Tài liệu Nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định nồng độ bụi (pm10) trong không khí khu vực đô thị việt nam từ dữ liệu ảnh vệ tinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN NHƯ HÙNG NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ BỤI (PM10) TRONG KHÔNG KHÍ KHU VỰC ĐÔ THỊ VIỆT NAM TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN NHƯ HÙNG NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ BỤI (PM10) TRONG KHÔNG KHÍ KHU VỰC ĐÔ THỊ VIỆT NAM TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số: 9520503 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS TRẦN VÂN ANH 2. PGS.TS PHẠM QUANG VINH Hà Nội - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng bản thân tôi. Toàn bộ quá trình nghiên cứu được tiến hành một cách khoa học, các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là chính xác, trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Như Hùng ii LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành tại Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Vân Anh và PGS.TS Phạm Quang Vinh. Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, tác giả luôn nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo và các đồng nghiệp trong Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, phòng Đào tạo Sau đại học, Lãnh đạo Nhà trường, Bộ môn Trắc địa Bản đồ - Học viện Kỹ thuật Quân sự, Bộ môn Công trình Quốc phòng - Học viện Kỹ thuật Quân sự, Thủ trưởng Viện Kỹ thuật Công trình đặc biệt… Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến tất cả các thầy, cô giáo, các nhà khoa học, đồng nghiệp, thủ trưởng đơn vị và người thân đã tận tình giúp đỡ, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tác giả hoàn thành luận án này. Xin chân thành cảm ơn! iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii MỤC LỤC ............................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ vi DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ ...............................................................xii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 . TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................................... 5 1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................ 5 1.1.1. Các phương pháp quan trắc bằng thiết bị đo ............................................ 5 1.1.2. Các phương pháp mô hình........................................................................ 5 1.1.3. Các phương pháp quan trắc bằng viễn thám ............................................ 6 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước .......................... 6 1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới .......................................... 6 1.2. 2. Tổng quan về những kết quả nghiên cứu trong nước ............................ 11 1.2.3. Đánh giá kết quả nghiên cứu trong nước và thế giới ............................. 17 1.3. Những vấn đề được phát triển trong luận án ................................................. 18 CHƯƠNG 2 . CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ BỤI PM10 TỪ TƯ LIỆU VIỄN THÁM .................................................................................................. 20 2.1. Khái nhiệm về sol khí .................................................................................... 20 2.1.1. Định nghĩa về sol khí (Aerosol) ............................................................. 20 2.1.2. Phân bố của sol khí trong khí quyển ...................................................... 20 2.1.3. Kích thước của sol khí ............................................................................ 21 2.2. Cơ sở khoa học xác định bụi trong không khí từ kỹ thuật viễn thám ............ 23 2.2.1. Tán xạ khí quyển .................................................................................... 23 2.2.2 Sự hấp thụ bức xạ điện từ của khí quyển ................................................ 26 2.2.3. Sự truyền tải bức xạ điện từ của khí quyển ............................................ 27 iv 2.2.4. Đặc điểm của kỹ thuật viễn thám ........................................................... 29 2.2.5. Nguyên lý thu nhận và xử lý tư liệu viễn thám ...................................... 30 2.3. Phân tích diễn biến nồng độ bụi PM10 tại đô thị của Việt Nam ................... 33 2.3.1. Chất lượng không khí tại các đô thị của Việt Nam ................................ 33 2.3.2. Phân tích diễn biến nồng độ bụi PM10 theo không gian và thời gian ... 34 2.4. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 40 CHƯƠNG 3 . PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ BỤI PM10 TRONG KHÔNG KHÍ TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC ................................. 42 3.1. Công thức xác định nồng độ bụi PM10 từ ảnh vệ tinh quang học ................ 42 3.2. Quy trình công nghệ xác định nồng độ bụi PM10 trong không khí từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học ........................................................................................... 45 3.2.1. Đề xuất phương pháp xác định nồng độ bụi PM10 từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học .......................................................................................................... 45 3.2.2. Chuyển đổi giá trị số về giá trị phản xạ phổ ........................................... 46 3.2.3. Hiệu chỉnh khí quyển ảnh vệ tinh quang học ......................................... 48 3.2.4. Đo bụi mặt đất ........................................................................................ 58 3.2.5. Mô hình khảo sát xác định bụi PM10 từ ảnh vệ tinh ............................. 60 3.3. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 63 CHƯƠNG 4 . THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ BỤI PM10 TRONG KHÔNG KHÍ TỪ ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC LANDSAT 8 OLI ..... 64 4.1. Khu vực thực nghiệm ..................................................................................... 64 4.2. Dữ liệu thử nghiệm ........................................................................................ 65 4.2.1. Dữ liệu ảnh vệ tinh quang học LANDSAT 8 OLI ................................. 65 4.2.2. Dữ liệu đo bụi mặt đất ............................................................................ 69 4.3. Thử nghiệm các phương pháp hiệu chỉnh khí quyển ..................................... 73 4.4. Kết quả thực nghiệm với từng ảnh vệ tinh độc lập ........................................ 75 4.4.1. Kết quả thực nghiệm với ảnh vệ tinh LANDSAT 8 OLI ngày 22/1/2015 .......................................................................................................... 76 v 4.4.2. Kết quả thực nghiệm ảnh vệ tinh LANDSAT 8 OLI chụp ngày 30/5/2015 .......................................................................................................................... 79 4.4.3. Đánh giá kết quả hồi quy tuyến tính với ảnh vệ tinh đơn thời gian ....... 82 4.5. Kết quả thực nghiệm với ảnh vệ tinh đa thời gian ......................................... 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 89 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .......................... 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 92 PHỤ LỤC ........................................................................................................... 101 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ASTER Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Vệ tinh ASTER AATSR Advanced Along-Track Scanning Radiometer Ảnh vệ tinh AATSR AERONET AErosol RObotic NETwork AOD AOT Aerosol Optical Depth Aerosol Optical Thickness Hệ thống mạng quan trắc AERONET Độ sâu sol khí Độ dày sol khí API Air Pollution Index Chỉ số ô nhiễm không khí Air Quality Index Chỉ số chất lượng không khí Biến đổi khí hậu Phương pháp hiệu chỉnh khí quyển DDV Giá trị số của kênh ảnh Phương pháp hiệu chỉnh khí quyển DOS Bức xạ điện từ Bức xạ điện từ Vệ tinh EnviSAT Cơ quan Hàng không vũ trụ Châu Âu AQI BĐKH DN Dark Dense Vegetation method Digital Number DOS Dark Object Subtraction DDV EMR EMR EnviSAT ESA FLAASH ImAero IRS satellites KNK LANDSAT LANDSAT 8 OLI/TIRS Electromagnetic Radiation Electromagnetic Radiation Environmental Satellite The European Space Agency Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Hypercubes Improved Aerosol Retrieval Indian Remote Sensing LANDSAT The Landsat 8 Operational Land Imager/ Thermal Infrared Sensor Phương pháp hiệu chỉnh khí quyển FLAASH Thuật toán truy xuất sol khí từ ảnh Vệ tinh của Ấn Độ Khí nhà kính Vệ tinh quan sát Trái đất của cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ Ảnh vệ tinh LANDSAT 8 OLI/TIRS vii LANDSAT ETM+ LANDSAT TM LaSRC LiDAR MERIS-EnviSAT MODIS MODTRAN NDVI NIR The Landsat Enhanced Thematic Mapper Plus The Landsat Thematic Mapper LANDSAT 8 Surface Reflectance Code Light Detection And Ranging Medium Resolution Imaging Spectrometer Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer MODerate resolution atmospheric TRANsmission Normalized Difference Vegetation Index Near Infrared Ảnh vệ tinh LANDSAT ETM+ Ảnh vệ tinh LANDSAT TM Phương pháp hiệu chỉnh khí quyển cho Landsat 8 Viễn thám laze Vệ tinh nghiên cứu môi trường của Cơ quan hàng không vũ trụ Châu Âu Vệ tinh MODIS Phần mềm MODTRAN Chỉ số thực vật Cận hồng ngoại Bụi có bán kính khí động học ≤ 10µm Bụi có bán kính khí động học ≤ 2.5µm PM10 Particulate Matter 10 PM2.5 Particulate Matter 2.5 RADAR RAdio Detection And Ranging Viễn thám RADAR RMSE Root Mean Square Error Sai số trung phương SPOT Pour l'Observation de la Terre Vệ tinh quan sát trái đất SPOT Sai số trung phương Hồng ngoại sóng ngắn SSTP SWIR TOA TQT TSP TVI UI VI Short Wave Infrared Top Of Atmosphere reflectance Total Suspended Particles Transformed Vegetation Index Urbanization Index Vegetation index Phản xạ đỉnh khí quyển Trạm Quan Trắc Tổng số hạt lơ lửng Chỉ số biến đổi thực vật Chỉ số đô thị hóa Chỉ số thực vật viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám ............. 32 Bảng 3.1. Các hệ số của phương pháp hiệu chỉnh khí quyển DOS .......................... 53 Bảng 3.2.Các hệ số của phương pháp hiệu chỉnh khí quyển LaSRC ....................... 53 Bảng 3.3. Các hệ số của phương pháp hiệu chỉnh khí quyển FLAASH ................... 54 Bảng 3.4. Các mô hình khảo sát phân tích tương quan và hồi quy ........................... 61 Bảng 3.5. Các thông số trong phương pháp phân tích ANOVA............................... 62 Bảng 4.1. Các kênh ảnh và độ phân giải không gian của ảnh LANDSAT 8 OLI .... 65 Bảng 4.2. Đặc điểm dữ liệu thử nghiệm ................................................................... 65 Bảng 4.3. Các thông số các kênh của ảnh LANDSAT 8 OLI chụp ngày 22/1/2015 67 Bảng 4.4. Các thông số các kênh của ảnh LANDSAT 8 OLI chụp ngày 30/5/2016 68 Bảng 4.5. Các thông số các kênh của ảnh LANDSAT 8 OLI chụp ngày 10/12/2016 ............................................................................................................. 69 Bảng 4.6. Dữ liệu đo bụi tại thực địa bằng máy đo bụi DustTrack II ngày 22/01/2015 ............................................................................................................. 70 Bảng 4.7. Dữ liệu đo bụi tại thực địa bằng máy đo bụi DustTrack II ngày 30/5/2015 ............................................................................................................. 71 Bảng 4.8. Dữ liệu đo bụi tại thực địa bằng máy đo bụi DustTrack II ngày 10/12/2016 ............................................................................................................. 72 Bảng 4.9. Phân tích hồi quy tuyến tính các phương pháp hiệu chỉnh khí quyển ...... 73 Bảng 4.10. Kết quả tính hồi quy chu kỳ ngày 22/1/2015, với sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp LaSRC ....................... 76 Bảng 4.11. Kết quả kiểm tra mô hình chu kỳ ngày 22/1/2015 với chu kỳ đo bụi thực địa ngày 22/1/2015; ngày 30/5/2015 và ngày 10/12/2016 ........................................ 77 Bảng 4.12. Kết quả tính hồi quy chu kỳ ngày 30/5/2015, với sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp LaSRC ....................... 79 Bảng 4.13. Kết quả kiểm tra mô hình chu kỳ ngày 30/5/2015 với chu kỳ đo bụi thực địa ngày 30/5/2015, ngày 22/1/2015 và ngày 10/12/2016 ........................................ 80 Bảng 4.14. Kết quả tính hồi quy đa chu kỳ (ngày 22/1/2015 và 30/5/2015) ............ 84 ix Bảng 4.15. Kết quả kiểm tra mô hình kết hợp với chu kỳ đo bụi thực địa ngày 22/1/2015, ngày 30/5/2015 và ngày 10/12/2016 ....................................................... 86 Bảng PL.1.1: Giá trị phản xạ tại đỉnh khí quyển (TOA) ......................................... 102 Bảng PL.1.2: Giá trị phản xạ bề mặt được tính hiệu chỉnh khí quyển theo phương pháp DOS 1 ........................................................................................................... 103 Bảng PL.1.3: Giá trị phản xạ bề mặt được tính hiệu chỉnh khí quyển theo phương pháp FLAASH ........................................................................................................ 104 Bảng PL.1.4: Giá trị phản xạ bề mặt được tính hiệu chỉnh khí quyển theo phương pháp LaSRC ........................................................................................................... 105 Bảng PL.2.1: Kết quả chu kỳ ngày 22/1/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp hiệu chỉnh DOS ..................................... 107 Bảng PL.2.2: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 22/1/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp hiệu chỉnh DOS ........................................................................................................... 107 Bảng PL.2.3: Kết quả tính hồi quy chu kỳ ngày 22/1/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp FLAASH ............................ 110 Bảng PL.2.4: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 22/1/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp FLAASH ........................................................................................................... 110 Bảng PL.2.5: Kết quả tính hồi quy chu kỳ ngày 22/1/2015, với sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp LaSRC (Landsat 8 Surface Reflectance Code) ................................................................................................... 113 Bảng PL.2.6: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 22/1/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp LaSRC ........................................................................................................... 113 Bảng PL.2.7: Kết quả chu kỳ ngày 30/5/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp hiệu chỉnh DOS ..................................... 116 x Bảng PL.2.8: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 30/5/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp hiệu chỉnh DOS ........................................................................................................... 116 Bảng PL.2.9: Kết quả tính hồi quy chu kỳ ngày 30/5/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp FLAASH ............................ 118 Bảng PL.2.10: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 30/5/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp FLAASH ........................................................................................................... 118 Bảng PL.2.11: Kết quả tính hồi quy chu kỳ ngày 30/5/2015, với sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp LaSRC (Landsat 8 Surface Reflectance Code) ................................................................................................... 120 Bảng PL.2.12: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 30/5/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp LaSRC ........................................................................................................... 121 Bảng PL.3.1: Kết quả tính hồi quy đa chu kỳ ảnh (chu kỳ ngày 22/1/2015 và 30/5/2015), sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp hiệu chỉnh DOS .............................................................................................. 123 Bảng PL.3.2: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 22/1/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp hiệu chỉnh DOS ........................................................................................................... 123 Bảng PL.3.3: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 30/5/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp hiệu chỉnh DOS ........................................................................................................... 126 Bảng PL.3.4: Kết quả tính hồi quy đa chu kỳ ảnh (chu kỳ ngày 22/1/2015 và 30/5/2015), sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp FLAASH ........................................................................................................ 128 Bảng PL.3.5: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 22/1/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp FLAASH ........................................................................................................... 128 xi Bảng PL.3.6: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 30/5/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp FLAASH ........................................................................................................... 131 Bảng PL.3.7: Kết quả tính hồi quy đa chu kỳ ảnh (chu kỳ ngày 22/1/2015 và 30/5/2015), với sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp LaSRC (Landsat 8 Surface Reflectance Code) ................................. 133 Bảng PL.3.8: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 22/1/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp LaSRC ........................................................................................................... 133 Bảng PL.3.9: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 30/5/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng LaSRC .......... 136 xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ Hình 1.1 .Quy trình công nghệ thành lập bản đồ ô nhiễm không khí [8] ................. 12 Hình 1.2. Sơ đồ quy trình tổng quát xây dựng bản đồ phân bố không gian nồng độ PM10 [11] ............................................................................................................. 13 Hình 1.3. Quy trình xây dựng bản đồ phân bố nồng độ PM10 [12] ........................ 15 Hình 1.4: Quy trình ước lượng PM2.5 từ dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS [69] ............. 16 Hình 2.1. Sol khí và các nguồn gốc của sol khí [36] ................................................ 20 Hình 2.2. Hình dạng của sol khí [34] ....................................................................... 21 Hình 2.3. Sự phân bố khối lượng của một tập hợp các hạt có đường kính khí động học khác nhau [52]. ................................................................................................... 22 Hình 2.4. Các phân lớp chính của khí quyển và các loại phân tử sol khí tìm thấy trong mỗi lớp và sự khúc xạ trong khí quyển. Lưu ý rằng chỉ số khúc xạ cho mỗi tầng khí quyển và mật độ của tầng khí quyển tương ứng được giả định và chỉ để minh họa. (Được sửa đổi từ Miller, S. W., và Vermote, E., 2002) [53] .................................... 24 Hình 2.5. (a) Sự tán xạ khí quyển (Rayleigh và Mie lan truyền) gây ra bởi phân tử và sol khí và (b) cường độ tán xạ Rayleigh ánh sáng mặt trời trực tiếp (%) thay đổi nghịch với mũ bốn năng lượng của bước sóng tới (λ4). [20]. ................................... 25 Hình 2.6. Sự hấp thụ do một tập các khí khí quyển N2O, O2 và O3, CO2 và H2O trên toàn bộ năng lượng điện từ phát ra từ mặt trời từ 0.1μm đến 30μm. Phần dưới cùng xiii của hình vẽ cho thấy kết quả tích luỹ của tất cả các thành phần này trong bầu khí quyển cùng một lúc [32] ........................................................................................... 27 Hình 2.7. Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám [15] .............................................. 30 Hình 2.8. Dải tần số được sử dụng trong viễn thám [15] .......................................... 33 Hình 2.9. Biểu đồ diễn biến nồng độ bụi PM10 trung bình năm tại một số trạm quan trắc tự động, liên tục giai đoạn 2011-2015 [13] ........................................................ 33 Hình 2.10. Biểu đồ diễn biến chỉ số chất lượng không khí AQI ở 5 trạm quan trắc tự động, liên tục giai đoạn 2011 - 2015 [13] ................................................................. 34 Hình 2.11. Biểu đồ số ngày có AQI>100 do thông số PM10 cao ở 5 trạm quan trắc tự động, liên tục giai đoạn 2011 - 2015 [13] ............................................................. 34 Hình 2.12. Biểu đồ thống kê số ngày có nồng độ PM10 và PM2,5 trung bình 24h không đạt QCVN 05:2013 ở các trạm chịu ảnh hưởng của giao thông đô thị giai đoạn 2011 - 2015 [13] ........................................................................................................ 35 Hình 2.13. Biểu đồ diễn biến nồng độ bụi theo các tháng giai đoạn 2011 – 2015 tại trạm Nguyễn Văn Cừ, Hà Nội [13] ........................................................................... 35 Hình 2.14. Biểu đồ xu hướng biến đổi theo mùa nồng độ các loại bụi PM1-PM2.5PM10 ở Nha Trang giai đoạn 2012 - 2015 [13] ........................................................ 36 Hình 2.15. Biểu đồ xu hướng biến đổi theo mùa nồng độ các loại bụi PM2.5, PM10 ............................................................................................................. 36 tại trạm Đồng Khởi, Biên Hòa, Đồng Nai [13] ......................................................... 36 Hình 2.16. Biểu đồ diễn biến nồng độ các loại bụi PM10, PM2.5, PM1 trong ngày tại một số trạm không khí tự động [13]..................................................................... 37 Hình 2.17. Biểu đồ diễn biến nồng độ TSP trong không khí xung quanh tại một số khu dân cư trên toàn quốc giai đoạn 2011 - 2015 [13] ............................................. 37 Hình 2.18. Biểu đồ diễn biến nồng độ TSP trong không khí xung quanh tại một số đô thị và vùng ven đô thị giai đoạn 2011- 2014 [13] ................................................ 38 Hình 2.19. Biểu đồ diễn biến nồng độ NO2 trung bình năm tại một số trạm quan trắc tự động liên tục [13] .................................................................................................. 39 xiv Hình 2.20. Biểu đồ diễn biến nồng độ NO2 trung bình năm một số khu dân cư giai đoạn 2011 - 2015 [13] ........................................................................................ 39 Hình 2.21. Biểu đồ diễn biến nồng độ NOx trong ngày (minh họa số liệu của trạm quan trắc không khí tự động liên tục Hạ Long, Đà Nẵng) [13] ................................ 40 Hình 2.22. Biểu đồ diễn biến nồng độ SO2 trung bình năm một số tuyến giao thông và khu dân cư giai đoạn 2011 - 2015 [13] ................................................................ 40 Hình 3.1. Quy trình xác định bụi PM10 từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học và dữ liệu đo bụi mặt đất ............................................................................................................ 45 Hình 3.2. Biến đổi cấp độ sáng pixel ảnh DN về trị phản xạ tại bề mặt đất ............. 46 Hình 3.3. Đặc điểm phản xạ trên đỉnh khí quyển tại các thời điểm khác nhau ........ 48 Hình 3.4. Mối tương quan giữa PM10, PM2.5, SO2 và NO2 và tốc độ gió [29] ...... 49 Hình 3.5. Tần xuất hướng gió trong mỗi mùa tại thành phố Lan Châu, Trung Quốc. (a) Mùa xuân, (b) Mùa hè, (c) Mùa thu, (d) Mùa đông [29] ..................................... 49 Hình 3.6. Mối tương quan giữa nồng độ các chất PM2.5, PM10, SO2 và NO2 và hướng gió của thành phố Lan Châu, Trung Quốc [29] ........................................................ 50 Hình 3.7. Mối quan hệ giữa nồng độ các chất SO2, NO2 và PM10 và nhiệt độ [29] 50 Hình 3.8. Mối tương quan giữa nồng độ các chất PM10, PM2.5, SO2 và NO2 và lượng mưa [29] ............................................................................................................. 51 Hình 3.9. So sánh các phương pháp hiệu chỉnh khí quyển. (a) Giá trị phản xạ trên đỉnh khí quyển; (b) Phương pháp hiệu chỉnh khí quyển DOS; (c) Phương pháp hiệu chỉnh khí quyển LaSRC; (d) Phương pháp hiệu chỉnh khí quyển FLAASH; ........... 56 Hình 3.10. Giá trị TOA và giá trị phản xạ mặt đất sau hiệu chỉnh khí quyển tại 1 điểm đo mặt đất (10/12/2016) ............................................................................................ 58 Hình 3.11. Biểu đồ so sánh phương pháp lấy mẫu bụi PM10 [14] ........................... 59 Hình 3.12. Đo bụi tại thực địa và xử lý số liệu đo .................................................... 60 Hình 4.1. Vị trí khu vực nghiên cứu ......................................................................... 64 Hình 4.2. Dữ liệu thử nghiệm LANDSAT 8OLI. (a) Chụp ngày 22/01/2015; (b) Chụp ngày 30/05/2015; (c) Chụp ngày 10/12/2016 ........................................................... 66 Hình 4.3. Ảnh LANDSAT 8 OLI ngày 22/1/2015với tổ hợp kênh (4,3,2) ............. 66 xv Hình 4.4. Ảnh LANDSAT 8 OLI chụp ngày 30/5/2015 với tổ hợp kênh (4,3,2) .... 67 Hình 4.5. Ảnh LANDSAT 8 OLI chụp ngày 10/12/2016 với tổ hợp kênh (4, 3, 2) 68 Hình 4.6. Sơ đồ vị trí đo bụi tại thực địa ngày 22/01/2015 ...................................... 70 Hình 4.7. Sơ đồ vị trí đo bụi tại thực địa ngày 30/05/2015 ...................................... 71 Hình 4.8. Sơ đồ vị trí đo bụi tại thực địa ngày 10/12/2016 ...................................... 72 Hình 4.9. Bản đồ phân bố bụi PM10 chu kỳ ngày 22/1/2015 được tính dựa trên 4 kênh ảnh sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh khí quyển. (a) Phương pháp DOS; (b) Phương pháp FLAASH; (c) Phương pháp LaSRC ................................... 74 Hình 4.10. Bản đồ phân bố bụi PM10 chu kỳ ngày 30/05/2015 được tính dựa trên 4 kênh ảnh sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh khí quyển. (a) Phương pháp DOS; (b) Phương pháp FLAASH; (c) Phương pháp LaSRC ................................... 74 Hình 4.11. Đánh giá tính tương quan giữa giá trị đo bụi thực địa và giá trị trính theo mô hình ngày 22/1/2015. (a) 22/1/2015; (b) 30/5/2015; (c) 10/12/2016 .................. 78 Hình 4.12. Đánh giá tính tương quan giữa giá trị đo bụi thực địa và giá trị tính theo mô hình ngày 30/5/2015. (a) 22/1/2015; (b) 30/5/2015; (c) 10/12/2016 .................. 81 Hình 4.13. Bản đồ phân bố bụi PM10 được tính toán sử dụng phản xạ khí quyển của 4 kênh ảnh LANDSAT 8OLI (Kênh 1 - Coastal aerosol; Kênh 2- Blue; Kênh 3 Green; Kênh 4 - Red). (a) Ảnh chụp ngày 22/1/2015; (b) Ảnh chụp ngày 30/5/2015 ............................................................................................................. 82 Hình 4.14. Bản đồ phân bố bụi PM10 được tính toán mô hỉnh sử dụng 4 kênh ảnh (Kênh 1 - Coastal aerosol; Kênh 2- Blue; Kênh 3 - Green; Kênh 4 - Red) trên ảnh đa thời gian 22/1/2015 và 30/5/2015. (a) Ảnh ngày 22/1/2015; (b) Ảnh chụp 30/05/2015 ............................................................................................................. 85 Hình 4.15. Bản đồ PM10 kết quả kiểm tra mô hình đa chu kỳ (chu kỳ ngày 22/1/2015 và 30/5/2015) sử dụng phản xạ khí quyển bằng phương pháp hiệu chỉnh khí quyển xvi LaSRC của 4 kênh ảnh vệ tinh LANDSAT 8OLI ngày 10/12/2016 để tính toán mô hình ............................................................................................................. 85 Hình 4.16. Đánh giá tính tương quan giữa giá trị đo bụi thực địa và giá trị tính theo mô hình kết hợp đa chu kỳ. (a) 22/1/2015; (b) 30/5/2015; (c) 10/12/2016 .............. 87 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Ô nhiễm không khí đang là vấn đề lo ngại của nhiều quốc gia trên thế giới và Việt Nam. Việt Nam là nước đang phát triển, quá trình đô thị hóa diễn ra nhanh, các khu đô thị được xây dựng, sự phát triển của các ngành công nghiệp, các phương tiện giao thông ngày càng tăng khiến tình hình ô nhiễm không khí đang trở nên trầm trọng hơn bao giờ hết. Theo Tổ chức Y tế Thế giới, ô nhiễm không khí tại các đô thị làm khoảng 800.000 người chết và 4.6 triệu người giảm tuổi thọ trên thế giới mỗi năm. Trong đó, có khoảng 2/3 số người chết và giảm tuổi thọ do ô nhiễm không khí thuộc các nước đang phát triển ở châu Á. Các chuyên gia y tế cho biết, không khí “bẩn”, đặc biệt là các hạt bụi nhỏ có kích thước 2.5µm ÷ 10µm có thể vượt qua rào chắn như khẩu trang, chất nhờn trong mũi lắng đọng ở đường hô hấp trên và đường thở lớn, các hạt mịn (≤ 2.5µm) có thể vào đến phế quản và phế nang gây bệnh. Ô nhiễm không khí khiến sức khỏe con người bị suy giảm, quá trình lão hóa trong cơ thể bị thúc đẩy, chức năng của phổi bị suy giảm, gây bệnh hen suyễn, ho, viêm mũi, viêm họng, viêm phế quản, suy nhược thần kinh, tim mạch và giảm tuổi thọ. Nguy hiểm nhất là có thể gây ra bệnh ung thư phổi. Theo kết quả nghiên cứu công bố tại Diễn đàn Kinh tế thế giới Davos năm 2017, Việt Nam nằm trong số 10 quốc gia có chất lượng không khí thấp, đứng thứ 123 trong tổng số 132 nước. Hầu hết các thành phố lớn đều bị ô nhiễm bụi, đặc biệt là ở các nút giao thông chính, các khu vực có công trường xây dựng và khu công nghiệp. Đối với Hà Nội, theo số liệu thống kê của công ty ARIA Technologies (Công ty chuyên cung cấp giải pháp phần mềm tính toán, mô phỏng ô nhiễm môi trường không khí và hỗ trợ dự báo khí tượng) của Pháp cho thấy, mỗi năm Hà Nội có tốc độ tăng bình quân các phương tiện giao thông từ 12% - 15%, các phương tiện này góp phần lớn vào lượng phát thải độc hại như SO2, NOX và nguồn gây ô nhiễm chính là giao thông, thể hiện ở hàm lượng bụi PM10 cao gấp 4 lần mức khuyến cáo của WHO. Còn theo số liệu của Trung tâm Quan trắc môi trường, Tổng cục Môi trường Việt Nam cho thấy, ở các đô thị Việt Nam, nồng độ bụi mịn trong đó có PM10 ở các thành phố lớn đã vượt quá ngưỡng tiêu chuẩn rất nhiều lần so với quy chuẩn Việt Nam và trong thời gian 1/3 số ngày trong năm. Tại nhiều nút giao thông như Kim Liên - Giải Phóng, Phùng Hưng - Hà Đông, những khu vực đông dân cư, nồng độ bụi thường cao 2 hơn mức cho phép, có lúc lên gấp 7 lần. Các khí ô nhiễm khác như CO, SO2 đang có xu hướng tăng. Ảnh vệ tinh được nghiên cứu sử dụng ở Việt Nam bắt đầu từ những năm 80 của thế kỷ trước. Các ảnh vệ tinh chủ yếu được sử dụng tập trung vào các lĩnh vực trắc địa và bản đồ, địa chất, lâm nghiệp, nông nghiệp, hải dương học, và một số lĩnh vực khác. Hiện nay, Việt Nam vẫn đang giám sát chất lượng không khí dựa trên nội duy số liệu đo từ các trạm quan trắc tự động, đây là phương pháp có độ chính xác cao. Tuy nhiên, mức độ bao quát không rộng và chi phí rất tốn kém. Việc sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh để phục vụ giám sát chất lượng không khí gần như chưa được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi do thiếu các số liệu quan trắc và những nghiên cứu về cơ sở khoa học ảnh hưởng của các hạt bụi nhỏ trong không khí đến đặc điểm phản xạ của các bước sóng điện từ thu nhận tại bộ cảm. Với khả năng cung cấp thông tin kịp thời, trên phạm vi rộng, đa thời gian. Kết quả xác định ô nhiễm môi trường trên diện rộng từ tư liệu viễn thám sẽ giúp hỗ trợ các nhà lãnh đạo, các cấp quản lý trong việc quy hoạch các vùng, miền, phát triển khu công nghiệp, khu đô thị; giảm thiểu ô nhiễm không khí ảnh hưởng tới môi trường và sức khỏe cộng đồng. Mặt khác, việc thường xuyên cung cấp các chỉ số liên quan đến chất lượng không khí ở các khu vực đô thị cũng sẽ giúp cho cơ quan, tổ chức, cá nhân có thể khai thác thông tin và đưa ra những cảnh bảo, phương pháp ứng phó với ô nhiễm môi trường không khí. Vì vậy, việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thử nghiệm trên số liệu đo thực địa ứng dụng ảnh vệ tinh để xác định nồng độ bụi trong không khí ở khu vực đô thị có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học xây dựng phương pháp xác định nồng độ bụi PM10 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. 3. Đối tượng nghiên cứu - Nồng độ bụi PM10 trong không khí khu vực đô thị và dữ liệu ảnh vệ tinh quang học. 4. Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu về không gian: Ô nhiễm không khí tại các đô thị phát triển ở Việt Nam và thực nghiệm tại khu vực nội thành thành phố Hà Nội;