Nghiên cứu quy trình giám sát hàm lượng chất lơ lửng, chất diệp lục vùng ven biển bằng dữ liệu ảnh vệ tinh LANDSAT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

TRẦN THỊ HÀ PHƢƠNG

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH GIÁM SÁT HÀM LƢỢNG
CHẤT LƠ LỬNG, CHẤT DIỆP LỤC VÙNG VEN BIỂN
BẰNG DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH LANDSAT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

TRẦN THỊ HÀ PHƢƠNG

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH GIÁM SÁT HÀM LƢỢNG
CHẤT LƠ LỬNG, CHẤT DIỆP LỤC VÙNG VEN BIỂN
BẰNG DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH LANDSAT

Ngành: Kỹ thuật trắc địa – bản đồ
Mã số: 8520503

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Nguyễn Văn Trung

HÀ NỘI - 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong trong luận văn là trung thực. Tôi xin chịu trách nhiệm về các
nội dung trình bày trong luận văn.
Hà Nội, tháng 11 năm 2017
Tác giả luận văn

Trần Thị Hà Phƣơng


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................... ..i
M C L C ....................................................................................................... .ii
ANH M C C C CHỮ C I VI T TẮT ..................................................... .v
ANH M C

NG I U ............................................................................ vi

ANH M C H NH V ................................................................................ .vii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. T NG QUAN V
N NG ỨNG

T NH H NH NGHI N CỨU V

NG C NG NGH

KH

VI N TH M TRONG Đ NH GI

CH T LƯ NG NƯỚC .................................................................................... 5
1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng
trong đánh giá ch t l

ng công nghệ vi n thám

ng n ớc ..................................................................... 5

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi n ớc ..................................................... 5
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong n ớc ..................................................... 8
1.2 Khái niệm và nguyên l ho t động của công nghệ vi n thám ................ 9
1.3 T

ng tác năng l

ng s ng điện từ với các đối t

ng tự nhiên ........... 13

1.4 Phân lo i vi n thám ............................................................................... 15
1.5 Đ c đi m ảnh vệ tinh quang học LAN SAT ....................................... 17
1.6 Khả năng ứng

ng công nghệ vi n thám trong nghiên cứu tài nguyên

thiên nhiên và giám sát môi tr ờng ............................................................. 22
CHƯƠNG 2. NGHI N CỨU X Y

ỰNG V

LỰA CHỌN QUY TR NH

X C Đ NH H M LƯ NG CH T LƠ LỬNG, CH T

I P L C TRONG

NƯỚC V NG V N I N TỪ TƯ LI U NH V TINH LAN SAT ..... 25
2.1 C sở khoa học ph
ch t l

ng pháp ứng

ng t liệu vi n thám trong đánh giá

ng n ớc ........................................................................................... 25

2.1.1 Đ c tr ng phản x phổ của n ớc .................................................... 25
2.1.2 ức x đối t

ng n ớc và t nh ch t quang học

t iến của n .... 27

iii

2.1.3 ức x gián tiếp đối t

ng n ớc quan trắc

2.1.4 Các thông số đánh giá ch t l

ng t liệu vi n thám 29

ng n ớc m t .................................. 30

2.1.5 Ph

ng pháp xác định thành ph n các ch t ô nhi m n ớc m t ..... 32

2.1.6 Ph

ng pháp đánh giá ch t l

2.2 Ph

ng n ớc trên c sở ch số WQI..... 34

ng pháp xử l ảnh LAN SAT trong đánh giá ch t l

ng n ớc .. 36

2.2.1 Tiền xử l ảnh vệ tinh LAN SAT ................................................. 36
2.2.2 Hiệu ch nh ức x ........................................................................... 37
2.2.3 Xác định giá trị phản x .................................................................. 39
2.2.4 Hiệu ch nh kh quy n ...................................................................... 40
2.2.5 Ph

ng pháp t số ảnh .................................................................... 41

2.3 Xây ựng quy trình xác định hàm l

ng ch t l lửng, ch t iệp l c

trong n ớc v ng v n i n từ t liệu ảnh vệ tinh LAN SAT...................... 43
2.4 Nghiên cứu lựa chọn mơ hình xác định hàm l

ng ch t l lửng, ch t

iệp l c trong n ớc v ng v n i n t nh Cà Mau ......................................... 46
2.4.1 Lựa chọn mơ hình xác định hàm l

ng ch t l lửng từ t liệu ảnh

LANDSAT ............................................................................................... 46
2.4.2 Lựa chọn mơ hình xác định hàm l

ng ch t iệp l c từ t liệu ảnh

LANDSAT ............................................................................................... 47
CHƯƠNG 3. THỰC NGHI M ỨNG

NG C NG NGH

X C Đ NH H M LƯ NG CH T LƠ LỬNG, CH T

VI N TH M

I P L C V NG

V N I N T NH C MAU ......................................................................... 48
3.1 Đ c đi m khu vực nghiên cứu ............................................................... 48
3.2 Nghiên cứu lựa chọn ph

ng pháp tách ranh giới n ớc – đ t liền từ t

liệu ảnh LAN SAT ..................................................................................... 50
3.2.1 Ph

ng pháp tổ h p màu ................................................................ 50

3.2.2 Ph

ng pháp t số ảnh Winasor ...................................................... 51

3.2.3 Ph

ng pháp t số ảnh Al sh ikh A. .............................................. 52


iv

3.3 Kết quả xác định hàm l

ng ch t l lửng trong n ớc v ng v n i n t nh

Cà Mau ........................................................................................................ 58
3.4 Kết quả xác định hàm l

ng ch t iệp l c trong n ớc v ng v n i n

t nh Cà Mau ................................................................................................. 61
K T LUẬN ................................................................................................... 65
T I LI U THAM KH O ............................................................................. 68


v

ANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VI T TẮT
RS – Remote sensing
GIS – Geographical information system
TOA – Top of atmospheric
BOD – Biochemical oxygen demand
COD – Chemical oxygen demand
TSS – Total suspended sediment
Chl – Chlorophyll
CDOM – Cromophoric Dissolved Organic Matter
WQI – Water quality index
MSS – Multispectral Scanner System
RBV – Return Beam Vidicon
TM – Thermatic Mapper
ETM – Enhanced Thermatic Mapper

OLI – Operational Land Image
TIR – Thermal Infrared
NIR – Near Infrared
PAN – Panchromatic
DOS – Dark Object Subtract
COST – Cosin Appromation Model
OC – Ocean Color
SeaWiFS – Sea Viewing Wide Field of View Sensor
DDV – Dense Dark Vegetation


vi

ANH MỤC ẢNG IỂU
Bảng 1. 1. Lịch sử ch

ng trình Lan sat NASA, M .................................. 18

Bảng 1. 2. Đ c đi m ộ cảm iến R V .......................................................... 19
Bảng 1. 3. Đ c đi m ộ cảm iến MSS .......................................................... 19
Bảng 1. 4. Đ c đi m ộ cảm iến TM ............................................................ 20
Bảng 1. 5. Đ c đi m ộ cảm iến TM ........................................................ 21
Bảng 1. 6. Đ c đi m các kênh phổ ảnh LAN SAT 8 .................................... 22
Bảng 1. 7. Các l nh vực ứng

ng của vi n thám ........................................... 24

Bảng 2. 1. Độ th u quang của n ớc ph thuộc

ớc s ng ............................. 27

Bảng 2. 2. Giá trị các hệ số a0 a4 trong thuật toán xác định hàm l

ng ch t

iệp l c............................................................................................................. 33
Bảng 2. 3. Mức đánh giá ch t l
Bảng 2. 4. Giá trị Lmax, Lmin,

ng n ớc
ML

,

AL

ng ch số WQI.......................... 35

đối với ảnh LANDSAT TM, ETM+,

LANDSAT 8 ................................................................................................... 38
Bảng 2. 5. Giá trị SUN đối với các kênh phổ ảnh LAN SAT TM ......... 40
Bảng 2. 6. Giá trị SUN đối với các kênh phổ ảnh LAN SAT 8 ................. 40


vii

ANH MỤC HÌNH V
Hình 1.1. Kết quả xác định hàm l

ng ch t l lửng SPM v ng Giron

Pháp trên ảnh SPOT HRV a, 14 – 06 – 1996 và Lan sat TM

, 04 – 03

– 2000)............................................................................................................... 6
Hình 1.2. Các thành ph n trong hệ thống vi n thám ...................................... 11
Hình 1.3. Nguyên l thu nhận ữ liệu vi n thám ............................................ 13
Hình 1.4. Phản x tồn ph n a , phản x một ph n
tán x một ph n

, tán x tồn ph n c ,

......................................................................................... 14

Hình 1.5. Đ c tr ng phản x phổ của một số đối t

ng tự nhiên ................... 15

Hình 1.6. Vi n thám siêu cao t n chủ động a và ị động

....................... 17

Hình 2. 1. Khả năng th u quang của một số lo i n ớc ................................... 27
Hình 2. 2. Các thành ph n ức x thu nhận từ đ u thu ................................... 28
Hình 2. 3. ản đ phân ố hàm l

ng ch t iệp l c toàn c u xây ựng từ ảnh

MODIS ............................................................................................................ 33
Hình 2. 4.

ản đ phân ố hàm l

ng ch t iệp l c khu vực v n i n ph a

nam Việt Nam từ t liệu ảnh vệ tinh MO IS ................................................. 34
Hình 2. 5. Xây ựng hàm h i quy xác định hàm l
Giron

ng ch t l lửng khu vực

Pháp ................................................................................................ 44

Hình 2. 6. Kết quả xác định hàm l
vực vịnh P nsacola M

ng ch t iệp l c từ ảnh LAN SAT khu

................................................................................ 44

Hình 2. 7. Quy trình xác định hàm l

ng ch t l lửng, ch t iệp l c trong

n ớc i n từ ữ liệu ảnh LAN SAT .............................................................. 45
Hình 3. 1. Vị tr địa l t nh Cà Mau ................................................................ 48
Hình 3. 2. Tổ h p màu RG

543 ảnh LAN SAT khu vực v n i n Cà Mau

......................................................................................................................... 51
Hình 3. 3. Mơ hình xây ựng ản đ đ ờng ờ th o ph

ng pháp t số ảnh

Alesheikh A.A. ................................................................................................ 53


viii

Hình 3. 4. Kết quả t nh t số ảnh và phân ng

ng đối với ảnh LAN SAT

TM khu vực v n i n Cà Mau 14 – 01 – 2009) ......................................... 55
Hình 3.5. Kết quả t nh t số ảnh và phân ng

ng đối với ảnh LAN SAT 8

khu vực v n i n Cà Mau 12 – 01 – 2014).................................................... 56
Hình 3. 6. Kết quả xác định ranh giới n ớc – đ t liền đ i với ảnh LAN SAT
TM ch p ngày 14 – 01 – 2009 ................................................................... 57
Hình 3. 7. Kết quả xác định ranh giới n ớc – đ t liền đ i với ảnh LAN SAT
8 ch p ngày 12 – 01 – 2014 ............................................................................ 57
Hình 3. 8. nh LAN SAT 7 TM khu vực Cà Mau ngày 14 – 01 – 2009: a
– kênh xanh l c, – kênh cận h ng ngo i ...................................................... 58
Hình 3. 9. nh LAN SAT 8 khu vực Cà Mau ngày 12 – 01 – 2014: a – kênh
xanh l c, – kênh cận h ng ngo i .................................................................. 58

Hình 3. 10.

nh t số giữa kênh cận h ng ngo i và kênh xanh l c ảnh

LANDSAT 2009 (a), 2014(b) ......................................................................... 59
Hình 3. 11. ản đ phân ố hàm l

ng ch t l lửng khu vực v n i n Cà Mau

14 – 01 – 2009 từ t liệu ảnh LAN SAT 7 TM ........................................ 60
Hình 3. 12.

ản đ phân ố

nh ảnh hàm l

ng ch t l lửng khu vực v n

i n Cà Mau 14 – 01 – 2009 từ t liệu ảnh LAN SAT 7 TM .................. 61
Hình 3. 13.

nh ln kênh 3 kênh 4

a, năm 2009 và ln kênh 4 kênh 5

,

năm 2014 khu vực v n i n t nh Cà Mau ...................................................... 62
Hình 3. 14. ản đ

ng ảnh sự phân ố hàm l

ng ch t iệp l c khu vực v n

i n Cà Mau từ ảnh LAN SAT 7 TM 14 – 01 – 2009 ............................. 63
Hình 3. 15. ản đ

ng ảnh sự phân ố hàm l

ng ch t iệp l c khu vực v n

i n Cà Mau từ ảnh LAN SAT 8 OLI 12 – 01 – 2014 ................................. 64


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, c ng với sự phát tri n kinh tế – x hội m nh m , những ảnh
h ởng tiêu cực của các ho t động này đến ngu n n ớc khiến tình tr ng ơ
nhi m n ớc i n ra nghiêm trọng. Tốc độ cơng nghiệp hố, đơ thị hố nhanh
ch ng, ho t động giao thơng đ ờng thủy, ho t động nuôi tr ng thủy hải sản
và sự gia tăng ân số gây áp lực ngày càng n ng nề đối với tài nguyên n ớc
v ng cửa sông, v n i n. Môi tr ờng n ớc ở nhiều v ng v n i n ngày càng
bị ơ nhi m bởi n ớc thải, khí thải và ch t thải rắn. Dọc theo bờ bi n, hàng v n
ng ời dân sinh sống với nghề chính là khai thác và chế biến thủy sản. Nhiều
làng bi n đang đối m t với tình tr ng ô nhi m môi tr ờng o rác và n ớc thải
từ các c sở chế biến thủy sản gây nên. T i các

i nuôi thủy sản, o không c

ao chứa lắng, xử l nên ph n lớn các hộ nuôi đều thải trực tiếp n ớc thải ra
i n mà khơng qua

t k hình thức xử l nào. Ở các thành phố lớn, hàng

trăm c sở sản xu t công nghiệp đang gây ô nhi m môi tr ờng n ớc do khơng
có cơng trình và thiết bị xử lý ch t thải. Những t p ch t gây ô nhi m này đ

c

xả th ng ra sông, h mà không qua xử l . Ngu n n ớc ị ô nhi m từ hệ thống
sông, suối trong đ t liền th o

ng chảy ra i n khiến tình tr ng ô nhi m v ng

cửa sông, v n i n ngày càng tr m trọng [1].
Hàm l

ng ch t l

lửng và một số t p ch t khác c

(chemical oxygen demand – CO , nitrat nitrog n,
quan trọng nh t xác định ch t l
một cách ch nh xác.

trong n ớc

là những thông số

ng ngu n n ớc và đánh giá ô nhi m n ớc

o vậy, xác định sự phân ố và hàm l

trong n ớc là yếu tố quyết định khi đánh giá ch t l

ng các t p ch t

ng n ớc và điều kiện

sinh thái môi tr ờng xung quanh. Tuy nhiên, việc nghiên cứu, giám sát, đánh
giá ch t l

ng n ớc

ng các ph

ng pháp truyền thống g p r t nhiều kh

khăn, đ c iệt khi nghiên cứu với quy mô rộng lớn. Những h n chế này đ

c


2

giảm thi u khi sử

ng ảnh vi n thám với đ c tr ng iện t ch v ng phủ của

một cảnh ảnh rộng lớn c ng khả năng ch p l p l i khu vực nghiên cứu trong
thời gian một vài ngày, thậm ch một vài giờ.
Công nghệ vi n thám đ
các thơng số ch t l
tốn đ

c sử

ng rộng r i đ

ớc l

ng và th o

i

ng n ớc ở các v ng v n i n, cửa sông và h . Các thuật

c phát tri n ựa trên ữ liệu ảnh vi n thám và ữ liệu đo thực địa

gi p xác định các thành ph n trong n ớc, trong đ c Chlorophyll – ch t iệp
l c, susp n

s im nt SS – ch t l lửng, Cromophoric Dissolved Organic

Matter C OM – ch t hữu c h a tan. Sự phát tri n các thuật toán này ựa
trên việc thiết lập hàm quan hệ giữa giá trị phản x phổ của ảnh vệ tinh và các
giá trị thu nhận đ

c trong các ph p đo thực địa. ản ch t của các thuật toán

này là sự ph thuộc khả năng phản x phổ của n ớc với thành ph n các ch t
c trong n ớc.
Với mong muốn nâng cao năng lực nghiên cứu khoa học và khả năng
ứng

ng công nghệ vi n thám trong giám sát tài nguyên, môi tr ờng n i

chung, trong đánh giá ch t l

ng n ớc trên c sở ớc l

ng hàm l

ng ch t

l lửng, ch t iệp l c n i riêng, ch ng tôi thực hiện đề tài

LANDSAT”.
2. M c ti u của đề tài:
 Nghiên cứu và hồn thiện quy trình xác định hàm l

ng ch t l lửng,

ch t diệp l c trong n ớc v ng v n i n từ ữ liệu ảnh vệ tinh LANDSAT.
Thử nghiệm đánh giá hàm l

ng ch t l lửng, ch t diệp l c đối với v ng v n

i n Cà Mau.
 G p ph n nâng cao năng lực ứng
nghiên cứu, giám sát tài nguyên môi tr ờng

ng công nghệ vi n thám trong


3

3. Phƣơng ph p nghi n cứu
 Ph

ng pháp tổng h p và kế thừa: phân t ch, tổng h p và áp

ng

sáng t o các nghiên cứu trong và ngoài n ớc liên quan đến đề tài;
 Ph
ph

ng pháp vi n thám: ph

ng pháp xác định hệ số phản x

ng pháp tiền xử l ảnh vi n thám,

ềm t

4. C ch tiếp cận
 Nghiên cứu, tìm hi u các ph

đ lựa chọn áp
 Tận

ng pháp đ đ

c sử

ng trên thế giới

ng vào đề tài;
ng triệt đ ngu n ữ liệu mi n ph ảnh đa phổ độ phân giải

trung ình LANDSAT, trang thiết ị của c quan nh m tr gi p tối đa trong
đề tài.
5. Nội dung nghiên cứu ứng d ng và triển khai thực nghiệm:
 Nghiên cứu các cơng trình, tài liệu của n ớc ngồi trong l nh vực
đánh giá ch t l

ng n ớc

ng công nghệ vi n thám;

 Thu thập, nghiên cứu đ c đi m và khả năng ứng

ng của ảnh vệ

tinh đa phổ độ phân giải trung ình LANDSAT, đ c iệt là ảnh LANDSAT 8;
 Nghiên cứu các ph
hàm l

ng pháp xử l ảnh LANDSAT trong xác định

ng ch t l lửng, ch t iệp l c;
 Nghiên cứu ph

ng pháp tự động tách ranh giới n ớc – đ t liền từ

ữ liệu ảnh LANDSAT. Thực nghiệm tách ranh giới n ớc – đ t liền khu vực
v n i n Cà Mau;
 Nghiên cứu xây ựng quy trình công nghệ xác định hàm l

ng ch t

l lửng, ch t diệp l c v ng v n i n từ ữ liệu ảnh LANDSAT. Thực nghiệm
xác định hàm l

ng ch t l lửng, ch t iệp l c khu vực v n i n Cà Mau.

6. Cấu trúc luận văn
Luận văn đ
kèm th o, các ch

c chia thành 3 ch
ng đ

ng, ngoài ph n mở đ u và ph l c

c bố c c nh sau:

4

Ch

ng 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và khả năng ứng

công nghệ vi n thám trong đánh giá ch t l
Ch
l

ng

ng n ớc

ng 2: Nghiên cứu xây ựng và lựa chọn quy trình xác định hàm

ng ch t l lửng, ch t iệp l c trong n ớc v ng v n i n từ t liệu ảnh vệ

tinh Landsat
Ch
l

ng 3: Thực nghiệm ứng

ng công nghệ vi n thám xác định hàm

ng ch t l lửng, ch t iệp l c v ng v n i n t nh Cà Mau
7. Lời cảm ơn
Lời đ u tiên, em xin gửi lời cảm

n chân thành và sâu sắc tới

TS.Nguy n Văn Trung, ng ời đ định h ớng và tận tình h ớng dẫn về m t
khoa học cho em trong suốt quá trình nghiên cứu.
Em xin chân thành cảm n các th y, cô giáo bộ môn Trắc địa mỏ và
nh m Địa tin học môi tr ờng khoa Trắc địa - Bản đ và Quản l Đ t đai đ c
những ý kiến đ ng g p qu

áu trong quá trình làm luận văn. Xin cảm n

Ph ng Sau Đ i học Tr ờng Đ i học Mỏ - Địa ch t, đ t o điều kiện thuận l i
cho em trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn.


5

CHƢƠNG 1
T NG QUAN V TÌNH HÌNH NGHI N CỨU VÀ

HẢ NĂNG ỨNG

ỤNG C NG NGHỆ VIỄN THÁM TRONG ĐÁNH GIÁ CHẤT
LƢỢNG NƢỚC
1.1 Tổng quan về t nh h nh nghi n cứu ứng

ng c ng nghệ viễn th m

trong đ nh gi chất ƣ ng nƣớc
1.1.1 T
Trong ba thập kỷ qua, công nghệ vi n thám đ c những thành tựu hết

sức to lớn trong l nh vực nghiên cứu trái đ t và trở thành một công c quan
trọng cho việc đánh giá và quản l tài nguyên thiên nhiên. Công nghệ vi n
thám đ mở ra

ớc ngo t cho những nghiên cứu về môi tr ờng ở mức toàn

c u. Đ c iệt, ảnh vệ tinh đa phổ với đ c đi m thu nhận t n hiệu phản h i từ
vật th trong ải s ng nhìn th y và h ng ngo i c khả năng ứng

ng hiệu quả

trong giám sát tài nguyên môi tr ờng, đ c iệt là trong nghiên cứu ô nhi m
không kh , ô nhi m n ớc, đánh giá iến động ề m t,
Trên thế giới, công nghệ vi n thám đ

c sử

ng rộng r i và mang l i

hiệu quả to lớn trong giám sát ô nhi m môi tr ờng n ớc m t. Với khả năng
ch p l p l i trong thời gian ngắn, ải phổ rộng và độ phân giải không gian đa
ng, ữ liệu ảnh vi n thám đ đ

c sử

ng trong ớc l

ng hàm l

ng ch t

l lửng, ch t iệp l c ở nhiều quy mô khác nhau, từ c p t nh, v ng đến quy
mô quốc gia.
C th k đến các nghiên cứu của

.

oxaran t al 2002, 2006 đ sử

ng ữ liệu ảnh SPOT HVR, LANDSAT TM nh m xác định hàm l
các ch t ô nhi m v ng cửa sông Giron

ng

Pháp [17, 18]. Trong nghiên cứu

này, các tác giả đ phân t ch đ c tr ng phản x phổ của n ớc và c sở khoa
học của ph

ng pháp ứng

ng t

LANDSAT trong đánh giá ch t l

liệu vi n thám quang học SPOT,

ng n ớc. Từ phân t ch đ c tr ng phản x

6

phổ của n ớc, các tác giả đ chứng minh r ng ải s ng cận h ng ngo i NIR
và xanh l c Gr n c khả năng phản ánh tốt nh t hàm l
trong n ớc và đề xu t sử

ng ch t l lửng

ng t số giữa hệ số phản x phổ t i kênh cận h ng

ngo i kênh 4 đối với ảnh LANDSAT TM , kênh 3 đối với ảnh SPOT và
kênh xanh l c kênh 2, kênh 1 đối với ảnh LANDSAT TM và SPOT t

ng

ứng . Từ mối quan hệ giữa phản x phổ t i các kênh s ng này c ng với số liệu
đo thực địa, tác giả đ đ a ra mơ hình ớc l
v ng cửa sơng Giron

ng hàm l

ng ch t l lửng t i

hình 1.1 .

Hình 1.1.
–

trên

–

Landsat ETM+ (b, 04 – 03 – 2000)

Năm 2008, W ipi H và cộng sự đ sử

ng t liệu vi n thám quang

học trong nghiên cứu đánh giá ô nhi m n ớc m t các h ở ắc Kinh Trung
Quốc . Trong nghiên cứu này, các tác giả đ sử
LANDSAT TM nh m xác định hàm l
hữu c

h a tan CO

ng ch t iệp l c chlorophyll , ch t

– ch mical oxyg n

ammonia nitrog n NH3-N ,

ng ữ liệu ảnh đa phổ

man , total nitrog n TN ,

trong các h chứa n ớc ở thành phố ắc Kinh

Trung Quốc . Nghiên cứu này đ chứng minh r ng, các kênh phổ ở ải s ng
nhìn th y và h ng ngo i c th sử

ng đ xây ựng các mơ hình t nh tốn


7

hàm l

ng các t p ch t trên với độ ch nh xác đảm ảo.
Trong nhiều nghiên cứu khác, nh của K Sh ng Ch ng, Tsu Chiang

L i 2001 , mmanu l Ol t 2010 , Jian – Jun Wang t al 2009 , Su h r K.
t al 2006 , Xing-Ping W n 2010 , Yuan – ong Su 2008 , các tác giả c ng
sử

ng ữ liệu ảnh LANDSAT trong đánh giá hàm l

iệp l c khu vực cửa sông và v n i n. Kết quả nhận đ
này đ đ

c sử

ng ch t l lửng, ch t
c từ các nghiên cứu

ng trong xây ựng các hệ thống giám sát ch t l

ng n ớc

m t khu vực cửa sông và v n i n và cung c p c sở khoa học ph c v công
tác ứng ph tình tr ng ơ nhi m n ớc và cải thiện ch t l

ng n ớc [20-25].

Ngoài ữ liệu ảnh vi n thám quang học độ phân giải trung ình và cao
(LANDSAT, SPOT , ữ liệu ảnh độ phân giải th p MO IS c ng đ đ
ng trong nhiều nghiên cứu nh m đánh giá hàm l

c sử

ng ch t l lửng, ch t

iệp l c trong n ớc i n. o u đi m iện t ch v ng ch p rộng, ải phổ và số
l

ng kênh phổ lớn, ảnh MO IS tỏ ra c hiệu quả đ c iệt trong nghiên cứu

môi tr ờng i n và v n ờ. Trong nghiên cứu của Guzman V.R. t al 2009 ,
tác giả sử

ng ữ liệu ảnh MO IS xác định hàm l

ng ch t l lửng khu vực

vịnh Mayagu z P rto Rico trên c sở đánh giá mối quan hệ với hiện tr ng
x i m n và tr
MO IS

t lở đ t. Nghiên cứu trên đ chứng minh r ng, kênh 1 ảnh

ớc s ng trong khoảng 0.589 – 0.645 m c khả năng th hiện sự

phân ố hàm l

ng ch t l lửng, ch t iệp l c tốt nh t đối với v ng i n xa

ờ, trong khi ảnh Landsat, Spot th hiện hiệu quả với các v ng cửa sông, v n
i n. Các tác giả c ng đ sử

ng máy đo quang phổ ức x c m tay G R

1500 đ hiệu ch nh phổ ề m t nh m tăng c ờng độ ch nh xác trong t nh toán.
C ng sử
ch t l

ng ữ liệu ảnh đa phổ độ phân giải th p MO IS trong đánh giá

ng n ớc v ng v n i n c th k đến các nghiên cứu của M.S. Wong

et al (2008), V. Brando et al (2006).
Các nghiên cứu trên đ chứng minh r ng, ữ liệu vi n thám c th sử
ng hiệu quả trong ớc l

ng hàm l

ng ch t l lửng, ch t iệp l c trong


8

n ớc m t ựa trên mối quan hệ giữa đ c tr ng phản x phổ của n ớc và các

thông số đo thực địa hàm l
đ

ng t p ch t. Hiện nay c r t nhiều ộ cảm iến

c phát tri n trên các hệ thống thu nhận ảnh vệ tinh khác nhau c th ứng
ng trong nghiên cứu tài nguyên n ớc, ao g m cả đánh giá hàm l

ng một

số t p ch t trong n ớc AVHRR, S aWi S, MO IS, IKONOS, LANDSAT,
SPOT . Các thông số c

ản của ảnh vệ tinh nh độ phân giải thời gian, độ

phân giải phổ, độ phân giải không gian c ng nh

ữ liệu s n c , khả năng

hiệu ch nh, xử l ảnh là những yếu tố quan trọng nh t đ quyết định việc lựa
chọn ph

ng pháp tốt nh t cho nghiên cứu ở các khu vực c th .

1.1.2 T
T i Việt Nam, trong những năm g n đây công nghệ vi n thám đ đ

c

ứng d ng rộng r i trong nhiều l nh vực nh Địa ch t, Lâm nghiệp, Đo đ c Bản đ , trong giám sát tài nguyên môi tr ờng.... Các cơng trình nghiên cứu sử

d ng t liệu vi n thám đ mang l i những l i ch to lớn về kinh tế và đảm bảo
tính khách quan c ng nh độ ch nh xác cao. Trong nhiều tr ờng h p t liệu
vi n thám là g n nh khơng th thay thế, ví d khi nghiên cứu các v ng l nh
thổ mà không c t liệu ản đ chi tiết c ng nh r t kh khăn trong công tác
điều tra ngo i nghiệp nh hải đảo, rừng nguyên sinh.
Trong l nh vực nghiên cứu ứng d ng công nghệ vi n thám đánh giá
ch t l

ng n ớc ở Việt Nam đ c một số cơng trình nghiên cứu xác định

hàm l

ng chlorophyll trong n ớc i n, đánh giá ch t l

ữ trữ n ớc

ng n ớc một số h

từ ảnh SPOT, MO IS. C th k đến đề tài Nghiên cứu ứng

ng ảnh vệ tinh đ xác định nhiệt độ và hàm l

ng chlorophyll ề m t n ớc

i n của ThS Lê Minh S n C c vi n thám quốc gia, 2008 [11], đề tài
nghiên cứu khoa học c p ộ Sử

ng ảnh vệ tinh đa thời gian đ đánh giá

ảnh h ởng o iến động của một số đối t

ngập m n, hàm l

ng ao g m sử

ng đ t, rừng

ng ch t l lửng trong ề m t n ớc i n đến iến động

đ ờng ờ khu vực t nh Cà Mau của ThS Lê Thị Ph

ng Mai C c Vi n


9

thám quốc gia, 2012 . Trong các đề tài này, các tác giả đ sử
vệ tinh MO IS, SPOT đ xác định hàm l

ng ữ liệu ảnh

ng ch t l lửng, ch t iệp l c khu

vực v n i n t nh Cà Mau [8].
Các thế hệ vệ tinh LANDSAT, trong đ c vệ tinh LANDSAT 8 vừa
đ

c ph ng thành công lên qu đ o vào đ u năm 2013 đ cung c p ngu n ữ

liệu ảnh phong ph và đ c iệt hoàn toàn mi n ph ph c v m c đ ch nghiên
cứu, giám sát tài nguyên môi tr ờng n i chung, nghiên cứu ô nhi m n ớc m t

n i riêng. nh đa phổ LANDSAT với độ phân giải không gian 30m c th áp
ng hiệu quả cho các nghiên cứu xác định hàm l

ng ch t l lửng ở quy mô

c p t nh, v ng.
Cà Mau là t nh uy nh t của cả n ớc c
i n với chiều ài ờ i n 254 km, chiếm 34.5
đ ng

ng sông Cửu Long, 7.8

a m t Đông – Tây – Nam giáp
chiều ài ờ i n toàn v ng

ờ i n cả n ớc. Ho t động x i lở,

it

ờ

bi n ngày càng phức t p, ảnh h ởng lớn đến môi tr ờng sinh thái i n c ng
nhu rừng ngập m n Cà Mau.

ên c nh đ , hiện t

ng x i lở,

it c nđ

ọa cuộc sống nhiều v ng ân c , gây nguy h i cho các cơng trình, c sở kinh
tế v n i n. Hiện t

ng x i lở,

i t ở Cà Mau o nhiều nguyên nhân khác

nhau, trong đ c ảnh h ởng của hàm l
trong n ớc v ng v n i n.

ng ch t l lửng và một số t p ch t

o vậy, xác định sự phân ố hàm l

ng ch t l

lửng, ch t iệp l c là một ài toán c t nh khoa học và thực ti n. Với độ phân
giải khơng gian trung ình, đ c iệt đ

c cập nhật mi n ph , ảnh vệ tinh

LANDSAT các thế hệ là một ngu n ữ liệu phong ph và qu giá trong
nghiên cứu m t đ t.
h i niệm và ngu n

ho t động của c ng nghệ viễn th m

Vi n thám là một ngành khoa học c lịch sử phát tri n lâu đời. Sự phát
tri n của khoa học vi n thám ắt đ u từ m c đ ch quân sự khi nghiên cứu các
ảnh ch p sử

ng phim và gi y ảnh từ khinh kh c u, máy ay. Ngày nay,

c ng sự phát tri n của khoa học k thuật, vi n thám đ

c ứng

ng trong


10

nhiều ngành khoa học khác nhau nh quân sự, địa ch t, địa l , môi tr ờng,
kh t

ng, thủy văn, nông nghiệp, lâm nghiệp,... [2].
Th o ngh a rộng, vi n thám là ngành khoa học nghiên cứu việc đo đ c, thu

thập thông tin về một đối t ng, sự vật

ng cách sử

ng thiết ị đo tác động một

cách gián tiếp với đối t ng nghiên cứu. an đ u, ữ liệu vi n thám là ảnh ch p
phim thu nhận từ khinh kh c u, máy ay Hiện nay, ngu n ữ liệu ch nh trong
vi n thám là ảnh số thu nhận từ các hệ thống vệ tinh quan sát Trái đ t.
C r t nhiều định ngh a khác nhau về vi n thám, nh ng x t cho c ng t t
cả các định ngh a đều c một đ c đi m chung, nh n m nh vi n thám là khoa
học nghiên cứu các thực th , hiện t

ng trên trái đ t từ xa mà không c n tác

động trực tiếp vào n . Một số định ngh a tiêu i u về vi n thám của các nhà
khoa học khác nhau nh [2-5]:
1. Vi n thám là một nghệ thuật, khoa học, n i t nhiều về một sự vật
không c n phải tiếp x c với vật đ

Ficher and others, 1976);

2. Vi n thám là quan sát về một đối t

ng

ng một ph

ng tiện cách xa

vật trên một khoảng cách nh t định (Barrer and Curtis, 1976);
3. Vi n thám là một khoa học về l y thông tin từ một đối t

ng, đ

c đo

từ một khoảng cách xa vật không c n tiếp x c với n . Năng l

ng đ

c đo

trong các hệ vi n thám hiện nay là năng l

ng điện từ phát ra từ vật quan tâm

(Landgrete, 1978);
4. Vi n thám là ứng
của Trái đ t

ng việc sử

ng vào việc l y thông tin về m t đ t và m t n ớc
ng các ảnh thu đ

c từ một đ u ch p ảnh sử

ng

ức x phổ điện từ, đ n kênh ho c đa phổ, ức x ho c phản x từ ề m t
Trái đ t (Janes Capbell, 1996);
5. Vi n thám là khoa học và nghệ thuật thu nhân thông tin về một vật
th , một v ng, ho c một hiện t
ph

ng, qua phân t ch ữ liệu thu đ

ng tiện không tiếp x c với vật, v ng ho c hiện t

(Likkesand and Kiefer, 1986).

c ởi những

ng khi khảo sát


11

Ngu n tài nguyên chủ yếu sử
ho c đ

ng trong vi n thám là s ng điện từ

c phản x , ho c ức x từ vật th . Thiết ị

điện từ phản x ho c ức x từ vật th đ

ng đ cảm nhận s ng

c gọi là ộ cảm iến s nsor . ộ

cảm iến c nhiệm v chuy n đổi giá trị điện từ sang giá trị số đ thu đ
ảnh số. Ph

ng tiện

nay, vật mang r t đa

ng đ mang các ộ cảm đ

c

c gọi là vật mang. Hiện

ng, c th là khinh kh c u, máy ay, vệ tinh, tàu v

tr ,... [2-5].
C c thành phần ch nh của một hệ thống viễn th m
Một hệ thống vi n thám th ờng ao g m 7 ph n tử c quan hệ ch t ch
với nhau hình 1.2 . Trình tự ho t động của các thành ph n trong hệ thống vi n
thám đ

c mơ tả trong hình 1.2 [2-5].
: thành ph n đ u tiên của hệ thống vi n thám là

ngu n năng l
t

ng đ chiếu sáng hay cung c p năng l

ng c n nghiên cứu. Trong vi n thám chủ động sử

ng điện từ tới đối

ng năng l

ng phát ra

từ ngu n phát đ t trên vật mang, c n trong vi n thám ị động, ngu n năng
l

ng chủ yếu là ức x m t trời.
ức x điện từ từ ngu n phát tới đối

t

ng nghiên cứu s phải t

Hình 1.2.

ng tác qua l i với kh quy n n i n đi qua.


12

sau khi truyền qua kh quy n đến đối
t

ng, năng l

ng s t

ng tác với đối t

t

ng và s ng điện từ. Sự t

ng t y thuộc vào đ c đi m của đối

ng tác này c th là sự truyền qua, sự h p th

hay ị phản x trở l i kh quy n.
sau khi năng l
phát ra ho c ị phản x từ đối t
nhận s ng điện từ. Năng l
của đối t

ng, c n c

c

ộ cảm iến đ tập h p l i và thu

ng điện từ truyền về ộ cảm s mang thông tin

ng.
năng l

cảm c n đ

ng đ

c truyền tải th ờng

liệu đ xử l sang

ới

ng đ

c thu nhận ởi ộ

ng điện từ đến một tr m thu nhận ữ

ng ảnh. nh này là ữ liệu thô.
ảnh thô s đ

trong các m c đ ch khác nhau. Đ nhận iết đ
phải giải đoán ch ng. nh đ
khác nhau phân lo i

c phân lo i

c xử l đ c th sử

c các đối t

ng trên ảnh c n

ng việc kết h p các ph

ng pháp

ng mắt, phân lo i thực địa, phân lo i tự động,... .

đây là thành ph n cuối c ng của hệ thống vi n thám, đ
thực hiện khi ứng

ng

ng thông tin thu nhận đ

c

c trong quá trình xử l ảnh vào

các l nh vực, ài toán c th [2-5].
Nguyên l c

ản của k thuật vi n thám là thu nhận năng l

ng phản

h i của s ng điện từ chiếu tới vật th , thông qua ộ cảm iến s nsor giá trị
phản x phổ này s đ

c chuy n về giá trị số hình 1.3).


13

Hình 1.3.

Bộ cảm iến là các thiết bị t o ra ảnh về sự phân bố năng l

ng phản

x hay phát x của các vật th từ m t đ t theo những ph n nh t định của
quang phổ điện từ. ộ cảm iến ch thu nhận năng l
hay ức x từ vật th th o từng

sau khi tới đ

ng s ng điện từ phản x

ớc s ng xác định. Năng l

ng s ng điện từ

c ộ cảm iến s chuy n thành t n hiệu số chuy n đổi t n hiệu

điện thành một số nguyên hữu h n – giá trị pix l t
ức x ứng với từng

ng ứng với năng l

ớc s ng o ộ cảm iến nhận đ

ng

c trong ải phổ đ

xác định.
S ng điện từ

ng trong vi n thám tuân th o các định luật ức x điện

từ định luật Plank, định luật Wi n, St an –
trình Maxw ll. Năng l

ng phổ

ới

ontzmann,

và hệ ph

ng

ng s ng điện từ, c ng cho thông tin về

một vật th từ nhiều g c độ s g p ph n phân lo i vật th một cách ch nh xác
h n [2, 3].
Tƣơng t c năng ƣ ng s ng điện từ với c c đối tƣ ng tự nhiên
S ng điện từ chiếu tới m t đ t, năng l
m t vật th và xảy ra các hiện t

ng của n s tác động lên ề

ng: phản x năng l

ng, h p th năng l

ng


14

và th u quang năng l
ng năng l

ng [2-5]. Năng l

ng ức x s chuy n đổi thành a

ng khác nhau. Q trình trên đ

c mơ tả th o cơng thức:

E  E  E  E
0

Trong đ : E0 – năng l

Năng l
t

(1.1)

ng an đ u của ức x khi chiếu xuống;

E  - năng l

ng phản x ;

E - năng l

ng h p th ;

E - năng l

ng th u quang

ng của ức x điện từ ph thuộc vào c u tr c ề m t đối

ng. T y thuộc đối t

ng, năng l

ng phản x phổ c th phản x toàn

ph n, phản x một ph n, tán x toàn ph n, tán x một ph n hình 1.4)

a)

b)

c)

d)

Hình 1.4.

Độ h p th năng l
x

ị h p th và năng l

ng điện từ đ

Độ phản x năng l
ng tới:

ng phát

ng tới:

 

năng l

c t nh là t số giữa năng l

E
E0

(1.2)

ng điện từ là t số giữa năng l

ng phản x và


15

 
Độ truyền năng l
l

ng ức x điện từ chiếu tới đối t

ớc s ng khác nhau s nhận đ

ph thuộc của năng l
đối t

ng tự nhiên đ

là t số giữa năng

ng tới [2-5].

những ph thuộc vào ề m t đối t
các

(1.3)

E0

ng điện từ hay độ th u quang

ng th u quang và năng l
Năng l

E

ng phản x

ng đ

c phản x không

ng mà c n ph thuộc vào

ớc s ng. T i

c khả năng phản x phổ khác nhau. Sự
ức x điện từ vào

ớc s ng của một số

c mô tả trên hình 1.5.

Hình 1.5.

1.4 Ph n o i viễn th m
Vi n thám c th phân lo i thành a lo i c
điện từ sử

ản ựa vào

ớc s ng

ng đ thu nhận t n hiệu phổ phản x từ vật th : vi n thám quang

học trong ải s ng nhìn th y và h ng ngo i , vi n thám h ng ngo i nhiệt và
vi n thám siêu cao t n [2].
Viễn th m trong ải s ng nh n thấ và hồng ngo i Trong vi n thám
ải s ng nhìn th y và h ng ngo i, ngu n năng l
M t trời cung c p một ức x c

ng ch nh là ức x m t trời.

ớc s ng u thế 0.5 m . T liệu vi n thám