Ứng dụng công nghệ GIS và ảnh vệ tinh Modis để đánh giá sự thay đổi hàm lượng bụi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TRẦN ĐĂNG HÙNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS VÀ ẢNH VỆ TINH MODIS ĐỂ
ĐÁNH GIÁ SỰ THAY ĐỔI HÀM LƯỢNG BỤI PM2.5 TRONG
MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ Ở MIỀN BẮC VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TRẦN ĐĂNG HÙNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS VÀ ẢNH VỆ TINH MODIS ĐỂ
ĐÁNH GIÁ SỰ THAY ĐỔI HÀM LƯỢNG BỤI PM2.5 TRONG
MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ Ở MIỀN BẮC VIỆT NAM

Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
Mã số: 60-85-02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

1. PGS.TS. Doãn Hà Phong
2. PGS.TS. Nguyễn Thị Minh Hằng

HÀ NỘI - 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Trần Đăng Hùng

Mã số học viên: 1581440301005

Lớp: 23KHMT11

Khóa học: 23

Chuyên ngành: Khoa học Môi trường

Mã số: 60-85-02

Tô xin cam đoan tập luận văn được chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.
TS. Doãn Hà Phong và PGS.TS Nguyễn Thị Minh Hằng với đề tài nghiên cứu trong
luận văn: “Ứng dụng công nghệ GIS và ảnh vệ tinh MODIS để đánh giá sự thay đổi
hàm lượng bụi PM2.5 trong môi trường không khí ở miền Bắc Việt Nam”.
Đây là đề tài nghiên cứu mới, không trùng lặp với các đề tài luận văn nào trước đây,
do đó, không phải là bản sao chép của bất kỳ một luận văn nào. Nội dung của luận văn
được thể hiện theo đúng quy định. Các số liệu, nguồn thông tin trong luận văn là do tôi
điều tra, trích dẫn và đánh giá. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện
trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung tôi đã trình bày trong luận văn này.

Hà Nội, ngày ……. tháng …… năm 2016
Tác giả luận văn

Trần Đăng Hùng

i


LỜI CẢM ƠN
Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo bộ môn Quản lý môi
trường, trường đại học Thủy lợi đã giảng dạy tận tình, quan tâm, trau dồi kiến thức,
động viên học viên không ngừng nỗ lực trang bị thêm nguồn kiến thức, kỹ năng tốt
nhất để hoàn thành luận văn, sự giảng dạy và chỉ bảo không mệt mỏi của các thầy cô
giáo trong suốt thời gian qua. Đặc biệt là sự hướng dẫn ân cần, tỉ mỉ của PGS.TS.
Doãn Hà Phong và sự giúp đỡ tận tâm của PGS.TS. Nguyễn Thị Minh Hằng trong suốt
thời gian từ khi học viên được nhận đề tài Luận văn đã giúp đỡ và chỉ bảo cho học
viên rất nhiều điều, trau dồi thêm kiến thức chuyên môn, cách thức hoàn thành luận
văn và những kỹ năng sống mà tự học viên khó có thể hoàn thiện được.
Học viên cũng xin bày tỏ lời cảm ơn tới các cán bộ tại các phòng ban Đào tạo đại học
và sau đại học, cán bộ tại văn phòng khoa Môi trường Trường Đại học Thủy lợi đã tạo
điều kiện, cũng như cung cấp cho học viên những thông tin bổ ích và kịp thời để học
viên có thể hoàn thành luận văn.
Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tời cha mẹ, chị em trong gia đình cũng tất
cả bạn bè, những người thân luôn động viên, ủng hộ và giúp đỡ học viên trong suốt
thời gian học viên học tập cũng như trong thời gian học viên thực hiện luận văn cao
học.
Học viên xin chân thành cảm ơn!

ii

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................vii
DANH MỤC VIẾT TẮT............................................................................................. viii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................... 1
2. Mục đích của đề tài...................................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 3
4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..................................................................................... 4
6. Bố cục của luận văn ..................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU........................................... 5
1.1. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) ................................................................................ 5
1.1.1. Định nghĩa GIS ...................................................................................................... 5
1.1.2. Cấu trúc của GIS ................................................................................................... 5
1.1.3. Các chức năng cơ bản của GIS .............................................................................. 9
1.1.4. Ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý GIS ....................................................... 12
1.2. Sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu ô nhiễm môi trường không khí .. 13
1.2.1. Tổng quan sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu môi ....................... 13
1.2.2. Các loại ảnh viễn thám ứng dụng nghiên cứu môi trường không khí ................. 15
1.2.2.1. Một số tư liệu viễn thám ứng dụng trong nghiên cứu ô nhiễm ....................... 15
1.2.2.2. Ảnh MODIS và thông số kỹ thuật của ảnh MODIS .......................................... 20
1.3. Tổng quan về bụi PM2.5 ........................................................................................ 26
1.3.1. Bụi PM2.5 trong nghiên cứu ô nhiễm môi trường không khí ............................. 26
1.3.1.1. Khái niệm bụi PM2.5 ........................................................................................ 26
1.3.1.2. Tác hại của bụi PM2.5 ..................................................................................... 27
iii

1.3.2. Bụi PM2.5 từ dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS .......................................................... 27
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU ..................................... 30
2.1. Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu .......................................... 30
2.1.1. Vị trí địa lý ........................................................................................................... 30
2.1.2. Chế độ khí hậu ..................................................................................................... 31
2.1.3. Chế độ thủy văn ................................................................................................... 32
2.2. Điều kiện kinh tế xã hội – môi trường khu vực nghiên cứu ................................... 33
2.2.1. Điều kiện kinh tế xã hội....................................................................................... 33
2.2.2. Thực trạng ô nhiễm bụi ở miền Bắc .................................................................... 44
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG GIS ĐÁNH GIÁ SỰ GIA TĂNG HÀM BỤI PM2.5 Ở
KHU VỰC NGHIÊN CỨU ........................................................................................... 52
3.1. Xác định hàm lượng bụi PM2.5 từ ảnh vệ tinh MODIS ........................................ 52
3.1.1. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 52
3.1.2. Giới thiệu về mô hình GEOS-Chem .................................................................. 53
3.1.3. Xác định PM2.5 từ các dữ liệu độ dày quang học (AOD) ................................. 55
3.1.4. Mô phỏng các thông số ảnh hưởng đến mối liên hệ giữa dữ liệu MODIS ....... 56
3.2. Thành lập bản đồ phân bố ô nhiễm bụi ở miền Bắc Việt Nam (2005-2010-2015) 58
3.3. Phân tích, đánh giá các kết quả giá trị hàm lượng bụi PM2.5 ................................ 63
3.4. Giải pháp kỹ thuật để nâng cao chất lượng số liệu ................................................. 70
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 74
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 79

iv


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Hệ thống thông tin địa lý ................................................................................. 5
Hình 1.2: Các thành phần của GIS .................................................................................. 6
Hình 1.4: Các nhóm chức năng của GIS ....................................................................... 12

Hình 1.5: Ảnh chụp khu vực Hải Phòng của vệ tinh ENVISAT................................... 17
Hình 1.6: Vệ tinh TERRA ............................................................................................. 22
Hình 1.7: Quỹ đạo bay của vệ tinh TERRA .................................................................. 22
Hình 1.8: Dữ liệu ảnh vệ tinh thu nhận vào ngày 16/11/2002. ..................................... 23
Hình 1.9: Vệ tinh AQUA và các bộ cảm biến ............................................................... 25
Hình 1.10: Quỹ đạo bay của vệ tinh AQUA ................................................................. 25
Hình 2.1: Khu vực nghiên cứu ...................................................................................... 30
Hình 2.2: Nhà máy xi măng Tam Điệp gây ô nhiễm bụi nghiêm trọng ........................ 46
Hình 2.3: Khí thải từ các phương tiện giao thông là thủ phạm chính gây ra ô nhiễm
không khí ....................................................................................................................... 47
Hình 2.4: Gian bếp khói bụi là thủ phạm gây ra cái chết cho hàng triệu phụ nữ và trẻ
em mỗi năm ................................................................................................................... 48
Hình 2.5: Vị trí trạm quan trắc ở Thành phố Hòa Bình ................................................ 49
Hình 3.1: Sơ đồ tóm tắt xác định hàm lượng bụi PM2.5 từ dữ liệu vệ tinh MODIS .... 58
Hình 3.2: Thuật toán chi tiết để tính toán hàm lượng bụi PM2.5 bằng mô hình GEOSChem ............................................................................................................................. 59
Hình 3.3: Bản đồ nồng độ ô nhiễm bụi PM2.5 khu vực miền Bắc năm 2005 .............. 62
Hình 3.4: Bản đồ nồng độ ô nhiễm bụi PM2.5 khu vực miền Bắc năm 2010 .............. 62
Hình 3.5: Bản đồ nồng độ ô nhiễm bụi PM2.5 khu vực miền Bắc năm 2015 .............. 63
Hình 3.6: Vị trí mặt cắt nghiên cứu ............................................................................... 64
Hình 3.7: Độ biến thiên nồng độ bụi PM2.5 ở mặt cắt thứ nhất ................................... 64
Hình 3.8: Độ biến thiên nồng độ bụi PM2.5 ở mặt cắt thứ hai ..................................... 65

v


Hình 3.9: Công cụ histogram của ARCGIS .................................................................. 67
Hình 3.10: Biểu đồ phân bố các cấp ô nhiễm bụi PM2.5 năm 2005 ............................. 67
Hình 3.11: Biểu đồ phân bố các cấp ô nhiễm bụi PM2.5 năm 2010 ............................. 68
Hình 3.12: Biểu đồ phân bố các cấp ô nhiễm bụi PM2.5 năm 2015 ............................. 69
Hình 3.13: Công cụ resample của ARCGIS để tăng độ phân giải chất lượng ảnh ....... 70

Hình 3.14: Công cụ resample của ARCGIS để tăng độ phân giải chất lượng ảnh ....... 71

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Một số thông số về các kênh phổ của ảnh SPOT -1,-2,-3 ............................ 18
Bảng 1.2: Một số thông số về các kênh phổ của ảnh SPOT -4 ..................................... 18
Bảng 3.1: Dữ liệu đầu vào của mô hình ........................................................................ 60
Bảng 3.2: Độ biến thiên nồng độ bụi PM2.5 ở mặt cắt thứ nhất ................................... 65
Bảng 3.3: Độ biến thiên nồng độ bụi PM2.5 ở mặt cắt thứ hai ..................................... 66

vii


DANH MỤC VIẾT TẮT
EPI

:

Environmental performance indicators – Chỉ số
hiệu suất môi trường

PM

:

Particulate matter – Chất dạng hạt

GIS

:

RS

:

AOD

:

Geographic information system – Hệ thống thông
tin địa lý
Remote sensing information – Thông tin viễn
thám
Aerosol Optical Depth – Độ dày quang học sol
khí

viii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nghiên cứu mới nhất về Chỉ số hiệu suất môi trường (EPI) của Đại học Yale (Mỹ) cho
thấy, Việt Nam là một trong mười quốc gia ô nhiễm không khí nhất thế giới. Theo các
nhà khoa học, với tiêu chí đánh giá của Đại học Yale (Mỹ), có thể hiểu Việt Nam nằm
trong top 11 quốc gia ô nhiễm bụi nhất thế giới [1].
Nghiên cứu về EPI trên nhằm đánh giá và xếp hạng các quốc gia về các vấn đề môi
trường thuộc hàng ưu tiên trong hai lĩnh vực là bảo vệ sức khỏe con người và bảo vệ
hệ sinh thái. Năm vấn đề chính được đánh giá, xếp hạng gồm nước và điều kiện vệ

sinh, chất lượng không khí, ảnh hưởng tới sức khỏe, nông nghiệp, đa dạng sinh học và
môi trường sống.. Đáng chú ý nhất trong số 5 vấn đề được đánh giá, xếp hạng thì chất
lượng không khí ở Việt Nam đứng thứ 170/180 quốc gia được đánh giá, xếp hạng với
điểm số đạt 54,76/100.
Tại Mỹ họ đánh giá ô nhiễm không khí dựa trên thành phần không khí ô nhiễm nhất. Ở
Việt Nam, trong các thành phần ô nhiễm không khí cơ bản thì ô nhiễm bụi rất nặng,
gấp 3-5 lần quy chuẩn Việt Nam và cao hơn nữa so với quy chuẩn thế giới. Theo cách
xếp hạng của Mỹ, người ta lấy chỉ số ô nhiễm bụi để xếp hạng chất lượng không khí ở
Việt Nam. Vì vậy, với các xếp hạng của EPI, có thể hiểu Việt Nam nằm trong top 11
quốc gia ô nhiễm bụi nhất thế giới.
Ở Việt Nam, hệ thống quan trắc môi trường không khí cực kỳ ít ỏi. Tuy vậy, với
những số liệu ít ỏi có được, bức tranh ô nhiễm không khí ở Việt Nam cũng không sáng
sủa. Theo Báo cáo Môi trường Quốc gia về môi trường không khí (phát hành năm
2014, mỗi báo cáo có giá trị trong 5 năm) thì không khí ở các đô thị lớn có dấu hiệu ô
nhiễm bụi, đặc biệt là ô nhiễm bụi mịn PM2.5 và ô nhiễm ozon tăng mạnh. Những hạt
bụi mịn PM2.5 hay những hạt bụi có đường kính bé hơn 2,5 micromet là những hạt
đặc biệt nguy hiểm bởi vì chúng xâm nhập trực tiếp vào các túi phổi. Phơi nhiễm với
bụi mịn có thể gây những tác động sức khỏe tức thời như kích ứng mắt, mũi, họng và
phổi, ho, hắt hơi, chảy nước mũi và khó thở. Phơi nhiễm với bụi mịn cũng có thể ảnh
hưởng đến chức năng của phổi và làm nặng thêm những tình trạng bệnh như hen và
bệnh tim. Vì vậy, các nhà khoa học dùng chỉ số PM2.5 để biểu thị hàm lượng tiêu
1


chuẩn của các hạt trôi nổi trong một mét khối không khí. Chỉ số này càng cao cũng có
nghĩa là sự ô nhiễm không khí ở nơi đó càng nghiêm trọng.
Ô nhiễm không khí nhất là ô nhiễm bụi ngày càng gia tăng vì vậy việc giám sát môi
trường không khí để cung cấp thông tin, dự báo những ảnh hưởng, tai biến môi trường
kịp thời cho người dân trong khu vực là một nhiệm vụ cấp thiết đặc biệt là miền Bắc
Việt Nam nơi có hiện trạng ô nhiễm không khí rất nặng.

Công nghệ viễn thám là một phần của công nghệ vũ trụ. Phát triển từ năm 1858, đầu
tiên do G.F Toumachon - Người Pháp sử dụng kinh khí cầu ở độ cao 80m để chụp ảnh
trên không, cũng là năm khai sinh ngành kỹ thuật viễn thám. Đến nay đang được áp
dụng trong nhiều lĩnh vực và được phổ biến rộng rãi ở các nước phát triển. Công nghệ
viễn thám đã trở thành phương tiện chủ đạo cho công tác giám sát tài nguyên thiên
nhiên và môi trường ở cấp độ từng nước, từng khu vực và trong phạm vi toàn cầu. Khả
năng ứng dụng công nghệ viễn thám ngày càng được nâng cao, đây là lý do công nghệ
này ngày càng dễ tiếp cận hơn.
Trước những ưu thế rõ rệt của ảnh vệ tinh MODIS với độ phân giải của ảnh trung bình
(250m), số kênh phổ lớn (36 kênh) và có kênh phổ để tính toán hàm lượng bụi. Cùng
với việc chụp ảnh vào hai thời điểm trong ngày (10 giờ 30 với vệ tinh TERRA và 13
giờ 30 với vệ tinh AQUA) ảnh MODIS có thể quan trắc các thông số môi trường trái
đất vào các thời điểm khác nhau trong ngày cũng như đêm. Ảnh MODIS cho phép tải
miễn phí trên internet. Do đó, đề tài đã lựa chọn sử dụng ảnh MODIS.
Với nhu cầu cấp bách của xã hội về việc giám sát môi trường không khí, việc nghiên
cứu giám sát hàm lượng bụi trong không khí thông qua xác định theo dõi hàm lượng
bụi PM2.5 trên ảnh vệ tinh MODIS là hết sức quan trọng, từ đó có thể chủ động trong
công tác ứng phó sự cố ô nhiễm môi trường. Do đó, việc thực hiện đề tài nghiên cứu
“Ứng dụng công nghệ GIS và ảnh vệ tinh MODIS để đánh giá sự thay đổi hàm
lượng bụi PM2.5 trong môi trường không khí ở miền Bắc Việt Nam” là rất cần
thiết.
2. Mục đích của đề tài
a/ Mục tiêu đề tài
2


Đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường không khí khu vực miền Bắc Việt Nam thông
qua hàm lượng bụi PM2.5 trên cơ sở ảnh vệ tinh MODIS. Đánh giá mức độ ô nhiễm
bằng cách nồng độ bụi được biểu thị tương ứng với các màu khác nhau.
b/ Nhiệm vụ đề tài

- Thu thập, hệ thống hoá, tổng hợp và đánh giá nguồn tài liệu, số liệu từ các dự án, đề
tài tương tự của trường ĐHCN, ĐHQG Hà Nội…, các báo cáo trước đây về nghiên
cứu giám sát môi trường không khí để tìm các phương pháp tối ưu cho việc xử lý số
liệu.
- Sử dụng ảnh vệ tinh MODIS để khảo sát trực tiếp hàm lượng bụi PM2.5 ở khu vực
miền Bắc Việt Nam trong 3 năm 2005, 2010, 2015. Dự kiến sử dụng 365 ảnh tương
ứng với mỗi ngày trong năm trên phạm vi toàn miền Bắc.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a/ Đối tượng nghiên cứu
Hàm lượng bụi PM2.5 trong môi trường không khí khu vực miền Bắc Việt Nam.
b/ Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi không gian : Môi trường không khí khu vực miền Bắc với tỉ lệ bản đồ
1:2.500.000.
Phạm vi thời gian : Các năm 2005, 2010, 2015.
4. Phương pháp nghiên cứu
-Phương pháp xử lý ảnh viễn thám: Thực hiện công tác xử lý, tính toán trực tiếp
hàm lượng bụi trên ảnh viễn thám MODIS. Sử dụng các phần mềm VERTICAL
MAPPER, GLOBAL MAPPER để giải đoán, tính toán và phân tích số liệu về bụi.
-Phương pháp sử dụng công nghệ GIS: Sử dụng phần mềm ARCMAP để thành lập
ảnh, bản đồ theo dõi diễn biến bụi PM2.5 theo trung bình năm.
-Phương pháp chuyên gia tư vấn: Tham khảo chuyên gia tư vấn trong lĩnh vực đo
đạc, giám sát môi trường không khí.

3


5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
a/ Ý nghĩa khoa học
Góp phần khẳng định và mở rộng khả năng ứng dụng phương pháp viễn thám phân
giải trung bình vào việc nghiên cứu ô nhiễm môi trường không khí bằng việc theo dõi

biến động hàm lượng bụi PM2.5.
b/ Ý nghĩa thực tiễn
Xây dựng phương pháp nghiên cứu đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường biển bằng
chỉ số hàm lượng bụi PM2.5, thông qua đó để giám sát, theo dõi từ đó đưa ra các biện
pháp xử lý kịp thời.
6. Bố cục của luận văn
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2. Tổng quan về khu vực nghiên cứu
Ứng dụng GIS đánh giá sự gia tăng hàm lượng bụi PM2.5 ở khu vực nghiên cứu.
Chương 3. Ứng dụng GIS đánh giá sự gia tăng hàm lượng bụi PM2.5 ở khu vực
nghiên cứu.
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Hệ thống thông tin địa lý (GIS)
1.1.1. Định nghĩa GIS
Theo ESRI: Hệ thống thông tin địa lý (GIS – Geographic information System) là một
tập hợp có tổ chức, bao gồm hệ thống phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý
và con người, được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển,
phân tích, và hiển thị tất cả các dạng thông tin liên quan đến vị trí địa lý

Hình 1.1: Hệ thống thông tin địa lý
Từ định nghĩa trên ta thấy rõ ba vấn đề sau của GIS. Thứ nhất, GIS có quan hệ với ứng
dụng CSDL. Toàn bộ thông tin trong GIS đều liên kết với tham chiếu không gian. Có
những CSDL chứa thông tin vị trí (địa chỉ đường phố…) nhưng CSDL GIS sử dụng

tham chiếu không gian như phương tiện chính để lưu trữ và xâm nhập thông tin. Thứ
hai, GIS là công nghệ tích hợp. Hệ GIS đầy đủ có đầy đủ khả năng phân tích, bao gồm
phân tích ảnh máy bay, ảnh vệ tinh hay tạo mô hình thống kê, vẽ bản đồ…Cuối cùng
GIS được xem như tiến trình không chỉ là phần cứng, phần mềm rời rạc mà GIS còn
được sử dụng vào trợ giúp quyết định. Cách thức nhập, lưu trữ, phân tích, dữ liệu trong
GIS phải phản ánh đúng cách thức thông tin sẽ được sử dụng trong công việc lập quyết
định hay nghiên cứu cụ thể.
1.1.2. Cấu trúc của GIS
Hệ thống GIS gồm có năm thành tố chính, bao gồm: con người, phần cứng, phần mềm,
phương pháp và dữ liệu.

5


Hình 1.2: Các thành phần của GIS
- Phần cứng
Phần cứng gồm máy vi tính, các thiết bị ngoại vi như bàn số hóa (Digitizer), máy quét
(Scanner), máy in (Printer), máy vẽ (Plotter), đĩa CD.

Hình 1.3: Các thiết bị phần cứng phục vụ GIS độc lập

6


Ngày nay, phần mềm GIS chạy được trên nhiều loại phần cứng khác nhau, từ các máy
chủ trung tâm (Computer servers) đến các máy trạm hoạt động độc lập hoặc liên kết
mạng.
- Phần mềm
Phần mềm là tập hợp các câu lệnh, chỉ thị nhằm điều khiển phần cứng của máy tính
thực hiện một nhiệm vụ xác định, phần mềm GIS có thể là một hoặc tổ hợp các phần

mềm máy tính. Phần mềm được sử dụng trong kỹ thuật GIS phải bao gồm các tính
năng cơ bản sau:
+ Nhập và kiểm tra dữ liệu: bao gồm tất cả các khía cạnh về biến đổi dữ liệu đã ở dạng
bản đồ, trong lĩnh vực quan sát vào một số dạng tương thích. Đây là giai đoạn rất quan
trọng trong việc xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý.
+ Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu: lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu đề cập đến phương
pháp kết nối thông tin vị trí (topology) và thông tin thuộc tính (attributes) của các đối
tượng địa lý. Hai thông tin này được tổ chức và liên hệ qua các thao tác trên máy tính
bởi người sử dụng hệ thống.
+ Xuất dữ liệu: dữ liệu đưa ra là các báo cáo kết quả quá trình phân tích tới người sử
dụng, có thể bao gồm các dạng: bản đồ (Map), bảng biểu (Table), biểu đồ (Figure)
được thể hiện trên máy tính, máy in, máy vẽ…
+ Biến đổi dữ liệu: biến đổi dữ liệu nhằm mục đích khắc phục lỗi từ dữ liệu và cập
nhật chúng. Biến đổi dữ liệu có thể được thực hiện trên dữ liệu không gian và thông tin
thuộc tính một cách tách biệt hoặc tổng hợp cả hai.
+ Tương tác với người dùng: tương tác với người dùng là yếu tố quan trọng nhất của
bất kỳ hệ thống thông tin nào. Các giao diện người dùng ở một hệ thống thông tin
được thiết kế phụ thuộc vào mục đích của ứng dụng đó.
Các phần mềm được sử dụng phổ biến hiện nay là: Arc/Info, MapInfo, WinGis,
Spans…Trong đó

7


• Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý số liệu thông tin địa lý: Arc/ Info, Span,
MGE/MicroStation…
• Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý và quản lý các thông tin địa lý: ArcView,
MapInfo…
Tùy theo yêu cầu và khả năng ứng dụng trong công việc cũng như khả năng kinh phí
của đơn vị, việc lựa chọn một phần mềm máy tính sẽ khác nhau.

- Con người
Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu không có con người tham gia quản lý hệ thống và
phát triển những ứng dụng GIS trong thực tế. Người sử dụng GIS có thể là những
chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống hoặc những người sử dụng GIS
để giải quyết các vấn đề trong công việc.
- Phương pháp
Phương pháp là việc phân tích dữ liệu không gian như tạo vùng đệm, phân tích vùng
lân cận, phân tích thống kê không gian…phân tích và ghi các dữ liệu thuộc tính về
biến. Ngoài ra, GIS còn sử dụng các phương pháp nội suy không gian dựa trên điểm,
đường, vùng…sử dụng phương pháp đo và tính toán, chuyển hệ tọa độ nhằm mục đích
trả lời những câu hỏi được đặt ra hay bài toán cần giải quyết.
- Dữ liệu
Bao gồm dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính.
+ Dữ liệu không gian:
Dữ liệu không gian là loại dữ liệu thể hiện chính xác vị trí trong không gian thực của
đối tượng và quan hệ giữa các đối tượng. Các dữ liệu không gian thể hiện các đối
tượng qua 3 yếu tố hình học cơ bản là điểm, đường, vùng. Thông tin vị trí các đối
tượng luôn phải kèm theo các thông tin về quan hệ không gian (Topology) được thể
hiện qua 3 kiểu quan hệ: liên thông, kề nhau, nằm trong hoặc bao nhau.

8


Dữ liệu không gian cung cấp các thông tin có tính đồ họa chỉ rõ hình dạng, vị trí, kích
thước và các nét đặc trưng của đối tượng trong thế giới thực trên mặt đất.
Dữ liệu không gian có 2 dạng là:
• Bản đồ, ảnh chụp từ máy bay, ảnh viễn thám.
• Số liệu thống kê tọa độ điểm theo 1 hệ quy chiếu nhất định (tọa độ, độ cao), số liệu
đo đạc (đo góc, khoảng cách) bằng máy kinh vĩ điện tử, toàn đạc điện tử.
+ Dữ liệu thuộc tính:

Là dữ liệu định tính hoặc định lượng ở dạng văn bản hoặc các số liệu thống kê, số liệu
phân tích trong phòng thí nghiệm được lưu trữ dưới dạng các tệp tin, chữ, dạng số có
thể nhập trực tiếp hoặc gián tiếp vào hệ thống GIS.
Dữ liệu thuộc tính cung cấp nhiều thông tin quan trọng về tính chất của đối tượng
được nghiên cứu.
1.1.3. Các chức năng cơ bản của GIS
- Nhập dữ liệu
Trước khi dữ liệu địa lý có thể dùng cho GIS thì dữ liệu này phải được chuyển sang
dạng số thích hợp, được biên tập và chỉnh sửa cho phù hợp với mục đích sử dụng. Quá
trình chuyển đổi dữ liệu từ bản đồ giấy sang các file dữ liệu dạng số gọi là quá trình số
hóa. Công nghệ GIS hiện đại có thể tự động một phần quá trình này với công nghệ
quét ảnh cho các đối tượng lớn, những đối tượng nhỏ hơn đòi hỏi phải có một số quá
trình số hóa thủ công (dùng bàn số hóa).
- Chuyển đổi dữ liệu
Có nhiều trường hợp dữ liệu đòi hỏi phải được chuyển dạng (format) và thao tác theo
một số cách để có thể tương thích với hệ thống nhất định. Trước khi các thông tin này
được liên kết với nhau, chúng phải được chuyển về cùng một tỷ lệ (mức chính xác
hoặc mức chi tiết). Đây có thể chỉ là sự chuyển dạng tạm thời cho mục đích hiển thị
hoặc cố định cho yêu cầu phân tích. GIS cung cấp các công cụ để thực hiện các mục
đích này.
9


- Thao tác dữ liệu
Công nghệ GIS cung cấp nhiều công cụ cho các thao tác trên dữ liệu không gian và
loại bỏ các dữ liệu không cần thiết. Các chức năng phục vụ cho mục đích sửa chữa,
biên tập là các công cụ tùy chọn như: bổ sung, sao chép, xóa, dịch chuyển dữ
liệu…Bên cạnh đó còn có các công cụ xây dựng các cấu trúc topology và biên tập dữ
liệu thuộc tính.
- Quản lý dữ liệu

Đối với các mô hình GIS nhỏ có thể lưu các dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính
dưới dạng các file đơn giản. Tuy nhiên, khi kích thước dữ liệu trở nên lớn hơn và cấu
trúc phức tạp hơn thì cách tốt nhất là sử dụng hệ quản lý cơ sở dữ liệu không gian
(GeoDBMS) để giúp cho việc lưu trữ, tổ chức và quản lý thông tin. Một GeoDBMS
chỉ đơn giản là một phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu.
Trong nhiều cấu trúc GeoDBMS khác nhau, cấu trúc quan hệ trong GIS tỏ ra hữu hiệu
nhất. Trong cấu trúc quan hệ, dữ liệu được lưu trữ ở dạng bảng. Các trường thuộc tính
chung trong các bảng khác nhau được dùng để liên kết các bảng này với nhau. Do linh
hoạt nên cấu trúc đơn giản này được sử dụng và triển khai khá rộng rãi trong các ứng
dụng cả trong và ngoài GIS.
- Hỏi đáp và phân tích không gian
GIS cung cấp khả năng hỏi đáp với các công cụ phân tích tinh vi để cung cấp thông tin
cho những người quản lý và phân tích. Các hệ GIS hiện đại có nhiều công cụ phân tích
hiệu quả, trong đó có công cụ đặc biệt để chồng xếp dữ liệu địa lý.
Chồng xếp là quá trình tích hợp các thông tin khác nhau. Thao tác phân tích thông tin
đòi hỏi một hoặc nhiều lớp dữ liệu phải được liên kết. Để rút ra các thông tin cần có
các thao tác tính toán số học và các phép logic được vận dụng trên các lớp thông tin
khác nhau được nhập vào.
Chồng xếp các dữ liệu khác nhau này được thực hiện theo một quá trình bậc thang.
Lớp dữ liệu cần biết thông tin của lớp dữ liệu khác sẽ được thực hiện thông qua phép

10


phân tích bảng chéo. Phép toán được thiết lập trên mỗi giá trị của lớp dữ liệu thứ nhất
và giá trị tương ứng của lớp dữ liệu thứ hai. Việc tiến hành phép phân tích bảng chéo
lớp dữ liệu cần biết thông tin khác với từng lớp dữ liệu cần lấy thông tin. Cuối cùng ta
được thông tin tổng hợp liên quan đến dữ liệu ban đầu. Do vậy, phép phân tích quan
hệ không gian này giúp làm rõ mối quan hệ giữa các đối tượng cần nghiên cứu với các
đối tượng khác.

Chồng xếp được tiến hành trên cả lớp dữ liệu vector và raster. Chồng xếp trên dữ liệu
raster tiến hành đơn giản hơn song dung lượng lưu trữ lại lớn hơn dữ liệu vector rất
nhiều nên việc xử lý mất nhiều thời gian hơn. Dữ liệu vector có dung lượng nhỏ hơn
và quá trình chồng xếp mất ít thời gian hơn nhưng độ chính xác lại kém hơn so với
chồng xếp dữ liệu raster. Do đó, tùy theo mục đích sử dụng và yêu cầu độ chính xác
của sản phẩm đầu ra mà ta lựa chọn loại chồng xếp trên dạng dữ liệu nào.
- Hiển thị
Hiển thị là một chức năng bắt buộc phải có của hệ thống thông tin địa lý. Dữ liệu lưu
trữ sau khi phân tích sẽ được hiển thị tùy theo yêu cầu đặt ra dưới dạng chữ và số
(text), dạng bảng biểu hoặc dạng bản đồ. Các tính toán chung và kết quả phân tích
được lưu giữ ở dạng chữ và số để dễ dàng in ra hoặc trao đổi giữa các phần mềm khác
nhau. Các dữ liệu thuộc tính có thể được lưu ở dạng bảng biểu hoặc các dạng cố định
khác. Bản đồ được thiết kế để hiển thị trên màn hình hoặc lưu dưới dạng điểm (plot
file) để in. Với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả hiển thị tốt nhất cuối cùng là
dưới dạng bản đồ số hoặc biểu đồ. Bản đồ khá hiệu quả trong việc lưu trữ và trao đổi
thông tin địa lý. GIS cung cấp nhiều công cụ mới và thú vị để mở rộng tính năng nghệ
thuật và tính khoa học của ngành bản đồ. Bản đồ, sơ đồ hiển thị có thể được kết hợp
với các bản báo cáo, hình ảnh ba chiều, ảnh chụp và các dữ liệu khác (đa phương tiện).

11


Hiện tượng
quan sát

Tài liệu và bản đồ
giấy

Thu thập
dữ liệu

Dữ liệu thô

CSDL

Lưu trữ
và khai
thác

Hiển thị và
tương tác

Xử lý sơ bộ
dữ liệu

Thiết bị đồ
họa

Dữ liệu có
cấu trúc

Tìm kiếm và
phân tích

Diễn giải

Hình 1.4: Các nhóm chức năng của GIS
1.1.4. Ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý GIS
Công nghệ GIS ngày càng được sử dụng rộng rãi. GIS có khả năng sử dụng dữ liệu
không gian và phi không gian từ các nguồn khác nhau khi thực hiện phân tích không
gian để trả lời các câu hỏi của người sử dụng. Các câu hỏi mà GIS có khả năng trả lời:

- Có cái gì ở…? Nhận diện (identification): nhận biết tên hay các thông tin khác của
đối tượng bằng cách chỉ ra vị trí trên bản đồ. Việc này cũng có thể thực hiện bằng cách
cung cấp số liệu tọa độ tuy nhiên kém hiểu quả hơn.
- Ở đâu? Vị trí (location): câu hỏi này dẫn đến một hoặc nhiều vị trí thỏa mãn yêu cầu
của người sử dụng. Nó có thể là tập tọa độ hay bản đồ chỉ ra vị trí của một đối tượng
cụ thể, hay toàn bộ đối tượng.

12


- Cái gì đã thay đổi từ...? Xu thế (trend): câu hỏi này liên quan đến các dữ liệu không
gian tạm thời. Ví dụ: câu hỏi liên quan đến phát triển thành thị dẫn đến chức năng hiển
thị bản đồ của GIS để chỉ ra các vùng lân cận được xây dựng từ năm 2000 đến 2010.
- Đường nào đi là tốt giữa…? Tìm đường đi tối ưu (optimal path): trên cơ sở mạng
lưới của đường đi (hệ thống đường bộ, đường thủy…) câu trả lời cho biết đường đi
nào là rẻ nhất và ngắn nhất.
- Giữa… và… có quan hệ gì? Mẫu (pattern): câu hỏi này khá phức tạp, tác động đến
nhiều dữ liệu. Thí dụ, câu trả lời có thể phản ánh quan hệ giữa khí hậu địa phương và
vị trí của nhà máy, công trình công cộng trong vùng lân cận.
- Cái gì xảy ra nếu…? Mô hình (model): câu hỏi này liên quan đến các hoạt động lập
quy hoạch và dự báo. Thí dụ, cần phải nâng cấp xây dựng mạng lưới giao thông, điện
như thế nào nếu phát triển khu dân cư về phía bắc thành phố.
1.2. Sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu ô nhiễm môi trường không
khí
1.2.1. Tổng quan sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu môi trường không
khí ở trong nước và nước ngoài
Chất lượng không khí là một trong những nguyên nhân sinh ra bệnh tật trong cộng
đồng. Nhất là ở các nước đang phát triển như nước ta hiện nay, chất lượng không khí
bị ô nhiễm do chất thải công nghiệp và bụi xây dựng gây nên. Để giám sát chất lượng
không khí, theo phương pháp truyền thống, chúng ta sử dụng mạng lưới các trạm đo

chất lượng không khí trong thành phố, khu dân cư theo mật độ phân bố nhất định. Nhờ
mạng lưới quan trắc đo các thành phần không khí hàng ngày (hàng giờ, hàng tuần,
hàng tháng) mà chúng ta có thể đưa ra phương pháp phòng ngừa, bảo vệ sức khỏe
cộng đồng. Nhược điểm lớn của giải pháp dựa vào mạng lưới trạm đo trên mặt đất là
tốn kém và sự khuếch tán bụi khí ô nhiễm không phản ảnh một cách khách quan vì sử
dụng hàm toán học để mô phỏng.
Tư liệu viễn thám rất đa dạng về chủng loại và độ phân giải không gian, bao gồm có
các loại ảnh máy bay, ảnh vệ tinh thám sát thu nhận trong các thời gian khác nhau;
trong đó loại ảnh đa phổ (Multispectral Image) hiện nay được sử dụng rất rộng rãi.
13


Ảnh đa phổ được thu nhận trên các thiết bị quang học trong dải sóng điện từ rất rộng,
từ phổ thị tần (Visible) cho đến phổ hồng ngoại (Infra-Red) và là nguồn cung cấp
thông tin quan trọng, phục vụ cho các nghiên cứu chuyên đề khác nhau. Với ưu thế
cung cấp thông tin thường xuyên và liên tục, quan sát trong một vùng rộng lớn, ảnh
viễn thám đã được phát triển và ứng dụng ở nhiều nước trong nghiên cứu môi trường
không khí.
Để phát hiện ô nhiễm không khí bằng công nghệ viễn thám, trên thế giới, người ta sử
dụng ba phương pháp chủ yếu:
- Phương pháp tính độ dày lớp sol khí AOD (Aerosol Optical Depth)
- Phương pháp đo các hạt bụi đen (Black particle)
- Phương pháp đánh giá biến động lớp phủ bề mặt (Land – cover change)
Ở nước ta ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu ô nhiễm môi trường không
khí đã được phát triển mạnh mẽ trong mấy năm trở lại đây. Lương Chính Kế, Hồ Thị
Vân Trang, Trần Ngọc Tưởng, Lâm Đạo Nguyên (2010) [2] nghiên cứu xây dựng bản
đồ ô nhiễm không khí trên khu vực Hà Nội và Cẩm Phả dựa trên đặc tính phổ và hình
học của ảnh Landsat ETM+ và SPOT.
Nhóm nghiên cứu Trường Đại học Công nghệ (ĐHCN), Đại học quốc gia Hà Nội
(2014) [3] tiến hành nghiên cứu giám sát nồng độ bụi PM2.5 sử dụng ảnh vệ tinh;

nghiên cứu và phát triển hệ thống WebGIS thu thập, xử lý, lưu trữ, cung cấp thông tin,
giám sát và cảnh báo về mức độ ô nhiễm bụi.
Trần Thị Vân, Trịnh Thị Bình, Hà Dương Xuân Bảo (2014) [4] nghiên cứu việc ứng
dụng công nghệ viễn thám sử dụng ảnh vệ tinh Landsat kết hợp số đo mẫu quan trắc
mặt đất cho kết quả mô phỏng phân bố không gian nồng độ bụi PM10 khu vực TP Hồ
Chí Minh. Tuy nhiên, hạn chế của nguồn ảnh Landsat là chu kỳ lặp chụp ảnh tại một vị
trí là 16 ngày, do đó dữ liệu chiết xuất từ ảnh không thể liên tục.
Trên thế giới, những nghiên cứu đầu tiên của Engel-Cox JA, Hoff RM và Haymet AD
(2004) [5] về đánh giá khả năng sử dụng vệ tinh địa tĩnh và dữ liệu vệ tinh để giám sát

14


chất lượng môi trường không khí. Qua vài nghiên cứu điển hình trong thời gian ngắn
nhóm tác giả đã nhận thấy tiềm năng to lớn hiện tại của vệ tinh Hoa Kỳ và các vệ tinh
quốc tế khác để giám sát môi trường không khí. Tuy nhiên việc sử dụng những dữ liệu
này cho việc giám sát môi trường không khí còn khó khăn bởi sự thiếu hợp tác giữa
các chuyên gia, nhà khoa học viễn thám với môi trường, những khó khăn về truy cập
cũng như sự hiểu biết về nguồn dữ liệu mới mẻ, tài nguyên hạn chế, cũng như sự hiểu
biết ít ỏi về tiềm năng và hạn chế của dữ liệu.
Ngay sau đó nhóm tác giả Mark Tulloch và Jonathan Li (2005) [6] ở Phòng thí
nghiệm Môi trường Ảo CFI ở Ban xây dựng dân dụng trường đại học Ryerson –
Toronto Canada đã đưa ra được những công trình nghiên cứu thực tế đầu tiên vê các
ứng dụng của vệ tinh viễn thám để giám sát môi trường không khí đô thị ở Canada.
Bài báo bắt đầu nghiên cứu với những đầu đo vệ tinh hiện có và với một số ví dụ về
các dữ liệu ảnh vệ tinh trong giám sát chất lượng không khí đô thị. Sau đó họ xem xét
ba phương pháp tiếp cận dựa trên những vệ tinh lớn: Đo độ dày của Aerosol trong khí
quyển, quan trắc hạt bụi đen và phân tích sự biến động thảm phủ mặt đất. Trọng tâm
của bài báo là phương pháp tiếp cận đầu tiên thông qua một phân tích chuyên sâu các
nghiên cứu trong các trường hợp khác nhau. Miêu tả khái quát ngắn gọn việc sử dụng

đa đầu đo đa thời gian và hình ảnh vệ tinh đa phổ để hiểu được mối quan hệ giữa đô
thị hóa, xu thế khí hậu và chất lượng không khí. Bài báo đã cung cấp một cách tiếp cận
đầy mới mẻ về giám sát chất lượng môi trường không khí bằng ảnh vệ tinh trong thời
gian đó.
1.2.2. Các loại ảnh viễn thám ứng dụng nghiên cứu môi trường không khí
1.2.2.1. Một số tư liệu viễn thám ứng dụng trong nghiên cứu ô nhiễm môi trường
không khí
Vệ tinh ENVISAT – EU với ảnh vệ tinh MERIS
Vệ tinh ENVISAT được thiết kế với mục đích quan trắc môi trường trái đất và bầu khí
quyển. Vệ tinh ENVISAT được phóng vào ngày 1 tháng 3 năm 2002 trên tên lửa đẩy
Ariane 5 vào quỹ đạo đồng bộ mặt trời. Các thuộc tính kỹ thuật của vệ tinh được nêu
trong bảng 2 phần phụ lục.

15