Xác định hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt khu vực sông Hồng và sông Đuống đoạn chảy qua TP. Hà Nội bằng dữ liệu ảnh viễn thám quang học Sentinel 2

Hàm lượng chất lơ lửng là một trong những thông số quan trọng trong đánh giá chất lượng nước mặt. Bài báo này trình bày kết quả “Nghiên cứu xác định hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt khu vực sông Hồng và sông Đuống đoạn chảy qua TP. Hà Nội bằng dữ liệu ảnh viễn thám quang học Sentinel 2 trên cơ sở phương pháp tỷ lệ ảnh”. Dữ liệu đo phổ phản xạ nước và hàm lượng chất lơ lửng tại 33 điểm mẫu được sử dụng để xây dựng hàm hồi quy. Kết quả nhận được cho thấy, hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt sông Hồng và sông Đuống đoạn chảy qua TP. Hà Nội có mối quan hệ tuyến tính chặt chẽ với tỉ lệ phản xạ phổ mặt nước tại dải sóng cận hồng ngoại (NIR) và đỏ. Sử dụng mô hình hồi quy này, trong nghiên cứu đã xác định hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt cho toàn bộ khu vực nghiên cứu. Kết quả nhận được trong bài báo có thể sử dụng nhằm cung cấp nhanh thông tin về hàm lượng chất lơ lửng, phục vụ công tác giám sát và đánh giá chất lượng nước mặt ở các lưu vực sông.

Đặt vấn đề

Trong những năm qua, cùng với sự gia tăng dân số và phát triển KT-XH, những ảnh hưởng tiêu cực của các hoạt động này đến nguồn nước khiến tình trạng ô nhiễm nước mặt diễn ra phức tạp, nhất là ở các thành phố lớn. Các phương pháp nghiên cứu truyền thống sử dụng kết quả phân tích các mẫu nước thử nghiệm chỉ đánh giá được chất lượng nước một cách cục bộ xung quan điểm đo. Hơn nữa, cũng không thể lấy quá nhiều mẫu nước hay thiết lập mạng lưới quan trắc chất lượng nước dày đặc do tốn kém về thời gian và chi phí. Những hạn chế này đã được khắc phục khi sử dụng dữ liệu viễn thám, trong đó chủ đạo là ảnh viễn thám quang học.

Nhiều nghiên cứu trên thế giới cho thấy, hàm lượng một số thông số chất lượng nước mặt như chất lơ lửng, độ đục, chlorophyll-a có quan hệ chặt chẽ với phản xạ phổ mặt nước (Mobley, 1999; Ritche et al., 1990; Gholizadeh et al., 2016). Trên cơ sở này, ảnh viễn thám quang học đã được sử dụng hiệu quả trong xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước mặt (Chen et al., 1991; Doxaran et al. (2002), Elhag et al., 2019; Hung and Tarasov (2016), Hung et al. (2018, 2020); Nguyen et al., 2016; Pham et al., 2020). Kết quả nhận được trong các nghiên cứu trên đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp viễn thám trong xác định nhanh hàm lượng một số thông số, hỗ trợ công tác đánh giá và giám sát chất lượng nước mặt.

Sentinel-2 bao gồm 02 vệ tinh quang học có đặc điểm hoàn toàn giống nhau (Sentinel-2A và Sentinel-2B) được đưa vào hoạt động năm 2015 và 2017 và cung cấp dữ liệu miễn phí với chu kỳ chụp lặp lại là 5 ngày. Ảnh quang học Sentinel 2 có 13 kênh phổ trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại với độ phân giải không gian từ 10 đến 60m. Đặc điểm các kênh phổ ảnh Sentinel 2 có nhiều tương đồng với ảnh quang học Landsat (Pahlevan et al., 2017). Với độ phân giải không gian, độ phân giải thời gian tốt hơn so với ảnh Landsat, dữ liệu ảnh quang học Sentinel 2 đang được sử dụng rộng rãi trong xác định hàm lượng hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt (Caballero et al., 2018; Liu et al., 2017; Tham et al., 2021).

Bài báo này trình bày kết quả xác định hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt khu vực sông Hồng và sông Đuống đoạn chảy qua TP. Hà Nội bằng ảnh viễn thám quang học Sentinel 2A trên cơ sở phương pháp tỉ lệ ảnh. Hàm lượng chất lơ lửng tại 33 điểm lấy mẫu chất lượng nước và kết quả đo phổ phản xạ hiện trường được sử dụng để xây dựng hàm hồi quy, sau đó xác định hàm lượng chất lơ lửng cho toàn bộ khu vực nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

Các nghiên cứu trước đây phần lớn sử dụng giá trị phản xạ phổ mặt nước chiết tách từ ảnh viễn thám quang học, tuy nhiên do thời gian chụp ảnh và thời gian lấy mẫu chất lượng nước không thể hoàn toàn trùng nhau dẫn đến những sai số nhất định, đặc biệt là với vùng nước động như các lưu vực sông. Các hàm hồi quy nhận được trong các nghiên cứu này cũng khó có thể áp dụng cho các ảnh vệ tinh thu nhận ở thời điểm khác. Các hạn chế này có thể khắc phục khi sử dụng giá trị đo phổ phản xạ hiện trường bằng các thiết bị đo quang phổ cầm tay.

Hình 1. Sơ đồ các điểm lấy mẫu chất lượng nước khu vực nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, các tác giả sử dụng máy đo bức xạ phổ hiện trường GER 1500 (Phòng thực hành Công nghệ địa hình, Học viện Kỹ thuật quân sự) để đo phản xạ phổ mặt nước tại các điểm lấy mẫu. Thiết bị GER 1500 cho phép đo quang phổ điện từ mặt nước trong dải sóng từ tử ngoại (UV - Ultraviolet) đến cận hồng ngoại (NIR) ứng với dải sóng từ 350 nm đến 1050 nm, số lượng kênh phổ lên đến 512 kênh với độ phân giải phổ là 1,5 nm. Dữ liệu thu nhận được lưu theo định dạng ASCII nhằm tạo điều kiện dễ dàng chuyển qua các phần mềm xử lý số liệu khác. Tọa độ các điểm lấy mẫu chất lượng nước cũng được xác định bằng máy GPS độ chính xác cao.

33 mẫu nước được thu thập tại khu vực sông Hồng và sông Đuống đoạn chảy qua TP. Hà Nội (Hình 1). Các mẫu nước mặt được lấy cùng vị trí các điểm đo phản xạ phổ hiện trường và được thu thập tại sát mặt nước ở độ sâu 0 - 25 cm do nước mặt ở độ sâu lớn hơn 25 cm không ảnh hưởng đến phổ phản xạ mặt nước. Vị trí các điểm lấy mẫu phân bố đều trên khu vực nghiên cứu nhằm đảm bảo thể hiện được đặc trưng phân bố hàm lượng chất lơ lửng. Các mẫu nước được lấy vào chai nhựa màu tối, ướp lạnh và đưa về phân tích trong phòng thí nghiệm trong ngày. Quá trình phân tích được thực hiện tại Trung tâm KH,CN&MT (COSTE), Hà Nội.

Từ phân tích đặc trưng phản xạ phổ của nước (Nguyen et al., 2016; Pham et al., 2020) cho thấy, phương pháp tỉ lệ ảnh (band rationing) phù hợp để xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước mặt hơn so với phương pháp hồi quy đa biến sử dụng cả 4 kênh trong dải sóng nhìn thấy và cận hồng ngoại. Mặc dù giá trị hệ số tương quan khi sử dụng phương pháp tỉ lệ ảnh có phần thấp hơn so với phương pháp sử dụng cả 4 kênh ảnh, tuy nhiên hàm hồi quy khi sử dụng phương pháp tỉ lệ ảnh có độ ổn định cao, có thể áp dụng với các ảnh chụp tại thời điểm khác phục vụ công tác giám sát chất lượng nước mặt. Do vậy, trong bài báo này, các tác giả lựa chọn phương pháp tỉ lệ ảnh để xây dựng hàm hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng chất lơ lửng và giá trị phản xạ phổ mặt nước. Giá trị phản xạ phổ tại các bước sóng trung tâm dải sóng cận hồng ngoại (NIR), đỏ, xanh lục và xanh lam cùng dữ liệu lấy mẫu tại 23 điểm đo được sử dụng để xây dựng hàm hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa phổ phản xạ mặt nước và hàm lượng chất lơ lửng. Hàm lượng chất lơ lửng tại 10 điểm còn lại dùng để đánh giá độ chính xác của mô hình hồi quy. Trên cơ sở so sánh hệ số tương quan (R2), trong bài báo lựa chọn mô hình hồi quy có độ chính xác cao nhất để tiến hành xác định hàm lượng TSS cho toàn bộ khu vực nghiên cứu bằng cách sử dụng các kênh phổ phù hợp của ảnh Sentinel 2. Sơ đồ quy trình công nghệ trong bài báo được trình bày trên Hình 2.

Hình 2. Sơ đồ quy trình xác định hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt bằng ảnh viễn thám quang học Sentinel 2 trên cơ sở phương pháp tỉ lệ ảnh

Kết quả và thảo luận

Khu vực nghiên cứu được lựa chọn là sông Hồng và sông Đuống đoạn chảy qua thành phố Hà Nội. Đây là địa bàn có mật độ dân cư lớn, hoạt động đường thủy nhộn nhịp, có nhiều nhà máy, khu công nghiệp. Các hoạt động kinh tế, xã hội này thời gian qua đã dẫn đến những tác động tiêu cực đối với chất lượng môi trường nước mặt các lưu vực sông.

Dữ liệu viễn thám sử dụng trong nghiên cứu là ảnh vệ tinh Sentinel-2A ở mức xử lý L2A, chụp ngày 19/12/2021. Ở mức xử lý này, ảnh Sentinel 2A đã được hiệu chỉnh bức xạ, hiệu chỉnh khí quyển và chuyển về giá trị phản xạ định khí quyển. Trong bài báo chỉ tiến hành hiệu chỉnh hình học nhằm đưa hệ tọa độ ảnh về hệ tọa độ khu vực nghiên cứu. Kết quả đo phổ hiện trường và lấy mẫu chất lượng nước được thực hiện vào ngày 11/12/2021.

Giá trị phản xạ bề mặt nước xác định bằng máy đo quang phổ bức xạ GER 1500 tại các dải sóng cận hồng ngoại, đỏ, xanh lục và xanh lam được sử dụng để tính giá trị tỉ lệ đNIR/đred, đNIR/đgreen, đNIR/đblue. Sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính, trong bài báo tiến hành xây dựng hàm hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa các giá trị tỉ lệ phản xạ phổ này và hàm lượng chất lơ lửng tại 23 điểm quan trắc. Các mô hình hồi quy nhận được trong nghiên cứu được thể hiện qua các công thức sau:

TSS (mg/l) = 37.718 × đNIR/đred + 11.659,

R2 = 0,771 (1)

TSS (mg/l) = 50.952 × đNIR/đgreen + 11.606,

R2 = 0,794 (2)

TSS (mg/l) = 32.039 × đNIR/đblue + 11.658,

R2 = 0,778 (3)

Từ các hàm hồi quy nhận được cho thấy, phương án sử dụng tỉ lệ phản xạ phổ ở dải sóng cận hồng ngoại và xanh lục có hệ số tương quan R2 đạt cao nhất, do vậy, trong bài báo tiến hành lựa chọn mô hình hồi quy này để xác định hàm lượng chất lơ lửng cho toàn bộ khu vực nghiên cứu trên cơ sở ảnh vệ tinh quang học Sentinel 2A chụp ngày 19/12/2021. Để thực hiện điều này, trong nghiên cứu tiến hành tính các ảnh tỉ lệ NIR/RED, NIR/GREEN và NIR/BLUE. Kết quả tính các ảnh tỉ lệ đối với ảnh vệ tinh quang học Sentinel 2A chụp ngày 19/12/2021 khu vực sông Hồng và sông Đuống đoạn chảy qua thành phố Hà Nội được thể hiện trên Hình 5.

Hình 3. Kết quả xác định các ảnh tỉ lệ NIR/RED, NIR/GREEN và NIR/BLUE từ ảnh vệ tinh Sentinel 2A ngày 19/12/2021

Ngoài hệ số tương quan R2, trong nghiên cứu cũng sử dụng giá trị hàm lượng chất lơ lửng tại 10 điểm lấy mẫu chất lượng nước để đánh giá độ chính xác của mô hình hồi quy. Kết quả so sánh giá trị hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt khu vực sông Hồng và sông Đuống đoạn chảy qua thành phố Hà Nội xác định từ dữ liệu viễn thám và phương pháp lấy mẫu chất lượng nước được thể hiện trong Bảng 1. Có thể nhận thấy, tại 10 điểm kiểm tra, chênh lệch giữa hàm lượng TSS xác định từ ảnh vệ tinh và kết quả lấy mẫu chất lượng nước dao động trong khoảng từ 1,47% đến 23,79%. Như vậy, có thể khẳng định, sử dụng ảnh vệ tinh quang học Sentinel-2A có thể xác định hàm lượng TSS với độ chính xác cao.

Bảng 1. So sánh hàm lượng TSS xác định bằng phương pháp viễn thám và giá trị thực tế

Kết quả xác định phân bố hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt khu vực sông Hồng và sông Đuống đoạn chảy qua thành phố Hà Nội từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 19/12/2021 được trình bày trên Hình 6, trong đó hàm lượng chất lơ lửng được chia thành 11 khoảng: < 16 (mg/l), 16 - 18, 18 - 20, 20 - 22, 22 - 24, 24 - 26, 26 - 28, 28 - 30, 30 - 32, 32 - 36 và > 36 (mg/l). Phân tích kết quả đạt được cho thấy, hàm lượng TSS trong nước mặt sông Hồng và sông Đuống đoạn chảy qua TP. Hà Nội chủ yếu nằm trong khoảng từ 18 - 30 (mg/l), trong đó khu vực nước mặt gần bờ có hàm lượng TSS cao hơn so với khu vực giữa sông. Hàm lượng TSS cũng được ghi nhận đạt cao tại khu vực ngã ba sông Hồng - sông Đuống. Các khu vực có hàm lượng TSS cao trên 36 (mg/L) phân bố chủ yếu gần các cống xả thải, các khu vực khai thác cát hay một số nhánh nhỏ của sông Hồng phía trên cầu Thăng Long (Hình 4).

Hình 4. Sơ đồ phân bố hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt sông Hồng, sông Đuống từ ảnh vệ tinh Sentinel 2A và kết quả đo phổ hiện trường

Kết luận

Trong nghiên cứu này, ảnh vệ tinh Sentinel-2A chụp ngày 19/12/2021 khu vực sông Hồng và sông Đuống đoạn chảy qua TP. Hà Nội được sử dụng để xác định hàm lượng chất lơ lửng trên cơ sở sử dụng kết quả đo phổ phản xạ mặt nước và hàm lượng TSS tại 33 điểm lấy mẫu. Phổ phản xạ mặt nước và hàm lượng TSS tại 23 điểm lấy mẫu được sử dụng để xây dựng hàm hồi quy, trong khi hàm lượng TSS tại 10 điểm lấy mẫu chất lượng nước còn lại được sử dụng để đánh giá độ chính xác của mô hình. Từ phân tích đặc trưng phản xạ phổ của nước, phương pháp tỉ lệ ảnh được áp dụng để xác định hàm lượng TSS cho toàn bộ khu vực nghiên cứu. Kết quả nhận được cho thấy, mô hình hồi quy tuyến tính sử dụng giá trị tỉ lệ phản xạ phổ tại dải sóng cận hồng ngoại và xanh lục có hệ số tương quan R2 cao nhất. Sai số giữa giá trị hàm lượng TSS xác định từ ảnh Sentinel 2A và giá trị TSS tại các điểm lấy mẫu chất lượng nước nằm trong khoảng từ 1,47% đến 23,79%.

Kết quả nhận được trong nghiên cứu là nguồn thông tin quan trọng giúp các nhà quản lý trong xác định nhanh hàm lượng các thông số nước mặt, hỗ trợ công tác đánh giá và giám sát chất lượng nước mặt tại các lưu vực sông.

Tài liệu tham khảo

1. Caballero I., Steinmetz F., Navarro G. (2018). Evaluation of the first year of operational Sentinel-2A data for retrieval of suspended solids in medium- to high-turbidity waters, Remote Sensing, Vol. 19, 982, 3 - 23;

2. Doxaran D., Froidefond J., Lavender S., Castaing P. (2007). Spectral signature of highly turbid waters application with SPOT data to quantify suspended particulate matter concentrations, Remote Sensing of Environment, Vol. 81, 149 - 161;

3. Elhag M., Gita I., Othman A., Bahrawi J., Gikas P. (2019). Assessment of water quality parameters using temporal remote sensing spectral reflectance in arid environments Saudi Arabia, Water, Vol.11, 556, 2-14;

4. Gholizadeh M.H., Melesse A.M., Reddi L. (2016). A comprehensive review on water quality parameters estimation using remote sensing techniques, Sensors, Vol.16, 2-43;

5. Hung T.L., Zablotskii V., Le Thi Giang, Dinh Thi Thu Hien, Le Thi Trinh, Trinh Thi Tham, Nguyen Thi Thu Nga (2018). Estimation of suspended sediment concentration using VNREDSat – 1A multispectral data, a case study in Red River, Hanoi, Vietnam, Geography, Environment, Sustainability, Vol.11(3), 49-60;

6. Hung T.L., Zablotskii V.R., Nguyen T.T.N. (2020). Determining the concentration of suspended sediment in the lower Day River (Northern Vietnam) using MSI Sentinel 2 high spatial resolution data, Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Vol. 56(12), 1645 - 1652;

7. Pham Q.V., Nguyen T.T.H., Pahlevan N., Le T.O., Nguyen T.B., Nguyen N.T. (2018). Using Landsat-8 Images for Quantifying Suspended Sediment Concentration in Red River (Northern Vietnam), Remote Sensing, Vol. 10(11), 2-12;

8. Tham T.T., Trinh L.H., Trinh T.T., Vu T.M., Le T.T., Chu V.H., Tu B.M. (2021). Assessment of some water quality parameters in the Red River downstream, Vietnam by combining field monitoring and remote sensing method, Environmental Science and Pollution Research, https://doi.org/10.1007/s11356-021-16730-0.

ĐINH LAM THẮNG¹, ĐINH THỊ THU HIỀN², CHU VIỆT THỨC², TRẦN ĐỨC HẠ³, TRỊNH LÊ HÙNG⁴

1 Tổng cục Biển và Hải đảo, Bộ Tài nguyên và Môi trường

2 Trường Đại học Điện lực

3 Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

4 Học viện Kỹ thuật Quân sự