Luận án 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

Nội dung tài liệu: Luận án 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

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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!
5. 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
6. 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
7. 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
8. vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Advanced Spaceborne ASTER Thermal Emission and Vệ tinh ASTER Reflection Radiometer Advanced Along-Track AATSR Ảnh vệ tinh AATSR Scanning Radiometer Hệ thống mạng quan trắc AERONET AErosol RObotic NETwork AERONET AOD Aerosol Optical Depth Độ sâu sol khí AOT Aerosol Optical Thickness Độ dày sol khí API Air Pollution Index Chỉ số ô nhiễm không khí AQI Air Quality Index Chỉ số chất lượng không khí BĐKH Biến đổi khí hậu Dark Dense Vegetation Phương pháp hiệu chỉnh khí DDV method quyển DDV DN Digital Number Giá trị số của kênh ảnh Phương pháp hiệu chỉnh khí DOS Dark Object Subtraction quyển DOS EMR Electromagnetic Radiation Bức xạ điện từ EMR Electromagnetic Radiation Bức xạ điện từ EnviSAT Environmental Satellite Vệ tinh EnviSAT The European Space Cơ quan Hàng không vũ trụ ESA Agency Châu Âu Fast Line-of-sight Phương pháp hiệu chỉnh khí FLAASH Atmospheric Analysis of quyển FLAASH Hypercubes Thuật toán truy xuất sol khí từ ImAero Improved Aerosol Retrieval ảnh IRS satellites Indian Remote Sensing Vệ tinh của Ấn Độ KNK Khí nhà kính Vệ tinh quan sát Trái đất của LANDSAT LANDSAT cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ The Landsat 8 Operational LANDSAT 8 Ảnh vệ tinh LANDSAT 8 Land Imager/ Thermal OLI/TIRS OLI/TIRS Infrared Sensor
9. vii LANDSAT The Landsat Enhanced Ảnh vệ tinh LANDSAT ETM+ Thematic Mapper Plus ETM+ The Landsat Thematic LANDSAT TM Ảnh vệ tinh LANDSAT TM Mapper LANDSAT 8 Surface Phương pháp hiệu chỉnh khí LaSRC Reflectance Code quyển cho Landsat 8 Light Detection And LiDAR Viễn thám laze Ranging Vệ tinh nghiên cứu môi Medium Resolution MERIS-EnviSAT trường của Cơ quan hàng Imaging Spectrometer không vũ trụ Châu Âu Moderate Resolution MODIS Vệ tinh MODIS Imaging Spectroradiometer MODerate resolution MODTRAN Phần mềm MODTRAN atmospheric TRANsmission Normalized Difference NDVI Chỉ số thực vật Vegetation Index NIR Near Infrared Cận hồng ngoại Bụi có bán kính khí động học PM10 Particulate Matter 10 ≤ 10µm Bụi có bán kính khí động học PM2.5 Particulate Matter 2.5 ≤ 2.5µm RAdio Detection And RADAR Viễn thám RADAR Ranging RMSE Root Mean Square Error Sai số trung phương Pour l'Observation de la Vệ tinh quan sát trái đất SPOT Terre SPOT SSTP Sai số trung phương SWIR Short Wave Infrared Hồng ngoại sóng ngắn Top Of Atmosphere TOA Phản xạ đỉnh khí quyển reflectance TQT Trạm Quan Trắc TSP Total Suspended Particles Tổng số hạt lơ lửng Transformed Vegetation TVI Chỉ số biến đổi thực vật Index UI Urbanization Index Chỉ số đô thị hóa VI Vegetation index Chỉ số thực vật
10. 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