Đánh giá khả năng thành lập bản đồ độ sâu tỷ lệ trung bình khu vực nước nông bằng ảnh vệ tinh quang học


Dữ liệu độ sâu khu vực nước nông rất quan trọng đối với các ứng dụng trong kỹ thuật hàng hải, quản lý môi trường và các ứng dụng thuỷ văn. Bài báo nghiên cứu phương pháp ước tính độ sâu, từ đó đánh giá khả năng thành lập bản đồ độ sâu đáy khu vực nước nông từ ảnh vệ tinh quang học. Nghiên cứu được thử nghiệm bằng phương pháp thông dụng Lyzenga cho khu vực nước nông ven đảo An Bang thuộc quần đảo Trường Sa từ tư liệu ảnh vệ tinh đa phổ Sentinel-2. Kết quả cho thấy rằng: độ sâu ước tính được từ ảnh là -14.7 m nước, mô hình ước tính độ sâu đạt được độ tương quan cao 0.89, khả năng thành lập bản đồ độ sâu từ ảnh vệ tinh Sentinel 2 đạt được với tỷ lệ trung bình 1:25.000-1:50.000. Ngoài ra, tỷ lệ bản đồ thành lập được phụ thuộc vào nhiều yếu tố đầu vào tính toán để xây dựng mô hình như: độ phân giải ảnh, độ chính xác điểm khống chế đầu vào xây dựng mô hình tính toán, các phương pháp, thuật toán tiền xử lý ảnh. Kết quả nghiên cứu làm nền tảng để từng bước nghiên cứu thành lập bản đồ địa hình đáy vùng nước nông từ tư liệu ảnh vệ tinh.

Dữ liệu độ sâu đáy biển ven bờ độ phân giải cao và chính xác là rất cần thiết cho các nghiên cứu hải dương học, đặc biệt trong tiếp cận các mô hình dự báo cho các nhà quản lý về ảnh hưởng đến hình thái địa hình và môi trường biển gần bờ, cập nhật thông tin hải đồ trong các hoạt động dân sinh và đảm bảo quốc phòng an ninh. Khu vực nước nông có độ sâu và hình thái địa hình biến đổi phức tạp, chịu ảnh hưởng rất lớn đến thủy động lực học, ảnh hưởng đến các quá trình sinh học quan trọng như thu nhận chất dinh dưỡng và sự hấp thụ ánh sáng của thực vật, ảnh hưởng tới các công trình ven bờ...

Các phương pháp cảm biến chủ động truyền thống như tàu đo sâu hồi âm và công nghệ ánh sáng Lidar đã được sử dụng phổ biến hiện nay, tuy nhiên công nghệ này thường có nhiều hạn chế như: Tàu đo sâu hồi âm thường có độ phân giải không gian thấp, độ bao phủ hẹp và gặp sự cố khi dẫn đường trong các khu vực nước nông. Công nghệ Lidar với độ chính xác tương đối, độ phân giải cao, và chi phí vẫn quá đắt đỏ cho nhiều ứng dụng, đặc biệt khi cập nhật một tập dữ liệu độ sâu được yêu cầu với mọi tần suất đối với các khu vực đảo xa bờ.

Với sự phát triển công nghệ thu nhận ảnh viễn thám ngày càng hoàn thiện, ảnh viễn thám quang học có thể cung cấp thông tin có giá trị cho việc mô tả và giám sát các vùng nước nông. Các công nghệ vệ tinh gần đây và các thuật toán xử lý ảnh đã cung cấp các cơ hội để phát triển các kỹ thuật định lượng có tiềm năng để cải thiện các nhược điểm của phương pháp xử lý ảnh truyền thống, về mặt chi phí, sự trung thực về bản đồ, và tính khách quan. Ảnh viễn thám được trang bị để thành lập bản đồ dưới nước như các loại ảnh đa đa phổ Landsat, SPOT, IKONOS, Quickbird, Worldview-2, ảnh Sentinel-2,. Dựa trên nguyên lý phản xạ, khúc xạ, hấp thụ ánh sáng của nước mà các nhà khoa học đã đưa ra các phương pháp khác nhau nhằm ước tính độ sâu của nước trên ảnh vệ tinh, một số phương pháp thông dụng như: Phương pháp kênh tuyến tính, phương pháp tỷ số tuyến tính, mô hình mạng nơ-ron, phân vùng độ sâu xuyên thấu, các thuật toán nghịch đảo và tối ưu hóa bán phân tích trên ảnh siêu phổ, phương pháp phân loại so sánh với bảng tra cứu LUT...

 

Sơ đồ độ sâu ước tính từ ảnh vệ tinh

 

Phương pháp kênh tuyến tính được đề xuất bởi Lyzenga (1978, 1981, 1985, 2006) và Philpot (1989). Lyzenga đã trích xuất các giá trị bức xạ phổ từ hình ảnh vệ tinh tại các vị trí đã biết độ sâu (các điểm nền thực) và sử dụng hồi quy tuyến tính để xác định một mối quan hệ giữa bức xạ và thông tin độ sâu thực tế khu vực. Quan hệ toán học sau đó được sử dụng để tính toán độ sâu cho mực nước ven bờ từ đầu vào là ảnh vệ tinh. Nhiều nghiên cứu đã thành công trong xác định độ sâu sử dụng phương pháp Lyzenga  như: Clack (1987), Hochberg và cs.(2007), Hogrefe và cs.(2008), Liu và cs.(2010), Deidda và Sanna. (2012), Kanno và Tanaka (2012)... Đây là phương pháp phổ biến và đã sử dụng rộng rãi bởi vì nó giả định rằng độ sâu độc lập với các đặc tính quang học khó ước tính, như là các kiểu chất đáy, điều kiện khí quyển, chất lượng nước, vị trí của mặt trời và vệ tinh. Thêm nữa, Philpot (1989) chỉ ra rằng những đặc tính này làm tăng sự phức tạp của mô hình và giảm độ tin cậy của các kết quả. Do đó đơn giản hơn và phương pháp được sử dụng nhiều hơn. Tuy nhiên, mô hình này vẫn còn nhiều lỗi đối với khu vực nước đục hoặc tồn tại một số chất, thực vật mà hấp thụ bức xạ cao, dẫn tới mô hình bị lỗi.

Vì vậy, nghiên cứu này thử nghiệm phương pháp kênh tuyến tính được đề xuất bởi Lyzenga cho khu vực nước nông ven đảo An Bang thuộc quần đảo Trường Sa. Nghiên cứu được thử nghiệm, đề xuất khắc phục một số lỗi của mô hình do khu vực nước đục hoặc tồn tại một số chất, thực vật mà hấp thụ bức xạ cao ở khu vực ven bờ. Ngoài ra, kết quả bản đồ ước tính được đánh giá, so sánh khả năng tỷ lệ bản đồ độ sâu thành lập được, làm cơ sở khoa học để từng bước tiếp cận sản xuất bản đồ địa hình đáy biển từ tư liệu ảnh vệ tinh.Kết luận, nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng kỹ thuật viễn thám vào thành lập bản đồ địa hình khu vực nước nông ven các đảo thuộc quần đảo Trường Sa. Bài báo sử dụng phương pháp thành lập bản đồ độ sâu từ ảnh vệ tinh đa phổ Sentinel 2 bằng phương pháp Lyzenga, kiểm tra số liệu bản đồ độ sâu tính được bằng phương pháp khảo sát thực địa ta thấy rằng: Sử dụng ảnh Sentinel 2 có thể thành lập bản đồ độ sâu với tỷ lệ 1:25.000, đường đồng mức 5m. Nghiên cứu cũng chỉ ra: Độ chính xác của bản đồ thành lập phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ phân giải ảnh vệ tinh đầu vào, ảnh hưởng nhiễu trong quá trình thu nhận ảnh, độ chính xác tập điểm khống chế đưa vào xây dựng mô hình tính toán... Kết quả nghiên cứu đã giải quyết được mục tiêu đặt ra, làm nền tảng để từng bước nghiên cứu thành lập bản đồ địa hình đáy vùng nước nông từ tư liệu ảnh vệ tinh.