Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu toàn cầu và các hiện tượng thời tiết cực đoan đang gia tăng mạnh mẽ với những tổn thất nghiêm trọng trên quy mô toàn cầu. Lịch sử đã ghi nhận trận đại hồng thủy năm 1998 trên lưu vực sông Trường Giang khiến khoảng 3.000 người thiệt mạng và ảnh hưởng trực tiếp tới 240 triệu người. Tại Việt Nam, đợt lũ lịch sử năm 1999 tại miền Trung đã cướp đi sinh mạng của hơn 500 người, gây thiệt hại kinh tế vượt mức 3.800 tỷ đồng, trong khi giai đoạn 2000 - 2010 chứng kiến 96 trận lũ quét gây hư hại cho hơn 120.000 căn nhà và làm ngập úng trên 132.000 ha hoa màu. Nằm trong vùng hạ lưu Đồng bằng sông Cửu Long, tỉnh Trà Vinh liên tục đối mặt với nguy cơ ngập lụt diện rộng do tác động kép từ lũ thượng nguồn và triều cường dâng cao từ Biển Đông.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là các phương pháp đo đạc trắc địa truyền thống hay điều tra thực địa đơn thuần đòi hỏi nguồn kinh phí rất lớn, tốn nhiều thời gian và không thể phản ánh kịp thời diễn biến lũ trên diện rộng. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu thiết lập quy trình công nghệ tích hợp hệ thống thông tin địa lý và viễn thám nhằm thành lập bản đồ hiện trạng ngập lụt tỉnh Trà Vinh tỷ lệ 1:250.000, đồng thời xác định ranh giới không gian và tính toán diện tích ngập lụt chi tiết cho từng đơn vị hành chính cấp huyện.

Phạm vi không gian nghiên cứu được giới hạn từ 9°31'46" đến 10°4'5" vĩ độ Bắc và từ 105°57'16" đến 106°36'04" kinh độ Đông, bao trùm toàn bộ diện tích tự nhiên của tỉnh Trà Vinh với 8 đơn vị hành chính cấp huyện và thành phố. Về phạm vi thời gian, nghiên cứu tập trung bóc tách và phân tích đợt ngập lũ điển hình ngày 28/08/2008. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn sâu sắc khi nâng cao độ chính xác giám sát không gian lên trên 85%, đồng thời tiết kiệm hơn 50% thời gian khảo sát thực địa, tạo công cụ trực quan hỗ trợ đắc lực cho các nhà quản lý trong việc đánh giá mức độ tổn thất và xây dựng phương án ứng phó thiên tai bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên 2 nền tảng lý thuyết chủ đạo là lý thuyết tương tác bức xạ điện từ trong công nghệ viễn thám và lý thuyết phân tích không gian trong hệ thống thông tin địa lý. Theo nguyên lý viễn thám, các vật thể trên bề mặt Trái Đất có đặc trưng phản xạ và bức xạ sóng điện từ khác nhau trên từng dải phổ; trong đó, nước mặt hấp thụ mạnh năng lượng ở dải sóng hồng ngoại gần và phản xạ đặc trưng ở dải sóng vi ba. Đối với ảnh vệ tinh radar khẩu độ tổng hợp, bề mặt nước phẳng lặng đóng vai trò như gương phản xạ làm sóng phân tán ra xa anten thu, tạo nên các điểm ảnh có tông màu tối rất đặc trưng so với các lớp phủ thực vật hay khu dân cư.

Bên cạnh đó, nghiên cứu áp dụng thuật toán phân loại có kiểm định theo nguyên lý xác suất cực đại. Thuật toán này tính toán hàm mật độ xác suất đa biến dựa trên giá trị trung bình và ma trận hiệp phương sai của các mẫu huấn luyện, từ đó gán từng điểm ảnh vào lớp đối tượng có xác suất xuất hiện cao nhất. Nghiên cứu cũng tích hợp 4 khái niệm khoa học cốt lõi: độ phân giải không gian từ 20m đến 75m, mô hình số độ cao, thuật toán lọc nhiễu đóm và cơ sở dữ liệu địa lý không gian đa tầng. Việc kết hợp đồng bộ các cơ sở lý thuyết này đảm bảo quá trình bóc tách vết lũ đạt độ tin cậy khoa học cao nhất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của luận văn bao gồm 01 cảnh ảnh vệ tinh radar vi ba thu nhận ngày 28/08/2008 ở độ phân giải không gian 75m, kết hợp 04 cảnh ảnh vệ tinh quang học đa phổ với độ phân giải 20m thu nhận trong giai đoạn năm 2009. Dữ liệu nền địa lý được chuẩn hóa từ hệ thống bản đồ địa hình 4 tỷ lệ gồm 1:25.000, 1:50.000, 1:100.000 và 1:250.000, cùng mô hình số độ cao khu vực nghiên cứu trên hệ quy chiếu quốc gia.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu, nghiên cứu thực hiện phương pháp chọn mẫu toàn bộ bao phủ 100% diện tích lãnh thổ tự nhiên tỉnh Trà Vinh với hơn 2.341 km2. Đồng thời, tác giả lựa chọn ngẫu nhiên có phân tầng hơn 120 điểm mẫu kiểm định thực địa đại diện cho các lớp đối tượng: mặt nước ngập, vùng trũng ngập cục bộ, đất nông nghiệp và khu dân cư để hiệu chỉnh phổ ảnh.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích ảnh số trên phần mềm chuyên dụng và chồng xếp không gian là vì cảm biến radar có khả năng xuyên qua mây mù, mưa bão trong thời điểm xảy ra thiên tai, điều mà ảnh quang học truyền thống hoàn toàn bị vô hiệu hóa. Quy trình xử lý trải qua các giai đoạn: nắn chỉnh hình học ảnh về hệ tọa độ chuẩn, áp dụng bộ lọc làm mịn giảm nhiễu đóm, bóc tách ngưỡng giá trị mặt nước, chuyển đổi sang dữ liệu dạng vector và biên tập bản đồ chuyên đề hoàn chỉnh. Timeline thực hiện nghiên cứu kéo dài từ khâu thu thập dữ liệu lịch sử năm 2008 đến phân tích chuyên sâu và hoàn thiện toàn diện vào năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình chiết tách thông tin phổ và phân tích không gian đã xác định tổng diện tích ngập lụt trên toàn địa bàn tỉnh Trà Vinh tại thời điểm khảo sát đạt 22.636 ha, phân bố tập trung chủ yếu tại 5 huyện trọng điểm.

Thứ nhất, huyện Tiểu Cần ghi nhận mức độ ngập lụt nghiêm trọng nhất toàn tỉnh với diện tích ngập lên tới 9.552 ha, chiếm tỷ trọng cao nhất là 42,20% trong tổng diện tích ngập của toàn tỉnh.

Thứ hai, huyện Trà Cú có diện tích ngập lớn thứ hai với 6.432 ha, tương đương 28,41% tổng diện tích ngập; tiếp theo là huyện Châu Thành với 3.263 ha, chiếm 14,41% diện tích ngập toàn tỉnh.

Thứ ba, huyện Càng Long và huyện Cầu Kè chịu mức độ ngập thấp hơn đáng kể, lần lượt đạt 1.842 ha (chiếm 8,14%) và 1.547 ha (chiếm 6,83%).

Thứ tư, tại 3 đơn vị hành chính còn lại gồm Thành phố Trà Vinh, huyện Duyên Hải và huyện Cầu Ngang, diện tích ngập lụt ghi nhận ở mức 0 ha (chiếm 0,00%), cho thấy hiện tượng ngập lụt vào thời điểm ngày 28/08/2008 không ảnh hưởng đáng kể đến các địa phương này.

Thảo luận kết quả

Kết quả phân tích không gian cho thấy sự phân bố diện tích ngập lụt chịu sự chi phối trực tiếp của cấu trúc địa hình và hệ thống thủy văn. Hai huyện Tiểu Cần và Trà Cú với tổng diện tích ngập lên tới 15.984 ha (chiếm 70,61% toàn tỉnh) đều là những vùng có cao trình trung bình thấp so với mực nước biển, đồng thời nằm kề cận các phân lưu lớn của sông Hậu và sông Cổ Chiên. Khi lũ thượng nguồn đổ về kết hợp cùng các đợt triều cường, nước lũ dễ dàng dâng cao tràn qua các tuyến đê bao thấp và đọng lại lâu ngày tại các ô trũng nội đồng.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua bảng thống kê diện tích chi tiết và bản đồ phân vùng ngập lụt tỷ lệ 1:250.000 trên nền tảng phần mềm hệ thống thông tin địa lý. Bản đồ thể hiện rõ nét ranh giới ngập nước bằng các mảng màu chuyên đề đối chiếu với 7 lớp dữ liệu không gian gồm: mạng lưới giao thông, khu dân cư, ranh giới hành chính, hệ thống sông rạch và mô hình số độ cao.

Khi so sánh với các nghiên cứu thủy lực truyền thống như mô hình tính toán một chiều hay điều tra vết lũ ngập cục bộ, việc ứng dụng công nghệ viễn thám mang lại cái nhìn bao quát tức thời trên phạm vi toàn tỉnh với chi phí tiết kiệm hơn 60%. Độ chính xác hình học và vị trí không gian của các đường ranh giới ngập nước đạt độ tương đồng cao với hồ sơ quan trắc khí tượng thủy văn thực tế của địa phương, khẳng định tính khả thi vượt trội của phương pháp ảnh viễn thám số.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu và thực trạng ngập lụt tại địa phương, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm nâng cao hiệu quả phòng chống thiên tai:

Một là, xây dựng hệ thống tự động tiếp nhận và xử lý chuỗi ảnh vệ tinh radar đa thời gian với chu kỳ cập nhật từ 6 đến 12 ngày/lần. Mục tiêu hướng tới là nâng cao độ chính xác cảnh báo sớm lên trên 90% diện tích có nguy cơ bị đe dọa. Thời gian thực hiện dự kiến trong giai đoạn 2026 - 2028 do Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Trà Vinh chủ trì phối hợp cùng Cục Viễn thám Quốc gia.

Hai là, tích hợp sâu rộng mô hình số độ cao có độ chính xác 0,2m với các mô hình thủy văn - thủy lực hiện đại nhằm mô phỏng chi tiết độ sâu ngập lụt cho 100% các xã xung yếu ven sông Hậu. Giải pháp này cần được triển khai trong giai đoạn 2027 - 2029 bởi Viện Quy hoạch Thủy lợi Miền Nam và các đơn vị nghiên cứu chuyên ngành.

Ba là, quy hoạch và nâng cấp hơn 150 km đê bao ngăn triều, kết hợp cống kiểm soát lũ tại 5 huyện có nguy cơ cao (đặc biệt là Tiểu Cần với 9.552 ha và Trà Cú với 6.432 ha đất ngập). Mục tiêu phấn đấu giảm thiểu 35% diện tích đất nông nghiệp bị ngập úng trước năm 2030, do Ủy ban Nhân dân tỉnh Trà Vinh cùng Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn chỉ đạo thực hiện.

Bốn là, chuẩn hóa và số hóa 100% cơ sở dữ liệu địa lý không gian theo tiêu chuẩn dữ liệu quốc gia trên hệ tọa độ đồng nhất. Nhiệm vụ này nhằm cung cấp thông tin kịp thời phục vụ công tác di dời dân cư khẩn cấp trong vòng 24 tháng, do Trung tâm Công nghệ Thông tin Tài nguyên Môi trường địa phương đảm trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và sản phẩm của luận văn mang lại giá trị thực tiễn to lớn cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

Nhóm 1: Cơ quan quản lý Nhà nước và Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai các cấp tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Tài liệu cung cấp cơ sở khoa học xác thực về ranh giới 22.636 ha vùng ngập lụt, giúp các nhà hoạch định chính sách xây dựng phương án cứu trợ, di dời hơn 10.000 hộ dân vùng trũng thấp một cách chủ động và an toàn.

Nhóm 2: Các kỹ sư thủy lợi và chuyên gia quy hoạch đô thị, nông thôn. Dữ liệu bản đồ ngập lụt tỷ lệ 1:250.000 cùng cấu trúc cơ sở dữ liệu không gian 7 lớp là công cụ đắc lực để thiết kế hệ thống cống ngăn mặn, trạm bơm tiêu thoát nước và nâng cấp cốt nền hạ tầng giao thông tại 5 huyện thường xuyên ngập úng.

Nhóm 3: Các nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Quản lý Đất đai và Địa tin học. Luận văn cung cấp quy trình kỹ thuật hoàn chỉnh về xử lý ảnh radar vi ba trên phần mềm chuyên dụng và phương pháp tích hợp mô hình số độ cao, phục vụ công tác giảng dạy và phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

Nhóm 4: Các doanh nghiệp bảo hiểm nông nghiệp và tổ chức phi chính phủ. Số liệu thống kê diện tích ngập chi tiết theo từng đơn vị hành chính giúp định lượng chính xác rủi ro thiệt hại mùa màng trên hơn 15.000 ha đất canh tác lúa, từ đó xây dựng các sản phẩm bảo hiểm vi mô và chương trình tài trợ sinh kế thích ứng biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nghiên cứu lại ưu tiên sử dụng ảnh radar vi ba thay vì ảnh quang học truyền thống để thành lập bản đồ ngập lụt? Ảnh vệ tinh radar vi ba có bước sóng dài nên sở hữu khả năng xuyên qua các tầng mây dày đặc, sương mù và hoạt động hiệu quả trong điều kiện mưa bão cả ngày lẫn đêm. Trong khi mùa lũ năm 2008 tại Trà Vinh có độ che phủ mây lên tới trên 80% làm ảnh quang học bị che khuất, dữ liệu radar ở độ phân giải 75m đã ghi nhận trọn vẹn 2.341 km2 bề mặt khu vực nghiên cứu.

Huyện nào tại tỉnh Trà Vinh chịu mức độ ngập lụt lớn nhất và nguyên nhân là gì? Huyện Tiểu Cần chịu mức độ ngập lụt lớn nhất toàn tỉnh với diện tích 9.552 ha, chiếm 42,20% tổng diện tích ngập. Nguyên nhân do địa phương này có cao trình địa hình trung bình rất thấp, kết hợp mạng lưới kênh rạch dày đặc nối trực tiếp với sông Hậu, khiến nước lũ và triều cường dễ dàng tràn sâu vào nội đồng.

Các phần mềm chuyên ngành nào đã được ứng dụng trong quy trình xử lý dữ liệu của luận văn? Nghiên cứu ứng dụng phần mềm chuyên dụng xử lý ảnh số để thực hiện nắn chỉnh hình học, áp dụng bộ lọc giảm nhiễu và phân loại bóc tách mặt nước. Sau đó, phần mềm hệ thống thông tin địa lý và phần mềm biên tập bản đồ được khai thác để xây dựng cơ sở dữ liệu không gian và xuất bản đồ tỷ lệ 1:250.000.

Bản đồ ngập lụt được thành lập có tính chất dự báo thời gian thực hay không? Bản đồ thành lập trong luận văn là bản đồ hiện trạng phản ánh chính xác phạm vi ngập tại thời điểm ngày 28/08/2008. Để xây dựng hệ thống dự báo thời gian thực, cần tích hợp bổ sung chuỗi ảnh radar thu nhận định kỳ 6 ngày/lần cùng các mô hình mô phỏng thủy lực chuyên sâu và mạng lưới trạm đo mưa tự động.

Mô hình số độ cao đóng vai trò như thế nào trong việc nâng cao độ chính xác của bản đồ ngập? Mô hình số độ cao cung cấp dữ liệu cao trình chi tiết của bề mặt địa hình, giúp loại bỏ các vùng nước ngập cục bộ giả do phản xạ bề mặt và hỗ trợ khoanh vùng chính xác các ô trũng có nguy cơ ngưng đọng nước cao. Sự kết hợp giữa mô hình độ cao và ảnh vệ tinh giúp độ chính xác của bản đồ đạt trên 85%.

Kết luận

Luận văn đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu với 5 đóng góp học thuật và thực tiễn nổi bật:

  • Xây dựng thành công quy trình công nghệ tích hợp ảnh viễn thám radar, ảnh quang học đa phổ và hệ thống thông tin địa lý trên hệ quy chiếu quốc gia chuẩn.
  • Thành lập bộ bản đồ hiện trạng ngập lụt tỉnh Trà Vinh tỷ lệ 1:250.000 đạt tiêu chuẩn kỹ thuật với cơ sở dữ liệu không gian 7 nhóm lớp thông tin hoàn chỉnh.
  • Bóc tách và định lượng chính xác 22.636 ha diện tích bị ngập lụt tại 5 huyện trọng điểm, xác lập cơ sở dữ liệu số quan trọng cho công tác quản lý thiên tai.
  • Chứng minh tính ưu việt vượt trội của công nghệ viễn thám vi ba giúp giảm hơn 50% thời gian và chi phí so với các phương pháp đo đạc trắc địa ngoại nghiệp truyền thống.
  • Đề xuất khung giải pháp và lộ trình kỹ thuật chi tiết giai đoạn 2026 - 2030 phục vụ quy hoạch hạ tầng đê điều và thích ứng bền vững với biến đổi khí hậu.

Kính mời quý độc giả, các cơ quan ban ngành và các nhà nghiên cứu cùng khai thác, ứng dụng kết quả của luận văn để nâng cao năng lực quản trị rủi ro thiên tai và phát triển kinh tế xã hội bền vững cho vùng Đồng bằng sông Cửu Long.