Phát triển thuật toán ước tính Chlorophyll-a từ ảnh vệ tinh phục vụ giám sát nước biển tại Việt Nam

Áp dụng công nghệ hiện đại, các nhà khoa học đã thành công làm chủ thuật toán phân tích ảnh viễn thám để theo dõi chỉ số Chlorophyll-a - một thông số then chốt phản ánh chất lượng nước biển, mở ra hướng tiếp cận mới triển vọng, hiệu quả và kinh tế cho công tác giám sát, quản lý môi trường biển.

Hàm lượng Chlorophyll-a (Chl-a) - thông số liên quan đến mức độ phú dưỡng và sự phát triển của thực vật phù du, là một trong những chỉ số quan trọng phản ánh “sức khỏe” của môi trường nước. Việc theo dõi chỉ số này có ý nghĩa lớn trong đánh giá chất lượng nước, xác định các vùng có nguy cơ ô nhiễm, hỗ trợ quản lý và bảo vệ môi trường biển.

Theo dõi chất lượng nước bằng các phương pháp quan trắc truyền thống thường tốn nhiều thời gian, kinh phí cao và khó triển khai trên quy mô rộng. Trong khi, công nghệ viễn thám nổi lên như một giải pháp hiện đại hiệu quả, cho phép thu nhận dữ liệu môi trường từ xa thông qua vệ tinh với khả năng theo dõi liên tục, bao phủ diện rộng. Ảnh viễn thám màu đại dương hiện đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới để nghiên cứu các thông số như vật chất lơ lửng (SPM), Chl-a hay chất hữu cơ hòa tan màu (CDOM).

Nắm bắt xu hướng này, nhiệm vụ hợp tác quốc tế: “Nghiên cứu, phát triển thuật toán Chlorophyll-a cho ảnh VNREDSat-1 và tương đương” (mã số: QTRU02.13/21-22) đã được triển khai. Chủ nhiệm phía Việt Nam là ThS. Chu Xuân Huy, Viện Công nghệ vũ trụ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (nay thuộc Trung tâm Vũ trụ Việt Nam), phối hợp với Viện Hóa sinh Hữu cơ Thái Bình Dương (PIBOC), Phân viện Viễn Đông - Viện Hàn lâm Khoa học Nga (FEB RAS). Nghiên cứu sử dụng ảnh từ vệ tinh VNREDSat-1, vệ tinh viễn thám đầu tiên của Việt Nam và ảnh Sentinel-2 do Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) cung cấp. Hai nguồn dữ liệu này có nhiều điểm tương đồng về dải phổ, độ phân giải và đặc biệt là khả năng truy cập mở, phù hợp cho việc xây dựng, hiệu chỉnh và ứng dụng thuật toán theo dõi Chl-a phục vụ công tác quản lý môi trường biển tại Việt Nam.

Vì sao cần thuật toán riêng cho biển Việt Nam?

Trả lời vấn đề này, ThS. Chu Xuân Huy cho biết: Việc ước tính nồng độ Chl-a từ ảnh viễn thám đã được nghiên cứu rộng rãi với nhiều thuật toán phát triển trên thế giới như chuỗi OCx (Ocean Chlorophyll-a) của NASA. Tuy nhiên, mỗi thuật toán lại chỉ cho kết quả chính xác ở một khu vực cụ thể, do đặc điểm hóa - lý khác nhau của từng vùng nước.

Mối quan hệ giữa tín hiệu phổ phản xạ đo được từ vệ tinh và nồng độ Chl-a trong nước bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường đặc trưng, như loại hình mặt nước, vật chất lơ lửng hay các thông số quang học khác.

Đối với vùng biển Việt Nam, đặc biệt là khu vực ven bờ với sự đa dạng về điều kiện địa lý và thủy văn, các thuật toán có sẵn khó đạt hiệu quả cao nếu không được hiệu chỉnh. Do đó, nhóm nghiên cứu hướng đến việc phát triển thuật toán thực nghiệm được điều chỉnh phù hợp với điều kiện thực tế, đồng thời bổ sung dữ liệu cho các vùng còn thiếu nhằm tăng cường khả năng ứng dụng ảnh viễn thám trong theo dõi chất lượng nước trên diện rộng.

Thành tựu và triển vọng ứng dụng

Trong khuôn khổ nhiệm vụ, nhóm đã tổ chức nhiều đợt khảo sát thực địa tại khu vực đầm phá ven biển Thừa Thiên - Huế, một trong những hệ đầm phá lớn và điển hình của miền Trung. Ngoài ra, chuyến khảo sát chuyên sâu bằng tàu nghiên cứu Viện sĩ Oparin (Nga) cũng được thực hiện nhằm thu thập dữ liệu từ khu vực biển xa bờ. Tổng cộng, nhóm đã tiến hành đo đạc và lấy mẫu tại 74 điểm, trong đó 52 điểm được sử dụng để xây dựng mô hình và 22 điểm dùng để kiểm tra độ chính xác.

Vị trí thu thập dữ liệu

Chuẩn bị bảo quản và lấy mẫu nước tại thực địa

Kết quả cho thấy, thuật toán OC3 áp dụng trên cả 2 loại ảnh vệ tinh đều đạt hệ số xác định (R²) cao, trên 0,7 với VNREDSat-1 và trên 0,8 với Sentinel-2. Các nhà khoa học đã xác định và chứng minh tính phù hợp của thuật toán OC3 để ước tính hàm lượng Chl-a từ ảnh viễn thám VNREDSat-1 và Sentinel-2. Trên cơ sở kết hợp dữ liệu ảnh vệ tinh và khảo sát thực địa, nhóm đã phát triển bộ thuật toán cùng hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm phù hợp với điều kiện vùng ven biển Việt Nam. Kết quả tính toán thể hiện sự phù hợp rõ rệt giữa phân bố Chl-a từ ảnh và dữ liệu đo đạc tại Thừa Thiên - Huế. Nồng độ Chl-a thấp tại các vùng nước sát bờ, cao hơn ở vùng cửa sông, đầm phá, đặc biệt tại các khu vực nuôi trồng thủy sản, phản ánh đặc trưng sinh thái của khu vực và được xác thực qua các nghiên cứu trước đây.

Phân bố hàm lượng Chl-a tính từ ảnh viễn thám

Ngoài ra, bộ dữ liệu khảo sát thực địa tại Thừa Thiên - Huế là nguồn tư liệu quý cho các nghiên cứu biển trong tương lai. Phần mềm công cụ tính toán Chl-a do nhóm phát triển trên nền tảng mã nguồn mở giúp tự động hóa các bước tiền xử lý ảnh vệ tinh, tăng tốc quá trình tính toán và có thể mở rộng áp dụng cho các vùng ven biển khác có điều kiện tương tự. Hệ thống bản đồ chuyên đề về phân bố Chl-a cũng là tài liệu quan trọng phục vụ quy hoạch, quản lý lãnh thổ và giám sát chất lượng nước địa phương.

Nghiên cứu mở ra hướng tiếp cận mới, khả thi và hiệu quả trong giám sát chất lượng nước ven biển bằng công nghệ viễn thám, đặc biệt là tận dụng nguồn ảnh vệ tinh trong nước. Với độ chính xác cao, tính tự động hóa và tiềm năng ứng dụng thực tiễn rộng rãi, kết quả của nhiệm vụ không chỉ nâng cao năng lực nghiên cứu trong nước mà còn tạo nền tảng cho việc tích hợp các công nghệ số vào công tác quản lý tài nguyên biển. Đây là ví dụ điển hình cho thấy khoa học - công nghệ có thể trở thành lực đẩy thực chất, góp phần nâng cao hiệu quả công tác quy hoạch và bảo tồn hệ sinh thái biển trong tiến trình phát triển bền vững khu vực ven biển.

Cung cấp tin: Chu Thị Ngân, Trung tâm Dữ liệu và Thông tin khoa học

Xử lý tin: Thanh Hà

Nguồn: Website Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam - Thứ bảy, 28/6/2025 04:38