TORUS 3 - Toward an Open Resource Using Services: Cloud Computing for Environmental Data

251 Pages·2020·25.37 MB·English

by  Dominique Laffly (editor)

TORUS 3 – Toward an Open Resource Using Services
TORUS 3 – Toward an Open
Resource Using Services

Cloud Computing for Environmental Data

Edited by

Dominique Laffly
First published 2020 in Great Britain and the United States by ISTE Ltd and John Wiley & Sons, Inc.
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British Library Cataloguing-in-Publication Data
A CIP record for this book is available from the British Library
ISBN 978-1-78630-601-2
Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Chapter 1. Introduction to Environmental
Management and Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Thi Kim Oanh NGUYEN, Quoc Tuan LE, Thongchai KANABKAEW,
Sukhuma CHITAPORPAN and Truong Ngoc Han LE
1.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Environmental components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1. Lithosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2. Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.3. Hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.4. Biosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3. Environmental pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1. Air pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2. Water pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.3. Soil pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.4. Biological pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4. Environmental quality management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.1. Air quality management: technical
tools and data management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.2. Water quality management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.3. Biosphere reservation and management. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5. Data services for the environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
vi TORUS 3 – Toward an Open Resource Using Services
Part. Environmental Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Chapter 2. Air Quality Monitoring with Focus on Wireless Sensor
Application and Data Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Tan Loi HUYNH, Sathita FAKPRAPAI and Thi Kim Oanh NGUYEN
2.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2. Development of air pollution monitoring techniques . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1. Conventional air pollution monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.2. Sensing technology for air monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3. Wireless sensor network for air monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1. Case studies of application of wireless sensors for
air quality monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2. AIT case study 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.3. AIT case study 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.4. Influencing factors of low-cost sensor performance in
air pollution monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4. Summary: toward application of cloud computing for air quality
monitoring data management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Chapter 3. Emission Inventories for Air Pollutants and Greenhouse
Gases with Emphasis on Data Management in the Cloud . . . . . . . . . . . 41
Thi Kim Oanh NGUYEN, Nguyen Huy LAI, Didin Agustian PERMADI, Nhat Ha Chi NGUYEN,
Kok SOTHEA, Sukhuma CHITAPORPAN, Thongchai KANABKAEW, Jantira RATTANARAT and
Surasak SICHUM
3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2. Methodology for development of EI database. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.1. Framework of EI development. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2. Calculation of EI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.3. Sources of data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3. Case studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3.1. Southeast Asia (SEA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3.2. Vietnam inland domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.3. Bangkok Metropolitan Region, Thailand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.4. Forest fire emissions from Nakhon Si Thammarat, Thailand . . . . . . . . 60
3.3.5. Phnom Penh (PNH), Cambodia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4. Summary and conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.5. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Contents vii
Chapter 4. Atmospheric Modeling with Focus on Management of
Input/Output Data and Potential of Cloud Computing Applications . . . . . 73
Thi Kim Oanh NGUYEN, Nhat Ha Chi NGUYEN, Nguyen Huy LAI and Didin Agustian
PERMADI
4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.1.1. Atmospheric modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.1.2. Roles of modeling in air quality management . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1.3. Existing modeling systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2. Model architecture of chemistry transport model . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.1. Conceptual framework and structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.2. Data flow and processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3. Output data processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3.1. Output data processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3.2. Model performance evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4. Potential applications of cloud computing in atmospheric modeling . . . . . . 87
4.4.1. Current status of cloud computing applications in
atmospheric modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.4.2. Potential applications of cloud computing in air quality modeling . . . . . 88
4.5. Case studies of air pollution modeling in Southeast Asia . . . . . . . . . . . . 89
4.5.1. Modeling air quality in Vietnam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.5.2. Modeling air quality in the Bangkok Metropolitan Region . . . . . . . . . 93
4.5.3. Modeling air quality in the Southeast Asia domain . . . . . . . . . . . . . 96
4.6. Summary and conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.7. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Chapter 5. Particulate Matter Concentration Mapping from
Satellite Imagery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Thi Nhat Thanh NGUYEN, Viet Hung LUU, Van Ha PHAM, Quang Hung BUI and Thi Kim
Oanh NGUYEN
5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2. Relation of aerosol optical thickness, meteorological variables and
particulate matter concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.2.1. Data collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2.2. Outlier detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2.3. Data integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2.4. Correlation analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.2.5. Validation of satellite-derived AOD and ground-measured AOD . . . . . 107
5.2.6. Relation of particulate matter concentration and
meteorological variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2.7. Relation of particulate matter concentration and
satellite-derived AOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
viii TORUS 3 – Toward an Open Resource Using Services
5.3. PM mapping from moderate resolution satellite images . . . . . . . . . . . . 114
2.5
5.3.1. Data collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.3.2. Multiple variable regressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.3.3. Data interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.3.4. Evaluation metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.3.5. Predictor variables and model selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.3.6. Interpolation model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3.7. Map validation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.4. PM mapping from high resolution satellite images . . . . . . . . . . . . . . . 119
10
5.4.1. Dataset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.4.2. Radiometric normalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.4.3. Relative Aerosol Optical Depth Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.4.4. Least square fitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.4.5. PM estimation from SPOT images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
10
5.5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.6. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Chapter 6. Comparison and Assessment of Culturable Airborne Microorganism
Levels and Related Environmental Factors in
Ho Chi Minh City, Vietnam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Tri Quang Hung NGUYEN, Minh Ky NGUYEN and Ngoc Thu Huong HUYNH
6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.2. Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.2.1. Studying sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.2.2. Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.2.3. Identification of microorganisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.2.4. Statistical analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.3. Results and discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.3.1. Results of environmental factors in Ho Chi Minh City . . . . . . . . . . . 135
6.3.2. Results of monitoring on culturable
microorganism levels in ambient air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.3.3. Comparison and assessment of environmental
factor effects on culturable microorganism levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.3.4. Principal component analysis of microorganism groups . . . . . . . . . . 146
6.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.5. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Chapter 7. Application of GIS and RS in Planning Environmental
Protection Zones in Phu Loc District, Thua Thien Hue Province . . . . . . . 155
Quoc Tuan LE, Trinh Minh Anh NGUYEN, Huy Anh NGUYEN and Truong Ngoc Han LE
7.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Contents ix
7.2. Materials and research methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.2.1. Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.3. Research methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.3.1. Research approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.3.2. Research methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.3.3. Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.3.4. Environmental protection planning map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.5. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Chapter 8. Forecasting the Water Quality and the Capacity of the
Dong Nai River to Receive Wastewater up to 2020 . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Quoc Tuan LE, Thi Kieu Diem NGO and Truong Ngoc Han LE
8.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.2. Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.2.1. Assessing the water quality and partitioning the receiving zone . . . . . . 166
8.2.2. MIKE 11 modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8.3. Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8.3.1. The water quality of the Dong Nai River . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8.3.2. Waste sources to the Dong Nai River . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
8.3.3. Waste load to Dong Nai river . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
8.3.4. Forecasting load to the Dong Nai River in 2020 . . . . . . . . . . . . . . . 170
8.3.5. Water quality forecasting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
8.3.6. Partition for water receiving of the Dong Nai River . . . . . . . . . . . . . 173
8.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
8.5. Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
8.6. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Chapter 9. Water Resource Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Imeshi WEERASINGHE
9.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
9.1.1. The hydrological cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
9.1.2. Hydrological models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
9.2. Hydrological models for water resource management . . . . . . . . . . . . . . 179
9.2.1. Soil and Water Assessment Tool (SWAT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
9.2.2. Geographical information systems (GIS) and the SWAT model . . . . . . 181
9.3. Setting up of a SWAT model for the Blue Nile basin . . . . . . . . . . . . . . 181
9.4. Scenario analysis using SWAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
9.4.1. Management scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
9.4.2. Land use scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
9.4.3. Climate change scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
x TORUS 3 – Toward an Open Resource Using Services

9.5. Cloud computing and SWAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
9.6. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
Chapter 10. Assessing Impacts of Land Use Change and Climate Change on
Water Resources in the La Vi Catchment, Binh Dinh Province . . . . . . . . 191
Kim Loi NGUYEN, Le Tan Dat NGUYEN, Hoang Tu LE, Duy Liem NGUYEN, Ngoc Quynh
Tram VO, Van Phan LE, Duy Nang NGUYEN, Thi Thanh Thuy NGUYEN, Gia Diep PHAM,
Dang Nguyen Dong PHUONG, Thi Hong NGUYEN, Thong Nhat TRAN, Margaret SHANAFIELD
and Okke BATELAAN
10.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
10.1.1. Background of the study/related literature . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
10.1.2. Description of study area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
10.1.3. Land use/land cover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
10.2. Materials and methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
10.2.1. Brief description of the SWAT model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
10.2.2. Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
10.2.3. Data collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
10.2.4. Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
10.3. Primary results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
10.3.1. The automatic hydro-meteorology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
10.3.2. Assessing water discharge in the La Vi catchment
using the SWAT model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
10.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
10.5. Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
10.6. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Conclusion and Future Prospects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Dominique LAFFLY and Yannick LE NIR
List of Authors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Summaries of other volumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221