Nghiên cứu đánh giá độ chính xác và so sánh bộ số liệu độ dày quang học sol khí MODIS C.6.1 độ phân giải 3 km và 10 km tại Việt Nam

Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” DOI: 10.15625/vap.2019.000143 316 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ SO SÁNH BỘ SỐ LIỆU ĐỘ DÀY QUANG HỌC SOL KHÍ MODIS C.6.1 ĐỘ PHÂN GIẢI 3 KM VÀ 10 KM TẠI VIỆT NAM Bùi Thị Hiếu, Nguyễn Đức Lượng, Nguyễn Hoàng Hiệp Khoa Kỹ thuật môi trường, Trường Đại học Xây dựng TÓM TẮT Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã đánh giá độ chính xác của bộ số liệu độ dày quang học sol khí (AOD) trích xuất từ vệ tinh MODIS ở phạm vi địa phương và toàn cầu. Tuy nhiên, những nghiên cứu có nội dung này tại Việt Nam còn rất hạn chế. Do đó, mục tiêu chính của nghiên cứu này là kiểm định độ chính xác tổng thể và diễn biến giá trị trung bình tháng của các bộ số liệu độ dày quang học thu được từ vệ tinh MODIS C.6.1 có độ phân giải 3 km và 10 km với số liệu độ dày quang học thu được tại ba trạm AERONET trên lãnh thổ Việt Nam bao gồm trạm Nghĩa Đô, Sơn La và Bạc Liêu. Kết quả nghiên cứu cho thấy số liệu độ dày quang học trung bình tháng MODIS theo sát xu hướng diễn biến của số liệu AERONET. Mặc dù bộ số liệu 3 km có độ chính xác tổng thể thấp hơn so với bộ số liệu 10 km, bộ số liệu 3 km có sự sai lệch ít hơn so với bộ số liệu 10 km tại trạm Bạc Liêu vào các tháng 9, 10, 11. Ngoài ra, số liệu MODIS tại khu vực đất liền có độ chính xác cao hơn so với số liệu MODIS tại khu vực ven biển. Từ khóa: Độ dày quang học sol khí (AOD), MODIS, AERONET, độ phân giải 3 km, độ phân giải 10 km. 1. GIỚI THIỆU Hai vệ tinh MODIS Terra và Aqua có khả năng cung cấp đặc tính vật lý của sol khí có độ phủ toàn cầu với độ phân giải thời gian và không gian cao. Bộ số liệu 6.1 cấp độ 2 cung cấp số liệu độ dày quang học sol khí (AOD) trung bình ngày sử dụng thuật toán mục tiêu tối với độ phân giải 3 km và 10 km. Bộ số liệu AOD với độ phân giải không gian 3 km được ứng dụng để đánh giá cục bộ chất lượng không khí (Remer và cộng sự, 2013). Bộ số liệu 3 km được kỳ vọng cung cấp số liệu có độ chính xác cao hơn để xác định những đặc tính cụ thể như thể hiện chùm khói và gradient sol khí với độ phân giải cao hơn, cung cấp số liệu sol khí tốt hơn khi có mây hoặc ở những nơi có đường bờ biển, những hòn đảo nhỏ (bộ số liệu 10 km có thể không cung cấp được số liệu sol khí trong trường hợp này). Với ưu điểm về độ phân giải không gian cao, các nhà nghiên cứu trên thế giới kỳ vọng có thể sử dụng bộ số liệu MODIS AOD 3 km để tạo bản đồ chi tiết về diễn biến sol khí cũng như xác định tính chất cục bộ của chất lượng không khí. Một số nghiên cứu đã đánh giá bộ số liệu MODIS AOD 3 km ở cấp độ toàn cầu (Remer và cộng sự, 2013), ở khía cạnh tính chất bề mặt đô thị và nông thôn (Munchak và cộng sự, 2013), tại những vùng cụ thể (Nichol và Bilal, 2016). Tuy nhiên, chưa có một nghiên cứu nào so sánh bộ số liệu MODIS AOD 3 km và 10 km 6.1 tại Việt Nam. Vì vậy, trong bối cảnh chất lượng môi trường không khí đang có xu hướng suy giảm nghiêm trọng ở Việt Nam, việc kiểm định, đánh giá bộ số liệu MODIS AOD 3 km trở nên vô cùng cần thiết. Do đó, mục tiêu của nghiên cứu này là so sánh sự tương quan, diễn biến theo tháng của số liệu vệ tinh MODIS AOD 3 km và 10 km với số liệu AOD thu được tại ba trạm quan trắc mặt đất AERONET (Nghĩa Đô, Sơn La và Bạc Liêu) ở Việt Nam. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu này sẽ sử dụng bộ số liệu MODIS Terra và Aqua trung bình ngày cấp độ 2 của thuật toán mục tiêu tối với độ phân giải 3 km và 10 km cho giai đoạn 2010-2016 được tải từ LAADS website (https://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/). Để đảm bảo số liệu MODIS AOD có chất lượng tốt, số liệu MODIS AOD được kiểm định bằng cách so sánh chúng với các số liệu AOD cấp Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” 317 độ 2.0 đo bởi các quang phổ kế đặt tại các trạm quan trắc mặt đất thuộc mạng lưới AERONE ở Việt Nam bao gồm trạm đô thị (Nghĩa Đô), trạm đô thị ven biển (Bạc Liêu), và trạm nông thôn miền núi (Sơn La). Số liệu của các trạm này sẽ được tải từ AERONET website ( Do các giá trị AOD có thể thay đổi đáng kể trong một ngày, số liệu MODIS AOD chỉ có thể so sánh với số liệu tham khảo AERONET AOD được đo với các khoảng thời gian tương ứng với nhau trong ngày. Sự tương thích về mặt thời gian của số liệu AERONET AOD với số liệu MODIS AOD sẽ được thực hiện theo phương pháp của Ichoku và các cộng sự (2003). Số liệu MODIS AOD sẽ được lấy trung bình trong một ô hình vuông có cạnh 50 km và 15 km với vị trí của quang phổ kế ở tâm của ô này đối với bộ số liệu 10 km và 3 km. Các giá trị trung bình được đồng nhất về không gian và thời gian tiếp đó sẽ được sử dụng trong bước kiểm định số liệu MODIS AOD với việc áp dụng phương pháp phân tích hồi quy tuyến tính đơn của MODIS AOD với AERONET AOD. Ngoài ra, các hệ số xác định (R2), sai số bình phương trung bình (RMSE ) và độ lệch trung bình (RMB), biên sai số (EE) được sử dụng để đánh giá độ chính xác của số liệu MODIS AOD. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả kiểm định số liệu vệ tinh MODIS AOD đối với số liệu AERONET AOD Kết quả so sánh số liệu độ dày quang học sol khí của MODIS và AERONET được thể hiện trong hình 1. Tổng số cặp MODIS-AERONET tại ba trạm AERONET được sử dụng để đánh giá độ chính xác của số liệu độ dày quang học sol khí sử dụng thuật toán mục tiêu tối với độ phân giải 3 km và 10 km. Nhìn chung, số liệu ở độ phân giải 3 km và 10 km cho kết quả có sự khác biệt không đáng kể khi xem xét các thông số hệ số xác định, sai số bình phương trung bình, phần trăm số cặp nằm trong biên sai số. Số lượng cặp nằm trong biên sai số của số liệu độ dày quang học sol khí với độ phân giải 3 km và 10 km lần lượt tương ứng là 57.056 và 60.363. Kết quả này tương đồng nghiên cứu của Sayer và các cộng sự (2014). Cả hai bộ số liệu 3 km và 10 km đều thể hiện sự đánh giá quá cao độ dày quang học sol khí với giá trị RMB lần lượt là 1,046 và 1,006. Những khác biệt trong thuật toán trích xuất hai bộ số liệu dẫn tới sự khác biệt về độ chính xác của hai bộ số liệu này bao gồm mức độ đánh giá quá cao độ dày quang học sol khí so với giá trị của bộ số liệu AERONET. Nhìn chung, bộ số liệu 3 km ở các trạm xem xét có độ chính xác thấp hơn bộ số liệu 10 km vì bộ số liệu 3 km có giá trị RMB cao hơn, phần trăm số cặp MODIS AERONET rơi vào biên sai số thấp hơn, giá trị RMSE thấp hơn bộ số liệu 10 km. Sự sai khác giữa hai bộ số liệu 3 km và 10 km có thể liên quan tới hai yếu tố chính là tỷ lệ mây và sự ước tính phản xạ từ bề mặt. Ngoài ra, những khác biệt trong thuật toán nhóm các ô trích xuất dữ liệu của hai bộ số liệu này dẫn tới bộ số liệu 3 km có tỷ lệ mây thấp hơn và đánh giá quá thấp phản xạ từ bề mặt dẫn tới độ chính xác của bộ số liệu 3 km thấp hơn bộ số liệu 10 km. Do bộ số liệu 3 km có độ phân giải cao hơn bộ số liệu 10 km, nên bộ số liệu 3 km sẽ giữ lại những ô số liệu của bề mặt không đồng nhất (những ô số liệu này sẽ được loại bỏ ở thuật toán của bộ số liệu 10 km). Những ô số liệu của bề mặt không đồng nhất này thường xuất hiện ở khu vực đô thị với tính chất bề mặt phức tạp làm tăng giá trị phản xạ bề mặt, dẫn tới sự đánh giá quá cao giá trị độ dày quang học sol khí so với bộ số liệu AERONET. 3.2. Đánh giá diễn biến trung bình tháng của bộ số liệu độ dày quang học MODIS Giá trị độ dày quang học sol khí trung bình tháng của MODIS được so sánh với AERONET để đánh giá độ chính xác của sản phẩm MODIS AOD (Hình 2). Nhìn chung, bộ số liệu MODIS AOD 3 km và 10 km có khả năng mô tả sự biến đổi theo mùa của giá trị AERONET AOD ở cả ba địa điểm nghiên cứu. Xu hướng diễn biến độ dày quang học sol khí theo từng tháng của bộ số liệu 3 km và 10 km giống nhau tại trạm Nghĩa Đô và trạm Sơn La. Tuy nhiên, bộ số liệu 3 km theo sát diễn biến độ dày quang học sol khí của bộ số liệu AERONET hơn bộ số liệu 10 km ở trạm Bạc Liêu vào các tháng 9, 10, 11. Sai lệch giữa bộ số liệu MODIS 3 km, 10 km với bộ số liệu AERONET tại trạm ven biển Bạc Liêu cao hơn hai trạm Nghĩa Đô và Sơn La. Do đó, số liệu MODIS AOD tại khu vực ven biển cho số liệu có độ chính xác thấp hơn so với Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 318 khu vực đất liền, điều này cũng được khẳng định trong nghiên cứu của Zhang và các cộng sự (2017). Hình 1. So sánh số liệu MODIS AOD DT 10 km và 3 km với số liệu AERONET AOD tại tất cả các trạm đo: (a). Bộ số liệu 10 km; (b). Bộ số liệu 3 km. Hình 2. Giá trị trung bình tháng của MODIS AOD và AERONET AOD ở bước sóng 550 nm cùng với giá trị sai khác trung bình tháng của MODIS AOD và AERONET AOD tại ba trạm: 1) Bạc Liêu, 2) Nghĩa Đô, 3) Sơn La với đường nét đứt màu xanh, đường màu xanh lá và đường nét đứt màu vàng lần lượt là AERONET AOD, MODIS AOD và sự sai lệch giữa hai bộ số liệu này. 4. KẾT LUẬN Nghiên cứu này đánh giá độ chính xác của bộ số liệu độ dày quang học sol khí MODIS AOD độ phân giải 3 km và 10 km bằng cách so sánh hai bộ số liệu này với bộ số liệu tham khảo thu được tại ba trạm AERONET trên lãnh thổ Việt Nam có tính chất bề mặt khác nhau bao gồm trạm đô thị (Nghĩa Đô), trạm đô thị ven biển (Bạc Liêu), và trạm nông thôn miền núi (Sơn La). Bộ số liệu MODIS AOD được so sánh với bộ số liệu AERONET AOD trên phương diện đánh giá tổng thể độ chính xác và đánh giá diễn biến giá trị trung bình tháng của độ dày quang học sol khí. Kết quả thu được cho thấy, bộ số liệu MODIS AOD 3 km có độ chính xác thấp hơn so với bộ số liệu MODIS AOD 10 km. Cả hai bộ số liệu MODIS AOD 3 km và 10 km đều có khả năng thể hiện diễn biến trung bình tháng của độ dày quang học sol khí thu được ở cả ba trạm AERONET. Tuy nhiên, tại trạm Bạc Liêu, bộ số liệu 3 km cho giá trị gần với giá trị AERONET hơn bộ số liệu 10 km vào các tháng 9, 10, 11. Ngoài ra, độ chính xác của số liệu MODIS AOD sử dụng thuật toán mục tiêu tối ở các vùng ven biển có độ chính xác thấp hơn so với khu vực đất liền. Lời cảm ơn Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 105.08-2017.301. Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” 319 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Levy R. C., Mattoo S., Munchak L. A., Remer L. A., Sayer A. M., Patadia F., and Hsu N. C., 2013. The Collection 6 MODIS aerosol products over land and ocean. Atmos. Meas. Tech., 6: 2989–3034. [2]. Munchak L., R. Levy, S. Mattoo, L. Remer, B. Holben, J. Schafer, C. Hostetler, and R. Ferrare, 2013. MODIS 3 km aerosol product: applications over land in an urban/suburban region. Atmospheric Measurement Techniques, 6(7), 1747-1759. [3]. Nichol J. E., and M. Bilal (2016). Validation of MODIS 3 km Resolution Aerosol Optical Depth Retrievals Over Asia. Remote Sensing, 8(4), 328. [4]. Ichoku C., Remer, L. A., Kaufman, Y.J., Levy, R., Chu, D.A., Tanre´, D., Holben, B.N, 2003. MODIS observation of aerosols and estimation of aerosol radiative forcing over southern Africa during SAFARI 2000. Journal of Geophysical Research, 108 (D13): 84-99. [5]. Sayer, A. M., Munchak, L. A., Hsu, N. C., Levy, R. C., Bettenhausen, C., and Jeong, M.-J, 2014. MODIS Collection 6 aerosol products: comparison between Aqua’s e-Deep Blue, Dark Target, and “merged” data sets, and usage recom-mendations. J. Geophys. Res.-Atmos., 119: 13965–13989. [6]. Zhang, M., Huang, B., He, Q, 2017. An evaluation of four MODIS collection 6 aerosol products in a humid subtropical region. Remote sensing, 9: 1173. EVALUATION AND COMPARISON OF MODIS 3 KM AND 10 KM COLLECTION 6.1 AEROSOL OPTICAL DEPTH IN VIETNAM Bui Thi Hieu, Nguyen Duc Luong, Nguyen Hoang Hiep National University of Civil Engineering (NUCE), Vietnam ABSTRACT There has been a number of studies that extensively validated MODIS satellite-based aerosol optical depth (AODs) by performing the spatiotemporal collocation with ground-based AERONET stations on both global and regional scales. However, research on this topic over Vietnam is still very limited. Therefore, the goal of this research is to inter-compare the MODIS Terra and Aqua C6.1 DT 10 km, 3 km with the AERONET AODs at Nghia Do, Bac Lieu, and Son La stations with respect to the overall accuracy and the monthly mean trends. The monthly mean trends of MODIS AODs followed closely the monthly mean trends of AERONET AODs in all 3 stations. Although, MODIS 3 km expressed inferior performance than the 10 km respect to the overall accuracy, the monthly mean values of MODIS 3 km were closer with AERONET in September, October, and November. Moreover, performances of MODIS products over the coastal site were inferior compared to the non-coastal site. Key words: Aerosol Optical Depth (AOD), MODIS, AERONET, 3 km resolution, 10 km resolution.