Ứng dụng công nghệ viễn thám trong thành lập bản đồ hiện trạng chất lượng nước hạ lưu sông Đáy giai đoạn 2017 – 2018 (Luận văn thạc sĩ)

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM TRONG THÀNH
LẬP BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC HẠ
LƯU SÔNG ĐÁY GIAI ĐOẠN 2017 – 2018

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

ĐẶNG NGUYỆT ANH

HÀ NỘI, NĂM 2018


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM TRONG THÀNH
LẬP BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC HẠ
LƯU SÔNG ĐÁY GIAI ĐOẠN 2017 – 2018

ĐẶNG NGUYỆT ANH
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
MÃ SỐ: 8440301
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. TRỊNH LÊ HÙNG
2. PGS.TS. LÊ THỊ TRINH

HÀ NỘI, NĂM 2018

i

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: PGS.TS. Trịnh Lê Hùng
Cán bộ hướng dẫn phụ: PGS.TS. Lê Thị Trinh
Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Nguyễn Văn Nam
Cán bộ chấm phản biện 2: PGS.TS. Lưu Thế Anh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Ngày 01 tháng 10 năm 2018


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Kết quả nghiên cứu của luận văn là những đóng góp riêng dựa trên số
liệu thu thập, những kết quả nghiên cứu kế thừa các công trình khoa học khác
đều được trích dẫn theo đúng quy định.
Nếu luận văn có sự sao chép từ các cơng trình khoa học khác, tác giả
xin hồn tồn chịu trách nhiệm.
Học viên

Đặng Nguyệt Anh

iii

LỜI CẢM ƠN
Trong q trình thực hiện luận văn, tơi đã nhận được sự quan tâm, giúp
đỡ của nhiều cá nhân và cơ quan đơn vị. Nay luận văn đã hồn thành, tơi xin
bày tỏ lịng biết ơn chân thành, sâu sắc tới:
PGS.TS. Trịnh Lê Hùng, người đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều
kiện thuận lợi, cùng những ý kiến đóng góp sâu sắc nhất để tơi hồn thành
luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin được bày tỏ sự cảm ơn trân trọng tới PGS.TS. Lê Thị Trinh đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi trong suốt q trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn sự hỗ trợ của đề tài cấp Bộ Tài nguyên và Môi
trường “Nghiên cứu đặc điểm phân bố, lịch sử tích lũy mơt số kim loại nặng,
hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong trầm tích và đánh giá rủi ro môi trường
khu vực hạ lưu sông Đáy”, mã số TNMT 2017.04.09 cho các nội dung nghiên
cứu thực nghiêm của luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong Khoa Môi trường,
Trường Đại học Tài nguyên và Mơi trường Hà Nội… đã nhiệt tình giúp đỡ tơi
trong q trình hồn thành luận văn này. Xin cảm ơn TS. Trịnh Thị Thắm
giảng viên khoa Mơi trường, nhóm các bạn sinh viên Phạm Thị Linh Chi,
Nguyễn Thị Như Quỳnh, Nguyễn Thu Thảo, lớp ĐH4QM về sự hỗ trợ trong
q trình thực nghiệm.
Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, cán bộ, đồng
nghiệp và bạn bè đã tạo điều kiện tốt nhất về mọi mặt cho tơi trong suốt q
trình thực hiện đề tài.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện luận văn một cách hoàn chỉnh
nhất, song do thời gian và kinh nghiệm cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi
những thiếu sót, vì vậy rất mong nhận được sự góp ý của các Thầy, Cơ để

luận văn được hồn thiện hơn.


iv

Một lần nữa tôi xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng
Học viên

năm 2018

Đặng Nguyệt Anh


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................. ii
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................... iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................. Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU........................................................ viii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỜ THỊ ......................................................... ix
MỞ ĐẦU ................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của luận văn ........................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................. 2
3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................... 4
1.1. Tổng quan về khu vực nghiên cứu .......................................................... 4
1.2. Tổng quan về công nghệ viễn thám ...................................................... 18

1.2.1. Công nghệ viễn thám ...................................................................... 18
1.2.2. Khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu chất
lượng nước ................................................................................................ 20
1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước .......................... 26
1.4. Đặc điểm tư liệu ảnh vệ tinh Sentinel – 2 ............................................. 41
1.5. Tổng kết chương 1 ................................................................................ 43
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU ..................................................................................... 45
2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ............................................................ 45
2.2. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 45
2.2.1. Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu ..................................... 46
2.2.2. Phương pháp điều tra và khảo sát thực địa ..................................... 48
2.2.3. Phương pháp lấy mẫu và phân tích chất lượng nước ..................... 48
2.2.4. Phương pháp xác định hàm lượng thông số chất lượng nước từ dữ
liệu viễn thám ............................................................................................ 54


vi

2.3. Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh Sentinel-2 phục vụ xác định hàm lượng
TSS ............................................................................................................... 58
2.3.1. Tiền xử lý ảnh ................................................................................. 58
2.3.2. Xác định phổ phản xạ bề mặt ......................................................... 59
2.3.3. Xác định hàm hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa phổ phản xạ mặt
nước và hàm lượng TSS ........................................................................... 62
2.4. Tổng kết chương 2 ................................................................................ 62
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................ 63
3.1. Đặc điểm tư liệu sử dụng trong nghiên cứu .......................................... 63
3.1.1. Tư liệu viễn thám ............................................................................ 63
3.1.2. Số liệu quan trắc ............................................................................. 67

3.2. Xây dựng hàm quan hệ giữa chất lượng nước và phổ phản xạ ảnh vệ
tinh Sentinel-2 .............................................................................................. 70
3.3. Thành lập bản đồ hiện trạng chất lượng nước khu vực hạ lưu sông Đáy
giai đoạn 2017 – 2018 từ dữ liệu ảnh vệ tinh Sentinel-2A .......................... 75
3.4. Đánh giá hiện trạng chất lượng nước khu vực hạ lưu sông Đáy giai
đoạn 2017 – 2018 ......................................................................................... 79
3.4.1. Đánh giá chất lượng nước khu vực hạ lưu sông Đáy theo kết quả
quan trắc thực tế ........................................................................................ 79
3.4.2. Theo bản đồ hiện trạng chiết xuất từ ảnh viễn thám ...................... 83
3.4.3. So sánh kết quả giữa hai phương pháp ........................................... 84
3.6. Tổng kết chương 3 ................................................................................ 86
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 89
PHỤ LỤC ................................................... Error! Bookmark not defined.
PHỤ LỤC 1: CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH TỔ HỢP MÀU ẢNH VỆ TINH
...................................................................... Error! Bookmark not defined.
PHỤ LỤC 2: CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ..... Error!
Bookmark not defined.
PHỤ LỤC 3: HÌNH ẢNH THU THẬP ....... Error! Bookmark not defined.


viii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
GIS

: Hệ thống thông tin địa lý

WQI

: Chỉ số chất lượng nước mặt

GPS

: Hệ thống định vị toàn cầu

NSMI

: Chỉ số chất rắn lơ lửng

COD

: Nhu cầu oxy hóa học

BOD

: Nhu cầu oxy sinh hóa

DO

: Oxy hòa tan

TSS

: Tổng chất rắn lơ lửng

BVTV : Bảo vệ thực vật
RS

: Viễn thám

LVS

: Lưu vực sơng

KQ

: Khí quyển

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam
QCVN : Quy chuẩn kĩ thuật quốc gia Việt Nam


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các bộ cảm viễn thám sử dụng phổ biến trong đánh giá chất
lượng nước ...................................................................................................... 22
Bảng 1.2: Đặc điểm một số bộ cảm siêu phổ sử dụng trong đánh giá chất
lượng nước [8] ................................................................................................. 24
Bảng 1.3: Đặc điểm các kênh phổ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ........................... 42
Bảng 2.1: Phương pháp bảo quản mẫu ........................................................... 49
Bảng 2.2: Các phương pháp đo nhanh tại hiện trường ................................... 50
Bảng 2.3: Các phương pháp pháp phân tích trong phịng thí nghiệm ............ 50
Bảng 2.4: Vị trí lấy mẫu và ký hiệu mẫu ........................................................ 52
Bảng 3.1: Bảng kết quả phân tích chất lượng nước tại các điểm lấy mẫu tại
sông Đáy (ngày 09/04/2018) ........................................................................... 68
Bảng 3.2: Giá trị phản xạ phổ tại kênh ảnh tại các vị trí tương ứng ............... 70
Bảng 3.3: Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phản xạ phổ kênh 2, 3, 4, 8 ảnh
vệ tinh Sentinel-2A và hàm lượng các thông số chất lượng nước .................. 73

Bảng 3.4: So sánh kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel-2
ngày 09/4/2018 ................................................................................................ 75


x

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỜ THỊ
Hình 1.1: Sơ đồ khu vực nghiên cứu ................................................................ 4
Hình 1.2: Biểu đồ diễn biến hàm lượng COD trên sông Đáy năm 2014 [6] .. 16
Hình 1.3: Biểu đồ diễn biến hàm lượng BOD5 trên sơng Đáy năm 2014 [6] . 17
Hình 1.4: Biểu đồ diễn biến hàm lượng NH4+-N trên sông Đáy năm 2014 [6] 17
Hình 1.5: Quan hệ giữa thơng số độ đục và phổ phản xạ chiết suất từ tư liệu
viễn thám [8] ................................................................................................... 27
Hình 1.6: Vị trí các điểm lấy mẫu chất lượng nước trong nghiên cứu của
Weipi He [16] .................................................................................................. 28
Hình 1.7: Kết quả xác định phân bố hàm lượng NO3-N và NH3-N từ tư liệu
viễn thám [12] ................................................................................................. 28
Hình 1.8: Kết quả xác định hàm lượng chất lơ lửng (SPM) vùng Gironde
(Pháp) trên ảnh SPOT HRV và Landsat ETM+ [14] ...................................... 29
Hình 1.9: Phân bố hàm lượng SPM khu vực German Bight từ ảnh SPOT .... 30
Hình 1.10: Bản đồ phân bố độ đục của nước khu vực sông Gomti Lucknow từ
ảnh vệ tinh QuickBird [22] ............................................................................. 32
Hình 1.11: Kết quả xác định hàm lượng chất lơ lửng (SS) trong nước mặt hồ
Buyukcekmece (Thổ Nhĩ Kỳ) từ tư liệu ảnh vệ tinh IKONOS [23] ............... 33
Hình 1.12: Bản đồ phân bố hàm lượng Chl-a trung bình vùng biển Việt Nam
vào tháng 5 năm 2008 và 2011 [24]................................................................ 35
Hình 1.13 Bản đồ hiện trạng phân bố hàm lượng SPM khu vực ven bờ sông
Hồng (ngày 25 tháng 9 năm 2014)[24] ........................................................... 35
Hình 1.14: Bản đồ phân bố các trạm quan trắc chất lượng nước khu vực
Quảng Ninh – Hải Phòng [25] ........................................................................ 36

Hình 1.15: Bản đồ phân bố hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt hồ Trị An
trong nghiên cứu của Trịnh Lê Hùng [26] ...................................................... 37
Hình 1.16: Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng chất rắn lơ lửng sông Đáy
vào tháng 3(a), tháng 5(b), tháng 7(c), tháng 9(d) và tháng 11(e) năm 2015 . 40
Hình 1.17: Cấu hình quỹ đạo 2 vệ tinh cùa Sentinel-2 ................................... 42
Hình 2.1: Lược đồ thành lập bản đồ chất lượng nước sơng Đáy .................... 46
Hình 2.2: Giao diện website tải ảnh vệ tinh Sentinel 2 ................................... 48
Hình 2.3: Sơ đồ vị trí lấy mẫu trên sơng Đáy ................................................. 51
Hình 2.4: Ví dụ về nắn ảnh bằng điểm khống chế .......................................... 59


xi

Hình 2.5: Ví dụ về các ”đối tượng tối” trên ảnh vệ tinh Landsat (nguồn
gisapmaps.com) ............................................................................................... 60
Hình 2.6: So sánh phổ phản xạ của thực vật trước và sau khi hiệu chỉnh KQ.... 61
Hình 2.7: So sánh phổ phản xạ của nước trước và sau khi hiệu chỉnh KQ . 61
Hình 2.8: So sánh phổ phản xạ của đất trước và sau khi hiệu chỉnh KQ .. 61
Hình 3.1a: Ảnh vệ tinh Sentinel 2 khu vực sông Đáy ngày 20/12/2017 (cảnh
ảnh 1) ............................................................................................................... 64
Hình 3.1b: Ảnh vệ tinh Sentinel 2 khu vực sơng Đáy ngày 20/12/2017 (cảnh
ảnh 2) ............................................................................................................... 64
Hình 3.1c: Ảnh vệ tinh Sentinel 2 khu vực sông Đáy ngày 20/12/2017 (sau
khi khớp ảnh)................................................................................................... 65
Hình 3.1d: Ảnh vệ tinh Sentinel 2 khu vực sông Đáy ngày 09/4/2018 (cảnh
ảnh 1) ............................................................................................................... 65
Hình 3.1e: Ảnh vệ tinh Sentinel 2 khu vực sơng Đáy ngày 09/4/2018 (cảnh
ảnh 2) ............................................................................................................... 66
Hình 3.1f: Ảnh vệ tinh Sentinel 2 khu vực sông Đáy ngày 09/4/2018 (sau khi
khớp ảnh) ......................................................................................................... 66

Hình 3.1: Giao diện phần mềm Erdas Imagine 2014 ...................................... 67
Hình 3.2: Giá trị phản xạ phổ (dạng số nguyên, chưa chia cho 10000) tại 4
kênh ảnh vệ tinh Sentinel-2A (kênh 2, 3, 4 và 8) tại từng vị trí lấy mẫu........ 70
Hình 3.3: Cơng cụ hồi quy (regression) trong tool Data Analysis của phần
mềm Microsoft Excel 2013 ............................................................................. 72
Hình 3.4: Kết quả hồi quy bội tuyến tính nhằm xác định hàm lượng TSS ..... 73
Hình 3.5: Cơng cụ mơ hình hóa (Modeler) trong phần mềm ERDAS Imagine
2014 ................................................................................................................. 76
Hình 3.6: Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng TSS xác định từ ảnh vệ tinh
Sentinel-2 ngày 20/12/2017 ............................................................................ 77
Hình 3.7: Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng TSS xác định từ ảnh vệ tinh
Sentinel-2 ngày 09/4/2018 .............................................................................. 78
Hình 3.8: So sánh giá trị TSS hạ lưu sông Đáy từ hai phương pháp .............. 84


Luận văn đủ ở file: Luận văn full