ứng dụng viễn thám trong đánh giá môi trường nước lợ phục vụ nuôi trồng thủy sản

Với những lý do trên, luận văn nghiên cứu: “Ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá tổng hợp điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội phục vụ phát triển nuôi trồng thủy sản nước lợ Nghiên cứu trườ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

HOÀNG HẢI

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS ĐÁNH GIÁ TỔNG HỢP

ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI

PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN NUÔI TRỒNG THỦY SẢN NƯỚC LỢ

(NGHIÊN CỨU TRƯỜNG HỢP TẠI KHU VỰC

LONG THÀNH - NHƠN TRẠCH, TỈNH ĐỒNG NAI)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- HOÀNG HẢI

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS ĐÁNH GIÁ TỔNG HỢP

ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN NUÔI TRỒNG THỦY SẢN NƯỚC LỢ

(NGHIÊN CỨU TRƯỜNG HỢP TẠI KHU VỰC

LONG THÀNH - NHƠN TRẠCH, TỈNH ĐỒNG NAI)

Chuyên ngành : Bản đồ viễn thám và hệ thông tin địa lý

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Thị Bảo Hoa

XÁC NHẬN HỌC VIÊN ĐÃ CHỈNH SỬA THEO GÓP Ý CỦA HỘI ĐỒNG

Giáo viên hướng dẫn Chủ tịch hội đồng chấm luận văn

thạc sĩ khoa học

`

PGS.TS Đinh Thị Bảo Hoa TS Bùi Quang Thành

Hà Nội - 2019

i

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới

cô Đinh Thị Bảo Hoa, người đã tận tình hướng dẫn, động viên cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Tôi cũng xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến các thầy cô trong khoa Địa lý, gia đình, bạn bè và đặc biệt là những đồng nghiệp tại phòng Quản lý và Khai thác ảnh

vệ tinh, Trung tâm Điều khiển và Khai thác vệ tinh nhỏ, Viện Công nghệ vũ trụ đã

hỗ trợ, khích lệ, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2019

Tác giả luận văn

Hoàng Hải

ii

MỤC LỤC

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết 1

2 Câu hỏi nghiên cứu 3

3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 3

4 Phạm vi, đối tượng và giới hạn nghiên cứu 4

5 Phương pháp nghiên cứu 5

6 Cơ sở tài liệu 5

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6

8 Cấu trúc của luận văn 6

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7

1.1 Chỉ tiêu chất lượng nước trong nuôi trồng thủy sản 7

1.1.1 Nuôi trồng thủy sản 7

1.1.2 Chất lượng nước trong nuôi trồng thủy sản 7

1.1.3 Chlorophyll-a (Chl-a) trong nuôi trồng thủy sản 9

1.2 Ứng dụng viễn thám - GIS trong đánh giá chất lượng nước phục vụ nuôi trồng thủy sản 12

1.2.1 Ứng dụng viễn thám trong đánh giá chất lượng nước 12

1.2.2 Ứng dụng GIS trong đánh giá chất lượng nước 16

1.2.3 Sử dụng dữ liệu viễn thám trong nghiên cứu và đánh giá chất lượng nước 18

1.3 Cơ sở viễn thám và GIS trong đánh giá, giám sát chất lượng nước tại khu vực nghiên cứu 25

1.4 Phương pháp thực hiện 28

1.4.1 Lựa chọn thông số đánh giá chất lượng nước 28

1.4.2 Thu thập dữ liệu ảnh vệ tinh 32

1.4.3 Quy trình xử lý dữ liệu 33

1.4.4 Xây dựng công cụ phân tích dữ liệu viễn thám và GIS 35

CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ HỘI TÁC ĐỘNG TỚI PHÁT TRIỂN NUÔI TRỒNG THỦY SẢN TẠI KHU VỰC NGHIÊN CỨU 50

iii

2.1 Đặc điểm tự nhiên 50

2.1.1 Vị trí địa lý 50

2.1.2 Địa hình 51

2.1.3 Đặc điểm khí hậu và thời tiết 52

2.1.4 Tài nguyên thiên nhiên 53

2.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội 54

2.2.1 Tình hình phát triển kinh tế 54

2.2.2 Hiện trạng về hạ tầng 59

2.2.3 Nguồn nhân lực 60

2.3 Tình hình tái cơ cấu lĩnh vực thủy sản trong khu vực nghiên cứu 61

2.3.1 Quy hoạch chi tiết nuôi trồng thủy sản tập trung huyện Nhơn Trạch 61

2.3.2 Thực trạng 63

2.3.3 Tái cơ cấu ngành thủy sản 68

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN NUÔI TRỒNG THỦY SẢN NƯỚC LỢ TẠI KHU VỰC NGHIÊN CỨU 70

3.1 Kết quả của công cụ phần mềm 70

3.2 Đánh giá độ chính xác 75

3.2.1 Kết quả điều tra thực địa 75

3.2.2 So sánh kết quả tính toán trên ảnh và trên thực địa 81

3.3 Thảo luận 82

KẾT LUẬN 85

KIẾN NGHỊ 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

iv

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hàm lượng chất rắn lơ lửng được phân tích qua ảnh Landsat 8 tại cửa sông Đáy

(Ảnh chụp ngày 8, tháng 12, năm 2013) 15

Hình 1.2 Ảnh Landsat ETM+ chụp lưu vực sông với các kênh phổ khác nhau 20

Hình 1.3 Đặc tính phản xạ và hấp thụ của nước 27

Hình 1.4 Khoảng hấp thụ phổ của Chl-a và Chl-b 29

Hình 1.5 Sơ đồ dữ liệu ảnh VNREDSat-1 sử dụng trong khu vực nghiên cứu 33

Hình 1.6 Quy trình xử lý dữ liệu ảnh vệ tinh 34

Hình 1.7 Các hợp phần của phần mềm 38

Hình 1.8 Các dạng dữ liệu Vector 39

Hình 1.9 Các trường hợp giao cắt đối tượng dạng vùng 40

Hình 1.10 Phổ phản xạ các đối tượng phân tích trên ảnh VNREDSat-1 43

Hình 1.11 Ảnh khu vực nghiên cứu và sản phẩm tách nước 44

Hình 1.12 Sơ đồ phân bố phổ của các kênh phổ VNREDSat-1 47

Hình 2.1 Vị trí huyện Nhơn Trạch 50

Hình 2.2 Biểu đồ thống kê xu hướng diện tích nuôi trồng thủy sản tỉnh Đồng Nai 56

Hình 2.3 Bản đồ lớp phủ huyện Nhơn Trạch năm 2015 64

Hình 2.4 Bản đồ thủy văn huyện Nhơn Trạch năm 2015 65

Hình 2.5 Bản đồ nước mặt huyện Nhơn Trạch năm 2015 66

Hình 3.1 Giao diện hiệu chỉnh khí quyển cho ảnh VNREDSat-1 70

Hình 3.2 Ảnh trước và sau khi hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển 70

Hình 3.3 Công cụ tính toán Chlorophyll-a từ ảnh VNREDSat-1 71

Hình 3.4 Bản đồ phân bố hàm lượng Chlorophyll-a từ ảnh VNREDSat-1 chụp ngày 22/4/2017 71

Hình 3.5 Bản đồ vật chất lơ lửng chiết xuất từ ảnh VNREDSat-1 72

Hình 3.6 Sơ đồ các điểm mẫu thực địa 76

v

Hình 3.7 Biểu đồ giá trị Chl-a trong các ngày lấy mẫu (đợt 1) 78Hình 3.8 Biểu đồ giá trị Chl-a trong các ngày lấy mẫu (đợt 2) 79Hình 3.9 Biểu đồ Chl-a tại vị trí sông Thị Vải qua các ngày và giờ lấy mẫu 80Hình 3.10 Biểu đồ Chl-a tại khu vực nuôi trồng thủy sản qua các ngày và giờ lấy mẫu 80Hình 3.11 Biểu đồ Chl-a tại khu vực nước lặng ven sông Thị Vải qua các ngày và giờ lấy mẫu 81Hình 3.12 Kết quả tính toán Chl-a từ ảnh khu vực lấy mẫu và vị trí các điểm mẫu 81Hình 3.13 Tương quan giữa giá trị đo thực địa và kết quả tính từ ảnh 82

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn nước cho nuôi trồng thủy sản ……… 09

Bảng 1.2 Quan hệ giữa lượng Chlorophyll và chất lượng nước 11

Bảng 1.3 Đặc điểm một số loại dữ liệu VT trong nghiên cứu tài nguyên nước 22

Bảng 1.4 Dữ liệu ảnh VNREDSat-1 đã thu thập được ……… 32

Bảng 2.1 Thống kê diện tích thành phần nước mặt huyện Nhơn Trạch năm 2015 66

Bảng 3.1 Hàm lượng Chl-a và SPM của các cảnh ảnh VNREDSat-1 khu vực nghiên cứu……… 73

Bảng 3.2 Kết quả phân tích mẫu nước đợt 1 77

Bảng 3.3 Kết quả phân tích mẫu nước đợt 2 78

Bảng 3.4 Giá trị Chl-a thực địa và trên ảnh (đơn vị µg/L) 82

Ngày 18/7/2016, UBND tỉnh Đồng Nai đã ra quyết định số 2253/QĐ-UBND Phê duyệt Kế hoạch thực hiện tái cơ cấu lĩnh vực thủy sản giai đoạn 2016 -2020, định hướng đến năm 2030 Điều này đã thể hiện vị thế quan trọng của ngành thủy sản tại tỉnh Đồng Nai Với mục tiêu “Tận dụng triệt để các lợi thế, khắc phục các khó khăn để phát triển ngành thủy sản của tỉnh”, một trong những nhiệm vụ được đặt ra là cần phải quy hoạch hợp lý, hiệu quả, phù hợp với điều kiện thực tế Theo

đó, khu vực xã Phước An, huyện Nhơn Trạch đã được quy hoạch đầu tư xây dựng

cơ sở hạ tầng để phát triển nuôi trồng thủy sản; đây cũng là khu vực được lựa chọn

để tập trung nghiên cứu, điều tra, khảo sát thực địa

Tuy nhiên, một trong những khó khăn, hạn chế khi thực hiện công tác quy hoạch, phát triển nuôi trông thủy sản trong khu vực nghiên cứu là các thông tin về chất lượng nước còn chưa đầy đủ Mặc dù, Chi cục Thủy sản, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã có những trạm đo nhưng số lượng còn ít, số liệu vẫn còn hạn chế; đồng thời chỉ tập trung vào một số khu vực nhất định Do vậy, các số liệu còn chưa đồng nhất trên diện rộng,và chưa có tính chu kỳ trong thời gian dài Điều này dẫn đến những khó khăn nhất định cho việc cung cấp thông tin cho quy hoạch Bên cạnh đó, theo quy hoạch tổng thể của tỉnh tại khu vực Long Thành – Nhơn Trạch, không chỉ có sân bay quốc tế mà còn có nhiều các khu công nghiệp với các quy mô lớn, nhỏ các cơ sở hạ tầng giao thông, cấp nước, xử lý nước thải đang được thiết kế, cấp phép triển khai Như vậy, trong tương lai, chất lượng nước khu vực này có thể bị ảnh hưởng bởi nước thải hoạt động của các khu công nghiệp,

dự án ở đây và qua đó, ảnh hưởng không nhỏ đến công tác quy hoạch, phát triển

2

nuôi trồng hải sản trong khu vực Vì vậy, giám sát chất lượng nước trong khu vực là yêu cầu cần thiết, phục vụ thiết thực công tác quản lý, quy hoạch phát triển nuôi trồng thủy sản tại đây

Việc ứng dụng công nghệ viễn thám vào ngành thủy sản đã và đang có những thay đổi nhanh chóng và tích cực Tuy vậy, đây vẫn là lĩnh vực ứng dụng còn chưa mạnh, hầu hết là để phục vụ quản lý mang tính chất cục bộ, nên dẫn đến dữ liệu còn manh mún Mặt khác, tính khả thi và mức độ thành công phụ thuộc rất nhiều vào dữ liệu đầu vào, đây là thứ mà ngành còn đã và đang thiếu Vấn đề quản lý nuôi trồng, quy hoạch và phát triển sẽ gặp không ít khó khăn Trong đó, việc theo dõi biến động nuôi trồng thủy sản sẽ được đặt lên hàng đầu thông qua việc giám sát chất lượng nước để đưa ra các đánh giá về quy hoạch nuôi trồng, nhằm xác định tính tương thích cao nhất cho từng vùng, cũng như phát hiện ô nhiễm nguyên nhân gây dịch bệnh cho vật nuôi

Với những ưu điểm như độ phủ rộng, có tính lịch sử, kế thừa, tính thời sự, tính đồng nhất và tương quan cao của nhiều đối tượng trong cùng một thời điểm, dữ liệu viễn thám cho phép cập nhật thông tin một cách chính xác nhất, hiệu quả nhất đồng thời giảm thời gian, kinh phí, đặc biệt là cho các khu vực rộng lớn Bên cạnh đó, GIS là một công cụ thực sự hữu hiệu không chỉ cho nghiên cứu đánh giá vùng thích nghi nuôi trồng thủy sản mà còn cho rất nhiểu các lĩnh vực khác Tuy nhiên, khi sử dụng công cụ này vào đánh giá thích nghi cần phải kết hợp với điều tra đánh giá điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế xã hội, các chỉ số môi trường vùng nuôi, chất lượng nước, để đưa ra các thông tin đầy đủ và chính xác nhất, hỗ trợ đề xuất quy hoạch vùng nuôi thực sự có hiệu quả và bền vững

Với những lý do trên, luận văn nghiên cứu: “Ứng dụng viễn thám và GIS

đánh giá tổng hợp điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội phục vụ phát triển nuôi trồng thủy sản nước lợ (Nghiên cứu trường hợp tại khu vực Long Thành - Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai)” đã được chọn nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng công

nghệ viễn thám và GIS ở địa phương, góp phần thúc đẩy sự tham gia của các ứng dụng sử dụng ảnh viễn thám và GIS trong phát triển kinh tế xã hội Thực tế cho thấy

3

rằng, người sử dụng trực tiếp các dữ liệu này thường có chuyên môn về viễn thám khá hạn chế, mà chỉ chuyên sâu về lĩnh vực thủy sản Vì vậy, không dễ để có thể khai thác hiệu quả dữ liệu ảnh viễn thám thông qua các phần mềm xử lý ảnh thương mại phổ biến hiện nay Do đó, nghiên cứu này sẽ tập trung phân tích các đặc điểm

tự nhiên và đặc điểm kinh tế xã hội tại khu vực, từ đó phát triển một công cụ phần mềm trên cơ sở mã nguồn mở, sử dụng ngôn ngữ tiếng Việt và giảm thiểu thao tác

xử lý chiết tách thông tin từ dữ liệu ảnh, nhằm giúp người dùng có thể dễ dàng thực hiện các bước thu thập thông tin từ ảnh viễn thám để trợ giúp một cách tốt nhất cho việc quy hoạch nuôi trồng thủy sản nói chung, nuôi trồng thủy sản nước lợ nói riêng Trong giới hạn nghiên cứu, dữ liệu ảnh viễn thám của Việt nam hiện nay là ảnh vệ tinh VNREDSat-1 được sử dụng để phân tích và đánh giá chỉ số hàm lượng Chlorophyll-a trong chất lượng môi trường nước

2 Câu hỏi nghiên cứu

- Yếu tố chất lượng nước nào của điều kiện tự nhiên ảnh hưởng đến phát

triển nuôi trồng thủy sản nước lợ tại khu vực nghiên cứu?

- Liệu dữ liệu ảnh viễn thám nói chung, ảnh VNREDSat-1 của Việt Nam nói riêng có thể cung cấp thông tin về chất lượng nước không? Có thể xây dựng một phần mềm đơn giản, dễ sử dụng nhằm ứng dụng rộng rãi việc chiết tách thông số chất lượng nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh này

3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

- Mục tiêu nghiên cứu:

+ Ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá biến động chất lượng nước thông

qua hai chỉ số hàm lượng Chlorophyll-a và SPM phục vụ phát triển nuôi trồng thủy

sản nước lợ của khu vực nghiên cứu

+ Xác định khả năng ứng dụng ảnh VNREDSat-1 trong giám sát chất lượng nước, hỗ trợ công tác nuôi trồng thuỷ hải sản Từ đó, xây dựng một công cụ phần mềm mã nguồn mở nhằm đưa ứng dụng dữ liệu ảnh viễn thám được phổ biến đến người dùng

- Nhiệm vụ nghiên cứu:

4

+ Thu thập và phân tích tổng quan các nguồn tài liệu về đặc điểm tự nhiên, đặc điểm kinh tế xã hội, hiện trạng sử dụng đất, các quy hoạch – điều chỉnh quy hoạch tại khu vực nghiên cứu

+ Xây dựng cơ sở dữ liệu khoa học trợ giúp quy hoạch, quản lý nuôi trồng thủy sản nước lợ tại khu vực

+ Điều tra, khảo sát thực địa, lấy mẫu nước và phân tích các chỉ số chất lượng nước

+ Nghiên cứu đặc điểm của dữ liệu ảnh viễn thám VNREDSat-1 Từ đó cho thấy khả năng chiết tách các thông số chất lượng nước (Chlorophyll-a và độ đục - SPM) từ dữ liệu ảnh VNREDSat-1

+ Xây dựng công cụ phần mềm mã nguồn mở tiếng Việt để xử lý, chiết tách thông số chất lượng nước Chlorophyll-a và SPM từ ảnh VNREDSat-1

4 Phạm vi, đối tượng và giới hạn nghiên cứu

- Phạm vi không gian: Do các đặc điểm tự nhiên về vùng nước lợ, lưu vực

sông Thị Vải, thuộc huyện Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai được lựa chọn tập trung nghiên cứu Trong đó, thực hiện khảo sát thực địa khu vực xã Phước An, huyện Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai

- Đối tượng nghiên cứu: Các nghiên cứu chỉ ra rằng khả năng sử dụng viễn

thám trong đánh giá chất lượng nước phục vụ cho nuôi trồng thủy sản rất hiệu quả

Từ ảnh vệ tinh có thể xác định được các tham số như vật chất lơ lửng,

Chlorophyll-a (Chl-Chlorophyll-a) và vật chất hữu cơ hòChlorophyll-a tChlorophyll-an có màu Trong các thChlorophyll-am số này, thChlorophyll-am số Chl-Chlorophyll-a thể hiện sự phong phú của thực vật phù du hay sự phú dưỡng của nước và là tham

số có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước trong các ao nuôi thủy sản Nước có

sự phú dưỡng thấp sẽ có ít thức ăn cho các loại thủy sản, ngược lại độ phú dưỡng cao sẽ làm thiếu ô xi trong nước Do đó, tham số này được lựa chọn nghiên cứu để giám sát chất lượng nước phục vụ công các quy hoạch nuôi trồng thủy sản trong khu vực nghiên cứu

- Giới hạn nghiên cứu: Qua phân tích, tổng hợp các yếu tố tự nhiên và điều

kiện kinh tế xã hội của khu vực, có thể thấy tác động của hàm lượng Chl-a và SPM

5

trong chỉ tiêu chất lượng nước ảnh hưởng rất lớn đến nuôi trồng thủy sản nói chung, nuôi trồng thủy sản nước lợ nói riêng tại khu vực nghiên cứu Chính vì vậy, nghiên cứu này sẽ tập trung phát triển và sử dụng công nghệ viễn thám và GIS cụ thể là phát triển một công cụ phần mềm GIS mã nguồn mở để đánh giá các chỉ số này ảnh hưởng như thế nào đến phát triển nuôi trồng thủy sản tại khu vực

5 Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp thu thập, tổng hợp, phân tích và kế thừa thông tin tài liệu: về hiện trạng kinh tế xã hội, điều kiện tự nhiên môi trường, các nghiên cứu và tài liệu có liên quan đến luận văn

 Phương pháp viễn thám: xử lý dữ liệu ảnh vệ tinh, chiết tách thông tin chuyên đề về Chl-a và độ đục

 Phương pháp điều tra khảo sát thực địa, thu thập mẫu: Mẫu nước được lấy chủ yếu tại 3 địa điểm ở lưu vực sông Thị Vải, xã Phước An, huyện Nhơn Trạch vào 2 thời điểm tháng 4 và tháng 10 năm 2017 Sau phân tích, thu được chỉ số hàm lượng Chlorophyll-a

 Phương pháp GIS phân tích, xử lý ảnh vệ tinh, vẽ bản đồ: giải đoán, chiết tách thông tin từ ảnh vệ tinh, điều vẽ trên máy tính, sử dụng GIS để chồng lớp thông tin nền và thành lập các bản đồ, nội suy sự phân bố chỉ tiêu chất lượng nước bằng hình ảnh và kết quả thực địa thông qua các điểm phân tán lấy mẫu nước đã thu thập được

 Phương pháp lập trình mã nguồn mở: Phát triển công cụ phân tích dữ liệu GIS và viễn thám dựa trên nền tảng hệ điều hành mã nguỗn mở Linux - Ubuntu và ngôn ngữ lập trình Python

6 Cơ sở tài liệu

- Ảnh VNREDSat-1 ngày 15/4/2015 và ngày 22/4/2017 với độ phân giải không gian đối với ảnh toàn sắc là 2,5m; đối với ảnh đa phổ tương ứng là 10m; độ rộng của cảnh ảnh là 17,5 km; 4 kênh đa phổ ( blue, green, NIR, red); thời gian chụp lặp lại: 3 ngày

- Bản đồ sử dụng đất tỉnh Đồng Nai tỷ lệ 1:50.000 thành lập năm 2010

- Dữ liệu thống kê kinh tế - xã hội: Niên giám thống kê tỉnh Đồng Nai

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Về khoa học:

Khẳng định dữ liệu ảnh VNREDSat-1 của Việt Nam có thể cung cấp thông tin

về các chỉ số của chất lượng nước Các thông tin này có thể sử dụng vào các ứng dụng khác có liên quan; gợi ý thêm cho các nhà nghiên cứu về việc sử dụng các chỉ

số chất lượng nước tùy theo đặc điểm các vùng khác nhau Kết quả của luận văn có thể bổ sung, nâng cao năng lực ứng dụng GIS và viễn thám tại địa phương về xử lý ảnh viễn thám, chiết tách thông tin từ ảnh viễn thám

Ý nghĩa thực tiễn:

Từ nguồn dữ liệu ảnh viễn thám VNREDSat-1, luận văn đã sử dụng các mô hình tính toán hiện đang được sử dụng rộng rãi để xác định được các tham số liên quan đến chất lượng nước là Chlorophyll-a, SPM Kết hợp với bản đồ hiện trạng lớp phủ, các công cụ GIS sẽ cho phép nhà quản lý lựa chọn được các khu vực phù hợp phát triển nuôi trồng thủy sản bền vững tại khu vực nghiên cứu

8 Cấu trúc của luận văn

Luận văn bao gồm 03 chương cùng với phần Mở đầu, Kết luận, Kiến nghị, Tài liệu tham khảo Dưới đây là tiêu đề các chương:

Chương 1: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

Chương 2: Các yếu tố tự nhiên và kinh tế xã hội tác động tới phát triển nuôi trồng thủy sản tại khu vực nghiên cứu

Chương 3: Ứng dụng viễn thám và GIS phục vụ phát triển nuôi trồng thủy sản nước lợ tại khu vực nghiên cứu

7

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.1 Chỉ tiêu chất lượng nước trong nuôi trồng thủy sản

1.1.1 Nuôi trồng thủy sản

Nuôi trồng thủy sản là bất kỳ phương tiện gì của con người nhằm cải thiện tăng trưởng của một thủy sinh vật nào đó trong một diện tích mặt nước nhất định Nuôi trồng thủy sản là một hay nhiều sự tác động của con người nhằm can thiệp vào chu kỳ sống tự nhiên của một loài thủy sinh vật

Theo FAO (1988): Nuôi trồng thủy sản là nuôi các thủy sinh vật bao gồm cá, nhuyễn thể, giáp xác, và thủy thực vật Nuôi thủy sản hàm ý một số hình thức can thiệp trong quá trình nuôi để thúc đẩy sản xuất chẳng hạn thả giống đều đặn, cho ăn, bảo vệ khỏi địch hại, v.v… Về mặt sở hữu cũng bao gồm cá thể và tập thể đối với các đối tượng nuôi

Hiện nay, nuôi trồng thuỷ sản được coi là ngành kinh tế mũi nhọn của nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam Nuôi trồng thuỷ sản có vai trò quan trọng không chỉ đối với việc gia tăng sản lượng thuỷ sản, mang lại nguồn thu cho quốc gia, cải thiện đời sống mà còn giúp tái tạo và bảo vệ nguồn gen và môi trường sinh thái Trong lĩnh vực nuôi trồng thuỷ sản, việc ứng dụng khoa học công nghệ tiên tiến ngày càng phổ biến và công nghệ viễn thám và GIS cũng là một trong số đó

Nuôi trồng thuỷ sản mặn, lợ: là thuật ngữ bao hàm tất cả các hình thức nuôi

động vật và trồng thực vật thuỷ sinh trong các môi trường nước lợ và nước mặn (như cửa biển, đại dương )

1.1.2 Chất lượng nước trong nuôi trồng thủy sản

Chất lượng nước đối với người nuôi trồng thủy sản chính là chất lượng nước cho phép nhân giống thành công các sinh vật mong muốn Mật độ nuôi thả trong nuôi trồng thủy sản thường lớn hơn gấp ngàn lần so với môi trường hoang dã Các yêu cầu về chất lượng nước sẽ được quyết định bởi giống sinh vật được nuôi trồng

và các thành phần khác đan xen vào nhau Đôi khi một thành phần có thể được xử

lý một cách riêng biệt, nhưng do tính chất tương tác phức tạp giữa chúng, một hỗn

Có rất nhiều tham số để đánh giá chất lượng nước Mỗi nhóm tham số lại có những phương pháp đo đạc, xác định khác nhau

Các thông số lý học

- Nhiệt độ (biến động theo ngày và theo mùa)

- Độ mặn (biến động theo thủy triều và theo mùa)

- Hạt (chất rắn): thành phần (hữu cơ và vô cơ), kích thước, hàm lượng

- Màu sắc

- Ánh sáng: tổng năng lượng chiếu sáng hằng năm, cường độ năng lượng bức

xạ, chất lượng ánh sáng, thời gian chiếu sáng (chu kỳ trong ngày)

Các thông số hoá học

- pH và độ kiềm

- Khí: tổng áp suất khí, oxy, nitơ, CO2, H2S

- Chất dinh dưỡng: các hợp chất nitơ, các hợp chất photpho, kim loại vi lượng

và sự hình thành

- Các hợp chất hữu cơ: dễ phân hủy, không phân hủy

- Các hợp chất độc: kim loại nặng, bioxit

9

dõi sự phát triển của các loại thủy sinh vật như tảo có thể gián tiếp đánh giá được chất lượng môi trường nước

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn nước cho nuôi trồng thủy sản

1.1.3 Chlorophyll-a (Chl-a) trong nuôi trồng thủy sản

Thông thường, khi nhắc đến Chlorophyll chúng ta sẽ nghĩ ngay đến tảo Tảo còn được gọi là tản thực vật thallophytes, là những thực vật thiếu rễ, thiếu là và

10

thiếu cả thân, bù lại chúng có Chlorophyll đóng vai trò như sắc tố quang hợp sơ cấp Chlorophyll-a (Chl-a) là sắc tố chính tham gia quá trình quang hợp của tảo và oxygen được phóng thích từ quá trình quang hợp này

Tất cả các thực vật phiêu sinh vật đều có chứa Chl-a Các phiêu sinh vật này

có thể là thực vật phù du hoặc động vật phù du Thực vật phù du là các loại thủy sinh vật cực nhỏ, ít hoặc không chịu được dòng chảy và sống trôi nổi lơ lửng trong nước sạch, nước lợ hoặc nước biển tùy từng loại Các phiêu sinh vật có thể là đơn bào, là ký sinh vật, hoặc có thể là dạng nhiều sợi nhỏ

Hàm lượng Chl-a có liên quan mật thiết với sinh khối của các thực vật phiêu sinh vật này, và nó là một chất chỉ thị của lượng tảo Chl-a được sử dụng để đánh giá chất lượng sơ bộ ban đầu của nguồn nước Nhất là hiện nay việc nuôi thủy sản đang được gia tăng thì Chl-a cũng đóng vai trò là một trong các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước đảm bảo cho sự phát sản thủy sản nuôi Hàm lượng Chl-a trong tảo thông thường chiếm khoảng 1-2% trọng lượng khô của tảo [7]

Hầu hết các tảo cát đều phát triển tốt ở nhiệt độ 12 - 25°C trong khi tảo lục phát triển tốt ở 35°C và cao hơn Lượng phiêu sinh vật phát triển nhiều vào mùa hè trong thời gian có nhiều ánh nắng mặt trời chiếu vào nước, nhưng trong mùa mưa, các chất lơ lửng gia tăng làm cản trở năng lượng từ ánh sáng mặt trời Một số tảo lục, tảo mắt và dinoflagellate có thể phát triển trong môi trường oxy thấp và lượng dinh dưỡng vô cơ cao, điều này xảy ra trong nước phú dưỡng Nhóm tảo lục thích sống trong nước nghèo dinh dưỡng, đó là môi trường nước sạch và có độ cứng thấp, nhóm này cũng thích môi trường pH 4 - 6.5 hơn trong khi tảo lam thích môi trường

có pH 9 - 10 Tuy vậy, phiêu sinh vật thường có tỷ lệ phát triển cao trong nước phú dưỡng, vì vậy nồng độ Chl-a có thể chỉ thị tình trạng nước như sau:

11

Bảng 1.2 Quan hệ giữa lượng Chlorophyll và chất lượng nước

Nghèo dinh dưỡng

Dinh dưỡng trung bình

Phú dưỡng Đại phú

dưỡng Chl-a

(μg/l, mg/m3)

Hiện tượng Chlorophyll thay đổi theo thời gian là một hiện tượng tự nhiên Nồng độ Chlorophyll cao sau những cơn mưa, đặc biệt là mưa có đem theo nhiều chất dinh dưỡng vào nguồn nước Nồng độ Chlorophyll cao thường vào các tháng mùa hè khu nhiệt độ cao và cường độ ánh sáng cao Chế độ thủy triều cũng là một vấn đề quan trọng trong việc kiểm soát nồng độ này Thủy triều mạnh sẽ làm xáo trộn và nồng độ Chlorophyll sẽ giảm vì thời gian lưu lại của tảo ở vùng ánh sáng giảm Thủy triều xáo trộn làm tăng chất rắn lơ lửng và tăng độ đục do đó làm giảm lượng ánh sáng cho quá trình quang hợp Việc tăng nồng độ Chlorophyll có thể phản ánh được lượng chất dinh dưỡng cũng tăng

Thực vật phù du đóng một vai trò quan trọng trong việc ổn định hệ sinh thái của toàn bộ ao và trong việc giảm thiểu những biến động của chất lượng nước Quần thể thực vật phù du thích hợp làm phong phú thêm hàm lượng oxy thông qua quang hợp dưới ánh sáng ban ngày và làm giảm mức độ khí CO2, NH3, NO2 và H2S Phát triển quần thể thực vật phù du lành mạnh có thể làm giảm các chất độc hại vì thực vật phù du có thể tiêu thụ NH4 và kết hợp với kim loại nặng …

Do Chl-a thể hiện mối tương tác giữa dinh dưỡng môi trường, các yếu tố khí hậu và sự phát triển của quần thể sinh vật trong môi trường nên nó trở thành một thông số quan trọng trong việc giám sát chất lượng nước nói riêng và môi trường nói chung

Cũng đã có các đề tài, dự án liên quan đến theo dõi, kiểm soát chất lượng nước

ở tỉnh Đồng Nai như ứng dụng mô hình SWAT và chỉ số chất lượng nước đánh giá chất lượng nước mặt tại lưu vực sông La Ngà và xây dựng phần mềm quản lý tổng hợp số liệu quan trắc chất lượng nước mặt lưu vực hệ thống sông Đồng Nai dựa trên công nghệ WebGIS Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu sử dụng số liệu quan trắc từ mẫu thực tế, chưa sử dụng nhiều và sâu rộng các dữ liệu viễn thám nên có thể chưa phải là cách tiếp cận hiệu quả [1]

Các tài liệu thu thập được đã minh chứng rằng viễn thám và GIS có khả năng ứng dụng trong giám sát, đánh giá chất lượng nước phục vụ nuôi trồng thủy sản nói riêng cũng như trợ giúp quy hoạch phát triển kinh tế, xã hội nói chung Các nghiên cứu cũng cho thấy bài toán quy hoạch là bài toán đa nghành được quyết định bởi các nhà quản lý GIS và viễn thám ở đây có thể sử dụng hiệu quả với vai trò như một công cụ trợ giúp cung cấp thông tin một cách nhanh chóng với quy mô lớn, tiết kiệm thời gian và kinh phí lại mang lại hiệu quả cao

1.2.1 Ứng dụng viễn thám trong đánh giá chất lượng nước

Chất lượng nước là một thành phần quan trọng quyết định sự tồn tại của nhiều lợi ích mà con người đang hưởng lợi bao gồm lương thực, năng lượng, văn hóa và điều tiết tự nhiên Rất nhiều những hoạt động của con người nằm trong mối ràng buộc chặt chẽ với hệ sinh thái đã đặt ra nhu cầu nắm bắt thông tin về sức khỏe của

13

nó, điều này thúc đẩy triển khai các hoạt động quan trắc chất lượng nước, tuy nhiên thách thức là không nhỏ

Các lưu vực sông hiện đại đang trở nên rất phức tạp với nhiều thành phần, tạo

ra khó khăn cho nổ lực phát triển được một bộ tiêu chuẩn chất lượng nước tổng hợp, đáp ứng nhu cầu của tất cả các thành phần để làm cơ sở xây dựng các chế độ và công trình quan trắc Hơn thế nữa, các mối quan hệ phức tạp giữa các thành phần trong một lưu vực, cũng như các yếu tố khó dự đoán khác cũng đều đang ảnh hưởng đến chất lượng nước, gây ra khó khăn trong việc xác định nguồn ô nhiễm Tuy nhiên, thử thách lớn nhất xuất hiện khi đưa tất cả các vấn đề nêu trên vào xem xét giải quyết dưới hỗ trợ của các công trình và phương thức quan trắc truyền thống hiện có, bài toán không thể được giải quyết một cách hoàn toàn Tốn kém về thời gian, tài chính và đặc điểm quan trắc rời rạc theo điểm là ba hạn chế lớn của cách tiếp cận này, đặc biệt tại các lưu vực thiếu thốn các công trình quan trắc và nhân lực thực hiện quan trắc Trong bối cảnh nêu trên, công nghệ viễn thám được đưa vào xem xét và xem như chìa khóa giải quyết các thách thức

Công nghệ viễn thám là một phần của công nghệ vũ trụ, tuy mới phát triển nhưng đã nhanh chóng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và được phổ biến rộng rãi

ở các nước phát triển Công nghệ viễn thám đã trở thành phương tiện chủ đạo cho công tác giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường ở cấp độ từng nước, từng khu vực và trong phạm vi toàn cầu Khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám ngày càng được nâng cao, đây là lý do dẫn đến tính phổ cập của công nghệ này

Viễn thám là khoa học thu nhận, xử lý và suy giải các hình ảnh thu nhận từ trên không của trái đất để nhận biết được các thông tin về đối tượng trên bề mặt trái đất mà không cần tiếp xúc nó Viễn thám thu nhận thông tin khách quan về bề mặt trái đất và các hiện tượng trong khí quyển nhờ các máy thu (sensor) được đặt trên máy bay, vệ tinh nhân tạo, tầu vũ trụ hoặc đặt trên các trạm quỹ đạo Công nghệ viễn thám có những ưu việt như sau:

14

 Độ phủ trùm không gian rộng lớn của tư liệu bao gồm các thông tin về tài nguyên, môi trường trên bề mặt của Trái đất gồm cả những khu vực rất khó đến được như rừng nguyên sinh, đầm lầy hay các hải đảo;

 Có khả năng giám sát sự biến đổi của tài nguyên, môi trường Trái đất do chu kỳ quan trắc lặp lại và liên tục trên cùng một đối tượng trên mặt đất của các máy thu viễn thám Khả năng này cho phép công nghệ viễn thám ghi lại được các biến đổi của tài nguyên, môi truờng giúp công tác giám sát, kiểm kê tài nguyên thiên nhiên và môi trường trở nên dễ dàng;

 Sử dụng các dải phổ đặc biệt, khác nhau để quan trắc các đối tượng (ghi nhận đối tượng), nhờ khả năng này mà tư liệu viễn thám được ứng dụng cho nhiều mục đích, trong đó có nghiên cứu về khí hậu, nhiệt độ của trái đất, giám sát và đánh giá chất lượng nước ;

 Cung cấp nhanh các tư liệu ảnh số có độ phân giải cao và siêu cao, là dữ liệu cơ bản cho việc thành lập và hiện chỉnh hệ thống bản đồ quốc gia và

hệ thống cơ sở dữ liệu địa lý quốc gia

Với những ưu điểm trên, công nghệ viễn thám đang trở thành công nghệ chủ đạo cho quản lý, giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi truờng ở nước ta hiện nay Viễn thám, khi được kết hợp với các phương pháp quan trắc truyền thống sẽ mang lại hiệu quả rất đáng mong đợi, nhất là khi chất lượng của ảnh vệ tinh được cung cấp miễn phí đang ngày được cải thiện với độ phân giải cao hơn Năm ưu điểm nổi bật nhất của cách kết hợp này:

 Cung cấp cái nhìn tổng quát vùng quan trắc để theo dõi hiệu quả hơn những thay đổi theo không gian và thời gian;

 Cung cấp đồng thời thông tin chất lượng nước tại nhiều vị trí trên một diện tích lớn tại cùng một thời điểm;

 Cung cấp chuỗi số liệu toàn diện nhiều năm chỉ ra xu hướng thay đổi của chất lượng nước theo thời gian;

 Cung cấp một công cụ hỗ trợ quyết định mức độ ưu tiên các vị trí, thời gian thực hiện điều tra, khảo sát và lấy mẫu nước;

1970, viễn thám đã và đang được áp dụng rộng rãi bởi nhiều tổ chức và các chuyên

gia hàng đầu Thế giới trong các nghiên cứu của họ Caio (2015) đã thực hiện tìm kiếm các ấn phẩm công bố trên các tạp chí Quốc tế có sử dụng từ khóa "viễn thám"

và "dịch vụ hệ sinh thái", nghiên cứu đã tìm được 5920 ấn phẩm phù hợp với tiêu chí tìm kiếm là sử dụng từ khóa “dịch vụ sinh thái” trong khoảng thời gian từ 1960 đến 2013 và trong số đó, 211 nghiên cứu đã được tìm thấy đề cập trực tiếp đến từ khóa "viễn thám" như là phương pháp để giải quyết các bài toán liên quan đến “dịch

vụ sinh thái” Bên cạnh đó, đã có một loạt các nghiên cứu của Jerry C Ritchievà những người khác xác định các thông số kỹ thuật như xác định dải bước sóng phù

16

hợp để quan trắc hàm lượng chất lơ lửng, chlorophyll-a, hay các thuật toán chuyển đổi thông tin phản xạ/bức xạ thành giá trị của các thông số chất lượng nước [8,9] Hạn chế của kỹ thuật viễn thám là sự phụ thuộc vào độ phân giải của ảnh, và

độ che phủ của mây Hiện tại, có rất nhiều nguồn cung cấp ảnh miễn phí, tuy nhiên

vì độ phân giải thấp nên các nghiên cứu chủ yếu tập trung tại các hồ chứa nước lớn, các cửa sông rộng và đại dương Tuy vậy, bởi những ưu điểm to lớn và sự phát triển của Khoa học kỹ thuật, các dự án như Landsat hay Sentinel đã và sẽ mang lại nguồn

dữ liệu khổng lồ và ngày càng nâng cấp độ phân giải để phù hợp với nhu cầu nghiên cứu tại các con sông nhỏ, các hồ chứa trung bình và nhỏ Kỹ thuật viễn thám hứa hẹn sẽ là cách tiếp cận của tương lai, đi cùng với sự phát triển của con người

1.2.2 Ứng dụng GIS trong đánh giá chất lượng nước

Ở bất kỳ một ngành khoa học kỹ thuật hay kinh tế - xã hội, chúng ta đều có thể bắt gặp thuật ngữ “hệ thống thông tin” và các phương pháp xử lý thông tin khác nhau tuỳ theo từng lĩnh vực như hệ thống thông tin ngân hàng, hệ thống thông tin

hồ sơ bệnh nhân, hệ thống thông tin dân số … Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, thông tin hiện nay đã ngày càng đáp ứng và giải quyết được những bài toán lớn mà thực tế đặt ra Trong lĩnh vực hoạt động xă hội, thông tin là huyết mạch chính của các công cụ quản lý Đó là quản lý xã hội nói chung và quản lý đất đai nói riêng, cho dù sử dụng công cụ nào thô sơ hay hiện đại đều gói gọn trong hai quá trình là thu thập và xử lý thông tin Thông tin đất là tất cả các thông tin liên quan đến đất đai, thông tin đất đai thường được thể hiện bằng Hệ thống thông tin Địa lý GIS là một phần của công nghệ thông tin được hình thành vào những năm

1960 và phát triển mạnh trong 15 năm trở lại đây Đây là ngành khoa học tự nhiên

có tính chất liên ngành, liên quan đến các chuyên ngành địa lý, công nghệ thông tin, toán ứng dụng, tài nguyên thiên nhiên, môi trường, khoa học đất, quản lý đất đai, lâm nghiệp… Tại Việt Nam, từ những năm thập niên 90 đã bắt đầu quan tâm tới GIS và việc ứng dụng GIS được đưa rộng rãi vào hoạt động các lĩnh vực để nâng cao hiệu quả công tác quản lý Nhà nước Trong lĩnh vực quản lý đất đai, GIS nhận được sự quan tâm rất lớn của nhiều địa phương trong cả nước, một số địa phương

Xu hướng hiện nay trong quản lý môi trường là sử dụng tối đa khả năng cho phép của GIS Sự phát triển của phần cứng làm cho máy tính có nhiều khả năng hơn, mạnh hơn và các ứng dụng GIS cũng trở nên thân thiện hơn với người sử dụng bởi các khả năng hiển thị dữ liệu ba chiều, các công cụ phân tích không gian và giao diện tuỳ biến

Nhờ khả năng xử lý các tập hợp dữ liệu lớn từ các cơ sở dữ liệu phức tạp, nên GIS thích hợp với các nhiệm vụ quản lý môi trường Các mô hình phức tạp cũng có thể dễ dàng cập nhật thông tin nhờ sử dụng GIS Qua đó, GIS được sử dụng để cung cấp thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn cho các nhà hoạch định chính sách Các cơ quan chính phủ dùng GIS trong quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên, trong các hoạt động quy hoạch, mô hình hoá và quan trắc

GIS cũng được sử dụng để đánh giá các sự cố môi trường Các cơ quan chính phủ và địa phương phải đối phó nhanh chóng với thiên tai, các rủi ro trong công nghiệp và các sự cố môi trường Thông tin địa lý là những thông tin quan trọng để đưa ra những quyết định một cách nhanh chóng Các phân tích GIS phụ thuộc vào chất lượng, giá trị và tính tương thích của các dữ liệu địa lý dạng số

Việc chia xẻ dữ liệu sẽ kích thích sự phát triển các nhu cầu về sản phẩm và dịch vụ GIS Các nguồn dữ liệu tăng thêm nhờ sự kết hợp của GIS với GPS (hệ thống định vị toàn cầu) và công nghệ viễn thám, đã cung cấp các công cụ thu thập

dữ liệu hiệu quả hơn

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 Công nghệ Tài nguyên Trái đất, 1), các nhà khoa học đã sử dụng dữ liệu viễn thám từ các bộ cảm biến khác nhau để

ERTS-mô tả, lập bản đồ, phân tích và lập ERTS-mô hình bề mặt Trái đất và các quá trình trên đó Với sự xuất hiện phong phú của các vệ tinh quan sát Trái Đất, viễn thám đã trở thành một công cụ quan trọng để phân tích các đặc điểm bề mặt trái đất và vì thế cung cấp thông tin có giá trị cần thiết cho nghiên cứu về nước Với sự trợ giúp của các thuật toán mới, thông tin thủy hệ mới được trích xuất từ dữ liệu viễn thám được

sử dụng trong mô hình thủy văn và môi trường Những thông tin mới này và các thông số thủy văn đã làm tăng sự hiểu biết của chúng ta về các quá trình thủy văn khác nhau thông 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 mô không 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 nguyên 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

19

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 không 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 toàn 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 toán

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 hoàn thiện mô hình thủy động lực học toán 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 còn 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]

20

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 sông 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

21

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 công 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 không 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 không mây tại mọi thời điểm Như vậy, sự biến động của tài nguyên nước trong mùa mưa và mùa khô có thể được

22

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

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 không gian 23 m, kích thước cảnh 142 - 148 km, chu kỳ lặp 24 ngày, không đâm xuyên mây

Độ phân giải không gian 2.5 - 20 m, kích thước cảnh 60 km, chu kỳ lặp 3 - 26 ngày, không đâm xuyên mây

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

Độ phân giải không gian 250 m, kích thước cảnh 2300 km, chu kỳ lặp: hàng ngày, không đâm xuyên mây

Độ phân giải không 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 ô nhiễm Vì thế, viễn thám quang học được sử dụng phổ biến để đánh giá các tham số chất lượng nước Các tham số chất lượng nước đã được xác định sử dụng công nghệ viễn thám như hàm lượng chlorophyl, tính trong, tính đục, chất rắn lơ lửng, Ngoài

ra, ảnh viễn thám nhiệt cũng được sử dụng rộng rãi để đánh giá nhiệt độ bề mặt nước trong các hồ và cửa sông Dựa trên các phân tích hiện có, các thành phần VIS

và NIR của dải phổ điện từ với chiều dài bước sóng từ 0.7 đến 0.8 m là các kênh phổ hữu ích nhất để giám sát các chất lắng huyền phù trong nước

24

Trong thời gian đầu, ảnh Landsat TM đã được sử dụng cho mục đích đánh giá tham số chất lượng nước tuy nhiên do chu kỳ lặp 16 ngày là hạn chế lớn Với sự phát triển của các vệ tinh mới hơn, độ phân giải thời gian, không gian và phổ được cải thiện đáng kể Sử dụng các bộ cảm như MODIS (36 kênh phổ) và MERIS (15 kênh phổ) cho độ chính xác cao hơn để đánh giá tham số chất lượng nước Với những tiến bộ công nghệ, trong những năm gần đây, các bộ cảm siêu phổ cũng được

sử dụng để đánh giá chất lượng nước Với số lượng lớn các kênh phổ hẹp giúp cho việc phát hiện các chất gây ô nhiễm và sự hiện có của chất hữu cơ trong nước Sử dụng ảnh siêu phổ để giám sát các chất lơ lửng và hàm lượng chlorophyl trên bề mặt nước ở các cửa sông và hồ

- Kế thừa:

GIS phát triển nhanh chóng trong thập kỷ qua và đã bắt đầu được sử dụng trong các nghiên cứu phát triển ngành đánh bắt cá và nuôi trồng thủy sản Trên một phạm vi rộng, đã có vô 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 mô hình tôm 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 không gian và ứng dụng mô hình trong nghiên cứu biển ở Brisbane

đã phát triển một công cụ GIS và kỹ thuật để hỗ trợ việc lựa chọn điểm cho nuôi trồng thủy sản, họ đã kết hợp các kỹ năng trong thống kê môi trường và mô 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

25

Ở Việt Nam, có thể nói ứng dụng GIS trong ngành Thủy sản còn khiêm tốn Ngành thuỷ sản chưa có cơ quan hoặc phòng ban chuyên trách nghiên cứu ứng dụng GIS; lực lượng cán bộ nghiên cứu còn rất mỏng, các công bố kết quả nghiên cứu ứng dụng GIS là rất hiếm Hầu hết các sở Thuỷ sản đều có nhu cầu sử dụng, nhưng vẫn chỉ dừng lại ở việc vẽ và xây dựng các bản đồ hiện trạng quy hoạch bằng phương pháp thủ công hoặc số hoá 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 loài 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 loài để đánh giá thích nghi cho từng đối tượng khác nhau

1.3 Cơ sở viễn thám và GIS trong đánh giá, giám sát chất lượng nước tại khu vực nghiên cứu

Chất lượng nước là một dấu hiệu chung nhất biểu trưng cho đặc tính của nước

về mặt vật lý, hóa học, và sinh học Tuy vậy, rất khó để xác định tiêu chuẩn chất lượng nước đơn lẻ đáp ứng được tất cả các yêu cầu của người dùng Ví dụ, các thông số lý, hóa hay sinh học của nước thích hợp cho các hoạt động của con người thì lại khác với các thông số của nước thích hợp cho việc tưới tiêu Chất lượng nước

bị ảnh hưởng bởi các thành phần vật chất trong nước từ các nguồn xác định hoặc không xác định Nguồn xác định có thể dò ra được ví dụ như đường ống hay mương máng Nguồn không xác định thường khuếch tán và liên quan đến cảnh quan và tương ứng với nó là sự vận động của nước, sử dụng đất và các hoạt động của con người, thiên nhiên trong lưu vực

Giám sát và đánh giá chất lượng của nước mặt là tối quan trọng trong quản lý

và nâng cao chất lượng nước nói chung và trong nuôi trồng thủy sản nói riêng Các chất trong nước mặt có thể thay đổi rõ rệt thuộc tính tán xạ ngược của nước mặt Công nghệ viễn thám phụ thuộc vào khả năng đo đạc các thay đổi trong tín hiệu phổ tán xạ ngược từ nước và liên kết các kết quả thay đổi đo được nhờ kinh nghiệm hay

26

các mô hình phân tích thông số chất lượng nước Bước sóng tối ưu để đo đạc thông

số chất lượng nước phụ thuộc vào các chất đo được, hàm lượng của chúng, và đặc tính của bộ cảm

Để thực hiện công tác giám sát chất lượng nước tại khu vực nghiên cứu, các loại dữ liệu ảnh viễn thám được lựa chọn thử nghiệm là MODIS, Landsat-8, Sentinel-2, và VNREDSat-1 Các loại ảnh này trừ ảnh VNREDSat-1 thì có thể được thu thập thường xuyên không mất phí Các loại ảnh này sẽ được sử dụng kết hợp nhằm tận dụng các ưu điểm của chúng trong tính toán chất lượng nước, cụ thể: Ảnh MODIS, đây là vệ tinh có độ phân giải thời gian cao (2 lần chụp/ngày) nên cho phép thu nhận thông tin một cách liên tục khu vực nghiên cứu, nhưng nhược điểm của loại dữ liệu này là độ phân giải không gian thấp Dữ liệu Landsat-8, Sentinel-2

là các dữ liệu ảnh có độ phân giải thời gian thấp nhưng có độ phân giải không gian cao, cho phép thu thập thông tin các khu vực sâu trong đất liền (đặc biệt là diện tích mặt nước được dùng để nuôi trồng thủy sản) Dữ liệu ảnh VNREDSat-1, có độ phân giải không gian tốt hơn, cho phép chi tiết hóa các khu vực nghiên cứu Việc kết hợp các loại dữ liệu viễn thám này sẽ giúp cho công tác đánh giá về hiện trạng môi trường nước trong khu vực nghiên cứu được cả tổng quan và chi tiết

Công tác xử lý dữ liệu ảnh vệ tinh đều dựa trên cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám Dựa trên bản chất vật lý trong tự nhiên là các vật thể (đối tượng) trong những điều kiện khác nhau thì khả năng phản xạ hoặc bức xạ của sóng điện từ sẽ có những đặc trưng riêng Từ đó, nguồn tư liệu viễn thám được hình thành như là kết quả thu nhận năng lượng phản xạ hoặc bức xạ các sóng điện từ của các đối tượng bằng các thiết bị gọi là bộ viễn cảm hay bộ cảm (remote sensor) hoặc bằng các máy chụp ảnh

Năng lượng chiếu tới đối tượng được phản xạ không những phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt đối tượng mà còn phụ thuộc vào bước sóng của năng lượng chiếu tới Trên ảnh ta thấy hình ảnh đối tượng do ghi nhận được khả năng phản xạ phổ của các bước sóng khác nhau sẽ khác nhau Đối với lớp phủ mặt đất, các đối tượng tự

mà ở đó thiết bị viễn thám có thể ghi nhận được các tín hiệu phổ Nó còn phụ thuộc vào tính chất của các đối tượng

Đối với công tác giám sát chất lượng nước thì yếu tố ảnh hưởng chủ yếu là khả năng phản xạ phổ của nước Khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi theo bước sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong nước Khả năng phản xạ phổ ở nước còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước Trên kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại đường bờ nước được phát hiện rất dễ dàng Nước trong chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng của tia blue và yếu dần khi sang tia green, triệt tiêu ở cuối dải sóng red Khi nước bị đục khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hưởng sự tán xạ của các vật chất lơ lửng Sự thay đổi tính chất nước đều ảnh hưởng đến tính chất phổ của chúng

Hình 1.3 Đặc tính phản xạ và hấp thụ của nước

28

1.4 Phương pháp thực hiện

1.4.1 Lựa chọn thông số đánh giá chất lượng nước

Nghiên cứu đánh giá chất lượng nước là quá trình xác định đặc tính hóa học, vật lý và sinh học của nước và nhận biết các nguồn khả năng gây ra ô nhiễm làm suy giảm chất lượng nước Sự suy giảm chất lượng nước có thể là do quá trình thải rác, thuốc trừ sâu, kim loại nặng, chất dinh dưỡng, vi sinh vật và trầm tích Các tiêu chuẩn khác nhau về chất lượng nước được đưa ra để hỗ trợ trong việc kiểm tra quy

mô của ô nhiễm nước, và từ đó có biện pháp khắc phục, xử lý

Các thông số định lượng đo được thông dụng nhất có thể kể ra là: Chlorophyll-a, nhiệt độ, chất hữu cơ hòa tan có màu (CDOM), tổng lượng các bon hữu cơ (TOC), các bon hữu cơ hòa tan (DOC), tổng lượng chất lơ lửng (TSM), độ đục, nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), nitơ-amoniac (NH3-N), Các chất trong nước mặt có thể thay đổi rõ rệt thuộc tính tán xạ ngược của nước mặt Tuy nhiên không phải yếu tố nào cũng có thể xác định được một cách rõ ràng bằng ảnh viễn thám

Chlorophyll-a (Chl-a) là sắc tố chính tham gia quá trình quang hợp của tảo và

oxy được phóng thích từ quá trình quang hợp này Chl-a là chất chỉ thị chính của tình trạng dinh dưỡng do các hoạt động của nó là liên kết giữa hàm lượng chất dinh dưỡng, đặc biệt là phốt pho, và sản lượng tảo Chl-a phản xạ chủ yếu kênh xanh lá, hấp thụ hầu hết năng lượng của bước sóng trong khoảng ánh sáng tím - xanh lục và cam - đỏ, do vậy có thể thấy được phần phản xạ thể hiện chlorophyll có màu xanh

lá

29

Hình 1.4 Khoảng hấp thụ phổ của Chl-a và Chl-b

Các kênh phổ khác nhau trong khoảng nhìn thấy và tỉ lệ của chúng được sử dụng rộng rãi để xác định Chl-a Việc tính toán tỉ lệ các kênh phổ sẽ giảm ảnh hưởng của bức xạ, khí quyển, bề mặt tiếp xúc nước - khí đến giá trị thực nhận được Nét đặc trưng nổi bật tán xạ - hấp thụ của Chl-a bao gồm sự hấp thụ mạnh mẽ trong khoảng bước sóng 450 - 475nm (blue) và tại 670nm (red) và giá trị phản xạ đạt tới đỉnh tại 550nm (green) và gần 700nm (NIR) Giá trị phản xạ tại đỉnh ở 700nm và tỉ

lệ của nó với giá trị phản xạ tại 670nm được dùng để phát triển các thuật toán đa dạng để xác định Chl-a trong nước đục Hầu hết các thuật toán xác định hàm lượng Chl-a đều cần dùng bước sóng gần 675nm và một kênh khác ở bước sóng gần 700nm

Chl-a đóng một vai trò quan trọng trong thành phần phản xạ của nước bởi vì

nó đòi hỏi cần phải có sự xuất hiện của thực vật phù du, và có thể coi như là một chất chỉ thị cho sự phát triển của tảo hay một cách gián tiếp chỉ thị cho chất dinh dưỡng có trong nước Sự phát triển quá mức khi tảo nở hoa trong nước sẽ làm suy giảm lượng ôxy hòa tan và là nguyên nhân phú dưỡng trong nước, cụ thể trong nghiên cứu này là sông ngòi, dòng chảy Do đo đạc Chl-a tương đối đơn giản hơn sinh khối của tảo, nên Chl-a thường được sử dụng như là một chỉ thị dinh dưỡng Việc đo đạc Chl-a ngoài thực địa thường tiêu tốn nhiều thời gian và kinh phí, nhưng viễn thám có thể cung cấp một cái nhìn tổng quan và đa thời gian đối với

30

thông số này Sự phản xạ của hàm lượng Chl-a biến đổi trong khoảng xanh lam (blue) và xanh lá (green) Nói cách khác, hàm lượng Chl-a cao phản xạ mạnh hơn ở bước sóng blue và green Thêm vào đó, khí quyển giữa nước và cảm biến cũng sẽ ảnh hưởng đến tỉ số này; tuy nhiên, Chl-a sẽ hấp thụ bức xạ mạnh ở trong khoảng

bước sóng 450 - 670nm

Độ đục gây ra bởi các hạt vật chất lơ lửng trong nước, bao gồm các hạt chất

vô cơ (PIC) và các hạt vật chất hữu cơ (POC) Các vật chất vô cơ ở thể rắn là bùn, cát, các vật chất hữu cơ là các hợp chất Carbon hòa tan trong nước Nước đục là một thuộc tính quang học của nước, nó tán xạ và hấp thụ ánh sáng nhiều hơn là truyền ánh sáng theo đường thẳng Các trầm tích lơ lửng là tác nhân chính của tán

xạ, trong khi sự hấp thụ thì chịu sự chi phối của Chl-a và các chất hòa tan có màu hay các hạt vật chất

Nước đục là kết quả chính của sự hiện diện các chất lơ lửng Việc đo đạc độ đục thường sử dụng để tính toán hàm lượng trầm tích lơ lửng của sông và thường được xem xét theo chiều ngược lại của độ trong Mức độ đục hay độ tối phụ thuộc toàn bộ vào lượng hạt lơ lửng trong một mẫu nước Càng nhiều hạt lơ lửng, càng khó để ánh sáng đi xuyên qua nước và vì vậy, độ đục của nước sẽ cao hơn Bản chất phức tạp của các chất lơ lửng trong nước thay đổi phản xạ của nước và do đó dẫn đến sự khác nhau về màu sắc của nước Việc giải đoán dữ liệu viễn thám chỉ dựa trên màu sắc của nước là không thích hợp và chưa chính xác Độ đục được coi là một biến số quan trọng trong nhiều nghiên cứu do sự liên kết của nó với ánh sáng đến, tác động đến quá trình quang hợp để phát triển của tảo và sinh vật phù du Công nghệ viễn thám được sử dụng rộng rãi để đánh giá và thành lập bản đồ

độ đục và hàm lượng các hạt lơ lửng, và ở nhiều độ phân giải không gian và thời gian khác nhau Về mặt lý thuyết, việc dùng một kênh đơn lẻ cung cấp một thuật toán mạnh mẽ và nhạy với độ đục với điều kiện kênh phổ được chọn thích hợp Tuy nhiên, các chất phức tạp trong nước thay đổi phản xạ phổ của nước và vì vậy dẫn đến sự khác nhau về màu sắc, và do đó các kênh phổ khác nhau có thể được dùng

để phục hồi độ đục Lợi thế của việc sử dụng kênh phổ hay tỉ số kênh có thể thu

31

được kết quả chính xác hơn ở các hàm lượng khác nhau trong nước Trong vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại trung, nước hấp thụ ánh sáng mạnh hơn và làm cho nước trông tối hơn, các thay đổi này phụ thuộc và độ sâu của nước và bước sóng ánh sáng tới Sự gia tăng của các chất vô cơ hòa tan trong nước là nguyên nhân dẫn đến việc đỉnh phản xạ chuyển từ vùng xanh lá (nước trong hơn) sang vùng đỏ Các tài liệu chỉ ra rằng, độ đục có thể đo được khi dử dụng các kênh phổ trong vùng nhìn thấy

và các kênh tỉ số khác nhau ví dụ như: tỉ số giữa kênh xanh lá (500 - 600nm) và đỏ (600 - 700nm), tỉ số giữa kênh xanh lam (400 - 500nm) và kênh đỏ (600 - 700nm),

tỉ số giữa kênh cận hồng ngoại và kênh đỏ, hay kênh cận hồng ngoại đơn lẻ (750 - 900nm), kênh đỏ đơn lẻ (600 - 700nm), kênh xanh lá đơn lẻ (500 - 600nm)

Độ đục đóng một vai trò quan trọng trong việc vận chuyển chất dinh dưỡng và chất gây ô nhiễm bởi vì một lượng đáng kể của chúng đến từ đất và xói mòn nền đất Sự hiện diện của các trầm tích lơ lửng trong nước mặt có ảnh hưởng tiêu cực đến sự sống trong nước Thêm vào đó, hàm lượng trầm tích lơ lửng cao làm rút ngắn tuổi thọ và các lợi ích trong vùng chứa nó; do đó việc nghiên cứu trầm tích lơ lửng ngày càng trở nên quan trọng trên toàn thế giới Việc giám sát, theo dõi hàm lượng trầm tích lơ lửng dựa trên các mẫu dữ liệu tại chỗ phủ trùm một khu vực mặt nước rộng lớn sẽ tốn nhiều thời gian, tiền bạc và không chính xác Trong trường hợp này, dữ liệu viễn thám là một phương pháp tiềm năng, kinh tế có thể cung cấp

dữ liệu độ phân giải cao về không gian, thời gian và phổ

Ứng dụng dữ liệu viễn thám trong hàm lượng trầm tích lơ lửng dựa trên tương tác giữa bức xạ mặt trời và trầm tích lơ lửng trong nước Các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra rằng mối tương quan này bị ảnh hưởng bởi một vài yếu tố môi trường như áp suất, ranh giới nước - không khí, thành phần của nước, độ sâu của nước và cả yếu tố hình học khi thu nhận dữ liệu

Trên đây là hai thông số được sử dụng rộng rãi và hiệu quả trong các nghiên cứu ứng dụng viễn thám đánh giá chất lượng nước của rất nhiều tác giả khác trên thế giới Trong giới hạn nghiên cứu này, do điều kiện có hạn, người nghiên cứu chỉ

32

tập trung tính toán và kiểm chứng thông số Chlorophyll-a và thử nghiệm tính toán

độ đục để đánh giá chất lượng nước

1.4.2 Thu thập dữ liệu ảnh vệ tinh

Dữ liệu thu thập để sử dụng trong nghiên cứu này là các dữ liệu ảnh VNREDSat-1, chụp vào các năm 2015 và 2017 để phủ kín khu vực nghiên cứu, cụ thể như sau:

Bảng 1.4 Dữ liệu ảnh VNREDSat-1 đã thu thập được