CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Viễn thám trong nghiên cứu và giám sát chất lượng bụi đã được ứng dụng tại rất nhiều quốc gia trên thế giới, đặc biệt là các nước có chất lượng không khí kém như Trung Quốc, Ấn Độ,... Đối với những quốc gia có nền kinh tế phát triển như Mỹ, Úc,… với mạng lưới các hệ thống quan trắc bụi PM2.5 dày đặc, sẽ cho dữ liệu nồng độ bụi phân bố trên ảnh vệ tinh với độ chính xác cao hơn.
Tiêu biểu là nghiên cứu của tác giả Lee, 2011. Đề tài phát triển một phương pháp nghiên cứu mới nhằm hiệu chuẩn dữ liệu độ dày quang học lớp khí quyển (AOD) được trích xuất từ vệ tinh MODIS bằng một mô hình có tính linh hoạt cao,
14
cho phép sự biến đổi theo ngày và thể hiện mối quan hệ tương quan PM2.5-AOD để kiểm tra tính chính xác trong việc xác định nồng độ bụi PM2.5. Cụ thể, dữ liệu độ dày quang học (AOD) của ảnh vệ tinh MODIS năm 2003 thuộc khu vực New England được trích xuất, sau đó áp dụng mô hình quan hệ PM2.5-AOD để dự đoán nồng độ PM2.5 ước tính cho 26 vị trí đặt trạm quan trắc (15 trạm tại bang Massachusetts và 11 trạm tại bang Connecticut), từ đó so sánh tính tương quan với các dữ liêu bụi PM2.5 thực tế nhằm tìm ra hàm hồi quy tốt nhất để hiệu chuẩn lại dữ liệu AOD trên ảnh vệ tinh. Cuối cùng xây dựng bản đồ phân bố bụi PM2.5 với độ chính xác cao nhất (Lee và cộng sự, 2011).
Từ bản đồ mô phỏng phân bố bụi trong khu vực nghiên cứu, các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu sâu hơn những ảnh hưởng của bụi đến sức khỏe con người. Năm 2014, Lin-Yu Xu đã công bố công trình nghiên cứu khoa học của mình và cộng sự về đánh giá rủi ro sức khỏe cho con người do bụi PM10 gây ra tại Bắc Kinh. Tác giả đã tập hợp những mô hình tương quan đã được xây dựng từ những nghiên cứu trước đó, như mô hình tương quan giữa bụi PM10 và rủi ro sức khỏe cho con người do bụi PM10 gây ra (TR), mô hình tương quan giữa bụi PM10 và chỉ số thực vật sai khác (DVI), mô hình tương quan giữa DVI và các chỉ số nhiệt môi trường (NDVI, UHI, NDWI), từ đó thành lập một mô hình tổng quát đánh giá rủi ro sức khỏe do bụi PM10 gây ra dựa trên 3 biến số nhiệt môi trường (NDVI, UHI &
NDWI). Nghiên cứu cho thấy, tại các khu đô thị của Bắc Kinh, rủi ro về sức khỏe do bụi PM10 gây ra cao hơn ở khu vực nông thôn (Xu và cộng sự, 2014).
Việc ứng dụng viễn thám để ước tính hàm lượng bụi mịn (PM2.5) nhằm phục vụ cho những nghiên cứu dịch tễ học đã phát triển trong những năm gần đây, tuy nhiên những nghiên cứu đó có độ tin cậy không cao, do ảnh hưởng của việc nhiễu dữ liệu trong viễn thám. Hơn nữa, giá trị đo độ dày quang học (AOD) chỉ có độ phân giải không gian ở mức trung bình, và thất thoát nhiều trong quá trình nghiên cứu. Trong bối cảnh đó, Itai Kloog đã phát triển một đề tài nhằm khắc phục những khó khăn nêu trên. Nghiên cứu ứng dụng thuật toán MAIAC đối với vệ tinh MODIS, cho phép sử dụng dữ liệu AOD với độ phân giải 1km (thay vì 10km như sẵn có) để dự đoán nồng độ PM2.5 hàng ngày tại miền Tây Bắc Hoa Kỳ (New
15
England, New York và New Jersey) từ năm 2003-2011, với độ phân giải cao cho phép phân biệt rõ hơn những tác động hàng ngày cũng như lâu dài của bụi mịn đối với khu vực thành thị, ngoại ô và nông thôn (Kloog và cộng sự, 2014).
Ngoài ra, có rất nhiều nghiên cứu tiêu biểu ứng dụng ảnh Landsat để mô phỏng phân bố nồng độ chất ô nhiễm, điển hình là nghiên cứu của Wijeratne (2003).
Nghiên cứu được thực hiện nhằm tìm ra mối tương quan giữa AOD được tính toán dựa trên ảnh vệ tinh Landsat 7/ETM+ và các chất ô nhiễm bao gồm PM10, CO, NO, NO2, SO2, NH3, O3 và BP, từ đó thành lập bản đồ phân bố các chất ô nhiễm trên toàn khu vực Hà Lan (Wijeratne, 2003). Ngoài ra, một nghiên cứu khác của Naresh Kumar (2007) cũng cho thấy có sự tương quan giữa AOD và bụi PM2.5 tại thành phố Delhi, Ấn Độ. Nghiên cứu sử dụng lưới có diện tích 1×1.5 km2 trải dài khắp khu vực nghiên cứu. 113 mẫu bụi PM2.5 được lấy tại các vị trí và thời gian khác nhau, sau đó được xem xét tương quan với AOD trích xuất từ ảnh MODIS (độ phân giải 5 km). Kết quả nghiên cứu cho thấy có mối tương quan thuận giữa MODIS- AOD và PM2.5. AOD thay đổi 1% thì PM2.5 đo trong 45 phút và 150 phút sẽ thay đổi lần lượt 0.52±0.202% và 0.39±0.15% (Kumar, 2007).
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Thực tế, tại Việt Nam viễn thám được ứng dụng để nghiên cứu cho rất nhiều lĩnh vực và phạm trù khác nhau, như ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu biến đổi khí hậu, đô thị hóa, hiện tượng đảo nhiệt đô thị, giám sát lũ tại các con sông, hiện trạng sử dụng đất,… Tuy nhiên, những nghiên cứu có ứng dụng viễn thám để quản lý chất lượng không khí, đặc biệt là bụi còn rất hạn chế, cho đến thời điểm hiện tại chỉ tập trung vào bụi PM10, cũng như những ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên, môi trường đến sự phân bố nồng độ PM10.
Năm 2014, Trần Thị Vân đã ứng dụng viễn thám để mô phỏng hàm lượng bụi PM10 khu vực TP.HCM từ ảnh vệ tinh LANDSAT. Phương pháp được thực hiện qua quy trình xử lý ảnh vệ tinh LANDSAT, tính toán độ dày quang học (AOT), sau đó thực hiện phép tương quan hồi quy giữa giá trị AOT và các dữ liệu quan trắc bụi PM10 từ các trạm đo trên mặt đất để tìm hàm hồi quy tốt nhất. Từ đó, có thể xây dựng được bản đồ mô phỏng bụi PM10 trong khu vực TP.HCM vào ngày
16
16/02/2003. Kết quả cho thấy, phân bố nồng độ PM10 cao được phát hiện trên các điểm giao lộ và trục lộ giao thông, khu công nghiệp và các khu vực có công trình xây dựng. Đây là nghiên cứu bước đầu thử nghiệm ứng dụng viễn thám để giám sát hàm lượng bụi, từ đó, mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới như xem xét mức độ tác động của phân bố thực vật, đô thị hóa, sự ấm lên toàn cầu, tiêu dùng xanh,… đến sự phân bố hoặc sự suy giảm của nồng độ bụi trong không khí (Trần Thị Vân và cộng sự, 2014). Đến năm 2018, Trần Thị Vân mở rộng nghiên cứu với phương pháp tương tự, nhưng ứng dụng viễn thám để mô phỏng phân bố bụi cho ảnh Landsat vào 09/02/2015 nhằm so sánh mức độ ô nhiễm của thành phố sau 12 năm (từ năm 2003 đến 2015). Kết quả nghiên cứu cho thấy có nhiều hơn các khu vực nồng độ bụi PM10 vượt ngưỡng cho phép của quy chuẩn không khí quốc gia vào năm 2015 so với 2003 (Trần Thị Vân và cộng sự, 2018).
Một nghiên cứu khác của Nguyễn Thị Nhật Thanh, năm 2015 cũng cho thấy ứng dụng của viễn thám đối với ảnh vệ tinh MODIS để xác định phân bố bụi PM2.5
trong khu vực nghiên cứu. Nghiên cứu tích hợp các số liệu đo đạc tại mặt đất, các dữ liệu khí tượng thủy văn (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió,…) và dữ liệu từ ảnh vệ tinh MODIS, từ đó xây dựng mô hình hồi quy thích hợp để thành lập bản đồ phân bố bụi trong phạm vi 10 × 10 km, sau đó chuẩn hóa ảnh vệ tinh theo khu vực cần nghiên cứu để xây dựng bản đồ phân bố nồng độ bụi cho toàn Việt Nam. Trong nghiên cứu này, đã áp dụng thành công việc xây dựng mô phỏng phân bố bụi PM2.5 cho 2 khu vực Tây Bắc – Đồng Bằng Sông Hồng & Bờ biển Bắc Trung Bộ và Nam Trung Bộ (Nguyễn Thị Nhật Thanh và cộng sự, 2015).