Giám sát thiên tai bằng công nghệ viễn thám còn bất cập

Thiên tai xảy ra thường gây ra các thiệt hại về người, tài sản, môi trường, điều kiện sống và hoạt động kinh tế - xã hội. Trong các loại hình thiên tai, bão đi kèm với mưa lớn thường gây ra những hậu quả thiên tai như lũ lụt, sạt lở đất. Để phục vụ công tác cảnh báo dự báo thiên tai, Trung tâm Giám sát tài nguyên môi trường và biến đổi khí hậu, đơn vị sự nghiệp trực thuộc Cục Viễn thám quốc gia hiện đang thường xuyên cung cấp thông tin bề mặt khu vực bị ảnh hưởng của thiên tai bằng công nghệ viễn thám cho Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn quốc gia.

Công tác trích xuất thông tin bề mặt trái đất từ dữ liệu viễn thám tại Trung tâm Giám sát tài nguyên môi trường và Biến đổi khí hậu hiện được thực hiện bằng nhiều loại phần mềm (SNAP, ERDAS, ENVI, ARCGIS) với các quy trình bán tự động nên việc cung cấp thông tin bề mặt vùng bị ảnh hưởng của thiên tai hiện đang gặp nhiều bất cập, bao gồm:

Thông tin bề mặt trái đất khu vực bị ảnh hưởng trước thiên tai hiện nay vẫn chưa thực hiện được. Hạn chế này là do khu vực dự báo thường khá rộng lớn lên tới hàng nghìn km2, dữ liệu cần xử lý tới hàng chục GB nên không thể xử lý khối lượng dữ liệu lớn trong thời gian ngắn.

Nguyên lý hoạt động của công nghệ viễn thám. Ảnh minh họa

Thông tin khu vực bị ảnh hưởng trong thiên tai hiện đã được cung cấp thường xuyên nhưng thường chậm 1 đến 2 ngày sau khi xảy ra thiên tai. Cơ quan giám sát thiên tai bằng viễn thám thường kích hoạt các tổ chức thiên tai để chụp ảnh viễn thám khu vực bị tác động, sau đó trích xuất thông tin vùng bị ảnh hưởng một cách nhanh nhất. Hiện nay, chúng ta đã làm khá tốt công tác này nhưng thường vẫn tốn khoảng 12-24 h trong xử lý dữ liệu để cung cấp thông tin về vùng bị ảnh hưởng của thiên tai. Mặc dù vậy, việc rút ngắn thời gian xử lý thông tin là hết sức cần thiết nhằm cải thiện tính ứng dụng của thông tin.

Thông tin khu vực bị ảnh hưởng sau thiên tai hiện vẫn chưa được cung cấp thường xuyên bằng công nghệ viễn thám. Hiện nay, thông tin này thường được thu thập từ các báo cáo của các địa phương thường không có kiểm chứng của bên thứ ba. Thực tế, công nghệ viễn thám hoàn toàn có thể tham gia vào công đoạn này, cung cấp bức tranh tổng thể về thiệt hại do thiên tai cũng như kiểm chứng khi cần thiết. Như vậy, công tác giám sát thiên tai bằng công nghệ viễn thám phục vụ cảnh báo, dự báo ở nước ta vẫn còn nhiều bất cập.

Để cải thiện công nghệ và chủ động hơn nữa trong ứng dụng công nghệ viễn thám hỗ trợ ứng phó với thiên tai, Bộ TN&MT đã đồng ý và cho phép Trung tâm Giám sát Tài nguyên môi trường và Biến đổi khí hậu thực hiện đề tài “Nghiên cứu, xây dựng công nghệ trích xuất tự động thông tin bề mặt vùng ảnh hưởng của bão, ngập lụt, trượt lở đất đá, lũ bùn đá và lũ quét từ dữ liệu viễn thám phục vụ dự báo, cảnh báo thiên tai”. Công tác thực nghiệm nhằm đánh giá, kiểm định một số thông tin trên thực tế bao gồm kiểm tra, đánh giá: Một số mẫu thực hiện khi phân loại lớp phủ trong nội nghiệp, so sánh với thực tế; Thông tin trích xuất vị trí trượt lở, khu vực trượt lở và lũ quét trên thực địa; Kiểm tra mức độ cập nhật của lớp thông tin nền địa lý; Khảo sát khu vực đã xảy ra ngập lụt để tìm hiểu xây dựng các kịch bản trong phòng tránh thiên tai ngập lụt, sạt lở đất.

Nội dung thực nghiệm bao gồm công việc ứng dụng phần mềm thực nghiệm trong phòng các nội dung: Tính toán độ ẩm, lớp phủ mặt đất, trích xuất dữ liệu ngập lụt, dữ liệu trượt lở đất, lũ quét trong khu vực thực nghiệm thuộc các tỉnh Bắc Trung Bộ. Khu vực thực nghiệm thuộc các tỉnh Bắc Trung Bộ gồm 6 tỉnh (Thanh Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị và Thừa Thiên Huế).

Để chiết tách vùng có nước trước khi thiên tai của khu vực Bắc Trung Bộ, nhóm tác giả đã sử dụng 5 ảnh Sentinel-1 với độ phân giải 10m×10m theo không gian thu thập trong tháng 6/2020. Đây là thời điểm mùa khô để đánh giá đúng thực trạng bề mặt vùng có nước trước khi xảy ra ngập lụt. Trong các nội dung thực hiện đối với phần mềm, phần nội dung khai báo theo yêu cầu người sử dụng gồm: Khu vực cần giám sát, chọn theo tỉnh, huyện hoặc theo vùng, chọn thời gian lấy ảnh. Phần mềm sẽ tự động trích xuất thông tin ngập lụt bao gồm vị trí, ranh giới vùng ngập và diện tích vùng ngập theo ranh giới huyện, tỉnh. Các thông tin khác đưa ra dựa trên thông tin vùng ngập dự vào cơ sở dữ liệu giám sát để dưa ra thông tin như: Độ sâu ngập lụt, dân số bị ảnh hưởng, thiệt hại về nông nghiệp, ảnh hưởng về giao thông.

Hiện nay để suy giải và tính toán diện tích khu vực ngập lụt của từng khu vực cụ thể, đơn vị đang sử dụng kết hợp 3 phần mềm, đó là: (1) Phần mềm Snap (Sentinel Application Platform) của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) được phát triển bởi “Brockmann Consult, Array Systems Computing”. Đây là phần mềm miễn phí với nhiều công cụ phân tích ảnh viễn thám cả quang học và radar giúp tăng cường chất lượng ảnh và xử lý hình học ảnh. (2) Phần mềm Envi: Ảnh sau khi được xử lý tiến hành phân ngưỡng vùng đất
và nước dựa vào chỉ số độ xám đo được trên nền ảnh vệ tinh. Dựa vào giá trị ngưỡng tại mép nước để phân ra phần nào là đất và phần nào là nước. Ảnh sau khi được phân tách dạng nước sẽ xuất file dạng *.tif và chuyển sang phần mềm ArcGIS để thực hiện các bước xử lý dữ liệu tiếp theo. (3) Phần mềm Arcgis: Sử dụng các công cụ trong Arcgis để tiến hành loại bỏ các vùng bị ảnh hưởng bởi địa hình và độ dốc dẫn đến vùng bị ngập lụt giả. Dữ liệu này sau đó được xử lý làm trơn và loại bỏ các vùng trống nhỏ giữa vùng nước do ảnh hưởng của dân cư hay các mức độ phản xạ rất nhỏ từ ảnh thu được. Dữ liệu thu được sau đó được xuất sang dạng vecter và khử vùng có nước ở thời điểm trước khi xảy ra thiên tai để tính toán diện tích vùng ngập lụt.

Ở tỷ lệ hiển thị 1:100.000 dữ liệu suy giải toàn tỉnh của phần mềm cho kết quả tốt, tương đối trùng khớp với các phương pháp suy giải hiện nay ở những vùng ngập lụt có diện tích lớn. Tuy nhiên, dữ liệu chưa được xử lý làm trơn đường và khái quát đường nên khi trình bày bản đồ bị rối. Phương pháp cũng chưa loại bỏ các vùng trống nhỏ giữa vùng do ảnh hưởng của dân cư hay các địa vật nằm lẫn trong vùng ngập lụt. Mặt khác, ở những khu vực địa hình đồi núi và phía đồng bằng vẫn còn các vùng ngập lụt giả có diện tích nhỏ chưa được loại bỏ.

Nắm vững nguyên lý hoạt động của Viễn thám giúp hỗ trợ công tác đo đạc ngoài thực địa đạt kết quả tốt

Vị trí ngập lụt và đường bao vùng ngập lụt tương đối khớp với phương pháp truyền thống. Dữ liệu suy giải ngập lụt từ phần mềm ở cấp huyện được làm trơn tốt hơn so với dữ liệu suy giải cho cả tỉnh. Tuy nhiên, dữ liệu thô như các vùng khoảng trống nhỏ do phản xạ ánh sáng tại vùng ngập lụt chưa được xử lý dẫn tới việc hiển thị bị rối và ảnh hưởng tới kết quả thống kê số lượng.

Theo so sánh sơ bộ giữa 2 phần mềm, khi phân tích dữ liệu của một huyện nhóm nghiên cứu nhận thấy kết quả suy giải của phần mềm tương đối chính xác, đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đề ra. Do vậy, vẫn cần xử lý thêm các vùng khoảng trống nhỏ giữa vùng ngập lụt do phản xạ ánh sáng của ảnh vệ tinh thu được.

Đề xuất tiêu chí ảnh viễn thám sử dụng trích xuất thông tin vùng ảnh hưởng do thiên tai

Từ kết quả thực nghiệm trên phần mềm đối với ảnh Sentinel độ phân giải 10x10m, ảnh LandSat 8-9 độ phân giải 15x15m cho thấy để đáp ứng đánh giá ảnh hưởng do thiên tai ảnh viễn thám cần đảm bảo: Chu kỳ ảnh của Sentinel là 6 ngày do đó để đảm bảo số liệu ảnh Viễn thám cung cấp đủ thông tin cần bổ sung thêm ảnh Viễn thám từ các nguồn ảnh khác. Đối với trích xuất thông tin trước khi xảy ra thiên tai ảnh LandSat 8-9 đã được tích hợp trong nguồn của phần mềm cũng chưa đáp ứng đủ điều kiện vì ảnh LandSat 8-9 có độ phân giải toàn sắc 15 mét và đa phổ độ phân giải 30 mét. Các dải quang phổ sẽ có ánh sáng hồng ngoại và sóng ngắn có chất lượng cao hơn nhưng quá trình trích xuất đòi hỏi mức độ xử lý cao.

Đối với một nước trong vùng khí hậu nhiệt đối như nước ta, mặc dù ảnh viễn thám quang học có những nhược điểm như độ phủ mây lớn, đặc biệt là đối với sự cố xảy ra do ảnh hưởng của bão lũ và trong một khoảng thời gian ngắn ngay sau khi xảy ra sự cố thì khó có thể cho ra kết quả, tuy nhiên đối với sự cố lũ bùn đá, khi ảnh hưởng của nó kéo dài thì với tham số khoảng thời gian tìm kiếm ảnh sau sự cố kéo dài từ 3 tháng đến 6 tháng thì phần mềm vẫn thực hiện được việc tìm kiếm những khu vực bị ảnh hưởng.

Hiện nay, tư liệu ảnh viễn thám miễn phí có độ phân giải dưới 10 mét ngoài Sentinel và LandSat không còn tư liệu nào phù hợp hơn do đó để đảm bảo dữ liệu được cũng cấp kịp thời theo thời gian thực nên kết hợp với tư liệu cung cấp từ UAV. Với chức năng và việc được tăng cường thiết bị Trung tâm Giám sát Tài nguyên môi trường và Biến đổi khí hậu hiện nay đã đáp ứng được một phần trong giám sát cảnh báo và quản lý tài nguyên môi trường, đối với giám sát thiên tai đơn vị đã được trang bị UAV DJI Matrix 300 RTK đảm bảo cung cấp được dữ liệu ảnh tức thời với độ phân giải cao phục vụ đánh giá phạm vi ảnh hưởng thiệt hại do thiên tai gây ra trong một phạm vi vừa và nhỏ. Đây cũng là nguồn tư liệu ảnh đáng quý giúp cơ quan chức năng đưa gia được đánh giá thiệt hại do thiên tai gây ra.

Xuân Thành

(Bài viết có sự dụng thông tin từ đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, mã số TNMT. 2022.02.22)