ĐẶT VẤN ĐỀ Ở nƣớc ta, việc ứng dụng công nghệ Viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS - Geographical Information Systems) trong bảo vệ môi trƣờng ngày càng trở lên phổ biến vì những ƣu điểm mà chúng mang lại. Tƣ liệu viễn thám với những điểm nổi bật là tính cập nhật và đồng bộ về thông tin, phủ trùm rộng khắp mọi nơi trên trái đất. Công nghệ viễn thám ngày càng phát triển các tƣ liệu có đƣợc ngày càng nhanh chóng, chính xác hơn. Trong công tác theo dõi và giám sát các tài nguyên môi trƣờng ảnh viễn thám đang ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi và hiệu quả hơn.
Đặc biệt với nguồn tài nguyên nƣớc mặt, thƣờng sử dụng các chỉ số NDWI và MNDWI để phát hiện và nhận biết đối tƣợng nƣớc với các đối tƣợng khác trong khu vực. Việc sử dụng nguồn ảnh viễn thám để đánh giá biến động nguồn tài nguyên nƣớc mặt thƣờng có tính cập nhật, nhanh chóng hơn so với việc tiến hành khảo sát điều tra ngoài khu vực nghiên cứu. Tại các khu vực khai thác khoáng sản thƣờng có nhiều tác động tới phân bố nguồn tài nguyên nƣớc mặt, thƣờng thì có vị trí nguồn nƣớc sẽ bị san lấp, có vị trí thì xuất hiện các ao, hồ chứa nƣớc để phục vụ quá trình khai thác. Có thể nói việc khai thác khoáng sản ảnh hƣởng khá nhiều tới sự phân bố, biến động của nguồn tài nguyên nƣớc mặt gần đó.
Do vậy, đề tài “Ứng dụng chỉ số viễn thám đánh giá biến động nguồn tài nguyên nước mặt dưới hoạt động khai thác khoáng sản tại huyện Hoành Bồ, tỉnh Quảng Ninh” đƣợc thực hiện nhằm nghiên cứu sâu hơn nữa về các chỉ số nhận biết đối tƣợng nƣớc, từ đó xác định chỉ số có thể sử dụng hiệu quả hơn trong việc nhận biết đối tƣợng nƣớc và tính toán đƣợc biến động nguồn tài nguyên nƣớc qua các năm. Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần tạo cơ sở khoa học cho việc giám sát sự phân bố, biến động nguồn tài nguyên nƣớc mặt dƣới ảnh hƣởng của hoạt động khai thác khoáng sản. Từ đó làm nguồn cung cấp thông tin cho công tác giám sát quản lý nguồn tài nguyên nƣớc mặt. 1 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.
Tổng quan về GIS và viễn thám 1. Tổng quan về GIS 1. Khái niệm GIS - Geography Information System là hệ thống thông tin đƣợc thiết kế để làm việc với các dữ liệu trong một hệ tọa độ quy chiếu. GIS bao gồm một hệ cơ sở dữ liệu và các phƣơng thức để thao tác với dữ liệu đó [6].
Thành phần và chức năng của GIS - Các thành phần của GIS [6] 1. Con ngƣời: Là thành phần quan trọng nhất, là nhân tố thực hiện các thao tác điều hành sự hoạt động của hệ thống. Dữ liệu: Dữ liệu trong GIS đƣợc chia thành 2 dạng: Dữ liệu không gian: Thể hiện trực quan về hình dạng, kích thƣớc vật lý và vị trí địa lý của các đối tƣợng trên bề mặt trái đất. Dữ liệu phi không gian: Là các dữ liệu ở dạng văn bản thể hiện hay mô tả thuộc tính thông tin của đối tƣợng.
Phần cứng: Các thiết bị mà ngƣời sử dụng có thể thao tác với các chức năng của GIS nhƣ máy tính, các thiết bị ngoại vi,… 4. Phần mềm: Các chƣơng trình chạy trên máy của ngƣời sử dụng đƣợc thiết kế cho việc điều khiển và phân tích các dữ liệu không gian. Phƣơng pháp phân tích: Cho phép ngƣời dùng lựa chọn thuật toán phù hợp với mục đích phân tích dữ liệu. Nếu không có phƣơng pháp thì GIS không hoạt động hoặc hoạt động không hiệu quả.
- Chức năng của GIS gồm có [6]: Nhập dữ liệu Thao tác dữ liệu 2 Quản lý dữ liệu Hỏi đáp và phân tích Hiển thị dữ liệu 1. Tổng quan về viễn thám 1. Khái niệm viễn thám Viễn thám là một khoa học và nghệ thuật nghiên cứu thông tin thu nhận đƣợc thông qua phân tích các dữ liệu nhận đƣợc bằng các công cụ kỹ thuật mà không tiếp xúc với đối tƣợng [6]. Nguyên lý hoạt động của viễn thám Trong viễn thám, nguyên tắc hoạt động của nó liên quan giữa sóng điện từ từ nguồn phát và vật thể quan tâm [6].
Nguồn phát năng lƣợng (A) – yêu cầu đầu tiên cho viễn thám là có nguồn năng lƣợng phát xạ để cung cấp năng lƣợng điện từ tới đối tƣợng quan tâm. Sóng điện từ và khí quyển ( ) – khi năng lƣợng truyền từ nguồn phát đến đối tƣợng, nó sẽ đi vào và tƣơng tác với khí quyển mà nó đi qua. Sự tƣơng tác này có thể xả ra lần thứ 2 khi năng lƣợng truyền từ đối tƣợng tới bộ cảm biến. Sự tƣơng tác với đối tƣợng (C) – một khi năng lƣợng gặp đối tƣợng sau khi xuyên qua khí quyển, nó tƣơng tác với đối tƣợng.
Phụ thuộc vào đặc tính của đối tƣợng và sóng điện từ mà năng lƣợng phản xạ hay bức xạ của đối tƣợng có sự khác nhau. Việc ghi năng lƣợng của bộ cảm biến (D) – sau khi năng lƣợng bị tán xạ hoặc phát xạ từ đối tƣợng, một bộ cảm biến để thu nhận và ghi lại sóng điện từ. Sự truyền tải, nhận và xử lý (E) – năng lƣợng đƣợc ghi nhận bởi bộ cảm biến phải đƣợc truyền tải đến một trạm thu nhận và xử lý. Năng lƣợng đƣợc truyền đi thƣờng ở dạng điện.
Trạm thu nhận sẽ xử lý năng lƣợng này để tạo ra ảnh hƣởng dƣới dạng hardcopy hoặc là số. Sự giải đoán và phân tích (F) – ảnh đƣợc xử lý ở trạm thu nhận sẽ đƣợc giải đoán trực quan hoặc đƣợc phân loại bằng máy để tách thông tin về đối tƣợng. Ứng dụng (G) – đây là thành phần cuối cùng trong quy trình xử lý của công nghệ viễn thám. Thông tin sau khi đƣợc tách ra từ ảnh có thể đƣợc ứng dụng để hiểu tốt hơn về đối tƣợng, khám phá một vài thông tin mới hoặc hỗ trợ cho việc giải quyết một vấn đề cụ thể.
(Trần Thống Nhất, Nguyễn Kim Lợi. Tổng quan về nƣớc mặt 1. Khái niệm tài nguyên nước Tài nguyên nƣớc là các nguồn nƣớc mà con ngƣời sử dụng hoặc có thể sử dụng vào những mục đích khác nhau. Nƣớc đƣợc dùng trong các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, dân dụng, giải trí và môi trƣờng.
Hầu hết các hoạt động trên đều cần nƣớc ngọt [19]. Có tới 97% nƣớc trên Trái Đất là nƣớc muối, chỉ 3% còn lại là nƣớc ngọt nhƣng gần hơn 2/3 lƣợng nƣớc này tồn tại ở dạng sông băng và các mũ băng ở các cực. Phần còn lại không đóng băng đƣợc tìm thấy chủ yếu ở dạng nƣớc ngầm, và chỉ một tỷ lệ nhỏ tồn tại trên mặt đất và trong không khí. Khái niệm nước mặt Nƣớc mặt là nƣớc trong sông, hồ hoặc nƣớc ngọt trong vùng đất ngập nƣớc.
Nƣớc mặt đƣợc bổ sung một cách tự nhiên bởi giáng thủy và chúng mất đi khi chảy vào đại dƣơng, bốc hơi và thấm xuống đất [19]. Lƣợng giáng thủy này đƣợc thu hồi bởi các lƣu vực, tổng lƣợng nƣớc trong hệ thống này tại một thời điểm cũng tùy thuộc vào một số yếu tố khác. Các yếu tố này nhƣ khả năng chứa của các hồ, vùng đất ngập nƣớc và các hồ chứa nhân tạo, độ thấm của đất bên dƣới các thể chứa nƣớc này, các đặc điểm của dòng chảy mặn trong lƣu vực, thời lƣợng giáng thủy và tốc độ bốc hơi địa phƣơng. Tất cả các yếu tố này đều ảnh hƣởng đến tỷ lệ mất nƣớc.
Các hoạt động của con ngƣời có thể tác động lớn hoặc đôi khi phá vỡ các yếu tố này. Con ngƣời thƣờng tăng khả năng trữ nƣớc bằng cách xây dựng các bể chứa và giảm trữ nƣớc bằng cách tháo khô các vùng đất ngập nƣớc. Ứng dụng chỉ số viễn thám trong quản lý tài nguyên nƣớc 1. Trên thế giới Một trong nhũng nghiên cứu đầu tiên về chỉ số NDWI có thể nói tới là nghiên cứu của tác giả McFeeters (1996) [12], kết quả nghiên cứu về chỉ số cho thấy chỉ số NDWI đƣợc sử dụng để theo dõi các thay đổi liên quan đến hàm lƣợng nƣớc tại các vùng nƣớc, loại bỏ sự hiện diện của đất và các loài thực vật trên cạn.
Nghiên cứu đƣa ra công thức tính toán chỉ số NDWI sử dụng bƣớc sóng Green và NIR. Từ kết quả của nghiên cứu ngƣời ta cho rằng chỉ số NDWI cũng có thể cung cấp cho các nhà nghiên cứu các ƣớc lƣợng về độ đục của các vùng nƣớc sử dụng các dữ liệu số từ xa. Ngoài ra, cùng năm 1996 một nghiên cứu khác về chỉ số NDWI của tác giả Gao (1996) [7] đƣợc ứng dụng để theo dõi sự thay đổi hàm lƣợng nƣớc của lá cây. Theo kết quả nghiên cứu thì chỉ số NDWI trong trƣờng hợp này sử dụng bƣớc sóng gần (NIR) và bƣớc sóng hồng ngoại ngắn (SWIR) để tính toán.
5 Trong một nghiên cứu của tác giả Hanqiu Xu (2005) [15] về chỉ số MNDWI dựa trên chỉ số khác biệt nƣớc NDWI của Mcfeeters (1966) sử dụng kênh MIR (TM5) thay vì kênh NIR (TM4) để xây dựng chỉ số MNDWI. Chỉ số MNDWI đã đƣợc thử nghiệm trên các vùng biển, hồ và sông có nền đất xây dựng, đất trồng trọt, các vùng nƣớc sạch và ô nhiễm sử dụng hình ảnh Landsat TM/ETM+. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng chỉ số MNDWI có thể tăng cƣờng đáng kể thông tin về nƣớc, đặc biệt là trong vùng có đất xây dựng. MNDWI có thể làm nổi bật thông tin về nƣớc và cho kết quả chính xác thông tin về nguồn nƣớc từ các khu vực nghiên cứu.
Trong khi thông tin nƣớc sử dụng chỉ số NDWI luôn bị ảnh hƣởng bởi đất xây dựng. Do đó, NDWI không phù hợp để tăng cƣờng và khai thác thông tin về nƣớc ở các khu vực đất xây dựng chiếm ƣu thế. Tiếp tục những nghiên cứu của mình về chỉ số NDWI và MNDWI năm 2006 tác giả Xu [16] đã đƣa ra một nghiên cứu nữa của mình về các chỉ số này. Qua nghiên cứu tác giả đã thấy rằng lớp nƣớc đƣợc phân tách từ ảnh viễn thám thƣờng bị nhiễu bởi lớp đất xây dựng do cả nƣớc và đất xây dựng đều phản xạ ở vùng sóng ánh sáng lục (Band 2) nhiều hơn so với vùng cận hồng ngoại (Band 4).
Để giải quyết vấn đề này, tác giả Xu đã đƣa ra chỉ số MNDWI, chỉ số này sử dụng Band 2 và Band 5 để tính toán thay vì sử dụng Band 2 và Band 4 nhƣ chỉ số NDWI để làm tăng đặc tính nƣớc ở vùng đô thị.