2.5 Ph ng pháp t số ảnh 41

2.3 Xây ựng quy trình xác định hàm l ng ch t l lửng, ch t iệp l c trong n ớc v ng v n i n từ t liệu ảnh vệ tinh LAN SAT 43

2.4 Nghiên cứu lựa chọn mô hình xác định hàm l ng ch t l lửng, ch t iệp l c trong n ớc v ng v n i n t nh Cà Mau 46

2.4.1 Lựa chọn mô hình xác định hàm l ng ch t l lửng từ t liệu ảnh LANDSAT 46

2.4.2 Lựa chọn mô hình xác định hàm l ng ch t iệp l c từ t liệu ảnh LANDSAT 47

CHƯƠNG 3 THỰC NGHI M ỨNG NG C NG NGH VI N TH M X C Đ NH H M LƯ NG CH T LƠ LỬNG, CH T I P L C V NG V N I N T NH C MAU 48

3.1 Đ c đi m khu vực nghiên cứu 48

3.2 Nghiên cứu lựa chọn ph ng pháp tách ranh giới n ớc – đ t liền từ t liệu ảnh LAN SAT 50

3.2.1 Ph ng pháp tổ h p màu 50

3.2.2 Ph ng pháp t số ảnh Winasor 51

3.2.3 Ph ng pháp t số ảnh Al sh ikh A 52

3.3 Kết quả xác định hàm l ng ch t l lửng trong n ớc v ng v n i n t nh

Cà Mau 58 3.4 Kết quả xác định hàm l ng ch t iệp l c trong n ớc v ng v n i n

t nh Cà Mau 61

K T LUẬN 65

T I LI U THAM KH O 68

ANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VI T TẮT

RS – Remote sensing

GIS – Geographical information system

TOA – Top of atmospheric

BOD – Biochemical oxygen demand

COD – Chemical oxygen demand

TSS – Total suspended sediment

Chl – Chlorophyll

CDOM – Cromophoric Dissolved Organic Matter

WQI – Water quality index

MSS – Multispectral Scanner System

RBV – Return Beam Vidicon

TM – Thermatic Mapper

ETM – Enhanced Thermatic Mapper

OLI – Operational Land Image

TIR – Thermal Infrared

NIR – Near Infrared

PAN – Panchromatic

DOS – Dark Object Subtract

COST – Cosin Appromation Model

OC – Ocean Color

SeaWiFS – Sea Viewing Wide Field of View Sensor

DDV – Dense Dark Vegetation

ANH MỤC ẢNG IỂU

Bảng 1 1 Lịch sử ch ng trình Lan sat NASA, M 18

Bảng 1 2 Đ c đi m ộ cảm iến R V 19

Bảng 1 3 Đ c đi m ộ cảm iến MSS 19

Bảng 1 4 Đ c đi m ộ cảm iến TM 20

Bảng 1 5 Đ c đi m ộ cảm iến TM 21

Bảng 1 6 Đ c đi m các kênh phổ ảnh LAN SAT 8 22

Bảng 1 7 Các l nh vực ứng ng của vi n thám 24

Bảng 2 1 Độ th u quang của n ớc ph thuộc ớc s ng 27

Bảng 2 2 Giá trị các hệ số a0 a4 trong thuật toán xác định hàm l ng ch t iệp l c 33

Bảng 2 3 Mức đánh giá ch t l ng n ớc ng ch số WQI 35

Bảng 2 4 Giá trị Lmax, Lmin, M L , A L đối với ảnh LANDSAT TM, ETM+, LANDSAT 8 38

Bảng 2 5 Giá trị SUN đối với các kênh phổ ảnh LAN SAT TM 40

Bảng 2 6 Giá trị SUN đối với các kênh phổ ảnh LAN SAT 8 40

ANH MỤC HÌNH V

Hình 1.1 Kết quả xác định hàm l ng ch t l lửng SPM v ng Giron Pháp trên ảnh SPOT HRV a, 14 – 06 – 1996 và Lan sat TM , 04 – 03

– 2000) 6

Hình 1.2 Các thành ph n trong hệ thống vi n thám 11

Hình 1.3 Nguyên l thu nhận ữ liệu vi n thám 13

Hình 1.4 Phản x toàn ph n a , phản x một ph n , tán x toàn ph n c , tán x một ph n 14

Hình 1.5 Đ c tr ng phản x phổ của một số đối t ng tự nhiên 15

Hình 1.6 Vi n thám siêu cao t n chủ động a và ị động 17

Hình 2 1 Khả năng th u quang của một số lo i n ớc 27

Hình 2 2 Các thành ph n ức x thu nhận từ đ u thu 28

Hình 2 3 ản đ phân ố hàm l ng ch t iệp l c toàn c u xây ựng từ ảnh MODIS 33

Hình 2 4 ản đ phân ố hàm l ng ch t iệp l c khu vực v n i n ph a nam Việt Nam từ t liệu ảnh vệ tinh MO IS 34

Hình 2 5 Xây ựng hàm h i quy xác định hàm l ng ch t l lửng khu vực Giron Pháp 44

Hình 2 6 Kết quả xác định hàm l ng ch t iệp l c từ ảnh LAN SAT khu vực vịnh P nsacola M 44

Hình 2 7 Quy trình xác định hàm l ng ch t l lửng, ch t iệp l c trong n ớc i n từ ữ liệu ảnh LAN SAT 45

Hình 3 1 Vị tr địa l t nh Cà Mau 48

Hình 3 2 Tổ h p màu RG 543 ảnh LAN SAT khu vực v n i n Cà Mau 51

Hình 3 3 Mô hình xây ựng ản đ đ ờng ờ th o ph ng pháp t số ảnh Alesheikh A.A 53

Hình 3 4 Kết quả t nh t số ảnh và phân ng ng đối với ảnh LAN SAT

TM khu vực v n i n Cà Mau 14 – 01 – 2009) 55Hình 3.5 Kết quả t nh t số ảnh và phân ng ng đối với ảnh LAN SAT 8 khu vực v n i n Cà Mau 12 – 01 – 2014) 56Hình 3 6 Kết quả xác định ranh giới n ớc – đ t liền đ i với ảnh LAN SAT

TM ch p ngày 14 – 01 – 2009 57Hình 3 7 Kết quả xác định ranh giới n ớc – đ t liền đ i với ảnh LAN SAT

8 ch p ngày 12 – 01 – 2014 57Hình 3 8 nh LAN SAT 7 TM khu vực Cà Mau ngày 14 – 01 – 2009: a – kênh xanh l c, – kênh cận h ng ngo i 58Hình 3 9 nh LAN SAT 8 khu vực Cà Mau ngày 12 – 01 – 2014: a – kênh xanh l c, – kênh cận h ng ngo i 58Hình 3 10 nh t số giữa kênh cận h ng ngo i và kênh xanh l c ảnh LANDSAT 2009 (a), 2014(b) 59Hình 3 11 ản đ phân ố hàm l ng ch t l lửng khu vực v n i n Cà Mau

14 – 01 – 2009 từ t liệu ảnh LAN SAT 7 TM 60Hình 3 12 ản đ phân ố nh ảnh hàm l ng ch t l lửng khu vực v n

i n Cà Mau 14 – 01 – 2009 từ t liệu ảnh LAN SAT 7 TM 61Hình 3 13 nh ln kênh 3 kênh 4 a, năm 2009 và ln kênh 4 kênh 5 , năm 2014 khu vực v n i n t nh Cà Mau 62Hình 3 14 ản đ ng ảnh sự phân ố hàm l ng ch t iệp l c khu vực v n

i n Cà Mau từ ảnh LAN SAT 7 TM 14 – 01 – 2009 63Hình 3 15 ản đ ng ảnh sự phân ố hàm l ng ch t iệp l c khu vực v n

i n Cà Mau từ ảnh LAN SAT 8 OLI 12 – 01 – 2014 64

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, c ng với sự phát tri n kinh tế – x hội m nh m , những ảnh

h ởng tiêu cực của các ho t động này đến ngu n n ớc khiến tình tr ng ô nhi m n ớc i n ra nghiêm trọng Tốc độ công nghiệp hoá, đô thị hoá nhanh

ch ng, ho t động giao thông đ ờng thủy, ho t động nuôi tr ng thủy hải sản

và sự gia tăng ân số gây áp lực ngày càng n ng nề đối với tài nguyên n ớc

v ng cửa sông, v n i n Môi tr ờng n ớc ở nhiều v ng v n i n ngày càng

bị ô nhi m bởi n ớc thải, khí thải và ch t thải rắn Dọc theo bờ bi n, hàng v n

ng ời dân sinh sống với nghề chính là khai thác và chế biến thủy sản Nhiều làng bi n đang đối m t với tình tr ng ô nhi m môi tr ờng o rác và n ớc thải

từ các c sở chế biến thủy sản gây nên T i các i nuôi thủy sản, o không c

ao chứa lắng, xử l nên ph n lớn các hộ nuôi đều thải trực tiếp n ớc thải ra

i n mà không qua t k hình thức xử l nào Ở các thành phố lớn, hàng trăm c sở sản xu t công nghiệp đang gây ô nhi m môi tr ờng n ớc do không

có công trình và thiết bị xử lý ch t thải Những t p ch t gây ô nhi m này đ c

xả th ng ra sông, h mà không qua xử l Ngu n n ớc ị ô nhi m từ hệ thống sông, suối trong đ t liền th o ng chảy ra i n khiến tình tr ng ô nhi m v ng cửa sông, v n i n ngày càng tr m trọng [1]

Hàm l ng ch t l lửng và một số t p ch t khác c trong n ớc (chemical oxygen demand – CO , nitrat nitrog n, là những thông số quan trọng nh t xác định ch t l ng ngu n n ớc và đánh giá ô nhi m n ớc một cách ch nh xác o vậy, xác định sự phân ố và hàm l ng các t p ch t trong n ớc là yếu tố quyết định khi đánh giá ch t l ng n ớc và điều kiện sinh thái môi tr ờng xung quanh Tuy nhiên, việc nghiên cứu, giám sát, đánh giá ch t l ng n ớc ng các ph ng pháp truyền thống g p r t nhiều kh khăn, đ c iệt khi nghiên cứu với quy mô rộng lớn Những h n chế này đ c

giảm thi u khi sử ng ảnh vi n thám với đ c tr ng iện t ch v ng phủ của một cảnh ảnh rộng lớn c ng khả năng ch p l p l i khu vực nghiên cứu trong thời gian một vài ngày, thậm ch một vài giờ

Công nghệ vi n thám đ c sử ng rộng r i đ ớc l ng và th o i các thông số ch t l ng n ớc ở các v ng v n i n, cửa sông và h Các thuật toán đ c phát tri n ựa trên ữ liệu ảnh vi n thám và ữ liệu đo thực địa

gi p xác định các thành ph n trong n ớc, trong đ c Chlorophyll – ch t iệp

l c, susp n s im nt SS – ch t l lửng, Cromophoric Dissolved Organic Matter C OM – ch t hữu c h a tan Sự phát tri n các thuật toán này ựa trên việc thiết lập hàm quan hệ giữa giá trị phản x phổ của ảnh vệ tinh và các giá trị thu nhận đ c trong các ph p đo thực địa ản ch t của các thuật toán này là sự ph thuộc khả năng phản x phổ của n ớc với thành ph n các ch t

c trong n ớc

Với mong muốn nâng cao năng lực nghiên cứu khoa học và khả năng ứng ng công nghệ vi n thám trong giám sát tài nguyên, môi tr ờng n i chung, trong đánh giá ch t l ng n ớc trên c sở ớc l ng hàm l ng ch t

l lửng, ch t iệp l c n i riêng, ch ng tôi thực hiện đề tài LANDSAT”

2 M c ti u của đề tài:

 Nghiên cứu và hoàn thiện quy trình xác định hàm l ng ch t l lửng,

ch t diệp l c trong n ớc v ng v n i n từ ữ liệu ảnh vệ tinh LANDSAT Thử nghiệm đánh giá hàm l ng ch t l lửng, ch t diệp l c đối với v ng v n

i n Cà Mau

 G p ph n nâng cao năng lực ứng ng công nghệ vi n thám trong nghiên cứu, giám sát tài nguyên môi tr ờng

3 Phương ph p nghi n cứu

 Ph ng pháp tổng h p và kế thừa: phân t ch, tổng h p và áp ng sáng t o các nghiên cứu trong và ngoài n ớc liên quan đến đề tài;

 Ph ng pháp vi n thám: ph ng pháp tiền xử l ảnh vi n thám,

ph ng pháp xác định hệ số phản x ề m t

4 C ch tiếp cận

 Nghiên cứu, tìm hi u các ph ng pháp đ đ c sử ng trên thế giới

đ lựa chọn áp ng vào đề tài;

 Tận ng triệt đ ngu n ữ liệu mi n ph ảnh đa phổ độ phân giải trung ình LANDSAT, trang thiết ị của c quan nh m tr gi p tối đa trong

đề tài

5 Nội dung nghiên cứu ứng d ng và triển khai thực nghiệm:

 Nghiên cứu các công trình, tài liệu của n ớc ngoài trong l nh vực đánh giá ch t l ng n ớc ng công nghệ vi n thám;

 Thu thập, nghiên cứu đ c đi m và khả năng ứng ng của ảnh vệ tinh đa phổ độ phân giải trung ình LANDSAT, đ c iệt là ảnh LANDSAT 8;

 Nghiên cứu các ph ng pháp xử l ảnh LANDSAT trong xác định hàm l ng ch t l lửng, ch t iệp l c;

 Nghiên cứu ph ng pháp tự động tách ranh giới n ớc – đ t liền từ

ữ liệu ảnh LANDSAT Thực nghiệm tách ranh giới n ớc – đ t liền khu vực

v n i n Cà Mau;

 Nghiên cứu xây ựng quy trình công nghệ xác định hàm l ng ch t

l lửng, ch t diệp l c v ng v n i n từ ữ liệu ảnh LANDSAT Thực nghiệm xác định hàm l ng ch t l lửng, ch t iệp l c khu vực v n i n Cà Mau

6 Cấu trúc luận văn

Luận văn đ c chia thành 3 ch ng, ngoài ph n mở đ u và ph l c kèm th o, các ch ng đ c bố c c nh sau:

Ch ng 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và khả năng ứng ng công nghệ vi n thám trong đánh giá ch t l ng n ớc

Ch ng 2: Nghiên cứu xây ựng và lựa chọn quy trình xác định hàm

l ng ch t l lửng, ch t iệp l c trong n ớc v ng v n i n từ t liệu ảnh vệ tinh Landsat

Em xin chân thành cảm n các th y, cô giáo bộ môn Trắc địa mỏ và

nh m Địa tin học môi tr ờng khoa Trắc địa - Bản đ và Quản l Đ t đai đ c những ý kiến đ ng g p qu áu trong quá trình làm luận văn Xin cảm n

Ph ng Sau Đ i học Tr ờng Đ i học Mỏ - Địa ch t, đ t o điều kiện thuận l i cho em trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn

CHƯƠNG 1

T NG QUAN V TÌNH HÌNH NGHI N CỨU VÀ HẢ NĂNG ỨNG ỤNG C NG NGHỆ VIỄN THÁM TRONG ĐÁNH GIÁ CHẤT

LƯỢNG NƯỚC 1.1 Tổng quan về t nh h nh nghi n cứu ứng ng c ng nghệ viễn th m trong đ nh gi chất ư ng nước

1.1.1 T

Trong ba thập kỷ qua, công nghệ vi n thám đ c những thành tựu hết sức to lớn trong l nh vực nghiên cứu trái đ t và trở thành một công c quan trọng cho việc đánh giá và quản l tài nguyên thiên nhiên Công nghệ vi n thám đ mở ra ớc ngo t cho những nghiên cứu về môi tr ờng ở mức toàn

c u Đ c iệt, ảnh vệ tinh đa phổ với đ c đi m thu nhận t n hiệu phản h i từ vật th trong ải s ng nhìn th y và h ng ngo i c khả năng ứng ng hiệu quả trong giám sát tài nguyên môi tr ờng, đ c iệt là trong nghiên cứu ô nhi m không kh , ô nhi m n ớc, đánh giá iến động ề m t,

Trên thế giới, công nghệ vi n thám đ c sử ng rộng r i và mang l i hiệu quả to lớn trong giám sát ô nhi m môi tr ờng n ớc m t Với khả năng

ch p l p l i trong thời gian ngắn, ải phổ rộng và độ phân giải không gian đa

ng, ữ liệu ảnh vi n thám đ đ c sử ng trong ớc l ng hàm l ng ch t

l lửng, ch t iệp l c ở nhiều quy mô khác nhau, từ c p t nh, v ng đến quy

mô quốc gia

C th k đến các nghiên cứu của oxaran t al 2002, 2006 đ sử

ng ữ liệu ảnh SPOT HVR, LANDSAT TM nh m xác định hàm l ng các ch t ô nhi m v ng cửa sông Giron Pháp [17, 18] Trong nghiên cứu này, các tác giả đ phân t ch đ c tr ng phản x phổ của n ớc và c sở khoa học của ph ng pháp ứng ng t liệu vi n thám quang học SPOT, LANDSAT trong đánh giá ch t l ng n ớc Từ phân t ch đ c tr ng phản x

phổ của n ớc, các tác giả đ chứng minh r ng ải s ng cận h ng ngo i NIR

và xanh l c Gr n c khả năng phản ánh tốt nh t hàm l ng ch t l lửng trong n ớc và đề xu t sử ng t số giữa hệ số phản x phổ t i kênh cận h ng ngo i kênh 4 đối với ảnh LANDSAT TM , kênh 3 đối với ảnh SPOT và kênh xanh l c kênh 2, kênh 1 đối với ảnh LANDSAT TM và SPOT t ng ứng Từ mối quan hệ giữa phản x phổ t i các kênh s ng này c ng với số liệu

đo thực địa, tác giả đ đ a ra mô hình ớc l ng hàm l ng ch t l lửng t i

v ng cửa sông Giron hình 1.1

Hình 1.1

trên – – Landsat ETM+ (b, 04 – 03 – 2000)

Năm 2008, W ipi H và cộng sự đ sử ng t liệu vi n thám quang học trong nghiên cứu đánh giá ô nhi m n ớc m t các h ở ắc Kinh Trung Quốc Trong nghiên cứu này, các tác giả đ sử ng ữ liệu ảnh đa phổ LANDSAT TM nh m xác định hàm l ng ch t iệp l c chlorophyll , ch t hữu c h a tan CO – ch mical oxyg n man , total nitrog n TN , ammonia nitrog n NH3-N , trong các h chứa n ớc ở thành phố ắc Kinh Trung Quốc Nghiên cứu này đ chứng minh r ng, các kênh phổ ở ải s ng nhìn th y và h ng ngo i c th sử ng đ xây ựng các mô hình t nh toán

hàm l ng các t p ch t trên với độ ch nh xác đảm ảo

Trong nhiều nghiên cứu khác, nh của K Sh ng Ch ng, Tsu Chiang

L i 2001 , mmanu l Ol t 2010 , Jian – Jun Wang t al 2009 , Su h r K

t al 2006 , Xing-Ping W n 2010 , Yuan – ong Su 2008 , các tác giả c ng

sử ng ữ liệu ảnh LANDSAT trong đánh giá hàm l ng ch t l lửng, ch t iệp l c khu vực cửa sông và v n i n Kết quả nhận đ c từ các nghiên cứu này đ đ c sử ng trong xây ựng các hệ thống giám sát ch t l ng n ớc

m t khu vực cửa sông và v n i n và cung c p c sở khoa học ph c v công tác ứng ph tình tr ng ô nhi m n ớc và cải thiện ch t l ng n ớc [20-25]

Ngoài ữ liệu ảnh vi n thám quang học độ phân giải trung ình và cao (LANDSAT, SPOT , ữ liệu ảnh độ phân giải th p MO IS c ng đ đ c sử

ng trong nhiều nghiên cứu nh m đánh giá hàm l ng ch t l lửng, ch t iệp l c trong n ớc i n o u đi m iện t ch v ng ch p rộng, ải phổ và số

l ng kênh phổ lớn, ảnh MO IS tỏ ra c hiệu quả đ c iệt trong nghiên cứu môi tr ờng i n và v n ờ Trong nghiên cứu của Guzman V.R t al 2009 , tác giả sử ng ữ liệu ảnh MO IS xác định hàm l ng ch t l lửng khu vực vịnh Mayagu z P rto Rico trên c sở đánh giá mối quan hệ với hiện tr ng

x i m n và tr t lở đ t Nghiên cứu trên đ chứng minh r ng, kênh 1 ảnh

MO IS ớc s ng trong khoảng 0.589 – 0.645 m c khả năng th hiện sự phân ố hàm l ng ch t l lửng, ch t iệp l c tốt nh t đối với v ng i n xa

ờ, trong khi ảnh Landsat, Spot th hiện hiệu quả với các v ng cửa sông, v n

i n Các tác giả c ng đ sử ng máy đo quang phổ ức x c m tay G R

1500 đ hiệu ch nh phổ ề m t nh m tăng c ờng độ ch nh xác trong t nh toán

C ng sử ng ữ liệu ảnh đa phổ độ phân giải th p MO IS trong đánh giá

ch t l ng n ớc v ng v n i n c th k đến các nghiên cứu của M.S Wong

et al (2008), V Brando et al (2006)

Các nghiên cứu trên đ chứng minh r ng, ữ liệu vi n thám c th sử

ng hiệu quả trong ớc l ng hàm l ng ch t l lửng, ch t iệp l c trong

n ớc m t ựa trên mối quan hệ giữa đ c tr ng phản x phổ của n ớc và các thông số đo thực địa hàm l ng t p ch t Hiện nay c r t nhiều ộ cảm iến

đ c phát tri n trên các hệ thống thu nhận ảnh vệ tinh khác nhau c th ứng

ng trong nghiên cứu tài nguyên n ớc, ao g m cả đánh giá hàm l ng một

số t p ch t trong n ớc AVHRR, S aWi S, MO IS, IKONOS, LANDSAT, SPOT Các thông số c ản của ảnh vệ tinh nh độ phân giải thời gian, độ phân giải phổ, độ phân giải không gian c ng nh ữ liệu s n c , khả năng hiệu ch nh, xử l ảnh là những yếu tố quan trọng nh t đ quyết định việc lựa chọn ph ng pháp tốt nh t cho nghiên cứu ở các khu vực c th

1.1.2 T

T i Việt Nam, trong những năm g n đây công nghệ vi n thám đ đ c ứng d ng rộng r i trong nhiều l nh vực nh Địa ch t, Lâm nghiệp, Đo đ c - Bản đ , trong giám sát tài nguyên môi tr ờng Các công trình nghiên cứu sử

d ng t liệu vi n thám đ mang l i những l i ch to lớn về kinh tế và đảm bảo tính khách quan c ng nh độ ch nh xác cao Trong nhiều tr ờng h p t liệu

vi n thám là g n nh không th thay thế, ví d khi nghiên cứu các v ng l nh thổ mà không c t liệu ản đ chi tiết c ng nh r t kh khăn trong công tác điều tra ngo i nghiệp nh hải đảo, rừng nguyên sinh

Trong l nh vực nghiên cứu ứng d ng công nghệ vi n thám đánh giá

ch t l ng n ớc ở Việt Nam đ c một số công trình nghiên cứu xác định hàm l ng chlorophyll trong n ớc i n, đánh giá ch t l ng n ớc một số h

ữ trữ n ớc từ ảnh SPOT, MO IS C th k đến đề tài Nghiên cứu ứng

ng ảnh vệ tinh đ xác định nhiệt độ và hàm l ng chlorophyll ề m t n ớc

i n của ThS Lê Minh S n C c vi n thám quốc gia, 2008 [11], đề tài nghiên cứu khoa học c p ộ Sử ng ảnh vệ tinh đa thời gian đ đánh giá ảnh h ởng o iến động của một số đối t ng ao g m sử ng đ t, rừng ngập m n, hàm l ng ch t l lửng trong ề m t n ớc i n đến iến động

đ ờng ờ khu vực t nh Cà Mau của ThS Lê Thị Ph ng Mai C c Vi n

thám quốc gia, 2012 Trong các đề tài này, các tác giả đ sử ng ữ liệu ảnh

vệ tinh MO IS, SPOT đ xác định hàm l ng ch t l lửng, ch t iệp l c khu vực v n i n t nh Cà Mau [8]

Các thế hệ vệ tinh LANDSAT, trong đ c vệ tinh LANDSAT 8 vừa

đ c ph ng thành công lên qu đ o vào đ u năm 2013 đ cung c p ngu n ữ liệu ảnh phong ph và đ c iệt hoàn toàn mi n ph ph c v m c đ ch nghiên cứu, giám sát tài nguyên môi tr ờng n i chung, nghiên cứu ô nhi m n ớc m t

n i riêng nh đa phổ LANDSAT với độ phân giải không gian 30m c th áp

ng hiệu quả cho các nghiên cứu xác định hàm l ng ch t l lửng ở quy mô

c p t nh, v ng

Cà Mau là t nh uy nh t của cả n ớc c a m t Đông – Tây – Nam giáp

i n với chiều ài ờ i n 254 km, chiếm 34.5 chiều ài ờ i n toàn v ng

đ ng ng sông Cửu Long, 7.8 ờ i n cả n ớc Ho t động x i lở, i t ờ

bi n ngày càng phức t p, ảnh h ởng lớn đến môi tr ờng sinh thái i n c ng nhu rừng ngập m n Cà Mau ên c nh đ , hiện t ng x i lở, i t c n đ

ọa cuộc sống nhiều v ng ân c , gây nguy h i cho các công trình, c sở kinh

tế v n i n Hiện t ng x i lở, i t ở Cà Mau o nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đ c ảnh h ởng của hàm l ng ch t l lửng và một số t p ch t trong n ớc v ng v n i n o vậy, xác định sự phân ố hàm l ng ch t l lửng, ch t iệp l c là một ài toán c t nh khoa học và thực ti n Với độ phân giải không gian trung ình, đ c iệt đ c cập nhật mi n ph , ảnh vệ tinh LANDSAT các thế hệ là một ngu n ữ liệu phong ph và qu giá trong nghiên cứu m t đ t

h i niệm và ngu n ho t động của c ng nghệ viễn th m

Vi n thám là một ngành khoa học c lịch sử phát tri n lâu đời Sự phát tri n của khoa học vi n thám ắt đ u từ m c đ ch quân sự khi nghiên cứu các ảnh ch p sử ng phim và gi y ảnh từ khinh kh c u, máy ay Ngày nay,

c ng sự phát tri n của khoa học k thuật, vi n thám đ c ứng ng trong

nhiều ngành khoa học khác nhau nh quân sự, địa ch t, địa l , môi tr ờng,

kh t ng, thủy văn, nông nghiệp, lâm nghiệp, [2]

Th o ngh a rộng, vi n thám là ngành khoa học nghiên cứu việc đo đ c, thu thập thông tin về một đối t ng, sự vật ng cách sử ng thiết ị đo tác động một cách gián tiếp với đối t ng nghiên cứu an đ u, ữ liệu vi n thám là ảnh ch p phim thu nhận từ khinh kh c u, máy ay Hiện nay, ngu n ữ liệu ch nh trong

vi n thám là ảnh số thu nhận từ các hệ thống vệ tinh quan sát Trái đ t

C r t nhiều định ngh a khác nhau về vi n thám, nh ng x t cho c ng t t

cả các định ngh a đều c một đ c đi m chung, nh n m nh vi n thám là khoa học nghiên cứu các thực th , hiện t ng trên trái đ t từ xa mà không c n tác động trực tiếp vào n Một số định ngh a tiêu i u về vi n thám của các nhà khoa học khác nhau nh [2-5]:

1 Vi n thám là một nghệ thuật, khoa học, n i t nhiều về một sự vật

không c n phải tiếp x c với vật đ Ficher and others, 1976);

2 Vi n thám là quan sát về một đối t ng ng một ph ng tiện cách xa

vật trên một khoảng cách nh t định (Barrer and Curtis, 1976);

3 Vi n thám là một khoa học về l y thông tin từ một đối t ng, đ c đo

từ một khoảng cách xa vật không c n tiếp x c với n Năng l ng đ c đo trong các hệ vi n thám hiện nay là năng l ng điện từ phát ra từ vật quan tâm

(Landgrete, 1978);

4 Vi n thám là ứng ng vào việc l y thông tin về m t đ t và m t n ớc của Trái đ t ng việc sử ng các ảnh thu đ c từ một đ u ch p ảnh sử ng

ức x phổ điện từ, đ n kênh ho c đa phổ, ức x ho c phản x từ ề m t

Trái đ t (Janes Capbell, 1996);

5 Vi n thám là khoa học và nghệ thuật thu nhân thông tin về một vật

th , một v ng, ho c một hiện t ng, qua phân t ch ữ liệu thu đ c ởi những

ph ng tiện không tiếp x c với vật, v ng ho c hiện t ng khi khảo sát

(Likkesand and Kiefer, 1986)

Ngu n tài nguyên chủ yếu sử ng trong vi n thám là s ng điện từ

ho c đ c phản x , ho c ức x từ vật th Thiết ị ng đ cảm nhận s ng điện từ phản x ho c ức x từ vật th đ c gọi là ộ cảm iến s nsor ộ cảm iến c nhiệm v chuy n đổi giá trị điện từ sang giá trị số đ thu đ c ảnh số Ph ng tiện ng đ mang các ộ cảm đ c gọi là vật mang Hiện nay, vật mang r t đa ng, c th là khinh kh c u, máy ay, vệ tinh, tàu v

tr , [2-5]

C c thành phần ch nh của một hệ thống viễn th m

Một hệ thống vi n thám th ờng ao g m 7 ph n tử c quan hệ ch t ch với nhau hình 1.2 Trình tự ho t động của các thành ph n trong hệ thống vi n thám đ c mô tả trong hình 1.2 [2-5]

: thành ph n đ u tiên của hệ thống vi n thám là

ngu n năng l ng đ chiếu sáng hay cung c p năng l ng điện từ tới đối

t ng c n nghiên cứu Trong vi n thám chủ động sử ng năng l ng phát ra

từ ngu n phát đ t trên vật mang, c n trong vi n thám ị động, ngu n năng

l ng chủ yếu là ức x m t trời

ức x điện từ từ ngu n phát tới đối

t ng nghiên cứu s phải t ng tác qua l i với kh quy n n i n đi qua

Hình 1.2

sau khi truyền qua kh quy n đến đối

t ng, năng l ng s t ng tác với đối t ng t y thuộc vào đ c đi m của đối

t ng và s ng điện từ Sự t ng tác này c th là sự truyền qua, sự h p th hay ị phản x trở l i kh quy n

sau khi năng l ng đ c

phát ra ho c ị phản x từ đối t ng, c n c ộ cảm iến đ tập h p l i và thu nhận s ng điện từ Năng l ng điện từ truyền về ộ cảm s mang thông tin của đối t ng

năng l ng đ c thu nhận ởi ộ

cảm c n đ c truyền tải th ờng ới ng điện từ đến một tr m thu nhận ữ liệu đ xử l sang ng ảnh nh này là ữ liệu thô

ảnh thô s đ c xử l đ c th sử ng

trong các m c đ ch khác nhau Đ nhận iết đ c các đối t ng trên ảnh c n phải giải đoán ch ng nh đ c phân lo i ng việc kết h p các ph ng pháp khác nhau phân lo i ng mắt, phân lo i thực địa, phân lo i tự động,

đây là thành ph n cuối c ng của hệ thống vi n thám, đ c

thực hiện khi ứng ng thông tin thu nhận đ c trong quá trình xử l ảnh vào các l nh vực, ài toán c th [2-5]

Nguyên l c ản của k thuật vi n thám là thu nhận năng l ng phản

h i của s ng điện từ chiếu tới vật th , thông qua ộ cảm iến s nsor giá trị phản x phổ này s đ c chuy n về giá trị số hình 1.3)

Hình 1.3

Bộ cảm iến là các thiết bị t o ra ảnh về sự phân bố năng l ng phản

x hay phát x của các vật th từ m t đ t theo những ph n nh t định của quang phổ điện từ ộ cảm iến ch thu nhận năng l ng s ng điện từ phản x hay ức x từ vật th th o từng ớc s ng xác định Năng l ng s ng điện từ sau khi tới đ c ộ cảm iến s chuy n thành t n hiệu số chuy n đổi t n hiệu điện thành một số nguyên hữu h n – giá trị pix l t ng ứng với năng l ng

ức x ứng với từng ớc s ng o ộ cảm iến nhận đ c trong ải phổ đ xác định

S ng điện từ ng trong vi n thám tuân th o các định luật ức x điện

từ định luật Plank, định luật Wi n, St an – ontzmann, và hệ ph ng trình Maxw ll Năng l ng phổ ới ng s ng điện từ, c ng cho thông tin về một vật th từ nhiều g c độ s g p ph n phân lo i vật th một cách ch nh xác

h n [2, 3]

Tương t c năng ư ng s ng điện từ với c c đối tư ng tự nhiên

S ng điện từ chiếu tới m t đ t, năng l ng của n s tác động lên ề

m t vật th và xảy ra các hiện t ng: phản x năng l ng, h p th năng l ng

và th u quang năng l ng [2-5] Năng l ng ức x s chuy n đổi thành a

ng năng l ng khác nhau Quá trình trên đ c mô tả th o công thức:

E E E

E0     (1.1) Trong đ : E0 – năng l ng an đ u của ức x khi chiếu xuống;

E- năng l ng phản x ;

E- năng l ng h p th ;

E - năng l ng th u quang

Năng l ng của ức x điện từ ph thuộc vào c u tr c ề m t đối

t ng T y thuộc đối t ng, năng l ng phản x phổ c th phản x toàn

E

E

  (1.3)

Độ truyền năng l ng điện từ hay độ th u quang là t số giữa năng

l ng th u quang và năng l ng tới [2-5]

Năng l ng ức x điện từ chiếu tới đối t ng đ c phản x không

những ph thuộc vào ề m t đối t ng mà c n ph thuộc vào ớc s ng T i

các ớc s ng khác nhau s nhận đ c khả năng phản x phổ khác nhau Sự

ph thuộc của năng l ng phản x ức x điện từ vào ớc s ng của một số

đối t ng tự nhiên đ c mô tả trên hình 1.5

Hình 1.5

1.4 Ph n o i viễn th m

Vi n thám c th phân lo i thành a lo i c ản ựa vào ớc s ng

điện từ sử ng đ thu nhận t n hiệu phổ phản x từ vật th : vi n thám quang

học trong ải s ng nhìn th y và h ng ngo i , vi n thám h ng ngo i nhiệt và

vi n thám siêu cao t n [2]

Viễn th m trong ải s ng nh n thấ và hồng ngo i Trong vi n thám

ải s ng nhìn th y và h ng ngo i, ngu n năng l ng ch nh là ức x m t trời

M t trời cung c p một ức x c ớc s ng u thế 0.5 m T liệu vi n thám

thu đ c trong ải s ng nhìn th y ph thuộc chủ yếu vào sự phản x từ ề

m t vật th và ề m t trái đ t Vì vậy các thông tin về vật th c th đ c xác định từ các phổ phản x Hiện nay, ảnh vệ tinh thu nhận trong ải s ng nhìn

th y và h ng ngo i là ngu n ữ liệu ch nh trong nghiên cứu tài nguyên, môi

tr ờng Các hệ thống vệ tinh thu nhận ảnh quang học và h ng ngo i phổ iến hiện nay nh : Landsat, Quick ir M , Spot Pháp , Alos Nhật ản , [2]

Viễn th m hồng ngo i nhiệt Ngu n năng l ng ch nh trong vi n

thám h ng ngo i nhiệt là các ức x nhiệt o ch nh vật th sản sinh ra M i vật th trong nhiệt độ ình th ờng đều tự phát ra một ức x c đ nh ớc

s ng ở 10m Giá trị phổ thu đ c s đ c chuy n đổi về giá trị nhiệt độ thông qua các thuật toán chuy n đổi Hiện nay c một số hệ thống vệ tinh thu nhận ảnh trong ải s ng h ng ngo i nhiệt nh Landsat (band6 TM, ETM+), Aster, Modis, nh h ng ngo i nhiệt đ c sử ng trong xác định nhiệt độ của vật th phát ra, nghiên cứu độ m đ t đai, ô nhi m môi tr ờng, [2]

Viễn th m si u cao tần Vi n thám ra ar siêu cao t n thu nhận t n

hiệu phản h i từ vật th trong ải s ng ra io từ mm đến km C hai k thuật

c ản trong vi n thám siêu cao t n: vi n thám siêu cao t n chủ động và vi n thám siêu cao t n ị động Trong vi n thám siêu cao t n ị động thì ức x siêu cao t n o ch nh vật th phát ra đ c ghi l i Ng c l i, vi n thám siêu cao t n chủ động sử ng ức x điện từ từ ngu n phát đ c trang ị trên vật mang và thu l i những ức x phản h i từ vật th

K thuật vi n thám siêu cao t n chủ động đ c ứng d ng nhiều và cho hiệu quả cao o điều kiện quan trắc không bị giới h n bởi điều kiện không mây của khí quy n, c ng nh không ph thuộc vào điều kiện chiếu sáng của

M t trời Tuy nhiên việc giải đoán ảnh ra ar vẫn còn nhiều kh khăn ởi l những thông tin thu đ c phản ảnh chủ yếu tr ng thái c u trúc vật lý bề m t của đối t ng chứ không liên quan nhiều tới thành ph n vật ch t của đối

t ng [2] Mô tả về vi n thám siêu cao t n chủ động và ị động đ c trình

ày trên hình 1.6 Trên hình 1.6a, ngu n năng l ng đ c phát ra từ vật mang đến vật th và thu l i t n hiệu phản h i nhờ ant n Trên hình 1.6 , vi n thám siêu cao t n ị động sử ng t n hiệu phản x o ch nh các vật th phát ra

Hình 1.6

1.5 Đ c điểm ảnh vệ tinh quang học LANDSAT

Vệ tinh Landsat là tên chung cho hệ thống các vệ tinh chuyên dùng vào

m c đ ch thăm tài nguyên Trái Đ t Thế hệ đ u tiên của vệ tinh Landsat mang tên Vệ tinh công nghệ tài nguyên Trái đ t arth R sour ss T chnology Sat llit – RTS , đến năm 1975, đ c đổi tên thành Landsat Landsat – 1

đ c ph ng lên qu đ o từ năm 1972, các thế hệ tiếp th o của Landsat (Landsat – 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 tiếp t c đ c thực hiện [2 - 5]

Trong số các vệ tinh thuộc ch ng trình Landsat, vệ tinh Landsat – 6

đ không đ c ph ng thành công lên qu đ o và ừng ho t động ngay sau khi

ph ng Hiện nay vệ tinh Landsat – 7 vẫn ho t động và cung c p ngu n ữ liệu

qu giá về tài nguyên thiên nhiên, c ng nh đánh giá iến động của môi

tr ờng, tuy nhiên ữ liệu ảnh Landsat 7 ị l i sọc o sự cố của hệ thống Scanline Thế hệ mới nh t của ch ng trình Landsat là vệ tinh Landsat – 8 theo đ đ c đ a lên qu đ o vào tháng 2 năm 2013, sử ng 2 ộ cảm iến:

ộ cảm quang học OLI - Op rational Lan Imag r và ộ cảm h ng ngo i nhiệt TIRS - Thermal InfraRed Sensor nh Landsat 8 ao g m 11 kênh, trong đ c 8 kênh đa phổ độ phân giải không gian 30 m , 1 kênh toàn sắc

15 m và 2 kênh h ng ngo i nhiệt 100 m

Độ nghiêng

ộ cảm iến (Sensors)

Landsat 1 23/07/1972 06/01/1978 918 0

99 103 18 MSS 4, RBV 3 Landsat 2 22/01/1975 25/02/1982 918 0

99 103 18 MSS 4, RBV 3 Landsat 3 05/03/1978 31/03/1983 918 0

99 103 18 MSS 5, RBV 1 Landsat 4 16/07/1982 15/06/2001 918 0

99 99 16 MSS 4, TM 7 Landsat 5 01/03/1984 08/1995 705 0

2

Landsat 7 15/04/1999 705 0

2

Landsat 8 13/02/2013 705 98.2 99 16 OLI, TIRS

C c ộ cảm iến sử ng tr n vệ tinh Landsat

a) ộ cảm iến R V

ộ cảm iến R V R turn am Vi icon Camera đ c ng trên vệ tinh Landsat – 1, 2, 3 Trên vệ tinh Landsat – 1 và Landsat – 2, ộ cảm R V

là ộ cảm đa phổ g m 3 kênh phổ: xanh l c 0.47 – 0.57 μm , đỏ 0.58 – 0.68

μm và h ng ngo i 0.69 – 0.83 μm iện t ch phủ m t đ t của một ảnh R V

là 185 x 185 km, độ phân giải không gian đ c thiết kế 80 x 80 m ộ cảm iến R V trên vệ tinh Landsat – 3 đ c cải tiến ch c n một kênh đ n sắc (0.505 – 0.75 μm với độ phân giải không gian 30 x 30 m Việc tăng độ phân giải không gian là o sử ng 2 máy ch p kề nhau, m i máy phủ m t đ t iện

t ch 98 x 98 km [2 - 5]

b) ộ cảm iến MSS (Multispectral Scanner System)

ộ cảm iến MSS đ c ng trên vệ tinh Landsat – 1, 2, 3 Trên vệ tinh Landsat - 1 và Landsat – 2, ộ cảm MSS c 3 kênh phổ Trên vệ tinh Landsat – 3, ộ cảm MSS đ c thiết kế thêm kênh h ng ngo i nhiệt (10.4 – 12.5 μm) nh Landsat MSS c độ phân giải không gian 80 x 80 m, iện t ch phủ m t đ t là 185 x 185 km T i ải s ng h ng ngo i nhiệt 10.4 – 12.5 μm

độ phân giải không gian của ảnh Landsat MSS là 120 x 120 m [2 - 5]

ộ cảm iến TM đ c hoàn thiện h a từ ộ cảm iến MSS, đ c sử

ng trên vệ tinh Landsat – 4, Landsat – 5 ộ cảm TM g m 7 kênh phổ n m trên ải s ng 0.45 – 12.5 μm, trong đ c kênh h ng ngo i nhiệt kênh 6 đ

đo nhiệt độ ề m t trái đ t [2 - 5]

1993 nh ng đ ngừng ho t động c ng ngày o sự cố k thuật ộ cảm iến

ng trên vệ tinh Landsat – 6 là TM ao g m 7 kênh phổ nh trên Landsat – 4 và Landsat – 5)

Trên vệ tinh Landsat – 7 đ c thiết kế thêm kênh phổ toàn sắc, c ải

s ng 0.5 – 0.9 μm và độ phân giải không gian 15 x 15 m Điều này cho ph p

ch ng ảnh với các kênh phổ khác của ộ cảm iến TM đ t o ra ảnh tổ h p màu với độ phân giải cao h n 15 x 15m Ưu đi m của TM c n th hiện ở

ch , quá trình chuy n đổi t n hiệu điện từ sang t n hiệu số khi l y mẫu đ c thực hiện ng cả 8 it và 9 it Điều này cho ph p ng 9 it đ đọc t n hiệu những n i thu t n hiệu phổ r t th p m t n ớc hay r t cao sa m c

Vệ tinh Landsat – 7 sau 4 năm đ a lên qu đ o đ g p tr c tr c về k thuật SLC – O 15 – 04 – 2003 Hiện t i tr c tr c này vẫn ch a khắc ph c

đ c và làm giảm khả năng thu nhận thông tin quan sát trái đ t khoảng 30 Tuổi thọ thiết kế vệ tinh Landsat – 7 là 5 năm nh ng cho tới nay vệ tinh vẫn

ho t động, các hình ảnh về trái đ t vẫn đ c tiếp t c thu nhận và gửi về Các

thông tin này trong một chừng mực nào đ vẫn sử ng đ c nếu iết cách xử

h ng ngo i nhiệt ở độ phân giải 100 m C ng nh t liệu ảnh Landsat 7

TM , t liệu ảnh Landsat 8 đ c cung c p hoàn toàn mi n ph và đ c cập nhật trong chu k 16 ngày

So với ảnh LANDSAT TM , ảnh LANDSAT 8 c thêm 3 kênh phổ, trong đ c kênh 1 nghiên cứu đ ờng ờ và sol kh , kênh 9 nghiên cứu mây, quy n kh và thêm 1 kênh h ng ngo i nhiệt Độ phân giải không gian của ảnh

h ng ngo i nhiệt LANDSAT 8 th p h n so với ảnh LANDSAT TM , tuy

nhiên với độ phân giải 100m, ảnh LANDSAT 8 vẫn c th sử ng hiệu quả trong các nghiên cứu ở quy mô c p v ng

Khác với ảnh LANDSAT TM, TM đ c l u trữ ở c u tr c 8 it với

256 c p độ xám, ảnh LANDSAT 8 đ c l u trữ ở c u tr c 16 it với 65536

c p độ xám, t ng ứng với giá trị độ xám trên ảnh từ 0 đến 65535 [2, 8]

Đ c tr ng các kênh phổ ảnh LANDSAT 8 OLI đ c trình ày trong ảng 1.6 ới đây

công nghệ vi n thám đ đ c ứng ng rộng r i trong nhiều l nh vực và đ t

đ c những kết quả to lớn T liệu vi n thám trở thành t liệu chủ đ o trong nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi tr ờng Ứng ng và phát tri n công nghệ vi n thám đ trở thành xu h ớng chung cho mọi quốc gia, trong đ c Việt Nam nh m ph c v kinh tế – x hội c ng nh đảm ảo an ninh – quốc ph ng

T y th o từng l nh vực ứng ng c th c n phải chọn t liệu ảnh vệ tinh th ch h p nh t, ngh a là lo i cảm iến c độ phân giải không gian, phân giải phổ và độ phân giải thời gian th ch h p với yêu c u c th V với độ phân giải phổ, ảnh toàn sắc ghi nhận năng l ng của toàn ộ các ớc s ng

n m trong v ng ánh sáng nhìn th y s không th hiện tốt mức độ phản x của thực vật đối với các kênh phổ h p n m trong v ng ớc s ng đỏ o ch t iệp

l c h p thu r t m nh năng l ng m t trời Độ phân giải không gian quan hệ mật thiết đến t lệ của ản đ c n thành lập c ng nh mức độ chi tiết c th phân iệt đ c trên ảnh đ giải đoán và thu nhận ch nh xác các thông tin c n thiết Độ phân giải thời gian là yêu c u ch nh trong giải quyết các ài toán iến động C nhiều ứng ng đ i hỏi ảnh phải ch p l p th ờng xuyên cháy rừng, giám sát l l t, , nh ng c ng c những ứng ng ch yêu c u ch p ảnh

th o m a, th o năm xác định m a v , mức độ m của đ t, sự iến động lớp phủ thực vật, ho c những ứng ng ch c n ảnh một l n ch p thành lập

ản đ địa ch t Đ xác định hàm l ng các thông số ô nhi m n ớc, t liệu chủ đ o là ảnh vệ tinh quang học o trong ải phổ nhìn th y và h ng ngo i c khả năng th hiện tốt đ c tr ng phản x phổ của n ớc [2 - 5]

Những l nh vực ứng ng c ản của k thuật vi n thám đ c t m tắt trong ảng 1.7 sau đây

B ng 1 7

N ng- m nghiệp Sử ng đất đai Địa chất Tài ngu n nước Nghi n cứu iển M i trường

Phân lo i thực vật Phân lo i sử ng đ t Phát hiện khoáng vật Xác định ranh giới n ớc – đ t liền Nghiên cứu qu n th động vật i n Quan trắc vị tr khai thác tài nguyên Đánh giá khả năng

sinh tr ởng của cây

m o Lập ản đ v ng ngập l t

Nghiên cứu ng chảy và độ

đ c trong của n ớc

Lập ản đ và quan trắc ô nhi m môi

t ch

Nghiên cứu sông ăng

Lập ản đ địa hình v ng n ớc nông

Xác định hậu quả thiên tai

Đánh giá hiện tr ng

lớp phủ thực vật Quy ho ch v ng Nghiên cứu ho t động n i lửa

Nghiên cứu hiện t ng n ớc

tài nguyên đ t Lập ản đ đ ờng ờ Lập ản đ ng địa hình Xác định đ ờng iên của các công trình thủy l i

Xác định các thành

ph n của đ t

Hi n thị c u tr c khu vực Đánh giá sự lan tỏa

của cháy rừng

Hi n thị các đối

t ng th ng

CHƯƠNG 2 NGHI N CỨU Y NG VÀ L A CHỌN QUY TRÌNH ÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG CHẤT LƠ LỬNG CHẤT IỆP LỤC TRONG NƯỚC

V NG V N IỂN TỪ TƯ LIỆU ẢNH VỆ TINH LANDSAT

Cơ sở hoa học phương ph p ứng ng tư iệu viễn th m trong đ nh

gi chất ư ng nước

Khả năng phản x phổ của các vật th là một trong những thông số c

ản nh t c n iết khi phân lo i ảnh vệ tinh Khả năng phản x phổ ph thuộc vào ớc s ng của s ng điện từ Ở các ớc s ng khác nhau, giá trị phản x phổ của một vật th không giống nhau

Khả năng phản x phổ của vật th ph thuộc vào ớc s ng đ c định ngh a th o công thức sau đây:

% 100 ) ( 0

) (

) ( 



E – năng l ng phản x t i ớc s ng λ;

) (

Nh m ho ng sản và thổ như ng Đ c tr ng ởi sự tăng lên của hệ

số phản x phổ t i v ng ớc s ng đỏ Khả năng phản x phổ của khoáng sản

ph thuộc vào c u t o và các thành ph n trong khoáng sản Khả năng phản x phổ của thổ nh ng ph thuộc vào n ng độ h p kim sắt và ch t m n trong đ t

Nh m thực vật Đ c tr ng ởi khả năng phản x cao nh t ở ớc

s ng gr n 0.55μm và th p nh t ở ớc s ng đỏ 0.66 μm)

Nh m nước Đ c tr ng ởi khả năng phản x th p nh t và hệ số

phản x giảm liên t c trong ải s ng từ xanh n ớc iến lu đến đỏ r

Nh m tu ết Đ c tr ng ởi giá trị phản x phổ cao nh t và giảm

không nhiều trong v ng s ng cận h ng ngo i G n giống với khả năng phản

x phổ của lớp tuyết phủ là mây Đ c t nh phổ của mây c một số ải h p h p

th phổ trong v ng ớc s ng ài

T nh ch t chung cho t t cả các lớp đối t ng tự nhiên là sự giảm xuống của giá trị phản x phổ ở ải s ng 2 – 3 μm Ch r ng trên đ ờng cong phổ của các đối t ng tự nhiên c 2 v ng giá trị phản x phổ th p 1.43 μm và 1.93 μm) do nguyên nhân h p th năng l ng s ng điện từ của n ớc

Khả năng phản x phổ của n ớc thay đổi th o ớc s ng của ức x chiếu tới và thành ph n vật ch t c trong n ớc Ngoài ra, khả năng phản x

phổ của n ớc c n ph thuộc vào ề m t n ớc và tr ng thái của n ớc Đối với

đ ờng ờ n ớc, ở ải s ng h ng ngo i và cận h ng ngo i c th phân iệt một cách r ràng N ớc c khả năng h p th r t m nh năng l ng ở ớc

s ng cận h ng ngo i và h ng ngo i, o đ năng l ng phản x s r t t Ở ải

s ng ài, khả năng phản x phổ của n ớc khá nhỏ nên c th sử ng các

kênh ở ải s ng ngoài đ xác định ranh giới n ớc – đ t liền [2 - 5]

Trong n ớc chứa nhiều thành ph n hữu c và vô c , cho nên khả năng phản x phổ của n ớc ph thuộc vào thành ph n và tr ng thái của n ớc N ớc

đ c c khả năng phản x phổ cao h n n ớc trong, nh t là ở ải s ng ài Hàm

l ng clorophyl c ng ảnh h ởng đến khả năng phản x phổ của n ớc giảm khả năng phản x phổ ở ải s ng ngắn, tăng ở ải s ng màu xanh lá cây Ngoài ra, một số yếu tố khác c ng ảnh h ởng đến khả năng phản x phổ của

n ớc, tuy không th hiện r rệt qua sự khác iệt của đ thị phổ: độ m n của

n ớc i n, hàm l ng kh m tan, oxi, nit , cac onic, trong n ớc

Trong đ là ức x rời khỏi m t n ớc, là ức x từ m t trời hay

ức x ngu n sáng đi tới m t n ớc

ức x ngu n sáng đi tới m t n ớc đ c xác định th o công thức sau:

tr ờng h p sử ng ữ liệu ảnh vệ tinh quang học nh SPOT, LANDSAT , giá trị k ph thuộc vào ớc s ng của từng kênh ảnh Mô tả a thành ph n đi

về đ u thu khi ức x m t trời tới m t n ớc đ c th hiện trên hình 3 ới đây [16, 26, 27]

Hình 2 2

Phản x vi n thám Rrs c mối quan hệ hữu c với phản x nội hàm

r sn l , phản x r sn l trên ề m t giao iện không kh – n ớc ̅, hệ số

kh c x của n ớc n, phản x trên m t n ớc – không kh ̅, đ ng thời là hàm

số của hệ số h p th của n ớc a và hệ số tán x của n ớc , với hệ số quan

hệ và đ c mô tả ng công thức sau:

o đ c đi m thu nhận, ảnh vi n thám quang học n i chung đ đ a vào

sử ng c n phải tiến hành hiệu ch nh ảnh h ởng của môi tr ờng kh quy n

Đ hiệu ch nh các ảnh h ởng của kh quy n đến ch t l ng ảnh, ảnh gốc c n iến đổi từ giá trị số nguyên igital num r – N về ảnh phản x ở đ nh kh quy n R top o atmosph ric – TOA ớc tiếp th o sử ng các mô hình hiệu ch nh kh quy n nh OS, COST, V iến đổi từ ảnh phản x ở TOA về phản x ề m t

Phản x R liên quan với đối t ng n ớc, c th là phản x rời khỏi

m t n ớc Rw thông qua công thức [26, 27]:

Ở đây, S là giá trị su t phân chiếu u trời al o

Từ các phân t ch trên c th kết luận, phản x vi n thám xác định từ t

liệu ảnh vệ tinh quang học tuân th o quy luật khách quan khi c t ng tác của ánh sáng vào đối t ng n ớc [27]

Tùy theo từng lo i n ớc sử d ng với m c đ ch khác nhau, s có một số tiêu chu n t ng ứng với m c đ ch sử d ng Một số ch tiêu c ản đ c dùng phổ biến trong quan trắc môi tr ờng n ớc m t là [9]:

1) Độ pH: là ch tiêu quan trọng đ ki m tra ch t l ng n ớc c p và

n ớc thải Dựa vào giá trị pH ta s quyết định ph ng pháp xử l , và điều

ch nh l ng và lo i hoá ch t thích h p trong quá trình xử lý

2) Độ axit và độ kiềm trong n ớc, độ aci trong n ớc tự nhiên là do

CO2 ho c các aci vô c gây ra Độ acid ảnh h ởng đến ch t l ng n ớc,và làm ăn m n thiết bị Độ kiềm cao trong n ớc s làm ảnh h ởng đến sự sống các sinh vật trong n ớc và gây nên độ cứng trong n ớc Ch tiêu này c n thiết cho quá trình làm mềm n ớc

3) Độ đ c: do các ch t rắn l lửng, các ch t hữu c phân r ho c do

động thực vật thủy sinh gây nên Độ đ c làm giảm khả năng truyền ánh sáng

do vậy ảnh h ởng đến quá trình quan h p ới n ớc độ đ c càng lớn, môi

tr ờng n ớc bị nhi m b n càng cao và c n phải có biện pháp xử lý

4) Độ cứng của n ớc bi u thị hàm l ng muối canxi và magie trong

n ớc Độ cứng trong n ớc s cho biết tình tr ng ch t l ng n ớc, c ng nh tình tr ng phát tri n của các loài thủy sinh trong n ớc

5) Hàm ƣ ng oxy hoà tan (dissolved oxygen – DO trong n ớc, oxy hoà

tan trong n ớc tham gia vào quá trình trao đổi ch t, uy trì năng l ng cho quá trình phát tri n, sinh sản và tái sản xu t cho các loài sinh vật ới n ớc Hàm

l ng oxy hòa tan cho ta biết ch t l ng n ớc, oxy hoà tan th p, n ớc có nhiều

ch t hữu c , nhu c u oxy hoá tăng nên tiêu th nhiều oxy trong n ớc, oxy hoà tan cao, n ớc nhiều rong tảo tham gia quang h p giải phóng oxy