PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Vùng biển ven bờ có vai trò quan trọng và vị thế chiến lược trong phát triển kinh tế và xã hội tại các quốc gia ven biển. Khu vực được dự báo sẽ là tâm điểm cho sự tăng trưởng mạnh mẽ trong vòng 50 năm tiếp theo. Kéo theo đó sẽ là sự gia tăng những xung đột về môi trường và xã hội, đòi hỏi cần phải có những kế hoạch và giải pháp phù hợp.
Việc xảy ra một số sự cố môi trường biển do xả thải công nghiệp đã để lại những hậu quả nặng nề trong phát triển kinh tế biển, làm gia tăng ô nhiễm, cũng như gây ra nhiều tác động tiêu cực đến hệ sinh thái biển. Nghị quyết số 36-NQ/TW về Chiến lược phát triển bền vững kinh tế biển ở Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045, đã xác định bảo vệ môi trường biển là một nội dung xuyên suốt. Vùng biển ven bờ phía Nam Việt Nam đóng vai trò quan trọng trong phát tiển kinh tế tổng hợp như khai khoáng, khai thác hải sản, nuôi trồng thuỷ sản, hàng hải. Về mặt hàng hải, đây là cửa ngõ vùng kinh tế trọng điểm phía Nam cũng như là con đường giao thương hàng hải trong khu vực và thế giới.
Về mặt khai thác nguồn lợi, đây là ngư trường đóng góp phần lớn sản lượng khai thác hải sản, đồng thời còn là khu vực tập trung nuôi trồng thủy sản tại các tỉnh ven biển. Các hoạt động kinh tế xã hội nội vùng, bao gồm nông nghiệp, thủy sản, phát triển đô thị và công nghiệp hóa đang làm gia tăng một lượng lớn các nguồn thải theo các con sông chính đổ ra biển, nguyên nhân chính dẫn đến việc xuất hiện các hiện tượng phú dưỡng vùng ven biển. Báo cáo về hiện trạng môi trường biển và hải đảo quốc gia giai đoạn 2016 - 2020 của bộ Tài nguyên và môi trường đã nhận định sự ô nhiễm cục bộ tại các khu vực nuôi trồng thủy hải sản, các đầm phá, vịnh, cửa sông và các khu đô thi, khu kinh tế thuộc vùng biển ven bờ phía Nam. Giám sát chất lượng môi trường nước biển ven bờ bằng công nghệ viễn thám tận dụng ưu thế của các bộ cảm viễn thám quang học trong dải quang phổ nhìn thầy để nhận diện màu sắc của nước biển.
Một loạt các chỉ số môi trường biển có thể được ước tính một cách chính xác trên quy mô không gian từ các kênh ảnh khả dụng được thiết kế cụ thể theo từng bộ cảm viễn thám môi trường biển khác nhau. Lĩnh vực viễn thám môi trường biển, còn có thể gọi là viễn thám màu đại dương cho phép cung cấp các hiểu biết toàn diện và sâu sắc các quá trình đại dương như năng suất sơ cấp sinh học, tảo nở hoa, phú dưỡng, cũng như phân tích sự biến đổi và xu hướng của các biến 2 số hóa – sinh – vật lý khác nhau. Giải pháp giám theo mô hình không gian – thời gian được xem là công cụ đắt giá để có thể thấu hiểu được các phản ứng của hệ sinh thái môi trường biển đối với sự thay đổi của khí hậu cũng như các tác động của con người. Tại Việt Nam, mặc dù là quốc gia có đường bờ biển trải dài gần như toàn lãnh thổ (trên 3000 km) nhưng những nghiên cứu về chất lượng môi trường nước biển bằng công nghệ viễn thám mới chỉ phát triển gần đây với số lượng chưa tương xứng.
Một mặt, việc thực địa thu thập dữ liệu trên biển là một công tác khó khăn tốn nhiều chi phí và nhân lực, trong khi đối với vùng biển Việt Nam có điều kiện thời tiết biến động và thay đổi theo mùa phức tạp. Mặt khác, giải pháp viễn thám nhằm cung cấp một phương pháp giám sát từ xa vẫn còn khá mới mẻ, dữ liệu chưa nhiều và điều kiện thời tiết cũng làm cho chất lượng ảnh vệ tinh chưa tốt và đầy đủ. Các vấn đề này ảnh hưởng tới tính khả thi của một loạt các phương pháp xử lý dữ liệu trong lĩnh vực viễn thám màu đại dương như hiệu chỉnh khí quyển, giải đoán các yếu tố chỉ số chất lượng môi trường nước biển, hoàn thiện các sản phẩm bản đồ, cũng như kiểm định và đánh giá độ chính xác của các mô hình ước tính. Sự ra đời của nhiều thế hệ vệ tinh màu đại dương miễn phí trong giai đoạn 10 năm trở lại đây đánh dấu các bước tiến lớn trong lĩnh vực nghiên cứu này không chỉ ở trên thế giới mà còn tại Việt Nam.
Trong khi các nghiên cứu tại Việt nam trước nay chủ yếu sử dụng nguồn dữ liệu vệ tinh màu đại dương MODIS, các thế hệ vệ tinh mới nhất trong đó có Sentinel 3 với hai vệ tinh 3A (2015) và 3B (2018) vẫn chưa được tiến hành thử nghiệm tại Việt Nam. Độ phân giải không gian cao 300m cùng khả năng chụp lặp từ 3-5 ngày trên từng vệ tinh mở ra các hướng ứng dụng khả thi trong định lượng chính xác các chỉ số nước biển từ viễn thám, giải quyết được bài toán giám sát liên tục, đồng thời có thể áp dụng các mô hình tái cấu trúc không gian để hoàn thiện các sản phẩm ước tính từ ảnh viễn thám bị ảnh hưởng bởi mây che phủ. Nhiều hoạt động kinh tế - xã hội đã và đang phát triển mạnh mẽ ở các khu vực ven biển Việt Nam mà trong đó mối quan hệ giữa bảo tồn và phát triển là những vấn đề nóng bỏng. Thách thức được đặt ra là giải quyết mối quan hệ cộng sinh giữa môi trường, kinh tế và xã hội, làm sao vừa đảm bảo phát triển bền vững, vừa bảo tồn được hệ sinh thái vùng ven biển.
Những nghiên cứu về môi trường biển một mặt cung cấp các giải pháp khoa học và công nghệ mới phục vụ cho mục đích đánh giá sự thay đổi các yếu tố liên quan đất chất lượng vùng biển ven bờ, mặt khác là cơ sở thực tiễn để 3 xác định rõ các nguyên nhân, tác động của quá trình thay đổi này, làm cơ sở cho việc đề xuất các giải pháp và chính sách toàn diện nhất. Xuất phát từ các luận điểm trên, có thể thấy việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu giám sát chất lượng môi trường nước biển ven bờ phía Nam bằng công nghệ viễn thám” là cấp thiết cần phải được thực hiện. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chung - Xác lập cơ sở khoa học, mô hình tính toán yếu tố chất lượng môi trường nước biển vùng ven bờ bằng công nghệ viễn thám. Mục tiêu cụ thể - Xác lập quy trình ước tính chỉ số chlorophyll-a trong nước biển vùng ven bờ bằng công nghệ viễn thám có đầy đủ cơ sở khoa học, chứng minh bằng thực nghiệm và đánh giá độ chính xác.
- Đánh giá khả năng của vệ tinh viễn thám môi trường biển trong việc giám sát vùng biển ven bờ Việt Nam dưới ảnh hưởng của khí hậu nhiệt đới gió mùa đồng thời xác lập các giải pháp tăng cường khả năng giám sát cả trên quy mô không gian rộng lớn và tần suất thời gian liên tục hàng ngày. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: tập trung vào bài toán ước tính hàm lượng chlorophyll-a trên ảnh vệ tinh Sentinel 3 - Phạm vi nghiên cứu: Vùng biển ven bờ Khánh Hòa đến Ninh Thuận 4. Nội dung nghiên cứu - Các cơ sở khoa học trong lĩnh vực viễn thám môi trường biển - Các phương pháp hiệu chỉnh khí quyển dữ liệu viễn thám môi trường biển - Các thuật toán ước tính yếu tố chất lượng môi trường nước biển vùng ven bờ từ dữ liệu viễn thám - Các phương pháp xử lý số liệu sau tính toán, kết hợp nguồn dữ liệu tăng cường khả năng giám sát theo mô hình không gian – thời gian 5. Điểm mới của luận án - Xác định được mô hình hiệu chỉnh khí quyển, phương pháp ước tính chỉ số chất lượng môi trường nước biển từ ảnh viễn thám có độ chính xác cao, minh chứng 4 dựa trên việc thực nghiệm ước tính biến số quan trong nhất trong lĩnh vực viễn thám màu đại dương chlorophyll-a - Xác định được mô hình tái cấu trúc dữ liệu không gian áp dụng phù hợp cho khu vực nghiên cứu có nền khí hậu nhiệt đới gió mùa, khắc phục nhược điểm của nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh thường xuyên bị ảnh hưởng bởi mây che phủ trên vùng biển ven bờ Việt Nam.
- Lần đầu tiên nguồn dữ liệu Sentinel 3 được đưa vào nghiên cứu viễn thám môi trường biển ở Việt Nam. Đồng thời, lần đầu tiên giải pháp giám sát liên tục (hàng ngày) được thử nghiệm thành công (kiểm định với số liệu thực địa) trên ảnh vệ tinh độ phân giải cao 300m cho vùng biển ven bờ Việt Nam, bằng cách kết hợp nguồn dữ liệu vệ tinh Sentinel 3A và 3B. Giải pháp mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc kết hợp các sản phẩm trên các nền tảng vệ tinh màu đại dương khác nhau, hướng tới mô hình hóa chu trình năng suất đại dương từ quá khứ tới tương lai. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Đóng góp các cơ sở khoa học trong việc nghiên cứu các mô hình hiệu chỉnh khí quyển dữ liệu viễn thám màu đại dương khi áp dụng cụ thể cho khu vực vùng biển ven bờ Việt Nam; - Xác lập được quy trình ước tính biến số hóa sinh nước biển từ dữ liệu viễn thám với đầy đủ cơ sở khoa học được tham chiếu, thử nghiệm và chứng minh độ chính xác; - Giải quyết các vấn đề liên quan đến nhược điểm mây che phủ trên tư liệu ảnh viễn thám quang học khi quan sát trên khu vực có nền khí hậu nhiệt đới gió mùa như vùng biển ven bờ Việt Nam bằng việc sử dụng mô hình tái cấu trúc dữ liệu không gian; - Giải pháp kết hợp các nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh có thể tăng cường khả năng giám sát theo chu kỳ thời gian ngắn, góp phần tăng dầy cho bộ cơ sở dữ liệu trong lĩnh vực viễn thám màu đại dương, hướng tới xác lập các mô hình tính toán nâng cao trong lĩnh vực này như ước tính năng suất sơ cấp đại dương và giám sát phú dưỡng.
