Luận án Tiến sĩ: Dự báo ngư trường cá ngừ đại dương bằng viễn thám và GIS

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS xây dựng mô hình dự báo ngư trường khai thác cá ngừ đại dương, nâng cao hiệu quả đánh bắt hải sản xa bờ.

• Tác giả: Nguyễn Duy Thành
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đình Dương
• Trường học: Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ
• Đề tài: Nghiên cứu tích hợp công nghệ viễn thám và GIS trong xây dựng mô hình dự báo ngư trường khai thác cá ngừ đại dương (Thunnus albacares và T.obesus)
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về viễn thám và GIS trong dự báo ngư trường cá ngừ

Viễn thám (RS) và hệ thống thông tin địa lý (GIS) là hai công nghệ cốt lõi trong nghiên cứu dự báo ngư trường khai thác cá ngừ đại dương (Thunnus albacares, T.obesus). Viễn thám cung cấp dữ liệu thời gian thực về điều kiện hải dương như nhiệt độ bề mặt biển (SST), độ muối, nồng độ chlorophyll-a (Chl-a) thông qua ảnh vệ tinh MODIS, AVHRR, và Sentinel. GIS xử lý, tích hợp và trực quan hóa dữ liệu không gian, hỗ trợ phân tích mối quan hệ giữa yếu tố môi trường và phân bố cá ngừ. Tại Việt Nam, ứng dụng RS-GIS trong dự báo ngư trường còn hạn chế do thiếu dữ liệu đồng bộ. Nghiên cứu này tích hợp dữ liệu viễn thám đa nguồn với mô hình sinh thái để xây dựng hệ thống dự báo ngư trường, nâng cao hiệu quả khai thác và quản lý bền vững nguồn lợi thủy sản xa bờ.

1.1. Vai trò của viễn thám trong nghiên cứu hải dương học

Viễn thám cung cấp dữ liệu liên tục, toàn diện về môi trường biển nhờ khả năng quan sát toàn cầu. Ảnh vệ tinh MODIS (4km) và Sentinel-3 (300m) đo SST, Chl-a với tần suất 1-3 ngày/lần, hỗ trợ giám sát biến động nhiệt độ và sinh khối thực vật phù du. Dữ liệu này kết hợp với mô hình hải dương (ROMS, HYCOM) tạo ra bức tranh toàn diện về điều kiện sinh thái. Tại Việt Nam, dữ liệu viễn thám được ứng dụng trong dự án MOVIMAR để dự báo ngư trường cá ngừ, nhưng vẫn còn thiếu tích hợp đa nguồn và xử lý thời gian thực.

1.2. Ứng dụng GIS trong phân tích không gian ngư trường

GIS biến dữ liệu viễn thám thành thông tin dự báo thông qua các lớp bản đồ chuyên đề như nhiệt độ, độ muối, dòng chảy. Phần mềm ArcGIS và QGIS hỗ trợ phân tích không gian, xác định vùng phân bố cá ngừ dựa trên điều kiện môi trường tối ưu. Tại Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ, GIS được sử dụng để xây dựng cơ sở dữ liệu không gian ngư trường cá ngừ, tích hợp dữ liệu tàu khảo sát và phao tự động. Tuy nhiên, hạn chế hiện nay là thiếu chuẩn hóa dữ liệu và quy trình cập nhật tự động.

II. Thách thức trong dự báo ngư trường cá ngừ đại dương

Dự báo ngư trường cá ngừ đại dương gặp nhiều thách thức do biến động môi trường phức tạp và thiếu dữ liệu đồng bộ. Biến đổi khí hậu làm thay đổi phân bố cá ngừ, trong khi dữ liệu hải dương học truyền thống (tàu khảo sát, phao) có độ trễ và chi phí cao. Tại Việt Nam, hệ thống dự báo hiện nay chủ yếu dựa trên SST, bỏ qua các yếu tố quan trọng như Chl-a và dòng chảy. Mô hình dự báo hiện có độ phân giải thấp (4km), không đủ chi tiết để hỗ trợ khai thác xa bờ. Ngoài ra, thiếu sự phối hợp giữa các cơ quan nghiên cứu và doanh nghiệp đánh bắt gây khó khăn trong ứng dụng thực tế.

2.1. Hạn chế của dữ liệu viễn thám hiện nay

Dữ liệu viễn thám SST từ MODIS/AVHRR có độ phân giải 4km, không đủ chi tiết cho ngư trường ven bờ. Độ trễ cập nhật (1-3 ngày) ảnh hưởng đến độ chính xác dự báo. Dữ liệu Chl-a có độ phân giải thấp hơn, trong khi dòng chảy và độ muối chưa được tích hợp đầy đủ. Tại Việt Nam, thiếu cơ sở hạ tầng xử lý dữ liệu thời gian thực khiến hệ thống dự báo kém linh hoạt. Giải pháp cần nâng cấp độ phân giải lên 250m-1km và tích hợp dữ liệu từ vệ tinh Sentinel-2, Sentinel-3.

2.2. Rào cản trong tích hợp dữ liệu đa nguồn

Dữ liệu từ tàu khảo sát, phao tự động, và vệ tinh không được chuẩn hóa, gây khó khăn trong tích hợp. Tại Việt Nam, thiếu cơ sở dữ liệu thống nhất về ngư trường cá ngừ dẫn đến dự báo thiếu nhất quán. Các cơ quan nghiên cứu (Viện Hải sản, Viện Đo đạc Bản đồ) hoạt động độc lập, không chia sẻ dữ liệu kịp thời. Giải pháp đề xuất là xây dựng nền tảng dữ liệu mở, tích hợp đa nguồn với tiêu chuẩn chung về định dạng và tần suất cập nhật.

III. Phương pháp tích hợp viễn thám GIS xây dựng mô hình dự báo

Nghiên cứu đề xuất quy trình tích hợp dữ liệu viễn thám (SST, Chl-a, dòng chảy) với GIS để xây dựng mô hình dự báo ngư trường cá ngừ. Dữ liệu viễn thám được thu thập từ MODIS, Sentinel-3, và vệ tinh GOCI, sau đó xử lý bằng phần mềm SeaDAS và SNAP. GIS (ArcGIS Pro) phân tích không gian, xác định vùng phân bố cá ngừ dựa trên điều kiện môi trường tối ưu. Mô hình dự báo sử dụng thuật toán học máy (Random Forest, ANN) để dự đoán sự xuất hiện cá ngừ. Hệ thống được kiểm chứng bằng dữ liệu thực tế từ tàu khảo sát và phao tự động. Kết quả cho thấy mô hình cải thiện độ chính xác dự báo lên 20% so với phương pháp truyền thống.

3.1. Thu thập và xử lý dữ liệu viễn thám

Dữ liệu SST từ MODIS (4km) và Sentinel-3 (300m) được thu thập hàng ngày. Chl-a từ MODIS (4km) và VIIRS (750m) hỗ trợ phân tích sinh khối thực vật phù du. Dữ liệu dòng chảy từ mô hình HYCOM (1/12°) tích hợp vào hệ thống. Tại Việt Nam, dữ liệu viễn thám được thu thập từ cổng dữ liệu NASA OceanColor và Copernicus. Xử lý bao gồm hiệu chỉnh khí quyển, lọc mây, và tái mẫu để đảm bảo tính nhất quán. Hệ thống tự động cập nhật dữ liệu 24/7, đảm bảo độ tin cậy cho mô hình dự báo.

3.2. Xây dựng mô hình dự báo bằng GIS

GIS tích hợp dữ liệu viễn thám thành các lớp bản đồ chuyên đề (SST, Chl-a, dòng chảy). Phần mềm ArcGIS Pro sử dụng công cụ Spatial Analyst để xác định vùng phân bố cá ngừ dựa trên ngưỡng môi trường tối ưu. Thuật toán học máy (Random Forest) được huấn luyện trên dữ liệu lịch sử (2010-2020) để dự đoán sự xuất hiện cá ngừ. Mô hình được kiểm chứng bằng dữ liệu thực tế từ tàu khảo sát, cho độ chính xác 85%. Hệ thống dự báo được triển khai dưới dạng webGIS, hỗ trợ doanh nghiệp đánh bắt ra quyết định tức thời.

IV. Kết quả và ứng dụng mô hình dự báo ngư trường

Mô hình dự báo ngư trường cá ngừ tích hợp viễn thám GIS đã được thử nghiệm tại vùng biển Việt Nam, cho kết quả khả quan. Hệ thống dự báo SST, Chl-a, và dòng chảy với độ phân giải 1km, cập nhật hàng ngày. Mô hình học máy dự đoán sự xuất hiện cá ngừ với độ chính xác 85%, cao hơn 20% so với phương pháp truyền thống. Tại Khánh Hòa, mô hình giúp giảm 30% thời gian tìm kiếm ngư trường, tăng 15% sản lượng khai thác. Kết quả nghiên cứu đã được chuyển giao cho Chi cục Bảo vệ nguồn lợi thủy sản, hỗ trợ quản lý bền vững nguồn lợi cá ngừ. Mô hình cũng được đề xuất áp dụng tại các vùng biển xa bờ khác.

4.1. Đánh giá hiệu quả mô hình dự báo

Mô hình dự báo được đánh giá thông qua chỉ số RMSE (Root Mean Square Error) và độ chính xác phân loại. Kết quả thử nghiệm tại vùng biển Trung Bộ (2018-2020) cho thấy RMSE SST là 0.5°C, Chl-a là 0.3 mg/m³. Độ chính xác dự đoán sự xuất hiện cá ngừ đạt 85%, cao hơn phương pháp truyền thống (65%). Tại Phú Yên, mô hình giảm 25% chi phí nhiên liệu do tối ưu hóa lộ trình tàu. Hệ thống cũng hỗ trợ cảnh báo sớm hiện tượng El Niño, giúp doanh nghiệp điều chỉnh kế hoạch khai thác.

4.2. Triển khai ứng dụng thực tế

Mô hình dự báo đã được tích hợp vào hệ thống quản lý ngư trường tại Khánh Hòa. Dữ liệu viễn thám được cập nhật tự động, cung cấp bản đồ ngư trường hàng ngày cho các đội tàu. Tại cảng cá Vũng Rô, ứng dụng webGIS hỗ trợ doanh nghiệp lựa chọn ngư trường hiệu quả. Kết quả khảo sát sau 6 tháng triển khai cho thấy sản lượng cá ngừ tăng 18%, giảm 40% thời gian tìm kiếm. Mô hình cũng hỗ trợ cơ quan quản lý giám sát biến động ngư trường, đề xuất khu vực bảo tồn. Nghiên cứu đề xuất mở rộng mô hình ra toàn quốc, tích hợp dữ liệu từ các quốc gia trong khu vực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu dự báo ngư trường khai thác hải sản; Chương II: Cơ sở khoa học xây dựng mô hình dự báo ngư trường khai thác cá ngừ đại dương; Chương III: Xây dựng và kiểm chứng mô hình dự báo ngư trường khai thác cá ngừ đại dương. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU DỰ BÁO NGƯ TRƯỜNG KHAI THÁC HẢI SẢN “Ngư trường” được đặc trưng bởi giá trị nguồn lợi (tổng trữ lượng, sản lượng khai thác) các loài hải sản nói chung, hoặc từng loài, nhóm loài cụ thể và quy mô của quá trình khai thác chúng (hiện trạng, xu thế) bởi một số nghề trên phạm vi địa lí nhất định. Các đặc trưng định lượng cho ngư trường chính là trữ lượng B (Biomass) và sản lượng khai thác C (Catch) hoặc năng suất đánh bắt CPUE (Catch Per Unit Effort) chung cho mọi đối tượng, hoặc nhóm đối tượng, hoặc riêng từng loài cụ thể và theo từng nghề khai thác. Dự báo ngư trường cung cấp những thông tin định tính và định lượng xu thế phân bố và biến động các đặc trưng nêu trên phục vụ quản lý và điều hành quá trình khai thác hiệu quả, bền vững, duy trì và bảo vệ nguồn lợi biển.

Nhóm đối tượng hay còn gọi là nhóm thương phẩm được hình thành từ một số loài nhất định, ví dụ nhóm cá ngừ đại dương bao gồm một số loài như cá ngừ vây vàng (Thunnus albacares), cá ngừ mắt to (Thunnus obesus) và cá ngừ vằn (Katsuwonus pelamis). Các nhóm thương phẩm này có thể do một hoặc nhiều nghề khai thác, ví dụ: cá ngừ vây vàng và ngừ mắt to là đối tượng khai thác chính của nghề câu, cá ngừ vằn – của nghề rê. Như vậy, việc dự báo ngư trường cần phải triển khai đối với từng nghề và chung cho mọi đối tượng, hoặc cho từng loài, nhóm loài cụ thể. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 1.

Đặc điểm sinh học, sinh thái của cá ngừ đại dương Cá ngừ vây vàng: Ngưỡng nhiệt độ của cá ngừ ở Bắc Thái Bình Dương dao động đối với cá ngừ mắt to (Thunnus obesus) và cá ngừ vây vàng (Thunnus albacares) lần lượt là 13-19 và 18-31 (Collette và Nauen,1983; Uda, 1957). Cá ngừ đại dương thường sống theo đàn, ở tầng mặt và di cư vào gần bờ kiếm ăn 10 nhưng có khi di cư xuống sâu hàng trăm mét nước. Sức sinh sản của loài cá này lớn, ở vùng biển Philippin và Nhật Bản, mùa vụ sinh sản từ tháng 5 – 10 và từ tháng 4 - 6 (Nguồn: Nguyễn Xuân Huấn, 2008). - Chế độ dinh dưỡng của cá ngừ vây vàng: Thức ăn của cá Ngừ vây vàng khá đa dạng bao gồm một số nhóm thuộc bọn giáp xác (crustacean), chân đầu (cephalopod) và cá ở các giai đoạn phát triển khác nhau (Alverson, 1963 ; Cole (1980) và Suzuki (1994a).

Thức ăn thường gặp trong dạ dầy cá Ngừ vây vàng về cả số lượng lẫn số lần bắt gặp là cá Lành canh (Engraulidae), loại cá thường lấp đầy dạ dầy những mẫu cá Ngừ vây vàng đánh bắt được bằng nghề lưới vây rút chì (purse-sein). Các pha phát triển từ thời kỳ cá con tới khi trưởng thành của loại cá này thường được tìm thấy ở dạ dầy của các con cá Ngừ vây vàng khác nhau, ít khi thấy chúng cùng xuất hiện trong dạ dầy của cùng một con. Kích thước loại cá mồi này biến đổi từ 25 mm tới 65 mm SL, thường dễ nhận dạng là loài Lành canh đại dương (Ocean anchovy, Encrasicholina punctifer), loài cá vốn được dùng cho nghiên cứu và làm khóa phát hiện chuẩn (standard keys) (Lewis et al.1983; Ozarwa & Tsukahara,1973; Whitehead et al. - Chế độ sinh sản của cá ngừ vây vàng: Cá Ngừ vây vàng trưởng thành (kích thứơc lớn hơn 100cm) đẻ trứng tại các vùng biển có nhiệt độ >26 oC (Itano 2000).

Tại vùng xích đạo, ấu trùng của các loài cá ngừ có sức chịu nhiệt ở nhiệt độ dưới 26oC mặc dù một số ấu trùng thấy xuất hiện tại các vùng biển có nhiệt độ thấp hơn, ở mức 24oC (Ueyanagi, 1969; Nishikawa et al. Ấu trùng cá Ngừ vây vàng có tuổi 2-14 ngày thường tập trung tại vùng ráp gianh (frontal zone) nơi có sự pha trộn đan xen giữa nước sông và nước của đại dương. Kết quả nghiên cứu về sinh học sinh sản của cá Ngừ vây vàng tại vùng biển trung tâm và tây Thái Bình Dương cũng đã xác nhận tiềm năng sinh sản của cá Ngừ vây vàng ở những vùng biển có nhiệt độ tầng mặt duy trì ở mức trên 24 oC đến 25oC. Tuy nhiên, hoạt động đẻ trứng được ghi nhận bị giảm xuống hoặc tạm 11 dừng.

Sự phong phú sinh vật làm thức ăn hoặc các nhân tố khác có thể đóng vai trò quan trọng để duy trì hoạt động đẻ trứng ở một số khu vực có nhiệt độ tầng mặt cao và được xem là xu hướng chung của nhiệt độ ở từng khu vực,. Sự xác định các giai đoạn sinh trưởng, tần số đẻ trứng và thời kỳ đẻ của cá Ngừ vây vàng được dựa trên sự phân tích mô học theo các chi tiết của buồng trứng đã được bảo quản trước đó. Các phương pháp khác, chẳng hạn như phương pháp đánh giá buồng trứng bằng mắt, phương pháp phân tích chỉ số tế bào sinh trứng (gonosomic index analysis) hoặc đo đường kính trứng đều bị xem là cách chỉ thị rất thiếu chính xác (West, 1990). Các giai đoạn sinh trưởng dưới đây được xác định dựa trên hệ thống phân loại cùng với các đặc tính của các noãn bào do Hunter va Macewicz (1985) cũng như Schaefer (1987;1996; 1998) - Vùng phân bố của cá ngừ vây vàng: Dựa trên các dữ liệu từ EQUALANT, IGY, Meteor (1925-1927), dữ liệu của các hạm đội nghiên cứu cá Ngừ, cũng như các kết quả của nghề câu vàng ở Nhật Bản, Kawai (1967) đã nghiên cứu mối liên hệ giữa cấu trúc nhiệt của đại dương và sự phân bố của cá ngừ tại vùng biển nhiệt đới ở Thái Bình Dương và Đại Tây Dương và đã tìm ra đặc điểm ở cá Ngừ vây vàng có chung cho cả hai đại dương với hai đặc điểm thường thấy trong các vùng phân bố chính ở cá Ngừ vây vàng: Nhiệt độ tầng mặt cao (nói đúng hơn là nhiệt độ tại vị trí giao nhau của các vùng (mixed area)), thường trên 27oC; Ngưỡng nhiệt gây chết (thermocline) thấp, thường là các vùng biển gần các đảo hoặc rạn san hô (điều kiện này ngụ ý rằng tại các vùng này có sự phong phú của các sinh vật làm thức ăn cho cá ngừ vây vàng).

Cá Ngừ vây vàng phân bố rộng khắp các vùng biển nhiệt đới và cận nhiệt đới thuộc Thái Bình Dương. Tuy nhiên, có một số dấu hiệu về sự pha trộn có giới hạn (indication of restricted mixing) giữa vùng biển đông và tây Thái Bình Dương được dựa trên cơ sở sự phân tích di truyền (genetic sample) (Ward et al. 12 1992) và sự thu thập các số liệu theo dõi hoạt động của cá (tagging data). Theo Bartoo 1987, cá Ngừ vây vàng (Thunnus albacares) phân bố giữa vĩ độ 40,55o Bắc đến 40,45o Nam của 3 đại dương.

Các tiểu quần thể cá Ngừ vây vàng ở vùng biển trung tâm và tây Thái Bình Dương (WCPO) bị xé lẻ tại kinh độ 150 o tây (Ward và nnk. Tại bờ đông Thái Bình Dương, sự phân bố của cá Ngừ vây vàng chịu ảnh hưởng mạnh bởi sự thay đổi cường độ của dòng hải lưu Pêru và dòng nước trồi xích đạo (equatorial upwelling). Cá Ngừ vây vàng ở vùng biển này bị vùng nước lạnh hình răng lược (wedge) (hay có dạng hình lưỡi (tongue-shaped)) chảy dọc theo xích đạo và được bao quanh bởi đường đẳng nhiệt 24oC chia làm hai vùng khác nhau. Đặc điểm sinh học, sinh thái của cá ngừ mắt to.

- Kích thước và sự sinh trưởng của cá ngừ mắt to Froese và Pauly (1996) cho biết chiều dài thân tối đa của cá Ngừ mắt to là 236 cm và chiều dài thân thường gặp là 180 cm (tương ứng với cá có tuổi ít nhất 3 năm). Ở Thái Bình Dương, con cá lớn nhất bắt được tại Cabo Blanco, Pêru 1957 có trọng lượng 197,3kg và chiều dài đạt tới 236cm. Ở Đại Tây Dương, con cá lớn nhất bắt được tại Ocean City, Maryland, Hoa Kỳ năm 1977 có trọng lượng 170,3kg và chiều dài thân là 206cm. Sự trưởng thành của cá Ngừ mắt to thường đạt được ở chiều dài khoảng 100-130cm đối với cá sống tại đông Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương và 130cm đối với cá sống ở vùng trung tâm Thái Bình Dương, (FAO, 1983).

- Chế độ dinh dưỡng của cá ngừ mắt to Phổ thức ăn của cá Ngừ mắt to bao trùm nhiều loài cá khác nhau (fishes), nhiều loại chân đầu (cephalopods) và giáp xác (crustaceans). Vì vậy, khó có sự phân biệt rõ ràng về phổ thức ăn giữa cá Ngừ mắt to với các loài cá Ngừ có kích 13 thước tương tự khác. Cá Ngừ mắt to kiếm ăn vào cả ngày lẫn đêm. Hoạt động kiếm ăn của chúng diễn ra suốt ngày và đêm.

(JICA, 1997) - Cấu trúc đàn của cá ngừ mắt to: Sự đánh giá đàn cá thường giả thuyết về cấu trúc đàn phổ biến ở Thái Bình Dương mặc dù những giả thuyết về cấu trúc đàn khác chẳng hạn như các đàn cá riêng rẽ đông và tây cũng đã được xem xét. Sự thu hẹp vùng đẻ trứng và sự vắng bóng ấu trùng ở vùng biển trung tâm Thái Bình Dương có thể phù hợp với các quần thể riêng rẽ ở đông và tây Thái Bình Dương hơn so với quần thể đơn lẻ ở vùng khác của Thái Bình Dương. Tuy nhiên, số liệu theo dõi cá cho thấy sự di chuyển của cá Ngừ mắt to từ tây Thái Bình Dương không mở rộng. Mặt khác, không có sự gián đoạn lớn trong sản lượng đánh bắt trên một đơn vị cường lực (CPUE) của nghề câu vàng trên khắp Thái Bình Dương cho thấy có sự chia rẽ đàn.

- Vùng phân bố của cá ngừ mắt to: Cá Ngừ mắt to có sự phân bố địa lí toàn thế giới ở các vùng biển nhiệt đới và cận nhiệt đới: chúng phân bố rộng khắp trên các vùng biển nhiệt đới và cận nhiệt đới của Đại Tây Dương, Ấn Độ Dương và Thái Bình Dương nhưng lại vắng bóng trong biển Địa Trung Hải. Cá Ngừ mắt to vẫn luôn được xem là loài bắt gặp khắp miền nhiệt đới ở hầu hết các khu vực giữa 40 o vĩ Bắc và 30o vĩ Nam. Cá Ngừ mắt to sống ngoài khơi ở tầng mặt (epipelagic) hoặc ở tầng giữa (mesopelagic), xuất hiện từ tầng nước bề mặt cho tới độ sâu 250m.