Ứng dụng kỹ thuật viễn thám vào quan trắc chất lượng nước

Một nghiên cứu được thực hiện bởi Bộ Môi trường, Tài nguyên nước, Di sản và Nghệ thuật Australia⁽²⁾ vào năm 2009 đã chỉ ra cụ thể những dịch vụ mà hệ sinh thái đang cung cấp, trong đó chất lượng nước được nhắc đến như một thành phần quan trọng quyết định sự tồn tại của nhiều lợi ích mà con người đang hưởng lợi bao gồm lương thực, năng lượng, văn hóa và điều tiết tự nhiên. Rất nhiều những hoạt động của con người nằm trong mối ràng buộc chặt chẽ với hệ sinh thái đã đặt ra nhu cầu nắm bắt thông tin về sức khỏe của nó, điều này thúc đẩy triển khai các hoạt động quan trắc chất lượng nước, tuy nhiên thách thức là không nhỏ. Các lưu vực sông hiện đại đang trở nên rất phức tạp với nhiều thành phần, tạo ra khó khăn cho nổ lực phát triển được một bộ tiêu chuẩn chất lượng nước tổng hợp, đáp ứng được nhu cầu của tất cả các thành phần làm cơ sở xây dựng các chế độ và công trình quan trắc, hơn nữa các mối quan hệ phức tạp giữa các thành phần trong một lưu vực, cũng như các yếu tố khó dự đoán khác cũng đều đang ảnh hưởng đến chất lượng nước, gây ra khó khăn trong việc xác định nguồn ô nhiễm. Tuy nhiên thử thách lớn nhất xuất hiện khi đưa tất cả các vấn đề nêu trên vào xem xét giải quyết dưới hỗ trợ của các công trình và phương thức quan trắc truyền thống hiện có, bài toán không thể được giải quyết một cách hoàn toàn. Tốn kém về thời gian, tài chính và đặc điểm quan trắc rời rạc theo điểm là ba hạn chế lớn của cách tiếp cận này, đặc biệt tại các lưu vực thiếu thốn các công trình quan trắc và nhân lực thực hiện quan trắc.

Trong bối cảnh nêu trên, viễn thám được đưa vào xem xét và xem như chìa khóa giải quyết các thách thức. Viễn thám, khi được kết hợp với các phương pháp quan trắc truyền thống sẽ mang lại hiệu quả rất đáng mong đợi, nhất là khi chất lượng của ảnh vệ tinh được cung cấp miễn phí đang ngày được cải thiện với độ phân giải cao hơn. Molly Reif viết trong báo cáo cho Hiệp hội Kỹ sư Quân đội Hoa Kỳ⁽³⁾ đã đề cập đến năm ưu điểm nổi bật nhất của cách kết hợp này: (1) cung cấp cái nhìn tổng quát vùng quan trắc để theo dõi hiệu quả hơn những thay đổi theo không gian và thời gian; (2) cung cấp đồng thời thông tin chất lượng nước tại nhiều vị trí trên một diện tích lớn tại cùng một thời điểm; (3) cung cấp chuỗi số liệu toàn diện nhiều năm chỉ ra xu hướng thay đổi của chất lượng nước theo thời gian; (4) cung cấp một công cụ hỗ trợ quyết định mức độ ưu tiên các vị trí, thời gian thực hiện điều tra, khảo sát và lấy mẫu nước; (5) cung cấp một ước tính chính xác các thành phần hoạt tính quang học mô tả chất lượng nước.

Hình 1: Hàm lượng chất rắn lơ lửng được phân tích qua ảnh Landsat 8 tại cửa sông Đáy (Ảnh chụp ngày 8, tháng 12, năm 2013)

Một cách tổng quan, ảnh vệ tinh có thể được sử dụng để quan trắc chất lượng nước là nhờ vào thông tin về năng lượng bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt nước mà nó ghi nhận được. Một số thông số chất lượng nước có thể được quan trắc bằng ảnh vệ tinh bao gồm nhiệt độ, hàm lượng chất rắn lơ lửng (SSC), chlorophyll, chất hưu cơ hòa tan (DOM), vết dầu loang. Kể từ thời điểm phát triển ban đầu trong những năm 1970, viễn thám đã và đang được áp dụng rộng rãi bởi nhiều tổ chức và các chuyên gia hàng đầu Thế giới trong các nghiên cứu của họ. Caio (2015)⁽⁴⁾ đã thực hiện tìm kiếm các ấn phẩm công bố trên các tạp chí Quốc tế có sử dụng từ khóa "viễn thám" và "dịch vụ hệ sinh thái", nghiên cứu đã tìm được 5920 ấn phẩm phù hợp với tiêu chí tìm kiếm là sử dụng từ khóa “dịch vụ sinh thái” trong khoảng thời gian từ 1960 đến 2013 và trong số đó, 211 nghiên cứu đã được tìm thấy đề cập trực tiếp đến từ khóa "viễn thám" như là phương pháp để giải quyết các bài toán liên quan đến “dịch vụ sinh thái”. Bên cạnh đó, đã có một loạt các nghiên cứu của Jerry C. Ritchie^(4),(5),(6) và những người khác xác định các thông số kỹ thuật như xác định dải bước sóng phù hợp để quan trắc hàm lượng chất lơ lửng, chlorophyll-a, hay các thuật toán chuyển đổi thông tin phản xạ/bức xạ thành giá trị của các thông số chất lượng nước.

Hình 2: Mức phản xạ của một số vật chất tại các dải bước sóng khác nhau

Tại Việt Nam, ứng dụng của viễn thám trong lĩnh vực Quản lý Tài nguyên và Môi trường, đặc biệt trong lĩnh vực Quản lý Tài nguyên nước vẫn còn rất hạn chế. Có một số những nghiên cứu sử dụng ảnh viễn thám để nghiên cứu xói lở bờ, lập bản đồ sử dụng đất, thảm phủ^(7),(8),(9). Vào năm 2013, Việt Nam phóng thành công Vệ tinh Giám sát Thảm họa và Môi trường, Tài nguyên Thiên nhiên Việt Nam, VNRedSat-1A dưới sự quản lý của Bộ Tài nguyên và Môi trường. Sau gần 3 năm hoạt động trong quỹ đạo, vệ tinh đã cung cấp hang ngàn ảnh có độ phân giải cao cho các Viện nghiên cứu, và các Bộ, Ngành.

Hạn chế của Kỹ thuật viễn thám là sự phụ thuộc vào độ phân giải của ảnh, và độ che phủ của mấy. Hiện tại, có rất nhiều nguồn cung cấp ảnh miễn phí, tuy nhiên vì độ phân giải thấp nên các nghiên cứu chủ yếu tập trung tại các hồ chứa nước lớn, các cửa sông rộng và đại dương. Tuy vậy, bởi những ưu điểm to lớn và sự phát triển của Khoa học Kỹ thuật, các dự án như Landsat, hay Sentinel đã và sẽ mang lại nguồn dữ liệu khổng lồ và ngày càng nâng cấp độ phân giải để phù hợp với nhu cầu nghiên cứu tại các con sông nhỏ, các hồ chứa trung bình và nhỏ. Kỹ thuật viễn thám hứa hẹn sẽ là cách tiếp cận của tương lai, đi cùng với sự phát triển của con người.

Tài liệu tham khảo

(1) Ritchie, J.C. et al., (2003): Remote Sensing Techniques to Assess Water Quality. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing Vol. 69, No. 6.

(2) Department of the Environment, Water, Heritage and the Arts (2009). Ecosystem Services: Key Concepts and Applications. Occasional Paper No 1, Department of the Environment, Water, Heritage and the Arts, Canberra.

(3) ERDC/EL TR-11-13 (2001). Remote Sensing for Inland Water Quality Monitoring: A U.S. Army Corps of Engineers Perspective. Environmental Laboratory Joint Airborne Lidar Bathymetry Technical Center of eXpertise

(4) Jerry C. Ritchie and Charles M. Cooper (1991). An Algorithm for Estimating Surface Suspended Sediment Concentrations With Landsat MSS Digital Data. Water Resources Bulletin. American Water Resources Association. Vol. 27, No.3  

(5) Jerry C. Ritchie and Frank R. Schiebe. (2000): Chapter 13. Water Quality.  Remote Sensing in Hydrology and Water Management. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 486 pages. 

(6) Ritchie, J.C. et al., (2003): Remote Sensing Techniques to Assess Water Quality. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing Vol. 69, No. 6.

(7) Dat, P. T., Kien, T. T., & Nong, D. H. (2009). Application of GIS and Remote Sensing for Forest Land Use Planning. Science and development journal, Vietnam, 755-673.

(8) Kien, V. T. (2010). Nghiên cứu đề xuất giải pháp tổng hợp khai thác bền vững các bãi bồi ven biển khu vực từ cửa Tiểu đến cửa Định An. Thuy loi University.

(9) Sơn, P. Q. (2014). Applications remote sensing data and GIS for research and management natural resources and environment of coastal zone and islands in Vietnam. Thuy Loi University.

 ThS. Thi Văn Lê Khoa, BM QLTHTNN