Ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với GIS phục vụ giám sát sự cố ô nhiễm dầu ở Việt Nam

15/09/2015

     Bài báo trình bày ứng dụng của công nghệ viễn thám phục vụ giám sát sự cố ô nhiễm dầu hiện nay ở Việt Nam, đồng thời cũng đề cập tới nhu cầu nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ viễn thám kết hợp với GIS phục vụ giám sát sự cố tai biến thiên nhiên và ô nhiễm môi trường vùng biển Việt Nam trong thời gian tới.      1. Giới thiệu chung      Cùng với việc gia nhập Tổ chức Thương mại thế giới (WTO), nền kinh tế Việt Nam đã thực sự hội nhập với kinh tế thế giới, là điều kiện thuận lợi để chúng ta tăng trưởng và phát triển toàn diện các ngành kinh tế của đất nước. Bên cạnh những thuận lợi, Việt Nam cũng phải đối mặt với các sự cố môi trường đặc biệt là ô nhiễm môi trường biển do sự cố tràn dầu xảy ra.      Theo thống kê của Cục BVMT (VEPA), từ năm 1987 đến nay đã xảy ra hơn 90 vụ tràn dầu tại các vùng sông và biển ven bờ của Việt Nam, gây thiệt hại to lớn về kinh tế cũng như ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.   Hình 1: Bản đồ diễn biến dầu ô nhiễm xuất hiện tại các tỉnh ven biển của Việt Nam        Đặc biệt, đầu năm 2007, sự cố tràn dầu đã ảnh hưởng đến các tỉnh/TP ven biển miền Trung: Quảng Nam, Đà Nẵng, Quảng Ngãi, Thừa Thiên - Huế, Quảng Trị, Quảng Bình..., tiếp đó là vùng biển Hà Tĩnh, vùng lân cận thuộc các tỉnh phía Bắc và các tỉnh Phú Yên, Bà Rịa - Vũng Tàu, Cà Mau, Bạc Liêu, Sóc Trăng, Tiền Giang... Tổng cộng có trên 2.077 tấn dầu đã thu gom trong đó đã được xử lý là 1.905 tấn. Thống kê sơ bộ của 9/20 tỉnh, thành sự cố ô nhiễm dầu thiệt hại trực tiếp khoảng 80 tỷ đồng [1].      Ngay sau khi phát hiện sự cố ô nhiễm môi trường do tràn dầu, việc tìm ra nguyên nhân ô nhiễm dầu trở thành một nhiệm vụ quan trọng và cấp bách cho toàn xã hội và đặc biệt cho các cơ quan quản lý về thiên tai như Bộ Quốc phòng, Bộ TN&MT và một số cơ quan khác.   Hình 2: Đặc tính kỹ thuật của ảnh Radar ENVISAT ASAR và Palsar        Bộ TN&MT đã chỉ đạo việc thu gom dầu dọc ven biển, tiến hành phân tích tính chất của dầu ô nhiễm kết hợp với nhiều phương pháp như viễn thám, mô hình lan truyền dầu trên biển, kỹ thuật phân tích đánh dấu sinh học, so sánh mẫu dầu đối chứng..., để tính toán, truy tìm nguyên nhân của sự cố tràn dầu.      Vào thời điểm này, Trạm thu ảnh vệ tinh thuộc Dự án "Xây dựng hệ thống Giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường tại Việt Nam" chưa hoạt động nên chưa chủ động trong việc thu các tư liệu ảnh vệ tinh mới như SPOT5, ENVISAT ASAR và MERIS để phục vụ mục đích nghiên cứu này.      2.Công nghệ viễn thám và giải pháp kỹ thuật trong giám sát sự cố ô nhiễm dầu trên biển      Tính ưu việt của công nghệ viễn thám là khả năng bao quát rộng, thu nhận hình ảnh nhanh, đa thời gian và xác định tính chất của các đối tượng trên mặt đất thông qua việc phân tích suy giải ảnh vệ tinh.      Để có thể phát hiện nguyên nhân tràn dầu và độ loang tỏa cần sử dụng các loại tư liệu viễn thám đa thời gian bao gồm ảnh radar và ảnh quang học.      * Ảnh viễn thám radar có các tính chất:      - Sóng radar còn gọi là vi sóng (microwave), là một dải sóng của quang phổ điện từ, có bước sóng khác nhau trong khoảng 0.8 cm - 1.0 m với giải tần số khác nhau từ 1.000 - 125.000 MHZ cho các kênh: Ku, Ka, X, C, S, L, P.      - Độ phân giải: 7 m, 10 m, 12.5 m..., 100 - 300 m.      - Sóng radar có thể truyền qua mọi điều kiện khí quyển như sương mù, mưa nhẹ, tuyết và khói, không bị ảnh hưởng ở điều kiện thời tiết Việt Nam nhiều mây, có khả năng xuyên qua mặt đất, thu thông tin về các vật gần mặt đất, đo độ gồ ghề...      Do có bước sóng và tần số khác nhau vì vậy ảnh radar rất nhạy cảm với môi trường nhám và nhẵn. Các vệt dầu loang trên biển được thể hiện là màu đen trên ảnh radar vì dầu cản sóng, làm cho bề mặt nhẵn hơn. Tuy nhiên khi sử dụng ảnh radar cần kết hợp với các thông tin khác như cường độ của gió, độ cao của sóng biển, trường nhiệt...      * Ảnh viễn thám quang học có các tính chất: Đa phổ (kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt); Một số loại ảnh có khả năng lập thể; Độ phân giải có nhiều loại: cao 0.61 m - 2.50 m, trung bình và thấp; Bị ảnh hưởng bởi thời tiết nhiều mây như ở Việt Nam.      Trên thế giới đã có một số nước nghiên cứu thành công ứng phó với sự cố tràn dầu chủ yếu là xác định vị trí sự cố trên cơ sở ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh radar như các loại ảnh: ENVISAT ASAR, ALOS PALSAR, RADARSAT…      Để có thể phát hiện nguyên nhân sự cố ô nhiễm dầu trên biển và sự loang tỏa của nó cần sử dụng nhiều loại tư liệu ảnh viễn thám đa thời gian (đặc biệt là ảnh radar không bị ảnh hưởng ở điều kiện thời tiết Việt Nam nhiều mây như ENVISAT ASAR (Phân giải 25 - 1000 m; Độ phủ 50 - 500 km), ALOS PALSAR (Phân giải 10 - 1000 m; Độ phủ 100 - 350 km), RADARSAT (Phân giải 10 - 100 m; Độ phủ 100 - 350 km), và đã chụp các khu vực nhạy cảm trên biển như: các mỏ khai thác dầu, các điểm khoan thăm dò dầu khí và khu vực hoạt động của các tàu chở dầu.      Trong thời gian qua Trung tâm Viễn thám quốc gia (nay là Cục Viễn thám quốc gia) đã sử dụng ảnh vệ tinh radar kết hợp với công nghệ GIS để theo dõi, giám sát và xác định vị trí các vệt ô nhiễm dầu phục vụ việc xác định nguyên nhân gây ô nhiễm ven biển nước ta theo sơ đồ quy trình công nghệ tổng quát (sơ đồ 1).      3. Tình hình triển khai thực hiện và một số kết quả đạt được      Trung tâm Viễn thám Quốc gia đã thành lập nhóm nghiên cứu để tập trung thực hiện công tác chuyên môn, chuyên sâu về xử lý ảnh radar, nghiên cứu và giải quyết các vấn đề về công nghệ nảy sinh trong quá trình thi công. Nhóm nghiên cứu gồm có các cán bộ Trung tâm Viễn thám và một số cơ quan khác như Trung tâm Viễn thám và Geomatic - Viện Địa chất, Phòng Viễn thám - Viện Vật lý và Điện tử thuộc Viện Khoa học công nghệ Việt Nam.      * Các bước tiến hành công việc như sau:      • Nhóm nghiên cứu đã phân tích, thu thập thông tin các cảnh ảnh trong khu vực cần quan tâm, tra cứu thông tin ảnh hiện có từ các website của các nhà cung cấp ảnh, lựa chọn loại ảnh, Mode thu nhận, độ phân giải không gian và thời điểm đặt ảnh;      • Thu thập tài liệu, số liệu bản đồ, vị trí các dàn khoan có trong vùng Biển Đông, các báo về giám sát môi trường biển;      • Xử lý thông tin nhanh từ các cảnh ảnh QuickLook thu nhận được, phát hiện dấu hiệu tương đối nhằm hỗ trợ quá trình lựa chọn danh sách ảnh cần đặt mua;      • Xác lập tài khoản trên website để giao dịch và làm các thủ tục nhận ảnh;      • Xử lý lọc nhiễu thô để áp dụng các phương pháp tự động phát hiện các đối tượng có giá trị phản xạ thấp hoặc các đối tượng nghi ngờ khác;      • Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán để xử lý ảnh radar, tự động dò tìm các đối tượng, phân loại ảnh;      • Phân tích các đối tượng thu nhận được trên cơ sở kết hợp với các thông tin tư liệu khác như khí tượng, thủy văn... ở thời điểm thu nhận ảnh;      • Tổng hợp, đánh giá, hoàn thiện quá trình suy giải ảnh;      • Thành lập bản đồ và xây dựng CSDL khu vực có dầu loang;      • Lập báo cáo tổng hợp kết quả.     Hình 3: Ảnh nguồn gây ô nhiễm dầu xuất phát từ khu vực có mỏ dầu phía Nam Trung Quốc (trong vùng Vịnh Bắc Bộ), tọa độ tâm vùng ô nhiễm khoảng: Kinh độ 108045’ và vĩ độ 20050’. Cảnh ảnh vệ tinh Envisat Asar số hiệu: ASA_IM Orbit 25179 Track 75, Swath I1. Thời gian thu nhận: Ngày 24/12/2006 vào lúc 02:48.64 (UTC)        Để đảm bảo tính khách quan, chính xác và nhanh chóng khi có dữ liệu ảnh cần tổ chức thành 2 tổ xử lý, sau đó kiểm tra chéo và chuyển kết quả xử lý vào cùng 1 hệ thống để phân tích sâu hơn cùng với các chuyên gia nước ngoài.      Trong khi thực hiện đã sử dụng dây chuyền xử lý ảnh vệ tinh của Trung tâm Viễn thám để nắn chỉnh hình học, xử lý ảnh radar. Dây chuyền này sử dụng các thiết bị xử lý ảnh như: các trạm SUN ULTRA 60, SUN ULTRA SPARC, DEC ALPHA 64bit , MACINTOSH, DEL, HP và các phần mềm như PRODIGEO, SPACEMAT, OCAPI, MULTISCOPE (Pháp); ENVI (Mỹ), ERDAS IMAGINE, PCI..., các phần mềm hệ thông tin địa lý phục vụ thành lập và quản lý cơ sở dữ liệu GIS: MAPINFO, ARCINFOR, ARCGIS... để phục vụ nghiên cứu.      Cho đến nay Trung tâm Viễn thám đã tổ chức xử lý, suy giải: 147 cảnh ENVISAT ASAR, 49 cảnh ALOS PALSAR và bổ sung thêm các ảnh Quicklook. Đồng thời tìm kiếm thêm các thông tin về gió, dòng chảy, nhiệt độ bằng phương pháp viễn thám (Thông tin gió từ vệ tinh Quikscat của Mỹ, radar 13.4 GHZ, 1800 km swath, 90% coverage every day, wind speed 3-20m/s, sai số 2 m/s, hướng sai số 20%, wind vector 25 km) và phối hợp với Viện Khoa học - Khí tượng Thủy văn và Môi trường lấy thông tin chi tiết thêm về gió. Các kết quả thu nhận được tích hợp phân tích trên GIS.   TS. Nguyễn Quốc Khánh Trung tâm Thông tin và Tư liệu môi trường Tổng cục Môi trường Nguồn: Tạp chí Môi trường, số 7/2014