Luận văn thạc sĩ Quản lý Tài nguyên và Môi trường: Ứng dụng công nghệ GIS và ảnh vệ tinh Modis để đánh giá sự thay đổi hàm lượng bụi PM2.5 trong môi trường không khí ở miền Bắc Việt Nam

Ứng dụng của hệ thống thông tin địa ý GIS 1.2, Sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu ô nhiễm mỗi trường không khí 1.2.1, Tổng quan sử dụng công nghệ viễn thầm trong nghiên cứu môi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TRÀN ĐĂNG HÙNG

UNG DUNG CÔNG NGHỆ GIS VA ANH VỆ TINH MODIS DE

ĐÁNH GIA SỰ THAY DOI HAM LƯỢNG BUI PM2.5 TRONG

MOI TRUONG KHONG KHÍ O MIEN BẮC VIỆT NAM

LUAN VAN THAC SI

HA NỘI, NAM 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRUONG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TRAN ĐĂNG HUNG

UNG DUNG CÔNG NGHỆ GIS VA ANH VỆ TINH MODIS DE DANH GIA SỰ THAY DOI HAM LUQNG BUI PM2.5 TRONG MOI TRƯỜNG KHONG KHÍ Ở MIEN BAC VIỆT NAM

Chuyên ngành: Khoa hoe Môi trường.

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Trần Đăng Hùng Mã số học viên: 1581440301005

Lớp: 23KIIMTII Khóa học: 23

“Chuyên ngành: Khoa học Môi trường Mã số: 60-85-02

Tô xin cam đoan tập luận văn được chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.

‘TS, Doãn Hà Phong và PGS.TS Nguyễn Thị Minh Hằng với dé tài nghiên cứu trongluận văn: “Ứng dung công nghệ GIS và ảnh vệ tỉnh MODIS để đánh giá sự thay đổihàm lượng bụi PM2.5 trong môi trường không khí ở miễn Bắc Việt Nam”.

Bay là để tải nghỉ cứu mới, không tring lặp với các đề tai luận văn nào trước đây,

do đó, không phải là bản sao chép của bắt kỳ một luận văn nào Nội dung của luận văn

được thể hiện theo đúng quy định Các số liệu, nguồn thông tin trong luận văn là do tôidiều tr, tích dẫn và đánh gi Việc tham khảo các nguồn tii liệu đã được thực hiệntrích dẫn và ghỉ nguồn tà liệu tham khảo đúng quy định

Tôi xin hoàn toàn chịu trích nhiệm về nội dung tôi đã trình bây trong luận văn nẫy

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

“Tác giả luận văn

Trần Ding Hùng

LỜI CÁM ƠN

Học vi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo bộ môn Quản lý môi trường, trường đại học Thủy lợi đã giảng day tận tinh, quan tâm, trau dồi kiến thức,

động viên học không ngừng nỗ lực trang bị thêm nguồn kiến thức, kỹ năng tốt

nhất để hoàn thành luận văn, sự giảng dạy và chỉ bảo không mgt mỏi của các thấy cô

giáo trong suốt thời gian qua Đặc biệt là sự hướng dn ân cin, ti mi của PGS.TSDoin Hà Phong và sự giúp đỡ tận tâm của PGS.TS Nguyễn Thị Minh Hing trong suốt

thời gian từ khí họ viên được nhận đề tải Luận văn đã giúp đỡ và chỉ ảo cho học viên rit nhiễu điều, trau thêm kiến thức chuyên môn, cách thức hoàn thành luận văn và những kỹ năng sống mà tự hoe viên khó có thể hoàn thiện được,

Học viên cũng xin bảy 16 lời cảm ơn tới các cán bộ tại các phòng ban Dao tạo đại học

‘va sau đại học, cán bộ tại văn phòng khoa Môi trường Trường Đại học Thủy loi đã tạo

điều kiện, cũng như cung cắp cho học viên những thông tin bổ ích và kịp thời để học

viên có thể hoàn thành luận văn.

Cuối cùng xin gửi lồi cảm on sâu sắc nhất tời cha mẹ, chị em tong gia đình cũng tắt

ci bạn bẻ, những người thân luôn động viên, ding hộ và giúp đỡ học viên trong suốt

thời gian học viên học tập cũng như trong thời gian học viên thực hiện luận văn cao

học

Học viên xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ANH.

DANH MỤC BANG BIEU.

DANH MỤC VIỆT TAT.

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của

2 Mặc địch cña đ ti

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4, Phương pháp nghiên cứu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

6 Bồ cục của luận văn

CHUONG 1: TONG QUAN VỀ VAN DE NGHIÊN CỨU

1.1 Hệ thống thông tin dia lý (GIS)

1.1.1, Định nại ais.

1.1.2, Cấu trúc của GIS

1.1.3 Các chức năng cơ bản của GIS.

1.14 Ứng dụng của hệ thống thông tin địa ý GIS

1.2, Sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu ô nhiễm mỗi trường không khí 1.2.1, Tổng quan sử dụng công nghệ viễn thầm trong nghiên cứu môi

1.2.2, Các loại ảnh viễn thám ứng dụng nghiên cử

1.2.2.1 Một số te liệu

1.2.2.2 Ảnh MODIS và thông 56 kỹ thuật của ảnh MODIS.

1.3 Tổng quan về bụi PM2.5

1.3.1 Bui PM2.5 trong nghiên cứu 6 nhiễm moi trường không khí

1.3.1.1 Khái niệm bụi PM2.3.

1.3.1.2 Tác hại của bụi PM2 5

môi trường không khí

ién thám ng dung trong nghiên cứu ô nhiễm

26

27

1.3.2 Bui PM2.5 từ dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS 27

'CHƯƠNG 2: TONG QUAN VE KHU VỰC NGHIÊN CUU 30

2.1 Vị r địa lý và điều kiện tự nhiên khu vue nghiên cứu 30

2.1.2 Chế độ khí hậu 312.1.3 Chế độ thủy văn 322.2 Điều kin kinh t xã hội ~ môi trường khu vực nghiên cứu 32.2.1, Điều kiện kinh tế xt hội 32.2.2, Thực trang 6 nhiễm bụi ở miễn Bắc “4CHUONG 3: UNG DỤNG Gis ĐÁNH GIA SỰ GIA TANG HAM BỤI PM2.5 6

KHU VUC NGHIÊN CỨU 52

3.1 Xác định hm lượng bụi PM2.5 từ ảnh vệ tinh MODIS 52 3.11 Phương pháp nghiên cứu 52 3.1.2, Giới thiệu về mô hình GEOS-Chem 33

3.1.3, Xác định PM2.5 từ các dit liệu độ dày quang học (AOD) 55

3.1.4, Mo phông các thông số ảnh hưởng đến mỗi liên hệ giữa dữ liệu MODIS %63.2 Thành lập bản đồ phân bổ 6 nhiễm bụi ở miễn Bắc Việt Nam (2005:2010-2015)58

34, Phân tích, đính giá cúc kết quả giá tị hâm lượng bụi PM2.5 6

3.4 Gải pháp kỹ thuật để nâng cao chit lượng số liệu 70

KET LUẬN VA KIÊN NGHỊ nTÀI LIEU THAM KHẢO T4

PHỤ LỤC 79

DANH MỤC HÌNH ANH1.1: Hệ thống thông tin địa lý s

Hình 1.4: Các nhóm chức năng của GIS 2 Hình 1.5: Ảnh chụp khu vực Hải Phòng của vệ tinh ENVISAT, 7

Vệ tinh TERRA 22

Quy đạo bay của vg tinh TERRA 2

Di liệu ảnh vệ tinh thủ nhận vào ngày 16/11/2002 2

Vệ tình AQUA và các bộ cảm biến 25 Hình 1.10: Quy đạo bay của vệ tỉnh AQUA 25 Hình 2.1: Khu vực nghiên cứu 30

Hình 2.2: Nhà máy xi măng Tam Điệp gây 6 nhiễm bụi nghiêm tong 46 2.3: Khí thải từ các phương tiệ giao thông là thủ phạm chính gây ra ô nhiễm,

không khí 4 Hình 4: Gian bép khói bụ là thủ phạm gây rà cái chốt cho hàng triệu phụ nữ và rẻ

em mỗi năm 48

Hình 2.5: Vit tram quan trắc ở Thành phố Hòa Bình 49

Hình 3.1: Sơ đồ tóm tắt xác định hảm lượng bụi PM2.5 từ dữ liệu vệ tỉnh MODIS 58

Hình 32: Thuật toán chỉ tết để tính toán hàm lượng bụi PM2.Š bằng mô hình

Hình 37: Độ bign thiên nồng độ bụi PM2.5 ở mặt cắt thứ nhất 64

Hình 3.8: Độ biến thiên nồng độ bụi PM2.5 ở mặt cắt thứ hai 65

Hình 3.9: Công cụ histogram của ARCGIS

inh 3.10: Biểu đồ phân bổ các cắp 6 nhiễm bụi PM2.5 năm 2005,

Hình 3.11: Biểu đồ phân bổ các cắp 6 nhiễm bụi PM2.5 năm 2010

Hình 3.12: Biểu đồ phân bổ các cắp ô nhiễm bụi PM2.5 năm 2015

Hình 3.13: Công cụ resample của ARCGIS để tăng độ phân giải chất lượng ảnh

Hình 3.14: Công cụ resample của ARCGIS dé ting độ phân giải chất lượng ảnh

6 0

“

“ 70 1

DANH MỤC BANG BIEU

i kênh phố của nh SPOT -1,

Bảng L.: Một số thông í

Bảng L2: Một số thông số về các kênh phổ của ảnh SPOT -4

Bảng 3.1: Dũ liệu đầu vào của mô hình

Bảng 3.2; Độ biển thiên nồng độ bụi PM2.5 ở mặt cắt thứ nhấtBảng 3.3: Độ biến thiên ndng độ bụi PM2.5 ở mặt cắt thứ hai

DANH MUC VIET TAT

Environmental performance indicators ~ Chỉ số

hiệu suất môi trườngParticulate matter — Chất dạng hạt

Geographic information system = Hệ thống thông

tin địa lý Remote sensing information ~ Thông tin viễn

thám Acrosol Optical Depth — Độ day quang học sol

khí

MỞ DAU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nghiên c

thấy, Việt Nam là một trong mười quốc gia 6 nhiễm không khí nhất th

nhà khoa học, với tiêu chí đánh giá của Đại học Yale (Mỹ), có thể hiểu Việt Nam nằmtrong top 11 quốc gia ô nhiễm bụi nhất th giới [1]

mới nhất về Chỉsố hiệu suất môi trường (EPI) của Đại học Yale (Mỹ) cho

“Theo các

Nghiên cứu về EPI trên nhằm đánh giá và xếp hạng các quốc gia về các vấn để môi

trường thuộc hàng tu tiền trong hai Tinh vực là bảo vệ sức khỏe con người và bảo vệ

hệ sinh thái Năm vấn đề chính được đánh giá, xếp hạng gbm nước và điều kiện vệ

sinh, chất lượng không khí, ảnh hưởng tối sức khỏe, nông nghĩ da dạng sinh học và

môi trường sống Đáng chú ý nhất trong số 5 vấn đề được đánh giá, xếp hang thi chấtlượng không khí ở Việt Nam đứng thứ 170/180 quốc gia được đánh giá, xếp hạng vớiđiểm số đạt 54,76/100

Tại MY ho đánh giá 6 nhiễm không khí dựa trên thành phần không khí 6 nhiễm nhất ỞViệt Nam, trong các thành phần 6 nhiễm không khí cơ bản thi 6 nhiễm bụi rat nặng,gắp 3-5 tin quy chun Việt Nam và cao hơn nữa sơ với quy chu thể giới Theo cách

xếp hạng của Mỹ, người ta lấy chỉ số ô nhiễm bụi để xếp hang chất lượng không khí ở

Việt Nam Vi vậy, với các xếp hạng của EPI, có thể hiểu Việt Nam nằm trong top 11quốc gia ô nhiễm bụi nhất thế giới.

Ở Việt Nam, hệ thống quan trắc môi trường không khí cực kỳ ít ỏi Tuy vậy, với

những số liệu ítỏi có được, bức tranh 6 nhiễm không khí ở Việt Nam cũng không sing

sửa Theo Báo cáo Môi trường Quốc gia về môi trường không khí (phát hành năm

2014, mỗi báo cáo có giá trì ong 5 năm) thì không khí ở các đô thị lớn có dấu hiệu ônhiễm bụi, đặc biệt là ô nhiễm bụi mịn PM2.5 và ô nhiễm ozon tăng mạnh Những hạt

bụi mịn PM2.S hay những hat bụi có đường kính bẻ hơn 2,5 mieromet là những hat

ge biệt nguy hiểm bởi vì chúng xâm nhập trực tiếp vào các túi phối Phơi nhiễm với

bụi mịn có thể gây những tác động sức khỏe tức thời như kích ứng mắt, mồi, hong và

phổi, ho, hắt hơi, chảy nước mũi và khó thở, Phơi nhiễm với bụi mịn cũng có thể ảnhhưởng đến chức năng của phổi va làm nặng thêm những tỉnh trạng bệnh như hen và

bệnh tim Vì vậy, các nhà khoa học ding chỉ số PM2.5 để biểu thị hàm lượng tiêu

I

chun của các hạt tồi nỗ trong một mét khối không khí, Chỉ s6 này cảng cao cũng cỏnghĩa là sự ô nhiễm không khí ở nơi đó cảng nghiêm trọng.

6 nhiễm không khí nhất là 6 nhiễm bụi ngày cảng gia tăng vi vậy việ giám sắt mỗitrường không khí để cung cắp thông tin, dự báo những ảnh hưởng, tai biển mỗi trườngkịp thời cho người dân trong khu vực là một nhiệm vụ cấp thiết đặc biệt là miền BắcViệt Nam nơi có hiện trạng ô nhiễm không khí rất nặng

‘Cong nghệ viễn thám là một phần của công nghệ vũ trụ Phát triển từ năm 1858, đầu

ở độ cao 80m để chụp ảnh.

én do G.F Toumachon - Người Pháp sử dụng kinh khí

trên không, cũng là năm khai sinh ngành kỹ thuật viễn thám Đến nay dang được ápdụng trong nhiều lĩnh vực và được phé biến rộng rai ở các nước phát triển Công nghệviễn thim đã trở thành phương tiện chủ đạo cho công tắc giám sit tải nguyễn thiênnhiên và môi trường ở cắp độ từng nước, từng khu vực và tong phạm vi toàn edu Khả

năng ứng dung công nghệ viễn thám ngày cảng được nâng cao, đây là ly do công nghệ

này ngày cảng dễ tiếp cận hơn

“Trước những tu thé rõ rộ của ảnh vệ tinh MODIS với độ phân giải của ảnh trung bình(250m), số kênh phổ lớn (36 kênh) và có kênh phổ để tính toán hàm lượng bụi Cùng

với việc chụp ảnh vào hai thời điểm trong ngảy (10 giờ 30 với vệ tinh TERRA và 13

giờ 30 với vệ tỉnh AQUA) ảnh MODIS có thé quan trắc các thông số mỗi trường áidit vào các thời điểm khác nhau trong ngày cũng như đêm Anh MODIS cho phép tải

phí rên internet Do đó, dé tai đã lựa chọn sử dụng ảnh MODIS.

V6i nhu cầu cắp bách của xã hội về việc giảm sit môi trường không khí, việc nghiên

cứu giám sát ham lượng bụi trong không khí thông qua xác định theo doi hàm lượng.

bụi PM2 5 trên ảnh vệ tinh MODIS là hết sức quan trọng, ừ đó có thé chủ động trong

công tác ứng phó sự cổ ô nhiễm môi trường Do đó, việc thực hiện để tải nghiên cứu

\ dụng công nghệ GIS và ảnh vệ tinh MODIS để đánh giá sự thay đỗi hàmlượng bụi PM2.5 trong mỗi trường không khí ở miễn Bắc Việt Nam” là rit cinthiếu

2 Mục đích của đề tài

al Mục tiêu đề tài

inh gid mức độ 6 nhiễm môi trường không khí khu vực miễn Bắc Việt Nam thông

«qua hàm lượng bụi PM2.5 trên cơ sở ảnh vệ tỉnh MODIS Đánh giá mức độ 6 nhiễm

"bằng cách nồng độ bụi được biểu thị trong ứng với các màu khác nhau

/ Nhiệm vụ đề tài

~ Thu thập, hệ thông hoá, tổng hợp và đánh giá nguồn tải liệu, số liệu từ các dự án, đềtài tương tự của trường ĐHCN, ĐIIQG Ha Nội các báo cáo trước đây về nghiêncứu giảm sit môi trường Không khí để tim các phương pháp tối ưu cho việc xử lý số

li

- Sử dụng ảnh vệ tinh MODIS để khảo sắt trực iếp hàm lượng bại PM2.5 ở khu vựcmién Bắc Việt Nam trong 3 năm 2005, 2010, 2015 Dự kiến sử dụng 365 ảnh tươngứng với mỗi ngày trong năm trên phạm vi toàn miễn Bắc.

3 Bai tượng và phạm ví nghiên cứu

a/ Đổi tượng nghiền cứu

Hàm lượng bụi PM2.5 trong môi trường không khí khu vực miễn Bắc Việt Nam.

ý Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi không gian : Môi trường không khí khu vực miễn Bắc với Ú lệ bin để

2.500.000,

Pham vi thời gian : Các năm 20 2010, 2015,

4 Phương pháp nghiên cứu

-Phương pháp xử lý ảnh viễn thám: Thục biện công tác xử lý, tính toán trực tiếphàm lượng bụi trên ảnh viễn thám MODIS, Sử dụng các phần mềm VERTICALMAPPER, GLOBAL MAPPER để giải doin, tinh toán và phân tích số iệu v bụi

-Phương pháp sử dụng công nghệ GIS: Sử dụng phần mém ARCMAP để thành lập

cảnh, bản đồ theo dõi điễn biến bụi PM2.5 theo trung bình năm

-Phương pháp chuyên gia tr vấn: Tham khảo chuyên gia tư vẫn trong lĩnh vse do

đạc, giám sit môi trường không khí.

5, Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

“Chương 1 Tổng quan về vấn dé nghiên cứu

“Chương 2 Tổng quan về khu vục nghiền cứu

Ứng dụng GIS đánh giá sự gia tăng hàm lượng bụi PM2.5 ở khu vực nghiên cứu

“Chương 3 Ứng dụng GIS đánh giá sự gia tang him lượng bại PM2.5 ở khu vue

nghiên cứu

Kết luận và kiến nghị

‘Tai liệu tham khảo.

'CHƯƠNG 1: TONG QUAN VỀ VAN ĐÈ NGHIÊN CUU

1.1 Hệ thắng thông a lý (GIS)

1.1.1 Định nghĩa GIS

‘Theo ESRI: Hệ thống thông tin địa lý (GIS ~ Geographic information System) là mộttập hợp có tổ chức, bao gồm hệ thống phan cứng, phn mém máy tinh, dữ liệu địa lý

và con người, được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển,

phân tích, và hiển thị tit cả các dang thông tin liên quan đến vị tí địa lý

pom

Hình 1.1: Hệ thống thông tn da lý

“Từ định nghĩa trên ta thấy rõ ba vấn dé sau của GIS Thứ nhất, GIS có quan hệ với ứng

dung CSDL Toàn bộ thông tin trong GIS đều liên kết với tham chiếu không gian Có

những CSDL chứa thông tin vị trí (địa chi đường phố ) nhưng CSDL GIS sử dụng.

tham chiếu không gian như phương tiện chính để lưu trữ và xâm nhập thông tin Thứhai, GIS là công nghệ tích hợp Hệ GIS day đủ có đầy đủ kha năng phân tích, bao gồm.phân tích ảnh may bay, ảnh vệ tỉnh hay tạo mô hình thống ké, vẽ bản đồ Cuối cũng

GS được xem như tiến trình không chỉ là phần cứng, phần mềm rồi rae mà GIS cônđược sử dung vào trợ giúp quyết định Cách thức nhập, lưu trữ, phân tích, dữ liệu trong

GIS phải phan ánh đúng cách thức thông tin sẽ được sử dung trong công việc lập quyết

định hay nghiên cứu cụ thể

1.1.2, Céu trúc của GIS

Hệ thống GIS gồm có năm thành tổ chỉnh, bao gdm: con người, phần cứng, phần mém,

phương pháp và dữ liệu.

hương pháp

Hình L2: Cúc thành phin của GIS

= Phần cứng.

Phin cứng gồm máy vĩnh, các thiết bị ngoại vi như bin số hóa (Digitizer), máy quết

(Scanner), máy in (Printer), máy vẽ (Plotter), dia CD.

¬.CDROM PRINTER

DIGITIZER PERSONAL COMPUTER PLOTTER

Hình 1.3: Các thiết bi phần cứng phục vụ GIS độc lập.

Neiy nay, phần mém GIS chạy được trên nhiều loại phần cổng kh c nhau, từ các mấy

chủ trung tâm (Computer servers) đến các may tram hoạt động độc lập hoặc liên kết

mạng,

~ Phin mềm

sn phan cứng của máy tínhPhần mềm là tập hợp các câu lệnh, chỉ thị nhằm điều ki

thực biện một nhiệm vụ xác định, phin mém GIS có thé lä một hoặc tổ hợp các phần

mềm máy tinh, Phin mém được sử dung trong kỹ thuật GIS phải bao gồm các tính

năng cơ bản sau:

+ Nhập và tất cả các khía cạnh về bin đối dỡ liệu đã ở dạnglễm tra dữ liệu: bao gi

"bản đồ, trong lĩnh vực quan sát vào một số dang tương thích Đây là giai đoạn rit quan

trọng trong việc xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý

+ Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu: lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu dé cập đến phương.hấp kết nổi thông tn vĩ tí (opotogy) và thông tin thuộc tính (atibulex) của các đối

tượng đị lý, Ha thông tin này được tổ chức và liên hệ qua các thao tác tiên mấy inh

bởi người sử dụng hệ thống

+ Xuất dữ liệu: dữ liệu đưa ra là các báo cáo kết quả quá trình phân tích tới người sử

‘dung, có thé bao gồm các dang: bản đồ (Map), bảng biểu (Table), biểu đỏ (Figure)

cđược thể hiện trên máy tính, máy in, may vẽ.

+ Biến đỗi dữ iệu: biến đối dữ liệu nhằm mục dich khắc phục lỗi từ dữ liệu và cậpnhật chúng Biển đổi dữệu có thé được thực hiện rên dữ lu không gian và thông tin

thuộc tính một cách tách biệt hoặc tổng hợp cả hai.

+ Tương tác với người dùng: tương tác với người dùng là yếu tố quan trọng nhất của

bất kỳ hệ thống thông tin nào Các giao điện người dùng ở một hệ thống thông tin

cđược thiết kế phụ thuộc vào mục đích của ứng dụng đó,

Các phần mềm được sử dụng phổ biển hiện may là: Are/Info, Maplnfo, WinGis,

Spans Trong đó

+ Phần mm dùng cho lưu trữ, xữ lý số liê thông tin dia lý: Are Info, Span,

“Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu không cổ cơn người tham gia quản lý hệ thống và

phát triển những ứng dụng GIS trong thực tế Người sử dụng GIS có thể là những

chuyên gia kỳ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống hoặc những người sử đụng GIS

để giải quyết các vẫn đề trong công việc.

~ Phương pháp

Phương pháp là việc phân tích dữ liệu không gian như tạo ving đệm, phân tích ving

lần cận, phân tích thống ké không gian phân tích và ghỉ các dữ liệu thuộc tính vềbiển Ngoài ra, GIS còn sử dụng các phương pháp nội suy không gian dựa trên điểm,

đường, vùng sử dụng phương pháp do và tính oán, chuyển hệ toa độ nhằm mục dich

trả lời những câu hỏi được đặt ra hay bài toán cần giải quyết

- Dữ liệu

Bao gồm dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính

+ Dữ liệu không gian:

Dữ liệu không gian là loại dữ liệu thể hiện chính xác vi trí tong không gian thực của

đối tượng và quan hệ giữa các đổi tượng Các dữ liệu không gian thể hiện các đốitượng qua 3 yếu tổ hình học cơ bản là diém, đường, ving Thông tin vị tí các đốitượng luôn phải kèm theo các thông tin về quan hệ không gian (Topology) được thểhiện qua 3 kiểu quan hé liên thông ké nhau, nằm trong hoặc bao nhau,

Dữ liệu không gian cung cấp các thông tin có tính đồ họa chỉ rõ hình dạng, vị tri, kích

thước và các nét đặc trưng của đối tượng trong thể giới thực tiền mặt đất

Dữ liệu không gian có 2 dang là

+ Bản đồ, inh chụp từ máy bay, ảnh viễn thắm:

+ Số liệu thống ké tọa độ điểm theo 1 hệ quy chiễu nhất định (19a độ, độ cao), số liệu

do đạc (đo góc, khoảng cách) bing máy kinh vĩ điện tử, toàn đạc điện tử

+ Dữ liệu thuộc tính

Là dữ liệu định tính hoặc định lượng ở dạng văn bản hoặc các số liệu thông kê, số liệu phân tích trong phòng thí nghiệm được lưu trữ đưới dạng các tệp tin, chữ, dạng số có

thể nhập trực tiếp hoặc gián tiếp vào hệ thống GIS

Dữ liệu thuộc tinh cung cấp nhiều thông tin quan trọng về tinh chất của đối tượng

được nghiên cứu.

1.1.3 Các chức năng cơ bản của GIS

- Nhập dữ liệu

Trước khi dit liêu địa lý có thể dùng cho GIS thì dữ liệu này phải được chuyển sang

dang số thích hợp, được biên tập và chỉnh sửa cho phủ hợp với mục đích sử dụng Quá

trình chuyén đổi dữ liệu từ bản dé giấy sang các file di liệu dạng số gọi là quá trình số

hóa Công nghệ GIS hiện đại có thể tự động một phần quá tình này với công nghệ

“quét ảnh cho các đối tượng lớn, những đối tượng nhỏ hơn đồi hỏi phải cố một số quả

trình số hóa thủ công (dùng bản số hóa).

- Chuyển đổi dữ liệu

“Có nhiều trường hợp dữ liệu đồi hỏi phải được chuyển dang (format) và thao tác theo

một số cách để có thể tương thích với bệ thông nhất định Trước khi các thông tin này.dược liên kết với nhau, chúng phải được chuyển về cũng một tỷ lệ (mức chính xác

hoặc mức chi tiếu, Đây có thể chi 14 sự chuyển dạng tam thời cho mục đích hiển thị

bố định cho yêu cầu phân ích GIS cưng cấp các công cụ để thực hiện các mục

đích này.

- Thao tác dữ

“Công nghệ GIS cung cắp nhiễu công cụ cho các thao tác trên dữ liệu không gian và

loại bỏ các dữ liệu không cần thiết Các chức năng phục vụ cho mục đích sửa chữa,

biên tập là các công cụ tủy chọn như: bổ sung, sao chép, xóa, dich chuyển dữ

liệu Bên cạnh đó còn có các công cụ xây dựng các cấu trúc topology và biên tập dữ

liệu thuộc tính.

~ Quan lý dữ liệu

Đối với các mô hình GIS nhỏ có thể lưu các dữ liệu không gian va dữ liệu thuộc tinh

cưới dạng các file đơn giản Tuy nhiên, khi kích thước dữ liệu trở nên lớn hơn và cấu

trúc phúc tap hon thì cách tốt nhất là sử đụng hệ quản lý cơ sở đữ liệu không gian

(GeoDBMS) để giáp cho việc lưu tr, tổ chức và quản lý thông tin Một GeoDBMS

chỉ đơn giản làn t phiin mém quản lý cơ sở dữ.

“Trong nhi cấu trúc GooDBMS khác nhau, cấu trúc quan hệ rong GIS tỏ r hữu hiệu nhắc Trong cấu trúc quan hệ, dỡ liệu được lưu trữ ở dạng bảng Các trường thuộc tinh

chung trong các bảng khác nhau được dùng dé liền kết các bing nảy với nhau Do linh

hoạt nên cấu trúc đơn giản này được sử dụng và tiển khai khá rộng ri trong các ứng dụng cả trong và ngoài GIS.

- Hỏi đáp và phân tích không gian.

GIS cung cấp khả năng hỏi đáp với các công cụ phân tích tinh vi để cung cap thông tin

cho những người quản lý và phân tích Các hệ GIS hiện đại có nhiễu công cụ phân tích

hiệu quả, trong đỏ có công cụ đặc bit để chẳng xép dữ liệu địa lý

‘Chéng xếp là quá trình tích hợp các thông tin khác nhau Thao tác phân tích thông tinđôi hỏi một hoặc nhiều lớp dữ liệu phải được iên kết Để rit ra các thông tin cần có

ce tháo tác tính toán số học va các phép logie được vận dụng trên các lớp thông kin

khác nhau được nhập vào.

Ching xếp các dữ liệu khác nhau này được thực hiện theo một quá trình bậc thang

biết thông tin của lớp dit liệu khác sẽ được thực hiện thông qua phép,

10

phân tích bảng chéo Phép toán được thiết k trên mỗi giá trị của lớp dữ liệu thứ nhất

và giá tri tương ứng của lớp dữ liệu thứ hai, Việc tiến hành phép phân tích bảng chéo.

lớp dữ liệu cần biết thông tin khác với từng lớp dữ liệu cần lấy thông tin Cuối cùng ta

được thông tin tổng hợp liên quan đến dữ liệu ban đầu Do vậy, phép phân tích quan

hệ không gian này giúp làm rõ mdi quan hệ giữa các đổi tượng cin nghiên cứu với các

tượng khác.

“Chồng xếp được tiền hành trên cả lớp dữ liệu vector và raster, Chồng xếp trên dữ liệuraster tiến hành đơn giản hơn song dung lượng lưu tr lại lớn hơn dữ liệu vector rất

nhiều nên việc xử lý mắt nhiễu thời gian hơn, Dữ liệu veetor có dung lượng nhỏ hon

và quá trình chồng xếp mắt ít thời gian hơn nhưng độ chính xác lại kém hơn so với

ching xếp dữ liệu raster Do đó, ty theo mục dich sử dụng và yêu cầu độ chính xác

‘cia sản phẩm đầu ra mã ta lựa chọn loại chồng xếp trên dạng dữ liệu nào.

- Hiển thị

Hiển thi là một chức năng bit buộc phải cổ của hệ thống thông tin địa lý, Dữ liệu lưutrữ sau khi phân tích sẽ được hiển thị ty theo yêu edu đặt ra dưới dạng chữ và số

(ex), dang bảng biểu hoặc dạng bản đồ, Các tính toán chung và kết quả phân tích

được lưu giữ ở dạng chữ và số để dễ dàng in ra hoặc trao đổi giữa các phẳn mém khác.nhau Các dữ liệu thuộc tính có thé được lưu ở dang bảng biễu hoặc các dang cổ địnhkhác Bản đổ được thiết kế để hiển thị trên màn hình hoặc lưu dưới da

file) để in Với nhiều thao t

điểm (plot

quả hiễn thị tố nhất cuối cũng làdưới dạng bản đồ số hoặc biểu đồ Ban đồ khá hiệu quả trong việc lưu trữ và trao dồithông tin địa lý GIS cung cấp nhiều công cụ mới và thú vị để mở rộng tính năng nghệthuật va tính khoa học của ngành bản đỏ, Bản đồ, sơ đỗ hiển thị có thể được kết hợpvới các bản bảo cáo, hình ảnh ba chiều, ảnh chụp và các dữ liệu khác (đa phương tiện)

Hiệntượng | Tallguva bin gd quan sat sấy

tha thie

dữ liệu

| Xửlsơbộ woratie họa

Điển ghi

Hình 1.4: Các nhóm chức năng của GIS

1.1.4, Ủng dung của hệ thống thông tin địa lý GIS

Cong nghệ GIS ngày cảng được sử dụng rộng rãi GIS có khả năng sử dụng dữ liệu

không gian và phi không gian từ các nguồn khác nhau khi thực hiện phân tích không,

gian dé trả lời các câu hỏi của người sử dụng Các câu hỏi mà GIS có khả năng trả lời:

~ Có cái gì ở ? Nhận diện (identification): nhận biết tên hay các thông tin khác củađối tượng bằng cách chi ra vị trí trên bản đổ, Việc này ê thực hiện bằng cáchang có cung cắp số lệ tọa độ tuy nhiên kém hiểu quả hom,

= Ở đâu? Vị tri (location): câu hỏi này dẫn đến một hoặc nhiều vị tí thỏa mãn yêu cầu

của người sử dung Nó có thé là tập tọa độ hay bản đồ chỉ ra vị trí của một đối tượng

cou thé, hay toàn bộ đối tượng

- Cải gì đã thay đổi từ hồi này liên quan đến các dữ liệu không

agian tom thời Ví dụ: câu hỏi liên quan đến phát triển thành thị din đến chức năng hiểnthị bản đồ của GIS để chỉ ra các vùng lân cận được xây dựng từ năm 2000 đến 2010

- Đường nao di là tốt giữa ) Tìm đường di tối ưu (optimal path): trên cơ sở mạnglưới của đường đi (hệ thống đường bộ, đường thủy ) câu trả lời cho biết đường dinào là rẻ nhất và ngắn nhất

= Giữa và có quan hệ gì? Mẫu (pattern); câu hỏi này khá phức tap, tác động đếnnhiễu dữ liệu Thí dụ câu trả li có thể phản ảnh quan hệ giữa khi hậu địa phương và

vị trí của nha máy, công trình công cộng trong vùng lân cận.

~ Cái gì xây ra nếu Mô hình (model): câu hỏi này liên quan đến các hoạt động lậpquy hoạch và dự báo Thí dụ, cin phải ning cấp xây dơng mạng lưới giao thông, điệnnhư thé nào nếu phát triển khu dân cư về phía bắc thành phố,

1.2 Sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu 6 nhiễm môi trường không.

khí

4.2.1 Ting quan sử dung công nghệ

khí ở trong nước và nước ngoài

in thám trong nghiên cứu môi trường không

‘Chat lượng không khí là một trong những nguyên nhân sinh ra bệnh tật trong cộng

đồng NI

bị ô nhiễm do chất thai công nghiệp và bụi xây dựng gây nên Để git

là ở các nước đang phát triển như nước ta hiện nay, chất lượng không khí

n sát chất lượng,

c tram do không khí, theo phương pháp truyền thông, chúng ta sử dụng mang lưới c

chất lượng không khí trong thành phổ, khu dân cư theo mật độ phân bổ nhất định Nhờmạng lưới quan rắc do các thinh phin không khí hàng ngày (hing ei, hing twin,

hàng tháng) mà chúng ta có thé đưa ra phương pháp phòng ngửa, bảo về sức khỏe

công đồng Nhược điểm lớn của giải pháp dựa vào mạng lưới trạm đo trên mặt dat làtốn km và sự khuốch tần bụi khí ô nhiễm không phân ảnh một cách khách quan vì sử

‘dung him toán học để mô phỏng.

Tư iệu viễn thám rit đa dạng về ching loại và độ phân giải không gian, bao gồm có

các loại ảnh máy bay, ảnh vệ tinh thám sắt thu nhận trong các thời gian khác nhau;

trong đó loại ảnh đa phd (Multispectral Image) hiện nay được sử dụng rất rộng rãi

B

Ảnh đa phổ được thu nhận trên các thiết bị quang học trong dai sóng điện từ rất rộng,

từ phổ thị tn (Visible) cho đến phổ hồng ngoại (Infra-Red) và là nguồn cung cấp,

thông tin quan trọng, phục vụ cho các nghiên cứu chuyên dé khác nhau Với ưu thé

cung cấp thông tin thưởng xuyên và liên tục, quan sát trong một ving rộng lớn, ảnh

viễn thám đã được phát triển và ứng dụng ở nhiều nước trong nghiên cứu mỗi trường,

không khí.

"Để phát hiện ô nhiễm không khí bằng công nghệ viễn thám, trên thể giới, người ta sử

cdụng ba phương pháp chủ yếu:

~ Phương pháp tính độ dy lớp sol khí AOD (Acrosol Optical Depth)

~ Phương pháp do các hạt bụi den (Black particle)

- Phương pháp đánh giá biển động lớp phủ bề mặt (Land ~ cover change)

6 nước ta ứng đụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu 6 nhiễm môi trường không

lồ Thị khí đã được phát tiễn mạnh me tong mỖy năm trở li đầy Lương Chính KỂ,

Van Trang, Trần Ngọc Tưởng, Lâm Đạo Nguyê

không

học của ảnh Landsat ETM+ va SPOT.

(2010) [2] nghiên cứu xây dựng ban

đồ õ nl trên khu vực Hà Nị và Cim Phả dựa trên đặc tính phổ và hình

Nhóm nghiên cứu Trường Dai học Công nghệ (ĐHCN), Bai học quốc gia Hà Nội

(2014) |3] tiến hành nghiên cứu giảm sit nồng độ bụi PM2.5 sử dụng ảnh vệ tỉnh:nghiên cứu va phat triển hệ thống WebGIS thu thập, xử lý, lưu trữ, cung cắp thông ti giám sắt và cảnh báo về mức độ 6 nhiễm bụi

Trần Thị Vân, Trịnh Thị Bình, Hà Dương Xuân Bảo (2014) [4] nghiên cứu việc ứng

dụng công nghệ viễn thám sử dụng ảnh vệ tinh Landsat kết hợp số đo mẫu quan triemặt dit cho kết quả mô phòng phân bé không gian nồng độ bụi PM1O khu vực TP Hỗ

‘Chi Minh Tuy nhiên, bạn chế của nguồn ảnh Landsat là chu kỷ lặp chụp ảnh tại một vịtrílà 16 ngày, do đỏ đã liệu chiết xuất từ ảnh không thể lên te

Trên thé giới, những nghiên cứu đầu tiên của Engel-Cox JA, Hoff RM và Haymet AD (2009 [5] đánh giá khả năng sử dung nh địa inh và dữ liệu vệ tinh để giám sát

chất lượng môi trường không khí Qua vai nghiên ecu điển hình trong thời gian ngắn nhóm tác giả đã nhận thấy tiém năng to lớn hiện tại của vệ tỉnh Hoa Kỳ và các vệ tỉnhquốc tế khác để giám sát môi trường không khí Tuy nt én việc sử dụng những dữ li

này cho việc giám sit môi tường không khi còn khó khăn bởi sự thiếu hợp tác giữacác chuyên gia, nhà khoa học viễn thám với môi trường, những khó khăn về truy cậpcũng như sự hiểu biết vé nguồn dữ liệu mới mẻ, tải nguyên hạn chế, cũng như sự hiểubiết (Lôi về iềm năng và hạn chế của dữ liệu

giả Mark Tulloch và Jonathan Li (2005) [6] ở Phòng thí nghiệm Môi trường Ao CFI ở Ban xây dựng dân dụng trường đại học Ryerson — Ngay sau đồ nhóm tá

Toronto Canada đã đưa ra được những công trình nghiên cứu thực tế đầu tiên vê các

‘img dụng của vệ tinh viễn thấm để giám sit môi trường không khí đô thị ở Canada.

Bài báo bắt đ

các dữ liệu ảnh vệ tỉnh trong giám sát chất lượng không khi đô thị Sau đó họ xem xét

nghiên cứu với những đầu đo vệ tỉnh hiện có và với một số ví dụ về

ba phương pháp iếp cận dựa trên những vệ tình lớn: Đo độ dày của Aerosol trong khí

quyền, quan trắc hạt bụi đen và phân tích sự biển động thám phủ mặt đất Trọng tâm.của bãi báo là phương pháp tiếp cận đầu tiên thông qua một phân tích chuyên sâu các

nghiên cứu trong các trường hợp khác nhau, Migu tả khải quát ngắn gon việc sử dụng

da đầu đo da thời gian và hình ảnh vệ tinh da ph để hiểu được mối quan hộ giữa đôthị hóa, xu thé khí hậu và chất lượng không khí Bài báo đã cung cấp một cách tiếp cậnđẫy mới mé v8 giám sắt chất lượng mỗi trường không khi bằng ảnh vệ tỉnh rong thồi

sian đó

1.2.2 Các loại ảnh viễn thám ứng dụng nghiên cứu môi trường không khí

1.2.2.1 Một sổ tư liệu viễn thám ứng dung trong nghiên cứu 6 nhiễm môi trường

không khí

Vệ tinh ENVISAT ~ EU với ảnh vệ tinh MERIS

Vệ tinh ENVISAT được thiết kế với mục dich quan tắc môi trường trái dắt và bằu khí

quyển Vệ tính ENVISAT được phóng vào ngày 1 thing 3 năm 2002 rên tên lửa đầy Ariane 5 vio quỹ đạo đồng bộ mt tri Các thuộc tinh kỹ thuật eda vệ tinh được nêu trong bảng 2 phần phụ lục.

Mây thu ảnh MERIS là loại máy đo phổ độ pl

tinh ENVISAT có khả năng ghi nhận năng lượng mặt trời phản xạ từ trấi đất rong.

ii trung bình được lắp đặt trên vệ

khoảng bước sóng nhìn thấy được và cận hồng ngoại

(Các thuộc tính kỹ thuật của ảnh MERIS: Ảnh MERIS là ảnh vệ tinh da phổ có độ

phân dai trung bình được chụp đưới dang quét bề mặt trải dat Dữ liệu thu thập được

lu trữ trên 15 kênh phổ trong khoảng bước sóng từ 390 nm đến 1040 am Dữ liệu thụ

được của ảnh MERIS được sử dụng để thu thập các thông tin sau đây

“Thông số mâu của nước biển xa bở như chất điệp lục trong nước biển va các thông số của nước biển ven bờ như hàm lượng chất digp lục, hàm lượng các chất hữu cơ hòa

~ Thông số của khí quyễn như aerosol optical thickness, dang serotol, vi cậthơi nước

“Thuộc tinh kỹ thuật của dữ liệu ảnh MERIS

Dữ liệu ảnh MERIS có một số thuộc tính kỹ thuật như sau:

~ Trường nhìn vuông góc với hướng bay;

Độ phân giải tai vị trí đáy ảnh với ảnh độ phân giải cao (FR): 260 m theo hướng

vuông góc với hướng chụp và 290 m theo hướng chụp;

16

~ BG phân giải thấp (RR): 1040 m theo hướng vuông góc với hướng bay và 1160 mì

theo hướng bay (độ phân giải nay thu được từ khối 16 điểm ảnh của độ phản giải cao);

~ Độ dài tối da một ảnh là 43,5 phút tương đương với chiều dải 17400 km Chiều dài

bước sóng tại tâm của 15 kênh phổ va một số ứng dung của các kênh phổ được ghi chỉ

tiết trong bảng 3 phụ lục

Vệ tinh SPOT với ảnh vệ tình SPOT

Ảnh SPOT được thu từ bộ cảm HRG đặt tên vệ tỉnh SPOT (Systeme Pour

observation de La Tere) do trung tâm nghiên cấu không gian của Pháp (CNES ~

French Center National d'etudies Spatiales) thực hiện có sự tham gia của Bi và Thụy Điễn Ảnh SPOT tương đối đa dạng về dai phổ và độ phân giải không gian từ thấp,

trang bình đến cao (5m im), trường phi mặt đắt của ảnh SPOT cũng tương đối đa

dang từ l0 x 10km đến 200km x 200km, Ảnh SPOT có thể thu ảnh của time ngày, thường vào 11h sáng.

Bảng 1.1: Một số thông số vé các kênh phổ của inh SPOT -1 2-3

Dai pho | Đô phân giải | Độ che phủ

Anh SPOT thuộc thé hệ vệ tỉnh SPOT-L.2;3 ảnh có hai dang li: ảnh toàn sắc

(panchromatic) có độ phân giải không gian là 10m x 10m và ảnh đa phd với độ phân.

giải không gian là 20m x 20m Ảnh SPOT thuộc thé hệ vệ tinh SPOT-4, được thu từ

thiết bị bộ cảm HRVIR là anh thu liên tục trong dai phổ nhìn thấy và hong ngoại và có.

độ phân giải 20m x20m

Bảng 1.2: Một số thông số về các kênh phổ của ảnh SPOT -4

Keamd | Tamé | TỔ La gmmem|

mm

an — [Rane Jasons] a0}

an? JBs aera} —20 3

Kmn: Íenhmmmm JOA] 5 | 58

Kem: | agape [TEL 30

1 kênh toàn sắc | Phố đơn 061-068 10 8

Đối với các ảnh SPOT thuộc thé hệ SPOT-5 được thu từ bộ cảm có độ phân giải hình

học cao HRG (High Resolution Geomet

cho các kênh xanh,

là Sm thay cho 10m ở kênh toàn sắc và Sm

„ cân hồng ngoại và 20m đối với kênh hồng ngoại trung Thể hệ

18

inh SPOT-5 còn trang bị thiết bị riêng để đo thực vật trong dai phổ nhìn thấy vàsân hồng ngoại với độ phân giải không gian 1000mx100m và ảnh được cập nhật hàng

ngày Hiện nay ảnh SPOT được ứng dụng trong nhiu linh vục như: nghiên cứu hiện trang sử dụng dit, khai khoáng trong địa chất, hình lập bản đồ tỷ lệ 1:30.000 đến 1:100,000, nghiên cứu về thực vật ở cấp độ khu vục ảnh SPOT có thể ghi phản xa

phố của toin mặt đất với sự khác biệt về dữ liều, độ phân giải cao và có khả năng nhìn

nỗi, nhạy cảm về phổ hồng ngoại cho thực vật.

Anh vệ tinh MODIS

Anh MODIS dược thu từ bộ cảm MODIS dat trên vệ tỉnh Terra (2000) và vệ tỉnh

Aqua (2002) có mục đích cung cắp dữ liệu về đất liễn, biển và khí quyển một cáchđồng thời, Ảnh MODIS cung cắp đữ iệu ảnh toàn cầu 2 ngày một lẫn với độ phân giải

không gian là 250m, 500m và 1000m Số kênh pho của MODIS là 36 kênh và dữ liệu

ở dang 12 bit, MODIS có đặc tinh chỉnh hình học va phổ Phương pháp chỉnh phd kênh đối với kênh được tham chiếu cho 36 kênh cho ra ai số % pixel hoặc cao hơn

Dit liệu của ảnh MODIS bao gồm các loại su:

- Dữ liệu nghiên cứu mây với độ phân giản 250m x 1000m vào ban ngày và độ phân

giải 1000m x 1000m vào ban đêm,

~ Nang độ ting đối lưu và đặc tỉnh quang với độ phân giải Skm cho vũng biển và 10km

‘cho dat liền vào ban ngày.

độ

= Đặc tinh vỀ mây, độ diy quang học, ảnh hưởng của bán kính hat, ha nhiệt động học,

mây ở các ving vĩ tayén cao, nhiệt độ mây ở độ phân giải iem- 5km ban ngày và Skm

vào ban đêm.

= Phù thực vật đất: điều kiện và năng suất được đặc trưng bởi chỉ số thực vật, đượchiệu chỉnh tác động của khí quyền, dat, phân cực và ảnh hưởng theo hướng phản xạ bề.mặt, kigu phủ đất và năng suất nguyên thủy thực, chỉ số lá theo điện tel và bức xạ hiệu lực mang tính quang hợp bị chắn.

~ Phản xạ về diện tích phủ của tuyết và băng trên biển.

~ Bo nhiệt độ bé mặt với độ phân giải Ikm vào ban ngày và đêm với độ chính xác của

hiệu chính tuyệt đối là 0,3 - 50 tại đại đương và mặt đất

- Màu của bién (phổ phat xạ của đại đương được do 5%), dựa trên dữ liệu kênh phd

19

trong giải sóng nhin thay và hồng ngoi g

~ Nong độ chlorophyl a (với 35%) từ 0,05 đến S0mg/mâ cho nước.

- Huỳnh quang của chlorophyl (50%) trên bề mặt với nồng độ 0,5mg/m3 của

shorophyla

Với những ưu điểm của ảnh vệ tỉnh MODIS:

+ Số kênh phổ lớn (36 kênh) và có kênh phổ để tính toán hàm lượng bụi

+ Cũng với việc chụp ảnh vào 2 thời điểm trong ngày (10h30 với vệ tỉnh TERRA và

13h30 với vệ tinh AQUA) ảnh MODIS có thể quan rắc các thông số mỗi trường trđất vào các thời điểm khác nhau trong ngày cũng như đêm

+ Quan trong nhất ảnh MODIS cho phếp tải mí

tinh SPOT, MERIS phi tr phí

phí trên internet khác với dữ liệu về

Do đó, để tài đã lựa chọn sử dụng ánh MODIS để nghiên cứu, phân tích

1.2.2.2 Ảnh MODIS vũ thông số kỹ thudt của ảnh MODIS

TERRA là một

‘vil trụ Canada, Nhật Bản và Mỹ, được phóng lên quỹ đạo ngày 18/9/1999, Vệ tỉnh hoạt

tinh quốc có sự tham gia của các cơ quan nghiên cứu hàng không,

động ở độ cao 705 km, thu nhận dữ liệu khi bay từ phía Bắc xuống phía Nam, qua xích

dao vào buổi sing theo giờ địa phương, với mục đích quan sát rõ b mặt trái đắt ở thời

điểm ít may nhất

AQUA là vệ tinh được thiết kể iếp theo TERRA AQUA là một phần trong Hệ thông

‘quan sát trái đất (EOS) - Chương trình vệ tỉnh quan sát trái đắt quốc tế do Cơ quan

Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) ti Ệ tinh AQUA được phóng vào quỹ đạo ngày 4-5-2002, thu thập nguồn di liệu da 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 Ih30 chiều, theo hướng bay xuống qua xích đạo lúc 1h30 sing 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 tỉnh TERRA Với mục dich thu nhận dữ liệu có độ khác

biệt tong ngày šsáng/ehiu), vệ tỉnh AQUA và TERRA còn được gọi là vệ tinh EOS

PM và EOS-AM

20

Bộ cảm biển MODIS (đặt trên vệ tỉnh TERRA và AQUA) được thiết kế để thu thập nhiễu loại thông tin khác nhau trong quá trình sinh học và vật lý của khí quyển và tái

đất bằng các thông số đo đạc trong dải phổ nhìn thấy và hồng ngoại, MODIS quan tâm

tới khoảng phổ rộng và nhiều mục tiêu hơn Vi dụ, MODIS thu nhận thông tin vé nhiệt

độ và độ âm của khí quyển, mây và đặc hia mây, đặc tính của bụi khí quyển, nhiệ

độ bé mặt nước biên và bE mặt lục địa, màu đại dương, vật chất lơ lừng tong đại

dương, sự phát quang của chlorophyll, năng suất sơ cắp nguyên, chỉ số thực vật, lớp

phủ mặt đất và sự thay đổi, cháy rùng do thiên tai và con người, độ diy và sự phân bổ

của tuyết

số kỹ thuật của ảnh MODIS:

trên lục địa, nhiệt độ bề mat và phân bổ của bang trên đại dương Các thong

Đặc tính của vệ tinh TERRA và AQUA mang bộ cảm bién MODIS.

Dic điểm vệ tỉnh TERRA:

Vệ tinh TERRA (hay còn gọi là vệ tỉnh EOS-AM) được phóng vào 18/12/1999, có quy dao đồng bộ mat trời, nang các bộ cảm biển như:

~ Aster (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer ~ bức xạ

kế đo bức xạ phần xa va phát x9 nhiệ)

= Ceres (Clouds and the Earth's Radiant Energy System - hệ thông đo may và năng

lượng bức xa trái dit)

~ Misr (Multi-angle Imaging Spectroradiometer =phỏ kế chụp ảnh đa góc).

- MODIS (Moderate Resolution Spectroradiometer ~ phổ kế có độ phân giải trung bình)

Mopitt (Measurements of Pollution in the Troposphere ~ đo mức độ 6 nhiễm của

Hình L7: Quỹ đạo bay của vệ tinh TERRA (Nguồn hupr/rapidfire.sei-gs[e.nasa govirealúme/) Hình 1.7 là quỹ đạo bay của vệ tinh TERRA trong | ngày đêm vio ngày 12/10/2006 Trên hình thé biện thời điểm ma vệ tinh TERRA bay qua.

Đặc điểm của bộ cảm biển MODIS- TERRA:

MODIS là một bộ cảm biến chủ yêu của vệ tỉnh TERRA Bộ cảm biển có độ rộng của

‘dai quét là 230km, chiều dài 10km, góc chụp là 55°, Bộ cảm biến MODIS quét gần

"hết tri đất trong 1 ngày đêm trừ một số dai hẹp vùng xích đạo (Hình 1.8) Các dai nàyđược phủ hết vào ngày hôm sau

2

"Nếu thu nhận dữ li a ảnh vào ban ngày thi được 36 kênh phổ, nhưng nễu ban đềm chỉthu nhận được băng hồng ngoại nhiệt (từ kênh phd 20 đến 36).

Anh vệ tinh thu nhận dạng 12 bit có 36 kênh phổ được thể hiện chi tiết ở bảng 1 phụ

lục

“Các mức độ xử ý của ảnh vệ tỉnh MODIS:

= LO: cấp độ thô nhất, đã liệu được thu trực tgp từ vệ tỉnh

~ LIA: được tạo ra khi mở dữ liệu (giải nén L0), có kèm theo thông số định chuẩn bức

xã địa lý

~ LIB: đữ liệu đã hiệu chỉnh hình học.

= LIR, 2R: dữ liệu đã higu chỉnh bức xạ

~ LARG: dit liệu đã xữ lý theo lưới mô hình phản xạ bề mặt để đồng nhất v thời gian

và không gian.

Vệ tinh AQUA mang bộ cảm biến MODIS

Đặc điểm vệ tinh AQUA

Vệ tỉnh AQUA (hay còn gọi là EOS PM) được phóng lên không gian vào ngày

4/5/2002, với quỹ đạo ding bộ với mặt trai

23

AQUA tiếng Latin có nghĩa là “Nước”, do cơ quan nghiên cứu NASA đặt tên do vệtinh này thu nhận nhiều thông tin vé sự luân chuyển của nước trên trải đất, hơi nước tửmặt nước biển, hơi nước trong khí quyền, mây, mưa, cấu tao dat, băng đá ở biển, băng.

đá ở đất liễn và tuyết ở biển va đất liền, Ngoài ra vệ tinh AQUA còn đo được nănglượng phản xạ của thực vat, đồng chảy phủ trên mặt dit; chất hóa học hòa tan, phiêusinh thực vật trong nước biển, không khí, đất: và nhiệt độ của nước

Vệ tỉnh AQUA mang 6 bộ cảm biển như sau:

1 AIRS (Atmospheric Infrared Sounder)

2 AMSU-A

3 MODIS (Moderate Resolution Spectroradiometer)

4, HSB (Humidity Sounder for Brazil)

Ago nsiunenz

5, AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS)

6 CERES (Barth's Radiant Energy System)

“Vệ tính bay ở độ cao 705km, góc quết li 98.2" Vệ tinh AQUA bay từ Bắc xuống Nam

«qua xích đạo khoảng 13830"

Hình 1.9: Vệ tinh AQUA và các bộ cảm

(Nguồn: http:/aqua.nasa.gov/)

Hình 1.10 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 tỉnh AQUA bay qua.

Die điểm của bộ cảm biển MODIS- AQUA

Bộ cảm biến MODIS ở vệ tỉnh AQUA có

tinh TERRA Tuy nhiên MODIS-AQUA có những khác biệt:

‘enh phổ tương tự như MODIS của vệ

Do khiếm khuyết của MODIS-AQUA nên kênh phd 5 (1.23 ~ 125 pm), 6 (1.628 ~

1.652 um) bị lỗi sọ trên ảnh

Hiện tượng dng điện từ ít xen vào kênh ph hồng ngoại bước sóng ngắn hon,

“Tính được nhiệt độ bề mặt biển bằng kênh 31, 32 tốt hom,

25

Bảng 1.3: Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS

- Độ cao bay chụp: 705 km

~ Thời điểm chụp trong ngày:

1 Quy đạo + 10.15 am, descending (TERRA)

+ 1.30 PM, ascending (AQUA)

- Quy đạo đồng bộ mặt trời, cận cực

2 ‘BG rộng dai chụp, 2300 km

= 250 m: kênh 1-2

Độ phân giải không gia ti

1.3.1 Bui PMS trong nghiên cứu ð nhiém môi trường không khí

13.1.1 Khái nim bụi PMS

PM trong PM2.5 là viết tit của Particulate matter, có nghĩa là chat dạng hạt Chi số 2.5

ong PM2.5 là những chỉ số về chất lượng không khí, chỉ kích thước và mật độ những hat rồi nỗi trong không ki

Bui PM2.5 là các hạt bụi lơ lửng có đường kính nhỏ hon hoặc bằng 2,5 um (micromed),

Hat tồi nỗi (Particulate) là khái niệm dùng để chi những hat dang long hoặc rin rấtnhỏ trôi nỗi trong không khí Các hạt này có thé do nhiều chất khác nhau tạo nên, nhưcacbon, sulfua, khí nite, và các hợp chất kim loại, v.v Đối với các nhà khoa học môitrường, các bạt trôi nỗi này nhằm chỉ những chit 6 nhiễm rit nhỏ trong không khí, mộttrong những nguyên nhân chủ yếu gây ra 6 nh m không khí

26

nhà khoa học dùng chỉ số PM2.5 để biểu thị hi n lượng tiêu chuẫn của các bạt rồi

nổi trong một mét khối không khi Chỉ số này cảng cao cũng có nghĩa là sự ô nhiễm

không khí ở nơi đồ càng nghiêm trọng.

Chi số PM2.5 là mat độ số hạt PM2.5 có tong 1 mớt khối không khí, mức tiêu chun

và an toàn là 25, tức là 25 hạt trong 1 mét khối không khí (QCVN 05:2013/BTNMT),chi số này cảng lên ao thi mức độ 6 nhiễm không khi cing nguy hiểm Tuy nhiên chođến nay việc nghiên cứu, đo đạc và khảo sắt môi trường không khí cũng như bụi PM-2.5 vẫn gặp nhiều khó khăn như tổn kém vé kinh tẾ cũng như tổn thồi gian, nhân lực.Phương pháp có hiệu qua hiện nay trong nghiên cứu ô nhiễm môi trường không khí là

sử dụng kết hợp thông tin Viễn thầm (RS) và Hệ thông tin địa lý (GIS) với những ưuđiểm như cung cấp nhanh ác tư liệu ảnh số, chỉ ph thắp

1.3.2 Tác hại của bụi PM2 5

Bui min hay những hạt có đường kính bé hơn 2,5 micromet là những hat đặc biệt nguy hiểm bởi húng xâm nhập trực tiếp vào các túi phổi gây viêm nhiễm đường hô hip

vi làm tăng nguy co tử vong của những người mắc bệnh ung thư phối và nh tìm,

Ngoài ra bụi siêu mịn góp phần vào tác động hâm nóng tái đt và làm tăng lượng mưaccủa mỗi Khu we do các hạt bụi siêu nhỏ này kết hợp với hơi nước và khí tử đại dương

và từ sa mac da góp phần làm cho các đảm mây có thể tích lớn hơn và vi vậy gây ra

các trận mưa to hơn

Bui st mịn côn là tắc nhân gây ra các rồi loạn về tâm lý, Đồ là, khả năng bụi siêu

nhỏ, một khi xâm nhập vio hệ thống twin hoàn, thông qua con đường hô hip, có thégây ra viêm té bio não Do vậy, việc ngăn chặn sự sản sinh và gia ting him lượng bụi;

«dang chú ý là loại bụi siêu min, là điều nên làm va phải làm tích cực,

1.3.2 Bui PM2.5 từ đữ liệu ảnh vệ tink MODIS:

Để xác định hàm lượng bụi PM2.5 ta cần xác định được độ dày quang học sol khí

(AOD - Asrosol Optical Depth) Độ đây quang học (OD - Optical Depth) là thước do

su truyén xạ (transmittance) của một cột không khí theo chiều thẳng đứng trên đơn vị

điện tch mặt cắt ngang Độ truyén xạ quan hệ ngược với OD của khí quyển OD lớn

ghia là tray xạ qua khí quyền it Độ truyễn xạ của khí quyển có gi tỉ tử 0 đến 1,

27

trong đó 0 tương ứng với một không khí hoàn toản mở đục và | tương ứng với một bầu không khí hoàn toàn trong suốt OD là kết quả của hiệu ứng kết hợp của sự tần xạ

và hấp thu theo chiều thing đứng, gây ra chủ yêu bởi các sol khi và phân tử không khí

là AOD,

OD chỉ do các sol khí tạo ra được gọi

“Trên thể giới, đã từng có những nghiền cứu xúc định độ đây quang học sol khí (AOD

-Aerosol Optical Depth) từ ảnh vệ tinh Landsat TM/ETM+, ASTER, SPOT, ALOS, IRS, MODIS Kaufman và cộng sự (1990) [7] đã phát triển thuật toán xác định AOD theo sự khác biệt của thành phin bức xạ hướng lên, được ghi nhận bởi vệ tỉnh,

một ngày tai rõ rong (không ô nhiễm) và một ngày mù sương (có 6 nhiễm) Phươngpháp này giả định rằng phản xạ bể mặt giữa ngày rõ rong và ngày mù sương Không

thay đổi Retalis (1998) [8] và Retalis cùng cộng sự (1999) [9] chứng minh rằng việc

đánh giá 6 nhiễm không khí ở Athens có thé đạt được bing cách sử dụng kênh 1 củaLandsat TM bằng tỉnh tương quan AOD với các chất 6 nhiễm không khí được thụ

thập Hadjimibis và Clayton (2009) [I0] đã phát trién một phương pháp kết hop

nguyên lý Trừ đối tượng den (DOS - Darkest Object Subtraction) vả phương trình.

truyền bức xạ dé tính giá tri AOD cho các kênh | và 2 của Landsat TM Phương pháp

nảy xem xét các giá trị phản xạ thực của các đối tượng đen thu thập trên thực địa vàsắc thông số khi quyén như him số pha tin xạ đơn của sol khí, albedo tin xạ đơn va sựhấp thụ hơi nước, Hadjimitsis (20094) [1] sử dụng phương pháp mới để xác địnhAOD thông qua việc sử dụng hiệu chỉnh khí quyển bằng pixel tối nhất trên khu vực

sản bay London Heathrow ở Anh và khu vực sin bay Pafos tại Sip Hadjimitsis

(2009b) [12] đã phát triển một phương pháp xác định AOD thông qua việc áp dungsắc công cụ tương phản (gi tr tương phản cực di) nh toắn trayén bức xạ và "dẫuvết” của pixel tối nhất thích hợp cho ảnh Landsat, SPOT và ảnh độ phân giải cao như.

IKONOS và Quickbird.

Luận vin sẽ trình bay kết quả nghiên cứu khả năng phát hiện thành phần bụi PM2.5

›u ảnh vệ tỉnh MODIS Bằng cách đánh giá mí

trong không khí từ các dữ quan hệ

của nồng độ ô nhiễm bụi PM2.5 trong thực tế so với nồng độ bụi PM2.5 xác định từ

các dữ liệu độ day quang học sol khí (AOD) được đo bởi các mức độ phân giải anh

trung bình (MODIS) Sử dựng mô hình GEOS-Chem (mô hình 3D toàn cầu vỀ sự vận

28

chuyển các thành phần khí quyển) để mô phỏng các yéu tổ ảnh hưởng đến mỗi quan hệgiữa AOD và PM2.5, Qua đó thành lập ban đồ phân bổ 6 nhiễm bại ở khu vực miễnBắc nhằm hỗ trợ công tác quan trắc mặt đắt.

29

'CHƯƠNG 2: TONG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU.

2.1 Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu

2.11 Viti di

Hình 2.1; Khu vực nghiên cứu.

Bắc Bộ nằm ở vùng cục Bắc lãnh thé Việt Nam, c6 phía bắc giáp Trung Quốc, phíatây giáp Lào va phía đông giáp biển Đông, Được bit đầu từ vi độ 23°23" Bắc đến8°27" Bắc với chiều dai là 1650 km Chiều ngang Đông - Tây là 500 km, rộng nhất so

với Trung Bộ và Nam Bộ,

'Vùng lãnh thổ này miền Bắc được chia thành 3 vùng lãnh thổ nhỏ:

+ Tây Bắc bộ (bao gồ

La) Vùng này chủ yêu nằm ở hữu ngạn sông Hồng Riêng Lào Cai, Yên Bái đôi khi

vẫn được xếp vào tidu vùng đông bic

6 tinh: Lào Cai, Yên Bái, Điện Biên, Hoà Bình, Lai Châu, Son

30