Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

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 (06/12/2024)

Thiên tai xảy ra thường gây ra các thiệt hại về người, tài sản, môi trường, điều kiện sống và hoạt động kinh tế - xã hội. Trong các loại hình thiên tai, bão đi kèm với mưa lớn thường gây ra những hậu quả thiên tai như lũ lụt, sạt lở đất. Để phục vụ công tác cảnh báo dự báo thiên tai, Trung tâm Giám sát tài nguyên môi trường và biến đổi khí hậu, đơn vị sự nghiệp trực thuộc Cục Viễn thám quốc gia hiện đang thường xuyên cung cấp thông tin bề mặt khu vực bị ảnh hưởng của thiên tai bằng công nghệ viễn thám cho Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn quốc gia. Công tác trích xuất thông tin bề mặt trái đất từ dữ liệu viễn thám tại Trung tâm Giám sát tài nguyên môi trường và Biến đổi khí hậu 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.  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. Cơ quan giám sát thiên tai bằng viễn thám thường kích hoạt các tổ chức thiên tai để chụp ảnh viễn thám khu vực bị tác động, sau đó trích xuất thông tin vùng bị ảnh hưởng một cách nhanh nhất. Hiện nay, chúng ta đã làm khá tốt công tác này nhưng thường vẫn tốn khoảng 12-24h trong xử lý dữ liệu để cung cấp thông tin về vùng bị ảnh hưởng của thiên tai. Mặc dù vậy việc rút ngắn thời gian xử lý thông tin là hết sức cần thiết nhằm cải thiện tính ứng dụng của thông tin. Thông tin khu vực bị ảnh hưởng sau thiên tai hiện vẫn chưa được cung cấp thường xuyên bằng công nghệ viễn thám. Thông tin này thường được thu thập từ các báo cáo của các địa phương mà thường không có kiểm chứng của bên thứ ba. Thực tế thì công nghệ viễn thám hoàn toàn có thể tham gia vào công đoạn này, cung cấp bức tranh tổng thể về thiệt hại do thiên tai cũng như kiểm chứng khi cần thiết.

Như vậy, công tác giám sát thiên tai bằng công nghệ viễn thám phục vụ cảnh báo, dự báo ở nước ta vẫn còn nhiều bất cập. 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 Tài nguyên và Môi trường đã đồng ý và cho phép Trung tâm Giám sát tài nguyên môi trường và Biến đổi khí hậu chủ trì 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”, ThS. Lê Ngọc Xuyên làm chủ nhiệm đề tài.

Giao diện xem ảnh vệ tinh của phần mềm xử lý tự động ảnh viễn thám (tnGee).

Đề tài đã tiến hành nghiên cứu tổng quan tình hình thiên tai trên thế giới và ở Việt Nam như nghiên cứu một số loại hình thiên tai (bão nhiệt đới và nước biển dâng do bão, động đất, lũ lụt và hạn hán,…); nghiên cứu, ứng dụng viễn thám trong giám sát thiên tai trên thế giới và tại Việt Nam (giám sát ngập lụt; giám sát sạt lở đất, lũ bùn đá; giám sát lũ quét); tổng quan công nghệ tự động trích xuất thông tin từ dữ liệu viễn thám, xử lý ảnh số viễn thám, dự báo và cảnh báo ngập lụt; trượt lở; lũ quét. Đề tài lựa chọn sử dụng thuật toán Random Forest cho kết quả với độ chính xác tốt, trung bình trên 90% và sử dụng với tất cả các loại dữ liệu ảnh trong số các giải thuật sử dụng. Nghiên cứu cũng đã đề xuất được phương pháp trích xuất tự động thông tin từ dữ liệu viễn thám về khu vực bị ảnh hưởng của bão, ngập lụt, trượt lở đất đá, lũ bùn đá và lũ quét. Trên cơ sở phương pháp đề xuát, sử dụng nền tảng công nghệ GEE tiên tiến (Google Earth Engine) và các bộ thư viện mã nguồn mở, hệ thống ảnh viễn thám được cung cấp miễn phí. Dữ liệu viễn thám được sử dụng là nguồn dữ liệu chính trong giám sát các hiện tượng tai biến tự nhiên do sự gia tăng về sự sẵn có của các nguồn dữ liệu ảnh viễn thám và sự phát triển của các kỹ thuật, công nghệ tiên tiến trong việc xử lý dữ liệu. Trên cơ sở trang thiết bị, công nghệ và phần mềm (mã nguồn mở) được cung cấp miễn phí và sửr dụng phổ biến hiện nay trong lĩnh vực viễn thám. Đây sẽ là cơ sở để tự động hóa trong việc chiết xuất tự động thông tin dữ liệu bề mặt vùng ảnh hưởng của thiên tai bằng ảnh viễn thám.

Quy trình chiết tách thông tin lớp phủ mặt đất từ dữ liệu ảnh viễn thám trước khi xảy ra thiên tai.

Để 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 ảnh viễn thám phục vụ dự báo, cảnh báo thiên tai. Đề tài đã dựa trên cơ sở khoa học, công nghệ tiên tiến nhất hiện có phù hợp với điều kiện Việt Nam để xây dựng bộ phần mềm (mã nguồn mở) với nền tảng công nghệ Google Earth Engine cung cấp các bộ công cụ như điện toán đám mây, thư viện nguồn, dữ liệu DEM toàn cầu, hệ thống quản trị... và phần mềm xây dựng bao gồm các module chính: Xem ảnh vệ tinh (Module tìm kiếm và tải các tư liệu ảnh viễn thám miễn phí được cung cấp bởi các tổ chức quốc tế phục vụ công tác giám sát thiên tai); Theo dõi lũ lụt (Module tự động trích xuất lớp dữ liệu ngập lụt nhanh từ ảnh viễn thám miễn phí); Phân loại lớp phủ (Module phân loại nhanh biến động lớp phủ sau thiên tai); Trượt lở (Module xác định nhanh vị trí, khu vực trượt lở đất do ảnh hưởng của thiên tai trong khu vực cần xác định); Lũ quét (Module xác định nhanh vị trí, khu vực xảy ra lũ quét); Độ ẩm (Module xác định độ ẩm cung cấp dữ liệu đầu vào cho mô hình tính toán, dự báo một số loại hình thiên tai); Bản đồ (Module trích xuất lớp thông tin nhanh từ ảnh như dữ liệu ngập lụt, trượt lở và lũ quét kết hợp cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý thành lập bản đồ giám sát nhanh ngập lụt, bản đồ trượt lở và lũ quét). Nhằm mục đích cung cấp nhanh chóng thông tin dữ liệu phục vụ công tác dự báo, cảnh báo thiên tai, đề tài đề xuất sử dụng các loại ảnh viễn thám miễn phí như Sentinel 1,2; Landsat 8,9 được cung cấp bởi các tổ chức quốc tế (những ảnh viễn thám mất phí phải đặt mua và chậm so với yêu cầu giám sát nhanh). Đặc biệt đề tài sử dụng nền tảng công nghệ Google Earth Engine là địa chỉ tin cậy cho phép người sử dụng truy cập kho tư liệu ảnh vệ tinh miễn phí lớn với nhiều loại ảnh vệ tinh với các thuộc tính kỹ thuật đa dạng. Bộ phần mềm tự động xử lý ảnh viễn thám có thể tự động xử lý được các ảnh miễn phí như Sentinel 1,2; Landsat 8,9 và thời gian xử lý cũng được rút ngắn phục vụ yêu cầu giám sát nhanh, cung cấp nhanh dữ liệu đầu vào như độ ẩm, lớp phủ mặt đất, khu vực ngập lut, vị trí và khu vực trượt lở, lũ quét phục vụ công tác dự báo, cảnh báo thiên tai. Các thông tin về ngập lụt, trượt lở đất đuọc phần mềm chiết xuất kết hợp với cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý có thể thành lập rất nhanh bản đồ ngập lụt, trượt lở đất và lũ quét, lập báo cáo những ảnh hưởng do thiên tai như diện tích khu vực bị ảnh hưởng, thống kê dân số và diện tích cây trồng bị ảnh hưởng... phục vụ công tác cứu hộ, cứu nạn và hỗ trợ người dân sau thiên tai.

Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở thực hiện cung cấp nhanh các dữ liệu như độ ẩm, lớp phủ mặt đất, thông tin ngập lụt, thông tin về trượt lở và lũ quét theo thời gian hàng tháng, hàng quý làm dữ liệu đầu vào phục vụ cho công tác dự báo, cảnh báo thiên tai.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu nhiệm vụ tại Trung tâm Thông tin, Thống kê khoa học và công nghệ Hải Phòng hoặc Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia./.