Luận án tiến sĩ Khoa học máy tính: Nghiên cứu phương pháp xác định nguồn phát thải, độ sâu quang học sol khí và ứng dụng học máy trong ước tính ô nhiễm không khí

Một trong những phương pháp xác định nguồn gốc các chất ô nhiễm được áp dụng hiện nay là sử dụng dữ liệu viễn thám trong nghiên cứu sol khí và xác định các thuộc tính của sol khí.. Ở Việ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRAN TUÁN VINH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NGUON PHÁT THAI, ĐỘ SÂU QUANG HOC

LUẬN ÁN TIỀN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Hà Nội — 2024

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRAN TUAN VINH

Chuyên ngành: Khoa học máy tinh

Mã số: 9480101.01

LUẬN ÁN TIỀN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS.TS NGUYEN THANH THUY

2 PGS TS NGUYEN THI NHAT THANH

Hà Nội — 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các nội dung trong luận án là công trình nghiên cứucủa riêng tôi Các kết quả được nêu trong luận án được phản ánh trung thực vàchưa từng công bố trong bat kỳ công trình nào khác Các kết quả được nghiên cứuchung với các tác giả khác trong các bài báo khoa học đều được sự đồng ý cho

phép sử dụng trước khi đưa vao luận án.

Tác giả luận án

Quốc gia Hà Nội.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đặc biệt tới GS.TS Nguyễn Thanh Thuỷ

và PGS.TS Nguyễn Thị Nhật Thanh - Thầy Cô hướng dẫn luận án, đã trực tiếp

hướng dẫn tôi trong quá trình nghiên cứu khoa học và thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cám ơn Lãnh đạo và các đồng nghiệp ở Trường Đại học

Sư phạm Hà Nội 2, Viện Công nghệ Thông tin đã luôn động viên, tạo điều kiệnthuận lợi nhất trong quá trình theo học Nghiên cứu sinh

Tôi xin cam ơn gia đình đã luôn bên cạnh, động viên đê tôi vượt qua những

khó khăn và hoàn thành mục tiêu nghiên cứu của mình.

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận án

MỤC LỤC

M.9:800/98:7.0)/ c1 ivDANH MỤC HINH VẼP - - 5S SE SE kSEEEEEESEEEEEEEkEEEEkrkrkrrrrrree viDANH MỤC CHU VIET TẮTT - + + k+k£E+E£EE+EEEEEEEEEEEeEkekerkererkee ix

\ (92.100 .-14 3 Chương 1: TONG QUAN NGHIÊN CỨU 2 2 s+cs+£xzsz>s4 13

1.1 Tổng quan về ô nhiễm không khí - 2 2 2222 =zzs4 13

1.1.1 Ô nhiễm không khí -s:©+©-x©c++cxeSE+erxesreerxesreerseee 13 1.1.2 Các chất gây ô nhiễm không khí - 2 + seckec+x+eerxeei 13 1.13 Nguồn sốc các chất gây ô nhiễm không khí +52 141.1.4 Ảnh hưởng của ô nhiễm không khí -. 2 2 s+cscsze: 151.1.5 Hiện trạng ô nhiễm không khí 2- 2 2 +s+cscs+x+xerxees 151.2 Tổng quan về các phương pháp xác định nguồn phát thải 17

1.2.1 Xác định nguồn phát thai từ đữ liệu vệ tinh CALIPSO 19 1.2.2 Phân tích dữ liệu NO2 dé xác định mối liên hệ nguồn phát thải

với hoạt động công nghiệp và giao thÔng ‹ s«ccccscissseerssseeresses 22

1.2.3 Kiém kê phát thải từ đốt TOM rạ c- +5 S+teceE+Evrxerxeei 22 1.3 Tổng quan về các phương pháp ước tính độ sâu quang học của sol khíỠađẳaẳầẳắiẳầaắđầđẳầẳaắaắầầắầắađaááắađáđaẳaẳaẳaẳaẳaẳaẳaẳaẳaẳaẳada54aÃẮ 24

1.3.1 Vệ tinh độ phân giải CAO c- «c5 +svEEeeeEseeeseeeeeeeeee 25

1.3.2 Thuật toán ước tính độ sâu quang học của sol khí từ ảnh vệ tỉnh

AG PNG BIG COO SE uaỔỔỖỔ 27

1.4 Tổng quan về các phương pháp dự đoán nồng độ bụi PM2.5 ở khu

300101177 Ö 33

1.4.1 Mối quan hệ giữa AOD và PM2.5 ©c2©cccccccce 33

1.4.2 Mô hình học máy và dự doan nồng độ PM2.5 351.5 Tong két ChUONG 1n :4 39Chương 2: Xác định nguồn phát thai 6 nhiễm không khí - 40

2.1 Giới thiệu bài toán xác định nguồn phát thải - - 40

2.2 Dữ liệu và phương pháp - 5+ + + E + +veEseeseeereerereree 45

2.2.1 Xác định nguồn phát thải từ dit liệu vệ tinh CALIPSO 45

2.2.2 Phân tích dữ liệu NO2 của vệ tinh Sentinel-5P để xác định mốiliên hệ nguồn phát thải với hoạt động công nghiệp và giao thông 55

2.2.3 Phương pháp quan trắc thực địa dé ước tính khối lượng đốt rom

1A SAU thu 8101/19/8171 EHHAaaiiađádđắ4Ả 60

Chương 3: Ước tính độ sâu quang học của sol khí - + =s<++ 82

3.1 Giới thiệu bài toán ước tính độ sâu quang học của sol khí cho khu vực

AO tHỊ HH HH nh TH Thu TH TH HH cư 82

3.2 b0 85

3.2.1 Dữ liệu AERONET Level 2.0 - Version 3 «- 56 3.2.2 Dữ liệu Landsat 8 Level 1 iccccccccccccccccccccccesssscccccceccssssssseeeeeeeesees S7

3.2.3 Dữ liệu MODIS AOI - 5 kh ngư hệt 86

3.2.4 Dữ liệu DEM À Sf@F ĂĂĂSS BS veo 39 3.3 Thuật toán ước tính AOD - 5 kg ng tư 90

3.3.1 Tiên xử lý dữ liỆU - + ++k‡EEk‡EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEerkrkerrkee 903.3.2 Xây dựng moi quan hệ phản xạ bé mặt giữa các kênh BLUE-RED-

ƯA 93

3.3.3 Hiệu Chỉnh A6 COO -ccc CS 30311 KE SE 1kg x4 96

3.3.4 Mô phỏng phản xạ tại đỉnh khí quyển TOA ở từng bước sóng ứng

J287,7.84/.858.00/00.00000nn88 97

3.3.5 Uớc tính AQD ScScS tt St SEEEEEtEkrxexrrrrerkrrreo 97

3.4 KẾT Quả 5-5c 52222 212E15215717112112112111111 1111211111111 1E 99

“1N (7710110 a na e.e 99

3.4.2 Mối quan hệ phản xa bê mặt giữa các kênh BLUE-RED-SWIR2

"¬—— 100

3.4.3 Đánh giá AOD ước tính từ thuật tOGN -.-«-««<<««+ 101

3.5 Tổng kết chương wesc eeccecceseessessessessessecsscssessessessessssssssessessessesseeaees 110 Chương 4: Dự đoán nồng độ bụi PM2.5 của khu vực đô thị 111

4.1 Giới thiệu bài toán dự đoán nông độ bụi PM2.5 của khu vực đô thị

DANH MỤC BANG

Bang 1.1 Phân loại và định nghĩa các loại sol khí trong thuật toán của CALIPSO phiên bản 3 [6] và phiên bản 4 [6 Ï] - - 55 55s *£+s<+ex+exs+ 21

Bang 2.1 Thống kê mùa theo các thang trong năm ở Miền Bắc, Miễn Trung

và Miền Nam, Việt Nam - ¿2 St SE +ESEEEESEEEEEEEESEEEEEESEEEEEEEEEEEEErkrkrrrrkrkee 48

Bảng 2.2 Phân loại sol khí trong thuật toán CALIOP phiên bản 3, 4 và nguồn

018501 15 51

Bang 2.3 Mô tả phương pháp xác định nguồn phát thai 6 nhiễm từ dữ liệu vệ tinh CALIPSO - G- G1 TT TH HH HT HH ng 52 Bảng 2.4 Phân loại sol khí theo tỉ số LIDAR phiên bản 3 [114], sr (steradian) ¬— 53

Bang 2.5 Phân bố dữ liệu theo chiều doc và chiều ngang của VEM [114]54 Bang 2.6 Phân bồ từng loại sol khí theo tháng ở độ cao -0,5 km đến 8,2 km "1= 70 Bảng 2.7 Phân bồ từng loại sol khí theo tháng ở độ cao 8,2 km đến 20,2 km sssuesussussuctucessussussussucarsussussussucsesursussuctecarsatsussusaesassassussecsesassassussusaesarsassesaesaesarensenees 71 Bang 2.8 Thống kê kết quả quan trắc thực dia - 2 2s 5 5+: 76 Bảng 2.9 Thống kê các mẫu dùng đánh giá sự tương quan giữa khối lượng rơm ước tính theo công thức và kết quả thực ổịa - 2-2 z+s+zs+zszcezz 71 Bảng 2.10 Khối lượng đốt có nguồn gốc từ đồng ruộng đối với rơm, gốc rạ và tổng lượng phụ phẩm sau thu hoạch lúa kết hợp SaI số: rơm (+ 0,033), sốc ra (+ 0,076), tong dư lượng (+ 0,083) kg/m”, độ âm (+ 3%) -5- 5552 78 Bảng 2.11 Phát thải tiềm năng tại Hà Nội, Việt Nam sử dụng khối lượng đốt từ các tài liệu và nghiên cứu thực địa Gg = Ø1ØaðTaIMS 5 5 «5+5 79 Bảng 3.1 Thông tin về các kênh ảnh của Landsat 8 OLI và MODIS 85

Bang 3.2 Kênh cua Landsat 8 OLÌ 5 «+ + E+s+evEeeeseeerers 87 Bang 3.3 Thống kê dữ liệu ở khu vực nghiên cứu -: - 88

Bảng 3.4 Kết quả đánh giá AOD Landsat 8 va AOD MODIS 108

Bảng 4.1 Thống kê dữ liệu thu thập tại Bắc Ninh năm 2020 — 2021 115

Bảng 4.2 Thống kê dữ liệu cho mô hình học máy - - 115 Bảng 4.3 Mô tả các đặc trưng là đầu vào của mô hình học máy dự đoán

PM2.5 QGQ Q0 116

1V

Bảng 4.4 Kết quả fine-tuning tham số mô hình học máy bằng GridSearchCV

ssssesussussucsucsesersussussusaessesussassussucsusarsussussustessrsassussussuceesarsussusssaesatsatsussessesarsateesevees 120

Bang 4.5 Thống kê kết quả của bốn mô hình hoc máy dự đoán PM2.5 tạiBắc Ninh - 5c scct T E kE xE11 11 211111111111 11 1111 11 111111111 111111 re, 120

DANH MỤC HÌNH VE

Hình 0.1 Sơ đồ các vẫn đề nghiên cứu của luận án - 2 10 Hình 1.1 Minh hoạ phương pháp xác định nguồn phát thải mê tan [58] 19 Hình 1.2 Một số hình ảnh đốt rom ra tại Hà Nội - : 23Hình 1.3 Các kiểu hoạt động của vệ tinh [77] « -«<+<ex++eex+s 26

Hình 1.4 Độ phân giải không gian của các vệ tinh theo thời gian [77] 26

Hình 1.5 Bản đồ AOD miền nam nước Anh ngày 17-6-2006 ở độ phân giải

10 km (AOD MODIS) và I km (AOD MATAC) [8l] -« -<<5 30

Hình 1.6 Mô hình random forest [Ö2] c5 ‡‡‡‡‡<+‡<<££eeeeeeess 37

Hình 2.1 Xác định nguồn phát thai 6 nhiễm không khí từ dữ liệu quan trắc

thực địa và dữ liệu V6 tĩnhh - + SE *Sx 11 S1 91111 11 1 nh HH như 4I

Hình 2.2 (a) Ruộng thu hoạch bằng máy; (b) Đống rơm rạ trước khi đốt (c)Ruộng sau khi đốt; (d) Đống rom ra đốt sau thu hoạch 2-5-5 5+: 44

Hình 2.3 Tổng tán xạ ngược suy hao tại bước sóng 532 nm theo độ cao 46Hình 2.4 Tổng tán xạ ngược suy hao tại bước sóng 1064 nm theo độ cao

Hình 2.6 Mặt nạ đặc trưng cột (VFM) mô tả sự phân bồ theo độ cao của các

le.!R 9)8:4›\4HiiiiiiẳiẳẳỎŨỎŨ 47

Hình 2.7 (a) Ba trạm AERONET tên là Nghĩa Đô, Nha Trang, Bạc Liêu đặt

tại ba miền Bắc, Trung và Nam của Việt Nam Trung bình hàng tháng của hướng

và tốc độ gió trên Việt Nam vào (b) tháng | và (c) tháng 7 là 925 hPa trong giai

đoạn 1979-2014, sử dụng dữ liệu NCEP/DOIE-]I - 5555 +s+<ss++ss>+s+ 48

Hình 2.8 Bản đồ phân loại lớp phủ đất năm 2010 -¿-z=52 50Hình 2.9 Xác định nguồn phát thai 6 nhiễm không khí từ vệ tinh CALIPSO

VI

Hình 2.14 Một điểm và vùng lân cận hình tròn được sử dụng dé xác định độ

dài cho mật độ đường [122] ¿+ + +31 E321 E**EEE£#EE+vEE+eeExeesreeereeesrreerrse 59

Hình 2.15 (a) Dữ liệu SAR đã xử lý Những vùng có màu tím, hồng và xanh

là biểu hiện của lúa nước; (b) Bản đồ lúa phân loại SAR sử dụng dé khoanh vùng

các ô lưới lúa và không phải lúa dé lẫy mẫu thực dia [123] - 60

Hình 2.16 Phương pháp xác định khối lượng đốt rom, ra từ thực địa 61

Hình 2.17 (a) Phép đo đạc sử dụng quadrat ước tính khối lượng rạ; (b) Thiết bị đo độ âm Extech MO290 5c: 22t tre 63 Hình 2.18 Các loại sol khí ở khu vực Nghĩa Đô chủ yếu bao gồm bụi ô nhiễm, đốt sinh khối, lục dia ô nhiễm, lục địa sạch và bụi sa mạc 64

Hình 2.19 Các loại sol khí tại khu vực Nha Trang chủ yếu bao gồm bụi ô nhiễm, đốt sinh khối, lục dia ô nhiễm, lục địa sạch và bụi sa mạc 66

Hình 2.20 Các loại sol khí ở khu vực Bạc Liêu chủ yếu bao gồm bụi ô nhiễm, đốt sinh khối, lục địa 6 nhiễm, lục địa sạch và bụi sa mạc - ss-: 67 Hình 2.21 Tỉ lệ sol khí tai Hà Nội năm 2006 — 2015 - 68

Hình 2.22 Tỉ lệ sol khí theo từng tháng tại Hà Nội năm 2006 - 2015 68

Hình 2.23 Tỉ lệ sol khí tai Hà Nội năm 2016 — 2019 69

Hình 2.24 Tỉ lệ sol khí theo từng tháng tại Ha Nội năm 2016 — 2019 70

Hình 2.25 Bản đồ mật độ NO2 trong thời gian cách ly kết hợp với bản đồ vị trí các nha máy và ban đồ gió trong cùng thời gian 2-5 5 s2 73 Hình 2.26 Biểu đồ mật độ dân só(a), mật độ đường (b) với độ giảm mật độ NO2 trong giai đoạn Cách Ìy - + + 13911 93 E9 11 1 vn net 75 Hình 2.27 Các thông số đo đạc tại hiện trường nêu bật mối quan hệ chặt chẽ giữa diện tích ruộng và (a) sốc rạ;(b) rơm; (c) tổng rơm rạ sau thu hoạch; cũng như (d) chiều rộng ruộng và số hàng rom ra trên ruộng -:- 5: 79 Hình 3.1 Tiến trình thực hiện bài toán ước tính AOD của Landsat 8 85

Hình 3.2 Khu vực nghiên cứu tại Việt Nam (ESA WorldCover [142]) 86

Hình 3.3 Sơ đồ khối phương pháp ước tính AOD từ Landsat 8 OLI 92

Hình 3.4 Sơ đồ xác định mối quan hệ phan xạ bề mặt tại các kênh BLUE, ;50900140 22117 96

Hình 3.5 Mặt nạ mây (Fmask) của ảnh Landsat 8 khu vực có chứa Hà Nội vào ngay 18 tháng 12 năm 2013 và ngày | tháng 7 năm 2015 100

Hình 3.6 AOD ước tính tại Hà Nội (màu trắng là không có dữ liệu) 102

Vil

Hình 3.7 Tích hợp dữ liệu vệ tinh va dit liệu quan trắc trên mặt đất [171]

¬— 103

Hình 3.8 Kết quả đánh giá AOD thu được từ thuật toán và trạm AERONET

Hình 3.9 Mô ta anh Landsat 8 va MODIS trong các ngày thực hiện đánh gia.

Phan màu xám là anh Landsat 8, phần mau đỏ là ảnh MODIS 107

Hình 3.10 Đánh giá Landsat 8 AOD 30 m với MODIS AOD 3 km tại Landsat 8 Path/Row = I26/Ö44 - - < TH TH TH TH HH HH nh nh 108

Hình 3.11 Đánh giá AOD của Landsat 8 30 m với AOD MODIS 3 km tại

Landsat 8 Path / ROW = 1277/Ö⁄4E - <1 ng ng ng nưy 109

Hình 4.1 Diễn biến giá tri thông số TSP trong không khí tại một số làngnghề giai đoạn 2016-2(01 -¿- 2 5£+E2+E£+EE2EESEEEEEEEEEEE21121122121111 7171 cxeC 114

Hình 4.2 Các trạm PM tại Bắc Ninh ¿2c ct c2 cxeEvErkerrrrseeee 114Hình 4.3 Xây dựng mô hình học máy dự đoán nồng độ PM2.5 từ dữ liệu

AOD của Landsat 8 va dữ liệu khí tượng từ mô hình WRE 117

Hình 4.4 Bản đồ nhiệt mô tả tương quan giữa các giá tri HPBL:Độ cao;PRES: Áp suất; RH: Độ âm tương đối; TMP: Nhiệt độ; WDIR: Hướng gió;WSPD: Tốc độ giÓ -2- 2-52 SE 1215217157111211215111111111 111111 c0, 119

Hình 4.5 Phân phối của P.M2.5 2: ©2¿+<+2++EE+EEz+EEtrxeerkrrreerxee 119Hình 4.6 Biểu đồ phân tán va biéu đồ đường biểu diễn kết quả của các môhình hoc máy dự đoán PM2.5 tại Bắc Ninh 2 2 2+2+zz+£s+rxerxersee 123

Vili

DANH MỤC CHỮ VIET TAT

Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt

AERONET | AErosol RObotic NETwork Mạng lưới AERONET thu

DT Dark Target “Mục tiêu tôi”

EPA Environmental Protection | Tô chức bao vệ môi trường

Agency FOV Field of View Truong nhin

GSD Ground Sample Distance Độ phân giải mặt đất

IFOV Instantaneous Field of View Trường nhìn tức thời

LIDAR Light Detection And Ranging Công nghệ LiDAR

MAE Mean Absolute Error Sai số trung bình tuyệt đôi

MODIS Moderate Resolution Imaging | Cảm biến MODIS

Spectroradiometer

MSE Mean Square Error Sai số trung bình bình

phương

OLI Operational Land Imager Cam bién OLI

PM Particle Matter Hat

RMSE Root Mean Square Error Căn bậc 2 của sai số trung

bình bình phương

SWIR Short-Wave Infrared Hồng ngoại sóng ngắn

VIIRS Visible Infrared Imaging | Cảm biến VIIRS

Radiometer Suite VIS Visible Quang hoc

WHO World Health Organization T6 chức Y tế Thé giới

WRE Weather Research & Forecasting | Mô hình nghiên cứu và dự

1X

MỞ ĐẦU

1 Tính cap thiệt của vần đề nghiên cứu

Ô nhiễm không khí là một van dé lớn và cấp thiết mà tat cả các quốc gia trênthế giới đang phải đối mặt Tốc độ tăng trưởng đô thị và công nghiệp hóa nhanhchóng đã dẫn đến một lượng lớn chất thải có khả năng gây hại được phát thải vàokhí quyên Hậu quả là gây ra ô nhiễm không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe và cuộcsống của con người, gây thiệt hại trên diện rộng cho thảm thực vật, cây trồng,động vật hoang dã, vật liệu, công trình xây dựng và khí hậu, đồng thời dẫn đếncạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên khan hiếm can thiết cho phát triển kinh tếlâu dài Bầu khí quyên xung quanh chúng ta tưởng chừng rộng lớn đến mức nó cóthé hấp thy bat kỳ lượng phát thải nào Tuy nhiên, trong những thập kỷ qua, một

số yếu tố đã làm thay đổi mạnh mẽ thái độ này, việc bảo vệ bầu khí quyên trởthành một đòi hỏi cấp thiết Cùng với việc nhận thức được không gian chúng tađang sống hoàn toàn hữu hạn, dân số ngày càng tăng và các đô thị lớn, công trìnhxây dựng, khu công nghiệp phát triển ram rộ, đòi hỏi chúng ta luôn có ý thức

bảo vệ chât lượng môi trường sông nói chung, môi trường không khí nói riêng.

Việt Nam là một nước đang phát triển, chúng ta cũng đang trải qua quá trìnhcông nghiệp hóa và hiện đại hóa, với sự phát triển nhanh chóng của các khu vực

đô thị, khu công nghiệp, Do đó, các vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung vàvấn đề ô nhiễm không khí nói riêng xuất hiện ngày càng nhiều Vì vậy, chúng tacần thiết phải có giải pháp đề giảm thiêu tác động của ô nhiễm không khí

Nguồn góc chính gây 6 nhiễm không khí, tự nhiên và nhân tạo, phụ thuộctrực tiếp vào mức tiêu thụ năng lượng phát sinh trong các hoạt động sống hiện đại

và phát triển công nghiệp, ảnh hưởng bởi sự gia tăng dân số toàn cầu và nhu cầunâng cao chất lượng cuộc sống Tat cả chúng ta trực tiếp hoặc gián tiếp tham giagây ô nhiễm, do đó cần phải chia sẻ những hậu quả, chi phí và phải trực tiếp thamgia vào các hoạt động góp phần làm sạch của bầu không khí cũng như môi trườngsông Dé kiểm soát chất lượng không khí, các nhà hoạch định chính sách, thôngqua hợp tác quốc tế, đã quyết định đưa ra các quy định cụ thể về chứng thực mức

độ được phép tối đa và các giá trị giới hạn cảnh báo Khi đó, cần kiểm soát lượngkhí thải và chất lượng không khí

Trọng tâm chính của giám sát ô nhiễm môi trường không khí là xác định và

định lượng các chất ô nhiễm trong khí quyên, từ phạm vi toàn cầu (hiệu ứng khínhà kính) đến phạm vi địa phương, ở các quy mô khác nhau Các phương pháp vàcách tiếp cận quan trắc không khí ở các quy mô khác nhau có thé áp dụng với cácphép đo trực tiếp hoặc gián tiếp Các phép đo vật lý và hóa học trực tiếp bao gồm

đo nồng độ và kích thước của các hat thu được trên các bộ lọc Các phép đo giảntiếp rất phong phú, chăng hạn như dựa trên tán xạ ánh sáng để xác định lượng solkhí trong khí quyền Đề giám sát các chất ô nhiễm không khí hiệu quả, phải đolường, ước tính tại nguồn phát thải, ngay sau khi được chúng được phát thải ra hoặc trong thời gian chúng tồn đọng trong khí quyền.

Từ giữa những năm 1990, các vệ tinh quan sát Trái đất thé hệ mới có théphát hiện ô nhiễm không khí tầng đối lưu với độ phân giải không gian và thời gian

ngày càng cao Các nghiên cứu của Borrell và cộng sự (2003), Martin (2008),

Palmer (2008), Hoff va Christopher (2009) [1-4] nhan manh giá tri của các quansát dựa trên không gian dé xác định ô nhiễm không khí tang đối lưu và có khanăng xác định nguồn phát thải chính Hau hết các chất phát thải 6 nhiễm khôngkhí chính có thé do bằng các thiết bi Day là cơ sở dé liên kết các phép đo vệ tinhvới việc định lượng lượng khí thải chính nham cải thiện khả năng sử dụng các giátrị đo tại các trạm quan trắc và các nghiên cứu thực địa trong việc xây dựng kếhoạch quản lý chất lượng không khí

Một trong những phương pháp xác định nguồn gốc các chất ô nhiễm được

áp dụng hiện nay là sử dụng dữ liệu viễn thám trong nghiên cứu sol khí và xác

định các thuộc tính của sol khí Sol khí được hình thành từ các nguồn khác nhau

ton tại trong khí quyền Theo Deepak và cộng sự (1983) [5], các hạt sol khí được

mô hình hóa thành các thành phan, mỗi thành phan đại diện cho một nguôồn nhấtđịnh Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ viễn thám chủ động và thụ động,

quan sát không gian hoàn toàn đủ khả năng thực hiện các phép đo hàng ngày các

đặc tính quang hoc của sol khí trên quy mô toàn cau, rất hữu ích cho việc phân

loại [6] Dựa trên phân loại sol khí và sự hình thành các loại sol khí này, các nhà

nghiên cứu có thé dự đoán được nguồn phát thải các loại sol khí này, qua đó xácđịnh nguồn phát thải chủ yếu trong khu vực nghiên cứu

Trên thế giới có một số nghiên cứu liên quan tới sự phân loại này trong việcxác định nguồn di chuyền của bụi sa mạc từ xa Nghiên cứu của Marinou và cộng

sự (2017) [7] trên bộ dữ liệu CALIPSO 9 năm (2007-2015), Eguchi và cộng sự

(2009) [8] sử dụng các phép do phân giải theo chiều doc của CALIOP và mô hìnhsol khí ba chiều mô tả sự phân bố hai lớp bụi theo chiều dọc ở phía đông bắc TháiBình Dương và Bắc Mỹ Bằng cách sử dụng bộ dữ liệu quan sát CALIOP trongmột thập kỷ, các nghiên cứu đã chứng minh được sự thay đổi về xu hướng bụi daihạn ở Tây Bắc Án Độ, Đồng bằng Indo-Gangetic và Tây Á [9]

Ở Việt Nam cho tới thời điểm hiện nay, chưa có một nghiên cứu nào vé sử

dụng phương pháp phân loại sol khí của vệ tinh CALIPSO trong việc xác định

các nguồn phát thải, do đó luận án tập trung vào sử dụng nguồn dữ liệu sẵn có nàytrong phát triển phương pháp xác định các nguồn phát thai 6 nhiễm không khí tại

Việt Nam.

Bên cạnh sự phân loại sol khí để xác định nguồn gốc phát thải chất gây 6 nhiễm không khí, một thành phần gây ô nhiễm không khí khác cũng rất quan trọng

và được nhiều nghiên cứu đề cập đến đó là NO Nguồn phát thai NO; chính là

do các hoạt động của con người, đặc biệt là quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch(ví dụ như, nhiệt điện va giao thông) tại đô thị Trong một báo cáo về môi trườngquốc gia tại Việt Nam, ô nhiễm NO; ở cấp độ quốc gia năm 2008 là 70% do các

hoạt động công nghiệp và 30% do hoạt động giao thông (Theo Báo cáo Môi

trường quốc gia) Nguồn phát thải NO; chính ở Hà Nội là xe máy với nồng độNO; đo được có giá trị cao tại các quận nội thành Các thông số quan trắc chấtlượng không khí xung quanh trong những năm gần đây đã cho thấy nồng độ NO;

cũng có xu hướng tang tại các đô thi ở Việt Nam.

Trong bối cảnh các hoạt động giao thông và sản xuất bị hạn chế đề ngăn ngừadịch lây lan, là khoảng thời gian thích hợp dé đánh giá ảnh hưởng sự phát thải củacác nguồn ô nhiễm đến chất lượng không khí ở Việt Nam nói chung và các thànhphố lớn nói riêng Trong luận án này, từ nguồn dữ liệu vệ tinh Sentinel-5P kết hợpVỚI Các nguồn dữ liệu khác như: mật độ dân số, mật độ giao thông, vi trí các nhàmáy, đã xây dựng bản đồ ô nhiễm NO; tại Việt Nam và phân tích theo thờigian để đánh giá ảnh hưởng của dịch COVID-19 đến chất lượng không khí, tập trung phân tích mối liên hệ của các nguồn phát thải do các hoạt động công nghiệp

điển hình và hoạt động giao thông với tình trạng ô nhiễm không khí trong giaiđoạn này Kết quả của nghiên cứu được kỳ vọng sẽ là bằng chứng để thúc đầy các

nhà hoạch định chính sách thực hiện các chính sách không khí sạch sau đại dịch COVID-19.

Dé đánh giá các kết qua nghiên cứu sử dung dit liệu vệ tinh và nhằm xác

định chính xác lượng phát thải của các khu vực gây ô nhiễm đặc trưng như các

khu công nghiệp điện than, nhà máy xi măng, hay các vùng sản xuất nông nghiệpphương pháp thực địa được áp dụng một cách hiệu quả Điền hình là các nghiêncứu về đốt phụ phẩm nông nghiệp trên các vùng dat canh tác trên khắp thế giới cótác động xấu đến sức khỏe cộng đồng, phát thải khí nhà kính (GHG) và thải ra cácsol khí ảnh hưởng đến chất lượng không khí khu vực [10] Các nghiên cứu toàncầu ước tính rằng việc đốt sinh khối chiếm khoảng 41% tổng lượng khí thải carbon

đen so với các lĩnh vực dân cư, công nghiệp, năng lượng và giao thông vận tải

[11] Tuy nhiên, ở Đông Nam A, mức đóng góp tương đối do đốt sinh khối là thấp

hơn, khoảng 35% [11] Tuy nhiên, những nghiên cứu nay và các nghiên cứu trước

đây có thé dựa trên các ước tính về đữ liệu cụ thé ngoài khu vực hoặc các phươngpháp tổng quát Do đó, đóng góp phát thải do đốt phụ phẩm nông nghiệp có thécao hơn so với ước tính trước đây khi dựa trên dữ liệu cụ thể của khu vực Căn cứ trên các nghiên cứu hiện có, việc ước tính thực địa toàn diện vé rơm ra ở phạm vicấp tỉnh vẫn chưa được thực hiện ở miền Bắc Việt Nam Trong nghiên cứu này,một phương pháp đơn giản được thực hiện để tiến hành thu thập mẫu trên thựcđịa một cách khoa học và hiệu quả Kết quả này được sử dụng làm đầu vao dé tính toán phát thải do việc đốt rơm rạ khu vực Hà Nội Phương pháp tiếp cận dựa trên thực địa được áp dụng cho lúa hai vụ điển hình ở Hà Nội.

Cùng với việc xác định nguồn gốc gây ô nhiễm không khí dựa vào việc phânloại sol khí và các thành phan chất gây 6 nhiễm như NO; từ vệ tinh với độ baophủ không gian lớn, chúng ta cũng cần có những nghiên cứu thực địa để xác địnhchính xác các hệ số phát thải gây ô nhiễm như trong việc đốt rơm rạ trên đồng ruộng sau mỗi vụ thu hoạch Riêng đối với các khu vực đô thị và khu công nghiệp, nguồn dit liệu viễn thám có độ phân giải cao (nhỏ hơn hoặc bằng 30 m) có một ý nghĩa rất quan trọng trong việc xác định mức độ ô nhiễm không khí Một trongcác phương pháp áp dụng dé xác định mức độ ô nhiễm của không khí trong khu

vực đô thị, khu công nghiệp là ước tính độ sâu quang học của sol khí, đồng thờixác định nồng độ của PM Sự nguy hiểm của ô nhiễm vật chất dạng hạt (PM) cóliên quan đến kích thước của các hạt: các hạt nhỏ hơn có thể xâm nhập sâu hơn vào phổi và do đó gây hai cho sức khỏe đáng ké hơn Các phép đo độ sâu quang học cua sol khí dựa trên vệ tinh cung cấp phạm vi bao phủ không gian lớn hơn nhiều so với các trạm AERONET và phần lớn các ứng dụng của độ sâu quang họccủa sol khí sử dụng các phép đo vệ tinh Các thuật toán dé ước tính độ sâu quanghọc của sol khí từ dữ liệu vệ tinh dựa trên lý thuyết giống như phép đo quang kế

mặt trời (nghĩa là hiệu ứng tán xạ phụ thuộc vào bước sóng của sol khí), nhưng

trong trường hợp nảy, ánh sáng đi qua bầu khí quyền hai lần (từ mặt trời đến bềmặt và sau đó phản xạ từ bề mặt tới vệ tinh), làm tăng thêm độ phức tạp Các thuậttoán ước tính AOD của vệ tinh áp dụng các phương pháp phức tạp dé cố gắng loại

bỏ nhiễu do phản xạ bề mặt đất và chỉ trích xuất tín hiệu tán xạ từ dữ liệu [12, 13].Các phép đo kết quả có độ chính xác thấp hơn so với các phép đo trực tiếp tại cáctrạm trên mặt đất, nhưng có thê bao phủ toàn bộ địa cầu ở độ phân giải từ 100 kmđến 1 km

Hai hiệu ứng chính này là cơ sở cho các ứng dụng chính của ước tính AOD:

hiệu chỉnh khí quyên bằng hình ảnh vệ tinh và giám sát chất lượng không khí mặc dù ước tính AOD cũng được sử dụng dé giám sát khí hậu (do hiệu ứng solkhí đối với sự hình thành mây và do đó đối với cân bằng năng lượng của Trái đất)[14], giám sát hỏa hoạn (bằng cách lập bản đồ các cột khói) [15], giám sát sự phân

-bố tro núi lửa (ví dụ: an toàn chuyên bay) [16] và giám sát phát thải bụi và giao

thông vận tai [17].

Nhiều nhà khoa học đang nghiên cứu sol khí và khí quyên ở phạm vi thành phố với nhiều thuật toán ước tính AOD độ phân giải cao được phát triển cho MODIS, Bilal và cộng sự (2013) [18] phát triển thuật toán ước tính sol khí SARA

(Simplified high resolution MODIS Aerosol Retrieval Algorithm) ở độ phân giải không gian cao (500 m) Li và cộng sự (2014) [19] áp dụng phương pháp DDV

cải tiến dé ước tính AOD độ phân giải 500 m dựa cho MODIS bằng cách thay đổi kiểu cửa số, lựa chọn mô hình sol khí phù hợp hơn và lưu trữ vào bảng tìm kiếm

(LUT-LookUp Table).

Lou và cộng sự (2015) [20] đề xuất thuật toán cải tiến từ thuật toán ước tính

AOD của MODIS áp dụng cho Landsat độ phân giải 30 m dựa vào việc không sử

dụng bảng tìm kiếm (LUT) và ước tính AOD trên cả hai loại bề mặt sáng và tối.Sun và cộng sự (2015) [2I] cung cấp một phương pháp dé ước tính phản xạ bềmặt cho việc ước tính AOD trên bề mặt sáng áp dụng cho Landsat 8 ở độ phân

giải không gian 500 m Bên cạnh các vệ tinh trên, còn các nghiên cứu thực hiện

trên các cảm biến vệ tinh khác như AHI (Himawarn) [22], TANSO-CAI (GOSAT)

[23], Độ phân giải không gian của các thuật toán ước tinh AOD cũng có những

thay đổi từ 10 km xuống 3 km [24, 25] xuống 1 km [24, 26, 27], 500 m [18, 19],

và 30 m [28-30].

Ở Việt Nam cho tới thời điểm hiện nay mới có một số nghiên cứu về phương

pháp ước tính độ sâu quang hoc của sol khí cho ảnh vệ tinh có độ phân giải cao

dựa trên việc so sánh ảnh ô nhiễm với ảnh không ô nhiễm, hạn chế của phương

pháp này là việc xác định ảnh không ô nhiễm Do đó, luận án tập trung vào nghiên

cứu và đề xuất được một thuật toán ước tính độ sâu quang học của sol khí khắcphục hạn chế trên và đáp ứng yêu cầu ước tính độ sâu quang học cho các khu vực

đô thị có bề mặt phức tạp.

Hiện nay, các giá tri AOD do vệ tinh ước tính được sử dụng rộng rãi để đánhgiá mức độ phơi nhiễm của dân số với PM; «, đặc biệt là ở những khu vực thiếu

các phép đo dựa trên các trạm mặt dat PM; là vat chất dạng hạt có đường kính

nhỏ hơn 2,5 um Các chính phủ trên khắp thế giới vận hành mạng lưới trạm mặtđất để giám sát mức độ PM; ; nhằm tuân thủ các tiêu chuẩn, giám sát nguồn và

bề hap thụ, đồng thời cho phép nghiên cứu về ảnh hưởng sức khỏe của PM; s Tuynhiên - giống như các địa điểm của AERONET - các trạm giám sát này được phân

bố tương đối thưa thớt và do đó không thé kiểm tra chi tiết sự phân bố không giancủa 6 nhiễm PM; z Vì ô nhiễm vật chất hat bao gồm sol khí, nên có thé phát triểnmối quan hệ chặt chẽ giữa nồng độ AOD và PM; [31] và do đó sử dụng bộ dữliệu AOD có nguồn gốc từ vệ tinh dé tạo bản đồ phân phối PM; s.

Nhiều nghiên cứu dé ước tính nồng độ PM; ; bang cách sử dụng các mô hình thong kê khác nhau Các phương pháp được sử dụng phổ biến nhất bao gồm tương quan, hồi quy tuyến tinh và mô hình địa lý thống kê [32], mô hình hiệu ứng hỗn

hợp tuyến tính, thuật toán học máy (MLA) [33, 34], hồi quy có trọng số theo địa

lý (GWR) [35, 36], GAMs [37], Mô hình vận chuyên hóa học (CTM) [38], môhình phân cấp [39], mạng nơ-ron nhân tao [40], mô hình giảm tỷ lệ Bayes [41],

và sự kết hợp giữa dữ liệu vệ tinh và mô phỏng mô hình hóa học [42] Các môhình khác nhau có xu hướng sử dụng các hiệp biến số liên quan theo thời gian vàkhông gian khác nhau dé cải thiện ước tính PM, của chúng Thông tin phụ trợnhư BLH (Boundary Layer Height), độ âm, các biến số đất liền khác (ví dụ:khoảng cách đến bờ biên, đường chính, phan trăm diện tích xây dựng) và các phép

đo khí tượng (ví dụ: nhiệt độ, độ 4m tương đối, tốc độ gió, BLH, vv) có thé đượcđưa vào dé liên kết tốt hon AOD với PM; s Điển hình các nghiên cứu của Zhang

và Ding (2017), Zhai và Chen (2018) và Du và cộng sự (2019) [43-45] Delavar

và cộng sự (2019) [46] đề xuất một mô hình học máy hiệu quả dé dự đoán ô nhiễmPM¡o và PM; « ở thành phố Tehran (Iran) Sử dụng mô hình hồi quy máy học dé

dự đoán PM;z với dữ liệu phát thải ở Đài Loan cho thay giá trị kết quả mong đợi

va giá trị thực tế là tương đương nhau [47] Tại Việt Nam, Minh và cộng sự (2021)[48] thực hiện đánh giá các mô hình dự đoán PM; ; tại TP Hồ Chí Minh dựa trên

các thuật toán hoc máy sử dụng dữ liệu khí tượng từ WRF và dữ liệu các trạm

PM.

Qua phân tích trên, chúng ta thấy được sự cần thiết của việc dự đoán nồng

độ PM;; dựa trên nguồn dit liệu AOD độ có độ phân giải cao phù hợp với khuvực đô thị, do đó trong luận án này, kết quả đạt được trong việc ước tính AOD có

độ phân giải 30 m được sử dụng vào việc đề xuất một mô hình dự đoán PM; z phù

hợp nhât.

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án Luận án tập trung vào các mục tiêu chính sau:

- _ Nghiên cứu và đề xuất phương pháp xác định nguồn phát thải của các

thành phần gây 6 nhiễm không khí từ dữ liệu vệ tinh va dữ liệu thực địa

- _ Nghiên cứu và phát triển thuật toán ước tính độ sâu quang học của sol

khí từ vệ tinh có độ phân giải cao.

- _ Nghiên cứu và đề xuất mô hình dự đoán nồng độ PM; dựa vào AOD

tại khu vực đô thị, khu công nghiép.

sol khí

Dự đoán nòng độ

bụi PM2 s

3 Phạm vi nghiên cứu của luận án

Luận án này tập trung giải quyết các vấn đề liên quan đến giám sát ô nhiễmkhông khí, trong đó có bao gồm nguồn phát thải gây ô nhiễm không khí và ướctính mức độ ô nhiễm không khí Đề thực hiện được mục tiêu này, luận án nghiêncứu và đề xuất các phương pháp xác định nguồn phát thải ô gây ô nhiễm khôngkhí, xác định mối liên hệ với nguồn phát thải và kiểm kê phát thải; nghiên cứu và

xây dựng thuật toán ước tính độ sâu quang học của sol khí từ dữ liệu ảnh vệ tinh

có độ phân giải cao và mô hình học máy dự đoán nồng độ bụi PM từ dữ liệu độ sâu quang học của sol khí kết hợp với dữ liệu từ mô hình khí tượng.

10

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận án giải quyết các vấn đề nghiên cứu đặt ra theo cách tiếp cận sau:

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, xây dựng và kiểm thử cácphương pháp, mô hình đề xuất trên dữ liệu đã được công bố và đữ liệu tự thu thập

Các phương pháp được đề xuất được so sánh với các phương pháp đã cókhác dé đánh giá sự hiệu quả

Kết quả được báo cáo dưới dạng số liệu hoặc trực quan hóa dé thuận tiện choviệc đánh giá, kiểm chứng

5 Cấu trúc của luận ánNội dung của luận án, ngoài phần mở đầu và kết luận, bao gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu

Trình bày về cơ sở lý thuyết chung liên quan đến đề tài nghiên cứu bao gồm:các kiến thức chung về ô nhiễm không khí, hiện trạng ô nhiễm không khí hiện nay

và giới thiệu một cách tổng quan về: phương pháp xác định nguồn thải từ dữ liệu

vệ tinh, dữ liệu thực địa; phương pháp ước tính độ sâu quang học của sol khí va các mô hình học máy dự đoán PM; z từ độ sâu quang học của sol khí.

Chương 2: Xác định nguồn phát thải ô nhiễm không khí

Trong chương này, luận án trình bày các phương pháp xác định nguồn phátthải dựa trên nguồn dữ liệu vệ tinh va nguồn dữ liệu quan trắc thực địa Với

phương pháp dựa vào thuật toán phân loại sol khí từ dữ liệu vệ tinh CALIPSO và

dữ liệu khí hậu, kết quả phân tích cho thấy rõ các nguồn phát thải chính của từngkhu vực nghiên cứu theo các khoảng thời gian theo mùa trong năm Còn với kếtqua phân tích dữ liệu NO, từ vệ tinh Sentinel-5P kết hợp với dữ liệu vị trí các nhàmáy, khu công nghiệp, dữ liệu giao thông và dân cư cho thấy rõ nồng độ NO;trong các giai đoạn trước, trong và sau đại dịch COVID-19 và xác định nguồn

phát thải gây ô nhiễm của NO; trong lĩnh vực công nghiệp và giao thông đô thị.

Bên cạnh đó kết quả của phương pháp quan trắc thực địa đề ước tính khối lượngđốt rơm ra sau thu hoạch đóng góp một phan rất quan trọng trong việc xác địnhnguồn phát thải tại khu vực đồng ruộng sau thu hoạch các vụ lúa, đại diện chonguồn phát thải do các hoạt động nông nghiệp

11

Chương 3: Ước tính độ sâu quang học của sol khí

Trình bày phương pháp ước tinh AOD cua sol khí từ dữ liệu vệ tinh có độ phân giải cao 30 m là Landsat 8, phương pháp này dựa trên cơ sở thuật toán ước tính độ sâu quang học Dark Target của MODIS Nội dung chương này tập trung

vào việc xây dựng mỗi quan hệ phan xạ bề mặt mới cho dit liệu Landsat 8 và ápdụng thuật toán lọc mây Fmask kết hợp với mô hình độ cao số Aster trong việc

ước tính AOD của Landsat 8.

Chương 4: Dự đoán nồng độ bụi PM; ‹ của khu vực đô thiTrình bày các mô hình học máy dé dự đoán nồng độ PM; ‹ dựa trên dữ liệu

AOD của Landsat 8 và mô hình khí tượng WRF cho khu vực đô thị, khu công

nghiệp điền hình là Bắc Ninh, trên cơ sở các kết quả thu được, luận án đề xuất môhình phù hợp cho việc dự đoán nồng độ PM; s

6 Đóng góp của luận án

Những đóng góp khoa học chính của luận án bao gồm:

- _ Nghiên cứu và đề xuất phương pháp xác định nguồn phát thải chất gây

ô nhiễm không khí từ dữ liệu vệ tinh CALIPSO, xác định mối liên hệ với nguồn phát thải từ dữ liệu NO_2 của vệ tinh Sentinel-5P và kiểm

kê phát thải từ dữ liệu quan trắc thực địa ở Việt Nam [PP-1,PP-2, PP-3,

PP-4].

- Nghiên cứu và phát triển thuật toán ước tinh AOD cua sol khí từ dữ liệu

vệ tinh độ phân giải cao Landsat 8 ở khu vực đô thị, khu công nghiệp [PP-5].

- _ Nghiên cứu và đề xuất mô hình dự đoán nồng độ PM; ; từ AOD của sol

khí thu được từ Landsat 8.

12

CHƯƠNG 1: TONG QUAN NGHIÊN CỨU

Trong Chương 1, luận án trình bày một số kiến thức chung về ô nhiễm khôngkhí, hiện trạng của ô nhiễm không khí hiện nay trên thé giới, ở Việt Nam và giớithiệu tông quan các vấn đề chính của luận án

1.1 Téng quan về ô nhiễm không khí

1.1.1 Ô nhiễm không khí

Theo WHO, ô nhiễm không khí là sự ô nhiễm môi trường trong nhà hoặc

ngoài trời bởi bất kỳ tác nhân hóa học, vật lý hoặc sinh học nào làm thay đổi cácđặc tính tự nhiên của bầu khí quyền có hại cho sức khỏe con người, các sinh vậtkhác hoặc gây thiệt hại cho khí hậu hoặc vật chất

Theo EPA Hoa Kỳ, ô nhiễm không khí và chất ô nhiễm không khí được xácđịnh (US EPA, 2009): Chat gây ô nhiễm không khí là bat ky chat nào trong khôngkhí có thé gây hại cho con người hoặc môi trường Các chat ô nhiễm có thé là tựnhiên hoặc nhân tao và có thé có dạng các hạt rắn, giọt chất lỏng hoặc khí Những

chất ô nhiễm này được chia thành các nhóm khác nhau, bao gồm các hạt vật chất,

các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) và các hợp chất halogen Trong đó cũng

bao gôm các chat ô nhiêm như chì, thủy ngân và amiăng.

1.1.2 Các chất gây ô nhiễm không khí

Chúng ta cũng có thé phân chia các chất gây ô nhiễm không khí thành các chất có quy định và không được kiểm soát, dựa trên việc xử lý chúng bởi các cơ quan môi trường ở Hoa Kỳ, Liên minh Châu Âu và các nước Châu Á Các chất ônhiễm không khí được quy định chính là: Lưu huỳnh dioxit (SO¿), Oxit nito(NO,), Carbon monoxide (CO), Điôxít cacbon (CO;), Mêtan (CH,), Ô zôn, vậtchất dạng hạt (PM), Cacbon hữu cơ dễ bay hơi (VOC), Chlorofluorocarbons

(CFC).

Sol khí (aerosol) khí quyền là các hạt nhỏ ran hay lỏng lơ lửng trong khíquyên với đường kính từ 1073 đến 102 micromet Chúng có các đặc tính đa dạng

và được tạo ra bởi các hoạt động tự nhiên hay hoạt động của con người [49] Sol

khí đóng vai trò quan trọng trong bức xạ, biến đổi khí hậu, chất lượng không khí

và sự hap thụ, tán xạ của ánh sáng mặt trời xuống mặt đất, chúng có ảnh hưởng

nghiêm trọng tới sức khỏe của con người [50-52] Hiện nay, kỹ thuật viễn thám

13

được sử dụng nhiều để theo dõi sự phân bố về không gian, thời gian của sol khí

từ quy mô nhỏ đến phạm vi toàn cầu và nghiên cứu các tính chất vật lý, hóa học

của chúng.

PM (Particulate Matter) là hỗn hop cac hat rắn hoặc các giọt chất lỏng được

tìm thay trong không khí với kích thước khác nhau có thé thay bằng mắt thườngnhư bụi, bồ hóng, khói hoặc chỉ có thé phát hiện bằng kính hién vi điện tử Bui

PM có nhiều kích cỡ, hình dạng và có thể được tạo thành từ hàng trăm loại hóa

chất khác nhau Một số được thải ra trực tiếp từ một nguồn, chăng hạn như công

trường xây dựng, đường trải nhựa, cánh đồng, ống khói hoặc đám cháy Hau hếtbụi PM hình thành trong khí quyền là kết quả của các phản ứng phức tạp các hóachất như sulfur dioxide và nitơ oxit, là những chat ô nhiễm thải ra từ các nhà máy

điện, công nghiệp và ô tô[Š3].

1.1.3 Nguồn gốc các chat gây ô nhiễm không khí

Có thê xác định và phân loại được các nguồn gây ô nhiễm không khí và các nguồn phát thải: nguồn tự nhiên (sinh học): bao gồm phun trào núi lửa, bão cát,sét và cháy rừng: nguồn nhân tạo (do con người tạo ra): nguồn chính là quá trìnhđốt cháy nhiên liệu hóa thạch dé lấy năng lượng, đặc biệt là trong các nhà máyđiện và xe có động cơ Tuy nhiên, có nhiều nguồn không liên quan đến đốt, baogom các quá trình công nghiệp, khai thác than, sử dụng dung môi trong nước và

công nghiệp, rò rỉ khí tự nhiên trong mạng lưới phân phôi quôc gia và bãi rác.

Các nguôn ô nhiễm do con người gây ra có thê được chia nhỏ hơn nữa theo

sự phân bố dia lý của chúng Có ba loại cơ bản:

- N guon điểm (Point source): Các nha máy phat thai lớn, tập trung về mặt

địa lý mà tỷ lệ phát thải của bản thân nó lớn đến mức đáng kể, ngay cả khikhông có nguồn nào khác, chang hạn như các nhà máy nhiệt điện (đốt than),nhà máy thép, nhà máy lọc dau, nhà máy giấy,

- Nguén diện (Area source): Tập hợp các nguồn chat thải nhỏ phân tán theo

địa ly không đáng ké nhưng quan trọng, chang hạn như các khu dân cư va thương mại, và bao gồm cả khí thải nông nghiệp.

14

- Nguỗn đi động (Line source): Tập hợp các nguồn tương đối nhỏ được phân

bổ gần như đồng đều dọc theo một tuyến, chang hạn như đường 6 tô hoặcdọc theo sông lớn, hoặc đường sắt.

Sự phân biệt giữa nguồn di động và nguồn diện có tính chất tương đối, changhạn như một đường phố sam uất của thành phố được phân loại là nguồn diện hoặcnguồn di động

1.1.4 Ảnh hưởng của ô nhiễm không khí

1.1.4.1 Ảnh hưởng tới sức khỏe

Các chất gây ô nhiễm không khí phô biến nhất là ôzôn ở tầng mặt đất và vật chất dạng hạt (bụi PM) Những người tiếp xúc với nồng độ cao của các chất ô

nhiễm không khí có các triệu chứng và trạng thái bệnh khác nhau Những tác động

này được nhóm lại thành những tác động ngắn hạn như khó thở, tức ngực, hen

suyen, va dai han như bệnh phôi tắc nghẽn mãn tính (COPD) ảnh hưởng đến

sức khỏe con người Các biến chứng tâm lý, bệnh tự kỷ, bệnh võng mạc, sự pháttriển của thai nhi và trẻ sơ sinh nhẹ cân đường như có liên quan đến ô nhiễm không

khí trong thời gian dài [54].

1.1.4.2 Ảnh hưởng tới môi trường

Ô nhiễm không khí không chỉ gây hại cho sức khỏe con người mà còn chomôi trường mà chúng ta đang sông [55] Các tác động môi trường quan trọng như: Mưa axit là sự kết tủa ướt (mưa, sương mù, tuyết) hoặc khô (dạng hạt và khí) có

chứa một lượng axit nitric va sulfuric độc hai; Khoi mù được tạo ra khi các hat

mịn bị phân tán trong không khí và làm giảm độ trong suốt của khí quyên Ôzôn

ở tầng mặt đất có hại cho sức khỏe con người và là một chất gây ô nhiễm Cáchoạt động của con người đã phá hủy hiệu ứng bảo vệ nhiệt độ Trái đất ôn địnhbằng cách tạo ra một lượng lớn khí nhà kính và sự nóng lên toàn cầu đang giatăng, với các tác động có hại đối với sức khỏe con người, động vật, rừng, động

vật hoang dã, nông nghiệp vả môi trường nước.

1.1.5 Hiện trạng ô nhiễm không khí

1.1.5.1 Trên thé giới

Gần như toàn bộ dân số toàn cầu (99%) hít thở không khí vượt quá giới hạn hướng dẫn của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) và chứa hàm lượng chất ô nhiễm

15

cao, trong đó các quốc gia có thu nhập thấp và trung bình phải chịu mức độ phơinhiễm cao nhất [56].Ảnh hưởng của ô nhiễm không khí rất lớn Từ khói mù baophủ khắp các thành phó đến khói trong nhà, 6 nhiễm không khí là mối đe doa lớn đối với sức khỏe và khí hậu Ô nhiễm không khí ngoài trời ở cả thành phố và nôngthôn do bụi PM dẫn đến đột quy, bệnh tim, ung thư phối, các bệnh hô hap cấp tính

và mãn tính Ngoài ra, khoảng 2,6 tỷ người đang phải đối mặt với mức độ ô nhiễmkhông khí gia đình ở mức nguy hiểm trong khi sử dụng lửa lộ thiên gây ô nhiễmhoặc bếp đơn giản dé nau nướng bang dầu hỏa, sinh khối (gỗ, phân gia súc va chất thải cây trồng) và than đá Tác động tổng hợp của ô nhiễm không khí xung quanh

và ô nhiễm không khí hộ gia đình có liên quan đến 7 triệu ca tử vong sớm hàng

năm.

Hau hết các quốc gia giàu nhất thế giới có tỷ lệ tử vong nam trong khoảng10-20 trên 100.000 người Tỷ lệ tử vong do ô nhiễm ngoài trời cao nhất xảy ra ởkhoảng giữa của trung bình thu nhập của các nước trên thế giới, đáng chú ý nhất

là các nước có nền công nghiệp hóa lớn Ủy ban thương mại cảnh báo rằng gánhnặng bệnh tật lớn nhất sẽ xảy ra ở các quốc gia có thu nhập thấp và trung bình vìhầu hết các trường hợp tử vong do ô nhiễm xảy ra ở những khu vực này

1.1.5.2 Ở Việt Nam

Với tốc độ đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ, các đô thị nước ta vẫn đang tiếp tụcgia tăng cả về số lượng và quy mô, song chất lượng môi trường vẫn chưa được

quan tâm đúng mức Thực tế cho thấy, ô nhiễm bụi tại các khu vực đô thị đang

tiếp tục duy trì ở ngưỡng cao, đặc biệt là các khu vực gần các trục giao thông hay

các khu vực có hoạt động công nghiệp, xây dựng Thực trạng này đang gây nhức

nhối, ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường sống và sức khỏe của người dân.Theo Báo cáo Hiện trạng Môi trường Quốc gia giai đoạn 2016 — 2020 [57], ônhiễm môi trường không khí tiếp tục là một trong những vấn đề nóng, luôn nhậnđược sự quan tâm của rất nhiều quốc gia trên thế giới Tại Việt Nam, ô nhiễm môi

trường không khí chủ yếu là ô nhiễm bụi tại các thành phó, đô thị lớn, các khu

vực công nghiệp Đặc biệt, tình trạng ô nhiễm bụi mịn ở một số đô thị lớn như HàNội, Thành phố Hồ Chí Minh vẫn xảy ra thường xuyên

Trong giai đoạn 2016 - 2020, mặc dù chất lượng môi trường không khí mỗi

năm có khác nhau, song tình trạng ô nhiễm bụi thường xuyên xảy ra tại các thành

16

phố, đô thị lớn, các khu vực tập trung nhiều hoạt động công nghiệp, đặc biệt là

tình trạng ô nhiễm bụi PM¡ạ và bụi PM;zs tại Hà Nội, Thành phó Hồ Chí Minhluôn là một trong những vấn đề nóng và đặt ra nhiều thách thức Mức độ ô nhiễm bụi mịn có xu hướng tăng từ năm 2017 đến năm 2019 và giảm năm 2020.

Chính phủ đã ban hành Quyết định số 1973/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ: Về việc phê duyệt Kế hoạch quốc gia về quản lý chất lượng môi trườngkhông khí giai đoạn 2021 — 2025 với mục tiêu tổng quát là tăng cường công tácquản lý chất lượng môi trường không khí thông qua kiểm soát nguồn phát sinhkhí thải, giám sát chất lượng không khí xung quanh, cảnh báo, dự báo chất lượngkhông khí nhằm cải thiện chất lượng môi trường không khí và bảo đảm sức khỏe cộng đồng.

Ngày 7 tháng 6 năm 2021, Bộ Tài nguyên và Môi trường có Công văn số3051/BTNMT-TCMT gửi Ủy ban nhân dân các tỉnh, thành phố trực thuộc trung ương về việc hướng dẫn kỹ thuật xây dựng Kế hoạch quản lý chất lượng môi trường không khí Trong đó bước đầu tiên của quy trình đã chỉ rõ đánh giá hiệntrạng và diễn biến chất lượng môi trường không khí và công tác quản lý chất lượngmôi trường không khí thông qua các nguồn dữ liệu là kết quả của các chương trình quan trắc chất lượng môi trường không khí tại địa phương.

1.2 Tổng quan về các phương pháp xác định nguồn phát thải

Theo truyền thống, cả phép đo phát thải nguồn điểm cố định và nguồn pháttán/nguồn diện đều được thực hiện bằng cách sử dụng lấy mẫu điểm đơn tích lũy

và tích hợp khí được lay mẫu trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó là phântích các thành phần mục tiêu Các phương pháp công cụ nguồn điểm liên tục cũng

đã được áp dụng cho các phép đo nguồn phát thải và nguồn diện Các phươngpháp công cụ thu thập các mẫu từ một điểm duy nhất và cung cấp thông tin vềnồng độ của thành phan mục tiêu quan tâm trong các khoảng thời gian tương đốinhỏ Một vấn đề quan trọng với các phép đo không khí truyền thống là thu thập

và báo cáo dữ liệu từ một điểm duy nhất được cho là đại diện cho không khí hoặckhí thải được theo dõi Giả định này có thé kiểm chứng được khi các ống dẫn hoặcống khói được lấy mẫu nhưng ít chắc chăn hơn nhiều đối với các phép đo nguồn

diện và môi trường xung quanh.

17

Khi thực hiện các phép đo chất lượng không khí, điều quan trọng là phải xácđịnh chính xác vấn đề (kế hoạch đo) và lựa chon vi tri địa điểm, trạm đo và phươngpháp phù hợp Khi đo các khí gây ô nhiễm trong không khí, cần có sự khác biệtgiữa các phép đo di động và các tram do cố định Các trạm di động (phòng thínghiệm) đang đo tại các vị trí ngẫu nhiên và thay đôi, theo một kế hoạch, dé xácđịnh sự phân bố không gian của các chất gây ô nhiễm không khí, trong khi cácphép đo cô định liên tục ghi lại sự phân bồ theo thời gian ở một số điểm cô địnhcủa một khu vực nhất định Các phép đo có định phải được thực hiện tại các điểm đại diện của khu vực điều tra Lựa chọn vị trí lay mau phù hợp có thể có tầm quan trọng lớn đối với các phép đo có định cũng như đối với các phép đo di động Do

đó, việc chọn vị trí địa điểm cho các trạm đo chất lượng không khí xung quanh có nghĩa là tôn trọng các nguyên tắc quan trọng nhằm đáp ứng mục tiêu chung là

không khí xung quanh nghĩa là mẫu đó đại diện cho khu vực Nói chung, những

điều kiện này được quy định bởi luật pháp ở mỗi quốc gia, nhưng các quy tắcchung là nguồn gốc của chúng

Các nguồn diện và tạm thời đặc biệt khó giám sát vì các chất gây ô nhiễmquan tâm không được chứa trong ống dẫn hoặc ngăn xếp trước khi thải ra ngoài.Việc xây dựng các hệ số phát thải cho các nguồn diện cũng khó khăn không kém

do những thách thức về đo lường Trong khi phát thải ống cố định và việc xácđịnh các hệ số phát thải liên quan của chúng dễ đo lường và xác định hơn Trong

20 năm qua, các phương pháp đo lường viễn thám đã được cải thiện về mặt công nghệ và được sử dụng nhiều hơn như một công cụ ước tính lượng phát thải, đặc biệt đối với các nguồn diện cố định và một số nguồn di động Các loại nguồn này

là mục tiêu chính cho việc áp dụng và phát triển các kỹ thuật đo lường viễn thám Đối với kỹ thuật đo lường bang vệ tinh về chất lượng không khí, những lợi thé bao gồm việc ước tính nồng độ chất ô nhiễm trên các khu vực rộng lớn giữa các cảm biến điểm cố định; xác định các nguồn gây ô nhiễm không khí trong khu vực

có ảnh hưởng đến chất lượng không khí tại địa phương; cung cấp phép đo đồng thời và liên tục của nhiều chất ô nhiễm.

Luận án này tập trung vào việc ứng dung các nguồn dữ liệu viễn thám kếthợp với dit liệu quan trắc thực địa dé xác định các nguồn phát thải 6 nhiễm không

khí trên các phạm vi khác nhau, xác định môi liên hệ với nguôn phát thải và kiêm

18

kê phát thải Trong đó có dữ liệu LIDAR (Light Detection And Ranging) của vệ

tinh CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite

Observations) nhằm xác định các nguồn phat thai chung; nguồn dữ liệu NO_2 của

vệ tinh Sentinel-5P áp dụng cho việc xác định mối liên hệ với nguồn phát thải từ

khu vực công nghiệp và dữ liệu quan trắc thực địa ứng dụng trong việc kiểm kê

phát thải trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp với phạm vi địa phương.

Top-down Spatial Scale

Satellite Retrievals Continental to global ~ regional to global

Second Day Year

Temporal Scale Bottom-up

Hình 1.1 Minh hoạ phương pháp xác định nguồn phát thải mê tan [58]

1.2.1 Xác định nguồn phát thải từ dữ liệu vệ tỉnh CALIPSO

Sol khí được phân loại có nguồn gốc nhân tạo hoặc nguồn gốc tự nhiên Cácloại sol khí quan trọng nhất từ các nguồn tự nhiên là muối biển và bụi khoáng

Khói từ đốt sinh khối cũng có thể có nguồn gốc tự nhiên, nhưng thường liên quan

đến các hoạt động của con người Theo định kỳ, khi một vụ phun trào núi lửa lớn

phun một lượng lớn khí sulfuric vào tầng bình lưu nơi chúng ngưng tụ thành các

giọt axit sulfuric, sol khí núi lửa ảnh hưởng đáng ké đến ngân sách bức xạ toàn

cau Tro và khí phát ra từ các nguồn núi lửa vào tang đối lưu có thé góp phần vào

lượng sol khí ở một số khu vực nhất định Hơn nữa, các hạt đất, phấn hoa và các

vật liệu sinh học khác góp phần tạo nên sol khí tại các địa điểm Các hoạt động

của con người làm thay đôi đáng ké lượng sol khí tự nhiên của bầu khí quyền Trái

19

đất Các hạt và khí tiền thân được thải ra thông qua các quá trình đốt cháy công

nghiệp, giao thông 6 tô, xe lửa, hàng không và tàu thủy, cũng như các hoạt động

nông nghiệp và cá nhân của con người Sunfat, bồ hóng, nitrat, amoni và carbonhữu cơ là những thành phần điển hình của sol khí do con người tạo ra Các loạihóa chất chiếm ưu thé này (ví dụ: sunfat, cacbon đen, cacbon hữu cơ, v.v.) có théđược sử dụng dé phân loại sol khí trong trường hợp đo trực tiếp đặc tính của cácmẫu hạt Việc phân loại thêm các sol khí có thé được thực hiện theo tính hút 4mcủa chúng là tan trong nước hoặc không tan trong nước, điều này đặc biệt hữu ích

cho các nghiên cứu liên quan đên tương tác giữa các đám mây sol khí.

Ứng dụng ngày càng tăng của các thiết bị chủ động và thụ động cho các quansát trong không gian đã đủ khả năng cho các phép đo hàng ngày trên toàn cầu vềcác đặc tính quang học của sol khí rất hữu ích cho việc phân loại [6] Theo thuậttoán phân loại sol khí phiên bản 3 (Version 3) của cảm biến CALIOP (Cloud-

Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization) trên vệ tinh CALIPSO, Omar và

cong su (2009) [6] phan chia thanh sau loai sol khi Cac san pham dir liệu sol khícap 2 (Level 2) cua CALIOP phiên bản 4.10 (Version 4), được phát hành vàotháng 11 năm 2016, được tinh chỉnh đáng ké so với phiên ban 3 và các bản pháthành trước đó [59, 60] Tất cả các loại sol khí được thực hiện phân loại trên bề mặt tuyết, băng và lãnh nguyên, trong khi các phiên bản 3 chỉ có các loại sol khílục địa sạch (clean continental) và lục địa ô nhiễm (polluted continental) Sự xuấthiện của các lớp sol khí bị phân loại nhằm thành bụi ô nhiễm (polluted dust) trênđại dương trong các phiên bản trước đã được điều chỉnh lại và được phân loại là bụi biển (dusty marine) Các loại sol khí lục địa ô nhiễm và khói trong các phiên bản trước đã được đổi tên trong phiên ban 4 tương ứng là “lục địa ô nhiễm/khói” (polluted continental/smoke) và “khói trên cao” (elevated smoke) Các kiểu sol khí bình lưu đã được giới thiệu như tro, sunfat, khói và sol khí tầng bình lưu ở các cực Tỷ số liđar của sol khí đã được cập nhật cho các loại sol khí biên sạch (clean

marine), bụi (dust), lục dia sạch (clean continental) và và khói trên cao (elevated

smoke) đề thể hiện trạng thái hiện tại cho các loại này Bảng 1.1 trình bày chỉ tiếthơn về định nghĩa các loại sol khí theo phân loại của hai phiên bản của thuật toán

20

Bang 1.1 Phân loại và định nghĩa các loại sol khí trong thuật toán cua CALIPSO phiên ban

3 [6] và phiên ban 4 [61]

STT Định nghĩa các loại sol khí của CALIPSO

Phiên bản 3 Phiên bản 4

Loại đơn (Pure Type)

1 |Biển (Marine): bao gồm các giọt nước chứa muối | Biển (Marine): bao gồm các giọt nước chứa muối

biển (NaCl) được tạo ra do áp lực gió trên bề mặt

đại dương hoặc do phát thải dimethyl sulfide (DMS)

từ thực vật phù du

biển (NaCl) được tạo ra do áp lực gió trên bề mặt đại

dương hoặc do phát thai dimethyl sulfide (DMS) từ thực vật phù du

Bui sa mac (Desert dust): có thành phan chủ yếu là đất khoáng, phát sinh từ quá trình xói mòn trầm tích của đất mịn ở vùng đất khô cằn

Bui (Dust): Bui sa mạc có thành phan chủ yếu là đất khoáng, phát sinh từ quá trình xói mòn tram tích của đất mịn ở vùng đất khô căn.

Đối sinh khối (Biomass burning): là loại sol khí có thể có nguồn gốc nhân tạo hoặc tự nhiên Chúng phát sinh từ quá trình đốt do con người (đốt gỗ, phụ

phẩm nông nghiệp) hoặc cháy rừng tự nhiên, được

phân tách phụ thuộc vào mục đích sử dụng đất, chu

kỳ thực vật, điều kiện thời tiết theo mùa và hoạt

động của con người.

Khói trên cao (Elevated smoke): có thê có nguồn gốc nhân tạo hoặc tự nhiên Chúng phát sinh từ quá trình đốt do con người (đốt gỗ, phụ phẩm nông

nghiệp) hoặc cháy rừng tự nhiên, được phân tách phụ

thuộc vào mục đích sử dụng đất, chu kỳ thực vật, điều

kiện thời tiết theo mùa và hoạt động của con người, ở

là muối sunfat (SO4-) và một số thành phần khác như muội than, muối nitrat (NO3-), amoni (NH4+)

và carbon hữu cơ (OC).

Lục dia 6 nhiém/Kh6i (Polluted continental/smoke):

Loại sol khí này phân bó chủ yếu ở những khu vực có

tốc độ công nghiệp hóa cao, chủ yếu có nguồn gốc từ các hoạt động của con người và có thê gọi là sol khí

đô thị/công nghiệp (urban aerosol) Nguồn phát sinh chủ yếu là từ quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch và giao thông nên thành phần chính của loại sol khí này là muối sunfat (SO4-) và một số thành phần khác như muội than, muối nitrat (NO3-), amoni (NH4+) và

carbon hữu cơ (OC) Khói ở độ cao dưới 2,5 km

Luc địa sạch (Clean continental): là sol khí nền lục

địa hay nông thôn Chúng là hỗn hợp sol khí có

thành phần đô thị (do quá trình già hóa) và từ hoạt

động nông nghiệp và các quá trình tự nhiên Vì vậy,

chúng có thành phần phong phú như mudi sunfat (SO), muội than, muối nitrat (NOz), amoni (NH4*)

va carbon hữu co (OC), đất khoáng, phan hoa,

Loại sol khí này thường được quan sát sau các sự

kiện mưa (khi ô nhiễm bụi đã được loại bỏ khỏi khí

quyền) hoặc khi khối không khí sạch đến từ xa, khu

vực ít ô nhiễm

Lục địa sạch (Clean continental): là sol khí nền lục

địa hay nông thôn Chúng là hỗn hợp sol khí có thành

phần đô thị (do quá trình già hóa) và từ hoạt động nông

nghiệp và các quá trình tự nhiên Vì vậy, chúng có

thành phần phong phú như muối sunfat (SO4-), muội than, muối nitrat (NO3-), amoni (NH4+) va carbon hữu co (OC), đất khoáng, phan hoa, Loai sol khí này

thường được quan sát sau các sự kiện mưa (khi 6

nhiễm bụi đã được loại bỏ khỏi khí quyền) hoặc khi

khối không khí sạch đến từ xa, khu vực ít ô nhiễm

Loại hỗn hợp (Mixture Type)

6 Bựi ô nhiễm (Polluted dust): là hỗn hợp bụi sa mạc

(desert dust) và khói bụi đốt sinh khối (biomass burning); hoặc bụi sa mạc (desert dust), khói bụi đốt

sinh khối (biomass burning) và đô thị/công nghiệp

(polluted continental)

Bui ô nhiễm (Polluted dust): là hỗn hợp bụi sa mạc (desert dust) và khói bụi đốt sinh khối (biomass buming); hoặc bụi sa mạc (desert dust), khói bụi đốt

sinh khối (biomass burning) và đô thị/công nghiệp

(polluted continental)

Bui biển (Dusty marine): Hỗn hợp của sol khí biên

và bụi

21

1.2.2 Phân tích dữ liệu NO; để xác định mối liên hệ nguồn phát thải với hoạt

động công nghiệp và giao thông

Nitơ đioxit (NO) là một trong những hợp chat quan trọng trong tang đối lưu,tham gia vào các chuỗi phản ứng tạo thành ôzôn (03) và các quá trình oxi hóa détạo thành axit nitric (HNO3), kết qua là gây ra quá trình axit hóa bụi Nguồn phát thải NO, chính là do các hoạt động của con người, đặc biệt là quá trình đốt cháynhiên liệu hóa thạch (ví dụ như, nhiệt điện và giao thông) tại đô thị Kể từ khicông nghiệp hóa, các quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch được xem là nguyên nhân chủ yếu của phát thải NO va NO, do sự gia tăng nhanh chóng trong việc sửdụng nó như một nguồn năng lượng cho sinh hoạt, sản xuất điện, công nghiệp vàgiao thông Tại các khu vực ô nhiễm, 50%-90% NO, có mặt trong tang đối lưu

tùy thuộc vào mức độ ô nhiễm, trong đó thời gian tham gia chuỗi phản ứng quang

hóa là vài giờ [62].

Trong một báo cáo về môi trường quốc gia tại Việt Nam, ô nhiễm NO; ở cấp

độ quốc gia năm 2008 là 70% bởi các hoạt động công nghiệp và 30% bởi hoạt động giao thông Nguồn phát thai NO, chính ở Hà Nội là xe máy do nồng độ NO,

đo được thường có giá trị cao tại các quận nội thành Các thông số quan trắc chấtlượng không khí xung quanh trong những năm gần đây đã cho thấy nồng độ NO; cũng có xu hướng tăng trong những năm gần đây tại các đô thị ở Việt Nam (Theo Báo cáo Môi trường quốc gia).

1.2.3 Kiém kê phát thải từ đốt rom ra

Trọng tâm chính của giám sát môi trường xung quanh là xác định và định

lượng các chất ô nhiễm ở các quy mô khác nhau trong khí quyên Chúng ta có thể

áp dụng các phương pháp và cách tiếp cận để quan trắc không khí ở các quy mô khác nhau Các phép đo có thể là trực tiếp hoặc gián tiếp.

Các phép đo vật lý và hóa học trực tiếp bao gồm nồng độ và kích thước củacác hạt thu được trên các bộ lọc Các phép đo gián tiếp, chăng hạn như sự tán xạánh sáng là dấu hiệu cho thấy số lượng sol khí trong khí quyên Các chất gây ônhiễm không khí phải được biết trong suốt vòng đời của chúng Vì vậy, chúngphải được đo lường hoặc ít nhất là ước tính tại nguồn của chúng, sau khi đượcphát ra, trong thời gian tồn tại trong khí quyền và thủy quyền

22

Việc đốt phụ phẩm nông nghiệp trên các vùng đất canh tác trên khắp thế giới

có tác động xấu đến sức khỏe cộng đồng, phát thải khí nhà kính (GHG) và thải ra các sol khí ảnh hưởng đến chất lượng không khí khu vực [10] Các tác động từ các đợt đốt sinh khối ở các vùng đất nông nghiệp có thể kéo dai hàng tuần đến

hàng tháng với các tác động đến hóa học khí quyền, thời tiết, chu trình sinh địa

hóa, hệ sinh thái, cũng như khả năng vận chuyền đường dài đến các vùng xa 65] Sự đánh giá thấp và sự không chắc chắn về phát thải do đốt phụ phẩm lúa gạo

[63-là một vấn đề cần quan tâm Các nghiên cứu toàn cầu ước tính rằng việc đốt sinhkhối chiếm khoảng 41% tổng lượng khí thải carbon đen so với các lĩnh vực dân

cư, công nghiệp, năng lượng và giao thông vận tải [11] Tuy nhiên, ở Đông Nam

A, mức đóng góp tương đối được báo cáo là thấp hơn, khoảng 35% [11] Tuynhiên, những nghiên cứu này và các nghiên cứu trước đây có thể dựa trên các ướctính về dữ liệu cụ thé ngoài khu vực hoặc các phương pháp tông quát Do đó, đóng góp phát thải do đốt phụ phẩm nông nghiệp có thé cao hơn so với suy nghĩ trước

đây khi các ước tính dựa trên dữ liệu cụ thê của khu vực.

Đề định lượng lượng khí thải do đốt rơm rạ, các nghiên cứu thường dựa vào

tỷ lệ rơm rạ dựa trên cơ sở dữ liệu thống kê sản xuất lúa gạo [10, 66-68] Tuynhiên, các tỷ lệ này có thể không mang tính đại diện theo khu vực hoặc có thểđánh giá thấp lượng dư lượng vì chúng có thể không bao gồm thành phần gốc rạchưa cắt Ngoài ra, phương thức đốt cụ thê (Hình 1.2) có thé ảnh hưởng đến lượngphát thải Do đó vấn dé cần phải có một phương pháp dé xác định chính xác khốilượng rơm rạ còn lại sau thu hoạch và khối lượng rơm rạ đốt cháy trên đồng

23

1.3 Tổng quan về các phương pháp ước tính độ sâu quang học của sol khí

Độ sâu quang học của sol khí (AOD — Aerosol Optical Depth) là một đại

lượng quan trọng dùng dé đặc trưng cho sự suy giảm của tia bức xạ mặt trời khi

đi qua khí quyên do sự hấp thụ và tán xạ của các phần tử sol khí AOD được sửdụng trong hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyên tới tín hiệu thu nhận bằng côngnghệ viễn thám, giám sát nguồn và các khu vực tập trung sol khí, xây dựng môhình truyền bức xạ, đánh giá chất lượng không khí, nghiên cứu sự thay đổi khí

hậu,

Các cảm biến viễn thám thu nhận các phản xạ từ bề mặt và khí quyền (đặcbiệt là các sol khí) Thách thức chính của việc ước tính AOD từ nguồn dỡ liệuviễn thám là loại bỏ các hiệu ứng của bề mặt khỏi tín hiệu phản xạ thu được [49,

Một vài tác giả khác đã phát triển các thuật toán dé ước tinh AOD trên mỗiđiểm ảnh từ các ảnh có độ phân giải cao, nhưng khi xem xét kỹ hơn các phương pháp đều có chung một vấn đề là các thuật toán không thực hiện tính toán trên đúng điểm ảnh mà dựa trên các phương pháp nội suy hay tông hợp từ các điểm

ảnh lân cận Ví dụ, Chen và cộng sự (2011), Themistocleous và cộng sự (2012), Themistocleous và Hadjimitsis (2013) [70-72] tính AOD dựa vào DDV (Dark

Dense Vegetation) trên phạm vi lớp phủ giống nhau va sau đó nội suy với cácphần còn lại của anh Sifakis và Iossifidis (2014) [73] tính AOD ở độ phân giải

30 m nhưng thực sự là tổng hợp các điểm ảnh, tạo ra sản phẩm AOD ở mức 500

gây ra bởi các sol khí đã được sử dụng với hình ảnh Landsat và SPOT, Tanre và

cộng sự (1988) [74], Sifakis va Deschamps (1992) [75] sử dụng hình ảnh tham

chiếu (đưới điều kiện AOD rất thấp) và sau đó so sánh (đo hiệu ứng làm mờ giữacác điểm ảnh liền kề) giữa hình ảnh này và hình ảnh tính AOD Liu và cộng sự(2002) [76] đã cải thiện phương pháp này bằng cách xem xét tính không đănghướng bề mặt và ứng dung cho anh SPOT tinh AOD với RMSE là 0,122 và sai sốtuyệt đối trung bình là 0,09 Tuy nhiên, một hạn chế cơ bản của các phương phápnày là đòi hỏi một hình ảnh tham chiếu có AOD thấp đồng nhất là rất khó vì có

sự khác biệt đáng kế về không gian AOD và nhiều khu vực trên thé giới (changhạn như các thành phố bị ô nhiễm nặng) hiếm khi có mức AOD thấp

Gần đây, một số lượng lớn các vệ tinh khảo sát tài nguyên đất được phónglên quỹ đạo Những vệ tinh này sử dụng các cảm biến quang học có độ phân giải

từ trung bình đến cao, không lớn hơn 30 m, cung cấp nguồn dữ liệu lớn quan sáttrái đất Dữ liệu này được sử dụng một cách rộng rãi trong các ứng dụng nôngnghiệp, quản lý rừng, khảo sát địa lý, đánh giá nguồn nước, đánh giá thảm họa vànhiều ứng dụng khác Những chất gây ô nhiễm không khí chủ yếu được tạo ra bởicác hoạt động của con người ở khu vực thành thị, vì vậy nhiều nghiên cứu tậptrung vào việc ước tính AOD ở phạm vi thành phố từ dữ liệu viễn thám độ phân

giai cao.

Với su gia tăng cua hình anh vệ tinh có độ phan giải không gian cao, việc

xác định các đặc tính khí quyên, đặc biệt là ước tính AOD của các khu vực đô thị

đã trở thành điều kiện tiên quyết cho nghiên cứu viễn thám đô thị

1.3.1 Vệ tỉnh độ phân giải cao

Trong những năm gần đây, nhiều vệ tinh độ phân giải cao được đưa lên quỹđạo Các bản đồ độ phân giải cao được phát triển theo độ phân giải mặt đất (GSD

— Ground Sample Distance) từ những bộ cảm biến dân sự đầu tiên Từ độ phângiải mặt đất 80 m (Lansat 1) năm 1972 đến nay GSD đã nhỏ hơn 0,5 m đối vớicác ứng dụng dân sự Hệ thống cảm biến đa phô của Lansat 1 hoạt động theo kiêuwhisk-broom (Hình 1.3) - được gọi là máy quét tiêu điểm hoặc máy quét ngang,

sử dụng gương dé phản chiếu ánh sáng lên một cảm biến duy nhất Gương dichuyên qua lại dé thu thập thông tin từ một điểm ảnh tại một thời điểm, hiện naycác hệ thống hiện đại dựa trên kỹ thuật mảng tuyến tính hoặc ma trận CCD —

25

Charge Coupled Device hoạt động kiểu push-broom (Hình 1.3) - còn được gọi làmáy quét đọc, sử dụng một dãy cảm biến được bồ trí vuông góc với hướng baycủa vệ tinh Khi vệ tinh bay về phía trước, hình ảnh được thu thập từng dòng một,tất cả các điểm ảnh trên một dòng được thu thập đồng thời (Cần có định nghĩa

whisk-broom và push-broom)

Electromechanical Satellite Sensor

Current Ground Resolution Cell

Scan Direction Flight Direction

Mechanical or Whiskbroom Scanning

Instantaneous => '&öãZZZ”

Scan Line A complete line of n cells

is scanned at one time

Pushbroom Concept

Hình 1.3 Các kiểu hoạt động của vệ tỉnh [77]

Xu hướng của các độ phân giải mặt đất cao hơn đã và đang được hỗ trợ bởinhững cải tiến trong các lĩnh vực công nghệ đa dạng như quang học, cơ khí và vậtliệu, điện tử, xử lý tín hiệu, truyền thông và điều hướng (Hình 1.4)

Độ phân giải cao hơn cũng có nghĩa là cần phải xử lý một lượng năng lượngnhỏ hơn đến từ các điểm ảnh trên mặt đất, trong khoảng thời gian tích hợp ngắnhon, theo vận tốc cao của vệ tinh Trong bối cảnh này, các thông số quan trọng dé

có độ phân giải cao, chăng hạn như độ phân giải không gian, phép đo bức xạ, độchính xác và độ ôn định của điểm ảnh phải được hiểu rõ Ngoài ra sự phụ thuộcvào nguyên lý hoạt động và độ nhạy của vệ tinh là một tham số quan trọng để xemxét trong hệ thống cung cấp ảnh

Những điều kiện này phụ thuộc vào loại yêu cầu: bản đồ địa hình, độ phângiải mặt đất, phép đo bức xạ, độ phủ khu vực Khối lượng lớn của dit liệu sinh rabởi các hệ thống ảnh độ phân giải cao cần được lưu trữ và truyền đi bằng các thiết

bị hiệu năng cao Kích thước, khối lượng và công suất tiêu thụ của các thiết bị này

ngày càng tăng lên cùng với khối lượng dit liệu và tốc độ dữ liệu Nén dit liệugiúp giảm các vấn đề về ghi và truyền dữ liệu.

Ngày nay, các hệ thống quan sát Trái Đất bao gồm cả các trạm mặt đất đều

có thé cung cấp dữ liệu sẵn có Chi phí rẻ hơn trước và dit liệu được đóng gói nhỏgon hơn Đối với dung lượng ảnh lớn cần có đủ không gian lưu trữ trên vệ tinhcũng như độ nhạy của vệ tinh Do đó cần phát triển các kỹ thuật nén hình ảnh và

cải thiện tốc độ đường truyền giữa vệ tinh và mat đất Bên cạnh đó, các vệ tinh

nhỏ có độ phân giải cao với mục đích riêng hay một tập hợp các vệ tinh đề thunhận đữ liệu liên tục trong khoảng thời gian ngắn hơn cũng phát triển

1.3.2 Thuật toán ưóc tinh độ sâu quang học cua sol khí từ ảnh vệ tỉnh độ phan giải cao

Thuật toán ban đầu, được gọi là Dark Target (DT), Kaufman và cộng sự(1998), Remer va cộng sự (2005) [78, 79] sử dụng các bề mặt tối làm mục tiêu để

đo độ tương phản của sol khí, thuật toán này đã trải qua quá trình chỉnh sửa và cải

tiễn liên tục trong hai thập kỷ hoạt động Tác động của thuật toán DT đối với khoahọc viễn thám, khoa học Trái đất và các ứng dụng liên quan là rất lớn Ban đầuthuật toán được áp dụng cho các cảm biến MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) trên vệ tinh Terra và Aqua, cho đến nay thuật toán này đã pháttriển hơn rất nhiều so với thuật toán ban đầu Thuật toán cũng đang được sử dụng

để ước tính các thuộc tính của sol khí từ cảm biến mới VIIRS (Visible Infrared

27

Imaging Radiometer Suite) trên vệ tinh Suomi-National Polar-Orbiting

Partnership (S-NPP) Ngoài khả năng thích ứng trực tiếp, thuật toán DT là ý tưởngcho các họ thuật toán khác theo nhiều cách khác nhau, bao gồm các kỹ thuật tạomặt nạ đám mây và tuyết, đồng thời phát triển các phương pháp hay nhất dé xácthực các sản phẩm sol khí dựa trên dữ liệu vệ tinh

Độ phân giải không gian của các sản pham AOD thu được bằng các phươngpháp trên thay đổi từ khoảng 20 km đến 20 m Phần lớn các sản phẩm (hoạt động

— operational) được tính ở độ phân giải khoảng 10 km Nhiều sản phẩm, ví dụ như sản phẩm AOD của MODIS, được tính từ dữ liệu ở độ phân giải cao hơn 10 km, nhưng sau đó chúng được tổng hợp dé cải thiện tỷ số nhiễu tín hiệu SYNTAM

(Synergy of TERRA and AQUA MODIS) và MAIAC (Multi-Angle Implementation of Atmospheric Correction) là hai thuật toán ước tinh AOD ở độ

phân giải 1 km từ dit liệu MODIS Hình 1.5 cho thấy sự so sánh giữa dữ liệuMOD04 10 km và MAIAC 1 km, thé hiện kết quả chi tiết hơn — cho thay ưu điểm

của dữ liệu ở độ phân giải cao hơn.

Landsat là một trong số ít các cảm biến độ phân giải cao có băng tần SWIR,

do đó việc ước tính sol khí từ ảnh Landsat không chỉ giới hạn ở các khu vực có

bề mặt đặc trưng Lyapustin và cộng sự (2004) [80] đã phát triển một phươngpháp dựa trên lý thuyết biến đổi bức xạ 3D dé ước tính AOD từ Landsat trên mộtloạt các bề mặt Đánh giá cho thấy độ chính xác cao (+0.02 - +0.03), mặc dù các tác giả thừa nhận rằng đây có thé không phải là đánh giá thực tế về chất lượng củaphương pháp vì khối lượng đữ liệu đánh giá rất thấp và đánh giá chỉ được thựchiện trên một khu vực nơi điều kiện khí quyền rất ôn định Mặc dù độ chính xác

có thé cao, nhưng thời gian lặp lại của Landsat tối thiêu là 16 ngày và trong điềukiện thời tiết có thể có mây nên hạn chế rất nhiều tới kết quả ước tính AOD.

Phương pháp này dựa trên kênh (band) SWIR cua Landsat nên không áp dụng cho

các cảm biến có độ phân giải cao khác với thời gian lặp lại ngắn hơn (chăng hạnnhư cảm biến DMC, SPOT hoặc Sentinel-2)

28