Nghiên cứu và đánh giá độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ tinh

• Tác giả: Bùi Thị Mai
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Quang Hưng
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Nghiên Cứu Độ Dày Quang Học Sol Khí Từ Ảnh Vệ Tinh Dựa Trên Các Trạm Quan Trắc
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ
• 1.1. Tổng quan về ô nhiễm không khí
• 1.2. Tổng quan về sol khí
• 1.3. Nguồn gốc sản sinh sol khí
• 1.4. Tác động của sol khí lên Trái đất
• 1.5. Độ dày quang học sol khí
• 1.6. Phương pháp quan trắc
• 1.7. Mối quan hệ giữ độ dày quang học sol khí và ô nhiễm không khí
• 3. CHƯƠNG 2: CÁC SẢN PHẨM ẢNH VỆ TINH
• 2.1. Sản phẩm sol khí của MODIS
• 2.2. Giới thiệu về MODIS
• 2.3. Các sản phẩm sol khí của MODIS
• 2.4. Sản phẩm sol khí MODIS 3 km (MOD04_3K và MYD04_3K)
• 2.5. Sản phẩm điểm cháy của MODIS (MCD14ML)
• 2.6. Các sản phẩm sol khí của VIIRS
• 2.7. Giới thiệu về VIIRS
• 2.8. Các sản phẩm sol khí của VIIRS
• 2.9. Sản phẩm sol khí EDR AOD
• 2.10. Dữ liệu sol khí của AERONET
• 2.11. Giới thiệu về AERONET
• 2.12. Dữ liệu sol khí từ các trạm AERONET
• 4. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ
• 3.1. Mô tả bài toán
• 3.2. Các nghiên cứu liên quan
• 3.3. Trên thế giới
• 3.4. Phương pháp tiền xử lý dữ liệu
• 3.5. Tiền xử dữ liệu ảnh vệ tinh
• 3.6. Tiền xử lý dữ liệu quan trắc và dữ liệu các điểm cháy
• 3.7. Phương pháp tích hợp dữ liệu
• 3.8. Phương pháp đánh giá độ dày quang học sol khí
• 5. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
• 4.1. Khu vực nghiên cứu
• 4.2. Cài đặt thực nghiệm
• 4.3. Chuẩn bị dữ liệu
• 4.4. Cài đặt và xử lý dữ liệu
• 4.5. Cơ sở dữ liệu
• 4.6. Tích hợp dữ liệu AOD từ vệ tinh và AOD từ AERONET
• 4.7. Tập dữ liệu
• 4.8. Đánh giá chung
• 4.9. Đánh giá AOD của MODIS
• 4.10. Đánh giá AOD của VIIRS
• 4.11. Đánh giá tổng hợp cả VIIRS và MODIS
• 4.12. Đánh giá AOD từ VIIRS và MODIS theo từng quốc gia
• 4.13. Đánh giá AOD từ VIIRS và MODIS với AERONET AOD theo khu vực thành thị và nông thôn
• 4.14. Mối quan hệ giữ AOD từ VIIRS, MODIS và AERONET với tình hình cháy trong khu vực
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: THỐNG KÊ DỮ LIỆU CÁC TRẠM AERONET
• PHỤ LỤC 2: CÁC TẬP DỮ LIỆU ẢNH MODIS 3 KM
• PHỤ LỤC 3: CÁC TẬP DỮ LIỆU ẢNH SOL KHÍ VIIRS
• PHỤ LỤC 4: CÀI ĐẶT VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU

I. Tổng quan về sol khí

Ô nhiễm không khí là một trong những vấn đề nghiêm trọng hiện nay, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Sol khí là một trong những thành phần chính gây ô nhiễm không khí. Chúng bao gồm các hạt rắn và lỏng lơ lửng trong khí quyển, có khả năng tán xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời, từ đó làm thay đổi cân bằng năng lượng của hệ thống Trái đất. Theo nghiên cứu, độ dày quang học sol khí (AOD) có thể được đo từ ảnh vệ tinh và các trạm quan trắc. Việc hiểu rõ về sol khí và tác động của chúng đến khí hậu là rất quan trọng. Nghiên cứu này không chỉ giúp giám sát ô nhiễm mà còn cung cấp thông tin cần thiết cho các chính sách bảo vệ môi trường.

1.1. Khái niệm về sol khí

Sol khí (aerosol) là các hạt nhỏ tồn tại trong khí quyển, có thể là rắn hoặc lỏng. Chúng có ảnh hưởng lớn đến tính chất quang học của khí quyển và quá trình hình thành mây. Các hạt sol khí có thể được phân loại theo kích thước, từ cực nhỏ (< 0.1 µm) đến cực lớn (xấp xỉ 1 µm). Sự hiện diện của sol khí trong khí quyển có thể dẫn đến nhiều vấn đề môi trường, bao gồm ô nhiễm không khí và sự biến đổi khí hậu. Việc nghiên cứu và đánh giá độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ tinh là một phương pháp hiệu quả để theo dõi và quản lý ô nhiễm không khí.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng dữ liệu từ ảnh vệ tinh MODIS và VIIRS để đánh giá độ dày quang học sol khí. Phương pháp nghiên cứu bao gồm các bước tiền xử lý dữ liệu, tích hợp dữ liệu từ các trạm quan trắc và phân tích kết quả. Dữ liệu từ AERONET cũng được sử dụng để so sánh và đánh giá độ chính xác của các sản phẩm từ ảnh vệ tinh. Việc sử dụng công nghệ viễn thám giúp mở rộng khả năng giám sát ô nhiễm không khí trên diện rộng, từ đó cung cấp thông tin hữu ích cho các nhà quản lý môi trường.

2.1. Tiền xử lý dữ liệu

Tiền xử lý dữ liệu là bước quan trọng trong nghiên cứu này. Dữ liệu từ ảnh vệ tinh cần được làm sạch và chuẩn hóa trước khi phân tích. Các công cụ mã nguồn mở như GDAL được sử dụng để đọc và xử lý dữ liệu. Việc trích xuất các band chứa dữ liệu sol khí và chuyển đổi định dạng là cần thiết để đảm bảo tính chính xác của kết quả. Sau khi hoàn tất tiền xử lý, dữ liệu sẽ được tích hợp với thông tin từ các trạm quan trắc để tiến hành phân tích sâu hơn về độ dày quang học sol khí.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy có sự tương quan rõ rệt giữa độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ tinh và dữ liệu từ các trạm quan trắc. Sự biến đổi của AOD theo thời gian và không gian được phân tích, cho thấy ảnh hưởng của các hoạt động con người đến ô nhiễm không khí. Các số liệu thu thập được từ trạm quan trắc AERONET đã cung cấp một cái nhìn sâu sắc về tình hình ô nhiễm trong khu vực nghiên cứu. Kết quả này không chỉ có giá trị trong việc giám sát ô nhiễm mà còn hỗ trợ cho các chính sách bảo vệ môi trường.

3.1. Đánh giá AOD từ ảnh vệ tinh

Đánh giá AOD từ ảnh vệ tinh cho thấy sự biến đổi theo mùa và theo năm. Các số liệu cho thấy AOD cao hơn trong các tháng mùa khô, khi có nhiều hoạt động đốt rừng và công nghiệp. Sự tương quan giữa AOD từ MODIS và VIIRS với dữ liệu từ trạm quan trắc AERONET cho thấy tính khả thi của việc sử dụng ảnh vệ tinh trong giám sát ô nhiễm không khí. Kết quả này có thể được sử dụng để phát triển các mô hình dự báo ô nhiễm không khí trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm không khí đang là vấn đề nghiêm trọng tại khu vực Đông Nam Á và các vùng lân cận như Đài Loan, Hồng Kông, với sự gia tăng nhanh chóng của các hoạt động công nghiệp, giao thông và cháy rừng. Theo báo cáo của WHO năm 2016, hơn 80% dân số thành thị toàn cầu đang hít thở không khí kém trong lành, trong đó các thành phố có thu nhập thấp và trung bình chiếm tới 98%. Sol khí (aerosol) là một trong những thành phần chính gây ô nhiễm không khí, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và biến đổi khí hậu thông qua khả năng tán xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời. Độ dày quang học sol khí (Aerosol Optical Depth - AOD) là đại lượng đặc trưng cho mức độ ô nhiễm sol khí trong cột khí quyển, được đo bằng các trạm quan trắc mặt đất và cảm biến vệ tinh.

Luận văn tập trung nghiên cứu và đánh giá độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ tinh MODIS và VIIRS dựa trên dữ liệu từ các trạm quan trắc AERONET tại khu vực Đông Nam Á, Đài Loan và Hồng Kông trong giai đoạn 2012-2016. Mục tiêu chính là xác định xu hướng biến đổi AOD theo năm, tháng, phân tích sự khác biệt giữa các quốc gia và mối quan hệ giữa nồng độ sol khí với các điểm cháy rừng trong khu vực. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của dữ liệu vệ tinh, hỗ trợ giám sát ô nhiễm không khí và nghiên cứu biến đổi khí hậu khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Khái niệm sol khí và tác động khí hậu: Sol khí gồm các hạt rắn, lỏng lơ lửng trong khí quyển, ảnh hưởng trực tiếp đến cân bằng năng lượng Trái đất qua tán xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời, đồng thời gián tiếp ảnh hưởng qua vai trò hạt nhân ngưng kết mây.
• Độ dày quang học sol khí (AOD): Đại lượng đo sự suy giảm bức xạ mặt trời do sol khí trong cột khí quyển, được tính toán dựa trên luật Beer-Lambert-Bouguer và hiệu chỉnh các thành phần khí quyển khác như hơi nước, ozon.
• Mô hình tích hợp dữ liệu vệ tinh và mặt đất: Kết hợp dữ liệu AOD từ vệ tinh MODIS, VIIRS với dữ liệu quan trắc AERONET để đánh giá chất lượng và độ chính xác của sản phẩm vệ tinh.
• Phân tích thống kê và mô hình hồi quy: Sử dụng các tham số như trung bình số học, độ lệch chuẩn, hệ số tương quan, hệ số xác định, sai số trung bình tuyệt đối (MAE), sai số bình phương trung bình (MSE), và sai số gốc bình phương (RMSE) để đánh giá sự phù hợp giữa dữ liệu vệ tinh và mặt đất.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng dữ liệu AOD từ ảnh vệ tinh MODIS (sản phẩm MOD04_3K, MYD04_3K) với độ phân giải 3 km, VIIRS (sản phẩm GAERO VAOOO) với độ phân giải 6 km, và dữ liệu AOD từ các trạm quan trắc mặt đất AERONET cấp 2.0. Dữ liệu điểm cháy rừng được lấy từ sản phẩm MCD14ML của MODIS.
• Phương pháp tiền xử lý: Trích xuất dữ liệu AOD tại bước sóng 550 nm từ ảnh vệ tinh, chuyển đổi định dạng ảnh sang Geotiff, lưu trữ dữ liệu raster trong cơ sở dữ liệu PostgreSQL - PostGIS. Dữ liệu AERONET được nội suy từ bước sóng 500 nm sang 550 nm dựa trên hệ số Angstrom.
• Phương pháp tích hợp dữ liệu: Tích hợp dữ liệu vệ tinh và mặt đất theo khoảng thời gian T phút và bán kính R km để lấy mẫu dữ liệu tương ứng, đảm bảo tính đồng bộ không gian và thời gian.
• Phân tích và đánh giá: Thực hiện phân tích thống kê, hồi quy tuyến tính để đánh giá mối tương quan giữa AOD vệ tinh và AOD mặt đất, phân tích xu hướng theo năm, tháng, khu vực thành thị và nông thôn, cũng như mối liên hệ giữa AOD và số lượng điểm cháy rừng.
• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu tập trung trên dữ liệu từ năm 2012 đến 2016, với các bước thu thập, xử lý, tích hợp và phân tích dữ liệu được thực hiện tuần tự.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đánh giá chất lượng sản phẩm MODIS và VIIRS:

   • AOD trung bình của MODIS trong khu vực nghiên cứu dao động từ khoảng 0.1 đến 0.4 tùy theo quốc gia và mùa.
   • VIIRS AOD có độ phân giải cao hơn, với giá trị trung bình tương tự nhưng có khả năng phát hiện chi tiết hơn ở các khu vực đô thị và nông thôn.
   • Hệ số tương quan giữa AOD vệ tinh và AERONET đạt khoảng 0.7-0.85, cho thấy sự phù hợp tốt giữa dữ liệu vệ tinh và mặt đất.

2. Xu hướng biến đổi theo thời gian:

   • AOD có xu hướng tăng nhẹ vào các tháng mùa khô (tháng 10 và tháng 3), giảm vào mùa mưa (tháng 6-7).
   • Biểu đồ xu hướng cho thấy sự biến động theo năm với các đỉnh cao vào năm 2013 và 2015, tương ứng với các đợt cháy rừng lớn trong khu vực.

3. Phân bố theo khu vực và quốc gia:

   • Các quốc gia như Indonesia, Malaysia và Việt Nam có giá trị AOD cao hơn trung bình khu vực, đặc biệt tại các vùng đô thị và khu công nghiệp.
   • Khu vực thành thị có AOD trung bình cao hơn khoảng 15-20% so với khu vực nông thôn, phản ánh mức độ ô nhiễm không khí cao hơn.

4. Mối quan hệ giữa AOD và điểm cháy rừng:

   • Số lượng điểm cháy rừng tăng tương ứng với giá trị AOD tăng, đặc biệt rõ rệt trong các năm có nhiều vụ cháy lớn như 2012, 2013 và 2015.
   • Phân tích thống kê cho thấy mối tương quan dương mạnh giữa AOD vệ tinh và số điểm cháy rừng, khẳng định vai trò của cháy rừng trong việc gia tăng ô nhiễm sol khí.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy dữ liệu AOD từ vệ tinh MODIS và VIIRS có độ tin cậy cao khi so sánh với dữ liệu quan trắc mặt đất AERONET, phù hợp để ứng dụng trong giám sát ô nhiễm không khí khu vực Đông Nam Á. Sự khác biệt về độ phân giải không gian giữa MODIS (3 km) và VIIRS (6 km) ảnh hưởng đến khả năng phát hiện chi tiết các vùng ô nhiễm, trong đó VIIRS thể hiện ưu thế ở các khu vực có biến động không gian phức tạp.

Xu hướng biến đổi theo mùa và năm phản ánh ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo như gió mùa, hoạt động công nghiệp và cháy rừng. Mối liên hệ chặt chẽ giữa AOD và điểm cháy rừng khẳng định vai trò quan trọng của các vụ cháy trong việc gia tăng ô nhiễm sol khí, đồng thời nhấn mạnh nhu cầu quản lý và kiểm soát cháy rừng để giảm thiểu tác động môi trường.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các báo cáo tại khu vực Đông Á và Bắc Mỹ, đồng thời bổ sung dữ liệu thực nghiệm cho khu vực Đông Nam Á, vốn có đặc thù khí hậu và hoạt động kinh tế khác biệt. Việc sử dụng các tham số thống kê đa dạng giúp đánh giá toàn diện chất lượng dữ liệu và hỗ trợ xây dựng các mô hình dự báo ô nhiễm chính xác hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ xu hướng AOD theo năm, tháng, bản đồ phân bố AOD theo quốc gia và khu vực, cũng như biểu đồ tương quan giữa AOD và số điểm cháy rừng để minh họa trực quan các phát hiện.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường mạng lưới trạm quan trắc AERONET: Mở rộng và nâng cấp các trạm quan trắc mặt đất tại các quốc gia Đông Nam Á để cải thiện độ phủ và chất lượng dữ liệu, giúp hiệu chỉnh và xác thực dữ liệu vệ tinh chính xác hơn. Thời gian thực hiện: 2-3 năm; Chủ thể: các cơ quan môi trường quốc gia và tổ chức quốc tế.

2. Phát triển hệ thống tích hợp dữ liệu đa nguồn: Xây dựng nền tảng tích hợp dữ liệu vệ tinh MODIS, VIIRS, AERONET và dữ liệu điểm cháy rừng để giám sát ô nhiễm không khí theo thời gian thực, hỗ trợ cảnh báo sớm và quản lý môi trường. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Viện nghiên cứu, trung tâm công nghệ môi trường.

3. Áp dụng mô hình dự báo ô nhiễm dựa trên dữ liệu AOD: Sử dụng các mô hình hồi quy và học máy để dự báo nồng độ sol khí và ô nhiễm không khí, phục vụ công tác quản lý và hoạch định chính sách môi trường. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Các trường đại học, viện nghiên cứu.

4. Kiểm soát và giảm thiểu cháy rừng: Tăng cường công tác phòng cháy, quản lý rừng và nâng cao nhận thức cộng đồng về tác hại của cháy rừng nhằm giảm thiểu nguồn phát thải sol khí. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: Bộ Nông nghiệp, các tổ chức bảo vệ môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu môi trường và khí hậu: Luận văn cung cấp dữ liệu và phương pháp đánh giá AOD từ vệ tinh kết hợp với trạm quan trắc, hỗ trợ nghiên cứu biến đổi khí hậu và ô nhiễm không khí khu vực Đông Nam Á.

2. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách công: Thông tin về xu hướng ô nhiễm và mối liên hệ với cháy rừng giúp xây dựng chính sách kiểm soát ô nhiễm và phòng chống cháy rừng hiệu quả.

3. Các tổ chức quốc tế và phi chính phủ: Dữ liệu và phân tích trong luận văn hỗ trợ các chương trình giám sát môi trường, phát triển bền vững và ứng phó biến đổi khí hậu.

4. Doanh nghiệp công nghệ và phát triển phần mềm: Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh, tích hợp dữ liệu và phân tích thống kê cung cấp cơ sở để phát triển các ứng dụng giám sát môi trường và dự báo ô nhiễm.

Câu hỏi thường gặp

1. Độ dày quang học sol khí (AOD) là gì và tại sao quan trọng?
   AOD đo mức độ suy giảm bức xạ mặt trời do sol khí trong cột khí quyển, phản ánh mức độ ô nhiễm không khí. Đây là chỉ số quan trọng để giám sát chất lượng không khí và nghiên cứu biến đổi khí hậu.

2. Tại sao cần kết hợp dữ liệu vệ tinh và trạm quan trắc mặt đất?
   Dữ liệu vệ tinh có phạm vi rộng nhưng độ chính xác thấp hơn, trong khi trạm mặt đất có độ chính xác cao nhưng phạm vi hạn chế. Kết hợp giúp hiệu chỉnh và nâng cao độ tin cậy của dữ liệu.

3. Phương pháp tích hợp dữ liệu được thực hiện như thế nào?
   Dữ liệu vệ tinh và mặt đất được tích hợp theo khoảng thời gian và bán kính không gian xác định, lấy mẫu dữ liệu tương ứng để so sánh và phân tích.

4. Mối quan hệ giữa cháy rừng và ô nhiễm sol khí ra sao?
   Cháy rừng thải ra lượng lớn sol khí, làm tăng giá trị AOD và gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe và khí hậu khu vực.

5. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này là gì?
   Nghiên cứu hỗ trợ giám sát ô nhiễm không khí, dự báo chất lượng không khí, xây dựng chính sách môi trường và phát triển công nghệ xử lý dữ liệu vệ tinh.

Kết luận

• Đã nghiên cứu và đánh giá thành công độ dày quang học sol khí (AOD) từ ảnh vệ tinh MODIS và VIIRS dựa trên dữ liệu trạm quan trắc AERONET khu vực Đông Nam Á, Đài Loan và Hồng Kông giai đoạn 2012-2016.
• Xác định được xu hướng biến đổi AOD theo năm, tháng, khu vực và mối liên hệ chặt chẽ giữa AOD và các điểm cháy rừng trong khu vực.
• Phương pháp tích hợp dữ liệu vệ tinh và mặt đất giúp nâng cao độ chính xác và tin cậy của dữ liệu AOD phục vụ nghiên cứu và giám sát môi trường.
• Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ quản lý ô nhiễm không khí và phòng chống cháy rừng tại khu vực Đông Nam Á.
• Đề xuất các giải pháp mở rộng mạng lưới quan trắc, phát triển hệ thống tích hợp dữ liệu và ứng dụng mô hình dự báo ô nhiễm để nâng cao hiệu quả quản lý môi trường trong tương lai.

Để tiếp tục phát triển nghiên cứu, cần mở rộng phạm vi dữ liệu, áp dụng các mô hình phân tích nâng cao và triển khai hệ thống giám sát thời gian thực. Mời các nhà nghiên cứu và cơ quan quản lý môi trường cùng hợp tác để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn.