Luận văn thạc sĩ quản lý tài nguyên và môi trường ứng dụng kỹ thuật viễn thám đánh giá chất lượng không khí trong thời kỳ dịch covid 19 tại thành phố hồ chí minh

Luận văn: Ứng dụng viễn thám đánh giá chất lượng không khí TP.HCM trong dịch COVID-19. Phân tích ảnh Sentinel-5P, chỉ số NO2, UVAI giai đoạn 2019-2022.

• Tác giả: Bành Hoàng Phúc
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Thị Vân
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Quản Lý Tài Nguyên Và Môi Trường
• Đề tài: Ứng Dụng Kỹ Thuật Viễn Thám Đánh Giá Chất Lượng Không Khí Trong Thời Kỳ Dịch Covid-19 Tại Thành Phố Hồ Chí Minh
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Đánh Giá Chất Lượng Không Khí TP

Ô nhiễm không khí trở thành mối quan tâm toàn cầu, đặc biệt là bụi mịn PM2.5, nguyên nhân gây tử vong hàng đầu. Năm 2019, Hà Nội và TP.HCM chứng kiến tình trạng ô nhiễm cục bộ gia tăng, do giao thông, xây dựng và đốt rơm rạ. Đại dịch COVID-19 với các biện pháp giãn cách xã hội đã tác động đến chất lượng không khí. Các hạn chế về công nghiệp và giao thông vận tải tạo cơ hội để nghiên cứu sự thay đổi chất lượng không khí trong giai đoạn này. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng kỹ thuật viễn thám để đánh giá sự thay đổi này tại TP.HCM.

1.1. Vấn Đề Ô Nhiễm Không Khí Tại Các Đô Thị Lớn Việt Nam

Ô nhiễm không khí, đặc biệt là bụi mịn PM2.5, đang là vấn đề nhức nhối tại các đô thị lớn của Việt Nam. Nguyên nhân chính đến từ hoạt động giao thông, xây dựng, và các hoạt động công nghiệp. Các yếu tố thời tiết như nghịch nhiệt và ít mưa cũng góp phần làm gia tăng tình trạng ô nhiễm. Cần có các giải pháp đồng bộ để cải thiện chất lượng không khí, bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

1.2. Tác Động Của Dịch COVID 19 Đến Hoạt Động Kinh Tế Xã Hội

Đại dịch COVID-19 đã gây ra những tác động to lớn đến mọi mặt của đời sống kinh tế - xã hội. Các biện pháp phong tỏa, giãn cách xã hội đã làm gián đoạn hoạt động sản xuất, kinh doanh, và giao thông vận tải. Điều này tạo ra những thay đổi đáng kể trong nồng độ các chất ô nhiễm trong không khí.

II. Thách Thức Đánh Giá Chính Xác Ô Nhiễm Không Khí TP

Đánh giá chính xác chất lượng không khí là một thách thức lớn. Các phương pháp truyền thống dựa vào trạm quan trắc mặt đất gặp hạn chế về phạm vi và tính liên tục. Kỹ thuật viễn thám mang đến giải pháp tiềm năng, cung cấp dữ liệu trên diện rộng và liên tục. Nghiên cứu này sử dụng dữ liệu từ vệ tinh Sentinel-5P để đánh giá ô nhiễm không khí tại TP.HCM trong thời kỳ COVID-19. Việc so sánh kết quả với dữ liệu từ trạm quan trắc cũng được thực hiện để đảm bảo độ tin cậy.

2.1. Hạn Chế Của Các Phương Pháp Quan Trắc Truyền Thống

Các trạm quan trắc mặt đất thường có số lượng hạn chế và phân bố không đều, gây khó khăn trong việc đánh giá tổng quan chất lượng không khí trên diện rộng. Ngoài ra, việc bảo trì và vận hành các trạm quan trắc cũng đòi hỏi chi phí đáng kể.

2.2. Ưu Điểm Của Kỹ Thuật Viễn Thám Trong Quan Trắc Ô Nhiễm

Viễn thám có khả năng cung cấp dữ liệu trên diện rộng, liên tục và với chi phí hợp lý hơn so với các phương pháp truyền thống. Dữ liệu viễn thám có thể được sử dụng để theo dõi biến động chất lượng không khí theo thời gian và không gian.

2.3. Sentinel 5P và khả năng giám sát chất lượng không khí

Vệ tinh Sentinel-5P, một vệ tinh quan sát Trái Đất của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA), có độ phân giải cao, có thể cung cấp dữ liệu về các chất gây ô nhiễm không khí ở độ cao thấp, bao gồm nitơ dioxide (NO2), và các hạt bụi (PM2.5) từ chỉ số UVAI. Đề tài cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng các chính sách và biện pháp giảm thiểu ô nhiễm không khí ở TPHCM.

III. Phương Pháp Ứng Dụng Viễn Thám Đánh Giá Chất Lượng Không Khí

Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật viễn thám để phân tích ảnh Sentinel-5P trong giai đoạn 2019-2022. Các chỉ tiêu chất lượng không khí được trích xuất bao gồm Nitrogen Dioxide (NO2) và Ultraviolet Aerosol Index (UVAI), đại diện cho bụi PM2.5. Dữ liệu được xử lý và phân tích bằng GIS. Kết quả cho thấy NO2 có xu hướng giảm trong thời gian giãn cách xã hội. Tương tự, UVAI (PM2.5) cũng giảm. Kết quả này chứng minh tác động của hoạt động con người đến môi trường.

3.1. Quy Trình Xử Lý Dữ Liệu Ảnh Vệ Tinh Sentinel 5P

Quy trình xử lý bao gồm các bước như thu thập dữ liệu, hiệu chỉnh ảnh, trích xuất thông tin về các chất ô nhiễm, và phân tích thống kê. Nền tảng Google Earth Engine (GEE) được sử dụng để hỗ trợ quá trình xử lý dữ liệu một cách hiệu quả.

3.2. Ứng Dụng GIS Trong Phân Tích Dữ Liệu Chất Lượng Không Khí

GIS được sử dụng để tạo bản đồ phân bố nồng độ các chất ô nhiễm, phân tích sự thay đổi theo thời gian và không gian, và đánh giá mối tương quan giữa chất lượng không khí và các yếu tố khác như mật độ dân số và hoạt động giao thông.

IV. Kết Quả Chất Lượng Không Khí TP

Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ NO2 tại TP.HCM giảm trong thời gian giãn cách xã hội, lần lượt là 6%, 8% và 5% so với năm 2019, 2020 và 2022. UVAI (PM2.5) cũng giảm 32%, 28% và 26% so với cùng kỳ. Điều này chứng tỏ tác động của hoạt động con người đến môi trường. Việc sử dụng ảnh viễn thám Sentinel-5P TROPOMI cho thấy tiềm năng của phương pháp này trong giám sát và phân tích chất lượng không khí ở Việt Nam.

4.1. Phân Tích Biến Động Nồng Độ NO2 Trong Giai Đoạn 2019 2022

Nồng độ NO2 giảm rõ rệt trong thời gian giãn cách xã hội do giảm thiểu các hoạt động giao thông và công nghiệp. Tuy nhiên, sau khi các biện pháp giãn cách được nới lỏng, nồng độ NO2 có xu hướng tăng trở lại.

4.2. Ảnh Hưởng Của Giãn Cách Xã Hội Đến Nồng Độ Bụi Mịn PM2.5

Tương tự như NO2, nồng độ bụi mịn PM2.5 cũng giảm đáng kể trong thời gian giãn cách xã hội. Điều này cho thấy các hoạt động của con người là một trong những nguồn phát thải chính của bụi mịn PM2.5 tại TP.HCM.

4.3. Kiểm chứng dữ liệu viễn thám với trạm quan trắc không khí

Kết quả chỉ số UVAI (đại diện cho bụi mịn PM2.5) thu thập từ ảnh viễn thám được so sánh với chỉ số AQI là kết thực địa thu được từ trạm quan trắc của Lãnh sự quán Hoa Kỳ để kiểm chứng và đối chiếu. Các kết quả phân tích biến động có sự tương đồng cho thấy độ tin cậy của phương pháp nghiên cứu.

V. Giải Pháp Cải Thiện Chất Lượng Không Khí TP

Cần có các giải pháp đồng bộ để cải thiện chất lượng không khí. Các biện pháp bao gồm kiểm soát khí thải từ giao thông và công nghiệp, khuyến khích sử dụng phương tiện giao thông công cộng, và thúc đẩy năng lượng sạch. Việc giám sát chất lượng không khí bằng kỹ thuật viễn thám cần được tăng cường để có thông tin kịp thời và chính xác. Chính sách hỗ trợ người dân tiếp cận thông tin về chất lượng không khí rất quan trọng.

5.1. Kiểm Soát Khí Thải Từ Giao Thông Và Công Nghiệp

Cần tăng cường kiểm tra khí thải từ các phương tiện giao thông và các nhà máy, xí nghiệp. Các biện pháp như sử dụng nhiên liệu sạch và áp dụng công nghệ xử lý khí thải tiên tiến cần được triển khai.

5.2. Phát Triển Giao Thông Công Cộng Và Năng Lượng Sạch

Việc phát triển hệ thống giao thông công cộng hiện đại và khuyến khích sử dụng xe điện, xe đạp sẽ giúp giảm thiểu lượng khí thải từ giao thông. Đồng thời, cần thúc đẩy sử dụng năng lượng mặt trời và các nguồn năng lượng tái tạo khác.

VI. Tương Lai Ứng Dụng Viễn Thám Giám Sát Ô Nhiễm Không Khí Toàn Diện

Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong giám sát chất lượng không khí. Việc ứng dụng kỹ thuật viễn thám có thể được mở rộng để theo dõi ô nhiễm không khí trên toàn quốc. Cần có sự hợp tác giữa các nhà khoa học, cơ quan quản lý, và doanh nghiệp để phát triển các ứng dụng viễn thám trong lĩnh vực môi trường. Dữ liệu viễn thám có thể được sử dụng để dự báo chất lượng không khí, giúp người dân chủ động phòng tránh.

6.1. Mở Rộng Phạm Vi Nghiên Cứu Ra Các Tỉnh Thành Phố Khác

Nghiên cứu này có thể được mở rộng để đánh giá chất lượng không khí tại các khu vực khác của Việt Nam, đặc biệt là các khu vực có mức độ ô nhiễm cao. Điều này sẽ cung cấp thông tin toàn diện hơn về tình trạng ô nhiễm không khí của cả nước.

6.2. Phát Triển Các Mô Hình Dự Báo Chất Lượng Không Khí Dựa Trên Viễn Thám

Dữ liệu viễn thám có thể được sử dụng để xây dựng các mô hình dự báo chất lượng không khí trong tương lai. Điều này sẽ giúp người dân và các nhà quản lý có thể chủ động ứng phó với các tình huống ô nhiễm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ TRONG THỜI KỲ DỊCH COVID-19: Bệnh COVID-19 là một bệnh truyền nhiễm do virus SARS-CoV-2 gây ra. Nó xuất phát từ thành phố Vũ Hán, tỉnh Hồ Bắc, Trung Quốc vào cuối năm 2019. Virus gây bệnh, gọi là SARS-CoV-2 (Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2), là một trong những nguyên nhân gây ra cuộc khủng hoảng dịch bệnh toàn cầu lớn nhất kể từ Thế chiến II.

Với mức độ lây truyền nhanh và đa dạng của nó, SARS-CoV-2 đã tạo ra một loạt thách thức chưa từng thấy đối với hệ thống y tế, kinh tế và xã hội trên khắp thế giới. SARS-CoV- 2 là một loại virus thuộc họ Coronavirus, một họ virus phổ biến và đã gây ra một số đại dịch như SARS và MERS trong quá khứ (WHO, 2014). Tuy nhiên, đặc điểm đáng chú ý của SARS-CoV-2 là khả năng lây truyền nhanh chóng, đặc biệt là qua tiếp xúc với hạt bắn nước bọt và tiếp xúc gần. Đặc biệt hơn là người nhiễm bệnh sẽ không có triệu chứng gì trong thời gian ủ bệnh, điều này đã làm cho việc kiểm soát sự lây lan của virus trở nên phức tạp hơn và khó kiểm soát hơn rất nhiều.

Virus này có thể lây bệnh từ những giọt bắn ra từ miệng hoặc mũi của người bị nhiễm bệnh khi họ nói chuyện, ho, hắt hơi,. Khi bị nhiễm bệnh, thời gian đầu người bệnh sẽ không có biểu hiện triệu chứng gì, chính vì thế yếu tố này gây ra một khó khăn rất lớn trong việc kiểm soát và ngăn ngừa việc lây nhiễm COVID-19 giữa người với người. Virus đặc biệt rất dễ lây lan diện rộng nếu ở nơi tập trung đông người. Mỗi người khi nhiễm COVID-19 thì sẽ chịu những ảnh hưởng về sức khỏe nặng, nhẹ khác nhau tùy theo mỗi trường hợp.

Tuy nhiên, khi nhiễm COVID-19, người bệnh đều có những triệu chứng như sau: sốt, ho, mệt mỏi, mất vị giác hoặc khứu giác, đau họng, đau đầu, tiêu chảy,… và nặng nhất là tử vong. So sánh với các đại dịch khác trong lịch sử nhân loại, COVID-19 có những đặc điểm riêng biệt. So với cúm Tây Ban Nha năm 1918, một trong những đại dịch gây ra tỷ lệ tử vong cao nhất trong lịch sử (Trilla và cộng sự, 2008), COVID-19 có tỷ lệ tử vong thấp hơn, nhưng tốc độ lan truyền nhanh hơn và gây ra tác động thiệt hại về kinh tế nặng nề hơn. Cúm Tây Ban Nha đã gây ra sự hủy diệt hàng loạt và thay đổi mạnh mẽ cuộc sống xã hội (Trilla và cộng sự, 2008).

4 So sánh với dịch SARS năm 2002, dịch SARS cũng xuất phát từ một loại virus Corona chủng mới tại khu chợ thú Trung Quốc, sau đó lan truyền nhanh chóng qua các quốc gia khác qua con đường tiếp xúc gần với người nhiễm bệnh. Chủng virus này được gọi là SARS- CoV (Cherry, 2004). SARS lây truyền chủ yếu qua tiếp xúc trực tiếp với người nhiễm bệnh hoặc qua tiếp xúc với các bộ phận cơ thể nhiễm virus, chẳng hạn như tiết niệu, dãn tràn hoặc hạt bắn nước bọt. Điều này đồng nghĩa với khả năng lây truyền thấp hơn khi so sánh với COVID-19.

SARS thường xuất hiện với triệu chứng sổ mũi, ho, sốt cao, đau họng và khó thở. Triệu chứng nhiễm bệnh thường xuất hiện sau một thời gian tiếp xúc với người nhiễm bệnh và trung bình vào ngày thứ 2 đến 7 sau khi nhiễm virus. Trong khi COVID-19 cũng có các triệu chứng tương tự nhưng người mắc không có triệu chứng gì trong thời gian ủ bệnh, khiến cho sự lây lan bệnh diễn ra nhanh và khó kiểm soát hơn. SARS đã gây ra tác động kinh tế và xã hội, nhưng phạm vi tác động không rộng lớn và nặng nề như COVID-19.

Kinh tế nhiều quốc gia đã phục hồi một cách nhanh chóng sau khi đại dịch được kiểm soát (Cherry, 2004). Sự bùng phát của COVID-19 đang tạo ra những thay đổi lớn trong các hoạt động kinh tế toàn cầu, bao gồm các ngành công nghiệp và giao thông vận tải cũng như trong cuộc sống hàng ngày của người dân về công việc, trường học, mua sắm và giải trí. Nhiều quan sát vệ tinh quan sát cho thấy lệnh phong tỏa giãn cách xã hội quy mô lớn ở Trung Quốc vào đầu năm đã giúp giảm đáng kể tình trạng ô nhiễm khí quyển. Những quan sát này làm nổi bật vai trò quan trọng của các hoạt động của con người trong việc góp phần thay đổi môi trường của chúng ta, đồng thời mang lại cơ hội để hiểu, xác minh và định lượng tác động của các hoạt động giãn cách xã hội khác nhau.

Các nhà khoa học của NASA đã theo dõi những thay đổi về chất lượng không khí bằng vệ tinh Sentinel-5P ở các nước và các thành phố lớn trên thế giới. Các nhà khoa học của NASA cũng đang tận dụng các thiết bị dựa trên không gian khác từ các đối tác quốc tế để nghiên cứu những thay đổi về NO2 trong thời kỳ đại dịch COVID-19. Các thiết bị này bao gồm Công cụ giám sát TROPOspheric (TROPOMI) trên vệ tinh Copernicus Sentinel- 5P của Ủy ban Châu Âu. Ra mắt vào năm 2016, TROPOMI cung cấp các quan sát có độ phân giải cao hơn OMI.

Tại Châu Á, các nhà khoa học NASA quan sát thấy rằng lượng khí carbon monoxide (CO) tầng khí quyển ở miền đông Trung Quốc trong thời kỳ phong tỏa giãn cách xã hội (từ 01/02/2020 đến 10/03/2020) bằng cách sử dụng dữ liệu của NASA ảnh Terra/MOPITT và ảnh Sentinel-5P/TROPOMI của Cơ quan Vũ trụ Châu ÂU (ESA). Các nhà khoa học nhận thấy mức giảm CO cao nhất khoảng 30 đến 45% so với giai đoạn sau Tết Nguyên đán từ năm 2019 sang năm 2020. Kết quả quan sát bằng ảnh MODIS cho thấy CO ở khu vực thành phố Bắc Kinh, Thành Đô, Thượng Hải, Vũ Hán đã giảm trung bình khoảng 6%, với mức giảm cục bộ hơn 46%. Tương tự khi quan sát bằng ảnh vệ tinh Sentinel-5P TROPOMI, kết quả cho thấy CO ở khu vực các thành phố Bắc Kinh, Thành Đô, Thượng Hải, Vũ Hán đã giảm trung bình khoảng 9% và giảm cục bộ trong khu vực lên tới 33%.

Tương tự những thay đổi đáng kể cũng được quan sát thấy ở chỉ tiêu NO2, các nhà khoa học NASA nhận thấy mức giảm NO2 cao nhất là giảm khoảng 70% so với giai đoạn sau Tết Nguyên đán của Trung Quốc năm 2020. Quy mô và mức độ giảm NO2 rộng hơn nhiều so với chỉ tiêu CO phản ánh các nguồn và thời gian tồn tại khác nhau của hai chất gây ô nhiễm. Thời gian tồn tại của CO là vài tháng vào mùa đông, do đó các phép đo bao gồm 6 sự đóng góp từ CO được vận chuyển trên toàn cầu. Thời gian tồn tại của NO2 là vài giờ đến vài ngày, vì vậy các quan sát cho thấy NO2 là nguồn phát thải trực tiếp ra môi trường không khí tại các thành phố lớn ở Trung Quốc nhiều hơn so với CO.

Tại Ấn Độ, các nhà khoa học của NASA cũng quan sát thấy nồng độ các chất ô nhiễm trong không khí có dấu hiệu giảm. Vào ngày 24 tháng 3 năm 2020, Thủ tướng Modi đã ra lệnh ở nhà trên toàn quốc đối với 1,3 tỷ công dân Ấn Độ nhằm làm chậm sự lây lan của COVID-19. Kết quả là lượng nhiên liệu được tiêu thụ ít hơn và do đó, lượng ô nhiễm không khí thải ra ít hơn ở Ấn Độ cũng như ở các nước láng giềng, bao gồm Pakistan, Nepal, Bangladesh và Sri Lanka. Dữ liệu vệ tinh về chỉ tiêu NO2 từ thiết bị giám sát O3 Aura (OMI) cho thấy mức ô nhiễm NO2 trung bình từ ngày 25 tháng 3 đến ngày 25 tháng 4 giảm trên diện rộng, giảm khoảng 30-60%, diễn ra ở hầu hết các nước ở khu vực Nam Á.

Có thể thấy như mức độ ô nhiễm NO2 giảm trung bình khoảng 45% ở Lahore, Pakistan, 45% ở Dhaka và 55% ở Delhi, Ấn Độ. Tại Thành phố Los Angeles, Mỹ, các nhà khoa học của NASA đã quan sát thấy rằng nồng độ nitơ dioxide đã giảm hơn 30% trong thời gian cao điểm ngừng hoạt động liên quan đến COVID. Các thành phố lớn khác trên thế giới cũng có mức giảm tương tự. Các thành phố trên khắp khu vực Nam Mỹ cũng trải qua sự sụt giảm tương tự về lượng mức độ ô nhiễm NO2.

Thành phố Lima, Peru có mức giảm đáng kể nhất, với nồng độ NO2 giảm khoảng 70% so với mức bình thường. Chất lượng không khí cũng được cải thiện đáng kể, thể hiện qua chỉ tiêu độ sâu quang học khí dung (AOD) giảm mạnh, bao gồm cả bụi PM10 và bụi PM2. Chỉ tiêu AOD là chỉ tiêu cho thấy độ ô nhiễm bụi trong khí quyển. Những dữ liệu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về lượng khí thải ô nhiễm ở các thành phố lớn trên thế giới cũng như mức độ hoạt động của con người đang làm thay đổi bầu khí quyển.

Tuy nhiên, để định lượng những thay đổi về ô nhiễm không khí, cần phải phân tích định lượng thêm một cách cẩn thận để tính đến sự khác biệt trong lấy mẫu vệ tinh và những hiện tượng thay đổi hàng năm về khí tượng, bao gồm ảnh hưởng của độ che phủ của mây và các nguồn ô nhiễm khác như cháy rừng. CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ 1. Khái niệm Chất lượng không khí đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc đảm bảo sự sống còn và phát triển của mọi loài sống trên hành tinh. Không khí là nguồn cung cấp oxy quan trọng cho sự tồn tại và phát triển của mọi loài sống trên Trái Đất.

Tuy nhiên, với sự phát triển công nghiệp, sự tăng trưởng dân số và sự gia tăng các hoạt động con người, ô nhiễm không khí đã trở thành một trong những vấn đề chính thách thức mà con người đang phải đối mặt. Chất lượng không khí phụ thuộc vào nồng độ các chất ô nhiễm có trong không khí, bao gồm các khí như khí nitơ dioxide (NO2), khí sulfur dioxide (SO2), khí ozone (O3), khí carbon monoxide (CO) và các hạt bụi và hạt mịn có kích thước nhỏ (PM2. Những chất ô nhiễm này có khả năng xâm nhập sâu vào hệ hô hấp con người, gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như viêm phổi, hen suyễn, bệnh tim mạch và ung thư phổi. Ngoài ra, chúng còn có tác động tiêu cực đến môi trường, gây ra sự mất cân bằng trong hệ sinh thái và ảnh hưởng đến sự phát triển của các loài động vật và thực vật.

Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), ô nhiễm không khí là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây tử vong và mất mát sức khỏe trên toàn cầu. Năm 2019, khoảng 7 triệu người đã mất mạng do các bệnh lý liên quan đến ô nhiễm không khí.