Bài viết trình bày kết quả đánh giá chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội sử dụng ảnh vệ tinh VNRDSat-1A. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên cứu.
Trang 11 Mở đầu
Các nghiên cứu trong và
ngoài nước cho thấy, phổ phản
xạ mặt nước xác định từ ảnh vệ
tinh quang học có quan hệ chặt
chẽ với hàm lượng các thông số
chất lượng nước [3, 6] Do vậy, tư
liệu ảnh vệ tinh quang học đã
được sử dụng hiệu quả phục vụ
công tác đánh giá và giám sát
chất lượng môi trường nước mặt
Có thể kể đến các nghiên cứu
của Doxaran (2007) [6], Weipi He
(2008) [8], Olet (2000) [7], Montalvo (2010) [9], Frohn and Autrey (2008) [10] đã sử dụng
tư liệu ảnh vệ tinh quang học như Landsat, SPOT nhằm xác định hàm lượng các chất gây ô nhiễm nước mặt Ở Việt Nam cũng đã có một số nghiên cứu sử dụng tư liệu ảnh viễn thám để đánh giá chất lượng nước như nghiên cứu của Nguyễn Thị Thu Hà và cộng sự (2016) [1] tại khu vực Hồ Tây (Hà Nội), nghiên cứu
của Nguyễn Văn Thảo (2016) [2] sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A và tương đương trong đánh giá chất lượng nước khu vực ven biển Hải Phòng, nghiên cứu của Trịnh Lê Hùng (2014) [4] sử dụng ảnh vệ tinh Landsat đánh giá chất lượng nước mặt hồ Trị An
VNREDSat-1A là quan sát đầu tiên của Việt Nam, có khả năng chụp ảnh toàn bộ các khu vực trên bề mặt Trái Đất
Nghiên cứu phương pháp xác định các thông số chất lượng nước mặt từ tư liệu ảnh vệ tinh quang học VNREDSat - 1A
ĐINH THỊ THU HIỀN, TRẦN XUÂN TRƯỜNG, NGUYỄN VĂN TRUNG
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội
Nghiên cứu - Trao đổi
TÓM TẮT
Công nghệ viễn thám với những ưu điểm so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống đã được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu tài nguyên thiên
nhiên và giám sát môi trường Các nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam
cho thấy, ảnh vệ tinh quang học có thể sử dụng hiệu quả trong đánh giá chất
lượng nước mặt Bài báo này trình bày kết quả đánh giá chất lượng nước mặt
khu vực Hà Nội sử dụng ảnh vệ tinh VNREDSat-1A Kết quả nhận được trong
nghiên cứu có thể sử dụng phục vụ công tác theo dõi, giám sát và quản lý
chất lượng nước mặt.
ABSTRACT
Method for determination of surface water quality parameters using VNREDSat-1A multispectral image
Remote sensing technique with advantages over traditional sampling meth-ods has been widely applied in natural resource and environmental monitoring.
Many studies around the world shows that optical satellite imagery can be used
effectively in evaluating surface water quality This article presents results of
surface water quality assessment in Hanoi using VNREDSat-1A satellite image.
The results obtained in the study can be used to serve the management,
monitoring and evaluation of surface water quality.
Tµi nguyªn vµ M«i tr ưêng Kú 2 - Th¸ng 12/2017 23
Trang 2VNREDSat-1A được phóng thành
công lên quỹ đạo vào 07/05/2013
tại bãi phóng Kourou nằm trong
Trung tâm không gian Guyana
(Pháp) Sau hơn 4 năm hoạt
động, vệ tinh VNREDSat-1A đã
chụp hàng nghìn cảnh ảnh, giúp
Việt Nam phần nào chủ động
trong cung cấp ảnh vệ tinh độ
phân giải cao phục vụ công tác
nghiên cứu tài nguyên thiên
nhiên, giám sát môi trường và
đảm bảo quốc phòng – an ninh
Mặc dù vậy, cho đến nay ở nước
ta hầu như có rất ít nghiên cứu
ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh
VNREDSat-1A trong đánh giá
chất lượng môi trường nước mặt
Bài báo này trình bày kết quả sử
dụng tư liệu ảnh vệ tinh
VNREDSat-1A đánh giá chất
lượng nước mặt khu vực Hà Nội
2 Phương pháp nghiên cứu
2.1 Phương pháp lấy mẫu
chất lượng nước
Để xây dựng hàm số thể hiện
mối quan hệ giữa hàm lượng các
chất ô nhiễm nước mặt và phổ
phản xạ thu được từ ảnh vệ tinh,
cần phải tiến hành lấy mẫu và
phân tích chất lượng nước đối với
các mẫu thử nghiệm này Các
mẫu nước mặt được thu thập tại
sát mặt nước ở độ sâu 0 – 25 cm
do nước mặt ở độ sâu lớn hơn 25
cm không ảnh hưởng đến phổ
phản xạ mặt nước [1]
Để đánh giá chất lượng nước
mặt khu vực Hà Nội, trong nghiên
cứu tác giả tiến hành lấy mẫu tại
7 vị trí và phân tích hàm lượng 5 thông số chất lượng nước, bao gồm độ đục, tổng chất rắn lơ lửng (TSS), COD, BOD và chất diệp lục (chlorophyll) như Bảng 1 Các điểm lấy mẫu phân bố đều trên khu vực nghiên cứu nhằm đảm bảo thể hiện đặc trưng phân bố hàm lượng các chất ô nhiễm nước mặt Các mẫu nước được lấy vào chai nhựa màu tối, ướp lạnh và đưa về phân tích trong phòng thí nghiệm trong ngày
2.2 Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh VNREDSat-1A
Ảnh viễn thám sau khi được thu nhận từ vệ tinh, thông thường vẫn tồn tại nhiều sai số, trong đó có các sai số về phổ và sai số về hình học Những sai số này có thể xảy ra do lỗi phát sinh trong quá trình truyền dữ liệu từ vệ tinh về mặt đất hoặc sai sót
do bộ cảm biển, ảnh hưởng của khí quyển…
Trước quá trình phân tích, giải đoán, ảnh vệ tinh cần được hiệu chỉnh hình học (geometric correction) để có một hệ tọa độ xác định, hiệu chỉnh các sai số sao cho hình ảnh gần với bản đồ địa hình ở phép chiếu trực giao nhất Kết quả giải đoán phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của ảnh sau khi nắn Do vậy, hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh đóng vai trò rất quan trọng cho các bước phân tích tiếp theo
Để hiệu chỉnh khí quyển nhằm xác định phổ phản xạ bề mặt, trong nghiên cứu sử dụng phương pháp “trừ đối tượng tối” – DOS (Dark Object Subtraction) [11] Phương pháp DOS giả định rằng các giá trị điểm ảnh khác không ở những vùng nước trong, yên tĩnh và sâu, là do các bức xạ trong khí quyển chứ không phải là giá trị bức xạ của đối tượng Giả định giá trị này là ổn định trong khí quyển ở thời điểm chụp ảnh, giá trị này được trừ đi cho tất cả các giá trị điểm ảnh trong ảnh Kết quả là ta có được các giá trị phản xạ của các điểm ảnh không còn ảnh hưởng của khí quyển
3 Kết quả thực nghiệm
Khu vực nghiên cứu được lựa chọn để đánh giá chất lượng nước mặt là Hà Nội, nơi tập trung đông dân cư và các khu công nghiệp, nhà máy, bệnh viện Đây chính là những nguồn gây ô nhiêm nước mặt chủ yếu hiện nay
Tư liệu ảnh vệ tinh sử dụng trong nghiên cứu là ảnh VNREDSat-1A chụp ngày 20/10/2016 Ảnh có chất lượng tốt, không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết và được hiệu chỉnh phổ, hiệu chỉnh hình học trước khi tính phản xạ phổ bề mặt Phản xạ phổ bề mặt tại kênh 1 (xanh lam), kênh 2 (xanh lục), kênh 3 (đỏ) và kênh 4 (cận hồng ngoại) được sử dụng nhằm xây dựng mô hình ước lượng hàm lượng các thông số chất lượng nước Tư liệu ảnh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội ở tổ hợp màu tự nhiên được trình bày trên Hình 1 dưới đây
Để xác định mối quan hệ giữa phản xạ mặt nước xác định từ ảnh vệ tinh và hàm lượng các thông số chất lượng nước (độ đục,
Bảng 1 Kết quả phân tích chất lượng nước tại các điểm lấy mẫu
24 Tµi nguyªn vµ M«i tr ưêng Kú 2 - Th¸ng 12/2017
Trang 3TSS, COD, BOD, chlorophyll), trong
nghiên cứu thử nghiệm với các
phương án hồi quy khác nhau,
bao gồm sử dụng đơn kênh, tỉ lệ
ảnh giữa kênh cận hồng ngoại và
kênh xanh lục, sử dụng 2 kênh, 3
kênh và sử dụng đồng thời cả 4
kênh đa phổ ảnh vệ tinh
VNREDSat-1A
Mô hình hồi quy tuyến tính đa
biến được thử nghiệm trong
trường hợp sử dụng 2 kênh, 3 kênh và 4 kênh Trong khi đó với trường hợp sử dụng đơn kênh hoặc ảnh tỉ lệ, các tác giả thử nghiệm với nhiều mô hình hồi quy khác nhau, từ hồi quy đa thức, hàm mũ, hàm logarith và hàm tuyến tính nhằm lựa chọn phương án tối ưu Quá trình hồi quy được thực hiện trên phần mềm Microsoft Ecxel với sự trợ giúp của công cụ Regression
Kết quả nhận được cho thấy, việc sử dụng phổ phản xạ tại cả 4 kênh đa phổ ảnh VNREDSat-1A nhằm xây dựng hàm hồi quy với giá trị các thông số chất lượng nước tại các điểm đo cho kết quả với độ hình xác cao nhất (Bảng 2) so với việc sử dụng đơn kênh, ảnh tỉ lệ hoặc sử dụng 2 kênh hoặc 3 kênh Giá trị hệ số R2trong các hàm hồi quy khi sử dụng cả 4 kênh đa phổ đều đạt cao, thấp nhất đạt 0,784064 (chlorophyll) và cao nhất đạt 0,959472 (COD) Như vậy, có thể khẳng định, sử dụng ảnh vệ tinh VNREDSat-1A trong xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội cho độ chính xác đảm bảo
Trong đó: B1, B2, B3, B4 là phổ phản xạ mặt nước xác định từ các kênh 1, 2, 3, 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A
Sau khi lựa chọn mô hình tối
ưu nhằm xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước, trong nghiên cứu tiến hành xác định hàm lượng độ đục, TSS, COD, BOD và chất diệp lục trong nước mặt khu vực Hà Nội từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A
Phân tích kết quả đạt được cho thấy, hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt khu vực Hà Nội đạt giá trị trong khoảng từ 4,6 đến 434,9 (mg/l), trong đó những khu vực có hàm lượng TSS đạt cao tập trung ở ven bờ sông Hồng, khu vực xung quanh các bãi bồi cũng như vị trí tiếp giáp với các chi lưu Hàm lượng TSS đạt cao cũng được ghi nhận tại hồ Định Công và phía Tây hồ Linh Đàm Trong khi đó, tại các hồ, đầm khu vực công viên
Hình 1 Tư liệu ảnh vệ tinh
VNREDSat – 1A ngày 20/10/2016 khu vực Hà Nội ở tổ hợp màu tự nhiên (a) và các kênh 1 (b), kênh
2 (c), kênh 3 (d), kênh 4 (e)
Tµi nguyªn vµ M«i tr ưêng Kú 2 - Th¸ng 12/2017 25
Trang 4Yên Sở, hàm lượng TSS trong
nước đạt thấp
Tương tự như với thông số
chất lơ lửng, hàm lượng độ đục
trong nước mặt khu vực Hà Nội
cũng đạt cao tại hồ Định Công,
khu vực ven bờ và xung quanh
các bãi bồi sông Hồng, trong đó
hàm lượng cao nhất đạt 609,457
(NTU) Hàm lượng độ đục cũng
đạt thấp ở các hồ, đầm thuộc
công viên Yên Sơ, trong đó hàm
lượng thấp nhất đạt khoảng
13,08 (NTU)
Từ những kết quả đạt được
cho thấy, nước mặt tại các sông,
hồ ở Hà Nội có hàm lượng chất lơ
lửng và độ đục cao, đặc biệt ở khu
vực sông Hồng và hồ Định Công
Nếu so sánh với Quy chuẩn kỹ
thuật quốc gia về chất lượng nước
mặt QCVN 08-MT:2015/BTNMT
[5], hàm lượng độ đục và chất lơ
lửng trong nước mặt khu vực hồ
Định Công và sông Hồng cao hơn
tiêu chuẩn cho phép rất nhiều lần
Nguyên nhân dẫn đến nước có độ
đục và hàm lượng chất lơ lửng cao
ở những khu vực này là do nước
thải sinh hoạt và nước thải công
nghiệp từ các nhà máy, xí nghiệp
thải ra
4 Kết luận
Sự gia tăng dân số cơ học
và phát triển KT-XH đã có những
tác động sâu sắc đến môi trường,
trong đó có môi trường nước mặt ở các thành phố lớn Ô nhiễm nước mặt đang trở thành một trong những vấn đề môi trường cấp thiết nhất ở Hà Nội hiện nay
Ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao VNREDSat-1A có thể sử dụng hiệu quả trong xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước với độ chính xác đảm bảo Phân tích kết quả nhận được cho thấy, nước mặt khu vực Hà Nội có hàm lượng chất lơ lửng và độ đục cao, có những nơi vượt quy chuẩn cho phép nhiều lần như hồ Định Công, khu vực ven bờ sông Hồng Hàm lượng chất lơ lửng trong nước được ghi nhận cao nhât lên đến 433,993 mg/l, trong khi hàm lượng độ đục cao nhất đạt 609,457 NTU
Kết quả nhận được trong nghiên cứu là một nguồn thông tin hữu ích, giúp các nhà quản lý đưa ra những biện pháp theo dõi, ứng phó và giảm thiểu thiệt hại do
ô nhiễm nước mặt gây ra
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Thị Thu Hà, Bùi Đình Cảnh, Nguyễn Thiên Phương Thảo, Bùi Thị Nhị (2016),
“Thử nghiệm mô hình hóa sự phân bố không gian của hàm lượng chlorophyll-a và chỉ số trạng thái phú dưỡng nước Hồ Tây sử dụng
ảnh Sentinel-2A”, Tạp chí Khoa
học Đại học Quốc gia Hà Nội, chuyên san Các Khoa học Trái đất và Môi trường, tập 32, số 2S, trang 121 – 130
[2] Nguyễn Văn Thảo (2016)
Nghiên cứu các phương pháp phân tích, đánh giá và giám sát chất lượng nước ven bờ bằng tư liệu viễn thám độ phân giải cao và độ phân giải trung bình, đa thời gian; Áp dụng thử nghiệm cho ảnh của vệ tinh VNREDSat-1,
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước
[3] Lương Chính Kế (2014)
Sử dụng công nghệ viễn thám và GIS xây dựng cơ sở dữ liệu thành lập bản đồ diễn biến vùng
ô nhiễm nguồn nước thải từ các khu công nghiệp, đô thị nhằm đưa
ra cảnh báo các vùng có nguy cơ
ô nhiễm thuộc vùng kinh tế trọng điểm miền Bắc, Dự án nghiên cứu
khoa học, Cục Viễn thám quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi trường
[4] Trinh Le Hung (2015),
“Mapping suspended sediment concentrations in surface water of Tri An lake using remote sensing and GIS”, Journal of Science, Na-tural Sciences Issue, Hue
Univer-sity, Vol 96(8), 59 - 70
[5] Bộ Tài nguyên và Môi
trường, 2015 Quy chuẩn kỹ thuật
quốc gia về chất lượng nước mặt QCVN 08-MT:2015/BTNMT.
[6] David Doxaran, Jean – Marie Froidefond, Samantha Lavender, Patrice Castaing
(2007) Spectral signature of
highly turbid waters application with SPOT data to quantify suspended particulate matter concentrations, Remote sensing
of Enviroment, Vol 81, pp.
149 – 161.n
Bảng 2 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ và giá trị
các thông số chất lượng nước
26 Tµi nguyªn vµ M«i tr ưêng Kú 2 - Th¸ng 12/2017