0367 trực quan hóa dữ liệu quan trắc môi trường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF EDUCATION TẠP CHÍ KHOA HỌC ISSN: 1859-3100 JOURNAL OF SCIENCE KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ Tập 14, Số (2017): 120-130 NATURAL SCIENCES AND TECHNOLOGY Vol 14, No (2017): 120-130 Email: tapchikhoahoc@hcmue.edu.vn; Website: http://tckh.hcmue.edu.vn TRỰC QUAN HĨA DỮ LIỆU QUAN TRẮC MƠI TRƯỜNG Vũ Xuân Cường*, Lê Minh Vĩnh* Trường Đại học Tài ngun Mơi trường TP Hồ Chí Minh Ngày Tòa soạn nhận bài: 25-4-2017; ngày phản biện đánh giá: 29-5-2017; ngày chấp nhận đăng: 19-6-2017 TÓM TẮT Bài báo mô tả cách vận dụng phương pháp thể nội dung đồ để đưa giải pháp thể trực quan liệu quan trắc môi trường (minh họa với liệu quan trắc môi trường khơng khí TP Hồ Chí Minh) Theo đó, đồ phân vùng chất lượng đồ kí hiệu theo điểm với giá trị số chất lượng chung dùng cần thể thông tin tổng quát, phương pháp biểu đồ đồ với biểu đồ cột đồ thị radar dùng cần thể chi tiết kết đo thông số quan trắc Từ khóa: đồ chuyên đề, liệu quan trắc mơi trường, trực quan hóa liệu ABSTRACT Visualization of environmental monitoring data The article describes how to use cartographic principles to provide visualization solutions for environmental monitoring data (illustrated with Ho Chi Minh City air environment monitoring data) Accordingly, asymmetric map or point symbol map with general quality index are used when general information is required; point diagram maps with column charts or radar charts are used to display detailed measurement results of each monitoring parameter Keywords: thematic maps, environmental monitoring data, data visualization Đặt vấn đề Dữ liệu quan trắc môi trường liệu quan trọng để đánh giá chất lượng môi trường Ở Việt Nam nay, Nhà nước quan tâm đến việc xây dựng hệ thống mạng lưới quan trắc Theo kế hoạch thực Quy hoạch mạng lưới quan trắc Tài nguyên Môi trường Quốc gia [1], đến năm 2020, nước ta có 39 trạm quan trắc mơi trường (hiện có 23 trạm, xây 16 trạm), 771 điểm quan trắc (hiện có 571 điểm, xây 200 điểm) Các trạm điểm quan trắc cung cấp nguồn liệu phong phú phục vụ việc đánh giá, dự báo diễn biến thành phần mơi trường, làm sở cho cơng tác quản lí hoạch định sách, góp phần cải thiện mơi trường Các liệu quan trắc môi trường tài ngun có giá trị cần cơng bố rộng rãi Dữ liệu nhiều người quan tâm cấp độ nhu cầu khác từ nhận biết tổng thể đến phân tích chi tiết nhằm đưa định phù hợp Khi thực * Email: vxcuong@hcmunre.edu.vn TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Tập 14, Số (2017): 120130 cơng bố, hình thức thể cho hiệu phù hợp vấn đề cần đặt nhằm đáp ứng nhu cầu rộng rãi đa dạng người sử dụng Số liệu quan trắc số qua thời điểm vị trí khác giá trị, nồng độ chất quan trắc (gọi thông số quan trắc) Các số liệu lưu trữ cơng bố dạng bảng “có vẻ” rõ ràng, chi tiết khơng đem lại hiệu truyền thơng mong muốn khó hình dung Đặc biệt, thơng số thể ý nghĩa, mức độ nguy hại khác biết điều Mặt khác, chất, liệu quan trắc môi trường liệu khơng gian phải gắn với vị trí cụ thể bề mặt Trái Đất vậy, việc sử dụng đồ để thể vị trí điểm quan trắc với phương pháp thể thích hợp để biểu kết đo mang lại hiệu tích cực Hiện nay, báo cáo kết quan trắc môi trường tỉnh thường trình bày qua bảng số liệu biểu đồ có trang web giới [2], [3] nước [4] thể chất lượng môi trường đồ Tuy nhiên, hầu hết thể liệu tổng hợp chưa tận dụng phương pháp thể đa dạng, trực quan, vốn mạnh đồ chuyên đề Bài báo trình bày, đề xuất hình thức thể liệu quan trắc môi trường phân tích để đưa nhận định hiệu giải pháp Phương pháp liệu 2.1 Phương pháp Với chất liệu có tính khơng gian, liệu quan trắc mơi trường (và cần) thể qua đồ với phương pháp thể nội dung khác Việc quan tâm khai thác khía cạnh khơng gian liệu làm tăng giá trị thông tin Trong báo này, phương pháp thể trực quan liệu không gian (phương pháp thể nội dung đồ) vận dụng Bên cạnh đó, việc lựa chọn giải pháp phải dựa phân tích nhu cầu đặc điểm liệu theo bước sau (Hình 1): • Xác định mục tiêu Mục tiêu đặt tìm giải pháp thể trực quan liệu quan trắc môi trường nhằm đạt hiệu tốt việc công bố thông tin Hiệu tốt phản ảnh, đánh giá qua: - Mức độ phù hợp nhu cầu, nhận thức người đọc; - Mức độ sử dụng, khai thác tối đa nguồn liệu • Ý nghĩa, nội dung liệu quan trắc môi trường Dữ liệu quan trắc môi trường số liệu thu từ kết đo (tự động, bán tự động…) trạm cố định lưu động, định kì ngẫu nhiên nhiều thơng số tính chất vật lí, hóa học sinh học thành phần môi trường, theo kế hoạch lập sẵn thời gian, khơng gian, phương pháp quy trình đo lường, để cung cấp thơng tin có độ tin cậy, độ xác cao đánh giá diễn biến chất lượng môi trường [5] Xác định mục tiêu Đối tượng sử dụng nhu cầu Tìm hiểu chất, ý nghĩa liệu QT môi trường Thông tin cần cung cấp Lựa chọn giải pháp Thực nghiệm N Phù hợp Y Kết Hình Các bước thực phân tích nhu cầu đặc điểm liệu Về nội dung: Các liệu quan trắc đa dạng, tùy theo mục tiêu, nhiệm vụ việc quan trắc, thông số đo đạc khác Ví dụ, số liệu quan trắc mơi trường khơng khí gồm nhóm thơng số (khí tượng: độ ẩm, nhiệt độ, xạ…); nhóm thơng số hóa học (nồng độ chất chì, bụi, CO, SO2, NO2…), nhóm thơng số vật lí (tiếng ồn, mật độ xe…) [6] Khi giá trị, nồng độ chất vượt qua mức (gọi ngưỡng) gây nhiễm mơi trường Ngồi ra, sở tính tốn nồng độ chất thành phần, số chất lượng tổng hợp xác định; ví dụ, mơi trường khơng khí, ta có số chất lượng khơng khí AQI (Air Quality Index), mơi trường nước ta có số chất lượng nước WQI (Water Quality Index)… Mặc dù AQI, WQI số quan tâm thừa nhận rộng rãi giới quốc gia vùng áp dụng cách tính khác [7] Ở Việt Nam nay, áp dụng cách tính AQI theo cơng thức trình bày “Sổ tay hướng dẫn tính tốn số chất lượng khơng khí” Tổng cục Mơi trường ban hành Quyết định số 878/QĐ-TCMT [8] Về đặc điểm: Dữ liệu quan trắc phải gắn với vị trí khơng gian cụ thể thường đo nhiều thời điểm khác Như vậy, liệu quan trắc môi trường liệu khơng gian đa tiêu chí đa thời gian, điều địi hỏi có cách xử lí thể thích hợp Trong phạm vi này, không bàn đến việc thể liệu đa thời gian • Đối tượng sử dụng nhu cầu thơng tin Trong báo này, hai nhóm nhu cầu đề cập là: - Nhu cầu thông tin tổng hợp để đánh giá nhanh chất lượng mơi trường Đối tượng có nhu cầu nhà lãnh đạo, cộng đồng, nhà đầu tư cần nắm bắt tình hình chung… Những người thường cần trả lời câu hỏi: Ở đâu môi trường có/ khơng nhiễm, chất lượng có cải thiện/ không? Như vậy, đối tượng cần thông tin tổng hợp chất lượng môi trường, phản ảnh qua AQI, WQI… Theo quy định, thông tin phải bổ sung thông số cụ thể gây ô nhiễm - Nhu cầu thông tin chi tiết với thơng số cụ thể Đối tượng có nhu cầu thường nhà nghiên cứu, nhà quản lí cần đánh giá chi tiết tình hình để đưa sách, định phù hợp Nhóm đối tượng thường cần tra lời câu hỏi môi trường đã/ đang/ ô nhiễm chất thải nào, nguyên nhân nào, phân bố sao… làm để cải thiện môi trường Khi cung cấp giá trị đo thông số, để dễ hiểu, thông tin phải quy chuẩn so với quy định ngưỡng cho phép để đánh giá mức độ, nguyên nhân gây ô nhiễm Với nhu cầu vậy, thơng tin cần cung cấp (và hình thức thể hiện) cần lựa chọn cho phù hợp • Lựa chọn giải pháp Dữ liệu quan trắc môi trường liệu không gian nên để khai thác triệt để giá trị liệu, cần phải thể đồ với phương pháp thể trực quan khác tùy theo nội dung thông tin mục đích sử dụng Cụ thể là: - Sử dụng phương pháp kí hiệu theo điểm, biểu đồ định vị để thể liệu quan trắc vị trí trạm đo (vì liệu phân bố theo điểm) + Kí hiệu điểm dùng thể số AQI/WQI với màu thay đổi theo giá trị theo quy định ban hành + Biểu đồ định vị để thể tiêu Các biểu đồ dùng biểu đồ trịn, biểu đồ cột, đồ thị, biểu đồ radar Việc lựa chọn hình thức biểu đồ phải cân nhắc cho trường hợp cụ thể - Sử dụng phương pháp chất lượng để phân vùng chất lượng mơi trường (vì chất vấn đề mơi trường khơng khí phân bố theo diện) 2.2 Dữ liệu sử dụng Số liệu quan trắc mơi trường khơng khí ghi nhận 20 trạm, điểm quan trắc thuộc khu vực Thành phố Hồ Chí Minh thời điểm quý năm 2017 Các thông số đo gồm: CO, SO2, NOx, Bụi lơ lửng TSP (tính µg/m3) tiếng ồn (tính dBA) Dữ liệu có ý nghĩa minh họa không đề cập đến nội dung đa thời gian Kết thảo luận 3.1 Thể số chất lượng môi trường tổng hợp AQI Áp dụng cách tính AQI trình bày “Sổ tay hướng dẫn tính tốn số chất lượng khơng khí” [8], ta tính AQI từ số liệu đo Chỉ số cho biết tình trạng chất lượng mơi trường khơng khí điểm quan trắc với mức từ tốt (không ảnh hưởng đến sức khỏe) đến nguy hại (mọi người nên nhà) Hình Chất lượng khơng khí thể qua giá trị AQI trạm đo Chỉ số AQI tính theo công thức: AQI tổng hợp thời điểm (giờ) max AQI thành phần: AQIh = max (AQIhx) Kết AQI tổng hợp phân thành nhóm thể phương pháp kí hiệu theo điểm với màu nhóm theo quy định (Hình 2) Theo đồ này, người sử dụng xác định rõ đâu không ô nhiễm/ ô nhiễm với mức độ dựa vào màu kí hiệu số giá trị AQI cụ thể ghi kèm kí hiệu Mặc dù thể theo vị trí (điểm) mật độ điểm quan trắc đủ lớn ta nhìn thấy đặc điểm phân bố nhiễm nói chung Ví dụ, qua đồ Hình thấy mơi trường khơng khí Trung Quốc bị nhiễm mức báo động (các kí hiệu có màu đỏ, nâu), khu vực Canada, Bắc Âu có mơi trường khơng khí tốt (các kí hiệu có vàng, xanh) Hình Bản đồ giới với AQI (nguồn http://aqicn.org/map/world/) Tuy nhiên, với đồ này, ta nhận định mức độ nhiễm nói chung mà không xác định loại chất gây ô nhiễm nên khơng thể có nhận định chi tiết cụ thể phân bố chất gây ô nhiễm 3.2 Thể kết đo chi tiết (nhiều thông số) Theo quy định, trạm quan trắc khơng khí đo lúc thơng số SO2, NOx, O3, CO, Chì, Bụi… Do đó, để thể kết đo ví trí ta phải sử dụng phương pháp biểu đồ định vị Biểu đồ sử dụng trường hợp phải biểu đồ cột (Bar chart) tất trị đo đơn vị µg/ m3 chất phải xem xét độc lập Điều mức độ nguy hại chất khác nhau: 0,5mg NO x/ m3 bị xem nhiễm (có tác hại lớn) mg CO/ m3 ngưỡng cho phép (theo Quy chuẩn Kĩ thuật Quốc gia chất lượng không khí xung quanh QCVN 05:2013/BTNMT [6]) Lưu ý: Ở đây, ta sử dụng biểu đồ bánh (Pie chart) gây nhầm lẫn thể tổng số giá trị (khơng có ý nghĩa) Ví dụ điểm quan trắc A có nồng độ (µg/m 3) thơng số 1200µgCO, 200µg SO2, 100µg NOx; điểm quan trắc B có có nồng độ (µg/m3) thơng số 800µgCO, 400µg SO 2, 300µg NOx; thể với biểu đồ hình bánh hai vịng trịn có độ lớn (thể với giá trị 1500µg) mức độ nguy hại, ô nhiễm điểm B cao A nhiều NOx (QCVN: 200) SO2 (QCVN:350) vượt ngưỡng cho phép [9] Hình Kết quan trắc thông số trạm Mặc dù biểu đồ cột cho phép ta xác định cụ thể kết đo, nồng độ thông số nguy hại (Hình 4), số khơng dễ hình dung người đọc khơng có kiến thức sâu chất gây ô nhiễm Để làm rõ mức độ ô nhiễm thông số, cần bổ sung giá trị ngưỡng ô nhiễm theo quy chuẩn Quốc gia chất lượng khơng khí (QCVN) [9], [10] Cột quy chuẩn tạo lớp riêng, có kích thước theo thể nồng độ đo thơng số phải chọn hình thức cho nhận biết tình trạng vượt/ khơng vượt chuẩn thơng số (Hình 5, Hình 6) Hình Kết quan trắc thơng số trạm kèm với giá trị QCVN Trạm Cát Lái - Nồng độ bụi tiếng ồn vượt chuẩn Trạm quận - Tất số đo chuẩn Hình Phóng to hình biểu đồ từ đồ Hình Ngồi việc dùng biểu đồ cột, dùng đồ thị radar (Hình 7) với số chuẩn hóa (tức giá trị AQI thông số theo công thức ghi mục 3.1) (a) (b) Hình Đồ thị radar thể kết đo CO, SO2, NOx, Bụi tiếng ồn trạm đo (a) không tô màu (b) tô màu để thấy mức ô nhiễm Đồ thị radar cho nhìn trực quan kết quan trắc, cho biết mức độ ô nhiễm theo thơng số Ngồi việc cho phép xác định chi tiết mức nhiễm theo thơng số, kích thước (độ lớn) biểu đồ hình dạng chúng (mở rộng phía nào) cung cấp khả đánh giá nhanh tình hình số liệu quy chuẩn (AQI) thay số liệu thơ biểu đồ cột Ví dụ, đồ thị radar Hình cho thấy tình trạng nhiễm khơng khí trạm Bụi (ở mức cao) tiếng ồn (ở mức trung bình) Các thơng số khác mức cho phép Đặc biệt, đặt đồ thị lên vị trí tương ứng cho thấy quy luật phân bố theo không gian nhiễm Đây mạnh phương pháp đồ Mẫu kí hiệu để giúp nhận biết tên thơng số thể hướng Hình Kết quan trắc trạm đo thể với đồ thị radar Hình cho thấy đồ thị radar có khuynh hướng kéo dài hướng Tây Nam (Bụi) Tây Bắc (Tiếng ồn) Các thông số khác nhỏ khơng đáng kể Hình Kết quan trắc trạm đo thể với đồ thị radar kèm với giá trị AQI Để làm rõ hơn, ta bổ sung kí hiệu thể giá trị AQI chung điểm quan trắc (Hình 9) 3.3 Phân vùng chất lượng mơi trường Mặc dù đo trạm chất môi trường khơng khí tượng phân bố theo vùng Do đó, đồ thể phân vùng chất lượng khơng khí cần thiết để phản ánh tình trạng mơi trường Chất lượng khơng khí theo vùng có nhờ thực nội suy từ giá trị điểm (Hình 10) Hình 10 Bản đồ thể vùng chất lượng khơng khí theo nồng độ bụi Có thể thể đồ phân vùng theo số (NO, CO, Bụi…) hay sử dụng giá trị AQI tổng hợp tùy theo yêu cầu Tuy nhiên, cần lưu ý để kết nội suy đáng tin cậy mật độ điểm đo phải đạt mức định Thực tế nay, mật độ mạng lưới trạm quan trắc mơi trường khơng khí cịn thưa thớt Để có kết phân vùng chất lượng tốt hơn, cần kết hợp số liệu phương pháp bổ sung viễn thám, thống kê… Nhận xét: - Để thể chất lượng mơi trường tổng hợp đồ phân vùng chất lượng tổng hợp hiệu (nếu đủ liệu) Nếu liệu đo đạc không đủ để nội suy, thể theo kí hiệu điểm (Hình 2) - Để thể thông tin chi tiết, ta dùng biểu đồ cột thể nồng độ đo phải kèm với ngưỡng để nhận biết mức độ nhiễm (Hình 5) Đồ thị radar (Hình 8, Hình 9) giải pháp hiệu quả, đặc biệt cần đánh giá diện rộng, xem xét quy luật phân bố theo khơng gian tình trạng ô nhiễm Bản đồ phân vùng chất lượng theo thơng số đo (Hình 10) có ý nghĩa cho nghiên cứu riêng có nhu cầu quan tâm đặc biệt đến thơng số đó, khơng phản ánh đầy đủ trạng Kết luận Chất lượng môi trường thông tin ngày nhiều người quan tâm Với nguồn liệu quan trắc ngày phong phú, việc công bố thông tin chất lượng môi trường vấn đề cần đặt Đứng góc độ “thơng tin học”, sở liệu quan trắc xem tài nguyên, nguyên liệu thô nhiệm vụ đặt khai thác hiệu quả, biến thành liệu thành thơng tin có ích ý nghĩa cho người sử dụng Bài báo trình bày phương án để “xử lí chế biến” liệu thành thông tin không gian phù hợp với nhu cầu khác Việc thể liệu đồ cho ta hình ảnh trực quan, toàn diện, cho thấy phân bố khơng gian tượng Trong đó, tùy theo đặc điểm liệu, có phương pháp thể tương ứng khác Cụ thể, đồ phân vùng chất lượng đồ kí hiệu theo điểm với giá trị số chất lượng chung dùng cần thể thông tin tổng quát; phương pháp biểu đồ đồ với biểu đồ cột đồ thị radar dùng cần thể chi tiết kết đo thông số quan trắc Với hỗ trợ công nghệ thông tin, thông qua WebGIS, việc công bố đồ kết hoàn toàn khả thi TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Quyết định số 90/QĐ-TTg ngày 12 tháng 01 năm 2016 việc phê duyệt Quy hoạch mạng lưới quan trắc Tài nguyên môi trường quốc gia giai đoạn 2016-2025, tầm nhìn đến năm 2030 [2] Thơng tin mơi trường khơng khí giới theo số Plume, (truy cập tháng 2/2017) https://air.plumelabs.com/en/ [3] Thông tin ô nhiễm không khí giới: Bản đồ số chất lượng khơng khí theo thời gian thựcTrang (Air Pollution in World: Real-time Air Quality Index Visual Map), truy cập 12/2106, http://aqicn.org/map/world/#@g/57.4301/-110.127/4z [4] Cổng thông tin quan trắc môi trường UBND thành phố Hà Nội, (truy cập tháng 3/2017), http://moitruongthudo.vn/ [5] Lưu Đức Hải nnk, Cẩm nang quản lí mơi trường, NXB Giáo dục, 2006 [6] Chế Đình Lý, Sinh thái nhân văn- Những vấn đề Lí thuyết Ứng dụng, Viện Môi trường &Tài nguyên, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2014 [7] Nguyễn Văn Phước, Nguyễn Thị Vân Hà, Giáo trình Quản lí chất lượng Mơi trường, NXB Xây dựng, 2006 [8] Tổng cục Môi trường, Sổ tay hướng dẫn tính tốn số chất lượng khơng khí, ban hành kèm Quyết định số 878/QĐ-TCMT, 2011 [9] Tổng cục Môi trường, Quy chuẩn Kĩ thuật Quốc gia chất lượng khơng khí xung quanh QCVN 05:2013/BTNMT, ban hành theo thông tư số 32/2013/TT-BTNMT ngày 25/10/2013 [10] Tổng cục Môi trường, Quy chuẩn Kĩ thuật Quốc gia tiếng ồn QCVN 26:2010/BTNMT, ban hành theo thông tư số 39/2010/TT-BTNMT ngày 16/12/2010  ... thức người đọc; - Mức độ sử dụng, khai thác tối đa nguồn liệu • Ý nghĩa, nội dung liệu quan trắc môi trường Dữ liệu quan trắc môi trường số liệu thu từ kết đo (tự động, bán tự động…) trạm cố định... cục Môi trường ban hành Quyết định số 878/QĐ-TCMT [8] Về đặc điểm: Dữ liệu quan trắc phải gắn với vị trí khơng gian cụ thể thường đo nhiều thời điểm khác Như vậy, liệu quan trắc môi trường liệu. .. phân tích nhu cầu đặc điểm liệu Về nội dung: Các liệu quan trắc đa dạng, tùy theo mục tiêu, nhiệm vụ việc quan trắc, thông số đo đạc khác Ví dụ, số liệu quan trắc mơi trường khơng khí gồm nhóm