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

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội, 2017


2

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BÙI QUANG HƯNG
TS. NGUYỄN THỊ NHẬT THANH

Hà Nội, 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi
dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thị Nhật Thanh và TS. Bùi Quang Hưng. Các số
liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả nghiên cứu
trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan. Các kết
quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác.
Hà nội, ngày 12 tháng 12 năm 2017
Học viên

BÙI THỊ MAI


ii

LỜI CẢM ƠN
Trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ thông tin, trường
Đại học Công nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội đã tạo những điều kiện tốt nhất để tôi
thực hiện luận văn. Đặc biệt, xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến thầy cô
hướng dẫn của tôi: Cô Nguyễn Thị Nhật Thanh và thầy Bùi Quang Hưng đã định
hướng và dẫn dắt tôi hoàn thành luận văn. Đồng thời, trân trọng cảm ơn đến anh Phạm
Văn Hà, anh Trần Tuấn Vinh và các thành viên trong trung tâm FIMO đã giúp đỡ,

đóng góp và cung cấp những tri thức vô cùng quý báu cũng như những ý kiến xác
đáng cho tôi trong suốt thời gian qua. Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển
khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 102.99-2016.22.
Hà nội, ngày 12 tháng 12 năm 2017
Học viên

BÙI THỊ MAI


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN......................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................. II
MỤC LỤC................................................................................................................. III
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT.................................................... VI
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU............................................................................ VII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ................................................................ VIII
MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 1
1. Đặt vấn đề, định hướng nghiên cứu........................................................................... 1
2. Mục tiêu của luận văn................................................................................................ 2
3 .Phạm vi và phương pháp nghiên cứu......................................................................... 2
4. Kết cấu của luận văn.................................................................................................. 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ................................................................ 4
1.1.

Tổng quan về ô nhiễm không khí....................................................................... 4

1.2.

Tổng quan về sol khí.......................................................................................... 5

1.2.1.
1.2.2.
1.2.3.
1.3.

Khái niệm................................................................................................... 5
Nguồn gốc sản sinh sol khí........................................................................ 6
Tác động của sol khí lên Trái đất................................................................ 7

Độ dày quang học sol khí................................................................................... 8

1.3.1.
1.3.2.
1.3.3.

Khái niệm................................................................................................... 8
Phương pháp quan trắc............................................................................... 8
Mối quan hệ giữ độ dày quang học sol khí và ô nhiễm không khí...........10

CHƯƠNG 2: CÁC SẢN PHẨM ẢNH VỆ TINH.................................................... 11
2.1.

Sản phẩm sol khí của MODIS.......................................................................... 11

2.1.1.
2.1.2.
2.1.3.
2.1.4.

2.2.

Các sản phẩm sol khí của VIIRS...................................................................... 18

2.2.1.
2.2.2.
2.2.3.
2.3.

Giới thiệu về MODIS............................................................................... 11
Các sản phẩm sol khí của MODIS........................................................... 12
Sản phẩm sol khí MODIS 3 km (MOD04_3K và MYD04_3K)..............15
Sản phẩm điểm cháy của MODIS (MCD14ML)...................................... 16
Giới thiệu về VIIRS................................................................................. 18
Các sản phẩm sol khí của VIIRS.............................................................. 18
Sản phẩm sol khí EDR AOD.................................................................... 20

Dữ liệu sol khí của AERONET........................................................................ 21


iv
2.3.1.Giới thiệu về AERONET ..........................................................................
2.3.2.Dữ liệu sol khí từ các trạm AERONET .....................................................
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ24
3.1.

Mô tả bài toán .....................................................................

3.2.

Các nghiên cứu liên quan ...................................................

3.2.1.
3.2.2.
3.3.

Trên thế giới ................
Trong nước ..................

Phương pháp tiền xử lý dữ liệu ..........................................

3.3.1.Tiền xử dữ liệu ảnh vệ tinh ........................................................................
3.3.2.Tiền xử lý dữ liệu quan trắc và dữ liệu các điểm cháy ..............................
3.4.

Phương pháp tích hợp dữ liệu.............................................

3.5.

Phương pháp đánh giá độ dày quang học sol khí ...............

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .......................................................
4.1.

Khu vực nghiên cứu ...........................................................

4.2.

Cài đặt thực nghiệm ............................................................

4.2.1.Chuẩn bị dữ liệu ........................................................................................
4.2.2.Cài đặt và xử lý dữ liệu .............................................................................
4.2.3.Cơ sở dữ liệu .............................................................................................
4.2.4.Tích hợp dữ liệu AOD từ vệ tinh và AOD từ AERONET ........................
4.3.

Tập dữ liệu ..........................................................................

4.4.

Đánh giá chung ...................................................................

4.4.1.Đánh giá AOD của MODIS ......................................................................
4.4.2.Đánh giá AOD của VIIRS .........................................................................
4.5.

Đánh giá tổng hợp cả VIIRS và MODIS ............................

4.5.1.Đánh giá AOD từ VIIRS và MODIS theo từng quốc gia .........................
4.5.2.Đánh giá AOD từ VIIRS và MODIS với AERONET AOD theo khu vực
thành thị và nông thôn ...............................................................................................
4.5.3.Mối quan hệ giữ AOD từ VIIRS, MODIS và AERONET với tình hình
cháy trong khu vực ....................................................................................................
KẾT LUẬN ..................................................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................
PHỤ LỤC 1: THỐNG KÊ DỮ LIỆU CÁC TRẠM AERONET...............................
PHỤ LỤC 2: CÁC TẬP DỮ LIỆU ẢNH MODIS 3 KM .........................................
PHỤ LỤC 3: CÁC TẬP DỮ LIỆU ẢNH SOL KHÍ VIIRS ....................................

v
PHỤ LỤC 4: CÀI ĐẶT VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU .........................................................
4.1.Download các sản phẩm ....................................................................................
4.1.1.

Download MOD04_3K và MYD04_3K – sản phẩm sol khí MODIS 3 km

20
4.1.2.Download GAERO_VAOOO – sản phẩm sol khí VIIRS 6 km ...............
4.1.3.Download dữ liệu AERONET ...................................................................
4.1.4.Download MCD14ML - dữ liệu các điểm cháy của MODIS ...................

4.2. Các chương trình xử lý .......................................................
4.2.1.Chương trình xử lý ảnh MODIS 3 km ......................................................
4.2.2.Chương trình xử lý ảnh VIIRS 6 km .........................................................
4.2.3.Chương trình xử lý dữ liệu AERONET ....................................................
4.2.4.Chương trình xử lý dữ liệu các điểm cháy ................................................

4.3. Các bảng trong cơ sở dữ liệu ..............................................

4.4. Chương trình tích hợp dữ liệu ............................................


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
AOD
AOD
MODIS

VIIRS
FIMO
AERONET
NASA
PHOTONS

CLASS
NOAA
NAAPS
TOA
GAERO
VAOOO


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1: Thống kê các trạm AERONET trong vùng nghiên cứu........................................ 40
Bảng 4.2: Danh mục các bảng trong cơ sở dữ liệu..................................................................... 51
Bảng 4.3: Thống kê dữ liệu MODIS, VIIRS................................................................................. 53
Bảng 4.4: Đánh giá MODIS AOD toàn khu vực nghiên cứu theo các năm......................56
Bảng 4.5: Phân bố giá trị MODIS AOD......................................................................................... 57
Bảng 4.6: Đánh giá MODIS AOD toàn khu vực theo các tháng trong năm..................... 58
Bảng 4.7: VIIRS AOD trung bình qua các năm........................................................................... 60
Bảng 4.8: Tỷ lệ % VIIRS AOD và AERONET AOD................................................................ 61
Bảng 4.9: Đánh giá MODIS và VIIRS AOD theo các quốc gia............................................ 63
Bảng 4.10: Đánh giá AOD theo khu vực thành thị và nông thôn.......................................... 68


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Bão bụi tại Phoenix năm 2011.......................................................................................... 6
Hình 1.2: Ồng khói nhà máy thải khói ra môi trường không khí............................................. 6
Hình 1.3:Mạng lưới các trạm quan trắc mật đất trên thế giới................................................... 9
Hình 1.4: Mạng lưới các vệ tinh quan sát Trái đất......................................................................... 9
Hình 2.1: Bức ảnh đầu tiên thu được của MODIS vào 24/2/2000...............................12
Hình 2.2: Cấu trúc cảm biến MODIS.......................................................................... 12
Hình 2.3: Quá trình xử lý của MODIS [14]................................................................. 13
Hình 2.4: Minh họa cách tổ chức các điểm ảnh của sản phẩm 10Km và 3 km............15
Hình 2.5: Các tập dữ liệu từ ảnh sol khí MODIS......................................................... 16
Hình 2.6: Bản đồ các điểm cháy khu vực Đông Nam Á ngày 28/09/2015..................17
Hình 2.7: Các tập dữ liệu ảnh vệ tinh VIIRS............................................................... 20
Hình 2.8: Thiết bị đo đạc của trạm quan trắc AERONET............................................ 21
Hình 3.1: Mô hình đánh giá dữ liệu sol khí................................................................................... 25
Hình 3.2: Các bước xử lý ảnh MODIS............................................................................................ 29
Hình 3.3: Quá trình xử lý ảnh vệ tinh VIIRS................................................................................ 31
Hình 3.4: Quá trình tích hợp số liệu từ MODIS, VIIRS và AERONET.............................32
Hình 3.5: Tích hợp dữ liệu của vệ tinh và của các trạm AERONET................................... 33
Hình 3.6: Quá trình đánh giá và các tham số thống kê sử dụng trong nghiên cứu.........34
Hình 4.1: Các nước trong khu vực Đông Nam Á. [9]............................................................... 37
Hình 4.2: bản đồ các nước đông nam á [7].................................................................................... 38
Hình 4.3: Bản đồ các trạm AERONET thực hiện nghiên cứu................................................ 39
Hình 4.4: Các giai đoạn thực nghiệm.............................................................................................. 41
Hình 4.5: Tải sản phẩm sol khí MODIS 3 km.............................................................................. 42
Hình 4.6: Tải sản phẩm sol khí VIIRS............................................................................................ 43
Hình 4.7: Tải dữ liệu AOD từ AERONET..................................................................................... 44
Hình 4.8: Tải dữ liệu các điểm cháy của MODIS....................................................................... 44
Hình 4.9: Chương trình tiền xử lý sản phẩm MODIS............................................................... 45

ix
Hình 4.10: Chương trình lọc giá trị cờ chất lượng ảnh VIIRS............................................... 46
Hình 4.11: Chương trình tiền xử lý sản phẩm VIIRS................................................................ 47
Hình 4.12: Chương trình xử lý dữ liệu từ AERONET.............................................................. 49
Hình 4.13: Mô hình cơ sở dữ liệu..................................................................................................... 50
Hình 4.14: Các tệp CSV sau khi tích hợp dữ liệu AOD............................................................ 52
Hình 4.15:Xác định thời gian và bán kính tích hợp dữ liệu.................................................... 54
Hình 4.16: Xác định T và R cho VIIRS.......................................................................................... 55
Hình 4.17: Biểu đồ xu hướng MODIS AOD trung bình qua các năm................................ 56
Hình 4.18: Biểu đồ xu hướng MODIS AOD trung bình các tháng trong năm................57
Hình 4.19: Biểu đồ tán xạ thể hiện MODIS AOD của toàn khu vực................................... 59
Hình 4.20: Biểu đồ VIIRS AOD trung bình năm từ 2012 – 2016........................................ 60
Hình 4.21: AOD trung bình các tháng trong năm của VIIRS và AERONET...................61
Hình 4.22: Biểu đồ tán xạ thể hiện VIIRS AOD của toàn khu vực...................................... 62
Hình 4.23: Tương quan của MODIS AOD, VIIRS AOD và AERONET AOD từ 2012 –

2016 của (a) Hồng Kông, (b) Indonesia, (c) Lào, (d) Malaysia, (e) Philippines, (f)
Singapore, (g) Đài Loan, (h) Thái Lan, (i) Việt Nam................................................................ 65
Hình 4.24: Sự biến đổi MODIS và VIIRS AOD theo gió mùa đông bắc và gió mùa tây
nam................................................................................................................................................................ 66
Hình 4.25 Diễn biến MODIS vfa VIIRS AOD qua các năm ở khu vực thành thị và nông

thôn............................................................................................................................................................... 67
Hình 4.26: Đánh giá MODIS, VIIRS, AERONET AOD theo khu vực thành thị và nông

thôn............................................................................................................................................................... 68
Hình 4.27: Biểu đồ thống kê số các điểm cháy theo năm........................................................ 69
Hình 4.28: Biểu đồ thống kê số điểm cháy theo các tháng...................................................... 70
Hình 4.29: Biểu đồ AOD theo số lượng các vụ cháy rừng năm 2012................................. 70

Hình 4.30: Biểu đồ AOD theo số lượng các vụ cháy rừng năm 2013................................. 71
Hình 4.31: Biểu đồ AOD theo số lượng các vụ cháy rừng...................................................... 71
Hình 4.32: Biểu đồ AOD theo các vụ cháy rừng năm 2015.................................................... 72
Hình 4.33: Biểu đồ AOD theo số lượng các vụ cháy rừng năm 2012................................. 73


x
Hình 4.34: Thống kê các điểm cháy tại Hồng Kông.................................................................. 73
Hình 4.35: Thống kê các điểm cháy tại Indonesia...................................................................... 74
Hình 4.36: Thống kê các điểm cháy tại Lào.................................................................................. 75
Hình 4.37: Thống kê các điểm cháy tại Malaysia....................................................................... 75
Hình 4.38: Thống kê các điểm cháy tại Philippines................................................................... 76
Hình 4.39: Thống kê các điểm cháy tại Singapore..................................................................... 76
Hình 4.40: Thống kê các điểm cháy tại Thái Lan....................................................................... 77
Hình 4.41: Thống kê các điểm cháy tại Đài Loan....................................................................... 78
Hình 4.42: Thống kê các điểm cháy tại Việt Nam...................................................................... 78


1

MỞ ĐẦU
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 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


2
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 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. 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.


3
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:
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.


4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ
1.1.

Tổng quan về ô nhiễm không khí

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.
Ngoài các thành phần chính của không khí, bất kỳ một chất nào ở dạng rắn, lỏng,
khí được thải vào môi trường không khí với nồng độ đủ để gây ảnh hưởng tới sức khỏe
con người, gây ảnh hưởng xấu đến sự sinh trưởng, phát triển của động, thực vật, phá huỷ
vật liệu, làm giảm cảnh quan môi trường đều gây ô nhiễm môi trường không khí.
Có thể phân chia chất gây ô nhiễm không khí thành hai loại: chất ô nhiễm sơ cấp
và thứ cấp. Chất ô nhiễm sơ cấp: Là chất ô nhiễm xâm nhập trực tiếp vào môi trường từ
nguồn phát sinh: SO2, CO2, CO, bụi…Chất ô nhiễm thứ cấp: Là chất thâm nhập vào môi
trường thông qua phản ứng giữa các chất ô nhiễm sơ cấp và phản ứng thông thường của
khí quyển: SO3 sinh ra từ SO2 + O2; H2SO4 sinh ra từ: SO2 + O2 + H2O…

Các nhân tố góp phần tạo nên ô nhiễm không khí bao gồm cả nhân tố tự nhiên

và do con người. Các nhân tố tự nhiên như: động đất, núi lửa phun trào phát tán khói
bụi và các chất ô nhiễm vào không khí, bão cát sa mạc, cháy rừng gây ra các đám khói
mù bao phủ trên diện rộng, quá trình phân hủy động thực vật… Các nhân tố ô nhiễm
do con người tạo ra thường phát sinh từ quá trình hoạt động công nghiệp như đốt than,
dầu tại các nhà máy nhiệt điện, khói bụi từ các phương tiện giao thông, các công trình
xây dựng, sinh hoạt, nông nghiệp, dịch vụ thương mại, ...
Ô
nhiễm không khí gây ra nhiều thảm họa như là hiện tượng “nghịch đảo nhiệt”
kìm hãm không cho khí thải phát tán lên cao gây ra hiện tượng trúng độc. Hiện tượng
nóng lên của Trái đất làm cho băng tan và mực nước biển dâng cao. Hiện tượng này
cũng do sự phát triển của các khu công nghiệp không đảm bảo việc xử lý chất thải, dẫn
đến hiện tượng hiệu ứng nhà kính. Hiện tượng nóng lên toàn cầu gây ra khô hạn do
thiếu nước tại nhiều khu vực. Mưa axit tác động lên Động, thực vật làm thiếu thức ăn
cho các loài động vật và phá huỷ các loài thực vật. Đặc biệt, ô nhiễm không khí đe dọa
sức khỏe của con người, như bệnh về hô hấp, tim mạch, tăng nguy cơ ung thư, bệnh về
da… Theo công bố năm 2016 của WHO, hơn 80% dân số thành thị trên toàn cầu đang
hít thở bầu không khí kém trong lành và điều này đang làm gia tăng nguy cơ mắc các
loại bệnh ở người dân (tỷ lệ này là 98% các thành phố có mức thu nhập thấp và trung
bình, trong khi đó, tại các thành phố có mức thu nhập cao, tỷ lệ này là 56%) [2].


5

1.2.

Tổng quan về sol khí

1.2.1. Khái niệm
Sol khí (aerosol) bao gồm các hạt rắn, lỏng tồn tại lơ lửng trong khí quyển, là
một trong những tác nhân quan trọng gây nên biến đổi tính chất quang học, hóa học

khí quyển, chúng tác động tới quá trình hình thành mây, tán xạ và hấp thụ năng lượng
bức xạ, gây nên những biến đổi trong hệ thống thời tiết - khí hậu [1].
Theo [3] bán kính hạt sol khí chia thành 3 cấp khác nhau. Phần tử cực nhỏ (< 0.1

µm): phát sinh từ các phần tử khí như khí SO 2 (phát sinh từ phun trào núi lửa, đốt các
nguyên liệu như gỗ, than, phân khô, rơm, rác…), NO x (phát sinh từ việc đốt nguyên
liệu trong động cơ đốt trong, trong quá trình hàn điện, khói thải từ các phương tiện…)
và Cacbon hữu cơ dễ bay hơi bị oxi hóa và ngưng tụ lại. Phần tử cực lớn (xấp xỉ 1
µm): là các hạt thô, do gió và sự di chuyển của các luồng khí, bốc hơi nước... đẩy lên
bầu khí quyển. Phần tử trung gian (0.1 µm – 1 µm): đây là dạng sol khí tích tụ lâu nhất
từ vài ngày đến vài tuần trong khí quyển. Ảnh hưởng tới biến đổi khí hậu vì khả năng
tương tác với năng lượng mặt trời.
Sol khí là gốc rễ của một số các vấn đề về môi trường bao gồm ô nhiễm không khí,
sự phá hủy của tầng ozon… Sol khí tác động trực tiếp và gián tiếp lên trữ lượng bức xạ
của Trái đất và khí hậu. Sol khí trực tiếp phản xạ và phân tán các tia bức xạ mặt trời vào
không gian. Một vài các thành phần trong sol khí có thể hấp thụ các tia bức xạ mặt trời.
Tác động gián tiếp là khi sol khí ở tầng thấp của khí quyển có thể làm thay đổi kích cỡ của
các phần tử mây, làm thay đổi phản xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời của mây, và như vậy tác
động lên trữ lượng năng lượng của Trái đất. Sol khí cũng đóng vai trò làm nơi gây ra các
phản ứng hóa học. Đáng kể nhất là phản ứng có tác động phá hoại ozon

ở tầng bình lưu. Các phản ứng hóa học xảy ra ở khu vực tập trung nhiều các phần tử
mây bụi. Các phản ứng này chủ yếu là phản ứng Clo và cuối cùng chúng phá hủy ozon
ở tầng bình lưu.
Chúng ta có thể nhận thấy sự hiện diện của sol khí khi chúng đủ lớn thông qua
sự phân tán và hấp thụ tia bức xạ mặt trời của sol khí. Sự phân tán bức xạ mặt trời của
sol khí có thể làm giảm khả năng nhìn và làm ửng đỏ khi mặt trời mọc và mặt trời lặn.
Những sol khí này có nhiều nguồn gốc, có thể là nguồn gốc tự nhiên như từ đất, từ
muối biển, từ các đám cháy thực vật, từ núi lửa phun trào, từ bão cát… hoặc cũng có
thể do con người tạo ra từ việc đốt cháy các chất thải, nhiên liệu than và dầu trong các

khu công nghiệp, từ các phương tiện giao thông, rác thải sinh hoạt… tạo ra các phần tử
sulfat, cacbon đen...


6
1.2.2. Nguồn gốc sản sinh sol khí
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.
Loại sol khí thứ nhất phải kể đến là sol khí của núi lửa. Loại sol khí này được
hình thành ở tầng bình lưu sau các trận phun trào lớn của núi lửa. Lớp sol khí chủ yếu
hình thành bởi khí SO2, sau đó chuyển đổi thành các giọt axit sulfuric trong tầng bình
lưu tồn tại từ một tuần tới vài tháng sau khi núi lửa phun trào. Sau mỗi lần hình thành,
các sol khí này tồn tại trong tầng đối lưu khoảng hai năm. Chúng phản xạ bức xạ mặt
trời, giảm lượng năng lượng tới tầng thấp hơn của khí quyển và bề mặt Trái đất, từ đó
làm lạnh bề mặt Trái đất trong thời gian dài.
Loại sol khí thứ hai có tác động đáng kể lên khí hậu là bụi sa mạc (Hình 1.1 bão
bụi). Bụi hấp thụ cũng như phân tán tia bức xạ mặt trời. Thông qua hấp thụ tia bức xạ
mặt trời, các phần tử bụi làm ấm lớp khí quyển nơi chúng cư trú. Không khí ấm được
cho là nguyên nhân ngăn chặn sự hình thành của mây. Thông qua sự ngăn chặn hình
thành mây, mưa… dẫn đến thiếu hụt nước ở các khu vực này. Vì vậy, màn bụi được
cho là nguyên nhân gây ra sa mạc hoá tại nhiều khu vực trên thế giới.

Hình 1.1: Bão bụi tại Phoenix năm 2011

Hình 1.2: Ồng khói nhà máy thải khói ra môi
trường không khí

Loại sol khí thứ ba là do các hoạt động của con người. Phần lớn sol khí tạo bởi con
người là do khói bụi từ cháy rừng nhiệt đới, ô nhiễm khu công nghiệp, khí thải từ giao

thông, đốt than và dầu phục vụ công nghiệp và nông nghiệp (Hình 1.2 cho thấy hoạt động
gây ra sol khí của con người tại các nhà máy công nghiệp). Sol khí sulfat không hấp thụ
bức xạ mặt trời nhưng phản xạ chúng, bởi vậy làm giảm lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt
Trái đất. Sol khí sulfat tồn tại trong khí quyển khoảng 3 – 5 ngày. Sol khí sulfat tạo bởi
con người trong khí quyển đang tăng lên nhanh chóng kể từ cuộc cách mạng công nghiệp.
Với mức độ sản xuất hiện tại, lượng sol khí sulfat của con người


7
tạo ra đã vượt xa nhiều lần lượng sol khí mà núi lửa phát thải hàng năm. Nghiêm trọng
nhất là tại các vùng đô thị, khu công nghiệp… Cần có biện pháp để làm giảm các loại
sol khí do con người tạo ra bằng cách sử dụng các nguồn nhiên liệu thân thiện với môi
trường, quy hoạch đúng cách sự phát triển nông nghiệp, công nghiệp, bảo vệ các rừng
đầu nguồn…từ đó giảm trừ một cách hiệu quả và lâu dài tác động của sol khí đến động
vật, thực vật và con người.
1.2.3. Tác động của sol khí lên Trái đất
Sol khí ảnh hưởng tới khí hậu theo cách trực tiếp bởi phản xạ tia bức xạ từ mặt
trời vào không gian. Một phần sol khí sẽ phân tán và hấp thụ các tia bức xạ này. Do đó
số lượng bức xạ mặt trời đến bề mặt Trái đất sẽ giảm xuống. Các hạt sol khí tối hơn
như cacbon đen hấp thụ một lượng đáng kể bức xạ làm ấm lớp khí quyển chứa carbon
đen và làm lạnh bề mặt Trái đất. Theo NASA, các đám mây sol khí phản xạ khoảng
25% lượng bức xạ mặt trời quay trở lại không gian.
Sol khí ảnh hưởng gián tiếp đến khí hậu thông qua ngưng kết của mây, làm thay
đổi tính chất vật lý vi mô của mây, đặc tính bức xạ và thời gian tồn tại của mây. Những
thay đổi vật lí vĩ mô của mây như độ bao phủ, cấu trúc, độ cao và những thay đổi vật lý

vi mô như kích thước hạt có tác động lớn tới khí hậu. Sol khí tác động tới độ phản xạ
của mây và thời gian tồn tại của mây. Sự hấp thụ bức xạ mặt trời và phản xạ lại bức xạ
đó của các phần tử hình thành sau các vụ cháy, đã dẫn đến hệ quả là làm nóng khối
không khí và làm thay đổi độ ổn định khí quyển.

Các sol khí gốc sulfat có vai trò hạt nhân ngưng tụ mây làm cho các đám mây
có giọt nhỏ và nhiều hơn. Các đám mây này phản xạ bức xạ mặt trời có hiệu quả hơn
là các đám mây ở dạng giọt lớn. Hiệu ứng này cũng làm cho các giọt mây có kích
thước đồng nhất hơn, làm giảm sự hình thành giọt mưa và làm mây phản chiếu mạnh
hơn đối với ánh sáng mặt trời tới Trái đất. Bồ hóng (soot) có thể làm lạnh hoặc ấm tùy
thuộc vào vật thể nó bám trong khí quyển. Bồ hóng bám trên các sol khí trong khí
quyển hấp thụ trực tiếp bức xạ mặt trời làm nóng khí quyển và làm lạnh bề mặt đất.
Thêm vào đó, sol khí làm thay đổi hiệu ứng bức xạ tại đỉnh khí quyển và làm thay đổi
năng lượng tới bề mặt thông qua các quá trình đối lưu, bốc hơi và giáng thủy. Cả hai
hiệu ứng trực tiếp và gián tiếp đều làm giảm lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái đất,
làm tăng nhiệt của cột khí quyển.
Các sol khí gây bất lợi cho sức khỏe của con người và làm giảm tầm nhìn bởi sự
phân tán và hấp thụ bức xạ. Chất lượng không khí suy giảm sẽ làm gia tăng nguy cơ đột
qụy, mắc các bệnh về tim mạch, ung thư phổi, các bệnh hô hấp cấp tính và mãn tính.


8
Theo thống kê của WHO vào năm 2015, hằng năm trên thế giới có khoảng 2 triệu trẻ
em bị tử vong do nhiễm khuẩn đường hô hấp cấp, trong đó khoảng 60% trường hợp có
liên quan đến ô nhiễm không khí. Sol khí cũng ảnh hưởng tới sự quang hợp và tỉ lệ
hấp thụ cacbon của hệ sinh thái.

1.3.

Độ dày quang học sol khí

1.3.1. Khái niệm
Độ dày quang học sol khí - Aerosol Optical Thickness (AOD) hoặc Aerosol
Optical Depth (AOD) là đại lượng đặc 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.
Độ dày quang học sol khí được sử dụng và ứng dụng rộng rãi trong: Hiệu chỉnh
ảnh hưởng của khí quyển tới tín hiệu thu nhận bằng công nghệ viễn thám; Giám sát
nguồn và các khu vực tập trung sol khí; Xây dựng mô Hình truyền bức xạ; Đánh giá
chất lượng không khí; Nghiên cứu sự thay đổi khí hậu...
Để tính toán độ dày quang học sol khí (AOD), người ta thực hiện đo sự tán xạ và
hấp thụ ánh sáng mặt trời của các thành phần trên một cột không khí tính từ vị trí tại mặt
đất đến đỉnh của bầu khí quyển. Để dễ dàng quan sát AOD, người ta đã tạo ra các thiết bị
đo và thiết lập các trạm đo đạc tại nhiều điểm trên toàn thế giới. Có 2 phương thức sử
dụng các thiết bị đo để quan sát độ dày quang học sol khí là từ mặt đất và từ vệ tinh.

Quan sát từ mặt đất: là phương pháp sử dụng các quang kế đặt trên bề mặt Trái
đất để đo sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng mặt trời của các phần từ sol khí. Phương pháp
này có độ chính xác cao, nhưng nó chỉ đại diện cho một khu vực nhỏ quanh trạm.
Quan sát từ vệ tinh: là phương pháp sử dụng các cảm biến được gắn trên vệ tinh
để đo lường. Phương pháp này kém chính xác hơn, nhưng có độ che phủ lớn nên được
ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và giám sát sol khí trong khu vực và toàn cầu.
1.3.2. Phương pháp quan trắc
Độ dày quang học sol khí (AOD) là thước đo của sol khí (ví dụ như sương mù đô
thị, các đám mây khói, bụi sa mạc, muối biển) phân bố trong một cột không khí từ dụng
cụ (đặt trên bề mặt Trái đất) đến đỉnh của bầu khí quyển (Top of Atmosphere) [10]. Điện
áp (V) được đo bởi một quang kế mặt trời tỉ lệ thuận với độ chiếu sáng (I) tới dụng cụ ở bề
mặt. Áp suất quang phổ (Io) về điện áp (Vo) ước tính được bằng phép đo


9
quang phổ mặt trời. Độ sâu quang học tổng thể (τTOT) có thể đạt được theo phương trình
(1) theo luật Beer-Lambert-Bouguer:
2

V (λ) = Vo (λ) d exp [-τ (λ)TOT * m]
Trong đó:
V là điện áp kỹ thuật số đo được ở bước sóng λ.Vo là điện thế ngoài Trái đất,
d là tỷ số trung bình với khoảng cách Trái đất-Mặt trời,
τTOT là chiều sâu quang học tổng thể, và
m là khối lượng không khí quang học
Các thành phần khí quyển khác có thể phân tán ánh sáng và phải được xem xét
khi tính toán AOD. Độ sâu quang học do hơi nước, tán xạ Rayleigh và các khí khác
phụ thuộc vào bước sóng phải được trừ đi từ tổng chiều sâu quang học để thu được
thành phần của sol khí theo công thức (2):
τ(λ)Aerosol = τ(λ)TOT - τ(λ)water - τ(λ)Rayleigh - τ(λ)O3 - τ(λ)NO2 - τ(λ)CO2 - τ(λ)CH4
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.

Hình 1.3:Mạng lưới các trạm quan trắc
mật đất trên thế giới

Hình 1.4: Mạng lưới các vệ tinh quan
sát Trái đất


10

Đồng thời, nhiều vệ tinh được phóng lên để quan sát và nghiên cứu về đất, nước,
tầng ozon và khí hậu Trái đất. Hình 1.4 cho thấy mạng lưới các vệ tinh quan sát Trái đất ví
dụ như cảm biến MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) được gắn
trên vệ tinh Aqua và vệ tinh Terra, VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)
được gắn trên vệ tinh Suomi-NPP, MIRS được gắn trên vệ tinh Aqua và Terra, OMI (Ozon
Monitoring Instrument) được gắn trên vệ tinh AURA… Các vệ tinh này bay quanh Trái
đất theo quỹ đạo và gửi số liệu quan sát và chụp được về trung tâm.

1.3.3. Mối quan hệ giữ độ dày quang học sol khí và ô nhiễm không khí
Một trong số các thành phần gây ô nhiễm không khí là bụi và sol khí. Các chất
này gây ảnh hưởng tới cân bằng sinh thái, là nguồn gốc gây nên sương mù, cản trở
phản xạ tia mặt trời, làm thay đổi pH trên mặt đất (tro bụi có tính kiềm); tích tụ chất
độc (kim loại nặng, hydrocacbon thơm ngưng tụ ...) trên cây cối; gây ăn mòn da; làm
hại mắt và cơ quan hô hấp. Độ dày quang học sol khí là đại lượng đặc trưng cho sự tán
xạ và hấp thu ánh sáng mặt trời của sol khí. AOD có giá trị càng cao thì khu vực bị ô
nhiễm càng nặng.
Các nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học trên thế giới về việc kết hợp giữa
ảnh viễn thám khí tượng MODIS và dữ liệu quan trắc tại các trạm khí tượng mặt đất đã có
nhiều kết quả đáng kể. Trong đó có việc chứng minh được mối liên hệ và tìm ra sự tương
quan giữa AOD và nồng độ PM. Theo [11] Particulate Matter (PM) là một số hỗn hợp
phức tạp của các hạt rất nhỏ và các giọt chất lỏng gây ô nhiễm tìm thấy trong không khí.
PM có kích cỡ 1 – 10 m gây ảnh hưởng nghiêm trọng nhất tới sức khỏe con người.

Nghiên cứu của Pawan Gupta và cộng sự vào năm 2006 [10] đã chỉ ra mối quan
hệ mật thiết giữa AOD và PM2.5 (các chất gây ô nhiễm không khí có kích thước nhỏ
hơn 2.5 µm). Theo nghiên cứu, AOD có nguồn gốc từ vệ tinh là số liệu tốt để giám sát
chất lượng không khí PM trên Trái đất. Tuy nhiên, phân tích cũng cho thấy mối quan
hệ giữa PM2.5 và AOD phụ thuộc mạnh vào nồng độ sol khí, độ ẩm môi trường xung
quanh (RH), độ che phủ của mây… Dựa trên sự tương quan này, nhiều tác giả đã thực
hiện ước tính nồng độ PM dựa trên số liệu AOD từ vệ tinh. Năm 2005, YANG LIU và

cộng sự đã nghiên cứu về ước tính PM2.5 ở miền Đông nước Mỹ sử dụng ảnh viễn
thám [12]. Nghiên cứu của Nguyễn Thị Nhật Thanh và cộng sự năm 2014 [13] đã thực
hiện ước tính nồng độ PM1, PM2.5 và PM10 từ các sản phẩm khí quyển thu được từ
các ảnh vệ tinh. Nghiên cứu áp dụng hồi quy tuyến tính (MLR) và hồi quy hỗ trợ
(SVR) để tạo ra các mô hình dữ liệu thực nghiệm cho ước lượng PM 1/2.5/10 từ dữ
liệu vệ tinh và mặt đất. Các thí nghiệm được thực hiện tại Hà Nội - Việt Nam.


11

CHƯƠNG 2: CÁC SẢN PHẨM ẢNH VỆ TINH
Với sự phát triển của hệ thống vệ tinh quan sát Trái đất hiện nay, các ứng dụng
sử dụng sản phẩm sol khí từ ảnh vệ tinh hỗ trợ giải quyết các bài toán ô nhiễm không
khí cũng được quan tâm đặc biệt. AOD được xem như một trong những tham số quan
trọng cần được các vệ tinh giám sát. AOD đo được từ vệ tinh thể hiện sự phân bố theo
chiều dọc của các hạt tính từ mặt đất tới đỉnh khí quyển (Top Of Atmosphere - TOA).
Trong đó có ba loại sản phẩm sol khí được mô tả kĩ trong chương này là: sản phẩm sol
khi từ MODIS, sản phẩm sol khí từ VIIRS, sản phẩm sol khí từ trạm quan trắc
AERONET. MODIS cung cấp bốn loại sản phẩm sol khí cấp 2 là MOD04_3K,
MYD04_3K, MOD04_L2 và MYD04_L2. VIIRS cung cấp một loại sản phẩm sol khí
là VIIRS Aerosol EDR Ellipsoid Geolocation (GAERO) kết hợp VIIRS Aerosol
Optical Thickness (AOD) EDR (VAOOO). AERONET cung cấp ba loại sản phẩm sol
khí là sản phẩm AEROSOL OPTICAL DEPTH (v2), AEROSOL OPTICAL DEPTH
(v3) và sản phẩm AEROSOL INVERSIONS ở cấp 1, 1.5 và 2. Luận văn chủ yếu tập
trung vào bốn sản phẩm chính là MOD04_3K, MYD04_3K của MODIS; GAERO
VAOOO của VIIRS và AEROSOL OPTICAL DEPTH (v2) cấp 2.0 của AERONET.

2.1.

Sản phẩm sol khí của MODIS

2.1.1. Giới thiệu về MODIS
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).
Vệ tinh Terra mang theo MODIS di chuyển từ Bắc xuống Nam theo phương giảm
dần và đến khoảng 10:30 sáng sẽ bay qua xích đạo. Vệ tinh Aqua hoạt động từ phía Nam
về phía Bắc theo phương tăng dần đến khoảng 1:30 chiều sẽ qua xích đạo. Khoảng thời
gian quỹ đạo bay trong 99 phút. Chu kỳ lặp lại là 16 ngày với tốc độ quét: 1,477 lần
quét/giây và độ rộng của bề mặt quét được (swath) là 2330 km. MODIS có chu kỳ chụp
lặp lại cao, trong một ngày đêm có thể thu nhận được 2 ảnh ban ngày và 2 ảnh ban đêm
đối với mọi vùng trên trái đất. Terra MODIS và Aqua MODIS quét toàn bộ diện tích Trái
đất mỗi 1-2 ngày. MODIS được thiết kế để chụp ảnh trên bốn dải bước sóng khác nhau
gồm: nhìn thấy, gần hồng ngoại, hồng ngoại ngắn, sóng hồng ngoại sóng dài.


12
MODIS có kích cỡ 1.0 x 1.6 x 1.0 m, nặng 228.7 kg, công suất tiêu thụ là 162.5 W.
Tốc độ truyền tải dữ liệu đạt 10.6 Mbps vào giờ cao điểm, trung bình đạt 6.1 Mbps.

Hình 2.1: Bức ảnh đầu tiên thu được Hình 2.2: Cấu trúc cảm biến MODIS của MODIS
vào 24/2/2000

Hình 2.2 cho thấy cấu trúc của cảm biến MODIS. Scan Mirror Assembly được
sử dụng để quét hai mặt liên tục ở ± 55 độ. Hệ thống bốn cụm Focal Plane Assemblies
- FPAs: VIS, NIR, SWIR / MWIR và LWIR để bao phủ toàn bộ dải phổ từ 0,4 đến 14,4
μm. Bộ làm mát bức xạ thụ động hiệu suất cao giúp làm mát tới 83K cho 20 dải phổ
hồng ngoại. Hệ thống này cũng bao gồm bốn bộ hiệu chuẩn: bộ khuếch tán năng lượng

mặt trời (Solar Diffuser - SD), vân tay (v-groove Blackbody - BB), bộ kiểm chuẩn
(Spectroradiometric calibration assembly - SRCA) và máy theo dõi độ ổn định mặt trời
(SDSM - Solar Diffuser Stability Monitor). Space-view door (SVD) có hai chức năng
là hạn chế ô nhiễm và để ngăn chặn năng lượng của Trái đất từ việc tiếp xúc với
Radiative Cooler.
Cảm biến MODIS được thiết kế với 36 băng phổ từ 0,4 đến 14.5μm. Trong đó, có
2 băng phổ (250 m ở điểm thấp nhất), 5 băng phổ (500 m ở điểm thấp nhất) và 29 băng
phổ (1000 m ở điểm thấp nhất). Trong đó có 490 đầu dò và có thể tạo nhiều mẫu theo dõi
trên mỗi lần quét với độ chính xác (12-bit). Các băng phổ được sử dụng cho nghiên cứu
sol khí thuộc độ phân giải không gian là 250 mét với các dải phổ là 620 – 670 nm, 841 –
876 nm, và 500 mét với các dải phổ là 459 – 479 nm, 545 – 565 nm, 1230

– 1250 nm, 1628 – 1652 nm, 2105 – 2155 nm.
2.1.2. Các sản phẩm sol khí của MODIS
Dữ liệu thô thu nhận được từ MODIS sẽ được xử lý để tạo thành các sản phẩm.
Tuỳ từng mục đích nghiên cứu, MODIS đưa ra nhiều sản phẩm khác nhau như sản phẩm


13
chưa được hiệu chỉnh ở cấp 0 và 1; sản phẩm về khí hậu như các sản phẩm sol khí,
Water vapor, Cloud Top Properties, Atmospheric Profiles, Cloud Mask…; sản phẩm
liên quan đất đai như Land Surface Reflectance, Vegetation Indices... Đối với lĩnh vực
nghiên cứu về khí hậu mà đặc biệt là các sản phẩm về sol khí, quá trình tạo ra các sản
phẩm này được mô tả như Hình 2.3.

Hình 2.3: Quá trình xử lý của MODIS [14]

Số liệu vệ tinh MODIS được phân theo 4 cấp: 0; 1B; 2; 3.Số liệu cấp 0 là số liệu
thô; Cấp 1B là số liệu đó được hiệu chỉnh và đưa về vị trí địa lý. Số liệu cấp 2 là số liệu đã
được hiệu chỉnh và đưa về lưới tọa độ có độ phân giải không gian 10km × 10km và 3 km

x 3 km.. Số liệu cấp 3 bao gồm số liệu trung bình ngày, trung bình 8 ngày và trung