- Nghiên cứu được thực hiện nhằm xác định nồng độ phù sa lơ lửng (SSC) trên hệ thống sông chính tại đồng bằng sông Cửu Long dựa trên cơ sở phân tích ảnh viễn thám. - Số liệu SSC thực đo tại hai trạm Cần Thơ và Mỹ Thuận được thu thập từ Trung tâm Thủy văn Sông Cửu Long. - Các ảnh Landsat 8 khu vực nghiên cứu được thu thập trong giai đoạn 2013-2014.. - Chuỗi số liệu thực đo và chuỗi số liệu phản xạ (của các kênh phổ) được phân tích hồi quy tuyến tính nhằm tìm ra phương trình ước lượng SSC.. - Kết quả nghiên cứu xác định được mô hình hồi quy tuyến tính với các biến là hệ số phản xạ từ kênh lục và kênh đỏ có khả năng ứng dụng ước lượng SSC cho khu vực nghiên cứu (R 2 = 0,71). - Kết quả kiểm chứng cho thấy giữa chuỗi số liệu SSC thực đo và SSC ước tính theo phương trình có sự tương quan chặt chẽ (r = 0,84, Bias = -4 x 10 -5. - Bên cạnh đó, kết quả phân bố SSC theo không gian và thời gian phản ánh đúng đặc tính của vùng nghiên cứu. - Do đó, có thể nghiên cứu diễn biến SSC trên sông theo hướng tiếp cận ảnh vệ tinh.. - Do vậy, nghiên cứu về quá trình vận chuyển và lắng đọng phù sa lơ lửng tại ĐBSCL là cấp thiết và quan trọng trong bối cảnh hiện nay. - Hiện nay, có nhiều nguồn cung cấp ảnh viễn thám miễn phí theo nhiều chu kỳ quan sát lặp lại với nhiều độ phân giải khác nhau, do vậy, đây được xem là nguồn khai thác dữ liệu phong phú cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu về bề mặt đất. - Nghiên cứu sử dụng phần mềm MIP (modular inversion and processing system) được xây dựng dựa trên thuật toán cơ sở là các điều kiện vật lý về các yếu tố hấp. - Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi giải đoán SSC nhưng kết quả giải đoán còn khác biệt đáng kể so với số liệu đo đạc nên phương pháp hiệu chỉnh cần được áp dụng. - Do vậy, nghiên cứu được thực hiện nhằm góp phần vào việc tiếp cận kỹ thuật mới trong việc khai thác số liệu phục vụ hoạt động nghiên cứu và đánh giá SSC trên hệ thống sông chính tại ĐBSCL.. - 2 PHƯƠNG PHÁP 2.1 Phạm vi nghiên cứu. - Vùng nghiên cứu bao gồm hai nhánh sông Tiền, sông Hậu và khu vực ven biển ĐBSCL (Hình 1).. - Trung bình trong 1 lít nước sông có khoảng 0,3-0,8 gr bùn cát và đạt giá trị lớn nhất trong mùa lũ (Lê Anh Tuấn, 2009).. - Thời gian nghiên cứu là năm 2014 (năm có điều kiện lũ trung bình).. - Hình 1: Khu vực nghiên cứu 2.2 Phương pháp thu thập số liệu. - 2.2.1 Phương pháp thu thập ảnh Landsat Các ảnh vệ tinh Landsat 8 khu vực ĐBSCL trong giai đoạn nghiên cứu được thu thập từ vệ tinh quan trắc trái đất của USGS (https://earthexplorer.usgs.gov). - Ảnh vệ tinh Landsat được chọn trong nghiên cứu do chiều rộng của sông Tiền và sông Hậu từ 1 km đến 4 km nên độ phân giải của ảnh Landsat thể hiện được mặt cắt ngang của sông.. - Tổng số lượng ảnh được thu thập sử dụng cho nghiên cứu là 17 ảnh với thời gian chụp chi tiết như Bảng 1.. - Bảng 1: Ảnh Landsat sử dụng trong nghiên cứu. - chụp Thời gian có số liệu thực đo 1 LC08_L1TP T LC08_L1TP T LC08_L1TP T LC08_L1TP T LC08_L1TP T LC08_L1TP T LC08_L1TP T LC08_L1TP T LC08_L1TP T LC08_L1TP T LC08_L1TP T LC08_L1TP T LC08_L1TP T LC08_L1TP T LC08_L1TP T LC08_L1TP T LC08_L1TP T . - 2.2.2 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp Số liệu thực đo SSC giai đoạn tại hai trạm Cần Thơ và Mỹ Thuận (Hình 1) được thu thập từ Trung tâm Thủy văn Sông Cửu Long (số liệu trung bình ở các độ sâu thủy lực khác nhau) nhằm phục vụ cho việc xây dựng mô hình ước tính SSC từ ảnh viễn thám. - 2.3 Phương pháp xử lý số liệu 2.3.1 Phương pháp tiền xử lý ảnh. - Hiệu chỉnh bộ cảm: Là quá trình chuyển đổi giá trị số nguyên thành giá trị thực của bực xạ điện từ thu nhận được bởi bộ cảm. - Mục đích của việc hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển là làm giảm ảnh hưởng của sự hấp thụ, tán xạ gây ra bởi các thành phần có trong khí quyến đến giá trị phản xạ bề mặt. - Trong nghiên cứu này, mô hình hàm truyền bức xạ MODTRA (Gao et al., 2000) được ứng dụng hiểu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển cho ảnh Landsat 8 bằng mô đun Flaash trong Envi.. - Sau đó, tạo mặt nạ (mask) nhằm che các khu vực đất liền không thuộc phạm vi nghiên cứu.. - Phương trình hồi quy tuyến tính đơn biến (dạng tổng quát) như sau (CT2):. - Trong đó: Xt và Yt là giá trị quan sát thứ t (t từ 1 đến n) của biến độc lập và biến phụ thuộc. - và là hệ số hồi quy. - Phương trình hồi quy tuyến tính đơn được sử dụng để chỉ ra rằng chỉ có duy nhất một biến giải thích (X) được sử dụng trong mô hình.. - Ngược lại, phương trình hồi quy tuyến tính đa biến được sử dụng khi có nhiều hơn một biến giải thích. - Do đó, trong phạm vị nghiên cứu này, phương trình hồi quy tuyến tính (đơn biến và đa biến) được ứng dụng nhằm xây dựng mô hình ước lượng SSC. - Nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở tiếp cận theo hướng giả thuyết giá trị phản xạ tương ứng với từng kênh phổ có thể được xem là biến (X) trong phương trình dùng để ước lượng SSC trên sông (Y). - Theo đó, giá trị quang phổ (tương ứng với từng kênh phổ - Band) tại vị trí (pixcel) có số liệu thực đo (Cần Thơ và Mỹ Thuận) được trích lọc.. - Sau đó, tiến hành phân tích hồi quy tuyến tính đơn biến giữa chuỗi số liệu SSC thực đo với lần lượt từng chuỗi số liệu phản xạ (ứng với một kênh phổ) và phân tích hồi quy tuyến tính đa biến giữa chuỗi số liệu thực đo với kết hợp các chuỗi số liệu phản xạ của nhiều kênh phổ khác nhau. - Theo đó, với mỗi kết quả phân tích cho ra hệ số xác định R 2 tương ứng nên phương trình có hệ số xác định R 2 cao nhất được xem xét ứng dụng tính toán SSC cho toàn vùng nghiên cứu (dựa trên công cụ raster calculation).. - Quá trình trích lọc các giá trị phản xạ tại từng pixel ứng với vị trí hai trạm thực đo trạm Cần Thơ và trạm Mỹ Thuận được thực hiện trên nền phần mềm Envi bằng cách tạo shapfile vị trí hai trạm cần trích lọc giá trị và đưa vào phần mềm để lấy giá trị phản xạ tại pixel ở tọa độ hai trạm quan trắc.. - Sai khác giữa giá trị quan trắc và giá trị dự báo được gọi là sai số. - Tính chính xác của các dự đoán được đo trên n quan sát, trong đó pi là giá trị dự đoán đánh giá của mục i và ri là giá trị đánh giá thực tế của mục i. - Do đó, nghiên cứu tính toán các thông số này dựa trên chuỗi số liệu SSC thực đo và SSC mô phỏng theo phương trình hồi quy tuyến tính. - MAE biểu thị mức độ trung bình của sai số mô hình nhưng không nói lên xu hướng lệch của giá trị dự báo và quan trắc. - Khi MAE = 0, giá trị mô hình hoàn toàn trùng khớp với giá trị quan trắc. - Đặc biệt, RMSE rất nhạy với những giá trị sai số lớn. - X là tập hợp các quan sát x1, x2, x3,… xj với phần tử thứ n của mỗi bộ số liệu.. - YM và XM là giá trị trung bình trong Y và X.. - Tóm tắt quá trình nghiên cứu được thể hiện như Hình 2.. - Hình 2: Sơ đồ quy trình thực hiện nghiên cứu Thu thập số liệu. - Ảnh viễn thám Landsat 8 khu vực. - nghiên cứu. - SSC thực đo. - Rút trích giá trị các band tại vị trí có số. - liệu thực đo Tạo mask che khu. - vực không thuộc phạm vi nghiên cứu. - Xác định mô hình hồi quy. - tính toán SSC cho khu vực nghiên cứu. - 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. - 3.1 Kết quả thu thập số liệu SSC thực đo Diễn biến SSC trung bình ngày năm 2014 tại trạm Mỹ Thuận (Hình 3) cho thấy SSC cao (>80 mg/L) trong giai đoạn tháng 7 – 10 (giai đoạn mùa lũ). - Phân tích hồi quy tuyến tính giữa giá trị phản xạ của các kênh phổ với chuỗi số liệu SSC thực đo cho thấy kênh đỏ (bước sóng từ µm) có tương quan chặt chẽ nhất (R các kênh phổ còn lại tương quan kém (R 2 <. - Kết quả phù hợp với các nghiên cứu về viễn thám xác định rằng giữa độ đục của nước và khả năng phản xạ phổ. - Mặc dù có quan hệ chặt chẽ nhất so với các kênh phổ còn lại nhưng hệ số phản xạ từ kênh đỏ chỉ giải thích được 32% giá trị SSC thực đo (R 2 = 0,32). - Do vậy, phương trình hồi quy đơn biến với từng kênh phổ riêng lẻ chưa đủ cơ sở ước lượng SSC cho vùng nghiên cứu.. - Bảng 2: Phương trình hồi quy đơn biến giữa giá trị phản xạ của các kênh phổ và SSC thực đo. - Phân tích hồi quy tuyến tính đa biến cho thấy tổ hợp kênh 3 (kênh lục) và kênh 4 (kênh đỏ) có hệ số xác định cao nhất với R2 = 0,71 (Bảng 3). - Nhìn chung, nhiều nghiên cứu đã chứng minh cả về mặt lí thuyết và thực nghiệm rằng các dải quang học có tương quan cao với SSC, đặc biệt trong dải sóng đỏ (phạm vi bước sóng từ 0,6 – 0,7 µm) và cận hồng ngoại (bước sóng từ 0,7 – 1,0 µm) (Hoyler, 1978;. - vi nghiên cứu, chuỗi số liệu SSC thực đo được sử dụng để xác định mô hình hồi quy tương ứng với các thời điểm thu thập được ảnh Landsat không có mây che phủ tại trạm quan trắc. - Do đó, chuỗi số liệu phân bố ngẫu nhiên trong năm bao gồm cả trong giai đoạn mùa kiệt và mùa lũ (giá trị SSC dao động từ mg/L, trong đó 63% số liệu trong chuỗi quan sát có giá trị dưới 50 mg/L (bách phân vị 63th. - Do vậy, kết quả này phù hợp với các nghiên cứu có liên quan và phương trình hồi quy tuyến tính với các biến là hệ số phản xạ của kênh lục và kênh đỏ có khả năng ứng dụng ước lượng SSC cho khu vực nghiên cứu.. - Bảng 3: Phương trình hồi quy đa biến giữa giá trị phản xạ của các kênh phổ và SSC thực đo. - Kết quả ước lượng SSC cho khu vực nghiên cứu sông Tiền, sông Hậu và vùng ven biển được thể hiện trong Hình 4 và Hình 5. - Kết quả này phù hợp với kết quả phân tích diễn biến SSC thực đo trong giai đoạn nghiên cứu. - Bên cạnh đó, các bản đồ phân bố không gian SSC từ ảnh viễn thám cung cấp cái nhìn đồng thời, toàn cảnh về SSC trên toàn khu vực nghiên cứu. - Kết quả giải đoán ảnh viễn thám phù hợp với nghiên cứu của Vo et al.. - Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Lê Mạnh Hùng và Nguyễn Nghĩa Hùng (2013), trong các tháng mùa khô, SSC trên sông và vùng ven biển chịu ảnh hưởng bởi động lực biển Đông lớn hơn so với phía thượng nguồn.. - và khu vực ven bờ biển đều cao, điều này có thể được giải thích là do đây là giai đoạn mùa lũ, lưu lượng nước trên sông Mekong đổ về lớn nên SSC tại vùng nghiên cứu cao (Vo et al., 2017). - Tuy nhiên, do nghiên cứu sử dụng ảnh Landsat 8 có chu kỳ lặp lại là 16 ngày với cùng một thời điểm chụp trong ngày nên chưa phản ánh rõ được sự thay đổi SSC theo chế độ triều. - Hình 5: Phân bố SSC tháng 7 (A), tháng 9 (B), tháng 10 (C), tháng 11 (D) và tháng 12 (E) năm 2014 3.4 Đánh giá độ chính xác của kết quả giải. - Kết quả đánh giá độ chính xác giữa số liệu ước tính (dựa vào ảnh viễn thám) với số liệu thực đo được thể hiện như Bảng 4. - Theo đó, hiệu số giữa trung bình chuỗi số liệu thực đo và chuỗi số liệu ước tính từ phương trình (Bias) có giá trị là -0,0000389. - cho thấy SSC ước tính cho giá trị cao hơn so với SSC thực đo. - tuy nhiên, trung bình hai chuỗi số liệu không có sự chênh lệch đáng kể. - Sai số tuyệt đối trung bình MAE và sai số bình quân trung bình RMSE có giá trị lần lượt là 14,4 và 18,675. - hiệu quả tốt nhất, giá trị này càng cao, hiệu quả của mô hình càng thấp. - Tuy nhiên, trong trường hợp này, số liệu SSC được tính theo đơn vị mg/l nên kết quả này là khá tốt so với các nghiên cứu khác có cùng phương pháp thực hiện. - Chẳng hạn, nghiên cứu của Christopher et al. - (2017) cho giá trị RMSE là 0,86 với số liệu SSC được tính theo đơn vị g/l.. - Bên cạnh đó, giá trị MAE và RMSE khá gần cho thấy sai số mô hình ổn định (Trần Nguyễn Minh Thư và Phạm Xuân Hiền, 2016). - Ngoài ra, hệ số tương quan r có giá trị bằng 0,844 cho thấy số liệu thực đo và số liệu ước tính có mối tương quan thuận (r dương) và khá chặt (r dần về 1). - Do vậy, nhìn chung, kết quả ước lượng SSC từ phương trình nghiên cứu tìm được là khá tốt, có thể chấp nhận được vì thực tế việc xác định SSC rất khó khăn do phù sa của vùng nghiên cứu có hạt mịn, có kết tủa và bị tác động bởi nguồn nước mặn (từ biển) (Lê Mạnh Hùng và Nguyễn Nghĩa Hùng, 2013).. - Bảng 4: Các thông số đánh giá độ chính xác giữa số liệu ước tính và thực đo. - Do đó, đây là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến tính chính xác cũng như khó khăn cho việc giải đoán ảnh để ước lượng SSC cho vùng nghiên cứu (do phù sa lơ lửng là toàn bộ lượng phù sa lơ lửng trong cột nước, trong khi đó giới hạn của viễn thám, đặc biệt trong các dải phổ nhìn thấy, là ở độ sâu càng cao mức độ phản xạ càng kém).. - Nghiên cứu xác định được mô hình hồi quy tuyến tính với các biến là hệ số phản xạ từ kênh lục. - và kênh đỏ có khả năng ứng dụng ước lượng SSC cho khu vực nghiên cứu (R 2 = 0,71). - Kết quả kiểm chứng cho thấy giữa chuỗi số liệu SSC thực đo và SSC ước tính theo phương trình có sự tương quan chặt chẽ (r = 0,844, Bias sai số bình quân trung bình RMSE là thấp hơn so với một số nghiên cứu cùng hướng tiếp cận đã được công bố.. - Bên cạnh đó, kết quả ước lượng SSC cho toàn vùng nghiên cứu phản ảnh đúng xu hướng biến động SSC theo thời gian trong năm so với số liệu thực đo cũng như phù hợp với ảnh hưởng của các yếu thủy động lực sông, biển tại vùng nghiên cứu. - Do số liệu thực đo tại các vị trí khác nhau bị giới hạn nên đề xuất nghiên cứu tiếp theo ứng dụng phương pháp và thu thập thêm số liệu thực đo ở nhiều vị trí khác nhau để củng cố thêm độ chính xác.. - để bổ sung hỗ trợ đánh giá phân bố SSC tốt hơn cũng như hạn chế ảnh hưởng của mây đối với kết quả nghiên cứu.. - Nghiên Cứu Giải Đoán Ảnh vệ Tinh Để Lấy