Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ giám sát môi trường nước mặt khu vực Hà Nội từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A" do nghiên sinh Đinh Thị Thu Hiền thực hiện năm 2018 tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Xuân Trường và TS. Lê Quốc Hưng. Công trình thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ (mã số định hướng viễn thám và địa tin học), tập trung giải quyết bài toán ứng dụng công nghệ viễn thám quang học độ phân giải cao của Việt Nam vào bài toán quan trắc môi trường nước nội địa.
QUY TRÌNH TỔNG QUAN CỦA LUẬN ÁN
+-------------------------------------------------------------------------+
| DỮ LIỆU VIỄN THÁM VNREDSAT-1A |
| (04 kênh đa phổ, 02 thời điểm: 20/10/2016 và 21/12/2017) |
+------------------------------------+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+------------------------------------+
| TIỀN XỬ LÝ ẢNH |
| - Hiệu chỉnh bức xạ & khí quyển (tách phản xạ bề mặt từ TOA) |
| - Hiệu chỉnh hình học tọa độ & mô hình số độ cao |
+------------------------------------+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+------------------------------------+
| KẾT HỢP DỮ LIỆU THỰC ĐỊA |
| - Phổ phản xạ hiện trường máy đo GER 1500 |
| - Phân tích hóa nghiệm mẫu nước (Độ đục, TSS, COD, BOD5) |
+------------------------------------+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+------------------------------------+
| MÔ HÌNH HÓA HỒI QUY |
| - Xây dựng mô hình tương quan: đơn kênh, tỉ số kênh, đa kênh |
| - Phân tách theo hai thủy vực: Hệ thống hồ đầm & Sông Hồng |
+------------------------------------+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+------------------------------------+
| ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC & THÀNH LẬP BẢN ĐỒ |
| - Kiểm định sai số (R, R², RMSE) |
| - Bản đồ phân bố không gian chất lượng nước mặt Hà Nội (GIS) |
+-------------------------------------------------------------------------+
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Tài nguyên nước mặt đóng vai trò cốt lõi trong hệ sinh thái và các hoạt động kinh tế - xã hội. Tại Việt Nam, quá trình đô thị hóa nhanh chóng, sự gia tăng dân số cùng việc phát triển các khu công nghiệp, làng nghề và cơ sở y tế đã tạo áp lực lớn lên môi trường nước. Nhiều thủy vực tại các đô thị lớn, đặc biệt là Hà Nội, bị ô nhiễm bởi chất hữu cơ, chất lơ lửng, dầu mỡ và kim loại nặng. Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường (2012), các nguồn thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp và y tế chưa qua xử lý triệt để là nguyên nhân chính dẫn đến suy giảm chất lượng nước mặt.
Phương pháp quan trắc truyền thống thông qua việc thu thập và phân tích mẫu nước tại các trạm mặt đất chỉ phản ánh được hiện trạng chất lượng nước cục bộ xung quanh điểm đo, đòi hỏi kinh phí lớn và tốn nhiều thời gian, do đó khó thiết lập được mạng lưới quan trắc dày đặc để theo dõi biến động không gian - thời gian trên diện rộng. Công nghệ viễn thám khắc phục được những hạn chế này nhờ phạm vi bao phủ rộng, tính chu kỳ và chi phí vận hành hợp lý.
Vệ tinh VNREDSat-1A (vệ tinh quan sát tài nguyên thiên nhiên, môi trường và thiên tai đầu tiên của Việt Nam) được phóng thành công lên quỹ đạo vào tháng 5 năm 2013, cung cấp nguồn dữ liệu ảnh đa phổ độ phân giải cao. Tuy nhiên, phần lớn các ứng dụng của dữ liệu VNREDSat-1A trước đó chỉ tập trung vào việc thành lập bản đồ lớp phủ, theo dõi biến động tài nguyên đất liền, hải đảo hoặc phục vụ an ninh quốc phòng; các nghiên cứu giám sát chất lượng nước mặt tại Việt Nam chủ yếu dựa vào ảnh vệ tinh nước ngoài độ phân giải trung bình hoặc thấp như Landsat, SPOT, MODIS. Việc thiếu vắng một quy trình công nghệ chuẩn hóa ứng dụng dữ liệu VNREDSat-1A để giám sát chất lượng nước mặt cho mạng lưới sông, hồ nội địa chính là khoảng trống khoa học và thực tiễn mà luận án lựa chọn giải quyết.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát của luận án là xây dựng quy trình công nghệ giám sát chất lượng nước mặt một số sông, hồ khu vực Hà Nội từ nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh đa phổ VNREDSat-1A.
Luận án cụ thể hóa mục tiêu thông qua 7 nội dung nghiên cứu:
- Tổng quan về tài nguyên nước mặt, nguyên nhân ô nhiễm và tình hình nghiên cứu ứng dụng viễn thám trong và ngoài nước trong đánh giá chất lượng nước.
- Xác lập cơ sở khoa học của phương pháp ứng dụng dữ liệu viễn thám trong giám sát và đánh giá chất lượng nước mặt.
- Nghiên cứu đặc trưng phổ phản xạ của nước từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A.
- Xây dựng quy trình công nghệ đánh giá, giám sát chất lượng nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A.
- Thu thập, đo đạc phổ hiện trường và phân tích mẫu chất lượng nước mặt tại một số sông, hồ khu vực Hà Nội.
- Xây dựng hàm quan hệ hồi quy giữa giá trị các thông số chất lượng nước mặt và giá trị phổ phản xạ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A.
- Thành lập bản đồ phân bố các thông số chất lượng nước mặt tại một số sông, hồ, đầm khu vực Hà Nội.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Chất lượng nước mặt thông qua các thông số lý - hóa học (Độ đục, Tổng chất rắn lơ lửng - TSS, Nhu cầu oxy hóa học - COD, Nhu cầu oxy sinh học - $\text{BOD}_5$) tại một số thủy vực sông, hồ, đầm.
- Phạm vi không gian: Khu vực một số sông (trọng tâm là sông Hồng) và các hồ, đầm thuộc địa bàn thành phố Hà Nội.
- Phạm vi thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm dựa trên 02 cảnh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A chụp vào ngày 20 tháng 10 năm 2016 và ngày 21 tháng 12 năm 2017, đồng bộ với các đợt đo đạc phổ hiện trường và lấy mẫu phân tích thực tế.
Luận điểm bảo vệ
- Luận điểm 1: Tồn tại mối quan hệ chặt chẽ giữa phổ phản xạ của nước mặt được xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A sau khi hiệu chỉnh khí quyển với hàm lượng các thông số chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội.
- Luận điểm 2: Quy trình công nghệ giám sát nước mặt được đề xuất góp phần nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong việc xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Nghiên cứu ứng dụng viễn thám quang học trong giám sát chất lượng thủy vực đã được phát triển từ cuối thế kỷ XX:
- Nghiên cứu về chất lơ lửng (TSS/SPM): Richie và cộng sự (1976) xác định quan hệ tuyến tính giữa TSS và phổ phản xạ trong dải sóng $0{,}7 - 0{,}8,\mu\text{m}$ trên ảnh Landsat MSS tại hồ chứa Mississippi ($R = 0{,}85$). Novo và cộng sự (1991) chứng minh tính chất tuyến tính của mối quan hệ giữa TSS và phổ phản xạ trong dải sóng nhìn thấy và cận hồng ngoại ($0{,}450 - 0{,}900,\mu\text{m}$). Doxaran và cộng sự (2002, 2006, 2009) sử dụng dữ liệu SPOT HRV và Landsat ETM+ tại cửa sông Gironde (Pháp), chứng minh dải sóng cận hồng ngoại (NIR) và xanh lục (Green) phản ánh tốt nhất hàm lượng chất lơ lửng, qua đó thiết lập mô hình tỷ số kênh NIR/Green (kênh 4/kênh 2 trên Landsat ETM+, kênh 3/kênh 1 trên SPOT). Lehner và cộng sự (2004) khai thác các dải phổ SPOT ($0{,}50 - 0{,}59,\mu\text{m}$; $0{,}61 - 0{,}68,\mu\text{m}$; $0{,}79 - 0{,}89,\mu\text{m}$) để đánh giá SPM vùng German Bight (Đức).
- Nghiên cứu về độ đục (Turbidity): Ouillon và cộng sự (2008) sử dụng đa nguồn dữ liệu (MODIS, MERIS, TM, ETM+, SeaWiFS, OCTS) tại vùng ven biển Cuba, Fiji và New Caledonia, tìm ra tỷ lệ phổ ở các bước sóng $0{,}510,\mu\text{m}$ và $0{,}681,\mu\text{m}$ tối ưu cho việc mô hình hóa độ đục với hàm phản xạ $R_{rs}(620)$. Somvanshi và cộng sự (2011) sử dụng ảnh QuickBird và chỉ số độ đục khác biệt chuẩn hóa (NDTI) trên sông Gomti Lucknow (Ấn Độ).
- Nghiên cứu về chất diệp lục, dinh dưỡng và chất hữu cơ: Weipi He và cộng sự (2008) tích hợp ảnh Landsat TM và 76 điểm mẫu để xác định chlorophyll-a, COD, tổng nitơ (TN), amoni ($\text{NH}_3\text{-N}$) tại các hồ Bắc Kinh (Trung Quốc). Liu và cộng sự (2015) dùng ảnh độ phân giải cao IKONOS kết hợp hồi quy tuyến tính đa biến (MLR) và mạng nơ-ron xác định TN, TP tại hồ Cihu ($R^2 > 0{,}86$; $\text{RMSE} < 0{,}89$). Ustun (2011) sử dụng 4 kênh phổ IKONOS xác định chất lơ lửng và nitơ tại hồ Buyukcekmece ($R^2 > 0{,}90$). Oki và cộng sự (2012) dùng ảnh QuickBird ước tính TN, TP, TOC tại lưu vực sông Koise.
- Cảm biến độ phân giải thấp, siêu phổ và siêu cao tần: Guzman và cộng sự (2009) kết hợp ảnh MODIS (kênh 1: $0{,}589 - 0{,}645,\mu\text{m}$) với máy đo phổ GER 1500 tại vịnh Mayaguez (Puerto Rico); Wong và cộng sự (2008), Brando và cộng sự (2006) dùng MODIS cho môi trường ven biển. Các bộ cảm siêu phổ (AVIRIS, HYDICE, CASI-1500, AISA, HyMap) cho phép nhận diện chi tiết nhờ hàng trăm kênh phổ hẹp. Thiết bị vi sóng (MWR, SAR) được tổng kết ứng dụng đo nhiệt độ mặt biển (SST), độ mặn (SSS) và vệt dầu loang.
| Nhóm cảm biến |
Tên vệ tinh / Bộ cảm |
Độ phân giải không gian |
Chu kỳ lặp |
Ứng dụng chính trong thủy vực |
| Độ phân giải cao |
WorldView-1, 2, 3
QuickBird
IKONOS
GeoEye-1 |
$0{,}31 - 1{,}85,\text{m}$ (Pan)
$1{,}24 - 3{,}2,\text{m}$ (MS) |
$1 - 4{,}5$ ngày |
Quan trắc chi tiết ao, hồ nhỏ, đoạn sông đô thị, thông số TSS, độ đục, TN, TP |
| Độ phân giải trung bình |
Landsat 5 TM, 7 ETM+, 8 OLI
SPOT-5 HRG
EO-1 Hyperion |
$10 - 30,\text{m}$
$30,\text{m}$ (Hyperion) |
$2 - 16$ ngày |
Giám sát cấp vùng, cửa sông, hồ chứa lớn, diệp lục, chất lơ lửng |
| Độ phân giải thấp |
Terra/Aqua MODIS
Envisat MERIS
SeaWiFS |
$250 - 1200,\text{m}$ |
Hàng ngày |
Nghiên cứu hải dương học, môi trường biển diện rộng, chlorophyll-a, SST |
| Siêu cao tần / Radar |
SMOS MIRAS, WindSat
Nimbus SMMR, AMSR-E |
$5 - 100,\text{km}$ |
1 - 6 ngày |
Nhiệt độ mặt biển (SST), độ mặn mặt biển (SSS), phát hiện tràn dầu |
Tình hình nghiên cứu trong nước và vị trí của luận án
Tại Việt Nam, các phương pháp đánh giá chất lượng nước truyền thống gắn liền với chỉ số chất lượng nước (WQI) qua các công trình của Lê Trình (2008), Tôn Thất Lãng (2010), Nguyễn Duy Phú (2012), Lê Văn Thăng và nnk (2013), Phạm Thế Anh và Nguyễn Văn Huy (2013), Trương Văn Đàn và nnk (2014), Nguyễn Thị Lệ Hằng và nnk (2017).
Trong lĩnh vực viễn thám, dữ liệu vệ tinh đã được thử nghiệm tại một số khu vực:
- Xác định chất lơ lửng hồ Trị An bằng tỷ số kênh 4/kênh 2 ảnh Landsat 7 ETM+.
- Tính toán chlorophyll-a hồ Tây từ ảnh Sentinel-2A ngày 18/06/2016.
- Đánh giá phân bố chất ô nhiễm $\text{BOD}_5$, COD vùng cửa biển Quảng Ninh - Hải Phòng.
- Giám sát chất lơ lửng (SPM) sông Hồng ngày 25/09/2014 từ ảnh VNREDSat-1A.
Khoảng trống giải quyết: Phần lớn công trình trong nước sử dụng dữ liệu nước ngoài hoặc chỉ khảo sát đơn lẻ một chỉ tiêu. Luận án đặt vị trí nghiên cứu vào việc hoàn thiện quy trình công nghệ khép kín, tối ưu hóa các bước tiền xử lý bức xạ, khí quyển, hình học cho nguồn ảnh vệ tinh nội địa VNREDSat-1A, đồng thời xây dựng hệ thống mô hình hồi quy đa biến đồng thời cho 4 thông số cốt lõi (Độ đục, TSS, COD, $\text{BOD}_5$) phân tách theo hai dạng thủy vực đặc trưng (sông và hồ đầm).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở khoa học và lý thuyết quang học thủy vực
Năng lượng bức xạ Mặt Trời khi chiếu tới mặt nước sẽ tương tác qua các quá trình phản xạ mặt nước, hấp thụ và tán xạ bởi các phần tử trong cột nước trước khi thoát ra ngoài khí quyển và đi tới bộ cảm viễn thám. Luận án phân tích:
- Bức xạ trực tiếp và tính chất quang học: Nước nguyên chất hấp thụ mạnh năng lượng bức xạ ở dải sóng cận hồng ngoại (NIR) và tán xạ chọn lọc ở dải ánh sáng khả kiến (xanh lam - xanh lục).
- Ảnh hưởng của các chất trong nước: Sự hiện diện của chất lơ lửng vô cơ làm tăng mạnh độ phản xạ phổ ở dải sóng đỏ ($0{,}6 - 0{,}7,\mu\text{m}$) và cận hồng ngoại ($0{,}7 - 0{,}9,\mu\text{m}$); tảo và chất diệp lục (chlorophyll-a) tạo đỉnh phản xạ ở vùng xanh lục ($0{,}55,\mu\text{m}$) và hấp thụ mạnh ở vùng xanh lam ($0{,}44,\mu\text{m}$) cùng vùng đỏ ($0{,}67,\mu\text{m}$); chất hữu cơ hòa tan làm tăng độ hấp thụ ở các bước sóng ngắn.
- Bức xạ gián tiếp và hiệu ứng khí quyển: Bức xạ thu nhận tại đỉnh khí quyển ($L_{\text{TOA}}$) bị ảnh hưởng nặng bởi tán xạ Rayleigh, tán xạ aerosol và phản xạ từ đáy/môi trường xung quanh, đòi hỏi phải loại bỏ thành phần bức xạ khí quyển để thu được phổ phản xạ bề mặt nước thực tế ($R_{rs}$ hoặc $\rho$).
Nguồn tư liệu và dữ liệu thực nghiệm
- Dữ liệu viễn thám VNREDSat-1A: Sử dụng 04 kênh phổ quang học (Kênh 1 - Blue: $0{,}45 - 0{,}52,\mu\text{m}$; Kênh 2 - Green: $0{,}53 - 0{,}59,\mu\text{m}$; Kênh 3 - Red: $0{,}63 - 0{,}69,\mu\text{m}$; Kênh 4 - NIR: $0{,}76 - 0{,}89,\mu\text{m}$) cùng thông số hiệu chỉnh kỹ thuật Gain và Bias do Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST) cung cấp. Hai cảnh ảnh thực nghiệm chụp ngày 20/10/2016 và 21/12/2017 tại khu vực Hà Nội.
- Dữ liệu đo phổ hiện trường: Sử dụng máy đo quang phổ bức xạ hiện trường GER 1500 (dải phổ $350 - 1050,\text{nm}$, 512 kênh phổ) để đo đạc đồng thời phổ phản xạ của các thủy vực tại thời điểm vệ tinh chụp ảnh nhằm kiểm chứng và hiệu chỉnh phổ bề mặt.
- Số liệu quan trắc hóa nghiệm mẫu nước: Thực hiện 02 đợt lấy mẫu thực địa đồng bộ với thời gian vệ tinh bay qua. Vị trí mẫu được định vị chính xác bằng GPS. Các chỉ tiêu được phân tích trong phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn gồm: Độ đục, TSS, COD, $\text{BOD}_5$, đối chiếu theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 08-MT:2015/BTNMT.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| QUY TRÌNH XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH VNREDSAT-1A VÀ MÔ HÌNH HÓA |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| |
| [Ảnh gốc VNREDSat-1A] [Dữ liệu thực địa] |
| | | |
| v | |
| [Hiệu chỉnh bức xạ] (Gain, Bias) | |
| | | |
| v | |
| [Hiệu chỉnh khí quyển] ---> Tách phổ phản xạ bề mặt <----+ | (GER 1500) |
| | | | |
| v v v |
| [Hiệu chỉnh hình học] (GCPs, DEM) [Kiểm chứng phổ] |
| | | |
| +-----------------------+----------------------------+ |
| | |
| v |
| [Xây dựng hàm hồi quy] |
| + Đơn kênh (Band 1, 2, 3, 4) |
| + Tỉ số 2 kênh (1-2, 1-3, 1-4, 2-3, 2-4, 3-4) |
| + Tổ hợp 3 kênh (1-2-3, 1-2-4, 1-3-4, 2-3-4) |
| + Tổ hợp 4 kênh (1-2-3-4) |
| | |
| v |
| [Đánh giá sai số (R, R², RMSE)] |
| | |
| v |
| [Thành lập bản đồ chất lượng nước (GIS)] |
| |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
Phương pháp nghiên cứu cụ thể
- Phương pháp xử lý ảnh số viễn thám:
- Hiệu chỉnh khí quyển: Chuyển đổi giá trị số (DN) sang độ bức xạ đỉnh khí quyển (TOA), áp dụng thuật toán trừ đối tượng tối (Dark Object Subtraction - DOS) dựa trên phân tích biểu đồ histogram để tách loại độ chói khí quyển, thu được giá trị phản xạ bề mặt.
- Hiệu chỉnh hình học: Sử dụng các điểm khống chế mặt đất (GCPs) và mô hình số độ cao để nắn chỉnh hình học, loại bỏ ảnh hưởng góc nghiêng trục quang và độ chênh cao địa hình, đưa ảnh về hệ tọa độ chuẩn VN-2000.
- Phương pháp phân tích hồi quy toán học: Thiết lập các mô hình hàm tương quan đơn biến và đa biến giữa giá trị phản xạ phổ bề mặt (biến độc lập $X$) và nồng độ thông số chất lượng nước thực nghiệm (biến phụ thuộc $Y$):
- Mô hình đơn kênh (Kênh 1, Kênh 2, Kênh 3, Kênh 4).
- Mô hình tỷ số 2 kênh (Kênh 1/2, Kênh 1/3, Kênh 1/4, Kênh 2/3, Kênh 2/4, Kênh 3/4).
- Mô hình kết hợp 3 kênh (1-2-3, 1-2-4, 1-3-4, 2-3-4).
- Mô hình kết hợp 4 kênh (1-2-3-4).
- Phương pháp GIS: Chuyển đổi các hàm hồi quy tối ưu thành các công thức đại số raster trên phần mềm GIS, ngoại suy không gian và hiển thị trực quan bản đồ phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo từng ngưỡng chất lượng.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở thực tiễn và tổng quan y văn liên quan đến tài nguyên nước và công nghệ viễn thám:
- Tài nguyên nước mặt Việt Nam: Cả nước có 2.360 con sông dài từ $10,\text{km}$ trở lên với 109 sông chính, phân bổ trên 16 lưu vực sông lớn. Tổng lượng dòng chảy mặt hàng năm đạt $830 - 840$ tỷ $\text{m}^3/\text{năm}$, trong đó nguồn nước nội sinh chỉ chiếm $310 - 315$ tỷ $\text{m}^3$ (khoảng $37%$), nguồn nước ngoại lai chảy từ các quốc gia láng giềng chiếm $520 - 525$ tỷ $\text{m}^3$ (khoảng $63%$). Lưu vực sông Mê Kông chiếm $60%$ tổng lượng nước, sông Hồng - Thái Bình chiếm $16%$, sông Đồng Nai chiếm $4%$. Lượng nước phân bố không đều theo thời gian, trong đó mùa khô chỉ chiếm $20 - 30%$ tổng lượng dòng chảy năm. Hệ thống hồ đập cả nước có tổng dung tích hữu ích khoảng 37 tỷ $\text{m}^3$ ($4{,}5%$ tổng dòng chảy năm).
- Hiện trạng ô nhiễm và các nguồn thải: Nước thải sinh hoạt chiếm hơn $30%$ tổng lượng xả thải trực tiếp. Khu vực Hà Nội và Đồng bằng sông Hồng là điểm nóng về áp lực tải lượng ô nhiễm do mật độ đô thị hóa cao và sự tập trung làng nghề.
| Khu vực / Tỉnh thành |
Lượng nước thải ($\text{m}^3/\text{ngày}$) |
TSS ($\text{kg}/\text{ngày}$) |
BOD ($\text{kg}/\text{ngày}$) |
COD ($\text{kg}/\text{ngày}$) |
Tổng N ($\text{kg}/\text{ngày}$) |
Tổng P ($\text{kg}/\text{ngày}$) |
| Hà Nội |
36.926 |
2.140 |
1.850 |
3.420 |
480 |
65 |
| Hải Phòng |
14.122 |
820 |
710 |
1.310 |
185 |
25 |
| Quảng Ninh |
8.568 |
467 |
420 |
644 |
110 |
15 |
| Hải Dương |
23.904 |
1.380 |
1.200 |
2.210 |
310 |
42 |
| Hưng Yên |
12.940 |
716 |
630 |
988 |
170 |
23 |
| Vĩnh Phúc |
21.903 |
1.270 |
1.100 |
2.030 |
285 |
38 |
| Thừa Thiên Huế |
4.340 |
244 |
210 |
336 |
55 |
8 |
| Quảng Nam |
13.484 |
780 |
670 |
1.250 |
175 |
24 |
| Bình Dương |
45.672 |
2.650 |
2.280 |
4.240 |
590 |
80 |
| Tây Ninh |
11.732 |
679 |
580 |
936 |
150 |
21 |
| Bình Phước |
100 |
22 |
14 |
32 |
6 |
8 |
| Long An |
25.031 |
1.450 |
1.250 |
2.320 |
325 |
44 |
| Cần Thơ |
11.605 |
655 |
570 |
904 |
150 |
20 |
| Cà Mau |
2.300 |
133 |
115 |
214 |
30 |
4 |
- Tiêu chuẩn chất lượng nước mặt (QCVN 08-MT:2015/BTNMT): Luận án phân tích hệ thống 36 thông số và 4 mức phân hạng mục đích sử dụng (A1: cấp nước sinh hoạt sau xử lý thông thường; A2: cấp nước sinh hoạt với công nghệ xử lý phù hợp; B1: tưới tiêu nông nghiệp; B2: giao thông thủy và mục đích chất lượng thấp).
- Hệ thống dữ liệu vệ tinh VNREDSat-1A: Vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời ở độ cao $680,\text{km}$, độ nghiêng quỹ đạo $98{,}2^\circ$, cung cấp ảnh toàn sắc (độ phân giải $2{,}5,\text{m}$) và 4 kênh đa phổ (độ phân giải $10,\text{m}$), độ rộng dải chụp $17{,}5,\text{km}$.
Chương 2: Cơ sở khoa học xây dựng quy trình công nghệ giám sát nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A
Chương 2 trình bày chi tiết các nguyên lý vật lý, toán học và các bước công nghệ:
- Nguyên lý tương tác quang học thủy vực: Phân tích định lượng đường cong phổ phản xạ của nước. Nước trong có độ phản xạ thấp (dưới $3 - 5%$) và giảm dần về 0 ở kênh cận hồng ngoại. Khi độ đục và nồng độ chất lơ lửng tăng, độ phản xạ tăng mạnh ở dải sóng $0{,}55 - 0{,}70,\mu\text{m}$.
- Quy trình hiệu chỉnh bức xạ và khí quyển cho ảnh VNREDSat-1A:
- Biến đổi giá trị số (DN) từng kênh phổ sang độ phổ bức xạ thực tế ($L_\lambda$) tại đầu thu bằng hệ số Gain và Bias:
$$L_\lambda = \text{Gain} \times \text{DN} + \text{Bias}$$
- Chuyển đổi $L_\lambda$ sang giá trị phản xạ đỉnh khí quyển ($\rho_{\text{TOA}}$).
- Khử thành phần tán xạ khí quyển ($L_{p}$) bằng phương pháp DOS (Dark Object Subtraction) dựa trên giá trị tối thiểu của histogram trên các vùng nước sâu hoặc đối tượng tối, trích xuất phổ phản xạ thực tế tại mặt đất ($\rho_s$).
- Quy trình hiệu chỉnh hình học: Sử dụng các điểm kiểm tra mặt đất (GCPs) rõ nét trên địa hình Hà Nội (nút giao thông, góc công trình thủy lợi), áp dụng mô hình toán học bậc 2 để nắn chỉnh hình học ảnh đạt sai số vị trí dưới 1 pixel ($< 10,\text{m}$).
- Phương pháp đo phổ bằng GER 1500: Chuẩn hóa quy trình đo phổ hiện trường đối chứng: góc nghiêng đầu thu $40 - 45^\circ$, góc phương vị $135^\circ$ so với Mặt Trời để triệt tiêu phản xạ trực tiếp từ gương mặt nước, đo chuẩn tấm chuẩn trắng Spectralon trước và sau mỗi lần đo nước.
- Sơ đồ quy trình công nghệ tổng thể: Luận án chuẩn hóa quy trình công nghệ gồm 6 khối chức năng logic: (1) Thu thập và tiếp nhận dữ liệu ảnh VNREDSat-1A; (2) Tiền xử lý ảnh (bức xạ, khí quyển, hình học); (3) Đo phổ và lấy mẫu nước thực địa đồng bộ; (4) Phân tích mẫu phòng thí nghiệm; (5) Xây dựng và kiểm định mô hình tương quan hồi quy; (6) Chuyển đổi mô hình vào GIS và xuất bản đồ chuyên đề chất lượng nước.
Chương 3: Thực nghiệm xác định hàm lượng một số thông số chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A
Chương 3 triển khai toàn bộ quy trình thực nghiệm trên địa bàn Hà Nội:
- Thu thập dữ liệu thực nghiệm:
- Đợt 1 (20/10/2016): Chụp ảnh VNREDSat-1A đồng thời lấy mẫu và đo phổ tại các điểm thuộc sông Hồng, hồ Tây, hồ Hoàn Kiếm, hồ Bảy Mẫu, hồ Ba Mẫu, đầm Trì...
- Đợt 2 (21/12/2017): Chụp ảnh VNREDSat-1A và lấy mẫu đồng bộ đợt 2 tại các điểm kiểm chứng độc lập trên hệ thống sông hồ nội ngoại thành Hà Nội.
- Kết quả tiền xử lý và so sánh phổ phản xạ: Phổ phản xạ trích xuất từ ảnh sau khi hiệu chỉnh khí quyển có độ tương đồng cao với đường cong phổ đo trực tiếp ngoài hiện trường bằng máy GER 1500. Giá trị phổ phản xạ trước hiệu chỉnh khí quyển cho thấy hệ số tương quan với mẫu nước thấp và sai số lớn, trong khi ảnh sau hiệu chỉnh khí quyển cải thiện rõ rệt độ chặt của các mô hình hồi quy.
- Kết quả xây dựng mô hình hồi quy:
- Khu vực hồ, đầm: Do hàm lượng chất lơ lửng mịn và thực vật phù du chiếm ưu thế, các tổ hợp tỷ số giữa kênh Red (Kênh 3), Green (Kênh 2) và Blue (Kênh 1) hoặc tổ hợp đa kênh (1-2-3-4) cho hệ số tương quan cao đối với $\text{BOD}_5$, COD và Độ đục.
- Khu vực sông Hồng: Hàm lượng phù sa lơ lửng (TSS) lớn làm tăng mạnh phản xạ ở kênh Red (Kênh 3) và kênh NIR (Kênh 4). Mô hình hồi quy sử dụng Kênh 3, Kênh 4 và tỷ số Kênh 4/Kênh 3 đạt độ chính xác cao nhất đối với thông số TSS và Độ đục.
- Đánh giá độ chính xác và thành lập bản đồ: Kiểm định thống kê mô hình hồi quy cho thấy hệ số tương quan $R$ và $R^2$ đạt mức cao, sai số trung phương (RMSE) nằm trong giới hạn cho phép của quan trắc môi trường. Bản đồ phân bố không gian phản ánh rõ nét sự phân hóa chất lượng nước: các hồ nội thành có nồng độ COD và $\text{BOD}_5$ cao, cục bộ vượt ngưỡng B1/B2; sông Hồng có hàm lượng TSS và độ đục cao nhưng chỉ số $\text{BOD}_5$, COD thấp hơn các hồ kín.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận
- Luận án đã làm sáng tỏ mối quan hệ định lượng giữa phổ phản xạ bề mặt thu nhận từ 4 kênh đa phổ của cảm biến quang học VNREDSat-1A (sau khi hiệu chỉnh khí quyển) với 4 thông số chất lượng nước cốt lõi (Độ đục, TSS, COD, $\text{BOD}_5$) tại các thủy vực nội địa nhiệt đới.
- Chứng minh một cách khoa học rằng việc hiệu chỉnh khí quyển bằng phương pháp trừ đối tượng tối kết hợp phân tích histogram là bước bắt buộc để nâng cao độ chính xác khi thành lập các hàm hồi quy ước lượng chất lượng nước từ ảnh VNREDSat-1A.
- Xác lập các công thức hồi quy riêng biệt phù hợp với hai chế độ thủy lực và môi trường khác nhau: thủy vực nước chảy mang nhiều phù sa lơ lửng (sông Hồng) và thủy vực nước tĩnh chịu tác động mạnh của ô nhiễm hữu cơ và tảo (hệ thống hồ, đầm nội thành Hà Nội).
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ
- Xây dựng hoàn chỉnh một Quy trình công nghệ giám sát môi trường nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A, có tính khả thi cao, có thể chuyển giao cho các cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và viễn thám.
- Khai thác hiệu quả nguồn dữ liệu ảnh viễn thám độ phân giải cao do Việt Nam làm chủ, giảm thiểu sự phụ thuộc vào các nguồn ảnh vệ tinh thương mại nước ngoài trong bài toán quan trắc môi trường.
- Thành lập hệ thống bản đồ chuyên đề phân bố không gian nồng độ các chất ô nhiễm nước mặt tại Hà Nội cho 02 thời điểm năm 2016 và 2017, cung cấp tư liệu trực quan phục vụ đánh giá diễn biến chất lượng môi trường nước đô thị.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất
- Ứng dụng quy trình: Đề xuất Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội cùng Cục Viễn thám quốc gia đưa quy trình công nghệ của luận án vào vận hành thử nghiệm trong công tác quan trắc định kỳ chất lượng nước mặt thủ đô.
- Mở rộng nguồn dữ liệu: Kết hợp dữ liệu VNREDSat-1A với các thế hệ vệ tinh viễn thám tiếp theo của Việt Nam và ảnh vệ tinh quốc tế (Sentinel-2, Landsat-8) để tăng tần suất chụp lặp trong mùa mưa và theo dõi biến động theo chu kỳ tuần/tháng.
- Tăng cường mạng lưới kiểm chứng: Duy trì các trạm đo phổ hiện trường tự động hoặc bán tự động tại các vị trí trọng điểm trên sông Hồng và hồ Tây để liên tục cập nhật hệ số hiệu chuẩn cho các mô hình hồi quy.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài
- Số lượng cảnh ảnh thực nghiệm: Do điều kiện thời tiết khu vực miền Bắc nhiều mây và chu kỳ chụp lặp của vệ tinh, luận án mới chỉ thực hiện thực nghiệm trên 02 cảnh ảnh VNREDSat-1A vào các ngày 20/10/2016 và 21/12/2017 (đều rơi vào thời điểm cuối thu - mùa đông, thời tiết quang mây).
- Số lượng thông số chất lượng nước: Luận án mới tập trung giải quyết 4 thông số đặc trưng (Độ đục, TSS, COD, $\text{BOD}_5$), chưa mở rộng ra toàn bộ 36 thông số theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT (như kim loại nặng, hóa chất bảo vệ thực vật, vi sinh vật Coliform) do các chất này không có phản ứng quang học trực tiếp rõ rệt trên các kênh phổ quang học dải rộng.
- Phạm vi không gian: Thực nghiệm mới dừng lại ở một số sông và hồ đầm tiêu biểu tại Hà Nội, chưa kiểm chứng trên các lưu vực sông miền Trung hoặc Đồng bằng sông Cửu Long với các đặc tính thổ nhưỡng, độ mặn và phù sa khác biệt.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Nghiên cứu áp dụng các thuật toán máy học (Machine Learning), mạng nơ-ron nhân tạo (ANN), thuật toán rừng ngẫu nhiên (Random Forest) hoặc véc-tơ hỗ trợ (SVM) để nâng cao độ chính xác phi tuyến của mô hình ước lượng.
- Thử nghiệm tích hợp ảnh siêu phổ (Hyperspectral) hoặc dữ liệu từ các bộ cảm viễn thám thế hệ mới để ước tính thêm các chỉ tiêu dinh dưỡng (Tổng Nitơ - TN, Tổng Phốt pho - TP) và nồng độ chất diệp lục (Chlorophyll-a).
- Xây dựng phần mềm module tự động hóa tích hợp trong môi trường GIS để tự động trích xuất bản đồ chất lượng nước ngay sau khi tiếp nhận ảnh viễn thám thô từ trạm thu mặt đất.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao đối với nhiều nhóm đối tượng:
- Cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường, Sở TN&MT các tỉnh thành, Cục Viễn thám quốc gia): Tham khảo quy trình công nghệ để xây dựng định mức kinh tế - kỹ thuật và quy chuẩn giám sát môi trường nước mặt bằng ảnh vệ tinh độ phân giải cao.
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên ngành Trắc địa, Viễn thám, Bản đồ, GIS, Môi trường: Tham khảo phương pháp kết hợp đồng bộ giữa đo phổ hiện trường (máy GER 1500), phân tích mẫu hóa nghiệm tiêu chuẩn và xử lý ảnh viễn thám số; phương pháp xây dựng các mô hình hồi quy đơn kênh, tỷ số kênh và đa kênh.
- Các viện nghiên cứu và trường đại học: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuyên đề viễn thám môi trường, viễn thám quang học thủy vực và bài toán khai thác dữ liệu vệ tinh quan sát Trái Đất của Việt Nam.
Câu hỏi thường gặp
1. Vệ tinh VNREDSat-1A có những đặc điểm kỹ thuật nào phù hợp cho nghiên cứu chất lượng nước sông hồ nội địa?
VNREDSat-1A là vệ tinh quang học được phóng năm 2013, sở hữu 04 kênh phổ đa phổ (Blue: $0{,}45 - 0{,}52,\mu\text{m}$; Green: $0{,}53 - 0{,}59,\mu\text{m}$; Red: $0{,}63 - 0{,}69,\mu\text{m}$; NIR: $0{,}76 - 0{,}89,\mu\text{m}$) với độ phân giải không gian $10,\text{m}$ và kênh toàn sắc (Pan) độ phân giải $2{,}5,\text{m}$, độ rộng dải quét $17{,}5,\text{km}$. Độ phân giải $10,\text{m}$ cho phép nhận diện và phân tích chi tiết các thủy vực có diện tích nhỏ hẹp như sông nhánh, ao, hồ đô thị – điều mà các ảnh vệ tinh độ phân giải trung bình như Landsat ($30,\text{m}$) hay MODIS ($250 - 1000,\text{m}$) không thể đáp ứng do hiệu ứng điểm ảnh hỗn hợp (mixed pixel).
2. Vì sao phải tiến hành hiệu chỉnh khí quyển trước khi xây dựng hàm quan hệ hồi quy chất lượng nước?
Tín hiệu bức xạ mà đầu thu vệ tinh ghi nhận tại đỉnh khí quyển ($L_{\text{TOA}}$) bao gồm bức xạ phản xạ từ mặt nước và bức xạ tán xạ của các phân tử khí, hạt aerosol trong khí quyển ($L_p$). Đối với đối tượng nước, tín hiệu phản xạ bề mặt vốn rất yếu (thường $< 5 - 10%$), do đó thành phần tán xạ khí quyển có thể chiếm phần lớn tín hiệu ghi nhận được. Nếu không hiệu chỉnh khí quyển (loại bỏ $L_p$), giá trị phản xạ thu được sẽ sai lệch, làm giảm hệ số tương quan $R$ và gây sai số lớn trong các mô hình ước lượng nồng độ chất ô nhiễm.
3. Thiết bị đo phổ GER 1500 được sử dụng trong luận án nhằm mục đích gì?
Máy quang phổ cầm tay GER 1500 (dải bước sóng $350 - 1050,\text{nm}$, 512 kênh phổ) được dùng để đo phổ phản xạ thực tế tại các điểm lấy mẫu trên mặt nước cùng thời điểm vệ tinh VNREDSat-1A bay qua. Số liệu đo phổ GER 1500 đóng vai trò là chuẩn thực địa (ground truth) độc lập để kiểm chứng độ chính xác của quá trình hiệu chỉnh khí quyển ảnh vệ tinh, đồng thời phân tích chi tiết đặc trưng phản xạ phổ của từng loại hình nước mặt (nước chứa phù sa sông Hồng và nước hồ phú dưỡng).
4. Bốn thông số chất lượng nước được luận án mô hình hóa từ ảnh VNREDSat-1A là gì?
Luận án tập trung mô hình hóa 4 thông số:
- Độ đục (Turbidity): Biểu thị mức độ tán xạ ánh sáng do các hạt lơ lửng trong nước gây ra.
- Tổng chất rắn lơ lửng (TSS): Đo lường tổng khối lượng chất lơ lửng vô cơ và hữu cơ không tan.
- Nhu cầu oxy hóa học (COD): Lượng oxy cần thiết để oxy hóa toàn bộ các hợp chất hóa học trong nước.
- Nhu cầu oxy sinh học ($\text{BOD}_5$): Lượng oxy mà vi sinh vật tiêu thụ trong 5 ngày để phân hủy sinh học chất hữu cơ.
5. Kết quả mô hình hồi quy tại khu vực sông Hồng khác biệt như thế nào so với khu vực hồ đầm Hà Nội?
Tại khu vực sông Hồng, chất lượng nước đặc trưng bởi hàm lượng hạt phù sa lơ lửng vô cơ rất lớn, khiến phổ phản xạ tăng mạnh ở kênh Red (Kênh 3) và kênh NIR (Kênh 4); do đó, các mô hình sử dụng Kênh 3, Kênh 4 và tỷ số Kênh 4/Kênh 3 cho tương quan tốt nhất với TSS và Độ đục. Ngược lại, tại khu vực hồ đầm nội thành Hà Nội, nước tù đọng, nhiều chất hữu cơ và thực vật phù du (tảo), phản xạ phổ chịu chi phối bởi diệp lục và chất hòa tan, dẫn đến các tổ hợp tỷ số giữa kênh Blue (Kênh 1), Green (Kênh 2), Red (Kênh 3) hoặc mô hình đa biến 4 kênh mang lại độ chính xác cao hơn cho COD và $\text{BOD}_5$.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của Đinh Thị Thu Hiền đã xây dựng thành công quy trình công nghệ ứng dụng dữ liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao VNREDSat-1A kết hợp đo phổ hiện trường GER 1500 để giám sát chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội. Công trình đã thiết lập các mô hình hồi quy xác thực cho 4 thông số ô nhiễm chính (Độ đục, TSS, COD, $\text{BOD}_5$) phân tách theo hai đặc trưng thủy vực sông và hồ đầm, đồng thời thành lập bản đồ phân bố chất lượng nước đạt độ tin cậy khoa học. Kết quả nghiên cứu khẳng định tiềm năng ứng dụng của nguồn dữ liệu vệ tinh viễn thám quốc gia trong công tác quản lý, giám sát tài nguyên và bảo vệ môi trường nước mặt đô thị.
