Đặt vấn đề Vấn đề nghiên cứu ô nhiễm môi trường không khí ngày càng trở nên cần thiết, vì nó liên quan trực tiếp tới sự sinh tồn của con người. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật viễn thám và các thiết bị quan trắc môi trường, các nhà khoa học trên thế giới đã có nhiều những nghiên cứu đề xuất các phương pháp xác định nồng độ bụi trong không khí từ phạm vi hẹp tại vị trí điểm đo đến những phạm vi rộng cho cả thành phố. Trên thế giới cũng như ở Việt Nam hiện nay, để nghiên cứu và giám sát tình trạng ô nhiễm không khí có 3 phương pháp cơ bản sau: 1. Các phương pháp quan trắc bằng thiết bị đo Phương pháp quan trắc trực tiếp bằng thiết bị đo là phương pháp kinh điển trong nghiên cứu môi trường không khí.
Phương pháp này có hai cách thức thực hiện: một là quan trắc trực tiếp từ các nguồn ô nhiễm và hai là quan trắc theo khu vực rộng với nhiều điểm đo. Các yếu tố động lực và hóa học khí quyển có thể đo đạc dễ dàng bằng các thiết bị đo khí tượng và hóa học đặt tại các nguồn gây ô nhiễm (ống khói, bãi rác…) hoặc được đặt trên các thiết bị lưu động như máy bay, xe lửa hoặc ô tô. Phương pháp này cho phép cung cấp các dữ liệu theo phương thẳng đứng cụ thể cho một điểm duy nhất. Các bộ dữ liệu này đặc biệt hữu ích cho việc phân tích xu hướng trong không gian dài, đo lường bán liên tục ô nhiễm không khí.
Các phương pháp này có thể cung cấp các phép đo với quy mô rộng, chi tiết về các quá trình khí quyển quan trọng và đo đạc nồng độ chất ô nhiễm với độ phân giải theo thời gian và không gian tốt. Nhưng đây là phương pháp đòi hỏi chi phí rất lớn về trang thiết bị. Đối với Việt Nam rất khó khăn về kinh phí để có thể tiếp cận phương pháp này. Các phương pháp mô hình Các mô hình lan truyền chất ô nhiễm là các công cụ rất quan trọng được sử dụng để xác định quá trình vận chuyển và đánh giá tác động của ô nhiễm không khí trên quy mô lớn.
Mô hình lan truyền chất ô nhiễm là các mô hình tính toán liên kết với các nguồn phát thải ô nhiễm để tìm ra sự phân bố của chúng trong môi trường. Chúng tích hợp với các quá trình khí tượng học, hóa học, vật lý để kiểm soát thành phần và sự vận chuyển ô nhiễm không khí trong bầu khí quyển. Trong những thập kỷ qua, khả năng dự báo chất lượng không khí đã được cải thiện đáng kể do sự phát triển khả năng quan trắc và mô hình hóa khí quyển, vận chuyển và các quá trình di chuyển. 6 Tuy nhiên, mức độ chính xác trong các mô hình bị hạn chế bởi sự không chắc chắn trong các dữ liệu đầu vào và các giả định trong mô hình.
Ngoài ra, các mô hình thường được xây dựng cho một khu vực riêng lẻ với các tham số đầu vào cố định cho từng khu vực nên việc ứng dụng cho các vùng khác nhau gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi phải hiệu chỉnh lại các thông số đầu vào. Các phương pháp quan trắc bằng viễn thám Thiết bị quan trắc bằng viễn thám có hai loại chính là cảm biến thụ động và cảm biến chủ động. Cảm biến thụ động phát hiện bức xạ tự nhiên được phát ra hoặc phản xạ bởi các đối tượng hoặc các khu vực xung quanh. Phản xạ ánh sáng mặt trời là nguồn phổ biến nhất của bức xạ được đo bởi các cảm biến thụ động như phim ảnh, hồng ngoại, thiết bị tích điện kép, máy đo bức xạ.
Loại cảm biến chủ động phát ra năng lượng để quét các đối tượng và các khu vực sau đó phát hiện và đo bức xạ được phản xạ hoặc tán xạ ngược từ mục tiêu như tư liệu RADAR và LiDAR. Dựa trên việc truyền và thu nhận tín hiệu từ các bước sóng khác nhau của quang phổ điện từ và kết hợp giữa tư liệu viễn thám quy mô lớn và các trạm thu thập dữ liệu mặt đất đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu đầy đủ thông tin để theo dõi quá trình ô nhiễm không khí. Những nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh việc sử dụng ảnh vệ tinh hoàn toàn có thể phát hiện ô nhiễm không khí ở khu vực mà chúng ta quan tâm. Hiệu quả mang lại từ việc áp dụng công nghệ viễn thám vào lĩnh vực giám sát ô nhiễm môi trường không khí sẽ giúp đánh giá được mức độ ô nhiễm trên diện rộng.
Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới Từ những năm đầu thập kỷ 70 khi vệ tinh dân sự giám sát tài nguyên bề mặt Trái đất LANDSAT-1 của Mỹ được đưa lên quỹ đạo, các nhà khoa học ở các nước phát triển đã tiến hành nghiên cứu ô nhiễm môi trường không khí bằng tư liệu ảnh viễn thám dựa trên đặc điểm tán xạ của sóng điện từ trên các hạt bụi ô nhiễm trong khí quyển. và cộng sự (1973) [59] thì ô nhiễm không khí chủ yếu xảy ra ở tầng đối lưu của khí quyển, tạo thành một lớp mù khí quyển và gọi là lớp sol khí (aerosol). Các nhà khoa học đã đề xuất nhiều phương pháp khác nhau để xác định ô nhiễm không khí từ dữ liệu ảnh vệ tinh như sau: - Phương pháp ước lượng nồng độ bụi ở khu vực đô thị sử dụng tỷ số giữa các kênh phổ của tư liệu LANDSAT TM: Năm 1984, Carnahan W.
P đã đề xuất phương pháp ước lượng nồng độ bụi ở khu vực đô thị sử dụng tỷ số giữa các kênh phổ của tư liệu LANDSAT TM [23]. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phương pháp phân tích tỉ số của các kênh ảnh LANDSAT TM như sau: 1/2, 1/3, 1/4, 1/5 và 1/6 và các ước tính về nồng độ hạt có nguồn gốc từ các ảnh tỷ lệ và được kiểm tra qua độ phản xạ thấp tại các vị trí nước đục và đường cao tốc bê tông. Từ phân tích dữ liệu, đối với nước thì mô hình tăng nồng độ hạt có liên quan đến các giá trị tỷ lệ giảm trong tất cả các kết hợp băng tần được sử dụng. Kết quả cụ thể, các giá trị tỷ số kênh ảnh 1/4 tuân theo mô hình dự đoán, trong khi 1/6 có các tỷ số bị đảo ngược so với giá trị dự kiến.
- Phương pháp xác định độ dày quang học của sol khí từ dữ liệu vệ tinh bằng cách sử dụng hiệu ứng làm mờ tán xạ [68]. Phương pháp này đã được áp dụng để xác định sol khí ở khu vực Châu Phi phía Nam sa mac Saharan từ dữ liệu ảnh vệ tinh LANDSAT TM. Bằng cách giả định phản xạ mặt đất là không đổi, các tín hiệu vệ tinh thay đổi có thể là do sự thay đổi của tính chất quang học trong khí quyển. Sự thay đổi theo thời gian của các cấu trúc cho phép chúng ta đưa ra hàm chất lượng sol khí trên bề mặt đất.
Kết quả thu được đã được chứng minh là phù hợp với các phép đo đồng thời trên mặt đất. - Phương pháp xác định bụi (PM) trong không khí bằng cách xây dựng hàm tương quan giữa độ dày sol khí AOT với hàm lượng bụi thu được bằng việc đo trực tiếp tại bề mặt. Một số nghiên cứu điển hình như sau: + Phương pháp xác định AOD từ ảnh hai thời điểm: Trong các nghiên cứu của Sifakis và Deschamps (1992) [65] và Retalis và cộng sự (1998) [62] cũng sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT và LANDSAT-5/TM để xác định AOD (Aerosol Optical Depth) và thành lập bản đồ phân tán ngang của các hạt trong không khí ở các khu vực đô thị. Điểm khác biệt của phương pháp là các tác giả sử dụng và so sánh hai ảnh vệ tinh ở 2 điều kiện khác nhau.
Một ảnh trong điều kiện ô nhiễm và ảnh còn lại ở điều kiện không có ô nhiễm không khí để từ đó tính ra AOD. Tiếp tục phát triển phương pháp này, trong nghiên cứu tiếp theo của Nuno Grosso và cộng sự (2007) [58] và Retalis và Sifakis (2009) [61] đã đề xuất kết hợp với thuật toán DTA (Differential Textural Analysis) để thành lập bản đồ sol khí tại Lisbon và Athens bằng dữ liệu ảnh viễn thám MODIS và MERIS-ENVISAT. Sau đó kết hợp với giá trị đo bụi PM10 mặt đất để xây dựng hàm tương quan với giá trị AOT (Aerosol Optical Thickness). Kết quả xác định được là với ảnh MODIS hệ số tương quan R2 = 0.83 với ảnh MERIS-ENVISAT.
8 + Phương pháp bán tự động kết hợp dữ liệu AOT với dữ liệu bụi PM đo mặt đất cục bộ: Jerome Vidot và cộng sự (2007) [39] đã sử dụng kết quả đo AOT mặt đất và ảnh SeaWiFS. Sử dụng dữ liệu ảnh SeaWiFS đã được xử lý trên cả đất liền và đại dương để xác định AOT kết hợp với dữ liệu bụi PM đo hàng ngày và cục bộ. Một phần dữ liệu đo được sử dụng để xây dựng mô hình bằng phương pháp thống kê; phần còn lại được sử dụng để kiểm tra mô hình. Kết quả phương pháp này cho phép xác định PM10 với hệ số tương quan R2 = 0.5 với hệ số tương quan R2 = 0.
Chu và cộng sự (2003) [26] đã chứng minh khả năng sử dụng MODIS để giám sát ô nhiễm không khí toàn cầu, khu vực và địa phương. Ba nghiên cứu điển hình ở miền bắc Italy, Los Angeles, và Bắc Kinh cho thấy kết quả áp dụng độ sâu quang học được tính từ MODIS (τa) đối với ô nhiễm không khí khu vực và cục bộ đạt độ chính xác (Δτa = ± 0.2τa) và hệ số tương quan giữa Aerosol Robotic Network (AERONET) trung bình hàng ngày τa và nồng độ PM10 (μg /m3) ở miền bắc Italy là 0. Các phép đo từ ảnh vệ tinh MODIS cho cũng đã xác định được mức độ ô nhiễm không khí tại các vùng ở miền Bắc Ý, Nam Ba Lan, Bỉ, Hà Lan và Ruhr, cũng như các thành phố lớn và các thung lũng công nghiệp (Rhone, Danube) [42]. Sự tương quan không gian giữa PM10 trung bình hàng năm và AOT là 0.6 đối với các trạm đo ở nông thôn.
Đồng thời, sự thay đổi theo mùa của AOT và PM là khác biệt rõ rệt. Trong hầu hết các kết quả nghiên cứu tại Châu Âu, AOT được xác định từ tư liệu ảnh MODIS có mức tối thiểu trong những tháng mùa đông. Do đó, mối tương quan giữa chuỗi thời gian một năm của AOT với PM10/PM2.
