Ứng dụng công nghệ viễn thám: Giải pháp quản lý nguồn nước mặt

Vấn đề an ninh nguồn nước, do sự gia tăng của biến đổi khí hậu và những tác động tiêu cực của con người, đang dẫn đến những rủi ro tiềm ẩn tới an ninh lương thực và mục tiêu phát triển bền vững. Bối cảnh này đòi hỏi phải có những giải pháp tiên tiến nhất, bổ sung cho cách tiếp cận truyền thống để quản trị nguồn nước hiệu quả hơn, trong đó công nghệ viễn thám đang dẫn đầu xu thế.

Một cách tiếp cận mới

Không chỉ hiện diện với các hình thái sông suối, hồ, biển trên bề mặt Trái đất, nước còn tồn tại dưới nhiều dạng khác. Vòng tuần hoàn của nước cũng diễn ra dưới lòng đất qua quá trình thẩm thấu và hình thành các tầng nước ngầm, liên kết chặt chẽ với nguồn nước mặt qua những biến đổi theo mùa. Có một điểm đáng chú ý là nước chưa bao giờ vận hành theo cách mà con người mong muốn nên đôi khi cũng là nguồn gốc của thiên tai với những hình thế cực đoan như mưa bão, ngập lụt hay hạn hán liên miên. Không thể giám sát những biến đổi này bằng sức người bởi chúng diễn ra một cách nhanh chóng trên một diện tích rộng lớn, vì vậy từ trước đến nay có một giải pháp được áp dụng phổ biến là lắp đặt các trạm quan trắc cố định ở sông, hồ cùng với việc thường xuyên phân vùng giám sát trực tiếp bằng sức người.

Tuy nhiên, biện pháp này chỉ phù hợp với việc quản lý nước trên diện tích nhỏ, cung cấp báo cáo cơ bản về các chỉ số như mực nước, tốc độ dòng chảy… mà không có khả năng đáp ứng ba thách thức mới mang tính thời đại: Một là thiếu hụt nhân lực ngành thủy lợi, tài nguyên nước do sự chuyển dịch nguồn nhân lực từ các ngành khoa học cơ bản sang các ngành kinh tế và kỹ thuật. Điều này tạo ra một khoảng trống lớn không chỉ cho đội ngũ chuyên gia tài nguyên nước, mà mở rộng toàn ngành khoa học Trái đất cho đến cán bộ thủy lợi cấp địa phương. Thách thức thứ hai là biến đổi khí hậu gia tăng với các kiểu thời tiết cực đoan, diễn ra chớp nhoáng nên khó dự báo cùng với tác động kép đến từ con người làm gia tăng sự biến đổi khí hậu về cả diện và lượng. Thách thức thứ ba là giới hạn về lãnh thổ, biên giới hạn chế khả năng thích ứng của mỗi khu vực, mỗi quốc gia. Việt Nam nhiều năm liền bị động trong thích ứng với lũ trên hệ thống sông Hồng, sông Cửu Long với một phần nguyên nhân chính là thượng nguồn nằm ngoài lãnh thổ dẫn đến thiếu thông tin hoặc không kịp thời. Do đó, các thông tin truyền thông mang tính cảnh báo nhiều hơn là dự đoán được chính xác về diện và lượng. Bên cạnh đó, các nỗ lực của quốc tế trong việc chia sẻ và tăng cường hợp tác đảm bảo an ninh nguồn nước luôn bị thách thức bởi lợi ích mỗi quốc gia. Các nước ở hạ nguồn luôn chịu rủi ro lớn nhất và đáng chú ý là đồng bằng sông Cửu Long nằm ở hạ nguồn sông Mê Kông, chính là vựa lúa của quốc gia, nơi không chỉ đảm bảo an ninh lương thực mà còn đóng vai trò đầu tàu xuất khẩu nông sản.

Những thách thức này không phải của riêng một quốc gia nào mà đang là vấn đề toàn cầu. Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhưng để đảm bảo tính minh bạch, giải quyết bài toán xuyên biên giới trước hết phải kể đến những bước tiến đáng kể trong một thập kỷ gần đây của công nghệ viễn thám với sự gia tăng dữ liệu mở từ vệ tinh của các cường quốc như Hoa Kỳ, châu Âu và Nhật Bản. Trong kỷ nguyên số, những tài nguyên này bao gồm một phần lớn là dữ liệu được thu thập từ vệ tinh, bằng cách phóng các vệ tinh lên không gian từ các bãi phóng trên Trái Đất. Sau đó, vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo cố định để chụp ảnh cùng một khu vực ở các thời điểm khác nhau. Mỗi tấm ảnh bao quát một khu vực rộng lớn có thể lên đến vài trăm km². Mỗi địa điểm cố định, tần suất chụp ảnh của vệ tinh có thể từ vài ngày cho tới mỗi giờ hoặc nhanh hơn tùy thuộc vào đối tượng cần quan sát.

Ảnh vệ tinh được tạo thành từ hàng triệu điểm ảnh, tương tự như ảnh chụp từ điện thoại thông minh. Mỗi điểm ảnh trên ảnh vệ tinh mang thông tin thu nhận từ một khu vực có phạm vi bao phủ từ m² tới km². Kích thước của mỗi điểm ảnh được sử dụng để mô tả mức độ chi tiết của dữ liệu và thông thường, ảnh vệ tinh được chia thành ba nhóm: độ phân giải thô (kích thước điểm ảnh lớn hơn 200 m), độ phân giải trung bình (từ 5-200 m) và độ phân giải cao (kích thước điểm ảnh nhỏ hơn 5 m). Dữ liệu vệ tinh đầu tiên được sử dụng phổ biến là của Landsat-1, được phóng lên quỹ đạo vào năm 1972. Sau hơn nửa thế kỷ, ảnh vệ tinh đã trở nên phổ biến hơn và dễ dàng tiếp cận hơn với độ chi tiết được cải tiến đáng kể. Bảng 1 thống kê các vệ tinh phổ biến cung cấp dữ liệu trên phạm vi toàn cầu hoặc bao phủ phần lớn bề mặt Trái đất. Các thông tin kỹ thuật đi kèm được sử dụng với mục đích phân loại ứng dụng mà vệ tinh đó có thể thực hiện được.

Bảng 1. Thống kê thông tin về các vệ tinh chụp ảnh quang học phổ biến. *Chương trình thúc đẩy ứng dụng trong trường học và viện nghiên cứu cho mục đích phi thương mại.

Để hiểu được những thông tin chứa đựng trong mỗi mức ảnh, ta cần nhớ rằng ảnh vệ tinh được tạo ra từ việc thu nhận các bức xạ sóng điện từ tại các vị trí cụ thể trên mặt đất. Viễn thám là một ngành khoa học ứng dụng, trong đó sóng điện từ được sử dụng để thu thập thông tin từ xa mà không cần tiếp cận hoặc va chạm vật lý với đối tượng nghiên cứu. Các kỹ thuật xử lý ảnh vệ tinh hoặc dữ liệu vệ tinh ngày nay dần trở nên phổ biến và được coi như một ứng dụng điển hình của viễn thám.

Công cụ quản lý nước hữu hiệu

Có lẽ, ai cũng tò mò muốn biết tại sao những bức ảnh vệ tinh lại có thể giúp chúng ta quản lý tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là giám sát nguồn nước mặt bao gồm sông, hồ hoặc ứng phó với thiên tai như ngập lụt. Sở dĩ ảnh vệ tinh có được lợi thế này là do khi phân tích sự tương tác giữa nước và các dải sóng điện từ, các nhà chuyên môn nhận thấy nước phản xạ yếu với dải sóng khả kiến (RGB – viết tắt của Red, Green, Blue) nhưng hầu như hấp thụ toàn bộ dải sóng hồng ngoại (Infrared), chỉ phản chiếu một phần nhỏ sóng cận hồng ngoại (Near Infrared) (Hình 1, nước mặt trong tự nhiên thường lẫn tạp chất – nước đục). Ngành viễn thám dựa trên phát hiện cơ bản này và phát triển hai chỉ số phổ biến là chỉ số thực vật (NDVI) và chỉ số nước (NDWI). Ảnh vệ tinh cung cấp dải sóng khả kiến và sóng hồng ngoại, giúp xác định được vị trí bề mặt nước nhanh chóng dựa trên hai chỉ số trên. Các thuật toán tiên tiến giúp tăng độ chính xác khi phân loại bề mặt nước trong các trường hợp phức tạp như lẫn nhà cửa và cây cối.

Dĩ nhiên, không phải quốc gia nào cũng đủ tiềm lực kinh tế và công nghệ để sở hữu nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh độc lập, dồi dào và liên tục. Tuy vậy, hiện nay có hai nhóm vệ tinh cung cấp dữ liệu mở phù hợp cho việc giám sát nước mặt là vệ tinh quang học (như Landsat và Sentinel) và vệ tinh radar (như Sentinel-1). Với sự trợ giúp của các ứng dụng miễn phí như QGIS hoặc SNAP, bất kỳ ai cũng có thể sử dụng ảnh vệ tinh để xác định vị trí của các điểm ngập lụt chỉ trong vài bước đơn giản. Ví dụ, chúng tôi đã thực hiện nghiên cứu nhỏ ở khu vực Mỹ Đức, Hà Nội trong đợt mưa lớn cục bộ, gây ngập lụt, sạt lở tại thành phố Hà Nội và các tỉnh lân cận vào ngày 7 và 8 tháng 9/2022 (Hình 2), khiến Thủ tướng Chính phủ phải ban hành Công điện số 803/CĐ-TTg về việc chủ động ứng phó, khắc phục hậu quả mưa lũ. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng QGIS là một phần mềm mã nguồn mở để tạo các bản đồ từ các lớp dữ liệu trong hệ thống thông tin địa lý (GIS). Ngoài ra, SNAP một phần mềm mở được phát triển bởi Cơ quan Hàng không Vũ trụ châu Âu (ESA), giúp phân tích trên hệ thống đa dạng dữ liệu thu thập từ nhóm vệ tinh Sentinel. Kết quả cho thấy mực nước sông dâng cao từ 6m lên 9m và lòng sông mở rộng từ 90m tới 130m.

Qua ví dụ nhỏ có thể thấy, nhờ các ứng dụng này, cơ quan quản lý nhanh chóng có được bản đồ ngập lụt để triển khai các phương án cứu hộ kịp thời mà không cần đợi các báo cáo từ mỗi địa phương. Song song với việc sử dụng dữ liệu ảnh quang học, các vệ tinh radar có khả năng phát hiện nước bề mặt dưới mọi điều kiện thời tiết, bao gồm cả ngày, đêm và các đợt lũ do mưa lớn dài ngày. Nếu triển khai trên hệ thống tự động liên tục, chúng ta có thể tận dụng nguồn lực rất lớn từ ảnh vệ tinh và sử dụng nhân lực vào các vị trí thiết yếu hơn.

Chúng ta có thể thấy được hai ứng dụng đầu tiên viễn thám có thể làm là phát hiện bề mặt nước và giám sát diện tích bề mặt nước, dựa trên kết quả từ hai ứng dụng này, các kịch bản dự báo về nguồn nước thay đổi dần được thiết lập thành ứng dụng chính thứ ba. Ví dụ, chúng ta sau khi xác định vị trí mặt nước và khoanh vùng vị trí nước tại các hồ đập, tiếp đó mép nước có thể được so sánh với độ cao tương ứng trên bản đồ địa hình số (DEM) và ước tính mực nước tại thời điểm có ảnh vệ tinh (Hình 2). Từ đó bổ sung thông tin cần thiết về trữ lượng nước và phạm vi mặt nước để có phương án điều tiết đảm bảo an toàn hồ đập khi có mưa lớn ở thượng nguồn hoặc đối phó với dự báo hạn hán.

Từ nghiên cứu nhỏ đã trình bày, có thể dễ dàng nhận ra ưu điểm vượt trội của ảnh vệ tinh là khả năng tiếp cận rộng rãi và phạm vi hoạt động không biên giới. Trong bối cảnh dữ liệu trở thành tài nguyên vô giá và ngày càng khó tiếp cận do những thách thức truyền thống như vấn đề bảo mật, an ninh chính trị và bản quyền, việc cung cấp dữ liệu ảnh vệ tinh miễn phí đang thúc đẩy sự minh bạch và công khai hơn, mang tính toàn cầu và không bị giới hạn bởi bất kỳ đường biên giới nào. Biên giới ở đây không chỉ giữa các quốc gia, mà còn giữa các tỉnh thành hay các đơn vị công lập với phạm vi hoạt động hoặc chồng lấn hoặc chia tách. Đây chính là những vướng mắc tồn tại lâu dài tạo thành các rào cản vô hình trong quản lý hiệu quả tài nguyên nước. Với dữ liệu vệ tinh, không khó để theo dõi biến động dòng chảy ở các vùng ngoài lãnh thổ nhưng tiềm ẩn nguy cơ ảnh hưởng đến an toàn nguồn nước của Việt Nam, đặc biệt với hai hệ thống sông Hồng từ biên giới phía Bắc và Cửu Long vượt biên giới Tây Nam. Hai hệ thống sông bắt nguồn từ ngoài lãnh thổ và có chiều dài xuyên suốt một diện tích rộng lớn tạo nên hai vựa lúa của cả nước nên việc mực nước thay đổi sẽ ảnh hưởng không chỉ đến đời sống dân cư mà còn tác động đến an ninh lương thực của quốc gia. Việc dự báo và quản lý nước trên các sông và hồ ở hai đồng bằng lớn này không chỉ giúp dự trữ nguồn nước cho mùa khô mà còn tránh được các tình huống xả lũ thủy điện, hồ chứa gây ngập úng và thiệt hại cho nông nghiệp và cộng đồng dân cư.

Trong bối cảnh nhu cầu về nguồn nước gia tăng không ngừng tại các đô thị và khu công nghiệp, nguồn nước ngầm tiếp tục suy giảm và không thể hồi phục trong ngắn hạn, quản lý nguồn nước mặt hiệu quả sẽ góp phần quan trọng vào đảm bảo an ninh tài nguyên nước quốc gia trong dài hạn và duy trì tốc độ phát triển kinh tế.

Sử dụng ảnh vệ tinh không chỉ giúp chúng ta quan sát toàn cảnh không gian mà còn phân tích dữ liệu đa chiều, cho phép theo dõi sự biến đổi của dòng chảy và mực nước theo thời gian. Nó có thể đem lại những thông tin quan trọng cho các kịch bản ứng phó với các tình huống bất thường. Khi đối mặt với mưa lớn gây lũ quét, ảnh vệ tinh đa chiều còn cung cấp phạm vi và đường đi của các trận lũ quét, giúp xây dựng tuyến kênh dẫn nước và giảm thiểu những rủi ro có thể xảy ra. Ví dụ trên là đúc rút trong quy hoạch của các khu vực thường phải hứng chịu nhiều mưa bão như Nhật, Đài Loan… Một số quy hoạch còn nâng tầm các con kênh dẫn nước như kết hợp thành hệ thống thoát nước thải (đã qua xử lý), điều chỉnh cảnh quan hai lối đi bộ, đạp xe dọc theo kênh. Đây được coi như một bước đi chủ động, thoát ra khỏi vòng lặp khắc phục hậu quả và phòng chống thiên tai thiếu hiệu quả hằng năm, để phát triển quy hoạch thông minh.

Mặc dù việc sử dụng ảnh vệ tinh hay công nghệ viễn thám có thể tăng khả năng giám sát và quản lý tài nguyên nước, tuy nhiên không thể thay thế hoàn toàn các phương pháp truyền thống. Một trong những lý do chính là tốc độ cung cấp dữ liệu. Các trạm đo trực tiếp liên tục gửi thông tin trong thời gian thực, trong khi ảnh vệ tinh hiện tại chỉ đạt đến tiệm cận thời gian thực. Do đó, việc đa dạng nguồn dữ liệu từ các thiết bị đo trực tiếp trên mặt đất và gián tiếp từ vệ tinh sẽ cung cấp kết quả có độ chính xác và độ phủ cao nhất. Sự kết hợp này còn giúp gia tăng độ nhạy của vệ tinh trước những thay đổi nhỏ hơn kích thước một điểm ảnh.

Không chỉ có màu hồng

Với những ưu thế mà ảnh vệ tinh và các thuật toán xử lý ảnh đem lại, chúng ta có được một công cụ giúp quản lý nước ở quy mô lớn vô cùng hiệu quả. Tuy nhiên, để khai thác được những lợi thế này, chúng ta cần có nhiều điều kiện đi kèm, trước hết là xây dựng được một đội ngũ có chuyên môn và được đào tạo từ cơ bản đến khả năng tự cập nhật công nghệ.

Mặc dù chúng ta có thể khai thác các kho dữ liệu mở nhưng tự chủ dữ liệu vệ tinh đang là một yêu cầu cấp bách. Hiện Việt Nam sở hữu vệ tinh quang học VNREDSat-1 có thể được sử dụng để quản lý nguồn nước, tuy nhiên, vệ tinh này đã vượt giới hạn tuổi thọ trung bình và chưa có vệ tinh thế hệ mới để thay thế, điều này gây ra một sự thiếu hụt không nhỏ. Ngoài ra, chúng ta cũng chưa sở hữu vệ tinh radar để bổ sung dữ liệu cho vệ tinh quang học.

Và thách thức lớn nhất nằm ở việc tiếp cận và sử dụng những dữ liệu này. Gần đây, chúng ta thường xuyên cập nhật những thông tin về các phát triển vượt bậc của công nghệ không gian và ứng dụng đa dạng của vệ tinh, nhờ vào quá trình tư nhân hóa giúp mang dữ liệu và công nghệ đến gần hơn với cuộc sống. Tuy nhiên, việc sở hữu vệ tinh nhưng tạo rào cản để tiếp cận và chia sẻ, thì đó cũng giống như chúng ta chưa có gì. Do đó, quá trình tư nhân hóa sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy tốc độ cập nhật và ứng dụng công nghệ mới. Bên cạnh đó, chúng ta có thể cho phép các đơn vị giáo dục, nghiên cứu được tiếp cận dữ liệu miễn phí, giúp tăng cường ứng dụng vào thực tế. Đây là chính sách phổ biến đã được ứng dụng ở châu Âu, Nhật Bản…

Trên thế giới đang xuất hiện xu hướng mới trong lĩnh vực viễn thám là gia tăng số lượng vệ tinh cỡ nhỏ. Số lượng vệ tinh được sản xuất nhanh chóng nhờ vào khả năng chế tạo các vệ tinh kích thước nhỏ hoặc siêu nhỏ. Việc chế tạo các vệ tinh nhỏ yêu cầu trình độ kỹ thuật cao hơn, tuy nhiên trong dài hạn, việc này sẽ giảm chi phí và thời gian sản xuất, bên cạnh đó là khả năng phổ biến ở các quốc gia có nền khoa học kỹ thuật chưa cao. Sự gia tăng số lượng vệ tinh cũng tăng tần suất chụp ảnh, hiện đã đạt tới hàng giờ và nâng cao độ phân giải không gian (đạt tới 3-4m của vệ tinh PlanetScope). Các ví dụ về vệ tinh radar như chuỗi vệ tinh ICEYE hay vệ tinh quang học như PlanetScope có phạm vi bao phủ toàn cầu. Sự phát triển mạnh mẽ này cũng đi kèm với những yếu tố thúc đẩy sự phổ biến của dữ liệu vệ tinh, trong đó, chương trình tài trợ dữ liệu ảnh vệ tinh miễn phí cho mục đích phi thương mại là phổ biến nhất. Các trường đại học, viện nghiên cứu có thể sử dụng địa chỉ email với tên miền .edu hoặc gửi đề xuất nghiên cứu tới các đơn vị đại diện của hãng là có khả năng cao được tiếp cận dữ liệu miễn phí và được hỗ trợ về mặt kỹ thuật.

Trong bối cảnh nhu cầu về nguồn nước gia tăng không ngừng tại các đô thị và khu công nghiệp, nguồn nước ngầm tiếp tục suy giảm và không thể hồi phục trong ngắn hạn, quản lý nguồn nước mặt hiệu quả sẽ góp phần quan trọng vào đảm bảo an ninh tài nguyên nước quốc gia trong dài hạn và duy trì tốc độ phát triển kinh tế. Để làm được điều đó, ứng dụng công nghệ viễn thám, sử dụng ảnh vệ tinh là một giải pháp toàn diện bao gồm áp dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến, kinh tế, dễ triển khai nên cần được sớm triển khai đồng bộ.□

————————————-

Nguồn tham khảo:

1. Huang, C., Chen, Y., Zhang, S., & Wu, J. (2018). Detecting, extracting, and monitoring surface water from space using optical sensors: A review. Reviews of Geophysics, 56(2), 333-360.

2. Chawla, I., Karthikeyan, L., & Mishra, A. K. (2020). A review of remote sensing applications for water security: Quantity, quality, and extremes. Journal of Hydrology, 585, 124826.