Nghiên cứu và đánh giá độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ tinh dựa trên các trạm quan trắc

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI THỊ MAI NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ TỪ ẢNH VỆ TINH DỰA TRÊN CÁC TRẠM QUAN TRẮC LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội, 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI THỊ MAI NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ TỪ ẢNH VỆ TINH DỰA TRÊN CÁC TRẠM QUAN TRẮC Ngành : Công nghệ thông tin Chuyên ngành : Kỹ thuật phần mềm Mã số LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS BÙI QUANG HƯNG TS NGUYỄN THỊ NHẬT THANH Hà Nội, 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng hướng dẫn TS Nguyễn Thị Nhật Thanh TS Bùi Quang Hưng Các số liệu sử dụng phân tích luận văn có nguồn gốc rõ ràng Các kết nghiên cứu luận văn tơi tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan Các kết chưa công bố nghiên cứu khác Hà nội, ngày 12 tháng 12 năm 2017 Học viên BÙI THỊ MAI ii LỜI CẢM ƠN Trân trọng cảm ơn thầy cô giáo Khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội tạo điều kiện tốt để thực luận văn Đặc biệt, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy cô hướng dẫn tôi: Cô Nguyễn Thị Nhật Thanh thầy Bùi Quang Hưng định hướng dẫn dắt tơi hồn thành luận văn Đồng thời, trân trọng cảm ơn đến anh Phạm Văn Hà, anh Trần Tuấn Vinh thành viên trung tâm FIMO giúp đỡ, đóng góp cung cấp tri thức vô quý báu ý kiến xác đáng cho suốt thời gian qua Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 102.99-2016.22 Hà nội, ngày 12 tháng 12 năm 2017 Học viên BÙI THỊ MAI iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VIII MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề, định hướng nghiên cứu Mục tiêu luận văn Phạm vi phương pháp nghiên cứu Kết cấu luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ 1.1 Tổng quan ô nhiễm khơng khí 1.2 Tổng quan sol khí 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.3 Khái niệm Nguồn gốc sản sinh sol khí Tác động sol khí lên Trái đất Độ dày quang học sol khí 1.3.1 1.3.2 1.3.3 Khái niệm Phương pháp quan trắc Mối quan hệ giữ độ dày quang học sol khí nhiễm khơng khí 10 CHƯƠNG 2: CÁC SẢN PHẨM ẢNH VỆ TINH 11 2.1 Sản phẩm sol khí MODIS 11 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.2 Các sản phẩm sol khí VIIRS 18 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 Giới thiệu MODIS 11 Các sản phẩm sol khí MODIS 12 Sản phẩm sol khí MODIS km (MOD04_3K MYD04_3K) 15 Sản phẩm điểm cháy MODIS (MCD14ML) 16 Giới thiệu VIIRS 18 Các sản phẩm sol khí VIIRS 18 Sản phẩm sol khí EDR AOD 20 Dữ liệu sol khí AERONET 21 iv 2.3.1.Giới thiệu AERONET 2.3.2.Dữ liệu sol khí từ trạm AERONET CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ24 3.1 Mơ tả toán 3.2 Các nghiên cứu liên quan 3.2.1 3.2.2 3.3 Trên giới Trong nước Phương pháp tiền xử lý liệu 3.3.1.Tiền xử liệu ảnh vệ tinh 3.3.2.Tiền xử lý liệu quan trắc liệu điểm cháy 3.4 Phương pháp tích hợp liệu 3.5 Phương pháp đánh giá độ dày quang học sol khí CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 4.1 Khu vực nghiên cứu 4.2 Cài đặt thực nghiệm 4.2.1.Chuẩn bị liệu 4.2.2.Cài đặt xử lý liệu 4.2.3.Cơ sở liệu 4.2.4.Tích hợp liệu AOD từ vệ tinh AOD từ AERONET 4.3 Tập liệu 4.4 Đánh giá chung 4.4.1.Đánh giá AOD MODIS 4.4.2.Đánh giá AOD VIIRS 4.5 Đánh giá tổng hợp VIIRS MODIS 4.5.1.Đánh giá AOD từ VIIRS MODIS theo quốc gia 4.5.2.Đánh giá AOD từ VIIRS MODIS với AERONET AOD theo khu vực thành thị nông thôn 4.5.3.Mối quan hệ giữ AOD từ VIIRS, MODIS AERONET với tình hình cháy khu vực KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 1: THỐNG KÊ DỮ LIỆU CÁC TRẠM AERONET PHỤ LỤC 2: CÁC TẬP DỮ LIỆU ẢNH MODIS KM PHỤ LỤC 3: CÁC TẬP DỮ LIỆU ẢNH SOL KHÍ VIIRS v PHỤ LỤC 4: CÀI ĐẶT VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU 4.1.Download sản phẩm 4.1.1 Download MOD04_3K MYD04_3K – sản phẩm sol khí MODIS km 20 4.1.2.Download GAERO_VAOOO – sản phẩm sol khí VIIRS km 4.1.3.Download liệu AERONET 4.1.4.Download MCD14ML - liệu điểm cháy MODIS 4.2 Các chương trình xử lý 4.2.1.Chương trình xử lý ảnh MODIS km 4.2.2.Chương trình xử lý ảnh VIIRS km 4.2.3.Chương trình xử lý liệu AERONET 4.2.4.Chương trình xử lý liệu điểm cháy 4.3 Các bảng sở liệu 4.4 Chương trình tích hợp liệu vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu AOD AOD MODIS VIIRS FIMO AERONET NASA PHOTONS CLASS NOAA NAAPS TOA GAERO VAOOO vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 4.1: Thống kê trạm AERONET vùng nghiên cứu 40 Bảng 4.2: Danh mục bảng sở liệu 51 Bảng 4.3: Thống kê liệu MODIS, VIIRS 53 Bảng 4.4: Đánh giá MODIS AOD toàn khu vực nghiên cứu theo năm 56 Bảng 4.5: Phân bố giá trị MODIS AOD 57 Bảng 4.6: Đánh giá MODIS AOD toàn khu vực theo tháng năm 58 Bảng 4.7: VIIRS AOD trung bình qua năm 60 Bảng 4.8: Tỷ lệ % VIIRS AOD AERONET AOD 61 Bảng 4.9: Đánh giá MODIS VIIRS AOD theo quốc gia 63 Bảng 4.10: Đánh giá AOD theo khu vực thành thị nông thôn 68 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Bão bụi Phoenix năm 2011 Hình 1.2: Ồng khói nhà máy thải khói mơi trường khơng khí Hình 1.3:Mạng lưới trạm quan trắc mật đất giới Hình 1.4: Mạng lưới vệ tinh quan sát Trái đất Hình 2.1: Bức ảnh thu MODIS vào 24/2/2000 .12 Hình 2.2: Cấu trúc cảm biến MODIS 12 Hình 2.3: Quá trình xử lý MODIS [14] 13 Hình 2.4: Minh họa cách tổ chức điểm ảnh sản phẩm 10Km km 15 Hình 2.5: Các tập liệu từ ảnh sol khí MODIS 16 Hình 2.6: Bản đồ điểm cháy khu vực Đơng Nam Á ngày 28/09/2015 17 Hình 2.7: Các tập liệu ảnh vệ tinh VIIRS 20 Hình 2.8: Thiết bị đo đạc trạm quan trắc AERONET 21 Hình 3.1: Mơ hình đánh giá liệu sol khí 25 Hình 3.2: Các bước xử lý ảnh MODIS 29 Hình 3.3: Quá trình xử lý ảnh vệ tinh VIIRS 31 Hình 3.4: Q trình tích hợp số liệu từ MODIS, VIIRS AERONET 32 Hình 3.5: Tích hợp liệu vệ tinh trạm AERONET 33 Hình 3.6: Quá trình đánh giá tham số thống kê sử dụng nghiên cứu .34 Hình 4.1: Các nước khu vực Đông Nam Á [9] 37 Hình 4.2: đồ nước đơng nam [7] 38 Hình 4.3: Bản đồ trạm AERONET thực nghiên cứu 39 Hình 4.4: Các giai đoạn thực nghiệm 41 Hình 4.5: Tải sản phẩm sol khí MODIS km 42 Hình 4.6: Tải sản phẩm sol khí VIIRS 43 Hình 4.7: Tải liệu AOD từ AERONET 44 Hình 4.8: Tải liệu điểm cháy MODIS 44 Hình 4.9: Chương trình tiền xử lý sản phẩm MODIS 45 STT Tên trường RasRef GridID Cloudmask Projection OrgID AqsTime 10 UpdateTime Bảng org.grdaeraot_data Lưu trữ liệu sol khí đo trạm quan trắc AERONET Cấu trúc bảng sau: STT Tên trường ID StationID ProcessType AQStime 37 STT Tên trường Solzen aod_1020 aod_1640 aod_870 aod_675 10 aod_667 11 aod_555 12 aod_551 13 aod_532 14 aod_531 15 aod_500 16 aod_490 17 aod_443 18 aod_440 19 aod_412 20 aod_380 21 aod_340 22 UpdateTime 23 isDelete 24 aod_550 38 STT Tên trường Kiểu liệu/Độ rộng 25 Angstrom Thông số double Angstrom Bảng org.grdstation STT Tên trường site_name longitude latitude elevation country id name location type 10 altitude 11 provinceid 12 site_type Bảng validate.data_fires_asian STT Tên trường yyyymmdd hhmm sat lat lon t21 t31 sample frp 10 conf 11 type 12 country 13 location STT 4.4 Tên trường file_name table_name time_range neighbor_pixel stationid year month aqstime sate_aod 10 aronet_aod Chương trình tích hợp liệu Sau có đầy đủ liệu AOD từ vệ tinh AOD từ AERONET, thực tích hợp liệu lưu trữ Dữ liệu sau tích hợp kết xuất file CSV lưu vào sở liệu Mã nguồn: select_data.py Đầu vào: Dữ liệu AOD từ MODIS VIIRS bảng SatResampMYD04_3k, SatResampMOD04_3K, SatResampVIIRS 40 Dữ liệu AOD bảng org.grdaeraot_data Các bán kính tương ứng cho MODIS bao gồm: 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 km Các bán kính tương ứng cho VIIRS 6, 12, 18, 24, 30 km Các giá trị thời gian 15 phút 30 phút Các hàm sử dụng: Corel_Sate_Aeronet: hàm sử dụng để tìm tin tương ứng AOD vệ tinh AOD trạm quan trắc Dữ liệu AOD vệ tinh lấy theo bán kính R quanh trạm Dữ liệu AOD trạm quan trắc lấy theo thời gian trước sau T phút so với thời gian vệ tinh bay qua Cách Gọi hàm xử lý sau: Corel_Sate_Aeronet("C:/result/mod3k_aronet_30m_18km.csv","res.satresampmod04_ 3k",30,6) Lưu trữ kết quả: Kết lưu bảng validate select_data_final Hoặc lưu trữ tệp CSV 41 42 43 44 45 46 47 ... ảnh sol khí từ vệ tinh vào nghiên cứu hệ thống giám sát, cần thực đánh giá sản phẩm sol khí Vì vậy, tơi lựa chọn đề tài ? ?Nghiên cứu đánh giá độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ tinh dựa trạm quan. ..2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI THỊ MAI NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ TỪ ẢNH VỆ TINH DỰA TRÊN CÁC TRẠM QUAN TRẮC Ngành : Công nghệ thông... cận thống kê dựa sở không gian thời gian áp dụng để đánh giá AOD từ vệ tinh khu vực nghiên cứu khác Dựa phương pháp này, thực nghiên cứu đánh giá độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ tinh khu vực