Ứng dụng ảnh viễn thám trích xuất thông tin vùng ảnh hưởng do thiên tai

Việt Nam bị ảnh hưởng thường xuyên từ thiên tai, gây ra các thiệt hại về người, tài sản, môi trường, điều kiện sống và hoạt động kinh tế - xã hội. Do đó, việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ viễn thám phục vụ công tác giám sát, dự báo, cảnh báo, giảm nhẹ thiên tai là rất cần thiết.

Chất lượng công tác dự báo thiên tai bằng công nghệ viễn thám chưa cao

Theo đánh giá của Cơ quan Quản lý thiên tai châu Á thuộc Tổ chức Khí tượng thế giới, Việt Nam là một trong những nước chịu nhiều thiên tai nhất ở châu Á. Trong đó, với đặc điểm bờ biển trải dọc theo đất nước, hàng năm Việt Nam thường chịu nhiều loại thiên tai như bão, lũ, lũ quét, mưa lớn, hạn hán, sạt lở đất, dông, tố, lốc,… Trong những năm gần đây, nhiều thiên tai đã xảy ra một cách bất thường ở quy mô lớn và gây ra nhiều khó khăn trong việc dự báo, kiểm soát và phòng tránh. Những tai họa này gây ra thiệt hại lớn về người, tài sản và sản xuất.

Với các ưu điểm của dữ liệu viễn thám như độ phủ trùm không gian của dữ liệu rộng, cung cấp các thông tin phục vụ giám sát sự biến đổi qua nhiều thời kỳ, cung cấp nhiều thông tin chuyên đề thông qua các thông số về đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng lớp phủ trên mặt đất,… công nghệ viễn thám kết hợp với công nghệ GIS hiện nay được đánh giá là giải pháp công nghệ hiệu quả nhất trong việc giám sát và giảm nhẹ thiên tai.

Cục Viễn thám quốc gia đã và đang tham gia hợp tác quốc tế trong lĩnh vực giám sát và giảm nhẹ thiên tai khu vực châu Á - Thái Bình Dương, Cục là đầu mối thu nhận và xử lý dữ liệu trong hệ thống và hiện tại đang vận hành trạm thu ảnh WINDS-VSAT được đồng bộ dữ liệu với máy chủ dữ liệu trung tâm tại Nhật Bản. Hệ thống có thể yêu cầu chụp ảnh từ các vệ tinh của Nhật, Ấn Độ, Thái Lan, Hàn Quốc, Trung Quốc và Việt Nam trong trường hợp có thiên tai xảy ra. Nhằm giám sát thường xuyên thiên tai đưa ra các thông tin được nhanh chóng, kịp thời, đáp ứng nhu cầu cấp bách Đề án này đã đề xuất xây dựng nhiệm vụ “Vận hành hệ thống Sentinel Asia giám sát thiên tai trên lãnh thổ Việt Nam”. Nhằm cung cấp các thông tin nhanh chóng kịp thời phụ vụ công tác phòng tránh và giảm nhẹ hỗ trợ khắc phục ảnh hưởng của các loại hình thiên tai và là cơ sở xây dựng các kịch bản cứu hộ cứu nạn khi thiên tai xảy ra.

Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ viễn thám ở nước ta nói chung và phục vụ cảnh báo dự báo thiên tai nói riêng vẫn sử dụng công nghệ bán tự động trong phân tích xử lý ảnh viễn thám để trích xuất thông tin không gian nên thông tin khó có thể cung cấp nhanh và khách quan nhất là trong điều kiện cấp bách của nhiệm vụ ứng phó với thiên tai. Thực tế hiện nay, công tác trích xuất thông tin bề mặt Trái đất từ dữ liệu viễn thám tại Trung tâm Giám sát TNMT&BĐKH 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, như: 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; 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; 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. 

Ưu tiên ứng dụng ảnh viễn thám trích xuất thông tin vùng ảnh hưởng do thiên tai

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 TNMT&BĐKH 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 10×10 m theo không gian. 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 đưa ra thông tin như: Độ sâu ngập lụt, dân số bị ảnh hưởng, thiệt hại về nông nghiệp, ảnh hưởng về giao thông.

Từ kết quả thực nghiệm trên phần mềm đối với ảnh Sentinel độ phân giải 10x10 m, ảnh Landsat 8-9 độ phân giải 15x15 m 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 m và đa phổ độ phân giải 30 m. 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 m 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 cần kết hợp với tư liệu cung cấp từ UAV. Với chức năng và việc được tăng cường thiết bị Trung tâm Giám sát TNMT&BĐKH 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.

Công nghệ viễn thám và GIS đang được ứng dụng rộng rãi trong công tác quản lý thiên tai nói chung và công tác phòng chống bão lụt nói riêng. Ảnh viễn thám với nhiều ưu điểm như giàu thông tin, chu kỳ thu nhận thông tin ngắn, xử lý thông tin trên diện rộng và thông tin có tính khách quan cao. Sử dụng công nghệ viễn thám và GIS với khả năng phân tích không gian của nó, có thể thiết kế các hệ thống mô phỏng tương tác có độ chính xác cao nhằm thúc đẩy sự hiểu biết toàn diện hơn về các thiên tai khác nhau, hậu quả và thiệt hại mà chúng có thể gây ra cho một khu vực nhất định. Các dữ liệu từ hệ thống thông tin địa lý hoạt động như một công cụ hỗ trợ quyết định vì cuối cùng, tất cả các thảm họa đều có tính chất không gian.