CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM, HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ, CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VIỄN THÁM 1. Lịch sử phát triển của viễn thám Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu dài từ đầu thế kỉ 19, bắt đầu bằng việc chụp ảnh sử dụng phim và giấy trên khinh khí cầu.
Viễn thám thực sự phát triển mạnh mẽ vào những năm 1960 của thế kỉ 20 khi công nghệ phóng vệ tinh đạt được những bước tiến vượt bậc. Bảng 1 tóm tắt quá trình hình thành và phát triển của ảnh viễn thám từ thời kì đầu đến nay [3]. Bảng 1: Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện Thời gian (năm) Sự kiện 1800 Phát hiện ra tia hồng ngoại 1839 Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng 1847 Phát hiện dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy 1850-1860 Chụp ảnh từ khinh khí cầu 1873 Xây dựng học thuyết về phổ điện từ 1909 Chụp ảnh từ máy bay 1910-1920 Giải đoán từ không trung 1920-1930 Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không 1930-1940 Phát triển kỹ thuật radar (Đức, Mỹ, Anh) 1940 Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay 1950 Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy 1950-1960 Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự 1972 Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1 1970-1980 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số 1980-1990 Mỹ phát triển thế hệmới của vệ tinh Landsat 1986 Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo 1990 đến nay Phát triển bộ cảm thu đa phổ, tăng dải phổ và kênh phổ, tăng độ phân giải bộ cảm. Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý mới.
Bên cạnh việc thu ảnh từ vệ tinh, viễn thám cũng sử dụng các phương tiện hàng không khác như máy bay, khinh khí cầu, rada… để chụp ảnh chi tiết với độ phân giải cao ở nhiều nơi trên thế giới. Viễn thám đóng vai trò quan trọng trong đo đạc, giải đoán ảnh, phân tích tín toán dữ liệu ảnh để phục vụ các lĩnh vực khác như nông - lâm – ngư nghiệp, môi trường, quân sự… Cùng với sự phát triển không ngừng của máy tính, các 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com máy tính ngày càng mạnh hơn, cho khả năng tính toán, xử lý dữ liệu lớn nhanh chóng, chính xác. Định nghĩa viễn thám “Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu” [2].
Nguyên lý cơ bản của viễn thám Như chúng ta đã biết, sóng điện từ từ một vật là do phản xạ năng lượng của mặt trời hoặc do vật đó phát xạ. Các cảm biến đặt trên vật mang (máy bay, khinh khí cầu, vệ tinh…) có thể thu nhận được năng lượng điện từ này. Kỹ thuật viễn thám sử dụng dải phổ điện từ từ 0.3 μm (tia cực tím) đến 30cm (vô tuyến) để thu nhận ảnh viễn thám. Hình 1 mô tả nguyên lý hỏa động của viễn thám trong thực tế [2].
Hình 1: Nguyên lý hoạt động của viễn thám 1. Ảnh viễn thám Ảnh viễn thám được chia thành ba loại dựa theo nguồn năng lượng và chiều dài bước sóng: Ảnh quang học: được tạo bởi việc thu nhận các bước sóng ánh sáng nhìn thấy (bước sóng 0. Nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời. Ảnh hồng ngoại: thu được từ bức xạ nhiệt của vật thể phát ra, thấy (bước sóng 0.
Ảnh rada: được tạo ra bằng cách thu nhận các bước sóng cao tần (1mm – 30cm). Nguồn năng lượng chính là sóng rada phản xạ từ các vật thể do vệ 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tinh phát ra. Ảnh rada không bị ảnh hưởng bởi mây, sương mù, cho phép thu nhận năng lượng cả ngày lẫn đêm. Các vệ tinh viễn thám phổ biến Vệ tinh SPOT: Là vệ tinh có độ phân giải cao, được Pháp phóng vào năm 1986, hệ thống vệ tinh SPOT đến nay đã có 4 vệ tinh được đưa lên quỹ đạo.
- Độ bay cao 830 km. - Góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98.70 - Bay qua xích đạo lúc 10h30 sáng. - Chu kỳ lặp lại 26 ngày. Vệ tinh MODIS: Bao gồm 2 loại: MODIS Terra (phóng năm 1999) và MODIS Aqua (phóng năm 2002).
Các vệ tinh này được phóng bởi cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ - NASA và được quản lý bởi cơ quản quản lý khí quyển và đại dương quốc gia Hoa Kỳ. Các vệ tinh có khả năng thu thập thông tin về nhiệt độ, đất đai, đại dương, khí quyển… phục vụ các công tác nghiên cứu viễn thám. MODIS Terra: - Độ bay cao 710. - Góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98.20 - Chu kỳ lặp lại 98.
MODIS Aqua: - Độ bay cao 710. - Góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98,20 - Chu kỳ lặp lại 98. Vệ tinh Suomi National Polar-orbiting Partnership (NPP) Được phóng vào năm 2011, sử dụng chủ yếu để giám sát bề mặt mặt đất, các thảm họa thiên nhiên như núi lửa phun trào, cháy rừng, lũ lụt, hạn hán, bão…NPP quan sát trái đất 2 lần/24 giờ. - Độ bay cao 834 km.
- Góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98.680 - Chu kỳ lặp lại 101. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ - GIS 1. Khái niệm Hệ thống thông tin địa lý - GIS bao gồm các dữ liệu bề mặt trái đất và các thông tin phụ trợ nhằm diễn giải cho người sử dụng dễ hiểu. GIS vốn là một nhánh của công nghệ thông tin hình thành từ thập kỉ 60 của thế kỉ trước và đang rất phát triển trong những năm gần đây.
GIS thu thập thông tin từ bản đồ hoặc thông qua các đo đạc viễn 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thám, điều tra, phân tích mô phỏng. Thông tin địa lý bao gồm 2 loại dữ liệu: dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian. Hiện nay có rất nhiều định nghĩa về GIS nhưng đã thống nhất quan niệm trung lại là: GIS là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý để phục vụ một mục đích nghiên cứu, quản lý nhất định [4]. Cơ sở dữ liệu GIS Cơ sở dữ liệu là thành phần quan trọng nhất của hệ thống GIS, nó là tập hợp của 2 loại dữ liệu, đó là dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian.
Dữ liệu không gian: là những mô tả hình ảnh bản đồ đã được số hóa, bao gồm tọa độ của đối tượng, các quy luật, các kí hiệu để xác định một đối tượng cụ thể trên bản đồ. Dữ liệu phi không gian: diễn tả đặc tính, số lượng, mối quan hệ giữa các hình ảnh đại diện cho đối tượng trên bản đồ đối với vị trí địa lý của chúng. Dữ liệu bản đồ trong hệ thống GIS được chia thành nhiều lớp bản đồ khác nhau được gọi là bản đồ chuyên đề. Mỗi bản đồ chuyên đề bao phủ một lĩnh vực.
Các bản đồ chuyên đề được xếp chồng lên nhau tạo thành một bản đồ hoàn chỉnh chứa thông tin các đối tượng địa lý. Địa giới hành chính Sông rạch Mạng lưới trạm quan trắc Hình 2: Mô hình các lớp dữ liệu trong GIS 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc dữ liệu trong GIS Hệ thống thông tin địa lý có một đặc điểm quan trọng trong tổ chức là: dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính được lưu trữ trong cùng một cơ sở dữ liệu. Hai loại dữ liệu này có liên hệ chặt chẽ với nhau, xem hình 3 [7].
Hình 3: Mô hình dữ liệu Vector và Raster a. Cấu trúc Raster Đây là ảnh chứa thông tin về một bản đồ chuyên đề nào đó. Cấu trúc raster mô phỏng các đối tượng trên bề mặt trái đất bằng một lưới với các hàng và cột. Các ô nhỏ trong lưới gọi là pixel, giá trị của pixel là thuộc tính của đối tượng.
Độ phân giải của dữ liệu raster phụ thuộc vào kích thước của các pixel. Kích thước của pixcel càng nhỏ thì đối tượng được biểu diễn càng chính xác. Cấu trúc dữ liệu raster thường được sử dụng trong việc lưu trữ thông tin dạng ảnh như ảnh vệ tinh hoặc một số mô hình biểu diễn bề mặt như mô hình độ cao số DEM (Digital Elevation Model). Cấu trúc dữ liệu dạng raster có ưu điểm là dễ thực hiện các chức năng xử lý, phân tích hoặc các yêu cầu tính toán tốc độ cao, dễ dàng liên kết dữ liệu viễn thám, tuy nhiên dữ liệu raster có nhược điểm là khi độ phân giải càng thấp, thì vị trí không gian của các đối tượng càng có sự sai lệch lớn.
Cấu trúc Vector Cấu trúc dữ liệu Vector biểu diễn các đặc trưng địa lý, vị trí, phạm vi của các đối tượng không gian bằng các thành phần đồ họa như điểm, đường, đa giác… Điểm (Point) được xác định trên bản đồ là tọa độ x, y. Đường (Line) là chuỗi các cặp x, y liên tục. Vùng (Polygon) là khoảng không gian được giới hạn bởi các cặp tọa độ x, y, trong đó điểm đầu và điểm cuối trùng nhau. Bảng 2: Mô tả dữ liệu vector 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
+ x Điểm (x, y, z) trong 3D Bao gồm danh sách các điểm Đường Đường là tập hợp các điểm có điểm đầu và cuối trùng Vùng nhau Cấu trúc lưu trữ vector có ưu điểm là định vị chính xác vị trí của đối tượng trên bản đồ, nhất là các đối tượng có dạng point, line và polygon. Cấu trúc này cho phép người sử dụng dễ dàng biên tập bản đồ, tuy nhiên nó lại gây ra sự phức tạp khi thực hiện chồng xếp các bản đồ. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ 1. Khái niệm Chỉ số chất lượng không khí AQI là chỉ số đại diện cho nồng độ của một nhóm các chất ô nhiễm gồm CO, NOx, SO2, O3 và bụi, nhằm cho biết tình trạng chất lượng không khí và mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe con người [7].
Quy chuẩn về chất lượng không khí Chỉ số AQI cho biết chất lượng không khí tại một điểm hoặc một khu vực nào đó trong một khoảng thời gian nhất định. Từ giá trị AQI, chúng ta có thể đưa ra các mức cảnh báo về chất lượng không khí thích hợp tùy vào mục đích.