Nghiên cứu phương pháp xác định các thông số chất lượng nước mặt từ tư liệu ảnh vệ tinh quang học VNREDSat - 1A

1. 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 VNREDSat-1A được phóng thành công lên quỹ đạo vào 07/05/2013 tại bãi phóng Kourou nằm trong Trung tâm không gian Guyana (Pháp). 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 TSS, 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 R2 trong 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 Yên 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