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

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 T

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

Error! Bookmark not defined.

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

Error! Bookmark not defined.

2.1 Cơ sở khoa học phương pháp đánh giá chất lượng không khí khu vực

ĐBSH bằng tư liệu vệ tinh Error! Bookmark not defined.

2.1.1 Phươngpháp ướctínhsolkhí từảnhvệtinhError! Bookmark not defined.

2.1.2 Phươngpháptínhtoánhồiquy Error! Bookmark not defined 2.2 Khu vực nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.3 Dữ liệu nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.3.1 Dữ liệu ảnh sol khí MODIS Error! Bookmark not defined 2.3.2 Dữ liệu PM 2.5 từ các trạm quan trắc mặt đấtError! Bookmark not

defined.

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

Bookmark not defined.

2.4.1 Quy trình tổng quát Error! Bookmark not defined 2.4.2 Quy trình tích hợp dữ liệu vệ tinh và quan trắcError! Bookmark not

defined.

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

MODIS Error! Bookmark not defined 2.5 Ứng dụng web-based GIS phục vụ giám sát bụi PM 2.5 Error!

Bookmark not defined.

CHƯƠNG 3 Error! Bookmark not defined KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Thực nghiệm Error! Bookmark not defined 3.1.1 Dữ liệu sol khí Error! Bookmark not defined 3.1.2 Dữ liệu thu được từ các trạm quan trắcError! Bookmark not defined.

3.1.3 Xử lý hình học ảnh Error! Bookmark not defined 3.1.4 Tính toán hồi quy giữa AOD/AOT và PM 2.5Error! Bookmark not

defined.

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

Error! Bookmark not defined.

3.3 WebGis thể hiện bản đồ PM 2.5 Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Error! Bookmark not defined.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined.

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 Error! Bookmark not defined Bảng 2.2 Bước sóng phổ của các kênh ảnh và ứng dụng thực tiễnError! Bookmark

not defined

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

Bookmark not defined

Bảng 3.1 Danh mục các cảnh ảnh Terra Error! Bookmark not defined Bảng 3.2 Danh mục các cảnh ảnh Aqua Error! Bookmark not defined Bảng 3.3 Danh mục các trạm thực địa Error! Bookmark not defined Bảng 3.4 Tương quan giữa AOD và PM2.5 tại các trạmError! Bookmark not defined

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 Error! Bookmark not defined

Hình 2.2 Ví dụ về mối liên hệ tuyến tính Error! Bookmark not defined

Hình 2.3 Bản đồ vùng đồng bằng sông Hồng Error! Bookmark not defined

Hình 2.4 Cấu trúc nhóm các band ảnh raster trong file HDFError! Bookmark not

defined

Hình 2.5 Trạm quan trắc đặt tại Long Biên, Hà Nội Error! Bookmark not defined

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 Error! Bookmark not defined

Hình 2.7 Quy trình tính toán chất lượng không khí khu vực ĐBSHError! Bookmark

Hình 2.10 Thiết kế kỹ thuật của Web-based GIS Error! Bookmark not defined

Hình 2.11 Thiết kế chi tiết của Web-based GIS Error! Bookmark not defined

Hình 2.12 Giao diện WebGis thuộc CPIS Error! Bookmark not defined

Hình 3.1 Ví dụ tư liệu thu thập từ ảnh số hiệu

MOBAOD.A2014002.0345.006.2015072135002 từ vệ tinh TerraError! Bookmark

not defined

Hình 3.2 Ví dụ tư liệu thu thập từ ảnh số hiệu

MYBAOD.A2014001.0610.006.2014273233747từ vệ tinh AquaError! Bookmark

not defined

Hình 3.3 Vị trí 06 trạm mặt đất trên nền bản đồ GIS Error! Bookmark not defined

Hình 3.4 Vị trí 06 trạm trên nền ảnh Modis Terra Error! Bookmark not defined

Hình 3.5 Vị trí 06 trạm trên nền ảnh Modis Aqua Error! Bookmark not defined

Hình 3.6 Giao diện công cụ MRT Error! Bookmark not defined

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

Bookmark not defined

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

Bookmark not defined

Hình 3.9 Tương quan giữa AOD và PM2.5 tại trạm Phú ThọError! Bookmark not

defined

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

Bookmark not defined

Hình 3.11 Tương quan giữa AOD và PM2.5 tại trạm Hạ LongError! Bookmark not

defined

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

Bookmark not defined

Hình 3.13 Tương quan giữa AOD và PM2.5 tại trạm HuếError! Bookmark not defined

Hình 3.14 Sai số của mô hình hồi quy AOD và PM2.5 tại trạm HuếError! Bookmark

not defined

Hình 3.15 Tương quan giữa AOD và PM2.5 tại trạm Đà NẵngError! Bookmark not

defined

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

Bookmark not defined

Hình 3.17 Tương quan giữa AOD và PM2.5 tại trạm Khánh HòaError! Bookmark not defined

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

Bookmark not defined

Hình 3.19 Tương quan giữa AOD và PM2.5 tại 06 trạmError! Bookmark not defined

Hình 3.20 Sai số của mô hình hồi quy AOD và PM2.5 tạị 06 trạmError! Bookmark

not defined

Hình 3.21 Biểu đồ hệ số xác định bội R² theo trạm Error! Bookmark not defined

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

Error! Bookmark not defined Hình 3.23 Giao diện kết nối dữ liệu raster trong GeoseverError! Bookmark not defined

Hình 3.24 Tạo style cho lớp bản đồ PM 2.5 với SLD Error! Bookmark not defined

Hình 3.25 Bản đồ PM 2.5 trên nền WebGis Error! Bookmark not defined

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