Nghiên cứu ứng dụng viễn thám giám sát chất lượng nước sông hỗ trợ công tác quản lý môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------------

PHẠM THỊ ÁNH MY

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VIỄN THÁM GIÁM SÁT
CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG HỖ TRỢ CÔNG TÁC
QUẢN LÝ MƠI TRƯỜNG

Chun ngành:

Quản lý tài ngun và mơi trường

Mã số:

60850101

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH - 07/2016


Cơng trình được hồn thành tại: Trường đại học Bách Khoa – ĐHQG –HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRẦN THỊ VÂN

Cán bộ nhận xét 1: ...........................................................................................

Cán bộ nhận xét 2: ...........................................................................................

Luận văn thạc sĩ đã được bảo vệ tại trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM

ngày…….tháng…....năm……..
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm :
1. ..............................................................................
2. ..............................................................................
3. ..............................................................................
4. ..............................................................................
5. ..............................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỜNG KHOA MÔI TRƯỜNG
VÀ TÀI NGUYÊN


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do- Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: PHẠM THỊ ÁNH MY

MSHV:

13261355

Ngày sinh:

Nơi sinh:

Đồng Nai

Mã số:

60850101

13/11/1988

Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường

I.
TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VIỄN THÁM GIÁM SÁT
CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG HỖ TRỢ CÔNG TÁC QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Nhiệm vụ: Ứng dụng công nghệ viễn thám để giám sát chất lượng nước
sông thông qua các kỹ thuật xử lý ảnh và tính tốn chỉ số nhằm hỗ trợ cho công tác
quan trắc nước mặt và quản lý môi trường hiệu quả
2. Nội dung:
(1) Tổng quan các cơ sở khoa học, kỹ thuật viễn thám ứng dụng trong việc tính
tốn đánh giá chất lượng nước sơng.
(2) Đánh giá hiện trạng chất lượng nước sông khu vực nghiên cứu.
(3) Khảo sát chất lượng nước định tính dựa trên đặc tính các kênh phổ ảnh vệ tinh.
(4) Xác định tương quan giữa các chỉ tiêu chất lượng nước và các kênh phổ, từ đó
mơ phỏng định lượng phân bố khơng gian các chỉ tiêu chất lượng nước sông.
(5) Đề xuất giải pháp giám sát chất lượng nước sông trong khu vực nghiên cứu
II.
III.
IV.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. TRẦN THỊ VÂN
TPHCM, ngày ….tháng……năm 2016
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. Trần Thị Vân

PGS.TS. Lê Văn Khoa
TRƯỞNG KHOA


i

LỜI CẢM ƠN
---------oOo-------Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ
của rất nhiều người. Tôi xin chân thành gởi làm cảm ơn đến:
Quý thầy cô Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, Trường Đại học Bách Khoa
Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt
những năm học tập ở trường. Đặc biệt Cô Trần Thị Vân, Cơ chính là người đã tận
tâm tận tình giúp đỡ tôi trong lúc thực hiện đề tài nghiên cứu, quan trọng hơn hết là
những lời động viên chia sẽ, cảm thơng trong những lúc khó khăn đã giúp tơi hồn
thành nhiệm vụ đề tài.
Tơi xin cảm ơn gia đình đã luôn ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình
học tập và thực hiện luận văn.
Trong quá trình thực hiện, mặc dù đã cố gắng hết sức để hoàn thiện luận văn, song
vẫn không thể tránh khỏi những sai sót. Tơi rất mong nhận được những thơng tin

đóng góp, phản hồi quý báu từ quý Thầy Cô.
Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến tất cả mọi người.

Phạm Thị Ánh My


ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Tài nguyên nước là thành phần thiết yếu của sự sống, quyết định sự thành công
trong các chiến lược, quy hoạch, kế hoạch phát triển kinh tế – xã hội, bảo đảm quốc
phòng, an ninh quốc gia. Hiện nay nguồn tài nguyên thiên nhiên quý hiếm và quan
trọng này đang chịu nhiều sức ép từ việc phát triển kinh tế xã hội. Do đó cần thiết
phải nhanh chóng có các biện pháp giám sát, quản lý mơi trường hiệu quả để bảo vệ
nguồn tài nguyên thiên nhiên này, trong khi các công cụ giám sát môi trường truyền
thống vẫn cịn nhiều hạn chế về thơng tin khơng gian, thời gian, độ chính xác và
khách quan…Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám
để giám sát chất lượng nước sông Đồng Nai từ đoạn cầu Hóa An đến hợp lưu sơng
Sài Gịn – Đồng Nai. Các chỉ tiêu chất lượng nước sông được khảo sát là pH, DO,
TSS, COD và BOD, được tính tốn thơng qua các kênh phổ của vệ tinh Landsat 8.
Kết quả cho thấy hàm lượng của chúng có tương quan tuyến tính với các tỷ số dựa
trên kênh B2, B3 và B4 của ảnh Landsat 8. Từ đó, luận văn đã thành lập bản đồ
phân bố không gian để mô phỏng định lượng chất lượng nước sông cho khuvực
nghiên cứu. Hệ thống phân loại dựa theo Quy chuẩn Việt Nam QCVN08:2008/
BTNMT. Qua các bản đồ phân bố không gian cho thấy, chất lượng nước phân bố
không đồng đều giữa hai đoạn 3 (từ đoạn cầu Hóa An đến cầu Đồng Nai) và đoạn 4
(từ cầu Đồng Nai đến khu vực xã Long Tân, huyện Nhơn Trạch). Nhìn chung chất
lượng nước đoạn 3 tốt hơn, đặc biệt là khu vực từ cầu Hóa An đến nhà máy cấp
nước Biên Hịa đáp ứng được cho mục đích cấp nước sinh hoạt và bảo tồn thủy
sinh. Đoạn 4 có chất lượng nước đạt mức trung bình đối với chỉ tiêu COD và BOD,

trong khi đó, các chỉ tiêu pH, DO và TSS lại nằm trong và trên ngưỡng B, chỉ đạt
tiêu chuẩn phục vụ cho mục đích giao thơng thủy. Từ đó, luận văn đã đưa ra các
giải pháp để tiếp tục duy trì chất lượng nước và phịng ngừa ơ nhiễmcho khu vực.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, ứng dụng viễn thám giám sát chất lượng nước sông là
một công cụ hỗ trợ tốt cho mục đích quản lý mơi trường, giúp các nhà hoạch định
chính sách thấy được và có những quyết định đúng đắn hơn trong việc phát triển
kinh tế xã hội cho địa phương.


iii

ABSTRACT
Water resources are an essential component for all life on the planet, it
is decide the success of the strategies, planning, economic and social development
program, National defence and security. Nowaday,This importance of natural
resources was being pressured by socio-economic growth. Thus it is necessary
quickly to have the solutions for water quality monitoring and effective
environmental management to protect water enviroment, instead of using old
management tool which is still restricted of accuracy, objectiveness, time and space
information…The thesis present the results of research and application of remote
sensing technology to monitor water quality of the Dongnai river from HoaAn
bridge to confluence of Saigon river with Dongnai river. The composition of
polluted water is pH, DO, TSS, COD, BOD are calculated by Data Band Landsat 8.
The results showed that their content get linear relationship with ratios base on band
B2, B3, B4 of Landsat 8 image. Since then,water quality maps are built for
describes quantitativequality water in area studies. The classify system base on
QCVN08: 2008/BTNMT – National technical regulation on surface water quality.
The water quality maps showed that quality water is unevenly distributed according
to geographical region between the river section 3 (from HoaAn bridge to DongNai
bridge) and the river section 4 (from DongNai bridge to Long Tan ward, Nhon

Trach dictrict). In the river section 3, the water quality of the river section 3 is
generally better than the river section 4, especially in section from HoaAn bridge to
Bien Hoa Water Supply Plant, meet domestic water supply purposes and a quatic
conservation. The water quality of river section 4 is at the average level for BOD
and COD parameters, while the parameters of pH, DO, TSS are in and above the
standard B, just enough to meet demand for waterway. Since then, the thesis
showed the solutions to keep and maintain water quality and prevent water pollution
in this area.The results showed that, combining remote sensing and GIS
technologies

has provied a good tool for the purpose of the environmental

management, it is really help the policy maker to decide more truth for local socioeconomic development.


iv

LỜI CAM ĐOAN
------oOo------

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn
trực tiếp của TS. Trần Thị Vân. Ngoại trừ những nội dung đã được trích dẫn, các số
liệu, kết quả được trình bày trong luận văn này là hồn tồn chính xác, trung thực và
chưa từng được cơng bố trong các cơng trình nghiên cứu nào khác trước đây.

Tôi xin lấy danh dự của bản thân để đảm bảo cho lời cam đoan này.

Phạm Thị Ánh My

v

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................ ii
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ................................................ viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................ix
DANH MỤC HÌNH ẢNH .........................................................................................xi
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1.

Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 1

2.

Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 3

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.................................................................. 4

4.

Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 4

5.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn........................................................... 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................6
1.1. Tình hình ứng dụng viễn thám nghiên cứu về chất lượng nước ...................6
1.1.1. Trên thế giới .............................................................................................. 6
1.1.2. Tại Việt Nam .............................................................................................7
1.2. Tổng quan khu vực nghiên cứu ...................................................................11
1.2.1 Điều kiện tự nhiên, địa lý ........................................................................12
1.2.2 Điều kiện kinh tế xã hội ..........................................................................15
1.3. Hiện trạng chất lượng nước sông Đồng Nai ...............................................16
1.3.1. Hiện trạng chất lượng nước sông Đồng Nai giai đoạn 2006 – 2010 ....16
1.3.2. Hiện trạng chất lượng nước sông Đồng Nai trong những năm gần đây
17
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............26


vi
2.1. Cơ sở khoa học về viễn thám và thống kê ..................................................26
2.1.1. Cơ sở khoa học về viễn thám .................................................................26
2.1.2. Cơ sở khoa học về thống kê và phân tích hồi quy .................................34
2.2. Hệ thống dữ liệu vệ tinh sử dụng trong nghiên cứu ....................................38
2.3. Dữ liệu sử dụng ...........................................................................................41
2.4. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................43
2.4.1. Phương pháp viễn thám .........................................................................43
2.4.2. Cơ sở khoa học về phản xạ phổ của nước mặt ......................................43
2.4.3. Phương pháp thống kê ...........................................................................47
2.4.4. Công cụ xử lý dữ liệu ............................................................................48
2.5. Quy trình thực hiện nghiên cứu ...................................................................49
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 51
3.1. Thông tin mẫu quan trắc mặt đất .................................................................. 51
3.1.1. Sơ đồ vị trí lấy mẫu .................................................................................51
3.1.2. Các vị trí lấy mẫu ....................................................................................52

3.1.3. Hàm lượng các chất quan trắc sau phân tích ..........................................53
3.2. Hệ thống phân loại bản đồ ............................................................................ 54
3.3. Chất lượng nước định tính từ ảnh vệ tinh ..................................................... 56
3.3.1 Tạo kênh ảnh chỉ số thực vật NDVI ........................................................56
3.3.2 Tạo kênh ảnh thành phần chính PCA ......................................................57
3.3.3. Tổ hợp màu ............................................................................................. 57
3.4. Chất lượng nước định lượng từ ảnh vệ tinh.................................................. 58
3.4.1. Giá trị các kênh phổ trên vệ tinh Landsat 8 và lập tỷ số kênh ...............58
3.4.2. Phân tích tương quan và hồi quy xác định hàm lượng các chất pH, DO
COD, BOD, TSS ...................................................................................................62


vii
3.4.3. Xây dựng hàm hồi quy cho các chỉ tiêu pH, DO, COD, BOD, TSS
tháng 1/2014 ..........................................................................................................63
3.4.4. Bản đồ kết quả phân bố của các thơng số và phân tích .........................70
3.4.5. Đánh giá sai số kết quả xử lý ảnh nhiệt vệ tinh .....................................83
3.4.6. Khả năng của công nghệ viễn thám so với các phương pháp khác .......85
CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP QUẢN LÝ ...................................................87
4.1. Giải pháp tổ chức thực hiện ......................................................................... 90
4.2. Giải pháp về kỹ thuật ................................................................................... 92
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................95
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................98


viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
B

: Band – Kênh ảnh

BOD :Biological Oxygen Demand – Nhu cầu oxi sinh học
COD :Chemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxi hóa học
DO

:Dessolved Oxygen – Nhu cầu oxi

ENVI :ENvironment for Visualizing Images – Phần mềm sử lý ảnh viễn thám
GIS

:Geographic Information System – Hệ thống thông tin địa lý

GDP : Gross Domestic Product – Tổng sản phẩm nội địa
KCN : Khu công nghiệp
NDVI : Normalized Difference Vegetation Index: Chỉ số thực vật
OLI

: Operational Land Imager - Bộ thu nhận ảnh mặt đất

QC

: Quy chuẩn

TIRS : Thermal Infrared Sensor – Bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt
SPSS : Statistical Package for the Social Sciences – Chương trình máy tính phục vụ
cơng tác thống kê
TSS

: Total Suspended Solids – Tổng chất rắn lơ lửng

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Phân ngưỡng chất lượng nước thông qua giá trị chỉ số WQI ...................18
Bảng 2.1: Các kênh ảnh thu được trên vệ tinh Landsat 8 và các đặc trưng của nó ..30
Bảng 2.2: Ý nghĩa hệ số tương quan .........................................................................38
Bảng 2.3: Đặc trưng Bộ cảm của ảnh vệ tinh Landsat 7 và Landsat 8 (LDCM) ......40
Bảng 3.1: Vị trí lấy mẫu ............................................................................................ 52
Bảng 3.2: Kết quả quan trắc ngày 20/1/2014 ............................................................ 53
Bảng 3.3: Giá trị giới hạn các thông số chất lượng nước mặt ..................................55
Bảng 3.4: Quy ước thang màu phân bố cho các thông số TSS, DO, COD, BOD ....55
Bảng 3.5: Quy ước thang màu phân bố cho thông số pH .........................................55
Bảng 3.6: Giá trị các kênh ảnh ứng với các vị trí quan trắc tháng 1/2014................60
Bảng 3.7: Ma trận hệ số tương quan .........................................................................62
Bảng 3.8: Thông tin về các hệ số hồi quy .................................................................64
Bảng 3.9: Kết quả hồi quy biến độc lập B4/B2 với biến phụ thuộc BOD và hệ số R2:
...................................................................................................................................64
Bảng 3.10: Kết quả hồi quy biến độc lập B4/B2 với biến phụ thuộc TSS và hệ số
R2: .............................................................................................................................. 65
Bảng 3.11: Kết quả hồi quy biến độc lập B4/B2 với biến phụ thuộc COD và hệ số
R2: .............................................................................................................................. 66
Bảng 3.12: Kết quả hồi quy biến độc lập B4/B3 với biến phụ thuộc pH và hệ số R2:
...................................................................................................................................66
Bảng 3.13: Kết quả hồi quy biến độc lập B4/B3 với biến phụ thuộc DO và hệ số R2:
...................................................................................................................................67
Bảng 3.14: Kết quả quan trắc dùng để đánh giá sai số .............................................83
Bảng 3.15: Số liệu pH và kết quả sai số tính pH tại các vị trí ..................................84

x
Bảng 3.16: Số liệu DO và kết quả sai số tính DO tại các vị trí.................................84
Bảng 3.17: Số liệu TSS và kết quả sai số tính TSS tại các vị trí .............................. 84
Bảng 3.18: Số liệu COD và kết quả sai số tính COD tại các vị trí ...........................84
Bảng 3.19: Số liệu BOD và kết quả sai số tính BOD tại các vị trí ..........................85


xi

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Khu vực nghiên cứu ..................................................................................11
Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của viễn thám .........................................................26
Hình 2.2: Phản xạ phổ của đất, nước và thực vật.....................................................29
Hình 2.3: Sự phản xạ của nước với 1 số các bước sóng ...........................................33
Hình 2.4: Phản xạ của các chất lơ lửng bằng máy đo phổ kế ...................................33
Hình 2.5: Hàm hồi quy tuyến tính .............................................................................36
Hình 2.6: Hàm hồi quy phi tuyến tính ......................................................................36
Hình 2.7: Các số liệu khơng có mối liên hệ với nhau ...............................................37
Hình 2.8: Vệ tinh LDCM (Landsat 8) .......................................................................38
Hình 2.9: Đồ thị đặc trưng phổ của ảnh vệ tinh Landsat 7 và Landsat 8 ..................41
Hình 2.10: Dữ liệu giải nén của cành ảnh 127- 046 Landsat 8 .................................42
Hình 2.11: Đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng theo bước sóng ...............43
Hình 2.12: Ba thành phần bức xạ đi về đầu thu ........................................................45
Hình 2.13: Quy trình thực hiện nghiên cứu .............................................................. 50
Hình 3.1: Sơ đồ vị trí lấy mẫu ...................................................................................51
Hình 3.2: Ảnh tổ hợp màu: Red: NDVI; Green: Band 2; Blue: PC Band ................58
Hình 3.3: Đồ thị TSS tháng 1/2014 ...........................................................................68
Hình 3.4: Đồ thị COD tháng 1/2014 .........................................................................68
Hình 3.5: Đồ thị BOD tháng 1/2014 .........................................................................69

Hình 3.6: Đồ thị pH tháng 1/2014 .............................................................................69
Hình 3.7: Đồ thị DO tháng 1/2014 ............................................................................70
Hình 3.8: Bản đồ hiện trạng pH tháng 1 năm 2014 ..................................................78
Hình 3.9: Bản đồ hiện trạng DO tháng 1 năm 2014 .................................................79


xii
Hình 3.10: Bản đồ hiện trạng TSS tháng 1 năm 2014 ..............................................80
Hình 3.11: Bản đồ hiện trạng COD tháng 1 năm 2014 .............................................81
Hình 3.12: Bản đồ hiện trạng BOD tháng 1 năm 2014 .............................................82


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tài nguyên nước là các nguồn nước mà con người sử dụng hoặc có thể sử dụng
vào những mục đích khác nhau. Nước được dùng trong các hoạt động nông
nghiệp, công nghiệp, dân dụng, giải trí và mơi trường. Hầu hết các hoạt động trên đều
cần nước ngọt.
97% nước trên Trái Đất là nước muối, chỉ 3% còn lại là nước ngọt nhưng gần hơn
2/3 lượng nước này tồn tại ở dạng sông băng và các mũ băng ở các cực. Phần còn lại
khơng đóng băng được tìm thấy chủ yếu ở dạng nước ngầm, và chỉ một tỷ lệ nhỏ tồn
tại trên mặt đất và trong khơng khí.
Nước ngọt là nguồn tài nguyên tái tạo, tuy vậy mà việc cung cấp nước ngọt và
sạch trên thế giới cũng như ở Việt Nam đang từng bước giảm đi. Nhu cầu nước đã vượt
cung ở một vài nơi trên thế giới, trong khi dân số thế giới vẫn đang tiếp tục tăng làm
cho nhu cầu nước càng tăng. Sự nhận thức về tầm quan trọng của việc bảo vệ
nguồn nước cho nhu cầu hệ sinh thái chỉ mới được lên tiếng gần đây.
Mới đây, Báo cáo của Bộ trưởng NN&PTNT Cao Đức Phát cho thấy, từ cuối năm
2014, El Nino đã ảnh hưởng đến Việt Nam, làm cho nền nhiệt tăng cao, thiếu hụt
lượng mưa. Đây được cho là nguyên nhân gây ra hạn hán, xâm nhập mặn, gây thiệt hại

nặng nề và tiếp tục đe dọa đến sản xuất nông nghiệp và đời sống nhân dân. Hơn nửa
triệu người miền Tây Nam Bộ thiếu nước ngọt, hiện tượng xâm nhập mặn lớn nhất lịch
sử ở. Tại khu vực các cửa sông Tiền, sông Hậu và ven Biển Tây (trên sông Cái Lớn),
độ mặn lớn nhất lần lượt là 14,6-31,5 g/l, 16,5-20,5 g/l và 11-23,8 g/l. Độ mặn này
được cho là cao hơn so với lớn nhất cùng kỳ trong lịch sử từ 2,1-6,4 g/l. Các khu vực
này, độ mặn 4 g/l đã lấn sâu vào các sông từ 45-65 km, sâu hơn trung bình nhiều năm
từ 5-25 km.

1


Lưu vực hệ thống sông Đồng Nai là một lưu vực sơng “nội địa” có vai trị rất quan
trọng trong phát triển kinh tế-xã hội khu vực phía Nam nói riêng trong đó có vùng
Kinh tế trọng điểm phía Nam và kinh tế quốc gia nói chung. Các vấn đề liên quan đến
phát triển, quản lý tài nguyên nước trong lưu vực sơng đang ngày càng trở nên nóng
bỏng, mơi trường lưu vực đang có xu hướng bị ơ nhiễm nghiêm trọng.
Lưu vực sơng Đồng Nai là vùng có tiềm năng phát triển kinh tế to lớn của đất
nước. Số liệu thống kê cho thấy, lưu vực hệ thống sông Đồng Nai đã đóng góp khoảng
hơn 63% GDP cơng nghiệp, 41% GDP dịch vụ và 28% GDP nông nghiệp của cả nước.
Ngồi ra, đây là vùng có nhiều tỉnh thành có đóng góp cho ngân sách quốc gia nhất cả
nước (TP. Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Bà Rịa Vũng Tàu, Bình Dương). Điều này một lần
nữa khẳng định rằng tiềm năng phát triển kinh tế của lưu vực sông Đồng Nai có vai trị
rất quan trọng trong sự nghiệp phát triển kinh tế chung của quốc gia.
Sông Đồng Nai là nguồn cung cấp nước chính cho phát triển nơng nghiệp trong lưu
vực và các vùng liên quan với tổng diện tích cần tưới khoảng 1,85 triệu ha. Đây cịn là
nguồn cung cấp nước chính cho phát triển cơng nghiệp và dân sinh với tổng lượng
khoảng hơn 2 triệu m3/ngày. Các nhu cầu nước này sẽ còn tăng lên nhiều trong tương
lai.
Các sơng suối thuộc hệ thống sơng Đồng Nai có tiềm năng phát triển thuỷ điện
to lớn. Tổng lượng điện cung cấp cho khu vực hơn 5.000 GWh/năm. Hiện tại cũng như

tương lai hệ thống thuỷ điện trên lưu vực là nguồn cung cấp năng lượng lớn cho khu
vực.
Hạ lưu Đồng Nai-Sài Gịn có mạng lưới giao thơng thuỷ đóng vai trò quan trọng
trong phát triển kinh tế của vùng nối liền với vùng đồng bằng sông Cửu Long cũng như
khu vực và quốc tế. Ngồi ra, hệ thống sơng Đồng Nai, đặc biệt là vùng hạ lưu cùng
với hệ thống các hồ chứa lớn, vừa và nhỏ trong lưu vực có tiềm năng lớn để phát triển
thuỷ sản nội địa…

2


Ngày nay, chất lượng nước của hệ thống lưu vực sơng Đồng Nai đã và đang có
xu hướng bị ơ nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt là vùng hạ lưu Đồng Nai- Sài Gòn nơi tập
trung các thành phố lớn, nhiều khu công nghiệp và dân cư đông đúc của lưu vực.
Kỹ thuật viễn thám đóng vai trị ngày càng quan trọng trong những thập kỷ gần
đây ở cả hai vấn đề biến đổi khí hậu tồn cầu và tình trạng suy thoái thường xuyên của
hệ sinh thái thủy sinh, do nhu cầu đối với nước uống của người dân ngày càng tăng và
ơ nhiễm bởi dịng chảy (Pozdnyakov et al., 2005). Để có thể quan trắc và quản lý ơ
nhiễm, việc tích hợp GIS và kỹ thuật viễn thám có thể cung cấp những dữ liệu và
phương pháp xử lý nhằm phát hiện và ước tính, dự báo những khu vực bị ô nhiễm trên
lưu vực sông Đồng Nai.
Thêm vào đó, việc quan trắc một cách liên tục bằng các phương thức đo đạc
truyền thống thường rất tốn kém và khó bao phủ cho một diện tích rộng lớn. Đồng thời,
hiện nay cơng nghệ viễn thám có thể cung cấp những thông tin và phương pháp xử lý
nhằm xác định các thông số chất lượng môi trường một cách rất hiệu quả. Nhằm góp
phần quan trắc và quản lý ơ nhiễm môi trường nước và dự báo chất lượng nước và các
diện tích có nguy cơ bị ơ nhiễm
Chính vì những lý do trên, để góp phần quản lý và giám sát môi trường cho lưu
vực sông Đồng Nai, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng viễn thám giám sát chất lượng nước
sông hỗ trợ công tác quản lý môi trường” được lựa chọn thực hiện nghiên cứu nhằm

đánh giá chất lượng nước sơng Đồng Nai góp phần cho cơng tác quản lý và khống chế
ô nhiễm môi trường do các hoạt động công nghiệp gây nên.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Ứng dụng công nghệ viễn thám để giám sát chất lượng nước sông thông qua các kỹ
thuật xử lý ảnh và tính tốn chỉ số nhằm hỗ trợ cho cơng tác quan trắc nước mặt và
quản lý môi trường hiệu quả.

3


3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-

Đối tượng nghiên cứu: chất lượng nước sông, khảo sát các thông số chất lượng
nước TSS, pH, COD, BOD, DO từ các kênh phổ trên ảnh Landsat.

-

Khu vực nghiên cứu: sông Đồng Nai đoạn từ cầu Hóa An đến hợp lưu sơng Sài
Gịn và sông Đồng Nai.

-

Thời gian nghiên cứu: năm 2014
4. Nội dung nghiên cứu
 Tổng quan các cơ sở khoa học, kỹ thuật viễn thám ứng dụng trong việc tính
tốn đánh giá chất lượng nước sông.
 Đánh giá hiện trạng chất lượng nước sông khu vực nghiên cứu
 Khảo sát chất lượng nước định tính dựa trên đặc tính các kênh phổ ảnh vệ
tinh

 Xác định tương quan giữa các chỉ tiêu chất lượng nước và các kênh phổ, từ
đó mơ phỏng định lượng phân bố không gian các chỉ tiêu chất lượng nước
sông
 Đề xuất giải pháp giám sát chất lượng nước sông trong khu vực nghiên cứu
5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
 Tính khoa học
Hiện nay, chất lượng nước sông Đồng Nai ngày càng ô nhiễm do sự phát triển

của các khu công nghiệp, ảnh hưởng tiêu cực lên đời sống của người dân. Tuy nhiên,
những nghiên cứu về giám sát chất lượng nước ở Việt Nam vẫn chưa được thực hiện
nhiều, đặc biệt là trong lĩnh vực áp dụng công nghệ viễn thám.Việc sử dụng ảnh vệ tinh
để phân tích các thơng số chất lượng nước rất phù hợp, có nhiều tiềm năng nhưng vẫn
được chưa được các nhà nghiên cứu ở nước ta khai thác hiệu quả. Do đó, việc ứng
dụng viễn thám để nghiên cứu đánh giá chất lượng nước trong đề tài cung cấp những

4


cơ sở khoa học ban đầu, đóng góp phương pháp phân tích để phát hiện và thành lập
bản đồ giám sát chất lượng nước, hỗ trợ quá trình ra quyết định trong công tác quản lý
chất lượng nước ở hiện tại và tương lai.
 Tính thực tiễn
Đề tài là một bước đột phá trong việc ứng dụng công nghệ viễn thám để giám sát
chất lương nước, kết quả không chỉ có tính định lượng mà cịn có cả định tính theo
không gian, điều mà các phương pháp hiện nay vẫn còn đang bị khiếm khuyết. Đây sẽ
là một sự hỗ trợ tốt cho công tác giám sát chất lương nước bên cạnh các trạm quan trắc
mặt đất.

5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tình hình ứng dụng viễn thám nghiên cứu về chất lượng nước
1.1.1. Trên thế giới
Năm 2001, Kh. Dewidar và A.Khedr, ngành khoa học tại đại học Mansoura đã
nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số chất lượng nước với những bức xạ từ
Landsat – 5 Thematic Mapper (TM). Bằng cách so sánh giá trị bức xạ nhận được từ
ảnh vệ tinh trên các kênh 1, 2, 3, 4, 5, 7 và tỉ lệ các kênh 3/1, 2/1, 2/4 và 3/4 với các
giá trị phân tích chất lượng nước (tại cùng thời điểm chụp ảnh) ở phịng thí nghiệm.
Từ đó, xây dựng các mơ hình về mối tương quan giữa giá trị sáng của các pixel trong
ảnh viễn thám với sự thay đổi nồng độ các chất ô nhiễm trong nước. Các thông số chất
lượng nước nghiên cứu bao gồm: K+, Na+, tổng Photpho, tổng Nito, Oxy hòa tan,
pH…và nghiên cứu này đã đạt được những kết quả hết sức khả quan thông qua việc
xây dựng được một số mơ hình đánh giá chất lượng nước từ việc giải đoán ảnh viễn
thám.
Nghiên cứu ứng dụng ảnh viễn thám Lanndsat TM trong việc đánh giá sự thay đổi
chất lượng nước của sông Shenzhen, Trung Quốc từ năm 1988 đến năm 1996, của
Yunpeng Wang, Hao Xia, Jiamo Fu, Guoying Sheng cũng đã đạt được những kết quả
hết sức khả quan. Nghiên cứu này đi đến kết luận có thể ứng dụng ảnh viễn thám
Landsat TM đa thời gian để đánh giá sự thay đổi chất lượng nước sông (đối với một số
chỉ tiêu nhất định) theo thời gian. Nghiên cứu này cũng đưa ra một số khuyến cáo
quan trọng như không thể ứng dụng công nghệ viễn thám thay thế cho các phương
pháp đánh giá chất lượng nước truyền thống vì phương pháp ứng dụng cơng nghệ viễn
thám khơng có khả năng xác định được một số chỉ tiêu ô nhiễm như kim loại nặng,
nitrat phostpho và ô nhiễm hữu cơ.
Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh Landsat Thematic Mapper để nghiên cứu chất
lượng nước ở cảng New York của F.L Hellweger, P. Schlosser, U. Lall, J.K. Weissel
6

tại đại học Columbia, USA cũng đã đạt được một số kết quả nhất định. Nghiên cứu đã
đưa ra một số kết luận quan trọng như: xác định được độ đục cực đại tại sông Hudson,
xác định được mối liên hệ giữa sự tập trung nồng độ Chlorophyll a với tỷ lệ kênh màu
xanh lá và kênh màu đỏ trong ảnh Landsat.
Kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng rộng rãi trongđánh giá chất lượng nước
(Alparslan et al., 2007, Brando và Dekker, 2003, chen et al., 2007, Giardino et al.,
2007, Hadjimitsis và Clayton, Kondratye et al., 1998, Koponen et al., 2002,
Pozdnyakov et al., 2005, Ritchie et al., 2003, Seyhan và Dekker, 1986, Wang và Ma,
2001). Nhiều văn bản mô tả chất lượng nước sử dụng cảm biến vệ tinh khác nhau
(Maillard và Pinheiro Santos, 2008, Giardino et al., 2007, Ông et al., 2008, Alparslan
et al., 2007, Verma et al., 2008, Wang và Ma, năm 2001, Zhang et al., 2003, Martinez
et al., 2007, Boken, năm 2007, Wang et al., 2004). Các đặc tính quang phổ của các
nước và các chất ơ nhiễm là rất cần thiết để giám sát và đánh giá chất lượng nước. Các
đặc tính quang phổ của tín hiệu nhận được từ nước là một chức năng của các đặc điểm
thủy văn, sinh học và hóa học của nước, và yếu tố nhiễu khác (Seyhan và Dekker,
1986).Trầm tích lơ lửng tăng nổi rạng rỡ từ các nguồn nước mặt trong tỷ lệ hồng ngoại
của quang phổ điện từ (Ritchie et al 1976.,), Do đó, kỹ thuật viễn thám sẽ đầy hứa hẹn
và có tính khả thi để phát hiện chất gây ô nhiễm nước bằng cách sử dụng dấu hiệu phổ
trong dải hồng ngoại.
1.1.2. Tại Việt Nam
Tháng 6 năm 2005 Trung tâm Viễn thám thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường được
sự uỷ quyền của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường đã ký hợp đồng với Công ty
Hàng không Vũ trụ Châu Âu (EADS) tiến hành thực hiện dự án trong thời gian 3 năm.
Hệ thống giám sát Tài nguyên thiên nhiên và Môi trường bao gồm 3 thành phần:Trạm
thu mặt đất cho phép thu trực tiếp từ vệ tinh ảnh Spot 2, 4 và 5 (các ảnh có độ phân giải
từ 2,5m, 5m, 10m và 20m), ảnh Envisat ASAR (radar) độ phân giải 30m và ảnh
MERIS độ phân giải thấp 300m phục vụ cho nghiên cứu nhiệt độ và độ mặn nước biển;
7

Trung tâm Dữ liệu Quốc gia có khả năng xử lý, phân tích, lưu trữ và phân phối các dữ
liệu thu nhận được. Hệ thống ứng dụng dữ liệu (gồm 15 đơn vị) cho phép sử dụng các
dữ liệu đã được xử lý ở Trung tâm dữ liệu vào các mục đích riêng của từng cơ quan, tổ
chức.
Từ góc độ chức năng và nhiệm vụ của Bộ Tài nguyên và Môi trường, khái niệm tài
nguyên nước bao hàm nước mặt và nước ngầm. Để phục vụ các mục đích quản lí và
khai thác tài nguyên nước phải điều tra và giám sát sự phân bố các đối tượng thủy văn
và các nguồn nước ngầm, khối lượng và chất lượng cũng như diễn biến theo mùa, theo
thời gian của chúng, các hiện tượng thuỷ văn có liên quan như lũ lụt, nhiễm mặn, biến
động lịng sơng, lịng hồ,…
Ngày nay, ảnh vệ tinh có thể đem lại nhiều thơng tin trực tiếp và gián tiếp về các
nguồn nước mặt cũng như nước ngầm. Các thông tin về chất lượng nước và về nước
ngầm cũng cần được nghiên cứu áp dụng, khai thác từ ảnh vệ tinh. Khả năng sử dụng
ảnh vệ tinh để điều tra, giám sát tài nguyên nước là một phương pháp cho kết quả
nhanh và kịp thời nhất.
Ảnh vệ tinh được sử dụng chuyên cho mục đích kiểm kê các nguồn nước mặt, qua
công tác hiện chỉnh bản đồ địa hình, ảnh vệ tinh là tài liệu chính dùng để cập nhật
mạng lưới thủy văn bao gồm sông, suối, kênh mương, các hồ chứa nước và hồ, đầm,
ao. ảnh vệ tinh đã được một số cơ quan sử dụng để khảo sát, thành lập bản đồ biến
động lịng sơng ở các tỉ lệ khác nhau, từ 1: 100 000 đến 1: 25 000 cho hệ thống sông
Cửu Long, một số sông ở miền Trung và sông Hồng. Phần lớn những bản đồ này do
Trung tâm Viễn thám - Bộ Tài ngun và Mơi trường lập. Ngồi ra, ảnh vệ tinh đã
được một số đơn vị thuộc Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ Quốc gia và
Trung tâm Viễn thám - Bộ Tài nguyên và Môi trường sử dụng để thành lập bản đồ
ngập lụt đồng bằng sông Cửu Long và một số tỉnh miền Trung. ảnh vệ tinh hiện nay có
khả năng sử dụng để điều tra giám sát chất lượng nước như độ mặn, mức độ ô nhiễm
do chất thải công nghiệp và để điều tra, quản lí tổng hợp các lưu vực sơng.
8

Về mặt nước ngầm, các nhà địa chất - thuỷ văn đã tiến hành một số thử nghiệm sử
dụng ảnh vệ tinh kết hợp với các phương pháp truyền thống để điều tra, thành lập bản
đồ nước ngầm. Một trong những cơng trình đầu tiên về mặt này ở nước ta là bản đồ
nước ngầm Tây Nguyên tỉ lệ 1: 250 000 được thành lập trong khn khổ chương trình
điều tra tổng hợp vùng Tây Nguyên.
Điều tra, giám sát môi trường là một lĩnh vực rất lớn, rất khó khăn, trong đó có
những vấn đề có thể sử dụng ảnh vệ tinh như một công cụ hữu hiệu. Xét về góc độ
cơng nghệ viễn thám, việc phân tích, suy giải phổ cho phép phát hiện những thay đổi
của môi trường ở mức độ tổng thể, việc nghiên cứu môi trường ở mức độ chi tiết cần
có các nghiên cứu, đo đạc của nhiều bộ môn khác. Điều tra, giám sát mơi trường là
nhiệm vụ liên quan đến nhiều ngành. Vì vậy, trong những năm qua, ngồi cơ quan
quản lý mơi trường, nhiều cơ quan nghiên cứu khoa học, điều tra cơ bản của nhiều
ngành cũng như một số Trường Đại học ở nước ta đã quan tâm đến ứng dụng công
nghệ viễn thám để thực hiện nhiệm vụ này như các Viện Địa lý, Địa chất, Vật lý,
Nghiên cứu biển thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Trung
tâm Viễn thám, Liên đoàn Bản đồ Địa chất thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường, Viện
Điều tra và Quy hoạch rừng thuộc Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia Hà Nội),… Các cơ quan này đã tiến
hành nhiều thử nghiệm, dưới dạng các đề tài nghiên cứu, các dự án về sử dụng ảnh vệ
tinh để điều tra khảo sát các đối tượng, hiện tượng liên quan đến mơi trường (hoặc từ
góc độ mơi trường) vàđã thu được những kết quả ban đầu quan trọng.
Ảnh vệ tinh đã được sử dụng để điều tra và thành lập bản đồ các hệ sinh thái nhạy
cảm như: Rừng ngập mặn, đất ngập nước (phạm vi cả nước), rạn san hô (Quảng Ninh,
miền Trung), các loại habitat (đảo Bạch Long Vĩ),… Các bản đồ rừng ngập mặn được
thành lập ở tỉ lệ 1: 100 000, phủ trùm toàn dải ven biển và ở tỉ lệ lớn hơn cho từng
vùng. Bản đồ đất ngập nước toàn quốc được thành lập ở tỉ lệ 1: 250 000. Những bản
đồ này do Trung tâm Viễn thám - Bộ Tài nguyên và Môi trưòng và một số cơ quan

9

khác thực hiện theo chương trình của Cục Bảo vệ Môi trường. ảnh vệ tinh đa thời gian
đã được sử dụng như một công cụ hữu hiệu nhất để khảo sát biến động của nhiều hợp
phần môi trường thiên nhiên, như biến động bờ biển, lịng sơng, biến động rừng ngập
mặn, diễn biến rừng, biến động lớp phủ mặt đất và sử dụng đất (ở một số vùng). Một
trong những bản đồ đó là bộ bản đồ biến động bờ biển thời kì 1965 - 1995 tỉ lệ
1: 100000 phủ trùm cả dải ven biển, do Trung tâm Viễn thám và Viện nghiên cứu Biển
Nha Trang thực hiện. ảnh vệ tinh đã được một số cơ quan sử dụng thử nghiệm để
nghiên cứu và theo dõi một vài hiện tượng thiên tai như ngập lụt, cháy rừng, tai biến
địa chất. Bên cạnh đó, ảnh vệ tinh đã được sử dụng để khảo sát và thành lập bản đồ
nhạy cảm môi trường dải ven biển với mục đích phịng chống dầu tràn.
Tuy mới là bước đầu, nhưng cũng đã xuất hiện cơng trình nghiên cứu “Áp dụng
viễn thám và GIS để nghiên cứu hiện trạng và biến động môi trường tỉnh Ninh Thuận”
(TS. Nguyễn Ngọc Thanh và nnk, Hà Nội - 1999). Trong đó, ảnh vệ tinh đa thời gian
là nguồn tư liệu để phân tích sự thay đổi về vị trí và diện tích các đơn vị mơi trường,
sự biến đổi thảm thực vật, biến đổi hình thức sử dụng mơi trường, biến đổi về diện tích
và vị trí các loại tai biến. Đồng thời, với mục đích mở rộng ứng dụng công nghệ viễn
thám Viện Địa lý và Cục Bảo vệ Môi trường đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu thử
nghiệm sử dụng tư liệu viễn thám độ phân giải trung bình phục vụ giám sát, quản lý
mơi trường và tài nguyên” (Hà Nội 2002). Trong đó những người thực hiện đã thử
nghiệm sử dụng ảnh MODIS để thành lập bản đồ lớp phủ bề mặt và sử dụng đất, bản
đồ phân bố rừng và thảm thực vật tỉ lệ 1: 500000 vùng Tây Nguyên và Đông Nam Bộ
và một số bản đồ dẫn xuất khác.
Như vậy, trong những năm qua nhiểu cơ qua của nước ta đã tiếp cận với công nghệ
viễn thám trong lĩnh vực điều tra, giám sát môi trường. Tuy nhiên, những kết quả thu
được mới đề cập đến một số khía cạnh mơi trường một cách rời rạc, tản mạn và được
thực hiện trong khuôn khổ của các đề tài, các dự án với các mục tiêu khác nhau. Nhiều
vấn đề mơi trường có nhu cầu khai thác thế mạnh của công nghệ viễn thám nhưng
10