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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT AOD Aerosol optical depth Độ dày quang học sol khí AOD Aerosol optical Thickness Độ dày quang học sol khí MODIS Moderate Resolution Imaging Cảm biến gắ

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

Ngành : Công nghệ thông tin

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Thị Nhật Thanh và TS Bùi Quang Hưng Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Hà nội, ngày 12 tháng 12 năm 2017

Học viên

BÙI THỊ MAI

LỜI CẢM ƠN

Trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội đã tạo những điều kiện tốt nhất để tôi thực hiện luận văn Đặc biệt, xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến thầy cô hướng dẫn của tôi: Cô Nguyễn Thị Nhật Thanh và thầy Bùi Quang Hưng đã định hướng và dẫn dắt tôi hoàn thành luận văn Đồng thời, trân trọng cảm ơn đến anh Phạm Văn Hà, anh Trần Tuấn Vinh và các thành viên trong trung tâm FIMO đã giúp đỡ, đóng góp và cung cấp những tri thức vô cùng quý báu cũng như những ý kiến xác đáng cho tôi trong suốt thời gian qua Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 102.99-2016.22

Hà nội, ngày 12 tháng 12 năm 2017

Học viên

BÙI THỊ MAI

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

1 Đặt vấn đề, định hướng nghiên cứu 1

2 Mục tiêu của luận văn 2

3 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu 2

4 Kết cấu của luận văn 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ 4

1.1 Tổng quan về ô nhiễm không khí 4

1.2 Tổng quan về sol khí 5

1.2.1 Khái niệm 5

1.2.2 Nguồn gốc sản sinh sol khí 6

1.2.3 Tác động của sol khí lên Trái đất 7

1.3 Độ dày quang học sol khí 8

1.3.1 Khái niệm 8

1.3.2 Phương pháp quan trắc 8

1.3.3 Mối quan hệ giữ độ dày quang học sol khí và ô nhiễm không khí 10

CHƯƠNG 2: CÁC SẢN PHẨM ẢNH VỆ TINH 11

2.1 Sản phẩm sol khí của MODIS 11

2.1.1 Giới thiệu về MODIS 11

2.1.2 Các sản phẩm sol khí của MODIS 12

2.1.3 Sản phẩm sol khí MODIS 3 km (MOD04_3K và MYD04_3K) 15

2.1.4 Sản phẩm điểm cháy của MODIS (MCD14ML) 16

2.2 Các sản phẩm sol khí của VIIRS 18

2.2.1 Giới thiệu về VIIRS 18

2.2.2 Các sản phẩm sol khí của VIIRS 18

2.2.3 Sản phẩm sol khí EDR AOD 20

2.3 Dữ liệu sol khí của AERONET 21

2.3.1 Giới thiệu về AERONET 21

2.3.2 Dữ liệu sol khí từ các trạm AERONET 22

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ 24 3.1 Mô tả bài toán 24

3.2 Các nghiên cứu liên quan 26

3.2.1 Trên thế giới 26

3.2.2 Trong nước 27

3.3 Phương pháp tiền xử lý dữ liệu 28

3.3.1 Tiền xử dữ liệu ảnh vệ tinh 28

3.3.2 Tiền xử lý dữ liệu quan trắc và dữ liệu các điểm cháy 31

3.4 Phương pháp tích hợp dữ liệu 32

3.5 Phương pháp đánh giá độ dày quang học sol khí 34

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 37

4.1 Khu vực nghiên cứu 37

4.2 Cài đặt thực nghiệm 41

4.2.1 Chuẩn bị dữ liệu 42

4.2.2 Cài đặt và xử lý dữ liệu 45

4.2.3 Cơ sở dữ liệu 50

4.2.4 Tích hợp dữ liệu AOD từ vệ tinh và AOD từ AERONET 51

4.3 Tập dữ liệu 53

4.4 Đánh giá chung 55

4.4.1 Đánh giá AOD của MODIS 55

4.4.2 Đánh giá AOD của VIIRS 59

4.5 Đánh giá tổng hợp cả VIIRS và MODIS 62

4.5.1 Đánh giá AOD từ VIIRS và MODIS theo từng quốc gia 62

4.5.2 Đánh giá AOD từ VIIRS và MODIS với AERONET AOD theo khu vực thành thị và nông thôn 67

4.5.3 Mối quan hệ giữ AOD từ VIIRS, MODIS và AERONET với tình hình cháy trong khu vực 69

KẾT LUẬN 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 1: THỐNG KÊ DỮ LIỆU CÁC TRẠM AERONET 1

PHỤ LỤC 2: CÁC TẬP DỮ LIỆU ẢNH MODIS 3 KM 14

PHỤ LỤC 3: CÁC TẬP DỮ LIỆU ẢNH SOL KHÍ VIIRS 18

PHỤ LỤC 4: CÀI ĐẶT VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU 20

4.1 Download các sản phẩm 20

4.1.1 Download MOD04_3K và MYD04_3K – sản phẩm sol khí MODIS 3 km 20 4.1.2 Download GAERO_VAOOO – sản phẩm sol khí VIIRS 6 km 22

4.1.3 Download dữ liệu AERONET 23

4.1.4 Download MCD14ML - dữ liệu các điểm cháy của MODIS 25

4.2 Các chương trình xử lý 26

4.2.1 Chương trình xử lý ảnh MODIS 3 km 26

4.2.2 Chương trình xử lý ảnh VIIRS 6 km 27

4.2.3 Chương trình xử lý dữ liệu AERONET 30

4.2.4 Chương trình xử lý dữ liệu các điểm cháy 31

4.3 Các bảng trong cơ sở dữ liệu 32

4.4 Chương trình tích hợp dữ liệu 39

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

AOD Aerosol optical depth Độ dày quang học sol khí

AOD Aerosol optical Thickness Độ dày quang học sol khí

MODIS Moderate Resolution Imaging

Cảm biến gắn trên tàu Soumi-NPP

FIMO Center of Multidisciplinary Integrated

Technologies for Field Monitoring

Trung tâm Công nghệ tích hợp liên ngành Giám sát hiện trường

AERONET AErosol RObotic NETwork Mạng lưới các trạm quan trắc sol

khí mặt đất NASA National Aeronautics and Space

Administration

Cơ quan Hàng không và Vũ trụ của

Mỹ PHOTONS PHOtométrie pour le Traitement

Opérationnel de Normalisation Satellitaire

Hệ thống chuẩn hóa dữ liệu vệ tinh

CLASS Comprehensive Large Array-Data

Stewardship System

Hệ thống quản lý dữ liệu diện rộng

NOAA National Oceanic and Atmospheric

TOA Top Of Atmosphere Đỉnh khí quyển

GAERO VIIRS Aerosol EDR Ellipsoid

Geolocation

Tập dữ liệu vị trí địa lý của VIIRS

VAOOO VIIRS Aerosol Optical Thickness

EDR

Tập dữ liệu độ dày quang học sol khí của VIIRS

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1: Thống kê các trạm AERONET trong vùng nghiên cứu 40

Bảng 4.2: Danh mục các bảng trong cơ sở dữ liệu 51

Bảng 4.3: Thống kê dữ liệu MODIS, VIIRS 53

Bảng 4.4: Đánh giá MODIS AOD toàn khu vực nghiên cứu theo các năm 56

Bảng 4.5: Phân bố giá trị MODIS AOD 57

Bảng 4.6: Đánh giá MODIS AOD toàn khu vực theo các tháng trong năm 58

Bảng 4.7: VIIRS AOD trung bình qua các năm 60

Bảng 4.8: Tỷ lệ % VIIRS AOD và AERONET AOD 61

Bảng 4.9: Đánh giá MODIS và VIIRS AOD theo các quốc gia 63

Bảng 4.10: Đánh giá AOD theo khu vực thành thị và nông thôn 68

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Bão bụi tại Phoenix năm 2011 6

Hình 1.2: Ồng khói nhà máy thải khói ra môi trường không khí 6

Hình 1.3:Mạng lưới các trạm quan trắc mật đất trên thế giới 9

Hình 1.4: Mạng lưới các vệ tinh quan sát Trái đất 9

Hình 2.1: Bức ảnh đầu tiên thu được của MODIS vào 24/2/2000 12

Hình 2.2: Cấu trúc cảm biến MODIS 12

Hình 2.3: Quá trình xử lý của MODIS [14] 13

Hình 2.4: Minh họa cách tổ chức các điểm ảnh của sản phẩm 10Km và 3 km 15

Hình 2.5: Các tập dữ liệu từ ảnh sol khí MODIS 16

Hình 2.6: Bản đồ các điểm cháy khu vực Đông Nam Á ngày 28/09/2015 17

Hình 2.7: Các tập dữ liệu ảnh vệ tinh VIIRS 20

Hình 2.8: Thiết bị đo đạc của trạm quan trắc AERONET 21

Hình 3.1: Mô hình đánh giá dữ 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: Quá trình tích hợp số liệu từ MODIS, VIIRS và AERONET 32

Hình 3.5: Tích hợp dữ liệu của vệ tinh và của các trạm AERONET 33

Hình 3.6: Quá trình đánh giá và các tham số thống kê sử dụng trong nghiên cứu 34

Hình 4.1: Các nước trong khu vực Đông Nam Á [9] 37

Hình 4.2: bản đồ các nước đông nam á [7] 38

Hình 4.3: Bản đồ các trạm AERONET thực hiện nghiên cứu 39

Hình 4.4: Các giai đoạn thực nghiệm 41

Hình 4.5: Tải sản phẩm sol khí MODIS 3 km 42

Hình 4.6: Tải sản phẩm sol khí VIIRS 43

Hình 4.7: Tải dữ liệu AOD từ AERONET 44

Hình 4.8: Tải dữ liệu các điểm cháy của MODIS 44

Hình 4.9: Chương trình tiền xử lý sản phẩm MODIS 45

Hình 4.10: Chương trình lọc giá trị cờ chất lượng ảnh VIIRS 46

Hình 4.11: Chương trình tiền xử lý sản phẩm VIIRS 47

Hình 4.12: Chương trình xử lý dữ liệu từ AERONET 49

Hình 4.13: Mô hình cơ sở dữ liệu 50

Hình 4.14: Các tệp CSV sau khi tích hợp dữ liệu AOD 52

Hình 4.15:Xác định thời gian và bán kính tích hợp dữ liệu 54

Hình 4.16: Xác định T và R cho VIIRS 55

Hình 4.17: Biểu đồ xu hướng MODIS AOD trung bình qua các năm 56

Hình 4.18: Biểu đồ xu hướng MODIS AOD trung bình các tháng trong năm 57

Hình 4.19: Biểu đồ tán xạ thể hiện MODIS AOD của toàn khu vực 59

Hình 4.20: Biểu đồ VIIRS AOD trung bình năm từ 2012 – 2016 60

Hình 4.21: AOD trung bình các tháng trong năm của VIIRS và AERONET 61

Hình 4.22: Biểu đồ tán xạ thể hiện VIIRS AOD của toàn khu vực 62

Hình 4.23: Tương quan của MODIS AOD, VIIRS AOD và AERONET AOD từ 2012 – 2016 của (a) Hồng Kông, (b) Indonesia, (c) Lào, (d) Malaysia, (e) Philippines, (f) Singapore, (g) Đài Loan, (h) Thái Lan, (i) Việt Nam 65

Hình 4.24: Sự biến đổi MODIS và VIIRS AOD theo gió mùa đông bắc và gió mùa tây nam 66

Hình 4.25 Diễn biến MODIS vfa VIIRS AOD qua các năm ở khu vực thành thị và nông thôn 67

Hình 4.26: Đánh giá MODIS, VIIRS, AERONET AOD theo khu vực thành thị và nông thôn 68

Hình 4.27: Biểu đồ thống kê số các điểm cháy theo năm 69

Hình 4.28: Biểu đồ thống kê số điểm cháy theo các tháng 70

Hình 4.29: Biểu đồ AOD theo số lượng các vụ cháy rừng năm 2012 70

Hình 4.30: Biểu đồ AOD theo số lượng các vụ cháy rừng năm 2013 71

Hình 4.31: Biểu đồ AOD theo số lượng các vụ cháy rừng 71

Hình 4.32: Biểu đồ AOD theo các vụ cháy rừng năm 2015 72

Hình 4.33: Biểu đồ AOD theo số lượng các vụ cháy rừng năm 2012 73

Hình 4.34: Thống kê các điểm cháy tại Hồng Kông 73

Hình 4.35: Thống kê các điểm cháy tại Indonesia 74

Hình 4.36: Thống kê các điểm cháy tại Lào 75

Hình 4.37: Thống kê các điểm cháy tại Malaysia 75

Hình 4.38: Thống kê các điểm cháy tại Philippines 76

Hình 4.39: Thống kê các điểm cháy tại Singapore 76

Hình 4.40: Thống kê các điểm cháy tại Thái Lan 77

Hình 4.41: Thống kê các điểm cháy tại Đài Loan 78

Hình 4.42: Thống kê các điểm cháy tại Việt Nam 78

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề, định hướng nghiên cứu

Trong những năm qua, với xu thế đổi mới và hội nhập, các nước trong khu vực Đông Nam Á và khu vực lân cận đã và đang từng bước đổi mới hướng đến công nghiệp hóa Tuy nhiên, cùng với sự phát triển mạnh mẽ đó, các quốc gia vẫn đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, trong đó có vấn đề ô nhiễm môi trường không khí Khói bụi, chất thải từ các nhà máy, tình trạng đốt rừng và phá huỷ hàng ngàn hecta rừng nguyên sinh phục vụ cho công nghiệp và nông nghiệp, núi lửa phun trào…dẫn đến ô nhiễm không khí nghiêm trọng đặc biệt là các thành phố lớn Ô nhiễm không khí cùng với việc khai thác tài nguyên không hợp lý, chặt phá rừng bừa bãi…, làm cho tầng Ozon bị thủng, gây nên hiệu ứng nhà kính và đặc biệt là thay đổi khí hậu toàn cầu gây nên hiện tượng

El nino kèm theo những trận mưa lụt, bão khủng khiếp và hạn hán kéo dài Ô nhiễm không khí không chỉ là vấn đề nóng tập trung ở các đô thị phát triển, các khu, cụm công nghiệp… mà đã trở thành mối quan tâm của toàn xã hội

Sol khí là một trong số các thành phần gây ô nhiễm không khí Theo [1] sol khí

có thể ảnh hưởng trực tiếp tới khí hậu do tính tán xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời của chúng làm thay đổi cân bằng năng lượng của hệ thống Trái đất - Khí quyển Sol khí ảnh hưởng gián tiếp tới khí hậu bởi chúng là hạt nhân ngưng kết mây và hạt nhân của băng,

có khả năng làm thay đổi tính chất quang học, vi vật lý và thời gian tồn tại của mây Chính vì vậy, hiểu biết về phân bố và xu hướng biến đổi theo không gian và thời gian của sol khí là rất quan trọng để hiểu về đặc điểm của sol khí và ảnh hưởng của chúng đến khí hậu Trái đất

Nhằm giám sát sol khí và khí hậu, NASA và PHOTONS cùng với hàng trăm các cộng tác viên đến từ các trường đại học, các cơ quan… đã thiết lập lên một mạng lưới quan trắc tại nhiều khu vực trên thế giới Mặc dù vậy việc giám sát sol khí còn nhiều hạn chế trong việc duy trì hoạt động và cung cấp số liệu nghiên cứu Mặt khác các thông

số này chỉ đại diện cho một khu vực nhỏ đặt trạm quan trắc mà không thể giám sát liên tục cũng như bao quát toàn bộ Trái đất Vì vậy, các nhà khoa học đã nghiên cứu và thực hiện gắn các thiết bị lên vệ tinh để giám sát sol khí, khí hậu, đất, nước với phạm vi rộng lớn hơn Sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh trong giám sát ô nhiễm không khí trong đó

có sol khí là một hướng tiếp cận đầy hứa hẹn Các nghiên cứu gần đây chỉ ra tiềm năng trong việc sử dụng công nghệ ảnh vệ tinh viễn thám như MODIS, VIIRS… giám sát ô nhiễm kết hợp với các nguồn quan trắc mặt đất AERONET Nhằm đảm bảo chất lượng của nguồn dữ liệu đầu vào khi sử dụng sản phẩm ảnh vệ tinh cho các ứng dụng, cần thực

hiện đánh giá chất lượng các sản phẩm Theo hướng nghiên cứu này, tôi thực hiện

Nghiên cứu và đánh giá độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ tinh dựa trên các trạm quan trắc cho khu vực Đông Nam Á cùng với Đài Loan và Hồng Kông

2 Mục tiêu của luận văn

Ảnh viễn thám được ứng dụng trong quản lý khí hậu và biến đổi môi trường, giám sát ô nhiễm không khí, nguồn nước, đất đai…cập nhật khí hậu theo từng vùng, địa phương, hỗ trợ dự báo thời tiết, phân loại các địa hình, thành lập bản đồ… Để ứng dụng các sản phẩm ảnh sol khí từ vệ tinh vào trong các nghiên cứu và hệ thống giám sát, cần thực hiện đánh giá các sản phẩm sol khí này Vì vậy, tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu

và đánh giá độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ tinh dựa trên các trạm quan trắc” Với mục đích nghiên cứu và đánh giá độ dày quang học sol khí (AOD) từ ảnh vệ tinh, tôi đã bước đầu làm chủ được kiến thức và công nghệ trong lĩnh vực này

Để đạt được mục tiêu trên, tôi đã nghiên cứu và học tập lý thuyết về ảnh vệ tinh,

từ đó đi vào nghiên cứu các sản phẩm về sol khí Đồng thời, nhằm đối chiếu với dữ liệu

từ các trạm quan trắc tôi đã bước đầu nắm được các tri thức, công cụ và kĩ thuật xử lý

và trích xuất dữ liệu sol khí từ ảnh vệ tinh Từ đó, tích hợp dữ liệu từ ảnh vệ tinh và dữ liệu từ trạm quan trắc trên mặt đất để tiến hành đánh giá

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu, đánh giá và xác định được xu hướng biến đổi của độ dày quang học sol khí theo biến trình năm, theo tháng trên phạm vi toàn khu vực và theo từng quốc gia dựa trên số liệu từ các trạm quan trắc Đồng thời, đưa ra các nhận định về mối quan hệ giữa nồng độ sol khí trên các quốc gia và các điểm cháy trong khu vực

3 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Luận văn giới hạn nghiên cứu trong khu vực Đông Nam Á, Đài Loan và Hồng Kông Trên cơ sở đó, tôi đã thực hiện nghiên cứu về ảnh viễn thám, tiền xử lý và giải đoán ảnh Trong đó tập trung tìm hiểu về ảnh vệ tinh MODIS AOD có độ phân giải 3

km và ảnh vệ tinh VIIRS AOD có độ phân giải 6 km Đồng thời thực hiện tìm hiểu về các công cụ mã nguồn mở để xử lý và trích xuất dữ liệu ảnh viễn thám Trong đó có bộ thư viện GDAL (Geospatial Data Abstraction Library) giúp đọc các thông tin siêu dữ liệu (metadata), trích xuất các band chứa dữ liệu sol khí, chuyển đổi các định dạng và tạo các ảnh Ngôn ngữ kịch bản Python và ngôn ngữ lập trình PHP được sử dụng để viết các mã lệnh xử lý ảnh vệ tinh Cơ sở dữ liệu không gian PostgreSQL – PostGIS lưu trữ thông tin ảnh vệ tinh và dữ liệu ảnh dưới dạng raster

Bước tiếp theo sẽ thực hiện trích xuất dữ liệu sol khí từ ảnh vệ tinh MODIS và VIIRS, lấy dữ liệu từ các trạm quan trắc, lấy dữ liệu cháy rừng…Sau khi có đầy đủ dữ liệu, thực hiện tích hợp dữ liệu ảnh vệ tinh và dữ liệu từ các tram quan trắc dựa trên khoảng thời gian và không gian xác định

Cuối cùng, đưa ra các đánh giá và phân tích độ dày quang học sol khí dựa trên các tham số thống kê như trung bình số học, độ lệch chuẩn, sai số,… Từ các thông số phân tích trên, thực hiện đánh giá AOD theo toàn khu vực, theo quốc gia, đánh giá mối tương quan giữa AOD từ ảnh vệ tinh và AOD từ trạm quan trắc, đánh giá mối quan hệ giữa AOD và tình hình cháy trong khu vực nghiên cứu

4 Kết cấu của luận văn

Bên cạnh phần mở đầu, kết luận, phụ lục, hình vẽ và bảng biểu minh hoạ, nội dung luận văn bao gồm 3 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về sol khí và ảnh vệ tinh: trình bày tổng quan về ô nhiễm không

khí, khái niệm, nguồn gốc và tác hại của sol khí, độ dày quang học sol khí và phương pháp quan sát

Chương 2: Các sản phẩm sol khí: trình bày về các sản phẩm sol khí của MODIS, VIIRS

và AERONET nói chung Đi sâu vào sản phẩm MODIS AOD 3 km, MCD14ML, VIIRS AOD 6 km và dữ liệu các trạm quan trắc

Chương 3: Phương pháp: trình bày về phương pháp tiền xử lý ảnh vệ tinh, tích hợp dữ

liệu AOD từ trạm mặt đất và dữ liệu AOD từ ảnh vệ tinh, đánh giá AOD từ ảnh vệ tinh

Chương 4: Thực nghiệm: trình bày kết quả thực nghiệm, đánh giá và phân tích về AOD

từ ảnh vệ tinh

1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ

1.1 Tổng quan về ô nhiễm không khí

Ô nhiễm không khí là sự có mặt của các chất lạ trong không khí hay là sự biến đổi quan trọng trong thành phần khí quyển gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người, sinh vật và các hệ sinh thái khác

Ngoài các thành phần chính của không khí, bất kỳ một chất nào ở dạng rắn, lỏng, khí được thải vào môi trường không khí với nồng độ đủ để gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người, gây ảnh hưởng xấu đến sự sinh trưởng, phát triển của động, thực vật, phá huỷ vật liệu, làm giảm cảnh quan môi trường đều gây ô nhiễm môi trường không khí

Có thể phân chia chất gây ô nhiễm không khí thành hai loại: chất ô nhiễm sơ cấp

và thứ cấp Chất ô nhiễm sơ cấp: Là chất ô nhiễm xâm nhập trực tiếp vào môi trường từ nguồn phát sinh: SO2, CO2, CO, bụi…Chất ô nhiễm thứ cấp: Là chất thâm nhập vào môi trường thông qua phản ứng giữa các chất ô nhiễm sơ cấp và phản ứng thông thường của khí quyển: SO3 sinh ra từ SO2 + O2; H2SO4 sinh ra từ: SO2 + O2 + H2O…

Các nhân tố góp phần tạo nên ô nhiễm không khí bao gồm cả nhân tố tự nhiên và

do con người Các nhân tố tự nhiên như: động đất, núi lửa phun trào phát tán khói bụi

và các chất ô nhiễm vào không khí, bão cát sa mạc, cháy rừng gây ra các đám khói mù bao phủ trên diện rộng, quá trình phân hủy động thực vật… Các nhân tố ô nhiễm do con người tạo ra thường phát sinh từ quá trình hoạt động công nghiệp như đốt than, dầu tại các nhà máy nhiệt điện, khói bụi từ các phương tiện giao thông, các công trình xây dựng, sinh hoạt, nông nghiệp, dịch vụ thương mại,

Ô nhiễm không khí gây ra nhiều thảm họa như là hiện tượng “nghịch đảo nhiệt” kìm hãm không cho khí thải phát tán lên cao gây ra hiện tượng trúng độc Hiện tượng nóng lên của Trái đất làm cho băng tan và mực nước biển dâng cao Hiện tượng này cũng do sự phát triển của các khu công nghiệp không đảm bảo việc xử lý chất thải, dẫn đến hiện tượng hiệu ứng nhà kính Hiện tượng nóng lên toàn cầu gây ra khô hạn do thiếu nước tại nhiều khu vực Mưa axit tác động lên Động, thực vật làm thiếu thức ăn cho các loài động vật và phá huỷ các loài thực vật Đặc biệt, ô nhiễm không khí đe dọa sức khỏe của con người, như bệnh về hô hấp, tim mạch, tăng nguy cơ ung thư, bệnh về da… Theo công bố năm 2016 của WHO, hơn 80% dân số thành thị trên toàn cầu đang hít thở bầu không khí kém trong lành và điều này đang làm gia tăng nguy cơ mắc các loại bệnh ở người dân (tỷ lệ này là 98% các thành phố có mức thu nhập thấp và trung bình, trong khi đó, tại các thành phố có mức thu nhập cao, tỷ lệ này là 56%) [2]

1.2 Tổng quan về sol khí

1.2.1 Khái niệm

Sol khí (aerosol) bao gồm các hạt rắn, lỏng tồn tại lơ lửng trong khí quyển, là một trong những tác nhân quan trọng gây nên biến đổi tính chất quang học, hóa học khí quyển, chúng tác động tới quá trình hình thành mây, tán xạ và hấp thụ năng lượng bức

xạ, gây nên những biến đổi trong hệ thống thời tiết - khí hậu [1]

Theo [3] bán kính hạt sol khí chia thành 3 cấp khác nhau Phần tử cực nhỏ (< 0.1 µm): phát sinh từ các phần tử khí như khí SO2 (phát sinh từ phun trào núi lửa, đốt các nguyên liệu như gỗ, than, phân khô, rơm, rác…), NOx (phát sinh từ việc đốt nguyên liệu trong động cơ đốt trong, trong quá trình hàn điện, khói thải từ các phương tiện…) và Cacbon hữu cơ dễ bay hơi bị oxi hóa và ngưng tụ lại Phần tử cực lớn (xấp xỉ 1 µm): là các hạt thô, do gió và sự di chuyển của các luồng khí, bốc hơi nước đẩy lên bầu khí quyển Phần tử trung gian (0.1 µm – 1 µm): đây là dạng sol khí tích tụ lâu nhất từ vài ngày đến vài tuần trong khí quyển Ảnh hưởng tới biến đổi khí hậu vì khả năng tương tác với năng lượng mặt trời

Sol khí là gốc rễ của một số các vấn đề về môi trường bao gồm ô nhiễm không khí, sự phá hủy của tầng ozon… Sol khí tác động trực tiếp và gián tiếp lên trữ lượng bức

xạ của Trái đất và khí hậu Sol khí trực tiếp phản xạ và phân tán các tia bức xạ mặt trời vào không gian Một vài các thành phần trong sol khí có thể hấp thụ các tia bức xạ mặt trời Tác động gián tiếp là khi sol khí ở tầng thấp của khí quyển có thể làm thay đổi kích

cỡ của các phần tử mây, làm thay đổi phản xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời của mây, và như vậy tác động lên trữ lượng năng lượng của Trái đất Sol khí cũng đóng vai trò làm nơi gây ra các phản ứng hóa học Đáng kể nhất là phản ứng có tác động phá hoại ozon

ở tầng bình lưu Các phản ứng hóa học xảy ra ở khu vực tập trung nhiều các phần tử mây bụi Các phản ứng này chủ yếu là phản ứng Clo và cuối cùng chúng phá hủy ozon

ở tầng bình lưu

Chúng ta có thể nhận thấy sự hiện diện của sol khí khi chúng đủ lớn thông qua

sự phân tán và hấp thụ tia bức xạ mặt trời của sol khí Sự phân tán bức xạ mặt trời của sol khí có thể làm giảm khả năng nhìn và làm ửng đỏ khi mặt trời mọc và mặt trời lặn Những sol khí này có nhiều nguồn gốc, có thể là nguồn gốc tự nhiên như từ đất, từ muối biển, từ các đám cháy thực vật, từ núi lửa phun trào, từ bão cát… hoặc cũng có thể do con người tạo ra từ việc đốt cháy các chất thải, nhiên liệu than và dầu trong các khu công nghiệp, từ các phương tiện giao thông, rác thải sinh hoạt… tạo ra các phần tử sulfat, cacbon đen

1.2.2 Nguồn gốc sản sinh sol khí

Sol khí được sản sinh từ nhiều nguồn khác nhau Trong đó có một số nguồn chiếm

tỷ trọng lớn và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và sự biến đổi khí hậu như: sol khí núi lửa, bụi sa mạc, sol khí do con người

Loại sol khí thứ nhất phải kể đến là sol khí của núi lửa Loại sol khí này được hình thành ở tầng bình lưu sau các trận phun trào lớn của núi lửa Lớp sol khí chủ yếu hình thành bởi khí SO2, sau đó chuyển đổi thành các giọt axit sulfuric trong tầng bình lưu tồn tại từ một tuần tới vài tháng sau khi núi lửa phun trào Sau mỗi lần hình thành, các sol khí này tồn tại trong tầng đối lưu khoảng hai năm Chúng phản xạ bức xạ mặt trời, giảm lượng năng lượng tới tầng thấp hơn của khí quyển và bề mặt Trái đất, từ đó làm lạnh bề mặt Trái đất trong thời gian dài

Loại sol khí thứ hai có tác động đáng kể lên khí hậu là bụi sa mạc (Hình 1.1 bão bụi) Bụi hấp thụ cũng như phân tán tia bức xạ mặt trời Thông qua hấp thụ tia bức xạ mặt trời, các phần tử bụi làm ấm lớp khí quyển nơi chúng cư trú Không khí ấm được cho là nguyên nhân ngăn chặn sự hình thành của mây Thông qua sự ngăn chặn hình thành mây, mưa… dẫn đến thiếu hụt nước ở các khu vực này Vì vậy, màn bụi được cho

là nguyên nhân gây ra sa mạc hoá tại nhiều khu vực trên thế giới

Hình 1.1: Bão bụi tại Phoenix năm 2011 Hình 1.2: Ồng khói nhà máy thải khói ra môi

trường không khí

Loại sol khí thứ ba là do các hoạt động của con người Phần lớn sol khí tạo bởi con người là do khói bụi từ cháy rừng nhiệt đới, ô nhiễm khu công nghiệp, khí thải từ giao thông, đốt than và dầu phục vụ công nghiệp và nông nghiệp (Hình 1.2 cho thấy hoạt động gây ra sol khí của con người tại các nhà máy công nghiệp) Sol khí sulfat không hấp thụ bức xạ mặt trời nhưng phản xạ chúng, bởi vậy làm giảm lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái đất Sol khí sulfat tồn tại trong khí quyển khoảng 3 – 5 ngày Sol khí sulfat tạo bởi con người trong khí quyển đang tăng lên nhanh chóng kể từ cuộc cách mạng công nghiệp Với mức độ sản xuất hiện tại, lượng sol khí sulfat của con người

tạo ra đã vượt xa nhiều lần lượng sol khí mà núi lửa phát thải hàng năm Nghiêm trọng nhất là tại các vùng đô thị, khu công nghiệp… Cần có biện pháp để làm giảm các loại sol khí do con người tạo ra bằng cách sử dụng các nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường, quy hoạch đúng cách sự phát triển nông nghiệp, công nghiệp, bảo vệ các rừng đầu nguồn…từ đó giảm trừ một cách hiệu quả và lâu dài tác động của sol khí đến động vật, thực vật và con người.

1.2.3 Tác động của sol khí lên Trái đất

Sol khí ảnh hưởng tới khí hậu theo cách trực tiếp bởi phản xạ tia bức xạ từ mặt trời vào không gian Một phần sol khí sẽ phân tán và hấp thụ các tia bức xạ này Do đó

số lượng bức xạ mặt trời đến bề mặt Trái đất sẽ giảm xuống Các hạt sol khí tối hơn như cacbon đen hấp thụ một lượng đáng kể bức xạ làm ấm lớp khí quyển chứa carbon đen

và làm lạnh bề mặt Trái đất Theo NASA, các đám mây sol khí phản xạ khoảng 25% lượng bức xạ mặt trời quay trở lại không gian

Sol khí ảnh hưởng gián tiếp đến khí hậu thông qua ngưng kết của mây, làm thay đổi tính chất vật lý vi mô của mây, đặc tính bức xạ và thời gian tồn tại của mây Những thay đổi vật lí vĩ mô của mây như độ bao phủ, cấu trúc, độ cao và những thay đổi vật lý

vi mô như kích thước hạt có tác động lớn tới khí hậu Sol khí tác động tới độ phản xạ của mây và thời gian tồn tại của mây Sự hấp thụ bức xạ mặt trời và phản xạ lại bức xạ

đó của các phần tử hình thành sau các vụ cháy, đã dẫn đến hệ quả là làm nóng khối không khí và làm thay đổi độ ổn định khí quyển

Các sol khí gốc sulfat có vai trò hạt nhân ngưng tụ mây làm cho các đám mây có giọt nhỏ và nhiều hơn Các đám mây này phản xạ bức xạ mặt trời có hiệu quả hơn là các đám mây ở dạng giọt lớn Hiệu ứng này cũng làm cho các giọt mây có kích thước đồng nhất hơn, làm giảm sự hình thành giọt mưa và làm mây phản chiếu mạnh hơn đối với ánh sáng mặt trời tới Trái đất Bồ hóng (soot) có thể làm lạnh hoặc ấm tùy thuộc vào vật thể nó bám trong khí quyển Bồ hóng bám trên các sol khí trong khí quyển hấp thụ trực tiếp bức xạ mặt trời làm nóng khí quyển và làm lạnh bề mặt đất Thêm vào đó, sol khí làm thay đổi hiệu ứng bức xạ tại đỉnh khí quyển và làm thay đổi năng lượng tới bề mặt thông qua các quá trình đối lưu, bốc hơi và giáng thủy Cả hai hiệu ứng trực tiếp và gián tiếp đều làm giảm lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái đất, làm tăng nhiệt của cột khí quyển

Các sol khí gây bất lợi cho sức khỏe của con người và làm giảm tầm nhìn bởi sự phân tán và hấp thụ bức xạ Chất lượng không khí suy giảm sẽ làm gia tăng nguy cơ đột qụy, mắc các bệnh về tim mạch, ung thư phổi, các bệnh hô hấp cấp tính và mãn tính

Theo thống kê của WHO vào năm 2015, hằng năm trên thế giới có khoảng 2 triệu trẻ

em bị tử vong do nhiễm khuẩn đường hô hấp cấp, trong đó khoảng 60% trường hợp có liên quan đến ô nhiễm không khí Sol khí cũng ảnh hưởng tới sự quang hợp và tỉ lệ hấp thụ cacbon của hệ sinh thái

1.3 Độ dày quang học sol khí

Để tính toán độ dày quang học sol khí (AOD), người ta thực hiện đo sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng mặt trời của các thành phần trên một cột không khí tính từ vị trí tại mặt đất đến đỉnh của bầu khí quyển Để dễ dàng quan sát AOD, người ta đã tạo ra các thiết

bị đo và thiết lập các trạm đo đạc tại nhiều điểm trên toàn thế giới Có 2 phương thức sử dụng các thiết bị đo để quan sát độ dày quang học sol khí là từ mặt đất và từ vệ tinh

Quan sát từ mặt đất: là phương pháp sử dụng các quang kế đặt trên bề mặt Trái đất để đo sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng mặt trời của các phần từ sol khí Phương pháp này có độ chính xác cao, nhưng nó chỉ đại diện cho một khu vực nhỏ quanh trạm

Quan sát từ vệ tinh: là phương pháp sử dụng các cảm biến được gắn trên vệ tinh

để đo lường Phương pháp này kém chính xác hơn, nhưng có độ che phủ lớn nên được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và giám sát sol khí trong khu vực và toàn cầu

1.3.2 Phương pháp quan trắc

Độ dày quang học sol khí (AOD) là thước đo của sol khí (ví dụ như sương mù

đô thị, các đám mây khói, bụi sa mạc, muối biển) phân bố trong một cột không khí từ dụng cụ (đặt trên bề mặt Trái đất) đến đỉnh của bầu khí quyển (Top of Atmosphere) [10] Điện áp (V) được đo bởi một quang kế mặt trời tỉ lệ thuận với độ chiếu sáng (I) tới dụng cụ ở bề mặt Áp suất quang phổ (Io) về điện áp (Vo) ước tính được bằng phép đo

quang phổ mặt trời Độ sâu quang học tổng thể (τTOT) có thể đạt được theo phương trình (1) theo luật Beer-Lambert-Bouguer:

V (λ) = Vo (λ) d2 exp [-τ (λ)TOT * m] (1)

Trong đó:

V là điện áp kỹ thuật số đo được ở bước sóng λ.Vo là điện thế ngoài Trái đất,

d là tỷ số trung bình với khoảng cách Trái đất-Mặt trời,

τTOT là chiều sâu quang học tổng thể, và

m là khối lượng không khí quang học

Các thành phần khí quyển khác có thể phân tán ánh sáng và phải được xem xét khi tính toán AOD Độ sâu quang học do hơi nước, tán xạ Rayleigh và các khí khác phụ thuộc vào bước sóng phải được trừ đi từ tổng chiều sâu quang học để thu được thành phần của sol khí theo công thức (2):

τ(λ)Aerosol = τ(λ)TOT - τ(λ)water - τ(λ)Rayleigh - τ(λ)O3 - τ(λ)NO2 - τ(λ)CO2 - τ(λ)CH4 (2)

Để nghiên cứu tình Hình về khí hậu toàn cầu trong đó có sol khí, người ta đã thiết lập các trạm quan trắc trên toàn thế giới AERONET là một trong các chương trình như vậy Mạng lưới này được thiết lập bởi NASA và PHOTONS cùng với rất nhiều các cộng tác viên từ các cơ quan, viện nghiên cứu, các trường đại học từ khắp nơi trên thế giới Hình 1.3 thể hiện mạng lưới các trạm quan trắc trên toàn thế giới Chương trình cung cấp một cơ sở dữ liệu công cộng dài hạn, liên tục và dễ tiếp cận về các đặc tính quang học, vật lý và bức xạ của sol khí Mạng lưới sử dụng chuẩn hóa các công cụ, hiệu chuẩn,

xử lý và phân phối để đảm bảo tính nhất quán trong dữ liệu Hệ thống cung cấp các sản phẩm về AOD, nước, các sản phẩm Aerosol Inversion và các sản phẩm phụ khác Có thể được tải xuống các sản phẩm này từ địa chỉ chính thức của AERONET

Hình 1.3:Mạng lưới các trạm quan trắc

mật đất trên thế giới

Hình 1.4: Mạng lưới các vệ tinh quan

sát Trái đất

Đồng thời, nhiều vệ tinh được phóng lên để quan sát và nghiên cứu về đất, nước, tầng ozon và khí hậu Trái đất Hình 1.4 cho thấy mạng lưới các vệ tinh quan sát Trái đất

ví dụ như cảm biến MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) được gắn trên vệ tinh Aqua và vệ tinh Terra, VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) được gắn trên vệ tinh Suomi-NPP, MIRS được gắn trên vệ tinh Aqua và Terra, OMI (Ozon Monitoring Instrument) được gắn trên vệ tinh AURA… Các vệ tinh này bay quanh Trái đất theo quỹ đạo và gửi số liệu quan sát và chụp được về trung tâm

1.3.3 Mối quan hệ giữ độ dày quang học sol khí và ô nhiễm không khí

Một trong số các thành phần gây ô nhiễm không khí là bụi và sol khí Các chất này gây ảnh hưởng tới cân bằng sinh thái, là nguồn gốc gây nên sương mù, cản trở phản

xạ tia mặt trời, làm thay đổi pH trên mặt đất (tro bụi có tính kiềm); tích tụ chất độc (kim loại nặng, hydrocacbon thơm ngưng tụ ) trên cây cối; gây ăn mòn da; làm hại mắt và

cơ quan hô hấp Độ dày quang học sol khí là đại lượng đặc trưng cho sự tán xạ và hấp thu ánh sáng mặt trời của sol khí AOD có giá trị càng cao thì khu vực bị ô nhiễm càng nặng

Các nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học trên thế giới về việc kết hợp giữa ảnh viễn thám khí tượng MODIS và dữ liệu quan trắc tại các trạm khí tượng mặt đất đã

có nhiều kết quả đáng kể Trong đó có việc chứng minh được mối liên hệ và tìm ra sự tương quan giữa AOD và nồng độ PM Theo [11] Particulate Matter (PM) là một số hỗn hợp phức tạp của các hạt rất nhỏ và các giọt chất lỏng gây ô nhiễm tìm thấy trong không khí PM có kích cỡ 1 – 10 m gây ảnh hưởng nghiêm trọng nhất tới sức khỏe con người

Nghiên cứu của Pawan Gupta và cộng sự vào năm 2006 [10] đã chỉ ra mối quan

hệ mật thiết giữa AOD và PM2.5 (các chất gây ô nhiễm không khí có kích thước nhỏ hơn 2.5 µm) Theo nghiên cứu, AOD có nguồn gốc từ vệ tinh là số liệu tốt để giám sát chất lượng không khí PM trên Trái đất Tuy nhiên, phân tích cũng cho thấy mối quan hệ giữa PM2.5 và AOD phụ thuộc mạnh vào nồng độ sol khí, độ ẩm môi trường xung quanh (RH), độ che phủ của mây… Dựa trên sự tương quan này, nhiều tác giả đã thực hiện ước tính nồng độ PM dựa trên số liệu AOD từ vệ tinh Năm 2005, YANG LIU và cộng

sự đã nghiên cứu về ước tính PM2.5 ở miền Đông nước Mỹ sử dụng ảnh viễn thám [12].Nghiên cứu của Nguyễn Thị Nhật Thanh và cộng sự năm 2014 [13] đã thực hiện ước tính nồng độ PM1, PM2.5 và PM10 từ các sản phẩm khí quyển thu được từ các ảnh vệ tinh Nghiên cứu áp dụng hồi quy tuyến tính (MLR) và hồi quy hỗ trợ (SVR) để tạo ra các mô hình dữ liệu thực nghiệm cho ước lượng PM 1/2.5/10 từ dữ liệu vệ tinh và mặt đất Các thí nghiệm được thực hiện tại Hà Nội - Việt Nam

2 CHƯƠNG 2: CÁC SẢN PHẨM ẢNH VỆ TINH

Với sự phát triển của hệ thống vệ tinh quan sát Trái đất hiện nay, các ứng dụng

sử dụng sản phẩm sol khí từ ảnh vệ tinh hỗ trợ giải quyết các bài toán ô nhiễm không khí cũng được quan tâm đặc biệt AOD được xem như một trong những tham số quan trọng cần được các vệ tinh giám sát AOD đo được từ vệ tinh thể hiện sự phân bố theo chiều dọc của các hạt tính từ mặt đất tới đỉnh khí quyển (Top Of Atmosphere - TOA) Trong đó có ba loại sản phẩm sol khí được mô tả kĩ trong chương này là: sản phẩm sol khi từ MODIS, sản phẩm sol khí từ VIIRS, sản phẩm sol khí từ trạm quan trắc AERONET MODIS cung cấp bốn loại sản phẩm sol khí cấp 2 là MOD04_3K, MYD04_3K, MOD04_L2 và MYD04_L2 VIIRS cung cấp một loại sản phẩm sol khí

là VIIRS Aerosol EDR Ellipsoid Geolocation (GAERO) kết hợp VIIRS Aerosol Optical Thickness (AOD) EDR (VAOOO) AERONET cung cấp ba loại sản phẩm sol khí là sản phẩm AEROSOL OPTICAL DEPTH (v2), AEROSOL OPTICAL DEPTH (v3) và sản phẩm AEROSOL INVERSIONS ở cấp 1, 1.5 và 2 Luận văn chủ yếu tập trung vào bốn sản phẩm chính là MOD04_3K, MYD04_3K của MODIS; GAERO VAOOO của VIIRS

và AEROSOL OPTICAL DEPTH (v2) cấp 2.0 của AERONET

2.1 Sản phẩm sol khí của MODIS

2.1.1 Giới thiệu về MODIS

MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) là cảm biến được gắn trên vệ tinh Terra (đưa vào hoạt động từ 18 tháng 12 năm 1999) ban đầu là EOS-AM1

và Aqua (đưa vào hoạt động từ 4 tháng 5 năm 2002) ban đầu là EOS PM1 Người ta sử dụng cảm biến này để thu nhận và tạo ra các ảnh vệ tinh nhằm phục vụ các nghiên cứu

về mặt đất, khí quyển, đại dương trong đó có sol khí Bức ảnh vệ tinh đầu tiên được gửi

về vào ngày 24 tháng 2 năm 2000 (Hình 2.1)

Vệ tinh Terra mang theo MODIS di chuyển từ Bắc xuống Nam theo phương giảm dần và đến khoảng 10:30 sáng sẽ bay qua xích đạo Vệ tinh Aqua hoạt động từ phía Nam

về phía Bắc theo phương tăng dần đến khoảng 1:30 chiều sẽ qua xích đạo Khoảng thời gian quỹ đạo bay trong 99 phút Chu kỳ lặp lại là 16 ngày với tốc độ quét: 1,477 lần quét/giây và độ rộng của bề mặt quét được (swath) là 2330 km MODIS có chu kỳ chụp lặp lại cao, trong một ngày đêm có thể thu nhận được 2 ảnh ban ngày và 2 ảnh ban đêm đối với mọi vùng trên trái đất Terra MODIS và Aqua MODIS quét toàn bộ diện tích Trái đất mỗi 1-2 ngày MODIS được thiết kế để chụp ảnh trên bốn dải bước sóng khác nhau gồm: nhìn thấy, gần hồng ngoại, hồng ngoại ngắn, sóng hồng ngoại sóng dài

MODIS có kích cỡ 1.0 x 1.6 x 1.0 m, nặng 228.7 kg, công suất tiêu thụ là 162.5 W Tốc

độ truyền tải dữ liệu đạt 10.6 Mbps vào giờ cao điểm, trung bình đạt 6.1 Mbps

Hình 2.1: Bức ảnh đầu tiên thu được

của MODIS vào 24/2/2000

Hình 2.2: Cấu trúc cảm biến MODIS

Hình 2.2 cho thấy cấu trúc của cảm biến MODIS Scan Mirror Assembly được

sử dụng để quét hai mặt liên tục ở ± 55 độ Hệ thống bốn cụm Focal Plane Assemblies

- FPAs: VIS, NIR, SWIR / MWIR và LWIR để bao phủ toàn bộ dải phổ từ 0,4 đến 14,4

μm Bộ làm mát bức xạ thụ động hiệu suất cao giúp làm mát tới 83K cho 20 dải phổ hồng ngoại Hệ thống này cũng bao gồm bốn bộ hiệu chuẩn: bộ khuếch tán năng lượng mặt trời (Solar Diffuser - SD), vân tay (v-groove Blackbody - BB), bộ kiểm chuẩn (Spectroradiometric calibration assembly - SRCA) và máy theo dõi độ ổn định mặt trời (SDSM - Solar Diffuser Stability Monitor) Space-view door (SVD) có hai chức năng

là hạn chế ô nhiễm và để ngăn chặn năng lượng của Trái đất từ việc tiếp xúc với Radiative Cooler

Cảm biến MODIS được thiết kế với 36 băng phổ từ 0,4 đến 14.5μm Trong đó,

có 2 băng phổ (250 m ở điểm thấp nhất), 5 băng phổ (500 m ở điểm thấp nhất) và 29 băng phổ (1000 m ở điểm thấp nhất) Trong đó có 490 đầu dò và có thể tạo nhiều mẫu theo dõi trên mỗi lần quét với độ chính xác (12-bit) Các băng phổ được sử dụng cho nghiên cứu sol khí thuộc độ phân giải không gian là 250 mét với các dải phổ là 620 –

670 nm, 841 – 876 nm, và 500 mét với các dải phổ là 459 – 479 nm, 545 – 565 nm, 1230 – 1250 nm, 1628 – 1652 nm, 2105 – 2155 nm

2.1.2 Các sản phẩm sol khí của MODIS

Dữ liệu thô thu nhận được từ MODIS sẽ được xử lý để tạo thành các sản phẩm Tuỳ từng mục đích nghiên cứu, MODIS đưa ra nhiều sản phẩm khác nhau như sản phẩm

chưa được hiệu chỉnh ở cấp 0 và 1; sản phẩm về khí hậu như các sản phẩm sol khí, Water vapor, Cloud Top Properties, Atmospheric Profiles, Cloud Mask…; sản phẩm liên quan đất đai như Land Surface Reflectance, Vegetation Indices Đối với lĩnh vực nghiên cứu về khí hậu mà đặc biệt là các sản phẩm về sol khí, quá trình tạo ra các sản phẩm này được mô tả như Hình 2.3

Hình 2.3: Quá trình xử lý của MODIS [14]

Số liệu vệ tinh MODIS được phân theo 4 cấp: 0; 1B; 2; 3.Số liệu cấp 0 là số liệu thô; Cấp 1B là số liệu đó được hiệu chỉnh và đưa về vị trí địa lý Số liệu cấp 2 là số liệu

đã được hiệu chỉnh và đưa về lưới tọa độ có độ phân giải không gian 10km × 10km và

3 km x 3 km Số liệu cấp 3 bao gồm số liệu trung bình ngày, trung bình 8 ngày và trung

bình tháng Số liệu này được chuyển về lưới tọa độ toàn cầu

Bảng 2.1: Danh sách các sản phẩm sol khí từ MODIS

MODIS

Là sản phẩm tạo thành từ việc tập hợp các gói dữ liệu của thiết bị đo gửi về

Angstrom, thông tin về chất lượng…

Profiles Sản phẩm chứa các thông số về khí hậu

Reflectance

Sản phẩm chứa các thông số về bề mặt Trái đất

Qua quá trình xử lý và phân tích từ dữ liệu thô, các sản phẩm MODIS được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực như: đại dương, đất, khí quyển, nước, đại dương, bề mặt băng tuyết… Sản phẩm sol khí được ước tính sử dụng hai giải thuật Deep Blue và Dark Target Dữ liệu chính của sản phầm này là độ dày quang học sol khí ở bước sóng 550nm Ngoài ra, sản phẩm còn cung cấp thêm nhiều thông tin khác về tán xạ, góc thiên để, góc thiên đỉnh, thông tin chất lượng, thông số Angstrom… Một số định danh của sản phẩm bắt đầu bằng MOD là sản phẩm MODIS thu nhận từ vệ tinh Terra và MYD là sản phẩm MODIS thu nhận từ vệ tinh Aqua Có nhiều sản phẩm khí quyển khác nhau được sinh

ra trong quá trình xử lý của MODIS như Bảng 2.1

2.1.3 Sản phẩm sol khí MODIS 3 km (MOD04_3K và MYD04_3K)

Sản phẩm MOD04_3K và MYD04_3K cung cấp dữ liệu sol khí cấp 2 với độ phân giải không gian là 3 km x 3 km Trung bình mỗi ngày có 144 tệp ảnh cho mỗi sản phẩm Mỗi tệp ảnh có kích cỡ khoảng 7MB Luận văn sử dụng sản phẩm được cung cấp tại LAADS DAAC [15]

Sản phẩm sol khí cấp hai của

MODIS cung cấp tại hai độ phân giải

không gian là 3x3 km và 10x10 km Cả

hai loại sản phẩm này đều sử dụng chung

thuật toán Dark Target Sự khác biệt

giữa hai loại sản phẩm này là kích thước

của các pixel Sản phẩm 10km được cấu

dữ liệu tại bước sóng 0.47, 0.66, 0.86, 1.24, 1.38, 2.11 µm Kênh 1.38 µm được sử dụng cho mặt nạ mây Kênh 0.66 và 0.86 µm có độ phân giải là 250m, các kênh còn lại có độ phân giải là 500m Các giá trị đo được tại các kênh được tính trung bình ở 500m để tạo nên dữ liệu kết hợp cả đất liền và đại dương Chi tiết về giải thuật tham khảo [16]

Sản phẩm MOD04_3K và MYD04_3K xuất hiện trong collection 6 và 6.1 Ảnh

vệ tinh MODIS 3 km có nhiều dữ liệu khác nhau Hầu hết dữ liệu là mảng 2 chiều với

451 dòng và 676 cột Mỗi tệp ảnh được định dạng theo kiểu HDF (Hierarchical Data

Format – một định dạng dữ liệu theo kiểu phân cấp) bao gồm 14 trường dữ liệu về Dimension, 2 trường dữ liệu về kinh độ và vĩ độ, 57 trường dữ liệu chính do MODIS thu nhận được (Hình 2.5) Chi tiết các tập dữ liệu của ảnh sol khí MODIS có thể xem chi tiết tại Phụ lục 2 Trong đó, các dữ liệu chính về sol khí là dữ liệu kết hợp cả đại dương và đất liền tại 550nm - “Optical Depth Land And Ocean” với cờ chất lượng tốt nhất tại đất liền là 3 và đại dương là 1, 2, 3.Một số các dữ liệu khác trong sản phẩm MODIS 3 km như: dữ liệu về kinh độ, vĩ độ, dữ liệu về cờ chất lượng, dữ liệu về thông

số Angstrom…

Hình 2.5: Các tập dữ liệu từ ảnh sol khí MODIS

Dữ liệu sol khí được lưu theo kiểu số nguyên, để có được giá trị AOD thực tế, cần sử dụng công thức tính toán sau:

Float value = scale_factor * (stored integer - add_offset)

2.1.4 Sản phẩm điểm cháy của MODIS (MCD14ML)

Để hỗ trợ cảnh báo cháy, MODIS đã đưa ra các sản phẩm MODIS Active Fires Dựa trên số liệu thu nhận được từ vệ tinh, MODIS cung cấp số liệu các điểm cháy hàng tháng qua sản phẩm MCD14ML (Hình 2.5 thể hiện bản đồ về các điểm cháy trong khu vực Đông Nam Á) Global Monthly Fire Location Product (MCD14ML) là sản phẩm định vị hỏa hoạn hàng tháng chứa vị trí địa lý, ngày, và một số thông tin bổ sung cho mỗi điểm cháy được phát hiện bởi các cảm biến Terra và Aqua MODIS trên cơ sở hàng tháng MCD14ML được sử dụng để phân tích mật độ cháy, độ lệch tiêu chuẩn và chiều dài của thời gian cháy Sản phẩm được tổng hợp dựa trên cơ chế MODIS Fire Science

Computing Facility (SCF), thường có độ trễ từ 2 đến 3 tháng so với các sản phẩm thời gian thực

Sản phẩm MCD14ML được cung cấp tại Land Processes Distributed Active Archive Center (LP-DAAC) Ngoài ra, sản phẩm MCD14ML còn được cung cấp tại một máy chủ FTP của Đại học Maryland [17] Luận văn sử dụng sản phẩm các điểm cháy được cung cấp tại máy chủ FTP của Đại học Maryland

Hình 2.6: Bản đồ các điểm cháy khu vực Đông Nam Á ngày 28/09/2015

Sản phẩm MCD14ML được phân phối dưới dạng tệp ASCII (văn bản) thông thường với các trường chiều rộng cố định Cấu trúc tệp tin sản phẩm bao gồm các trường

dữ liệu:

- YYYYMMDD: Năm tháng ngày

- HHMM: Giờ phút

- Sat: T: Terra; A: Aqua

- Lat, lon: đơn vị độ , là kinh độ và vĩ độ

- T21, T31: Nhiệt độ sang

- Sample: số mẫu

- FRP: Công suất bức xạ, đơn vị MW

- Conf: % Độ tin cậy (0-100)

- Type: 0 cháy thực vật; 1 núi lửa hoạt động; 2 nguồn khác; 3 ngoài khơi

2.2 Các sản phẩm sol khí của VIIRS

2.2.1 Giới thiệu về VIIRS

Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) bắt đầu được hoạt động vào ngày 28 tháng 10 năm 2011 trên con tàu Suomi-NPP Suomi-NPP có quỹ đạo giống các tàu vũ trụ A-Train (CloudSat, CALIPSO, Terra MODIS), nhưng có vị trí cao hơn, đến khoảng 13:30 sẽ bay qua đường xích đạo với chu kỳ lặp lại khoảng 16 ngày VIIRS có

độ rộng 3040 km với độ phân giải không gian 375 m NPP quan sát bề mặt Trái đất 2 lần/24h, một lần vào ban ngày một lần vào ban đêm.

VIIRS thu chụp ảnh trong dải phổ nhìn thấy và hồng ngoại gần (9 kênh), hồng ngoại trung (8 kênh) và hồng ngoại nhiệt (4 kênh) với các bức xạ từ bề mặt đất, khí quyển và đại dương Dữ liệu VIIRS được sử dụng để nghiên cứu các đặc tính của mây

và sol khí, màu nước biển, nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ mặt nước biển, nhiệt độ và sự di chuyển của băng, cháy rừng và chỉ số albedo Các nhà nghiên cứu sử dụng dữ liệu từ VIIRS để củng cố sự hiểu biết của con người về hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu, nghiên cứu về đất và đại dương

VIIRS được thiết kế gồm 5 kênh có độ phân giải cao - High resolution Imagery channels (I-bands), 16 kênh có độ phân giải trung bình - Moderate resolution channels (M-bands) và các kênh cho ngày / đêm - Day/Night Band (DNB) VIIRS sử dụng các kênh M1, M2, M3, M4, M5, M7 để thu nhận dữ liệu liên quan đến sol khí

Vệ tinh NPP truyền dữ liệu từ thiết bị thu nhận tới tới trung tâm (các dữ liệu thô) Sau đó xử lý các dữ liệu thô (RDRs) để tạo các Dữ liệu Cảm biến (SDRs) Các dữ liệu này được xử lý thành Dữ liệu môi trường (EDRs) Cuối cùng các dữ liệu RDRs, SDRs,

và EDRs được chuyển sang CLASS (Comprehensive Large Array-Data Stewardship System) [18] để phân phối và lưu trữ Đây là một hệ thống quản lý dữ liệu môi trường của NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)

2.2.2 Các sản phẩm sol khí của VIIRS

Có hai loại sản phẩm chính về sol khí của VIIRS là VIIRS AOD IP và VIIRS AOD EDR Các sản phẩm này được tạo thành dựa trên việc phân tích các dữ liệu thô (RDRs), đây là dữ liệu cấp 0 Sau đó dữ liệu thô được phân tích thành các SDR là các

dữ liệu cấp 1B Và các dữ liệu được tổng hợp lại thành các EDR là dữ liệu cấp 2

RDRs là dữ liệu nhị phân được tạo ra bởi các cảm biến trên tàu vũ trụ NPP Chúng chứa dữ liệu về kỹ thuật và cảm biến cũng như dữ liệu khoa học để sản xuất SDRs

SDRs chứa dữ liệu đã hiệu chỉnh và dữ liệu phản xạ TOA cùng với vị trí địa lý, được tạo ra từ việc xử lý RDR cùng với cờ chất lượng và siêu dữ liệu

EDRs chứa dữ liệu về môi trường được chia thành bốn phần: đất đai, đại dương, mây, và sol khí EDR của VIIRS chứa AOD cho 11 bước sóng từ 0.412 đến 2.25 µm và

hệ số Angstrom Các giá trị này được lưu trữ dưới dạng mảng 96 x 400 của các số nguyên 16-bit EDR sol khí yêu cầu dữ liệu về vị trí địa lý tương ứng để phân tích

IP là các sản phẩm phụ hoặc các tập con dữ liệu thu được từ VIIRS được tạo ra thông qua quá trình xử lý Một số sản phẩm IP như mặt nạ mây và độ dày quang học sol khí cũng được cung cấp cho người dùng Sản phẩm IP của VIIRS có chứa AOD ở 550

nm và số liệu các thông số Angstrom Đây là dữ liệu ở ~ 750 m, được lưu trữ trong mảng

768 x 3200

Bảng 2.2: Sự khác nhau giữa sản phẩm IP AOD và EDR AOD

Số pixel 1 pixel (~750m) 8x8 pixels (~6kn)

Lưu trữ Lưu trong mảng 768 X 3200 số

thực

Lưu trong mảng 96 x 400 số nguyên Cần nhân với giá trị scale và cộng với offset

Giá trị -9999

Sự khác biệt giữa Aerosol IP và Aerosol EDR là tệp tin IP AOD chứa thông tin

từ Hệ thống Phân tích và Dự báo của Hải đội Hải quân (NAAPS) (Bảng 2.2 thể hiện sự khác biệt giữa hai sản phẩm IP AOD và EDR AOD của VIIRS) Khi có điểm ảnh không

có kết quả thu được do đám mây hoặc bề mặt sáng hoặc thời gian ban đêm, NAAPS dự đoán AOD được tính đến thời gian quan sát, trong khi EDR của không sử dụng Các cờ chất lượng cho Aerosol IP là 0 - tốt, 1 – hỏng, 2 - loại trừ, và 3 – không sử dụng Chỉ nên sử dụng dữ liệu có cờ chất lượng 0

Để có được các sản phẩm phục vụ nghiên cứu, quá trình xử lý sẽ áp dụng các thuật toán, chi tiết có thể tìm đọc tại [19] Giải thuật tạo ra các sản phẩm về sol khí sẽ lấy các dữ liệu về AOD ở các pixel trong dải 11 bước sóng (0.412, 0.445, 0.488, 0.550, 0.555, 0.672, 0.746, 0.865, 1.240, 1.610, và 2.250 μm) Thuật toán hiện tại không lấy

được các đặc tính của sol khí trên các bề mặt sáng, trong các điểm ảnh bị ảnh hưởng bởi đám mây hoặc vào ban đêm AOD được tính riêng cho đất và đại dương Sản phẩm dữ liệu VIIRS được lưu trữ và phân phối ở định dạng HDF5 Các sản phẩm này là kết quả của việc sử dụng các thuật toán khác nhau

2.2.3 Sản phẩm sol khí EDR AOD

Sản phẩm là tệp Định vị địa lý sol khí kết hợp với tệp chứa dữ liệu độ dày quang học sol khí và các dữ liệu liên quan Các tệp tin được đóng gói chính xác với dữ liệu vị trí địa lý sẽ bắt đầu bằng mã sản phẩm "GAERO-VAOOO" Sản phẩm được NOAA cung cấp cho người sử dụng tại NOAA-CLASS [18] và NASA cung cấp tại LAADS DAAC [15] Luận văn sử dụng sản phẩm được cung cấp tại NOAA-CLASS

Sản phẩm ảnh vệ tinh VIIRS 6 km sau khi tải về được định dạng theo kiểu HDF5 với ký hiệu là h5 ở đuôi tệp tin Ảnh chứa các thông tin về siêu dữ liệu trong đó có thông tin về các GCP (Ground Control Point) được Các GCP làm tăng độ chính xác toàn cầu của bản đồ vệ tinh, giúp bảo đảm vĩ độ và kinh độ của bất kỳ điểm nào trên bản

đồ của bạn tương ứng chính xác với tọa độ GPS thực tế

Hình 2.7: Các tập dữ liệu ảnh vệ tinh VIIRS

Ảnh vệ tinh chứa nhiều tập dữ liệu nhỏ khác nhau (Hình 2.6 thể hiện các tập dữ liệu ảnh vệ tinh VIIRS) Tệp tin gồm có 2 nhóm dữ liệu chính là vị trí địa lý và dữ liệu

về sol khí Các tập dữ liệu về độ dày quang học sol khí được lưu trên một mảng hai chiều các số nguyên với kích thước là 384 x 400 Sản phẩm chứa dữ liệu về vị trí địa lý,

cờ chất lượng, vị trí quan sát, AOD tại các bước sóng khác nhau, hệ số Angstrom

Đối với ảnh vệ tinh VIIRS, một số các tập dữ liệu về sol khí được sử dụng trong luận văn là AerosolOpticalDepth_at_550nm: độ dày quang học sol khí tại 550nm, QF1_VIIRSAEROEDR: cờ chất lượng dữ liệu, dữ liệu vị trí địa lý ( kinh độ, vĩ độ), thông số về scale/ofset … Phụ lục 3 mô tả cụ thể hơn các tập dữ liệu trong sản phẩm sol khí của VIIRS

2.3 Dữ liệu sol khí của AERONET

2.3.1 Giới thiệu về AERONET

AERONET (AErosol RObotic NETwork) là một mạng lưới liên kết các điểm quan trắc trên Trái đất được NASA và PHOTONS thiết lập Chương trình có sự đóng góp của các cộng tác viên từ các cơ quan, viện nghiên cứu, trường đại học, các nhà khoa học cá nhân và các đối tác quốc gia Chương trình cung cấp một cơ sở dữ liệu tên miền công cộng lâu dài, liên tục và dễ tiếp cận về các đặc tính quang học, vật lý và bức xạ của sol khí cho nghiên cứu Hình 1.3 thể hiện mạng lưới các vị trí quan trắc trên thế giới AERONET cung cấp dữ liệu quan

sát trên toàn cầu về độ dày quang học

(AOD) Tại các vị trí quan trắc, các máy đo

quang phổ mặt trời của CIMEL đa năng thực

hiện phép đo độ phản xạ và bức xạ mặt trời

(Hình 2.7), các máy đo thế hệ mới có thể đo

vào thời gian ban đêm dựa vào bức xạ ánh

sáng mặt trăng Thiết bị gồm một đầu cảm

biến được được gắn vào một robot 40 cm

Robot này tự động cảm ứng và di chuyển đầu

cảm biến ở mặt trời hoặc mặt trăng theo một

chương trình được lập trình sẵn Bộ điều

khiển và các thiết bị đi kèm được đặt trong

một vỏ nhựa có kích thước 30 cm x 62 cm x

46 cm Trọng lượng tổng thể của máy đo

quang phổ Cimel xấp xỉ 15 kg Hình 2.8: Thiết bị đo đạc của trạm quan trắc

học được tính từ sự suy giảm của chùm tia bức xạ trực tiếp tại mỗi bước sóng dựa trên Luật Beer-Bouguer Sự suy giảm do tán xạ Rayleigh, sự hấp thụ ozon, và các chất ô nhiễm không khí được ước lượng và loại bỏ để lấy ra độ dày quang học sol khí Một chuỗi ba phép đo đó được thực hiện cách nhau 30 giây để tạo ra một tập quan sát cho mỗi bước sóng Các phép đo có khoảng cách thường là 15 phút

Dữ liệu được truyền đi theo hai cách: truyền qua vệ tinh hoặc truyền qua internet Truyền qua vệ tinh được thực hiện theo giờ hoặc nửa giờ từ bộ nhớ của bộ vi xử lý qua

Hệ thống Thu thập Dữ liệu (DCS) tới một trong ba vệ tinh không đồng bộ GOES, METEOSAT hoặc GMS và sau đó được truyền lại đến trạm tiếp nhận mặt đất thích hợp Ngoài ra, dữ liệu có thể được tải về tự động và lưu trữ trên máy tính cục bộ Máy tính này có thể chạy phần mềm để tự động chuyển các tập tin sang hệ thống xử lý AERONET thông qua Internet Ngoài ra, người dùng có thể tải các tập tin bằng tay sử dụng máy tính hoặc máy tính xách tay và đưa các tệp này vào hệ thống xử lý

Tại Việt Nam, tháng 10 năm 2005, Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ NASA đã

ký biên bản thoả thuận để Việt Nam tham gia trong chương trình AERONET Hiện nay, các trạm quan trắc đã được đặt các trạm tại khu vực: Bắc Giang, Sơn La, Hà Nội, Bạc Liêu, Nha Trang…

2.3.2 Dữ liệu sol khí từ các trạm AERONET

Dữ liệu từ các trạm quan trắc AERONET được chia làm ba cấp: cấp 1.0, cấp độ 1.5 và cấp 2.0 Dữ liệu cấp 2.0 là đảm bảo chất lượng Trong đó các sản phẩm được chia thành hai loại: Aerosol Optical Depth (v2,v3) và Aerosol Inversion Dữ liệu cấp 1.0 cung cấp theo thời gian thực Sau đó khoảng 12 tháng, dữ liệu cấp 2.0 sẽ được cung cấp trên website AERONET [20]

AERONET cung cấp nhiều sản phẩm dựa trên các thuật toán khác nhau Luận văn chủ yếu sử dụng loại sản phẩm Aerosol Optical Depth (v2) Có 4 sản phẩm chính trong loại này: AOD với thông số liên quan nước và hệ số Angstrom; Thông tin dụng

cụ đo; Tổng độ sâu quang học với tất cả các thành phần; Spectral Deconvolution Algorithm (SDA) phân tích ra các thông số Fine Mode AOD, Coarse Mode AOD, và Fine Mode Fraction Sol khí trong khí quyển thường có phân bố hai chiều Các hạt nhỏ hơn có đường kính 0.1 - 0.25 µm được gọi Fine Mode Các hạt lớn hơn có đường kính 1.0 - 2.5 µm là Coarse Mode Fine Mode Fraction là tỷ lệ của sol khí Fine Mode so với tổng thể Đối với mỗi sản phẩm đều có 3 dạng dữ liệu: dữ liệu quan trắc theo thời gian,

dữ liệu trung bình ngày, dữ liệu trung bình tháng Tuỳ từng thời điểm và trạm quan trắc cần lấy dữ liệu, sản phẩm có thể có dữ liệu của cả ba cấp: 1.0, 1.5, 2.0

Bảng 2.3: Các trường dữ liệu sản phẩm AOD cấp 2.0

8 Angstrom cho các dải bước sóng , 380-500, 440-675,

500-870, 340-440, 440-675 nm

9 Last_Processing_Date(dd/mm/yyyy) Ngày xử lý

10 Solar_Zenith_Angle Góc so với mặt trời

Có hai phương pháp có thể xem dữ liệu từ các trạm AERONET là xem trực tiếp trên website bằng các công cụ hiển thị hoặc tải dữ liệu về Dữ liệu tải về là các tệp tin văn bản Sản phẩm sol khí cấp 2.0 có định dạng gồm dữ liệu nhiều trường, chi tiết các trường dữ liệu được liệt kê trong Bảng 2.4.Trong đó có một số các trường dữ liệu được

sử dụng trong luận văn là thời gian, AOD_500 (độ dày quang học sol khí tại 500nm), thông số Angstrom tại dải 440-675 nm sẽ được sử dụng trong luận văn Dữ liệu độ dày quang học sol khí của sản phẩm được lưu dưới dạng số thực

3 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ DÀY QUANG

HỌC SOL KHÍ

3.1 Mô tả bài toán

Hệ thống các vệ tinh quay quanh Trái đất với độ cao và tần suất khác nhau phục

vụ các nhu cầu cho con người Một số vệ tinh vũ trụ dùng để quan sát các hành tinh xa xôi, thiên hà và các vật thể khác ngoài vũ trụ Một số vệ tinh Trái đất quan sát các đặc điểm, khí hậu, đất nước trên Trái đất và cung cấp các sản phẩm về khí hậu Một số vệ tinh phục vụ nhu cầu truyền nhận tín hiệu, quân sự… Vệ tinh Aqua, Terra mang theo bộ cảm biến MODIS và Suomi-NPP mang theo VIIRS là các vệ tinh quan sát Trái đất Các

bộ cảm biến thu nhận và gửi về các dữ liệu liên quan đến khí hậu Một trong số các thông số mà các vệ tinh thực hiện quan sát là độ dày quang học sol khí (AOD hay AOD)

Dữ liệu AOD từ vệ tinh cung cấp số liệu thường xuyên với độ che phủ lớn nên được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu về sol khí Tuy nhiên, việc quan sát các thông

số sol khí tại vị trí cách xa mặt đất dẫn đến nhiều hiện tượng tác động lên số liệu thu nhận được làm cho số liệu này có tính chính xác kém hơn so với đo trực tiếp từ mặt đất

Để hiệu chỉnh và cải thiện tính chính xác của bộ dữ liệu MODIS, VIIRS cũng như xây dựng cơ sở dữ liệu lâu dài cho nghiên cứu khí hậu, các nhà khoa học thực hiện đánh giá bằng cách sử dụng dữ liệu từ các phép đo AOD tại các trạm mặt đất

Mặc dù dữ liệu cho các sản phẩm sol khí của VIIRS và MODIS cấp 2 đã được hiệu chỉnh, nhưng vẫn xuất hiện những sai lệch trên từng khu vực khác nhau Vì vậy, số liệu AOD có thể không chính xác khi sử dụng trong các ứng dụng về giám sát sol khí

và nghiên cứu khí hậu Do vậy, việc thực hiện đánh giá chất lượng của sản phẩm trong khu vực nghiên cứu trước khi đưa vào ứng dụng là vô cùng cần thiết Đánh giá dựa trên việc tích hợp dữ liệu không gian và thời gian là hướng nghiên cứu phổ biến được áp dụng cho các nguồn dữ liệu AOD từ vệ tinh và AOD từ trạm mặt đất Bằng cách sử dụng các kết quả đánh giá chất lượng sản phẩm, luận văn có thể đưa ra đặc điểm của AOD trên từng khu vực khác nhau Đồng thời nâng cao tính chính xác và tăng độ tinh cậy cho ứng dụng khi sử dụng nguồn dữ liệu đầu vào là các sản phẩm sol khí từ vệ tinh

Nhiều tác giả trên thế giới và trong nước đã thực hiện đánh giá các sản phẩm ảnh sol khí của MODIS hay VIIRS trên phạm vi toàn thế giới, một khu vực nhất định hay một quốc gia… Tại khu vực Đông Nam Á có nhiều đánh giá về AOD từ các trạm AERONET hoặc đánh giá về AOD từ MODIS cho sản phẩm 10km hay đánh giá về giải thuật của sản phẩm MODIS 3 km… Tại Việt Nam, đã có tác giả thực hiện đánh giá AOD của sản phẩm MODIS 10km kết hợp với sản phẩm VIIRS AOD 6 km và

CALIPSO AOD Để có được cái nhìn rộng hơn về sản phẩm VIIRS và MODIS cũng như phục vụ các ứng dụng giám sát sol khí và nghiên cứu trộn dữ liệu ảnh độ phân giải thấp với phạm vi rộng lớn hơn, luận văn thực hiện đánh giá MODIS AOD kết hợp với VIIRS AOD dựa trên dữ liệu AERONET AOD tại các trạm quan trắc mặt đất trên các nước Đông Nam Á, Đài Loan và Hồng Kông trong khoảng thời gian từ năm 2012 đến năm 2016 Đây là khu vực lấy Việt Nam làm trung tâm từ đó thực hiện đánh giá trực quan hơn về độ dày quang học sol khí tại khu vực nói chung và Việt Nam nói riêng Để đưa ra được kết quả đánh giá, tôi tiến hành từng bước theo mô hình trong Hình 3.1

Sản phẩm sol khí

của MODIS và

VIIRS

Sản phẩm AOD của AERONET

Trích xuất dữ liệu các điểm cháy

Nội suy sang dữ liệu AOD 550nm

Tích hợp dữ liệu AOD của MODIS, VIIRS và AOD của AERONET

Sản phẩm điểm cháy của MODIS

Đánh giá AOD của MODIS và VIIRS

Dữ liệu AOD sau khi tích hợp

Đánh giá mối quan hệ của AOD

và các điểm cháy

Thu thập dữ liệu nghiên cứu

Hình 3.1: Mô hình đánh giá dữ liệu sol khí

Đầu tiên, các sản phẩm sol khí của MODIS, VIIRS, AERONET và sản phẩm điểm cháy của MODIS được tải về từ các nguồn cung cấp dữ liệu Thứ hai, các ảnh vệ tinh được tiền xử lý và trích xuất dữ liệu AOD tại 550nm để lưu trữ vào cơ sở dữ liệu

Dữ liệu AOD của AERONET được trích xuất và nội suy sang dữ liệu cho AOD tại

550nm Dữ liệu các điểm cháy được lưu trữ vào cơ sở dữ liệu Thứ ba, các dữ liệu độ dày quang học sol khí được tích hợp tạo nên tập dữ liệu AOD của VIIRS, MODIS và AERONET Cuối cùng, sử dụng các dữ liệu đã tích hợp để đưa ra các đánh giá về AOD theo năm, tháng, theo quốc gia và mối quan hệ của AOD với các điểm cháy

3.2 Các nghiên cứu liên quan

3.2.1 Trên thế giới

Hiện nay ô nhiễm không khí là một vấn đề nghiêm trọng trên toàn thế giới, đặc biệt ở các nước đang phát triển Bụi và sol khí là các thành phần gây ô nhiễm không khí

Có hai nguồn dữ liệu chính được cung cấp miễn phí phục vụ nghiên cứu về sol khí là

dữ liệu từ trạm quan trắc AERONET và dữ liệu từ vệ tinh quan sát Trái đất Hiện nay trên thế giới có nhiều cơ sở dữ liệu mở cho các sản phẩm của vệ tinh ví dụ như: LAADS DAAC (Level-1 and Atmosphere Archive & Distribution System Distributed Active Archive Center) cung cấp bộ dữ liệu của MODIS/TERRA, MODIS/AQUA, VIIRS/S-NPP, MERIS/Envisat, Sentinel 3 và một số dữ liệu phụ trợ; NOAA-CLASS cung cấp nhiều sản phẩm của VIIRS/S-NPP, …

Trên thế giới đã có những nghiên cứu liên quan đến đánh giá các sản phẩm sol khí của ảnh vệ tinh dựa trên các trạm quan trắc Ichoku và các cộng sự vào năm 2002

đã đưa ra phương pháp tiếp cận không gian và thời gian cho việc đánh giá sản phẩm MODIS 10km trong phạm vi toàn cầu [21] Kết quả nghiên cứu chỉ ra hệ số tương quan

và hệ số hồi quy cho thấy sự đồng thuận và mối quan hệ tuyến tính với AERONET Khi AOD thấp sự đa dạng của MODIS AOD đối với đất đai bị ảnh hưởng lớn bởi tính đa dạng và tính chất bề mặt đất

Theo định hướng trên, nhiều tác giả đã thực hiện đánh giá các sản phẩm sol khí trên nhiều khu vực nghiên cứu khác nhau Năm 2002, D A Chu và các cộng sự đã đánh giá độ dày quang học sol khí của sản phẩm MODIS 10km theo không gian và thời gian cho khu vực đất liền [22] Kết quả cho thấy sự tương quan giữa các thông số AOD của sản phẩm và AOD của trạm AERONET Việc thu thập MODIS AOD trên đất liền

có độ chính xác vô cùng tốt Tuy nhiên, một số các nguồn lỗi gây ra sai lệch khi thu nhận AOD vẫn chưa được giải quyết, chẳng hạn như mây, tuyết/băng, và ô nhiễm nước Các giá trị tương ứng cho thấy sự tương quan với đô thị /khu công nghiệp ở Bắc Mỹ, Châu Âu, Trung Quốc, và Ấn Độ

Năm 2005, Tripathi và cộng sự [23] đã so sánh MODIS AOD và AERONET AOD tại bước sóng 550nm cho khu vực vịnh Ganga, Ấn Độ Nghiên cứu sử dụng dữ liệu MODIS AOD cấp 2 năm 2004 để đánh giá AOD thu được tại bước sóng 550nm tại thành phố Kanpur (một thành phố công nghiệp nằm trong lưu vực sông Ganga ở phía bắc của Ấn Độ) MODIS AOD quá cao trong giai đoạn trước khi có gió mùa và mùa mưa và thấp trong thời gian sau mùa mưa và mùa đông Phân tích còn cho thấy sự cần thiết phải sửa đổi thuật toán tạo ra các sản phẩm sol khí của MODIS tại khu vực này

Man Sing Wong cùng cộng sự [24] thực hiện xác định tương quan AOD của dữ liệu MODIS, MISR, OMI và CALIPSO với trạm đo mặt đất tại Hồng Kông vào năm

2012 Nghiên cứu này so sánh AOD thu được từ một số sản phẩm MOD04, sản phẩm MISR, và Sản CALIPSO, với AOD AERONET ở Hồng Kông Hồng Kông hai trạm AERONET tại ngoại ô và ven biển Các mối tương quan chặt chẽ, sai số trung bình gốc,

và các khác biệt trung bình tuyệt đối từ dữ liệu thực địa cung cấp một cơ sở vững chắc

để xác nhận các sản phẩm AOD từ các cảm biến khác nhau và ở các quy mô không gian khác nhau trên các loại bề mặt đất khác nhau Kết quả cho thấy các sản phẩm của AOD, đặc biệt là từ MODIS 10 km, cung cấp những quan sát đáng tin cậy và chính xác về giám sát chất lượng không khí hàng ngày đối với nhiều loại bao phủ đất khác nhau cũng như xác định nguồn phát thải tại đây

Năm 2016, Q Xiao và các cộng sự [25] đã đánh giá độ dày quang học sol khí của VIIRS, GOCI, và MODIS Collection 6 ở khu vực Đông Á Nghiên cứu sử dụng dữ liệu AOD từ trạm mặt đất AERONET và DRAGON (Distributed Regional Aerosol Gridded Observation Networks) Dữ liệu vệ tinh từ các sản phẩm sol khí của VIIRS/S-NPP, GOCI (Geostationary Ocean Color Imager), COMS (Communication, Ocean, and Meteorology Satellite), MODIS trong năm 2012 và 2013.Nghiên cứu cho thấy VIIRS EDR và GOCI cung cấp nhiều các giá trị AOD chính xác và có độ che phủ cao hơn VIIRS IP và MODIS cung cấp thêm các thông số cụ thể hơn về phân bố không gian của các hạt sol khí GOCI cung cấp dữ liệu AOD độ chính xác cao, nhưng nó chỉ có ở khu vực Đông Á VIIRS EDR cung cấp dữ liệu AOD độ chính xác cao trên phạm vi toàn cầu một lần cho mỗi ngày, nhưng độ phân giải 6 km tương đối thấp MODIS C6 Sản phẩm 3 km cung cấp AOD có độ phân giải cao với phạm vi toàn cầu, nhưng có xu hướng tích cực ở các khu vực đô thị

3.2.2 Trong nước

Ở Việt Nam, một số nghiên cứu liên quan tới đánh giá dữ liệu AOD của ảnh vệ tinh với các trạm AERONET như của Phạm Xuân Thành cùng cộng sự vào năm 2015

[1] đã đánh giá tương quan và phân tích AOD của ảnh MODIS/TERRA và MODIS/Aqua với các trạm AERONET ở Việt Nam Kết quả cho thấy hệ số tương quan khá cao, có khả năng sử dụng sản phẩm của MODIS trong nghiên cứu AOD ở Việt Nam

Có hai cực đại vào khoảng tháng 10 và tháng 3, hai cực tiểu vào khoảng tháng 12 và tháng 6,7 Hệ số tương quan cao nhất tại Nghĩa Đô đạt 0.9

Trần Tuấn Vinh và nhóm cộng sự trường Đại học công nghệ [26] đã phân tích AOD của sản phẩm sol khí ảnh VIIRS/S-NPP từ 2012 đến 2015 và sản phẩm sol khí ảnh CALIOP từ năm 2006 đến năm 2015 với các trạm AERONET ở Việt Nam Các thí nghiệm được tiến hành tại các địa điểm đặt trạm quan trắc AERONET là Nghĩa Do, Nha Trang và Bạc Liêu nằm ở phía Bắc, Trung và Nam của Việt Nam Kết quả cho thấy VIIRS AOD có chất lượng tốt nhất theo mùa, sai số thấp và hệ số xác định cao VIIRS AOD và AERONET AOD có giá trị lớn trong mùa khô từ tháng 11 đến tháng 3 và giá trị thấp hơn trong mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 9 CALIOP AOD có chất lượng thấp không thể sử dụng trong các nghiên cứu về sol khí nhưng có tiềm năng trong việc nghiên cứu đốt thực vật

Với các sản phẩm AOD thu được, các phương pháp tiếp cận thống kê dựa trên

cơ sở không gian và thời gian đã được áp dụng để đánh giá AOD từ vệ tinh trên các khu vực nghiên cứu khác nhau Dựa trên phương pháp này, tôi thực hiện nghiên cứu và đánh giá độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ tinh trong khu vực Đông Nam Á và lân cận Từ

đó làm căn cứ để sử dụng các sản phẩm này vào các ứng dụng giám sát sol khí, nghiên cứu biến đổi khí hậu, tích hợp dữ liệu vệ tinh từ nhiều nguồn … đối với khu vực xung quanh Việt Nam

3.3 Phương pháp tiền xử lý dữ liệu

3.3.1 Tiền xử dữ liệu ảnh vệ tinh

Dữ liệu ảnh viễn thám thường bao gồm rất nhiều thông tin: nhiều kênh ảnh, nhiều đối tượng, dữ liệu,…vì vậy để nâng cao tính chính xác và hiệu quả khi nghiên cứu ảnh viễn thám, người ta cần nhận biết các đối tượng quan tâm qua quá trình xử lý và giải đoán ảnh Ảnh viễn thám MODIS có định dạng HDF (Hierarchical Data Format) –định dạng ảnh viễn thám cho phép lưu nhiều tập dữ liệu ảnh về các thông tin đối tượng khác nhau trong cùng 1 file, còn ảnh VIIRS có định dạng h5 (HDF5) Khác với ảnh số thông thường ảnh viễn thám bao gồm ma trận điểm ảnh và có thể chứa các thông tin siêu dữ liệu đặc thù như: hệ quy chiếu, các kênh ảnh, kích cỡ ảnh,…Từ đó người sử dụng có thể nhận biết các thông số và hiệu chỉnh ảnh đúng với mục đích sử dụng