Công nghệ viễn thám: Cảnh báo sớm trượt lở đất

Những phát triển mới về công nghệ ngày càng cho phép chúng ta lường trước được nguy cơ rủi ro từ tự nhiên. Một trong số đó là công nghệ viễn thám, công nghệ hữu hiệu giúp cảnh báo trượt lở đất.

Chắc hẳn chúng ta còn nhớ những cơn bão năm 2020 và hệ quả nó để lại cho khu vực miền Trung. Theo báo cáo của Ban chỉ đạo trung ương về phòng chống thiên tai, mưa lũ, lũ quét, sạt lở đất trên diện rộng làm 249 người chết, mất tích, 1.531 nhà sập, ước tính tổng thiệt hại về kinh tế trên 36.000 tỉ đồng. Những cái tên như Rào Trăng 3, Trà Leng, Phước Sơn… đều để lại nhiều dư âm chết chóc đau buồn.

Trượt lở đất không là hiện tượng xảy ra ở riêng Việt Nam. Các số liệu thống kê toàn cầu cho thấy châu Á đang là khu vực chịu thiệt hại lớn nhất về người do trượt lở đất đá gây ra Về bản chất, trượt lở là quá trình lớp đất, đá trên bề mặt sườn dốc dịch chuyển xuống nơi có địa hình thấp hơn và vẫn diễn ra trong suốt hàng triệu năm qua. Quá trình diễn này ra tự nhiên phổ biến ở vùng đồi núi và cùng với dòng chảy của nước mang phù sa cho những đồng bằng châu thổ màu mỡ. Khi con người ngược dòng chảy của nước, tìm cách thúc đẩy phát triển nơi núi rừng cũng là lúc chúng ta đối mặt với những hiểm họa từ thiên nhiên. Phát triển giao thông, khai thác tài nguyên, hoạt động dân sinh thiếu bền vững với kết quả là sự xâm lấn thô bạo vào tự nhiên đang khiến chúng ta chịu sự đe dọa của thiên tai. Trong đó, trượt lở đất đá để lại thiệt hại ngày một gia tăng cho con người trong những năm gần đây.

Các yếu tố tự nhiên gây ra trượt lở đất gồm có địa vật lý và khí tượng… như động đất, địa chấn, mưa bão kéo dài, áp thấp nhiệt đới cùng với những tác nhân từ quá trình phát triển kinh tế thiếu bền vững, gia tăng dân số quá nhanh và mất lớp phủ tự nhiên cũng làm gia tăng sức tàn phá của hiện tượng này. Mức độ ảnh hưởng của trượt lở phụ thuộc vào vị trí, tốc độ, khối lượng đất đá và thời điểm xảy ra. Điều kiện thời tiết mưa bão kết hợp với trượt lở đất đá ở các vùng đồi núi thường có sức tàn phá khốc liệt nhất.

Khi con người ngược dòng chảy của nước, tìm cách thúc đẩy phát triển nơi núi rừng cũng là lúc chúng ta đối mặt với những hiểm họa từ thiên nhiên, trong đó, trượt lở đất đá để lại thiệt hại ngày một gia tăng cho con người những năm gần đây.

Với diện tích 3/4 là núi đồi, Việt Nam đang phải đối mặt với tai biến trượt lở đất xuất hiện từ 14 tỉnh miền núi phía Bắc và trải dài khắp miền Trung. Cộng thêm với tác động ngày một phức tạp của biến đổi khí hậu, chúng ta cần những công cụ dự báo có độ phủ rộng khắp, có khả năng triển khai tự động nhưng vẫn đảm bảo cung cấp đủ thông tin và kịp thời để giám sát và phát hiện trượt lở đất. Với công nghệ này, chúng ta cũng cần tự chủ được về mặt công nghệ và dữ liệu.

Những công cụ cảnh báo sớm

Thật khó để ngăn không cho những thảm họa tự nhiên xảy ra nhưng chúng ta luôn có cách để phòng tránh và cảnh báo sớm. Tuy nhiên, điểm khó trong cảnh báo sớm trượt lở đất là tính bất ngờ, khó dự báo, thiếu hệ thống giám sát trượt lở đất dẫn đến khó khăn trong việc cảnh báo sớm, sơ tán người dân và cứu hộ cứu nạn. Chính vì vậy, các nghiên cứu khoa học thường tập trung vào giải quyết ba vấn đề chính của trượt lở: dự báo, phân vùng cảnh báo/nguy cơ và hệ thống giám sát.

Ở Việt Nam, từ trước đến nay đã áp dụng nhiều công cụ truyền thống để giám sát, phát hiện các điểm trượt lở cố định. Trong đó, công tác thực địa, thu thập mẫu vật giúp xác định đặc tính của mỗi điểm trượt lở như tính chất cơ học của đất đá, sự biến đổi của đất đá qua các tác động của tự nhiên (mưa bão) hay yếu tố con người (thay đổi bề mặt lớp phủ) thường được quan tâm dưới góc nhìn địa chất. Những dữ liệu cơ lý của đất được mô hình hóa trong các bài toán mô phỏng để đem lại thêm thông tin dự báo trượt lở đất dưới các kịch bản có sẵn. Khi nhận diện được một số điểm trượt trên diện tích lớn, có thể đe dọa tài sản, con người, nhiều công cụ được lắp đặt bao gồm giám sát gián tiếp (nước mưa, nước ngầm…), trực tiếp (trạm đo định vị vệ tinh liên tục, đo dịch chuyển theo chu kì…) để quan trắc và thu thập dữ liệu. Ví dụ một số công nghệ mới dựa trên hệ thống trạm dày đặc đo địa chấn hay các rung động lan truyền do đất đá trượt lở để xác định được nguồn phát hay vị trí sạt lở (phương pháp này tương tự như cách các nhà khoa học tìm ra chấn tiêu của một trận động đất, hay nguồn gốc nơi xảy ra sự va chạm dẫn đến những cơn địa chấn dù vị trí xảy ra có thể ở độ sâu nhiều kilomet dưới mặt đất). Khi được bổ sung các yếu tố quan trọng khác bao gồm địa hình, dòng chảy, phân bố dân cư, giao thông…, tất cả những thông tin thu thập được cho phép phân vùng cảnh báo nguy cơ dưới dạng bản đồ.

Dù đã có nhiều bước tiến đáng kể về dữ liệu và công nghệ nhưng ngày nay, việc đưa ra dự báo trượt lở vẫn còn gặp nhiều khó khăn. Nguyên nhân chính dẫn đến dự báo chưa đạt được độ chính xác cần thiết là do trong trượt lở đất có sự tương tác lẫn nhau của rất nhiều yếu tố, chúng tạo nên những mối liên kết phức tạp giữa tác động ngoại lực và nội lực.

Là một lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn trên thế giới trong những năm gần đây, trượt lở đất thường dựa trên một bộ khung chung, trong đó nguồn dữ liệu đang ngày một phong phú hơn và một trong những đóng góp đáng kể nhất là dữ liệu vệ tinh với độ bao phủ rộng khắp và cho phép sử dụng không giới hạn. Mặt khác, các phương pháp xử lí dữ liệu đang chuyển dịch từ mô hình thuần vật lý sang nhóm các phương pháp về học máy (học máy, học sâu, mạng thần kinh nhân tạo) và đầu ra là các dạng bản đồ dự báo, nguy cơ hoặc cảnh báo.

Một hướng đi khác là kết hợp ảnh chụp vệ tinh quang học và radar. Giống như ảnh thường, ảnh vệ tinh ghi lại những chi tiết trên khung hình ở thời điểm chụp, qua đó so sánh từ hai ảnh trở lên chúng ta tìm ra điểm khác biệt. Với những dấu hiệu nhận biết riêng biệt, bằng mắt thường ta có thể xác định vị trí điểm sạt lở cũng như hình dung một phần quá trình đã diễn ra.

Những phân tích trên cho thấy các công cụ truyền thống phù hợp cho các điểm cố định nhưng khi giám sát và triển khai trên diện tích rộng lớn chúng ta cần đến những con mắt từ bầu trời mới có thể giải quyết được những yêu cầu này. Lời giải của nó đang dần trở nên rõ ràng hơn trong những năm gần đây nhờ tiến bộ của công nghệ viễn thám, trong đó ảnh chụp từ vệ tinh đóng vai trò then chốt.

Vì sao ảnh vệ tinh lại được đánh giá cao như vậy? Trong quá trình bay trên quỹ đạo cách Trái đất khoảng 600-800 kilomet, vệ tinh quang học có thể thu về các tấm ảnh tương tự trên máy ảnh hoặc điện thoại thông minh nhưng với độ bao phủ rộng từ vài trăm tới vài nghìn kilomet vuông. Chúng sẽ ghi nhận hầu hết dấu hiệu của trượt lở đất như lớp phủ cây cối thay thế bằng đất trống, đường sá, nhà cửa bị vùi lấp… Nhờ đó bằng trực quan so sánh các ảnh chụp ở những thời điểm trước và sau mỗi đợt mưa bão, chúng ta đều có thể nhận ra những thay đổi trên bề mặt Trái đất, ví dụ như các điểm trượt lở, ngập lụt. Tuy nhiên, vệ tinh quang học cũng có những khiếm khuyết nhất định như phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện thời tiết và ánh sáng Mặt trời. Vệ tinh radar với tần suất chụp ổn định và không phụ thuộc các yếu tố thời tiết là một sự bổ sung cần thiết cho các nghiên cứu về trượt lở quy mô cả nước.

Nguyên nhân chính dẫn đến dự báo chưa đạt được độ chính xác cần thiết là do trong trượt lở đất có sự tương tác lẫn nhau của rất nhiều yếu tố, chúng tạo nên những mối liên kết phức tạp giữa tác động ngoại lực và nội lực.

Dữ liệu thu thập được từ vệ tinh là dạng tín hiệu số. Mỗi bức ảnh vệ tinh quang học được hình thành từ hàng triệu điểm ảnh, mỗi điểm ảnh bao phủ một diện tích 30mx30m (vệ tinh Landsat) cho đến 0,5mx0,5m (vệ tinh Pléiades), hay còn gọi là độ phân giải không gian. So sánh các ảnh này trước và sau mỗi đợt mưa lớn có khả năng phát hiện các điểm trượt lở có diện tích từ vài trăm mét vuông trở lên, tùy thuộc vào độ phân giải của ảnh. Bên cạnh đó, vệ tinh radar cũng có khả năng bao quát tương tự với ưu thế chụp ảnh không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết nhưng có quy trình xử lý ảnh phức tạp hơn nhiều và cung cấp thông tin đa dạng hơn. Sử dụng dữ liệu ảnh từ nhiều vệ tinh sẽ cho phép khả năng giám sát tiệm cận thời gian thực (near real-time), qua đó tăng cường khả năng phản ứng nhanh trước các diễn biến bất thường của thiên tai.

Những ưu điểm vượt trội của dữ liệu vệ tinh cùng với quá trình tư nhân hóa đã thúc đẩy sự phát triển của ngành viễn thám thông qua sự gia tăng nhanh chóng về số lượng vệ tinh và công nghệ xử lý ảnh. Kết quả xử lý ảnh vệ tinh có độ chính xác cao và dần trở nên phổ biến. Các chính phủ và doanh nghiệp công nghệ đều hiểu được tầm ảnh hưởng của công nghệ viễn thám nên đã tạo điều kiện phát triển cho ngành nhờ vào phát triển dữ liệu mở (dự án Copernicus của liên minh châu Âu EU) … và hệ thống xử lí máy tính hiệu năng cao (Google, Amazon…). Các chính sách này cho phép ngay cả những người dùng bình thường với đam mê tìm hiểu về ảnh vệ tinh cũng có thể tiếp cận các ứng dụng từ đơn giản đến độ chính xác cao.

Việt Nam có thể học hỏi những gì?

Ở Việt Nam, việc xây dựng bản đồ phân vùng cảnh báo/nguy cơ là mục tiêu chính của các đề tài nghiên cứu về trượt lở trong những năm gần đây. Các bản đồ này thực tế không phát huy hiệu quả như mong muốn do hai yếu tố chính. Thứ nhất là do độ phân giải hay tỉ lệ bản đồ chưa cao, ví dụ chỉ đến cấp xã. Vì vậy, mỗi khi có cảnh báo, các cấp chính quyền không thể di dời dân số cả một xã để phòng tránh thiên tai do tỉ lệ bản đồ chỉ đến cấp độ tương đương. Thứ hai là thông tin cảnh báo chưa dễ tiếp cận bởi các cán bộ quản lý hành chính và người dân khó mà đọc hiểu được các bản đồ bao gồm kí hiệu khoa học trong khi điều họ cần nhất là nơi nào có thể xảy ra trượt lở? khi nào cần sơ tán? nếu xảy ra trượt lở thì chạy đi đâu?

Do đó, để khắc phục hai nhược điểm này, việc xây dựng bản đồ phân vùng cảnh báo/nguy cơ cần thực hiện chuyển đổi số hay số hóa các bản đồ, dữ liệu và các sản phẩm từ nghiên cứu khoa học phải đáp ứng được nhu cầu xã hội.

Hiện tại, chúng ta đang có nhiều lợi thế để làm được điều này. Với nguồn dữ liệu lớn về ảnh vệ tinh, chúng ta đủ khả năng xây dựng một hệ thống tự động phát hiện trượt lở trên quy mô cả nước và lưu trữ thành cơ sở dữ liệu. Trượt lở khó dự đoán nhưng có tính lặp lại tại những vị trí đã từng xảy ra nên dữ liệu sẽ cho thấy những khu vực bị tiềm ẩn nguy cơ. Với cơ sở dữ liệu này kết hợp các phương pháp nghiên cứu truyền thống sẽ là nền tảng thiết yếu cho những nghiên cứu chuyên sâu về trượt lở, quy hoạch phát triển trong tương lai. Với hệ thống tự động cập nhật và lưu trữ này, chúng ta rất dễ dàng điều chỉnh để áp dụng cho các ứng dụng hữu ích khác trong quản lý tài nguyên, nông nghiệp, giảm thiểu thiệt hại do thiên tai gây ra.

Trong quá trình này, chúng ta cũng cần chú ý một điểm quan trọng, đó là công nghệ viễn thám hay ảnh vệ tinh thuộc nhóm ngành công nghệ cao nên cần được liên tục cập nhật để bắt kịp xu hướng. Trong điều kiện kinh phí đầu tư còn hạn hẹp và nguồn nhân lực chưa thật dồi dào thì chúng ta có thể tăng cường hợp tác quốc tế để chủ động nắm bắt công nghệ mới và giúp phát triển đội ngũ nhân lực tiềm năng trong nước.

Tuy nhiên, sự tự chủ về nguồn nhân lực cũng cần đi kèm với tự chủ về nguồn dữ liệu. VNREDSat-1 là vệ tinh quang học đầu tiên của Việt Nam được phóng lên không gian (5/2013) với độ phân giải ảnh đạt 2,5m và không thua kém các vệ tinh quốc tế về mặt kỹ thuật. Sau gần 10 năm, khả năng tiếp cận dữ liệu của nó vẫn còn hạn chế dẫn đến không khai thác hết được tiềm năng vốn có, trong đó, việc sử dụng dữ liệu phải trả phí, quy trình đăng ký chưa rõ ràng với ngay cả các nghiên cứu trong nước là một rào cản. Thông thường, dữ liệu vệ tinh của mỗi nước cho phép các nhà nghiên cứu, chuyên gia trong nước sử dụng miễn phí với các quy định về trích dấn nguồn và mục đích phi thương mại nhưng thủ tục tinh gọn. Đây là giải pháp được nhiều chính phủ áp dụng không chỉ để thu hút nguồn lực từ trong nước mà cả quốc tế. Nhiều nơi sẵn sàng nâng giới hạn tiếp cận cho toàn bộ giới khoa học trên thế giới bao gồm trường học và viện nghiên cứu cho mục đích học tập, học thuật. Nếu muốn sử dụng dữ liệu ảnh radar TerraSAR-X của cơ quan vũ trụ Đức (DLR) hay Cosmo-SkyMed của Ý, các nhà khoa học hoặc sinh viên các trường đại học chỉ cần viết tóm tắt đề tài nghiên cứu và gửi vào hệ thống tiếp nhận. Chuỗi vệ tinh quang học của Planet cũng đưa ra chính sách tương tự nhưng với thời gian phê duyệt nhanh hơn rất nhiều với kết quả chỉ trong vài ngày. Rõ ràng, chúng ta cũng có thể đưa ra chính sách tương tự, từ đó tăng khả năng triển khai vệ tinh của riêng mình, đáp ứng yêu cầu tự chủ về nguồn dữ liệu và tăng số lượng người dùng để phát triển nguồn nhân lực đa dạng. Để có được chính sách thông thoáng cởi mở như vậy chúng ta cần những thay đổi quan điểm của nhiều cấp quản lý.

Viễn thám không giới hạn ở vùng miền hay mức độ phát triển ở mỗi quốc gia. Sự cập nhật công nghệ hay hòa nhập với quốc tế mới là hành trình không thể đảo ngược. Nếu coi dữ liệu là một dạng tài sản quốc gia cần được bảo mật thì có thể chúng ta xao lãng một điều là trên thực tế, dữ liệu chúng ta có thì quốc tế cũng có và chất lượng còn tốt hơn. Một minh chứng cụ thể là mua ảnh vệ tinh trả phí ở Việt Nam đã trở nên phổ biến hơn cho cả mục đích học thuật và dân sự. Nếu những nguồn dữ liệu này được cởi mở chia sẻ giữa các nhà nghiên cứu với nhau, giữa dân dụng và học thuật, giá trị chúng mang lại sẽ được nhân lên nhiều lần cho cộng đồng trong bối cảnh nguồn lực trong nước còn nhiều hạn chế.

Cuối cùng, không có một giải pháp nào mang tính toàn vẹn nên cũng như các phương pháp khác, ảnh vệ tinh cũng có những nhược điểm riêng. Vì vậy chúng ta không thể phó thác vào duy nhất một phương pháp để nghiên cứu một dạng thiên tai như trượt lở mà cần sự kết hợp giữa nhiều công cụ truyền thống và hiện đại, đồng thời dành một khoản đầu tư nhất định cho các nghiên cứu như vậy. Những khoản đầu tư như vậy có tốn kém? Nếu so với hàng nghìn tỷ đồng khắc phục hậu quả do thiên tai gây ra thì con số đầu tư cho khoa học chỉ chiếm một phần nhỏ nhưng lại có thể góp phần giảm thiểu thiệt hại và cứu mạng sống con người. Dưới tác động của biến đổi khí hậu, trượt lở đất cũng như các dạng thiên tai khác chắc chắn sẽ ngày một khốc liệt, đầu tư vào nghiên cứu khoa học sẽ không chỉ giúp thúc đẩy khoa học phát triển và chính là đi trước một bước trong phòng chống và giảm thiểu thiệt hại.□

Bảng 1. So sánh các công cụ nghiên cứu trượt lở đất truyền thống và công nghệ viễn thám/ảnh vệ tinh.