1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
BÙI THỊ MAI
NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ DÀY QUANG HỌC
SOL KHÍ TỪ ẢNH VỆ TINH DỰA TRÊN CÁC TRẠM
QUAN TRẮC
Ngành : Công nghệ thông tin
Chuyên ngành : Kỹ thuật phần mềm
Mã số : 60480103
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Hà Nội, 2017
2
1. Đặt vấn đề, định hướng nghiên cứu
Trong những năm qua, với xu thế đổi mới và hội nhập,
các nước trong khu vực Đông Nam Á và khu vực lân cận đã
và đang từng bước đổi mới hướng đến công nghiệp hóa. Tuy
nhiên, cùng với sự phát triển mạnh mẽ đó, các quốc gia vẫn
đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, trong đó có vấn đề
ô nhiễm môi trường không khí. Khói bụi, chất thải từ các nhà
máy, tình trạng đốt rừng và phá huỷ hàng ngàn hecta rừng
nguyên sinh phục vụ cho công nghiệp và nông nghiệp, núi lửa
phun trào…dẫn đến ô nhiễm không khí nghiêm trọng đặc biệt
là các thành phố lớn. Ô nhiễm không khí cùng với việc khai
thác tài nguyên không hợp lý, chặt phá rừng bừa bãi…, làm
cho tầng Ozon bị thủng, gây nên hiệu ứng nhà kính và đặc biệt
là thay đổi khí hậu toàn cầu gây nên hiện tượng El nino kèm
theo những trận mưa lụt, bão khủng khiếp và hạn hán kéo dài.
Ô nhiễm không khí không chỉ là vấn đề nóng tập trung ở các
đô thị phát triển, các khu, cụm công nghiệp… mà đã trở thành
mối quan tâm của toàn xã hội.
Sol khí là một trong số các thành phần gây ô nhiễm
không khí. Theo [1] sol khí có thể ảnh hưởng trực tiếp tới khí
hậu do tính tán xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời của chúng làm
thay đổi cân bằng năng lượng của hệ thống Trái đất - Khí
quyển. Sol khí ảnh hưởng gián tiếp tới khí hậu bởi chúng là
hạt nhân ngưng kết mây và hạt nhân của băng, có khả năng
làm thay đổi tính chất quang học, vi vật lý và thời gian tồn tại
của mây. Chính vì vậy, hiểu biết về phân bố và xu hướng biến
đổi theo không gian và thời gian của sol khí là rất quan trọng
3
để hiểu về đặc điểm của sol khí và ảnh hưởng của chúng đến
khí hậu Trái đất.
Nhằm giám sát sol khí và khí hậu, NASA và
PHOTONS cùng với hàng trăm các cộng tác viên đến từ các
trường đại học, các cơ quan… đã thiết lập lên một mạng lưới
quan trắc tại nhiều khu vực trên thế giới. Mặc dù vậy việc
giám sát sol khí còn nhiều hạn chế trong việc duy trì hoạt động
và cung cấp số liệu nghiên cứu. Mặt khác các thông số này chỉ
đại diện cho một khu vực nhỏ đặt trạm quan trắc mà không thể
giám sát liên tục cũng như bao quát toàn bộ Trái đất. Vì vậy,
các nhà khoa học đã nghiên cứu và thực hiện gắn các thiết bị
lên vệ tinh để giám sát sol khí, khí hậu, đất, nước... với phạm
vi rộng lớn hơn. Sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh trong giám sát ô
nhiễm không khí trong đó có sol khí là một hướng tiếp cận đầy
hứa hẹn. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra tiềm năng trong việc
sử dụng công nghệ ảnh vệ tinh viễn thám như MODIS,
VIIRS… giám sát ô nhiễm kết hợp với các nguồn quan trắc
mặt đất AERONET. Nhằm đảm bảo chất lượng của nguồn dữ
liệu đầu vào khi sử dụng sản phẩm ảnh vệ tinh cho các ứng
dụng, cần thực hiện đánh giá chất lượng các sản phẩm. Theo
hướng nghiên cứu này, tôi thực hiện Nghiên cứu và đánh giá
độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ tinh dựa trên các trạm
quan trắc cho khu vực Đông Nam Á cùng với Đài Loan và
Hồng Kông.
2. Mục tiêu của luận văn
Ảnh viễn thám được ứng dụng trong quản lý khí hậu
và biến đổi môi trường, giám sát ô nhiễm không khí, nguồn
4
nước, đất đai…cập nhật khí hậu theo từng vùng, địa phương,
hỗ trợ dự báo thời tiết, phân loại các địa hình, thành lập bản
đồ… Để ứng dụng các sản phẩm ảnh sol khí từ vệ tinh vào
trong các nghiên cứu và hệ thống giám sát, cần thực hiện đánh
giá các sản phẩm sol khí này. Vì vậy, tôi đã lựa chọn đề tài
“Nghiên cứu và đánh giá độ dày quang học sol khí từ ảnh vệ
tinh dựa trên các trạm quan trắc”. Với mục đích nghiên cứu và
đánh giá độ dày quang học sol khí (AOD) từ ảnh vệ tinh, tôi
đã bước đầu làm chủ được kiến thức và công nghệ trong lĩnh
vực này.
Để đạt được mục tiêu trên, tôi đã nghiên cứu và học
tập lý thuyết về ảnh vệ tinh, từ đó đi vào nghiên cứu các sản
phẩm về sol khí. Đồng thời, nhằm đối chiếu với dữ liệu từ các
trạm quan trắc tôi đã bước đầu nắm được các tri thức, công cụ
và kĩ thuật xử lý và trích xuất dữ liệu sol khí từ ảnh vệ tinh. Từ
đó, tích hợp dữ liệu từ ảnh vệ tinh và dữ liệu từ trạm quan trắc
trên mặt đất để tiến hành đánh giá.
Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu, đánh giá và xác
định được xu hướng biến đổi của độ dày quang học sol khí
theo biến trình năm, theo tháng trên phạm vi toàn khu vực và
theo từng quốc gia dựa trên số liệu từ các trạm quan trắc.
Đồng thời, đưa ra các nhận định về mối quan hệ giữa nồng độ
sol khí trên các quốc gia và các điểm cháy trong khu vực.
3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Luận văn giới hạn nghiên cứu trong khu vực Đông
Nam Á, Đài Loan và Hồng Kông. Trên cơ sở đó, tôi đã thực
hiện nghiên cứu về ảnh viễn thám, tiền xử lý và giải đoán ảnh.
5
Trong đó tập trung tìm hiểu về ảnh vệ tinh MODIS AOD có
độ phân giải 3 km và ảnh vệ tinh VIIRS AOD có độ phân giải
6 km. Đồng thời thực hiện tìm hiểu về các công cụ mã nguồn
mở để xử lý và trích xuất dữ liệu ảnh viễn thám. Trong đó có
bọ thư viẹn GDAL (Geospatial Data Abstraction Library) giúp
đọc các thông tin siêu dữ liệu (metadata), trích xuất các band
chứa dữ liệu sol khí, chuyển đổi các định dạng và tạo các
ảnh... Ngôn ngữ kịch bản Python và ngôn ngữ lập trình PHP
được sử dụng để viết các mã lệnh xử lý ảnh vệ tinh. Cơ sở dữ
liệu không gian PostgreSQL – PostGIS lưu trữ thông tin ảnh
vệ tinh và dữ liệu ảnh dưới dạng raster.
Bước tiếp theo sẽ thực hiện trích xuất dữ liệu sol khí
từ ảnh vệ tinh MODIS và VIIRS, lấy dữ liệu từ các trạm quan
trắc, lấy dữ liệu cháy rừng…Sau khi có đầy đủ dữ liệu, thực
hiện tích hợp dữ liệu ảnh vệ tinh và dữ liệu từ các tram quan
trắc dựa trên khoảng thời gian và không gian xác định.
Cuối cùng, đưa ra các đánh giá và phân tích độ dày
quang học sol khí dựa trên các tham số thống kê như trung
bình số học, độ lệch chuẩn, sai số,… Từ các thông số phân
tích trên, thực hiện đánh giá AOD theo toàn khu vực, theo
quốc gia, đánh giá mối tương quan giữa AOD từ ảnh vệ tinh
và AOD từ trạm quan trắc, đánh giá mối quan hệ giữa AOD và
tình hình cháy trong khu vực nghiên cứu.
4. Kết cấu của luận văn
Bên cạnh phần mở đầu, kết luận, phụ lục, hình vẽ và
bảng biểu minh hoạ, nội dung luận văn bao gồm 3 chương như
sau: