Sử dụng ảnh viễn ánh trong quan trắc chất lượng không khí

Nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TPHCM đã triển khai thành công hệ thống giám sát các chỉ số liên quan đến chất lượng không khí với sự kết hợp giữa cảm biến đo đạc và công nghệ trích xuất, phân tích ảnh viễn thám hiện đại.

TP.HCM đang triển khai đề án xây dựng thành phố thông minh (smartcity) với nhiều mục tiêu quan trọng, trong đó có nhiệm vụ chủ động ứng dụng các giải pháp công nghệ hiện đại nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống của người dân.

Trong lĩnh vực môi trường, công tác quan trắc chất lượng không khí đã được một số sở, ngành TP.HCM thực hiện từ nhiều năm trở lại đây với hàng loạt công cụ, giải pháp cụ thể. Tuy nhiên, thực tế cho thấy TP.HCM vẫn chưa có một hệ thống cảnh báo rủi ro (hazard map system) hoàn chỉnh và tổng thể, mà qua đó cung cấp đầy đủ thông tin về số liệu quan trắc môi trường ở chế độ thời gian thực cho các đơn vị quản lý. Việc dữ liệu không đồng nhất và không thường xuyên cập nhật cũng đã khiến công tác lập dự báo gặp khó khăn.

TS. Phạm Quốc Cường, chủ nhiệm đề tài "Hệ thống bản đồ cảnh báo (hazard map system) dùng các cảm biến năng lượng thấp và dữ liệu viễn thám" cho biết, mục tiêu tổng quát của nhiệm vụ nhằm phát triển hệ thống phục vụ định hướng thành phố thông minh của TP.HCM, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống người dân và khả năng quản lý của các ngành chức năng của TP, chẳng hạn như UBND và Sở TN&MT TP.

Sau thời gian nghiên cứu, xây dựng kiến trúc hệ thống, chế tạo và vận hành thử nghiệm, đội ngũ chuyên gia, kỹ sư tại trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TPHCM ngoài việc xây dựng hoàn chỉnh một khung sườn bản đồ cảnh báo rủi ro, nguy hiểm có thể tiếp nhận thông tin từ nhiều nguồn khác nhau như các cảm biến, ảnh vệ tinh, camera quan sát, cũng đã hoàn thiện sản xuất trọn bộ giải pháp thành phẩm gồm 10 node (điểm) thu thập dữ liệu từ các cảm biến, 4 node trung tâm (Gateway) và hệ thống phần mềm quản lý tương ứng.

Vận hành ổn định

Các node cảm biến trong bộ giải pháp được nhóm nghiên cứu hoàn thiện có khả năng tự động thu thập các thông tin về môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ bụi mịn PM 2.5, nồng độ CO, nồng độ CO₂, nồng độ Formandehit, sau đó gửi về dịch vụ điện toán đám mây thông qua các node trung tâm.

Node cảm biến được thiết dạng tủ kín, sử dụng pin năng lượng mặt trời để đảm bảo việc triển khai ở những khu vực hẻo lánh, khó cung cấp nguồn điện lưới.

Các node cảm biến và nốt thu thập dữ liệu trung tâm có khả năng hoạt động với hai nguồn cung cấp năng lượng là pin tích hợp, cũng như năng lượng mặt trời có khả năng vận hành 24/7, kết nối với nhau thông qua công nghệ không dây LoRa với chế độ bảo mật AES128. Ưu điểm của công nghệ LoRa và hệ thống pin năng lượng mặt trời là không phụ thuộc vào hạ tầng mạng viễn thông, điện lưới cấp nguồn tại một số khu vực khó triển khai các hệ thống quan trắc như vùng sâu vùng xa, khu vực có hóa chất độc hại.

Trong phạm vi của nghiên cứu, với công nghệ kết nối LoRa, một node trung tâm có thể quản lý cùng lúc 4 node cảm biến, và phạm vi kết nối giữa node trung tâm và node cảm biến là khoảng 400m, hoàn toàn phù hợp để triển khai trong không gian đô thị. Tại các node trung tâm, việc kết nối với hệ thống máy chủ dữ liệu điện toán đám chủ yếu vẫn được thông qua hạ tầng mạng Internet với kết nối Wi-Fi hay LAN. Tùy nhu cầu và tính cấp thiết của việc quan trắc, nhà quản lý có thể định thời cho các node cảm biến gửi dữ liệu về node trung tâm, và từ node trung tâm gửi tiếp dữ liệu về dịch vụ để thực hiện các phân tích, đánh giá và đưa thông tin cảnh báo.

Node trung tâm có chức năng thu thập dữ liệu từ các node cảm biến, sau đó chuyển dữ liệu thu thập về máy chủ dịch vụ điện toán đám mây.

TS. Cường cho biết thêm, một điểm nổi bật của giải pháp được nghiên cứu là có khả năng trích xuất ảnh viễn thám chụp bởi vệ tinh (do Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ - NASA cung cấp miễn phí), để từ đó có thể ước lượng nồng độ bụi mịn và nhiệt độ bề mặt tại những khu vực mà TP chưa có điều kiện để triển khai, bố trí các trạm quan trắc hiện nay hay như chính sản phẩm hoàn thiện từ đề tài nghiên cứu này.

"Kết hợp 2 yếu tố này lại sẽ giúp cho việc ước lượng giá trị nồng độ bụi và nhiệt độ từ ảnh chính xác hơn, và ngược lại ảnh sẽ giúp cho hệ thống có thể ước lượng được tại những vị trí mình chưa đặt điểm đo, qua đó có thể phát hiện ra những khu vực có chỉ số có nồng độ bụi mịn cao và việc triển khai máy đo phát hiện sự bất thường của không khí", đại diện nhóm nghiên cứu khẳng định.

TS. Cường thông tin thêm, do ảnh chụp vệ tinh LANDSAT 8 và ảnh viễn thám MODIS có chu kỳ cập nhật là khoảng 16 ngày, do đó thông tin độ dày quang học bụi và nhiệt độ bề mặt từ hai nguồn này chủ yếu phục vụ công tác kiểm tra số liệu quan trắc từ node cảm biến mà hệ thống thu thập trước đó, đồng thời tạo dữ liệu cho các nghiệp vụ thống kê, lập dự báo. Chưa dừng lại ở đó, dữ liệu từ ảnh viễn thám, ảnh vệ tinh cũng giúp cân chỉnh lại các cảm biến (sensor) để hoạt động chính xác hơn trong một số trường hợp cần thiết.

Đại diện nhóm nghiên cứu cho biết thêm, sau khi rút trích, ước tính được giá trị của nhiệt độ và độ dày quang học bụi từ dữ liệu ảnh chụp vệ tinh và ảnh viễn thám bằng thuật toán, để hoàn thiện đề tài, nhóm đã hoàn thiện bộ giải thuật sinh ra ảnh chuyển đổi để hiển thị và ánh xạ lên bản đồ phục vụ công tác giám sát được hiện thực hóa ở bộ công cụ quản lý.

Trực quan cho nhà quản lý

Được xác định là công trình mang tính hữu ích, nhóm thực hiện đề tài đã hoàn thiện việc xây dựng cổng thông tin cung cấp dữ liệu quan trắc môi trường, portal hỗ trợ cảnh báo/phản hồi qua tin nhắn SMS, cùng giao diện quản lý theo dõi thông tin (Web Interface), và ứng dụng giám sát trên thiết bị di động (Mobile Intereface) thông qua nền tảng một dịch vụ điện toán đám mây.

Công cụ quản lý cung cấp khả năng giám sát thời gian thực đối với các node quan trắc.

Giao diện quản lý thể hiện tất cả số liệu quan trắc tại từng node đang thu thập dữ liệu môi trường ở chế độ thời gian thực, cung cấp bộ công cụ cho phép những tổ chức, cá nhân được phân quyền có thể thực hiện trích xuất các số liệu thống kê theo nhiều định dạng, hay như theo dõi các báo cáo định kỳ. Cũng từ giao diện này, nhà quản lý có thể thiết lập các mốc cảnh báo phù hợp cho từng tiêu chí (nhiệt độ, độ ẩm, bụi,…) tại từng node quan trắc.

Việc phát hành các thông tin cảnh báo có thể được thiết lập triển khai qua nhiều phương thức như email, tin nhắn SMS và ngay trực tiếp trên màn hình quản lý. Bộ công cụ cũng cho phép các nhóm nhân sự đang trực hệ thống chủ động nhập vào nội dung đánh giá, phân tích các chỉ số đang quan trắc vào từng mốc thời gian đối với mọi node quan trắc.

Đặc biệt, với dữ liệu trích xuất từ ảnh chụp vệ tinh và ảnh viễn thám, bộ giải pháp là sản phẩm hoàn thiện của đề tài cho phép người dùng theo dõi bản đồ số tương tác một cách trực quan, đi kèm giá trị hai thông số nhiệt độ và nồng độ bụi tại vị trí được chọn ngay trên bản đồ.

Giá trị quan trắc môi trường rút trích từ ảnh viễn thám được hiển thị trên nền bản đồ tương tác.

Hướng đến khả năng mở rộng giải pháp để triển khai trong chương trình xây dựng TP.HCM trở thành đô thị thông minh, TS. Cường và nhóm cộng sự khẳng định, ở mức tổng thể, bộ sản phẩm hoàn thiện đã được thiết kế sẵn chuẩn giao tiếp để thuận tiện bổ sung hàng loạt nguồn dữ liệu kết nối từ các hệ thống cảm biến khác như cảm biến quan sát chống ngập, camera giao thông nhằm hợp nhất mọi thông tin, cảnh báo lên duy nhất một hệ thống giám sát.