Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG CHẤT LƠ LỬNG

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG CHẤT LƠ LỬNG

Tải bản đầy đủ - 0trang

là nước thải sinh hoạt. Chỉ số BOD là thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm

của nước. Chỉ số này càng cao cho thấy nước bị ô nhiễm càng nhiều.

7) Nhu cầu oxy hoá học (Chemical oxygen demand - COD), đây cũng là thông số

cần thiết để đánh giá chất lượng nguồn nước. Thông thường COD được sử dụng nhiều

hơn BOD, do khi phân tích chỉ số BOD đòi hỏi thời gian lâu hơn (5 ngày ở nhiệt độ

200C).

8) Hàm lượng photpho trong nước thường ở dạng H2PO4-, HPO42-, PO43-,

polyphotphat,và photpho hữu cơ. Đây là một trong những nguồn dinh dưỡng chủ yếu

cho các thực vật dưới nước. Tuy nhiên yếu hàm lượng quá cao sẽ gây phú dưỡng hoá

trong ao.

9) Hàm lượng sunphat, sẽ ảnh hưởng đến việc hình thành H2S trong nước gây mùi

hoi khó chịu, gây nhiễm độc cho sinh vật thủy sinh nhất là trong nuôi trồng thủy sản. Dễ

gây hiện tượng ăn mòn kim loại đối với các thiết bị dưới nước.

10) Hàm lượng nitơ trong nước cũng là nguồn dinh dưỡng cho các thực vật thủy

sinh. Amonia xuất hiện như một sản phẩm do sự biến dưỡng của động vật trong nước

cũng như từ sự phân hủy các chất hữu cơ với sự góp mặt của vi kh̉n. Trong mơi

trường nước ammonia tồn tại dưới hai dạng: dạng khí hồ tan (NH3) và dạng ion hoá

(NH4 +).

11) Hàm lượng kim loại nặng, do nước thải công nghiệp hoặc đô thị. Chủ yếu là

chì, đồng, kẽm, thủy ngân, asen (Arsenic)…

12) Hàm lượng chất dầu mỡ, có thể là chất béo, acid hữu cơ, chúng gây khó khăn

trong q trình vận chuyển nước, ngăn cản oxy hoà tan.

13) Các chất vi sinh vật. Vi khuẩn E-coli là vi khuẩn đặc trưng cho mức độ nhiễm

trùng của nước ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt. Ngoài ra các loài rong tảo làm

nước có màu xanh. Các lồi này chết đi sẽ làm tăng chất hữu cơ, chất hữu cơ phân hũy

sẽ tiêu thụ oxy và làm thiếu oxy trong nước.

2.2 Đặc trưng phản xạ phổ của nước

Bức xạ điện từ sau khi truyền qua khí quyển đến bề mặt Trái đất sẽ tương tác với

40



các đối tượng trên bề mặt Trái đất. Các đối tượng khác nhau sẽ có đặc trưng phản xạ phổ

khác nhau. Đặc trưng phản xạ phổ là thông tin hết sức quan trọnggiúp phân loại các đối

tượng trên ảnh viễn thám quang học, cũng như giúp lựa chọn các kênh phổ phù hợp với

mục đích nghiên cứu.

Nhìn chung, khả năng phản xạ phổ của nước thấp so với các đối tượng khác như

thực vật, đất và có xu hướng giảm dần theo chiều tăng của chiều dài bước sóng (hình

2.1). Phần năng lượng phản xạ trên bề mặt nước kết hợp phần năng lượng sinh ra sau

quá trình tán xạ các hạt vật chất lơ lửng trong nước phản xạ lại, tạo thành năng lượng

phản xạ của nước.



Hình 2.1 Đặc trưng phản xạ phổ của nước và một số đối tượng khác(ng̀n Internet)

Nước có khả năng hấp thụ rất mạnh năng lượng ở bước sóng cận hồng ngoại và

hồng ngoại, do đó năng lượng phản xạ sẽ rất ít. Trên các kênh ảnh ở dải sóng này, nước

hầu như có màu đen và phân biệt rõ ràng với các đối tượng khác (hình 2.2). Do đặc điểm

này, có thể sử dụng phương pháp tổ hợp màu để xác định đường bờ nước từ các kênh

ảnh ở dải sóng cận hồng ngoại (NIR) và hồng ngoại giữa (MIR), trong đó phương pháp

tổ hợp màu tốt nhất để tạo sự tương phản giữa nước và đất liền là tổ hợp màu RGB gồm

3 kênh ảnh: hồng ngoại giữa, cận hồng ngoại và đỏ (Hình 2.3).



41



Hình 2.2 Đối tượng nước tương phản rõ rệt với đất liền ở kênh cận hồng ngoại ảnh vệ

tinh Landsat ETM+ tại hồ Trị An năm 2010



Hình 2.3 Tở hợp màu RGB=MIR:NIR:RED ảnh Landsat 5 TM năm 2009

khu vực ven biển Cà Mau giúp thể hiện rõ đường bờ nước

Trong nước chứa nhiều thành phần hữu cơ và vô cơ, cho nên khả năng phản xạ

phổ của nước còn phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước. Nước đục có khả

năng phản xạ phổ cao hơn nước trong, đặc biệt ở dải sóng nhìn thấy và cận hồng ngoại

do ảnh hưởng của các hợp chất có trong nước (hình 2.4).



42



Hình 2.4 Phản xạ phở của nước trong và nước đục

Cũng giống như độ đục, nước có hàm lượng chất lơ lửng (TSS) càng cao có khả

năng phản xạ phổ càng mạnh, đặc biệt ở dải sóng từ xanh lục đến cận hồng ngoại (Hình

2.5), trong khi phản xạ phổ ở dải sóng ngắn thấp. Do vậy, để ước lượng hàm lượng chất

lơ lửng trong nước mặt, một số nghiên cứu đã sử dụng các ảnh tỉ lệ giữa kênh đỏ và

kênh xanh lam (blue) để xây dựng hàm quan hệ với kết quả đo hàm lượng chất lơ lửng

tại các điểm lấy mẫu.



Hình 2.5 Phản xạ phổ của nước chứa hàm lượng chất lơ lửng khác nhau

(nguồn Internet)

Hàm lượng chất diệp lục (chlorophyll-a) cũng ảnh hưởng đến khả năng phản xạ

phổ của nước, làm giảm khả năng phản xạ phổ ở dải sóng ngắn và tăng ở dải sóng màu

xanh lá cây (Hình 2.6).



43



Hình 2.6 Ảnh hưởng của hàm lượng chlorophyll-a đến phản xạ phở của nước

Ngồi ra, một số thơng số chất lượng nước mặt khác cũng ảnh hưởng đến khả

năng phản xạ phổ của nước, tuy không thể hiện rõ rệt qua sự khác biệt của đồ thị phổ

như độ mặn của nước, hàm lượng các chất như BOD (Biochemical Oxygen Demand),

COD (Chemical oxygen demand), DO (Dissolved oxygen), oxi, nitơ, cacbonic...trong

nước.

Khả năng thấu quang của nước phụ thuộc vào độ đục/trong của nước. Các loại

nước khác nhau như nước biển, nước ngọt và nước cất đều có chung đặc tính thấu

quang, tuy nhiên độ thấu quang của nước đục giảm rõ rệt so với nước trong và ở bước

sóng càng dài thì độ thấu quang càng lớn (bảng 2.1). Khả năng thấu quang cao và hấp

thụ năng lượng ít ở dải sóng nhìn thấy đối với lớp nước mỏng (ao, hồ nơng) và trong là

do năng lượng phản xạ của lớp đáy như cát, đá...Như vậy, hình ảnh đối tượng nước thu

nhận được từ ảnh viễn thám ở dải sóng nhìn thấy là năng lượng phản xạ của các chất

đáy.

Bảng 2.1 Độ thấu quang của nước phụ thuộc bước sóng

Bước sóng

0,5 μm - 0,6 μm

0,6 μm - 0,7 μm

0,7 μm - 0,8 μm

0,8 μm - 1,1 μm



Độ thấu quang

Đến 10 m

3m

1m

<10 cm



44



2.3 Phương pháp xác định phổ phản xạ bề mặt từ ảnh vệ tinh Landsat

2.3.1 Chuyển giá trị số của ảnh sang giá trị bức xạ phổ

Để xác định giá trị phản xạ phổ, bước đầu tiên phải tiến hành chuyển đổi giá trị số

nguyên của ảnh sang giá trị thực của bức xạ (). Việc chuyển đổi từ giá trị số nguyên sang

giá trị bức xạ với ảnh Landsat 5 TM được thực hiện như sau:

(2.1)

Trong đó, – giá trị bức xạ phổ;

, – hệ số chuyển đổi;

Ngoài ra, giá trị số nguyên ảnh Landsat TM cũng có thể được chuyển đổi sang giá

trị bức xạ phổ như đối với ảnh Landsat 7 ETM+ theo cơng thức sau:

(2.2)

Trong đó, Lmax, Lmin – giá trị bức xạ phổ ứng với DNmax và DNmin ở kênh 6

(giá trị này được lấy từ file metadata trong dữ liệu ảnh Landsat TM, ETM+);

DNmax – giá trị số lớn nhất (=255);

DNmin – giá trị số nhỏ nhất (=1)

Ảnh Landsat 7 ETM+ chụp ở chế độ tần số thấp (Low gain) và tần số cao (High

gain) có các hệ số Lmax và Lmin khác nhau, tương ứng như trong bảng 2.2, 2.3.

Bảng 2.2 Giá trị hệ số Lmax, Lmin đối với các kênh ảnh

Landsat 7 ETM+ Low gain (LPGS)

STT



Kênh



Bước sóng



LMINλ



LMAXλ



(µm)



W/m2.sr.µm



W/m2.sr.µm



1



Blue



0.45 – 0.52



-6.2



293.7



2



Green



0.52 – 0.60



-6.4



300.9



3



Red



0.63 – 0.69



-5.0



234.4



4



Near Infrared



0.76 – 0.90



-5.1



241.1



5



Near Infrared



1.55 – 1.75



-1.0



47.57



6



Thermal



10.40 – 12.50



0.0



17.04



45



Bước sóng



LMINλ



LMAXλ



(µm)



W/m2.sr.µm



W/m2.sr.µm



Mid – Infrared



2.08 – 2.35



-0.35



16.54



PAN



2.08 – 2.35



-4.7



243.1



STT



Kênh



7

8



(Nguồn: LANDSAT Science data user’s Handbook)

Bảng 2.3 Giá trị hệ số Lmax, Lmin đối với các kênh ảnh

Landsat 7 ETM+ High gain (LPGS)

STT



Kênh



Bước sóng



LMINλ



LMAXλ



(µm)



W/m2.sr.µm



W/m2.sr.µm



1



Blue



0.45 – 0.52



-6.2



191.6



2



Green



0.52 – 0.60



-6.4



196.5



3



Red



0.63 – 0.69



-5.0



152.9



4



Near Infrared



0.76 – 0.90



-5.1



157.4



5



Near Infrared



1.55 – 1.75



-1.0



31.06



6



Thermal



10.40 – 12.50



0.0



12.65



7



Mid – Infrared



2.08 – 2.35



-0.35



10.80



8



PAN



2.08 – 2.35

-4.7

158.3

(Nguồn: LANDSAT Science data user’s Handbook)



2.3.2 Xác định giá trị phản xạ phổ đối với ảnh Landsat TM, ETM+

Giá trị bức xạ phổ nhận được trong bước trên sẽ được sử dụng để xác định giá trị

phản xạ phổ (reflectance). Giá trị phản xạ phổ đối với ảnh Landsat TM và ETM+ được

thực hiện như sau:

- Trong đó:

D – thứ tự ngày trong năm;

Lλ – giá trịbức xạ phổ nhận được từ bước trên;

46



ESUNλ – giá trị trung bình bức xạ quang phổ mặt trời (bảng 2.6,2.7, 2.8)

θS – góc thiên đỉnh (được lấy trong file metadata ảnh Landsat)

d – khoảng cách thiên văn giữa Trái đất và Mặt trời, được xác định theo công

thức:



d = ( 1,0-0,01674.cos( 0,9856.(D - 4) ) )



(2.5)



Bảng 2.4 Giá trị ESUNλ đối với các kênh phổ ảnh Landsat ETM+

Kên

h

1

2

3

4

5

7

8



Tên kênh phổ

Blue

Green

Red

NIR

MIR

MIR

PAN



Bước sóng



ESUNλ (watts/m2.ster. µm)



0.45 – 0.515 µm

1997

0.525 – 0.605 µm

1812

0.63 – 0.69 µm

1533

0.75 – 0.90 µm

1039

1.55 – 1.75 µm

230.8

2.09 – 2.35 µm

84.90

0.52 – 0.90 µm

1362

(Ng̀n: LANDSAT Science data user’s Handbook)



2.4 Phương pháp xác định hàm lượng chất lơ lửng từ dữ liệu viễn thám

2.4.1 Cơ sở khoa học

Theo Mobley, giá trị phản xạ viễn thám R rs đối với nước được xác định bằng cơng

thức sau:

Trong đó:

là bức xạ rời khỏi mặt nước,

là bức xạ từ mặt trời hay bức xạ nguồn sáng đi tới mặt nước.

Bức xạ nguồn sáng đi tới mặt nước, vẫn theo nghiên cứu của Mobley, 1999, có giá

trị:

Trong đó:

là bức xạ phổ đo được,

là tham số phản xạ,

47



λ- kênh ảnh ứng với bước sóng tương thích.

Giá trị bức xạ phổ ở trên mặt nước (above-water radiance) là tổng bức xạ rời khỏi

mặt nước và bức xạ phản xạ bề mặt nước , nghĩa là:



Với k là tham số tỷ lệ giữa bức xạ bầu trời và bức xạ phản xạ trực tiếp từ bề mặt

nước .

Bức xạ rời khỏi mặt nước có dạng:

Giá trị k phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường khí quyển.Cho trường hợp sử

dụng ảnh vệ tinh quang học như SPOT, Landsat, vv giá trị này phụ thuộc vào bước sóng

của từng kênh ảnh.

Do đặc điểm thu nhận, ảnh viễn thám quang học nói chung để đưa vào sử dụng

cần phải tiến hành hiệu chỉnh ảnh hưởng của mơi trường khí quyển. Để hiệu chỉnh các

ảnh hưởng của khí quyển đến chất lượng ảnh, ảnh gốc cần biến đổi từ giá trị số nguyên

(digital number – DN) về ảnh phản xạ ở đỉnh khí quyển R*(top of atmospheric – TOA),

sau đó đưa về phản xạ bề mặt thơng qua phép hiệu chỉnh khí quyển.

Phản xạ R* liên quan với đối tượng nước, cụ thể là phản xạ rời khỏi mặt nước Rw

thơng qua biểu thức

Trong đó:

Ra và Rr là phản xạ sol khí (aerosol) và phản xạ Rayleigh,

Tg và Td là tham số truyền dẫn và khuyếch tán bức xạ trong khí quyển.

Như vậy, phản xạ viễn thám Rrs được tính theo mối quan hệ sau:

Rrs 



Rw

 (1  S .Rw )



Ở đây S là giá trị suất phân chiếu bầu trời (albedo).

48



Từ những phân tích trên có thể kết luận rằng, phản xa viễn thám xác định từ tư

liệu ảnh vệ tinh quang học tuân theo quy luật khách quan khi có tương tác của ánh sáng

vào đối tượng nước.

2.4.2 Xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước

Các nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy, hàm lượng các thông số chất lượng

nước như chất lơ lửng, chất diệp lục, BOD, COD,...có mối quan hệ chặt chẽ với phản xạ

phổ mặt nước, trong đó giá trị bình phương hệ số tương quan R 2 có thể đạt trên 0,8. Như

vậy, để thành lập bản đồ phân bố hàm lượng các thành phần ô nhiễm nước mặt từ dữ liệu

ảnh viễn thám, điểm mấu chốt cần thiết lập mơ hình ước lượng các thơng số chất lượng

nước dựa trên phản xạ rời khỏi bề mặt nước. Bản chất của việc thiết lập mơ hình này là

xây dựng hàm hồi quy giữa giá trị đo hàm lượng các thành phần ô nhiễm nước mặt từ

các trạm đo thực địa và phản xạ rời khỏi bề mặt nước xác định từ dữ liệu ảnh viễn thám

quang học.

Tùy đặc điểm cụ thể của khu vực nghiên cứu, có thể sử dụng các mơ hình hàm hồi

quy khác nhau như hàm mũ, hàm tuyến tính, hàm đa thức...Các mơ hình hồi quy phổ

biến có thể tóm tắt ở bốn dạng cơ bản như sau:



- Trong đó:

Y là biến số chất lượng nước (hàm lượng BOD, COD, TSS...),

Xi là phản xạ rời khỏi mặt nước trong một dải sóng cụ thể,

ai, ci là các hệ số,

k là số lượng kênh ảnh.

Khi xây dựng mơ hình, mấu chốt là cần phản ánh đúng, mang tính khách quan mà

khơng phụ thuộc vào sự áp đặt ý thức của con người về mối quan hệ hữu cơ giữa các

biến chất lượng nước với phản xạ rời khỏi bề mặt nước. Giải quyết điều này chính là bản

49



chất đúng đắn của cơng nghệ. Nhằm thực hiện được mục tiêu đó cần thực hiện 2 nội

dung:

- Tìm mối quan hệ tồn tại khách quan giữa biến chất lượng nước với phản xạ rời

khỏi bề mặt nước.

- Lựa chọn mơ hình thích hợp để lập bản đồ chất lượng nước. Công cụ hữu hiệu

để giải quyết công nghệ nêu trên là dựa vào lý thuyết hàm hồi quy với việc xử lý và tổ

hợp ảnh ở mức cao.

Độ chính xác kết quả ước lượng hàm lượng các thơng số chất lượng nước từ dữ

liệu viễn thám có thể đánh giá bằng cách sử dụng hệ số tương quan giữa dữ liệu đo và

phản xạ phổ mặt nước (giá trị R2). Ngoài ra, bên cạnh một phần số liệu phân tích chất

lượng nước tại các điểm đo được sử dụng để xây dựng mơ hình hàm quan hệ với phản

xạ bề mặt nước xác định từ ảnh vệ tinh, một phần số liệu có thể được sử dụng để đánh

giá độ chính xác kết quả xây dựng mơ hình.

2.5 Quy trình xác định hàm lương chất lơ lửng từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat

Quy trình xác định hàm lương chất lơ lửng từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat được

thể hiện trên hình 2.5 dưới đây:



Thu thập ảnh vệ tinh Landsat



Hàm lượng TSS đo theo thực

tế



Tiền xử lý



Xác định phổ phản xạ bề mặt

50



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG CHẤT LƠ LỬNG

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×