Nghiên cứu ứng dụng viễn thám ước tính hàm lượng co2 hỗ trợ công tác giảm thiểu tác động của hiệu ứng nhà kính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ THỊ CẨM HƢƠNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VIỄN THÁM
ƢỚC TÍNH HÀM LƢỢNG CO2 HỖ TRỢ
CÔNG TÁC GIẢM THIỂU TÁC ĐỘNG CỦA
HIỆU ỨNG NHÀ KÍNH

Chun ngành: Quản lý tài ngun và mơi trƣờng
Mã số: 13261351

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2016


Cơng trình đƣợc hồn thành tại: Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHQG TP.HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học:

TS. TRẦN THỊ VÂN

Cán bộ chấm nhận xét 1: .................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: ................................................................................

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM,
ngày tháng 01 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch hội đồng: ......................................................................................
2. Cán bộ nhận xét 1: ......................................................................................

3. Cán bộ nhận xét 2: .....................................................................................
4. Ủy viên hội đồng: .......................................................................................
5. Thƣ ký hội đồng: ........................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỜNG KHOA MƠI TRƢỜNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ THỊ CẨM HƢƠNG
MSHV:
13261351
Ngày sinh:
01/01/1989
Nơi sinh: Tiền Giang
Chuyên ngành:
Quản lý Tài Nguyên và Môi Trƣờng Mã số:
I.
TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VIỄN THÁM ƢỚC TÍNH
HÀM LƢỢNG CO2 HỖ TRỢ CÔNG TÁC GIẢM THIỂU TÁC ĐỘNG CỦA

HIỆU ỨNG NHÀ KÍNH
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nhiệm vụ: Ứng dụng kỹ thuật viễn thám để xác định hàm lƣợng CO2 khí
quyển từ các giá trị bức xạ phổ trên ảnh vệ tinh, từ đó mơ phỏng phân bố
khơng gian giá trị khí CO2 cho tồn vùng nghiên cứu, nhằm để có các giải
pháp phù hợp trong việc giảm tác động của hiệu ứng nhà kính.
2. Nội dung:
Tổng quan các vấn đề nghiên cứu liên quan đến tình hình phát thải CO2 và
cơ sở khoa học về kỹ thuật viễn thám ứng dụng trong tính tốn hàm lƣợng
cacbon và giám sát hiệu ứng nhà kính.
Xử lý ảnh viễn thám để xác định các dải bƣớc sóng phù hợp và các chỉ số
liên quan sử dụng trong việc dự đốn đặc tính của CO2.
Phân tích tƣơng quan, xây dựng phƣơng trình hồi quy giữa giá trị bức xạ
phổ trên ảnh viễn thám với số đo CO2 để mô phỏng phân bố không gian hàm
lƣợng CO2.
- Đề xuất giải pháp giảm phát thải CO2 tác động đến hiệu ứng nhà kính trong
bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay.
II.
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
IV.
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. TRẦN THỊ VÂN
TP.HCM, ngày….tháng 01 năm 2016
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƢỞNG KHOA

LỜI CÁM ƠN
Để thực hiện luận văn này, đầu tiên, tôi xin cám ơn Cô Trần Thị Vân, giáo
viên giảng dạy môn Viễn Thám thuộc Khoa Môi trƣờng và Tài nguyên, trƣờng Đại
học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Cơ Trần Thị Vân cũng
chính là ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, truyền kiến thức cho tơi trong q
trình học tập và thực hiện luận văn, đặc biệt hơn là những lời động viên, chia sẻ và
cảm thơng cho những khó khăn tơi gặp phải.
Tơi cũng xin cám ơn tồn thể giáo viên Khoa Môi trƣờng và Tài nguyên,
trƣờng Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã giảng
dạy, truyền thụ cho tôi nhiều kiến thức chuyên môn quý báu.
Cuối cùng, tơi xin cám ơn gia đình đã ủng hộ tơi trong suốt q trình học tập
và thực hiện luận văn.
Xin chân thành cám ơn!
Lê Thị Cẩm Hƣơng

i


TĨM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay, biến đổi khí hậu là một trong những vấn đề môi trƣờng lớn của thế
giới và đƣợc biểu hiện bởi hiện tƣợng trái đất đang nóng dần lên do hiệu ứng nhà
kính. Trong đó, CO2 là loại khí nhà kính phổ biến. Việc quan trắc nồng độ CO2
trong khí quyển là cần thiết nhằm phục vụ dự báo về biến đổi khí hậu và ấm lên
toàn cầu. Thực tế, tại Việt Nam, việc giám sát nồng độ khí CO2 cịn rất hạn chế,
khơng có dữ liệu. Mục đích nghiên cứu của luận văn là ứng dụng kỹ thuật viễn thám
để xác định nồng độ CO2 khí quyển từ các giá trị bức xạ phổ trên ảnh vệ tinh, từ đó
mơ phỏng phân bố khơng gian giá trị khí CO2 cho khu vực Nam Tây Nguyên, nhằm
để có các giải pháp phù hợp trong việc giảm tác động của hiệu ứng nhà kính. Luận
văn sử dụng hai nguồn dữ liệu từ ảnh GOSAT và MODIS để lập phƣơng trình hồi

quy đa biến, với nồng độ khí CO2 từ vệ tinh GOSAT là biến phụ thuộc, các sản
phẩm MODIS là biến độc lập. Kết quả cho thấy nồng độ CO2 khu vực Nam Tây
Nguyên trong giai đoạn nghiên cứu hồi quy với hai tham số là NPP và EVI. Từ đó,
bản đồ mơ phỏng phân bố nồng độ CO2 khí quyển trên nền tảng hai tham số NPP và
EVI đƣợc xây dựng cho từng tháng của năm. Kết quả là nồng độ CO2 trung bình
khu vực Nam Tây Nguyên trong giai đoạn 2010 - 2015 dao động trong khoảng từ
378 ppm đến 385 ppm, có sự chuyển biến theo mùa và theo thảm thực vật trên khu
vực. Trong đó, riêng tỉnh Lâm Đồng, nồng độ CO2 dao động từ 373 ppm đến 380
ppm, tỉnh Đắk Nông là 375 ppm đến 379 ppm, tỉnh Đắk Lắk là 378 ppm đến 386
ppm. Nhìn chung, nồng độ CO2 khu vực Nam Tây Nguyên tăng dần theo thời gian,
cũng trong giai đoạn này, tỷ lệ diện tích rừng ngày càng suy giảm, từ 57,15% xuống
cịn 48,06%, cho thấy diện tích rừng suy giảm làm cho nồng độ CO2 ngày càng gia
tăng. Kết quả nghiên cứu là một tham khảo tốt giúp cho các nhà hoạch định có
chiến lƣợc quản lý phát thải CO2, tăng cƣờng quản lý rừng để làm tăng khả năng
hấp thụ cacbon nhằm góp phần giảm hiệu ứng nhà kính.
Từ khóa: Hiệu ứng nhà kính, CO2, GOSAT, MODIS, rừng.
ii


ABSTRACT
Nowaday, climate change is one of environmental problems all over the
world and it is represented by the temperature of the earth is heating up because of
the greenhouse effect. In particular, CO2 is the common greenhouse gas. It is
necessary to monitor CO2 concentration in the atmosphere to serve the forecasts of
climate change and global warming. In fact, in Vietnam, the monitoring of CO2
concentration is very limited, there is no data. The thesis researchs to apply remote
sensing techniques to determine CO2 concentration from the universal values of
radiation on satellite images. After that, simulating spatial distribution of CO2
concentration for South Highland, in order to have the appropriate solutions to
reduce the impact of the greenhouse effect. Thesis use two sources of data from

GOSAT and MODIS to establish a multivariate regression equation, with CO2
concentrations from satellite GOSAT is the dependent variable, the products from
MODIS is the independent variables. The results showed that the CO2 concentration
in the Southern Highlands gets regression with two parameters NPP and EVI. Since
then, the CO2 concentration maps base on two parameters NPP and EVI is built for
each month of the year. The result showed that the average CO2 concentration at
Southern Highlands in the period 2010-2015 ranged from 378 ppm to 385 ppm, it
changed through seasons and vegetations in the area. For the detail, at Lam Dong
province, CO2 concentration ranged from 373 ppm to 380 ppm, it is from 375 ppm
to 379 ppm at Dak Nong province and 378 ppm to 386 ppm at Dak Lak province. In
general, CO2 concentration at Southern Highlands region increases with time and
during this period, the forest percentage in area decreases from 57.15% down to
48.06%, it shows that the more forest area decreases, the more CO2 concentration
increases. The result of research is a good reference to help decision maker to get
strategic for management of CO2 emission, strengthening forest management to
increase the carbon absorption capacity to reduce the greenhouse effect.
Keywords: Greenhouse effect, CO2, GOSAT, MODIS, forest.
iii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn Thạc sỹ “Nghiên cứu ứng dụng viễn thám ƣớc
tính hàm lƣợng CO2 hỗ trợ công tác giảm thiểu tác động của hiệu ứng nhà kính” là
cơng trình nghiên cứu của tơi. Các số liệu đƣợc thu thập từ các tổ chức quốc tế, có
nguồn gốc rõ ràng.
Học viên

Lê Thị Cẩm Hƣơng

iv

MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN
TÓM TẮT LUẬN VĂN
ABSTRACT
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH ẢNH
DANH MỤC BẢNG BIỂU

i
ii
iii
iv
viii
x
xii

PHẦN MỞ ĐẦU
1
1. Tính cấp thiết của đề tài ………………………………………………............ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ………………………………………………………….. 3
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu …………………………………………… 3
4. Nội dung nghiên cứu ………………………………………………………….. 3
5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ……………………………………….. 4
CHƢƠNG 1
: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
6
1.1 Hiệu ứng nhà kính và các tác động................................................................6

1.1.1 Giới thiệu về Hiệu ứng nhà kính.............................................................6
1.1.2 Nguồn gốc các khí nhà kính ...................................................................7
1.1.3 Tác động của Hiệu ứng nhà kính đối với mơi trƣờng...........................10
1.1.4 Những tác động cụ thể của Biến đổi khí hậu đến Việt Nam ................12
1.2 Tình hình phát thải khí nhà kính ..................................................................16
1.2.1 Tình hình phát thải khí CO2 nói chung .................................................16
1.2.2 Phát thải khí nhà kính do phát tán ........................................................17
1.2.3 Phát tán khí nhà kính từ các q trình cơng nghiệp ..............................18
1.2.4 Phát thải khí nhà kính từ hoạt động nơng nghiệp .................................18
1.2.5 Phát thải khí nhà kính từ các loại chất thải ...........................................19
1.2.6 Tổng hợp phát thải khí nhà kính theo từng lĩnh vực ............................21
1.3 Hiện trạng rừng Việt Nam và khả năng hấp thụ khí CO2 của rừng.............24
1.3.1 Hiện trạng rừng Việt Nam ....................................................................24
1.3.2 Khả năng hấp thụ khí CO2 của rừng .....................................................28
1.4 Tình hình ứng dụng viễn thám nghiên cứu về khả năng hấp thụ CO2 của
rừng .....................................................................................................................31
1.4.1 Nghiên cứu trên thế giới .......................................................................31
1.4.2 Nghiên cứu tại Việt Nam ......................................................................32
1.5 Tổng quan khu vực nghiên cứu ...................................................................34
1.5.1 Điều kiện tự nhiên, địa lý......................................................................35
1.5.2 Điều kiện kinh tế, xã hội .......................................................................41
CHƢƠNG 2

: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
v

44


2.1 Cơ sở khoa học về viễn thám ......................................................................44

2.1.1 Nguyên lý viễn thám .............................................................................44
2.1.2 Thông tin đối tƣợng mặt đất của dữ liệu ảnh viễn thám .......................45
2.1.3 Viễn thám hồng ngoại nhiệt ..................................................................46
2.2 Cơ sở khoa học về thống kê ........................................................................47
2.3 Hệ thống dữ liệu vệ tinh sử dụng trong nghiên cứu ....................................48
2.3.1 Ảnh vệ tinh MODIS ..............................................................................48
2.3.2 Định danh tên sản phẩm MODIS..........................................................50
2.3.3 Vệ tinh GOSAT ....................................................................................51
2.4 Dữ liệu sử dụng ...........................................................................................53
2.4.1 Dữ liệu GOSAT ....................................................................................53
2.4.2 MOD09A1- EVI và NDVI ...................................................................54
2.4.3 MOD11A2 – Nhiệt độ bề mặt ..............................................................56
2.4.4 MOD15A2 – LAI và FPAR ..................................................................57
2.4.5 MOD17A2 – GPP và NPP ....................................................................59
2.5 Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................60
2.5.1 Phƣơng pháp thống kê ..........................................................................60
2.5.2 Phƣơng pháp viễn thám ........................................................................61
2.5.3 Cơ sở toán học của các tham số đầu vào từ các sản phẩm MODIS .....61
2.5.4 Cơng cụ xử lý dữ liệu............................................................................64
2.6 Quy trình thực hiện nghiên cứu ...................................................................64
CHƢƠNG 3
: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
67
3.1 Nồng độ CO2 phát hiện từ dữ liệu GOSAT .................................................67
3.2 Xác định các tham số thành phần tham gia hồi quy ....................................68
3.2.1 Nhiệt độ bề mặt LST .............................................................................68
3.2.2 Chỉ số thực tăng cƣờng EVI .................................................................69
3.2.3 Chỉ số thực vật khác biệt chuẩn hóa NDVI ..........................................69
3.2.4 Chỉ số diện tích lá LAI ..........................................................................69
3.2.5 Tỷ số quang hợp hoạt động hấp thụ bức xạ FPAR ...............................70

3.2.6 Tổng năng suất sinh học GPP ...............................................................70
3.2.7 Năng suất sinh học sơ cấp NPP ............................................................70
3.2.8 Lƣợng cacbon hô hấp thực vật GN .......................................................70
3.2.9 Hiệu suất hơ hấp thực vật NG ...............................................................71
3.3 Phân tích tƣơng quan xác định nồng độ CO2 ..............................................71
3.4 Thành lập bản đồ phân bố nồng độ CO2 và phân tích .................................77
3.4.1 Bản đồ nồng độ CO2 năm 2010 ............................................................77
3.4.2 Bản đồ nồng độ CO2 năm 2011 ............................................................80
3.4.3 Bản đồ nồng độ CO2 năm 2012 ............................................................82
3.4.4 Bản đồ nồng độ CO2 năm 2013 ............................................................84
3.4.5 Bản đồ nồng độ CO2 năm 2014.............................................................86
3.4.6 Bản đồ nồng độ CO2 năm 2015 ............................................................88
3.5 Biến động nồng độ CO2 giai đoạn 2010-2015.............................................96
3.6 Biến động nồng độ CO2 theo từng tháng giai đoạn 2010-2015 ................103
vi


3.7

Đánh giá sai số ...........................................................................................105

CHƢƠNG 4
: GIẢI PHÁP QUẢN LÝ
107
4.1 Giải pháp quản lý khí thải..........................................................................107
4.2 Giải pháp quản lý tài nguyên rừng ............................................................112
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 117
1.Kết luận ................................................................................................................ 117
2.Kiến nghị .............................................................................................................. 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 119

PHỤ LỤC 1: Phần mềm HDFView
PHỤ LỤC 2: Phần mềm HEGTool
PHỤ LỤC 3: Bản đồ vùng Nam Tây Nguyên

vii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
CAI

: Cloud and Aerosol Imager
Bộ phận ghi nhận mây trên cảm biến TANSO của vệ tinh GOSAT

ENVI

: Environment for Visualizing Imange - Phần mềm xử lý ảnh

EVI

: Enhanced Vegetation Index - Chỉ số thực vật tăng cƣờng

FPAR

: Fraction of Photosynthetically Active Radiation
Tỷ số quang hợp hoạt động hấp thụ bức xạ

FTS

: Fourier Transform Spectrometer
Bộ phận ghi nhận phản xạ trên cảm biến TANSO của vệ tinh GOSAT

GOSAT

: Greenhouse Gases Observing Sattellite
Vệ tinh quan trắc khí nhà kính

GPP

: The Gross Primary Production - Tổng năng suất sinh học

HDFView

: Hierarchical Data Format View – Phần mềm đọc dữ liệu

HEGTool

: The HDF-EOS to GEOTIFF conversion Tool
Phần mềm chuyển đổi định dạng dữ liệu

IPCC

: Intergovermental Pannel on Climate Change
Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu

JAXA

: Japan Aerospace Exploration Agency
Cơ quan nghiên cứu và phát triển hàng không vũ trụ Nhật Bản

LAI

: The Leaf Area Index - Chỉ số diện tích lá

LP DAAC

: Land Processes Distributed Active Archive Center
Trung tâm phân phối sản phẩm mặt đất từ MODIS

LST

: The Land Surface Temperature - Nhiệt độ bề mặt

LULUCF

: Land use, land use change and forest
Sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm nghiệp

MODIS

: Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer
Một loại ảnh vệ tinh của Mỹ

NASA

: National Aeronautics and Space Administration
Cục quản trị hàng không và không gian quốc gia Mỹ
viii


NDVI

: Normalized Differential Index - Chỉ số thực vật khác biệt chuẩn hóa

NIES

: National Institute for Environmental Study
Viện nghiên cứu môi trƣờng quốc gia Nhật Bản

NPP

: The Net Primary Production - Năng suất sinh học sơ cấp

REDD

: Reducing Emission from Deforestation and Degradation
Giảm thiểu phát thải từ suy thoái và mất rừng

SPSS

: Statistical Package for the Social Sciences - Phần mềm thống kê

TANSO

: Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observation
Cảm biến nhiệt và cận hồng ngoại quan trắc cacbon

UNESCO

: United Nations Educational Scientific and Cultural Organization
Tổ chức giáo dục, khoa học, văn hóa của Liên Hiệp Quốc

ix


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Hiệu ứng nhà kính .......................................................................................6
Hình 1.2: Tác động của mực nƣớc biển dâng đến diện tích đất bị ngập ...................14
Hình 1.3: Tác động của mực nƣớc biển dâng đến tổng dân số .................................15
Hình 1.4: Tác động của mực nƣơc biển dâng đến GDP ...........................................15
Hình 1.5: Tác động của mực nƣớc biển dâng đến đô thị ..........................................16
Hình 1.6: Tác động của mực nƣớc biển dâng đến sản xuất nơng nghiệp .................16
Hình 1.7: Nồng độ khí CO2 thế giới giai đoạn từ 2009 đến 2015.............................17
Hình 1.8: Phát thải khí nhà kính năm 2010 trong lĩnh vực năng lƣợng ....................18
Hình 1.9: Phát thải khí nhà kính năm 2010 trong lĩnh vực nơng nghiệp ..................19
Hình 1.10: Phát thải/hấp thụ khí nhà kính theo từng lĩnh vực ..................................22
Hình 1.11: Phát thải/hấp thụ khí nhà kính năm 1994, 2000 và 2010 theo lĩnh vực..23
Hình 1.12: Phát thải khí nhà kính bao gồm LULUCF các năm 1994, 2000, 2010
theo loại khí ...............................................................................................................24
Hình 1.13: Phát thải/hấp thụ khí CO2 năm 2010 trong lĩnh vực LULUCF ..............31
Hình 1.14: Khu vực nghiên cứu ................................................................................35
Hình 2.1: Viễn thám ..................................................................................................44
Hình 2.2: Phản xạ phổ của đất, nƣớc và thực vật......................................................46
Hình 2.3: Quỹ đạo bay vệ tinh TERRA ....................................................................50
Hình 2.4: Trục chụp khu vực nghiên cứu của MODIS .............................................51
Hình 2.5: Quy trình thực hiện nghiên cứu ................................................................66
Hình 3.1: Nồng độ CO2 từ vệ tinh GOSAT ..............................................................68
Hình 3.2: Dữ liệu đầu vào cho mơ hình ....................................................................73
Hình 3.3: Nồng độ CO2 trung bình hàng tháng năm 2010 ........................................79
Hình 3.4: Nồng độ CO2 trung bình hàng tháng năm 2011 ........................................81
x

Hình 3.5: Nồng độ CO2 trung bình hàng tháng năm 2012 ........................................83
Hình 3.6: Nồng độ CO2 trung bình hàng tháng năm 2013 ........................................85
Hình 3.7: Nồng độ CO2 trung bình hàng tháng năm 2014 ........................................87
Hình 3.8: Nồng độ CO2 trung bình hàng tháng năm 2015 ........................................89
Hình 3.9: Bản đồ phân bố nồng độ CO2 khu vực Nam Tây Nguyên năm 2010 .......90
Hình 3.10: Bản đồ phân bố nồng độ CO2 khu vực Nam Tây Nguyên năm 2011 .....91
Hình 3.11: Bản đồ phân bố nồng độ CO2 khu vực Nam Tây Nguyên năm 2012 .....92
Hình 3.12: Bản đồ phân bố nồng độ CO2 khu vực Nam Tây Nguyên năm 2013 .....93
Hình 3.13: Bản đồ phân bố nồng độ CO2 khu vực Nam Tây Nguyên năm 2014 .....94
Hình 3.14: Bản đồ phân bố nồng độ CO2 khu vực Nam Tây Nguyên năm 2015 .....95
Hình 3.15: Hiện trạng rừng từ năm 2010 đến năm 2015 ..........................................97
Hình 3.16: Nồng độ CO2 trung bình năm .................................................................99
Hình 3.17: Nồng độ CO2 trung bình năm trên 3 tỉnh ..............................................102
Hình 3.18: Nồng độ CO2 trung bình từ tháng 1 đến tháng 4 hàng năm ..................104
Hình 3.19: Nồng độ CO2 trung bình từ tháng 5 đến tháng 8 hàng năm ..................104
Hình 3.20: Nồng độ CO2 trung bình từ tháng 9 đến tháng 12 hàng năm ................105

xi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Mức tăng nhiệt độ và thay đổi lƣợng mƣa trong 50 năm qua tại Việt Nam
...................................................................................................................................12
Bảng 1.2: Phát tán khí nhà kính năm 2010 do phát tán ............................................17
Bảng 1.3: Phát thải khí nhà kính năm 2010 trong lĩnh vực nông nghiệp .................19
Bảng 1.4: Tổng khối lƣợng chất thải rắn đô thị đƣợc xử lý tại các bãi chôn lấp ......20
Bảng 1.5: Thành phần chất thải trung bình ...............................................................20
Bảng 1.6: Chất thải y tế đƣợc đốt hàng năm .............................................................20

Bảng 1.7: Phát thải khí nhà kính năm 2010 trong lĩnh vực chất thải ........................21
Bảng 1.8: Phát thải/hấp thụ khí nhà kính các năm 1994, 2000 và 2010 theo lĩnh vực
...................................................................................................................................22
Bảng 1.9: Phát thải/hấp thụ khí nhà kính các năm 1994, 2000 và 2010 theo loại khí
...................................................................................................................................23
Bảng 1.10: Hiện trạng rừng Việt Nam giai đoạn 2008-2012 ....................................25
Bảng 1.11: Diện tích đất đang sử dụng và đất đã thay đổi mục đích sử dụng năm
2010 ...........................................................................................................................29
Bảng 1.12: Phát thải/hấp thụ CO2 năm 2010 trong lĩnh vực LULUCF ....................30
Bảng 2.1: Các thông số bộ cảm MODIS ...................................................................48
Bảng 2.2: Kênh phổ MODIS .....................................................................................49
Bảng 2.3: Mô tả chi tiết các ký hiệu trong ảnh MODIS ...........................................50
Bảng 2.4: Chi tiết tên một ảnh MODIS cụ thể ..........................................................51
Bảng 2.5: Kênh phổ của GOSAT ..............................................................................52
Bảng 2.6: Danh sách bộ dữ liệu GOSAT sử dụng ....................................................54
Bảng 2.7: Danh sách sản phẩm MOD09A1 đƣợc sử dụng .......................................55
Bảng 2.8: Danh sách sản phẩm MOD11A2 đƣợc sử dụng .......................................57
Bảng 2.9: Danh sách sản phẩm MOD15A2 đƣợc sử dụng .......................................58
xii


Bảng 2.10: Danh sách sản phẩm MOD17A2 đƣợc sử dụng .....................................59
Bảng 2.11: Tổng hợp dữ liệu nghiên cứu..................................................................61
Bảng 3.1: Nồng độ CO2 từ vệ tinh GOSAT ..............................................................67
Bảng 3.2: Chuỗi số liệu dùng phân tích thống kê ....................................................72
Bảng 3.3: Kết quả chạy tƣơng quan ..........................................................................74
Bảng 3.4: Kết quả bƣớc chạy hồi quy từng bƣớc .....................................................75
Bảng 3.5: Hệ số tƣơng quan trong phƣơng trình hồi quy .........................................76
Bảng 3.6: Nồng độ CO2 (ppm) trung bình hàng tháng năm 2010 ............................79
Bảng 3.7: Nồng độ CO2 (ppm ) trung bình hàng tháng năm 2011 ...........................81

Bảng 3.8: Nồng độ CO2 (ppm) trung bình hàng tháng năm 2012 ............................83
Bảng 3.9: Nồng độ CO2 (ppm) trung bình hàng tháng năm 2013 ............................85
Bảng 3.10: Nồng độ CO2 (ppm) trung bình hàng tháng năm 2014 ..........................87
Bảng 3.11: Nồng độ CO2 (ppm) trung bình hàng tháng năm 2015 ..........................89
Bảng 3.12: Thống kê tỷ lệ rừng từ năm 2010 đến 2015 ...........................................98
Bảng 3.13: Nồng độ CO2 trung bình năm .................................................................98
Bảng 3.14: Nồng độ CO2 trung bình năm trên 3 tỉnh .............................................102

xiii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, biến đổi khí hậu là một trong những vấn đề mơi trƣờng lớn của
thế giới và Việt Nam là một trong những quốc gia bị ảnh hƣởng nhiều do sự biến
đổi này. Một trong những dấu hiệu của sự biến đổi này là hiện tƣợng trái đất đang
nóng dần lên do hiệu ứng nhà kính. Các khí gây ra hiệu ứng nhà kính có thể kể đến
là CO2, CH4, SO2, CFC, hơi nƣớc… Khí nhà kính chỉ chiếm 1% thành phần khí
quyển nhƣng có vai trị nhƣ tấm chăn bao phủ trái đất, vì chúng giữ nhiệt sƣởi ấm
cho trái đất, nơi mà nhiệt độ sẽ thấp hơn khoảng 300C nếu nhƣ khơng có khí nhà
kính. Các hoạt động của con ngƣời nhƣ sử dụng nhiên liệu hóa thạch, chuyển đổi
mục đích sử dụng đất nhƣ phá rừng để canh tác nông nghiệp và hoạt động công
nghiệp làm dày thêm “lớp chăn” bao phủ này dẫn đến sự nóng lên tồn cầu (Phan
Minh Sang và Lưu Cảnh Trung, 2006).
Trong số các loại khí nhà kính thì phổ biến nhất là CO2. Hàm lƣợng CO2
trong khí quyển là một đại lƣợng quan trọng đặc trƣng cho lƣợng khí CO2 trong khí
quyển, ngồi ra cịn là đầu vào của các mơ hình khí hậu cũng nhƣ là các mơ hình
sinh thái, tuần hồn cacbon cấp vùng và cấp hành tinh. Việc quan trắc CO2 trong
khí quyển nhằm phục vụ dự báo về biến đổi khí hậu và ấm lên tồn cầu (Dỗn Hà
Phong et al., 2014). Hiện nay trên thế giới đã xuất hiện thị trƣờng mua bán các tín

chỉ cacbon. Các quốc gia đã có sự quan tâm đến lƣợng phát thải CO2 hằng năm,
thực hiện nhiều biện pháp nhằm giảm thiểu sự phát thải CO2. Ngoài những biện
pháp về nâng cao kỹ thuật, thay thế nguồn ngun nhiên liệu, cịn có một biện pháp
tự nhiên giúp giảm thiểu CO2 trong khí quyển đó là duy trì diện tích rừng. Cây hấp
thu khí CO2 từ khơng khí và giữ chúng dƣới dạng cacbon ở trong thân cây, cành và
lá, qua đó giúp làm chậm tốc độ nóng lên trên tồn cầu, góp phần giảm thiểu tác
động của hiệu ứng nhà kính. Khả năng hấp thụ CO2 ở mỗi loại rừng là khác nhau và
là một trong những vai trò quan trọng của rừng. Do đó, chƣơng trình Giảm thiểu
phát thải từ suy thoái và mất rừng (Reducing Emission from Deforestation and

1


Degradation - REDD) ra đời nhằm mục đích giảm thiểu phát thải từ suy thoái và
mất rừng, kêu gọi các quốc gia tham gia bảo vệ rừng.
Vai trò của rừng ngày càng đƣợc nâng cao trong bối cảnh hiện nay một phần
là do sự gia tăng của các khí nhà kính nhƣ CO2. Vì thế, việc theo dõi, kiểm sốt
nồng độ CO2 trong khí quyển là điều cần thiết. Đặc biệt đối với Việt Nam khi tham
gia chƣơng trình REDD thì càng phải xây dựng bản đồ nồng độ CO2.
Để mơ phỏng hay ƣớc lƣợng CO2, hiện nay có ba phƣơng pháp nghiên cứu
tiêu biểu và các đặc điểm theo IPCC (IPCC, 2000) nhƣ sau:
a. Điều tra mặt đất: Đây là phƣơng pháp khá phổ biến, hầu hết các nghiên
cứu đều theo hƣớng này. Tuy nhiên, với phƣơng pháp này, cần phải có nguồn nhân
lực và chi phí nghiên cứu khá cao.
b. Mơ hình hóa: hƣớng nghiên cứu bằng cách mơ hình hóa hệ sinh thái có độ
chính xác khơng chắc chắn, dựa trên nhiều giả định khác nhau. Mô hình đạt độ
chính xác cao khi có nhiều yếu tố đầu vào, tuy nhiên nhƣ vậy sẽ làm cho mô hình
trở nên nặng nề, khó vận hành. Đồng thời, chi phí để xây dựng một mơ hình mới
khơng thấp.
c. Viễn thám: Đây là phƣơng pháp có diện tích nghiên cứu linh động từ nhỏ

đến lớn, tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu. Với chi phí chỉ khoảng 0.0002 $/ha
mua ảnh, đây là mức chi phí phù hợp cho các nghiên cứu có quy mơ từ nhỏ đến lớn.
Đồng thời, phƣơng pháp này sẽ dễ thực hiện hơn nếu kết hợp với dữ liệu mặt đất.
Hiện nay, việc tăng cƣờng ứng dụng công nghệ vũ trụ phục vụ nghiên cứu
thành phần khí nhà kính có trong khí quyển nhằm tăng tính kịp thời và hiệu quả của
công tác giám sát và dự báo khi mà số liệu đo đạc mặt đất về hàm lƣợng CO2 rất
hiếm hoặc khơng có. Với những đặc điểm nhƣ trên cùng với sự ra đời của vệ tinh
quan trắc khí nhà kính GOSAT của Nhật, việc ứng dụng cơng nghệ viễn thám để
ƣớc tính hàm lƣợng CO2 càng trở nên khả thi hơn bao giờ hết.
Với những thuận lợi này, trong khuôn khổ luận văn, đề tài sẽ nghiên cứu
theo hƣớng ứng dụng công nghệ viễn thám nhằm ƣớc tính hàm lƣợng CO2 trong
khơng khí.

2


2. Mục tiêu nghiên cứu
Ứng dụng kỹ thuật viễn thám để xác định hàm lƣợng CO2 khí quyển từ các
giá trị bức xạ phổ trên ảnh vệ tinh, từ đó mơ phỏng phân bố khơng gian giá trị khí
CO2 cho tồn vùng nghiên cứu, nhằm để có các giải pháp phù hợp trong việc giảm
tác động của hiệu ứng nhà kính.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: nồng độ CO2 khí quyển và thơng tin bức xạ phổ từ
ảnh vệ tinh.
Khu vực nghiên cứu: Vùng Nam Tây Nguyên gồm ba tỉnh: Lâm Đồng, Đắk
Nông, Đắk Lắk.
Đề tài chọn ba tỉnh Lâm Đồng, Đắk Nông, Đắk Lắk làm khu vực nghiên cứu
vì đây là nơi có thực phủ đa dạng nhƣ: rừng, đất nông nghiệp, đô thị, đất trống. Đặc
điểm này sẽ tạo thuận lợi trong việc xác định sự khác biệt phổ CO2.
Dữ liệu vệ tinh: sử dụng trong nghiên cứu là (1) số đo CO2 (XCO2) toàn cầu

từ vệ tinh GOSAT; (2) ảnh vệ tinh MODIS với các sản phẩm dùng để trích xuất các
tham số lý sinh liên quan đến hàm lƣợng cacbon.
Đơn vị đo lường nồng độ CO2 trong nghiên cứu này là ppm.
PPM là từ viết tắt của part per million. Theo từ điển, ppm là đơn vị đo lƣờng
để diễn đạt nồng độ theo khối lƣợng hay thể tích của một chất trong một hỗn hợp có
chứa chất đó, tính theo phần triệu. Đơn vị đo lƣờng này thƣờng đƣơc sử dụng trong
phép phân tích vi lƣợng (nồng độ của chất trong hỗn hợp rất nhỏ). Ngƣời ta sử dụng
đơn vị ppm trong nhiều ngành, từ hoá học, vật lý, cho đến điện tử, luyện kim... và
nhất là dùng ppm để đo nồng độ các loại khí thải, khí gây ơ nhiễm, và tính trên thể
tích một lít. Ví dụ, khi tính tốn phần CO2 trong khơng khí, thì ta sẽ đo coi có bao
nhiêu phân tử CO2 trên tổng số phân tử của khơng khí. Khơng khí có oxygen, có
nitrogen, có rất nhiều loại khí khác, thì phải đo xem là CO2 chiếm bao nhiêu phần
trên phần triệu của những phần của khí khác.
4. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm:

3


 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu liên quan đến tình hình phát thải khí
CO2 và cơ sở khoa học về kỹ thuật viễn thám ứng dụng trong tính tốn
hàm lƣợng carbon và giám sát hiệu ứng nhà kính.
 Xử lý ảnh viễn thám để xác định các dải bƣớc sóng phù hợp và các chỉ số
liên quan sử dụng trong việc dự đốn đặc tính của CO2.
 Phân tích tƣơng quan, xây dựng phƣơng trình hồi quy giữa giá trị bức xạ
phổ trên ảnh viễn thám với số đo XCO2 tồn cầu để mơ phỏng phân bố
khơng gian hàm lƣợng CO2 khí quyển cho khu vực nghiên cứu.
 Đề xuất giải pháp giảm phát thải khí CO2 tác động đến hiệu ứng nhà kính
trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay.
5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Ngày này, con ngƣời và các sinh vật chịu tác động lớn từ hiện tƣợng trái đất
nóng dần lên, nhiệt độ ngày càng tăng ảnh hƣởng trực tiếp đến đời sống, sức khỏe
và sinh hoạt của mọi ngƣời. Nguyên nhân gây ra hiện tƣợng này là do hiệu ứng nhà
kính gây ra bởi các khí nhà kính, đặc biệt là khí CO2. Tuy nhiên, tại Việt Nam có rất
ít những nghiên cứu về tính tốn khả năng hấp thụ CO2 của các khu rừng, đặc biệt
là trong lĩnh vực viễn thám, sử dụng ảnh vệ tinh.
Trong bối cảnh khoa học kỹ thuật phát triển nhƣ hiện nay, các vệ tinh đã lần
lƣợt đƣợc phóng lên quỹ đạo, ngân hàng ảnh vệ tinh là vơ cùng phong phú. Vì thế,
việc áp dụng công nghệ viễn thám để khai thác tiềm năng từ nguồn dữ liệu này là
hoàn toàn khả thi.
Kết quả đề tài sẽ là quy trình tính tốn nồng độ CO2 dựa trên các giá trị bức
xạ từ ảnh vệ tinh cho khu vực nghiên cứu. Thông tin này sẽ góp phần giúp ích cho
các nhà quản lý nắm đƣợc khả năng hấp thụ CO2 của khu vực nghiên cứu nói riêng
và các khu rừng khác nói chung khi cần nghiên cứu. Đặc biệt với kết quả từ đề tài
này, việc ƣớc lƣợng khả năng hấp thụ CO2 của các khu rừng sẽ trở nên thuận tiện
hơn vì không cần phải tiến hành đi khảo sát thực địa, giảm bớt chi phí cho việc
nghiên cứu khoa học.
Hiện nay, xét về phƣơng diện quốc gia, nƣớc ta vẫn là một nƣơc đang phát
triển, vấn đề quản lý phát thải CO2 chƣa cấp bách nhƣ các nƣớc phát triển khác. Tuy
4


nhiên, hiện tƣợng hiệu ứng nhà kính gây biến đổi khí hậu đã mang tính tồn cầu, vì
thế để góp tiếng nói vào cơng cuộc bảo vệ mơi trƣờng sống trên trái đất, vấn đề CO2
cần đƣợc quan tâm hơn nữa. Kết quả từ đề tài sẽ góp phần xây dựng bản đồ lƣu giữ
cacbon của rừng, giúp ích cho Việt Nam khi tham gia vào chƣơng trình REDD.

5

CHƢƠNG 1 : TỔNG

QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Hiệu ứng nhà kính và các tác động
1.1.1 Giới thiệu về Hiệu ứng nhà kính
Nhiệt độ bề mặt Trái Đất đƣợc tạo nên do sự cân bằng giữa năng lƣợng Mặt
Trời đến bề mặt Trái Đất và năng lƣợng bức xạ của Trái Đất vào khoảng không gian
giữa các hành tinh. Hiệu ứng nhà kính là hiện tƣợng khơng khí của Trái Đất nóng
lên do bức xạ Mặt Trời đến với Trái Đất có dạng sóng ngắn, có thể xun qua tầng
khí quyển chiếu xuống mặt đất nhƣng khi mặt đất hấp thu nóng lên lại bức xạ sóng
dài vào khí quyển, do sóng dài có năng lƣợng thấp hơn nên khơng thể xuyên qua
khi khí quyển bị bao bọc bởi lớp khí nhƣ CO2, CH4, CFC, … Vì thế, chúng tích tụ
lại làm cho nhiệt độ của Trái Đất ngày càng nóng lên.

Hình 1.1: Hiệu ứng nhà kính
Hiệu ứng nhà kính là một hiện tƣợng có sẵn trong tự nhiên. Tuy nhiên, ngày
nay do hoạt động công nghiệp phát triển mạnh mẽ, năng lƣợng hóa thạch đƣợc sử
dụng rộng rãi nên nồng độ các khí nhà kính trong khí quyển tăng lên đáng kể. Nồng
độ các khí nhà kính càng cao thì nhiệt độ Trái Đất càng lớn, góp phần đẩy nhanh
q trình biến đổi khí hậu. Khí nhà kính là những khí có khả năng hấp thụ các bức
6


xạ sóng dài đƣợc phản xạ từ bề mặt Trái Đất khi đƣợc chiếu sáng bằng ánh sáng
mặt trời, sau đó phân tán nhiệt lại cho Trái Đất. Các loại khí nhà kính có thể kể đến
nhƣ: CO2, CH4, CFC, O3, NO2, bụi, hơi nƣớc, … trong đó CO2 đóng vai trị chủ
yếu.
1.1.2 Nguồn gốc các khí nhà kính
Mặc dù Nitơ và Oxy chiếm hơn 90% thể tích của khí quyển Trái Đất nhƣng

vai trò điều chỉnh nhiệt độ của bầu khí quyển lại thuộc về các khí khác đƣợc gọi
chung là khí nhà kính, bao gồm: CO2, CH4, N2O, hơi nƣớc và các hợp chất
Halocacbon, … Các khí nhà kính này có nguồn gốc tự nhiên và từ hoạt động của
con ngƣời.
Theo Ban chỉ đạo Ứng phó Biến đổi khí hậu và Nƣớc biển dâng của Thành
phố Đà Nẵng, các khí nhà kính có nguồn gốc và tính chất nhƣ sau (Thùy Dung,
2014):
 Hơi nƣớc
- Nguồn gốc tự nhiên: Nƣớc ở trạng thái lỏng bốc hơi.
- Nguồn gốc từ hoạt động của con ngƣời: không đáng kể.
- Thời gian tồn tại: từ 9 đến 10 ngày trong khí quyển
- Nồng độ: Biến đổi liên tục từ vùng này đến vùng khác
- Tác động: đống vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh nhiệt độ Trái
Đất, tuy nhiên vai trò của hơi nƣớc đối với việc Biến đổi khí hậu vẫn
chƣa đƣợc nghiên cứu sâu.
 Khí N2O
- Nguồn gốc tự nhiên: đƣợc tạo ra khi vi khuẩn phân hủy hợp chất nitrat
trong đất và đại dƣơng.
- Nguồn gốc từ hoạt động của con ngƣời: từ các hoạt động thay đổi sử
dụng đất, sử dụng phân bón hóa học, đốt nhiên liệu hóa thạch.
7


- Thời gian tồn tại: 114 năm trong khí quyển.
- Nồng độ: thấp hơn nhiều so với khí CO2.
- Tác động: gây ra hiệu ứng nhà kính gấp 298 lần so với khí CO2. DO
thời gian tồn tại lâu nên những hoạt động tạo ra khí N2O trong hiện
tại vẫn có thể gây ra hiệu ứng nhà kính trong những năm sau.
 Khí CH4
- Nguồn gốc tự nhiên: đƣợc tạo ra do quá trình phân hủy chất hữu cơ

của các vi khuẩn, có trong các mỏ khí, than đá và ở các vùng đất
ngập nƣớc.
- Nguồn gốc từ hoạt động của con ngƣời: chủ yếu từ các hoạt động khai
thác mỏ than, dầu, khí tự nhiên và từ hoạt động nông nghiệp nhƣ
đồng lúa trong thời gian ngập nƣớc, quá trình lên men trong dạ dày
gia súc.
- Thời gian tồn tại: trung bình khoảng 12 năm trong khí quyển.
- Nơng độ: Thấp hơn khí CO2 rất nhiều.
- Tác động: gây ra hiệu ứng nhà kính cao gấp 25 lần so với khí CO2.
 Các hợp chất Halocacbon nhƣ: CFC, HFC, HCFC
- Nguồn gốc: không sinh ra trong tự nhiên mà hoàn toàn do con ngƣời
tạo ra.
- Thời gian tồn tại: có thể lên đến 1700 năm trong bầu khí quyển.
- Tác động: gây ra hiệu ứng nhà kính gấp hàng nghìn lần so với khí
CO2.
 Khí CO2

8


- Nguồn gốc tự nhiên: phát thải khi động thực vật hô hấp, xác sinh vật
phân hủy và núi lửa phun trào.
- Nguồn gốc từ hoạt động của con ngƣời: đốt nhiên liệu hóa thạch, thay
đổi sử dụng đất, chặt phá rừng, …
- Nồng độ: khoảng vài trăm phần triệu thể tích.
- Thời gian tồn tại: khoảng từ 5 đến 200 năm trong khí quyển.
- Tác động: là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính.
 Kết luận:
 Phần lớn khí gây hiệu ứng nhà kính có nguồn gốc tự nhiên, một số lại
chỉ bắt nguồn từ những họat động của con ngƣời. Việc tập trung các

lọai khí đó trong bầu khí quyển là do chính các họat động đó gây ra.
Cụ thể là trƣờng hợp của các chất khí nhƣ CO2, CH4 hay khí CFC.
 Các chất khí trong họ CFC thì ngày nay đang đƣợc sử dụng rộng rãi
trong các bình khí nén của máy lạnh, máy điều hịa khơng khí hay các
loại bình xịt, đây là chất khí gây hiệu ứng nhà kính bắt nguồn chủ yếu
từ hoạt động cơng nghiệp của con ngƣời. Cịn khí CH4 và N2O đƣợc
phát thải vào khơng khí qua các hoạt động nơng nghiệp, khai thác
hầm mỏ.
Khí CO2 vừa có nguồn gốc tự nhiên vừa từ những hoạt động công nghiệp
đồng thời là loại khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh nhất vì nó chiếm tỷ trọng rất lớn
trong bầu khí quyển chỉ sau CFC. Ngồi ra, cho dù CFC chiếm tỷ trọng lớn nhất
nhƣng nó khơng đóng góp nhiều vào hiệu ứng nhà kính mà chủ yếu gây phá hủy
tầng ơ-zon. Chính vì thế ngày nay khí CO2 đƣợc xem nhƣ là tác nhân chính gây ra
hiệu ứng nhà kính, ấm lên tồn cầu.

9