Tìm hiểu một số thuật toán để xác định một số chỉ số chất lượng không khí từ tư liệu viễn thám như PM10 (là những hạt bụi có kích thước bé hơn 10 micron; hoặc chỉ số AQI (Air Quality Index, AQI 0 - 50: chất lượng tốt, 51-100: bình thường, 101-200 có hại cho sức khỏe, 201-300: rất hại cho sức khỏe, >301 rất nguy hiểm ); API (Air Pollution Index).
Xây dựng chương trình xác định chất lượng không khí từ dữ liệu ảnh viễn thám.
Quá trình thực nghiệm nhóm tác giả sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS và LANDSAT của khu vực Hà Nội, đồng thời liên hệ với cơ sở dữ liệu Trung tâm quan trắc tài nguyên môi trường – Bộ TN&MT (số 7 Xã Đàn) đ ể thu thập dữ liệu từ các trạm quan trắc không khí trong khu vực nghiên cứu. Từ dữ liệu thu thập được sẽ tiến hành xây dựng chương trình để tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết và kiểm chứng kết quả.
Đây là thuật toán xác định PM10 dựa ị giá trị các kênh
kết hợp với dữ liệu từ các trạm quan trắc mặt đất. Qua nhiều nghiên cứu người ta đưa ra được các công thức xác định PM10 như sau[4]:
Bức xạ khí quyển Rr (bức xạ phân tử) được xác định bởi [8
( ) (1)
4
r r r
s v
R τ p à à
= Θ
]
Trong đó:
τr: độ dày quang học của Sol khí (ở kích thước phân tử)
Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học lần thứ 20, Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội, 15/11/2012
79
r( )
p Θ : hàm tán xạ pha Rayleigh àv: cosin của gúc nhỡn
às: cosin của tia năng lượng mặt trời khi ở gúc thiờn đỉnh Ra
Bức xạ khí quyển (bức xạ hạt) cũng là tuyến tính với các τa [7]. Giả định này là hợp lý bởi vì các nhà nghiên cứu khác cũng tìm thấy mối quan hệ tuyến tính giữa hai
và phân tử tán xạ
( ) (2)
4
a a a
s v
R τ p à à
= Θ
[8].
Trong đó:
τa: độ dày quang học của Sol khí (ở kích thước hạt)
a( )
p Θ : hàm tán xạ pha của Sol khí
Bức xạ khí quyển là tổng của các phản xạ hạt và phản xạ phân tử, Ratm
atm a r (3)
R =R +R
, [9].
Trong đó:
Ratm: phản xạ khí quyển Ra: Bức xạ hạt
Rr: Bức xạ phân tử
[ ]
1
( ) ( )
4 4
1 ( ) ( )
4
a a r r
atm
s v s v
atm a a r r
s v
p p
R K
R p p
τ τ
à à à à
τ τ
à à
Θ Θ
= + +
= Θ + Θ
(4)
Độ dày quang học được đưa ra bởi nhà nghiên cứu khác như trong phương trình trên.
Phương trình có thể viết lại độ dày (5) τ =σρs
quang học như sau:
Trong đó:
τ : độ dày quang học σ: độ hấp thụ
s: đường giới hạn
a r (6) τ τ= +τ
(6 ) (6 )
r r r
p p p
s a
s b
τ σ ρ
τ σ ρ
=
=
Thay công thức (6) vào (4). Kết quả đã được mở rộng một thuật toán cho các kênh phổ, cuối cùng ta có phương trình (8).
Từ các phương trình , thấy rằng PM10 được tuyến tính liên quan đến phản xạ đối với kênh 1 và kênh 2. Thuật toán này được tạo ra dựa trên các mối quan hệ tuyến tính giữa τ và phản xạ. Các nhà nghiên cứu cũng tìm thấy rằng PM10 được tuyến tính liên quan đến τ và hệ số tương quan cho tuyến tính tốt hơn theo cấp số nhân trong nghiên cứu của Retalis et al, 2003. Điều này có nghĩa là phản xạ tuyến tính với PM10. Để đơn giản hóa việc xử lý dữ liệu, nồng độ chất lượng không khí đã được sử dụng trong phân tích thay vì sử dụng mật độ giá trị ρ.
Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học lần thứ 20, Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội, 15/11/2012
80
1 1 1 1 1
2 2 2 2 2
0 1 1 2
1 [ ( ) ( )]
4
[ ( ) ( )] (7 )
4
( ) [ ( ) ( , ) ( ) ( , )]
4
( ) [ ( ) ( , ) ( ) ( , )]
4
P=a ( ) ( ) (8)
atm a a a r r r
s v
atm a a a r r r
s v
atm a a r r
s v
atm a a r r
s v
atm atm
R sP sP
R s P P
R s PP GP
R s PP GP
R a R
σ ρ σ ρ
à à
σ ρ σ ρ
à à
λ σ λ λ σ λ λ
à à
λ σ λ λ σ λ λ
à à
λ λ
= Θ + Θ
= Θ + Θ
= Θ + Θ
= Θ + Θ
+
Phương ình tr (8) là hai băng tần, vì vậy có thể viết lại phương trình PM10 trong ba
0 1 1 2 2 3
P=a Ratm( )λ +a Ratm(λ )băng tần. +a Ratm( )λ (8 )a Trong đó:
P = giá trị PM10 G = nồng độ phân tử
Ratm = bức xạ khí quyển và 3 là số của kênh phổ như sau:
PM10 = a0 + a1B1 + a2 B12
PM10 = a0 + a1B3 + a2 B32
PM10 = a0 + a1lnB1 + a2(lnB1)2 PM10 = a0 + a1lnB3 + a2(lnB3)2
PM10 = a0 + a1(B1/B3) + a2(B1/B3)2
(9) PM10 = a0 + a1ln(B1/B3) + a2ln(B1/B3)2
PM10 = a0 + a1(B1 - B3) + a2(B1 - B3)2 PM10 = a1B1 + a2B3
Trong đó: a0, a1, a2
2.3 Độ dày quang học của sol khí (AOD)
là các tham số xác định dựa vào dữ liệu của các trạm quan trắc mặt đất, B là giá trị kênh phổ được lựa chọn để tính toán.
2.2 chỉ số ô nhiễm
Trong phương pháp này người ta dùng chỉ số AOD thu được trên ảnh MODIS để tính toán chỉ số ô nhiễm không khí.
Độ dày quang học sol khí (AOD) (aerosol optical depth) là đại lượng đặc trưng cho sự suy giảm của tia bức xạ mặt trời do hấp thụ và tán xạ của các phần tử sol khí tại điểm quan trắc so với giới hạn trên khí quyển.
Độ dày quang học của sol khí không đo được trực tiếp mà thông qua việc quan trắc quá trình lan truyền quang phổ trong khí quyển. Bức xạ mặt trời I tại một bước sóng được biểu thị bởi công thức (10), [3]:
) ( 0
m khác
e I
I = − τ+τ (10) Trong đó:
I: là lượng ánh sáng ghi nhận được sau khi nó di chuyển được một quãng đường.
I0: là lượng ánh sáng bức xạ tại giới hạn trên khí quyển.
Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học lần thứ 20, Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội, 15/11/2012
81
M: là khối lượng không khí (m = 1/cos z; với z là góc thiên đỉnh của Mặt trời khi quan trắc).
τ: là độ dày quang học của sol khí.
τkhác:
2.4
bao gồm độ dày quang học của nhiều thành phần như giá trị tán xạ của phân tử khí, tán xạ Rayleighth, giá trị suy giảm bởi phân tử sol khí, giá trị hấp thụ của các loại khí còn lại như ozon...
Thuật toán thu hồi sol khí áp dụng trong MODIS bao gồm hai thuật toán riêng biệt, một áp dụng cho khu vực đất liền, thuật toán còn lại áp dụng cho khu vực đại dương. Tuy nhiên, hai thuật toán này có kỹ thuật sử dụng tương tự nhau. Cả hai thuật toán đều áp dụng cho cỏc ụ gồm 20ì20 pixel, độ phõn giải 500m và tạo ra cỏc sản phẩm cú độ phõn giải 10km.
Cả hai thuật toán đều dựa trên quá trình hiệu chỉnh và độ phản xạ theo vị trí địa lý đư ợc MODIS (MCST) cung cấp, được xác định với các sản phẩm MOD02, MOD03 (đối với sản phẩm của vệ tinh Terra) hoặc MYD02, MYD03 (đối với sản phẩm của vệ
ị ọc mây củ
ể xác đị [5].
2.5 Quy trình tính toán chỉ số ô nhiễm từ AOD