1. Xây dựng bản đồ lớp phủ của TP.Hà Nội và Đà Nẵng
Đối với khu vực TP. Hà Nội, để xây dựng bản đồ lớp phủ sử dụng 4 cảnh ảnh VNREDSat-1 và 1 cảnh ảnh Landsat 8, đối với khu vực Đà Nẵng sử dụng 4 cảnh ảnh VNREDSat-1 và 2 cảnh ảnh Landsat 8 , các dữ liệu này đều được thu thập ở mức thấp nhất có thể để thực hiện công tác xử lý, chiết tách thông tin. Kết hợp các kết quả phân loại bán tự động, hướng đối tượng, giải đoán ảnh và các mẫu thu thập thực địa, cập nhật các thông tin để nâng cao độ chính xác của kết quả. Một số dữ liệu được cập nhật lại như sau:

Bảng 1. Chú giải bản đồ lớp phủ trong khu vực nghiên cứu.

Sau khi biên tập và trình bày kết quả, thu được bản đồ lớp phủ mặt đất khu vực thành phố Hà Nội và Đà Nẵng, minh họa như các hình dưới đây:

2. Chiết tách giá trị độ dày quang học sol khí bằng tư liệu ảnh viễn thám có độ phân giải thời gian cao và từ ảnh phổ lidar
a) Chiết tách giá trị AOD bằng tư liệu ảnh viễn thám có độ phân giải thời gian cao

Hình 1. Bản đồ AOD sol khí của TP. Hà Nội ngày 13/1/2015 và 10/1/2016

Hình 2. Bản đồ AOD sol khí của TP. Đà Nẵng ngày 23/1/2015 và 15/1/2016

Các kết quả chiết tách giá trị độ dày quang học AOD từ các ảnh MODIS của TP. Hà Nội và Đà Nẵng tại các thời điểm khác nhau trong giai đoạn 2015 – 2020 được trình bày dưới dạng bản đồ. Hình 1 thể hiện ví dụ về bản đồ AOD của TP. Hà Nội, hình 2 của TP. Đà Nẵng.
b) Chiết tách giá trị độ dày quang học AOD từ ảnh phổ lidar
Đối với khu vực TP. Hà Nội, để nghiên cứu độ dày sol khí, đề tài sử dụng Lidar sol khí (SLIM) được mượn từ Phòng thí nghiệm khí quyển, môi trường, quan sát không gian (LATMOS), Cộng hòa Pháp. Thời gian đo từ 10/1/2019 đến 10/3/2019. Trên hình 3 là ví dụ một ảnh phổ lidar thu được ngày 8/2/2019

Hình 3. Mặt cắt ngang theo chiều cao thời gian của tín hiệu đã điều chỉnh phạm vi được ghi lại bởi hệ thống SLIM ở Hà Nội vào ngày 8 tháng 2 năm 2019

Ước lượng độ không đảm bảo: Với công suất thấp, lidar cận hồng ngoại như SLIM, cần tính trung bình trong thời gian dài để thu được đủ tán xạ ngược từ lớp không có sol khí. Trong trường hợp này, độ không đảm bảo trên RCS được tính là độ lệch chuẩn của RCS trong khoảng thời gian tính trung bình, chia cho căn bậc hai của số lượng các đường đặc tuyến, bao gồm cả trung bình. Sau đó, độ không đảm bảo trên RCS được lan truyền trong suốt quá trình nghịch đảo bằng phương pháp Monte-Carlo. Đầu tiên, một phân phối ngẫu nhiên của 100 biên dạng nhân tạo RCS được tạo ra: ở mỗi độ cao, trung bình của phân phối là RCS trung bình và độ lệch chuẩn của phân phối là độ không đảm bảo trên RCS. Thứ hai, tất cả các kết quả RCS trong phân phối (cộng với kết quả trung bình) được chuẩn hóa và đảo ngược riêng. Điều này dẫn đến sự phân bố các kết quả của độ tắt sol khí và tán xạ ngược và sự phân bố các giá trị AOD. Cuối cùng, độ lệch chuẩn của độ tắt aerosol và tán xạ ngược và của AOD được tính toán và sử dụng làm độ không đảm bảo cho các kết quả. Kết quả tính toán được AOD là 0.167 ± 0.07.
Đối với khu vực TP. Đà Nẵng, đề tài sử dụng Lidar laser Nd: YAG được mượn từ Viện Vật lý. Thời gian đo từ 6/1/2020 đến 14/1/2020. Tính toán một cách tương tự: độ sâu quang học có giá trị trung bình 0,1497 trong 9 ngày khảo sát tại Đà Nẵng (Hình 4).

Hình 4. Giá trị AOD tính toán được của một số ngày đo lidar tại Đà Nẵng

3. Phát triển thuật toán cho các thông số ô nhiễm không khí TP. Hà Nội và Đà Nẵng
Để xây dựng thuật toán cho các thông số ô nhiễm, đề tài sử dụng mô hình hồi quy tuyến tính. Đối với khu vực TP. Đà Nẵng, các kết quả tính toán tương quan được thể hiện trong các hình 5, 6 như dưới đây.

Hình 5. Tương quan giữa trị đo thực địa và tính toán từ ảnh của bụi PM2.5, PM10, STP khu vực Đà Nẵng

Hình 6. Tương quan giữa trị đo thực địa và tính toán từ ảnh của bụi NO, NO2 NOx khu vực Đà Nẵng

Kết quả thu được khá tốt với giá trị tương quan R2 đối với PM2.5 là 0,79, của PM10 là 0,81, của TSP là 0,79; của NO là 0,81, của NO2 là 0,78 và NOx là 0,86. Lý giải cho tương quan của NOx cao là do dải giá trị của NOx trải rộng từ 152ppm đến 874ppm đối với giá trị đo thực địa và từ 113ppm đến 951ppm đối với giá trị chiết tách từ ảnh, và chỉ có một vài điểm có giá trị cao như vậy, trong khi hầu hết khoảng giá trị tập trung trong khoảng 400-500ppm. Tương quan thấp nhất là giá trị của NO2 là 0,78, điều này có thể dễ dàng nhận thấy trên hình 6 khi mà giá trị của các điểm lấy mẫu có xu hướng phân kỳ so với đường tuyến tính tương quan.
Đối với khu vực TP. Hà Nội, các kết quả tính toán tương quan được thể hiện trong các hình 7, 8. Kết quả thu được khá tốt với giá trị tương quan R2 đối với PM2.5 là 0,84, của PM10 là 0,87, của TSP là 0,89, của NO là 0,93, của NO2 là 0,84 và NOx là 0,93. Lý giải cho tương quan của NOx và NO cao là do dải giá trị của NOx và NO trải rộng, đối với NOx là từ 75ppm đến 1629ppm đối với giá trị đo thực địa và từ 54ppm đến 1334ppm đối với giá trị chiết tách từ ảnh, đối với NO là từ 38ppm đến 961ppm đối với giá trị đo thực địa và từ 32ppm đến 862 đối với giá trị chiết tách từ ảnh và chỉ có một vài điểm có giá trị cao như vậy, trong khi hầu hết khoảng giá trị tập trung trong khoảng 40-300ppm đối với NO và 100-400ppm đối với NOx (Hình 8). Tương quan thấp nhất là giá trị của NO2 và PM2.5 là 0,84, điều này có thể dễ dàng nhận thấy trên hình 7 (đối với PM2.5) khi mà giá trị của các điểm lấy mẫu khá phân tán và không tập trung so với đường tuyến tính tương quan, và đối với NO2 có một giá trị dị thường.

Hình 7. Tương quan giữa trị đo thực địa và tính toán từ ảnh của bụi PM2.5, PM10, STP khu vực Hà Nội

Hình 8. Tương quan giữa trị đo thực địa và tính toán từ ảnh của bụi NO, NO2 NOx khu vực Hà Nội

4. Hệ thống giám sát CLKK bằng mã nguồn mở và đề xuất giải pháp giám sát chất lượng không khí cho TP. Hà Nội và Đà Nẵng
Giao diện chính của hệ thống giám sát CLKK: Hình 29 là trang chủ của hệ thống với phần bên phải là cửa sổ bản đồ, phần bên trái là menu chức năng.

Hình 9. Giao diện chính của WebGIS

Các chức năng trên bản đồ: Thanh công cụ thể hiện các chức năng trên bản đồ như sau:

Chọn phương pháp đo ở khung phía bên trái màn hình sau đó thực hiện đo bằng cách chọn lần lượt các điểm dọc theo đối tượng cần đo ở cửa sổ bản đồ phía bên phải, kết quả đo sẽ được hiển thị phía dưới của khung đo đạc.

Hình 10. Thước đo

Chức năng hiển thị thông tin thuộc tính của từng đối tượng.

Hình 11. Hiển thị thông tin

Click chọn đối tượng cần xem, thông tin liên quan sẽ được hiển thị trong một cửa sổ mới.
Mô tả hệ thống: Khi có yêu cầu của cơ quan quản lí về môi trường gửi yêu cầu tới hệ thống quản lý các chỉ số môi trường và cảnh báo ô nhiễm thì hệ thống sẽ tiến hành thực hiện các yêu cầu đó. Đơn vị quan trắc môi trường sẽ có nhiệm vụ quan trắc theo những thông tin hệ thống yêu cầu, sau đó gửi về hệ thống.
Hệ thống quản lý này bao gồm nhiều bộ phận, mỗi bộ phận thực hiện các công việc chuyên trách khác nhau.
Bộ phận cập nhật thông tin sẽ tiếp nhận thông tin từ đơn vị quan trắc môi trường và thực hiện công việc cập nhật thông tin bao gồm cập nhật danh mục các khu vực, cập nhật danh mục loại phương tiện, cập nhật phiếu số liệu quan trắc MT (theo khu vực), cập nhật bảng tiêu chuẩn MT cho phép.
Khi có yêu cầu đột xuất từ cơ quan quản lý yêu cầu cung cấp thông tin có trong cơ sở dữ liệu, bộ phận tra cứu thông tin có trách nhiệm tra cứu thông tin và giải đáp, bao gồm tra cứu về khu vực ô nhiễm, tra cứu mức độ ô nhiễm theo các chỉ số môi trường tại khu vực, tra cứu về phương tiện giao thông chính tham gia tại khu vực.
Bộ phận tổng hợp, báo cáo thực hiện công việc báo cáo theo định kỳ, bao gồm việc tổng hợp thông tin quan trắc của các khu vực theo tháng/năm, thống kê số liệu quan trắc của các khu vực bị ô nhiễm, thống kê các khu vực bị ô nhiễm, thống kê các loại phương tiên giao thông chính tham gia tại khu vực ô nhiễm.
Bộ phận cảnh báo ô nhiễm thực hiện việc đưa ra các khu vực mới bị ô nhiễm để tiến hành cảnh báo các khu vực mới bị ô nhiễm.
Quy trình kỹ thuật về giám sát chất lượng MTKK được bộ Tài Nguyên và Môi trường quy định trong thông tư 28/2011TT-BTNMT. Căn cứ vào thông tư này và trên cơ sở các kết quả đã đạt được ở trên, đề tài đề xuất quy trình giám sát chất lượng không khí ứng dụng công nghệ viễn thám và LIDAR mặt đất như trong hình sau:

Hình 12. Quy trình giám sát MTKK sử dụng viễn thám và Lidar mặt đất

Để thực hiện giám sát chất lượng MTKK bằng phương pháp viễn thám và LIDAR mặt đất, các bước tiến hành như sau:
- Thực hiện đánh dấu các điểm phân tích, quan trắc trên thực tế và trên ảnh vệ tinh từ đó kết hợp các dữ liệu vệ tinh và tín hiệu LIDAR mặt đất để thực hiện phân tích về không khí tại cùng thời điểm, địa điểm quan trắc.
- Quá trình phân tích đánh giá các chỉ tiêu chất lượng không khí được thực hiện bằng cách kết hợp các phương pháp phân tích đo đạc trực tiếp tại hiện trường cho các chỉ tiêu như nhiệt độ, áp suất, hướng gió, tốc độ gió và các chỉ tiêu về thành phần của không khí bằng phương pháp gián tiếp lấy mẫu rồi thực hiện phân tích trong phòng thí nghiệm.
- Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm được thực hiện với các bước lấy mẫu, bảo quản mẫu và thực hiện phân tích tại phòng thí nghiệm theo các quy chuẩn của quốc gia.
Các giải pháp tăng cường giám sát MTKK và giảm thiểu ONMT được đề xuất bao gồm:
a) Giải pháp khoa học kỹ thuật:
- Tăng cường các biện pháp kỹ thuật truyền thống trong giám sát chất lượng MTKK:
- Giải pháp sử dụng công nghệ viễn thám và LIDAR mặt đất trong quan trắc MTKK
b). Giải pháp về cơ chế, chính sách:
- Nhóm giải pháp chung nhằm tăng cường giám sát, bảo vệ MTKK:
+ Hoàn thiện các quy định pháp luật về giám sát, bảo vệ MTKK ở Trung ương, bao gồm:
+ Hoàn thiện hệ thống thanh tra nhà nước cấp Trung ương nhằm đảm bảo việc thực hiện pháp luật về bảo vệ MTKK:
+Tăng cường sự hợp tác quốc tế trong việc thực hiện pháp luật bảo vệ MTKK;
+ Đẩy mạnh nghiên cứu khoa học, áp dụng giải pháp kỹ thuật công nghệ về xử lý ô nhiễm không khí;
+ Đa dạng hóa và phân phối hợp lý đầu tư tài chính cho việc thực hiện pháp luật về bảo vệ MTKK;
- Nhóm giải pháp cụ thể đảm bảo thực hiện pháp luật bảo vệ MTKK cho Hà Nội và Đà Nẵng:
+ Hoàn thiện các quy định pháp luật BVMT không khí ở Hà Nội và Đà Nẵng, bao gồm:
+ Tăng cường sự lãnh đạo của các cấp ủy Đảng và sự quản lý của Nhà nước trong việc THPL về BVMT không khí ở Hà Nội và Đà Nẵng ;
+ Nâng cao trình độ, năng lực chuyên môn nghiệp vụ và phẩm chất đội ngũ cán bộ quản lý về BVMT không khí ở Hà Nội và Đà Nẵng ;
+ Tăng cường sự phối hợp chặt chẽ giữa các cơ quan Nhà nước có thẩm quyền trong THPL bảo vệ MTLN ở Hà Nội và Đà Nẵng ;
+ Tăng cường hoạt động thanh tra, kiểm tra, sơ kết, tổng kết, giải quyết khiếu tố khiếu nại, xử lý nghiêm các vi phạm pháp luật trong BVMT không khí ở Hà Nội và Đà Nẵng ;
+ Tăng cường tuyên truyền, phổ biến giáo dục pháp luật và nâng cao nhận thức trong việc THPL về BVMT không khí đối với cơ sở sản xuất và nhân dân ở TP. Hà Nội và Đà Nẵng ;
+ Khuyến khích xã hội hóa BVMT không khí ở Hà Nội và Đà Nẵng.
5. Bài báo và sách chuyên khảo đã công bố
5.1. Bài báo trên các tạp chí quốc tế trong hệ thống ISI/Scopus:
[1]. Bao Anh Phung Ngoc, Hervé Delbarre, Karine Deboudt, Elsa Dieudonné, Dien Nguyen Tran, Son Le Thanh, Jacques Pelon, François Ravetta. Key factors explaining severe air pollution episodes in Hanoi during 2019 winter season. Atmospheric Pollution Research 12(2021) 101068, SSN: 1309-1042, Science Citation Index Expanded,
5.2. Bài báo trên tạp chí khoa học chuyên ngành trong nước
[1]. Lê Thanh Sơn, Nguyễn Trần Điện, Phùng Ngọc Bảo Anh, Đinh Ngọc Đạt, Nguyễn Anh Dũng. Nghiên cứu mối tương quan giữa nồng độ NO2 và các yếu tố khí tượng. Tạp chí Tài nguyên và môi trường, kỳ 2, tháng 4.2021.
6. Kết quả tham gia đào tạo
6.1. Hỗ trợ đào tạo tiến sĩ
[1]. Phùng Ngọc Bảo Anh, đề tài luận án: “Caractérisation de la pollution particulaire dans la couche limite urrbaine de Hanoi’, trường Đại học ULCO, Dunkerque, Cộng hòa Pháp (Nghiên cứu sinh năm thứ 2)
6.2. Thạc sĩ
[1]. Ngô Thị Mơ, đề tài luận văn “Nghiên cứu hiện trạng ô nhiễm bụi mịn PM2.5 ở một số khu vực điển hình của thành phố Hà Nội”, chuyên ngành kỹ thuật môi trường (2020), Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm KHCNVN.
[2]. Đào Tuấn Anh, đề tài luận “Nghiên cứu đánh giá hiện trạng ô nhiễm khí NO2 ở một số khu vực điển hình của thành phố Hà Nội’, chuyên ngành kỹ thuật môi trường (2020), Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm KHCNVN.
7. Tình hình chuyển giao công nghệ
Chuyển giao hệ thống giám sát chất lượng không khí bằng công nghệ viễn thám và lidar cho 2 đơn vị:
+ Trung tâm Quan trắc Tài nguyên và môi trường Hà Nội.
+ Trung tâm Quan trắc Tài nguyên và môi trường Đà Nẵng.
8. Kết quả của đề tài được lưu trữ tại
- Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam
- Văn phòng Chương trình KHCN Vũ trụ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt nam
- Cục thông tin khoa học và công nghệ Quốc gia.