Giám sát chất lượng nước ven biển bằng công nghệ viễn thám

Các nhà khoa học Trung tâm Vũ trụ Việt Nam, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Viện Hàn lâm) đã nghiên cứu, áp dụng thành công thuật toán ước tính Chlorophyll-a từ ảnh vệ tinh để đánh giá chính xác chất lượng nước ven biển, ven sông với quy mô lớn.

Chủ Nhật, ngày 24/08/2025 - 06:53

Hồ chứa nước ngọt Kênh Lấp, tỉnh Vĩnh Long. (Ảnh HOÀNG TRUNG)

Đây là bước phát triển quan trọng của công nghệ viễn thám tại Việt Nam, mở ra hướng nghiên cứu mới trong giám sát chất lượng hệ sinh thái nước.

Chlorophyll-a (Chl-a) là chất chỉ thị sinh học phổ biến dùng để xác định sinh khối thực vật phù du trong nước. Chất này có mặt trong các thực vật bậc cao như: Tảo nâu, tảo xanh, vi khuẩn lam và là chỉ số đánh giá “sức khỏe”, mật độ tảo trong hệ sinh thái nước. Khi mật độ tảo càng cao, độ hòa tan ô-xy trong nước càng giảm, gây hại cho sinh vật thủy sinh.

Trước đây, việc theo dõi hàm lượng Chlorophyll-a thường dùng phương pháp quan trắc tự động. Tuy nhiên, phương pháp này gây tốn kém kinh phí, thời gian và nhân sự khi áp dụng cho quy mô lớn.

Trong khi đó, công nghệ viễn thám có thể bao phủ diện tích rộng, cập nhật thông tin liên tục thông qua ảnh vệ tinh. Hiện ảnh viễn thám đại dương được ứng dụng rộng rãi để nghiên cứu vật chất lơ lửng (SPM), hàm lượng Chl-a hoặc chất hữu cơ hòa tan màu (CDOM).

Thu thập các mẫu nước tại khu vực cửa biển Thuận An (thành phố Huế). Ảnh: Ái Ngân

Nhiệm vụ hợp tác quốc tế về khoa học, công nghệ cấp Viện Hàn lâm “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, thực hiện trên cơ sở chuyến khảo sát, nghiên cứu đa dạng sinh học và hóa sinh lần thứ bảy bằng tàu Viện sĩ Oparin trong vùng biển Việt Nam giữa Viện Hàn lâm với Viện Hóa sinh hữu cơ Thái Bình Dương (PIBOC), Phân viện Viễn Đông - Viện Hàn lâm Khoa học Nga - Liên bang Nga.

Về phía Việt Nam, Chủ nhiệm hợp phần nghiên cứu này là Thạc sĩ Chu Xuân Huy, Viện Công nghệ vũ trụ (nay là Trung tâm Vũ trụ Việt Nam) và phía Liên bang Nga, Chủ nhiệm nhiệm vụ là Tiến sĩ Dmitriy L.Aminin.

Thạc sĩ Chu Xuân Huy và nhóm nghiên cứu sử dụng ảnh viễn thám từ vệ tinh VNREDSAT-1, vệ tinh đầu tiên của Việt Nam và vệ tinh SENTINEL-2 do Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) cung cấp. Các ảnh thu thập được xử lý bằng công thức toán học kết hợp chuyển đổi giá trị số của ảnh dạng năng lượng phản xạ, hiệu chỉnh hình học và khí quyển phù hợp với thực tiễn, phần mềm Acolite...

Nhóm nghiên cứu đo đạc và lấy mẫu nước tại 74 điểm, trong đó 52 điểm (chiếm 70% số mẫu) dùng để xây dựng mô hình, 22 điểm (chiếm 30%) để đánh giá độ chính xác. Địa điểm thu thập mẫu nước là dọc sông Hương, phá Tam Giang, đầm Hà Trung, cửa biển Thuận An và vùng cửa sông, ven bờ biển của thành phố Huế. Khu vực này có đặc trưng dạng đầm phá ven biển. Trước đó, nhóm nghiên cứu thu thập bộ dữ liệu đo phổ, phân tích mẫu nước tại các cửa sông ven biển vịnh Bắc Bộ, Nha Trang và sông Mê Công.

Theo Thạc sĩ Chu Xuân Huy, nghiên cứu áp dụng chuỗi thuật toán OCx (x là từ 1,2,3,4,5 đến 6), là chuỗi thuật toán tính Chl-a thường được sử dụng trong nghiên cứu biển trên thế giới từ ảnh viễn thám. Tuy nhiên, trong hợp phần nghiên cứu này, các ảnh viễn thám từ vệ tinh VNREDSAT-1 có bốn kênh phổ (tương ứng các bước sóng gồm: Blue, Green, Red, Nir) và vệ tinh SENTINEL-2 có thêm một bước sóng Blue 1, nhóm nghiên cứu xác định thuật toán OC3 và OC6 phù hợp để tính toán hàm lượng Chl-a. Trong đó, thuật toán OC3 có độ chính xác cao hơn OC6 và áp dụng được cho vùng ven biển Việt Nam.

Kết quả phân tích các mẫu nước tại phòng thí nghiệm khi kết hợp thuật toán OC3 cho thấy, vùng nước ven bờ phía ngoài biển có nồng độ Chl-a cao hơn cửa sông, đầm phá, nhất là các khu nuôi trồng thủy sản. Khi so sánh khu vực phá Tam Giang phía bắc sông Hương với đầm Hà Trung phía nam thì càng về phía nam nồng độ Chl-a càng cao. Thuật toán OC3 áp dụng cho cả hai loại ảnh vệ tinh đều đạt hệ số xác định R2 hơn 0,7 với VNREDSAT-1 và hơn 0,8 với SENTINEL-2.

Bản đồ phân bố hàm lượng Chi-a tính từ ảnh Vệ tinh VNREDSAT-1. Ảnh : Ái Ngân

Tiến sĩ Nguyễn Thanh Hoàn, Viện Các khoa học Trái đất, Viện Hàn lâm cho rằng: Nghiên cứu góp phần đào tạo, bồi dưỡng đội ngũ cán bộ trẻ Trung tâm Vũ trụ Việt Nam và các thành viên tham gia nhiệm vụ. Nghiên cứu sử dụng phương pháp viễn thám, đo đạc thực địa, lập trình hướng đối tượng hiện đại, phù hợp nội dung nghiên cứu. Nghiên cứu lựa chọn thuật toán phù hợp để tính toán hàm lượng Chl-a cho vùng biển Việt Nam từ ảnh vệ tinh VNREDSAT-1, SENTINEL-2...

Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học cho việc ứng dụng ảnh viễn thám trong quản lý, giám sát chất lượng nước biển, sông với quy mô lớn, giúp giảm thời gian, chi phí so với phương pháp truyền thống.

NHẬT MINH