Thử nghiệm mô hình hóa sự phân bố không gian của hàm lượng chlorophyll-A và chỉ số trạng thái phú dưỡng nước Hồ Tây sử dụng ảnh Sentinel-2A

Nội dung text: Thử nghiệm mô hình hóa sự phân bố không gian của hàm lượng chlorophyll-A và chỉ số trạng thái phú dưỡng nước Hồ Tây sử dụng ảnh Sentinel-2A

1. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 2S (2016) 121-130 Thử nghiệm mô hình hóa sự phân bố không gian của hàm lượng chlorophyll-a và chỉ số trạng thái phú dưỡng nước Hồ Tây sử dụng ảnh Sentinel-2A Nguyễn Thị Thu Hà*, Bùi Đình Cảnh, Nguyễn Thiên Phương Thảo, Bùi Thị Nhị Khoa Địa chất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 25 tháng 8 năm 2016 Chỉnh sửa ngày 13 tháng 10 năm 2016; chấp nhận đăng ngày 28 tháng 10 năm 2016 Tóm tắt: Tính toán hàm lượng chlorophyll-a trong nước sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh là một trong những ứng dụng cơ bản của công nghệ viễn thám cho môi trường nước. Giám sát sự phân bố và biến động hàm lượng chlorophyll-a trong nước giúp chúng ta hiểu rõ trạng thái và quá trình phú dưỡng diễn ra trong nước hồ. Nghiên cứu này sử dụng các kết quả đo hiện trường và phân tích ảnh vệ tinh Sentinel-2A thu được trong tháng 6/2016 để xây dựng phương trình tính toán hàm lượng chlorophyll-a trong nước Hồ Tây. Kết quả bước đầu cho thấy hàm lượng chlorophyll-a trong nước hồ có quan hệ chặt chẽ với tỷ số kênh 5 trên kênh 4 của ảnh Sentinel-2A bằng phương trình hàm mũ (r2=0,78, sai số trung bình 0,12). Sơ đồ phân bố hàm lượng chlorophyll-a và chỉ số trạng thái phú dưỡng (TSI) tương ứng của nước Hồ Tây góp phần giải thích hiện tượng cá chết được ghi nhận tại hồ vào đầu tháng 7/2016. Phương pháp và dữ liệu ảnh Sentinel-2A trình bày trong nghiên cứu thử nghiệm này cần được kiểm chứng và áp dụng cho các hồ khác tại Hà Nội để quản lý có hiệu quả hơn chất lượng nước và giảm thiểu ô nhiễm môi trường ở các hồ. Từ khóa: Viễn thám, chlorophyll-a, phú dưỡng, Hồ Tây, Sentinel-2A. 1. Mở đầu * đánh giá chất lượng nước các thủy vực sử dụng công nghệ viễn thám về cơ bản là các chất tạo Ứng dụng công nghệ viễn thám để nghiên màu trong nước như hàm lượng tổng chất rắn lơ cứu chất lượng môi trường nước đã được tiến lửng (TSS), độ đục/trong của nước, hàm lượng hành trên thế giới từ cuối thập kỷ 70 của thế kỷ chlorophyll-a (chỉ số sinh khối tảo) và hàm 20 và cho đến nay đã đạt được nhiều thành tựu lượng các chất hữu cơ hòa tan (CDOM: chất tạo đáng kể. Các nghiên cứu về ứng dụng công sắc vàng của nước). Chlorophyll-a là sắc tố nghệ viễn thám trong giám sát các thông số quang tổng hợp màu xanh lá cây có ở trong đánh giá chất lượng nước hồ nội địa cũng được thực vật, tảo và vi khuẩn lam. Trong nước, bắt đầu từ rất sớm [1-2]. Các thông số cơ bản để chlorophyll-a là chỉ thị đặc trưng cho sự có mặt và số lượng của tảo, chính vì vậy, nó thường ___ được dùng như một chỉ số sơ cấp để đánh giá * Tác giả liên hệ. ĐT.: 84-4-35587060 Email: hantt_kdc@vnu.edu.vn sinh khối trong nước. Ở các quốc gia như Hoa 12 1
2. 122 N.T.T. Hà và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 2S (2016) 121-130 Kỳ, Canada, Úc, New Zealand, chlorophyll-a nước [5, 10-15], tiêu biểu như thuật toán dựa được dùng như một chỉ số cơ bản để đánh giá trên tỷ lệ dải phổ đỏ-cận hồng ngoại [12, 16-19] độ phú dưỡng hay chất lượng nước của các thủy hay như tỷ lệ dải phổ xanh lục/xanh lam đã vực nội địa [3] vì nó phản ánh trực tiếp sức được áp dụng thành công trong thành lập bản khỏe của hệ sinh thái thủy sinh hơn là các chỉ đồ chlorophyll-a cho vùng nước đại dương và số thứ cấp như tỉ số của Nitơ tổng số với ven bờ do những vùng này ít chịu tác động của Photpho tổng số. CDOM. Nghiên cứu mới nhất sử dụng Sentinel Ứng dụng viễn thám để tính toán hàm 2A cho môi trường nước của Toming và cộng lượng chlorophyll-a là một trong những ứng sự [8] cho thấy hàm lượng chlorophyll-a có mối dụng cơ bản nhất được sử dụng phổ biến trong quan hệ tuyến tính với độ lệch giá trị của kênh giám sát chất lượng nước [4]. Các vùng nước 5 và trung bình cộng của kênh 4 với kênh 6 và nội địa thường được đặc trưng bởi nồng độ sinh được kết luận là tương quan cao với tỷ số kênh khối (của các thực vật nổi - phytoplankton) cao 5 trên kênh 4. Tuy nhiên do sự phức tạp về với khoảng dao động của hàm lượng thành phần và đặc tính của nước hồ nội địa như chlorophyll-a tương đối rộng (thông thường là đã đề cập ở trên nên việc tính toán hàm lượng từ 1-100 µg/L và cũng có thể lên đến 350 mg/L chlorophyll-a trong nước các hồ khác nhau cần [5] thậm chí cao hơn nữa, đặc biệt là trong phải dựa vào đặc trưng quang học của nước hồ. trường hợp “tảo nở hoa” [6]) nên việc xây dựng Nghiên cứu này được tiến hành nhằm thử thuật toán tính toán chỉ số này từ các dữ liệu vệ nghiệm tính toán hàm lượng chlorophyll-a ở Hồ tinh tương đối khó khăn. Thêm vào đó, các Tây (Hà Nội) từ dữ liệu ảnh Sentinel-2A và chỉ thành phần khác của nước nội địa như các chất số độ phú dưỡng của nước hồ vào tháng 6/2016. lơ lửng dạng vô cơ hoặc hữu cơ và CDOM Kết quả của nghiên cứu này nhằm phần nào thường không biến đổi đồng thời cùng với hàm giúp giải thích hiện tượng cá chết được ghi lượng chlorophyll-a theo không gian và thời nhận tại Hồ Tây trong thời điểm này (VTC gian cũng góp phần làm cho việc phát triển các News ngày 6/7/2016). thuật toán xác định hàm lượng chlorophyll-a của các vùng nước nội địa trở nên phức tạp và khả năng ứng dụng viễn thám bị hạn chế, đặc 2. Phương pháp nghiên cứu biệt là giữa các thủy vực khác nhau [7]. Vệ tinh Sentinel-2A mới được phóng lên 2.1. Phương pháp đo phổ hiện trường quỹ đạo vào tháng 6 năm 2015 nên ít được đề Phổ phản xạ mặt nước được đo vào ngày cập trong các nghiên cứu giám sát môi trường 1/6/2016 tại 10 điểm khảo sát ven bờ Hồ Tây nước trên thế giới [8, 9] và gần như chưa được đồng thời với việc lấy mẫu nước mặt xác định công bố tại Việt Nam. Tuy vậy, với thiết kế hàm lượng chlorophyll-a trong nước (Hình 1). kênh phổ hiện nay, dữ liệu ảnh Sentinel-2A có Phổ phản xạ mặt nước một số hồ khu vực nội nhiều điểm tương đồng với ảnh vệ tinh MERIS, thành Hà Nội cũng được tiến hành đo tại 10 vệ tinh cũng được phát triển bởi Cơ quan điểm vào ngày 18/6/2016 sử dụng máy đo bức Không gian Châu Âu (ESA) trước đó để giám xạ hiện trường GER 1500 của Trung tâm sát môi trường biển, sẽ là một dữ liệu phù hợp CARGIS, trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Máy đo bức xạ hiện trường GER 1500 cho phép để nghiên cứu môi trường nước. đo quang phổ điện từ mặt nước từ sóng UV đến Đã có rất nhiều thuật toán sử dụng các tỷ số cận hồng ngoại (NIR) ứng với 350 nm đến 1050 các kênh phổ phản xạ từ các dữ liệu vệ tinh đa nm với độ phân giải kênh phổ là 1,5 nm. Theo phổ khác nhau để tính toán chlorophyll-a trong
3. N.T.T. Hà và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 2S (2016) 121-130 123 đó, phổ phản xạ của mặt nước được tính toán 2.2. Phương pháp xác định hàm lượng bằng phương trình (1) dưới đây: chlorophyll-a và chỉ số TSI Các mẫu nước mặt tại các điểm đo phổ tại Rp  Lt  (1) Rw  100 Hồ Tây vào ngày 1/6/2016 được thu thập tại sát L  r mặt nước ở độ sâu 0 - 25 cm vì các điểm đo này đều có kết quả đo đĩa Secchi nhỏ hơn 25 cm Trong đó: Rw  là phổ phản xạ của mặt (nghĩa là nước hồ ở độ sâu lớn hơn 25 cm nước được đo ngay trên bề mặt nước có đơn vị không ảnh hưởng đến phổ mặt nước). Mẫu nước là %; R  là hệ số phản xạ ảnh hưởng bởi được lấy vào chai nhựa màu tối, ướp lạnh và đưa p về phân tích trong phòng ngay trong ngày. bầu trời được cung cấp theo năm bởi Field Trong phòng thí nghiệm, hàm lượng Spectroscopy Facility [20]; Lt  là hệ số phát chlorophyll-a trong mẫu nước Hồ Tây tại các xạ thu được của mặt nước tại điểm đo; L  khảo sát được xác định dựa vào phương pháp r trắc quang trong dung dịch acetone 90% sử là hệ số phát xạ thu được của bề mặt vật phản dụng máy so màu Hach DR 5000 theo phương xạ chuẩn. pháp chuẩn APHA [21] được cập nhật, bổ sung Trong nghiên cứu này, phổ phản xạ mặt bởi Parson [22]. Theo đó chlorophyll-a (CChl-a) nước Hồ Tây đo tại hiện trường vào ngày được xác định theo phương trình (2): 1/6/2016 được dùng để xác định mối quan hệ CChl a với hàm lượng chlorophyll-a trong nước hồ. 11,85 E664 E750 1,54 E647 E750 0,08 E630 E750 1 V1 1000 (2) Trong khi đó, phổ mặt nước đo tại các hồ vào d V 2 ngày 18/6/2016 vào thời điểm gần như đồng thời với thời gian vệ tinh Sentinel-2A chụp ảnh Trong đó: V1 là thể tích acetone (10 mL); được sử dụng để xác định độ lệch giữa phổ mặt V2 là thể tích nước mẫu được lọc; d: độ dài nước và phổ của ảnh R  dùng để hiệu truyền quang (cuvet 1cm). E630, E647, E664, E750 là hệ số hấp thụ ánh sáng của dung dịch chỉnh ảnh hưởng của khí quyển. tại các bước sóng 630, 647, 664 và 750 nm. Đơn vị của chlorophyll-a được tính toán theo phương trình (2) là (g/L). Chỉ số TSI cho nước hồ được tính toán dựa trên hàm lượng chlorophyll-a (TSI Chl a ) được đề xuất bởi Carlson và Simpson [23] như sau: TSIChl a 9,84 ln CChl a 30,6 (3) Theo đó, mức độ phú dưỡng của hồ được xác định theo chỉ số TSI và hàm lượng chlorophyll-a trong nước được thể hiện trong bảng 1. 2.3. Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh Ảnh vệ tinh Sentinel-2A với độ phân giải Hình 1. Vị trí các điểm đo phổ mặt nước tại Hồ Tây ngày 18/6/2016. 10 m của các kênh đa phổ, chụp tại Hồ Tây vào ngày 18/6/2016 được sử dụng trong nghiên cứu
4. 124 N.T.T. Hà và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 2S (2016) 121-130 này. Dữ liệu ảnh này được ghi nhận bởi vệ tinh S2A_OPER_MSI_L1C_TL_SGS__20160618T Sentinel-2A - một vệ tinh quan sát Trái Đất 084358_ A005163_T48QWJ) nên trong nghiên thuộc Chương trình Copernicus của Cơ quan cứu này ảnh chỉ được hiệu chỉnh khí quyển dựa Không gian Châu Âu (ESA), được phóng lên vào phương pháp loại trừ điểm đen (Dark quĩ đạo ngày 23/6/2015. Đây là vệ tinh gắn subtraction được đề xuất bởi Chavez [24]) sử thiết bị thu nhận ảnh đa phổ với 13 kênh phổ dụng dữ liệu R() do người dùng cung cấp. Ở trong dải từ 443 nm đến 2190 nm cho vùng đây, độ lệch trung bình R() của 10 điểm đo rộng 290 km. Đặc trưng kênh phổ của ảnh vệ vào ngày 18/6/2016 được tính toán giữa phổ tinh Sentinel-2A được thể hiện chi tiết trong phản xạ đo được trên mặt nước Rw() tại bước bảng 2 dưới đây cho thấy ảnh có các kênh phổ sóng trung tâm kênh phổ ảnh sử dụng và giá trị rất thuận lợi cho việc giám sát chất lượng nước phổ thu được từ pixel ảnh tương ứng RI() theo sử dụng tỷ số các kênh phổ trong dải sóng đỏ và phương trình (4). cận hồng ngoại [12, 16-19] là kênh cận hồng ngoại 5, 6 và đỏ (kênh 4). 10  RI  RW   Ảnh vệ tinh Sentinel-2A vùng nghiên cứu R  i 1 (4) 10 (Hình 2) đã được hiệu chỉnh hình học và bức xạ trước khi đến tay người sử dụng (có mã số O H Bảng 1. Mối quan hệ giữa chỉ số TSI, hàm lượng chlorohphyll-a với mức độ phú dưỡng của nước hồ [23] TSI Chlorophyll-a (g/L) Mức độ phú dưỡng < 30 < 0,95 Nghèo dinh dưỡng 30 - 40 0,95 - 2,6 (oligotrophy) Trung bình 40 - 50 2,6 - 7,3 (mesotrophy) 50 - 60 7,3 - 20 Phú dưỡng 60 - 70 20 - 56 (eutrophy) Siêu phú dưỡng 70 - 80 56 - 155 (hypereutrophy) Bảng 2. Các thông số dữ liệu vệ tinh Sentinel 2A Bước sóng Độ rộng của Độ phân giải Kênh phổ trung tâm (nm) dải phổ (nm) (m) 1 443 20 60 2 490 65 10 3 560 35 10 4 665 30 10 5 705 15 20 6 740 15 20 7 783 20 20 8a 842 115 10 8b 865 20 20 9 945 20 60 10 1375 30 30 11 1610 90 20 12 2190 180 20
5. N.T.T. Hà và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 2S (2016) 121-130 125 Hình 2. Hồ Tây trên ảnh Sentinel-2A (a) và kênh 5 (b), kênh 4 (c) của ảnh Phương pháp phân tích thống kê và bản đồ điểm đo cho thấy hàm lượng chlorophyll-a dao Các phép phân tích hồi quy, thống kê cơ động từ 73 đến 164 g/L, trung bình là 117 bản, tính toán độ lệch, độ sai số trong nghiên g/L, độ lệch chuẩn giữa các điểm đo lên tới 27 cứu được thực hiện sử dụng phần mềm IBM g/L. Như vậy, dựa theo chỉ số trạng thái phú SPSS Statistics 20. Hệ số tương quan được tính dưỡng (TSI) của hồ được đề xuất bởi Carlson toán trong bài báo là hệ số Pearson. Các phép [25] và phân loại bởi Carlson và Simpson [23] phân tích đều dựa trên 95% phân bố của các thì nước hồ tại những điểm đo có giá trị TSI chuỗi số. vào khoảng 70-80 ứng với mức siêu phú dưỡng. Bản đồ phân bố hàm lượng chlorophyll-a và Hình 4 diễn tả phổ phản xạ của nước Hồ Tây phân bố chỉ số trạng thái phú dưỡng (TSI) và giá trị hàm lượng chlorophyll-a tương ứng tại tương ứng được thành lập dựa trên phương mỗi điểm đo. Theo đó, phổ phản xạ của nước Hồ pháp phân bố xác suất của biến ngẫu nhiên sử Tây thể hiện 2 điểm cực đại (peak) và 2 điểm cực dụng modul phân mảnh mật độ (density slicing) tiểu, trong đó hai điểm cực đại ở bước sóng 550 trong ENVI 5.3 và biên tập trong ArcGIS 10.2. nm và 706 nm và cực tiểu ở bước sóng 438 nm và 675 nm. Dựa trên vị trí phân bố của các kênh phổ 3. Kết quả và thảo luận của ảnh Sentinel-2A (Hình 3), các kênh phổ ứng với điểm cực đại (peak) của phổ phản xạ là kênh 5 3.1. Mối quan hệ giữa hàm lượng chlorophyll-a và phổ mặt nước (cận hồng ngoại) và kênh 3 (xanh lục), trong khi kênh 1 (xanh lam) và kênh 4 gần với điểm cực Kết quả phân tích hàm lượng chlorophyll-a tiểu của phổ phản xạ mặt nước. trong nước Hồ Tây vào ngày 1/6/2016 tại 10 H Hình 3. Phổ phản xạ của mặt nước Hồ Tây, vị trí các kênh phổ ảnh Sentinel 2A (b1 - b7 ứng với kênh 1 - kênh 7) và hàm lượng chlorophyll-a (Chl-a) tương ứng (g/L).
6. 126 N.T.T. Hà và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 2S (2016) 121-130 Hình 4. Mối quan hệ giữa hàm lượng chlorophyll-a (Chl-a) và tỷ số phổ phản xạ mặt nước tương đương tỷ số kênh ảnh Sentinel-2A: a) kênh 3 với 1; b) kênh 3 với 2; c) kênh 5 với 4; d) kênh 6 với 4; e) kênh 8 với 4; f) tổng của kênh 5 và 6 với kênh 4. Tương quan của chlorophyll-a ứng với các Sentinel-2A bằng phương trình hàm mũ với hệ kênh phổ của ảnh Sentinel 2A thể hiện rõ xu số xác định r2 = 0,96 và giá trị sai số của phép hướng tương quan nghịch với phổ phản xạ tại tính là 0,052 (g/L) (Hình 4c). kênh 1 và 2 của ảnh với hệ số tương quan lần lượt là 0,81 và 0,75. Trong khi đó, tương quan 3.2. Phân bố hàm lượng chlorophyll-a tính toán của chlorophyll-a với tỷ số của 2 kênh phổ từ ảnh Sentinel-2A tương đối cao, với: b3/b1 là 0,83; b3/b2 là 0,88; b5/b4 là 0,98; b6/b4 là 0,72 và b7/b4 là 0,33. Hình 4a biểu diễn kết quả so sánh giữa tỷ số Tỷ số 3 kênh phổ thường được đánh giá là có kênh 5 trên kênh 4 của 10 điểm ảnh Sentinel- độ chính xác cao trong tính toán chlorophyll-a 2A chụp ngày 18/6/2016 và tỷ phổ mặt nước dùng dữ liệu ảnh vệ tinh sử dụng tỷ số của tổng của bước sóng ứng với 2 kênh này 2 kênh phổ hồng ngoại (R(704) và R(490): ở (R(705)/R(665)) đo cùng ngày tại các hồ Hà đây ứng với tổng giá trị kênh 5 và 6 của ảnh Nội. Mối quan hệ này cung cấp phương trình Sentinel-2A) trên kênh phổ bước sóng đỏ tính toán từ phổ ảnh sang phổ mặt nước vào (R(675): ở đây ứng với kênh 4 của ảnh ngày 18/6/2016. Mối quan hệ này thể hiện sự Sentinel-2A) cũng được đánh giá. Hình 4 thể tương quan rất chặt chẽ (R = 0,95) giữa phổ ảnh hiện mối quan hệ của chlorophyll-a và các tỷ số và phổ mặt nước, giá trị sai số trung bình nhỏ kênh phổ nói trên sử dụng thuật toán hồi quy (0,001, tương ứng 2,9% giá trị trung bình) cho xác định đường cong tính toán. Theo đó, hàm thấy phương pháp hiệu chỉnh khí quyển đã lượng chlorophyll-a cho kết quả chính xác nhất thực hiện có độ chính xác cao, phù hợp cho khi sử dụng tỷ số kênh 5 trên kênh 4 của ảnh nghiên cứu.
7. N.T.T. Hà và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 2S (2016) 121-130 127 Hình 5. Mối quan hệ giữa: a) R(705)/R(665) đo được tại mặt nước - Rw() và ảnh - RI(); b) hàm lượng chlorophyll-a và tỷ số phổ phản xạ kênh 5 với kênh 4 của ảnh Sentinel-2A. Từ mối quan hệ nói trên (Hình 4a) hàm Sơ đồ phân bố không gian của hàm lượng lượng chlorophyll-a trong nước Hồ Tây ngày chlorophyll-a trong nước mặt Hồ Tây tính toán 18/6/2016 được xác định bởi hàm mũ và tỷ số từ ảnh Sentinel-2A dựa vào phương trình (5) kênh 5 trên kênh 4 của ảnh Sentinel-2A. Với hệ số xác định tương đối cao (r2 = 0,78), giá trị sai được trình bày trong Hình 6a. Theo đó, hàm số chuẩn của phép tính vào khoảng 0,12 g/L lượng chlorophyll-a trong nước hồ dao động từ cho thấy hàm lượng chlorophyll-a trong nước 42 g/L đến trên 1000 g/L. Vùng có hàm Hồ Tây có thể được tính tương đối chính xác từ lượng chlorophyll-a trên 500 g/L trải rộng đến tỷ số 2 kênh phổ ảnh nói trên bằng phương trình hàng trăm hecta. Theo như mô tả của Carlson hàm mũ sau: b5 và Simpson [23], khi chlorophyll-a trong nước 0,84 b4 (5) lớn hơn 500 g/L thì hiện tượng nở hoa xảy ra Cchlorophyll a 25,27 e và có thể gây chết một số loài cá mùa hè. Điều Trong đó: hàm lượng chlorophyll-a có đơn này phù hợp hiện tượng thực tế tại Hồ Tây vào b ngày 6/7/2016 khi cá chết dạt vào phần ven hồ vị là (g/L); 5 ứng với tỷ số kênh 5 trên phía cuối đường Bưởi được ghi nhận bởi bản tin b4 kênh 4 của ảnh Sentinel-2A sau khi đã hiệu VTC (VTC News ngày 6/7/2016). chỉnh khí quyển. G n Hình 6. Sơ đồ phân bố hàm lượng chlorophyll-a (a) và chỉ số trạng thái phú dưỡng (TSI) tương ứng của nước Hồ Tây tính toán từ ảnh Sentinel-2A chụp ngày 18/6/2016. ;
8. 128 N.T.T. Hà và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 2S (2016) 121-130 Từ kết quả tính toán hàm lượng Lời cảm ơn chlorophyll-a trong nước mặt Hồ Tây, Hình 6b mô hình hóa sự phân bố không gian của chỉ số Nghiên cứu này được thực hiện dưới sự tài trạng thái phú dưỡng của nước hồ TSI dựa trên trợ của Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ phân loại của Carlson và Simpson [23]. Theo Quốc gia cho đề tài NAFOSTED mã số 105.08- đó, phần lớn diện tích mặt nước Hồ Tây (99% 2013.12. Tác giả bài báo xin trân trọng cảm ơn tổng diện tích) ở trạng thái siêu phú dưỡng sự tài trợ của Quỹ, đồng cảm ơn tới ESA và trong tháng 6/2016 (TSI > 70). Đặc biệt, vùng Trung tâm CARGIS, Trường Đại học Khoa học có TSI > 80 trải rộng, chiếm gần 50% tổng diện Tự nhiên - ĐHQGHN vì đã cung cấp ảnh tích mặt nước hồ gây chết các loại cá nhỏ sống Sentinel và thiết bị đo phổ hiện trường cho ở tầng mặt. Kết quả này là một trong những nghiên cứu này. bằng chứng giải thích vì sao các loài cá sống ở tầng giữa và đáy (họ cá Chép) chiếm ưu thế trong hệ sinh thái Hồ Tây [26]. Tài liệu tham khảo [1] Ritchie, J.C., J.R. McHenry, F.R. Schiebe and R.B. Wilson, The relationship of reflected solar 4. Kết luận radiation and the concentration of sediment in the surface water of reservoirs, Remote Sensing Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng of Earth Resources Vol. III (F. Shahrokhi, chlorophyll-a trong nước mặt của Hồ Tây có editor), The University of Tennessee Space thể tính toán từ tỷ số kênh 5 (705 nm) trên kênh Institute, Tullahoma, TN, pp. 57-72, 1974. 4 (655 nm) của ảnh Sentinel-2A. Kết quả về [2] Schalles, J.F., Schiebe, F.R., Starks, P.J., phân bố không gian của hàm lượng chlorophyll- Troeger, W.W., Estimation of algal and suspended sediment loads (singly and combined) a trong nước mặt tính toán từ ảnh Sentinel-2A using hyperspectral sensors and integrated giúp thành lập sơ đồ chỉ số trạng thái phú mesocosm experiments, Fourth International dưỡng của nước hồ và giải thích hiện tượng cá Conference on Remote Sensing for Marine and chết tại hồ trong mùa hè. Theo đó, hàm lượng Coastal Environments, Orlando, FL, 1997. chlorophyll-a trong nước mặt Hồ Tây dao động [3] EPA, Chapter 5: Trophic State of Lakes, In: từ 42 g/L đến trên 1118 g/L vào ngày National Lakes Assessment A collaborative 18/6/2016, ứng với mức TSI từ 60 đến 100. Survey of the Nation’s Lakes. EPA 841-R-09- Vùng có hiện tượng nở hoa ứng với mức 001, April 2010, pp. 44-46, 2010. [4] Schalles J. F., Optical remote sensing techniques chlorophyll-a > 500 g/L ứng với TSI > 80 to estimate phytoplankton chlorophyll – a phân bố ở vùng nước phía bắc hồ, có độ phủ concentrations in coastal waters with varying rộng trên 50% diện tích hồ. Qua nghiên cứu suspended matter and CDOM concentrations. In: này, ảnh Sentinel-2A với độ phân giải không Richardson L. L. and LeDew E.F., editors, gian của các kênh đa phổ 10m, thiết kế các Remote sensing of Aquatic Coastal Ecosystem kênh phổ hợp lý hoàn toàn phù hợp cho giám Processes: Science and Management sát chất lượng nước ở các hồ nội địa có diện Application. Netherlands: Springer, 27-78, 2009. tích nhỏ. Trong thời gian tới, nghiên cứu tương [5] Gitelson, A., Garbuzov, G., Szilgyi, F., Mittenzwey, K.H., Karnieli, A., Kaiser, A., tự nên được áp dụng cho các ảnh Sentinel-2A Quantitative remote sensing methods for real- thu được ở nhiều thời điểm khác nhau, thời time monitoring of inland waters quality. điểm đo chlorophyll-a và chụp ảnh cần tiến International Journal of Remote Sensing, 14, pp. hành đồng thời để đánh giá độ chính xác của 1269-1295, 1993. phương pháp tính và cũng như để hiểu rõ hơn [6] Quibell, “The Feasibility of Managing the quá trình phú dưỡng xảy ra tại Hồ Tây, từ đó có Nitrogen to Phosphorus Ratio in the những giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường Hartbeespoort Dam as a Means of Controlling Microcystis Scums”, Institute for Water Quality và cân bằng hiệu quả hệ sinh thái hồ hiệu quả. Studies Report No. N/A210/02/DEQ0492,
9. N.T.T. Hà và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 2S (2016) 121-130 129 Department of Water Affairs and Forestry, resolution remote sensing, Ph.D. thesis, Free Pretoria, 1992. University, Amsterdam, The Netherlands, 1993. [7] Palmer, S.C.J., Kutser, T., Peter, D.H., Remote [17] Gilerson, A.A., Gitelson, A.A., Zhou, J., Gurlin, sensing of inland waters: Challenges, progress D., Moses, W.J., Ioannou, I., Ahmed, S.A., and future directions. Remote Sensing of Algorithms for remote estimation of chlorophyll- Environment, 157, pp. 1-8, 2014. a in coastal and inland waters using red and [8] Toming K., Kutser T., Laas A., Sepp M., near-infrared bands. Optics Express, 18, pp. Paavel B., and Nõges T., 2016. First 24109-24125, 2010. Experiences in Mapping Lake Water Quality [18] Gitelson, A., The peak near 700 nm on radiance Parameters with Sentinel-2 MSI Imagery. spectra of algae and water: Relationships of its Remote Sens, 2016. magnitude and position with chlorophyll [9] Vanhellemont Q., and Ruddick K., Acolite for concentration. International Journal of Remote Sentinel-2: Aquatic Applications of MSI Sensing, 13, pp. 3367–3373, 1992. Imagery. The proceedings of the 2016 ESA [19] Han, L., Rundquist, D., Comparison of Living Planet Symposium, Prague, Czech NIR/RED ratio and first derivative of reflectance Republic, 9-13 May 2016, ESA Special in estimating algal-chlorophyll concentration: a Publication SP-740, 2016. case study in a turbid reservoir. Remote Sensing [10] Bukata, R.P., Bruton, J.E., Jerome, J.H., Jain, of Environment, 62, pp. 253-261, 1997. S.C., Zwick, H.H., Optical water quality model [20] Natural Environment Research Council, Post- of Lake Ontario. 2: Determination of chlorophyll processing field spectra in MATLAB (for GER a and suspended mineral concentrations of 1500 only), 2009. Online at: natural waters from submersible and low altitude optical sensors. Applied Optics, 20, pp. 1704- _in_MATLAB/Post_processing_field_spectra_i 1714, 1981. n_MATLAB.pdf (assessed on 30 May 2016). [11] Dekker, A.G., Malthus, T., Seyhan, E., [21] American Public Health Association (APHA), Quantitative modelling of inland water quality American Water Works Association, Water for high-resolution MSS systems. IEEE Environment Federation. Spectrophotometric Transactions on Geoscience and Remote determination of chlorophyll: 10200H.2. In Sensing, 29, pp. 89-95, 1991. Standard methods for the examination of water [12] Gitelson, A., Gurlin, D., Moses, W.J., Barrow, and wastewater, 22nd Edition; Rice, E. W., T., A bio-optical algorithm for the remote Baird, R. B., Eaton, A. D., Clesceri, L. S., Eds.; estimation of the chlorophyll-a concentration in APHA: Washington, DC, USA, pp. 10-23: case 2 waters. Environmental Research Letters, 10-24, 2012. 4/045003, pp. 5, 2009. [22] Parsons, T.R., Maita, Y., Lalli, C.M., A [13] Kallio, K., Koponen, S., Pulliainen, J., Manual of Chemical and Biological methods Feasibility of airborne imaging spectrometry for for seawater analysis, Pergamon Press, lake monitoring - a case study of spatial Oxford, 1984. chlorophyll a distribution in two meso-eutrophic [23] Carlson, R.E., Simpson, J., A Coordinator’s lakes. International Journal of Remote Sensing, Guide to Volunteer Lake Monitoring Methods. 24, pp. 3771-3790, 2003. North American Lake Management Society, [14] Koponen, S., Attila, J., Pulliainen, J., Kallio, K., Madison, WI, 1996. Pyhälahti, T., Lindfors, A., A case study of [24] Chavez, P. S. J., An Improved Dark-Object airborne and satellite remote sensing of a spring Subtraction Technique for Atmospheric bloom event in the Gulf of Finland. Continental Scattering Correction of Multispectral Data. Shelf Research, 27, pp. 228-244, 2007. Remote sensing of Environment, 24: [15] Matthews, M.W., Bernard, S., Winter, K., 459-479, 1988. Remote sensing of cyanobacteria-dominant algal [25] Carlson, R.E., 1977. A Trophic State Index for blooms and water quality parameters in Lakes. Limnol Oceanography, 22, pp. 361-369. Zeekoevlei, a small hypertrophic lake, using [26] Mai Đình Yên, Tổng quan các điều tra nghiên MERIS. Remote Sensing of Environment, 114 cứu về đa dạng sinh học của hồ Tây, Báo cáo (9), pp. 2070-2087, 2010. Hội thảo KH Dự án Nâng cao chất lượng nước [16] Dekker, A., Detection of the optical water Hồ Tây, 2001. quality parameters for eutrophic waters by high
10. 130 N.T.T. Hà và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 2S (2016) 121-130 First Experience in Modeling Spatial Distribution of Chlorophyll-a Concentration and TSI in the West Lake Water Using Sentinel-2A Image Nguyen Thi Thu Ha, Bui Dinh Canh, Nguyen Thien Phuong Thao, Bui Thi Nhi Faculty of Geology, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam Abstract: Estimation of chlorophyll-a concentration is a key topic of remote sensing applications for water environment. Monitoring spatial-temporal change of chlorophyll-a concentration in surface water helps better understand the water trophic state and eutrophication process within the waterbody. This study used field measured result of water reflectance and chlorophyll-a concentration and compared it to Sentinel-2A image band ratio of band 5 versus band 4 obtained in June 2016 to develop an estimation model for chlorophyll-a concentration. Result confirmed an accurate estimation model for chlorophyll-a concentration in the West Lake (Ho Tay) by an exponential function of band 5 versus band 4 ratio (r2 = 0.78, mean standard error = 0.12). Resultant maps of chlorophyll-a concentration and corresponding TSI spatial distribution within the West Lake water provided evidences to identify the cause of fish-kill phenomenon recorded in the lake in early July 2016. Study methods and data stated in this study can be applied into other lakes in Ha Noi city for more effective environmental management. Keywords: Remote sensing, chlorophyll, West Lake, TSI, Sentinel-2A.