Quan trắc môi trường bằng vệ tinh theo dõi những gì?

Khác với một trạm đo chỉ đại diện cho một vị trí, vệ tinh có thể quan sát liên tục những vùng rộng và lặp lại phép quan sát theo chu kỳ. NASA cho biết các vệ tinh quan sát Trái Đất thu thập thông tin về đại dương, khí quyển và bề mặt đất; nhiều cảm biến còn quan sát được những bước sóng ngoài vùng ánh sáng mắt người nhìn thấy như hồng ngoại, tử ngoại và vi sóng.

Nhờ đó, vệ tinh không chỉ tạo ra “ảnh chụp từ trên cao”. Giá trị chính nằm ở khả năng biến các khác biệt về phổ, nhiệt và thời gian thành dữ liệu để nhận diện biến động của đất, nước, sinh vật, khí quyển và các hiện tượng môi trường.

Vệ tinh quan trắc môi trường bằng cách nào?

Cảm biến vệ tinh hoạt động dựa trên sự tương tác giữa bức xạ điện từ và đối tượng cần quan sát. Đất, nước, cây xanh, mây, tuyết hay các thành phần khí quyển hấp thụ, phản xạ hoặc phát xạ năng lượng theo những cách khác nhau. Cảm biến ghi lại những khác biệt đó ở từng dải bước sóng.

Ví dụ, ánh sáng nhìn thấy giúp phân biệt nhiều đặc điểm màu sắc bề mặt; vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại sóng ngắn đặc biệt hữu ích khi đánh giá thảm thực vật, độ ẩm và trạng thái bề mặt; cảm biến hồng ngoại nhiệt cung cấp thông tin liên quan đến nhiệt độ. Một số thiết bị chuyên quan sát khí quyển khai thác những vùng phổ mà các khí khác nhau có dấu hiệu hấp thụ đặc trưng.

Vì vậy, quy trình quan trắc thường diễn ra theo chuỗi:

1.    Cảm biến ghi nhận tín hiệu điện từ từ Trái Đất hoặc khí quyển

2.    Dữ liệu được hiệu chỉnh về hình học, bức xạ và ảnh hưởng khí quyển khi cần

3.    Các dải phổ hoặc sản phẩm dẫn xuất được phân tích

4.    Thuật toán chuyển tín hiệu thành biến môi trường hoặc chỉ số có thể so sánh

5.    Nhiều thời điểm quan sát được ghép thành chuỗi thời gian để phát hiện xu hướng và biến động

Cơ chế này cũng giải thích vì sao một vệ tinh không thể theo dõi tốt mọi chỉ tiêu. Khả năng quan trắc phụ thuộc vào loại cảm biến, các dải phổ, độ phân giải không gian, tần suất chụp và thuật toán xử lý.

Quan trắc môi trường bằng vệ tinh theo dõi những gì?

Đất, lớp phủ và thảm thực vật

Đây là một trong những nhóm đối tượng được quan sát phổ biến nhất. Vệ tinh có thể hỗ trợ lập bản đồ lớp phủ đất, theo dõi thay đổi sử dụng đất, diện tích rừng, suy giảm thảm thực vật, khu vực bị cháy, mức độ xanh của cây và một số đặc tính sinh lý được suy luận từ tín hiệu phổ.

Sentinel-2 của chương trình Copernicus sử dụng cảm biến đa phổ 13 dải. ESA nêu các ứng dụng chính gồm theo dõi nông nghiệp, rừng, thay đổi sử dụng và lớp phủ đất; các sản phẩm còn có thể hỗ trợ xác định những biến như hàm lượng chlorophyll lá, hàm lượng nước trong lá và chỉ số diện tích lá. Cảm biến có độ phân giải 10 m ở bốn dải nhìn thấy/cận hồng ngoại, 20 m ở sáu dải red-edge và hồng ngoại sóng ngắn, cùng 60 m ở ba dải phục vụ hiệu chỉnh khí quyển.

So sánh ảnh của cùng một khu vực qua nhiều thời điểm cho phép phân biệt biến động tạm thời với thay đổi kéo dài. Đây là cơ sở để nhận diện mất rừng, mở rộng đô thị, biến đổi vùng đất ngập nước hoặc phục hồi thảm thực vật trên diện tích lớn.

Nước mặt, vùng ven biển và đại dương

Vệ tinh có thể xác định phạm vi mặt nước và theo dõi sự thay đổi của sông, hồ, hồ chứa, vùng ngập và đường bờ. Các cảm biến phù hợp còn hỗ trợ quan sát màu nước, nhiệt độ bề mặt biển, chlorophyll và một số đặc tính quang học liên quan đến vật chất trong nước.

USGS hiện cung cấp sản phẩm Landsat Dynamic Surface Water Extent để xác định sự hiện diện và biến động của nước mặt trong các pixel không bị mây, bóng mây hoặc tuyết che khuất.

Ở quy mô đại dương, MODIS trên các vệ tinh Terra và Aqua có các sản phẩm liên quan đến chlorophyll, nhiệt độ mặt biển và đặc tính sinh học của đại dương. NASA mô tả nhiệt độ mặt biển từ MODIS là phép quan sát lớp nước rất gần bề mặt, trong khi dữ liệu chlorophyll hỗ trợ nhận biết sự phân bố của thực vật phù du.

Điều cần lưu ý là nhiều chỉ tiêu chất lượng nước không được vệ tinh “đo trực tiếp” theo cùng cách lấy mẫu trong phòng thí nghiệm. Chúng thường được suy luận từ phản xạ phổ thông qua thuật toán, nên độ tin cậy phụ thuộc loại nước, điều kiện khí quyển, độ đục, độ sâu và chất lượng hiệu chỉnh.

Khí quyển và ô nhiễm không khí

Các vệ tinh chuyên quan sát khí quyển có thể theo dõi aerosol, mây và nhiều khí vết. Sentinel-5P, chẳng hạn, được thiết kế cho quan trắc khí quyển phục vụ chất lượng không khí, ozone, bức xạ UV và khí hậu. Các sản phẩm của nhiệm vụ bao gồm nitrogen dioxide (NO₂), sulfur dioxide (SO₂), carbon monoxide (CO), methane (CH₄), ozone (O₃), formaldehyde và chỉ số aerosol.

Dữ liệu này đặc biệt hữu ích khi cần nhìn thấy cấu trúc ô nhiễm trên quy mô thành phố, vùng hoặc xuyên biên giới mà mạng lưới trạm mặt đất thưa khó thể hiện đầy đủ.

Tuy nhiên, một bản đồ vệ tinh về khí ô nhiễm không mặc nhiên tương đương với số đo nồng độ tại độ cao hô hấp của con người. Tùy sản phẩm, vệ tinh có thể quan sát lượng khí tích hợp theo cột khí quyển hoặc một đại lượng được suy diễn từ phép đo phổ. Vì thế, muốn đánh giá phơi nhiễm tại mặt đất thường cần kết hợp thêm mô hình khí quyển và trạm quan trắc.

Nhiệt độ, cháy rừng, tuyết và băng

Cảm biến nhiệt có khả năng nhận biết bức xạ phát ra từ bề mặt, từ đó tạo sản phẩm nhiệt độ bề mặt đất hoặc biển. Landsat 8, chẳng hạn, có cảm biến TIRS chuyên đo nhiệt ở hai dải hồng ngoại nhiệt, trong khi dữ liệu đa phổ của OLI có độ phân giải 30 m.

Dữ liệu nhiệt và đa phổ còn hỗ trợ phát hiện điểm nóng, khu vực cháy và vết cháy. MODIS cung cấp sản phẩm về cháy, tuyết trên đất, băng biển, mây và aerosol bên cạnh các biến về đất và đại dương.

Những chuỗi quan sát này cho phép theo dõi cả sự kiện xảy ra nhanh như cháy rừng lẫn những thay đổi dài hạn như biến động diện tích tuyết, băng hoặc nhiệt độ bề mặt.

Dữ liệu vệ tinh biến thành chỉ số môi trường như thế nào?

Pixel trong ảnh vệ tinh ban đầu chủ yếu chứa giá trị bức xạ hoặc phản xạ ở từng dải phổ. Để một pixel trở thành thông tin môi trường, cần có bước xử lý và diễn giải.

Với thảm thực vật, các dải đỏ và cận hồng ngoại có thể được kết hợp thành chỉ số nhằm mô tả mức độ xanh hoặc hoạt động quang hợp. Với mặt nước, sự khác biệt về phản xạ giữa nước và các bề mặt khác có thể được sử dụng để phân loại diện tích ngập. Với nhiệt độ, năng lượng hồng ngoại nhiệt được chuyển thành nhiệt độ sáng rồi hiệu chỉnh để xây dựng sản phẩm nhiệt độ bề mặt.

Ở khí quyển, bài toán phức tạp hơn. Thuật toán phải phân tích các đặc điểm hấp thụ phổ của khí, đồng thời xử lý ảnh hưởng của mây, aerosol, góc quan sát và nhiều yếu tố vật lý khác trước khi suy ra đại lượng cần quan trắc.

Do đó, sản phẩm môi trường từ vệ tinh luôn có một chuỗi suy luận giữa tín hiệu cảm biến → hiệu chỉnh → thuật toán → biến môi trường. Hiểu chuỗi này quan trọng hơn việc chỉ nhìn ảnh màu, vì nó cho biết đại lượng nào thực sự được đo và đại lượng nào được ước tính.

Vì sao vệ tinh phát hiện được biến động trên phạm vi lớn?

Ưu thế nổi bật của vệ tinh là kết hợp ba chiều thông tin: không gian, phổ và thời gian.

Phạm vi không gian giúp cùng một hệ thống quan sát những khu vực mà triển khai mạng lưới thiết bị mặt đất dày đặc sẽ rất khó khăn. Thông tin phổ cho phép cảm biến phân biệt những đặc tính mắt thường không nhận ra. Chuỗi thời gian giúp so sánh trạng thái của cùng một khu vực qua nhiều ngày, tháng hoặc năm.

Tần suất quan sát khác nhau tùy nhiệm vụ. Sentinel-2 được ESA thiết kế với độ rộng dải quét 290 km và chu kỳ quan sát lại khoảng 5 ngày của cấu hình chòm vệ tinh tại xích đạo. Landsat 8 và Landsat 9 mỗi vệ tinh có chu kỳ lặp 16 ngày; do hai quỹ đạo lệch nhau, USGS cho biết cùng khu vực có thể được chụp khoảng mỗi 8 ngày. MODIS ưu tiên phạm vi và tần suất hơn độ chi tiết không gian, với khả năng bao phủ toàn cầu khoảng mỗi 1–2 ngày.

Không có một mức độ phân giải nào tối ưu cho mọi nhiệm vụ. Quan sát một đám cháy đang phát triển nhanh có thể ưu tiên tần suất cập nhật, còn lập bản đồ thay đổi lớp phủ tại một khu vực nhỏ lại cần pixel chi tiết hơn.

Những giới hạn nào cần tính đến khi quan trắc môi trường bằng vệ tinh?

Vệ tinh mở rộng đáng kể khả năng quan sát nhưng không phải phép đo tuyệt đối và cũng không thay thế toàn bộ hệ thống quan trắc truyền thống.

Trước hết là mây và khí quyển. Cảm biến quang học có thể mất thông tin bề mặt khi mây che phủ. Điều này đặc biệt quan trọng ở vùng nhiệt đới hoặc trong mùa mưa, nơi khoảng thời gian giữa hai ảnh thực sự sử dụng được có thể dài hơn chu kỳ bay qua lý thuyết.

Thứ hai là độ phân giải không gian. Một pixel 10 m và một pixel 30 m đại diện cho diện tích bề mặt khác nhau đáng kể. Đối tượng nhỏ hơn pixel có thể bị trộn với môi trường xung quanh, khiến việc nhận diện nguồn ô nhiễm nhỏ hoặc dòng nước hẹp khó chính xác.

Thứ ba là độ phân giải thời gian. Một vệ tinh chỉ ghi lại trạng thái tại thời điểm nó bay qua. Hiện tượng diễn ra giữa hai lần quan sát có thể bị bỏ lỡ, đặc biệt nếu biến động nhanh.

Thứ tư là tính gián tiếp của phép đo. Nhiều chỉ số môi trường được suy ra từ tín hiệu phổ chứ không phải đo trực tiếp biến cần quan tâm. Sai số có thể phát sinh từ hiệu chỉnh khí quyển, thuật toán, điều kiện bề mặt hoặc việc áp dụng mô hình ngoài phạm vi mà mô hình đã được kiểm chứng.

Cuối cùng là nhu cầu kiểm chứng tại chỗ. Dữ liệu mặt đất cung cấp phép đo trực tiếp tại một vị trí và có thể dùng để hiệu chuẩn hoặc đánh giá sản phẩm vệ tinh. Vệ tinh và trạm quan trắc vì thế bổ sung cho nhau hơn là cạnh tranh để thay thế nhau.

Kết hợp vệ tinh với quan trắc tại chỗ như thế nào?

Một hệ thống quan trắc hiệu quả thường tận dụng thế mạnh của cả hai nguồn dữ liệu.

Vệ tinh phù hợp để sàng lọc không gian rộng, nhận diện vùng bất thường và theo dõi biến động theo thời gian. Quan trắc tại chỗ lại phù hợp để đo trực tiếp các thông số cụ thể, kiểm tra nguyên nhân và xác nhận mức độ của hiện tượng tại địa điểm cần quan tâm.

Quy trình thực tế có thể bắt đầu bằng bản đồ vệ tinh để xác định nơi biến động mạnh. Các điểm đó sau đó được ưu tiên khảo sát hoặc lấy mẫu tại hiện trường. Dữ liệu mặt đất tiếp tục được dùng để đánh giá thuật toán vệ tinh, sau đó chuỗi ảnh vệ tinh mở rộng kết quả từ những điểm đo sang phạm vi lớn hơn.

Cách kết hợp này khắc phục hai hạn chế đối nghịch: trạm mặt đất có độ chính xác cục bộ nhưng phạm vi nhỏ, trong khi vệ tinh bao phủ rộng nhưng nhiều biến được suy luận gián tiếp. Khi hai nguồn được đối chiếu đúng phương pháp, quan trắc môi trường có thể vừa giữ được tính liên tục không gian vừa có căn cứ kiểm chứng tại thực địa.

Quan trắc môi trường bằng vệ tinh giúp biến góc nhìn từ không gian thành chuỗi dữ liệu về đất, thảm thực vật, nước, đại dương, khí quyển, nhiệt, cháy, tuyết và băng. Giá trị lớn nhất không nằm ở một bức ảnh đơn lẻ mà ở khả năng quan sát lặp lại trên diện rộng, từ đó nhận biết nơi nào đang thay đổi, thay đổi bao nhiêu và xu hướng diễn biến ra sao.

Dữ liệu vệ tinh phát huy hiệu quả cao nhất khi lựa chọn cảm biến phù hợp với đối tượng cần theo dõi và được kết hợp với dữ liệu mặt đất. Vệ tinh cung cấp bức tranh không gian và thời gian rộng; phép đo tại chỗ cung cấp chi tiết và căn cứ kiểm chứng. Hai lớp thông tin này kết hợp mới tạo thành hệ thống quan trắc môi trường đầy đủ hơn.