Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin: 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 trào…dẫn đến ô nhiễm không khí nghiêm trọng đặc biệt
là các thành phố lớn. Ô nhiễm không khí cùng với việc khai
thác tài nguyên không hợp lý, chặt phá rừng bừa bãi…, làm
cho tầng Ozon bị thủng, gây nên hiệu ứng nhà kính và đặc biệt
là thay đổi khí hậu toàn cầu gây nên hiện tượng El nino kèm
theo những trận mưa lụt, bão khủng khiếp và hạn hán kéo dài.
Ô nhiễm không khí không chỉ là vấn đề nóng tập trung ở các
đô thị phát triển, các khu, cụm công nghiệp… mà đã trở thành
mối quan tâm của toàn xã hội.
Sol khí là một trong số các thành phần gây ô nhiễm
không khí. Theo [1] sol khí có thể ảnh hưởng trực tiếp tới khí
hậu do tính tán xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời của chúng làm
thay đổi cân bằng năng lượng của hệ thống Trái đất - Khí
quyển. Sol khí ảnh hưởng gián tiếp tới khí hậu bởi chúng là
hạt nhân ngưng kết mây và hạt nhân của băng, có khả năng
làm thay đổi tính chất quang học, vi vật lý và thời gian tồn tại
của mây. Chính vì vậy, hiểu biết về phân bố và xu hướng biến
đổi theo không gian và thời gian của sol khí là rất quan trọng


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 đai…cập nhật khí hậu theo từng vùng, địa phương,
hỗ trợ dự báo thời tiết, phân loại các địa hình, thành lập bản
đồ… Để ứng dụng các sản phẩm ảnh sol khí từ vệ tinh vào
trong các nghiên cứu và hệ thống giám sát, cần thực hiện đánh

giá các sản phẩm sol khí này. Vì vậy, tôi đã lựa chọn đề tài
“Nghiên cứu và đánh giá độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ
tinh dựa trên các trạm quan trắc”. Với mục đích nghiên cứu và
đánh giá độ dày quang học sol khí (AOD) từ ảnh vệ tinh, tôi
đã bước đầu làm chủ được kiến thức và công nghệ trong lĩnh
vực này.
Để đạt được mục tiêu trên, tôi đã nghiên cứu và học
tập lý thuyết về ảnh vệ tinh, từ đó đi vào nghiên cứu các sản
phẩm về sol khí. Đồng thời, nhằm đối chiếu với dữ liệu từ các
trạm quan trắc tôi đã bước đầu nắm được các tri thức, công cụ
và kĩ thuật xử lý và trích xuất dữ liệu sol khí từ ảnh vệ tinh. Từ
đó, tích hợp dữ liệu từ ảnh vệ tinh và dữ liệu từ trạm quan trắc
trên mặt đất để tiến hành đánh giá.
Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu, đánh giá và xác
định được xu hướng biến đổi của độ dày quang học sol khí
theo biến trình năm, theo tháng trên phạm vi toàn khu vực và
theo từng quốc gia dựa trên số liệu từ các trạm quan trắc.
Đồng thời, đưa ra các nhận định về mối quan hệ giữa nồng độ
sol khí trên các quốc gia và các điểm cháy trong khu vực.
3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Luận văn giới hạn nghiên cứu trong khu vực Đông
Nam Á, Đài Loan và Hồng Kông. Trên cơ sở đó, tôi đã thực
hiện nghiên cứu về ảnh viễn thám, tiền xử lý và giải đoán ảnh.


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 rừng…Sau khi có đầy đủ dữ liệu, thực
hiện tích hợp dữ liệu ảnh vệ tinh và dữ liệu từ các tram quan
trắc dựa trên khoảng thời gian và không gian xác định.
Cuối cùng, đưa ra các đánh giá và phân tích độ dày
quang học sol khí dựa trên các tham số thống kê như trung
bình số học, độ lệch chuẩn, sai số,… Từ các thông số phân
tích trên, thực hiện đánh giá AOD theo toàn khu vực, theo
quốc gia, đánh giá mối tương quan giữa AOD từ ảnh vệ tinh
và AOD từ trạm quan trắc, đánh giá mối quan hệ giữa AOD và
tình hình cháy trong khu vực nghiên cứu.
4. Kết cấu của luận văn
Bên cạnh phần mở đầu, kết luận, phụ lục, hình vẽ và
bảng biểu minh hoạ, nội dung luận văn bao gồm 3 chương như
sau:


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 EOSAM1 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 lập mảng số liệu thống kê theo
thời gian từ hai nguồn này. Việc tạo lập mảng số liệu được 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

Chuẩn bị và tích hợp dữ liệu

Quá trình đánh giá AOT

Dữ liệu AOT
của MODIS
và VIIRS

Dữ liệu AOT
của AERONET

AOT cho mỗi trạm ở
550nm (bán kính R)

AOT ở 550nm trung
bình (thời gian T
phút )

Theo năm

Theo tháng

Theo mùa

Theo ngày

Đánh giá AOT

Mô phỏng và phân tích

Đánh giá và phân tích

Arithmetic
mean

Standard
deviation

Coeficient Of
Determination

Linear regression
model

Root Mean
Square Error
(RMSE)

Mean Square
Error (MSE)

Relative Error
(RE)

Prediction and
model result

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.
Phương pháp

Sản phẩm AOD
của AERONET

Tiền xử lý

Sản phẩm sol khí của
MODIS và VIIRS

Tiền xử lý và nội
suy sang dữ liệu
AOD 550nm

AOD 550nm

Tích hơp AOD

Tiền xử lý ảnh vệ tinh
và trích xuất dữ liệu
AOD ở 550nm

AOD 550nm

Fires long lat

Sản phẩm điểm cháy

của MODIS

Trích xuất dữ liệu
các điểm cháy

Tích hợp dữ liệu AOD
của MODIS, VIIRS và
AOD của AERONET

Số vụ cháy theo năm

Trung bình AOD MODIS và AERONET các tháng trong năm
0.9

0.646
0.595

0.583

0.444

0.456

AOD trung bình

0.542

0.5
0.425
0.4

0.423

0.409
0.36

0.355

0.311

0.371

0.302

Đánh giá mối
quan hệ của AOD
và các điểm cháy

0.3

0.3
0.31

0.31

0.299
0.249

0.2

0.203

0.226

0.232

11

12

0.1

0
2

3

4

5

6

7

Trung bình AOD MODIS

8

9

10

Trung bình AOD AERONET

AOD theo khu vực thành thị và nông thôn

0.7

0.6

0.5

Đánh giá AOD của
MODIS và VIIRS

0.4

0.3

0.2

0.1

MODIS AOD

0.8

5
4.5

4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0

Hồng Kông

Indonesia

Lào

Malaysia

Philippines

Singapore

Đài Loan

Thái Lan

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

Việt Nam

390166
326623

318046

2012

2013

295235
226493
149188

2014

2015

2016

2017

Indonesia

y = 0.7701x + 0.0256

R² = 0.8121

113882

120000

0.8
0.680
89638

100000

0.7
0.6

80000
60000

0.5

0.564

0.434

0.4

0.3

40000
21542

0.2

20000

0.1

0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

0

Năm

Số vụ cháy

1

450000
400000
350000
300000
250000
200000
150000
100000
50000
0

AOD

0.682
0.6

AOD trung bình

Đánh giá MODIS AOD, VIIRS AOD

0.7

Số vụ cháy

0.765

0.8

0

Số vụ cháy

AOD AERONET

AOD (MODIS,VIIRS)

Tổng

AERONET AOD

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


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
PK

ID

PK

org.SatOrgVIIRSAOT

ID

PK

StationID

PK

aqstime

Station Name

AOD 550nm

Country

filename

aqstime

aqstime

aqstime

res.SatResampMYD04_3K

res.SatResampVIIRSAOT

PK

ID

PK

org.grdstation

PK

filename

ID

org.grdaeraot_data

ID

filename

res.SatResampMOD04_3K
PK

org.SatOrgMYD04_3K

PK

ID

ID

filename

filename

filename

aqstime

aqstime

aqstime

RasRef

RasRef

RasRef

validate.select_data_final

validate.data_fires_asian

pixel

YYYYMMDD

aqstime

HHMISS

sate_aod

Lon

aronet_aod

Lat

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.

MODIS AOD

Tương quan của MODIS AOD và
AERONET AOD

y = 0.7701x + 0.0256
R² = 0.8121

5
4.5

4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

AERONET AOD

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


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.

số vụ cháy

Số vụ cháy theo tháng
600000
482263
500000
400000
288519
300000
180581
200000 117293
125187
85017 107715
56153
46376
46282
41564
34081
100000
0


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.

100000

61841

50000

0

0.8
0.6
0.4
0.2040.2
0

0.708

AOD

Số vụ cháy

Năm 2015
80353
0.713

Năm tháng
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 được 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 PosgreSQL…Dựa
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.