Tổng quan luận án
Tình trạng ô nhiễm không khí tại các đô thị ở các quốc gia đang phát triển, trong đó có Việt Nam, đang diễn biến phức tạp do tốc độ đô thị hóa nhanh, sự mở rộng của các khu công nghiệp và sự gia tăng của các phương tiện giao thông. Theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) được trích dẫn trong luận án, ô nhiễm không khí đô thị gây ra cái chết của khoảng 800.000 người và làm giảm tuổi thọ của 4,6 triệu người trên toàn cầu mỗi năm, với 2/3 số ca tập trung tại các nước đang phát triển ở châu Á. Các hạt bụi có kích thước từ $2,5,\mu\text{m}$ đến $10,\mu\text{m}$ có thể đi qua hàng rào niêm mạc đường hô hấp trên, trong khi các hạt bụi mịn ($\le 2,5,\mu\text{m}$) xâm nhập sâu vào phế quản và phế nang. Theo báo cáo tại Diễn đàn Kinh tế Thế giới Davos năm 2017, chỉ số chất lượng không khí của Việt Nam xếp thứ 123 trên tổng số 132 quốc gia. Tại Hà Nội, số liệu từ công ty ARIA Technologies (Pháp) cho thấy tốc độ tăng trưởng phương tiện giao thông đạt từ 12% đến 15% mỗi năm, dẫn đến nồng độ bụi $\text{PM}_{10}$ cao gấp 4 lần khuyến cáo của WHO. Theo Trung tâm Quan trắc môi trường (Tổng cục Môi trường), nồng độ bụi mịn tại các đô thị lớn vượt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia trong khoảng 1/3 số ngày của năm; tại một số nút giao thông trọng điểm như Kim Liên - Giải Phóng hoặc Phùng Hưng - Hà Đông, nồng độ bụi có thời điểm cao gấp 7 lần mức cho phép.
Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra là: Phương pháp giám sát chất lượng không khí truyền thống bằng các trạm quan trắc tự động trên mặt đất có độ chính xác cao nhưng mật độ phân bố thưa thớt, chi phí đầu tư và vận hành lớn (toàn thành phố Hà Nội chỉ có khoảng 80 trạm tập trung ở các khu vực trọng điểm), không bao quát được toàn bộ không gian đô thị. Việc ứng dụng công nghệ viễn thám để giám sát chất lượng không khí diện rộng tại Việt Nam còn hạn chế do thiếu chuỗi số liệu quan trắc thực địa đồng bộ với thời gian vệ tinh bay qua, đồng thời thiếu các nghiên cứu chuyên sâu về cơ sở vật lý phản xạ phổ của bức xạ điện từ dưới tác động của sol khí và hạt bụi mịn tại tầng đối lưu.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định như sau:
- Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học xây dựng phương pháp xác định nồng độ bụi $\text{PM}_{10}$ trong không khí từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học, góp phần nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của cơ sở dữ liệu bụi mịn trong đô thị Việt Nam nói chung và của Hà Nội nói riêng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Nồng độ bụi $\text{PM}_{10}$ trong không khí khu vực đô thị và dữ liệu ảnh vệ tinh quang học.
- Phạm vi không gian: Ô nhiễm không khí tại các đô thị phát triển ở Việt Nam, khu vực thực nghiệm trọng tâm là nội thành thành phố Hà Nội.
- Phạm vi tư liệu: Dữ liệu ảnh vệ tinh quang học Landsat 8 OLI với 4 kênh phổ: Kênh 1 (Coastal aerosol: $0,43 - 0,45,\mu\text{m}$), Kênh 2 (Blue: $0,45 - 0,51,\mu\text{m}$), Kênh 3 (Green: $0,53 - 0,59,\mu\text{m}$) và Kênh 4 (Red: $0,64 - 0,67,\mu\text{m}$).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã hệ thống hóa ba nhóm phương pháp giám sát chất lượng không khí hiện nay:
- Phương pháp quan trắc bằng thiết bị đo trực tiếp: Đo đạc tại nguồn thải hoặc theo mạng lưới trạm cố định và thiết bị lưu động (xe, tàu hỏa, máy bay). Cung cấp dữ liệu theo phương thẳng đứng với độ chính xác cao nhưng chi phí thiết bị lớn.
- Phương pháp mô hình hóa: Sử dụng các mô hình lan truyền chất ô nhiễm liên kết với điều kiện khí tượng và nguồn thải (mô hình Gauss, mô hình hình hộp, CMAQ, GEOS-Chem). Nhược điểm là phụ thuộc vào độ chính xác của các tham số giả định đầu vào và khó chuyển giao giữa các vùng địa lý khác nhau.
- Phương pháp quan trắc bằng viễn thám: Sử dụng cảm biến thụ động (đo phản xạ bức xạ mặt trời) hoặc cảm biến chủ động (LiDAR, RADAR).
| Tác giả và năm công bố |
Dữ liệu viễn thám / Thiết bị |
Phương pháp tiếp cận chính |
Kết quả / Hệ số tương quan |
| Carnahan W. P. (1984) |
Landsat TM |
Phân tích tỷ số kênh phổ ($1/2, 1/3, 1/4, 1/5, 1/6$) trên mặt nước đục và đường cao tốc |
Tỷ số kênh $1/4$ tuân theo mô hình dự đoán nồng độ hạt |
| Sifakis và Deschamps (1992); Retalis và cs (1998) |
SPOT, Landsat-5 TM |
So sánh ảnh hai thời điểm (ngày sạch và ngày ô nhiễm) để tính độ dày quang học sol khí ($\text{AOD}$) |
Lập bản đồ phân tán sol khí ngang tại đô thị |
| Nuno Grosso và cs (2007); Retalis và Sifakis (2009) |
MODIS, MERIS-Envisat |
Thuật toán phân tích cấu trúc vi sai (DTA) kết hợp số liệu bụi đo mặt đất |
Hệ số tương quan $R^2 = 0,83$ với ảnh MERIS-Envisat |
| Jerome Vidot và cs (2007) |
SeaWiFS |
Tích hợp dữ liệu $\text{AOT}$ viễn thám với số liệu bụi đo mặt đất cục bộ hàng ngày |
Ước tính $\text{PM}_{10}$ đạt hệ số tương quan $R^2 = 0,5 - 0,7$ |
| Chu và cs (2003) |
MODIS, AERONET |
Tính độ sâu quang học $\tau_a$ tại Bắc Ý, Los Angeles, Bắc Kinh |
Độ chính xác $\Delta\tau_a = \pm 0,2\tau_a$; tương quan $\text{AERONET}$ và $\text{PM}_{10}$ đạt $0,82$ |
| Francesco Nordio và cs (2013) |
Dữ liệu $\text{AOD}$ |
Mô hình dự báo $\text{PM}_{10}$ tại vùng Lombardy (Bắc Ý) |
Hệ số xác định đạt $R^2 = 0,841$ |
| Jay Gao và Yong Zha (2010) |
MODIS $\text{AOT}$ |
Đánh giá tương quan $\text{PM}_{10}$ với 4 yếu tố khí tượng tại Nam Kinh (Trung Quốc) |
$R^2 = 0,749$ (mùa hè); $R^2 = 0,634$ (mùa thu); mùa xuân và đông $R^2 < 0,5$ |
| N. Benas và cs (2013) |
MODIS, MERIS, AATSR |
Kết hợp ảnh độ phân giải cao và dữ liệu khí tượng, hồi quy tuyến tính và phi tuyến |
Hệ số tương quan xác định $\text{PM}_{10}$ đạt $R^2 = 0,77$ |
| Zhang và cs (2015) |
Landsat 8 OLI |
Ứng dụng phương pháp vật phủ thực vật tối (DDV) để tính $\text{AOD}$ |
Tương quan giữa $\text{AOD}$ và $\text{PM}_{2,5}$ trên đất đô thị |
| Lin Sun và cs (2016) |
Landsat 8 OLI, MODIS |
Kết hợp MODIS ước tính phản xạ bề mặt Landsat 8 OLI tại Bắc Kinh, kiểm tra qua AERONET |
Khôi phục $\text{AOD}$ chi tiết hơn các phương pháp tiêu chuẩn |
| Saleh SAH và Hasan G. (2014) |
Landsat 8 OLI |
Dùng các kênh nhìn thấy (Aerosol, Blue, Green, Red) tại Kirkuk (Iraq) |
Khẳng định khả năng tính toán $\text{PM}_{10}$ từ dải phổ nhìn thấy |
| Mozumder và cs (2012) |
IRS P6 LISS IV, Landsat ETM+ |
Phân tích hồi quy chỉ số ô nhiễm không khí với chỉ số thực vật NDVI và chỉ số đô thị hóa UI |
Độ chính xác mô hình đạt $90,5%$ |
| Lương Chính Kế (2010, 2010-ACRS) |
SPOT 4/5, Landsat ETM+, SPOT 2 |
Tính toán sol khí cho Hà Nội, Cẩm Phả |
Chưa đồng bộ thời điểm chụp vệ tinh và đo thực địa |
| Trần Xuân Trường, Vương Trọng Kha (2012, 2013) |
MODIS, Landsat 7 |
Tính $\text{AOT}$, chỉ số AQI, API; khảo sát 8 mô hình $\text{PM}_{10}$ |
Ảnh MODIS độ phân giải thấp; ảnh Landsat 7 bị lỗi sọc từ năm 2003 |
| Trần Thị Vân và cs (2012, 2014) |
SPOT 5, Landsat ETM+ |
Tính $\text{AOT}$ từ ảnh ngày sạch (21/2/1996) và ngày ô nhiễm (16/2/2003) tại TP.HCM |
Hàm bậc 2 kênh Green: $y = 117,6x^2 + 54,2x + 43,3$; thiếu trạm kiểm tra độc lập |
| Nguyễn Thị Nhật Thanh và cs (2015) |
MODIS (MOD04, MYD04, MOD07) |
Hồi quy tuyến tính đa biến theo lưới $10,\text{km}\times 10,\text{km}$ toàn quốc |
$n = 285, R^2 = 0,55$; kiểm chứng độc lập $n = 40, R^2 = 0,56$ |
| Trịnh Lê Hùng (2016) |
Landsat 5 |
Áp dụng kênh NIR, SWIR và chỉ số thực vật (VI, TVI) tại Quảng Ninh |
Chưa kiểm chứng với số liệu đo thực địa |
Vị trí của luận án: Luận án khắc phục nhược điểm phụ thuộc vào các trạm mặt đất AERONET vốn rất hạn chế tại Việt Nam (toàn khu vực Hà Nội chỉ có 1 trạm AERONET với chuỗi số liệu đo rời rạc), không phụ thuộc vào giả định "ảnh ngày sạch" khó xác định trong bối cảnh ô nhiễm đô thị thường xuyên. Thay vào đó, luận án thiết lập quy trình tính toán giá trị phản xạ khí quyển trực tiếp từ ảnh Landsat 8 OLI thông qua các thuật toán hiệu chỉnh khí quyển, kết hợp dữ liệu đo bụi mặt đất đồng thời bằng máy đo chuyên dụng DustTrak II để xây dựng mô hình hồi quy đa biến và hồi quy đa thời gian.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết vật lý khí quyển và sol khí
- Khái niệm và phân loại sol khí (Aerosol): Sol khí là tập hợp các hạt thể rắn hoặc lỏng lơ lửng trong khí quyển (tầng đối lưu và bình lưu), kích thước từ vài nanomet đến vài chục micromet. Sol khí tự nhiên gồm muối biển, bụi bão cát, tro núi lửa, cháy rừng; sol khí nhân tạo gồm khí thải công nghiệp, giao thông, đốt phụ phẩm nông nghiệp (chiếm khoảng 10% tổng số hạt toàn cầu và tập trung chủ yếu ở Bắc bán cầu).
- Kích thước hạt và đường kính khí động học: Đường kính khí động học $d_a$ liên hệ với đường kính vật lý $d_P$ và mật độ khối lượng hạt $\rho$ ($\text{g/cm}^3$) qua công thức:
$$d_a = d_P \times \sqrt{\rho}$$
Hạt sol khí phân thành ba nhóm chính:
- Dạng siêu mịn (A): Bán kính $< 0,05,\mu\text{m}$, không hoạt động về mặt quang học trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại.
- Dạng tích lũy (B): Bán kính từ $0,05,\mu\text{m}$ đến $1,0,\mu\text{m}$, tạo thành do quá trình keo tụ và ngưng tụ hóa học (chuyển đổi khí $\text{SO}_2$, sunfat, bồ hóng).
- Dạng thô (C): Đường kính $> 1,0,\mu\text{m}$ (bụi đất, muối biển do gió). Bụi $\text{PM}_{10}$ là các hạt có đường kính khí động học $\le 10,\mu\text{m}$.
- Phân bố kích thước hạt: Hàm mật độ số hạt theo bán kính $r$ tuân theo phân bố chuẩn logarit:
$$\frac{dN}{dr} = n(r) = \frac{n_0}{\sqrt{2\pi}\sigma_0 r} \exp\left[-\frac{(\ln r - \ln r_0)^2}{2\sigma_0^2}\right]$$
Hàm phân bố thể tích:
$$\frac{dV}{d\ln r} = \frac{V_0}{\sqrt{2\pi}\sigma_3} \exp\left[-\frac{(\ln r - \ln r_3)^2}{2\sigma_3^2}\right]$$
với $r_3 = r_0 \exp(3\sigma_0^2)$, phản ánh sự đóng góp chiếm ưu thế của các hạt thô vào thể tích sol khí.
- Tương tác bức xạ điện từ và khí quyển:
- Tán xạ Rayleigh: Xảy ra khi kích thước phân tử khí ($\text{O}_2, \text{N}_2$) nhỏ hơn nhiều so với bước sóng tới ($< 1/10\lambda$), xảy ra ở độ cao $2 - 8,\text{km}$. Cường độ tán xạ $I$ tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng ($I \propto \lambda^{-4}$), làm cho các bước sóng ngắn (xanh lam, tím) bị tán xạ mạnh gấp nhiều lần bước sóng dài (đỏ).
- Tán xạ Mie: Xảy ra khi kích thước hạt lơ lửng và hơi nước xấp xỉ bước sóng ($0,1 - 10\lambda$), tập trung ở tầng thấp khí quyển, ít phụ thuộc vào bước sóng và gây ra hiện tượng mù trắng quang học.
- Hấp thụ khí quyển: Do 8 loại khí chính ($\text{H}_2\text{O}, \text{CO}_2, \text{O}_3, \text{N}_2\text{O}, \text{CO}, \text{CH}_4, \text{O}_2, \text{NO}_2$) trong dải phổ $0,4 - 3,0,\mu\text{m}$. Các khoảng bước sóng không bị hấp thụ mạnh được gọi là "cửa sổ khí quyển" (dải khả kiến, một phần dải cận hồng ngoại NIR, hồng ngoại sóng ngắn SWIR, hồng ngoại nhiệt $8 - 14,\mu\text{m}$ và dải vô tuyến $> 20,\text{mm}$).
- Truyền tải bức xạ: Độ truyền qua khí quyển $T_\lambda(z_0, \cos\theta) = \exp\left[-\tau_\lambda(z_0)/\cos\theta\right]$, trong đó độ dày quang học tổng cộng $\tau_\lambda$ là tổng của các thành phần tán xạ và hấp thụ: $\tau_\lambda = \tau_{R\lambda} + \tau_{A\lambda} + \tau_{W\lambda} + \tau_{OZ\lambda}$.
Phương pháp nghiên cứu thực tế
- Thu thập và tiền xử lý dữ liệu viễn thám: Chuyển đổi giá trị cấp độ xám số (Digital Number - DN) của ảnh Landsat 8 OLI sang giá trị phản xạ phổ tại đỉnh khí quyển (Top Of Atmosphere - TOA). Áp dụng 3 phương pháp hiệu chỉnh khí quyển để bóc tách phản xạ bề mặt đất và xác định phản xạ khí quyển:
- Phương pháp DOS (Dark Object Subtraction): Phương pháp hiệu chỉnh dựa trên vật thể tối.
- Phương pháp FLAASH (Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Hypercubes): Mô hình truyền xạ MODTRAN.
- Phương pháp LaSRC (Landsat 8 Surface Reflectance Code): Thuật toán chuyên dụng cho Landsat 8 dựa trên dữ liệu khí quyển hỗ trợ.
- Phương pháp đo đạc thực địa: Đo nồng độ bụi $\text{PM}_{10}$ đồng thời tại thời điểm vệ tinh bay qua bề mặt khu vực nội thành Hà Nội bằng máy đo bụi chuyên dụng DustTrak II.
- Phương pháp phân tích thống kê và hồi quy: Sử dụng phân tích hồi quy tuyến tính đa biến (Multiple Linear Regression - MLR), phân tích phương sai ANOVA, đánh giá mức độ tương quan qua hệ số xác định $R^2$, sai số trung phương (RMSE) và kiểm chứng độc lập trên các chuỗi dữ liệu đơn thời gian và đa thời gian.
Nội dung chính theo từng chương
Mở đầu
Trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh ô nhiễm không khí đô thị tại Việt Nam, xác định mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi không gian và thời gian, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, cùng 2 luận điểm bảo vệ và 3 điểm mới của luận án. Luận án gồm 137 trang, 54 hình vẽ và sơ đồ, 52 bảng biểu.
Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Tổng quan toàn diện về 3 phương pháp giám sát chất lượng không khí: quan trắc bằng thiết bị đo trực tiếp, phương pháp mô hình và phương pháp viễn thám. Đánh giá chi tiết các công trình nghiên cứu quốc tế từ giai đoạn Landsat 1 đến các cảm biến MODIS, Landsat TM/ETM+/OLI, SPOT, MERIS-Envisat; phân tích tình hình nghiên cứu viễn thám môi trường tại Việt Nam. Xác định các hạn chế về độ phân giải không gian của MODIS, lỗi phần cứng của Landsat 7, sự thiếu hụt trạm AERONET và đề xuất hướng nghiên cứu sử dụng 4 kênh phổ của Landsat 8 OLI kết hợp đo đạc đồng thời ngoài thực địa.
Chương 2. Cơ sở khoa học xác định nồng độ bụi $\text{PM}_{10}$ từ tư liệu viễn thám
Trình bày bản chất vật lý của sol khí, nguồn gốc, phân bố không gian theo chiều thẳng đứng và cơ chế phân loại kích thước hạt ($\text{PM}{10}, \text{PM}{2,5}, \text{PM}1$, TSP). Trình bày cơ chế tương tác bức xạ điện từ: tán xạ Rayleigh ($I \propto \lambda^{-4}$), tán xạ Mie, cơ chế hấp thụ chọn lọc của 8 chất khí và các dải cửa sổ khí quyển. Phân tích nguyên lý thu nhận tín hiệu của bộ cảm biến viễn thám quang học. Tổng hợp và phân tích diễn biến số liệu ô nhiễm không khí tại các đô thị Việt Nam giai đoạn 2011–2015 từ các trạm quan trắc tự động liên tục (trạm Nguyễn Văn Cừ - Hà Nội, trạm Đồng Khởi - Đồng Nai, Đà Nẵng, Hạ Long, Nha Trang) đối với các thông số $\text{AQI}, \text{PM}{10}, \text{PM}_{2,5}, \text{NO}_2, \text{SO}_2, \text{NO}_x, \text{TSP}$, chỉ ra sự biến thiên nồng độ bụi theo mùa và theo giờ trong ngày.
Chương 3. Phương pháp xác định nồng độ bụi $\text{PM}_{10}$ trong không khí từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học
Thiết lập quy trình công nghệ xác định nồng độ bụi $\text{PM}_{10}$ tích hợp dữ liệu ảnh viễn thám quang học và số liệu đo đạc mặt đất. Trình bày chi tiết công thức chuyển đổi từ giá trị số DN sang phản xạ phổ đỉnh khí quyển TOA. Trình bày thuật toán và bộ hệ số của 3 phương pháp hiệu chỉnh khí quyển: DOS, LaSRC và FLAASH nhằm tách biệt giá trị phản xạ bề mặt đất và giá trị phản xạ khí quyển trên 4 kênh phổ quang học (Kênh 1: Coastal aerosol; Kênh 2: Blue; Kênh 3: Green; Kênh 4: Red). Thiết lập quy trình đo bụi thực địa đồng bộ bằng thiết bị DustTrak II và xây dựng khung toán học cho mô hình phân tích hồi quy tuyến tính đa biến, phân tích phương sai ANOVA để xác định phương trình tương quan tối ưu.
Chương 4. Thực nghiệm mô hình xác định nồng độ bụi $\text{PM}_{10}$ trong không khí từ ảnh vệ tinh quang học Landsat 8 OLI
Thực hiện thử nghiệm tại khu vực nội thành thành phố Hà Nội sử dụng 3 cảnh ảnh Landsat 8 OLI chụp vào các thời điểm:
- Ngày 22/01/2015 (điều kiện mùa đông/khô);
- Ngày 30/05/2015 (điều kiện mùa hè);
- Ngày 10/12/2016 (dữ liệu kiểm tra độc lập).
Đồng bộ với các đợt chụp ảnh là chuỗi số liệu đo bụi $\text{PM}{10}$ thực địa bằng máy DustTrak II tại các vị trí phân bố trên địa bàn Hà Nội. Thực hiện tính toán, so sánh kết quả hồi quy đơn thời gian cho từng phương pháp hiệu chỉnh khí quyển (DOS, FLAASH, LaSRC). Xây dựng mô hình hồi quy đa thời gian kết hợp (chu kỳ 22/01/2015 và 30/05/2015), sau đó sử dụng dữ liệu ngày 10/12/2016 để kiểm tra độ chính xác độc lập. Thành lập các bản đồ phân bố nồng độ bụi $\text{PM}{10}$ khu vực nội thành Hà Nội theo từng chu kỳ và mô hình kết hợp đa chu kỳ.
Kết quả và những đóng góp mới
Các luận điểm bảo vệ được chứng minh
- Luận điểm 1: Phương pháp xác định nồng độ bụi $\text{PM}_{10}$ trong không khí từ việc tích hợp phản xạ khí quyển được tính từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học và dữ liệu đo mặt đất cho kết quả có độ tin cậy cao.
- Luận điểm 2: Mô hình hồi quy tuyến tính xây dựng từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat OLI đa thời gian cho phép nâng cao độ chính xác xác định nồng độ bụi $\text{PM}_{10}$ khu vực đô thị.
Những đóng góp mới của luận án
- Đề xuất quy trình công nghệ và mô hình tương quan giữa giá trị phản xạ khí quyển xác định trên 4 kênh phổ ảnh vệ tinh quang học Landsat 8 OLI (Coastal aerosol, Blue, Green, Red) và giá trị nồng độ bụi $\text{PM}_{10}$ quan trắc mặt đất đo tại cùng thời điểm vệ tinh bay qua.
- Đánh giá định lượng ảnh hưởng của các phương pháp hiệu chỉnh khí quyển khác nhau (DOS, FLAASH, LaSRC) đến độ chính xác của mô hình xác định nồng độ bụi $\text{PM}_{10}$ từ tư liệu ảnh viễn thám Landsat 8 OLI.
- Đề xuất phương pháp kết hợp ảnh vệ tinh đa thời gian trong việc xây dựng hàm hồi quy tuyến tính đa biến, giúp cải thiện độ ổn định và độ chính xác của việc thành lập bản đồ phân bố bụi $\text{PM}_{10}$ tại khu vực đô thị.
Ý nghĩa thực tiễn và kiến nghị
- Cung cấp phương pháp giám sát không gian diện rộng nồng độ bụi $\text{PM}_{10}$ tại các đô thị Việt Nam với chi phí hợp lý, khắc phục sự thiếu hụt và phân bố không đều của mạng lưới trạm quan trắc mặt đất.
- Hỗ trợ các cơ quan quản lý nhà nước trong công tác quy hoạch phát triển đô thị, quản lý giao thông, giám sát nguồn thải công nghiệp và cảnh báo sớm nguy cơ ô nhiễm môi trường không khí.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Nghiên cứu sử dụng tư liệu ảnh viễn thám quang học nên phụ thuộc vào điều kiện thời tiết; độ che phủ mây cao đặc trưng của khí hậu nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam làm giảm số lượng ảnh quang học khả dụng trong năm.
- Số lượng điểm đo thực địa đồng thời bị giới hạn bởi năng lực thiết bị và nhân lực tại thời điểm vệ tinh bay qua.
- Phạm vi thử nghiệm mô hình thực nghiệm mới tập trung tại khu vực nội thành Hà Nội.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng thử nghiệm phương pháp trên các nguồn tư liệu viễn thám quang học có độ phân giải không gian và thời gian cao hơn (như chùm vệ tinh Sentinel-2, PlanetScope).
- Tích hợp thêm các tham số khí tượng động lực (nhiệt độ bề mặt, độ ẩm tương đối, hướng và tốc độ gió, độ cao lớp biên khí quyển) vào các mô hình phi tuyến tính hoặc học máy để nâng cao độ chính xác dự báo.
- Mở rộng phạm vi ứng dụng mô hình cho các đô thị lớn khác tại Việt Nam (Thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Hải Phòng).
Giá trị tham khảo
- Đối tượng thụ hưởng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên và giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Đo ảnh và Viễn thám, Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS), Khoa học Môi trường và Quản lý Đất đai.
- Các cán bộ kỹ thuật, chuyên gia phân tích dữ liệu không gian tại các viện nghiên cứu, trung tâm viễn thám quốc gia.
- Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường: Tổng cục Môi trường, Chi cục Bảo vệ Môi trường, Sở Tài nguyên và Môi trường tại các tỉnh, thành phố.
- Nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:
- Cơ sở lý thuyết tương tác bức xạ điện từ và các công thức phân bố kích thước hạt sol khí (Chương 2).
- Quy trình xử lý ảnh số từ cấp độ xám DN sang phản xạ phổ TOA và so sánh 3 phương pháp hiệu chỉnh khí quyển DOS, FLAASH, LaSRC (Chương 3).
- Phương pháp thiết kế mạng lưới đo đạc thực địa đồng bộ với chu kỳ chụp của vệ tinh Landsat 8 OLI và kỹ thuật hồi quy đa thời gian (Chương 3 và Chương 4).
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án sử dụng dữ liệu từ vệ tinh nào và những kênh phổ cụ thể nào để xác định bụi $\text{PM}_{10}$?
Luận án sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh quang học Landsat 8 OLI với 4 kênh phổ trong dải nhìn thấy và sol khí: Kênh 1 (Coastal aerosol: $0,43 - 0,45,\mu\text{m}$), Kênh 2 (Blue: $0,45 - 0,51,\mu\text{m}$), Kênh 3 (Green: $0,53 - 0,59,\mu\text{m}$) và Kênh 4 (Red: $0,64 - 0,67,\mu\text{m}$).
2. Tại sao tác giả không tiếp cận theo hướng tính toán độ dày quang học sol khí ($\text{AOT}/\text{AOD}$) từ mạng lưới trạm $\text{AERONET}$ như nhiều nghiên cứu quốc tế?
Phương pháp dựa vào AERONET đòi hỏi mạng lưới trạm đo dày đặc và hạ tầng viễn thám hoàn thiện. Tại Việt Nam, số lượng trạm AERONET rất ít (toàn khu vực Hà Nội chỉ có 1 trạm) và số liệu đo rời rạc, không đủ số lượng điểm đo đồng thời khi vệ tinh bay qua. Do đó, luận án tiếp cận bằng cách tính phản xạ khí quyển trực tiếp từ ảnh Landsat 8 OLI kết hợp đo bụi thực địa.
3. Luận án đã so sánh những phương pháp hiệu chỉnh khí quyển nào?
Luận án thực nghiệm và so sánh 3 phương pháp hiệu chỉnh khí quyển gồm: phương pháp vật thể tối DOS (Dark Object Subtraction), phương pháp mô hình truyền xạ FLAASH (Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Hypercubes) và thuật toán chuyên dụng LaSRC (Landsat 8 Surface Reflectance Code).
4. Dữ liệu thực nghiệm mặt đất được thu thập bằng thiết bị gì và vào các mốc thời gian nào?
Dữ liệu thực địa được thu thập bằng máy đo bụi chuyên dụng DustTrak II tại nội thành Hà Nội vào 3 đợt đồng bộ với thời điểm vệ tinh Landsat 8 bay qua: ngày 22/01/2015, ngày 30/05/2015 và ngày 10/12/2016.
5. Điểm nổi bật của phương pháp kết hợp ảnh vệ tinh đa thời gian trong luận án là gì?
Việc kết hợp dữ liệu ảnh và số liệu đo thực địa đa thời gian (chu kỳ mùa đông 22/01/2015 và chu kỳ mùa hè 30/05/2015) giúp xây dựng hàm hồi quy có tính khái quát hóa cao hơn, khắc phục tính cục bộ của mô hình đơn thời gian và nâng cao độ chính xác khi kiểm chứng độc lập trên dữ liệu ngày 10/12/2016.
Kết luận
Luận án của tác giả Nguyễn Như Hùng đã giải quyết bài toán xác định nồng độ bụi $\text{PM}_{10}$ tại khu vực đô thị Việt Nam từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học Landsat 8 OLI và số liệu quan trắc thực địa bằng máy DustTrak II. Bằng việc phân tích cơ sở vật lý tương tác bức xạ điện từ và sol khí, luận án đã so sánh 3 phương pháp hiệu chỉnh khí quyển (DOS, FLAASH, LaSRC) và xây dựng thành công mô hình hồi quy tuyến tính đa biến đa thời gian. Kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng độc lập tại nội thành Hà Nội, mở ra khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám để thành lập bản đồ phân bố bụi mịn diện rộng, phục vụ quản lý môi trường và quy hoạch đô thị.
