Luận văn thạc sĩ ứng dụng công nghệ gis và ảnh vệ tinh modis để đánh giá sự thay đổi hàm lượng bụi pm2 5 trong môi trường không khí ở miền bắc việt nam

Luận văn thạc sĩ ứng dụng công nghệ GIS và ảnh vệ tinh MODIS đánh giá biến đổi hàm lượng bụi PM2.5 trong không khí miền Bắc Việt Nam.

• Tác giả: Trần Đăng Hùng
• Người hướng dẫn: PGS. Doãn Hà Phong
• Trường học: Trường Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
• Đề tài: Ứng dụng công nghệ GIS và ảnh vệ tinh MODIS để đánh giá sự thay đổi hàm lượng bụi PM2.5 trong môi trường không khí ở miền Bắc Việt Nam
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Ứng Dụng GIS Và Ảnh Vệ Tinh MODIS Trong Đánh Giá PM2

GIS và ảnh vệ tinh MODIS là hai công nghệ chính được sử dụng để đánh giá sự thay đổi hàm lượng PM2.5 ở miền Bắc Việt Nam. GIS cung cấp khả năng phân tích không gian, trong khi ảnh vệ tinh MODIS cung cấp dữ liệu về độ dày quang học (AOD) để tính toán nồng độ PM2.5. Sự kết hợp này cho phép theo dõi và đánh giá biến động ô nhiễm không khí một cách hiệu quả. Phân tích không gian từ dữ liệu vệ tinh giúp xác định các khu vực có mức độ ô nhiễm cao, từ đó hỗ trợ quản lý môi trường và đưa ra các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm.

1.1. Vai Trò Của GIS Trong Phân Tích Ô Nhiễm

GIS đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian liên quan đến ô nhiễm không khí. Công nghệ này cho phép tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm dữ liệu vệ tinh, dữ liệu quan trắc mặt đất và dữ liệu địa lý. Phân tích GIS giúp xác định các mối quan hệ không gian giữa các nguồn ô nhiễm và khu vực bị ảnh hưởng, từ đó hỗ trợ việc ra quyết định trong quản lý môi trường.

1.2. Ảnh Vệ Tinh MODIS Và Đánh Giá PM2.5

Ảnh vệ tinh MODIS cung cấp dữ liệu về độ dày quang học (AOD), một chỉ số quan trọng để tính toán nồng độ PM2.5. Với độ phân giải trung bình (250m) và số lượng kênh phổ lớn (36 kênh), MODIS cho phép theo dõi biến động ô nhiễm không khí trên diện rộng. Dữ liệu từ MODIS được sử dụng để xây dựng các bản đồ phân bố PM2.5, giúp đánh giá mức độ ô nhiễm và xu hướng thay đổi theo thời gian.

II. Đánh Giá Thay Đổi PM2

Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá sự thay đổi hàm lượng PM2.5 ở miền Bắc Việt Nam trong các năm 2005, 2010 và 2015. Sử dụng dữ liệu vệ tinh MODIS, nghiên cứu đã xác định được sự gia tăng đáng kể nồng độ PM2.5 trong không khí, đặc biệt là ở các khu vực đô thị và công nghiệp. Phân tích không gian từ GIS cho thấy mối liên hệ giữa các nguồn ô nhiễm và sự phân bố PM2.5, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho việc đề xuất các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm.

2.1. Phương Pháp Nghiên Cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp xử lý ảnh viễn thám để tính toán hàm lượng PM2.5 từ dữ liệu MODIS. Các phần mềm như VERTICAL MAPPER và GLOBAL MAPPER được sử dụng để giải đoán và phân tích dữ liệu. Phương pháp GIS được áp dụng để thành lập bản đồ phân bố PM2.5 và đánh giá sự thay đổi theo thời gian. Ngoài ra, nghiên cứu còn tham khảo ý kiến của các chuyên gia trong lĩnh vực giám sát môi trường để đảm bảo tính chính xác của kết quả.

2.2. Kết Quả Và Đánh Giá

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự gia tăng đáng kể nồng độ PM2.5 ở miền Bắc Việt Nam trong giai đoạn 2005-2015. Các khu vực đô thị như Hà Nội và Hải Phòng có mức độ ô nhiễm cao nhất, với nồng độ PM2.5 vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Phân tích GIS cũng chỉ ra mối liên hệ giữa các nguồn ô nhiễm như giao thông, công nghiệp và sự phân bố PM2.5. Những kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất các biện pháp quản lý môi trường hiệu quả.

III. Ý Nghĩa Khoa Học Và Thực Tiễn

Nghiên cứu này không chỉ góp phần khẳng định khả năng ứng dụng của GIS và ảnh vệ tinh MODIS trong việc đánh giá ô nhiễm không khí, mà còn cung cấp các phương pháp khoa học để theo dõi và giám sát PM2.5. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, giúp các nhà quản lý đưa ra các biện pháp kịp thời để giảm thiểu ô nhiễm không khí và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

3.1. Đóng Góp Khoa Học

Nghiên cứu đã mở rộng khả năng ứng dụng của công nghệ viễn thám và GIS trong việc đánh giá ô nhiễm không khí. Việc sử dụng dữ liệu vệ tinh MODIS để tính toán PM2.5 đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp này trong việc theo dõi biến động chất lượng không khí trên diện rộng. Kết quả nghiên cứu cũng cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo về biến đổi khí hậu và ô nhiễm không khí.

3.2. Ứng Dụng Thực Tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong việc xây dựng các chính sách quản lý môi trường hiệu quả. Các bản đồ phân bố PM2.5 được tạo ra từ nghiên cứu có thể giúp các nhà quản lý xác định các khu vực cần ưu tiên giảm thiểu ô nhiễm. Ngoài ra, nghiên cứu cũng cung cấp các giải pháp kỹ thuật để nâng cao chất lượng dữ liệu và cải thiện hiệu quả của các hệ thống giám sát môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 1. Định nghĩa GIS Theo ESRI: Hệ thống thông tin địa lý (GIS – Geographic information System) là một tập hợp có tổ chức, bao gồm hệ thống phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và con người, được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích, và hiển thị tất cả các dạng thông tin liên quan đến vị trí địa lý Hình 1.1: Hệ thống thông tin địa lý Từ định nghĩa trên ta thấy rõ ba vấn đề sau của GIS. Thứ nhất, GIS có quan hệ với ứng dụng CSDL.

Toàn bộ thông tin trong GIS đều liên kết với tham chiếu không gian. Có những CSDL chứa thông tin vị trí (địa chỉ đường phố…) nhưng CSDL GIS sử dụng tham chiếu không gian như phương tiện chính để lưu trữ và xâm nhập thông tin. Thứ hai, GIS là công nghệ tích hợp. Hệ GIS đầy đủ có đầy đủ khả năng phân tích, bao gồm phân tích ảnh máy bay, ảnh vệ tinh hay tạo mô hình thống kê, vẽ bản đồ…Cuối cùng GIS được xem như tiến trình không chỉ là phần cứng, phần mềm rời rạc mà GIS còn được sử dụng vào trợ giúp quyết định.

Cách thức nhập, lưu trữ, phân tích, dữ liệu trong GIS phải phản ánh đúng cách thức thông tin sẽ được sử dụng trong công việc lập quyết định hay nghiên cứu cụ thể. Cấu trúc của GIS Hệ thống GIS gồm có năm thành tố chính, bao gồm: con người, phần cứng, phần mềm, phương pháp và dữ liệu.2: Các thành phần của GIS - Phần cứng Phần cứng gồm máy vi tính, các thiết bị ngoại vi như bàn số hóa (Digitizer), máy quét (Scanner), máy in (Printer), máy vẽ (Plotter), đĩa CD.3: Các thiết bị phần cứng phục vụ GIS độc lập 6 Ngày nay, phần mềm GIS chạy được trên nhiều loại phần cứng khác nhau, từ các máy chủ trung tâm (Computer servers) đến các máy trạm hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng. - Phần mềm Phần mềm là tập hợp các câu lệnh, chỉ thị nhằm điều khiển phần cứng của máy tính thực hiện một nhiệm vụ xác định, phần mềm GIS có thể là một hoặc tổ hợp các phần mềm máy tính. Phần mềm được sử dụng trong kỹ thuật GIS phải bao gồm các tính năng cơ bản sau: + Nhập và kiểm tra dữ liệu: bao gồm tất cả các khía cạnh về biến đổi dữ liệu đã ở dạng bản đồ, trong lĩnh vực quan sát vào một số dạng tương thích.

Đây là giai đoạn rất quan trọng trong việc xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý. + Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu: lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu đề cập đến phương pháp kết nối thông tin vị trí (topology) và thông tin thuộc tính (attributes) của các đối tượng địa lý. Hai thông tin này được tổ chức và liên hệ qua các thao tác trên máy tính bởi người sử dụng hệ thống. + Xuất dữ liệu: dữ liệu đưa ra là các báo cáo kết quả quá trình phân tích tới người sử dụng, có thể bao gồm các dạng: bản đồ (Map), bảng biểu (Table), biểu đồ (Figure) được thể hiện trên máy tính, máy in, máy vẽ… + Biến đổi dữ liệu: biến đổi dữ liệu nhằm mục đích khắc phục lỗi từ dữ liệu và cập nhật chúng.

Biến đổi dữ liệu có thể được thực hiện trên dữ liệu không gian và thông tin thuộc tính một cách tách biệt hoặc tổng hợp cả hai. + Tương tác với người dùng: tương tác với người dùng là yếu tố quan trọng nhất của bất kỳ hệ thống thông tin nào. Các giao diện người dùng ở một hệ thống thông tin được thiết kế phụ thuộc vào mục đích của ứng dụng đó. Các phần mềm được sử dụng phổ biến hiện nay là: Arc/Info, MapInfo, WinGis, Spans…Trong đó 7 • Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý số liệu thông tin địa lý: Arc/ Info, Span, MGE/MicroStation… • Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý và quản lý các thông tin địa lý: ArcView, MapInfo… Tùy theo yêu cầu và khả năng ứng dụng trong công việc cũng như khả năng kinh phí của đơn vị, việc lựa chọn một phần mềm máy tính sẽ khác nhau.

- Con người Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu không có con người tham gia quản lý hệ thống và phát triển những ứng dụng GIS trong thực tế. Người sử dụng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống hoặc những người sử dụng GIS để giải quyết các vấn đề trong công việc. - Phương pháp Phương pháp là việc phân tích dữ liệu không gian như tạo vùng đệm, phân tích vùng lân cận, phân tích thống kê không gian…phân tích và ghi các dữ liệu thuộc tính về biến. Ngoài ra, GIS còn sử dụng các phương pháp nội suy không gian dựa trên điểm, đường, vùng…sử dụng phương pháp đo và tính toán, chuyển hệ tọa độ nhằm mục đích trả lời những câu hỏi được đặt ra hay bài toán cần giải quyết.

- Dữ liệu Bao gồm dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính. + Dữ liệu không gian: Dữ liệu không gian là loại dữ liệu thể hiện chính xác vị trí trong không gian thực của đối tượng và quan hệ giữa các đối tượng. Các dữ liệu không gian thể hiện các đối tượng qua 3 yếu tố hình học cơ bản là điểm, đường, vùng. Thông tin vị trí các đối tượng luôn phải kèm theo các thông tin về quan hệ không gian (Topology) được thể hiện qua 3 kiểu quan hệ: liên thông, kề nhau, nằm trong hoặc bao nhau.

8 Dữ liệu không gian cung cấp các thông tin có tính đồ họa chỉ rõ hình dạng, vị trí, kích thước và các nét đặc trưng của đối tượng trong thế giới thực trên mặt đất. Dữ liệu không gian có 2 dạng là: • Bản đồ, ảnh chụp từ máy bay, ảnh viễn thám. • Số liệu thống kê tọa độ điểm theo 1 hệ quy chiếu nhất định (tọa độ, độ cao), số liệu đo đạc (đo góc, khoảng cách) bằng máy kinh vĩ điện tử, toàn đạc điện tử. + Dữ liệu thuộc tính: Là dữ liệu định tính hoặc định lượng ở dạng văn bản hoặc các số liệu thống kê, số liệu phân tích trong phòng thí nghiệm được lưu trữ dưới dạng các tệp tin, chữ, dạng số có thể nhập trực tiếp hoặc gián tiếp vào hệ thống GIS.

Dữ liệu thuộc tính cung cấp nhiều thông tin quan trọng về tính chất của đối tượng được nghiên cứu. Các chức năng cơ bản của GIS - Nhập dữ liệu Trước khi dữ liệu địa lý có thể dùng cho GIS thì dữ liệu này phải được chuyển sang dạng số thích hợp, được biên tập và chỉnh sửa cho phù hợp với mục đích sử dụng. Quá trình chuyển đổi dữ liệu từ bản đồ giấy sang các file dữ liệu dạng số gọi là quá trình số hóa. Công nghệ GIS hiện đại có thể tự động một phần quá trình này với công nghệ quét ảnh cho các đối tượng lớn, những đối tượng nhỏ hơn đòi hỏi phải có một số quá trình số hóa thủ công (dùng bàn số hóa).

- Chuyển đổi dữ liệu Có nhiều trường hợp dữ liệu đòi hỏi phải được chuyển dạng (format) và thao tác theo một số cách để có thể tương thích với hệ thống nhất định. Trước khi các thông tin này được liên kết với nhau, chúng phải được chuyển về cùng một tỷ lệ (mức chính xác hoặc mức chi tiết). Đây có thể chỉ là sự chuyển dạng tạm thời cho mục đích hiển thị hoặc cố định cho yêu cầu phân tích. GIS cung cấp các công cụ để thực hiện các mục đích này.

9 - Thao tác dữ liệu Công nghệ GIS cung cấp nhiều công cụ cho các thao tác trên dữ liệu không gian và loại bỏ các dữ liệu không cần thiết. Các chức năng phục vụ cho mục đích sửa chữa, biên tập là các công cụ tùy chọn như: bổ sung, sao chép, xóa, dịch chuyển dữ liệu…Bên cạnh đó còn có các công cụ xây dựng các cấu trúc topology và biên tập dữ liệu thuộc tính. - Quản lý dữ liệu Đối với các mô hình GIS nhỏ có thể lưu các dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính dưới dạng các file đơn giản. Tuy nhiên, khi kích thước dữ liệu trở nên lớn hơn và cấu trúc phức tạp hơn thì cách tốt nhất là sử dụng hệ quản lý cơ sở dữ liệu không gian (GeoDBMS) để giúp cho việc lưu trữ, tổ chức và quản lý thông tin.

Một GeoDBMS chỉ đơn giản là một phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu. Trong nhiều cấu trúc GeoDBMS khác nhau, cấu trúc quan hệ trong GIS tỏ ra hữu hiệu nhất. Trong cấu trúc quan hệ, dữ liệu được lưu trữ ở dạng bảng. Các trường thuộc tính chung trong các bảng khác nhau được dùng để liên kết các bảng này với nhau.

Do linh hoạt nên cấu trúc đơn giản này được sử dụng và triển khai khá rộng rãi trong các ứng dụng cả trong và ngoài GIS. - Hỏi đáp và phân tích không gian GIS cung cấp khả năng hỏi đáp với các công cụ phân tích tinh vi để cung cấp thông tin cho những người quản lý và phân tích. Các hệ GIS hiện đại có nhiều công cụ phân tích hiệu quả, trong đó có công cụ đặc biệt để chồng xếp dữ liệu địa lý. Chồng xếp là quá trình tích hợp các thông tin khác nhau.

Thao tác phân tích thông tin đòi hỏi một hoặc nhiều lớp dữ liệu phải được liên kết. Để rút ra các thông tin cần có các thao tác tính toán số học và các phép logic được vận dụng trên các lớp thông tin khác nhau được nhập vào. Chồng xếp các dữ liệu khác nhau này được thực hiện theo một quá trình bậc thang. Lớp dữ liệu cần biết thông tin của lớp dữ liệu khác sẽ được thực hiện thông qua phép 10 phân tích bảng chéo.

Phép toán được thiết lập trên mỗi giá trị của lớp dữ liệu thứ nhất và giá trị tương ứng của lớp dữ liệu thứ hai. Việc tiến hành phép phân tích bảng chéo lớp dữ liệu cần biết thông tin khác với từng lớp dữ liệu cần lấy thông tin. Cuối cùng ta được thông tin tổng hợp liên quan đến dữ liệu ban đầu. Do vậy, phép phân tích quan hệ không gian này giúp làm rõ mối quan hệ giữa các đối tượng cần nghiên cứu với các đối tượng khác.

Chồng xếp được tiến hành trên cả lớp dữ liệu vector và raster. Chồng xếp trên dữ liệu raster tiến hành đơn giản hơn song dung lượng lưu trữ lại lớn hơn dữ liệu vector rất nhiều nên việc xử lý mất nhiều thời gian hơn.