Thế giới - Dữ liệu ảnh viễn thám khá phong phú

Trên thế giới việc ứng dụng công nghệ viễn thám trong phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai đã được thực hiện từ lâu và có sự phối hợp rộng rãi trong cộng đồng khoa học trên thế giới. Dữ liệu viễn thám phục vụ cho mục đích giám sát thiên tai thường được cung cấp miễn phí. Ngoài các tổ chức quốc tế về ứng dụng công nghệ vũ trụ trong giám sát thiên tai, nhiều nước phát triển cũng cung cấp dữ liệu viễn thám miễn phí cho mục đích này, điển hình là Cơ quan hàng không vũ trụ Châu Âu (ESA), Hoa kỳ cung cấp miễn phí. Dữ liệu viễn thám sau khi thu nhận, được cập nhật trực tuyến trong các cơ sở dữ liệu lớn như Copernicus Open Access Hub của ESA, EarthExplorer của USGS Hoa Kỳ,… Các nước có nhu cầu sử dụng dữ liệu chỉ cần tải dữ liệu trực tuyến về để xử lý theo nhu cầu của mình. Có thể nói dữ liệu ảnh viễn thám sử dụng cho mục đích phòng tránh, giám nhẹ thiên tai hiện nay là khá phong phú.

Ứng dụng viễn thám trong giám sát ngập lụt

Ngập lụt được định nghĩa là trạng thái nước tạm thời nhấn chìm bề mặt đất. Ngập lụt có thể gay ra bởi nhiều nguồn khác nhau, ví dụ như: sóng thần, bão, lượng mưa lớn và sông băng tan chảy. Một trong những thống kê quan trọng nhất của ngập lụt là thời gian. Thời gian ngập lụt có thể kéo dài từ vài ngày đến vài tháng.

Mỗi quốc gia khác nhau sẽ có các quy tắc khác nhau trong việc xác định ngập lụt. Tại Mỹ, tình trạng ngập lụt được coi là khi có sự cố xảy ra hơn 72h, trong khi ở các nước Châu Âu thì khung thời gian này có thể kéo dài hơn. Các hệ thống quan trắc thủy văn truyền thống thường được sử dụng một cách hạn chế trong việc dự báo ngập lụt, lập bản đồ và ứng phó khẩn cấp. Với các con sông xuyên quốc gia, thông tin về ngập lụt ở các quốc gia thượng nguồn không phải lúc nào cũng được truyền tải đến các quốc gia hạ lưu. Để cảnh báo ngập lụt, các quốc gia cần phải có khả năng thu thập thông tin xuyên biên giới một cách độc lập. Dẫu vậy, các trạm thủy văn lại chỉ đo được mực nước chứ không xác định được phạm vi ngập lụt. Do đó, viễn thám từ vệ tinh và máy bay đã trở thành một công cụ hữu hiệu có thể cung cấp dữ liệu để đáp ứng được các yêu cầu này. Theo Klemas (2015), sự sẵn có của nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh đa thời gian cho phép theo dõi ngập lụt trên các khu vực ven biển rộng lớn. Trong khi, ảnh hàng không với độ phân giải cao được sử dụng hiệu quả trong việc xác định chi tiết phạm vi không gian ngập lụt đối với các khu vực tương đối nhỏ ven biển và sông. Nhìn chung, việc thành lập bản đồ ngập lụt sẽ yêu cầu phải có hai bộ dữ liệu viễn thám: một bộ dữ liệu thu được tại thời điểm trước khi xảy ra sự cố ngập lụt và một bộ dữ liệu còn lại thu được trong khi xảy ra sự cố ngập lụt. Ảnh tại thời điểm trước ngập lụt thường sẽ được dùng làm tài liệu tham chiếu. Những dữ liệu này có thể được sử dụng để thành lập bản đồ và khoanh vi ranh giới các khu vực ngập lụt.
Việc giám sát ngập lụt có thể thực hiện được bằng cả ảnh viễn thám quang học và ảnh viễn thám radar (Klemas, 2015; Lin và nnk, 2016). Ảnh viễn thám quang học ghi nhận năng lượng phản xạ hoặc phát xạ tự nhiên từ bề mặt Trái đất ở các dải phổ nhìn thấy VIS và hồng ngoại IR.

Ở những nơi mây, cây cối và thảm thực vật nổi không che khuất mặt nước, ảnh viễn thám VIS/IR có độ phân giải cao sẽ cung cấp khả năng phân định rõ ràng ranh giới các khu vực ngập nước. Ảnh cận hồng ngoại NIR đặc biệt hiệu quả vì dải phổ cận hồng ngoại bị hấp thụ mạnh bởi mặt nước nhưng lại bị phản xạ bởi mặt đất. Tuy nhiên, ảnh quang học cũng có những hạn chế nhất định do ảnh hưởng của độ che phủ mây trong quá trình xảy ra mưa lũ gây ra tình trạng ngập lụt nên thường được sử dụng để thu thập thông tin và phân tích sau ngập lụt mà không thể giám sát.
Kết quả chứng minh rằng ảnh viễn thám WorldView-2 có thể sử dụng để phân tích các sự cố ngập lụt ở mức độ chi tiết không gian cao mặc dù không có các kênh phổ nằm trong vùng dải sóng ngắn thường được sử dụng trong các nghiên cứu liên quan đến mặt nước. Nghiên cứu này cũng nhấn mạnh đến tầm quan trọng của dữ liệu địa hình trong việc phân tích ngập lụt. Những vấn đề khó khăn lớn nhất gặp phải trong quá trình thành lập bản đồ bề mặt nước nằm ở dưới tán các loại cây thân thảo rậm rạp là khi khả năng bộc lộ của bề mặt nước bị hạn chế và sự chi phối của phản xạ từ lớp phủ thực vật.

So với ảnh viễn thám quang học, ảnh viễn thám radar được ghi nhận bằng bức xạ siêu cao tần có thể đi xuyên qua các đám mây và không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện thời tiết. Bức xạ siêu cao tần cũng có thể xuyên qua lớp thực vật thủy sinh nổi bên trên và tán cây để phát hiện thể nước, thậm chí cả những tán cây tương đối dày (Hess cùng nnk, 1990). Trên ảnh radar, vùng ngập lụt có xu hướng có bề mặt nhẵn và hệ số tán xạ ngược thấp. Ảnh radar có thể được sử dụng để thành lập bản đồ biến động phạm vi ngập lụt trong suốt quá trình xảy ra ngập lụt. Đặc biệt, ảnh radar có khả năng phát hiện tốt các bề mặt được làm bằng phẳng bởi quá trình lắng đọng bùn đất sau khi nước lũ rút đi.

Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng dữ liệu Radarsat có thể được sử dụng để phát hiện mực nước lũ tối thiểu - các địa điểm có mực nước cao hơn nền rừng trên dưới 10 cm được phân loại với độ chính xác 90,6%. Dữ liệu Radarsat có hiệu quả và phù hợp để thành lập bản đồ ngập lụt những nơi có rừng, bất kể là mùa nào hay với mực nước như thế nào.

Brivo và nnk (2002) sử dụng ảnh vệ tinh radar độ mở tổng hợp (SAR) và thông tin phụ trợ để phát hiện khu vực bị ngập lụt tại thời điểm đỉnh lũ và đánh giá tiềm năng của ảnh SAR trong việc thành lập bản đồ. Thử nghiệm đã được các tác giả thực hiện đối với thảm họa ngập lụt xảy ra ở Regione Piemonte ở Ý vào tháng 11/1994. Hai ảnh vệ tinh ERS-1 đã được xử lý, một ảnh thu được một tháng trước đợt ngập lụt và ảnh còn lại thu được ba ngày sau sự kiện. Quy trình này sử dụng cả kỹ thuật điều vẽ trực quan và kỹ thuật hai ngưỡng khác nhau. Bản đồ ngập lụt nhận được chỉ hiển thị một phần nhỏ (20%) diện tích đất bị ngập lụt thực sự do độ trễ thời gian giữa thời điểm đỉnh lũ và thời điểm vệ tinh đi qua. Để khắc phục hạn chế này, các tác giả đã phát triển một quy trình mới để ước tính diện tích ngập lụt vào thời điểm đỉnh lũ bằng cách tích hợp diện tích ngập lụt từ ảnh SAR với dữ liệu địa hình số từ GIS. Phương pháp này cho phép thành lập bản đồ các khu vực bị ngập lụt, chiếm 96,7% diện tích bị ngập lụt do chính quyền địa phương ghi nhận chính thức. Quy trình đề xuất phù hợp để thành lập bản đồ các khu vực bị ngập lụt ngay cả khi dữ liệu vệ tinh được thu thập vài ngày sau sự kiện, do đó khắc phục được những hạn chế về độ phân giải thời gian đối với ứng dụng ảnh SAR trong nghiên cứu thủy văn.

Ứng dụng viễn thám trong giám sát sạt lở đất, lũ bùn đá

Sự phát triển của viễn thám với khả năng cung cấp dữ liệu có độ phân giải thời gian, độ phân giải không gian và độ phân giải phổ ngày càng được cải thiện đã cung cấp một cơ sở dữ liệu mạnh mẽ cho việc ứng dụng ảnh viễn thám trong nghiên cứu sạt lở đất và lũ bùn đá (một phân loại của sạt lở đất, sau đây cũng được gọi chung là sạt lở đất) trên một phạm vi rộng bao gồm ở cả 3 giai đoạn như: a) phát hiện và phân loại sạt lở đất, b) giám sát hoạt động sạt lở đất đang diễn ra và c) phân tích và dự báo sạt lở đất về cả không gian và thời gian.

Các hoạt động sạt lở đất liên quan đến sự dịch chuyển của một khối bao gồm: đất, đá, bùn và các mảnh vật liệu khác. Sạt lở đất xảy ra sẽ gây ra thiệt hại lớn đối với thảm thực vật và tiếp đó làm bộc lộ đất, đá lên trên bề mặt do đó độ sáng của khu vực sạt lở đất trên ảnh viễn thám sẽ tăng lên. Đặc tính độ sáng của ảnh rất hữu ích khi điều vẽ ảnh để xác định các vết sạt lở đất trên những khu vực cụ thể. Ngoài ra, các đặc điểm như đường biên không đều cũng là những đặc điểm để nhận dạng các vụ sạt lở đất.

Việc thành lập một bản đồ kiểm kê sạt lở đất cần phải được thực hiện trong giai đoạn đầu. Thông thường, bản đồ kiểm kê sạt lở đất được thực hiện bằng phương pháp điều vẽ trực quan bằng mắt. Theo Joyce và nnk (2009), phương pháp này đã được sử dụng một cách phổ biến trong quá khứ và hiện nay vẫn là một phương pháp hiệu quả trong việc thành lập bản đồ sạt lở đất. Mặc dù tốn nhiều thời gian, nhất là khi thành lập bản đồ trên những khu vực có nhiều vết sạt lở đất năm trải rộng nhưng phương pháp này vẫn là phương pháp chính xác nhất và có thể tận dụng hiệu quả kiến thức và sự hiểu biết về khu vực có sạt lở đất của người phân tích.
Nhằm giảm thiểu mức độ điều vẽ thủ công, nhiều nghiên cứu đã cố gắng thực hiện các kỹ thuật chiết xuất thông tin sạt lở đất một cách tự động. Việc phân tích ảnh viễn thám đa thời gian thực sự có giá trị khi có sẵn cả hai ảnh trước và sau sự cố sạt lở đất. Việc tìm kiếm sạt lở đất cũng có thể thực hiện đối với ảnh viễn thám đa phổ được thu nhận sau sự cố sạt lở đất bằng các kỹ thuật xử lý ảnh dựa trên cơ sở các đặc trưng của ảnh.

Ứng dụng viễn thám trong giám sát lũ quét

Lũ quét thường được tạo ra khi có nhiều cơn mưa giông lớn di chuyển chậm hoặc xảy ra trên cùng một khu vực. Khi mưa giông di chuyển nhanh hơn, lũ quét ít xảy ra do mưa được phân bổ trên một khu vực rộng hơn. Lũ quét xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn với lưu lượng đỉnh lũ tương đối cao, gây ra mối nguy hiểm nghiêm trọng đối với con người và hệ thống cơ sở hạ tầng khi nước dâng nhanh dọc theo các con suối hoặc vùng trũng thấp. Các sườn đồi núi có độ dốc lớn làm cho nước lũ quét qua rất nhanh và dồn về các con suối, trong khi, tại các thung lũng hẹp dốc dòng nước chảy nhanh và có thể dâng lên nhanh chóng đến độ sâu đáng kể. Thiệt hại do lũ quét và hầu hết các trường hợp tử vong xảy ra chủ yếu ở các khu vực gần suối do mưa lớn, vỡ đập, vỡ đê hoặc tuyết tan nhanh. Để cung cấp thông tin về các khu vực bị ảnh hưởng bởi lũ quét, cần thiết phải thành lập bản đồ.

Một trong những cách hiệu quả nhất để thành lập bản đồ các khu vực lũ quét là sử dụng dữ liệu viễn thám nhờ khả năng có thể quan trắc một khu vực rộng lớn cũng như các vị trí không thể tiếp cận. Hai kỹ thuật thường được sử dụng để thu thập thông tin bản đồ từ không gian. Thứ nhất là bằng phương pháp điều vẽ dựa trên ảnh trước và sau các trận lũ quét, sau đó số hóa thủ công khu vực bị thay đổi hoặc bị ảnh hưởng. Thứ hai là sử dụng phương pháp phân loại ảnh số, dựa trên đặc điểm vật lý của những khu vực bị ảnh hưởng bởi lũ quét được xác định từ dữ liệu viễn thám. Phương pháp điều vẽ có thể cho kết quả chính xác hơn so với phương pháp phân loại ảnh số, nhưng tốn thời gian và mang tính chủ quan của con người.

Các nghiên cứu về ứng dụng viễn thám trong việc giám sát lũ quét cũng không nhiều bao gồm cả ảnh quang học và ảnh radar. Priyatna và nnk (2019) đã khảo sát sự biến đổi phản xạ bề mặt trên các khu vực lũ quét ở Nusa Tenggara Timur, Indonesia. 15 điểm lấy mẫu từ hình ảnh vệ tinh Sentinel-2 đã được sử dụng để phân tích sự khác biệt về độ phản xạ của các khu vực trước và sau lũ quét. Phương pháp được sử dụng liên quan đến việc phân tích sự khác biệt đáng kể về giá trị độ phản xạ của từng kênh Sentinel-2.

Kết quả phân tích cho thấy các kênh 6, 7 và 8A thể hiện sự khác biệt đáng kể so với các kênh khác về độ phản xạ trước và sau lũ quét đối với cả khu định cư và cây bụi. Các kết quả có thể được sử dụng để nghiên cứu sâu hơn trong việc xây dựng chỉ số phản xạ để phát hiện nhanh các khu vực bị ảnh hưởng tập trung vào các kênh này.

Việt Nam có nhiều nghiên cứu khoa học ứng dụng công nghệ viễn thám

Thiên tai gây ảnh hưởng đến cuộc sống con người, bao gồm toàn bộ bề mặt đất, thông tin bề mặt vùng ảnh hưởng trước và sau thiên tai là các thông tin về diện tích khu vực bị ảnh hưởng trước và sau thiên tai, số lượng dân cư bị ảnh hưởng, tài sản nhà cửa và các công trình bị hư hại, thiệt hại và hoa màu bị mất,... Các thông tin dữ liệu trích xuất được từ ảnh viễn thám gồm diện tích và khu vực bị ngập lụt, lớp thực phủ bị thay đổi, vùng và điểm sạt lở, lũ quét kết hợp thông tin bản đồ nền nhằm thành lập bản đồ ngập lụt, bản đồ sạt lở và lũ quét.

ảnh minh họa

Công nghệ viễn thám đã được các nhà khoa học ở nước ta nghiên cứu ứng dụng nhằm cung cấp thông tin giúp ứng phó với thiên tai. Nhiều các đề tài khoa học đã được triển khai trong nước và hợp tác với quốc tế trong ứng dụng công nghệ viễn thám theo dõi giám sát thiên tai ở nước ta. Một số công trình nghiên cứu điển hình có thể được kể đến như: Đề tài cấp Bộ Tài nguyên và Môi trường do TS. Nghiêm Văn Tuấn chủ trì “Nghiên cứu ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao và các mô hình lý thuyết để thành lập bản đồ các vùng có nguy cơ trượt lở đất ở khu vực miền núi”. Đề tài có các mục tiêu bao gồm: Nghiên cứu ứng dụng tư liệu ảnh viễn thám kết hợp với các mô hình lý thuyết để thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất; Nghiên cứu ứng dụng tư liệu ảnh mới chụp từ vệ tinh Alos của Nhật Bản là Alos/PRISM hoặc PalSAR để thành lập mô hình số địa hình phục vụ phân tích đánh giá nguy cơ trượt lở đất. Các công nghệ sử dụng trong phân tích, xử lý ảnh viễn thám siêu cao tần (RADAR) trong đề tài sử dụng công nghệ bán tự động, phần mềm hỗ trợ xử lý một số khâu như phân loại ảnh một cách tự động để trích xuất thông tin sạt lở đất, đá.

Đề tài hợp tác quốc tế theo nghị định thư với Thái Lan với tên gọi “Hợp tác nghiên cứu kinh nghiệm của Thái Lan ứng dụng công nghệ viễn thám phục vụ công tác quản lý tài nguyên, môi trường và thiên tai” do TS. Nguyễn Xuân Lâm là chủ nhiệm. Đề tài với các mục tiêu như: Nghiên cứu kinh nghiệm của Thái Lan để hoàn thiện Hệ thống giám sát ngập lụt bằng việc áp dụng công nghệ viễn thám kết hợp mô hình thủy văn thủy lực đã đề xuất trong giai đoạn hợp tác trước; Học tập kinh nghiệm của Thái Lan, đào tạo đội ngũ kỹ thuật viên Trung tâm Viễn thám Quốc gia và nâng cao kỹ năng vận hành Trạm thu ảnh vệ tinh thu nhận nhanh ảnh viễn thám phục vụ quản lý ngập lụt; Tiến hành thực nghiệm lập bản đồ ngập lụt tại Đồng bằng sông Cửu Long bằng công nghệ viễn thám kết hợp mô hình thuỷ văn, thuỷ lực và kinh nghiệm trao đổi với Thái Lan. Trong đề tài, các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp bán tự động trích xuất thông tin vùng bị ngập nước làm dữ liệu kiểm định cho mô hình thủy văn để cảnh báo lũ lụt tại đồng bằng sông Cửu Long.

Đề tài “Nghiên cứu và cảnh báo ngập lụt phục vụ phòng tránh thiên tai ở các lưu vực sông miền Trung” do Viện khí tượng thủy văn. “Nghiên cứu cơ sở khoa học cho các giải pháp tổng thể dự báo phòng tránh ngập lụt miền Trung” do Viện Địa lý - Viện Khoa học & Công nghệ Việt Nam. Tập trung cho việc hoàn thiện các nghiên cứu về công nghệ dự báo về diện và mức độ ngập lụt các lưu vực sông vừa và nhỏ: Nhật Lệ (Quảng Bình); Thạch Hãn (Quảng Trị); Hương (Thừa Thiên Huế); Thu Bồn (Quảng Nam); Ba (Phú Yên); bằng phương pháp ứng dụng các bộ phần mềm HEC, LTANK, KRSAL, ANN, kết hợp với công cụ hệ thống thông tin địa lý (GIS).

Các cơ quan có nhiệm vụ dự báo, cảnh báo thiên tai ở nước ta đã và đang sửdụng công nghệ viễn thám nhằm giảm nhẹ và  ứng phó với thiên tai. Trung tâm dự báo Khí tượng Thủy văn quốc gia phối hợp với cơ quan khai thác không gian Nhật Bản (JAXA) thực hiện Dự án “Ứng dụng công nghệ viễn thám trong dự báo, cảnh báo và giám sát lũ lụt”. Các hoạt động được thực hiện tại dự án bao gồm hiệu chỉnh số liệu mưa ở lưu vực sông đo qua vệ tinh; xây dựng hệ thống giao diện giữa số liệu mưa vệ tinh và hiệu chỉnh đúng dự báo lũ; xây dựng WebGIS cảnh báo lũ; xây dựng mô hình chạy thử cảnh báo lũ qua tin nhắn và điện thoại di động; tăng cường năng lực công nghệ và xây dựng hướng dẫn chính sách, giám sát và đánh giá phương thức quản lý viễn thám…Trong dự án này dữ liệu viễn thám tham gia như là dữ liệu đầu vào cho công tác dự báo bão, lũ. Năm 2012, Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản, Bộ Tài nguyên và Môi trường, triển khai đề án “Điều tra, đánh giá và phân vùng cảnh báo trượt lở đất đá các vùng miền núi Việt Nam”, dữ liệu ảnh viễn thám được sử dụng là dữ liệu đầu vào cho thành lập bản đồ lớp phủ thực vật. Công nghệ viễn thám sử dụng trong phân loại thảm phủ thực vật là bán tự động sử dụng các phần mềm thương mại. Trung tâm Giám sát tài nguyên môi trường và biến đổi khí hậu, thuộc Cục Viễn thám quốc gia, thường xuyên ứng dụng công nghệ viễn thám trong cung cấp thông tin về vùng bị ảnh hưởng của thiên tai với sự hỗ trợ của tổ chức Sentinel Asia.

Trong thời gian 05 năm trở lại đây với việc đầu tư hệ thống vệ tinh Sentinel của Châu Âu và tiếp tục hệ thống vệ tinh Landsat của Hoa Kỳ thì tần suất giám sát bề mặt trái đất từ dữ liệu viễn thám lên tới 1 đến 2 ngày có một lần chụp ảnh. Các dữ liệu này đều là dữ liệu được cung cấp trực tuyến miễn phí cho cộng đồng ứng dụng viễn thám. Đây là loại dữ liệu phổ biến nhất và phù hợp trong công tác giám sát thiên tai, chính vì vậy dữ liệu SENTINEL-1,2 và LANDSAT là loại dữ liệu chính đề tài chọn làm dữ liệu nghiên cứu.

Như vậy, công nghệ viễn thám được ứng dụng phục vụ cảnh báo, giảm nhẹ ở nước ta đã được triển khai khá rộng rãi cả ở nhiệm vụ khoa học công nghệ và các nhiệm vụ chuyên môn phục quản lý nhà nước về thiên tai. Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ viễn thám ở nước ta nói chung và phục vụ cảnh báo dự báo thiên tai nói riêng vẫn sử dụng công nghệ bán tự động trong phân tích xử lý ảnh viễn thám để trích xuất thông tin không gian nên thông tin khó có thể cung cấp nhanh và khách quan nhất là trong điều kiện cấp bách của nhiệm vụ ứng phó với thiên tai. Các phần mềm sử dụng thường là phần mềm thương mại nên ta khó có thể chủ động về mặt công nghệ.

Xuân Thành

(Bài viết có sử dụng thông tin tư liệu Đề tài TNMT.2022.02.22)