Luận án tiến sĩ khoa học máy tính nghiên cứu phương pháp xác định nguồn phát thải độ sâu quang học sol khí và ứng dụng học máy trong ước tính ô nhiễm không khí

Luận án tiến sĩ nghiên cứu phương pháp xác định nguồn phát thải độ sâu quang học sol khí và ứng dụng học máy trong ước tính ô nhiễm không khí.

• Tác giả: Nguyen Thanh Thuy
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Xác Định Nguồn Phát Thải Ô Nhiễm Không Khí Bằng Học Máy
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về ô nhiễm không khí
• 1.2. Tổng quan về các phương pháp xác định nguồn phát thải
• 1.3. Tổng quan về các phương pháp ước tính độ sâu quang học của sol khí
• 1.4. Tổng quan về các phương pháp dự đoán nồng độ bụi PM2.5
• 1.5. Tổng kết chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH NGUỒN PHÁT THẢI Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ
• 2.1. Giới thiệu bài toán xác định nguồn phát thải
• 2.2. Dữ liệu và phương pháp
• 2.3. Xác định nguồn phát thải từ dữ liệu vệ tinh CALIPSO
• 2.4. Phân tích dữ liệu NO2 của vệ tinh Sentinel-5P để xác định mối liên hệ nguồn phát thải với hoạt động công nghiệp và giao thông
• 2.5. Phương pháp quan trắc thực địa để ước tính khối lượng đốt rơm rạ
• 2.6. Tổng kết chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ƯỚC TÍNH ĐỘ SÂU QUANG HỌC CỦA SOL KHÍ
• 3.1. Giới thiệu bài toán ước tính độ sâu quang học của sol khí cho khu vực đô thị
• 3.2. Dữ liệu AERONET Level 2
• 3.3. Dữ liệu Landsat 8 Level 1
• 3.4. Dữ liệu MODIS AOI
• 3.5. Dữ liệu DEM
• 3.6. Thuật toán ước tính AOD
• 3.7. Tiền xử lý dữ liệu
• 3.8. Xây dựng mối quan hệ phản xạ bề mặt giữa các kênh BLUE-RED-SWIR2
• 3.9. Đánh giá AOD ước tính từ thuật toán
• 3.10. Tổng kết chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: DỰ ĐOÁN NỒNG ĐỘ BỤI PM2.5 CỦA KHU VỰC ĐÔ THỊ
• 4.1. Giới thiệu bài toán dự đoán nồng độ bụi PM2.5 của khu vực đô thị
• 4.2. Phương pháp
• 4.3. Kết quả
• 4.4. Tổng kết chương 4
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ô nhiễm không khí

Ô nhiễm không khí là một vấn đề nghiêm trọng mà nhiều quốc gia đang phải đối mặt. Tốc độ đô thị hóa và công nghiệp hóa nhanh chóng đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể các chất phát thải ô nhiễm. Các chất ô nhiễm này không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn gây thiệt hại cho môi trường và hệ sinh thái. Theo các nghiên cứu, nguồn phát thải ô nhiễm không khí chủ yếu đến từ hoạt động công nghiệp và giao thông. Việc xác định chính xác nguồn phát thải là rất quan trọng để có thể đưa ra các biện pháp kiểm soát hiệu quả. Các phương pháp hiện tại bao gồm việc sử dụng dữ liệu vệ tinh và các công nghệ quan trắc khác nhau để theo dõi và phân tích tình trạng ô nhiễm không khí. Việc áp dụng công nghệ học máy trong việc phân tích dữ liệu ô nhiễm không khí có thể giúp cải thiện độ chính xác trong việc xác định nguồn phát thải.

1.1. Các chất gây ô nhiễm không khí

Các chất gây ô nhiễm không khí bao gồm bụi mịn, khí NO2, SO2, CO và các hợp chất hữu cơ bay hơi. Những chất này có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như bệnh hô hấp, tim mạch và ung thư. Nghiên cứu cho thấy rằng nồng độ NO2 trong không khí chủ yếu đến từ các hoạt động giao thông và công nghiệp. Việc theo dõi nồng độ của các chất này là cần thiết để đánh giá tình trạng ô nhiễm không khí và đưa ra các biện pháp can thiệp kịp thời.

1.2. Nguồn phát thải ô nhiễm

Nguồn phát thải ô nhiễm không khí có thể được phân loại thành hai nhóm chính: tự nhiên và nhân tạo. Nguồn phát thải tự nhiên bao gồm bụi từ các hiện tượng tự nhiên như bão cát, trong khi nguồn phát thải nhân tạo chủ yếu đến từ các hoạt động công nghiệp, giao thông và sinh hoạt. Việc xác định nguồn phát thải chính là rất quan trọng để có thể đưa ra các chính sách quản lý chất lượng không khí hiệu quả.

II. Phương pháp xác định nguồn phát thải

Phương pháp xác định nguồn phát thải ô nhiễm không khí hiện nay chủ yếu dựa vào việc sử dụng dữ liệu vệ tinh và các công nghệ quan trắc hiện đại. Dữ liệu từ vệ tinh CALIPSO và Sentinel-5P đã được sử dụng để phân tích mối liên hệ giữa nguồn phát thải và các hoạt động công nghiệp, giao thông. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng dữ liệu vệ tinh có thể cung cấp thông tin chính xác về nồng độ ô nhiễm không khí và nguồn gốc của chúng. Học máy cũng đã được áp dụng để dự đoán nồng độ bụi PM2.5, giúp cải thiện khả năng dự đoán và quản lý ô nhiễm không khí.

2.1. Dữ liệu vệ tinh CALIPSO

Dữ liệu từ vệ tinh CALIPSO cung cấp thông tin về độ sâu quang học của sol khí, giúp xác định nguồn phát thải ô nhiễm không khí. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc phân tích dữ liệu này có thể giúp xác định các nguồn phát thải chính và đánh giá tác động của chúng đến chất lượng không khí. Việc sử dụng dữ liệu vệ tinh cũng giúp theo dõi tình trạng ô nhiễm theo thời gian và không gian, từ đó đưa ra các biện pháp can thiệp kịp thời.

2.2. Phân tích dữ liệu NO2

Phân tích dữ liệu NO2 từ vệ tinh Sentinel-5P cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa nồng độ NO2 và các hoạt động công nghiệp, giao thông. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ NO2 cao thường xuất hiện ở các khu vực có mật độ giao thông lớn và các nhà máy công nghiệp. Việc theo dõi nồng độ NO2 là rất quan trọng để đánh giá tình trạng ô nhiễm không khí và đưa ra các biện pháp kiểm soát hiệu quả.

III. Ứng dụng của học máy trong nghiên cứu ô nhiễm không khí

Học máy đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc phân tích và dự đoán nồng độ ô nhiễm không khí. Các mô hình học máy có thể xử lý một lượng lớn dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, giúp cải thiện độ chính xác trong việc xác định nguồn phát thải. Việc áp dụng học máy trong nghiên cứu ô nhiễm không khí không chỉ giúp dự đoán nồng độ bụi PM2.5 mà còn có thể áp dụng cho các chất ô nhiễm khác. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô hình học máy có thể cải thiện khả năng dự đoán nồng độ ô nhiễm không khí, từ đó hỗ trợ các nhà hoạch định chính sách trong việc quản lý chất lượng không khí.

3.1. Mô hình học máy và dự đoán nồng độ PM2.5

Mô hình học máy đã được áp dụng để dự đoán nồng độ PM2.5 từ dữ liệu vệ tinh và các yếu tố khí tượng. Các nghiên cứu cho thấy rằng mô hình học máy có thể cải thiện độ chính xác trong việc dự đoán nồng độ bụi mịn, từ đó hỗ trợ các biện pháp quản lý ô nhiễm không khí hiệu quả hơn. Việc sử dụng mô hình học máy cũng giúp phát hiện các xu hướng ô nhiễm theo thời gian, từ đó đưa ra các biện pháp can thiệp kịp thời.

3.2. Tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn

Việc tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm dữ liệu vệ tinh, dữ liệu quan trắc thực địa và các yếu tố khí tượng, là rất quan trọng trong nghiên cứu ô nhiễm không khí. Các mô hình học máy có thể xử lý và phân tích dữ liệu này để đưa ra các dự đoán chính xác về nồng độ ô nhiễm không khí. Điều này không chỉ giúp cải thiện khả năng dự đoán mà còn hỗ trợ các nhà hoạch định chính sách trong việc xây dựng các kế hoạch quản lý chất lượng không khí hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1, luận án trình bày một số kiến thức chung về ô nhiễm không khí, hiện trạng của ô nhiễm không khí hiện nay trên thé giới, ở Việt Nam và giới thiệu tông quan các vấn đề chính của luận án. Téng quan về ô nhiễm không khí 1. Ô nhiễm không khí Theo WHO, ô nhiễm không khí là sự ô nhiễm môi trường trong nhà hoặc ngoài trời bởi bất kỳ tác nhân hóa học, vật lý hoặc sinh học nào làm thay đổi các đặc tính tự nhiên của bầu khí quyền có hại cho sức khỏe con người, các sinh vật khác hoặc gây thiệt hại cho khí hậu hoặc vật chất. Theo EPA Hoa Kỳ, ô nhiễm không khí và chất ô nhiễm không khí được xác định (US EPA, 2009): Chat gây ô nhiễm không khí là bat ky chat nào trong không khí có thé gây hại cho con người hoặc môi trường.

Các chat ô nhiễm có thé là tự nhiên hoặc nhân tao và có thé có dạng các hạt rắn, giọt chất lỏng hoặc khí. Những chất ô nhiễm này được chia thành các nhóm khác nhau, bao gồm các hạt vật chất, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) và các hợp chất halogen. Trong đó cũng bao gôm các chat ô nhiêm như chì, thủy ngân và amiăng. Các chất gây ô nhiễm không khí Chúng ta cũng có thé phân chia các chất gây ô nhiễm không khí thành các chất có quy định và không được kiểm soát, dựa trên việc xử lý chúng bởi các cơ quan môi trường ở Hoa Kỳ, Liên minh Châu Âu và các nước Châu Á.

Các chất ô nhiễm không khí được quy định chính là: Lưu huỳnh dioxit (SO¿), Oxit nito (NO,), Carbon monoxide (CO), Điôxít cacbon (CO;), Mêtan (CH,), Ô zôn, vật chất dạng hạt (PM), Cacbon hữu cơ dễ bay hơi (VOC), Chlorofluorocarbons (CFC). Sol khí (aerosol) khí quyền là các hạt nhỏ ran hay lỏng lơ lửng trong khí quyên với đường kính từ 1073 đến 102 micromet. Chúng có các đặc tính đa dạng và được tạo ra bởi các hoạt động tự nhiên hay hoạt động của con người [49]. Sol khí đóng vai trò quan trọng trong bức xạ, biến đổi khí hậu, chất lượng không khí và sự hap thụ, tán xạ của ánh sáng mặt trời xuống mặt đất, chúng có ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe của con người [50-52].

Hiện nay, kỹ thuật viễn thám 13 được sử dụng nhiều để theo dõi sự phân bố về không gian, thời gian của sol khí từ quy mô nhỏ đến phạm vi toàn cầu và nghiên cứu các tính chất vật lý, hóa học của chúng. PM (Particulate Matter) là hỗn hop cac hat rắn hoặc các giọt chất lỏng được tìm thay trong không khí với kích thước khác nhau có thé thay bằng mắt thường như bụi, bồ hóng, khói. hoặc chỉ có thé phát hiện bằng kính hién vi điện tử. Bui PM có nhiều kích cỡ, hình dạng và có thể được tạo thành từ hàng trăm loại hóa chất khác nhau.

Một số được thải ra trực tiếp từ một nguồn, chăng hạn như công trường xây dựng, đường trải nhựa, cánh đồng, ống khói hoặc đám cháy. Hau hết bụi PM hình thành trong khí quyền là kết quả của các phản ứng phức tạp các hóa chất như sulfur dioxide và nitơ oxit, là những chat ô nhiễm thải ra từ các nhà máy điện, công nghiệp và ô tô[Š3]. Nguồn gốc các chat gây ô nhiễm không khí Có thê xác định và phân loại được các nguồn gây ô nhiễm không khí và các nguồn phát thải: nguồn tự nhiên (sinh học): bao gồm phun trào núi lửa, bão cát, sét và cháy rừng: nguồn nhân tạo (do con người tạo ra): nguồn chính là quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch dé lấy năng lượng, đặc biệt là trong các nhà máy điện và xe có động cơ. Tuy nhiên, có nhiều nguồn không liên quan đến đốt, bao gom các quá trình công nghiệp, khai thác than, sử dụng dung môi trong nước và công nghiệp, rò rỉ khí tự nhiên trong mạng lưới phân phôi quôc gia và bãi rác.

Các nguôn ô nhiễm do con người gây ra có thê được chia nhỏ hơn nữa theo sự phân bố dia lý của chúng. Có ba loại cơ bản: - N guon điểm (Point source): Các nha máy phat thai lớn, tập trung về mặt địa lý mà tỷ lệ phát thải của bản thân nó lớn đến mức đáng kể, ngay cả khi không có nguồn nào khác, chang hạn như các nhà máy nhiệt điện (đốt than), nhà máy thép, nhà máy lọc dau, nhà máy giấy,. - Nguén diện (Area source): Tập hợp các nguồn chat thải nhỏ phân tán theo địa ly không đáng ké nhưng quan trọng, chang hạn như các khu dân cư va thương mại, và bao gồm cả khí thải nông nghiệp. 14 - Nguỗn đi động (Line source): Tập hợp các nguồn tương đối nhỏ được phân bổ gần như đồng đều dọc theo một tuyến, chang hạn như đường 6 tô hoặc dọc theo sông lớn, hoặc đường sắt.

Sự phân biệt giữa nguồn di động và nguồn diện có tính chất tương đối, chang hạn như một đường phố sam uất của thành phố được phân loại là nguồn diện hoặc nguồn di động. Ảnh hưởng của ô nhiễm không khí 1. Ảnh hưởng tới sức khỏe Các chất gây ô nhiễm không khí phô biến nhất là ôzôn ở tầng mặt đất và vật chất dạng hạt (bụi PM). Những người tiếp xúc với nồng độ cao của các chất ô nhiễm không khí có các triệu chứng và trạng thái bệnh khác nhau.

Những tác động này được nhóm lại thành những tác động ngắn hạn như khó thở, tức ngực, hen suyen,. va dai han như bệnh phôi tắc nghẽn mãn tính (COPD) ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Các biến chứng tâm lý, bệnh tự kỷ, bệnh võng mạc, sự phát triển của thai nhi và trẻ sơ sinh nhẹ cân đường như có liên quan đến ô nhiễm không khí trong thời gian dài [54]. Ảnh hưởng tới môi trường Ô nhiễm không khí không chỉ gây hại cho sức khỏe con người mà còn cho môi trường mà chúng ta đang sông [55].

Các tác động môi trường quan trọng như: Mưa axit là sự kết tủa ướt (mưa, sương mù, tuyết) hoặc khô (dạng hạt và khí) có chứa một lượng axit nitric va sulfuric độc hai; Khoi mù được tạo ra khi các hat mịn bị phân tán trong không khí và làm giảm độ trong suốt của khí quyên. Ôzôn ở tầng mặt đất có hại cho sức khỏe con người và là một chất gây ô nhiễm. Các hoạt động của con người đã phá hủy hiệu ứng bảo vệ nhiệt độ Trái đất ôn định bằng cách tạo ra một lượng lớn khí nhà kính và sự nóng lên toàn cầu đang gia tăng, với các tác động có hại đối với sức khỏe con người, động vật, rừng, động vật hoang dã, nông nghiệp vả môi trường nước. Hiện trạng ô nhiễm không khí 1.

Trên thé giới Gần như toàn bộ dân số toàn cầu (99%) hít thở không khí vượt quá giới hạn hướng dẫn của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) và chứa hàm lượng chất ô nhiễm 15 cao, trong đó các quốc gia có thu nhập thấp và trung bình phải chịu mức độ phơi nhiễm cao nhất [56].Ảnh hưởng của ô nhiễm không khí rất lớn. Từ khói mù bao phủ khắp các thành phó đến khói trong nhà, 6 nhiễm không khí là mối đe doa lớn đối với sức khỏe và khí hậu. Ô nhiễm không khí ngoài trời ở cả thành phố và nông thôn do bụi PM dẫn đến đột quy, bệnh tim, ung thư phối, các bệnh hô hap cấp tính và mãn tính. Ngoài ra, khoảng 2,6 tỷ người đang phải đối mặt với mức độ ô nhiễm không khí gia đình ở mức nguy hiểm trong khi sử dụng lửa lộ thiên gây ô nhiễm hoặc bếp đơn giản dé nau nướng bang dầu hỏa, sinh khối (gỗ, phân gia súc va chất thải cây trồng) và than đá.

Tác động tổng hợp của ô nhiễm không khí xung quanh và ô nhiễm không khí hộ gia đình có liên quan đến 7 triệu ca tử vong sớm hàng năm. Hau hết các quốc gia giàu nhất thế giới có tỷ lệ tử vong nam trong khoảng 10-20 trên 100. Tỷ lệ tử vong do ô nhiễm ngoài trời cao nhất xảy ra ở khoảng giữa của trung bình thu nhập của các nước trên thế giới, đáng chú ý nhất là các nước có nền công nghiệp hóa lớn. Ủy ban thương mại cảnh báo rằng gánh nặng bệnh tật lớn nhất sẽ xảy ra ở các quốc gia có thu nhập thấp và trung bình vì hầu hết các trường hợp tử vong do ô nhiễm xảy ra ở những khu vực này.

Ở Việt Nam Với tốc độ đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ, các đô thị nước ta vẫn đang tiếp tục gia tăng cả về số lượng và quy mô, song chất lượng môi trường vẫn chưa được quan tâm đúng mức. Thực tế cho thấy, ô nhiễm bụi tại các khu vực đô thị đang tiếp tục duy trì ở ngưỡng cao, đặc biệt là các khu vực gần các trục giao thông hay các khu vực có hoạt động công nghiệp, xây dựng. Thực trạng này đang gây nhức nhối, ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường sống và sức khỏe của người dân. Theo Báo cáo Hiện trạng Môi trường Quốc gia giai đoạn 2016 — 2020 [57], ô nhiễm môi trường không khí tiếp tục là một trong những vấn đề nóng, luôn nhận được sự quan tâm của rất nhiều quốc gia trên thế giới.

Tại Việt Nam, ô nhiễm môi trường không khí chủ yếu là ô nhiễm bụi tại các thành phó, đô thị lớn, các khu vực công nghiệp. Đặc biệt, tình trạng ô nhiễm bụi mịn ở một số đô thị lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh vẫn xảy ra thường xuyên. Trong giai đoạn 2016 - 2020, mặc dù chất lượng môi trường không khí mỗi năm có khác nhau, song tình trạng ô nhiễm bụi thường xuyên xảy ra tại các thành 16 phố, đô thị lớn, các khu vực tập trung nhiều hoạt động công nghiệp, đặc biệt là tình trạng ô nhiễm bụi PM¡ạ và bụi PM;zs tại Hà Nội, Thành phó Hồ Chí Minh luôn là một trong những vấn đề nóng và đặt ra nhiều thách thức. Mức độ ô nhiễm bụi mịn có xu hướng tăng từ năm 2017 đến năm 2019 và giảm năm 2020.

Chính phủ đã ban hành Quyết định số 1973/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ: Về việc phê duyệt Kế hoạch quốc gia về quản lý chất lượng môi trường không khí giai đoạn 2021 — 2025 với mục tiêu tổng quát là tăng cường công tác quản lý chất lượng môi trường không khí thông qua kiểm soát nguồn phát sinh khí thải, giám sát chất lượng không khí xung quanh, cảnh báo, dự báo chất lượng không khí nhằm cải thiện chất lượng môi trường không khí và bảo đảm sức khỏe cộng đồng.