Tóm tắt Luận văn Nghiên cứu và đánh giá độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ tinh dựa trên các trạm quan trắc

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 Ngành : Công nghệ thông tin Chuyên ngành : Kỹ thuật phần mềm Mã số : 60480103 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội, 2017 2 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 tràodẫn 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 3 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 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 4 nước, đất đaicập 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. 5 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. 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 rừngSau 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: 6 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. 5. Nội dung luận văn 5.1 Tổng quan 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. 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. Độ dày quang học sol khí - Aerosol Optical Thickness (AOD) hoặc Aerosol Optical Depth (AOD) là đại lượng đặc 7 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. Để nghiên cứu tình Hình về khí hậu toàn cầu trong đó có sol khí, người ta đã thiết lập các trạm quan trắc trên toàn thế giới. AERONET là một trong các chương trình như vậy. Mạng lưới này được thiết lập bởi NASA và PHOTONS cùng với rất nhiều các cộng tác viên từ các cơ quan, viện nghiên cứu, các trường đại học từ khắp nơi trên thế giới. Hình 1.3 thể hiện mạng lưới các trạm quan trắc trên toàn thế giới. Chương trình cung cấp một cơ sở dữ liệu công cộng dài hạn, liên tục và dễ tiếp cận về các đặc tính quang học, vật lý và bức xạ của sol khí. Mạng lưới sử dụng chuẩn hóa các công cụ, hiệu chuẩn, xử lý và phân phối để đảm bảo tính nhất quán trong dữ liệu. Hệ thống cung cấp các sản phẩm về AOD, nước, các sản phẩm Aerosol Inversion và các sản phẩm phụ khác. Có thể được tải xuống các sản phẩm này từ địa chỉ chính thức của AERONET. 5.2. Các sản phẩm ảnh vệ tinh MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) là cảm biến được gắn trên vệ tinh Terra (đưa vào hoạt động từ 18 tháng 12 năm 1999) ban đầu là EOS- AM1 và Aqua (đưa vào hoạt động từ 4 tháng 5 năm 2002) ban đầu là EOS PM1. Người ta sử dụng cảm biến này để thu nhận và tạo ra các ảnh vệ tinh nhằm phục vụ các nghiên cứu về mặt đất, khí quyển, đại dương trong đó có sol khí. Bức ảnh vệ tinh đầu tiên được gửi về vào ngày 24 tháng 2 năm 2000 (Hình 2.1). 8 Sản phẩm MOD04_3K và MYD04_3K cung cấp dữ liệu sol khí cấp 2 với độ phân giải không gian là 3 km x 3 km. Trung bình mỗi ngày có 144 tệp ảnh cho mỗi sản phẩm. Mỗi tệp ảnh có kích cỡ khoảng 7MB. Luận văn sử dụng sản phẩm được cung cấp tại LAADS DAAC [15]. Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) bắt đầu được hoạt động vào ngày 28 tháng 10 năm 2011 trên con tàu Suomi-NPP. Suomi-NPP có quỹ đạo giống các tàu vũ trụ A-Train (CloudSat, CALIPSO, Terra MODIS), nhưng có vị trí cao hơn, đến khoảng 13:30 sẽ bay qua đường xích đạo với chu kỳ lặp lại khoảng 16 ngày. VIIRS có độ rộng 3040 km với độ phân giải không gian 375 m. NPP quan sát bề mặt Trái đất 2 lần/24h, một lần vào ban ngày một lần vào ban đêm. Có hai loại sản phẩm chính về sol khí của VIIRS là VIIRS AOD IP và VIIRS AOD EDR. Các sản phẩm này được tạo thành dựa trên việc phân tích các dữ liệu thô (RDRs), đây là dữ liệu cấp 0. Sau đó dữ liệu thô được phân tích thành các SDR là các dữ liệu cấp 1B. Và các dữ liệu được tổng hợp lại thành các EDR là dữ liệu cấp 2. AERONET (AErosol RObotic NETwork) là một mạng lưới liên kết các điểm quan trắc trên Trái đất được NASA và PHOTONS thiết lập. Chương trình có sự đóng góp của các cộng tác viên từ các cơ quan, viện nghiên cứu, trường đại học, các nhà khoa học cá nhân và các đối tác quốc gia. Chương trình cung cấp một cơ sở dữ liệu tên miền công cộng lâu dài, liên tục và dễ tiếp cận về các đặc tính quang học, vật 9 lý và bức xạ của sol khí cho nghiên cứu. Hình 1.3 thể hiện mạng lưới các vị trí quan trắc trên thế giới. Dữ liệu từ các trạm quan trắc AERONET được chia làm ba cấp: cấp 1.0, cấp độ 1.5 và cấp 2.0. Dữ liệu cấp 2.0 là đảm bảo chất lượng. Trong đó các sản phẩm được chia thành hai loại: Aerosol Optical Depth (v2,v3) và Aerosol Inversion . Dữ liệu cấp 1.0 cung cấp theo thời gian thực. Sau đó khoảng 12 tháng, dữ liệu cấp 2.0 sẽ được cung cấp trên website AERONET [20]. 5.3. Phương pháp Trên thế giới đã có những nghiên cứu liên quan đến đánh giá các sản phẩm sol khí của ảnh vệ tinh dựa trên các trạm quan trắc. Ichoku và các cộng sự vào năm 2002 đã đưa ra phương pháp tiếp cận không gian và thời gian cho việc đánh giá sản phẩm MODIS 10km trong phạm vi toàn cầu [21]. Năm 2002, D. A. Chu và các cộng sự đã đánh giá độ dày quang học sol khí của sản phẩm MODIS 10km theo không gian và thời gian cho khu vực đất liền [22]. Năm 2005, Tripathi và cộng sự [23] đã so sánh MODIS AOD và AERONET AOD tại bước sóng 550nm cho khu vực vịnh Ganga, Ấn Độ. Man Sing Wong cùng cộng sự [24] thực hiện xác định tương quan AOD của dữ liệu MODIS, MISR, OMI và CALIPSO với trạm đo mặt đất tại Hồng Kông vào năm 2012.Năm 2016, Q. Xiao và các cộng sự [25] đã đánh giá độ dày quang học sol khí của VIIRS, GOCI, và MODIS Collection 6 ở khu vực Đông Á. 10 Ở Việt Nam, một số nghiên cứu liên quan tới đánh giá dữ liệu AOD của ảnh vệ tinh với các trạm AERONET như của Phạm Xuân Thành cùng cộng sự vào năm 2015 [1] đã đánh giá tương quan và phân tích AOD của ảnh MODIS/TERRA và MODIS/Aqua với các trạm AERONET ở Việt Nam. Kết quả cho thấy hệ số tương quan khá cao, có khả năng sử dụng sản phẩm của MODIS trong nghiên cứu AOD ở Việt Nam. Có hai cực đại vào khoảng tháng 10 và tháng 3, hai cực tiểu vào khoảng tháng 12 và tháng 6,7. Hệ số tương quan cao nhất tại Nghĩa Đô đạt 0.9. Trần Tuấn Vinh và nhóm cộng sự trường Đại học công nghệ [26] đã phân tích AOD của sản phẩm sol khí ảnh VIIRS/S-NPP từ 2012 đến 2015 và sản phẩm sol khí ảnh CALIOP từ năm 2006 đến năm 2015 với các trạm AERONET ở Việt Nam. Dữ liệu ảnh viễn thám thường bao gồm rất nhiều thông tin: nhiều kênh ảnh, nhiều đối tượng, dữ liệu,vì vậy để nâng cao tính chính xác và hiệu quả khi nghiên cứu ảnh viễn thám, người ta cần nhận biết các đối tượng quan tâm qua quá trình xử lý và giải đoán ảnh. Quá trình tiền xử lý ảnh có thể chia làm 4 bước: Bước 1: Thu thập dữ liệu: Ảnh được tải về từ các nhà cung cấp và lưu trữ trên ổ cứng. Thông thường, ảnh tải về đã được các nhà cung cấp ảnh kiểm tra và xử lý dữ liệu ảnh để nâng cao chất lượng ảnh. Trong trường hợp sử dụng dữ liệu chưa được hiệu chỉnh, người dùng cần tự hiệu chỉnh ảnh để nâng cao chất lượng. 11 Bước 2: Biến đổi ảnh: thay đổi mầu sắc, xoay ảnh, chỉnh sửa ảnh,có thể được thực hiện bởi người sử dụng để đạt được hiệu quả cao khi nghiên cứu ảnh. Bước 3: Phân loại ảnh: phân loại các đối tượng trên ảnh, làm nổi bật các đối tượng quan tâm, trích xuất các dữ liệu mong muốn. Ở đây là dữ liệu AOD 550nm. Đồng thời chuyển đổi dữ liệu vừa trích xuất sang dạng Geotiff để sử dụng. Bước 4: Kết quả: sau các quá trình xử lý và giải đoán ảnh, có thể tạo ra các ảnh chuyên đề, các ảnh đã tiền xử lý để làm đầu vào cho các mục đích nghiên cứu khác nhau. Dữ liệu từ vệ tinh và dữ liệu từ các trạm quan trắc trên mặt đất có các độ phân giải về không gian và thời gian khác nhau. Vì vậy cần có các ràng buộc để tích hợp theo thời gian và vị trí. Để so sánh AOD giữa MODIS , VIIRS và AERONET, trước hết thành lạ ̂p mảng số liẹ ̂u thống kê theo thời gian từ hai nguồn này. Việc tạo lạ ̂p mảng số liẹ ̂u đu ̛ợc tiến hành theo từng bước được thể hiện trong Sau khi tích hợp dữ liệu dựa trên cách lấy giá trị trung bình trong khoảng thời gian T và bán kính R, để đánh giá AOD cần sử dụng các tham số thống kê. Từ các tham số thống kê, có thể đưa ra các kết quả đánh giá theo ngày, theo tuần, theo tháng, theo năm... Hình 3.6 thể hiện quá trình đánh giá và các tham số thống kê. 12 Quá trình đánh giá AOT Đ án h gi á A O T C hu ẩn b ị v à tí ch h ợ p dữ li ệu M ô ph ỏn g và p h ân t íc h Dữ liệu AOT của MODIS và VIIRS Dữ liệu AOT của AERONET AOT ở 550nm trung bình (thời gian T phút ) AOT cho mỗi trạm ở 550nm (bán kính R) Đánh giá và phân tích Arithmetic mean Standard deviation Root Mean Square Error (RMSE) Mean Square Error (MSE) Relative Error (RE) Theo năm Theo mùaTheo tháng Theo ngày Prediction and model result Linear regression model Coeficient Of Determination 5.4. Thực nghiệm Đông Nam Á là một khu vực của châu Á, bao gồm 11 quốc gia: Việt Nam, Lào, Campuchia, Đông Timor, Indonesia, Malaysia, Myanmar, Philippines, Singapore, Thái Lan và Brunei (Hình 4.1). Đông Nam Á nằm ở phía Đông của Tiểu Lục địa Ấn Độ, phía Nam Trung Quốc và phía bắc của Úc, giữa Ấn Độ Dương (phía tây) và Thái Bình Dương (ở phía đông). Các nước Đông Nam Á được chia ra theo đại lục và biển. Các nước Đông Nam Á đại lục, còn được gọi là các nước Đông Dương, bao gồm Việt Nam, Lào, Campuchia, Thái Lan, Myanmar, và (Tây) Malaysia. Các nước Đông Nam Á biển, 13 còn được gọi là các nước Đông Ấn gồm Indonesia, (Đông) Malaysia, Singapore, Philippines, Đông Timor, Brunei. Phía bắc của khu vực Đông Nam Á sát với Trung Quốc, trong đó có hai vùng kính tế đặc thù là Hồng Kông và Đài Loan. Nhằm giám sát và nghiên cứu về khí hậu, tại các quốc gia Đông Nam Á đã được thiết lập các trạm quan trắc sol khí trên mặt đất nằm trong chương trình AERONET. Theo số liệu thống kê trên AERONET thời điểm tháng 9 năm 2017, có 65 trạm trong toàn bộ khu vực nghiên cứu. Tuy nhiên chỉ có 49 trạm có dữ liệu cấp 2.0 từ năm 2012 đến 2016. Thực hiện chọn trong mỗi khu vực của quốc gia một trạm đại diện với mục tiêu loại bỏ các trạm có ít dữ liệu và dữ liệu không đều theo các tháng. Sau khi thực hiện chọn các trạm AERONET, có 28 trạm có dữ liệu tương đối ổn định được đưa ra để đánh giá (bản đồ các trạm quan trắc Hình 4.3). Quá trình thực nghiệm được chia làm 3 giai đoạn như Hình 4.4.Giai đoạn thứ nhất là thực hiện chuẩn bị dữ liệu và 14 tiền xử lý. Dữ liệu cần chuẩn bị bao gồm: sản phẩm sol khí MODIS 3 km (MOD04_3K và MYD04_3K), sản phẩm sol khí VIIRS 6 km (GAERO_VAOOO), sản phẩm sol khí AERONET level 2.0, sản phẩm điểm cháy MODIS: MCD14ML. Sau khi đã chuẩn bị đầy đủ dữ liệu, thực hiện tiền xử lý ảnh vệ tinh và lưu trữ vào cơ sở dữ liệu. Giai đoạn 2 thực hiện tích hợp dữ liệu AOD từ vệ tinh và dữ liệu AOD của trạm AERONET. Kết quả được lưu trữ vào cơ sở dữ liệu PostgreSQL. Giai đoạn 3 thực hiện đánh giá và thống kê số liệu dựa trên các tham số thống kê để đưa ra kết quả. Chi tiết cài đặt thực nghiệm xem trong Phụ lục 4: Cài đặt và xử lý dữ liệu. Cơ sở dữ liệu được thiết kế tương ứng với 3 bước trong quá trình thực hiện nghiên cứu. Hình 4.13 thể hiện mô hình cơ sở dữ liệu. Cấu trúc gồm 3 schema chính: org – lưu Phương pháp Đ á n h g iá M O D IS A O D , V II R S A O D T íc h h ơ p A O D T iề n x ử lý Sản phẩm sol khí của MODIS và VIIRS Sản phẩm AOD của AERONET Tiền xử lý ảnh vệ tinh và trích xuất dữ liệu AOD ở 550nm Trích xuất dữ liệu các điểm cháy Tiền xử lý và nội suy sang dữ liệu AOD 550nm Sản phẩm điểm cháy của MODIS Fires long lat AOD 550nm AOD 550nm Tích hợp dữ liệu AOD của MODIS, VIIRS và AOD của AERONET Đánh giá AOD của MODIS và VIIRS Đánh giá mối quan hệ của AOD và các điểm cháy y = 0.7701x + 0.0256 R² = 0.8121 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 M O D IS A O D AERONET AOD 0.355 0.425 0.765 0.646 0.409 0.36 0.311 0.423 0.595 0.583 0.302 0.3 0.31 0.371 0.682 0.542 0.299 0.249 0.203 0.31 0.444 0.456 0.226 0.232 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 A O D tr un g bì nh Trung bình AOD MODIS và AERONET các tháng trong năm Trung bình AOD MODIS Trung bình AOD AERONET 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Hồng Kông Indonesia Lào Malaysia Philippines Singapore Đài Loan Thái Lan Việt Nam Tổng A O D t ru n g b ìn h AOD theo khu vực thành thị và nông thôn Trung bình MODIS và VIIRS AOD Thành thị Trung bình MODIS và VIIRS AOD Nông thôn Trung bình AERONET AOD Thành thị Trung bình AERONET AOD Nông thôn 326623 318046 390166 295235 226493 149188 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 2012 2013 2014 2015 2016 2017 S ố v ụ c h á y Năm Số vụ cháy theo năm 21542 113882 89638 0.5640.434 0.680 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 A O D S ố v ụ c h á y Indonesia Số vụ cháy AOD AERONET AOD (MODIS,VIIRS) 15 thông tin các tệp tin gốc được tải về, res – lưu thông tin các tệp tin Geotiff và dữ liệu dạng Raster sau khi thực hiện tiền xử lý ảnh, validate – lưu thông tin về dữ liệu sau khi tích hợp AOD thu được từ vệ tinh và AOD của trạm quan trắc. org.SatOrgMOD04_3K org.SatOrgMYD04_3K org.SatOrgVIIRSAOT org.grdaeraot_data org.grdstation res.SatResampMOD04_3K res.SatResampMYD04_3K res.SatResampVIIRSAOT validate.select_data_final validate.data_fires_asian IDPK filename aqstime IDPK filename aqstime IDPK filename aqstime StationIDPK AOD 550nm IDPK Station Name Country aqstimePK IDPK filename aqstime IDPK filename aqstime IDPK filename aqstime pixel YYYYMMDD HHMISS Lon Lat sate_aod aronet_aod aqstime RasRef RasRef RasRef 5.5. Kết quả Độ dày quang học sol khí trung bình có xu hướng tăng dần từ 2012 đến 2014, giảm xuống ở năm 2015 và tăng trở lại vào 2016 (Hình 4.17 – biểu đồ xu hướng tăng trưởng AOD qua các năm). Tình hình ô nhiễm không khí ngày càng nghiêm trọng mà nguyên nhân chính do các nước trong khu vực đều là các nước đang phát triển, công nghiệp hoá diễn ra ồ ạt. Đây là nguồn gây ô nhiễm lớn nhất do con người gây ra. Quá trình gây ô nhiễm là quá trình đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch như than, dầu, khí đốt tạo ra các chất khí độc hại. Nguồn ô nhiễm do khí thải công nghiệp có nồng độ độc hại cao, tập trung ở một không gian nhỏ. Chính phủ các nước đã đưa ra nhiều biện pháp trong nỗ lực bảo vệ môi trường, nhưng hiệu quả chưa như mong đợi. 16 Xét trên toàn khu vực nghiên cứu ta thấy tương quan R là 0.901 và R2 là 0.812 (Hình 4.19). MODIS AOD và AERONET AOD có độ tương quan rất cao. Điều này thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa AOD thu được từ ảnh vệ tinh và AOD thu được từ trạm quan trắc. Như vậy, khi nghiên cứu các vấn đề về khí hậu, giám sát sol khí có thể sử dụng sản phẩm sol khí MODIS 3km vào ứng dụng. Độ dày quang học sol khí từ VIIRS không có xu hướng rõ rệt. AOD tăng từ 2012 đến 2014 rồi giảm xuống ở 2015 và tăng trở lại vào 2016. Loại trừ năm 2012, AOD của VIIRS và AERONET AOD tăng giảm khá tương đồng nhau. Độ dày quang học sol khí thu được từ VIIRS và thu được từ trạm quan trắc AERONET có tương quan khá cao: R2 = 0.6805 (Hình 4.12). Điều này thể hiện mối quan hệ tuyến y = 0.7701x + 0.0256 R² = 0.8121 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 M O D IS A O D AERONET AOD Tương quan của MODIS AOD và AERONET AOD 17 tính giữa AOD thu nhận từ VIIRS và AOD quan sát được từ các trạm AERONET. Trên toàn khu vực nghiên cứu, có thể sử dụng sản phẩm sol khí của VIIRS để đưa vào các nghiên cứu về biến đổi khí hậu, giám sát ô nhiễm không khí Khu vực thành thị bị ô nhiễm không khí cao hơn rất nhiều so với nông thôn. Xét trên toàn khu vực, AOD (MODIS, VIIRS) trung bình ở thành thị đạt 0.519, AOD (MODIS,VIIRS) trung bình ở nông thôn đạt 0.294 (Bảng 4.10). Sự phát triển kinh tế, tăng trưởng dân số và di cư đô thị như là nguyên nhân dẫn đến tình trạng ô nhiễm không khí ở thành thị tăng cao. Số các vụ cháy từ năm 2012 đến năm 2016 diễn cao từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau, cao điểm nhất trong tháng 3 (482263 điểm cháy). Sau đó số vụ cháy giảm xuống thấp vào tháng 5 và có xu hướng tăng lên từ tháng 8 đến tháng 10. Cao điểm thứ hai diễn ra trong tháng 9 với 125187 điểm cháy xảy ra. 117293 180581 482263 288519 561534637641564 85017 125187107715 3408146282 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 số v ụ c h áy Số vụ cháy theo tháng 18 Việc cháy rừng không chỉ ảnh hưởng đến quốc gia đó mà còn ảnh hưởng đến nhiều quốc gia bên cạnh. Tiêu biểu như đợt cháy rừng tại Indonesia vào tháng 9/2015. Việc đốt các rừng đã gây ra tình trạng khói bụi bao phủ nhiều nước Đông Nam Á. Đám khói đã gây ảnh hưởng đến nhiều quốc gia trong khu vực như Brunei, Indonesia, Malaysia, Singapore, Thái Lan và cả Việt Nam. Một phần do nền công nghiệp sản xuất dầu cọ của Indonesia và Malaysia, người dân trên đảo phá rừng và đốt rẫy để trồng cọ hoặc keo, chúng bắt đầu cháy âm ỉ do tầng đất nền của rừng khu vực này là than bùn, đám cháy gần như không thể bị dập bằng sức lực con người. Khi cháy than bùn sẽ tạo nên đám khói khổng lồ tràn ngập cả Đông Nam Á. Năm 2015, số vụ cháy rừng đạt đỉnh điểm vào tháng 3 và tháng 9 lần lượt là 80353 và 61841 vụ. Số vụ cháy tháng 9 diễn ra nhiều gấp 3 lần so với cùng thời điểm năm 2014.Kéo theo đó là VIIRS AOD và MODIS cũng đạt giá trị lên tới 0.713 và 0.708 vào tháng 3 và tháng 10 (Hình 4.32). Số vụ cháy tăng cao kéo theo AOD tăng cao, điều này thể hiện sự ảnh hưởng lớn của cháy rừng đến sol khí trong khu vực. 80353 61841 0.204 0.713 0.708 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 50000 100000 A O D Năm tháng Số v ụ c h áy Năm 2015 Số vụ cháy Trung bình AOD AERONET Trung bình AOD VIIRS và MODIS 19 Cháy rừng xảy ra do tác động của nhiều nguyên nhân, các nhân tố ảnh hưởng này bao gồm các yếu tố tự nhiên, điều kiện kinh tế xã hội và các chính sách liên quan như công tác quản lý, điều hành, dự báo và phòng ngừa cháy rừng. 6. Kết luận Luận văn sử dụng chuỗi số liệu độ dày quang học sol khí thu đu ̛ợc từ ảnh vệ tinh MODIS và ảnh vệ tinh VIIRS để đánh giá dựa trên các số liệu tại trạm quan trắc mặt đất AERONET trong khu vực Đông Nam Á, Đài Loan và Hồng Kông. Các sản phẩm sol khí của MODIS 3 km và VIIRS 6 km được sử dụng. MODIS cung cấp dữ liệu ảnh sol khí được tải về tại LAADS DAAC và dữ liệu các vụ cháy xảy ra. Ảnh vệ tinh VIIRS được tải về tại NOAA-CLASS. Ảnh vệ tinh sau khi tải về đi qua một bước tiền xử lý để trích xuất dữ liệu AOD tại 550nm bằng các công cụ và thư viện mã nguồn mở. Dữ liệu quan trắc mặt đất được lấy từ AERONET và dữ liệu các điểm cháy từ MODIS và được ghi vào trong cơ sở dữ liệu. Quá trình tiền xử lý ảnh vệ tinh và trích xuất dữ liệu sử dụng mã nguồn có sẵn của trung tâm FIMO. Chương trình ban đầu chứa các module thu thập và tải dữ liệu, xử lý và tạo ra các sản phẩm PNG, Geotiff. Quá trình thực nghiệm đã cải tiến thêm các module về xử lý dữ liệu, tích hợp AOD từ vệ tinh và AERONET để lưu vào cơ sở dữ liệu, tiền xử lý dữ liệu các điểm cháy, nội suy dữ liệu AERONET AOD từ 500nm sang 550nm Các chương trình cũng đã được tích hợp thêm giao diện và đưa và đồng nhất về một ngôn ngữ lập trình chung. Song song với đó, cơ sở dữ liệu đã được cải tiến để phù hợp 20 với quá trình thực nghiệm. Dữ liệu trong luận văn được tích hợp dựa trên không gian và thời gian. Các mẫu quan sát được xác định theo phạm vi bán kính R tính từ vị trí đặt trạm quan trắc. Dữ liệu AOD tại trạm mặt đất được lấy theo khoảng thời gian dao động T trước và sau thời gian vệ tinh bay qua. Dữ liệu sau khi tích hợp được đánh giá dựa trên thông số tương quan nhằm xác định bán kính và thời gian có sự tương đồng tốt nhất. Luận văn sử đụng dữ liệu AOD từ vệ tinh tại 550nm, tuy nhiên tại AERONET không có dữ liệu AOD sẵn cho bước sóng này. Vì vậy giá trị AOD 550nm cho các trạm AERONET sẽ được thực hiện nội suy từ giá trị AOD 500nm dựa trên thông số Angstrom. Dữ liêu AOD từ MODIS và VIIRS được đánh giá và so sánh với dữ liệu AOD từ AERONET sau khi tích hợp. Độ dày quang học trung bình tại toàn khu vực thu được từ MODIS và VIIRS và giá trị thu được tại các trạm quan trắc AERONET có sự tương quan lẫn nhau. Hệ số tương quan giữa MODIS, VIIRS và AERONET trong cả khu vực lần lượt là 0.81 và 0.68. Độ dày quang học sol khí trung bình của MODIS là 0.504.Còn với VIIRS, AOD trung bình là 0.395 thấp hơn nhiều so với MODIS AOD. Sai số trung bình của MODIS AOD và AERONET AOD lớn hơn 0.087 chiếm 40,68% trên tổng số mẫu quan sát. Sai số trung bình của VIIRS AOD và AERONET AOD lớn hơn 0.036 chiếm 48.76%. Có thể nói số liệu VIIRS AOD chính xác hơn nhưng độ tương quang về dữ liệu so với đo tại các trạm quan trắc mặt đất còn thấp. 21 AOD thể hiện giá trị cao nhất tại Việt Nam (0.774 cho MODIS AOD và 0.643 cho VIIRS AOD ) ở khu vực thành thị, Lào (0.861 cho MODIS AOD và 0.641 cho VIIRS AOD) và thấp nhất ở Philipines. Các quốc gia trong khu vực hầu hết đều là các nước đang phát triển với nền kinh tế nông nghiệp. Là nơi cung cấp nguyên liệu và nhân công giá rẻ, khu vực Đông Nam Á đang ngày càng tập trung nhiều các khu công nghiệp, các nhà máy kéo theo tình trạng đô thị hoá, tắc nghẽn giao thông, ô nhiễm do khói bụi, rác thải, khai thác và đốt phá rừng phục vụ nông nghiệp và công nghiệp Đồng thời, do địa hình nằm trong khu vực hay có núi lửa phun trào cũng như thường xuyên phải gánh chịu các trận bão nhiệt đới từ biển làm cho khu vực trở thành điểm nóng về ô nhiễm không khí. Riêng với Philippines, quốc gia này được xếp vào mức ô nhiễm khá nặng ở khu vực Đông Nam Á. Tuy nhiên AOD tại đây lại khá thấp và sai số vô cùng cao. Do địa hình và tính chất các trạm gần biển, nên khi đánh giá tại Philipines, cần cân nhắc thêm việc đánh giá các tập dữ liệu AOD khác như số liệu AOD cho riêng biển, số liệu AOD cho riêng đất liền để cho kết luận chính xác hơn về sản phẩm. Kết hợp số liệu AOD thu được từ MODIS, VIIRS, AERONET cùng với số liệu về các vụ cháy từ MODIS, nhận thấy các giá trị AOD được biến đổi tỉ lệ thuận với tần suất xảy ra các vụ cháy. Cả số vụ cháy và AOD đều đạt cao điểm nhất vào tháng 3 và tháng 10. Đây là các tháng trọng điểm đốt cây nông nghiệp để bắt đầu mùa canh tác mới. Đặc biệt nghiêm trọng tại tháng 10, cháy rừng khiến cho khói bụi sương mù bao phủ toàn bộ Đông Nam Á, dẫn đến tình trạng AOD tăng cao ở 22 nhiều nước trong khu vực. Có thể sử dụng các sản phẩm sol khí từ MODIS và VIIRS để áp dụng vào các nghiên cứu và ứng dụng liên quan đến giám sát cháy trong khu vực. Việc đánh giá và phân tích sản phẩm VIIRS và MODIS trên khu vực Đông Nam Á, Đài Loan, Hồng Kông đã làm nổi bật lên các đặc điểm và khả năng áp dụng các sản phẩm này trong điều kiện khí hậu tại từng quốc gia, vùng lãnh thổ khác nhau. Qua quá trình nghiên cứu, bản thân tôi đã tích lũy được nhiều kiến thức về ảnh viễn thám. Hiểu được các công cụ sử dụng để trích xuất và tiền xử lý dữ liệu như HDFView, GDAL, Python, cơ sở dữ liệu PosgreSQLDựa trên các hiểu biết đó, tôi đã thực hiện đánh giá độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ tinh MODIS và VIIRS trong khu vực nghiên cứu. Trong tương lai, việc đánh giá và phân tích các sản phẩm sol khí từ các vệ tinh khác sẽ được tiến hành để cho thấy một bức tranh toàn cảnh về AOD trong khu vực Đông Nam Á. Làm tiền đề cho việc áp dụng sản phẩm sol khí từ vệ tinh vào nghiên cứu biến đổi khí hậu, giám sát ô nhiễm và các ứng dụng khác. Từ đó làm cơ sở để tiếp tục nghiên cứu, tích hợp và ứng dụng dữ liệu độ dày quang học sol khí của ảnh vệ tinh từ nhiều nguồn khác nhau.