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... Chương 2 - Các sản phẩm sol khí: Trình bày về các sản phẩm sol khí của MODIS, VIIRS và AERONET nói chung. Chương 3 - Trình bày về phương pháp tiền xử lý ảnh vệ tinh, tích hợp dữ liệu AOD từ trạm mặt đất. Chương 4 - Trình bày kết quả thực nghiệm, đánh giá và phân tích về AOD từ ảnh vệ tinh.
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Trang 21 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
Trang 3để 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
Trang 4nước, 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
Trang 5Trong 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:
Trang 6Chương 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
5 Nội dung luận văn
5.1 Tổng quan
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
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
Độ dày quang học sol khí - Aerosol Optical Thickness (AOD) hoặc Aerosol Optical Depth (AOD) là đại lượng đặc
Trang 7trưng cho sự suy giảm của tia bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển do hấp thụ và tán xạ của các phần tử sol khí tại điểm quan trắc so với giới hạn trên đỉnh khí quyển
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
5.2 Các sản phẩm ảnh vệ tinh
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)
Trang 8Sản 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]
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
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
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
Trang 9lý và bức xạ của sol khí cho nghiên cứu Hình 1.3 thể hiện mạng lưới các vị trí quan trắc trên thế giới
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]
5.3 Phương pháp
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] 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] 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 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.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
Trang 10Ở 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
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 Quá trình tiền xử lý ảnh có thể chia làm 4 bước:
Bước 1: Thu thập dữ liệu: Ảnh được tải về từ các nhà
cung cấp và lưu trữ trên ổ cứng Thông thường, ảnh tải về đã được các nhà cung cấp ảnh kiểm tra và xử lý dữ liệu ảnh để nâng cao chất lượng ảnh Trong trường hợp sử dụng dữ liệu chưa được hiệu chỉnh, người dùng cần tự hiệu chỉnh ảnh để nâng cao chất lượng
Trang 11Bước 2: Biến đổi ảnh: thay đổi mầu sắc, xoay ảnh,
chỉnh sửa ảnh,…có thể được thực hiện bởi người sử dụng để đạt được hiệu quả cao khi nghiên cứu ảnh
Bước 3: Phân loại ảnh: phân loại các đối tượng trên
ảnh, làm nổi bật các đối tượng quan tâm, trích xuất các dữ liệu mong muốn Ở đây là dữ liệu AOD 550nm Đồng thời chuyển đổi dữ liệu vừa trích xuất sang dạng Geotiff để sử dụng
Bước 4: Kết quả: sau các quá trình xử lý và giải đoán
ảnh, có thể tạo ra các ảnh chuyên đề, các ảnh đã tiền xử lý để làm đầu vào cho các mục đích nghiên cứu khác nhau
Dữ liệu từ vệ tinh và dữ liệu từ các trạm quan trắc trên mặt đất có các độ phân giải về không gian và thời gian khác nhau Vì vậy cần có các ràng buộc để tích hợp theo thời gian
và vị trí Để so sánh AOD giữa MODIS , VIIRS và AERONET, trước hết thành lập mảng số liệu thống kê theo thời gian từ hai nguồn này Việc tạo lập mảng số liệu được tiến hành theo từng bước được thể hiện trong
Sau khi tích hợp dữ liệu dựa trên cách lấy giá trị trung bình trong khoảng thời gian T và bán kính R, để đánh giá AOD cần sử dụng các tham số thống kê Từ các tham số thống
kê, có thể đưa ra các kết quả đánh giá theo ngày, theo tuần, theo tháng, theo năm Hình 3.6 thể hiện quá trình đánh giá và các tham số thống kê
Trang 12Quá trình đánh giá AOT
và VIIRS
Dữ liệu AOT của AERONET
AOT ở 550nm trung bình (thời gian T phút ) AOT cho mỗi trạm ở
Root Mean Square Error (RMSE)
Mean Square Error (MSE)
Relative Error (RE)
Prediction and model result Linear regression
model
Coeficient Of Determination
5.4 Thực nghiệm
Đông Nam Á là một khu vực của châu Á, bao gồm
11 quốc gia: Việt Nam, Lào, Campuchia, Đông Timor, Indonesia, Malaysia, Myanmar, Philippines, Singapore, Thái Lan và Brunei (Hình 4.1) Đông Nam Á nằm ở phía Đông của Tiểu Lục địa Ấn Độ, phía Nam Trung Quốc và phía bắc của
Úc, giữa Ấn Độ Dương (phía tây) và Thái Bình Dương (ở phía đông) Các nước Đông Nam Á được chia ra theo đại lục và biển Các nước Đông Nam Á đại lục, còn được gọi là các nước Đông Dương, bao gồm Việt Nam, Lào, Campuchia, Thái Lan, Myanmar, và (Tây) Malaysia Các nước Đông Nam Á biển,