Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
5 Đánh giá tình hình nghiên cứu trong và trên thế giới

5 Đánh giá tình hình nghiên cứu trong và trên thế giới

Tải bản đầy đủ - 0trang

1.5.1. Tình hình trên thế giới

Với những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống,

phương pháp viễn thám đã được sử dụng phổ biến trên thế giới trong quan trắc, đánh giá

và giám sát diễn biến các thơng số chất lượng nước với độ chính xác cao, tiết kiệm được

thời gian và chi phí.

Các nghiên cứu ban đầu trong ứng dụng viễn thám để quan trắc hàm lượng các

thông số chất lượng nước chủ yếu tập trung chứng minh sự tồn tại mối quan hệ giữa phổ

phản xạ thu được từ ảnh vệ tinh và hàm lượng các thông số chất lượng nước xác định

dựa trên các phương pháp thực nghiệm. Nhiều nghiên cứu đã tìm ra mối quan hệ tuyến

tính giữa phản xạ phổ và hàm lượng một số thông số chất lượng nước như chất lơ lửng

(TSS) và chlorophyll trong nước mặt. Richie và cộng sự (1976) đã tìm ra mối quan hệ

tuyến tính giữa hàm lượng TSS trong nước mặt và phản xạ phổ trong bước sóng từ 0,7 0,8 μm ảnh vệ tinh Landsat MSS khu vực hồchứa Mississippi với hệ số tương quan cao

(R = 0,85). Mối quan hệ giữa hàm lượng TSS và phản xạ phổ cũng được xác định là

tuyến tính logarit trong dải sóng 0,450 - 0,700 μm và tuyến tính trong dải sóng từ 0,700

đến 1,050 μm. Novo và cộng sự (1991) đã chứng minh rằng, mối quan hệ giữa hàm

lượng TSS và phản xạ phổ là tuyến tính và khơng đổi trong dải sóng nhìn thấy và cận

hồng ngoại (0,450 đến 0,900μm).

Nhìn chung, trong các nghiên cứu này, hàm lượng TSS và phổ phản xạ xác định

từ dữ liệu viễn thám đều có mối tương quan cao với hệ số tương quan thường đạt lớn

hơn 0,8. Mặt khác, một số nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cũng cho thấy, sử dụng

phổ phản xạ chiết xuất từ dữ liệu viễn thám có thể ước lượng hàm lượng TSS với giá trị

sai số trung bình khơng vượt quá 8%.

Nghiên cứu của Doxaran và cộng sự (2002, 2006, 2009) sử dụng tư liệu ảnh

SPOT HVR và LANDSAT ETM+ nhằm xác định hàm lượng các chất ô nhiễm vùng cửa

sông Gironde (Pháp). Trong các nghiên cứu này, các tác giả đã phân tích đặc trưng phản

xạ phổ của nước và cơ sở khoa học của phương pháp ứng dụng tư liệu viễn thám quang

học (SPOT, LANDSAT) trong đánh giá chất lượng nước. Từ phân tích đặc trưng phản xạ

phổ của nước, các tác giả đã chứng minh rằng dải sóng cận hồng ngoại (NIR) và xanh

27



lục (Green) có khả năng phản ánh tốt nhất hàm lượng chất lơ lửng trong nước và đề xuất

sử dụng tỉ số giữa hệ số phản xạ phổ tại kênh cận hồng ngoại (kênh 4 đối với ảnh

LANDSAT ETM+, kênh 3 đối với ảnh SPOT) và kênh xanh lục (kênh 2, kênh 1 đối với

ảnh LANDSAT ETM+ và SPOT tương ứng). Từ mối quan hệ giữa phản xạ phổ tại các

kênh sóng này cùng với số liệu đo thực địa, tác giả đã đưa ra mơ hình ước lượng hàm

lượng chất lơ lửng tại vùng cửa sơng Gironde (hình 1.14).



Hình 1.14 Kết quả xác định hàm lượng chất lơ lửng (SPM) vùng Gironde (Pháp) trên

ảnh SPOT HRV (a, 14-06-1996) và Landsat ETM+ (b, 04-03-2000)

Lehner và cộng sự (2004) sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh SPOT trong đánh giá sự

phân bố hàm lượng các hợp chất lơ lửng khu vực German Bight (Đức). Trong nghiên

cứu này, các tác giả sử dụng các kênh ảnh ở dải sóng 0,50 - 0,50 μm, 0,61 - 0,68μm và

0,79 - 0,89μm từ 04 cảnh ảnh SPOT chụp vào ngày 02, 15 và 17 tháng 5 năm 1998,

ngày 03 tháng 09 năm 1999 nhằm đánh giá phân bố hàm lượng SPM.



28



Hình 1.15 Phân bố hàm lượng SPM khu vực German Bight từ ảnh vệ tinh SPOT

Trong nhiều nghiên cứu khác, như của Ke Sheng Cheng, Tsu Chiang Lei (2001),

Emmanuel Olet (2010), Jian - Jun Wang et al (2009), Sudheer et al (2006), Xing-Ping

Wen (2010), Yuan - Fong Su (2008), các tác giả cũng sử dụng dữ liệu viễn thám và số

liệu các trạm quan trắc trong đánh giá hàm lượng chất lơ lửng, chất diệp lục khu vực cửa

sông và ven biển. Kết quả nhận được từ các nghiên cứu này đã được sử dụng trong xây

dựng các hệ thống giám sát chất lượng nước mặt khu vực cửa sông và ven biển và cung

cấp cơ sở khoa học phục vụ cơng tác ứng phó tình trạng ơ nhiễm nước và cải thiện chất

lượng nước.

Bên cạnh việc sử dụng các kênh ảnh trong dải sóng nhìn thấy và cận hồng ngoại

nhằm xây dựng hàm quan hệ giữa phổ phản xạ và hàm lượng các thông số chất lượng

nước, một số nghiên cứu cũng sử dụng các ảnh tỉ lệ như tỉ lệ ảnh giữa kênh xanh lục

(0,50 - 0,60 μm) và kênh đỏ (0,6 - 0,70 μm), tỉ lệ giữa kênh cận hồng ngoại (NIR) và

kênh đỏ, giữa kênh xanh lục và xanh lam, giữa kênh xanh lam và đỏ…trong nghiên cứu,

xác định hàm lượng chất diệp lục, chất hữu cơ hòa tan.

Trong các nghiên cứu ở quy mơ lớn, dữ liệu ảnh độ phân giải thấp MODIS đã

được sử dụng rộng rãi nhằm đánh giá hàm lượng chất lơ lửng, chất diệp lục và nhiệt độ

bề mặt nước biển. Do ưu điểm diện tích vùng chụp rộng, dải phổ và số lượng kênh phổ

lớn, ảnh MODIS tỏ ra có hiệu quả đặc biệt trong nghiên cứu mơi trường biển và ven bờ.

Trong nghiên cứu của Guzman và cộng sự (2009), các tác giả sử dụng dữ liệu ảnh

MODIS xác định hàm lượng chất lơ lửng khu vực vịnh Mayaguez (Perto Rico) trên cơ

29



sở đánh giá mối quan hệ với hiện trạng xói mòn và trượt lở đất. Nghiên cứu trên đã

chứng minh rằng, kênh 1 ảnh MODIS (bước sóng trong khoảng 0,589 - 0,645µm) có

khả năng thể hiện sự phân bố hàm lượng chất lơ lửng, chất diệp lục tốt nhất. Các tác giả

cũng đã sử dụng máy đo quang phổ bức xạ cầm tay GER 1500 để hiệu chỉnh phổ bề mặt

nhằm tăng cường độ chính xác trong tính tốn. Cũng sử dụng dữ liệu ảnh đa phổ độ

phân giải thấp MODIS trong đánh giá chất lượng nước vùng ven biển có thể kể đến các

nghiên cứu của Wong et al (2008), Brando et al (2006).

Ustun (2011) sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh IKONOS nhằm xác định phân bố hàm

lượng chất lơ lửng và nitrogen trong nước mặt hồ Buyukcekmece (Thổ Nhĩ Kỳ), trong

đó tác giả sử dụng phản xạ phổ ở các kênh 1, 2, 3, 4 nhằm xây dựng hàm quan hệ với

các giá trị đo thực địa. Kết quả nhận được cho thấy, hệ số R 2 trong nghiên cứu trên đạt

trên 0,90.



Hình 1.16 Kết quả xác định hàm lượng chất lơ lửng (SS) trong nước mặt hồ

Buyukcekmece (Thổ Nhĩ Kỳ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh IKONOS

Nhìn chung, các nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy tính hiệu quả của phương

pháp sử dụng dữ liệu viễn thám trong đánh giá và ước lượng hàm lượng các thông số

chất lượng nước, đặc biệt đối với một số thông số như TSS, chlorophyll-a, tổng nitơ và

tổng photphor. Các nghiên cứu trên cũng cho thấy, giữa phản xạ phổ xác định từ ảnh

viễn thám và hàm lượng các thơng số chất lượng nước có mối quan hệ chặt chẽ với

nhau. Do vậy, bản chất của việc ứng dụng dữ liệu viễn thám trong nghiên cứu, đánh giá

chất lượng nước mặt là xây dựng hàm quan hệ giữa phổ phản xạ và hàm lượng các

thông số chất lượng nước.Mặt khác, phân tích các nghiên cứu trên thế giới cũng cho

30



thấy, hiệu quả xác định hàm lượng một số thông số chất lượng nước như BOD 5, COD từ

dữ liệu viễn thám cũng ở mức nhất định, thể hiện qua giá trị hệ số R 2 thường đạt thấp

hơn đáng kể so với khi xác định TSS,...

1.5.2. Tình hình trong nước

Trước đây, ở Việt Nam, để đánh giá mức độ ô nhiễm nước mặt thường dựa vào

việc phân tích các thơng số chất lượng nước riêng biệt, sau đó so sánh giá trị từng thơng

số đó với giá trị giới hạn được quy định trong các tiêu chuẩn/quy chuẩn trong nước hoặc

quốc tế. Tuy nhiên, cách làm này có rất nhiều hạn chế do việc đánh giá từng thơng số

riêng rẽ khơng nói lên diễn biến chất lượng tổng quát của nước mặt. Để khắc phục khó

khăn trên, một số nghiên cứu đã sử dụng chỉ số WQI (Water Quality Index) trong đánh

giá chất lượng nước mặt. Mặc dù có nhiều ưu điểm, phương pháp sử dụng chỉ số WQI

cũng có những hạn chế nhất định như thiếu sự thống nhất về cách tiếp cận chung khi xây

dựng mơ hình WQI. Một số nghiên cứu sử dụng các tḥt tốn nội suy khơng gian như

Kriging, IDW...để xây dựng bản đồ phân bố hàm lượng các thông số chất lượng nước,

tuy nhiên phương pháp này có độ chính xác khơng cao trong trường hợp số lượng các

điểm lấy mẫu không đủ lớn.

Cho đến nay, ở nước ta đã có một số nghiên cứu sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh quang

học trong đánh giá và giám sát chất lượng nước mặt, trong đó sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh

quang học độ phân giải trung bình như SPOT, Landsat (nghiên cứu chất lượng nước mặt

lục địa) hoặc ảnh vệ tinh độ phân giải thấp như MODIS (nghiên cứu chất lượng nước

biển ven bờ).

Trong dự án “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 ơ nhiễm thuộc vùng kinh tế trọng điểm miền Bắc”

đã sử dụng dữ liệuviễn thám trongxác định hàm lượng một số thông số chất lượng nước

như BOD, COD, TSS khu vực ven biển Hải Phòng - Quảng Ninh. Trong nghiên cứu này,

các tác giả đã sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải trung bình SPOT 5 kết

hợp kết quả quan trắc tại 10 điểm lấy mẫu khu vực cửa sơng, ven biển (Hình 1.17) nhằm

31



xác định hàm quan hệ giữa phản xạ phổ thu được từ ảnh vệ tinh và giá trị các thông số

chất lượng nước.



Hình 1.17 Bản đờ phân bố các trạm quan trắc chất lượng nước

khu vực cửa Quảng Ninh - Hải Phòng.

Kết quả xác định hàm hồi quy giữa giá trị đo thực địa hàm lượng chất ô nhiễm

BOD (biochemical oxygen demand), COD (chemical oxygen demand), TSS (total

suspended sediment) từ dữ liệu ảnh quang học SPOT 5 đối với khu vực Quảng Ninh Hải Phòng được trình bày trong các cơng thức sau:



BOD  101.0339*FB 0.0375



(1.2)



COD  1.0331* FB  11.245



(1.3)



TSS  1,0319.FB  2,6409



(1.4)



Trong đó FB là tổ hợp các kênh ảnh SPOT 5.

Trong nghiên cứu trên, hệ số tương quan trong xác định hàm lượng các chất BOD,

COD, TSS đối với khu vực Quảng Ninh- Hải Phòng tương ứng là 0,74, 0,84 và 0,91.

Như vậy, có thể khẳng định, phương pháp sử dụng dữ liệu viễn thám trong nghiên cứu,

đánh giá chất lượng nước khu vực ven biển Hải Phòng - Quảng Ninh có kết quả đảm

bảo độ chính xác. Từ kết quả nghiên cứu trên, các tác giả đã xây dựng bản đồ phân bố

hàm lượng các chất ô nhiễm nước mặt BOD và COD khu vực Quảng Ninh - Hải Phòng

(Hình 1.18).

32



Hình 1.18 Bản đờ phân bố hàm lượng chất ô nhiễm BOD và COD

khu vực Quảng Ninh - Hải Phòng

Cũng sử dụng ảnh vệ tinh Landsat, Nguyễn Quốc Phi và cộng sự (2014) đã nghiên

cứu và đánh giá chất lượng nước mặt khu vực ven biển Cửa Đáy phục vụ công tác giám

sát môi trường. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã trích lọc thơng tin về chất lượng

nước thơng qua việc tính tốn các chỉ số phản xạ phổ cũng như áp dụng các chỉ số kinh

nghiệ và phân tích đặc trưng phản xạ phổ để xác định phân bố tổng chất rắn chất lơ lửng,

chlorophyll, chỉ số trầm tích lơ lửng, độ đục/độ trong.

Lê Minh Sơn (2008) trong đề tài nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu ứng dụng ảnh

vệ tinh để xác định nhiệt độ và hàm lượng chlorophyll bề mặt nước biển” đã sử dụng tư

liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải thấp MODIS trong tính tốn nhiệt độ bề mặt

cũng như hàm lượng chất diệp lục (chlorophyll) bề mặt nước biển.Trong nghiên cứu

này, các kênh hồng ngoại nhiệt ảnh MODIS được sử dụng để tính nhiệt độ bề mặt nước

biển, trong khi đó hàm lượng chất diệp lục được xác định trên cơ sở áp dụng thuật toán

truyền thống đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới là OC - Ocean Color. Thuật toán OC

33



được xây dựng dựa trên quan hệ hàm mũ giữa hàm lượng chlorophyll với tỉ số phản xạ

phổ giữa bước sóng 440 nm và 551 nm.

Nguyễn Thị Thu Hà và cộng sự (2016) đã sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Sentinel-2A

đánh giá sự phân bố không gian của hàm lượng chlorophyll-a và chỉ số trạng thái phú

dưỡng trong nước mặt Hồ Tây. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng kết quả lấy

mẫu chất lượng nước mặt tại 10 điểm khảo sát ven bờ Hồ Tây kết hợp đo phổ hiện

trường bằng máy quang phổ bức xạ GER 1500 cùng thời điểm lấy mẫu. Kết quả nhận

được cho thấy, hàm lượng chlorophyll-a trong nước mặt Hồ Tây có thể xác định từ ảnh

vệ tinh Sentinel-2A theo công thức sau:

Cchlorophyll  a  25, 27.e



0,84.



b5

b4



Trong đó:

Hàm lượng chlorophyll-a có đơn vị là µg/L;

B5/b4 ứng với tỷ số kênh 5 trên kênh 4 ảnh Sentinel-2A sau khi đã hiệu chỉnh khí

quyển.



Hình 1. 19 Sơ đờ phân bố hàm lượng chlorophyll-a trong nước Hờ Tây

tính toán từ ảnh Sentinel-2A chụp ngày 18/6/2016

Ha N.T.T., Koike K. (2011)đã sử dụng dữ liệu viễn thám và địa thống kê trong

quan trắc chất lượng nước biển ven bờ, áp dụng cho khu vực vịnh Tiên Yên đã chứng



34



minh tư liệu ảnh MODIS có khả năng cung cấp dữ liệu nhằm đánh giá hiệu quả chất

lượng các vùng nước ven biển.

1.6 Đặc điểm ảnh vệ tinh Landsat

Chương trình vệ tinh Landsat do NASA sáng lập với mục đích nghiên cứu mặt đất

từ vệ tinh trên quỹ đạo trái đất không người lái. Đầu tiên nó mang tên ERTS ( Earth

Resource Technology Sattellite ) – kỹ thuật vệ tinhcông nghệ tài nguyên trái đất, vào

năm 1975 đổi tên thành Landsat. Hệ thống vệ tinh Landsat cho tới nay có thể nói là hệ

thống vệ tinh mang tính chất quốc tế.Có 7 vệ tinh trong chương trình này.

Vệ tinh Landsat – 1 được phóng lên quỹ đạo ngày 23/7/1972 và hoạt động ngày

6/1/1978. Landsat – 1 được thiết kế để thu nhận hình ảnh đa phổ trên mặt đất một cách

hệ thống, lặp lại và có độ phân giải trung bình đa phổ.

Các vệ tinh tiếp theo của Landsat và Landsat – 2,3,4,5,6 và Landsat – 7. Công

nghệ ghi ảnh trên các thế hệ vệ tinh Landsat lần lượt sử dụng các bộ cảm ngày càng

hoàn thiện và tốt hơn nhiều, từ độ phân giải thấp đến độ phân giải cao, theo trật tự là

RBV (Return Beam Vidicon), đa phổ (MSS), chuyên đề (TM), chuyên đề nâng cao

(ETM), chuyên đề nâng cao (ETM+).

Nguồn dữ liệu ảnh Landsat đa dạng, phong phú, phổ biến trên toàn cầu.Đặc biệt là

dữ liệu của vệ tinh Landsat – 7.Vệ tinh Landsat – 7 được thiết kế thêm kênh phổ tồn

sắc, có dải song 0.5 – 0.9µm và độ phân giả 15x15m.Điều này cho phép chồng ảnh với

các kênh phổ thông khác nhau của bộ cảm biến ETM để tạo ra ảnh tổ hợp màu với độ

phân giải cao hơn.

Hiện nay, ảnh Landsat có nhiều thế hệ với số lượng kênh phổ và độ phân giải khác

nhau. Tuy nhiên, thế hệ ảnh Landsat TM thu từ vệ tinh Landsat – 4,5 và ảnh Landsat

ETM+ được thu từ vệ tinh Landsat – 7 được sử dụng phổ biến nhất. Ảnh Landsat TM

gồm có 7 kênh. Trong đó 6 kênh phổ nằm bên trên dải song nhìn thấy và hồng ngoại với

độ phân giải không gian 30m x 30m và một dải phổ hồng ngoại nhiệt ở kênh 6, độ phân

giải 120m x 120m để đo nhiệt độ bề mặt. Đặc tính của các kênh phổ ảnh Landsat TM

được thể hiện trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Một số thông số các kênh phổ ảnh Landsat TM

35



Độ phân giải



Lưu trữ



không gian(m)



(Bit)



Xanh lam



30



8



0.52 – 0.60



Xanh lục



30



8



TM3



0.63 – 0.69



Đỏ



30



8



TM4



0.76 – 0.90



Cận hồng ngoại



30



8



TM5



1.55 – 1.75



Giữa hồng ngoại



30



8



TM6



10.4 – 12.5



Hồng ngoại nhiệt



120



8



TM7



2.08 – 2.35



Giữa hồng ngoại



30



8



Kênh



Bước sóng (µm)



Tên gọi phổ



TM1



0.45 – 0.52



TM2



Bảng 1.6 Thơng số các kênh phở ảnh Landsat ETM+ và Landsat-7

Bước sóng



Kênh



(µm)



Độ phân giải

Tên gọi phổ



không



Lưu trữ (Bit)



gian(m)



ETM+1

ETM+2

ETM+3

ETM+4

ETM+5

ETM+6



0.45 – 0.52

0.52 – 0.60

0.63 – 0.69

0.76 – 0.90

1.55 – 1.75

10.4 – 12.5



Xanh lam

Xanh lục

Đỏ

Cận hồng ngoại

Giữa hồng ngoại

Hồng ngoại nhiệt



30

30

30

30

30

60



8

8

8

8

8

8



ETM+7



2.08 – 2.35



Giữa hồng ngoại



30



8



ETM+8



0.52 – 0.90



Tồn sắc



15



8



Bảng 1.7 Ứng dụng chính của các kênh phở ảnh Landsat TM, ETM+

Kênh

TM1



Bước sóng

(µm)

0.45 – 0.52



Tên gọi phổ



Ứng dụng chính



Xanh lam



Dùng để nghiện cứu thềm lục địa nơng,

phân biệt sự khác nhau giữ đất và thực vật,

xác định các đối tượng nhân tạo như

36



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

5 Đánh giá tình hình nghiên cứu trong và trên thế giới

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×