Sử dụng tư liệu vệ tinh MODIS đánh giá chất lượng không khí khu vực đồng bằng sông Hồng

Header Page of 126 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐỊA LÝ PHẠM THỊ DUYÊN SỬ DỤNG TƢ LIỆU VỆ TINH MODIS ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG KHÔNG KHÍ KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2016 Footer Page of 126 Header Page of 126 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐỊA LÝ PHẠM THỊ DUYÊN SỬ DỤNG TƢ LIỆU VỆ TINH MODIS ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG KHÔNG KHÍ KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám Hệ thông tin địa lý Mã số: 66 04 02 14 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HƢỚNG DẪN KHOA HỌC CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Bùi Quang Thành PGS.TS Đinh Thị Bảo Hoa Hà Nội – 2016 Footer Page of 126 Header Page of 126 LỜI CẢM ƠN Lời cho phép đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Bùi Quang Thành, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn, định hƣớng nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ thực hiện, hoàn thành luận văn thạc sĩ Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy cô giáo giảng dạy, truyền đạt giúp nâng cao kiến thức chuyên ngành thời gian học tập khoa Địa lý, trƣờng đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội, đặc biệt đào tạo, giúp đỡ thầy cô môn Bản đồ - Viễn thám GIS Qua đây, xin gửi lời cảm ơn tới bạn lớp cao học K13 – Bản đồ, Viễn thám GIS ủng hộ tạo không khí vui vẻ, thoải mái trình học tập nhƣ trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Dự án “Nghiên cứu thủy tai biến đổi khí hậu xây dựng hệ thống thông tin nhiều bên tham gia nhằm giảm thiểu tính dễ bị tổn thương Bắc Trung Bộ Việt Nam (CPIS)” (2012-2015) đề tài VT-UD.06/16-20(thuộc Chƣơng trình Khoa học Công nghệ độc lập cấp Nhà nƣớc Công nghệ Vũ trụ) cung cấp nguồn liệu công cụ cần thiết để thực luận văn Lời cuối cùng, xin cảm ơn động viên, ủng hộ tinh thần gia đình, bạn bè đồng nghiệp tạo động lực giúp hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày… tháng……năm 2016 Học viên cao học Phạm Thị Duyên Footer Page of 126 Header Page of 126 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu: Nhiệm vụ nghiên cứu: Phƣơng pháp nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận văn CHƢƠNG 11 CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ PHÁT HIỆN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ BẰNG ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ 11 1.1 Một số khái niệm 11 1.1.1 Khái niệm sol khí 11 1.1.2 Khái niệm hạt PM 12 1.2 Tác động bụi sol khí sức khỏe cộng đồng 13 1.3 Tổng quan phát ô nhiễm không khí độ dày quang học sol khí 15 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG KHÔNG KHÍ Error! Bookmark not defined KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG BẰNG TƢ LIỆU VỆ TINH MODIS Error! Bookmark not defined 2.1 Cơ sở khoa học phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng không khí khu vực ĐBSH tƣ liệu vệ tinh Error! Bookmark not defined Footer Page of 126 Trang1 Header Page of 126 2.1.1 Phƣơngpháp ƣớctínhsolkhí từảnhvệtinhError! Bookmark not defined 2.1.2 Phƣơngpháptínhtoánhồiquy Error! Bookmark not defined 2.2 Khu vực nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.3 Dữ liệu nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.3.1 Dữ liệu ảnh sol khí MODIS Error! Bookmark not defined 2.3.2 Dữ liệu PM 2.5 từ trạm quan trắc mặt đấtError! Bookmark not defined 2.4 Tính toán giá trị PM 2.5 từ liệu MODIS AOD/AOT Error! Bookmark not defined 2.4.1 Quy trình tổng quát Error! Bookmark not defined 2.4.2 Quy trình tích hợp liệu vệ tinh quan trắcError! Bookmark not defined 2.4.3 Quy trình tính toán thành lập đồ PM 2.5 từ ảnh sol khí MODIS Error! Bookmark not defined 2.5 Ứng dụng web-based GIS phục vụ giám sát bụi PM 2.5 Error! Bookmark not defined CHƢƠNG Error! Bookmark not defined KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Thực nghiệm Error! Bookmark not defined 3.1.1 Dữ liệu sol khí Error! Bookmark not defined 3.1.2 Dữ liệu thu đƣợc từ trạm quan trắcError! Bookmark not defined 3.1.3 Xử lý hình học ảnh Error! Bookmark not defined 3.1.4 Tính toán hồi quy AOD/AOT PM 2.5Error! Bookmark not defined Footer Page of 126 Trang2 Header Page of 126 3.2 Thành lập đồ số PM2.5 cho khu vực đồng sông Hồng Error! Bookmark not defined 3.3 WebGis thể đồ PM 2.5 Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined Footer Page of 126 Trang3 Header Page of 126 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tác động sol khí bụi đến sức khỏe ngƣời kết hợp với kim loại nặng 14 Bảng Các bệnh có tỉ lệ ngƣời mắc bệnh cao phạm vi toàn Việt Nam (Nguồn: Niên giám thống kê y tế năm 2008) 15 Bảng 2.1 Mức độ tƣơng quan thể qua R² Error! Bookmark not defined Bảng 2.2 Bƣớc sóng phổ kênh ảnh ứng dụng thực tiễnError! Bookmark not defined Bảng 2.3 Ví dụ cấu trúc liệu PM 2.5 đƣợc lƣu trữ file exel Error! Bookmark not defined Bảng 3.1 Danh mục cảnh ảnh Terra Error! Bookmark not defined Bảng 3.2 Danh mục cảnh ảnh Aqua Error! Bookmark not defined Bảng 3.3 Danh mục trạm thực địa Error! Bookmark not defined Bảng 3.4 Tƣơng quan AOD PM2.5 trạmError! Bookmark not defined Footer Page of 126 Trang4 Header Page of 126 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Kích thƣớc loại bụi PM so với đƣờng kính sợi tóc ngƣời 12 Hình 2.1 Các tia phản xạ khí đến đầu thu Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Ví dụ mối liên hệ tuyến tính Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Bản đồ vùng đồng sông Hồng Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Cấu trúc nhóm band ảnh raster file HDFError! Bookmark not defined Hình 2.5 Trạm quan trắc đặt Long Biên, Hà Nội Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Đồ thị số liệu quan trắc từ 07 trạm số AIQ website Trung tâm quan trắc môi trƣờng Error! Bookmark not defined Hình 2.7 Quy trình tính toán chất lƣợng không khí khu vực ĐBSHError! Bookmark not defined Hình 2.8 Quy trình tích hợp liệu vệ tinh liệu quan trắcError! Bookmark not defined Hình 2.9 Quy trình tính toán PM 2.5 từ ảnh AOD/AOTError! Bookmark not defined Hình 2.10 Thiết kế kỹ thuật Web-based GIS Error! Bookmark not defined Hình 2.11 Thiết kế chi tiết Web-based GIS Error! Bookmark not defined Hình 2.12 Giao diện WebGis thuộc CPIS Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Ví dụ tƣ liệu thu thập từ ảnh MOBAOD.A2014002.0345.006.2015072135002 từ vệ tinh TerraError! số hiệu Bookmark not defined Hình 3.2 Ví dụ tƣ liệu thu thập từ ảnh MYBAOD.A2014001.0610.006.2014273233747từ vệ tinh AquaError! số hiệu Bookmark not defined Hình 3.3 Vị trí 06 trạm mặt đất đồ GIS Error! Bookmark not defined Hình 3.4 Vị trí 06 trạm ảnh Modis Terra Error! Bookmark not defined Hình 3.5 Vị trí 06 trạm ảnh Modis Aqua Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Giao diện công cụ MRT Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Tƣơng quan AOD PM2.5 trạm Nguyễn Văn Cừ Error! Bookmark not defined Footer Page of 126 Trang5 Header Page of 126 Hình 3.8 Sai số mô hình hồi quy AOD PM2.5 trạm Nguyễn Văn Cừ Error! Bookmark not defined Hình 3.9 Tƣơng quan AOD PM2.5 trạm Phú ThọError! Bookmark not defined Hình 3.10 Sai số mô hình hồi quy AOD PM2.5 trạm Phú Thọ Error! Bookmark not defined Hình 3.11 Tƣơng quan AOD PM2.5 trạm Hạ LongError! Bookmark not defined Hình 3.12 Sai số mô hình hồi quy AOD PM2.5 trạm Hạ Long Error! Bookmark not defined Hình 3.13 Tƣơng quan AOD PM2.5 trạm HuếError! Bookmark not defined Hình 3.14 Sai số mô hình hồi quy AOD PM2.5 trạm HuếError! Bookmark not defined Hình 3.15 Tƣơng quan AOD PM2.5 trạm Đà NẵngError! Bookmark not defined Hình 3.16 Sai số mô hình hồi quy AOD PM2.5 trạm Đà Nẵng Error! Bookmark not defined Hình 3.17 Tƣơng quan AOD PM2.5 trạm Khánh HòaError! Bookmark not defined Hình 3.18 Sai số mô hình hồi quy AOD PM2.5 trạm Khánh Hòa Error! Bookmark not defined Hình 3.19 Tƣơng quan AOD PM2.5 06 trạmError! Bookmark not defined Hình 3.20 Sai số mô hình hồi quy AOD PM2.5 tạị 06 trạmError! Bookmark not defined Hình 3.21 Biểu đồ hệ số xác định bội R² theo trạm Error! Bookmark not defined Hình 3.22 Bản đồ giá trị PM 2.5 khu vực đồng sông Hồng ngày 20/12/2016 Error! Bookmark not defined Hình 3.23 Giao diện kết nối liệu raster GeoseverError! Bookmark not defined Hình 3.24 Tạo style cho lớp đồ PM 2.5 với SLD Error! Bookmark not defined Footer Page of 126 Trang6 Header Page 10 of 126 Hình 3.25 Bản đồ PM 2.5 WebGis Error! Bookmark not defined Footer Page 10 of 126 Trang7 Header Page 11 of 126 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MODIS Một loại cảm biến có độ phân giải trung bình Moderate resolution Imaging Spectrometer AQUA Một loại vệ tinh mang theo cảm biến MODIS TERRA Một loại vệ tinh mang theo cảm biến MODIS MOD Tiếp đầu ngữ file ảnh MODIS thu nhận từ vệ tinh TERRA MYD Tiếp đầu ngữ file ảnh MODIS thu nhận từ vệ tinh AQUA AOD/AOT Độ sâu quang học sol khí AQI Chỉ số chất lƣợng không khí GIS Hệ thông tin địa lý NASA Cơ quan hàng không Vũ trụ Mỹ Bộ TN&MT Bộ Tài nguyên & Môi trƣờng ĐBSH Đồng sông Hồng CENMA Trung tâm Quan trắc Phân tích Tài nguyên Môi trƣờng Hà Nội DN Digital number- Giá trị số R, r Correlation Coefficient – Hệ số tƣơng quan R², r² Coeffocient of Determination- Hệ số xác định bội PM Paticulate Matter – Bụi Footer Page 11 of 126 Trang8 Header Page 12 of 126 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Môi trƣờng tất bao quanh ngƣời có ảnh hƣởng trực tiếp gián tiếp tới tồn phát triển ngƣời, không khí năm thành phần môi trƣờng Do vậy, chất lƣợng môi trƣờng không khí vấn đề đáng đƣợc quan tâm Ngày nay, với phát triển không ngừng xã hội, môi trƣờng nói chung môi trƣờng không khí nói riêng bị ô nhiễm nặng nề tàn phá ngƣời.Tổ chức Y tế Thế Giới (WHO) gần đƣa báo cáo ô nhiễm không khí năm vừa qua (năm 2014), dựa số liệu mức độ ô nhiễm 1.600 thành phố khắp 19 quốc gia Tổ chức sử dụng hệ thống đánh giá có tên PM2.5 PM10 PM2.5 đƣợc coi hệ thống tốt đƣợc dùng để đánh giá tác động ô nhiễm không khí lên sức khỏe xác định nồng độ bụi ô nhiễm có đƣờng kính từ 2,5 micromet trở xuống Những hạt bụi ô nhiễm khói, bụi bẩn, nấm mốc phấn hoa, đƣợc tổng hợp từ kim loại nặng hợp chất hữu độc hại Đây đƣợc coi mối nguy hiểm lớn cho thể ngƣời bị “tích lũy” hệ thống hô hấp Việc giám sát chất lƣợng không khí thu hút đƣợc quan tâm tất quốc gia giới, có Việt Nam Tại Việt Nam, trạm quan trắc khí tƣợng đo lƣờng số liên quan chất lƣợng không khí (cũng nhƣ số PM2.5), nhiên, số lƣợng trạm hạn chế Do vậy, việc tính toán, đánh giá chất lƣợng không khí diện rộng, toàn khu vực thực đƣợc Cùng với phát triển công nghệ vệ tinh quan sát Trái đất, khả ứng dụng tƣ liệu ảnh vệ tinh kết hợp với hệ thông tin địa lý giám sát chất lƣợng không khí đƣợc áp dụng nhiều quốc gia giới (khoảng 40 năm trở lại đây) Ảnh vệtinh cho biết thông tin toàn khu vực nghiên cứu theo cấu trúc mạng lƣới liên tục pixel kềnhau Mỗi pixel đƣợc ví nhƣlà trạm quan trắc, sốđiểm từảnh vệtinh sẽdày đặc nhiều so với trạm đo mặt đất Kết quảphân tích ảnh vệtinh sẽcho giá trịô nhiễm thểhiện pixel tùy thuộc vào độphân giải ảnh toàn vùng đồng thời vào thời điểm quan sát, mà với điều kiện khảnăng thiết bịvà trạm đo mặt đất không thểnào đạt đƣợc Footer Page 12 of 126 Trang9 Header Page 13 of 126 Vệ tinh Terra Aqua có trang bị phổ kế tạo ảnh độ phân giải trung bình MODIS mở triển vọng cho nghiên cứu mang tính toàn cầu nhƣ khu vực Với 36 kênh phổtừ bƣớc sóng 0.405 µm đến 14.385 µm độphân giải không gian 250 m,500 m km, MODIS đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực, có lĩnh vực khí tƣợng thuỷ văn môi trƣờng Ảnh MODIS với vòng chu kỳ lặp chụp ảnh 01 ngày điều thuận tiện cho việc quan trắc thƣờng xuyên ngày, hỗ trợ tốt cho quan trắc mặt đất, mặt phân bố không gian MOD04/MOY04 44 sản phẩm ảnh MODIS Terra/Aqua với độ phân giải không gian 10 km, có chứa thông tin độ dày sol khí Aerosol (AOD/AOT - Aerosol Optical Depth/Thickness) sử dụng để tính toán, xác định mối tƣơng quan với số chất lƣợng môi trƣờng PM2.5, từ cho phép đánh giá, dự đoán chất lƣợng không khí môi trƣờng diện rộng ỞViệt Nam, kỹ thuật tƣơng đối xa lạ mẻ, nhiên, việc triển khai nghiên cứu, đƣa vào ứng dụng đƣợc kỹ thuật khu vực có điều kiện xã hội, môi trƣờng nhƣ nƣớc ta có nhiều ƣu điểm Xuất phát từ thực tế nêu trên, học viên lựa chọn luận văn thạc sĩ: “Sử dụng tư liệu vệ tinh MODIS đánh giá chất lượng không khí khu vực Đồng sông Hồng" với mong muốn góp phần giải phần vấn đề nhƣ trình bày, góp sức mục tiêu chung bảo vệ sức khỏe cộng đồng Mục tiêu nghiên cứu: - Nghiên cứu phát triển phƣơng pháp ƣớc tính nồng độ ô nhiễm bụi không khí sử dụng tƣ liệu ảnh vệ tinh - Theo dõi chất lƣợng không khí khu vực trạm quan trắc mặt đất toàn khu vực nghiên cứu; thể số liệu webgis Nhiệm vụ nghiên cứu: - Thu thập thông tin trạng giám sát chất lƣợng không khí trạm quan trắc tự động khu vực ĐBSH - Thu thập liệu vệ tinh, chiết xuất thông tin độ dày quang học sol khí từ sản phẩm ảnh MODIS (MOD04/MOY04); xây dựng đồ sol khí khu vực đồng sông Hồng - Tiến hành thu thập liệu số PM2.5 từ trạm quan trắc khí tƣợng - Xây dựng hàm hồi quy thể mối tƣơng quan số độ dày quang học sol khí AOD/AOT số PM2.5 Footer Page 13 of 126 Trang10 Header Page 14 of 126 - Tính toán số PM2.5 từ mối tƣơng quan khu vực trạm quan trắc mặt đất, từ xây dựng đồ số PM 2.5 cho toàn khu vực nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp viễn thám: chiết xuất thông tin độ dày quang học sol khí từ tƣ liệu viễn thám MODIS MOD04/MYD04 - Phƣơng pháp đồ: thể đồ AOD/AOT; xây dựng đồ số bụi PM 2.5 - Phƣơng pháp điều tra thực địa: lấy số liệu PM2.5 từ trạm quan trắc khí tƣợng khu vực Đồng sông Hồng - Phƣơng pháp mô hình hóa: Xây dựng hàm hồi quy, mối tƣơng quan AOD/AOT PM2.5 - Phƣơng pháp phân tích không gian (GIS): Xác định vị trí trạm quan trắc khí tƣợng khu vực nghiên cứu - Phƣơng pháp phân tích thống kê - Phƣơng pháp chuyên gia Phạm vi nghiên cứu Phạm vi không gian: Khu vực Đồng sông Hồng Phạm vi thời gian: Sử dụng liệu vệ tinh MODIS liệu trạm quan trắc mặt đất năm 2014 để đánh giá chất lƣợng không khí khu vực đồng sông Hồng Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu góp phần khẳng định mở rộng khả ứng dụng phƣơng pháp viễn thám vào việc đánh giá chất lƣợng không khí Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu góp phần xây dựng phƣơng pháp phân tích, đánh giá, dự đoán chất lƣợng không khí (dựa số PM 2.5) khu vực đồng sông Hồng, đặc biệt nơi điều kiện đặt trạm quan trắc cố định hay lƣu động Cấu trúc luận văn Luận văn bao gồm chƣơng với phần Mở đầu, Kết luận, Kiến nghị, Tài liệu tham khảo Dƣới tiêu đề chƣơng: Chƣơng 1: Cơ sở lý luận phát ô nhiễm không khí độ dày quang học sol khí Footer Page 14 of 126 Trang11 Header Page 15 of 126 Chƣơng 2: Phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng không khí khu vực đồng sông Hồng tƣ liệu vệ tinh MODIS Chƣơng 3: Kết thảo luận Footer Page 15 of 126 Trang12 Header Page 16 of 126 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ PHÁT HIỆN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ BẰNG ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ 1.1 Một số khái niệm 1.1.1 Khái niệm sol khí Sol khí thành phần phát tán khí quyển, đƣợc tạo nên từ bụi khí thải (tự nhiên nhân tạo), tham gia trực tiếp vào hiệu ứng nhà kính tác động tới biến đổi khí hậu Theo NASA, sol khí hạt lơ lửng không khí Khi hạt đủ lớn, nhận thấy dịên chúng chúng phản xạ hấp thụ ánh sáng mặt trời Ánh sáng mặt trời bị tán xạ làm giảm tầm nhìn gây tƣởng màu đỏ bình minh hoàng hôn Sol khí gây nên thay đổi hóa học khí quyển, thay đổi trình hình thành mây, phản xạ hấp thụ lƣợng xạ từ gây tác động xấu đến thời tiết – khí hậu, thông qua cách thức là: - Tƣơng tác trực tiếp: phản xạ ánh sáng mặt trời vào bầu khí - Tƣơng tác gián tiếp: ảnh hƣởng đến hạt mây, trình hình thành đám mây, tích tụ hấp thụ ánh sáng mặt trời, làm nóng bầu khí quyển,… Sol khí chia làm cấp dựa theo kích thƣớc chúng Cấp có kích thƣớc nhỏ có đƣờng kính nhỏ khoảng 0.1 µm Cấp trung bình có đƣờng kính nằm khoảng từ 0.1 đến µm [1, 2] Cấp có đƣờng kính lớn đƣợc gọi phần tử thô, đƣờng kính chúng lớn 2µm Sol khí đƣợc tạo nhiều nguồn gốc, nhiên có ba nguồn tạo sol khí là: núi lửa, bụi sa mạc ngƣời - Sol khí núi lửa: đƣợc hình thành tầng bình lƣu sau trận phun trào lớn núi lửa Lớp sol khí chủ yếu hình thành khí SO2, sau chuyển đổi thành giọt axit sulfuric tầng bình lƣu tồn từ tuần tới vài tháng sau khí núi lửa phun trào Gió tầng bình lƣu trải rộng sol khí chúng bao phủ toàn cầu Sau lần hình thành, sol khí tồn tầng đối lƣu khoảng hai năm - Sol khí sa mạc: Loại sol khí đƣợc hình thành qua gió thổi phần tử bụi nhẹ từ bề mặt sa mạc có liên quan lớn tới sol khí khí Thông thƣờng, chúng rơi khỏi khí sau bay thời đoạn ngắn nhƣng chúng đƣợc thổi lên độ cao khoảng 4.500 m cao lực mạnh bão cát Footer Page 16 of 126 Trang13 Header Page 17 of 126 - Sol khí đƣợc tạo từ hoạt động ngƣời: phần lớn sol khí tạo ngƣời khói bụi từ đám cháy khu rừng nhiệt đới, đốt than dầu Sol khí sulfat tạo ngƣời tăng lên nhanh chóng khí kể từ cách mạng công nghiệp Với mức độ sản xuất tại, sol khí sulfat phát thải ngƣời đƣợc cho nhiều so với lƣợng sol khí sulfat tự nhiên Sol khí tập trung nhiều Bắc Bán Cầu nơi vốn trung tâm hoạt động công nghiệp 1.1.2 Khái niệm hạt PM Hạt PM (Particulate Matter-PM) hạt bụi không khí có kích thƣớc nhỏ, nhỏ 10µm mà mắt thƣờng ngƣời không nhìn thấy đƣợc Các hạt gây ô nhiễm môi trƣờng có tác hại lớn đến sức khỏe ngƣời Những hạt PM có tên gọi khác hạt “bụi hô hấp” hạt gây bệnh hô hấp cho ngƣời Những hạt PM có đƣờng kính nhỏ 10µm đến 2,5µm đƣợc gọi hạt PM 10 Những hạt theo đƣờng hô hấp sâu vào bên khí quản ngƣời Những hạt PM có đƣờng kính nhỏ 2.5µm đƣợc gọi hạt PM 2.5 Chúng sâu vào bên thể ngƣời, bị giữ lại phế nang Những hạt có kích thƣớc bé bị đẩy theo hoạt động thải khí CO2 ngƣời Những hạt PM có nồng độ cao thể ngƣời gây bệnh hô hấp nguy hiểm đồng thời ảnh hƣởng xấu tới hoạt động sản xuất cân hệ sinh thái tự nhiên Hình 1- Kích thước loại bụi PM so với đường kính sợi tóc người Những hạt PM tồn không trung từ vài đến vài ngày vài tuần, điều tùy thuộc vào kích thƣớc loại hạt Các hạt có kích thƣớc nhỏ Footer Page 17 of 126 Trang14 Header Page 18 of 126 thời gian tồn không khí lâu đƣợc phát tán xa diện rộng dƣới tác động gió (PM 2.5), hạt có kích thƣớc lớn có thời gian tồn không khí từ vài đến vài ngày (PM 10) 1.2 Tác động bụi sol khí sức khỏe cộng đồng Trong thập kỷ qua, nhà khoa học thực nhiều nghiên cứu để tìm mối liên kiết sức khỏe ngƣời ô nhiễm không khí Và khoảng 10 năm qua, nhiều liên kết đƣợc tìm thấy Ảnh hƣởng sol khí lên sức khỏe ngƣời đƣợc ghi lại địa điểm khác Tỷ lệ tử vong tăng lên kết tình trạng ô nhiễm đƣợc phát khắp nơi Nghiên cứu ban đầu cho thấy ảnh hƣởng lớn sol khí đến từ "khu vực sạch", nhƣ Mỹ Xu hƣớng tỷ lệ tử vong đƣợc ghi nhận theo đƣờng dốc từ Tây sang Đông Âu Trong nghiên cứu gần đây, nhạy cảm giống sol khí đƣợc chứng minh thể độc lập vị trí Tỷ lệ tử vong gần nhƣ Mỹ, Tây Âu Đông Âu, Trung Quốc với khoảng 2-4% trƣờng hợp tử vong với gia tăng nồng độ đến 100 µg/m3[3] Từ cách mạng công nghiệp bùng nổ, hạt sol khí đƣợc tạo từ hoạt động ngày nhiều khiến cho trình xử lý ô nhiễm trở thành gánh nặng kinh tế Gần đây, ý đƣợc tập trung vào vấn đề suy giảm chất lƣợng không khí gây hạt PM, vốn hạt sol khí có kích thƣớc lớn Vì chúng làm suy giảm chất lƣợng không khí nên gây nhiều hệ lụy đến sức khỏe cho ngƣời sống khu vực ô nhiễm Các nghiên cứu khác mối quan hệ mạnh mẽ ô nhiễm không khí tác động đến sức khỏe đƣợc ghi nhận Ngoài ra, có chứng rõ ràng cho thấy hạt PM 2.5 giữ vai trò quan trọng tác động đến sức khỏe ngƣời Các hạt sol khí có kích thƣớc từ 2.5 µm đến 10 µm đƣợc loại bỏ cách hiệu phần phía hệ thống hô hấp, nhiên hạt PM 2.5 đọng lại vách phế quản Các hạt có đƣờng kính nhỏ 0.1µm đƣợc thu thập phế quản, hạt có đƣờng kính nằm khoảng 0.11 µm nhỏ để bị giữ lại phần hệ thống hô hấp nhƣng lại lớn để đƣợc thu thập phế quản, chúng đƣợc giữ phổi[4] Hành vi hạt đọng lại phổi phụ thuộc vào đặc tính khí động học hạt luồng lƣu thông nhƣ: kích thƣớc, hình dạng mật độ Sự lắng đọng hạt vùng khác hệ hô hấp phụ thuộc vào kích thƣớc chúng [4] Footer Page 18 of 126 Trang15 Header Page 19 of 126 Sống khu vực chứa nhiều sol khí làm tăng tỷ lệ mắc bệnh hô hấp mở rộng nguy mắc bệnh hô hấp cấp tính ngƣời Hơn nữa, kết hợp với kim loại nặng gây nhiều vấn đề nghiêm trọng khác tới sức khỏe cộng đồng Bảng dƣới liệt kê tác hại kết hợp sol khí kim loại nặng [4]: Bảng 1- Tác động sol khí bụi đến sức khỏe người kết hợp với kim loại nặng Kim loại nặng Nguồn tự nhiên Phát thải Mức độ nguy hiểm tối thiểu Tác động độc tính tiếp xúc công Mức độ chì Giảm phát triển thần kinh Ức nghiệp phƣơng máu nhỏ 10 chế hệ thống huyết học (thiếu tiên xe cộ, sơn micrograms đề máu), suy thận, suy giảm miễn Chì đốt cháy nhựa, giấy xi lít dịch … Rác thải điện tử Dƣới 10 microgram Kích ứng đƣờng tiêu hóa hô Thủy nhựa, thuốc trừ sâu, đề xi lít máu hấp, suy thận, thần kinh ngân dƣợc phẩm chất Uống thải nha khoa Rdf mg/kg/ngày Đồ điện, nhựa, pin, Dƣới microgram Kích ứng chỗ phổi Cadmium chế độ ăn uống đề xi lít máu đƣờng tiêu hóa, tổn thƣơng thận nƣớc bất thƣờng hệ thống xƣơng Thuốc diệt cỏ, thuốc Phơi nhiễm 0.0003 Viêm gan, tổn thƣơng thần kinh Thạch tín trừ sâu, đồ điện tử, mg/kg/ngày ngoại vi, bệnh thần kinh, ung đốt chất thải chứa thƣ gan, da phổi, kích thích thành phần độc hệ thống hô hấp trên, viêm hại, nƣớc ô nhiễm họng, viêm quản, viêm mũi, thiếu máu, bệnh tim mạch Bên cạnh sol khí trời, sol khí phát sinh bên hộ gia đình nguồn chất ô nhiễm khác gây nguy hiểm không cho ngƣời Mọi ngƣời thƣờng cảm thấy ốm yếu, mệt mỏi sản phẩm gia dụng phổ biến nhƣ: máy làm mát không khí, sơn, chất khử mùi thuốc xịt tóc Thƣờng xuyên sử dụng Footer Page 19 of 126 Trang16 Header Page 20 of 126 máy móc, hóa chất làm tăng nguy tiêu chảy, đau tai triệu chứng khác trẻ nhƣ đau đầu trầm cảm Theo báo cáo môi trƣờng toàn quốc năm 2010, chất lƣợng môi trƣờng không khí lãnh thổ Việt Nam bị suy giảm, đặc biệt đô thị lớn Hà Nội Thành phố Hồ Chí Minh Ô nhiễm không khí chủ yếu bụi Bên cạnh đó, số khu vực có biểu ô nhiễm CO, SO2 tiếng ồn cục Việc phân tích ô nhiễm bụi dựa vào kết quan trắc thông số TSP PM10, PM2.5 nồng độ yếu tố mức cao, vƣợt qua mức độ cho phép thành phố lớn Về mặt phân bố không gian, mức độ ô nhiễm bụi cao khu vực có mật độ giao thông đông đúc, nút giao thông, khu vực trình xây dựng sở hạ tầng khu công nghiệp Bảng 2- Các bệnh có tỉ lệ người mắc bệnh cao phạm vi toàn Việt Nam (Nguồn: Niên giám thống kê y tế năm 2008) S Bệnh TT Số ngƣời mắc bệnh (trên Tỉ lệ (%) 100.000 dân) Các bệnh viêm phổi 409.12 4,1 Viêm họng viêm 383.58 3,8 306.21 3,1 amidan cấp Viêm phế quản viêm tiểu phế quản 1.3 Tổng quan phát ô nhiễm không khí độ dày quang học sol khí Chất lƣợng không khí nguyên nhân sinh bệnh tật cộng đồng Nhất nƣớc phát triển nhƣ nƣớc ta nay, chất lƣợng không khí bị ô nhiễm chất thải công nghiệp bụi xây dựng gây nên Để giám sát chất lƣợng không khí, theo phƣơng pháp truyền thống, sử dụng mạng lƣới trạm đo chất lƣợng không khí thành phố, khu dân cƣ theo mật độ phân bố định Nhờ mạng lƣới quan trắc đo thành phần không khí hàng ngày (hàng giờ, hàng tuần, hàng tháng) mà đƣa phƣơng pháp phòng ngừa, bảo vệ sức khoẻ cộng đồng Nhƣợc điểm lớn giải pháp dựa vào mạng lƣới trạm đo mặt đất tốn khuyếch tán bụi khí ô nhiễm không phản ánh cách khách quan sử dụng hàm toán học để mô Trong khoảng thời gian gần 40 năm qua,ở Footer Page 20 of 126 Trang17 Header Page 21 of 126 nƣớc giới, ngƣời ta đƣa công nghệ viễn thám vào giám sát chất lƣợng không khí Công nghệ khắc phục nhựơc điểm mạng lƣới quan trắc mặt đất mắc phải Để phát ô nhiễm không khí công nghệ viễn thám, giới, ngƣời ta sử dụng ba phƣơng pháp chủ yếu: a Phƣơng pháp tính độ dày lớp sol khí AOT (Aerosol Optical Thickness) b Phƣơng pháp đo hạt bụi đen (Black particle) c Phƣơng pháp đánh giá biến động lớp phủ bề mặt (Land – cover change) Trong khuôn khổ đề tài, học viên tìm hiểu việc sử dụng giá trị AOT để đánh giá chất lƣợng không khí Trên giới, có nghiên cứu xác định độ dày quang học sol khí từảnh vệ tinhLandsatTM/ETM+, ASTER,SPOT, ALOS, IRS, MODIS… Kaufman cộng (1990) [5]đã phát triển thuật toán xác định AOT theo khác biệt thành phần xạ hƣớng lên, đƣợc ghi nhận vệ tinh, ngày trời rõ (không ô nhiễm) ngày mù sƣơng (có ô nhiễm) Phƣơng pháp giảđịnh phản xạ bề mặt ngày rõ ngày mù sƣơng không thay đổi Hadjimitsis Clayton (2009) [6] phát triển phƣơng pháp kết hợp nguyên lý Trừ đối tƣợng đen (DOS - Darkest Object Subtraction) phƣơng trình truyền xạđể tính giá trị AOT cho kênh Landsat TM Jun Wang Sundar A Christopher (2003)[7]đã nghiên cứu xây dựng đƣợc mối liên hệ cột độ dày quang học soi khí có nguồn gốc từ ảnh MODIS lƣợng hạt bụi PM2,5 theo đo vị trí quan trắc thuộc quận Jefferson, bang Alabama, Hoa Kỳ năm 2002 Jill A Engel-Co, Christopher H Holloman, Basil W Coutant, Raymond M Hoff (2004) [8]đã đƣa giải pháp đánh giá định tính định lƣợng chất lƣợng không khí quy mô đô thị khu vực việc sử dụng liệu ảnh vệ tinh MODIS Nhóm nghiên cứu tiến hành so sánh liệu từ hệ thống giám sát không khí Cơ quan bảo vệ môi trƣờng Hoa Kỳ (EPA) liệu vệ tinh tháng liên tục năm 2002 Năm 2009, Thái Lan, Vivarad Phonekeo [9]đã công bố kết nghiên cứu việc giám sát chất lƣợng không khí Thái Lan sản phẩm MOD04 Trong nghiên cứu này, liệu thực địa đƣợc thu thập từ 13 trạm quan trắc không khí tự động địa bàn thủ đô BangKok Footer Page 21 of 126 Trang18 Header Page 22 of 126 Ở Việt Nam, có nhiều nghiên cứu thực lĩnh vực ô nhiễm không khí nhƣ đánh giá tình hình ô nhiễm không khí cho đô thị lớn Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh (TPHCM), Đà Nẵng, Cần Thơ… Các nghiên cứu tập trung vào phân tích thống kê từ nguồn số đo khí tƣợng ô nhiễm không khí đƣợc quan sát trạm mặt đất Dựa vào số đo phân bố không gian, chất ô nhiễm không khí đƣợc ƣớc tính thể qua mô hình toán phát tán phƣơng pháp nội suy Lƣơng Chính Kế, Hồ Thị Vân Trang, Trần Ngọc Tƣởng, Lâm Đạo Nguyên (2010)[10] nghiên cứu xây dựng đồ ô nhiễm không khí khu vực Hà Nội Cẩm Phả dựa đặc tính phổ hình học ảnh Landsat ETM+ SPOT Trần Thị Vân, Nguyễn Phú Khánh, Hà Dƣơng Xuân Bảo (2014) [11]nghiên cứu việc ứng dụng công nghệ viễn thám sử dụng ảnh vệ tinh Landsat kết hợp số đo mẫu quan trắc mặt đất cho kết mô phân bố không gian nồng độ bụi PM10 khu vực TPHCM Tuy nhiên, hạn chế nguồn ảnh Landsat chu kỳ lặp chụp ảnh vị trí 16 ngày, liệu chiết xuất từ ảnh liên tục Các nghiên cứu nƣớc cho kết khả quan, đề cập đến vấn đề mang tính thời đại,do đó, luận văn có sở triển khai có đƣợc kế thừa từ thành nghiên cứu trƣớc Footer Page 22 of 126 Trang19 Header Page 23 of 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO http://doc.edu.vn/tai-lieu/luan-van-sol-khi-va-mo-hinh-regcm-51575/ http://www.mfg.mtu.edu/cyberman/environment/air/pmintro.html http://editors.eol.org/eoearth/wiki/Impact_of_local_air_pollution Jimoda, L.A., EFFECTS OF PARTICULATE MATTER ON HUMAN HEALTH, THE ECOSYSTEM, CLIMATE AND MATERIALS: A REVIEW FACTA UNIVERSITATIS 2012 9: p 17 Kaufman, Y.J., Fraser, R.S., Ferrare, R.A, Satellite measurements of large- scale air pollution Journal of Geophysics Research, 1990 95: p 14 Hadjimitsis, D.G., Clayton, C.R.I, Determination of aerosol optical thickness through the derivation of an atmospheric correction for shortwave length Landsat TM and ASTER image data: an application to areas located in the vicinity of airports at UK and Cyprus Applied Geomatics 10 11 12 13 14 15 16 Journal, 2009 1: p Jun Wang, S.A.C., Intercomparison between satellite-derived aerosol optical thickness and PM2.5 mass GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, 2003 30 Jill A Engel-Co, C.H.H., Basil W Coutant, Raymond M Hoff, Qualitative and quantitative evaluation of MODIS satellite sensor data for regional and urban scale air quality Atmospheric Environment 2004 38: p 14 Phonekeo, V., Application of Aerosol Optical Thickness Product (MOD04) to Air Quality Monitoring in Thailand Bangkok Metropolitan, 2009 Luong Chinh Ke, H.T.V.T., Tran Ngoc Tuong, Lam Dao Nguyen, Detecting air pollution in VietNam by optical satellite images The 31st Asian Conference on Remote Sensing, 2010 Trần Thị Vân, N.P.K., Hà Dƣơng Xuân Bảo, Viễn thám độ dày quang học mô phân bố bụi PM10 khu vực nội thành TPHCM Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trƣờng, 2014 30 N I SIFAKIS, N.A.S., D K PARONIS, Quantitative mapping of air pollution density using Earth observation: a new processing method and application to an urban area Inter Jour of Remote Sensing, 1998 19(17): p 11 https://websrv1.ctu.edu.vn/coursewares/kinhte/phantichdulieu/chuong6.htm https://websrv1.ctu.edu.vn/coursewares/congnghe2/pv_toan/chuong5.htm https://mathbits.com/MathBits/TISection/Statistics2/correlation.htm http://ptit.edu.vn/wps/portal/nongthonvn/!ut/p/c4/04_SB8K8xLLM9MS SzPy8xBz9CP0os3hLizBHd1cfIwN_MyM3A08vc2cXVx83Y49AY_2CbEdFA Footer Page 23 of 126 Trang20 Header Page 24 of 126 O8ydjg!/?WCM_GLOBAL_CONTEXT=/wps/wcm/connect/nongthonvn/nongt 17 honvn/vungnongthon/dongbangsonghong/af2fae80404cbe13a81bfa9171cb7767 Nguyễn Đức Ngữ, N.T.H., Khí hậu tài nguyên khí hậu Việt Nam NXB Nông 18 nghiệp, 2004 http://tcmt.monre.gov.vn/pages/article.aspx?item=X%C3%A2yd%E1%BB%B1ng, -.h.C.A.n.-t.E.B.n.-h.E.B.-t 19 http://www.quantracmoitruong.gov.vn/Portals/0/Images/news/2014/Than g%208/Bai%20trinh%20bay%20van%20hanh%20Tram%20Khi.pdf 20 Phạm Xuân Trƣờng, N.Q.M., Xây dựng ứng dụng Web-base Gis cho hệ thống 21 thông tin đất đai Tạp chí KHKT Mỏ-Địa chất, 2014 48: p http://danida.vnu.edu.vn:8080/congdong/composer/ 22 Bui Quang Thanh, N.Q.H., Nguyen Trung Kien, Pham Van Cu, Pham Minh and Hai, WEB-BASED PARTICIPATORY INFORMATION SYSTEM FOR VULNERABILITY MAPPING IN CENTRAL PROVINCES OF VIET NAM Footer Page 24 of 126 Trang21 Header Page 25 of 126 Footer Page 25 of 126 Trang22 ... không gian: Khu vực Đồng sông Hồng Phạm vi thời gian: Sử dụng liệu vệ tinh MODIS liệu trạm quan trắc mặt đất năm 2014 để đánh giá chất lƣợng không khí khu vực đồng sông Hồng Ý nghĩa khoa học thực... TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐỊA LÝ PHẠM THỊ DUYÊN SỬ DỤNG TƢ LIỆU VỆ TINH MODIS ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG KHÔNG KHÍ KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám Hệ thông tin địa... nhiễm không khí độ dày quang học sol khí Footer Page 14 of 126 Trang11 Header Page 15 of 126 Chƣơng 2: Phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng không khí khu vực đồng sông Hồng tƣ liệu vệ tinh MODIS Chƣơng