Header Page 1 of 126.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA ĐỊA LÝ

PHẠM THỊ DUYÊN

SỬ DỤNG TƢ LIỆU VỆ TINH MODIS ĐÁNH GIÁ CHẤT
LƢỢNG KHÔNG KHÍ KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2016

Footer Page 1 of 126.


Header Page 2 of 126.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA ĐỊA LÝ

PHẠM THỊ DUYÊN

SỬ DỤNG TƢ LIỆU VỆ TINH MODIS ĐÁNH GIÁ CHẤT
LƢỢNG KHÔNG KHÍ KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG
Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thông tin địa lý
Mã số: 66 04 02 14


Chƣơng trình Khoa học Công nghệ độc lập cấp Nhà nƣớc về Công nghệ Vũ trụ) đã
cung cấp nguồn dữ liệu và công cụ cần thiết để tôi thực hiện luận văn.
Lời cuối cùng, tôi xin cảm ơn sự động viên, ủng hộ về tinh thần của gia đình,
bạn bè và đồng nghiệp đã tạo động lực giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày…..tháng……năm 2016
Học viên cao học

Phạm Thị Duyên

Footer Page 3 of 126.


Header Page 4 of 126.

MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. 3
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... 6
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 7
Tính cấp thiết .................................................................................................... 7
Mục tiêu nghiên cứu: ........................................................................................ 8
Nhiệm vụ nghiên cứu: ....................................................................................... 8
Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................. 9
Phạm vi nghiên cứu........................................................................................... 9
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .......................................................................... 9
Cấu trúc của luận văn ........................................................................................ 9
CHƢƠNG 1 ........................................................................................................ 11
CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ PHÁT HIỆN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ BẰNG ĐỘ
DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ ..................................................................................... 11
1.1. Một số khái niệm cơ bản .......................................................................... 11

2.4. Tính toán giá trị PM 2.5 từ dữ liệu MODIS AOD/AOT ................. Error!
Bookmark not defined.
2.4.1. Quy trình tổng quát ............................ Error! Bookmark not defined.
2.4.2. Quy trình tích hợp dữ liệu vệ tinh và quan trắcError! Bookmark not
defined.
2.4.3. Quy trình tính toán và thành lập bản đồ PM 2.5 từ ảnh sol khí
MODIS.................................................................... Error! Bookmark not defined.
2.5. Ứng dụng web-based GIS phục vụ giám sát bụi PM 2.5 ................. Error!
Bookmark not defined.
CHƢƠNG 3 ........................................................ Error! Bookmark not defined.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN . Error! Bookmark not defined.
3.1. Thực nghiệm ............................................ Error! Bookmark not defined.
3.1.1. Dữ liệu sol khí ................................... Error! Bookmark not defined.
3.1.2. Dữ liệu thu đƣợc từ các trạm quan trắcError!

Bookmark

not

defined.
3.1.3. Xử lý hình học ảnh ............................ Error! Bookmark not defined.
3.1.4. Tính toán hồi quy giữa AOD/AOT và PM 2.5Error! Bookmark not
defined.

Footer Page 5 of 126.

Trang2


Header Page 6 of 126.

Bảng 3.3. Danh mục các trạm thực địa ......................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.4. Tƣơng quan giữa AOD và PM2.5 tại các trạmError!

Bookmark

not

defined.

Footer Page 7 of 126.

Trang4


Header Page 8 of 126.

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Kích thƣớc cái loại bụi PM so với đƣờng kính sợi tóc của con ngƣời .......... 12
Hình 2.1. Các tia phản xạ trong khí quyển đến đầu thu Error! Bookmark not defined.
Hình 2.2. Ví dụ về mối liên hệ tuyến tính ..................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.3. Bản đồ vùng đồng bằng sông Hồng .............. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.4. Cấu trúc nhóm các band ảnh raster trong file HDFError!

Bookmark

not

defined.
Hình 2.5. Trạm quan trắc đặt tại Long Biên, Hà Nội .... Error! Bookmark not defined.
Hình

Hình 2.7. Quy trình tính toán chất lƣợng không khí khu vực ĐBSHError! Bookmark
not defined.
Hình 2.8. Quy trình tích hợp dữ liệu vệ tinh và dữ liệu quan trắcError! Bookmark not
defined.
Hình 2.9. Quy trình tính toán PM 2.5 từ ảnh AOD/AOTError!

Bookmark

not

defined.
Hình 2.10. Thiết kế kỹ thuật của Web-based GIS ......... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.11. Thiết kế chi tiết của Web-based GIS ........... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.12. Giao diện WebGis thuộc CPIS .................... Error! Bookmark not defined.
Hình

3.1.

Ví

dụ

tƣ

liệu

thu

thập



ảnh

MYBAOD.A2014001.0610.006.2014273233747từ vệ tinh AquaError!

số

hiệu

Bookmark

not defined.
Hình 3.3. Vị trí 06 trạm mặt đất trên nền bản đồ GIS ... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.4. Vị trí 06 trạm trên nền ảnh Modis Terra ....... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.5. Vị trí 06 trạm trên nền ảnh Modis Aqua ....... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.6. Giao diện công cụ MRT ................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.7. Tƣơng quan giữa AOD và PM2.5 tại trạm Nguyễn Văn Cừ ................. Error!
Bookmark not defined.
Footer Page 8 of 126.

Trang5


Header Page 9 of 126.

Hình 3.8. Sai số của mô hình hồi quy AOD và PM2.5 tại trạm Nguyễn Văn Cừ . Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.9. Tƣơng quan giữa AOD và PM2.5 tại trạm Phú ThọError! Bookmark not
defined.
Hình 3.10. Sai số của mô hình hồi quy AOD và PM2.5 tại trạm Phú Thọ ........... Error!


defined.
Hình 3.20. Sai số của mô hình hồi quy AOD và PM2.5 tạị 06 trạmError! Bookmark
not defined.
Hình 3.21. Biểu đồ hệ số xác định bội R² theo trạm ..... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.22. Bản đồ giá trị PM 2.5 khu vực đồng bằng sông Hồng ngày 20/12/2016
....................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.23. Giao diện kết nối dữ liệu raster trong GeoseverError!

Bookmark

not

defined.
Hình 3.24. Tạo style cho lớp bản đồ PM 2.5 với SLD .. Error! Bookmark not defined.
Footer Page 9 of 126.

Trang6


Header Page 10 of 126.

Hình 3.25. Bản đồ PM 2.5 trên nền WebGis ................. Error! Bookmark not defined.

Footer Page 10 of 126.

Trang7


Header Page 11 of 126.


GIS

Hệ thông tin địa lý

NASA

Cơ quan hàng không Vũ trụ Mỹ

Bộ TN&MT

Bộ Tài nguyên & Môi trƣờng

ĐBSH

Đồng bằng sông Hồng

CENMA

Trung tâm Quan trắc và Phân tích Tài nguyên Môi trƣờng Hà Nội

DN

Digital number- Giá trị số

R, r

Correlation Coefficient – Hệ số tƣơng quan

R², r²

thống hô hấp.
Việc giám sát chất lƣợng không khí thu hút đƣợc sự quan tâm của tất cả các
quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Tại Việt Nam, các trạm quan trắc khí
tƣợng có thể đo lƣờng các chỉ số liên quan chất lƣợng không khí (cũng nhƣ chỉ số
PM2.5), tuy nhiên, số lƣợng trạm rất hạn chế. Do vậy, việc tính toán, đánh giá chất
lƣợng không khí trên diện rộng, trên toàn khu vực không thể thực hiện đƣợc.
Cùng với sự phát triển của công nghệ vệ tinh quan sát Trái đất, khả năng ứng dụng
tƣ liệu ảnh vệ tinh kết hợp với hệ thông tin địa lý trong giám sát chất lƣợng không khí đã
đƣợc áp dụng ở rất nhiều quốc gia trên thế giới (khoảng 40 năm trở lại đây).
Ảnh vệtinh cho biết thông tin trên toàn khu vực nghiên cứu theo cấu trúc
mạng lƣới liên tục của các pixel kềnhau. Mỗi pixel đƣợc ví nhƣlà một trạm quan trắc,
do đó sốđiểm từảnh vệtinh sẽdày đặc hơn nhiều so với các trạm đo mặt đất. Kết
quảphân tích ảnh vệtinh sẽcho các giá trịô nhiễm thểhiện trên từng pixel tùy thuộc vào
độphân giải ảnh và trên toàn vùng đồng thời vào cùng thời điểm quan sát, mà với
điều kiện và khảnăng của thiết bịvà trạm đo mặt đất hiện tại không thểnào đạt đƣợc

Footer Page 12 of 126.

Trang9


Header Page 13 of 126.

Vệ tinh Terra và Aqua có trang bị các phổ kế tạo ảnh độ phân giải trung bình MODIS đã mở ra những triển vọng mới cho các nghiên cứu mang tính toàn cầu cũng
nhƣ khu vực. Với 36 kênh phổtừ bƣớc sóng 0.405 µm đến 14.385 µm và độphân giải
không gian là 250 m,500 m và 1 km, MODIS đã đƣợc ứng dụng rất nhiều trong lĩnh
vực, trong đó có lĩnh vực khí tƣợng thuỷ văn và môi trƣờng. Ảnh MODIS với vòng
chu kỳ lặp chụp ảnh là 01 ngày là điều thuận tiện cho việc quan trắc thƣờng xuyên
mỗi ngày, hỗ trợ tốt cho quan trắc mặt đất, nhất là về mặt phân bố không gian.
MOD04/MOY04 là 1 trong 44 sản phẩm ảnh MODIS Terra/Aqua với độ phân giải

liệu tham khảo. Dƣới đây là tiêu đề các chƣơng:
Chƣơng 1: Cơ sở lý luận về phát hiện ô nhiễm không khí bằng độ dày quang
học sol khí.
Footer Page 14 of 126.

Trang11


Header Page 15 of 126.

Chƣơng 2: Phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng không khí khu vực đồng bằng
sông Hồng bằng tƣ liệu vệ tinh MODIS.
Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận.

Footer Page 15 of 126.

Trang12


Header Page 16 of 126.

CHƢƠNG 1
CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ PHÁT HIỆN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ BẰNG
ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ
1.1. Một số khái niệm cơ bản
1.1.1. Khái niệm sol khí
Sol khí là một thành phần phát tán trong khí quyển, đƣợc tạo nên từ bụi và khí
thải (tự nhiên và nhân tạo), tham gia trực tiếp vào hiệu ứng nhà kính tác động tới biến
đổi khí hậu. Theo NASA, sol khí là các hạt lơ lửng trong không khí. Khi các hạt này
đủ lớn, chúng ta sẽ nhận thấy sự hiện dịên của chúng khi chúng phản xạ và hấp thụ ánh

- Sol khí đƣợc tạo từ các hoạt động của con ngƣời: phần lớn sol khí tạo bởi con
ngƣời là do khói bụi từ các đám cháy ở các khu rừng nhiệt đới, do đốt than và dầu. Sol
khí sulfat tạo bởi con ngƣời đang tăng lên nhanh chóng trong khí quyển kể từ các cuộc
cách mạng công nghiệp. Với mức độ sản xuất hiện tại, sol khí sulfat phát thải bởi con
ngƣời đƣợc cho rằng là quá nhiều so với lƣợng sol khí sulfat tự nhiên. Sol khí tập
trung nhiều nhất ở Bắc Bán Cầu nơi vốn là trung tâm của các hoạt động công nghiệp.
1.1.2. Khái niệm hạt PM
Hạt PM (Particulate Matter-PM) là những hạt bụi trong không khí có kích
thƣớc rất nhỏ, nhỏ hơn 10µm mà mắt thƣờng của con ngƣời không nhìn thấy đƣợc.
Các hạt này gây ô nhiễm môi trƣờng và có tác hại rất lớn đến sức khỏe của con ngƣời.
Những hạt PM còn có tên gọi khác là các hạt “bụi hô hấp” vì các hạt này gây ra các
bệnh về hô hấp cho con ngƣời.
Những hạt PM có đƣờng kính nhỏ hơn 10µm đến 2,5µm đƣợc gọi là các hạt
PM 10. Những hạt này đi theo con đƣờng hô hấp có thể đi sâu vào bên trong khí quản
của con ngƣời. Những hạt PM có đƣờng kính nhỏ hơn 2.5µm đƣợc gọi là các hạt PM
2.5. Chúng có thể đi sâu vào bên trong cơ thể của con ngƣời, có thể bị giữ lại ở các phế
nang. Những hạt có kích thƣớc quá bé thì có thể bị đẩy ra ngoài theo hoạt động thải
khí CO2 của con ngƣời. Những hạt PM có nồng độ cao trong cơ thể con ngƣời thì gây
ra các bệnh về hô hấp nguy hiểm đồng thời cũng ảnh hƣởng xấu tới hoạt động sản xuất
và sự cân bằng của hệ sinh thái tự nhiên.

Hình 1. 1- Kích thước các loại bụi PM so với đường kính sợi tóc của con người
Những hạt PM tồn tại trong không trung từ vài giờ đến vài ngày hoặc vài tuần,
điều này tùy thuộc vào kích thƣớc của từng loại hạt. Các hạt có kích thƣớc càng nhỏ
Footer Page 17 of 126.

Trang14


Header Page 18 of 126.

của hạt trong luồng lƣu thông nhƣ: kích thƣớc, hình dạng và mật độ. Sự lắng đọng của
các hạt trong các vùng khác nhau của hệ hô hấp phụ thuộc vào kích thƣớc của chúng [4].
Footer Page 18 of 126.

Trang15


Header Page 19 of 126.

Sống trong khu vực chứa nhiều sol khí làm tăng tỷ lệ mắc bệnh hô hấp và mở
rộng nguy cơ mắc bệnh hô hấp cấp tính của con ngƣời. Hơn nữa, khi kết hợp với các
kim loại nặng thì còn gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng khác tới sức khỏe cộng đồng.
Bảng dƣới liệt kê các tác hại của sự kết hợp giữa sol khí và kim loại nặng [4]:
Bảng 1. 1- Tác động của sol khí và bụi đến sức khỏe con người khi kết hợp với
các kim loại nặng
Kim loại
nặng

Nguồn tự nhiên
Phát

thải

Mức

độ

nguy

hiểm tối thiểu


Đồ điện, nhựa, pin, Dƣới 1 microgram Kích ứng tại chỗ của phổi và
Cadmium

chế độ ăn uống và mỗi đề xi lít máu.

đƣờng tiêu hóa, tổn thƣơng thận

nƣớc

và các bất thƣờng của hệ thống
xƣơng.

Thuốc diệt cỏ, thuốc Phơi nhiễm 0.0003 Viêm gan, tổn thƣơng thần kinh

Thạch tín

trừ sâu, đồ điện tử, mg/kg/ngày

ngoại vi, bệnh thần kinh, ung

đốt chất thải chứa

thƣ gan, da và phổi, kích thích

các thành phần độc

hệ thống hô hấp trên, viêm

hại, nƣớc ô nhiễm.

Bệnh

TT

Số ngƣời mắc bệnh (trên

Tỉ lệ (%)

100.000 dân)
Các
1 bệnh viêm phổi

409.12

4,1

Viêm
2
họng và viêm

383.58

3,8

306.21

3,1

amidan cấp
Viêm

giá chất lƣợng không khí.
Trên thế giới, đã từng có những nghiên cứu xác định độ dày quang học sol khí
từảnh vệ tinhLandsatTM/ETM+, ASTER,SPOT, ALOS, IRS, MODIS… Kaufman và
cộng sự (1990) [5]đã phát triển thuật toán xác định AOT theo sự khác biệt của thành
phần bức xạ hƣớng lên, đƣợc ghi nhận bởi vệ tinh, giữa một ngày trời rõ trong (không
ô nhiễm) và một ngày mù sƣơng (có ô nhiễm). Phƣơng pháp này giảđịnh rằng phản xạ
bề mặt giữa ngày rõ trong và ngày mù sƣơng không thay đổi. Hadjimitsis và Clayton
(2009) [6] đã phát triển một phƣơng pháp kết hợp nguyên lý Trừ đối tƣợng đen (DOS
- Darkest Object Subtraction) và phƣơng trình truyền bức xạđể tính giá trị AOT cho
các kênh 1 và 2 của Landsat TM.
Jun Wang và Sundar A. Christopher (2003)[7]đã nghiên cứu xây dựng đƣợc
mối liên hệ giữa các cột độ dày quang học soi khí có nguồn gốc từ ảnh MODIS và
lƣợng hạt bụi PM2,5 theo giờ đo tại 7 vị trí quan trắc thuộc quận Jefferson, bang
Alabama, Hoa Kỳ trong năm 2002. Jill A. Engel-Co, Christopher H. Holloman, Basil
W. Coutant, Raymond M. Hoff (2004) [8]đã đƣa ra giải pháp đánh giá định tính và
định lƣợng chất lƣợng không khí quy mô đô thị và khu vực bằng việc sử dụng dữ liệu
ảnh vệ tinh MODIS. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành so sánh dữ liệu từ hệ thống giám
sát không khí của Cơ quan bảo vệ môi trƣờng Hoa Kỳ (EPA) và dữ liệu vệ tinh trong 6
tháng liên tục năm 2002....Năm 2009, tại Thái Lan, Vivarad Phonekeo [9]đã công bố
kết quả nghiên cứu về việc giám sát chất lƣợng không khí tại Thái Lan bằng sản phẩm
MOD04. Trong nghiên cứu này, dữ liệu thực địa đƣợc thu thập từ 13 trạm quan trắc
không khí tự động trên địa bàn thủ đô BangKok.

Footer Page 21 of 126.

Trang18


Header Page 22 of 126.


/> />
3.
4.

/>Jimoda, L.A., EFFECTS OF PARTICULATE MATTER ON HUMAN HEALTH,

THE

ECOSYSTEM, CLIMATE AND MATERIALS: A REVIEW. FACTA
UNIVERSITATIS 2012. 9: p. 17.
Kaufman, Y.J., Fraser, R.S., Ferrare, R.A, Satellite measurements of large-

5.

scale air pollution. Journal of Geophysics Research, 1990. 95: p. 14.
6.

Hadjimitsis, D.G., Clayton,

C.R.I, Determination

of

aerosol

optical

thickness through the derivation of an atmospheric correction for shortwave length Landsat TM and ASTER image data: an application to areas
located in the vicinity of airports at UK and Cyprus. Applied Geomatics
7.

an urban area. Inter. Jour. of Remote Sensing, 1998. 19(17): p. 11.
/> /> /> />SzPy8xBz9CP0os3hLizBHd1cfIwN_MyM3A08vc2cXVx83Y49AY_2CbEdFA

Footer Page 23 of 126.

Trang20


Header Page 24 of 126.

O8ydjg!/?WCM_GLOBAL_CONTEXT=/wps/wcm/connect/nongthonvn/nongt
17.

honvn/vungnongthon/dongbangsonghong/af2fae80404cbe13a81bfa9171cb7767.
Nguyễn Đức Ngữ, N.T.H., Khí hậu và tài nguyên khí hậu Việt Nam. NXB Nông

18.

nghiệp, 2004.
-.h.C.A.n.-t.E.B.n.-h.E.B.-t.

19.
/>g%208/Bai%20trinh%20bay%20van%20hanh%20Tram%20Khi.pdf.
20.

Phạm Xuân Trƣờng, N.Q.M., Xây dựng ứng dụng Web-base Gis cho hệ thống

21.

thông tin đất đai. Tạp chí KHKT Mỏ-Địa chất, 2014. 48: p. 6.