Tài liệu Luận văn cntt nghiên cứu và đánh giá độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ tinh dựa trên các trạm quan trắc

  • Số trang: 144 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 152 |
  • Lượt tải: 0

Mô tả:

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI THỊ MAI NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ TỪ ẢNH VỆ TINH DỰA TRÊN CÁC TRẠM QUAN TRẮC LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội, 2017 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI THỊ MAI NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ TỪ ẢNH VỆ TINH DỰA TRÊN CÁC TRẠM QUAN TRẮC Ngành : Công nghệ thông tin Chuyên ngành : Kỹ thuật phần mềm Mã số : 60480103 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BÙI QUANG HƯNG TS. NGUYỄN THỊ NHẬT THANH Hà Nội, 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thị Nhật Thanh và TS. Bùi Quang Hưng. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Hà nội, ngày 12 tháng 12 năm 2017 Học viên BÙI THỊ MAI ii LỜI CẢM ƠN Trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội đã tạo những điều kiện tốt nhất để tôi thực hiện luận văn. Đặc biệt, xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến thầy cô hướng dẫn của tôi: Cô Nguyễn Thị Nhật Thanh và thầy Bùi Quang Hưng đã định hướng và dẫn dắt tôi hoàn thành luận văn. Đồng thời, trân trọng cảm ơn đến anh Phạm Văn Hà, anh Trần Tuấn Vinh và các thành viên trong trung tâm FIMO đã giúp đỡ, đóng góp và cung cấp những tri thức vô cùng quý báu cũng như những ý kiến xác đáng cho tôi trong suốt thời gian qua. Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 102.99-2016.22. Hà nội, ngày 12 tháng 12 năm 2017 Học viên BÙI THỊ MAI iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. II MỤC LỤC ................................................................................................................... III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT..................................................... VI DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..............................................................................VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................ VIII MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Đặt vấn đề, định hướng nghiên cứu.............................................................................1 2. Mục tiêu của luận văn..................................................................................................2 3 .Phạm vi và phương pháp nghiên cứu ..........................................................................2 4. Kết cấu của luận văn ....................................................................................................3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ .................................................................4 1.1. Tổng quan về ô nhiễm không khí ........................................................................4 1.2. Tổng quan về sol khí ...........................................................................................5 1.2.1. Khái niệm ....................................................................................................5 1.2.2. 1.2.3. Nguồn gốc sản sinh sol khí..........................................................................6 Tác động của sol khí lên Trái đất ................................................................7 1.3. Độ dày quang học sol khí ....................................................................................8 1.3.1. 1.3.2. 1.3.3. Khái niệm ....................................................................................................8 Phương pháp quan trắc ................................................................................8 Mối quan hệ giữ độ dày quang học sol khí và ô nhiễm không khí ...........10 CHƯƠNG 2: CÁC SẢN PHẨM ẢNH VỆ TINH .....................................................11 2.1. Sản phẩm sol khí của MODIS ...........................................................................11 2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.1.4. 2.2. Các sản phẩm sol khí của VIIRS .......................................................................18 2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.3. Giới thiệu về MODIS ................................................................................11 Các sản phẩm sol khí của MODIS ............................................................12 Sản phẩm sol khí MODIS 3 km (MOD04_3K và MYD04_3K) ..............15 Sản phẩm điểm cháy của MODIS (MCD14ML) ......................................16 Giới thiệu về VIIRS ...................................................................................18 Các sản phẩm sol khí của VIIRS ...............................................................18 Sản phẩm sol khí EDR AOD .....................................................................20 Dữ liệu sol khí của AERONET .........................................................................21 2.3.1. iv Giới thiệu về AERONET ..........................................................................21 2.3.2. Dữ liệu sol khí từ các trạm AERONET.....................................................22 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ 24 3.1. Mô tả bài toán ....................................................................................................24 3.2. Các nghiên cứu liên quan ..................................................................................26 3.2.1. Trên thế giới ..............................................................................................26 3.2.2. Trong nước ................................................................................................27 3.3. Phương pháp tiền xử lý dữ liệu .........................................................................28 3.3.1. Tiền xử dữ liệu ảnh vệ tinh........................................................................28 3.3.2. Tiền xử lý dữ liệu quan trắc và dữ liệu các điểm cháy..............................31 3.4. Phương pháp tích hợp dữ liệu............................................................................32 3.5. Phương pháp đánh giá độ dày quang học sol khí ..............................................34 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .......................................................37 4.1. Khu vực nghiên cứu ..........................................................................................37 4.2. Cài đặt thực nghiệm...........................................................................................41 4.2.1. 4.2.2. 4.2.3. 4.2.4. Chuẩn bị dữ liệu ........................................................................................42 Cài đặt và xử lý dữ liệu .............................................................................45 Cơ sở dữ liệu .............................................................................................50 Tích hợp dữ liệu AOD từ vệ tinh và AOD từ AERONET ........................51 4.3. Tập dữ liệu .........................................................................................................53 4.4. Đánh giá chung ..................................................................................................55 4.4.1. 4.4.2. 4.5. Đánh giá AOD của MODIS ......................................................................55 Đánh giá AOD của VIIRS .........................................................................59 Đánh giá tổng hợp cả VIIRS và MODIS...........................................................62 4.5.1. Đánh giá AOD từ VIIRS và MODIS theo từng quốc gia .........................62 4.5.2. Đánh giá AOD từ VIIRS và MODIS với AERONET AOD theo khu vực thành thị và nông thôn ...............................................................................................67 4.5.3. Mối quan hệ giữ AOD từ VIIRS, MODIS và AERONET với tình hình cháy trong khu vực ....................................................................................................69 KẾT LUẬN ..................................................................................................................80 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................82 PHỤ LỤC 1: THỐNG KÊ DỮ LIỆU CÁC TRẠM AERONET...............................1 PHỤ LỤC 2: CÁC TẬP DỮ LIỆU ẢNH MODIS 3 KM .........................................14 PHỤ LỤC 3: CÁC TẬP DỮ LIỆU ẢNH SOL KHÍ VIIRS ....................................18 v PHỤ LỤC 4: CÀI ĐẶT VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU .........................................................20 4.1. Download các sản phẩm ....................................................................................20 4.1.1. Download MOD04_3K và MYD04_3K – sản phẩm sol khí MODIS 3 km 20 4.1.2. 4.1.3. Download GAERO_VAOOO – sản phẩm sol khí VIIRS 6 km ...............22 Download dữ liệu AERONET...................................................................23 4.1.4. Download MCD14ML - dữ liệu các điểm cháy của MODIS ...................25 4.2. Các chương trình xử lý ......................................................................................26 4.2.1. Chương trình xử lý ảnh MODIS 3 km ......................................................26 4.2.2. 4.2.3. Chương trình xử lý ảnh VIIRS 6 km .........................................................27 Chương trình xử lý dữ liệu AERONET ....................................................30 4.2.4. Chương trình xử lý dữ liệu các điểm cháy ................................................31 4.3. Các bảng trong cơ sở dữ liệu .............................................................................32 4.4. Chương trình tích hợp dữ liệu ...........................................................................39 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt AOD Aerosol optical depth Độ dày quang học sol khí AOD Aerosol optical Thickness Độ dày quang học sol khí MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer Cảm biến được gắn trên vệ tinh Tera/Aqua VIIRS Visible Infrared Imaging Radiometer Suite Cảm biến gắn trên tàu Soumi-NPP FIMO Center of Multidisciplinary Integrated Technologies for Field Monitoring Trung tâm Công nghệ tích hợp liên ngành Giám sát hiện trường AERONET AErosol RObotic NETwork Mạng lưới các trạm quan trắc sol khí mặt đất NASA National Aeronautics and Space Administration Cơ quan Hàng không và Vũ trụ của Mỹ PHOTONS PHOtométrie pour le Traitement Hệ thống chuẩn hóa dữ liệu vệ tinh Opérationnel de Normalisation Satellitaire CLASS Comprehensive Large Array-Data Stewardship System Hệ thống quản lý dữ liệu diện rộng NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration Cục Địa chất và Hải dương học Quốc gia NAAPS Navy Aerosol Analysis and Prediction System Hệ thống Phân tích và Dự báo của Hải quân TOA Top Of Atmosphere Đỉnh khí quyển GAERO VIIRS Aerosol EDR Ellipsoid Geolocation Tập dữ liệu vị trí địa lý của VIIRS VAOOO VIIRS Aerosol Optical Thickness EDR Tập dữ liệu độ dày quang học sol khí của VIIRS vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 4.1: Thống kê các trạm AERONET trong vùng nghiên cứu................................40 Bảng 4.2: Danh mục các bảng trong cơ sở dữ liệu........................................................51 Bảng 4.3: Thống kê dữ liệu MODIS, VIIRS .................................................................53 Bảng 4.4: Đánh giá MODIS AOD toàn khu vực nghiên cứu theo các năm. ................56 Bảng 4.5: Phân bố giá trị MODIS AOD........................................................................57 Bảng 4.6: Đánh giá MODIS AOD toàn khu vực theo các tháng trong năm .................58 Bảng 4.7: VIIRS AOD trung bình qua các năm ............................................................60 Bảng 4.8: Tỷ lệ % VIIRS AOD và AERONET AOD...................................................61 Bảng 4.9: Đánh giá MODIS và VIIRS AOD theo các quốc gia ...................................63 Bảng 4.10: Đánh giá AOD theo khu vực thành thị và nông thôn .................................68 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Bão bụi tại Phoenix năm 2011 ........................................................................6 Hình 1.2: Ồng khói nhà máy thải khói ra môi trường không khí ....................................6 Hình 1.3:Mạng lưới các trạm quan trắc mật đất trên thế giới ........................................9 Hình 1.4: Mạng lưới các vệ tinh quan sát Trái đất ..........................................................9 Hình 2.1: Bức ảnh đầu tiên thu được của MODIS vào 24/2/2000 ................................12 Hình 2.2: Cấu trúc cảm biến MODIS ............................................................................12 Hình 2.3: Quá trình xử lý của MODIS [14] ..................................................................13 Hình 2.4: Minh họa cách tổ chức các điểm ảnh của sản phẩm 10Km và 3 km. ...........15 Hình 2.5: Các tập dữ liệu từ ảnh sol khí MODIS ..........................................................16 Hình 2.6: Bản đồ các điểm cháy khu vực Đông Nam Á ngày 28/09/2015 ...................17 Hình 2.7: Các tập dữ liệu ảnh vệ tinh VIIRS ................................................................20 Hình 2.8: Thiết bị đo đạc của trạm quan trắc AERONET ............................................21 Hình 3.1: Mô hình đánh giá dữ liệu sol khí ...................................................................25 Hình 3.2: Các bước xử lý ảnh MODIS ..........................................................................29 Hình 3.3: Quá trình xử lý ảnh vệ tinh VIIRS ................................................................31 Hình 3.4: Quá trình tích hợp số liệu từ MODIS, VIIRS và AERONET. ......................32 Hình 3.5: Tích hợp dữ liệu của vệ tinh và của các trạm AERONET ............................33 Hình 3.6: Quá trình đánh giá và các tham số thống kê sử dụng trong nghiên cứu .......34 Hình 4.1: Các nước trong khu vực Đông Nam Á. [9] ...................................................37 Hình 4.2: bản đồ các nước đông nam á [7] ...................................................................38 Hình 4.3: Bản đồ các trạm AERONET thực hiện nghiên cứu ......................................39 Hình 4.4: Các giai đoạn thực nghiệm ............................................................................41 Hình 4.5: Tải sản phẩm sol khí MODIS 3 km...............................................................42 Hình 4.6: Tải sản phẩm sol khí VIIRS ..........................................................................43 Hình 4.7: Tải dữ liệu AOD từ AERONET ....................................................................44 Hình 4.8: Tải dữ liệu các điểm cháy của MODIS .........................................................44 Hình 4.9: Chương trình tiền xử lý sản phẩm MODIS ...................................................45 ix Hình 4.10: Chương trình lọc giá trị cờ chất lượng ảnh VIIRS ......................................46 Hình 4.11: Chương trình tiền xử lý sản phẩm VIIRS ...................................................47 Hình 4.12: Chương trình xử lý dữ liệu từ AERONET ..................................................49 Hình 4.13: Mô hình cơ sở dữ liệu..................................................................................50 Hình 4.14: Các tệp CSV sau khi tích hợp dữ liệu AOD................................................52 Hình 4.15:Xác định thời gian và bán kính tích hợp dữ liệu ..........................................54 Hình 4.16: Xác định T và R cho VIIRS ........................................................................55 Hình 4.17: Biểu đồ xu hướng MODIS AOD trung bình qua các năm. ........................56 Hình 4.18: Biểu đồ xu hướng MODIS AOD trung bình các tháng trong năm. ............57 Hình 4.19: Biểu đồ tán xạ thể hiện MODIS AOD của toàn khu vực ............................59 Hình 4.20: Biểu đồ VIIRS AOD trung bình năm từ 2012 – 2016. ...............................60 Hình 4.21: AOD trung bình các tháng trong năm của VIIRS và AERONET...............61 Hình 4.22: Biểu đồ tán xạ thể hiện VIIRS AOD của toàn khu vực ..............................62 Hình 4.23: Tương quan của MODIS AOD, VIIRS AOD và AERONET AOD từ 2012 – 2016 của (a) Hồng Kông, (b) Indonesia, (c) Lào, (d) Malaysia, (e) Philippines, (f) Singapore, (g) Đài Loan, (h) Thái Lan, (i) Việt Nam. ..................................................65 Hình 4.24: Sự biến đổi MODIS và VIIRS AOD theo gió mùa đông bắc và gió mùa tây nam ................................................................................................................................66 Hình 4.25 Diễn biến MODIS vfa VIIRS AOD qua các năm ở khu vực thành thị và nông thôn ................................................................................................................................67 Hình 4.26: Đánh giá MODIS, VIIRS, AERONET AOD theo khu vực thành thị và nông thôn ................................................................................................................................68 Hình 4.27: Biểu đồ thống kê số các điểm cháy theo năm .............................................69 Hình 4.28: Biểu đồ thống kê số điểm cháy theo các tháng ...........................................70 Hình 4.29: Biểu đồ AOD theo số lượng các vụ cháy rừng năm 2012 ..........................70 Hình 4.30: Biểu đồ AOD theo số lượng các vụ cháy rừng năm 2013 ..........................71 Hình 4.31: Biểu đồ AOD theo số lượng các vụ cháy rừng ...........................................71 Hình 4.32: Biểu đồ AOD theo các vụ cháy rừng năm 2015 .........................................72 Hình 4.33: Biểu đồ AOD theo số lượng các vụ cháy rừng năm 2012 ..........................73 x Hình 4.34: Thống kê các điểm cháy tại Hồng Kông .....................................................73 Hình 4.35: Thống kê các điểm cháy tại Indonesia ........................................................74 Hình 4.36: Thống kê các điểm cháy tại Lào ..................................................................75 Hình 4.37: Thống kê các điểm cháy tại Malaysia .........................................................75 Hình 4.38: Thống kê các điểm cháy tại Philippines ......................................................76 Hình 4.39: Thống kê các điểm cháy tại Singapore........................................................76 Hình 4.40: Thống kê các điểm cháy tại Thái Lan .........................................................77 Hình 4.41: Thống kê các điểm cháy tại Đài Loan .........................................................78 Hình 4.42: Thống kê các điểm cháy tại Việt Nam ........................................................78 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề, định hướng nghiên cứu Trong những năm qua, với xu thế đổi mới và hội nhập, các nước trong khu vực Đông Nam Á và khu vực lân cận đã và đang từng bước đổi mới hướng đến công nghiệp hóa. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển mạnh mẽ đó, các quốc gia vẫn đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, trong đó có vấn đề ô nhiễm môi trường không khí. Khói bụi, chất thải từ các nhà máy, tình trạng đốt rừng và phá huỷ hàng ngàn hecta rừng nguyên sinh phục vụ cho công nghiệp và nông nghiệp, núi lửa phun trào…dẫn đến ô nhiễm không khí nghiêm trọng đặc biệt là các thành phố lớn. Ô nhiễm không khí cùng với việc khai thác tài nguyên không hợp lý, chặt phá rừng bừa bãi…, làm cho tầng Ozon bị thủng, gây nên hiệu ứng nhà kính và đặc biệt là thay đổi khí hậu toàn cầu gây nên hiện tượng El nino kèm theo những trận mưa lụt, bão khủng khiếp và hạn hán kéo dài. Ô nhiễm không khí không chỉ là vấn đề nóng tập trung ở các đô thị phát triển, các khu, cụm công nghiệp… mà đã trở thành mối quan tâm của toàn xã hội. Sol khí là một trong số các thành phần gây ô nhiễm không khí. Theo [1] sol khí có thể ảnh hưởng trực tiếp tới khí hậu do tính tán xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời của chúng làm thay đổi cân bằng năng lượng của hệ thống Trái đất - Khí quyển. Sol khí ảnh hưởng gián tiếp tới khí hậu bởi chúng là hạt nhân ngưng kết mây và hạt nhân của băng, có khả năng làm thay đổi tính chất quang học, vi vật lý và thời gian tồn tại của mây. Chính vì vậy, hiểu biết về phân bố và xu hướng biến đổi theo không gian và thời gian của sol khí là rất quan trọng để hiểu về đặc điểm của sol khí và ảnh hưởng của chúng đến khí hậu Trái đất. Nhằm giám sát sol khí và khí hậu, NASA và PHOTONS cùng với hàng trăm các cộng tác viên đến từ các trường đại học, các cơ quan… đã thiết lập lên một mạng lưới quan trắc tại nhiều khu vực trên thế giới. Mặc dù vậy việc giám sát sol khí còn nhiều hạn chế trong việc duy trì hoạt động và cung cấp số liệu nghiên cứu. Mặt khác các thông số này chỉ đại diện cho một khu vực nhỏ đặt trạm quan trắc mà không thể giám sát liên tục cũng như bao quát toàn bộ Trái đất. Vì vậy, các nhà khoa học đã nghiên cứu và thực hiện gắn các thiết bị lên vệ tinh để giám sát sol khí, khí hậu, đất, nước... với phạm vi rộng lớn hơn. Sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh trong giám sát ô nhiễm không khí trong đó có sol khí là một hướng tiếp cận đầy hứa hẹn. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra tiềm năng trong việc sử dụng công nghệ ảnh vệ tinh viễn thám như MODIS, VIIRS… giám sát ô nhiễm kết hợp với các nguồn quan trắc mặt đất AERONET. Nhằm đảm bảo chất lượng của nguồn dữ liệu đầu vào khi sử dụng sản phẩm ảnh vệ tinh cho các ứng dụng, cần thực 2 hiện đánh giá chất lượng các sản phẩm. Theo hướng nghiên cứu này, tôi thực hiện Nghiên cứu và đánh giá độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ tinh dựa trên các trạm quan trắc cho khu vực Đông Nam Á cùng với Đài Loan và Hồng Kông. 2. Mục tiêu của luận văn Ảnh viễn thám được ứng dụng trong quản lý khí hậu và biến đổi môi trường, giám sát ô nhiễm không khí, nguồn nước, đất đai…cập nhật khí hậu theo từng vùng, địa phương, hỗ trợ dự báo thời tiết, phân loại các địa hình, thành lập bản đồ… Để ứng dụng các sản phẩm ảnh sol khí từ vệ tinh vào trong các nghiên cứu và hệ thống giám sát, cần thực hiện đánh giá các sản phẩm sol khí này. Vì vậy, tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu và đánh giá độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ tinh dựa trên các trạm quan trắc”. Với mục đích nghiên cứu và đánh giá độ dày quang học sol khí (AOD) từ ảnh vệ tinh, tôi đã bước đầu làm chủ được kiến thức và công nghệ trong lĩnh vực này. Để đạt được mục tiêu trên, tôi đã nghiên cứu và học tập lý thuyết về ảnh vệ tinh, từ đó đi vào nghiên cứu các sản phẩm về sol khí. Đồng thời, nhằm đối chiếu với dữ liệu từ các trạm quan trắc tôi đã bước đầu nắm được các tri thức, công cụ và kĩ thuật xử lý và trích xuất dữ liệu sol khí từ ảnh vệ tinh. Từ đó, tích hợp dữ liệu từ ảnh vệ tinh và dữ liệu từ trạm quan trắc trên mặt đất để tiến hành đánh giá. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu, đánh giá và xác định được xu hướng biến đổi của độ dày quang học sol khí theo biến trình năm, theo tháng trên phạm vi toàn khu vực và theo từng quốc gia dựa trên số liệu từ các trạm quan trắc. Đồng thời, đưa ra các nhận định về mối quan hệ giữa nồng độ sol khí trên các quốc gia và các điểm cháy trong khu vực. 3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu Luận văn giới hạn nghiên cứu trong khu vực Đông Nam Á, Đài Loan và Hồng Kông. Trên cơ sở đó, tôi đã thực hiện nghiên cứu về ảnh viễn thám, tiền xử lý và giải đoán ảnh. Trong đó tập trung tìm hiểu về ảnh vệ tinh MODIS AOD có độ phân giải 3 km và ảnh vệ tinh VIIRS AOD có độ phân giải 6 km. Đồng thời thực hiện tìm hiểu về các công cụ mã nguồn mở để xử lý và trích xuất dữ liệu ảnh viễn thám. Trong đó có bộ thư viện GDAL (Geospatial Data Abstraction Library) giúp đọc các thông tin siêu dữ liệu (metadata), trích xuất các band chứa dữ liệu sol khí, chuyển đổi các định dạng và tạo các ảnh... Ngôn ngữ kịch bản Python và ngôn ngữ lập trình PHP được sử dụng để viết các mã lệnh xử lý ảnh vệ tinh. Cơ sở dữ liệu không gian PostgreSQL – PostGIS lưu trữ thông tin ảnh vệ tinh và dữ liệu ảnh dưới dạng raster. 3 Bước tiếp theo sẽ thực hiện trích xuất dữ liệu sol khí từ ảnh vệ tinh MODIS và VIIRS, lấy dữ liệu từ các trạm quan trắc, lấy dữ liệu cháy rừng…Sau khi có đầy đủ dữ liệu, thực hiện tích hợp dữ liệu ảnh vệ tinh và dữ liệu từ các tram quan trắc dựa trên khoảng thời gian và không gian xác định. Cuối cùng, đưa ra các đánh giá và phân tích độ dày quang học sol khí dựa trên các tham số thống kê như trung bình số học, độ lệch chuẩn, sai số,… Từ các thông số phân tích trên, thực hiện đánh giá AOD theo toàn khu vực, theo quốc gia, đánh giá mối tương quan giữa AOD từ ảnh vệ tinh và AOD từ trạm quan trắc, đánh giá mối quan hệ giữa AOD và tình hình cháy trong khu vực nghiên cứu. 4. Kết cấu của luận văn Bên cạnh phần mở đầu, kết luận, phụ lục, hình vẽ và bảng biểu minh hoạ, nội dung luận văn bao gồm 3 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về sol khí và ảnh vệ tinh: trình bày tổng quan về ô nhiễm không khí, khái niệm, nguồn gốc và tác hại của sol khí, độ dày quang học sol khí và phương pháp quan sát. Chương 2: Các sản phẩm sol khí: trình bày về các sản phẩm sol khí của MODIS, VIIRS và AERONET nói chung. Đi sâu vào sản phẩm MODIS AOD 3 km, MCD14ML, VIIRS AOD 6 km và dữ liệu các trạm quan trắc. Chương 3: Phương pháp: trình bày về phương pháp tiền xử lý ảnh vệ tinh, tích hợp dữ liệu AOD từ trạm mặt đất và dữ liệu AOD từ ảnh vệ tinh, đánh giá AOD từ ảnh vệ tinh. Chương 4: Thực nghiệm: trình bày kết quả thực nghiệm, đánh giá và phân tích về AOD từ ảnh vệ tinh. 4 1. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ 1.1. Tổng quan về ô nhiễm không khí Ô nhiễm không khí là sự có mặt của các chất lạ trong không khí hay là sự biến đổi quan trọng trong thành phần khí quyển gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người, sinh vật và các hệ sinh thái khác. Ngoài các thành phần chính của không khí, bất kỳ một chất nào ở dạng rắn, lỏng, khí được thải vào môi trường không khí với nồng độ đủ để gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người, gây ảnh hưởng xấu đến sự sinh trưởng, phát triển của động, thực vật, phá huỷ vật liệu, làm giảm cảnh quan môi trường đều gây ô nhiễm môi trường không khí. Có thể phân chia chất gây ô nhiễm không khí thành hai loại: chất ô nhiễm sơ cấp và thứ cấp. Chất ô nhiễm sơ cấp: Là chất ô nhiễm xâm nhập trực tiếp vào môi trường từ nguồn phát sinh: SO2, CO2, CO, bụi…Chất ô nhiễm thứ cấp: Là chất thâm nhập vào môi trường thông qua phản ứng giữa các chất ô nhiễm sơ cấp và phản ứng thông thường của khí quyển: SO3 sinh ra từ SO2 + O2; H2SO4 sinh ra từ: SO2 + O2 + H2O… Các nhân tố góp phần tạo nên ô nhiễm không khí bao gồm cả nhân tố tự nhiên và do con người. Các nhân tố tự nhiên như: động đất, núi lửa phun trào phát tán khói bụi và các chất ô nhiễm vào không khí, bão cát sa mạc, cháy rừng gây ra các đám khói mù bao phủ trên diện rộng, quá trình phân hủy động thực vật… Các nhân tố ô nhiễm do con người tạo ra thường phát sinh từ quá trình hoạt động công nghiệp như đốt than, dầu tại các nhà máy nhiệt điện, khói bụi từ các phương tiện giao thông, các công trình xây dựng, sinh hoạt, nông nghiệp, dịch vụ thương mại, ... Ô nhiễm không khí gây ra nhiều thảm họa như là hiện tượng “nghịch đảo nhiệt” kìm hãm không cho khí thải phát tán lên cao gây ra hiện tượng trúng độc. Hiện tượng nóng lên của Trái đất làm cho băng tan và mực nước biển dâng cao. Hiện tượng này cũng do sự phát triển của các khu công nghiệp không đảm bảo việc xử lý chất thải, dẫn đến hiện tượng hiệu ứng nhà kính. Hiện tượng nóng lên toàn cầu gây ra khô hạn do thiếu nước tại nhiều khu vực. Mưa axit tác động lên Động, thực vật làm thiếu thức ăn cho các loài động vật và phá huỷ các loài thực vật. Đặc biệt, ô nhiễm không khí đe dọa sức khỏe của con người, như bệnh về hô hấp, tim mạch, tăng nguy cơ ung thư, bệnh về da… Theo công bố năm 2016 của WHO, hơn 80% dân số thành thị trên toàn cầu đang hít thở bầu không khí kém trong lành và điều này đang làm gia tăng nguy cơ mắc các loại bệnh ở người dân (tỷ lệ này là 98% các thành phố có mức thu nhập thấp và trung bình, trong khi đó, tại các thành phố có mức thu nhập cao, tỷ lệ này là 56%) [2]. 5 1.2. Tổng quan về sol khí 1.2.1. Khái niệm Sol khí (aerosol) bao gồm các hạt rắn, lỏng tồn tại lơ lửng trong khí quyển, là một trong những tác nhân quan trọng gây nên biến đổi tính chất quang học, hóa học khí quyển, chúng tác động tới quá trình hình thành mây, tán xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ, gây nên những biến đổi trong hệ thống thời tiết - khí hậu [1]. Theo [3] bán kính hạt sol khí chia thành 3 cấp khác nhau. Phần tử cực nhỏ (< 0.1 µm): phát sinh từ các phần tử khí như khí SO2 (phát sinh từ phun trào núi lửa, đốt các nguyên liệu như gỗ, than, phân khô, rơm, rác…), NOx (phát sinh từ việc đốt nguyên liệu trong động cơ đốt trong, trong quá trình hàn điện, khói thải từ các phương tiện…) và Cacbon hữu cơ dễ bay hơi bị oxi hóa và ngưng tụ lại. Phần tử cực lớn (xấp xỉ 1 µm): là các hạt thô, do gió và sự di chuyển của các luồng khí, bốc hơi nước... đẩy lên bầu khí quyển. Phần tử trung gian (0.1 µm – 1 µm): đây là dạng sol khí tích tụ lâu nhất từ vài ngày đến vài tuần trong khí quyển. Ảnh hưởng tới biến đổi khí hậu vì khả năng tương tác với năng lượng mặt trời. Sol khí là gốc rễ của một số các vấn đề về môi trường bao gồm ô nhiễm không khí, sự phá hủy của tầng ozon… Sol khí tác động trực tiếp và gián tiếp lên trữ lượng bức xạ của Trái đất và khí hậu. Sol khí trực tiếp phản xạ và phân tán các tia bức xạ mặt trời vào không gian. Một vài các thành phần trong sol khí có thể hấp thụ các tia bức xạ mặt trời. Tác động gián tiếp là khi sol khí ở tầng thấp của khí quyển có thể làm thay đổi kích cỡ của các phần tử mây, làm thay đổi phản xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời của mây, và như vậy tác động lên trữ lượng năng lượng của Trái đất. Sol khí cũng đóng vai trò làm nơi gây ra các phản ứng hóa học. Đáng kể nhất là phản ứng có tác động phá hoại ozon ở tầng bình lưu. Các phản ứng hóa học xảy ra ở khu vực tập trung nhiều các phần tử mây bụi. Các phản ứng này chủ yếu là phản ứng Clo và cuối cùng chúng phá hủy ozon ở tầng bình lưu. Chúng ta có thể nhận thấy sự hiện diện của sol khí khi chúng đủ lớn thông qua sự phân tán và hấp thụ tia bức xạ mặt trời của sol khí. Sự phân tán bức xạ mặt trời của sol khí có thể làm giảm khả năng nhìn và làm ửng đỏ khi mặt trời mọc và mặt trời lặn. Những sol khí này có nhiều nguồn gốc, có thể là nguồn gốc tự nhiên như từ đất, từ muối biển, từ các đám cháy thực vật, từ núi lửa phun trào, từ bão cát… hoặc cũng có thể do con người tạo ra từ việc đốt cháy các chất thải, nhiên liệu than và dầu trong các khu công nghiệp, từ các phương tiện giao thông, rác thải sinh hoạt… tạo ra các phần tử sulfat, cacbon đen... 6 1.2.2. Nguồn gốc sản sinh sol khí Sol khí được sản sinh từ nhiều nguồn khác nhau. Trong đó có một số nguồn chiếm tỷ trọng lớn và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và sự biến đổi khí hậu như: sol khí núi lửa, bụi sa mạc, sol khí do con người. Loại sol khí thứ nhất phải kể đến là sol khí của núi lửa. Loại sol khí này được hình thành ở tầng bình lưu sau các trận phun trào lớn của núi lửa. Lớp sol khí chủ yếu hình thành bởi khí SO2, sau đó chuyển đổi thành các giọt axit sulfuric trong tầng bình lưu tồn tại từ một tuần tới vài tháng sau khi núi lửa phun trào. Sau mỗi lần hình thành, các sol khí này tồn tại trong tầng đối lưu khoảng hai năm. Chúng phản xạ bức xạ mặt trời, giảm lượng năng lượng tới tầng thấp hơn của khí quyển và bề mặt Trái đất, từ đó làm lạnh bề mặt Trái đất trong thời gian dài. Loại sol khí thứ hai có tác động đáng kể lên khí hậu là bụi sa mạc (Hình 1.1 bão bụi). Bụi hấp thụ cũng như phân tán tia bức xạ mặt trời. Thông qua hấp thụ tia bức xạ mặt trời, các phần tử bụi làm ấm lớp khí quyển nơi chúng cư trú. Không khí ấm được cho là nguyên nhân ngăn chặn sự hình thành của mây. Thông qua sự ngăn chặn hình thành mây, mưa… dẫn đến thiếu hụt nước ở các khu vực này. Vì vậy, màn bụi được cho là nguyên nhân gây ra sa mạc hoá tại nhiều khu vực trên thế giới. Hình 1.1: Bão bụi tại Phoenix năm 2011 Hình 1.2: Ồng khói nhà máy thải khói ra môi trường không khí Loại sol khí thứ ba là do các hoạt động của con người. Phần lớn sol khí tạo bởi con người là do khói bụi từ cháy rừng nhiệt đới, ô nhiễm khu công nghiệp, khí thải từ giao thông, đốt than và dầu phục vụ công nghiệp và nông nghiệp (Hình 1.2 cho thấy hoạt động gây ra sol khí của con người tại các nhà máy công nghiệp). Sol khí sulfat không hấp thụ bức xạ mặt trời nhưng phản xạ chúng, bởi vậy làm giảm lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái đất. Sol khí sulfat tồn tại trong khí quyển khoảng 3 – 5 ngày. Sol khí sulfat tạo bởi con người trong khí quyển đang tăng lên nhanh chóng kể từ cuộc cách mạng công nghiệp. Với mức độ sản xuất hiện tại, lượng sol khí sulfat của con người 7 tạo ra đã vượt xa nhiều lần lượng sol khí mà núi lửa phát thải hàng năm. Nghiêm trọng nhất là tại các vùng đô thị, khu công nghiệp… Cần có biện pháp để làm giảm các loại sol khí do con người tạo ra bằng cách sử dụng các nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường, quy hoạch đúng cách sự phát triển nông nghiệp, công nghiệp, bảo vệ các rừng đầu nguồn…từ đó giảm trừ một cách hiệu quả và lâu dài tác động của sol khí đến động vật, thực vật và con người. 1.2.3. Tác động của sol khí lên Trái đất Sol khí ảnh hưởng tới khí hậu theo cách trực tiếp bởi phản xạ tia bức xạ từ mặt trời vào không gian. Một phần sol khí sẽ phân tán và hấp thụ các tia bức xạ này. Do đó số lượng bức xạ mặt trời đến bề mặt Trái đất sẽ giảm xuống. Các hạt sol khí tối hơn như cacbon đen hấp thụ một lượng đáng kể bức xạ làm ấm lớp khí quyển chứa carbon đen và làm lạnh bề mặt Trái đất. Theo NASA, các đám mây sol khí phản xạ khoảng 25% lượng bức xạ mặt trời quay trở lại không gian. Sol khí ảnh hưởng gián tiếp đến khí hậu thông qua ngưng kết của mây, làm thay đổi tính chất vật lý vi mô của mây, đặc tính bức xạ và thời gian tồn tại của mây. Những thay đổi vật lí vĩ mô của mây như độ bao phủ, cấu trúc, độ cao và những thay đổi vật lý vi mô như kích thước hạt có tác động lớn tới khí hậu. Sol khí tác động tới độ phản xạ của mây và thời gian tồn tại của mây. Sự hấp thụ bức xạ mặt trời và phản xạ lại bức xạ đó của các phần tử hình thành sau các vụ cháy, đã dẫn đến hệ quả là làm nóng khối không khí và làm thay đổi độ ổn định khí quyển. Các sol khí gốc sulfat có vai trò hạt nhân ngưng tụ mây làm cho các đám mây có giọt nhỏ và nhiều hơn. Các đám mây này phản xạ bức xạ mặt trời có hiệu quả hơn là các đám mây ở dạng giọt lớn. Hiệu ứng này cũng làm cho các giọt mây có kích thước đồng nhất hơn, làm giảm sự hình thành giọt mưa và làm mây phản chiếu mạnh hơn đối với ánh sáng mặt trời tới Trái đất. Bồ hóng (soot) có thể làm lạnh hoặc ấm tùy thuộc vào vật thể nó bám trong khí quyển. Bồ hóng bám trên các sol khí trong khí quyển hấp thụ trực tiếp bức xạ mặt trời làm nóng khí quyển và làm lạnh bề mặt đất. Thêm vào đó, sol khí làm thay đổi hiệu ứng bức xạ tại đỉnh khí quyển và làm thay đổi năng lượng tới bề mặt thông qua các quá trình đối lưu, bốc hơi và giáng thủy. Cả hai hiệu ứng trực tiếp và gián tiếp đều làm giảm lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái đất, làm tăng nhiệt của cột khí quyển. Các sol khí gây bất lợi cho sức khỏe của con người và làm giảm tầm nhìn bởi sự phân tán và hấp thụ bức xạ. Chất lượng không khí suy giảm sẽ làm gia tăng nguy cơ đột qụy, mắc các bệnh về tim mạch, ung thư phổi, các bệnh hô hấp cấp tính và mãn tính. 8 Theo thống kê của WHO vào năm 2015, hằng năm trên thế giới có khoảng 2 triệu trẻ em bị tử vong do nhiễm khuẩn đường hô hấp cấp, trong đó khoảng 60% trường hợp có liên quan đến ô nhiễm không khí. Sol khí cũng ảnh hưởng tới sự quang hợp và tỉ lệ hấp thụ cacbon của hệ sinh thái. 1.3. Độ dày quang học sol khí 1.3.1. Khái niệm Độ dày quang học sol khí - Aerosol Optical Thickness (AOD) hoặc Aerosol Optical Depth (AOD) là đại lượng đặc trưng cho sự suy giảm của tia bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển do hấp thụ và tán xạ của các phần tử sol khí tại điểm quan trắc so với giới hạn trên đỉnh khí quyển. Độ dày quang học sol khí được sử dụng và ứng dụng rộng rãi trong: Hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển tới tín hiệu thu nhận bằng công nghệ viễn thám; Giám sát nguồn và các khu vực tập trung sol khí; Xây dựng mô Hình truyền bức xạ; Đánh giá chất lượng không khí; Nghiên cứu sự thay đổi khí hậu... Để tính toán độ dày quang học sol khí (AOD), người ta thực hiện đo sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng mặt trời của các thành phần trên một cột không khí tính từ vị trí tại mặt đất đến đỉnh của bầu khí quyển. Để dễ dàng quan sát AOD, người ta đã tạo ra các thiết bị đo và thiết lập các trạm đo đạc tại nhiều điểm trên toàn thế giới. Có 2 phương thức sử dụng các thiết bị đo để quan sát độ dày quang học sol khí là từ mặt đất và từ vệ tinh. Quan sát từ mặt đất: là phương pháp sử dụng các quang kế đặt trên bề mặt Trái đất để đo sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng mặt trời của các phần từ sol khí. Phương pháp này có độ chính xác cao, nhưng nó chỉ đại diện cho một khu vực nhỏ quanh trạm. Quan sát từ vệ tinh: là phương pháp sử dụng các cảm biến được gắn trên vệ tinh để đo lường. Phương pháp này kém chính xác hơn, nhưng có độ che phủ lớn nên được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và giám sát sol khí trong khu vực và toàn cầu. 1.3.2. Phương pháp quan trắc Độ dày quang học sol khí (AOD) là thước đo của sol khí (ví dụ như sương mù đô thị, các đám mây khói, bụi sa mạc, muối biển) phân bố trong một cột không khí từ dụng cụ (đặt trên bề mặt Trái đất) đến đỉnh của bầu khí quyển (Top of Atmosphere) [10]. Điện áp (V) được đo bởi một quang kế mặt trời tỉ lệ thuận với độ chiếu sáng (I) tới dụng cụ ở bề mặt. Áp suất quang phổ (Io) về điện áp (Vo) ước tính được bằng phép đo
- Xem thêm -