Ứng dụng chỉ số viễn thám đánh giá biến động nguồn tài nguyên nước mặt dưới hoạt động khai thác khoáng sản tại huyện hoành bồ tỉnh quảng ninh

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và rèn luyện tại Trƣờng Đại học Lâm nghiệp,
tơi cơ bản đã hồn thành chƣơng trình học tập của mình. Để đánh giá kết quả
học tập, hồn thiện q trình đào đạo, đƣợc sự đồng ý của Trƣờng Đại học
Lâm nghiệp, Khoa Quản lý tài nguyên rừng và môi tƣờng, tôi tiến hành thực
hiện khóa luận tốt nghiệp với đề tài: Ứng dụng chỉ số viễn thám đánh giá
biến động nguồn tài nguyên nước mặt dưới hoạt động khai thác khoáng
sản tại huyện Hồnh Bồ, tỉnh Quảng Ninh.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới quý thầy cô, đặc biệt là TS.
Nguyễn Hải Hịa đã tận tình hƣớng dẫn tơi trong suốt q trình thực hiện và
hồn thành đề tài này.
Đồng thời, tôi cũng gửi lời cảm ơn tới các anh chị cán bộ huyện Hồnh
Bồ và ngƣời dân tại các thơn, xã huyện Hoành Bồ đã tạo điều kiện giúp đỡ tơi
trong thời gian thực tập tại huyện Hồnh Bồ, tỉnh Quảng Ninh.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhƣng do thời gian và trình độ, kinh
nghiệm bản thân cịn nhiều hạn chế nên đề tài khơng tránh khỏi những thiếu
sót. Tơi rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn
để đề tài đƣợc hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng 6 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Ánh


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH

TĨM TẮT KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................... 1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................... 2
1.1. Tổng quan về GIS và viễn thám................................................................. 2
1.1.1. Tổng quan về GIS ................................................................................... 2
1.1.2. Tổng quan về viễn thám .......................................................................... 3
1.2. Tổng quan về nƣớc mặt .............................................................................. 4
1.2.1. Khái niệm tài nguyên nƣớc ..................................................................... 4
1.2.2. Khái niệm nƣớc mặt ................................................................................ 5
1.3. Ứng dụng chỉ số viễn thám trong quản lý tài nguyên nƣớc ....................... 5
1.3.1. Trên thế giới ............................................................................................ 5
1.3.2. Tại Việt Nam ........................................................................................... 8
1.4. Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu ............................................................... 9
CHƢƠNG II: MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU ................................................................................................................ 10
2.1. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................. 10
2.1.1. Mục tiêu chung ...................................................................................... 10
2.1.2. Mục tiêu cụ thể ...................................................................................... 10
2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu............................................................ 10
2.2.1. Đối tƣợng nghiên cứu............................................................................ 10
2.2.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 10
2.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 10
2.3.1. Đánh giá thực trạng khai thác khoáng sản tại khu vực nghiên cứu ...... 10


2.3.2. Xây dựng bản đồ phân bố nƣớc mặt trên địa bàn huyện Hoành Bồ, tỉnh
Quảng Ninh theo từng chỉ số .......................................................................... 11
2.3.3. Xây dựng bản đồ biến động nguồn tài nguyên nƣớc mặt tại khu vực
khai thác khoáng sản giai đoạn 2006 - 2016 ................................................... 11
2.3.4. Đề xuất biện pháp giảm thiểu ảnh hƣởng của hoạt động khai thác tới

biến động nguồn tài nguyên nƣớc mặt tại khu vực nghiên cứu ...................... 11
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu.......................................................................... 11
2.4.1. Phƣơng pháp luận.................................................................................. 11
2.4.2. Phƣơng pháp cụ thể ............................................................................... 12
CHƢƠNG III: ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN - KINH TẾ - XÃ HỘI ................... 18
3.1. Điều kiện tự nhiên .................................................................................... 18
3.1.1. Vị trí địa lý ............................................................................................ 18
3.1.2. Địa hình, địa mạo .................................................................................. 19
3.1.3. Khí hậu .................................................................................................. 20
3.1.4. Thủy văn................................................................................................ 22
3.1.5. Tài nguyên thiên nhiên .......................................................................... 23
3.2. Điều kiện kinh tế - xã hội ......................................................................... 26
3.2.1. Dân cƣ lao động .................................................................................... 26
3.2.2. Kinh tế ................................................................................................... 27
CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..................... 29
4.1. Thực trạng khai thác khoáng sản trên địa bàn huyện Hoành Bồ ............. 29
4.2. Phân bố nƣớc mặt tại khu vực nghiên cứu ............................................... 32
4.3. Biến động diện tích nƣớc mặt tại khu vực nghiên cứu qua các giai đoạn 39
4.3.1. Bản đồ phân lớp đối tƣợng nƣớc qua các năm ..................................... 40
4.3.2. Xây dựng bản đồ biến động nguồn tài nguyên nƣớc mặt qua các giai
đoạn nghiên cứu .............................................................................................. 46
4.4. Biện pháp giảm thiểu ảnh hƣởng của hoạt động khai thác khoáng sản tới
phân bố nƣớc mặt tại huyện Hoành Bồ, tỉnh Quảng Ninh .............................. 54
CHƢƠNG V: KẾT LUẬN – TỒN TẠI – KIẾN NGHỊ ................................. 56


5.1. Kết luận .................................................................................................... 56
5.2. Tồn tại ...................................................................................................... 56
5.3. Kiến nghị .................................................................................................. 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Giải thích

AWEI (Automated Water Extraction Index)

Chỉ số chiết xuất nƣớc tự động

ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus)

Bộ cảm biến vệ tinh Landsat 7

GIS (Geographic information System)

Hệ thống thông tin địa lý

NDWI (Normalised difference water index)

Chỉ số khác biệt nƣớc

DN (Digital Number)

Giá trị số

MNDWI (Modified Normalized Difference

Water Index)
NDMI (Normalized Difference Moisture Index)

Sửa đổi chỉ số khác biệt nƣớc
Chỉ số khác biệt độ ẩm

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) Chỉ số khác biệt thực vật
OLI (Operational Land Imager)

Bộ cảm biến vệ tinh Landsat 8

TM (Thematic Mapper)

Bộ cảm biến vệ tinh Landsat 5

WRI (Water Ratio Index)

Chỉ số tỉ lệ nƣớc


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Dữ liệu ảnh viễn thám đƣợc sử dụng trong đề tài. ......................... 13
Bảng 2.2: Bảng giá trị gán cho các đối tƣợng. ................................................ 16
ảng 4.1: Hoạt động khai thác khoáng sản trên địa bàn huyện Hoành Bồ. ... 29
Bảng 4.2: Kết quả đánh giá độ chính xác của bản đồ phân bố khơng gian nƣớc
bề mặt năm 2016. ............................................................................................ 39
Bảng 4.3: Kết quả đánh giá độ chính xác của bản đồ phân bố nguồn tài
nguyên nƣớc mặt năm 2016. ........................................................................... 41
Bảng 4.4: Diện tích nƣớc và các đối tƣợng khác qua các năm. ...................... 46

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 3.1: Vị trí khu vực nghiên cứu. ................................................................ 18
Hình 4.1: Bản đồ vị trí các mỏ khai thác than tại khu vực nghiên cứu. ......... 32
Hình 4.2: Bản đồ phân bố nguồn nƣớc mặt tại huyện Hoành Bồ theo chỉ số
NDWI năm 2006 (Landsat 5 2006)................................................................... 33
Hình 4.3: Bản đồ phân bố nguồn nƣớc mặt tại huyện Hoành Bồ theo chỉ số
MNDWI năm 2006 (Landsat 5 2006). .............................................................. 33
Hình 4.4: Bản đồ phân bố nguồn nƣớc mặt tại huyện Hoành Bồ theo chỉ số
NDWI năm 2008 (Landsat 5 2008)................................................................... 34
Hình 4.5: Bản đồ phân bố nguồn nƣớc mặt tại huyện Hoành Bồ theo chỉ số
MNDWI năm 2008 (Landsat 5 2008). .............................................................. 34
Hình 4.6: Bản đồ phân bố nguồn nƣớc mặt tại huyện Hoành Bồ theo chỉ số
NDWI năm 2010 (Landsat 5 2010)................................................................... 35
Hình 4.7: Bản đồ phân bố nguồn nƣớc mặt tại huyện Hoành Bồ theo chỉ số
MNDWI năm 2010 (Landsat 5 2010). .............................................................. 35
Hình 4.8: Bản đồ phân bố nguồn nƣớc mặt tại huyện Hoành Bồ theo chỉ số
NDWI năm 2014 (Landsat 8 2014)................................................................... 36
Hình 4.9: Bản đồ phân bố nguồn nƣớc mặt tại huyện Hoành Bồ theo chỉ số
MNDWI năm 2014 (Landsat 8 2014). .............................................................. 36
Hình 4.10: Bản đồ phân bố nguồn nƣớc mặt tại huyện Hoành Bồ theo chỉ số
NDWI năm 2016 (Sentinel-2A 2016)............................................................... 37
Hình 4.11: Bản đồ phân bố nguồn nƣớc mặt tại huyện Hoành Bồ theo chỉ số
MNDWI năm 2016 (Sentinel-2A 2016). .......................................................... 37
Hình 4.12: Bản đồ phân bố nguồn nƣớc mặt tại huyện Hồnh Bồ năm 2016. ...... 40
Hình 4.13: Bản đồ phân bố nguồn nƣớc mặt huyện Hoành Bồ năm 2014. .... 42
Hình 4.14: Bản đồ phân bố nguồn nƣớc mặt huyện Hồnh Bồ năm 2010. .... 43
Hình 4.15: Bản đồ phân bố nguồn nƣớc mặt huyện Hoành Bồ năm 2008. .... 44
Hình 4.16: Bản đồ phân bố nguồn nƣớc mặt huyện Hoành Bồ năm 2006. .... 45

Hình 4.17: Bản đồ biến động diện tích nƣớc mặt tại huyện Hồnh Bồ giai
đoạn 2006 – 2008. .............................................................................................. 47
Hình 4.18: Bản đồ biến động diện tích nƣớc mặt tại huyện Hồnh Bồ giai
đoạn 2008 – 2010. .............................................................................................. 49
Hình 4.19: Bản đồ biến động diện tích nƣớc mặt tại huyện Hồnh Bồ giai
đoạn 2010 – 2014. .............................................................................................. 51
Hình 4.20: Bản đồ biến động diện tích nƣớc mặt tại huyện Hồnh Bồ giai
đoạn 2014 – 2016. .............................................................................................. 53


TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA QUẢN LÝ TÀI NGUN RỪNG VÀ MƠI TRƢỜNG

TĨM TẮT KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
1. Tên khóa luận tốt nghiệp
Ứng dụng chỉ số viễn thám đánh giá biến động nguồn tài nguyên nƣớc
mặt dƣới hoạt động khai thác khống sản tại huyện Hồnh Bồ, tỉnh Quảng
Ninh.
2. Giáo viên hƣớng dẫn: TS. Nguyễn Hải Hòa
3. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Ánh
Lớp: 58A-KHMT
MSV: 1353060181
4. Mục tiêu nghiên cứu
- Đánh giá thực trạng khai thác tài nguyên khống sản trên địa bàn
huyện Hồnh Bồ, tỉnh Quảng Ninh
- Xây dựng bản đồ phân bố nƣớc mặt trên địa bàn huyện Hoành Bồ,
tỉnh Quảng Ninh theo từng chỉ số.
- Xây dựng bản đồ biến động diện tích nguồn tài nguyên nƣớc mặt tại
khu vực nghiên cứu.

- Đề xuất biện pháp giảm thiểu ảnh hƣởng của hoạt động khai thác
khoáng sản tới phân bố nguồn tài nguyên nƣớc mặt
5. Những nội dung cơ bản của khóa luận
- Điều tra thực trạng khai thác khống sản tại huyện Hồnh Bồ, tỉnh
Quảng Ninh
- Xây dựng bản đồ phân bố nƣớc mặt trên địa bàn huyện Hoành Bồ,
tỉnh Quảng Ninh qua các năm theo từng chỉ số
- Xây dựng bản đồ biến động nguồn tài nguyên nƣớc mặt tại khu vực
khai thác khoáng sản giai đoạn 2006 – 2016


- Đề xuất biện pháp giảm thiểu ảnh hƣởng của hoạt động khai thác tới
biến động nguồn tài nguyên nƣớc mặt tại khu vực nghiên cứu
6. Kết quả đạt đƣợc
- Đánh giá đƣợc thực trạng khai thác khoáng sản tại huyện Hoành Bồ,
tỉnh Quảng Ninh
- Xây dựng đƣợc bản đồ phân bố nƣớc mặt trên địa bàn huyện Hoành
Bồ, tỉnh Quảng Ninh qua các năm theo từng chỉ số
- Xây dựng đƣợc bản đồ biến động nguồn tài nguyên nƣớc mặt tại khu
vực khai thác khoáng sản giai đoạn 2006 – 2016
- Đề xuất đƣợc các biện pháp giảm thiểu ảnh hƣởng của hoạt động
khai thác tới biến động nguồn tài nguyên nƣớc mặt tại khu vực nghiên cứu


ĐẶT VẤN ĐỀ
Ở nƣớc ta, việc ứng dụng công nghệ Viễn thám và hệ thống thông tin
địa lý (GIS - Geographical Information Systems) trong bảo vệ môi trƣờng
ngày càng trở lên phổ biến vì những ƣu điểm mà chúng mang lại. Tƣ liệu viễn
thám với những điểm nổi bật là tính cập nhật và đồng bộ về thơng tin, phủ
trùm rộng khắp mọi nơi trên trái đất. Công nghệ viễn thám ngày càng phát

triển các tƣ liệu có đƣợc ngày càng nhanh chóng, chính xác hơn.
Trong cơng tác theo dõi và giám sát các tài nguyên môi trƣờng ảnh viễn
thám đang ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi và hiệu quả hơn. Đặc biệt với
nguồn tài nguyên nƣớc mặt, thƣờng sử dụng các chỉ số NDWI và MNDWI để
phát hiện và nhận biết đối tƣợng nƣớc với các đối tƣợng khác trong khu vực.
Việc sử dụng nguồn ảnh viễn thám để đánh giá biến động nguồn tài nguyên
nƣớc mặt thƣờng có tính cập nhật, nhanh chóng hơn so với việc tiến hành
khảo sát điều tra ngoài khu vực nghiên cứu.
Tại các khu vực khai thác khống sản thƣờng có nhiều tác động tới
phân bố nguồn tài nguyên nƣớc mặt, thƣờng thì có vị trí nguồn nƣớc sẽ bị san
lấp, có vị trí thì xuất hiện các ao, hồ chứa nƣớc để phục vụ q trình khai
thác. Có thể nói việc khai thác khoáng sản ảnh hƣởng khá nhiều tới sự phân
bố, biến động của nguồn tài nguyên nƣớc mặt gần đó.
Do vậy, đề tài “Ứng dụng chỉ số viễn thám đánh giá biến động nguồn
tài nguyên nước mặt dưới hoạt động khai thác khống sản tại huyện
Hồnh Bồ, tỉnh Quảng Ninh” đƣợc thực hiện nhằm nghiên cứu sâu hơn nữa
về các chỉ số nhận biết đối tƣợng nƣớc, từ đó xác định chỉ số có thể sử dụng
hiệu quả hơn trong việc nhận biết đối tƣợng nƣớc và tính tốn đƣợc biến động
nguồn tài nguyên nƣớc qua các năm. Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần
tạo cơ sở khoa học cho việc giám sát sự phân bố, biến động nguồn tài nguyên
nƣớc mặt dƣới ảnh hƣởng của hoạt động khai thác khống sản. Từ đó làm
nguồn cung cấp thông tin cho công tác giám sát quản lý nguồn tài nguyên
nƣớc mặt.
1


CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Tổng quan về GIS và viễn thám

1.1.1. Tổng quan về GIS
1.1.1.1. Khái niệm
GIS - Geography Information System là hệ thống thông tin đƣợc thiết
kế để làm việc với các dữ liệu trong một hệ tọa độ quy chiếu. GIS bao gồm
một hệ cơ sở dữ liệu và các phƣơng thức để thao tác với dữ liệu đó [6].
1.1.1.2. Thành phần và chức năng của GIS
- Các thành phần của GIS [6]
1. Con ngƣời: Là thành phần quan trọng nhất, là nhân tố thực hiện các
thao tác điều hành sự hoạt động của hệ thống.
2. Dữ liệu: Dữ liệu trong GIS đƣợc chia thành 2 dạng:
 Dữ liệu không gian: Thể hiện trực quan về hình dạng, kích
thƣớc vật lý và vị trí địa lý của các đối tƣợng trên bề mặt trái đất.
 Dữ liệu phi không gian: Là các dữ liệu ở dạng văn bản thể hiện
hay mơ tả thuộc tính thơng tin của đối tƣợng.
3. Phần cứng: Các thiết bị mà ngƣời sử dụng có thể thao tác với các
chức năng của GIS nhƣ máy tính, các thiết bị ngoại vi,…
4. Phần mềm: Các chƣơng trình chạy trên máy của ngƣời sử dụng đƣợc
thiết kế cho việc điều khiển và phân tích các dữ liệu khơng gian.
5. Phƣơng pháp phân tích: Cho phép ngƣời dùng lựa chọn thuật toán
phù hợp với mục đích phân tích dữ liệu. Nếu khơng có phƣơng pháp thì GIS
khơng hoạt động hoặc hoạt động khơng hiệu quả.
- Chức năng của GIS gồm có [6]:
 Nhập dữ liệu
 Thao tác dữ liệu

2


 Quản lý dữ liệu
 Hỏi đáp và phân tích

 Hiển thị dữ liệu
1.1.2. Tổng quan về viễn thám
1.1.2.1. Khái niệm viễn thám
Viễn thám là một khoa học và nghệ thuật nghiên cứu thông tin thu nhận
đƣợc thông qua phân tích các dữ liệu nhận đƣợc bằng các cơng cụ kỹ thuật
mà không tiếp xúc với đối tƣợng [6].
1.1.2.2. Nguyên lý hoạt động của viễn thám
Trong viễn thám, nguyên tắc hoạt động của nó liên quan giữa sóng điện
từ từ nguồn phát và vật thể quan tâm [6].

1. Nguồn phát năng lƣợng (A) – yêu cầu đầu tiên cho viễn thám là có
nguồn năng lƣợng phát xạ để cung cấp năng lƣợng điện từ tới đối tƣợng quan
tâm.
2. Sóng điện từ và khí quyển ( ) – khi năng lƣợng truyền từ nguồn phát
đến đối tƣợng, nó sẽ đi vào và tƣơng tác với khí quyển mà nó đi qua. Sự
tƣơng tác này có thể xả ra lần thứ 2 khi năng lƣợng truyền từ đối tƣợng tới bộ
cảm biến.
3


3. Sự tƣơng tác với đối tƣợng (C) – một khi năng lƣợng gặp đối tƣợng
sau khi xuyên qua khí quyển, nó tƣơng tác với đối tƣợng. Phụ thuộc vào đặc
tính của đối tƣợng và sóng điện từ mà năng lƣợng phản xạ hay bức xạ của đối
tƣợng có sự khác nhau.
4. Việc ghi năng lƣợng của bộ cảm biến (D) – sau khi năng lƣợng bị tán
xạ hoặc phát xạ từ đối tƣợng, một bộ cảm biến để thu nhận và ghi lại sóng
điện từ.
5. Sự truyền tải, nhận và xử lý (E) – năng lƣợng đƣợc ghi nhận bởi bộ
cảm biến phải đƣợc truyền tải đến một trạm thu nhận và xử lý. Năng lƣợng
đƣợc truyền đi thƣờng ở dạng điện. Trạm thu nhận sẽ xử lý năng lƣợng này để

tạo ra ảnh hƣởng dƣới dạng hardcopy hoặc là số.
6. Sự giải đốn và phân tích (F) – ảnh đƣợc xử lý ở trạm thu nhận sẽ
đƣợc giải đoán trực quan hoặc đƣợc phân loại bằng máy để tách thông tin về
đối tƣợng.
7. Ứng dụng (G) – đây là thành phần cuối cùng trong quy trình xử lý
của công nghệ viễn thám. Thông tin sau khi đƣợc tách ra từ ảnh có thể đƣợc
ứng dụng để hiểu tốt hơn về đối tƣợng, khám phá một vài thông tin mới hoặc
hỗ trợ cho việc giải quyết một vấn đề cụ thể. (Trần Thống Nhất, Nguyễn Kim
Lợi. 2009)
1.2. Tổng quan về nƣớc mặt
1.2.1. Khái niệm tài nguyên nước
Tài nguyên nƣớc là các nguồn nƣớc mà con ngƣời sử dụng hoặc có thể
sử dụng vào những mục đích khác nhau. Nƣớc đƣợc dùng trong các hoạt
động nông nghiệp, công nghiệp, dân dụng, giải trí và mơi trƣờng. Hầu hết các
hoạt động trên đều cần nƣớc ngọt [19].
Có tới 97% nƣớc trên Trái Đất là nƣớc muối, chỉ 3% còn lại là nƣớc
ngọt nhƣng gần hơn 2/3 lƣợng nƣớc này tồn tại ở dạng sông băng và các mũ
băng ở các cực. Phần cịn lại khơng đóng băng đƣợc tìm thấy chủ yếu ở
dạng nƣớc ngầm, và chỉ một tỷ lệ nhỏ tồn tại trên mặt đất và trong khơng khí.
4


1.2.2. Khái niệm nước mặt
Nƣớc mặt là nƣớc trong sông, hồ hoặc nƣớc ngọt trong vùng đất ngập
nƣớc. Nƣớc mặt đƣợc bổ sung một cách tự nhiên bởi giáng thủy và chúng mất
đi khi chảy vào đại dƣơng, bốc hơi và thấm xuống đất [19].
Lƣợng giáng thủy này đƣợc thu hồi bởi các lƣu vực, tổng lƣợng nƣớc
trong hệ thống này tại một thời điểm cũng tùy thuộc vào một số yếu tố khác.
Các yếu tố này nhƣ khả năng chứa của các hồ, vùng đất ngập nƣớc và các hồ
chứa nhân tạo, độ thấm của đất bên dƣới các thể chứa nƣớc này, các đặc điểm

của dòng chảy mặn trong lƣu vực, thời lƣợng giáng thủy và tốc độ bốc hơi địa
phƣơng. Tất cả các yếu tố này đều ảnh hƣởng đến tỷ lệ mất nƣớc.
Các hoạt động của con ngƣời có thể tác động lớn hoặc đơi khi phá vỡ
các yếu tố này. Con ngƣời thƣờng tăng khả năng trữ nƣớc bằng cách xây
dựng các bể chứa và giảm trữ nƣớc bằng cách tháo khô các vùng đất ngập
nƣớc.
1.3. Ứng dụng chỉ số viễn thám trong quản lý tài nguyên nƣớc
1.3.1. Trên thế giới
Một trong nhũng nghiên cứu đầu tiên về chỉ số NDWI có thể nói tới là
nghiên cứu của tác giả McFeeters (1996) [12], kết quả nghiên cứu về chỉ số
cho thấy chỉ số NDWI đƣợc sử dụng để theo dõi các thay đổi liên quan đến
hàm lƣợng nƣớc tại các vùng nƣớc, loại bỏ sự hiện diện của đất và các loài
thực vật trên cạn. Nghiên cứu đƣa ra cơng thức tính tốn chỉ số NDWI sử
dụng bƣớc sóng Green và NIR. Từ kết quả của nghiên cứu ngƣời ta cho rằng
chỉ số NDWI cũng có thể cung cấp cho các nhà nghiên cứu các ƣớc lƣợng về
độ đục của các vùng nƣớc sử dụng các dữ liệu số từ xa.
Ngoài ra, cùng năm 1996 một nghiên cứu khác về chỉ số NDWI của tác
giả Gao (1996) [7] đƣợc ứng dụng để theo dõi sự thay đổi hàm lƣợng nƣớc
của lá cây. Theo kết quả nghiên cứu thì chỉ số NDWI trong trƣờng hợp này sử
dụng bƣớc sóng gần (NIR) và bƣớc sóng hồng ngoại ngắn (SWIR) để tính
tốn.
5


Trong một nghiên cứu của tác giả Hanqiu Xu (2005) [15] về chỉ số
MNDWI dựa trên chỉ số khác biệt nƣớc NDWI của Mcfeeters (1966) sử dụng
kênh MIR (TM5) thay vì kênh NIR (TM4) để xây dựng chỉ số MNDWI. Chỉ
số MNDWI đã đƣợc thử nghiệm trên các vùng biển, hồ và sơng có nền đất
xây dựng, đất trồng trọt, các vùng nƣớc sạch và ơ nhiễm sử dụng hình ảnh
Landsat TM/ETM+. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng chỉ số MNDWI có thể

tăng cƣờng đáng kể thơng tin về nƣớc, đặc biệt là trong vùng có đất xây
dựng. MNDWI có thể làm nổi bật thơng tin về nƣớc và cho kết quả chính xác
thơng tin về nguồn nƣớc từ các khu vực nghiên cứu. Trong khi thông tin nƣớc
sử dụng chỉ số NDWI luôn bị ảnh hƣởng bởi đất xây dựng. Do đó, NDWI
khơng phù hợp để tăng cƣờng và khai thác thông tin về nƣớc ở các khu vực
đất xây dựng chiếm ƣu thế.
Tiếp tục những nghiên cứu của mình về chỉ số NDWI và MNDWI năm
2006 tác giả Xu [16] đã đƣa ra một nghiên cứu nữa của mình về các chỉ số
này. Qua nghiên cứu tác giả đã thấy rằng lớp nƣớc đƣợc phân tách từ ảnh viễn
thám thƣờng bị nhiễu bởi lớp đất xây dựng do cả nƣớc và đất xây dựng đều
phản xạ ở vùng sóng ánh sáng lục (Band 2) nhiều hơn so với vùng cận hồng
ngoại (Band 4). Để giải quyết vấn đề này, tác giả Xu đã đƣa ra chỉ số
MNDWI, chỉ số này sử dụng Band 2 và Band 5 để tính tốn thay vì sử dụng
Band 2 và Band 4 nhƣ chỉ số NDWI để làm tăng đặc tính nƣớc ở vùng đô thị.
Gudina L. Feyisa cùng cộng sự (2013) [9] đã đƣa ra một chỉ số chiết
xuất nƣớc tự động mới (AWEI) nâng cao độ chính xác phân loại trong các
khu vực có bóng tối và bề mặt tối. Chỉ số này bao gồm: chỉ số AWEInsh và chỉ
số AWEIsh. Chúng là sự kết hợp tuyến tính giữa Band 1 (Blue), Band 2
(Green), Band 4 (NIR), Band 5 (SWIR) và Band 7 (SWIR) của Landsat 5
TM. Ƣu điểm nổi bật của chỉ số AWEInsh có thể phân loại đối tƣợng nƣớc
trong các khu vực có nền đơ thị, chỉ số AWEIsh đƣợc thiết kế để loại bỏ các
điểm ảnh có bề mặt tối, sử dụng trong các dữ liệu ảnh viễn thám bị ảnh hƣởng
bởi bóng tối do địa hình gây ra. Tuy nhiên, khi sử dụng các chỉ số này trong
6


trƣờng hợp các điểm ảnh có băng, tuyết hoặc mây cũng có thể hiển thị một
giá trị cao, thậm chí cịn cao hơn các điểm ảnh nƣớc. Do đó, kết quả tính tốn
khơng thể phân biệt các vùng là nƣớc nƣớc lỏng từ các điểm ảnh có chứa
nƣớc ở các dạng khác nhau nhƣ băng, tuyết hoặc mây.

Trong nghiên cứu của Ke Zhai cùng cộng sự (2015) [10] đã sử dụng
nguồn dữ liệu hình ảnh Landsat 8 OLI để nghiên cứu hiệu suất chiết xuất
nƣớc của các chỉ số NDVI, chỉ số NDWI, chỉ số MNDWI và chỉ số AWEI
sau đó so sánh kết quả với dữ liệu hình ảnh Landsat 5 TM. Địa điểm thử
nghiệm tại thành phố Thiên Tân ở phía Bắc Trung Quốc đƣợc chọn làm khu
vực nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng các đặc tính nƣớc mặt dựa
trên dữ liệu ảnh Landsat 8 OLI tốt hơn so với dựa trên dữ liệu ảnh Landsat 5
TM tại hai địa điểm thử nghiệm, đặc biệt là ở khu vực thành phố. Chỉ số
AWEI và MNDWI cho kết quả tốt hơn so với hai chỉ số NDVI và NDWI,
khoảng giá trị của chỉ số nƣớc cho thấy sự ổn định hơn khi sử dụng dữ liệu
OLI.
Một nghiên cứu đã đƣợc thực hiện bởi Gautam cùng cộng sự (2015) [8]
để đánh giá sự thay đổi của nƣớc trong giai đoạn năm 2002 đến năm 2014
bằng các phƣơng pháp khác nhau nhƣ chỉ số WRI, chỉ số NDWI, chỉ số
MNDWI, phân loại theo giám sát và thành phần độ ẩm của chuyển đổi K – T
(Kauth và Thomas). Nghiên cứu đã đƣợc thực hiện lặp lại nhiều lần để xác
định ngƣỡng phù hợp cho việc phát hiện có hiệu quả nguồn nƣớc ở khu vực
thành thị đối với từng phƣơng pháp. Hiệu suất của mỗi phƣơng pháp đã đƣợc
so sánh và xác minh qua khảo sát mặt đất. Kết quả của nghiên cứu đã chỉ ra
một sự khác biệt đáng kể về diện tích mặt nƣớc của thành phố trong khoảng
12 năm.
Trong một nghiên cứu của Szilard Szabo cùng cộng sự (2016) [14] về
chỉ số NDWI và MNDWI các tác giả đã chỉ ra rằng hai chỉ số này đều có thể
tăng cƣờng tính năng của nƣớc và giúp chúng ra phát hiện ra đối tƣợng nƣớc.
Tuy nhiên, MNDWI dƣờng nhƣ là một chỉ số đáng tin cậy hơn không bị ảnh
7


hƣởng bởi các lớp phủ đất khác. Có thể thấy chỉ số MNDWI đƣợc tìm thấy là
hiệu quả nhất trong việc làm nổi bật các vùng nƣớc.

Trong nghiên cứu của Komeil Rokni cùng cộng sự (2014) [11] đã sử
dụng các hình ảnh Landsat 5-TM, 7-ETM+ và 8-OLI qua các chỉ số viễn thám
để phát hiện đối tƣợng nƣớc hồ Urmia trong giai đoạn 2000 - 2013. Các chỉ
số đƣợc sử dụng trong nghiên cứu bao gồm chỉ số NDWI, MNDWI, chỉ số
NDMI, chỉ số WRI, chỉ số NDVI và chỉ số AWEI. Kết quả nghiên cứu cho
thấy NDMI đƣợc phát triển để phát hiện độ ẩm nƣớc của thực vật, và do đó sẽ
khơng có hiệu quả để khai thác các tính năng nƣớc. NDVI đƣợc sử dụng chủ
yếu để tách thảm thực vật từ các bề mặt khác và cũng đƣợc dùng để phát hiện
nƣớc mặt. Khả năng phát hiện nƣớc của chỉ số NDWI thƣờng bị ảnh hƣởng
bởi các khu vực đất xây dựng. Chỉ số MNDWI đƣợc phát triển để sửa đổi
những hạn chế của chỉ số NDWI trong việc phát hiện các đặc tính nƣớc tại
các khu vực có đất xây dựng. Chỉ số AWEI đƣợc xây dựng để loại bỏ hiệu
quả các điểm ảnh có bề mặt tối và ở những khu vực có nền đơ thị. Có thể thấy
rằng tại khu vực hồ Urmia, nơi khơng có khu đơ thị thì chỉ số NDWI thực
hiện tốt hơn đáng kể so với MNDWI và AWEI để khai thác nƣớc mặt.
1.3.2. Tại Việt Nam
Trong một nghiên cứu của mình tác giả Nguyễn Hồng Khánh Linh
(2011) [3] đã sử dụng chỉ số MNDWI thay vì NDWI để làm tăng đặc tính
nƣớc tại vùng đơ thị bởi chỉ số NDWI thƣờng hay bị ảnh hƣởng bởi các lớp
đất xây dựng hơn.
Chỉ số NDWI còn đƣợc La Văn Hùng Minh và Hồ Thị Tuyết Liễu
(2015) [4] ứng dụng để thành lập bản đồ ngập lụt tại tỉnh Đồng Tháp bằng
phân tích đƣờng bờ bán tự động thơng qua chỉ số NDWI để tách biệt hai đối
tƣợng đất và nƣớc.
Trong một nghiên cứu khác tác giả Vũ Thành Minh và Lê Thị Thu
Hiền (2015) [5] tại Trƣờng đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM đã
dùng chỉ số NDWI để xác định độ ẩm lá của thực vật, cùng với chỉ số thực vật
8

NDVI và nhiệt độ bề mặt để xây dựng bản đồ nhạy cảm cháy tại Vƣờn Quốc
gia Tràm Chim.
1.4. Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu
Công nghệ viễn thám ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều
ngành, nhiều lĩnh vực từ khí tƣợng thủy văn, địa chất, mơi trƣờng cho đến
nông - lâm - nghiệp,… Nghiên cứu các ứng dụng của công nghệ viễn thám
trong giám sát, quản lý các nguồn tài nguyên môi trƣờng đang ngày càng
đƣợc quan tâm nhiều hơn. Đặc biệt đối với vấn đề quản lý môi trƣờng hiện
nay đang đƣợc chú trọng quan tâm hơn cả bởi các hoạt động phát triển kinh tế
xã hội, khoa học kỹ thuật, khai thác tài nguyên khoáng sản,…khiến cho các
nguồn tài nguyên ngày càng có nhiều biến động. Do vậy, cần phải có biện
pháp hiệu quả, có tính cập nhật thƣờng xun tiết kiệm để có thể quản lý
nguồn tài nguyên nƣớc đƣợc tốt hơn, hiệu quả hơn và có biện pháp xử lý kịp
thời khi có những hoạt động ảnh hƣởng tới nguồn tài nguyên nƣớc mặt. Điều
đó đã thúc đẩy cho việc nghiên cứu cơng nghệ ảnh viễn thám để quản lý biến
động nguồn tài nguyên nƣớc mặt. Đề tài “Ứng dụng chỉ số viễn thám đánh
giá biến động nguồn tài nguyên nước mặt dưới hoạt động khai thác khống
sản tại huyện Hồnh Bồ, tỉnh Quảng Ninh” đƣợc thực hiện sẽ góp phần làm
cơ sở khoa học đề xuất phƣơng pháp phù hợp quản lý nguồn tài nguyên nƣớc
tại những khu vực có nguy cơ bị ảnh hƣởng, từ đó có thể đề xuất các biện
pháp khắc phục, phòng ngừa kịp thời.

9


CHƢƠNG II
MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
2.1.1. Mục tiêu chung
Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần làm cơ sở khoa học cho việc áp

dụng công nghệ viễn thám vào việc quản lý nguồn tài nguyên nƣớc mặt tại
các khu vực khai thác khoáng sản.
2.1.2. Mục tiêu cụ thể
- Đánh giá thực trạng khai thác khoáng sản tại khu vực nghiên cứu.
- Xây dựng bản đồ phân bố nƣớc mặt trên địa bàn huyện Hoành Bồ,
tỉnh Quảng Ninh theo từng chỉ số.
- Xây dựng bản đồ biến động diện tích nguồn tài nguyên nƣớc mặt tại
khu vực nghiên cứu.
- Đề xuất biện pháp giảm thiểu ảnh hƣởng của hoạt động khai thác tới
biến động nguồn tài nguyên nƣớc mặt tại khu vực nghiên cứu.
2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
2.2.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài: Nguồn nƣớc mặt tại huyện Hoành Bồ,
tỉnh Quảng Ninh.
2.2.2. Phạm vi nghiên cứu
- Về không gian: Đề tài lựa chọn các xã thuộc huyện Hồnh Bồ nơi có
các hoạt động khai thác khoáng sản.
- Về thời gian: Đề tài lựa chọn khoảng thời gian từ năm 2006 đến năm
2016.
2.3. Nội dung nghiên cứu
2.3.1. Đánh giá thực trạng khai thác khoáng sản tại khu vực nghiên cứu
- Điều tra, thu thập số liệu về tình trạng hoạt động khai thác khống sản
trên địa bàn huyện Hoành Bồ, tỉnh Quảng Ninh.

10


2.3.2. Xây dựng bản đồ phân bố nước mặt trên địa bàn huyện Hoành Bồ,
tỉnh Quảng Ninh theo từng chỉ số
- Tính tốn chỉ số NDWI và chỉ số MNDWI.

- Xây dựng bản đồ chuyên đề phân bố nguồn tài nguyên nƣớc mặt các
năm 2006, 2008, 2010, 2014 và 2016 theo từng chỉ số.
- Đánh giá độ chính xác bản đồ chuyên đề phân bố nguồn tài nguyên
nƣớc mặt.
2.3.3. Xây dựng bản đồ biến động nguồn tài nguyên nước mặt tại khu vực
khai thác khoáng sản giai đoạn 2006 - 2016
- Xây dựng bản đồ phân lớp đối tƣợng nƣớc qua các năm 2006, 2008,
2010, 2014 và 2016.
- Xây dựng bản đồ chuyên đề biến động nguồn tài nguyên nƣớc mặt
qua các giai đoạn: 2006 – 2008, 2008 – 2010, 2010 – 2014 và 2014 – 2016.
- Đánh giá sự biến động diện tích nƣớc mặt theo từng giai đoạn.
2.3.4. Đề xuất biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng của hoạt động khai thác tới
biến động nguồn tài nguyên nước mặt tại khu vực nghiên cứu
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.4.1. Phương pháp luận
Phƣơng pháp thụ động ghi nhận ảnh là thu nhận ánh sáng phản xạ từ
đối tƣợng do mặt trời chiếu xuống. Hiện nay đa số các hệ thống thu nhận ảnh
vũ trụ (trừ hệ thống Radar) hoạt động theo phƣơng pháp thụ động.
Mọi đối tƣợng tự nhiên đều phản xạ năng lƣợng mặt trời chiếu lên
chúng một cách xác định, đặc trƣng cho trạng thái và bản chất các đối tƣợng
đó. Đối tƣợng nƣớc có phản xạ chủ yếu nằm trong vùng nhìn thấy (0,4 ÷
0,7μm) và phản xạ mạnh ở dải sóng lam (0,4 ÷ 0,5μm) và lục (0,5 ÷ 0,6μm)
[6].
Khả năng phản xạ phổ của nƣớc thay đổi theo bƣớc sóng của bức xạ
chiếu tới và thành phần vật chất có trong nƣớc. Nƣớc trong có giá trị phản xạ
rất khác nƣớc đục, nƣớc càng đục có độ phản xạ càng cao.
11


2.4.2. Phương pháp cụ thể

Toàn bộ các phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài đƣợc mô tả theo Sơ đồ 2.1.

Thu thập số liệu

Dữ liệu ảnh viễn thám
Ranh giới
khu vực
nghiên cứu

Điều tra
thực địa

Tiền xử lý ảnh

Tính tốn chỉ số NDWI và
MNDWI

Phân lớp đối tƣợng nƣớc
và các đối tƣợng khác

Xây dƣng bản đồ biến động
nguồn nƣớc mặt

Sơ đồ 2.1: Sơ đồ quy trình các bƣớc tiến hành nghiên cứu của đề tài.
2.4.2.1. Tính tốn các chỉ số NDWI và MNDWI tại khu vực nghiên cứu
 Để tính tốn chỉ số NDWI và MNDWI, nghiên cứu sử dụng nguồn
tƣ liệu ảnh viễn thám Landsat và Sentinel miễn phí ( ảng 2.1).

12

Bảng 2.1: Dữ liệu ảnh viễn thám đƣợc sử dụng trong đề tài.
TT

Mã ảnh

Ngày chụp

Độ phân giải (m)

1

LT51260452006310BJC00

06/11/2006

30x30

2

LT51260452008316BKT00

11/11/2008

30x30

3

LT51260452010305BKT00

01/11/2010

30x30

4

LC81260452014364LGN00

30/12/2014

30x30

02/12/2016

10x10

02/12/2016

10x10

S2A_OPER_PRD_MSIL1C_PD
5

MC_20161202T110044_R118_V
20161202T032112_20161202T03
2112.SAFE
S2A_OPER_PRD_MSIL1C_PD

6

MC_20161202T105308_R118_V
20161202T032112_20161202T03
2112.SAFE

Nguồn:
 Để xây dựng đƣợc bản đồ chất lƣợng nƣớc mặt tại khu vực nghiên
cứu, đề tài sử dụng phần mềm ArcMap để hiệu chỉnh ảnh hƣởng của khí
quyển, gộp các kênh ảnh, cắt khu vực nghiên cứu và tính tốn các chỉ số về
nƣớc từ tƣ liệu ảnh viễn thám. Các bƣớc tiến hành:
Bƣớc 1: Chuyển đổi giá trị số (DN) của ảnh Landsat thành giá trị bức
xạ, phản xạ.
Để sử dụng đƣợc ảnh tính các chỉ số cần chuyển đổi giá trị số (Digital
number) trên ảnh về giá trị của bức xạ vật lý tại sensor và từ giá trị của bức xạ
vật lý tại sensor về giá trị của phản xạ ở tầng trên khí quyển của vật thể. Q
trình chuẩn hóa ảnh đƣợc thực hiện qua 2 bƣớc, cụ thể:
- Đối với ảnh Landsat 5 [18]:
 Chuyển từ giá trị số (DN) sang Radiance:
⁄
Trong đó: LMAXλ: Giá trị RADIANCE_MAXIUM_BAND;
13


LMINλ: Giá trị RADIANCE_MINIUM_BAND;
QCALMAX: Giá trị QUANTIZE_CAL_MAX_BAND;
QCALMIN: Giá trị QUANTIZE_CAL _MIN_BAND;
QCAL: Là band ảnh cần hiệu chỉnh.
 Chuyển từ Radiance sang TOA Reflectance:
Trong đó: : 3.141592653;
d: Là khoảng cách từ trái đất đến mặt trời (theo Julian day);
ESUN: Năng lƣợng mặt trời;

Cos

= Cos (90 – SUN_ELEVATION).

Cách xác định Judian Day: Ví dụ với dữ liệu ảnh viễn thám:
LT51260452006310BJC00 thì 310 là Julian Day, Julian Day nằm ngay sau
năm chụp ảnh. Giá trị d sẽ đƣợc xác định dựa trên Julian Day (Phụ lục 1).
Cách xác định ESUN: Giá trị ESUN ở mỗi band là khác nhau, đƣợc xác
định bằng cách tra bảng (Phụ lục 2).
- Đối với ảnh Landsat 8 [2]:
 Chuyển đổi giá trị DN sang giá trị bức xạ ở khí quyển
Trong đó: Lλ: Giá trị bức xạ phổ tại ống kinh của sensor;
ML: Giá trị RADIANCE_MULT_ AND;
Qcal: Giá trị số trên ảnh (DN);
AL: Giá trị RADIANCE_ADD_ AND.

 Chuyển các giá trị của bức xạ vật lý tại sensor về giá trị của phản xạ
ở tầng trên khí quyển của vật thể (đối tƣợng) bằng cơng thức:
Trong đó: ρλ: Phản xạ ở tầng trên của khí quyển (Planetary TOA
reflectancre) (thứ ngun, khơng có đơn vị);
Qcal: Giá trị số trên ảnh (DN);
Mρ: Giá trị RADIANCE_MULT_ AND;
Aρ: Giá trị RADIANCE_ADD_BAND;
θSZ: Góc thiên đỉnh (góc cao) của mặt trời (độ).

14


Các giá trị RADIANCE_MAXIUM_BAND, RADIANCE_MINIUM_BAND,
QUANTIZE_CAL_MAX_BAND, QUANTIZE_CAL _MIN_BAND, SUN_ELEVATION

RADIANCE_MULT_BAND và RADIANCE_ADD_BAND đƣợc xem ở file có đi

MTL.txt trong ảnh Landsat đƣợc tải về.
Cách làm: Chọn ArcToolbox => Spatial Analyst Tools => Map
Algebra => Raster Calculator.
Bƣớc 2: Cắt ảnh theo ranh giới khu vực nghiên cứu.
Các kênh ảnh dùng để tính tốn các chỉ số sau khi hiệu chỉnh thì cần
phải đƣợc cắt bỏ các phần không thuộc ranh giới khu vực nghiên cứu trƣớc
khi thực hiện tính tốn. Một lớp dữ liệu ranh giới khu vực huyện Hoành ồ
đƣợc sử dụng để cắt tách khu vực nghiên cứu của đề tài ra khỏi tờ ảnh.
Cách làm: Chọn ArcToolbox => Data Management Tools => Raster
Processing => Clip (Phụ lục 3).
Bƣớc 3: Tính tốn chỉ số khác biệt nƣớc NDWI và MNDWI
- Cơng thức tính đối với ảnh Landsat 5:
[16]
[15]
- Cơng thức tính đối với ảnh Landsat 8:
[16]
[10]
- Cơng thức tính đối với ảnh Sentinel 2A [17]:

2.4.2.2. Đánh giá độ chính xác của bản đồ phân bố khơng gian nước bề mặt
Độ chính xác của bản đồ đƣợc tính theo cơng thức sau:
15