Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu sử dụng dữ liệu vệ tinh ICESat-2 để phân tích và tái tạo địa hình đáy theo mặt cắt ngang tại hai khu vực thử nghiệm là ven đảo Lý Sơn và cụm đảo Nam Yết thuộc quần đảo Trường Sa (trong giai đoạn 2018-2024). Dữ liệu đo sâu thực địa tại khu vực đảo Lý Sơn được sử dụng để đánh giá độ chính xác của kết quả đo sâu từ dữ liệu ICESat-2 với độ tương quan cao nhất đạt 0,97. Kết quả của nghiên cứu đã khẳng định tiềm năng của dữ liệu đo sâu laser từ vệ tinh ICESat-2 trong giám sát địa hình đáy biển và lập bản đồ độ sâu khu vực gần bờ.

Vị trí hai khu vực nghiên cứu; b) Đảo Lý Sơn; c) Đảo Én Đất

Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới để tái tạo độ sâu của khu vực ven biển, đảo bằng cách sử dụng dữ liệu ICESat-2. Khu vực thực nghiệm được lựa chọn là ven đảo Lý Sơn thuộc tỉnh Quảng Ngãi và cụm đảo Nam Yết thuộc quần đảo Trường Sa. Phương pháp được đề xuất trong nghiên cứu này có thể được sử dụng để tái tạo thông tin độ sâu khu vực ven bờ với độ chính xác cao, độ phủ không gian lớn và chi phí thấp góp phần hiểu rõ hơn về sự phân bố không gian của địa hình đáy, cũng như phục vụ bổ sung cơ sở dữ liệu cho các nghiên cứu về hình thái và sinh thái hồ.

Thông tin độ sâu đáy biển (bathymetry) phản ánh địa hình bên dưới mặt nước và là yếu tố thiết yếu trong nghiên cứu môi trường biển, quy hoạch không gian ven bờ và ứng phó với các hiện tượng khí hậu cực đoan. Mặc dù, đại dương bao phủ hơn 70% bề mặt Trái đất, nhưng đến nay chỉ một phần nhỏ diện tích đáy biển được khảo sát bằng phương pháp truyền thống.

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, gia tăng hoạt động khai thác tài nguyên biển, cũng như các nguy cơ như xói mòn, nước biển dâng và suy thoái sinh thái, nhu cầu xây dựng bản đồ độ sâu đáy biển với độ chính xác cao, cập nhật liên tục và chi phí hợp lý ngày càng trở nên cấp thiết. Khu vực ven bờ, đặc biệt là vùng nước nông gần bờ, có đặc tính địa hình và thủy văn biến động mạnh do tác động của thủy triều, dòng chảy, lũ lụt và hoạt động nhân sinh. Những thay đổi này không chỉ làm thay đổi địa mạo đáy biển mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn hàng hải, quy hoạch hạ tầng ven biển và bảo tồn hệ sinh thái nhạy cảm. Do đó, việc cập nhật thường xuyên thông tin độ sâu ở những khu vực này là cần thiết để hỗ trợ các hoạt động giám sát, cảnh báo sớm và quy hoạch bền vững.

Các phương pháp đo độ sâu truyền thống như sonar (gắn trên tàu) hoặc LiDAR (gắn trên máy bay) tuy cho độ chính xác cao nhưng gặp nhiều hạn chế: chi phí đắt đỏ, khó triển khai ở vùng nước nông sát bờ hoặc khu vực xa xôi, và không thể thực hiện liên tục với tần suất cao. Để khắc phục các hạn chế trên, các phương pháp trích xuất độ sâu từ dữ liệu vệ tinh đã được phát triển. Dựa vào mối quan hệ giữa tín hiệu phản xạ quang học của nước và độ sâu, các ảnh vệ tinh đa phổ như Sentinel-2 và Landsat có thể được sử dụng để ước tính độ sâu với độ phủ rộng, chi phí thấp và khả năng cập nhật theo chu kỳ. Dù vậy, việc hiệu chỉnh các mô hình quang học đòi hỏi kiến thức sâu về đặc tính quang học nước và điều kiện môi trường cụ thể từng khu vực (Virginie Lafon et al., 2002), dẫn đến những giới hạn nhất định trong độ chính xác và khả năng ứng dụng rộng rãi. Một hướng tiếp cận khác là sử dụng dữ liệu đo cao vệ tinh. Phương pháp này khai thác chuỗi thời gian về mực nước để ước tính độ sâu thông qua biến động chiều cao bề mặt nước, thường áp dụng cho các hồ nội địa hoặc vùng nước rộng. Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp này giảm đáng kể ở khu vực ven bờ do tín hiệu bị ảnh hưởng bởi địa hình đất liền, sóng ven bờ và nhiễu địa hình.

Dữ liệu ICESat-2, một vệ tinh đo độ cao sử dụng công nghệ LIDAR photon-counting (hệ thống ATLAS), tuy không được thiết kế chuyên biệt cho mục tiêu đo độ sâu đáy biển, nhưng đã được chứng minh có khả năng xuyên qua cột nước nông (~40 m) và cung cấp thông tin độ sâu với độ chính xác cao sau khi hiệu chỉnh khúc xạ liệu đầy hứa hẹn trong việc bổ sung và hiệu chỉnh dữ liệu độ sâu thu được từ ảnh vệ tinh quang học, đặc biệt tại những khu vực khó tiếp cận hoặc chưa được khảo sát trước đây. Tuy nhiên, do dữ liệu ICESat-2 được thu theo vệt quét dọc quỹ đạo, phạm vi phủ không gian còn hạn chế và vẫn cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa khả năng ứng dụng trong các môi trường nước phức tạp như hồ sâu, vùng nước đục hoặc có thực vật đáy.

Giám sát địa hình đáy khu vực ven biển, đảo có ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển kinh tế biển, bảo vệ môi trường và quản lý, khai thác bền vững tài nguyên biển. Tuy nhiên, công tác đo sâu tại những khu vực này vẫn còn gặp nhiều thách thức do yêu cầu cao về công nghệ, chi phí lớn và khó khăn trong tiếp cận. Sự phát triển của công nghệ đo sâu từ vệ tinh, đặc biệt là ICESat-2, đã mở ra hướng tiếp cận mới nhờ hệ thống đo cao laser địa hình tiên tiến sử dụng công nghệ đếm photon, khắc phục những hạn chế của phương pháp đo đạc truyền thống.

Khu vực nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, hai khu vực tiêu biểu được lựa chọn để kiểm chứng và đánh giá hiệu quả ứng dụng của ICESat-2 là đảo Lý Sơn, thuộc tỉnh Quảng Ngãi và cụm đảo Nam Yết, thuộc quần đảo Trường Sa. Việc lựa chọn hai khu vực này nhằm đại diện cho hai kiểu đặc trưng của địa hình biển Việt Nam: một đảo ven bờ với địa hình đa dạng và mực nước thay đổi nhanh, và một cụm đảo xa bờ nằm trong vùng biển sâu với điều kiện tự nhiên khắc nghiệt hơn.

Đảo Lý Sơn, thuộc huyện đảo Lý Sơn, tỉnh Quảng Ngãi, nằm cách đất liền khoảng 15 hải lý (khoảng 27 km) về phía Đông Bắc. Diện tích toàn huyện khoảng 10 km², bao gồm Đảo Lớn (Cù Lao Ré), Đảo Bé (An Bình) và hòn Mù Cu, đều được hình thành từ hoạt động núi lửa cổ đại. Vùng biển xung quanh có địa hình phức tạp với các bãi cạn, rạn san hô và đá ngầm phân bố rộng khắp, độ sâu trung bình dao động từ 10 đến 60 m. Sự chuyển tiếp rõ rệt giữa vùng nước nông và sâu, cùng với đặc điểm phản xạ quang học đặc trưng của đáy biển, khiến Lý Sơn trở thành khu vực lý tưởng để kiểm nghiệm khả năng đâm xuyên và tái tạo độ sâu của vệ tinh ICESat-2.

Cụm đảo Nam Yết, thuộc quần đảo Trường Sa, nằm trên vùng biển phía Nam Biển Đông. Đây là một trong những cụm đảo lớn và quan trọng của Trường Sa, cách đất liền Việt Nam khoảng 550 km về phía Đông Nam. Cụm đảo bao gồm đảo Nam Yết và các rạn san hô, bãi ngầm bao quanh.

Nhóm nghiên cứu sử dụng khu vực ven đảo Én Đất một bãi cạn thuộc cụm đảo Nam Yết - được lựa chọn làm điểm thử nghiệm. Dữ liệu sử dụng là Dữ liệu đo sâu từ vệ tinh ICESat-2; Dữ liệu đo sâu thực địa và Mô hình thủy triều EOT20.

Kết quả đánh giá độ chính xác 

Do dữ liệu đo sâu thực địa chỉ sẵn có tại khu vực đảo Lý Sơn, nên việc đánh giá độ chính xác của dữ liệu độ sâu photon từ ICESat-2 được thực hiện riêng cho khu vực này. Kết quả so sánh giữa dữ liệu ICESat-2 (track ngày 30/09/2020) và dữ liệu thực địa. Phân tích cho thấy, mối tương quan cao giữa hai bộ dữ liệu, với hệ số tương quan tổng thể đạt R = 0,97 và sai số trung phương (RMSE) = 2,53 m trên tổng số 1.452 điểm photon. Mặc dù hệ số tương quan thể hiện sự phù hợp cao, giá trị RMSE vẫn còn tương đối lớn, nguyên nhân có thể đến từ việc hiệu chỉnh thủy triều chưa đồng bộ hoàn toàn tại thời điểm đo, cũng như sai số nội suy địa hình từ dữ liệu thực địa do mật độ điểm đo thấp. Để phân tích chi tiết hơn, track ATL03_20200930_gt1l được chia thành ba phân vùng (a, b, c - xem Hình 6), dựa trên đặc điểm địa hình và độ sâu trung bình (mốc phân chia tại độ sâu 5 m). Kết quả đánh giá theo từng vùng như sau: vùng a (178 điểm photon): RMSE = 1,53 m, hệ số tương quan R = 0,96; vùng b (1.219 điểm photon): RMSE = 2,68 m, hệ số tương quan R = 0,34; vùng c (55 điểm photon): RMSE = 1,07 m, hệ số tương quan R = 0,97. Kết quả trên cho thấy độ chính xác của dữ liệu ICESat-2 phụ thuộc đáng kể vào điều kiện môi trường và đặc điểm địa hình đáy. Vùng có địa hình đơn giản và nước trong (vùng a và c) cho kết quả chính xác cao hơn so với vùng có địa hình phức tạp hoặc vùng nước đục (vùng b).

Kết quả đo sâu từ ICESat-2 track ATL03_20191003_gt3l tại khu vực phía Đông Nam đảo Lý Sơn cũng được đánh giá độ chính xác. Khu vực này có địa hình đáy biển tương đối rõ ràng, với rạn san hô và khu vực nước nông thuận lợi cho việc thu nhận tín hiệu photon đáy. Kết quả so sánh giữa dữ liệu độ sâu từ ICESat-2 và dữ liệu đo sâu thực địa được trình bày ở hai biểu đồ phía dưới bên trái. Tổng cộng có 1371 điểm photon được so sánh, với sai số trung phương RMSE = 1,27 m và hệ số tương quan R = 0,77, cho thấy mức độ phù hợp tương đối tốt giữa hai bộ dữ liệu. Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số sai lệch ở vùng nước nông do ảnh hưởng của điều kiện môi trường.

Để đánh giá ảnh hưởng của vùng nước nông đến kết quả so sánh, nghiên cứu đã loại bỏ những điểm có độ sâu từ 0 đên s 2m dọc theo track. Dữ liệu photon còn lại 185 điểm photon được đánh giá chi tiết hơn (hình bên phải của biểu đồ so sánh), cho thấy RMSE giảm còn 1,08 m và hệ số tương quan R tăng lên 0,93. Điều này phản ánh rằng tại các vùng có điều kiện nước trong và địa hình bằng phẳng, dữ liệu ICESat-2 cho kết quả chính xác cao hơn. Biểu đồ lát cắt dọc theo track ATL03_20191003_gt3l (hình dưới cùng bên phải) minh họa rõ phân bố độ sâu photon. Đường màu đỏ biểu thị đường nội suy địa hình từ dữ liệu thực địa, cho thấy sự phù hợp khá tốt với các điểm photon đáy sau hiệu chỉnh thủy triều.

Kết quả nghên cứu đã cho thấy độ sâu đo từ ICESat-2 có thể được sử dụng hiệu quả để tái tạo địa hình đáy biển tại các khu vực ven bờ như đảo Lý Sơn, đặc biệt khi có điều kiện nước trong và hiệu chỉnh thủy triều chính xác.

Kết quả mặt cắt địa hình đáy

Kết quả mô phỏng địa hình đáy khu vực đảo Nam Yết, trong đó địa hình đáy biển được thể hiện tương đối bằng phẳng với độ sâu dao động từ khoảng -0,5 m đến -1,5 m. Kết quả này phản ánh đặc điểm của vùng nước nông ven rạn san hô hoặc các bãi cát ngầm có phân bố đồng đều. Các điểm photon đo sâu phân bố liên tục và rõ ràng, cho thấy điều kiện môi trường nước tại khu vực khảo sát có độ trong cao và ít chịu ảnh hưởng bởi nhiễu. Điều này phù hợp với đặc điểm của khu vực quần đảo Trường Sa. Khả năng phân biệt ranh giới mặt đáy rõ rệt trong dữ liệu ICESat-2 khẳng định hiệu quả của phương pháp đo sâu laser trong điều kiện môi trường thuận lợi. Do đó, khu vực này được đánh giá là phù hợp để ứng dụng dữ liệu ICESat-2 trong việc tái tạo địa hình đáy biển phục vụ lập bản đồ độ sâu có độ phân giải cao.

Mặt cắt địa hình đáy biển dọc theo track ATL03 ngày 29/12/2021 tại khu vực cụm đảo Nam Yết, cho thấy sự biến thiên rõ rệt của địa hình đáy. Độ sâu thay đổi từ khoảng -2 m đến -9 m, phản ánh cấu trúc dốc đáy đặc trưng, chuyển tiếp từ vùng nước nông gần rạn san hô ra phía ngoài, nơi đáy biển trở nên sâu hơn dọc theo sườn dốc san hô. Dữ liệu photon đo sâu cho thấy sự thay đổi độ sâu diễn ra tương đối đột ngột, phù hợp với đặc điểm địa mạo ven đảo. Một số đoạn trên mặt cắt xuất hiện các khoảng trống dữ liệu hoặc sự phân bố photon thưa, có thể bắt nguồn từ ảnh hưởng của nhiễu khí quyển hoặc điều kiện môi trường không thuận lợi tại thời điểm thu nhận dữ liệu.

Cả hai track ICESat-2 cho khu vực cụm đảo Nam Yết đều phản ánh rõ cấu trúc địa hình đáy biển với độ sâu và hình thái đặc trưng của rạn san hô viền. Track ATL03_20220502_gt3l phù hợp cho khảo sát vùng nước nông đồng đều, trong khi track ATL03_20211229_gt1l cho thấy khả năng phát hiện biến thiên mạnh trong địa hình đáy. Những kết quả này chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng ICESat-2 trong nghiên cứu và lập bản đồ địa hình đáy biển tại khu vực đảo và ven đảo xa bờ như Trường Sa.

Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã khẳng định tiềm năng ứng dụng của công nghệ đo sâu laser từ vệ tinh ICESat-2 trong việc tái tạo địa hình đáy biển khu vực ven biển, đảo – những vùng có vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế biển, bảo vệ môi trường và quản lý tài nguyên biển bền vững. Thông qua phân tích dữ liệu photon từ sản phẩm ATL03 tại hai khu vực thực nghiệm là đảo Lý Sơn và cụm đảo Nam Yết trong giai đoạn 2018–2024, kết quả cho thấy ICESat-2 có khả năng ghi nhận địa hình đáy rõ ràng, đặc biệt trong điều kiện nước trong và độ sâu nông đến trung bình. Tại khu vực đảo Lý Sơn, nơi có dữ liệu đo sâu thực địa phục vụ kiểm chứng, mức độ tương quan cao (R = 0,97) ã cho thấy độ tin cậy của dữ liệu ICESat-2 trong mô hình hóa địa hình đáy. Tuy nhiên, sai số trung phương RMSE vẫn khá lớn, phụ thuộc vị trí của từng track. Nguyên nhân chủ yếu yếu do hiệu chỉnh thủy triều chưa đồng nhất giữa hai loại dữ liệu và mật độ dữ liệu thực địa còn hạn chế, ảnh hưởng đến quá trình nội suy kiểm chứng. Tại cụm đảo Nam Yết, các mặt cắt địa hình tái tạo từ dữ liệu ICESat-2 đã thể hiện rõ các đặc điểm hình thái đáy, từ vùng bằng phẳng đến khu vực dốc sâu, phản ánh chính xác đặc điểm địa hình vùng ven đảo. Những kết quả ban đầu của nghiên cứu đã cho thấy dữ liệu ICESat-2 là một nguồn dữ liệu có giá trị, mở ra hướng tiếp cận hiệu quả cho công tác giám sát, cập nhật và thành lập bản đồ độ sâu khu vực gần bờ bằng phương pháp hiện đại. Trong bối cảnh điều kiện đo đạc truyền thống còn gặp nhiều hạn chế, việc khai thác hiệu quả dữ liệu ICESat-2 có thể góp phần nâng cao năng lực nghiên cứu, quản lý và quy hoạch không gian biển tại Việt Nam.