Ứng dụng viễn thám theo dõi chất lượng nước biển

TMO - Ứng dụng công nghệ viễn thám đang mở ra hướng tiếp cận mới trong giám sát chất lượng nước biển. Thông qua phân tích hình ảnh vệ tinh và dữ liệu môi trường theo thời gian thực, các hệ thống tích hợp giúp phát hiện sớm dấu hiệu ô nhiễm nguồn nước đại dương.

Theo đó, các nhà khoa học Việt Nam đã làm chủ và phát triển thành công thuật toán phân tích ảnh viễn thám để theo dõi chỉ số Chlorophyll-a (Chl-a) - một thông số then chốt phản ánh sức khỏe của môi trường nước biển.

Cụ thể, ThS Chu Xuân Huy thuộc Trung tâm Vũ trụ Việt Nam đã xây dựng thành công thuật toán theo dõi chất lượng nước biển, cảnh báo ô nhiễm môi trường biển theo thời gian thực.

Dưới sự chủ nhiệm của ThS Chu Xuân Huy, nhóm nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh từ hai nguồn chính: VNREDSat-1 - vệ tinh viễn thám đầu tiên của Việt Nam, và Sentinel-2 - vệ tinh do Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) cung cấp. Hai dòng vệ tinh này có nhiều điểm tương đồng về dải phổ, độ phân giải không gian và đặc biệt là tính mở trong truy cập dữ liệu, rất phù hợp để phát triển và hiệu chỉnh thuật toán theo dõi Chl-a phục vụ nhu cầu trong nước.

Được biết, Chl-a là sắc tố quang hợp chính của thực vật phù du - những sinh vật cực nhỏ sống trôi nổi trong cột nước, đóng vai trò nền tảng trong chuỗi thức ăn của hệ sinh thái biển. Nồng độ Chl-a cao thường đồng nghĩa với mức độ phú dưỡng cao, làm gia tăng nguy cơ phú dưỡng, suy thoái môi trường nước.

Do đó, theo dõi diễn biến nồng độ Chl-a theo không gian và thời gian là công cụ quan trọng giúp nhận diện các vùng nước có dấu hiệu ô nhiễm, hỗ trợ ra quyết định trong quy hoạch và khai thác bền vững tài nguyên biển.

Tuy nhiên, việc đo đạc chỉ số Chl-a theo phương pháp truyền thống dựa vào lấy mẫu nước tại hiện trường thường tốn nhiều thời gian, nhân lực, chi phí cao và khó mở rộng phạm vi theo dõi. Trong khi đó, công nghệ viễn thám - với khả năng thu nhận thông tin môi trường từ xa thông qua ảnh vệ tinh - đang nổi lên như một giải pháp hiện đại, cho phép quan trắc diện rộng, liên tục và hiệu quả.

Hiện nay, ảnh màu đại dương từ vệ tinh đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới để theo dõi nhiều thông số quan trọng như chất lơ lửng (SPM), Chl-a hay chất hữu cơ hòa tan màu (CDOM). Việt Nam cũng không đứng ngoài xu hướng này.

“Nghiên cứu, phát triển thuật toán Chl-a cho ảnh VNREDSat-1 và tương đương” là sản phẩm phối hợp giữa Viện Công nghệ vũ trụ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (nay thuộc Trung tâm Vũ trụ Việt Nam) và Viện Hóa sinh Hữu cơ Thái Bình Dương - Viện Hàn lâm Khoa học Nga.

Để việc ứng dụng thực sự hiệu quả, nhóm nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc phát triển thuật toán “địa phương hóa”, tức là phù hợp với điều kiện cụ thể của vùng biển Việt Nam.

Thông tin từ chủ nhiệm nghiên cứu, mỗi vùng biển có điều kiện hóa - lý và quang học khác nhau, ảnh hưởng đến cách ánh sáng phản xạ và bị hấp thụ, từ đó ảnh hưởng đến kết quả phân tích ảnh vệ tinh. Các thuật toán phổ biến trên thế giới như chuỗi OCx của NASA thường chỉ phát huy tác dụng tốt ở một số khu vực nhất định. Do đó, nhóm đã tiến hành xây dựng thuật toán thực nghiệm OC3, được điều chỉnh và hiệu chỉnh thông số dựa trên dữ liệu khảo sát thực tế tại các vùng biển Việt Nam - đặc biệt là hệ sinh thái tiêu biểu ở miền Trung.

Việc đánh giá, theo dõi chất lượng nước biển góp phần bảo vệ môi trường biển. (Ảnh minh hoạ). 

Nhóm đã thực hiện nhiều đợt khảo sát thực địa tại vùng ven biển TP Huế và một chuyến khảo sát xa bờ bằng tàu nghiên cứu Viện sĩ Oparin (Nga). Tổng cộng, 74 điểm lấy mẫu đã được thực hiện, trong đó 52 điểm dùng để xây dựng mô hình và 22 điểm để kiểm tra độ chính xác.

Kết quả phân tích cho thấy, thuật toán OC3 khi áp dụng lên ảnh VNREDSat-1 và Sentinel-2 đều cho hệ số xác định (R²) cao, lần lượt trên 0,7 và 0,8 - cho thấy khả năng dự đoán tốt nồng độ Chl-a từ ảnh vệ tinh. Quan trọng hơn, phân bố Chl-a theo ảnh viễn thám có sự tương đồng rõ rệt với dữ liệu thực đo, giúp xác thực độ tin cậy của thuật toán.

Bản đồ phân bố Chl-a cũng cho thấy đặc trưng sinh thái rõ rệt của khu vực: nồng độ Chl-a thấp ở vùng nước sát bờ, cao hơn ở khu vực cửa sông và các vùng nuôi trồng thủy sản - những nơi giàu chất dinh dưỡng.

Đáng chú ý, mới đây, các nhà khoa học Việt Nam và Ba Lan cũng đã phối hợp triển khai nghiên cứu ứng dụng viễn thám và trí tuệ nhân tạo trong giám sát chất lượng nước biển - một hướng tiếp cận hiện đại, tiết kiệm và cho phép theo dõi liên tục trên diện rộng.

Nhiệm vụ nghiên cứu hợp tác mang mã số QTPL01.03/23-24 do Trung tâm Vũ trụ Việt Nam (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và Viện Vật lý địa cầu Ba Lan (Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan) phối hợp thực hiện giúp mang lại công cụ giám sát hiệu quả hơn cho công tác bảo vệ môi trường biển tại các vùng ven bờ trọng điểm.

Theo Lãnh đạo Trung tâm Vũ trụ Việt Nam, chủ nhiệm nhiệm vụ cho biết, đây là công trình đầu tiên tại Việt Nam sử dụng đồng thời dữ liệu vệ tinh Sentinel-2, các thuật toán học máy tiên tiến và nền tảng GEE (nền tảng điện toán đám mây của Google) để mô hình hóa và theo dõi các thông số chất lượng nước như nhiệt độ bề mặt, chất rắn lơ lửng, diệp lục-a và nhu cầu oxy hóa học.

Từ kết quả mô hình, nhóm nghiên cứu đã xây dựng các bản đồ phân bố chất lượng nước theo không gian - thời gian, giúp theo dõi biến động và cảnh báo sớm nguy cơ ô nhiễm tại Vịnh Hạ Long và Cửa Lục (Quảng Ninh).

Ứng dụng AI kết hợp viễn thám trong theo dõi chất lượng nước biển không chỉ nâng cao hiệu quả giám sát mà còn góp phần hiện đại hóa công tác bảo vệ môi trường biển. Công nghệ này cho phép thu thập và xử lý dữ liệu diện rộng, liên tục, từ đó đưa ra cảnh báo sớm, hỗ trợ ra quyết định chính xác và kịp thời. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường biển ngày càng gia tăng, việc đẩy mạnh ứng dụng các công nghệ số như AI và viễn thám là xu thế tất yếu, hướng tới phát triển ngành kinh tế biển, bảo vệ môi trường biển theo hướng bền vững và có trách nhiệm.

Xuân Trường