ĐẶT VẤN ĐỀ Nằm ở khu vực Đông Nam Á, Việt Nam là quốc gia giàu tài nguyên khoáng sản bao gồm than, đồng, dầu,.có hơn 5000 điểm mỏ với khoảng 60 loại khoáng sản khác nhau và có hơn 1000 doanh nghiệp khai khoáng. Trữ lƣợng lớn tập trung chủ yếu ở Quảng Ninh.Tuy nhiên, hoat động khai thác khoáng sản đã và đang tác động không nhỏ đến môi trƣờng nhƣ: tác động đến cảnh quan, ô nhiễm nguồn nƣớc, tiềm ẩn nguy cơ dòng thải axit mỏ. Một trong những tác động lớn của hoạt động khai thác khoáng sản đến môi trƣờng xung quanh đó là vấn đề ô nhiễm không khí khu vực khai thác và chế biến khoáng sản.Công tác quản lí hoạt động khai khoáng còn gặp nhiều khó khăn do các hoạt động khai thác khoáng sản không tập trung, nhỏ lẻ phân tán và không khí là yếu tố khó kiểm soát và định lƣợng ảnh hƣởng rất lớn tới môi trƣờng xung quanh và sức khỏe con ngƣời khu vực khai khoáng. Đã có những nghiên cứu về môi trƣờng không khí , tuy nhiên còn rất ít những nghiên cứu về môi trƣờng không khí khu vực khai thác khoáng sản.
Các nghiên cứu tập trung vào phân tích thống kê từ nguồn số đo mặt đất tại các trạm quan trắc mặt đất. Dựa vào số đo này và phân bố không gian, các chất ô nhiễm không khí đƣợc ƣớc tính và thể hiện qua các mô hình tính toán hoặc nội suy. Độ chính xác của phƣơng pháp phụ thuộc rất lớn vào số lƣợng và vị trí các trạm quan trắc. Trong khi số trạm này khá ít so với toàn khu vực khai thác và chế biến khoáng sản, do đó kết quả thiếu định lƣợng về mặt không gian.
Trong khi đó, ảnh vệ tinh cho biết thông tin trên toàn khu vực nghiên cứu theo cấu trúc mạng lƣới liên tực của các pixel kề nhau. Mỗi pixel đƣợc ví nhƣ là một trạm quan trắc, do đó số điểm tứ ảnh vệ tinh sẽ rất dày đặc hơn nhiều so với các trạm đo mặt đất. Kết quả phân tích ảnh vệ tính sẽ cho các giá trị ô nhiễm thể hiện trên từng pixel tùy thuộc vào độ phân giải ảnh và trên toàn vùng đồng thƣời vào cùng thời điểm quan sát, mà với điều kiện và khả năng của thiết bị và trạm đo mặt đất hiện tại không thể nào đạt đƣợc [11]. 1 Ảnh vệ tinh đƣợc nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam bắt đầu từ những năm 80 và ứng dụng công nghệ viễn thám trong nhiều năm nay chủ yếu tập trung vào hai loại tài nguyên đất và nƣớc.
Tài nguyên thứ ba là không khí - liên quan trực tiếp tới sự sinh tồn của con ngƣời, nhƣng công nghệ viễn thám ở nƣớc ta chƣa có điều kiện ứng dụng chuyên sâu, một số ít công trình thử nghiệm chỉ mới đƣợc đề cập trong những năm gần đây nhƣng chủ yếu tập trung nghiên cứu môi trƣờng không khí khu vực đô thị. Nhận thấy, các vấn đề môi trƣờng không khí nói chung và bụi nói riêng khu vực khai thác khoáng sản còn chƣa đƣợc quan tâm nghiên cứu, các công cụ hỗ trợ quản lí chƣa thực sự đem lại hiệu quả. Trong khi công nghệ viễn thám hoàn toàn có thể đáp ứng các yêu cầu đặt ra đối với công tác quản lí môi trƣờng khu vực khai thác khoáng sản. Nhằm phát triển ứng dụng phổ biến công nghệ viễn thám hỗ trợ công tác nghiên cứu, quản lí các vấn đề môi trƣờng không khí khu vực khai thác khoáng sản trên địa bàn huyện Hoành Bồ tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: “Ứng dụng ảnh Landsat để xây dựng bản đồ phân bố ô nhiễm không khí do khai thác khoáng sản tại huyện Hoành Bồ, tỉnh Quảng Ninh”.
2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về công nghệ viễn thám 1.1 Khái niệm viễn thám Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu đời. Sự phát triển của khao học viễn thám đƣợc bắt đầu từ mục đích quân sự khi nghiên cứu các ảnh chụp sử dựng phim và giấy ảnh từ khinh khí cầu, máy bay. Ngày nay, cùng với sự phát triển của khao học kỹ thuật, viễn thám đƣợc ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau nhƣ quân sự, môi trƣờng, thủy văn, nông nghiệp, lâm nghiệp. Theo nghĩa rộng, viễn thám là ngành khoa học nghiên cứu đo đạc, thu thập thông tin về một đối tƣợng, sự vật bằng cách sử dụng thiết bị đo tác động một cách gián tiếp với đối tƣợng nghiên cứu.
Ban đầu, dữ liệu viễn thám là ảnh chụp thu nhận từ các khinh khí cầu, máy bay. Hiện nay, nguồn dữ liệu chính trong viễn thám là ảnh số thu nhận từ các hệ thống vệ tinh quan sát Trái đất.[9,11] Có nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhƣng xét cho cùng tất cả các định nghĩa đều có đặc điểm chung, nhấn mạnh “viễn thám là khoa học nghiên cứu các thực thể, hiện tƣợng trên trái đất từ xa mà không cần tác động trực tiếp vào nó”.2 Bản chất của công nghệ viễn thám Nguyên lý cơ bản của công nghệ viễn thám là thu nhận năng lƣợng phản hồi của sóng điện từ chiếu đến vật thể, thông qua bộ cảm biến năng lƣợng phản hồi này sẽ đƣợc đƣợc chuyển về giá trị số. Sóng điện từu dùng trong viễn thám tuân theo các định luật bức xạ điện từ ( định luậ Plank, định luật Stefan - Bontzman,.) và hệ phƣơng trình Maxwell. Năng lƣợng phổ dƣới dạng sóng điện từ, cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ sẽ góp phần giải đoán vật thể một cách chính xác hơn.
[5 ] 3 Nguồn tài nguyên chủ yếu sử dụng trong viễn thám là sóng điện từ hoặc đƣợc phản xạ, bức xạ từ vật thể. Nguồn bức xạ điện từ có thể chia làm 2 loại: nguồn bức xạ điện từ tự nhiên ( Mặt trời, Trái đất, khí quyển.) và bức xạ điện từ vật thể gọi là bộ cảm biến (sensor). Bộ cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị điện từ sang giá trị số để thu đƣợc ảnh số. Phƣơng tiện dùng để mang các bộ cảm đƣợc gọi là vật mang.
Không chỉ dựa vào đặc tính phản xạ phổ của vật thể, việc giải đoán, tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh viễn thám cần đƣợc thực hiện dựa trên các cách tiếp cận khác nhau. Một số cách tiếp cận khi xử lý ảnh viễn thám bao gồm: + Đa phổ: Nghiên cứu vật thể từ nhiều kênh phổ khác nhau, từ dải sóng nhìn thấy, hồng ngoại đến sóng radar; + Đa nguồn: Dữ liệu ảnh thu nhận đƣợc từ các nguồn khác nhau ở các độ cao khác nhau nhƣ chụp ảnh trên mặt đất, từ máy bay, từ vệ tinh. +Đa thời gian: Dữ liệu ảnh thu nhận đƣợc vào các thời gian khác nhau. + Đa độ phân giải: Dữ liệu ảnh có độ phân giải khác nhau về không gian phổ và thời gian.
+ Đa phƣơng pháp: Xử lý ảnh bằng mắt và tự động hóa. Dữ liệu ảnh viễn thám có thể đƣợc phân loại theo độ phân giải, bao gồm: + Độ phân giải cao (<10m): IKONOS (1,4m), Quickbird (0,7;2,8m), SPOT 5 (2,5; 5; 10m), Thaichote/THEOS (2m), OrbView – 3 (1,4m), IRS (2,5;5m), Corona, LiDAR. + Độ phân giải trung bình (15 – 100m): SPOT (20m…); landsat TM/ETM+ (15;30;60m), Thaichote/THEOS (15m), ASTER (15;30;90m), IRS, Envisat, RADARSAT. + Độ phân giải thấp (>100m): MODIS (250m, 1km), MERIS (250m); NOAA – AVHHR (1,1KM)…[11] 4 1.3 Ứng dụng của viễn thám nghiên cứu môi trường không khí 1.1 Trên thế giới Trên thế giới đã có những nghiên cứu ứng dụng viễn thám trong đánh giá chất lƣợng môi trƣờng không khí, xây dựng các mối tƣơng quan giữa ảnh viễn thám và các chất ô nhiễm trong không khí, trong đó đáng chú ý là các nghiên cứu có giá trị khoa học dƣới góc độ xây dựng phƣơng pháp tính toán các thành phần không khí.
Dựa vào mức độ tƣơng quan của độ dày sol khí để nghiên cứu mức độ ô nhiễm các thành phần không khí từ tƣ liệu ảnh viễn thám. Nghiên cứu : “ xây dựng mối tương quan giữa độ dày sol khí và mức độ nhiễm không khí bằng cách sử dụng dữ liệu vệ tinh tại chỗ” của Sifakis và Deschamps năm 1992. Tác giả đã nghiên cứu tính toán chỉ số AOT và các thuật toán để xác định nồng độ các chất trong không khí. Nghiên cứu: “ Xây dựng bản đồ phân tán ô nhiễm không khí đô thị sử dụng kỹ thuật viễn thám và dữ liệu trạm mặt đất” của I.K Wijieratne năm 2003 Nghiên cứu: “ước lượng nồng độ bụi PM10 sử dụng viễn thám gis của Salah Abdul Hameed Saleh và Ghada Hasan năm 2014 tại thành phố Kirkuk thủ phủ của khu tự trị Iraq sử dụng ảnh LANDSAT 8”.
Nghiên cứu: “xây dựng bản đồ chất lượng không khí từ ảnh LANDSAT 8 của Hwee San Lim tại Malaysia”. Sử dụng Mozumder và cộng sự (2012) đã nghiên cứu chỉ số ô nhiễm không khí (API) và dữ liệu thực tế mặt đất để xây dựng mô hình đánh giá chất lƣợng không khí ở đô thị khu vực của thành phố Hyderabad (Ấn Độ) dựa trên ảnh Landsat và IRS hình ảnh đa phổ (Chitrini Mozumder et al. Nhận xét chung: Các nghiên cứu này đã ứng dụng ảnh viễn thám nghiên cứu xây dựng các bản đồ ô nhiễm không khí, có mức độ tin cậy cao. Tuy nhiên các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các khu đô thị lớn mà chƣa 5 có nghiên cứu nào nghiên cứu ô nhiễm không khí khu vực khai thác khoáng sản.2 Tại Việt Nam Đã có một số nghiên cứu ứng dụng viễn thám trong đánh giá, quản lí môi trƣờng không khí.
Nghiên cứu “khả năng phát hiện ô nhiễm bụi trên khu vực đô thị bằng công nghệ viễn thám nhằm hỗ trợ quan trắc môi trường”. Thực hiện bởi nhóm tác giả Trần Thị Vân, Trịnh Thị Bình và Hà Dƣơng Xuân Bảo viện môi trƣờng và tài nguyên ĐHQG - TPHCM (2012) đã nghiên cứu phát hiện thành phần bụi sử dụng ảnh SPOT 5 bằng phƣơng pháp hồi qui tƣơng quan giữa nồng độ bụi PM10 quan trắc từ trạm mặt đất và giá trị phản xạ trên ảnh vệ tinh. Nghiên cứu “viễn thám độ dày quang học mô phỏng phân bố bụi PM10 khu vực nội thành Thành phố Hồ Chí Minh” do nhóm tác giả Trần Thị Vân, Nguyễn Phú Khánh và Hà Dƣơng Xuân Bảo trƣờng ĐHBK-ĐHQG- TPHCM thực hiện năm 2014 sử dụng ảnh LANDSAT 8 hồi qui giữa giá trị AOT tính toán trên ánh và nồng độ PM10 từ các trạm quan trắc mặt đất. Nghiên cứu: “Ứng dụng Gis nghiên cứu ô nhiễm bụi ở thị xã Bỉm Sơn - Thanh Hóa” của Lê Duy Hiếu trƣờng ĐHKHTN - ĐHQG Hà Nội năm 2015.