Vệ tinh theo dõi lũ hiệu quả nhất trong mùa mưa bão là vệ tinh radar khẩu độ tổng hợp (SAR), như chòm Sentinel-1 của châu Âu. Radar tự phát sóng vi ba nên chụp được xuyên mây, cả ngày lẫn đêm. Mặt nước phẳng phản xạ sóng đi chỗ khác như gương, nên hiện lên màu tối trên ảnh; so ảnh trước và sau lũ là khoanh được vùng ngập trên diện rộng chỉ vài giờ sau khi vệ tinh bay qua.
Bài này giải thích vì sao radar thấy được nước, những chỗ radar hay nhìn nhầm, và dữ liệu vệ tinh được dùng thế nào trong ứng phó lũ.
Vì sao ảnh quang học thường bất lực đúng lúc lũ
Vệ tinh quang học như Landsat (Mỹ) hay Sentinel-2 (châu Âu) chụp bằng ánh sáng Mặt Trời phản xạ, giống máy ảnh. Chúng cho ảnh đẹp, dễ đọc, phân biệt nước bằng các kênh hồng ngoại. Nhưng lũ thường đi kèm hoặc theo sau những đợt mưa kéo dài nhiều ngày, bầu trời phủ kín mây. Vệ tinh quang học bay qua chỉ chụp được nóc mây. Đến khi trời quang, nước có thể đã rút, đỉnh lũ đã qua.
Radar giải quyết điều đó. Sóng vi ba băng C của Sentinel-1 có bước sóng khoảng 5,6 cm, đi xuyên qua mây và mưa nhẹ gần như không suy giảm. Vì tự phát sóng, radar không cần ánh sáng Mặt Trời.
Radar nhìn thấy nước bằng cách nào
Radar trên vệ tinh nhìn xiên xuống mặt đất, phát xung sóng và đo phần sóng dội ngược về. Bề mặt càng gồ ghề, càng nhiều sóng tán xạ về phía vệ tinh, ảnh càng sáng.
- Mặt nước lặng phản xạ gương: sóng bật đi theo hướng ngược lại, gần như không quay về. Ảnh rất tối.
- Đất trống, ruộng khô, đồng cỏ tán xạ vừa phải: xám.
- Rừng tán xạ nhiều lần trong tán lá: sáng.
- Nhà cửa tạo phản xạ góc giữa tường và mặt đất: rất sáng.
Vì thế khi một cánh đồng xám bỗng chuyển sang đen trên ảnh chụp sau mưa lớn, đó là dấu hiệu nước đã phủ. Phương pháp chuẩn là phát hiện thay đổi: lấy ảnh nền chụp cùng quỹ đạo, cùng góc nhìn trong mùa khô, rồi so với ảnh lúc lũ. Pixel nào tối hẳn đi là ứng viên ngập. Kết hợp thêm mô hình độ cao để loại những chỗ quá cao so với sông, không thể ngập.
Những chỗ radar hay nhìn nhầm
| Trường hợp | Vì sao nhầm | Cách xử lý thường dùng |
|---|---|---|
| Ngập trong đô thị | Nhà cao tầng làm sáng ảnh, che bóng radar, nước giữa phố khó thấy | Dùng phân cực khác, so độ kết dính pha, kết hợp mô hình thuỷ lực |
| Ngập dưới tán cây, lúa cao | Nước dưới cây làm tăng phản xạ góc, ảnh sáng lên thay vì tối | Tìm vùng sáng bất thường, dùng băng L bước sóng dài xuyên tán tốt hơn |
| Gió mạnh trên mặt nước | Sóng gợn làm mặt nước gồ ghề, ảnh không đủ tối | Ngưỡng thích ứng, ảnh nhiều thời điểm |
| Bãi cát, đường nhựa, sân bay | Bề mặt nhẵn cũng tối như nước | Phát hiện thay đổi: chúng tối cả trước lẫn sau, nên bị loại |
| Vùng núi dốc | Bóng radar sau sườn núi tối như nước | Che bằng mô hình độ cao, chỉ xét vùng thấp gần sông |
Những giới hạn này giải thích vì sao bản đồ ngập từ vệ tinh luôn được ghi là "vùng nước quan sát được" và thường đánh giá thấp ngập trong phố và dưới rừng. Không thấy màu ngập ở khu đô thị trên bản đồ vệ tinh chưa có nghĩa phố không ngập.
Sentinel-1 và các vệ tinh khác
Sentinel-1 thuộc chương trình Copernicus của Liên minh châu Âu, do Cơ quan Vũ trụ châu Âu vận hành. Sentinel-1A phóng năm 2014, Sentinel-1B năm 2016 (gặp sự cố và ngừng hoạt động cuối năm 2021), Sentinel-1C phóng cuối năm 2024. Chế độ chụp phổ biến trên đất liền quét dải rộng khoảng 250 km, độ phân giải cỡ 5 × 20 m. Một vệ tinh lặp lại đúng quỹ đạo sau 12 ngày; có hai vệ tinh cùng hoạt động thì còn 6 ngày, và nhờ chụp cả quỹ đạo lên lẫn xuống, một điểm được nhìn thấy thường xuyên hơn. Điều quan trọng nhất: dữ liệu miễn phí cho mọi người.
Ngoài ra còn có vệ tinh radar của các nước khác (như dòng ALOS của Nhật dùng băng L, RADARSAT của Canada) và các chòm vệ tinh radar nhỏ thương mại có thể chụp theo yêu cầu với độ phân giải dưới 1 m. Ảnh quang học vẫn hữu ích khi có khoảng trời quang: MODIS của NASA chụp gần như toàn cầu hằng ngày với độ phân giải 250 m, đủ để theo dõi lũ đồng bằng diện rộng như mùa nước nổi sông Mê Công.
Chỉ số nước từ ảnh quang học
Với ảnh quang học, nước được nhận ra nhờ hấp thụ mạnh ánh sáng hồng ngoại gần. Chỉ số khác biệt nước chuẩn hoá NDWI tính bằng (Lục − Hồng ngoại gần) / (Lục + Hồng ngoại gần). Nước cho giá trị dương, đất và cây cho giá trị âm. Đây là phép tính đơn giản mà sinh viên có thể tự làm với ảnh Sentinel-2 miễn phí.
Từ ảnh đến hành động: chuỗi dịch vụ khẩn cấp
- Hiến chương Quốc tế "Không gian và Thảm hoạ lớn": thoả thuận giữa các cơ quan vũ trụ, hoạt động từ năm 2000. Khi một nước thành viên hoặc tổ chức được uỷ quyền kích hoạt, các vệ tinh của nhiều nước ưu tiên chụp vùng thảm hoạ và chia sẻ ảnh miễn phí.
- Dịch vụ Quản lý khẩn cấp Copernicus: lập bản đồ nhanh vùng ảnh hưởng theo yêu cầu, thường trong vòng vài giờ đến một ngày sau khi có ảnh. Từ 2021, Copernicus còn chạy dịch vụ giám sát lũ toàn cầu tự động xử lý mọi ảnh Sentinel-1 mới để phát hiện nước bất thường.
- Cơ quan trong nước: ở Việt Nam, các đơn vị viễn thám thuộc Bộ Nông nghiệp và Môi trường và các viện nghiên cứu khai thác dữ liệu vệ tinh để hỗ trợ đánh giá vùng ngập, kết hợp số liệu mực nước của mạng trạm thuỷ văn.
Ảnh vệ tinh giúp ba việc. Trong lũ: biết vùng nào bị cô lập, đường nào ngập, để điều lực lượng và hàng cứu trợ. Sau lũ: ước tính diện tích lúa, hoa màu bị ngập, làm căn cứ hỗ trợ. Về lâu dài: tích luỹ ảnh nhiều trận lũ thành bản đồ tần suất ngập quan sát được, dùng để hiệu chỉnh mô hình thuỷ lực và bản đồ nguy cơ.
Giới hạn về thời điểm
Vệ tinh quỹ đạo cực đi qua một nơi vào giờ cố định, Sentinel-1 khoảng sáng sớm và chiều tối theo giờ địa phương. Đỉnh lũ ở sông miền Trung có thể chỉ kéo dài vài giờ, lên xuống trong một đêm. Ảnh chụp lúc nước đã rút một phần sẽ cho vùng ngập nhỏ hơn thực tế. Vì thế bản đồ vệ tinh luôn ghi ngày giờ chụp, và người dùng phải đọc nó như một khoảnh khắc, không phải mức ngập lớn nhất. Ghép ảnh vệ tinh với số liệu trạm đo và vết lũ khảo sát thực địa mới có bức tranh đủ.
Người muốn tự tìm hiểu có thể xem ảnh Sentinel miễn phí qua cổng dữ liệu của Copernicus, hoặc học qua các khoá viễn thám mở về lập bản đồ lũ bằng radar của các tổ chức như chương trình ARSET của NASA.
Câu hỏi thường gặp
Vệ tinh nào theo dõi lũ lụt tốt nhất?
Vệ tinh radar khẩu độ tổng hợp như Sentinel-1 của châu Âu là lựa chọn phổ biến nhất, vì chụp xuyên mây, cả ngày lẫn đêm, và dữ liệu miễn phí. Ảnh quang học như MODIS, Sentinel-2 bổ sung khi trời quang.
Vì sao mặt nước tối trên ảnh radar?
Vì mặt nước lặng phản xạ sóng radar như gương, bật sóng đi theo hướng khác thay vì dội về vệ tinh. Đất, cây, nhà gồ ghề hơn nên tán xạ sóng về phía vệ tinh nhiều hơn và hiện sáng hơn.
Ảnh vệ tinh có thấy ngập trong thành phố không?
Khó. Nhà cao tầng gây phản xạ mạnh và bóng radar, che mất nước giữa phố. Bản đồ ngập từ vệ tinh thường đánh giá thấp ngập đô thị, cần kết hợp mô hình và quan sát mặt đất.
Sentinel-1 bao lâu chụp lại một lần?
Một vệ tinh lặp lại đúng quỹ đạo sau 12 ngày, hai vệ tinh cùng hoạt động thì 6 ngày. Tính cả quỹ đạo lên và xuống, một khu vực thường được chụp dày hơn mốc đó.
Hiến chương Không gian và Thảm hoạ lớn là gì?
Là thoả thuận quốc tế giữa các cơ quan vũ trụ, hoạt động từ năm 2000. Khi được kích hoạt, vệ tinh của nhiều nước ưu tiên chụp vùng thảm hoạ và chia sẻ ảnh miễn phí cho công tác cứu trợ.
