I. Tổng quan về phát hiện biến động công trình biển bằng viễn thám
Phát hiện biến động công trình biển là quá trình xác định sự thay đổi hình dạng, diện tích hoặc vị trí của các công trình nhân tạo trên biển giữa hai hoặc nhiều thời điểm khác nhau. Công trình biển bao gồm đảo nhân tạo, cảng biển, cầu cảng, đê chắn sóng và các cấu trúc nổi hoặc chìm khác. Viễn thám là công nghệ thu nhận thông tin về đối tượng trên bề mặt Trái Đất từ xa thông qua cảm biến trên vệ tinh hoặc máy bay. Phương pháp này không yêu cầu tiếp xúc trực tiếp với đối tượng nghiên cứu. Ứng dụng viễn thám trong giám sát công trình biển giúp mở rộng phạm vi quan sát, tăng tần suất thu thập dữ liệu và giảm chi phí so với khảo sát thực địa. Dữ liệu ảnh vệ tinh đa thời điểm cung cấp bằng chứng khách quan về quá trình xây dựng, mở rộng hoặc suy thoái của công trình biển. Đây là công cụ quan trọng phục vụ quản lý vùng biển và bảo vệ chủ quyền quốc gia.
1.1. Khái niệm và bản chất của viễn thám trong giám sát biển
Viễn thám là khoa học công nghệ thu nhận thông tin về vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc đo đạc bức xạ điện từ phản xạ hoặc phát xạ từ bề mặt vật thể. Cảm biến viễn thám trên vệ tinh ghi nhận tín hiệu ở nhiều phổ quang học khác nhau như cận hồng ngoại, hồng ngoại ngắn. Đối với môi trường biển, viễn thám giúp phân biệt ranh giới giữa nước, đất liền và công trình nhân tạo. Sự khác biệt về hệ số phản xạ giữa các bề mặt là cơ sở để phát hiện biến động. Công nghệ này đặc biệt hiệu quả tại các vùng biển rộng lớn, nơi khảo sát thực địa gặp nhiều hạn chế về thời gian và chi phí.
1.2. Vai trò của công trình biển trong phát triển kinh tế biển
Công trình biển đóng vai trò nền tảng trong phát triển kinh tế hàng hải. Cảng biển là đầu mối giao thương quốc tế, kết nối chuỗi cung ứng toàn cầu. Đảo nhân tạo phục vụ nhiều mục đích như du lịch, quân sự và khai thác tài nguyên. Các công trình bảo vệ bờ biển giúp giảm thiểu thiệt hại do thiên tai. Việc giám sát thường xuyên công trình biển đảm bảo an toàn vận hành và phát hiện sớm hư hỏng. Theo dõi biến động còn hỗ trợ quy hoạch phát triển vùng biển bền vững. Ở Việt Nam, giám sát công trình biển tại các cảng lớn như Dung Quất có ý nghĩa chiến lược trong phát triển kinh tế biển.
II. Thách thức trong phát hiện biến động công trình biển truyền thống
Phương pháp truyền thống phát hiện biến động công trình biển đối mặt nhiều hạn chế lớn. Khảo sát thực địa đòi hỏi nhân lực, thời gian và chi phí cao. Phạm vi khảo sát bị giới hạn, khó bao phủ toàn bộ vùng biển rộng lớn. Tần suất thu thập dữ liệu thấp, không đáp ứng yêu cầu giám sát liên tục. Các phương pháp so sánh ảnh đơn giản dựa trên ngưỡng thường xuyên bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Thay đổi điều kiện chiếu sáng, góc chụp và thời tiết giữa các thời điểm gây sai lệch kết quả. Hiện tượng mây che phủ thường xuyên trên biển làm giảm chất lượng ảnh thu được. Phân biệt công trình nhân tạo với địa hình tự nhiên như bãi cát, rạn san hô cũng là thách thức lớn. Nghiên cứu của Nguyễn Hữu Lương (2020) đã chỉ ra rằng việc kết hợp nhiều kỹ thuật xử lý ảnh là cần thiết để vượt qua những hạn chế này. Phương pháp phù hợp phải đảm bảo độ chính xác cao trong điều kiện dữ liệu thực tế phức tạp.
2.1. Hạn chế về chất lượng và độ sẵn có của dữ liệu ảnh
Chất lượng dữ liệu ảnh viễn thám chịu ảnh hưởng trực tiếp từ điều kiện khí quyển. Mây che phủ là vấn đề nghiêm trọng tại vùng nhiệt đới, đặc biệt khu vực Biển Đông. Tỷ lệ ảnh bị mây che có thể lên đến 60-70% trong mùa mưa. Nhiễu khí quyển làm sai lệch giá trị phản xạ của bề mặt, ảnh hưởng đến khả năng phân loại. Độ phân giải không gian thấp của một số cảm biến hạn chế chi tiết phát hiện biến động nhỏ. Khoảng thời gian lặp lại quỹ đạo dài cũng gây khó khăn cho việc so sánh đa thời điểm. Các yếu tố này đặt ra yêu cầu cấp thiết về kỹ thuật tiền xử lý dữ liệu hiệu quả.
2.2. Khó khăn trong phân loại và nhận dạng loại biến động
Phân loại biến động công trình biển phức tạp hơn so với biến động trên đất liền. Biến động trên biển bao gồm nhiều loại: bồi đắp, nạo vét, xây dựng mới và phá dỡ. Ranh giới giữa công trình và mặt nước thay đổi theo thủy triều, gây sai số trong đo đạc. Bề mặt công trình biển đa dạng về vật liệu như bê tông, đá, cát khiến phổ phản xạ khác nhau. Các thuật toán truyền thống khó phân biệt biến động thực sự với biến đổi tự nhiên như bồi lở bãi biển. Yêu cầu đặt ra là xây dựng phương pháp phân lớp có khả năng thích ứng với đặc thù môi trường biển.
III. Phương pháp phát hiện biến động sử dụng ảnh PlanetScope
Luận văn đề xuất chuỗi phương pháp phát hiện biến động công trình biển sử dụng ảnh vệ tinh PlanetScope. PlanetScope là hệ thống vệ tinh của Planet Labs với độ phân giải không gian 3 mét và tần suất chụp lại hàng ngày. Chuỗi xử lý bao gồm các bước tuần tự: tiền xử lý dữ liệu, tách mây, tách nước, kết hợp cảnh ảnh và phân lớp biến động. Bước tiền xử lý thực hiện hiệu chỉnh bức xạ và hình học để chuẩn hóa dữ liệu. Thuật toán tách mây dựa trên chỉ số quang học loại bỏ pixel bị che phủ. Thuật toán tách nước sử dụng chỉ số NDWI phân biệt vùng nước với đất liền và công trình. So sánh ảnh hai thời điểm giúp xác định khu vực có thay đổi. Phân lớp biến động áp dụng phương pháp giám sát để phân loại loại hình thay đổi. Phương pháp đã được thực nghiệm tại cảng Dung Quất và đảo nhân tạo Phượng Hoàng cho kết quả khả quan.
3.1. Kỹ thuật tiền xử lý và tách nhiễu dữ liệu ảnh vệ tinh
Tiền xử lý dữ liệu là bước quan trọng đảm bảo chất lượng phân tích biến động. Quy trình bao gồm hiệu chỉnh bức xạ chuyển đổi giá trị số sang bức xạ tại cảm biến. Hiệu chỉnh hình học loại bỏ méo ảnh do tư thế vệ tinh và dạng bề mặt Trái Đất. Chuẩn hóa ảnh đa thời điểm giúp giảm ảnh hưởng khác biệt về điều kiện thu nhận. Thuật toán tách mây sử dụng ngưỡng kết hợp giữa phổ khả kiến và hồng ngoại gần. Pixel mây và bóng mây được đánh dấu và loại bỏ trước khi phân tích tiếp theo. Các bước này nâng cao đáng kể độ tin cậy của kết quả phát hiện biến động.
3.2. Thuật toán tách nước và phát hiện vùng biến động trên biển
Tách nước là bước then chốt phân biệt vùng biển với công trình nhân tạo. Chỉ số NDWI tính từ phổ xanh và hồng ngoại gần giúp xác định vùng nước hiệu quả. Ngưỡng NDWI được tối ưu hóa cho từng vùng nghiên cứu dựa trên đặc điểm địa phương. Sau khi tách nước, ảnh hai thời điểm được so sánh pixel theo pixel. Pixel thay đổi từ nước sang không nước được đánh dấu là vùng biến động tích cực. Ngược lại, thay đổi từ không nước sang nước là biến động tiêu cực. Phương pháp kết hợp ảnh cho phép xác định đồng thời vùng giữ nguyên và vùng biến động. Kết quả được mã hóa thành bản đồ biến động rõ ràng phục vụ phân tích tiếp theo.
IV. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng trong giám sát biển
Phương pháp được thực nghiệm tại hai khu vực: cảng Dung Quất, Quảng Ngãi và đảo nhân tạo Phượng Hoàng, Tam Á, Trung Quốc. Tại cảng Dung Quất, ảnh PlanetScope ngày 21/03/2017 và 21/11/2018 ghi nhận hoạt động bồi đắp mở rộng khu cảng hàng hóa mới. Kết quả thuật toán phát hiện rõ vùng biến động tương ứng với khu vực xây dựng mới. Tại đảo Phượng Hoàng, ảnh ngày 16/02/2016 và 06/01/2017 cho thấy quá trình hoàn thiện hình dạng đảo nhân tạo. Phân lớp biến động xác định chính xác loại hình thay đổi tại từng khu vực. Độ chính xác phương pháp được đánh giá cao qua so sánh với thông tin công khai. Kết quả chứng minh tính khả thi của phương pháp phát hiện biến động công trình biển bằng viễn thám. Phương pháp có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong giám sát chủ quyền biển và quản lý xây dựng vùng ven biển.
4.1. Kết quả thực nghiệm tại cảng Dung Quất và đảo Phượng Hoàng
Thực nghiệm tại cảng Dung Quất cho thấy vùng bồi đắp mở rộng được phát hiện chính xác giữa hai thời điểm. Khu vực xây dựng mới có diện tích đáng kể được xác định rõ ràng trên bản đồ biến động. Tại đảo nhân tạo Phượng Hoàng, kết quả ghi nhận sự thay đổi hình dạng đảo theo thiết kế quy hoạch. Thuật toán tách nước hoạt động hiệu quả, phân biệt tốt giữa đảo nhân tạo và vùng biển xung quanh. Phân lớp biến động xác định loại hình thay đổi phù hợp với thực tế thi công. Cả hai thực nghiệm đều khẳng định tính khả thi của chuỗi phương pháp đề xuất.
4.2. Tiềm năng ứng dụng và hướng phát triển tiếp theo
Phương pháp có thể áp dụng cho giám sát xây dựng trái phép trên biển phục vụ bảo vệ chủ quyền. Theo dõi tiến độ thi công cảng biển và công trình ven biển giúp quản lý dự án hiệu quả. Ứng dụng trong đánh giá thiệt hại công trình biển sau thiên tai như bão, sóng thần. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp học sâu để tăng độ chính xác phân lớp. Kết hợp đa nguồn dữ liệu viễn thám với độ phân giải khác nhau mở rộng khả năng giám sát. Xây dựng hệ thống cảnh báo sớm biến động công trình biển tự động là mục tiêu dài hạn.
