Phân tích, đánh giá và giám sát chất lượng nước ven bờ bằng tư liệu viễn thám

Chi tiết

Được đăng ngày Thứ năm, 08 Tháng 12 2016 14:30

Hiện nay môi trường nước vùng cửa sông ven bờ bị tác động rất mạnh bởi các hoạt động của con người như xây dựng các hồ chứa thượng nguồn, phát triển cảng biển, mở rộng đô thị, nuôi trồng thủy sản,  cũng như bởi biến đổi khí hậu. Các vùng biển mở, do chế độ động lực mạnh, đã đưa các chất gây ô nhiễm từ nơi khác đến tích tụ, gây ra suy thoái môi trường nước. Để quản lý, khai thác và bảo vệ tài nguyên và môi trường biển cần  phải có các công cụ quan trắc, đánh giá nhanh và có hiệu quả hiện trạng và biến động môi trường nước vùng ven bờ.

Trong bối cảnh như vậy, viễn thám được xem là công cụ hiệu quả để giám sát chất lượng nước; tư liệu viễn thám cung cấp cái nhìn tổng quan trên một vùng rộng lớn và khả năng cập nhật thường xuyên, là kênh thu thập dữ liệu quan trọng trong nghiên cứu tài nguyên và môi trường. Từ những năm 1970, hàng loạt nghiên cứu trên thế giới đã được thực hiện nhằm phát triển phương pháp lập bản đồ hiện trạng môi trường nước từ tư liệu viễn thám kết hợp với khảo sát thực địa. Ngày nay, với sự hỗ trợ của các thiết bị đo phổ mặt đất và khảo sát thực địa, các thuật toán xử lý ảnh viễn thám lập bản đồ hiện trạng môi trường nước ngày càng được cải tiến và đạt độ chính xác cao.

Với hướng tiếp cận sử dụng kết hợp công nghệ viễn thám và GIS giám sát chất lượng tài nguyên và môi trường, nhóm các nhà khoa học thuộc Viện Tài nguyên và Môi trường biển, Viện Hàn lâm KHCNVN do TS. Nguyễn Văn Thảo đứng đầu triển khai thực hiện đề tài“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”, mã số VT/CB-01/14-15 thuộc Chương trình Khoa học và Công nghệ Vũ trụ giai đoạn 2012–2015.

Đề tài đã tiến hành 07 chuyến khảo sát thực địa, trong đó tháng 7/2014 kết hợp với tàu nghiên cứu biển ALIS của Pháp tiến hành khảo sát thực địa đo đạc quang học và lấy mẫu nước tại vùng ven bờ châu thổ sông Hồng và Hạ Long (73 điểm), Cửu Long (75 điểm; tháng 6/2015 có 03 chuyến khảo sát thực địa tại 03 vùng nghiên cứu là Hạ Long (14 điểm), ven bờ sông Hồng (16 điểm) và Cửu Long (16 điểm); Phân tích 194 mẫu Chl-a, 194 mẫu SPM và 194 mẫu CDOM tại ba vùng nghiên cứu. Đề tài đã sử dụng các phương pháp mô hình toán, phương pháp xây dựng thuật toán, bản đồ, cơ sở dữ liệu, công nghệ thông tin, khảo sát và đo đạc thực địa, v.v. để triển khai thực hiện các nội dung nghiên cứu.

Đề tài đã xây dựng 02 thuật toán theo mô hình truyền thống là OC2 Vietnam và OC4 Vietnam để xử lý dữ liệu ảnh MODIS xác định phân bố hàm lượng Chl-a trên cơ sở bộ dữ liệu đo quang học và hàm lượng Chl-a tại vùng biển Việt Nam. Thuật toán OC2 Vietnam dựa trên quan hệ hàm mũ giữa hàm lượng Chl-a với tỷ số phổ phản xạ giữa bước sóng 440nm và 551nm. Thuật toán OC4 Vietnam được xây dựng bằng cách xác định các hệ số a = -127,47, b = 9,16, c = 7,34, d = -3,06 và e = 0,11 của thuật toán OC4 cho vùng biển Việt Nam. 02 thuật toán được phát triển để xử lý dữ liệu viễn thám xác định hàm lượng SPM cho vùng biển Việt Nam trên ảnh MODIS, Landsat-8 và VNREDSAT1.

Đã xác định được quan hệ giữa a_cdom(412nm) với tỷ số phổ phản xạ rời mặt nước Rrs(531nm)/Rrs(443nm) tuân theo hàm e mũ có hệ số hồi qui R²= 0,754 là lớn nhất cho vùng biển Việt Nam. Đây là cơ sở xây dựng thuật toán truyền thống xác định giá trị CDOM trên ảnh vệ tinh MODIS. Ảnh VNREDSAT1 hạn chế trong xây dựng thuật toán xác định hàm lượng Chl-a và giá trị CDOM do thiếu các kênh phổ có các bước sóng dưới 0,43nm. Tuy nhiên, ảnh VNREDSAT1 có thể được sử dụng để xác định hàm lượng SPM vùng ven biển ở tỷ lệ lớn.

Tập bản đồ phân bố hàm lượng Chl-a trung bình tháng của năm từ 2004 đến 2014 cho vùng biển Việt Nam tại tỷ lệ 1:2.000.000 được xây dựng từ kết quả xử lý ảnh MODIS. 12 bản đồ phân bố hàm lượng SPM trung bình tháng của 11 năm (từ 2004 đến 2014) cho vùng biển Việt Nam tại tỷ lệ 1:7.000.000 từ xử lý ảnh MODIS, 10 bản đồ hiện trạng phân bố hàm lượng SPM đại diện cho mùa mưa và mùa khô được xây dựng tại tỷ lệ 1:50.000 cho khu vực vịnh Hạ Long, ven bờ sông Hồng và Cửu Long từ xử lý ảnh Landsat-8 và VNREDSAT1. Tập bản đồ phân bố giá trị a_cdom(412nm) trung bình tháng của năm từ 2004 đến 2014 cho vùng biển Việt Nam tại tỷ lệ 1:7.000.000 được xây dựng từ kết quả xử lý ảnh MODIS.

Bản đồ phân bố hàm lượng Chl-a trung bình vùng biển Việt Nam vào tháng 5 năm 2008 và 2011

Bản đồ phân bố hàm lượng Chl-a trung bình vùng biển Việt Nam vào tháng 8 năm 2008 và 2011

Bản đồ hiện trạng phân bố hàm lượng SPM khu vực ven bờ sông Hồng (ngày 25 tháng 9 năm 2014)

Bản đồ hiện trạng phân bố hàm lượng SPM khu vực vịnh Hạ Long (ngày 25 tháng 9 năm 2014)

Cổng thông tin điện tử được thiết kế và xây dựng trên nền tảng công nghệ Web, đơn giản, linh hoạt, thân thiện, dễ truy cập và khai thác dữ liệu, đảm bảo đầy đủ các tính năng cần thiết phục vụ công tác quản lý và chia sẻ các kết quả nghiên cứu của đề tàihttp://www.imer.ac.vn:8082/. Cổng thông tin điện tử của đề tài đã được tích hợp trên trang thông tin điện tử của Viện Tài nguyên và Môi trường biển giúp cho việc chia sẻ và phổ biến thông tin đến người sử dụng được thuận lợi và linh hoạt hơn. Thiết lập chức năng phân quyền về khai thác, cập nhật, chỉnh sửa, chuyển giao dữ liệu đối với người sử dụng để quản trị cổng thông tin điện tử.

Xây dựng Cơ sở dữ liệu GIS không chỉ đáp ứng yêu cầu quản lý dữ liệu đa dạng của đề tài mà sau còn góp phần phục cụ công tác quản lý, bảo vệ, giám sát biến động môi trường biển theo không gian và thời gian dài. Cơ sở dữ liệu gồm nhiều lớp thông tin GIS về các thông số Chl-a, SPM, CDOM của môi trường nước vùng biển Việt Nam từ năm 2004 đến 2015. Các lớp thông tin GIS được xây dựng từ kết quả xử lý dữ liệu viễn thám và chuẩn hóa đảm bảo tính thống nhất, logic của dữ liệu theo đúng tiêu chuẩn của một lớp thông tin GIS về dữ liệu địa lý, thuộc tính và thông tin dữ liệu. Cơ sở dữ liệu được quản trị dưới dạng Web để hỗ trợ tối đa người sử dụng trong tìm kiếm, cập nhật và quản lý dữ liệu.

Giao diện CSDL GIS chất lượng nước vùng biển Việt Nam

Trong khuôn khổ đề tài đã đào tạo được 01 tiến sĩ và 01 thạc sỹ theo hướng nghiên cứu chuyên ngành quản lý tài nguyên và môi trường. Ngoài ra, đề tài còn hỗ trợ đào tạo cho 02 nghiên cứu sinh (chuyên ngành vật lý hải dương, quản lý tài nguyên và môi trường) và 02 cử nhân về bản đồ viễn thám.

Đề tài đã công bố 01 bài báo trên tạp chí Water (thuộc danh mục tạp chí SCI-E), 02 bài đã gửi đăng và có nhiều khả năng được công bố trên các tạp chí quốc tế thuộc danh mục tạp chí SCI. Ngoài ra, đề tài đã công bố được 03 bài báo khoa học trên tạp chí Khoa học và Công nghệ biển. 

Đề tài được Hội đồng Khoa học và Công nghệ cấp Nhà nước đánh giá xếp loại xuất sắc tại phiên họp nghiệm thu sáng ngày 07/9/2016.

Nguồn tin: TS.Nguyễn Văn Thảo, Viện Tài nguyên và Môi trường biển