ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Nguyễn Ngọc Anh
ỨNG DỤNG VIỄN THÁM GIÁM SÁT SỰ SUY GIẢM HÀM LƢỢNG
CHLOROPHYLL DO Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG BIỂN TỈNH CÀ MAU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2013 ii
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Nguyễn Ngọc Anh

1.1 Sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu ô nhiễm môi trƣờng biển 5
1.1.1 Tổng quan sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu vùng biển ở trong
nước và nước ngoài 5
1.1.2 Các loại ảnh viễn thám ứng dụng nghiên cứu biển và đại dương 7
1.2 Chlorophyll-a 24
1.2.1 Khái niệm Chlorophyll-a 24
1.2.2 Chlorophyll-a trong nghiên cứu ô nhiễm môi trường biển 24
1.2.3 Chlorophyll-a từ dữ liệu vệ tinh MODIS 25
CHƢƠNG 2. KHU VỰC NGHIÊN CỨU CÀ MAU 29
2.1 Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên khu vực Cà Mau 29
2.1.1 Vị trí địa lý và địa hình 29
2.1.2 Chế độ khí hậu 30
2.1.3. Chế độ thủy hải văn 33
2.2 Điều kiện kinh tế - xã hội, môi trƣờng 38
2.2.1 Điều kiện kinh tế- xã hội 39
2.2.2 Thực trạng môi trường 48
CHƢƠNG 3. ĐÁNH GIÁ SỰ SUY GIẢM HÀM LƢỢNG CHLOROPHYLL-
A DO Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG 51 iv
3.1 Thành lập bản đồ Chlorophyll-a năm 2006-2007-2008 khu vực biển Cà
Mau từ ảnh vệ tinh MODIS 51
3.1.1 Quy trình thành lập bản đồ hàm lượng Chlorophyll-a 51
3.1.2 Thành lập bản đồ hàm lượng Chlorophyll-a trung bình các năm 2006-2008 53
3.2 Phân tích, đánh giá các kết quả giá trị hàm lƣợng Chlorophyll-a 58
3.2.1 Nghiên cứu mặt cắt vùng biển ô nhiễm dựa trên sự suy giảm hàm lượng
Chlorophyll-a 59
3.2.2 Tính toán diện tích vùng suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a 62
3.2.3 Nguyên nhân giả thiết gây ra sự cố làm suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a

Hình 1.6 Quỹ đạo bay của vệ tinh AQUA 16
Hình 1.7 Phân tử Chlorophyll 24
Hình 1.8 Quy trình xử lý Chl-a từ ảnh MODIS 27
Hình 2.1. Bản đồ hành chính tỉnh Cà Mau 29
Hình 2.2. Hướng gió thịnh hành mùa hè khu vực biển Cà Mau 32
Hình 2.3. Hướng gió thịnh hành mùa đông khu vực biển Cà Mau 32
Hình 2.4. Hệ thống sông và trạm đo hải văn Cà Mau 34
Hình 2.5. Tỷ trọng của các khu vực kinh tế 1997-2011 39
Hình 2.6. Nuôi tôm ở Cà Mau 41
Hình 2.7. Rừng tràm ở U Minh- Cà Mau 44
Hình 2.8. Khởi công xây dựng nhà máy đóng tàu Cà Mau 44
Hình 2.9. Đất mũi Cà Mau 45
Hình 2.10. Cửa biển Rạch Gốc 46
Hình 2.11. Các cống trên địa bàn tỉnh Cà Mau đang được triển khai xây dựng 47
Hình 3.1 Sơ đồ khối thành lập bản đồ chuyên đề 54
Hình 3.2 Ảnh tổ hợp màu MODIS độ phân giải 250m năm 2008 54
Hình 3.3. Bản đồ giá trị hàm lượng Chlorophyll-a khu vực biển Cà Mau 6 tháng đầu
năm 2006 55
Hình 3.4. Bản đồ giá trị hàm lượng Chlorophyll-a khu vực biển Cà Mau 6 tháng đầu
năm 2007 56
Hình 3.5. Bản đồ giá trị hàm lượng Chlorophyll-a khu vực biển Cà Mau 6 tháng đầu
năm 2008 57 vi
Hình 3.6 So sánh ảnh Chlorophyll-a qua các năm 2006-2007-2008 58
Hình 3.7 Vị trí mặt cắt nghiên cứu 59
Hình 3.8 Độ biến thiên chlorophyll-a ở mặt cắt thứ nhất 59
Hình 3.9 Độ biến thiên chlorophyll-a ở mặt cắt thứ hai 60
Hình 3.10 Độ biến thiên chlorophyll-a ở mặt cắt thứ ba 61

PGS.TS Doãn Hà Phong, thầy đã tạo mọi điều kiện, tận tình hướng dẫn và
giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này. Sự hiểu biết sâu sắc về khoa học,
cũng như kinh nghiệm của thầy chính là tiền đề giúp tôi đạt được những
thành tựu và kinh nghiệm quý báu.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến khoa Địa lý trường ĐH
KHTN, các thầy cô đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ và truyền đạt kiến thức
cũng như kinh nghiệm cho tôi trong suốt thời gian học tập.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các anh, chị làm việc tại Viện Khoa học Khí
tượng Thuỷ văn và Môi trường đã tận tình giúp đỡ, động viên và tạo nhiều
điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn! 1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Trong 6 tháng đầu năm 2007, tại 20 tỉnh, thành phố ven biển ở nước ta xảy ra
hiện tượng dầu thô trôi dạt vào bờ. Tổng lượng dầu thu gom là 2.071,3 tấn, trong đó
đã xử lý được 1.904,8 tấn. Dầu thô đã xuất hiện dọc bờ biển từ Hà Tĩnh đến Cà Mau
và tại các đảo như Cù Lao Chàm, Côn Đảo, Bạch Long Vỹ Quy mô của đợt ô
nhiễm dầu là rất lớn và kéo dài, tác động nghiêm trọng tới sự phát triển bền vững
của đất nước. Trong đó, ngành thủy sản và du lịch đã bị thiệt hại nặng nề do ô
nhiễm dầu.
Ở Cà Mau có diện tích nuôi trồng thủy sản lớn tập trung trên rừng đước Năm
Căn và rừng tràm U Minh Hạ. Những cây đước bị chặt phá bừa bãi, vừa để dành đất
nuôi tôm, làm rẫy, vừa lấy gỗ, hầm than bán. Tiếp sau phá rừng là việc tự ý đào
nhiều kênh xáng để dẫn và thoát nước. Nhiều cửa sông lớn như Bảy Háp, Cửa Lớn,
vùng bãi bồi phía tây huyện Ngọc Hiển bị lấn chiếm, làm cho lòng sông thu hẹp,
giảm tốc độ dòng chảy, tăng thêm mức độ ô nhiễm nước sông rạch trong nội đồng
và ven biển. Các đoàn tàu khai thác đánh bắt thủy sản ở đây lại thải rác, cặn dầu,

tôi chọn đề tài nghiên cứu “Ứng dụng viễn thám giám sát sự suy giảm hàm lượng
Chlorophyll do ô nhiễm môi trường biển tỉnh Cà Mau”.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
*) Mục tiêu nghiên cứu
Theo dõi, giám sát ô nhiễm môi trường biển khu vực Cà Mau thông qua sự
biến đổi hàm lượng Chlorophyll-a trung bình 6 tháng đầu các năm 2006, 2007 và
2008 thu nhận được từ ảnh vệ tinh MODIS.
*) Nhiệm vụ nghiên cứu
- Thu thập, hệ thống hoá, tổng hợp và đánh giá nguồn tài liệu, số liệu từ các dự
án, đề tài, báo cáo trước đây về nghiên cứu giám sát môi trường biển để tìm các
phương pháp tối ưu cho việc xử lý số liệu và tính toán tại khu vực nghiên cứu.
- Sử dụng ảnh vệ tinh MODIS để khảo sát trực tiếp hàm lượng Chlorophyll-a
trung bình 6 tháng đầu các năm 2006, 2007 và 2008 thuộc khu vực biển Cà Mau.
- Phân tích, đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường biển khu vực Cà Mau qua
hàm lượng chlorophyll – a (mg/m
3
) trên cơ sở ảnh vệ tinh MODIS. 3
3. Phạm vi nghiên cứu
- Phạm vi không gian : vùng biển tỉnh Cà Mau từ 8.3° đến 9.8° vĩ Bắc và từ
103.6° đến 106.1° kinh Đông.
- Phạm vi thời gian : 6 tháng đầu các năm 2006, 2007, 2008
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
*) Ý nghĩa khoa học: Góp phần khẳng định và mở rộng khả năng ứng dụng
phương pháp viễn thám phân giải trung bình vào việc nghiên cứu ô nhiễm môi
trường biển bằng việc theo dõi biến động hàm lượng Chlorophyll-a.
*) Ý nghĩa thực tiễn: Xây dựng phương pháp nghiên cứu đánh giá mức độ ô
nhiễm môi trường biển bằng chỉ số hàm lượng Chlorophyll-a, thông qua đó để giám

Chlorophyll-a theo trung bình năm.
- Phương pháp chuyên gia tư vấn: Tham khảo chuyên gia tư vấn trong lĩnh
vực đo đạc, giám sát môi trường nước.
6. Bố cục của đề tài
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan về nghiên cứu ô nhiễm môi trường biển
Chương 2. Khu vực nghiên cứu Cà Mau
Chương 3. Đánh giá sự suy giảm hàm lượng Chlorophyll-a do ô nhiễm môi
trường
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo 5
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM
MÔI TRƢỜNG BIỂN
Công ước Luật biển 1982 đã đưa ra một khái niệm khá toàn diện về ô nhiễm
môi trường biển. Ô nhiễm môi trường biển là “việc con người trực tiếp hoặc gián

và tần suất quan trắc còn quá thưa thớt so với vùng biển rộng lớn. Với ưu thế cung
cấp thông tin thường xuyên và liên tục, quan sát trong một vùng rộng lớn, ảnh viễn
thám đã được phát triển và ứng dụng ở nhiều nước trong nghiên cứu biển và đại
dương. Một số các đề tài, dự án và nghiên cứu trong nước ứng dụng nghiên cứu về
ô nhiễm trên vùng biển nước ta như:
- Đề tài cấp nhà nước “Ô nhiễm dầu trên vùng biển Việt Nam và biển Đông”
thuộc đề tài cấp Nhà nước mã số KC.09.22/06-10. PGS.TS. Nguyễn Đình
Dương_Viện Địa lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam làm chủ nhiệm [2]. Đề
tài khẳng định về cơ bản tư liệu siêu cao tần sẽ là tư liệu chủ đạo trong nhưng các tư
liệu quang học trong một số trường hợp cũng có thể cung cấp thông tin hữu ích và
kịp thời cho việc quan trắc vết dầu trên biển.
- Bài báo “Nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám quang học trong giám sát
ô nhiễm dầu trên vùng biển Việt Nam” năm 2007 của PGS.TS Doãn Hà Phong đã
đạt được mục tiêu nghiên cứu quan trắc hằng ngày và phát hiện các tai biến tràn
dầu, cũng như các sự cố khác trên biển (ô nhiễm chất hóa học) của ảnh MODIS dựa
vào giá trị hàm lượng Chlorophyll và một số yếu tố khác [7]. Từ đó cung cấp các số
liệu về phân bố, diện tích cho các mô hình dự báo để đưa ra các các phương án xử
lý tràn dầu xa bờ.
Các kết quả thu nhận được có ý nghĩa góp phần xây dựng cơ sở khoa học và
phương pháp luận về ứng dụng công nghệ Viễn thám và GIS vào nghiên cứu, theo
dõi và có thể cảnh báo sớm một số loại thiên tai, sự cố vùng biển của nước ta.
Trên thế giới, công nghệ viễn thám trong nghiên cứu biển và đại dương đã
được ứng dụng từ rất sớm:
- Tại Trung Quốc công nghệ viễn thám được ứng dụng nghiên cứu hiện tượng
thủy triều đỏ đã góp phần quan trọng trong việc cảnh báo thiên tai này (Coastal
Environment Remote Sensing in Bohai and Yellow Sea in China -Ling Sun, 2003)
- Tại Mỹ, công nghệ viễn thám được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: 7

8
Từ khi vệ tinh OrbView-2 được phóng lên quỹ đạo mang theo đầu thu chụp
SeaWiFS vào năm 1997, ảnh của nó đã được ứng dụng để quan sát bề mặt đại
dương. Các dữ liệu được phân tích từ ảnh sử dụng để nghiên cứu biển và đại dương
như năng suất sơ cấp, địa hóa sinh, nguồn dinh dưỡng và hiện tượng tảo độc trong
đại dương.
Các thế hệ vệ tinh tiếp theo được phóng lên sau đó (TERRA, AQUA,
ENVISAT, NOAA ) đã chứng minh sự thành công của loạt vệ tinh quan sát trái đất,
giúp cho các nhà khoa học nghiên cứu và theo dõi sự thay đổi của khí hậu trên hành
tinh. Vệ tinh NOAA có thể đo đạc SST (Sea Surface Temperature) tuy nhiên
NOAA không đo đạc trực tiếp được Chlorophyll-a vì vậy đề tài sử dụng MODIS.
TERRA là một vệ tinh quốc tế, có sự tham gia của các cơ quan nghiên cứu
hàng không vũ trụ Canada, Nhật Bản và Mỹ, được phóng lên quỹ đạo ngày
18/9/1999. Vệ tinh hoạt động ở độ cao 705 km, thu nhận dữ liệu khi bay từ phía Bắc
xuống phía Nam, qua xích đạo vào buổi sáng theo giờ địa phương, với mục đích
quan sát rõ bề mặt trái đất ở thời điểm ít mây nhất [12].
AQUA là vệ tinh được thiết kế tiếp theo TERRA, AQUA là một phần trong
Hệ thống quan sát trái đất (EOS) - Chương trình vệ tinh quan sát trái đất quốc tế do
Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) tiến hành. Vệ tinh AQUA được phóng
vào quỹ đạo ngày 4-5-2002, thu thập nguồn dữ liệu đa dạng toàn cầu. Hoạt động ở
quỹ đạo cận cực, độ cao 700 km, thời gian vòng quanh quỹ đạo 98,8 phút, theo
hướng bay lên qua xích đạo lúc 1h30 chiều, theo hướng bay xuống qua xích đạo lúc
1h30 sáng theo giờ địa phương. Nó cho phép thu nhận dữ liệu vào khoảng thời gian
trưa 1h30 bổ sung với dữ liệu buổi sáng 10h30 của vệ tinh TERRA. Với mục đích
thu nhận dữ liệu có độ khác biệt trong ngày (sáng/chiều), vệ tinh AQUA và TERRA
còn được gọi là vệ tinh EOS-PM và EOS-AM [12].
Bộ cảm biến MODIS (đặt trên vệ tinh TERRA và AQUA) được thiết kế để
thu thập nhiều loại thông tin khác nhau trong quá trình sinh học và vật lý của khí
quyển và trái đất bằng các thông số đo đạc trong dải phổ nhìn thấy và hồng ngoại,



Hình 1.1 Vệ tinh TERRA
(nguồn ISPRS Tutorial)

Hình 1.2 Quỹ đạo bay của vệ tinh TERRA
(Nguồn
Hình 1.2 là quỹ đạo bay của vệ tinh TERRA trong 1 ngày đêm vào ngày
12/10/2006. Trên hình thể hiện thời điểm mà vệ tinh TERRA bay qua.
Đặc điểm của bộ cảm biến MODIS- TERRA:
MODIS là một bộ cảm biến chủ yếu của vệ tinh TERRA. Bộ cảm biến có độ
rộng của dải quét là 2330km, chiều dài 10km, góc chụp là 55
o
. Bộ cảm biến MODIS
quét gần hết trái đất trong 1 ngày đêm trừ một số dải hẹp vùng xích đạo (Hình 1.).
Các dải này được phủ hết vào ngày hôm sau.
Nếu thu nhận dữ liệu ảnh vào ban ngày thì được 36 kênh phổ, nhưng nếu ban
đêm chỉ thu nhận được băng hồng ngoại nhiệt (từ kênh phổ 20 đến 36). 11
Ảnh vệ tinh thu nhận dạng 12 bit có 36 kênh phổ theo Bảng 1.1.

Hình 1.3 Dữ liệu ảnh vệ tinh thu nhận vào ngày 16/11/2002, những dải sọc trắng
không có dữ liệu sẽ được phủ vào ngày hôm sau.
(Nguồn
Bảng 1.1 Bảng thông số phổ của ảnh vệ tinh MODIS
Ứng dụng chính
Kênh phổ
Bƣớc sóng
Độ phân

438 – 448 nm
1000
10
483 – 493 nm
1000
11
526 – 536 nm
1000
12
546 – 556 nm
1000 12
13
662 – 672 nm
1000
14
673 – 683 nm
1000
15
743 – 753 nm
1000
16
862 – 877 nm
1000
Hơi nước trong khí quyển
17
890 – 920 nm
1000

Hơi nước
26
1.360 - 1.390 µm
1000
27
6.535 - 6.895 µm
1000
28
7.175 - 7.475 µm
1000
Tính chất mây
29
8.400 - 8.700 µm
1000
Ozone
30
9.580 - 9.880 µm
1000
Nhiệt độ của bề mặt và của
mây
31
10.780 - 11.280 µm
1000
32
11.770 - 12.270 µm
1000
Nhiệt độ của đỉnh các đám
mây
33
13.185 - 13.485 µm

180kg, tần số 912,5 MHz ± 300Hz và có tốc độ thu nhận ảnh là 13.20 Mbps.
Tổ hợp thiết bị EOS-SCANEX được thiết kế dựa trên việc hoạt động dựa
trên tiêu chuẩn của PC, người sử dụng có thể tự điều khiển trạm. Nhằm nâng cao
tính bảo mật của dữ liệu thu phát, dòng dữ liệu được mã hóa theo tiêu chuẩn Reed-
Solomon và Viterbi. Việc giải mã được tiến hành trong phần cứng của trạm thu
EOS-SCANEX. Công đoạn mở và lưu trữ dữ liệu ảnh được vệ tinh truyền về được 14
thực hiện bằng phần mềm Scannex. Dữ liệu được giải mã đơn giản được lưu trữ
mức L1B.
Trạm thu Eos-Scanex đặt tại Viện Vật Lý và Điện Tử thu nhận dữ liệu từ vệ
tinh TERRA, ảnh MODIS ở chế độ truyền trực tiếp. Ngoài ra trạm có khả năng thu
được ảnh của các vệ tinh độ phân giải cao của Liên bang Nga.
Khoảng cách liên kết giữa vệ tinh TERRA và trạm là 2575km ứng với góc
thiên đỉnh tại trạm thu là 5
o
và khoảng cách liên kết là 3082km tương ứng với góc
thiên đỉnh là 64
o
. Khoảng thu cho chất lượng ảnh tốt nhất là ứng với góc thiên đỉnh
từ 10
o
đến 60
o
.
Dữ liệu MODIS thu được tại trạm trên 36 kênh phổ. Các kênh 1, 2 có độ
phân giải 250m, các kênh 3,4,5,6,7 có độ phân giải 500m còn các kênh từ 8 đến 36
có độ phân giải 1000m. Độ rộng ảnh thu được: 1354 pixel (1km), 2708 pixel
(500m), 5416 pixel (250m) và chiều dài là 2030 pixel (1km), 4060 pixel (500m),

. Vệ tinh AQUA bay từ Bắc
xuống Nam qua xích đạo khoảng 13h30’.
Hình 1.5 Vệ tinh AQUA và các bộ cảm biến
(Nguồn: 16

Hình 1.6 Quỹ đạo bay của vệ tinh AQUA
(Nguồn
Hình 1.6 là quỹ đạo bay của vệ tinh AQUA trong 1 ngày đêm vào ngày
12/10/2006. Trên hình thể hiện thời điểm mà vệ tinh AQUA bay qua.
Đặc điểm của bộ cảm biến MODIS- AQUA
Bộ cảm biến MODIS ở vệ tinh AQUA có số kênh phổ tương tự như MODIS
của vệ tinh TERRA. Tuy nhiên MODIS-AQUA có những khác biệt:
- Do khiếm khuyết của MODIS-AQUA nên kênh phổ 5 (1.23 – 1.25 m), 6
(1.628 – 1.652 m) bị lỗi sọc trên ảnh
- Hiện tượng dòng điện từ ít xen vào kênh phổ hồng ngoại bước sóng ngắn
hơn.
- Tính được nhiệt độ bề mặt biển bằng kênh 31, 32 tốt hơn.

17
Bảng 1.2 Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS
1.

động/ kết
thúc
Độ phân
giải (m)
Số
lượng
kênh
phổ
Khoảng
phổ (nm)
CZCS
NASA
(USA)
Nimbus-7
(USA)
24/10/78-
22/06/88
825
6
433-
12500
OCTS
NASDA
(Japan)
ADEOS
(Japan)
17/8/96-
01/07/97
700
12

2004
1100
8
402-885
OCI
NEC
(Japan)
ROCSAT-1
(Taiwan)
02/1999
825
6
445-
12500
OCM
ISRO
(India)
IRS-P4
(India)

MODIS
Terra
NASA
(USA)
Terra
(USA)
18/12/99

(250,500)
34
405-
14385
CMODIS
CNSA
(China)
ShenZou-3
(China)
25/03/02-
15/09/02
400
34
403-
12500
COCTS
CNSA
(China)
HaiYang-1
(China)
15/05/02
1100
10
402-
12500
CZI
CNSA
(China)
HaiYang-1
(China)