SỬ DỤNG CHỈ SỐ NDWI VÀ MNDWI ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG TÀI NGUYÊN NƯỚC MẶT DƯỚI HOẠT ĐỘNG KHAI THÁC KHOÁNG SẢN

(1)

SỬ DỤNG CHỈ SỐ NDWI VÀ MNDWI ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG TÀI NGUYÊN NƯỚC MẶT DƯỚI HOẠT ĐỘNG KHAI THÁC KHOÁNG SẢN

TẠI HUYỆN HOÀNH BỒ, TỈNH QUẢNG NINH

Nguyễn Hải Hòa^*, Nguyễn Thị Ánh Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam

TÓM TẮT

Ứng dụng viễn thám và GIS trong đánh giá và giám sát tài nguyên môi trường đang sử dụng rộng rãi. Khu vực nghiên cứu có rất nhiều các mỏ khai thác khoáng sản đang hoạt động, song nguồn tài nguyên nước mặt chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hoạt động khai thác than. Kết quả ước tính diện tích che phủ bởi nước cho thấy có sự thay đổi đáng kể từ năm 2006 (1436.9 ha) so với năm 2016 (1784.8 ha), mà nguyên nhân chủ yếu là do hoạt động khai thác than. Giá trị chỉ số NDWI và MNDWI dương cho thấy sự tồn tại nước mặt, hai chỉ số về nước có thể sử dụng để phát hiện và đánh giá sự thay đổi diện tích che phủ bởi nước mặt, đặc biệt chỉ số MNDWI cho kết quả chính xác hơn NDWI. Do vậy, khi xây dựng bản đồ biến động nguồn tài nguyên nước mặt nên dùng chỉ số MNDWI. Nguồn tài nguyên nước mặt tại huyện Hoành Bồ biến động theo hướng tăng lên chủ yếu là do hoạt động khai thác khoáng sản tạo ra các khu vực hồ nước nhân tạo, trong khi đó một số nơi khác thì nguồn tài nguyên nước giảm đi do các hoạt động san lấp phục vụ các dự án phát triển kinh tế xã hội của khu vực.

Từ khóa: Che phủ bề mặt, Hoành Bồ, khoáng sản, khai thác, NDWI, MNDWI, nước mặt, than

ĐẶT VẤN ĐỀ^*

Ảnh viễn thám có ý nghĩa rất quan trọng trong công tác giám sát và đánh giá biến động tài nguyên môi trường, việc ứng dụng tư liệu này đã và đang được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả hơn. Một trong những lĩnh vực đang được quan tâm là nghiên cứu phân bố tài nguyên nước mặt, các chỉ số NDWI (Normalised Difference Water Index - chỉ số khác biệt nước được chuẩn hóa) và MNDWI (Modified Normalised Difference Water Index- chỉ số khác biệt nước chuẩn hóa cải thiện) thường được sử dụng để phát hiện và phân biệt khu vực có nước bề mặt với các đối tượng khác.

Tại các khu vực khai thác khoáng sản thường có nhiều tác động tới sự phân bố tài nguyên nước mặt, những vị trí có nước mặt như ao, hồ sẽ bị mất do san lấp trong quá trình khai thác hay xuất hiện các ao, hồ chứa nước nhân tạo để phục vụ quá trình khai thác. Có thể nói việc khai thác khoáng sản ảnh hưởng khá nhiều tới sự phân bố và biến động nguồn tài nguyên nước mặt tại những nơi có hoạt động

*Tel: 0977 689948, Email: hoanh@vfu.edu.vn

khai thác diễn ra. Tuy nhiên, việc điều tra và đánh giá biến động tài nguyên nước mặt gặp khá nhiều khó khăn do phạm vi phân bố tài nguyên nước mặt rộng và rải rác, thiếu các dữ liệu quá khứ để đánh giá biến động. Việc sử dụng nguồn ảnh viễn thám kết hợp với GIS cho phép đánh giá biến động nguồn tài nguyên nước nhanh chóng và tính cập nhật hơn so với phương pháp khảo sát điều tra ngoài thực địa. Nghiên cứu sử dụng chỉ số NDWI và MNDWI để đánh giá biến động tài nguyên nước bề mặt dưới ảnh hưởng của các hoạt động khai thác khoáng sản được thực hiện tại huyện Hoành Bồ, tỉnh Quảng Ninh.

Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần làm cơ sở khoa học cho việc giám sát sự phân bố và biến động nguồn tài nguyên nước mặt dưới ảnh hưởng của hoạt động khai thác khoáng sản, từ đó cung cấp thêm các thông tin cho công tác giám sát quản lý nguồn tài nguyên nước mặt cũng như nghiên cứu mối quan hệ giữa hoạt động khai thác khoáng sản với chất lượng tài nguyên nước. Để góp phần giải quyết vấn đề trên, nghiên cứu này đã thực hiện với hai điểm chính. Một là, xây dựng bản đồ phân bố tài nguyên nước mặt giai đoạn

(2)

2006 – 2016 thông qua hai chỉ số NDWI và MNDWI. Hai là, xây dựng bản đồ biến động tài nguyên nước bề mặt giai đoạn 2006 – 2016 và xác định nguyên nhân thay đổi.

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu tập trung các khu vực có tài nguyên nước bề mặt và nơi có các hoạt động khai thác khoáng sản diễn ra thuộc huyện Hoành Bồ.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Tư liệu sử dụng: Nghiên cứu đã sử dụng các dữ liệu thứ cấp, bao gồm các báo cáo về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội của địa phương, các số liệu về các hoạt động khai thác khoáng sản từ năm 2006 đến 2016, các bản đồ tài nguyên, các tư liệu ảnh viễn thám Landsat và Sentinel từ năm 2006 - 2016 (Bảng 01).

Phương pháp nghiên cứu: Để giải quyết nội dung nghiên cứu đưa ra, đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau (Sơ đồ 01).

Hình 01. Khu vực nghiên cứu của đề tài - Phương pháp tiền xử lý ảnh: Các bước tiền xử lý ảnh bao gồm chuyển đổi giá trị số - DN

(Digital Numbers) của ảnh thành giá trị bức xạ, phản xạ phổ; hiệu chỉnh hình học, cắt ảnh theo ranh giới khu vực nghiên cứu. Các kênh ảnh dùng để tính toán các chỉ số sau khi hiệu chỉnh được gộp lại với nhau và cắt bỏ các phần không thuộc ranh giới khu vực nghiên cứu trước khi thực hiện tính toán các chỉ số.

Một lớp dữ liệu ranh giới khu vực huyện Hoành Bồ được sử dụng để cắt tách khu vực nghiên cứu của đề tài ra khỏi tờ ảnh.

- Tính toán chỉ số khác biệt nước NDWI và MNDWI:

Band MNDWI Band



 

Bảng 01. Tư liệu viễn thám được sử dụng trong nghiên cứu

TT Mã ảnh Ngày chụp Độ phân giải (m) Path/Row

1 LT51260452006310BJC00 06/11/2006 30x30 126/45

2 LT51260452008316BKT00 11/11/2008 30x30 126/45

3 LT51260452010305BKT00 01/11/2010 30x30 126/45

4 LC81260452014364LGN00 30/12/2014 30x30 126/45

5

S2A_OPER_PRD_MSIL1C_PDMC_2016 1202T110044_R118_V20161202T032112 _20161202T032112.SAFE

02/12/2016 10x10 Sentinel

6 Bản đồ đồ hành chính huyện Hoành Bồ 2011 1:50.000 Phòng TNMT huyện Nguồn: https://earthexplorer.usgs.gov

(3)

- Đánh giá độ chính xác của bản đồ phân bố nước bề mặt:

100 (%) x

TSM TSMPL ĐCXTT 

Trong đó:

- ĐCXTT: là độ chính xác tổng thể (%) - TSMPL: là tổng số mẫu phân loại đúng - TSM: là tổng số mẫu.

- Phương pháp điều tra, phỏng vấn: Đối với những từ liệu ảnh quá khứ mà không có dữ liệu kiểm chứng, đề tài tiến hành phỏng vấn người dân và cán bộ địa chính Phòng tài nguyên Môi trường huyện để xác định vị trí tọa độ ngoài thực địa thông qua GPS Garmin 650, các vị trị tọa độ sau đó được chuyển vào bản đồ để phục vụ việc phân loại ảnh.

- Xác định biến động nguồn nước mặt: Đề tài tiến hành cộng các lớp thông tin về hiện trạng phân bố nước mặt để xây dựng bản đồ biến động nguồn nước mặt của khu vực nghiên cứu. Cụ thể, đề tài đã cộng lớp thông tin hiện trạng phân bố nước mặt năm 2006 với lớp thông tin hiện trạng phân bố nước mặt năm 2008 để xây dựng bản đồ biến động diện tích nguồn tài nguyên nước mặt giai đoạn 2006 đến năm 2008. Tương tự xây dụng bản đồ biến động diện tích nguồn nước mặt giai đoạn 2008 - 2010, 2010 - 2014 và giai đoạn 2014 – 2016.

Sơ đồ 1. Tổng quát phương pháp xây dựng bản đồ phân bố nước mặt khu vực nghiên cứu

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hiện trạng phân bố tài nguyên nước mặt huyện Hoành Bồ

Kết quả tính toán giá trị chỉ số khác biệt về nước (NDWI) và chỉ số khác biệt nước hiệu chỉnh (MNDWI) đi đến một số nhận xét sau - Các giá trị hai chỉ số NDWI và MNDWI đều mang giá trị dương là đối tượng là nước (Hình 02).

- Giá trị NDWI thay đổi từ năm 2006 đến 2016, điều này cho thấy nước bề mặt thay đổi theo thời gian nghiên cứu. Cụ thể giá trị NDWI vào năm 2006 dao động từ -0.574 ÷ 0.334; -0.728 ÷ 0.578 (năm 2008); -0.699 ÷ 0.478 (năm 2010); - 0.738 ÷ 0.613 (năm 2014); -0.733 ÷ 0.654 (năm 2016). Tương tự như NDWI, giá trị MNDWI cũng có sự thay đổi từ năm 2006 đến năm 2016.

Cụ thể giá trị MNDWI vào năm 2006 dao động từ -0.693 ÷ 0.808; -0.546 ÷ 1.055 (2008); -0.589

÷ 1.049 (2010); -0.457 ÷ 1.029 (2014); -0.653 ÷ 0.911 (2016).

- Có sự khác biệt giữa giá trị NDWI và MNDWI trong các năm tương ứng: MNDWI qua các năm đều có giá trị lớn hơn so với giá trị NDWI, khoảng giá trị của chỉ số MNDWI rộng hơn so với khoảng giá trị của chỉ số NDWI.

- Về khả năng tăng cường tính năng nước của chỉ số khác biệt nước NDWI và chỉ số khác biệt nước hiệu chỉnh, thì chỉ số NDWI thường bị ảnh hưởng bởi mây, địa hình và bởi các yếu tố khác nhiều hơn so với chỉ số MNDWI.

- Khu vực có giá trị NDWI và MNDWI càng lớn thì độ sâu mực nước tại đó càng cao. Kết quả phân tích cho thấy giá trị cực tiểu và cực đại của cả hai chỉ số qua các năm đều có sự khác biệt điều đó có thể thấy được rằng độ sâu của mực nước mặt có sự biến động qua các năm.

- Do khu vực nghiên cứu tương đối rộng, nên đối với các khu vực sông suối nhỏ, nên rất khó phận biệt phân biệt nhận dạng trên bản đồ khi dựa vào hai chỉ số NDWI và MNDWI đều khó và bị lẫn với giá trị của các đối tượng khác trong khu vực.

(4)

Hình 02. Hiện trạng diện tích che phủ bề mặt bởi nước năm 2006 (Landsat 5); 2016 (Sentinel 2A) Đánh giá độ chính xác của bản đồ phân bố

không gian nước bề mặt

Để đánh giá độ chính xác bản đồ phân loại phân bố không gian nước bề mặt, đề tài đã tiến hành thu thập các điểm kiểm chứng thông qua GPS Garmin 650. Do không có số liệu thu thập ở thời điểm quá khứ đổi với các năm ảnh 2006, 2008, 2010 và 2014, nên đề tài chỉ tập trung đánh giá độ chính xác của bản đồ vào năm 2016, còn các năm khác sẽ dựa trên kết quả điều tra và phỏng vấn người dân địa phương. Kết quả đánh giá được thể hiện tại Bảng 02.

Bảng 02. Kết quả đánh giá độ chính xác của bản đồ phân bố không gian nước bề mặt năm 2016

Bản đồ

Thực địa Nước Đối

tượng khác

Tổng

Nước 34 11 45

Đối tượng khác 5 35 40

Tổng 39 46 85

Độ chính xác bản đồ 81.2%

Bảng 03. Diện tích nước và các đối tượng khác qua các năm

Năm

Diện tích Nước

(ha)

Tỷ lệ (%)

Đối tượng khác (ha)

Tỷ lệ (%) 2006 1436.9 1.73 81562.3 98.3 2008 1570.7 1.89 81428.5 98.1 2010 1857.8 2.24 81141.4 97.8 2014 1368.5 1.65 81630.7 98.4 2016 1784.8 2.15 81208.4 97.8 Qua Bảng 02 cho thấy độ chính xác của bản đồ là 81.2%. Kết quả này có thể có thấy việc sử dụng chỉ số NDWI và MDWI để xác định phân bố tài nguyên nước mặt là phù hợp

(Feyisa et., al. 2014; Gautam et., al. 2015).

Kết quả tính toán diện tích bề mặt che phủ bởi nước giai đoạn 2006- 2016 được tổng hợp tại Bảng 03. Kết quả tổng hợp tại Bảng 03 cho thấy nguồn nước mặt tại huyện Hoành Bồ qua các năm đều có sự biến động, rõ nhất là các năm 2010, 2014 và 2016.

Biến động diện tích nước mặt tại khu vực nghiên cứu qua các giai đoạn

Qua phân tích và so sánh hai chỉ số NDWI và MNDWI, có thể thấy rằng chỉ số MNDWI ít bị ảnh hưởng nhiều bởi sự che phủ của mây và bởi các yếu tố khác. Theo nghiên cứu của tác giả Xu (2005) [8] đã công bố cho thấy rằng so với chỉ số NDWI thì chỉ số MNDWI cho kết quả hiển thị tính năng nước tốt hơn và ít bị ảnh hưởng bởi đất xây dựng, địa hình. Từ các kết quả trên đề tài lựa chọn sử dụng chỉ số MNDWI để phân loại đối tượng nước và xây dựng bản đồ biến động nguồn tài nguyên nước mặt tại huyện Hoành Bồ, tỉnh Quảng Ninh (Hình 02).

Đánh giá nguyên nhân biến động

Giai đoạn 2006 - 2008: Giai đoạn chưa có các hoạt động khai thác than trên địa bàn huyện. Ở giai đoạn này diện tích nước tăng lên chủ yếu tập trung ở một nhánh đầu nguồn của khu vực hồ Yên Lập có sự mở rộng về chiều rộng của nhánh hơn so với năm 2006.

Tổng diện tích che phủ bởi nước tăng lên là 133.8 ha từ năm 2006 đến 2008 (tương đương là 9.3%). Về diện tích nước giảm đi theo khảo sát thực tế cho thấy các vùng này chủ yếu được san lấp theo các dự án về phát triển kinh tế.

(5)

Hình 03. Biến động diện tích che phủ bề mặt bởi nước khu vực nghiên cứu Giai đoạn 2008 - 2010: Giai đoạn này cho

thấy sự phân bố của nước mặt có sự biến động đáng kể. Theo kết quả tính toán diện tích thì vùng nước giữ nguyên có diện tích năm 2008 là 1570.7 ha so với năm 2010 là 1857.8 ha, có thể thấy giai đoạn này nước mặt bị tác động khá nhiều bởi các hoạt động của con người. Tổng diện tích nước tăng lên ở giai đoạn này là 287.1 ha (tương ứng là 18.3%). Có thể nói ở giai đoạn này diện tích nước có sự biến động biến động lớn về diện tích nước bề mặt so với giai đoạn 2006- 2008.

Giai đoạn 2010- 2014: Giai đoạn này cho thấy diện tích nước mặt có nhiều biến động theo hướng giảm diện tích nước mặt. Diện tích nước mặt giảm ở các vùng gần đường bờ biển do sự triển khai của các dự án phát triển kinh tế xã hội dẫn tới một số ao hồ được san lấp. Giai đoạn này diện tích nước mặt giảm là 489.3 ha (26.3%).

Giai đoạn 2014- 2016: Giai đoạn này chủ yếu là nguồn tài nguyên nước mặt tăng lên. Có thể thấy được tại khu vực xã Hòa Bình có thêm các hồ nước nhỏ do hoạt động khai thác than để lại. Theo khảo sát người dân thì khu vực này sau hơn một năm hoạt động do không có than nên đã dừng hoạt động và tạo thành một hồ nước lớn tại khu vực mỏ. Một số hồ nhỏ được hình thành tại khu vực xã nằm trong khu vực của dự án An Lạc Viên. Tổng diện tích nước mặt tăng lên từ năm 2014 – 2016 là 416.3 ha (30.4%). Lượng nước mặt giảm đi chủ yếu thuộc khu vực gần mỏ khai thác than tại xã Quảng La.

KẾT LUẬN

Việc sử dụng tư liệu viễn thám và GIS trong đánh giá và giám sát tài nguyên môi trường được sử dụng rộng rãi. Kết quả nghiên cứu cho thấy có rất nhiều mỏ khai thác khoáng sản đang hoạt động, song nguồn tài nguyên nước mặt chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hoạt động khai thác than. Kết quả nghiên cứu cho thấy có sự biến động lớn về diện tích nước che phủ theo từng giai đoạn nghiên cứu, cụ thể chỉ số NDWI và MNDWI có thể sử dụng để đánh giá sự thay đổi tài nguyên nước mặt, diện nước tăng lên 133.8 (9.3%) giai đoạn 2006- 2008, giai đoạn 2008- 2010 tăng lên 287.1 (18.3%), giai đoạn 2010- 2014 giảm xuống 489.3 (26.3%), giai đoạn 2014- 2016 tăng lên 416.3% (30.4%). Kết quả tính toán cho thấy chỉ số MNDWI cho kết quả chính xác hơn chỉ số NDWI. Do vậy, khi xây dựng bản đồ biến động nguồn tài nguyên nước mặt nên dùng chỉ số MNDWI.

Nguồn tài nguyên nước mặt tại huyện Hoành Bồ biến động theo hướng tăng lên chủ yếu là do hoạt động khai thác khoáng sản tạo ra các khu vực hồ nước nhân tạo, trong khi đó, một số nơi thì nguồn tài nguyên nước giảm đi do các hoạt động san lấp phục vụ các dự án phát triển kinh tế xã hội của khu vực.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Du, Y., Zhang, Y., Ling, F., Wang, Q., Li, W., Li, X (2016), “Water bodies’ mapping from Sentinel-2 imagery with modified normalised difference water index at 10-m spatial resolution

(6)

produced by sharnpening the SWIR band”, Remote Sens, 8, pg. 1-19.

2. Gao, B (1996), “NDWI - A normalized difference water index for remote sensing of vegetation liquid water from space”, Remote Sens.

Environ, 58, pg. 257 - 266.

3. Gautam, V.K., Gaurav, P.K., Murugan, P., Annadurain, M (2015), “Assessment of Surface Water Dynamicsin Bangalore using WRI, NDWI, MNDWI, Supervised Classification and K-T transformation”, Aquatic Procedia, 4, pg. 739 - 746.

4. Feyisa, G., Meilby, H., Fensholt, R., Proud, S.R (2014), “Automated Water Extraction Index: A new technique for surface water mapping using Landsat imagery”, Remote Sensing of Environment, 140, pg. 23-35.

5. McFeeters, S.K (1996), “The use of the Normalized Difference Water Index (NDWI) in

the delineation of open water features”, International Journal of Remote Sensing, 17, pg.

1425-1432.

6. Rokni, K., Ahmad, A., Selamat, A., Hazini, S (2014), “Water Feature Extraction and Change Detection Using Multitemporal Landsat Imagery”, Remote Sens, 6, pg. 4173-4189.

7. Szabo, S., Gacsi, z., Balazs, N (2016), “Specific features of NDVI, NDWI and MNDWI as reflected in land cover categories”, Landscape &

Environment, 10, pg.194-202.

8. Xu, H (2006), “Modification of normalised difference water index (NDWI) to enhance open water features in remotely sensed imagery”, International Journal of Remote Sensing, 27, pg.

3025-3033.

SUMMARY

USING NDWI AND MNDWI TO QUANTIFY THE CHANGES IN SURFACE WATER UNDER THE MINING ACTIVITIES IN HOANH BO DISTRICT, QUANG NINH PROVINCE

Nguyen Hai Hoa^*, Nguyen Thi Anh Vietnam National University of Forestry

Remote sensing and GIS in environmental assessment and monitoring have been extensively and intensively applied. The study site is wellknown by many mining exploitations, but the variation of surface water is mainly affected by the coal exploitations. Estimating the area covered by water shown that there have been significant changes in the surface water since 2006 (1436.9 ha) compared to 2016 (1784.8 ha), mainly due to coal mining. The positive values of NDWI and MNDWI have indicated that there is the existence of surface water, two water indices can be used to detect and assess the changes in surface area, particularly the MNDWI, which offers more accurate. Therefore, the MNDWI should be used when mapping the surface water resources. In short, surface water resource in Hoanh Bo district has fluctuated mainly due to coal exploitation activities creating artificial lake areas, while in other places have experienced the reduction of surface water due to the regional socio-economic development projects.

Keywords: Coal, exploitation, Hoanh Bo, NDWI, MNDWI, mineral, surface water, surface cover.

Ngày nhận bài: 04/7/2017; Ngày phản biện: 04/8/2017; Ngày duyệt đăng: 30/9/2017

*Tel: 0977 689948, Email: hoanh@vfu.edu.vn