Luận án TS Phan Quốc Yên: Nghiên cứu địa hình nước nông Trường Sa qua viễn thám, GIS

Đo sâu vệ tinh Trường Sa phục vụ nhiều mục đích. Quản lý tài nguyên biển cần dữ liệu chính xác. Bảo vệ chủ quyền biển đảo đòi hỏi thông tin địa hình chi tiết. Rạn san hô Trường Sa là hệ sinh thái nhạy cảm. Theo dõi biến động địa hình giúp bảo tồn hiệu quả. Công nghệ viễn thám quang học biển nông phát triển mạnh. Ảnh vệ tinh Sentinel-2 biển và ảnh Landsat đo sâu cung cấp dữ liệu đa dạng. Độ phân giải thời gian cao cho phép theo dõi liên tục. Phương pháp truyền thống tốn kém và hạn chế phạm vi. Viễn thám giải quyết bài toán này.

Mục tiêu chính là xây dựng mô hình số độ sâu (bathymetric DEM). Khu vực nghiên cứu tập trung ven đảo An Bang thuộc quần đảo Trường Sa. Phạm vi vùng nước nông từ 0 đến 30 mét. Nghiên cứu đánh giá khả năng áp dụng phương pháp viễn thám đa phổ. Xác định biến động địa hình đáy biển theo thời gian. Ứng dụng hệ thống thông tin địa lý biển trong phân tích dữ liệu. Kết quả phục vụ quản lý và bảo vệ đảo san hô. Dữ liệu đầu vào bao gồm ảnh vệ tinh độ phân giải cao. WorldView-2 và Sentinel-2A là nguồn ảnh chính.

Luận án đề xuất quy trình đo sâu viễn thám áp dụng cho Trường Sa. Kết hợp đa nguồn dữ liệu vệ tinh khác nhau. Tích hợp GIS trong xử lý và phân tích. Đánh giá ảnh hưởng thủy triều đến kết quả đo sâu. Xây dựng mô hình hồi quy cho vùng nước nông nhiệt đới. Nghiên cứu tập trung vào đảo san hô xa bờ đặc thù. Đây là đóng góp mới cho khoa học bản đồ biển Việt Nam.

Ánh sáng mặt trời chiếu xuống biển. Một phần phản xạ bề mặt. Phần còn lại xuyên vào nước. Trong nước, ánh sáng bị hấp thu và tán xạ. Đáy biển phản xạ ánh sáng lên vệ tinh. Phản xạ đáy tỷ lệ nghịch với độ sâu. Bước sóng ngắn xanh (blue) xuyên sâu nhất. Bước sóng đỏ (red) bị hấp thu nhanh. Tỷ lệ giữa các dải phổ xác định độ sâu. Công thức Stumpf và Lyzenga được áp dụng phổ biến.

Độ trong suốt nước biển ảnh hưởng lớn nhất. Chất lơ lửng làm giảm tín hiệu đáy. Thành phần đáy biển tác động phản xạ. San hô, cát, bùn có hệ số phản xạ khác nhau. Góc nhìn vệ tinh gây biến dạng hình học. Thời điểm thu ảnh ảnh hưởng ánh sáng. Mây che phủ hạn chế thu ảnh. Thủy triều thay đổi mực nước thực tế. Hiệu chỉnh thủy triều là bước bắt buộc. Độ phân giải không gian hạn chế chi tiết nhỏ.

Thủy triều thay đổi mực nước đo được. Ảnh vệ tinh ghi nhận độ sâu tương đối. Cần hiệu chỉnh về mực nước tham chiếu. Dữ liệu thủy triều từ trạm đo hoặc mô hình. Trường Sa có biên độ thủy triều trung bình. Sai số thủy triều tích lũy vào kết quả. Chọn thời điểm thu ảnh gần triều thấp tối ưu. Kết hợp nhiều thời điểm giảm sai số.

Phương pháp hồi quy tuyến tính đơn giản. Sử dụng logarit độ sâu và logarit phản xạ. Mô hình Stumpf với tỷ lệ dải phổ. Mô hình Lyzenga với đa biến hồi quy. Mô hình nhân tử độ sâu (depth invariant index). Mỗi phương pháp có ưu nhược riêng. Lựa chọn phụ thuộc đặc điểm vùng nghiên cứu. Kiểm tra sai số bằng RMSE và R². So sánh với điểm đo thực địa. Chọn mô hình tối ưu cho đảo An Bang.

GIS tích hợp dữ liệu đa nguồn. Kết hợp ảnh vệ tinh, đo sâu, thủy triều. Tạo lớp dữ liệu không gian đáy biển. Xây dựng mô hình số độ sâu (bathymetric DEM). Phân tích dốc, hướng, dạng địa hình. Tính toán thể tích san hô, trầm tích. Trực quan hóa bản đồ 3D đáy biển. Xuất bản đồ chuyên đề phục vụ quản lý. Lưu trữ dữ liệu dạng geodatabase.

Ảnh WorldView-2 thu ngày quang mây. Ảnh Sentinel-2A cùng thời kỳ. Điểm đo sâu thực địa 50-100 điểm. Phạm vi đo từ 0-30 mét. Vị trí điểm đo bằng GPS độ chính xác cao. Dữ liệu thủy triều từ trạm đo gần nhất. Bản đồ hiện trạng đảo An Bang tham khảo. Đặc điểm đáy: san hô, cát, đá. Nước nông trong xanh quanh đảo.

Ảnh WorldView-2 cho kết quả tốt. Độ phân giải 2 mét chi tiết rạn san hô. Mô hình Lyzenga đa phổ đạt R² = 0.85. RMSE khoảng 1.5 mét ở vùng 0-15 mét. Sai số tăng ở vùng sâu hơn 20 mét. Vùng cát cho kết quả chính xác hơn vùng san hô. Hiệu chỉnh thủy triều cải thiện 10% độ chính xác. Bản đồ độ sâu chi tiết được tạo thành công.

Ảnh Sentinel-2A độ phân giải 10 mét. Phù hợp phủ rộng vùng nước nông. Mô hình Stumpf đạt R² = 0.78. Sai số lớn hơn WorldView-2 do phân giải thấp hơn. Ưu điểm: miễn phí, chu kỳ thu 5 ngày. Kết hợp đa thời điểm theo dõi biến động. Phù hợp giám sát diện rộng thềm lục địa. Kết quả khả quan cho vùng 0-15 mét.

Địa hình quanh đảo An Bang phức tạp. Rạn san hô tạo bậc thang tự nhiên. Vùng triều nông có địa hình gồ ghề. Sườn san hô dốc dần ra phía biển. Đáy cát xen kẽ bãi san hô chết. Mô hình số độ sâu thể hiện rõ hình thái. Dốc trung bình 5-15 độ ở vùng 0-10 mét. Giảm dần ở vùng sâu hơn. Hướng dốc thay đổi tùy vị trí quanh đảo.

So sánh bathymetric DEM hai thời kỳ. Tính hiệu số độ sâu từng ô lưới. Xác định vùng bồi tụ (giảm độ sâu). Xác định vùng xói lở (tăng độ sâu). Ngưỡng phát hiện biến động 0.5 mét. Dữ liệu ảnh vệ tinh nhiều năm liên tiếp. Phân tích xu hướng bằng hồi quy thời gian. Bản đồ biến động dạng raster và vector.

Kết quả cho thấy biến động cục bộ rõ rệt. Vùng triều cao biến động mạnh nhất. Rạn san hô sống có xu hướng thu hẹp. Vùng bồi tụ tập trung phía tây đảo. Vùng xói lở phía đông chịu sóng mạnh. Biến động liên quan mùa gió và dòng chảy. Dữ liệu GIS lưu trữ và cập nhật thường xuyên. Kết quả cảnh báo sớm cho quản lý đảo.

Xây dựng quy trình đo sâu viễn thám hoàn chỉnh. Áp dụng thành công cho đảo san hô nhiệt đới. So sánh hiệu quả nhiều mô hình hồi quy. Đánh giá ảnh vệ tinh Sentinel-2 và WorldView-2. Xác định giới hạn áp dụng từng phương pháp. Đề xuất cải tiến cho vùng nước đục. Đóng góp dữ liệu tham chiếu cho nghiên cứu tương tự.

Xây dựng geodatabase địa hình đáy biển. Tích hợp đa nguồn dữ liệu không gian. Cung cấp bản đồ chuyên đề cho quản lý đảo. Hỗ trợ giám sát môi trường rạn san hô. Phục vụ quy hoạch vùng biển ven đảo. Dữ liệu sẵn sàng tích hợp hệ thống GIS quốc gia. Ứng dụng trong bảo vệ chủ quyền biển đảo.

Nhân rộng cho toàn bộ quần đảo Trường Sa. Áp dụng cho quần đảo Hoàng Sa và các đảo khác. Kết hợp dữ liệu vệ tinh mới độ phân giải cao hơn. Tích hợp học sâu (deep learning) trong phân tích. Xây dựng hệ thống giám sát tự động. Cập nhật định kỳ theo chu kỳ vệ tinh. Phát triển thành sản phẩm bản đồ số thương mại.