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

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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA ĐỊA LÝ

PHẠM THỊ DUYÊN

SỬ DỤNG TƯ LIỆU VỆ TINH MODIS ĐÁNH GIÁ CHẤT

LƯỢNG KHÔNG KHÍ KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA ĐỊA LÝ

PHẠM THỊ DUYÊN

SỬ DỤNG TƯ LIỆU VỆ TINH MODIS ĐÁNH GIÁ CHẤT

LƯỢNG KHÔNG KHÍ KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG

Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thông tin địa lý

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Bùi Quang Thành, là người trực tiếp hướng dẫn, định hướng và nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ tôi thực hiện, hoàn thành luận văn thạc sĩ

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt và giúp tôi nâng cao kiến thức về chuyên ngành trong thời gian học tập tại khoa Địa lý, trường đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội, đặc biệt là sự đào tạo, giúp đỡ của các thầy cô tại bộ môn Bản đồ - Viễn thám và GIS

Qua đây, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các bạn lớp cao học K13 – Bản đồ, Viễn thám và GIS đã luôn ủng hộ và tạo không khí vui vẻ, thoải mái trong quá trình học tập cũng như trong quá trình tôi làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Dự án “Nghiên cứu thủy tai do biến đổi khí hậu và

xây dựng hệ thống thông tin nhiều bên tham gia nhằm giảm thiểu tính dễ bị tổn thương

ở Bắc Trung Bộ Việt Nam (CPIS)” (2012-2015) và đề tài VT-UD.06/16-20(thuộc

Chương trình Khoa học Công nghệ độc lập cấp Nhà nước về Công nghệ Vũ trụ) đã cung cấp nguồn dữ liệu và công cụ cần thiết để tôi thực hiện luận văn

Lời cuối cùng, tôi xin cảm ơn sự động viên, ủng hộ về tinh thần của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã tạo động lực giúp tôi hoàn thành luận văn này

Hà Nội, ngày… tháng……năm 2016

Học viên cao học

Phạm Thị Duyên

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

MỞ ĐẦU 7

Tính cấp thiết 7

Mục tiêu nghiên cứu: 8

Nhiệm vụ nghiên cứu: 8

Phương pháp nghiên cứu 9

Phạm vi nghiên cứu 9

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 9

Cấu trúc của luận văn 9

CHƯƠNG 1 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 cơ bản 11

1.1.1 Khái niệm sol khí 11

1.1.2 Khái niệm hạt PM 12

1.2 Tác động của bụi và sol khí đối với sức khỏe cộng đồng 13

1.3 Tổng quan về phát hiện ô nhiễm không khí bằng độ dày quang học sol khí 15

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ 18

KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG BẰNG TƯ LIỆU VỆ TINH MODIS 18

2.1 Cơ sở khoa học phương pháp đánh giá chất lượng không khí khu vực ĐBSH bằng tư liệu vệ tinh 18

2.1.1 Phươngpháp ướctínhsolkhí từảnhvệtinh 18

2.1.2 Phươngpháptínhtoánhồiquy 20

2.2 Khu vực nghiên cứu 23

2.3 Dữ liệu nghiên cứu 26

2.3.1 Dữ liệu ảnh sol khí MODIS 26

2.3.2 Dữ liệu PM 2.5 từ các trạm quan trắc mặt đất 30

2.4 Tính toán giá trị PM 2.5 từ dữ liệu MODIS AOD/AOT 33

2.4.1 Quy trình tổng quát 33

2.4.2 Quy trình tích hợp dữ liệu vệ tinh và quan trắc 35

2.4.3 Quy trình tính toán và thành lập bản đồ PM 2.5 từ ảnh sol khí MODIS 36

2.5 Ứng dụng web-based GIS phục vụ giám sát bụi PM 2.5 36

CHƯƠNG 3 40

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 40

3.1 Thực nghiệm 40

3.1.1 Dữ liệu sol khí 40

3.1.2 Dữ liệu thu được từ các trạm quan trắc 43

3.1.3 Xử lý hình học ảnh 46

3.1.4 Tính toán hồi quy giữa AOD/AOT và PM 2.5 46

3.2 Thành lập bản đồ chỉ số PM2.5 cho khu vực đồng bằng sông Hồng 54

3.3 WebGis thể hiện bản đồ PM 2.5 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 62

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tác động của sol khí và bụi đến sức khỏe con người khi kết hợp với các kim

loại nặng 14

Bảng 1 2 Các bệnh có tỉ lệ người mắc bệnh cao nhất trên phạm vi toàn Việt Nam (Nguồn: Niên giám thống kê y tế năm 2008) 15

Bảng 2.1 Mức độ tương quan thể hiện qua R² 23

Bảng 2.2 Bước sóng phổ của các kênh ảnh và ứng dụng thực tiễn 26

Bảng 2.3 Ví dụ về cấu trúc dữ liệu PM 2.5 được lưu trữ trong file exel 33

Bảng 3.1 Danh mục các cảnh ảnh Terra 40

Bảng 3.2 Danh mục các cảnh ảnh Aqua 41

Bảng 3.3 Danh mục các trạm thực địa 43

Bảng 3.4 Tương quan giữa AOD và PM2.5 tại các trạm 53

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Kích thước cái loại bụi PM so với đường kính sợi tóc của con người 12

Hình 2.1 Các tia phản xạ trong khí quyển đến đầu thu 19

Hình 2.2 Ví dụ về mối liên hệ tuyến tính 22

Hình 2.3 Bản đồ vùng đồng bằng sông Hồng 24

Hình 2.4 Cấu trúc nhóm các band ảnh raster trong file HDF 29

Hình 2.5 Trạm quan trắc đặt tại Long Biên, Hà Nội 31

Hình 2.6 Đồ thị số liệu quan trắc từ 07 trạm và chỉ số AIQ

trên website của Trung tâm quan trắc môi trường 32

Hình 2.7 Quy trình tính toán chất lượng không khí khu vực ĐBSH 34

Hình 2.8 Quy trình tích hợp dữ liệu vệ tinh và dữ liệu quan trắc 35

Hình 2.9 Quy trình tính toán PM 2.5 từ ảnh AOD/AOT 36

Hình 2.10 Thiết kế kỹ thuật của Web-based GIS 37

Hình 2.11 Thiết kế chi tiết của Web-based GIS 38

Hình 2.12 Giao diện WebGis thuộc CPIS 39

Hình 3.1 Ví dụ tư liệu thu thập từ ảnh số hiệu MOBAOD.A2014002.0345.006.2015072135002 từ vệ tinh Terra 41

Hình 3.2 Ví dụ tư liệu thu thập từ ảnh số hiệu MYBAOD.A2014001.0610.006.2014273233747từ vệ tinh Aqua 43

Hình 3.3 Vị trí 06 trạm mặt đất trên nền bản đồ GIS 44

Hình 3.4 Vị trí 06 trạm trên nền ảnh Modis Terra 45

Hình 3.5 Vị trí 06 trạm trên nền ảnh Modis Aqua 45

Hình 3.6 Giao diện công cụ MRT 46

Hình 3.7 Tương quan giữa AOD và PM2.5 tại trạm Nguyễn Văn Cừ 47

Hình 3.8 Sai số của mô hình hồi quy AOD và PM2.5 tại trạm Nguyễn Văn Cừ 47

Hình 3.9 Tương quan giữa AOD và PM2.5 tại trạm Phú Thọ 48

Hình 3.10 Sai số của mô hình hồi quy AOD và PM2.5 tại trạm Phú Thọ 48

Hình 3.11 Tương quan giữa AOD và PM2.5 tại trạm Hạ Long 49

Hình 3.12 Sai số của mô hình hồi quy AOD và PM2.5 tại trạm Hạ Long 49

Hình 3.13 Tương quan giữa AOD và PM2.5 tại trạm Huế 50

Hình 3.14 Sai số của mô hình hồi quy AOD và PM2.5 tại trạm Huế 50

Hình 3.15 Tương quan giữa AOD và PM2.5 tại trạm Đà Nẵng 51

Hình 3.16 Sai số của mô hình hồi quy AOD và PM2.5 tại trạm Đà Nẵng 51

Hình 3.17 Tương quan giữa AOD và PM2.5 tại trạm Khánh Hòa 52

Hình 3.18 Sai số của mô hình hồi quy AOD và PM2.5 tại trạm Khánh Hòa 52

Hình 3.19 Tương quan giữa AOD và PM2.5 tại 06 trạm 53

Hình 3.20 Sai số của mô hình hồi quy AOD và PM2.5 tạị 06 trạm 53

Hình 3.21 Biểu đồ hệ số xác định bội R² theo trạm 54

Hình 3.22 Bản đồ giá trị PM 2.5 khu vực đồng bằng sông Hồng ngày 20/12/2016 55

Hình 3.23 Giao diện kết nối dữ liệu raster trong Geosever 56

Hình 3.24 Tạo style cho lớp bản đồ PM 2.5 với SLD 57

Hình 3.25 Bản đồ PM 2.5 trên nền WebGis 57

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 của file ảnh MODIS thu nhận từ vệ tinh TERRA

MYD Tiếp đầu ngữ của file ảnh MODIS thu nhận từ vệ tinh AQUA

AOD/AOT Độ sâu quang học sol khí

AQI Chỉ số chất lượng không khí

GIS Hệ thông tin địa lý

NASA Cơ quan hàng không Vũ trụ Mỹ

Bộ TN&MT Bộ Tài nguyên & Môi trường

ĐBSH Đồng bằng sông Hồng

CENMA Trung tâm Quan trắc và Phân tích Tài nguyên Môi trường Hà Nội

DN Digital number- Giá trị số

R, r Correlation Coefficient – Hệ số tương quan

R², r² Coeffocient of Determination- Hệ số xác định bội

PM Paticulate Matter – Bụi

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết

Môi trường là tất cả những gì bao quanh con người có ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp tới sự tồn tại và phát triển của con người, trong đó không khí là một trong năm thành phần cơ bản của môi trường Do vậy, chất lượng môi trường không khí là vấn đề đáng được quan tâm Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của xã hội, môi trường nói chung và môi trường không khí nói riêng đang bị ô nhiễm rất nặng nề bởi sự tàn phá của con người.Tổ chức Y tế Thế Giới (WHO) gần đây đã đưa ra báo cáo về ô nhiễm không khí năm vừa qua (năm 2014), dựa trên số liệu về mức độ ô nhiễm của 1.600 thành phố trên khắp 19 quốc gia Tổ chức này đã sử dụng hệ thống đánh giá có tên là PM2.5 và PM10

PM2.5 được coi là hệ thống tốt nhất được dùng để đánh giá tác động của ô nhiễm không khí lên sức khỏe và xác định nồng độ bụi ô nhiễm có đường kính từ 2,5 micromet trở xuống Những hạt bụi ô nhiễm này có thể là khói, bụi bẩn, nấm mốc hoặc phấn hoa, được tổng hợp từ những kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ độc hại Đây được coi là những mối nguy hiểm lớn cho cơ thể con người nếu bị “tích lũy” trong hệ thống hô hấp

Việc giám sát chất lượng không khí thu hút được sự quan tâm của tất cả các quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam Tại Việt Nam, các trạm quan trắc khí tượng có thể đo lường các chỉ số liên quan chất lượng không khí (cũng như chỉ số PM2.5), tuy nhiên, số lượng trạm rất hạn chế Do vậy, việc tính toán, đánh giá chất lượng không khí trên diện rộng, trên toàn khu vực không thể thực hiện được

Cùng với sự phát triển của công nghệ vệ tinh quan sát Trái đất, khả năng ứng dụng

tư liệu ảnh vệ tinh kết hợp với hệ thông tin địa lý trong giám sát chất lượng không khí đã được áp dụng ở rất nhiều quốc gia trên thế giới (khoảng 40 năm trở lại đây)

Ảnh vệtinh cho biết thông tin trên toàn khu vực nghiên cứu theo cấu trúc mạng lưới liên tục của các pixel kềnhau Mỗi pixel được ví nhưlà một trạm quan trắc,

do đó sốđiểm từảnh vệtinh sẽdày đặc hơn nhiều so với các trạm đo mặt đất Kết quảphân tích ảnh vệtinh sẽcho các giá trịô nhiễm thểhiện trên từng pixel tùy thuộc vào độphân giải ảnh và trên toàn vùng đồng thời vào cùng thời điểm quan sát, mà với điều kiện và khảnăng của thiết bịvà trạm đo mặt đất hiện tại không thểnào đạt được

Vệ tinh Terra và Aqua có trang bị các phổ kế tạo ảnh độ phân giải trung bình - MODIS đã mở ra những triển vọng mới cho các nghiên cứu mang tính toàn cầu cũng như khu vực Với 36 kênh phổtừ bước sóng 0.405 µm đến 14.385 µm và độphân giải không gian là 250 m,500 m và 1 km, MODIS đã được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực khí tượng thuỷ văn và môi trường Ảnh MODIS với vòng chu kỳ lặp chụp ảnh là 01 ngày là điều thuận tiện cho việc quan trắc thường xuyên mỗi ngày, hỗ trợ tốt cho quan trắc mặt đất, nhất là về mặt phân bố không gian MOD04/MOY04 là 1 trong 44 sản phẩm ảnh MODIS Terra/Aqua với độ phân giải không gian 10 km, có chứa thông tin về độ dày sol khí Aerosol (AOD/AOT - Aerosol Optical Depth/Thickness) có thể sử dụng để tính toán, xác định mối tương quan với chỉ số chất lượng môi trường PM2.5, từ đó cho phép đánh giá, dự đoán chất lượng không khí môi trường trên diện rộng ỞViệt Nam, kỹ thuật này còn tương đối xa lạ và mới mẻ, tuy nhiên, việc triển khai nghiên cứu, đưa vào ứng dụng được kỹ thuật này ở khu vực có điều kiện xã hội, môi trường như nước ta sẽ có rất nhiều ưu điểm

Xuất phát từ thực tế nêu trên, học viên đã lựa chọn luận văn thạc sĩ: “Sử dụng

tư liệu vệ tinh MODIS đánh giá chất lượng không khí khu vực Đồng bằng sông Hồng"

với mong muốn góp phần giải quyết phần nào vấn đề như đã trình bày, cùng góp sức

vì mục tiêu chung bảo vệ sức khỏe cộng đồng

Mục tiêu nghiên cứu:

- Nghiên cứu và phát triển phương pháp ước tính nồng độ ô nhiễm bụi trong không khí sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh

- Theo dõi chất lượng không khí tại khu vực không có trạm quan trắc mặt đất và toàn khu vực nghiên cứu; thể hiện số liệu trên webgis

Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Thu thập thông tin về hiện trạng giám sát chất lượng không khí bằng các trạm quan trắc tự động trên khu vực ĐBSH

- Thu thập dữ liệu vệ tinh, chiết xuất thông tin về độ dày quang học sol khí từ sản phẩm ảnh MODIS (MOD04/MOY04); xây dựng bản đồ sol khí khu vực đồng bằng sông Hồng

- Tiến hành thu thập dữ liệu chỉ số PM2.5 từ các trạm quan trắc khí tượng

- Xây dựng hàm hồi quy thể hiện mối tương quan giữa chỉ số độ dày quang học sol khí AOD/AOT và chỉ số PM2.5

- Tính toán chỉ số PM2.5 từ mối tương quan trên đối với những khu vực không

có trạm quan trắc mặt đất, từ đó xây dựng bản đồ chỉ số PM 2.5 cho toàn khu vực nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp viễn thám: chiết xuất thông tin độ dày quang học sol khí từ tư liệu viễn thám MODIS MOD04/MYD04

- Phương pháp bản đồ: thể hiện bản đồ AOD/AOT; xây dựng bản đồ chỉ số bụi

- Phương pháp phân tích thống kê

- Phương pháp chuyên gia

Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi không gian: Khu vực Đồng bằng sông Hồng

Phạm vi thời gian: Sử dụng dữ liệu vệ tinh MODIS và dữ liệu trạm quan trắc mặt đất năm 2014 để đánh giá chất lượng không khí khu vực đồng bằng sông Hồng

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu góp phần khẳng định và mở rộng khả năng ứng dụng phương pháp viễn thám vào việc đánh giá chất lượng không khí

Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu góp phần xây dựng phương pháp phân tích, đánh giá, dự đoán chất lượng không khí (dựa trên chỉ số PM 2.5) trên khu vực đồng bằng sông Hồng, đặc biệt ở những nơi không có điều kiện đặt trạm quan trắc cố định hay lưu động

Cấu trúc của luận văn

Luận văn bao gồm 3 chương cùng với phần Mở đầu, Kết luận, Kiến nghị, Tài liệu tham khảo Dưới đây là tiêu đề các chương:

Chương 1: Cơ sở lý luận về phát hiện ô nhiễm không khí bằng độ dày quang học sol khí

Chương 2: Phương pháp đánh giá chất lượng không khí khu vực đồng bằng sông Hồng bằng tư liệu vệ tinh MODIS

Chương 3: Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ PHÁT HIỆN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ BẰNG

ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ

1.1 Một số khái niệm cơ bản

1.1.1 Khái niệm sol khí

Sol khí là một thành phần phát tán trong khí quyển, được tạo nên từ bụi và khí thải (tự nhiên và nhân tạo), tham gia trực tiếp vào hiệu ứng nhà kính tác động tới biến đổi khí hậu Theo NASA, sol khí là các hạt lơ lửng trong không khí Khi các hạt này

đủ lớn, chúng ta sẽ nhận thấy sự hiện dịên của chúng khi chúng phản xạ và hấp thụ ánh sáng mặt trời Ánh sáng mặt trời bị tán xạ có thể làm giảm tầm nhìn và gây ra hiện tưởng màu đỏ khi bình minh và hoàng hôn

Sol khí gây nên những thay đổi hóa học của khí quyển, thay đổi quá trình hình thành mây, phản xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ từ đó gây các tác động xấu đến thời tiết – khí hậu, thông qua 2 cách thức là:

- Tương tác trực tiếp: phản xạ ánh sáng mặt trời vào bầu khí quyển

- Tương tác gián tiếp: ảnh hưởng đến các hạt mây, quá trình hình thành các đám mây, tích tụ và hấp thụ ánh sáng mặt trời, làm nóng bầu khí quyển,…

Sol khí có thể chia làm 3 cấp dựa theo kích thước của chúng Cấp có kích thước nhỏ nhất có đường kính nhỏ hơn khoảng 0.1 µm Cấp trung bình có đường kính nằm trong khoảng từ 0.1 đến 2 µm [1, 2] Cấp có đường kính lớn nhất được gọi là các phần

tử thô, đường kính của chúng lớn hơn 2µm

Sol khí được tạo bởi nhiều nguồn gốc, tuy nhiên có ba nguồn tạo ra sol khí chính là: núi lửa, bụi sa mạc và do con người

- Sol khí núi lửa: được hình thành ở tầng bình lưu sau các trận phun trào lớn của núi lửa Lớp sol khí này chủ yếu hình thành bởi khí SO2, sau đó chuyển đổi thành giọt axit sulfuric trong tầng bình lưu và tồn tại từ một tuần tới vài tháng sau khí núi lửa phun trào Gió trong tầng bình lưu trải rộng sol khí cho đến khi chúng bao phủ toàn cầu Sau mỗi lần hình thành, các sol khí này tồn tại trong tầng đối lưu khoảng hai năm

- Sol khí sa mạc: Loại sol khí này được hình thành qua gió thổi các phần tử bụi nhẹ từ bề mặt sa mạc và có liên quan lớn tới sol khí khí quyển Thông thường, chúng rơi khỏi khí quyển sau khi bay thời đoạn ngắn nhưng chúng có thể được thổi lên độ cao khoảng 4.500 m hoặc cao hơn bởi lực cuốn rất mạnh của các cơn bão cát

- Sol khí được tạo từ các hoạt động của con người: phần lớn sol khí tạo bởi con người là do khói bụi từ các đám cháy ở các khu rừng nhiệt đới, do đốt than và dầu Sol khí sulfat tạo bởi con người đang tăng lên nhanh chóng trong khí quyển kể từ các cuộc cách mạng công nghiệp Với mức độ sản xuất hiện tại, sol khí sulfat phát thải bởi con người được cho rằng là quá nhiều so với lượng sol khí sulfat tự nhiên Sol khí tập trung nhiều nhất ở Bắc Bán Cầu nơi vốn là trung tâm của các hoạt động công nghiệp

1.1.2 Khái niệm hạt PM

Hạt PM (Particulate Matter-PM) là những hạt bụi trong không khí có kích thước rất nhỏ, nhỏ hơn 10µm mà mắt thường của con người không nhìn thấy được Các hạt này gây ô nhiễm môi trường và có tác hại rất lớn đến sức khỏe của con người

Những hạt PM còn có tên gọi khác là các hạt “bụi hô hấp” vì các hạt này gây ra các

bệnh về hô hấp cho con người

Những hạt PM có đường kính nhỏ hơn 10µm đến 2,5µm được gọi là các hạt

PM 10 Những hạt này đi theo con đường hô hấp có thể đi sâu vào bên trong khí quản của con người Những hạt PM có đường kính nhỏ hơn 2.5µm được gọi là các hạt PM 2.5 Chúng có thể đi sâu vào bên trong cơ thể của con người, có thể bị giữ lại ở các phế nang Những hạt có kích thước quá bé thì có thể bị đẩy ra ngoài theo hoạt động thải khí CO2 của con người Những hạt PM có nồng độ cao trong cơ thể con người thì gây

ra các bệnh về hô hấp nguy hiểm đồng thời cũng ảnh hưởng xấu tới hoạt động sản xuất

và sự cân bằng của hệ sinh thái tự nhiên

Hình 1 1- Kích thước các loại bụi PM so với đường kính sợi tóc của con người

Những hạt PM tồn tại trong không trung từ vài giờ đến vài ngày hoặc vài tuần, điều này tùy thuộc vào kích thước của từng loại hạt Các hạt có kích thước càng nhỏ

thì thời gian tồn tại trong không khí càng lâu và càng được phát tán đi xa trong diện rộng dưới tác động của gió (PM 2.5), các hạt có kích thước lớn hơn thì có thời gian tồn tại trong không khí từ vài giờ đến vài ngày (PM 10)

1.2 Tác động của bụi và sol khí đối với sức khỏe cộng đồng

Trong các thập kỷ qua, các nhà khoa học đã thực hiện nhiều nghiên cứu để tìm các mối liên kiết giữa sức khỏe con người và ô nhiễm không khí Và trong khoảng 10 năm qua, nhiều liên kết đã được tìm thấy

Ảnh hưởng của sol khí lên sức khỏe con người đã được ghi lại trên các địa điểm khác nhau Tỷ lệ tử vong tăng lên là kết quả của tình trạng ô nhiễm đã được phát hiện

ở khắp mọi nơi Nghiên cứu ban đầu cho thấy những ảnh hưởng lớn nhất của sol khí đến từ các "khu vực sạch", như Mỹ Xu hướng tỷ lệ tử vong cũng được ghi nhận theo đường dốc từ Tây sang Đông Âu Trong nghiên cứu gần đây, sự nhạy cảm giống nhau đối với sol khí đã được chứng minh và thể hiện sự độc lập về vị trí Tỷ lệ tử vong là gần như nhau ở Mỹ, Tây Âu và Đông Âu, còn Trung Quốc với khoảng 2-4% trường hợp tử vong với sự gia tăng nồng độ đến 100 µg/m3[3]

Từ khi các cuộc cách mạng công nghiệp bùng nổ, các hạt sol khí được tạo ra từ các hoạt động này ngày một nhiều khiến cho quá trình xử lý ô nhiễm trở thành một gánh nặng kinh tế Gần đây, sự chú ý được tập trung vào vấn đề suy giảm chất lượng không khí gây ra bởi các hạt PM, vốn là các hạt sol khí có kích thước lớn Vì chúng làm suy giảm chất lượng không khí nên gây ra rất nhiều hệ lụy đến sức khỏe cho con người sống trong khu vực ô nhiễm Các nghiên cứu khác nhau đã chỉ ra mối quan hệ mạnh mẽ giữa

ô nhiễm không khí và các tác động đến sức khỏe đã được ghi nhận Ngoài ra, cũng có các bằng chứng rõ ràng cho thấy các hạt PM 2.5 giữ một vai trò quan trọng trong tác động đến sức khỏe con người Các hạt sol khí có kích thước từ 2.5 µm đến 10 µm thì đã được loại bỏ một cách hiệu quả ở phần phía trên của hệ thống hô hấp, tuy nhiên các hạt

PM 2.5 thì đọng lại trên các vách phế quản Các hạt có đường kính nhỏ hơn 0.1µm thì được thu thập trong phế quản, trong khi đó các hạt có đường kính nằm giữa khoảng 0.1-

1 µm thì quá nhỏ để bị giữ lại ở phần trên của hệ thống hô hấp nhưng lại quá lớn để được thu thập trong phế quản, do đó chúng sẽ được giữ ở trong phổi[4]

Hành vi của các hạt đọng lại trong phổi phụ thuộc vào các đặc tính khí động học của hạt trong luồng lưu thông như: kích thước, hình dạng và mật độ Sự lắng đọng của các hạt trong các vùng khác nhau của hệ hô hấp phụ thuộc vào kích thước của chúng [4]

Sống trong khu vực chứa nhiều sol khí làm tăng tỷ lệ mắc bệnh hô hấp và mở rộng nguy cơ mắc bệnh hô hấp cấp tính của con người Hơn nữa, khi kết hợp với các kim loại nặng thì còn gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng khác tới sức khỏe cộng đồng Bảng dưới liệt kê các tác hại của sự kết hợp giữa sol khí và kim loại nặng [4]:

Bảng 1 1- Tác động của sol khí và bụi đến sức khỏe con người khi kết hợp với

các kim loại nặng

Kim loại

nặng Nguồn tự nhiên

Mức độ nguy hiểm tối thiểu Tác động độc tính khi tiếp xúc

xi lít

Giảm phát triển thần kinh Ức chế hệ thống huyết học (thiếu máu), suy thận, suy giảm miễn dịch

Uống Rdf 4 mg/kg/ngày

Kích ứng đường tiêu hóa và hô hấp, suy thận, thần kinh

Kích ứng tại chỗ của phổi và đường tiêu hóa, tổn thương thận

và các bất thường của hệ thống xương

Viêm gan, tổn thương thần kinh ngoại vi, bệnh thần kinh, ung thư gan, da và phổi, kích thích

hệ thống hô hấp trên, viêm họng, viêm thanh quản, viêm mũi, thiếu máu, bệnh tim mạch

Bên cạnh sol khí ngoài trời, sol khí phát sinh bên trong các hộ gia đình là một nguồn chất ô nhiễm khác cũng gây nguy hiểm không kém cho con người Mọi người thường cảm thấy ốm yếu, mệt mỏi bởi những sản phẩm gia dụng phổ biến như: máy làm mát không khí, sơn, chất khử mùi và thuốc xịt tóc Thường xuyên sử dụng các

máy móc, hóa chất này làm tăng nguy cơ tiêu chảy, đau tai và các triệu chứng khác ở trẻ cũng như đau đầu và trầm cảm

Theo báo cáo môi trường toàn quốc năm 2010, chất lượng môi trường không khí trên lãnh thổ Việt Nam đang bị suy giảm, đặc biệt tại các khi đô thị lớn nhất là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh Ô nhiễm không khí chủ yếu là do bụi Bên cạnh đó, một số khu vực có biểu hiện ô nhiễm CO, SO2 và tiếng ồn cục bộ Việc phân tích ô nhiễm bụi dựa vào kết quả quan trắc đối với các thông số TSP và PM10, PM2.5 chỉ ra rằng nồng độ các yếu tố này luôn ở mức cao, vượt qua mức độ cho phép tại các thành phố lớn Về mặt phân bố không gian, mức độ ô nhiễm bụi cao tại các khu vực có mật

độ giao thông đông đúc, các nút giao thông, các khu vực đang trong quá trình xây dựng cơ sở hạ tầng và các khu công nghiệp

Bảng 1 2- Các bệnh có tỉ lệ người mắc bệnh cao nhất trên phạm vi toàn Việt

Nam (Nguồn: Niên giám thống kê y tế năm 2008)

1.3 Tổng quan về phát hiện ô nhiễm không khí bằng độ dày quang học sol khí

Chất lượng không khí là một trong những nguyên nhân sinh ra bệnh tật trong cộng đồng Nhất là ở các nước đang phát triển như nước ta hiện nay, chất lượng không khí bị ô nhiễm do chất thải công nghiệp và bụi xây dựng gây nên Để giám sát chất lượng không khí, theo phương pháp truyền thống, chúng ta sử dụng mạng lưới các trạm đo chất lượng không khí trong thành phố, khu dân cư theo mật độ phân bố nhất định Nhờ mạng lưới quan trắc đo các thành phần không khí hàng ngày (hàng giờ, hàng tuần, hàng tháng) mà chúng ta có thể đưa ra phương pháp phòng ngừa, bảo vệ sức khoẻ cộng đồng Nhược điểm lớn của giải pháp dựa vào mạng lưới trạm đo trên mặt đất là tốn kém và sự khuyếch tán bụi khí ô nhiễm không phản ánh một cách khách quan vì sử dụng hàm toán học để mô phỏng Trong khoảng thời gian gần 40 năm qua,ở

các nước trên thế giới, người ta đưa công nghệ viễn thám vào giám sát chất lượng không khí Công nghệ này khắc phục những nhựơc điểm của mạng lưới quan trắc mặt đất mắc phải

Để phát hiện ô nhiễm không khí bằng công nghệ viễn thám, trên thế giới, người

ta sử dụng ba phương pháp chủ yếu:

a Phương pháp tính độ dày lớp sol khí AOT (Aerosol Optical Thickness)

b Phương pháp đo các hạt bụi đen (Black particle)

c Phương pháp đánh giá biến động lớp phủ bề mặt (Land – cover change) Trong khuôn khổ đề tài, học viên tìm hiểu về việc sử dụng giá trị AOT để đánh giá chất lượng không khí

Trên thế giới, đã từng có những nghiên cứu xác định độ dày quang học sol khí từảnh vệ tinhLandsatTM/ETM+, ASTER,SPOT, ALOS, IRS, MODIS… Kaufman và cộng sự (1990) [5]đã phát triển thuật toán xác định AOT theo sự khác biệt của thành phần bức xạ hướng lên, được ghi nhận bởi vệ tinh, giữa một ngày trời rõ trong (không

ô nhiễm) và một ngày mù sương (có ô nhiễm) Phương pháp này giảđịnh rằng phản xạ

bề mặt giữa ngày rõ trong và ngày mù sương không thay đổi Hadjimitsis và Clayton (2009) [6] đã phát triển một phương pháp kết hợp nguyên lý Trừ đối tượng đen (DOS

- Darkest Object Subtraction) và phương trình truyền bức xạđể tính giá trị AOT cho các kênh 1 và 2 của Landsat TM

Jun Wang và Sundar A Christopher (2003)[7]đã nghiên cứu xây dựng được mối liên hệ giữa các cột độ dày quang học soi khí có nguồn gốc từ ảnh MODIS và lượng hạt bụi PM2,5 theo giờ đo tại 7 vị trí quan trắc thuộc quận Jefferson, bang Alabama, Hoa Kỳ trong năm 2002 Jill A Engel-Co, Christopher H Holloman, Basil

W Coutant, Raymond M Hoff (2004) [8]đã đưa ra giải pháp đánh giá định tính và định lượng chất lượng không khí quy mô đô thị và khu vực bằng việc sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS Nhóm nghiên cứu đã tiến hành so sánh dữ liệu từ hệ thống giám sát không khí của Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA) và dữ liệu vệ tinh trong 6 tháng liên tục năm 2002 Năm 2009, tại Thái Lan, Vivarad Phonekeo [9]đã công bố kết quả nghiên cứu về việc giám sát chất lượng không khí tại Thái Lan bằng sản phẩm MOD04 Trong nghiên cứu này, dữ liệu thực địa được thu thập từ 13 trạm quan trắc không khí tự động trên địa bàn thủ đô BangKok

Ở Việt Nam, đã có nhiều nghiên cứu thực hiện trong lĩnh vực ô nhiễm không khí như đánh giá tình hình ô nhiễm không khí cho các 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 tượng và ô nhiễm không khí được quan sát tại các trạm mặt đất Dựa vào số đo này và phân bố không gian, các chất ô nhiễm không khí được ước tính và thể hiện qua các mô hình toán phát tán hoặc phương pháp nội suy Lương Chính Kế, Hồ Thị Vân Trang, Trần Ngọc Tưởng, Lâm Đạo Nguyên (2010)[10] đã nghiên cứu xây dựng bản đồ ô nhiễm không khí trên khu vực Hà Nội và Cẩm Phả dựa trên đặc tính phổ và hình học của ảnh Landsat ETM+ và SPOT Trần Thị Vân, Nguyễn Phú Khánh, Hà Dương 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 quả mô phỏng phân bố không gian nồng độ bụi PM10 khu vực TPHCM Tuy nhiên, hạn chế của nguồn ảnh Landsat

là chu kỳ lặp chụp ảnh tại một vị trí là 16 ngày, do đó dữ liệu chiết xuất từ ảnh không thể liên tục

Các nghiên cứu trong và ngoài nước đều cho kết quả khả quan, đề cập đến vấn

đề mang tính thời đại,do đó, luận văn có cơ sở triển khai và có được sự kế thừa từ các thành quả nghiên cứu trước đây

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ KHU VỰCĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG BẰNG TƯ LIỆU VỆ TINH MODIS

2.1 Cơ sở khoa học phương pháp đánh giá chất lượng không khí khu vực ĐBSH bằng tư liệu vệ tinh

2.1.1 Phươngpháp ướctínhsolkhí từảnhvệtinh

Vềlý thuyết, solkhí là đạilượng đặctrưngcho độsuygiảm ánhsángtrênmộtthểtíchkhôngkhí, độdàycủasolkhí có thểxác địnhquabiểuthứcsau:

τλ (Z) = z

0

kλ(Ź)dŹ (2.1) Trong đó: kλ( Ź) - Hệsốsuygiảm ánhsáng (mˉ1) ởbướcsóng λ,ở độcao Ź vớiZlà độcaoquantrắc ĐộdàyquanghọclớpSolkhí có thể đượcphântíchracácthànhphần:

τªm- ĐộdàyquanghọclớpSolkhí docácphântửkhí hấpthụ

τªp - ĐộdàyquanghọclớpSolkhí docáchạtbụihấpthụ

τdm - ĐộdàyquanghọclớpSolkhí dohiệntượngpháttánphântửkhí (phảnxạRayleigh)

τdp - ĐộdàyquanghọclớpSolkhí dohiệntượngpháttáncáchạttrongkhí quyển (PhảnxạMie)

Tianắngmặttrời đivàolớpSolkhí ởtầng đốilưu, dướitác độngcủacácphântửkhí ô nhiễmvà cáchạtbụi, mộtphầnbịphảnxạngaytronglớpSolkhí rồi đivề đầuthuảnhcủavệtinh, mộtphầntianắng đitới đốitượngtrênbềmặt đấtrồiphảnxạ đivề đầuthuảnhcủavệtinh (hình2.1).Mô hìnhpháthiện độdàylớpsolkhí AOTđượctrìnhbàytómtắtdưới đâydoSifakisđềxuấtvàonăm 1992 Mô hình đã đượcnhiềucơ sởnghiêncứukhảonghiệmvà được ápdụngởchâu Âu Mô hìnhsửdụng 2 cảnhảnhở 2 thờikỳvà đitìmmốiquanhệtoánhọcgiữa độdàysolkhí của 2 thờikỳvớiảnhphươngsaicủachúngtheokíchthướclưới ô vuôngthực địa.[10]

1 2;3

4;5

5

Hình 2 1- Các tia phản xạ trong khí quyển đến đầu thu

Tham số phản xạ tại đỉnh khí quyển ρTOA (hay còn gọi là phản xạ khả kiến) đƣợc biểu diễn bằng biểu thức sau:

T() T()

ρTOA = ρ + ρa (2.2) 1- ρS

 - Góc thiên đỉnh của đầu thu,

T() - Hàm truyền dẫn ánh sáng từ mặt trời về trái đất,

T () - Hàm truyền dẫn ánh sáng từ bề mặt đất về đầu thu ảnh Giá trị T() đƣợc phân tích thành tổng của tdir() và tdiff(), đó là hàm truyền dẫn ánh sáng trực tiếp và hàm khuyếch tán T() là tổng của tdir() và tdiff()

Sai số σ (ρTOA) do sai số σ(ρ) gây nên trong (1.2) sẽ có dạng:

Theo địnhluậttruyềndẫn ánhsángcủaLambert – Bouguer, tacó:

tdir() = exp (- kext Z) ≡ f1 (e; τ; ) (2.4)

hay:

σ(ρTOA) = f2 (e; τ; ) (2.5)

Trong đó: τ - độ dày quang học lớp Sol khí

e – hằng số

Nếu như chúng ta có hai tấm ảnh, chúng ta có thể tính được hiệu số độ dày

quang học lớp Sol khí giữa hai tấm ảnh Đây là cách so sánh tương đối để so sánh giữa

môi trường sạch và môi trường không khí bị ô nhiễm

Lập tỷ số σ(ρTOA) cho hai thời kỳ (hai ảnh 1và 2) ta có:

σ1 (ρTOA) = f3 (e; τ1; τ2;) (2.6)

σ2 (ρTOA)

và

∆τ = (τ2 – τ1) = ln [f3’(e; σ1; σ2 ; )] (2.7)

Côngthức (1.7) là mô hìnhmô tảmốiquanhệ độdàyquanghọclớpSolkhí và

độlệchchuẩncủabứcxạảnh Đâylà mô hìnhchophéppháthiệnkhôngkhí bị ô nhiễm

2.1.2 Phươngpháptínhtoánhồiquy

Bằngcáchsửdụngphéphồiquy, tathiếtlậpmốiquanhệgiữa đầuralà ảnh đã

đượcxửlý (AOT) vớidữliệu đoởcáctrạmmặt đất

Mục đíchcủaphươngpháphồiquytươngquanlà ướclượngmức

độtươngquangiữacácbiến độclập (cácbiếngiảithích) đếnbiếnphụthuộc (biến

đượcgiảithích), hoặcảnhhưởngcủacácbiến độclậpvớinhau (cácyếutốnguyênnhân)

2.1.2.1 Mô hìnhhồiquytuyếntính

Hồiquytuyếntínhmộtchiều (tuyếntính đơn) - Simplelinear regression

Mụctiêuphântíchcủamô hìnhnàylà xétmốiliênhệtuyếntínhgiữamộthaynhiềubiến

độclậpXi (Xi: còn đượcgọilà biếngiảithích) đếnmộtbiếnphụthuộc (Y: biến

bsaochotổngbìnhphươngsaisốcủaphươngtrìnhsau đâylà bé nhất:

(2.9)

Các hệ số a và b được tính như sau:

(2.10)

Và đường hồi quy tuyến tính mẫu của y trên x là: y = a + bx

Hồi quy nhiều chiều - Multiple Regression[13]

Mục tiêu của mô hình này giải thích biến phụ thuộc (y) bị ảnh hưởng bởi nhiều biến độc lập (xi)

Một cách tổng quát, phương trình hồi qui tuyến tính nhiều chiều có dạng:

y = a + b1x1 + b2x2 + + bkxk (2.11) Các tham số a, b1, b2, ,bn có thể được ước lượng dễ dàng nhờ các phần mềm

có sẳn trên máy tính Phương trình này sẽ được suy rộng cho tổng thể có biến phụ thuộc Y và các biến độc lập X1,X2, ,Xk

2.1.2.2 Hệ số tương quan và hệ số xác định bội

Hệ số tương quan và hệ số xác định bội là các thông số thể hiện thông tin về phương trình hồi quy

Hệ số tương quan R (hay r)- Correlation Coefficient

Hệ số tương quan đo lường mức độ quan hệ giữa hai biến, chính xác hơn là quan hệ tuyến tính giữa hai biến không phân biệt biến này phụ thuộc vào biến kia.[14]

Gọi (x1, y1), (x2, y2), , (xn, yn) là n cặp quan sát của một mẫu ngẫu nhiên của hai biến ngẫu nhiên X & Y Hệ số tương quan mẫu tính từ mẫu n cặp giá trị quan sát của hai biến X và Y với trung bình x và y và phương sai x2 và y2 được thể hiện trong công thức sau:

(2.12)

Hệ số tương quan r không có đơn vị, có thể tính từ giá trị mã hóa bằng phép biến đổi tuyến tính của X và Y r luôn luôn biến động trong khoảng (-1,1) nếu hệ số tương quan r dương cho biết X và Y biến động cùng chiều và âm thì ngược lại Ðể biểu hiện mức độ chặt chẽ của mối liên hệ giữa các biến ta có các nhận xét sau đây:

r = 1: Mối liên hệ giữa các biến hoàn toàn chặt chẽ

r = 0: Giữa các biến không có mối liên hệ

Ðể thấy được đặc tính của r, các trường hợp sau đây trình bày sự liên hệ tuyến tính giữa X và Y và giá trị của r Trong tất cả 6 trường hợp chỉ có x, y là thay đổi, còn các giá trị còn lại như dưới đây:

Hình 2 2- Ví dụ về mối liên hệ tuyến tính

Hệ số xác định bội R² (hay r²) - Coeffocient of Determination

Hệ số xác định bội là một trong các thông số dùng để đánh giá mức độ mô hình thể hiện mối liên hệ tương quan tuyến tính Hệ số này chính là bình phương của hệ số tương quan [15]

Lưu ý rằng R², giống như r², nằm trong khoảng 0 đến 1 Nếu nó bằng 1, đường hồi quy thích hợp giải thích 100% cho sự biến đổi của Y Mặt khác, nếu nó bằng 0, mô hình không giải thích bất cứ một biến đổi nào của Y Tuy nhiên, R² thường nằm giữa hai giá trị cực đại này Độ thích hợp của mô hình được cho là "tốt hơn" nếu R² tiến càng gần đến 1 Cách đánh giá mối liên hệ (tương quan) từ hệ số xác định bội được thể hiện cụ thể dưới bảng sau:

Bảng 2 1- Mức độ tương quan thể hiện qua R²

R² < 0,1 Tương quan ở mức thấp 0,1 ≤ R² < 0,25 Tương quan ở mức trung bình

0,25 ≤ R² < 0,5 Tương quan khá chặt chẽ

0,5 ≤ R² < 0,8 Tương quan chặt chẽ

R² ≥ 0,8 Tương quan rất chặt chẽ

Như đã nêu trên, trong trường hợp hai biến chúng ta đã định nghĩa đại lượng r là

hệ số tương quan và biểu thị rằng nó là số đo mức độ quan hệ (tuyến tính) giữa hai biến Tương tự với r, trong mô hình ba biến hay nhiều hơn là hệ số tương quan bội, được ký hiệu là R, và nó là số đo của độ quan hệ giữa Y và tất cả các biến giải thích một cách liên kết Mặc dù r có thể là âm hay dương, R luôn được coi là dương Tuy nhiên, trên thực tế, tầm quan trọng của R rất nhỏ Đại lượng có nhiều ý nghĩa hơn là R²

2.2 Khu vực nghiên cứu

Đồng bằng sông Hồng (hay châu thổ sông Hồng) là một vùng đất rộng lớn nằm quanh khu vực hạ lưu sông Hồng thuộc miền Bắc Việt Nam, vùng đất bao gồm 10 tỉnh

và thành phốgồm: Vĩnh Phúc, Hà Nội, Bắc Ninh, Hà Nam, Hưng Yên, Hải Dương, Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định, Ninh Bình Gần như đồng nghĩa với đồng bằng sông Hồng là vùng trung châu, khác với vùng chân núi trung du và núi cao thượng du Không giống như vùng đồng bằng sông Cửu Long, các tỉnh trong vùng đồng bằng sông Hồng chỉ có 2 tỉnh Thái Bình và Hưng Yên là không có núi, do đó khu vực này

thường được gọi là châu thổ sông Hồng Toàn vùng có diện tích: 23.336 km², chiếm 7,1 % diện tích của cả nước[16]

ĐBSH là vùng kinh tế trọng điểm khu vực phía Bắc, mật độ dân cư cao, tập trung nhiều khu công nghiệp, làng nghề, hoạt động xây dựng và giao thông dày đặc, dẫn đến tình trạng ô nhiễm không khí đáng báo động

Hình 2 3-Bản đồ vùng đồng bằng sông Hồng

Vị trí địa lý

Đồng bằng sông Hồng trải rộng từ vĩ độ 21°34´B (huyện Lập Thạch) tới vùng bãi bồi khoảng 19°5´B (huyện Kim Sơn), từ 105°17´Đ (huyện Ba Vì) đến 107°7´Đ (trên đảo Cát Bà) Phía bắc và đông bắc là Vùng Đông Bắc (Việt Nam), phía tây và tây nam là vùng Tây Bắc, phía đông là vịnh Bắc Bộ và phía nam vùng Bắc Trung Bộ Đồng bằng thấp dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam, từ các thềm phù sa cổ 10 - 15m xuống đến các bãi bồi 2 - 4m ở trung tâm rồi các bãi triều hàng ngày còn ngập nước triều[16]

Địa hình

Địa hình tương đối bằng phẳng với hệ thống sông ngòi dày đặc đã tạo điều kiện thuận lợi để phát triển hệ thống giao thông thuỷ bộ và cơ sở hạ tầng của vùng

Hệ thống sông ngòi tương đối phát triển Tuy nhiên về mùa mưa lưu lượng dòng chảy quá lớn có thể gây ra lũ lụt, nhất là ở các vùng cửa sông khi nước lũ và triều lên gặp nhau gây ra hiện tượng dồn ứ nước trên sông Về mùa khô (tháng 10 đến tháng 4 năm sau), dòng nước trên sông chỉ còn 20-30% lượng nước cả năm gây ra hiện tượng thiếu nước Bởi vậy, để ổn định việc phát triển sản xuất, đặc biệt trong nông nghiệp thì phải xây dựng hệ thống thuỷ nông đảm bảo chủ động tưới tiêu và phải xây dựng hệ thống đê điều chống lũ và ngăn mặn [16]

Khí hậu

Khí hậu của vùng mang tính chất khí hậu nhiệt đới, chịu ảnh hưởng rất mạnh của hai hướng gió chính là gió mùa Đông Bắc và gió mùa Đông Nam, được phân thành 4 mùa rõ rệt (xuân, hạ, thu, đông) Mùa xuân từ tháng 2 - tháng 4, nhiệt độ tăng dần, kèm theo mưa xuân cây trồng phát triển nhanh; mùa hạ từ tháng 5 - tháng 7, thời tiết nóng nực, kéo theo mưa rào và gió bão; mùa thu từ tháng 8 - tháng 10, thời tiết mát dịu; mùa đông từ tháng 11 năm - tháng 1 năm sau, nhiệt độ xuống thấp, giá rét, kéo theo mưa phùn ảnh hưởng rất lớn đến sản xuất và sinh hoạt của người dân[17, 18]

Nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình năm là 23,50C, lượng bức xạ cao 115 kcal/cm2/năm,

từ tháng 5-tháng 10 mặt đất có thể thu nhận từ 10 -15 kcal/cm2, từ tháng 11 - tháng 4 lượng bức xạ khoảng từ 7- 9 kcal/cm2/tháng Cán cân bức xạ ngay cả những tháng mùa đông đều dương, tổng số giờ nắng đạt tới 1.400 - 1.600 giờ/năm

Lượng mưa: Lượng mưa trung bình trong năm khoảng 1.500 - 2.000 mm, phân

bố theo mùa; mùa mưa từ tháng 5 - tháng 10 lượng mưa chiếm trên 85% tổng lượng mưa cả năm, mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, lượng mưa ít chiếm khoảng 15% lượng mưa cả năm

Độ ẩm: Độ ẩm trung bình các tháng trong năm chênh lệch không lớn, tháng có độ ẩm

cao nhất và tháng có độ ẩm thấp nhất chênh nhau 12% Độ ẩm trung bình tối đa là 92%, độ

ẩm trung bình tối thiểu là 80% Độ ẩm trung bình tháng dưới 85% chỉ chiếm 35%

Nhìn chung khí hậu vùng Đồng bằng sông Hồng thuộc miền khí hậu nhiệt đới gió mùa, nóng, ẩm, mưa nhiều và được phân hoá theo mùa Sự chênh lệch nhiệt độ giữa các mùa và các tháng trong mùa tương đối lớn Lượng bức xạ và tổng số giờ nắng trong năm tương đối cao Mưa phân bố theo mùa, lượng mưa tập trung vào mùa hạ, độ

ẩm không khí trung bình rất cao, đây là điều kiện thuận lợi cho cây trồng, vật nuôi sinh trưởng, phát triển quanh năm Tuy nhiên sự thay đổi thất thường trong chế độ mưa, gió

gây trở ngại cho sản xuất và đời sống con người, đây cũng là nét đặc trưng nổi bật của khí hậu vùng Đồng bằng sông Hồng

2.3 Dữ liệu nghiên cứu

2.3.1 Dữ liệu ảnh sol khí MODIS

2.3.1.1 Giới thiệu về dữ liệu MODIS

MoDerate resolution Imaging Spectrometer (MODIS) là một cảm biến gắn trên

2 vệ tinh Terra và Aqua trong các năm 1999 và 2002 bởi NASA với mục đích quan trắc, theo dõi các thông tin về mặt đất, đại dương và khí quyển trên phạm vi toàn cầu Ảnh MODIS có vùng địa lý thu được với độ rộng 2330 km, gồm 36 băng phổ và có 3 độ phân giải là 250 m, 500 m và 1000 m, độ phân giải thời gian là hàng ngày, 8 ngày, 16 ngày, theo tháng, theo quý, theo năm Mặc dù độ phân giải không cao nhưng với tầm phủ rộng, thời gian quan trắc liên tục và đặc biệt là miễn phí, ảnh MODIS là nguồn tài liệu tham khảo giá trị cao đối với các nhà khoa học 36 băng phổ giúp ảnh MODIS được ứng dụng ngày càng nhiều trong hầu hết lĩnh vực nghiên cứu hiện nay, đặc biệt trong lĩnh vực biến đổi khí hậu, ô nhiễm không khí

Bảng dưới thể hiện chi tiết về các kênh phổ và ứng dụng thực tiễn:

Bảng 2 2-Bước sóng phổ của các kênh ảnh và ứng dụng thực tiễn

Màu sắc đại dương/ Thực vật

phù du/ Sinh địa hóa học

34 13.485 - 13.785

Các sản phẩm ảnh vệ tinh MODIS được phân loại thành 5 mức độ khác nhau từ

0 đến 4 tùy thuộc vào mức độ tiền xử lý dữ liệu Dữ liệu mức độ 0 là các dữ liệu thô được chuyển đổi trực tiếp từ thiết bị đo Sau đó chúng được chia thành các granule và được áp dụng các thuật toán định vị để thêm các thông tin địa lý như kinh độ, vĩ độ, độ cao, góc quan sát, góc chiếu mặt trời, … tạo thành ảnh MODIS Level 1-A Dữ liệu cấp 1-A tiếp tục được xử lý để tạo ra các sản phẩm cấp 1 -B (hiệu chỉnh giá trị radiance cho tất cả các band ảnh và thêm iá trị phản xạ bề mặt (surface reflectance) cho một số band được lựa chọn) Tuy nhiên dữ liệu 1B vẫn được coi là dữ liệu thô và chủ yếu dùng làm đầu vào cho các bước xử lý tiếp theo lên mức 2-4 là các mức dữ liệu được sử dụng chủ yếu bởi các nghiên cứu

2.3.1.2 Sản phẩm ảnh vệ tinh MODIS AOT

Ảnh sol khí MODIS được thu trên toàn cầu theo quỹ đạo bay của 2 vệ tinh Terra và Aqua trên khắp đại dương và lục địa Ảnh sol khí level 2 được cung cấp hàng ngày với độ phân giải không gian là 10 km/ 1 pixel Có 2 loại ảnh sản phẩm tương ứng với 2 vệ tinh là ảnh MOD04_L2 - vệ tinh Terra và ảnh MYD04_L2 – vệ tinh Aqua Số ảnh thu được hàng ngày khoảng 144 ảnh, thời gian thu là giờ UTC

Các loại ảnh MODIS đều có định dạng tên file theo quy chuẩn của NASA, ảnh của vệ tinh Terra bắt đầu là MOD và của Aqua bắt đầu là MYD Theo sau là các thông tin mô tả cần thiết để người sử dụng biết các thông tin cơ bản về ảnh và có thể chọn đúng ảnh cần xử lý Ngoài định dạng file hdf, người dùng còn có thể biết được các thông tin khác như: loại ảnh, thời gian chụp theo ngày, tháng năm, thời điểm chụp, ảnh thuộc collection nào và thời gian nào ảnh được xử lý xong và cung cấp miễn phí trên trang Ladsweb

Định dạng tên ảnh MOD04 như sau:

MOD04_L2.A2010213.0355.051.2011120190855.HDF

- MOD04_L2 / MOD04: tên sản phẩm ảnh MODIS

- A2010214: ngày thu được ảnh theo ngày Julian dạng (A – YYYYDDD) Theo

lịch Julian thể hiện ngày này là ngày thứ 213 trong năm

- 0300: định danh của ảnh vệ tinh thu được trong tập ảnh (vị trí: ngang 03, dọc

55)

- 051 hoặc 006: phiên bản của tập dữ liệu ảnh thu được

-2011120190855: ngày giờ phút giây theo lịch Julian tạo ra ảnh

(YYYYDDDHHMMSS)

- HDF: tên định dạng ảnh

Dữ liệu ảnh MODIS thu được từ Ladsweb là dạng file HDF4 HDF là dạng file

có thể lưu trữ nhiều đối tượng, kiểu dữ liệu khác nhau, được sử dụng trong mục đích nghiên cứu khoa học và chia sẻ dữ liệu cho các nền tảng khác nhau Trong cùng 1 file HDF có thể gộp các dữ liệu cùng kiểu (vd: các band thành từng layer) thành nhóm và

xử lý dữ liêu trên các nhóm này

Hình 2 4-Cấu trúc nhóm các band ảnh raster trong file HDF

Ảnh sol khí MOD04 có hơn 60 subdataset được tích hợp trong 1 file HDFvới nhiều loại dữ liệu và mục đích sử dụng khác nhau, tùy theo mục đích nghiên cứu mà người dùng cần trích xuất các lớp dữ liệu cần thiết

Sub dataset được lựa chọn để thực hiện nghiên cứu là

“Image_Optical_Depth_Land_And_Ocean” – có giá trị AOT từ 0.55 µm cho cả đại dương và đất Trên ảnh AOT, giá trị DN nằm trong khoảng từ -100 đến 5000 Giá trị

DN được chuyển đổi sang AOT theo công thức:[9]

AOT = a * DN + b (2.13) Trong đó: a – giá trị scale factor;b- giá trị offset

2.3.2 Dữ liệu PM2.5 từ các trạm quan trắc mặt đất

Hiện nay, ở Việt Nam, bên cạnh các hoạt động quan trắc thủ công thì hoạt động quan trắc tự động ngày càng được quan tâm phát triển Đối với môi trường không khí, mạng lưới các trạm quan trắc tự động, cố định trên phạm vi cả nước ngày càng mở rộng Trên cả nước Việt Nam hiện có 31 trạm quan trắc không khí tự động, cố định thuộc mạng lưới quan trắc môi trường Quốc gia và địa phương đã được lắp đặt và đưa vào hoạt động Tuy nhiên, có một số trạm đã dừng hoạt động

Trong khuôn khổ Dự án "Tăng cường thiết bị tự động quan trắc môi trường không khí và nước" theo Quyết định số 1698/QĐ-BTNMT ngày 29/10/2007 của Bộ trưởng Bộ TN&MT và Quyết định số 1073/QĐ-BTNMT ngày 11/6/2009 của Bộ trưởng Bộ TN&MT, 07 trạm quan trắc môi trường không khí tự động đã được đầu tư, xây dựng nhằm tăng cường công tác giám sát ô nhiễm và quản lý môi trường quốc gia[18] 07 trạm này đã được triển khai lắp đặt tại 6 tỉnh: Hà Nội, Phú Thọ, Quảng Ninh, Thừa Thiên - Huế, Đà Nẵng và Khánh Hòa, riêng tại Hà Nội được đầu tư 2 trạm

- Trạm tại Gia Lâm, Hà Nội: Đây là trạm khí tự động đầu tiên do Tổng cục Môi trường đầu tư và quản lý, là loại trạm quan trắc ven đường, quan trắc các thông số cơ bản trong môi trường không khí do ảnh hưởng của hoạt động giao thông Trạm được lắp đặt vào tháng 6/2009 trong khuôn viên của Trung tâm Quan trắc môi trường – Tổng cục Môi trường tại 556 Nguyễn Văn Cừ, Long Biên, Hà Nội [19]

- Trạm tại Đà Nẵng: Tháng 6/2010, Trạmkhí tại Đà Nẵng đượckhởi công xây dựngvà chính thức đi vàohoạt động vào tháng 1/2011, đượcđặt trong khuôn viêncủa Trường Đại họcĐà Nẵng, số 41, LêDuẩn Đây là loại trạm quan trắc ven đường [19]

- Trạm tại khu vực Lăng Bác và Quảng trường Ba Đình, Hà Nội: Tháng 9/ 2011, trạm Lăng được khởicông lắp đặt và đượcđặt tại khu vực LăngChủ tịch Hồ Chí Minhvà Quảng trường BaĐình với mục tiêuquan trắc môi trườngkhông khí cơ bản, đặctrưng cho môi trườngkhông khí đô thị[19]

- Trạm tại Khánh Hòa: Tháng 11/ 2011, trạm khí tại Khánh Hòađược khởi công xâydựng, đi vào hoạtđộng chính thức vàotháng 4/ 2012 Trạmđược đặt trong khuônviên của Làng trẻ SOSNha Trang, tại đường2/4, phường Vĩnh Hòa Đây là loại trạm quan trắc ven đường [19]

- Trạm tại Phú Thọ và Huế: Cùng được khởi công xây dựng, lắp đặt vào tháng 1/2013, chính thức hoạt động vào tháng 2/2013 Trạm tại Phú Thọ được đặt trong khuôn

viên Công ty xăng dầu Phú Thọ, đường Hùng Vương, thành phố Việt Trì Trạm tại Huế được đặt trong trường Cao đẳng Sư phạm Huế, 82 đường Hùng Vương, thành phố Huế[19]

- Trạm tại Quảng Ninh: Tháng 12/ 2013, trạm khí cuối cùng trong số 07 trạm thuộc khuôn khổ Dự án của Tổng cục Môi trường được xây dựng và lắp đặt, đặt trong khu I, phường Hồng Hà, thành phố Hạ Long Đây là loại trạm quan trắc ven đường [19]

Hình 2 5-Trạm quan trắc đặt tại Long Biên, Hà Nội

Các thông số quan trắc liên tục bao gồm các thông số khí tượng (nhiệt độ, hướng gió, tốc độ gió, bức xạ nhiệt, áp suất), các thông số ô nhiễm (Carbon monoxit -

CO, Ozone - O3, Oxit Nito - NOx, Sunfua dioxit - SO2, PM10, PM 2.5, PM1,…) và các thông số khác (BTEX - Benzen, Toluen, Etylen, O-Xylen; m,p-Xylen) theo thời gian Riêng trạm khí đặt tại 556 Nguyễn Văn Cừ, Long Biên, Hà Nội và trạm khí đặt tại Phú Thọ quan trắc thêm thông số THC (tổng Hidro carbon) Trong đó, 6 trạm khí được đầu

tư công nghệ của hãng Horiba - Nhật Bản và Grim - Đức Trạm khí đặt tại khu vực Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh và Quảng trường Ba Đình được đầu tư theo công nghệ quang phổ hấp thụ vi sai (DOAS) của hãng OPSIS - Thụy Điển và 1 hệ thống tự động

đo, cảnh báo phóng xạ RM-A1[18]

Hình 2 6-Đồ thị số liệu quan trắc từ 07 trạm và chỉ số AIQ trên website của

Trung tâm quan trắc môi trường

Kết quả quan trắc của 7 trạm khí được công bố rộng rãi trên trang website: quantracmoitruong.gov.vn dưới dạng đồ thị theo thời gian và được đánh giá theo chỉ

số AQI để từ đó có thể cảnh báo kịp thời tới các cơ quan và người dân khi môi trường không khí xung quanh bị ô nhiễm tới mức cảnh báo Các trạm khí đều cung cấp chuỗi

số liệu quan trắc liên tục theo thời gian, tỷ lệ số liệu quan trắc đạt được cao Có thể nói, việc đầu tư xây dựng 7 trạm khí đã mang lại nhiều lợi ích và ý nghĩa to lớn, phục vụ đắc lực cho công tác giám sát, cảnh báo, đồng thời cung cấp số liệu cho các cơ quan quản lý và BVMT Đặc biệt, các trạm được phân bố xây dựng tại các thành phố lớn trên cả nước, nơi có mật độ dân số lớn kéo theo hiện trạng môi trường không khí bị ảnh hưởng

Đối với một trạm quan trắc không khí tự động, cố định, dữ liệu về các trạm được cung cấp dưới định dạng file exel, mỗi file lưu trữ dữ liệu thu được từ một trạm quan trắc tự động Tất cả gồm có các file tương ứng với dữ liệu thu thập được từ 07 trạm