Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá tổng hợp điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội phục vụ phát triển nuôi trồng thủy sản nước lợ (Nghiên cứu trường hợp tại khu vực Long Thành - Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:96

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu nhằm ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá biến động chất lượng nước thông qua hai chỉ số hàm lượng Chlorophyll-a và SPM phục vụ phát triển nuôi trồng thủy sản nước lợ của khu vực nghiên cứu; xác định khả năng ứng dụng ảnh VNREDSat-1 trong giám sát chất lượng nước, hỗ trợ công tác nuôi trồng thuỷ hải sản. Từ đó, xây dựng một công cụ phần mềm mã nguồn mở nhằm đưa ứng dụng dữ liệu ảnh viễn thám được phổ biến đến người dùng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá tổng hợp điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội phục vụ phát triển nuôi trồng thủy sản nước lợ (Nghiên cứu trường hợp tại khu vực Long Thành - Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------- HOÀNG HẢI ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS ĐÁNH GIÁ TỔNG HỢP ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN NUÔI TRỒNG THỦY SẢN NƯỚC LỢ (NGHIÊN CỨU TRƯỜNG HỢP TẠI KHU VỰC LONG THÀNH - NHƠN TRẠCH, TỈNH ĐỒNG NAI) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2019
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------- HOÀNG HẢI ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS ĐÁNH GIÁ TỔNG HỢP ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN NUÔI TRỒNG THỦY SẢN NƯỚC LỢ (NGHIÊN CỨU TRƯỜNG HỢP TẠI KHU VỰC LONG THÀNH - NHƠN TRẠCH, TỈNH ĐỒNG NAI) Chuyên ngành : Bản đồ viễn thám và hệ thông tin địa lý Mã số : 60440214 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đinh Thị Bảo Hoa XÁC NHẬN HỌC VIÊN ĐÃ CHỈNH SỬA THEO GÓP Ý CỦA HỘI ĐỒNG Giáo viên hướng dẫn Chủ tịch hội đồng chấm luận văn thạc sĩ khoa học ` PGS.TS. Đinh Thị Bảo Hoa TS. Bùi Quang Thành Hà Nội - 2019
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới cô Đinh Thị Bảo Hoa, người đã tận tình hướng dẫn, động viên cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi cũng xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến các thầy cô trong khoa Địa lý, gia đình, bạn bè và đặc biệt là những đồng nghiệp tại phòng Quản lý và Khai thác ảnh vệ tinh, Trung tâm Điều khiển và Khai thác vệ tinh nhỏ, Viện Công nghệ vũ trụ đã hỗ trợ, khích lệ, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2019 Tác giả luận văn Hoàng Hải i
MỤC LỤC MỤC LỤC .............................................................................................................................ii DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................................... iv DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................. vi MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết.................................................................................................................. 1 2. Câu hỏi nghiên cứu ........................................................................................................ 3 3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................. 3 4. Phạm vi, đối tượng và giới hạn nghiên cứu ................................................................... 4 5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................ 5 6. Cơ sở tài liệu .................................................................................................................. 5 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................................ 6 8. Cấu trúc của luận văn ..................................................................................................... 6 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................... 7 1.1. Chỉ tiêu chất lượng nước trong nuôi trồng thủy sản ............................................... 7 1.1.1. Nuôi trồng thủy sản .............................................................................................. 7 1.1.2. Chất lượng nước trong nuôi trồng thủy sản .......................................................... 7 1.1.3. Chlorophyll-a (Chl-a) trong nuôi trồng thủy sản .................................................. 9 1.2. Ứng dụng viễn thám - GIS trong đánh giá chất lượng nước phục vụ nuôi trồng thủy sản .................................................................................................................................... 12 1.2.1. Ứng dụng viễn thám trong đánh giá chất lượng nước ........................................ 12 1.2.2. Ứng dụng GIS trong đánh giá chất lượng nước ................................................. 16 1.2.3. Sử dụng dữ liệu viễn thám trong nghiên cứu và đánh giá chất lượng nước ....... 18 1.3. Cơ sở viễn thám và GIS trong đánh giá, giám sát chất lượng nước tại khu vực nghiên cứu ........................................................................................................................ 25 1.4. Phương pháp thực hiện.............................................................................................. 28 1.4.1. Lựa chọn thông số đánh giá chất lượng nước .................................................... 28 1.4.2. Thu thập dữ liệu ảnh vệ tinh ............................................................................... 32 1.4.3. Quy trình xử lý dữ liệu ....................................................................................... 33 1.4.4. Xây dựng công cụ phân tích dữ liệu viễn thám và GIS ...................................... 35 CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ HỘI TÁC ĐỘNG TỚI PHÁT TRIỂN NUÔI TRỒNG THỦY SẢN TẠI KHU VỰC NGHIÊN CỨU .............................. 50 ii
2.1. Đặc điểm tự nhiên ..................................................................................................... 50 2.1.1. Vị trí địa lý.......................................................................................................... 50 2.1.2. Địa hình .............................................................................................................. 51 2.1.3. Đặc điểm khí hậu và thời tiết.............................................................................. 52 2.1.4. Tài nguyên thiên nhiên ....................................................................................... 53 2.2. Đặc điểm kinh tế - xã hội .......................................................................................... 54 2.2.1. Tình hình phát triển kinh tế ................................................................................ 54 2.2.2. Hiện trạng về hạ tầng .......................................................................................... 59 2.2.3. Nguồn nhân lực .................................................................................................. 60 2.3. Tình hình tái cơ cấu lĩnh vực thủy sản trong khu vực nghiên cứu ............................ 61 2.3.1. Quy hoạch chi tiết nuôi trồng thủy sản tập trung huyện Nhơn Trạch ................ 61 2.3.2. Thực trạng........................................................................................................... 63 2.3.3. Tái cơ cấu ngành thủy sản .................................................................................. 68 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN NUÔI TRỒNG THỦY SẢN NƯỚC LỢ TẠI KHU VỰC NGHIÊN CỨU ................................... 70 3.1. Kết quả của công cụ phần mềm ................................................................................ 70 3.2. Đánh giá độ chính xác ............................................................................................... 75 3.2.1. Kết quả điều tra thực địa..................................................................................... 75 3.2.2. So sánh kết quả tính toán trên ảnh và trên thực địa ............................................ 81 3.3. Thảo luận ................................................................................................................... 82 KẾT LUẬN.......................................................................................................................... 85 KIẾN NGHỊ ......................................................................................................................... 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 87 iii
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Hàm lượng chất rắn lơ lửng được phân tích qua ảnh Landsat 8 tại cửa sông Đáy (Ảnh chụp ngày 8, tháng 12, năm 2013).............................................................................. 15 Hình 1.2. Ảnh Landsat ETM+ chụp lưu vực sông với các kênh phổ khác nhau ................. 20 Hình 1.3. Đặc tính phản xạ và hấp thụ của nước ................................................................. 27 Hình 1.4. Khoảng hấp thụ phổ của Chl-a và Chl-b.............................................................. 29 Hình 1.5. Sơ đồ dữ liệu ảnh VNREDSat-1 sử dụng trong khu vực nghiên cứu .................. 33 Hình 1.6. Quy trình xử lý dữ liệu ảnh vệ tinh ...................................................................... 34 Hình 1.7. Các hợp phần của phần mềm ............................................................................... 38 Hình 1.8. Các dạng dữ liệu Vector ...................................................................................... 39 Hình 1.9. Các trường hợp giao cắt đối tượng dạng vùng..................................................... 40 Hình 1.10. Phổ phản xạ các đối tượng phân tích trên ảnh VNREDSat-1 ............................ 43 Hình 1.11. Ảnh khu vực nghiên cứu và sản phẩm tách nước .............................................. 44 Hình 1.12. Sơ đồ phân bố phổ của các kênh phổ VNREDSat-1 ......................................... 47 Hình 2.1. Vị trí huyện Nhơn Trạch ...................................................................................... 50 Hình 2.2. Biểu đồ thống kê xu hướng diện tích nuôi trồng thủy sản tỉnh Đồng Nai ........... 56 Hình 2.3. Bản đồ lớp phủ huyện Nhơn Trạch năm 2015 ..................................................... 64 Hình 2.4. Bản đồ thủy văn huyện Nhơn Trạch năm 2015 ................................................... 65 Hình 2.5. Bản đồ nước mặt huyện Nhơn Trạch năm 2015 .................................................. 66 Hình 3.1. Giao diện hiệu chỉnh khí quyển cho ảnh VNREDSat-1 ...................................... 70 Hình 3.2. Ảnh trước và sau khi hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển................................. 70 Hình 3.3. Công cụ tính toán Chlorophyll-a từ ảnh VNREDSat-1 ....................................... 71 Hình 3.4. Bản đồ phân bố hàm lượng Chlorophyll-a từ ảnh VNREDSat-1 chụp ngày 22/4/2017 ............................................................................................................................. 71 Hình 3.5. Bản đồ vật chất lơ lửng chiết xuất từ ảnh VNREDSat-1 ..................................... 72 Hình 3.6. Sơ đồ các điểm mẫu thực địa ............................................................................... 76 iv
Hình 3.7. Biểu đồ giá trị Chl-a trong các ngày lấy mẫu (đợt 1) .......................................... 78 Hình 3.8. Biểu đồ giá trị Chl-a trong các ngày lấy mẫu (đợt 2) .......................................... 79 Hình 3.9. Biểu đồ Chl-a tại vị trí sông Thị Vải qua các ngày và giờ lấy mẫu ..................... 80 Hình 3.10. Biểu đồ Chl-a tại khu vực nuôi trồng thủy sản qua các ngày và giờ lấy mẫu ... 80 Hình 3.11. Biểu đồ Chl-a tại khu vực nước lặng ven sông Thị Vải qua các ngày và giờ lấy mẫu....................................................................................................................................... 81 Hình 3.12. Kết quả tính toán Chl-a từ ảnh khu vực lấy mẫu và vị trí các điểm mẫu .......... 81 Hình 3.13. Tương quan giữa giá trị đo thực địa và kết quả tính từ ảnh ............................... 82 v
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Tiêu chuẩn nước cho nuôi trồng thủy sản ....……………………….................. 09 Bảng 1.2. Quan hệ giữa lượng Chlorophyll và chất lượng nước ....................................... 11 Bảng 1.3. Đặc điểm một số loại dữ liệu VT trong nghiên cứu tài nguyên nước ................ 22 Bảng 1.4. Dữ liệu ảnh VNREDSat-1 đã thu thập được ……………………….................. 32 Bảng 2.1. Thống kê diện tích thành phần nước mặt huyện Nhơn Trạch năm 2015 ........... 66 Bảng 3.1. Hàm lượng Chl-a và SPM của các cảnh ảnh VNREDSat-1 khu vực nghiên cứu……………………………………………………………………................................73 Bảng 3.2. Kết quả phân tích mẫu nước đợt 1 ..................................................................... 77 Bảng 3.3. Kết quả phân tích mẫu nước đợt 2 ..................................................................... 78 Bảng 3.4. Giá trị Chl-a thực địa và trên ảnh (đơn vị µg/L) ................................................ 82 vi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Tỉnh Đồng Nai là nơi có hoạt động nuôi trồng thủy sản hầu như phân bố đồng đều khắp toàn tỉnh và được chia thành hai vùng riêng biệt: vùng nước ngọt và vùng ngập mặn Long Thành – Nhơn Trạch. Ngành thủy sản Đồng Nai đã và đang phát triển theo hướng tăng giá trị sản xuất, với nhiều mô hình nuôi thủy sản có hiệu quả cho năng suất sản lượng cao. Ngày 18/7/2016, UBND tỉnh Đồng Nai đã ra quyết định số 2253/QĐ-UBND Phê duyệt Kế hoạch thực hiện tái cơ cấu lĩnh vực thủy sản giai đoạn 2016 -2020, định hướng đến năm 2030. Điều này đã thể hiện vị thế quan trọng của ngành thủy sản tại tỉnh Đồng Nai. Với mục tiêu “Tận dụng triệt để các lợi thế, khắc phục các khó khăn để phát triển ngành thủy sản của tỉnh”, một trong những nhiệm vụ được đặt ra là cần phải quy hoạch hợp lý, hiệu quả, phù hợp với điều kiện thực tế. Theo đó, khu vực xã Phước An, huyện Nhơn Trạch đã được quy hoạch đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng để phát triển nuôi trồng thủy sản; đây cũng là khu vực được lựa chọn để tập trung nghiên cứu, điều tra, khảo sát thực địa. Tuy nhiên, một trong những khó khăn, hạn chế khi thực hiện công tác quy hoạch, phát triển nuôi trông thủy sản trong khu vực nghiên cứu là các thông tin về chất lượng nước còn chưa đầy đủ. Mặc dù, Chi cục Thủy sản, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã có những trạm đo nhưng số lượng còn ít, số liệu vẫn còn hạn chế; đồng thời chỉ tập trung vào một số khu vực nhất định. Do vậy, các số liệu còn chưa đồng nhất trên diện rộng,và chưa có tính chu kỳ trong thời gian dài. Điều này dẫn đến những khó khăn nhất định cho việc cung cấp thông tin cho quy hoạch. Bên cạnh đó, theo quy hoạch tổng thể của tỉnh tại khu vực Long Thành – Nhơn Trạch, không chỉ có sân bay quốc tế mà còn có nhiều các khu công nghiệp với các quy mô lớn, nhỏ các cơ sở hạ tầng giao thông, cấp nước, xử lý nước thải đang được thiết kế, cấp phép triển khai. Như vậy, trong tương lai, chất lượng nước khu vực này có thể bị ảnh hưởng bởi nước thải hoạt động của các khu công nghiệp, dự án ở đây và qua đó, ảnh hưởng không nhỏ đến công tác quy hoạch, phát triển 1
nuôi trồng hải sản trong khu vực. Vì vậy, giám sát chất lượng nước trong khu vực là yêu cầu cần thiết, phục vụ thiết thực công tác quản lý, quy hoạch phát triển nuôi trồng thủy sản tại đây. Việc ứng dụng công nghệ viễn thám vào ngành thủy sản đã và đang có những thay đổi nhanh chóng và tích cực. Tuy vậy, đây vẫn là lĩnh vực ứng dụng còn chưa mạnh, hầu hết là để phục vụ quản lý mang tính chất cục bộ, nên dẫn đến dữ liệu còn manh mún. Mặt khác, tính khả thi và mức độ thành công phụ thuộc rất nhiều vào dữ liệu đầu vào, đây là thứ mà ngành còn đã và đang thiếu. Vấn đề quản lý nuôi trồng, quy hoạch và phát triển sẽ gặp không ít khó khăn. Trong đó, việc theo dõi biến động nuôi trồng thủy sản sẽ được đặt lên hàng đầu thông qua việc giám sát chất lượng nước để đưa ra các đánh giá về quy hoạch nuôi trồng, nhằm xác định tính tương thích cao nhất cho từng vùng, cũng như phát hiện ô nhiễm nguyên nhân gây dịch bệnh cho vật nuôi. Với những ưu điểm như độ phủ rộng, có tính lịch sử, kế thừa, tính thời sự, tính đồng nhất và tương quan cao của nhiều đối tượng trong cùng một thời điểm, dữ liệu viễn thám cho phép cập nhật thông tin một cách chính xác nhất, hiệu quả nhất đồng thời giảm thời gian, kinh phí, đặc biệt là cho các khu vực rộng lớn. Bên cạnh đó, GIS là một công cụ thực sự hữu hiệu không chỉ cho nghiên cứu đánh giá vùng thích nghi nuôi trồng thủy sản mà còn cho rất nhiểu các lĩnh vực khác. Tuy nhiên, khi sử dụng công cụ này vào đánh giá thích nghi cần phải kết hợp với điều tra đánh giá điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế xã hội, các chỉ số môi trường vùng nuôi, chất lượng nước, .. để đưa ra các thông tin đầy đủ và chính xác nhất, hỗ trợ đề xuất quy hoạch vùng nuôi thực sự có hiệu quả và bền vững. Với những lý do trên, luận văn nghiên cứu: “Ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá tổng hợp điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội phục vụ phát triển nuôi trồng thủy sản nước lợ (Nghiên cứu trường hợp tại khu vực Long Thành - Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai)” đã được chọn nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS ở địa phương, góp phần thúc đẩy sự tham gia của các ứng dụng sử dụng ảnh viễn thám và GIS trong phát triển kinh tế xã hội. Thực tế cho thấy 2
rằng, người sử dụng trực tiếp các dữ liệu này thường có chuyên môn về viễn thám khá hạn chế, mà chỉ chuyên sâu về lĩnh vực thủy sản. Vì vậy, không dễ để có thể khai thác hiệu quả dữ liệu ảnh viễn thám thông qua các phần mềm xử lý ảnh thương mại phổ biến hiện nay. Do đó, nghiên cứu này sẽ tập trung phân tích các đặc điểm tự nhiên và đặc điểm kinh tế xã hội tại khu vực, từ đó phát triển một công cụ phần mềm trên cơ sở mã nguồn mở, sử dụng ngôn ngữ tiếng Việt và giảm thiểu thao tác xử lý chiết tách thông tin từ dữ liệu ảnh, nhằm giúp người dùng có thể dễ dàng thực hiện các bước thu thập thông tin từ ảnh viễn thám để trợ giúp một cách tốt nhất cho việc quy hoạch nuôi trồng thủy sản nói chung, nuôi trồng thủy sản nước lợ nói riêng. Trong giới hạn nghiên cứu, dữ liệu ảnh viễn thám của Việt nam hiện nay là ảnh vệ tinh VNREDSat-1 được sử dụng để phân tích và đánh giá chỉ số hàm lượng Chlorophyll-a trong chất lượng môi trường nước. 2. Câu hỏi nghiên cứu - Yếu tố chất lượng nước nào của điều kiện tự nhiên ảnh hưởng đến phát triển nuôi trồng thủy sản nước lợ tại khu vực nghiên cứu? - Liệu dữ liệu ảnh viễn thám nói chung, ảnh VNREDSat-1 của Việt Nam nói riêng có thể cung cấp thông tin về chất lượng nước không? Có thể xây dựng một phần mềm đơn giản, dễ sử dụng nhằm ứng dụng rộng rãi việc chiết tách thông số chất lượng nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh này. 3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu - Mục tiêu nghiên cứu: + Ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá biến động chất lượng nước thông qua hai chỉ số hàm lượng Chlorophyll-a và SPM phục vụ phát triển nuôi trồng thủy sản nước lợ của khu vực nghiên cứu. + Xác định khả năng ứng dụng ảnh VNREDSat-1 trong giám sát chất lượng nước, hỗ trợ công tác nuôi trồng thuỷ hải sản. Từ đó, xây dựng một công cụ phần mềm mã nguồn mở nhằm đưa ứng dụng dữ liệu ảnh viễn thám được phổ biến đến người dùng. - Nhiệm vụ nghiên cứu: 3
+ Thu thập và phân tích tổng quan các nguồn tài liệu về đặc điểm tự nhiên, đặc điểm kinh tế xã hội, hiện trạng sử dụng đất, các quy hoạch – điều chỉnh quy hoạch tại khu vực nghiên cứu. + Xây dựng cơ sở dữ liệu khoa học trợ giúp quy hoạch, quản lý nuôi trồng thủy sản nước lợ tại khu vực + Điều tra, khảo sát thực địa, lấy mẫu nước và phân tích các chỉ số chất lượng nước + Nghiên cứu đặc điểm của dữ liệu ảnh viễn thám VNREDSat-1. Từ đó cho thấy khả năng chiết tách các thông số chất lượng nước (Chlorophyll-a và độ đục - SPM) từ dữ liệu ảnh VNREDSat-1. + Xây dựng công cụ phần mềm mã nguồn mở tiếng Việt để xử lý, chiết tách thông số chất lượng nước Chlorophyll-a và SPM từ ảnh VNREDSat-1. 4. Phạm vi, đối tượng và giới hạn nghiên cứu - Phạm vi không gian: Do các đặc điểm tự nhiên về vùng nước lợ, lưu vực sông Thị Vải, thuộc huyện Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai được lựa chọn tập trung nghiên cứu. Trong đó, thực hiện khảo sát thực địa khu vực xã Phước An, huyện Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai. - Đối tượng nghiên cứu: Các nghiên cứu chỉ ra rằng khả năng sử dụng viễn thám trong đánh giá chất lượng nước phục vụ cho nuôi trồng thủy sản rất hiệu quả. Từ ảnh vệ tinh có thể xác định được các tham số như vật chất lơ lửng, Chlorophyll- a (Chl-a) và vật chất hữu cơ hòa tan có màu. Trong các tham số này, tham số Chl-a thể hiện sự phong phú của thực vật phù du hay sự phú dưỡng của nước và là tham số có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước trong các ao nuôi thủy sản. Nước có sự phú dưỡng thấp sẽ có ít thức ăn cho các loại thủy sản, ngược lại độ phú dưỡng cao sẽ làm thiếu ô xi trong nước. Do đó, tham số này được lựa chọn nghiên cứu để giám sát chất lượng nước phục vụ công các quy hoạch nuôi trồng thủy sản trong khu vực nghiên cứu. - Giới hạn nghiên cứu: Qua phân tích, tổng hợp các yếu tố tự nhiên và điều kiện kinh tế xã hội của khu vực, có thể thấy tác động của hàm lượng Chl-a và SPM 4
trong chỉ tiêu chất lượng nước ảnh hưởng rất lớn đến nuôi trồng thủy sản nói chung, nuôi trồng thủy sản nước lợ nói riêng tại khu vực nghiên cứu. Chính vì vậy, nghiên cứu này sẽ tập trung phát triển và sử dụng công nghệ viễn thám và GIS cụ thể là phát triển một công cụ phần mềm GIS mã nguồn mở để đánh giá các chỉ số này ảnh hưởng như thế nào đến phát triển nuôi trồng thủy sản tại khu vực. 5. Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp thu thập, tổng hợp, phân tích và kế thừa thông tin tài liệu: về hiện trạng kinh tế xã hội, điều kiện tự nhiên môi trường, các nghiên cứu và tài liệu có liên quan đến luận văn  Phương pháp viễn thám: xử lý dữ liệu ảnh vệ tinh, chiết tách thông tin chuyên đề về Chl-a và độ đục.  Phương pháp điều tra khảo sát thực địa, thu thập mẫu: Mẫu nước được lấy chủ yếu tại 3 địa điểm ở lưu vực sông Thị Vải, xã Phước An, huyện Nhơn Trạch vào 2 thời điểm tháng 4 và tháng 10 năm 2017. Sau phân tích, thu được chỉ số hàm lượng Chlorophyll-a.  Phương pháp GIS phân tích, xử lý ảnh vệ tinh, vẽ bản đồ: giải đoán, chiết tách thông tin từ ảnh vệ tinh, điều vẽ trên máy tính, sử dụng GIS để chồng lớp thông tin nền và thành lập các bản đồ, nội suy sự phân bố chỉ tiêu chất lượng nước bằng hình ảnh và kết quả thực địa thông qua các điểm phân tán lấy mẫu nước đã thu thập được.  Phương pháp lập trình mã nguồn mở: Phát triển công cụ phân tích dữ liệu GIS và viễn thám dựa trên nền tảng hệ điều hành mã nguỗn mở Linux - Ubuntu và ngôn ngữ lập trình Python. 6. Cơ sở tài liệu - Ảnh VNREDSat-1 ngày 15/4/2015 và ngày 22/4/2017 với độ phân giải không gian đối với ảnh toàn sắc là 2,5m; đối với ảnh đa phổ tương ứng là 10m; độ rộng của cảnh ảnh là 17,5 km; 4 kênh đa phổ ( blue, green, NIR, red); thời gian chụp lặp lại: 3 ngày 5
- Bộ dữ liệu thực nghiệm chỉ số Chlorophyll-a là kết quả của các chuyến đi điều tra thực địa: đợt 1: từ 16/4 đến 22/4 năm 2017; đợt 2 từ 29/9 đến 7/10 năm 2017. - Bản đồ địa hình Đồng Nai dạng bản đồ số đã có đến tỉ lệ 1:25000 gồm 32 mảnh. - Bản đồ sử dụng đất tỉnh Đồng Nai tỷ lệ 1:50.000 thành lập năm 2010. - Dữ liệu thống kê kinh tế - xã hội: Niên giám thống kê tỉnh Đồng Nai 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Về khoa học: Khẳng định dữ liệu ảnh VNREDSat-1 của Việt Nam có thể cung cấp thông tin về các chỉ số của chất lượng nước. Các thông tin này có thể sử dụng vào các ứng dụng khác có liên quan; gợi ý thêm cho các nhà nghiên cứu về việc sử dụng các chỉ số chất lượng nước tùy theo đặc điểm các vùng khác nhau. Kết quả của luận văn có thể bổ sung, nâng cao năng lực ứng dụng GIS và viễn thám tại địa phương về xử lý ảnh viễn thám, chiết tách thông tin từ ảnh viễn thám. Ý nghĩa thực tiễn: Từ nguồn dữ liệu ảnh viễn thám VNREDSat-1, luận văn đã sử dụng các mô hình tính toán hiện đang được sử dụng rộng rãi để xác định được các tham số liên quan đến chất lượng nước là Chlorophyll-a, SPM. Kết hợp với bản đồ hiện trạng lớp phủ, các công cụ GIS sẽ cho phép nhà quản lý lựa chọn được các khu vực phù hợp phát triển nuôi trồng thủy sản bền vững tại khu vực nghiên cứu. 8. Cấu trúc của luận văn Luận văn bao gồm 03 chương cùng với phần Mở đầu, Kết luận, Kiến nghị, Tài liệu tham khảo. Dưới đây là tiêu đề các chương: Chương 1: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu Chương 2: Các yếu tố tự nhiên và kinh tế xã hội tác động tới phát triển nuôi trồng thủy sản tại khu vực nghiên cứu Chương 3: Ứng dụng viễn thám và GIS phục vụ phát triển nuôi trồng thủy sản nước lợ tại khu vực nghiên cứu 6
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1. Chỉ tiêu chất lượng nước trong nuôi trồng thủy sản 1.1.1. Nuôi trồng thủy sản Nuôi trồng thủy sản là bất kỳ phương tiện gì của con người nhằm cải thiện tăng trưởng của một thủy sinh vật nào đó trong một diện tích mặt nước nhất định. Nuôi trồng thủy sản là một hay nhiều sự tác động của con người nhằm can thiệp vào chu kỳ sống tự nhiên của một loài thủy sinh vật. Theo FAO (1988): Nuôi trồng thủy sản là nuôi các thủy sinh vật bao gồm cá, nhuyễn thể, giáp xác, và thủy thực vật. Nuôi thủy sản hàm ý một số hình thức can thiệp trong quá trình nuôi để thúc đẩy sản xuất chẳng hạn thả giống đều đặn, cho ăn, bảo vệ khỏi địch hại, v.v… Về mặt sở hữu cũng bao gồm cá thể và tập thể đối với các đối tượng nuôi. Hiện nay, nuôi trồng thuỷ sản được coi là ngành kinh tế mũi nhọn của nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Nuôi trồng thuỷ sản có vai trò quan trọng không chỉ đối với việc gia tăng sản lượng thuỷ sản, mang lại nguồn thu cho quốc gia, cải thiện đời sống mà còn giúp tái tạo và bảo vệ nguồn gen và môi trường sinh thái. Trong lĩnh vực nuôi trồng thuỷ sản, việc ứng dụng khoa học công nghệ tiên tiến ngày càng phổ biến và công nghệ viễn thám và GIS cũng là một trong số đó. Nuôi trồng thuỷ sản mặn, lợ: là thuật ngữ bao hàm tất cả các hình thức nuôi động vật và trồng thực vật thuỷ sinh trong các môi trường nước lợ và nước mặn (như cửa biển, đại dương ..). 1.1.2. Chất lượng nước trong nuôi trồng thủy sản Chất lượng nước đối với người nuôi trồng thủy sản chính là chất lượng nước cho phép nhân giống thành công các sinh vật mong muốn. Mật độ nuôi thả trong nuôi trồng thủy sản thường lớn hơn gấp ngàn lần so với môi trường hoang dã. Các yêu cầu về chất lượng nước sẽ được quyết định bởi giống sinh vật được nuôi trồng và các thành phần khác đan xen vào nhau. Đôi khi một thành phần có thể được xử lý một cách riêng biệt, nhưng do tính chất tương tác phức tạp giữa chúng, một hỗn 7
hợp của các thành phần sẽ được đưa ra. Sự tăng trưởng cùng với tỷ lệ sống quyết định năng suất cuối cùng. [6] Chất lượng nước trong nuôi trồng thủy sản bao gồm tất cả các yếu tố vật lý, hóa học và sinh học. Sự biến động của các yếu tố này đều ảnh hưởng đến năng suất nuôi. Có rất nhiều tham số để đánh giá chất lượng nước. Mỗi nhóm tham số lại có những phương pháp đo đạc, xác định khác nhau. Các thông số lý học - Nhiệt độ (biến động theo ngày và theo mùa) - Độ mặn (biến động theo thủy triều và theo mùa) - Hạt (chất rắn): thành phần (hữu cơ và vô cơ), kích thước, hàm lượng - Màu sắc - Ánh sáng: tổng năng lượng chiếu sáng hằng năm, cường độ năng lượng bức xạ, chất lượng ánh sáng, thời gian chiếu sáng (chu kỳ trong ngày). Các thông số hoá học - pH và độ kiềm - Khí: tổng áp suất khí, oxy, nitơ, CO2, H2S - Chất dinh dưỡng: các hợp chất nitơ, các hợp chất photpho, kim loại vi lượng và sự hình thành - Các hợp chất hữu cơ: dễ phân hủy, không phân hủy - Các hợp chất độc: kim loại nặng, bioxit Các thông số sinh học - Vi khuẩn (chủng loại và mật độ) - Virút - Nấm - Khác Chất lượng môi trường nước tự nhiên chịu ảnh hưởng rất nhiều của các loại thủy sinh vật. Sự phong phú của phiêu sinh vật ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ sáng và độ đục, oxy hòa tan, chất dinh dưỡng vô cơ, pH và độ cứng của nước. Do đó, theo 8
dõi sự phát triển của các loại thủy sinh vật như tảo có thể gián tiếp đánh giá được chất lượng môi trường nước. Bảng 1.1. Tiêu chuẩn nước cho nuôi trồng thủy sản 1.1.3. Chlorophyll-a (Chl-a) trong nuôi trồng thủy sản Thông thường, khi nhắc đến Chlorophyll chúng ta sẽ nghĩ ngay đến tảo. Tảo còn được gọi là tản thực vật thallophytes, là những thực vật thiếu rễ, thiếu là và 9
thiếu cả thân, bù lại chúng có Chlorophyll đóng vai trò như sắc tố quang hợp sơ cấp. Chlorophyll-a (Chl-a) là sắc tố chính tham gia quá trình quang hợp của tảo và oxygen được phóng thích từ quá trình quang hợp này. Tất cả các thực vật phiêu sinh vật đều có chứa Chl-a. Các phiêu sinh vật này có thể là thực vật phù du hoặc động vật phù du. Thực vật phù du là các loại thủy sinh vật cực nhỏ, ít hoặc không chịu được dòng chảy và sống trôi nổi lơ lửng trong nước sạch, nước lợ hoặc nước biển tùy từng loại. Các phiêu sinh vật có thể là đơn bào, là ký sinh vật, hoặc có thể là dạng nhiều sợi nhỏ. Hàm lượng Chl-a có liên quan mật thiết với sinh khối của các thực vật phiêu sinh vật này, và nó là một chất chỉ thị của lượng tảo. Chl-a được sử dụng để đánh giá chất lượng sơ bộ ban đầu của nguồn nước. Nhất là hiện nay việc nuôi thủy sản đang được gia tăng thì Chl-a cũng đóng vai trò là một trong các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước đảm bảo cho sự phát sản thủy sản nuôi. Hàm lượng Chl-a trong tảo thông thường chiếm khoảng 1-2% trọng lượng khô của tảo. [7] Hầu hết các tảo cát đều phát triển tốt ở nhiệt độ 12 - 25°C trong khi tảo lục phát triển tốt ở 35°C và cao hơn. Lượng phiêu sinh vật phát triển nhiều vào mùa hè trong thời gian có nhiều ánh nắng mặt trời chiếu vào nước, nhưng trong mùa mưa, các chất lơ lửng gia tăng làm cản trở năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Một số tảo lục, tảo mắt và dinoflagellate có thể phát triển trong môi trường oxy thấp và lượng dinh dưỡng vô cơ cao, điều này xảy ra trong nước phú dưỡng. Nhóm tảo lục thích sống trong nước nghèo dinh dưỡng, đó là môi trường nước sạch và có độ cứng thấp, nhóm này cũng thích môi trường pH 4 - 6.5 hơn trong khi tảo lam thích môi trường có pH 9 - 10. Tuy vậy, phiêu sinh vật thường có tỷ lệ phát triển cao trong nước phú dưỡng, vì vậy nồng độ Chl-a có thể chỉ thị tình trạng nước như sau: 10
Bảng 1.2. Quan hệ giữa lượng Chlorophyll và chất lượng nước Tình trạng nước Nghèo dinh Dinh dưỡng Phú dưỡng Đại phú dưỡng trung bình dưỡng Chl-a 0.3-3 3-10 10-100 >100 (μg/l, mg/m3) Hiện tượng Chlorophyll thay đổi theo thời gian là một hiện tượng tự nhiên. Nồng độ Chlorophyll cao sau những cơn mưa, đặc biệt là mưa có đem theo nhiều chất dinh dưỡng vào nguồn nước. Nồng độ Chlorophyll cao thường vào các tháng mùa hè khu nhiệt độ cao và cường độ ánh sáng cao. Chế độ thủy triều cũng là một vấn đề quan trọng trong việc kiểm soát nồng độ này. Thủy triều mạnh sẽ làm xáo trộn và nồng độ Chlorophyll sẽ giảm vì thời gian lưu lại của tảo ở vùng ánh sáng giảm. Thủy triều xáo trộn làm tăng chất rắn lơ lửng và tăng độ đục do đó làm giảm lượng ánh sáng cho quá trình quang hợp. Việc tăng nồng độ Chlorophyll có thể phản ánh được lượng chất dinh dưỡng cũng tăng. Thực vật phù du đóng một vai trò quan trọng trong việc ổn định hệ sinh thái của toàn bộ ao và trong việc giảm thiểu những biến động của chất lượng nước. Quần thể thực vật phù du thích hợp làm phong phú thêm hàm lượng oxy thông qua quang hợp dưới ánh sáng ban ngày và làm giảm mức độ khí CO2, NH3, NO2 và H2S. Phát triển quần thể thực vật phù du lành mạnh có thể làm giảm các chất độc hại vì thực vật phù du có thể tiêu thụ NH4 và kết hợp với kim loại nặng … Do Chl-a thể hiện mối tương tác giữa dinh dưỡng môi trường, các yếu tố khí hậu và sự phát triển của quần thể sinh vật trong môi trường nên nó trở thành một thông số quan trọng trong việc giám sát chất lượng nước nói riêng và môi trường nói chung. 11
1.2. Ứng dụng viễn thám - GIS trong đánh giá chất lượng nước phục vụ nuôi trồng thủy sản Ở trong nước cũng có nhiều ứng dụng liên quan đến sử dụng GIS và viễn thám trong giám sát, quản lý nuôi trồng thủy sản. Có thể kể đến như ứng dụng GIS và AHP xây dựng bản đồ thích nghi nuôi tôm nước lợ tại huyện Tuy Phong tỉnh Bình Thuận hay ứng dụng hệ thống thông tin địa lý và viễn thám trong điều tra, phân tích hiện trạng nuôi trồng thủy sản ở Đầm Sam Chuồn, huyện Phú Vang, tỉnh Thừa Thiên Huế. Tuy nhiên, trong các ứng dụng này chưa thấy có việc tính toán hay sử dụng tham số chất lượng nước. [3] Cũng đã có các đề tài, dự án liên quan đến theo dõi, kiểm soát chất lượng nước ở tỉnh Đồng Nai như ứng dụng mô hình SWAT và chỉ số chất lượng nước đánh giá chất lượng nước mặt tại lưu vực sông La Ngà và xây dựng phần mềm quản lý tổng hợp số liệu quan trắc chất lượng nước mặt lưu vực hệ thống sông Đồng Nai dựa trên công nghệ WebGIS. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu sử dụng số liệu quan trắc từ mẫu thực tế, chưa sử dụng nhiều và sâu rộng các dữ liệu viễn thám nên có thể chưa phải là cách tiếp cận hiệu quả. [1] Các tài liệu thu thập được đã minh chứng rằng viễn thám và GIS có khả năng ứng dụng trong giám sát, đánh giá chất lượng nước phục vụ nuôi trồng thủy sản nói riêng cũng như trợ giúp quy hoạch phát triển kinh tế, xã hội nói chung. Các nghiên cứu cũng cho thấy bài toán quy hoạch là bài toán đa nghành được quyết định bởi các nhà quản lý. GIS và viễn thám ở đây có thể sử dụng hiệu quả với vai trò như một công cụ trợ giúp cung cấp thông tin một cách nhanh chóng với quy mô lớn, tiết kiệm thời gian và kinh phí lại mang lại hiệu quả cao. 1.2.1. Ứng dụng viễn thám trong đánh giá chất lượng nước Chất lượng nước là một thành phần quan trọng quyết định sự tồn tại của nhiều lợi ích mà con người đang hưởng lợi bao gồm lương thực, năng lượng, văn hóa và điều tiết tự nhiên. Rất nhiều những hoạt động của con người nằm trong mối ràng buộc chặt chẽ với hệ sinh thái đã đặt ra nhu cầu nắm bắt thông tin về sức khỏe của 12