Nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định nồng độ bụi (PM10) trong không khí khu vực đô thị việt nam từ dữ liệu ảnh vệ tinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN NHƯ HÙNG

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP
XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ BỤI (PM10) TRONG KHÔNG KHÍ KHU VỰC
ĐÔ THỊ VIỆT NAM TỪ DỮ LIỆU
ẢNH VỆ TINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN NHƯ HÙNG

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP
XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ BỤI (PM10) TRONG KHÔNG KHÍ KHU VỰC
ĐÔ THỊ VIỆT NAM TỪ DỮ LIỆU
ẢNH VỆ TINH

Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ
Mã số: 9520503
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS TRẦN VÂN ANH

2. PGS.TS PHẠM QUANG VINH

Hà Nội - 2019


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng bản thân tôi.
Toàn bộ quá trình nghiên cứu được tiến hành một cách khoa học, các số liệu, kết quả
trình bày trong luận án là chính xác, trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận án

Nguyễn Như Hùng


ii
LỜI CẢM ƠN
Luận án này được hoàn thành tại Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc
địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn
khoa học của PGS.TS Trần Vân Anh và PGS.TS Phạm Quang Vinh. Trong quá trình
thực hiện nghiên cứu, tác giả luôn nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo
và các đồng nghiệp trong Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc địa - Bản đồ và
Quản lý đất đai, phòng Đào tạo Sau đại học, Lãnh đạo Nhà trường, Bộ môn Trắc địa
Bản đồ - Học viện Kỹ thuật Quân sự, Bộ môn Công trình Quốc phòng - Học viện Kỹ
thuật Quân sự, Thủ trưởng Viện Kỹ thuật Công trình đặc biệt…
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến tất cả các thầy,
cô giáo, các nhà khoa học, đồng nghiệp, thủ trưởng đơn vị và người thân đã tận tình

giúp đỡ, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tác giả hoàn thành luận án này.
Xin chân thành cảm ơn!


iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii
MỤC LỤC

............................................................................................................. iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ ...............................................................xii
MỞ ĐẦU

............................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1 . TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................................... 5
1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................ 5
1.1.1. Các phương pháp quan trắc bằng thiết bị đo ............................................ 5
1.1.2. Các phương pháp mô hình........................................................................ 5
1.1.3. Các phương pháp quan trắc bằng viễn thám ............................................ 6
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước .......................... 6
1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới .......................................... 6
1.2. 2. Tổng quan về những kết quả nghiên cứu trong nước ............................ 11
1.2.3. Đánh giá kết quả nghiên cứu trong nước và thế giới ............................. 17
1.3. Những vấn đề được phát triển trong luận án ................................................. 18
CHƯƠNG 2 . CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ BỤI PM10 TỪ TƯ

LIỆU VIỄN THÁM .................................................................................................. 20
2.1. Khái nhiệm về sol khí .................................................................................... 20
2.1.1. Định nghĩa về sol khí (Aerosol) ............................................................. 20
2.1.2. Phân bố của sol khí trong khí quyển ...................................................... 20
2.1.3. Kích thước của sol khí ............................................................................ 21
2.2. Cơ sở khoa học xác định bụi trong không khí từ kỹ thuật viễn thám ............ 23
2.2.1. Tán xạ khí quyển .................................................................................... 23
2.2.2 Sự hấp thụ bức xạ điện từ của khí quyển ................................................ 26
2.2.3. Sự truyền tải bức xạ điện từ của khí quyển ............................................ 27


iv
2.2.4. Đặc điểm của kỹ thuật viễn thám ........................................................... 29
2.2.5. Nguyên lý thu nhận và xử lý tư liệu viễn thám ...................................... 30
2.3. Phân tích diễn biến nồng độ bụi PM10 tại đô thị của Việt Nam ................... 33
2.3.1. Chất lượng không khí tại các đô thị của Việt Nam ................................ 33
2.3.2. Phân tích diễn biến nồng độ bụi PM10 theo không gian và thời gian ... 34
2.4. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 40
CHƯƠNG 3 . PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ BỤI PM10 TRONG
KHÔNG KHÍ TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC ................................. 42
3.1. Công thức xác định nồng độ bụi PM10 từ ảnh vệ tinh quang học ................ 42
3.2. Quy trình công nghệ xác định nồng độ bụi PM10 trong không khí từ dữ liệu
ảnh vệ tinh quang học ........................................................................................... 45
3.2.1. Đề xuất phương pháp xác định nồng độ bụi PM10 từ dữ liệu ảnh vệ tinh
quang học .......................................................................................................... 45
3.2.2. Chuyển đổi giá trị số về giá trị phản xạ phổ ........................................... 46
3.2.3. Hiệu chỉnh khí quyển ảnh vệ tinh quang học ......................................... 48
3.2.4. Đo bụi mặt đất ........................................................................................ 58
3.2.5. Mô hình khảo sát xác định bụi PM10 từ ảnh vệ tinh ............................. 60
3.3. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 63

CHƯƠNG 4 . THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ BỤI PM10
TRONG KHÔNG KHÍ TỪ ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC LANDSAT 8 OLI ..... 64
4.1. Khu vực thực nghiệm ..................................................................................... 64
4.2. Dữ liệu thử nghiệm ........................................................................................ 65
4.2.1. Dữ liệu ảnh vệ tinh quang học LANDSAT 8 OLI ................................. 65
4.2.2. Dữ liệu đo bụi mặt đất ............................................................................ 69
4.3. Thử nghiệm các phương pháp hiệu chỉnh khí quyển ..................................... 73
4.4. Kết quả thực nghiệm với từng ảnh vệ tinh độc lập ........................................ 75
4.4.1. Kết quả thực nghiệm với ảnh vệ tinh LANDSAT 8 OLI ngày
22/1/2015 .......................................................................................................... 76


v
4.4.2. Kết quả thực nghiệm ảnh vệ tinh LANDSAT 8 OLI chụp ngày 30/5/2015
.......................................................................................................................... 79
4.4.3. Đánh giá kết quả hồi quy tuyến tính với ảnh vệ tinh đơn thời gian ....... 82
4.5. Kết quả thực nghiệm với ảnh vệ tinh đa thời gian ......................................... 83
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 89
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .......................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 92
PHỤ LỤC

........................................................................................................... 101


vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ASTER

Advanced Spaceborne
Thermal Emission and
Reflection Radiometer

Vệ tinh ASTER

AATSR

Advanced Along-Track
Scanning Radiometer

Ảnh vệ tinh AATSR

AERONET

AErosol RObotic NETwork

AOD
AOT

Aerosol Optical Depth
Aerosol Optical Thickness

Hệ thống mạng quan trắc
AERONET
Độ sâu sol khí
Độ dày sol khí

API

Air Pollution Index

Chỉ số ô nhiễm không khí

Air Quality Index

Chỉ số chất lượng không khí
Biến đổi khí hậu
Phương pháp hiệu chỉnh khí
quyển DDV
Giá trị số của kênh ảnh
Phương pháp hiệu chỉnh khí
quyển DOS
Bức xạ điện từ
Bức xạ điện từ
Vệ tinh EnviSAT
Cơ quan Hàng không vũ trụ
Châu Âu

AQI
BĐKH

DN

Dark Dense Vegetation
method
Digital Number

DOS

Dark Object Subtraction

DDV

EMR
EMR
EnviSAT
ESA

FLAASH
ImAero
IRS satellites
KNK
LANDSAT
LANDSAT 8
OLI/TIRS

Electromagnetic Radiation
Electromagnetic Radiation
Environmental Satellite
The European Space
Agency
Fast Line-of-sight
Atmospheric Analysis of
Hypercubes
Improved Aerosol Retrieval
Indian Remote Sensing

LANDSAT
The Landsat 8 Operational

Land Imager/ Thermal
Infrared Sensor

Phương pháp hiệu chỉnh khí
quyển FLAASH
Thuật toán truy xuất sol khí từ
ảnh
Vệ tinh của Ấn Độ
Khí nhà kính
Vệ tinh quan sát Trái đất của
cơ quan hàng không vũ trụ
Mỹ
Ảnh vệ tinh LANDSAT 8
OLI/TIRS


vii

LANDSAT
ETM+
LANDSAT TM
LaSRC
LiDAR
MERIS-EnviSAT
MODIS
MODTRAN
NDVI
NIR

The Landsat Enhanced

Thematic Mapper Plus
The Landsat Thematic
Mapper
LANDSAT 8 Surface
Reflectance Code
Light Detection And
Ranging
Medium Resolution
Imaging Spectrometer
Moderate Resolution
Imaging Spectroradiometer
MODerate resolution
atmospheric TRANsmission
Normalized Difference
Vegetation Index
Near Infrared

Ảnh vệ tinh LANDSAT
ETM+
Ảnh vệ tinh LANDSAT TM
Phương pháp hiệu chỉnh khí
quyển cho Landsat 8
Viễn thám laze
Vệ tinh nghiên cứu môi
trường của Cơ quan hàng
không vũ trụ Châu Âu
Vệ tinh MODIS
Phần mềm MODTRAN
Chỉ số thực vật
Cận hồng ngoại

Bụi có bán kính khí động học
≤ 10µm
Bụi có bán kính khí động học
≤ 2.5µm

PM10

Particulate Matter 10

PM2.5

Particulate Matter 2.5

RADAR

RAdio Detection And
Ranging

Viễn thám RADAR

RMSE

Root Mean Square Error

Sai số trung phương

SPOT

Pour l'Observation de la
Terre

Vệ tinh quan sát trái đất
SPOT
Sai số trung phương
Hồng ngoại sóng ngắn

SSTP
SWIR
TOA
TQT
TSP
TVI
UI
VI

Short Wave Infrared
Top Of Atmosphere
reflectance
Total Suspended Particles
Transformed Vegetation
Index
Urbanization Index
Vegetation index

Phản xạ đỉnh khí quyển
Trạm Quan Trắc
Tổng số hạt lơ lửng
Chỉ số biến đổi thực vật
Chỉ số đô thị hóa
Chỉ số thực vật

viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám ............. 32
Bảng 3.1. Các hệ số của phương pháp hiệu chỉnh khí quyển DOS .......................... 53
Bảng 3.2.Các hệ số của phương pháp hiệu chỉnh khí quyển LaSRC ....................... 53
Bảng 3.3. Các hệ số của phương pháp hiệu chỉnh khí quyển FLAASH ................... 54
Bảng 3.4. Các mô hình khảo sát phân tích tương quan và hồi quy ........................... 61
Bảng 3.5. Các thông số trong phương pháp phân tích ANOVA............................... 62
Bảng 4.1. Các kênh ảnh và độ phân giải không gian của ảnh LANDSAT 8 OLI .... 65
Bảng 4.2. Đặc điểm dữ liệu thử nghiệm ................................................................... 65
Bảng 4.3. Các thông số các kênh của ảnh LANDSAT 8 OLI chụp ngày 22/1/2015 67
Bảng 4.4. Các thông số các kênh của ảnh LANDSAT 8 OLI chụp ngày 30/5/2016 68
Bảng 4.5. Các thông số các kênh của ảnh LANDSAT 8 OLI chụp ngày
10/12/2016

............................................................................................................. 69

Bảng 4.6. Dữ liệu đo bụi tại thực địa bằng máy đo bụi DustTrack II ngày 22/01/2015
............................................................................................................. 70
Bảng 4.7. Dữ liệu đo bụi tại thực địa bằng máy đo bụi DustTrack II ngày
30/5/2015

............................................................................................................. 71

Bảng 4.8. Dữ liệu đo bụi tại thực địa bằng máy đo bụi DustTrack II ngày 10/12/2016
............................................................................................................. 72
Bảng 4.9. Phân tích hồi quy tuyến tính các phương pháp hiệu chỉnh khí quyển ...... 73
Bảng 4.10. Kết quả tính hồi quy chu kỳ ngày 22/1/2015, với sử dụng phản xạ khí

quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp LaSRC ....................... 76
Bảng 4.11. Kết quả kiểm tra mô hình chu kỳ ngày 22/1/2015 với chu kỳ đo bụi thực
địa ngày 22/1/2015; ngày 30/5/2015 và ngày 10/12/2016 ........................................ 77
Bảng 4.12. Kết quả tính hồi quy chu kỳ ngày 30/5/2015, với sử dụng phản xạ khí
quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp LaSRC ....................... 79
Bảng 4.13. Kết quả kiểm tra mô hình chu kỳ ngày 30/5/2015 với chu kỳ đo bụi thực
địa ngày 30/5/2015, ngày 22/1/2015 và ngày 10/12/2016 ........................................ 80
Bảng 4.14. Kết quả tính hồi quy đa chu kỳ (ngày 22/1/2015 và 30/5/2015) ............ 84


ix
Bảng 4.15. Kết quả kiểm tra mô hình kết hợp với chu kỳ đo bụi thực địa ngày
22/1/2015, ngày 30/5/2015 và ngày 10/12/2016 ....................................................... 86
Bảng PL.1.1: Giá trị phản xạ tại đỉnh khí quyển (TOA) ......................................... 102
Bảng PL.1.2: Giá trị phản xạ bề mặt được tính hiệu chỉnh khí quyển theo phương
pháp DOS 1 ........................................................................................................... 103
Bảng PL.1.3: Giá trị phản xạ bề mặt được tính hiệu chỉnh khí quyển theo phương
pháp FLAASH ........................................................................................................ 104
Bảng PL.1.4: Giá trị phản xạ bề mặt được tính hiệu chỉnh khí quyển theo phương
pháp LaSRC ........................................................................................................... 105
Bảng PL.2.1: Kết quả chu kỳ ngày 22/1/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu
chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp hiệu chỉnh DOS ..................................... 107
Bảng PL.2.2: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 22/1/2015,
sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp hiệu
chỉnh DOS

........................................................................................................... 107

Bảng PL.2.3: Kết quả tính hồi quy chu kỳ ngày 22/1/2015, sử dụng phản xạ khí quyển
khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp FLAASH ............................ 110

Bảng PL.2.4: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 22/1/2015,
sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp
FLAASH

........................................................................................................... 110

Bảng PL.2.5: Kết quả tính hồi quy chu kỳ ngày 22/1/2015, với sử dụng phản xạ khí
quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp LaSRC (Landsat 8 Surface
Reflectance Code) ................................................................................................... 113
Bảng PL.2.6: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 22/1/2015,
sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp
LaSRC

........................................................................................................... 113

Bảng PL.2.7: Kết quả chu kỳ ngày 30/5/2015, sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu
chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp hiệu chỉnh DOS ..................................... 116


x
Bảng PL.2.8: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 30/5/2015,
sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp hiệu
chỉnh DOS

........................................................................................................... 116

Bảng PL.2.9: Kết quả tính hồi quy chu kỳ ngày 30/5/2015, sử dụng phản xạ khí quyển
khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp FLAASH ............................ 118
Bảng PL.2.10: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 30/5/2015,
sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp

FLAASH

........................................................................................................... 118

Bảng PL.2.11: Kết quả tính hồi quy chu kỳ ngày 30/5/2015, với sử dụng phản xạ khí
quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp LaSRC (Landsat 8 Surface
Reflectance Code) ................................................................................................... 120
Bảng PL.2.12: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 30/5/2015,
sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp
LaSRC

........................................................................................................... 121

Bảng PL.3.1: Kết quả tính hồi quy đa chu kỳ ảnh (chu kỳ ngày 22/1/2015 và
30/5/2015), sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương
pháp hiệu chỉnh DOS .............................................................................................. 123
Bảng PL.3.2: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 22/1/2015,
sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp hiệu
chỉnh DOS

........................................................................................................... 123

Bảng PL.3.3: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 30/5/2015,
sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp hiệu
chỉnh DOS

........................................................................................................... 126

Bảng PL.3.4: Kết quả tính hồi quy đa chu kỳ ảnh (chu kỳ ngày 22/1/2015 và
30/5/2015), sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương

pháp FLAASH ........................................................................................................ 128
Bảng PL.3.5: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 22/1/2015,
sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp
FLAASH

........................................................................................................... 128


xi
Bảng PL.3.6: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 30/5/2015,
sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp
FLAASH

........................................................................................................... 131

Bảng PL.3.7: Kết quả tính hồi quy đa chu kỳ ảnh (chu kỳ ngày 22/1/2015 và
30/5/2015), với sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng
phương pháp LaSRC (Landsat 8 Surface Reflectance Code) ................................. 133
Bảng PL.3.8: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 22/1/2015,
sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng phương pháp
LaSRC

........................................................................................................... 133

Bảng PL.3.9: Kết quả kiểm tra với các điểm đo trong cùng chu kỳ ngày 30/5/2015,
sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh phản xạ bề mặt bằng LaSRC .......... 136


xii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ

Hình 1.1 .Quy trình công nghệ thành lập bản đồ ô nhiễm không khí [8] ................. 12
Hình 1.2. Sơ đồ quy trình tổng quát xây dựng bản đồ phân bố không gian nồng độ
PM10 [11]

............................................................................................................. 13

Hình 1.3. Quy trình xây dựng bản đồ phân bố nồng độ PM10 [12] ........................ 15
Hình 1.4: Quy trình ước lượng PM2.5 từ dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS [69] ............. 16
Hình 2.1. Sol khí và các nguồn gốc của sol khí [36] ................................................ 20
Hình 2.2. Hình dạng của sol khí [34] ....................................................................... 21
Hình 2.3. Sự phân bố khối lượng của một tập hợp các hạt có đường kính khí động
học khác nhau [52]. ................................................................................................... 22
Hình 2.4. Các phân lớp chính của khí quyển và các loại phân tử sol khí tìm thấy trong
mỗi lớp và sự khúc xạ trong khí quyển. Lưu ý rằng chỉ số khúc xạ cho mỗi tầng khí
quyển và mật độ của tầng khí quyển tương ứng được giả định và chỉ để minh họa.
(Được sửa đổi từ Miller, S. W., và Vermote, E., 2002) [53] .................................... 24
Hình 2.5. (a) Sự tán xạ khí quyển (Rayleigh và Mie lan truyền) gây ra bởi phân tử và
sol khí và (b) cường độ tán xạ Rayleigh ánh sáng mặt trời trực tiếp (%) thay đổi
nghịch với mũ bốn năng lượng của bước sóng tới (λ4). [20]. ................................... 25
Hình 2.6. Sự hấp thụ do một tập các khí khí quyển N2O, O2 và O3, CO2 và H2O trên
toàn bộ năng lượng điện từ phát ra từ mặt trời từ 0.1μm đến 30μm. Phần dưới cùng


xiii
của hình vẽ cho thấy kết quả tích luỹ của tất cả các thành phần này trong bầu khí
quyển cùng một lúc [32] ........................................................................................... 27
Hình 2.7. Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám [15] .............................................. 30
Hình 2.8. Dải tần số được sử dụng trong viễn thám [15] .......................................... 33
Hình 2.9. Biểu đồ diễn biến nồng độ bụi PM10 trung bình năm tại một số trạm quan

trắc tự động, liên tục giai đoạn 2011-2015 [13] ........................................................ 33
Hình 2.10. Biểu đồ diễn biến chỉ số chất lượng không khí AQI ở 5 trạm quan trắc tự
động, liên tục giai đoạn 2011 - 2015 [13] ................................................................. 34
Hình 2.11. Biểu đồ số ngày có AQI>100 do thông số PM10 cao ở 5 trạm quan trắc
tự động, liên tục giai đoạn 2011 - 2015 [13] ............................................................. 34
Hình 2.12. Biểu đồ thống kê số ngày có nồng độ PM10 và PM2,5 trung bình 24h
không đạt QCVN 05:2013 ở các trạm chịu ảnh hưởng của giao thông đô thị giai đoạn
2011 - 2015 [13] ........................................................................................................ 35
Hình 2.13. Biểu đồ diễn biến nồng độ bụi theo các tháng giai đoạn 2011 – 2015 tại
trạm Nguyễn Văn Cừ, Hà Nội [13] ........................................................................... 35
Hình 2.14. Biểu đồ xu hướng biến đổi theo mùa nồng độ các loại bụi PM1-PM2.5PM10 ở Nha Trang giai đoạn 2012 - 2015 [13] ........................................................ 36
Hình 2.15. Biểu đồ xu hướng biến đổi theo mùa nồng độ các loại bụi PM2.5,
PM10

............................................................................................................. 36

tại trạm Đồng Khởi, Biên Hòa, Đồng Nai [13] ......................................................... 36
Hình 2.16. Biểu đồ diễn biến nồng độ các loại bụi PM10, PM2.5, PM1 trong ngày
tại một số trạm không khí tự động [13]..................................................................... 37
Hình 2.17. Biểu đồ diễn biến nồng độ TSP trong không khí xung quanh tại một số
khu dân cư trên toàn quốc giai đoạn 2011 - 2015 [13] ............................................. 37
Hình 2.18. Biểu đồ diễn biến nồng độ TSP trong không khí xung quanh tại một số
đô thị và vùng ven đô thị giai đoạn 2011- 2014 [13] ................................................ 38
Hình 2.19. Biểu đồ diễn biến nồng độ NO2 trung bình năm tại một số trạm quan trắc
tự động liên tục [13] .................................................................................................. 39


xiv
Hình 2.20. Biểu đồ diễn biến nồng độ NO2 trung bình năm một số khu dân cư
giai đoạn 2011 - 2015 [13] ........................................................................................ 39

Hình 2.21. Biểu đồ diễn biến nồng độ NOx trong ngày (minh họa số liệu của trạm
quan trắc không khí tự động liên tục Hạ Long, Đà Nẵng) [13] ................................ 40
Hình 2.22. Biểu đồ diễn biến nồng độ SO2 trung bình năm một số tuyến giao thông
và khu dân cư giai đoạn 2011 - 2015 [13] ................................................................ 40
Hình 3.1. Quy trình xác định bụi PM10 từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học và dữ liệu
đo bụi mặt đất ............................................................................................................ 45
Hình 3.2. Biến đổi cấp độ sáng pixel ảnh DN về trị phản xạ tại bề mặt đất ............. 46
Hình 3.3. Đặc điểm phản xạ trên đỉnh khí quyển tại các thời điểm khác nhau ........ 48
Hình 3.4. Mối tương quan giữa PM10, PM2.5, SO2 và NO2 và tốc độ gió [29] ...... 49
Hình 3.5. Tần xuất hướng gió trong mỗi mùa tại thành phố Lan Châu, Trung Quốc.
(a) Mùa xuân, (b) Mùa hè, (c) Mùa thu, (d) Mùa đông [29] ..................................... 49
Hình 3.6. Mối tương quan giữa nồng độ các chất PM2.5, PM10, SO2 và NO2 và hướng
gió của thành phố Lan Châu, Trung Quốc [29] ........................................................ 50
Hình 3.7. Mối quan hệ giữa nồng độ các chất SO2, NO2 và PM10 và nhiệt độ [29] 50
Hình 3.8. Mối tương quan giữa nồng độ các chất PM10, PM2.5, SO2 và NO2 và lượng
mưa [29]

............................................................................................................. 51

Hình 3.9. So sánh các phương pháp hiệu chỉnh khí quyển. (a) Giá trị phản xạ trên
đỉnh khí quyển; (b) Phương pháp hiệu chỉnh khí quyển DOS; (c) Phương pháp hiệu
chỉnh khí quyển LaSRC; (d) Phương pháp hiệu chỉnh khí quyển FLAASH; ........... 56
Hình 3.10. Giá trị TOA và giá trị phản xạ mặt đất sau hiệu chỉnh khí quyển tại 1 điểm
đo mặt đất (10/12/2016) ............................................................................................ 58
Hình 3.11. Biểu đồ so sánh phương pháp lấy mẫu bụi PM10 [14] ........................... 59
Hình 3.12. Đo bụi tại thực địa và xử lý số liệu đo .................................................... 60
Hình 4.1. Vị trí khu vực nghiên cứu ......................................................................... 64
Hình 4.2. Dữ liệu thử nghiệm LANDSAT 8OLI. (a) Chụp ngày 22/01/2015; (b) Chụp
ngày 30/05/2015; (c) Chụp ngày 10/12/2016 ........................................................... 66
Hình 4.3. Ảnh LANDSAT 8 OLI ngày 22/1/2015với tổ hợp kênh (4,3,2) ............. 66

xv
Hình 4.4. Ảnh LANDSAT 8 OLI chụp ngày 30/5/2015 với tổ hợp kênh (4,3,2) .... 67
Hình 4.5. Ảnh LANDSAT 8 OLI chụp ngày 10/12/2016 với tổ hợp kênh (4, 3, 2) 68
Hình 4.6. Sơ đồ vị trí đo bụi tại thực địa ngày 22/01/2015 ...................................... 70
Hình 4.7. Sơ đồ vị trí đo bụi tại thực địa ngày 30/05/2015 ...................................... 71
Hình 4.8. Sơ đồ vị trí đo bụi tại thực địa ngày 10/12/2016 ...................................... 72
Hình 4.9. Bản đồ phân bố bụi PM10 chu kỳ ngày 22/1/2015 được tính dựa trên 4
kênh ảnh sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh khí quyển. (a) Phương pháp
DOS; (b) Phương pháp FLAASH; (c) Phương pháp LaSRC ................................... 74
Hình 4.10. Bản đồ phân bố bụi PM10 chu kỳ ngày 30/05/2015 được tính dựa trên 4
kênh ảnh sử dụng phản xạ khí quyển khi đã hiệu chỉnh khí quyển. (a) Phương pháp
DOS; (b) Phương pháp FLAASH; (c) Phương pháp LaSRC ................................... 74
Hình 4.11. Đánh giá tính tương quan giữa giá trị đo bụi thực địa và giá trị trính theo
mô hình ngày 22/1/2015. (a) 22/1/2015; (b) 30/5/2015; (c) 10/12/2016 .................. 78
Hình 4.12. Đánh giá tính tương quan giữa giá trị đo bụi thực địa và giá trị tính theo
mô hình ngày 30/5/2015. (a) 22/1/2015; (b) 30/5/2015; (c) 10/12/2016 .................. 81
Hình 4.13. Bản đồ phân bố bụi PM10 được tính toán sử dụng phản xạ khí quyển của
4 kênh ảnh LANDSAT 8OLI (Kênh 1 - Coastal aerosol; Kênh 2- Blue; Kênh 3 Green; Kênh 4 - Red). (a) Ảnh chụp ngày 22/1/2015; (b) Ảnh chụp ngày
30/5/2015

............................................................................................................. 82

Hình 4.14. Bản đồ phân bố bụi PM10 được tính toán mô hỉnh sử dụng 4 kênh ảnh
(Kênh 1 - Coastal aerosol; Kênh 2- Blue; Kênh 3 - Green; Kênh 4 - Red) trên ảnh đa
thời gian 22/1/2015 và 30/5/2015. (a) Ảnh ngày 22/1/2015; (b) Ảnh chụp 30/05/2015
............................................................................................................. 85
Hình 4.15. Bản đồ PM10 kết quả kiểm tra mô hình đa chu kỳ (chu kỳ ngày 22/1/2015
và 30/5/2015) sử dụng phản xạ khí quyển bằng phương pháp hiệu chỉnh khí quyển

xvi
LaSRC của 4 kênh ảnh vệ tinh LANDSAT 8OLI ngày 10/12/2016 để tính toán mô
hình

............................................................................................................. 85

Hình 4.16. Đánh giá tính tương quan giữa giá trị đo bụi thực địa và giá trị tính theo
mô hình kết hợp đa chu kỳ. (a) 22/1/2015; (b) 30/5/2015; (c) 10/12/2016 .............. 87


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Ô nhiễm không khí đang là vấn đề lo ngại của nhiều quốc gia trên thế giới và
Việt Nam. Việt Nam là nước đang phát triển, quá trình đô thị hóa diễn ra nhanh, các
khu đô thị được xây dựng, sự phát triển của các ngành công nghiệp, các phương tiện
giao thông ngày càng tăng khiến tình hình ô nhiễm không khí đang trở nên trầm trọng
hơn bao giờ hết. Theo Tổ chức Y tế Thế giới, ô nhiễm không khí tại các đô thị làm
khoảng 800.000 người chết và 4.6 triệu người giảm tuổi thọ trên thế giới mỗi năm.
Trong đó, có khoảng 2/3 số người chết và giảm tuổi thọ do ô nhiễm không khí thuộc
các nước đang phát triển ở châu Á. Các chuyên gia y tế cho biết, không khí “bẩn”,
đặc biệt là các hạt bụi nhỏ có kích thước 2.5µm ÷ 10µm có thể vượt qua rào chắn như
khẩu trang, chất nhờn trong mũi lắng đọng ở đường hô hấp trên và đường thở lớn,
các hạt mịn (≤ 2.5µm) có thể vào đến phế quản và phế nang gây bệnh. Ô nhiễm không
khí khiến sức khỏe con người bị suy giảm, quá trình lão hóa trong cơ thể bị thúc đẩy,
chức năng của phổi bị suy giảm, gây bệnh hen suyễn, ho, viêm mũi, viêm họng, viêm
phế quản, suy nhược thần kinh, tim mạch và giảm tuổi thọ. Nguy hiểm nhất là có thể
gây ra bệnh ung thư phổi.

Theo kết quả nghiên cứu công bố tại Diễn đàn Kinh tế thế giới Davos năm
2017, Việt Nam nằm trong số 10 quốc gia có chất lượng không khí thấp, đứng thứ
123 trong tổng số 132 nước. Hầu hết các thành phố lớn đều bị ô nhiễm bụi, đặc biệt
là ở các nút giao thông chính, các khu vực có công trường xây dựng và khu công
nghiệp. Đối với Hà Nội, theo số liệu thống kê của công ty ARIA Technologies (Công
ty chuyên cung cấp giải pháp phần mềm tính toán, mô phỏng ô nhiễm môi trường
không khí và hỗ trợ dự báo khí tượng) của Pháp cho thấy, mỗi năm Hà Nội có tốc độ
tăng bình quân các phương tiện giao thông từ 12% - 15%, các phương tiện này góp
phần lớn vào lượng phát thải độc hại như SO2, NOX và nguồn gây ô nhiễm chính là
giao thông, thể hiện ở hàm lượng bụi PM10 cao gấp 4 lần mức khuyến cáo của WHO.
Còn theo số liệu của Trung tâm Quan trắc môi trường, Tổng cục Môi trường Việt
Nam cho thấy, ở các đô thị Việt Nam, nồng độ bụi mịn trong đó có PM10 ở các thành
phố lớn đã vượt quá ngưỡng tiêu chuẩn rất nhiều lần so với quy chuẩn Việt Nam và
trong thời gian 1/3 số ngày trong năm. Tại nhiều nút giao thông như Kim Liên - Giải
Phóng, Phùng Hưng - Hà Đông, những khu vực đông dân cư, nồng độ bụi thường cao


2
hơn mức cho phép, có lúc lên gấp 7 lần. Các khí ô nhiễm khác như CO, SO2 đang có
xu hướng tăng.
Ảnh vệ tinh được nghiên cứu sử dụng ở Việt Nam bắt đầu từ những năm 80
của thế kỷ trước. Các ảnh vệ tinh chủ yếu được sử dụng tập trung vào các lĩnh vực
trắc địa và bản đồ, địa chất, lâm nghiệp, nông nghiệp, hải dương học, và một số lĩnh
vực khác. Hiện nay, Việt Nam vẫn đang giám sát chất lượng không khí dựa trên nội
duy số liệu đo từ các trạm quan trắc tự động, đây là phương pháp có độ chính xác
cao. Tuy nhiên, mức độ bao quát không rộng và chi phí rất tốn kém. Việc sử dụng tư
liệu ảnh vệ tinh để phục vụ giám sát chất lượng không khí gần như chưa được nghiên
cứu ứng dụng rộng rãi do thiếu các số liệu quan trắc và những nghiên cứu về cơ sở
khoa học ảnh hưởng của các hạt bụi nhỏ trong không khí đến đặc điểm phản xạ của
các bước sóng điện từ thu nhận tại bộ cảm. Với khả năng cung cấp thông tin kịp thời,

trên phạm vi rộng, đa thời gian. Kết quả xác định ô nhiễm môi trường trên diện rộng
từ tư liệu viễn thám sẽ giúp hỗ trợ các nhà lãnh đạo, các cấp quản lý trong việc quy
hoạch các vùng, miền, phát triển khu công nghiệp, khu đô thị; giảm thiểu ô nhiễm
không khí ảnh hưởng tới môi trường và sức khỏe cộng đồng. Mặt khác, việc thường
xuyên cung cấp các chỉ số liên quan đến chất lượng không khí ở các khu vực đô thị
cũng sẽ giúp cho cơ quan, tổ chức, cá nhân có thể khai thác thông tin và đưa ra những
cảnh bảo, phương pháp ứng phó với ô nhiễm môi trường không khí.
Vì vậy, việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thử nghiệm trên số liệu đo thực địa
ứng dụng ảnh vệ tinh để xác định nồng độ bụi trong không khí ở khu vực đô thị có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học xây dựng phương pháp xác định nồng độ
bụi PM10 trong không khí từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học, góp phần nâng cao độ
chính xác và độ tin cậy của cơ sở dữ liệu bụi mịn trong đô thị Việt Nam nói chung và
của Hà Nội nói riêng.
3. Đối tượng nghiên cứu
- Nồng độ bụi PM10 trong không khí khu vực đô thị và dữ liệu ảnh vệ tinh
quang học.
4. Phạm vi nghiên cứu
- Phạm vi nghiên cứu về không gian: Ô nhiễm không khí tại các đô thị phát
triển ở Việt Nam và thực nghiệm tại khu vực nội thành thành phố Hà Nội;


3
- Phạm vi nghiên cứu về tư liệu: Ảnh vệ tinh quang học LANDSAT 8 OLI với
các kênh 1 (Coastal aerosol); kênh 2 (Blue); kênh 3(Green); kênh 4 (Red).
5. Nội dung nghiên cứu
- Phân tích các số liệu thống kê về ô nhiễm không khí, đặc biệt là nồng độ bụi
PM10 theo không gian và thời gian tại các khu vực đô thị lớn của Việt Nam;
- Nghiên cứu cơ sở khoa học quá trình phản xạ của các bước sóng điện từ thu

nhận tại bộ cảm vệ tinh của vệ tinh quang học dưới tác động của các hạt bụi nhỏ trong
không khí;
- Nghiên cứu về các phương pháp đo đạc xác định nồng độ bụi mặt đất;
- Nghiên cứu đề xuất mô hình hồi quy tuyến tính xác định nồng độ bụi không
khí (PM10) từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học và dữ liệu đo bụi mặt đất tại cùng thời
điểm.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp điều tra khảo sát, thu thập, thống kê và xử lí số liệu: Tiến hành
điều tra, khảo sát hiện trạng thực tế khu vực nghiên cứu; thu thập thống kê và xử lí
số liệu đo chất lượng không khí từ các trạm đo mặt đất và dữ liệu ảnh vệ tinh;
- Phương pháp kiểm chứng: So sánh, kiểm chứng các kết quả xác định chất
lượng không khí từ các trạm đo trực tiếp ngoài thực địa với kết quả xác định chất
lượng không khí từ mô hình đề xuất;
- Phương pháp viễn thám: Sử dụng các kỹ thuật xử lý dữ liệu viễn thám để
chiết xuất các thông tin trên ảnh phục vụ cho các thực nghiệm của nghiên cứu;
- Phương pháp hồi quy: Sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính đa biến để
xây dựng mô hình tương quan giữa giá trị đo bụi mặt đất và phản xạ khí quyển xác
định trên ảnh vệ tinh quang học.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
7.1. Ý nghĩa khoa học của luận án
- Đã xác lập được cơ sở khoa học và phương pháp luận tích hợp dữ liệu ảnh
vệ tinh Landsat OLI và dữ liệu quan trắc mặt đất để xác định nồng độ bụi PM10 trong
các đô thị Việt Nam
- Xây dựng được quy trình phương pháp xác định nồng độ bụi không khí
(PM10) từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học.
7.2. Ý nghĩa thực tiễn của luận án
- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được ứng dụng để xác định được nồng
độ bụi PM10 trong không khí ở các đô thị Việt Nam nói chung và của thành phố Hà

4
Nội nói riêng, nhằm cung cấp dữ liệu ô nhiễm khống khí, góp phần giám sát, ngăn
ngừa và giảm thiểu tác động của bụi PM10 đối với sức khỏe con người.
8. Những luận điểm bảo vệ của luận án
Luận điểm 1: Phương pháp xác định nồng độ bụi PM10 trong không khí từ việc tích
hợp phản xạ khí quyển được tính từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học và dữ liệu đo mặt
đất cho kết quả có độ tin cậy cao.
Luận điểm 2: Mô hình hồi quy tuyến tính xây dựng từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat
OLI đa thời gian cho phép nâng cao độ chính xác xác định nồng độ bụi PM10 khu
vực đô thị
9. Những điểm mới của luận án
9.1. Đề xuất quy trình và mô hình tương quan giữa giá trị phản xạ khí quyển xác định
trên ảnh vệ tinh quang học và giá trị nồng độ bụi PM10 quan trắc mặt đất đo tại cùng
thời điểm.
9.2. Đánh giá ảnh hưởng phương pháp hiệu chỉnh khí quyển đến độ chính xác xác
định nồng độ bụi PM10 trong không khí từ tư liệu ảnh vệ tinh quang học Landsat 8
OLI.
9.3. Đề xuất phương pháp kết hợp ảnh vệ tinh đa thời gian trong xây dựng hàm hồi
quy tuyến tính xác định nồng độ bụi PM10 trong không khí.
10. Khối lượng và kết cấu luận án
Kết cấu luận án bao gồm các phần chính như sau:
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2. Cơ sở khoa học xác định nồng độ bụi PM10 từ tư liệu viễn thám
Chương 3. Phương pháp xác định nồng độ bụi PM10 trong không khí từ dữ liệu ảnh
vệ tinh quang học
Chương 4. Thực nghiệm đề xuất phương pháp xác định nồng độ bụi PM10 trong
không khí từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học LANDSAT 8 OLI
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo

Danh mục công trình công bố của tác giả
Phụ lục
Luận án được trình bày trong 137 trang, 54 hình vẽ và sơ đồ, 52 bảng biểu.


5
CHƯƠNG 1 . TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Đặt vấn đề
Vấn đề nghiên cứu ô nhiễm môi trường không khí ngày càng trở nên cần thiết,
vì nó liên quan trực tiếp tới sự sinh tồn của con người. Cùng với sự phát triển của kỹ
thuật viễn thám và các thiết bị quan trắc môi trường, các nhà khoa học trên thế giới
đã có nhiều những nghiên cứu đề xuất các phương pháp xác định nồng độ bụi trong
không khí từ phạm vi hẹp tại vị trí điểm đo đến những phạm vi rộng cho cả thành
phố. Trên thế giới cũng như ở Việt Nam hiện nay, để nghiên cứu và giám sát tình
trạng ô nhiễm không khí có 3 phương pháp cơ bản sau:
1.1.1. Các phương pháp quan trắc bằng thiết bị đo
Phương pháp quan trắc trực tiếp bằng thiết bị đo là phương pháp kinh điển
trong nghiên cứu môi trường không khí. Phương pháp này có hai cách thức thực hiện:
một là quan trắc trực tiếp từ các nguồn ô nhiễm và hai là quan trắc theo khu vực rộng
với nhiều điểm đo. Các yếu tố động lực và hóa học khí quyển có thể đo đạc dễ dàng
bằng các thiết bị đo khí tượng và hóa học đặt tại các nguồn gây ô nhiễm (ống khói,
bãi rác…) hoặc được đặt trên các thiết bị lưu động như máy bay, xe lửa hoặc ô tô.
Phương pháp này cho phép cung cấp các dữ liệu theo phương thẳng đứng cụ thể cho
một điểm duy nhất. Các bộ dữ liệu này đặc biệt hữu ích cho việc phân tích xu hướng
trong không gian dài, đo lường bán liên tục ô nhiễm không khí. Các phương pháp này
có thể cung cấp các phép đo với quy mô rộng, chi tiết về các quá trình khí quyển quan
trọng và đo đạc nồng độ chất ô nhiễm với độ phân giải theo thời gian và không gian
tốt. Nhưng đây là phương pháp đòi hỏi chi phí rất lớn về trang thiết bị. Đối với Việt
Nam rất khó khăn về kinh phí để có thể tiếp cận phương pháp này.
1.1.2. Các phương pháp mô hình

Các mô hình lan truyền chất ô nhiễm là các công cụ rất quan trọng được sử
dụng để xác định quá trình vận chuyển và đánh giá tác động của ô nhiễm không khí
trên quy mô lớn. Mô hình lan truyền chất ô nhiễm là các mô hình tính toán liên kết
với các nguồn phát thải ô nhiễm để tìm ra sự phân bố của chúng trong môi trường.
Chúng tích hợp với các quá trình khí tượng học, hóa học, vật lý để kiểm soát thành
phần và sự vận chuyển ô nhiễm không khí trong bầu khí quyển. Trong những thập kỷ
qua, khả năng dự báo chất lượng không khí đã được cải thiện đáng kể do sự phát triển
khả năng quan trắc và mô hình hóa khí quyển, vận chuyển và các quá trình di chuyển.


6
Tuy nhiên, mức độ chính xác trong các mô hình bị hạn chế bởi sự không chắc chắn
trong các dữ liệu đầu vào và các giả định trong mô hình. Ngoài ra, các mô hình thường
được xây dựng cho một khu vực riêng lẻ với các tham số đầu vào cố định cho từng
khu vực nên việc ứng dụng cho các vùng khác nhau gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi phải
hiệu chỉnh lại các thông số đầu vào.
1.1.3. Các phương pháp quan trắc bằng viễn thám
Thiết bị quan trắc bằng viễn thám có hai loại chính là cảm biến thụ động và
cảm biến chủ động. Cảm biến thụ động phát hiện bức xạ tự nhiên được phát ra hoặc
phản xạ bởi các đối tượng hoặc các khu vực xung quanh. Phản xạ ánh sáng mặt trời là
nguồn phổ biến nhất của bức xạ được đo bởi các cảm biến thụ động như
phim ảnh, hồng ngoại, thiết bị tích điện kép, máy đo bức xạ. Loại cảm biến chủ động
phát ra năng lượng để quét các đối tượng và các khu vực sau đó phát hiện và đo bức
xạ được phản xạ hoặc tán xạ ngược từ mục tiêu như tư liệu RADAR và LiDAR.
Dựa trên việc truyền và thu nhận tín hiệu từ các bước sóng khác nhau của
quang phổ điện từ và kết hợp giữa tư liệu viễn thám quy mô lớn và các trạm thu thập
dữ liệu mặt đất đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu đầy đủ thông tin để theo dõi quá
trình ô nhiễm không khí. Những nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh việc sử dụng
ảnh vệ tinh hoàn toàn có thể phát hiện ô nhiễm không khí ở khu vực mà chúng ta
quan tâm. Hiệu quả mang lại từ việc áp dụng công nghệ viễn thám vào lĩnh vực giám

sát ô nhiễm môi trường không khí sẽ giúp đánh giá được mức độ ô nhiễm trên diện
rộng.
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước
1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới
Từ những năm đầu thập kỷ 70 khi vệ tinh dân sự giám sát tài nguyên bề mặt
Trái đất LANDSAT-1 của Mỹ được đưa lên quỹ đạo, các nhà khoa học ở các nước
phát triển đã tiến hành nghiên cứu ô nhiễm môi trường không khí bằng tư liệu ảnh
viễn thám dựa trên đặc điểm tán xạ của sóng điện từ trên các hạt bụi ô nhiễm trong
khí quyển. Theo Ohring G. và cộng sự (1973) [59] thì ô nhiễm không khí chủ yếu
xảy ra ở tầng đối lưu của khí quyển, tạo thành một lớp mù khí quyển và gọi là lớp sol
khí (aerosol). Các nhà khoa học đã đề xuất nhiều phương pháp khác nhau để xác định
ô nhiễm không khí từ dữ liệu ảnh vệ tinh như sau:
- Phương pháp ước lượng nồng độ bụi ở khu vực đô thị sử dụng tỷ số giữa các
kênh phổ của tư liệu LANDSAT TM: Năm 1984, Carnahan W. H., Mausel P. W.,


7
Zhou G. P đã đề xuất phương pháp ước lượng nồng độ bụi ở khu vực đô thị sử dụng
tỷ số giữa các kênh phổ của tư liệu LANDSAT TM [23]. Trong nghiên cứu này, tác
giả sử dụng phương pháp phân tích tỉ số của các kênh ảnh LANDSAT TM như sau:
1/2, 1/3, 1/4, 1/5 và 1/6 và các ước tính về nồng độ hạt có nguồn gốc từ các ảnh tỷ lệ
và được kiểm tra qua độ phản xạ thấp tại các vị trí nước đục và đường cao tốc bê
tông. Từ phân tích dữ liệu, đối với nước thì mô hình tăng nồng độ hạt có liên quan
đến các giá trị tỷ lệ giảm trong tất cả các kết hợp băng tần được sử dụng. Kết quả cụ
thể, các giá trị tỷ số kênh ảnh 1/4 tuân theo mô hình dự đoán, trong khi 1/6 có các tỷ
số bị đảo ngược so với giá trị dự kiến.
- Phương pháp xác định độ dày quang học của sol khí từ dữ liệu vệ tinh bằng
cách sử dụng hiệu ứng làm mờ tán xạ [68]. Phương pháp này đã được áp dụng để xác
định sol khí ở khu vực Châu Phi phía Nam sa mac Saharan từ dữ liệu ảnh vệ tinh
LANDSAT TM. Bằng cách giả định phản xạ mặt đất là không đổi, các tín hiệu vệ

tinh thay đổi có thể là do sự thay đổi của tính chất quang học trong khí quyển. Sự
thay đổi theo thời gian của các cấu trúc cho phép chúng ta đưa ra hàm chất lượng sol
khí trên bề mặt đất. Kết quả thu được đã được chứng minh là phù hợp với các phép
đo đồng thời trên mặt đất.
- Phương pháp xác định bụi (PM) trong không khí bằng cách xây dựng hàm
tương quan giữa độ dày sol khí AOT với hàm lượng bụi thu được bằng việc đo trực
tiếp tại bề mặt. Một số nghiên cứu điển hình như sau:
+ Phương pháp xác định AOD từ ảnh hai thời điểm: Trong các nghiên cứu của
Sifakis và Deschamps (1992) [65] và Retalis và cộng sự (1998) [62] cũng sử dụng dữ
liệu ảnh vệ tinh SPOT và LANDSAT-5/TM để xác định AOD (Aerosol Optical
Depth) và thành lập bản đồ phân tán ngang của các hạt trong không khí ở các khu vực
đô thị. Điểm khác biệt của phương pháp là các tác giả sử dụng và so sánh hai ảnh vệ
tinh ở 2 điều kiện khác nhau. Một ảnh trong điều kiện ô nhiễm và ảnh còn lại ở điều
kiện không có ô nhiễm không khí để từ đó tính ra AOD. Tiếp tục phát triển phương
pháp này, trong nghiên cứu tiếp theo của Nuno Grosso và cộng sự (2007) [58] và
Retalis và Sifakis (2009) [61] đã đề xuất kết hợp với thuật toán DTA (Differential
Textural Analysis) để thành lập bản đồ sol khí tại Lisbon và Athens bằng dữ liệu ảnh
viễn thám MODIS và MERIS-ENVISAT. Sau đó kết hợp với giá trị đo bụi PM10
mặt đất để xây dựng hàm tương quan với giá trị AOT (Aerosol Optical Thickness).
Kết quả xác định được là với ảnh MODIS hệ số tương quan R2 = 0.77 và R2 = 0.83
với ảnh MERIS-ENVISAT.