Với S là suất phân chiếu bầu trời.
Từ các biểu thức (1), (5) và (7) thấy được phản xạ viễn thám xác định từ tư liệu ảnh viễn thám tuân theo quy luật khách quan khi có sự tương tác của ánh sáng vào nguồn nước.
c. Xác định các thành phần ô nhiễm nước mặt
Các đại lượng ô nhiễm nước mặt có khả năng phản xạ viễn thám chủ yếu là các thông số vật lý chất lượng nước như: độ đục, hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS), độ màu, hàm lượng dầu,…[12, 13]. Chất rắn lơ lửng tạo nên độ đục là các chất không hòa tan do xói mòn hoặc trong nước thải trôi vào nguồn nước mặt, và trong thành phần chất rắn lơ lửng có các chất dinh dưỡng. Khoảng 1/3 đến 2/3 hàm lượng nitơ và phốt pho của một con sông gắn liền với tải chất rắn lơ lửng [14, 15]. Nước mưa chảy tràn trong lưu vực có thâm canh nông nghiệp, trong nước thải xả vào sông hồ hoặc từ trầm tích vận chuyển trở lại nước sông hồ có hàm lượng lớn chất dinh dưỡng N, P,... là nguyên nhân chính gây phú dưỡng, tạo nên độ màu của nước [12]. Việc phân tích ảnh có thể xác định được loại dầu, kích thước vệt dầu tràn xuất hiện xung quanh khu vực phát hiện trên ảnh hay ở nơi khác được dòng chảy đưa đến. Dầu loang khiến độ nhám của mặt sông hồ thay đổi, do đó khi sử dụng ảnh radar có thể thấy được sự khác biệt và nhận biết được các vệt dầu.
Để thành lập bản đồ phân bố không gian của các biến chất lượng nước bằng sử dụng ảnh viễn thám, trước tiên cần thiết lập mô hình ước lượng chất lượng nước dựa trên phản xạ rời khỏi bề mặt nước. Khi xây dựng mô hình, cần được phản ánh đúng và khách quan mối quan hệ hữu cơ giữa các biến chất lượng nước với phản xạ rời khỏi bề mặt nước. Nhằm đạt mục tiêu này 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 mô 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. Một số mô hình hồi quy thường được sử dụng có thể tóm tắt ở các dạng cơ bản sau:
Trong đó: Y là biến số chất lượng nước và Xi là phản xạ rời khỏi mặt nước của một dải quang phổ cụ thể.
3.CÁC BƯỚC GIẢI ĐOÁN ẢNH VỆ TINH ĐỂ LẤY THÔNG TIN DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC THỦY VỰC NGHIÊN CỨU
Chất lượng nguồn nước từ ảnh vệ tinh được giải đoán bằng phần mềm xây dựng dựa trên thuật toán cơ sở là các điều kiện vật lý về các yếu tố hấp thụ của đất, nước và không khí để phân loại các tham số chất lượng nước trong ảnh [16]. Hệ thống xử lý và chuyển đổi mô đun MIP (Modular Inversion and Processing System) có thể tự động nhận các tham số cảm biến và phân loại ánh sáng quang học, chuyển hóa nguồn năng lượng bức xạ, dựa trên cơ sở mô hình phần tử hữu hạn [17, 18]. Phần mềm MIP được sử dụng cho xử lý kết quả và dữ liệu. Đây là công cụ xử lý được phát triển cho việc thu nhận các thông tin từ các dữ liệu viễn thám đa phổ và siêu phổ. Cấu trúc của chương trình bao gồm các giải thuật có thể chuyển giao và tổng quát dựa trên sơ đồ chuyển đổi các yếu tố mang tính vật lý để trích ra các thông tin dựa trên các thông tin bức xạ thu được của bộ cảm. Các thông số chuyển đổi gồm các thành phần khác nhau của khí quyển, hàm lượng các thành phần trong nước, đặc tính phản xạ của nền đáy ở các vùng nước cạn.
Phân tích giải đoán ảnh được dựa trên hệ thống kiểm soát chất lượng từ tệp dữ liệu ảnh nguồn đến tệp dữ liệu ảnh đã xử lý. Các bước tổng thể giải đoán ảnh vệ tinh để lấy thông tin chất lượng nước trên các thủy vực như Hình 3 sau đây.
Hình 3. Các bước giải đoán ảnh vệ tinh để lấy thông tin chất lượng nước
Trước khi tiến hành xây dựng mô hình thông số chất lượng nước, cần tiến hành xử lý bức xạ ảnh vệ tinh với các bước như sau:
- Che vùng đất liền chỉ để lại mặt nước của đối tượng nghiên cứu.
- Nắn chỉnh hình học ảnh và khớp lưới điểm lấy mẫu thực địa theo tọa độ lên ảnh.
- Tách mây và bóng mây. Mây có tác động rất lớn và là lực cản đến khả năng giải đoán ảnh viễn thám trong điều kiện Việt Nam, bởi vì vào mùa mưa bầu trời nước ta nhiều mây và chứa hàm lượng nước mưa lớn, nên khi phân tích giải đoán ảnh rất khó xác định giữa mây và bề mặt nước. Đồng thời mây ngoài việc che phủ đối tượng quan sát, với ánh nắng mặt trời, mây cũng tạo nên các bóng râm trên bề mặt đất cản trở cho việc giải đoán ảnh [18].
- Xử lý tạo ảnh bức xạ R ở đỉnh khí quyển từ ảnh gốc DN (ảnh lượng tử hóa).
- Xử lý tạo ảnh phản xạ bề mặt ρsurface.
- Xử lý tạo ảnh phản xạ viễn thám ρrs.
- Tạo các kênh ảnh lớp cao từ ảnh phản xạ viễn thám ρrs.
- Tìm mối quan hệ phụ thuộc giữa mẫu thông số chất lượng nước thực địa với phản xạ viễn thám ρrs và loại bỏ những kênh ảnh không thỏa mãn yêu cầu.
- Thiết lập mô hình thông số chất lượng nước.
- Tính các sai số như sai số trung phương, sai số tuyệt đối trung bình,....
- Loại bỏ sai số thô, sau đó thiết lập lại mô hình chất lượng nước và tính lại các sai số.
- Quá trình thiết lập mô hình thông số chất lượng nước và tính các sai số sao cho thỏa mãn điều kiện:
+ Sai số tuỵệt đối trung bình < 30%, hay độ chính xác đạt được từ 70%.
+ Hệ số tương quan trong khi xây dựng mô hình R2 không nhỏ hơn 0,7.
Sau khi tiến hành xử lý bức xạ ảnh vệ tinh và loại sai số thô từ số liệu mẫu thực địa, mô hình được xây dựng dựa vào mối quan hệ tồn tại khách quan giữa phản xạ viễn thám của ảnh lớp cao với các thông số vật lý từ mẫu chất lượng nước thực địa. Yêu cầu nghiêm ngặt của công nghệ là tính đồng bộ quan trắc lấy mẫu ngoài thực địa khi vệ tinh bay qua quét ảnh. Từ đây sẽ tuyển chọn được mô hình thông số chất lượng nước đảm bảo những yêu cầu đề ra. Mô hình thông số chất lượng nước được đánh giá trên điểm kiểm tra dựa vào hàm hồi quy.
Để xử lý một ảnh vệ tinh từ ảnh gốc đến sản phẩm là bản đồ chất lượng nước mặt cần khoảng 100 bước phân tích, xử lý và giải đoán, trong đó tập trung đến các vấn đề hiệu chỉnh ảnh, giải đoán ảnh và xuất bản tài liệu từ ảnh. Phân tích giải đoán ảnh được dựa trên cơ sở các thông số hiệu chỉnh vật lý để đánh giá sự biến đổi chất lượng nước khu vực nghiên cứu.
Các ảnh Landsat được hiệu chỉnh khí quyển, loại bỏ nhiễu và tăng độ nét. Sau đó tiến hành phân loại lớp phủ mặt đất trên ảnh bằng thuật toán phân loại có kiểm định khoảng cách tối thiểu.
4. KẾT LUẬN
Đảm bảo an ninh nguồn nước là khâu quan trọng nhất và phải thực hiện đầu tiên trong chiến lược cấp nước an toàn cho đô thị và khu dân cư. Việc ứng dụng công nghệ phân tích ảnh viễn thám chụp ở độ phân giải cao, tỉ lệ lớn, để tìm mối quan hệ khách quan giữa biến đổi chất lượng nước với phản xạ rời khỏi bề mặt nước, và lựa chọn mô hình thích hợp để lập bản đồ chất lượng nước. Kết hợp giữa giải đoán ảnh vệ tinh và tài liệu quan trắc chất lượng nước khu vực nghiên cứu cho phép tính toán và dự báo được sự biến đổi chất lượng nước của thủy vực nghiên cứu. Phương pháp trình bày trên đây có thể được ứng dụng giám sát các khu vực sông hồ, đảm bảo tính khách quan, mang lại hiệu quả kinh tế. Bằng cách giám sát này có thể dự báo được trạng thái nguồn nước cả về số lượng và chất lượng, từ đó có các giải pháp kiểm soát chất lượng và đảm bảo an ninh nguồn cung cấp nước sinh hoạt tập trung.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Yuan-Fong Su, Jun-Jih Liou, Ju-Chen Hou, Wei-Chun Hung, Shu-Mei Hsu, Yi-Ting Lien, Ming-Daw Su, Ke-Sheng Cheng, Yeng-Fung Wang. - A multivariate model for coastal water quality mapping using satellite remote sensing images, Sensors 8 (2008) 6321-6339.
2. Keiser M., Aboulela H., et. al. - Spectral enhancement of the SPOT imagery data to assess marine pollution near Port Said, Egypt. PIERS proceedings, Cambridge, USA, 2008.
3. Liew S. C., Saengtuksin B., Kwoh L. K. - Mapping Water Quality of Coastal and Inland Waters Using High Resolution Worldview-2 Satellite Imagery, Proc. 34th. International Symposium on Remote Sensing of Environment, Sydney, Australia, 10-15 April 2011.
4.Chavez P.S.An improved dark-object subtraction technique for atmospheric scattering correction of multispectral data, Remote Sensing of Environment, 24 (1988),459-479.
5. Quyết định Số: 81/2006/QĐ-TTg ngày 14 tháng 4 năm 2006 của Thủ tướng Chính phủ Phê duyệt Chiến lược quốc gia về tài nguyên nước đến năm 2020.
6. Quyết định Số: 1566/QĐ-TTg ngày 09 tháng 08 năm 2016 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chương trình Quốc gia bảo đảm cấp nước an toàn giai đoạn 2016 - 2025.
7. Chỉ thị Số: 34/CT-TTg ngày 28 tháng 8 năm 2020 của Thủ tướng Chính phủ về tăng cường công tác quản lý hoạt động sản xuất, kinh doanh nước sạch, bảo đảm cấp nước an toàn, liên tục.
8. Cục Viễn thám quốc gia. 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 ô nhiễm thuộc vùng kinh tế trọng điểm miền Bắc (Quyết định số 977/QĐ-BTNMT ngày 02 tháng 06 năm 2011 của Bộ Tài nguyên và Môi trường).
9. Mobley, C. D. - Estimation of the remote-sensing reflectance from above-surface measurements. Applied Optics 38 (1999) 7442-7455.
10. Gordon H. R., Brown O. B., Evans R. H., Brown J. W., Smith R. C., Baker K. S., Clark D. K. - A semi-analytic radiance model of ocean color, J. Geophys. Res.93(1988) 10909-10924.
11. Morel, A., & Gentili, B. - Diffuse reflectance of oceanic waters: II. Implication of bi-directionality for the remote-sensing problem. Applied Optics 35 (1996) 4850 – 4861.
12. Trần Đức Hạ. Hồ chứa nước: Quản lý kỹ thuật để cấp nước an toàn cho đô thị và khu dân cư, Nhà xuất bản Xây dựng, 2019.
13. Chavezz P.S., Image-based atmospheric correction – revisited and improved, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 62(9)-1996: 1025-1036.
14. Koponen, J., Lamberts, D., Sarkkula, J., Inkala, A., Junk, W., Halls, A., and Kshatriya, M., Primary and Fish Production Report. Mekong River Commission Information and Knowledge Management Programme, 2010.
15. Lu, X.X. and Siew, R.Y. (2006), "Water discharge and sediment flux changes over the past decades in the Lower Mekong River: possible impacts of the Chinese dams”. Hydrology and Earth System Sciences 10-2006, 181-195.
16. Heege, T., Kiselev, V., Odermatt, D., Heblinski, J., Schmieder, K., Khac, T.V., and Long, T.T., Retrieval of water constituents from multiple earth observation sensors in lakes, rivers and coastal zones. Geosciences and Remote Sensing Symposium, 2009 IEEE International, IGARSS 2009 ,Vol.2, pp.II-833.
17. Bulgarelli, B., Kiselev, V., and Roberti, L., 1999, Radiative transfer in the atmosphere-ocean system: the finite element method. Apllied Optics 38, pp.1530-1542.
18. Lê Mạnh Hùng, Nguyễn Nghĩa Hùng, Thomas Heege, Nghiên cứu giải đoán ảnh vệ tinh để lấy thông tin phù sa ở vùng đồng bằng sông Cửu Long. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy lợi, số 19-2013, trang 7-12.
GS.TS Trần Đức Hạ
GVCC Trường Đại học Xây dựng
Viện trưởng Viện Nghiên cứu Cấp thoát nước và Môi trường - Hội CTN VN
ThS. Đinh Lam Thắng
Tổng cục Biển và Hải đảo - Bộ Tài nguyên và Môi trường