Luận văn ThS Nguyễn Hữu Lương: Phát hiện biến động công trình biển bằng viễn thám

Nghiên cứu mới khám phá cách phát hiện biến động công trình biển hiệu quả bằng công nghệ viễn thám. Tìm hiểu ứng dụng đột phá và tầm quan trọng của phương pháp

• Tác giả: Nguyễn Hữu Lương
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Nhật Thanh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Công nghệ
• Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
• Đề tài: Nghiên cứu triển khai phương pháp phát hiện biến động công trình biển sử dụng dữ liệu viễn thám
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Lý thuyết cơ bản về viễn thám và công trình biển 1.1 Lý thuyết cơ bản về viễn thám 1.1 Khái niệm: Xuất phát từ những khó khăn do điều kiện tự nhiên làm cản trở việc tiếp cận trực tiếp trong cự ly gần để nghiên cứu đối tượng, viễn thám sinh ra dựa trên kỹ thuật chụp ảnh bề mặt Trái Đất từ trên cao sử dụng các thiết bị bay như khinh khí cầu, máy bay hay phổ biến nhất hiện nay là sử dụng vệ tinh chụp ảnh. Qua hơn 100 năm ứng dụng từ những loại hình thô sơ nhất là những bức ảnh đen trắng chụp trên khinh khí cầu cho tới những bức ảnh quang học đa phổ, ảnh radar chụp bởi vệ tinh ở trên quỹ đạo như hiện nay, viễn thám đã và đang góp những ứng dụng quan trọng cho nhiều ngành khoa học của nhân loại.1: Sơ đồ thu nhận ảnh viễn thám (A: Măṭ Trời; B: Sóng điêṇ từ; C: Bề măṭ Trái Đất; D: Vâṭ bay chụp ảnh viễn thám, ví dụ: vê ̣ tinh, máy bay… ; E: Tín hiêụ vâṭ bay trả về trạm thu ảnh; F: Ảnh viễn thám thu được; G: Ứng dụng dựa trên ảnh viễn thám). (Nguồn: Trung tâm viễn thám quốc gia Canada) Viễn thám được định nghĩa là ngành khoa học nghiên cứu bề mặt Trái Đất từ xa sử dụng các công cụ chụp ảnh bề mặt Trái Đất từ trên cao như vệ 10 tinh, máy bay, thiết bị bay không người lái. Trong thực tế, xét trên yếu tố mục đích nghiên cứu, viễn thám được định nghĩa là sự thu thập và phân tích thông tin đối tượng mà cần phải tiếp xúc trực tiếp.

Đây là lĩnh vực đã có lịch sử phát triển từ những năm đầu thế kỷ XX, dựa trên những thành tựu khoa học công nghê ̣ tiên tiến nhất như công nghệ quang học, giải mã, công nghệ vũ trụ không gian, công nghệ tin học… Viễn thám không chỉ là môṭ ứng dụng công nghê ̣ thông thường mà còn là một môn khoa học đa ngành kết hợp tri thức của nhiều lĩnh vực, nhiều chủ đề với mục tiêu cung cấp thông tin nhanh chóng, khách quan nhất phục vụ các ứng dụng trong kinh tế, quân sự, khoa học và đời sống xã hôi.2: Vệ tinh viễn thám VNREDSat-1 của Việt Nam trên quỹ đạo.3: Ảnh vệ tinh viễn thám PlanetScope của Mỹ chụp ảnh thành phố San Francisco, bang California, Mỹ.com) Viễn thám có đối tượng nghiên cứu chủ yếu là các sự vật và hiêṇ tượng xảy ra trên bề mặt Trái Đất. Không nghiên cứu trực tiếp các hiêṇ tượng và sự vật, viễn thám nghiên cứu gián tiếp thông qua hình ảnh của chúng. Những hình ảnh đó là các bảng mã về sự phân bố lại năng lượng Mặt Trời được phản xạ lại từ các vật trên bề mặt Trái Đất.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám: Trong tự nhiên, năng lượng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin phong phú về các đặc điểm, tính chất của sự vật hiện tượng. Ảnh viễn thám thu được cung cấp thông tin thông qua năng lượng phản xạ hoặc bức xạ điện từ trên.

Đo lường và phân tích năng lượng điện từ thu được từ ảnh viễn thám làm “hiện lên" những thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất, mặt nước khác nhau do sự tương tác phong phú giữa bức xạ điện từ và vật thể. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến. Bộ cảm biến có thể là những chiếc máy ảnh hoặc máy quét tần số điện từ mắt thường không nhìn thấy, được lắp đặt trên vật mang dạng máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh.4: Nguyên lý chụp ảnh viễn thám của vệ tinh: Ánh sáng từ Mặt Trời (Sun) chiếu đến vật thể (Object) thì phản xạ lại qua bộ lọc trên vệ tinh (Filter) trước khi đi vào ống kính (Camera) để tạo ra ảnh viễn thám.com) Sau khi bộ cảm biến thu nhận năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ, thông tin về năng lượng phản xạ của vật thể lưu lại trên ảnh viễn thám và tiếp theo được xử lý tự động trên máy tính hoặc giải đoán trực tiếp dựa trên kinh nghiệm của các chuyên gia nhận dạng sự vật hiện tượng. Bước cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể và hiện tượng khác nhau trên mặt đất, mặt nước sẽ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường, quân sự… Toàn bộ quá trình thu nhập và xử lý ảnh viễn thám phụ thuộc vào 05 thành tố cơ bản sau: 1.

Nguồn năng lượng bức xạ điện từ. Sự tương tác của năng lượng bức xạ điện từ với khí quyển. Sự tương tác của năng lượng bức xạ điện từ với các vật thể trên bề mặt đất, mặt nước. Sự chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu trên ảnh.

Xử lý, chuyển đổi, hiển thị dữ liệu thành ảnh số phục vụ giải đoán, khai thác ứng dụng.5: Quy trình thu nhận, xử lý, lưu trữ và phân phối dữ liệu viễn thám thu bởi vệ tinh (TDRS và TRMM) tại các trung tâm quan sát Trái Đất (Earth Observation Center). (Nguồn: NASDA) Trong viễn thám, viễn thám quang học sử dụng nguồn năng lượng cung cấp chủ yếu là do Mặt Trời. Khoảng 75% năng lượng mặt trời khi tiếp xúc đến lớp ngoài của khí quyển được truyền xuống mặt đất và trong quá trình lan truyền sóng điện từ luôn bị khí quyển hấp thụ, tán xạ và khúc xạ trước khi đến bộ cảm biến. Các loại khí như oxy, nitơ và các phân tử lơ lửng trong khí quyển là tác nhân ảnh hưởng đến sự suy giảm năng lượng sóng điện từ lan truyền.6: Tác động cản trở ánh sáng Mặt Trời (Solar) của mây (Cloud và Broken Cloud Layer) lên ảnh của vật thể (Target) thu được trên vệ tinh (Satellite Sensor).3 Phương pháp xử lý dữ liệu viễn thám: Có 2 phương pháp xử lý dữ liệu viễn thám phổ biến hiện nay đó là: ● Giải đoán bằng mắt thường: Giải đoán ảnh bằng mắt là phương pháp có thể áp dụng trong mọi điều kiện có trang thiết bị từ đơn giản nhất đến phức tạp nhất cũng như áp dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau như địa lý, địa chất, nông, lâm nghiệp, thủy sản, môi trường.

Bên cạnh đó, phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt đòi hỏi có sự hỗ trợ của các dụng cụ quang học như: kính lúp, kính lập thể, kính phóng đại, kính tổng hợp màu… Cơ sở nền tảng để giải đoán ảnh bằng mắt là đưa các dấu hiệu giải đoán trực tiếp hoặc gián tiếp vào khóa giải đoán.7: Quy trình giải đoán ảnh viễn thám bằng mắt (Interpretation and Analysis) để tìm kiếm thông tin, lập bản đồ hoặc sản xuất các ứng dụng thống kê (Information, maps and statistics for Applications). (Nguồn: Đại học Minnesota, Mỹ) Khi giải đoán một đối tượng cụ thể, người giải đoán cần nắm vững bản chất phản xạ phổ và các kiến thức về đặc điểm tự nhiên xã hội khác của đối tượng. Những đặc trưng cơ bản của các đối tượng bao gồm: + Cấp độ màu sắc: Là mức độ phản xạ năng lượng của đối tượng trên từng kênh phổ riêng biệt hoặc trên các tổ hợp màu giả khác nhau. + Cấu trúc màu sắc: Là một kiểu phân bố độ xám hoặc màu sắc trong ảnh.

Những kiểu phân bố giống nhau phản ánh những đối tượng giống nhau. + Độ tương phản: Thể hiện sự tương quan trong màu sắc của các đối tượng kề nhau. + Dấu hiệu mẫu: Mỗi đối tượng thường được trình diễn bởi các kiểu mẫu nhất định. 16 + Hình dáng và kích thước: Hình dáng và kích thước là những dấu hiệu nhận biến quan trọng trong giải đoán ảnh.

Căn cứ vào hình dạng, kích thước có thể suy ra những thông tin quan trọng khác như [2]. ● Giải đoán ảnh theo phương pháp số: Với mục đích tự động hoá và hạn chế sử dụng sức người so với phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt, các chuyên gia sử dụng phương pháp xử lý ảnh số như một giải pháp xử lý nhanh chóng, hiệu quả, nhất là với tập dữ liệu viễn thám ngày càng khổng lồ.8: Quy trình giải đoán ảnh viễn thám bằng công cụ số (Bounding Box Selection, Graph Construction) để tìm kiếm thông tin, đo đạc thống kê (Measuring spatiotemporal evolutions).com) Phương pháp giải đoán số phần lớn là để hỗ trợ quá trình giải đoán bằng mắt cuối cùng thông qua các chức năng: + Hiệu chỉnh ảnh: Hiệu chỉnh ảnh bao gồm bốn loại hiệu chỉnh cơ bản đó là hiệu chỉnh bức xạ, hiệu chỉnh khí quyển, hiệu chỉnh hình học và hiệu chỉnh phép chiếu bản đồ. + Tăng cường chất lượng ảnh và chiết tách các đặc tính: Tăng cường chất lượng ảnh là thao tác chuyển đổi nhằm tăng tính dễ đọc, dễ hiểu của ảnh cho người giải đoán. Trong khi đó, chiết tách đặc tính là thao tác nhằm phân loại, sắp xếp các thông tin có sẵn trong ảnh theo yêu cầu của ứng dụng.

17 Những phép tăng cường chất lượng ảnh thường được sử dụng là chuyển đổi cấp độ xám, chuyển đổi biểu đồ, tổ hợp màu, chuyển đổi màu giữa hai hệ màu đỏ lục lam và hệ ảnh siêu phổ (HSI)… Sau khi tăng cường chất lượng ảnh, tổ hợp màu tùy ý gồm 03 màu cơ bản là đỏ, lục, lam được lựa chọn cho 03 kênh phổ nào đó để thu được ảnh có tổ hợp màu cho quá trình phân loại như [2]. + Phân loại ảnh: Phân loại ảnh là quá trình máy tính xử lý ảnh theo yêu cầu của người sử dụng đã được đưa vào máy thông qua giai đoạn chọn tệp mẫu. Máy tính tự động phân loại và cho ra kết quả dưới dạng ảnh đã được phân loại. + Xuất kết quả: Sau khi hoàn thành tất cả các quá trình xử lý cần phải xuất kết quả.

Có thể lựa chọn không hạn chế các sản phẩm đầu ra, đó là sản phẩm bản đồ đồ họa, các số liệu thống kê hay các tệp dữ liệu số.2 Lý thuyết cơ bản về công trình biển Công trình biển là công trình nhân tạo được xây dựng ở vùng ven biển, vùng nội thủy hoặc ở ngoài khơi xa. Trong thực tế, công trình biển có thể là một cảng tàu, một đê chắn sóng, một giàn khai thác dầu khí, thậm chí là một đảo nhân tạo được hình thành qua quá trình bồi đắp nhân tạo. Trong phạm vi vấn đề nghiên cứu của đề tài này, tác giả chỉ tập trung phân tích một số loại công trình biển thường gặp và tương đồng với dạng công trình biển tại khu vực nghiên cứu trong phần thực nghiệm sau này.