Thuật toán theo dõi chất lượng nước biển

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

ThS Chu Xuân Huy - Trung tâm Vũ trụ Việt Nam đã xây dựng thành công thuật toán theo dõi chất lượng nước biển, cảnh báo ô nhiễm môi trường biển theo thời gian thực.

Chỉ số phản ánh “sức khỏe” nước biển

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường biển ngày càng trở nên phức tạp và khó kiểm soát, việc giám sát liên tục, chính xác các chỉ số chất lượng nước là yêu cầu cấp thiết. Mới đây, các nhà khoa học Việt Nam đã làm chủ và phát triển thành công thuật toán phân tích ảnh viễn thám để theo dõi chỉ số Chlorophyll-a (Chl-a) - một thông số then chốt phản ánh sức khỏe của môi trường nước biển.

Thành tựu này không chỉ mở ra một hướng tiếp cận hiện đại, hiệu quả mà còn tiết kiệm chi phí cho công tác quản lý, bảo vệ môi trường biển ở nước ta.

Chl-a là sắc tố quang hợp chính của thực vật phù du - những sinh vật cực nhỏ sống trôi nổi trong cột nước, đóng vai trò nền tảng trong chuỗi thức ăn của hệ sinh thái biển. Nồng độ Chl-a cao thường đồng nghĩa với mức độ phú dưỡng cao, làm gia tăng nguy cơ phú dưỡng, suy thoái môi trường nước.

Do đó, theo dõi diễn biến nồng độ Chl-a theo không gian và thời gian là công cụ quan trọng giúp nhận diện các vùng nước có dấu hiệu ô nhiễm, hỗ trợ ra quyết định trong quy hoạch và khai thác bền vững tài nguyên biển.

Tuy nhiên, việc đo đạc chỉ số Chl-a theo phương pháp truyền thống dựa vào lấy mẫu nước tại hiện trường thường tốn nhiều thời gian, nhân lực, chi phí cao và khó mở rộng phạm vi theo dõi.

Trong khi đó, công nghệ viễn thám - với khả năng thu nhận thông tin môi trường từ xa thông qua ảnh vệ tinh - đang nổi lên như một giải pháp hiện đại, cho phép quan trắc diện rộng, liên tục và hiệu quả.

Hiện nay, ảnh màu đại dương từ vệ tinh đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới để theo dõi nhiều thông số quan trọng như chất lơ lửng (SPM), Chl-a hay chất hữu cơ hòa tan màu (CDOM). Việt Nam cũng không đứng ngoài xu hướng này.

“Nghiên cứu, phát triển thuật toán Chl-a cho ảnh VNREDSat-1 và tương đương” là sản phẩm phối hợp giữa Viện Công nghệ vũ trụ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (nay thuộc Trung tâm Vũ trụ Việt Nam) và Viện Hóa sinh Hữu cơ Thái Bình Dương - Viện Hàn lâm Khoa học Nga.

Dưới sự chủ nhiệm của ThS Chu Xuân Huy, nhóm nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh từ hai nguồn chính: VNREDSat-1 - vệ tinh viễn thám đầu tiên của Việt Nam, và Sentinel-2 - vệ tinh do Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) cung cấp. Hai dòng vệ tinh này có nhiều điểm tương đồng về dải phổ, độ phân giải không gian và đặc biệt là tính mở trong truy cập dữ liệu, rất phù hợp để phát triển và hiệu chỉnh thuật toán theo dõi Chl-a phục vụ nhu cầu trong nước.

Thuật toán riêng cho từng vùng biển

Chuẩn bị bảo quản và lấy mẫu nước tại thực địa.

Để việc ứng dụng thực sự hiệu quả, nhóm nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc phát triển thuật toán “địa phương hóa”, tức là phù hợp với điều kiện cụ thể của vùng biển Việt Nam.

Bởi lẽ, theo ThS Huy, mỗi vùng biển có điều kiện hóa - lý và quang học khác nhau, ảnh hưởng đến cách ánh sáng phản xạ và bị hấp thụ, từ đó ảnh hưởng đến kết quả phân tích ảnh vệ tinh. Các thuật toán phổ biến trên thế giới như chuỗi OCx của NASA thường chỉ phát huy tác dụng tốt ở một số khu vực nhất định.

Do đó, nhóm đã tiến hành xây dựng thuật toán thực nghiệm OC3, được điều chỉnh và hiệu chỉnh thông số dựa trên dữ liệu khảo sát thực tế tại các vùng biển Việt Nam - đặc biệt là hệ sinh thái tiêu biểu ở miền Trung.

Nhóm đã thực hiện nhiều đợt khảo sát thực địa tại vùng ven biển TP Huế và một chuyến khảo sát xa bờ bằng tàu nghiên cứu Viện sĩ Oparin (Nga). Tổng cộng, 74 điểm lấy mẫu đã được thực hiện, trong đó 52 điểm dùng để xây dựng mô hình và 22 điểm để kiểm tra độ chính xác.

Kết quả phân tích cho thấy, thuật toán OC3 khi áp dụng lên ảnh VNREDSat-1 và Sentinel-2 đều cho hệ số xác định (R²) cao, lần lượt trên 0,7 và 0,8 - cho thấy khả năng dự đoán tốt nồng độ Chl-a từ ảnh vệ tinh. Quan trọng hơn, phân bố Chl-a theo ảnh viễn thám có sự tương đồng rõ rệt với dữ liệu thực đo, giúp xác thực độ tin cậy của thuật toán.

Bản đồ phân bố Chl-a cũng cho thấy đặc trưng sinh thái rõ rệt của khu vực: nồng độ Chl-a thấp ở vùng nước sát bờ, cao hơn ở khu vực cửa sông và các vùng nuôi trồng thủy sản - những nơi giàu chất dinh dưỡng.

Việc phát triển thành công thuật toán theo dõi Chlorophyll-a từ ảnh vệ tinh đánh dấu bước tiến quan trọng trong nỗ lực hiện đại hóa công tác giám sát môi trường biển tại Việt Nam. Với tiềm năng mở rộng ứng dụng ra các vùng biển khác, công nghệ này sẽ góp phần đáng kể vào việc giám sát và bảo tồn hệ sinh thái biển, hướng tới mục tiêu phát triển bền vững khu vực ven biển Việt Nam.

Nhật Phong