Ứng dụng công nghệ trong quan trắc môi trường

Nhằm nâng cao chất lượng môi trường sống cũng như góp phần xây dựng TP.HCM thành đô thị thông minh, các nhà khoa học đã ứng dụng nhiều giải pháp công nghệ hiện đại trong việc quan trắc môi trường.

Cổng trung tâm có chức năng thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến, sau đó chuyển dữ liệu thu thập về máy chủ dịch vụ thông qua điện toán đám mây

Một giải pháp ứng dụng công nghệ được đánh giá cao đó là 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. Giải pháp trên do TS. Phạm Quốc Cường cùng các đồng nghiệp thuộc Trường ĐH Bách khoa (ĐH Quốc gia TP.HCM) nghiên cứu, xây dựng.

Bản đồ cảnh báo từ dữ liệu viễn thám

TS. Phạm Quốc Cường cho rằng trong lĩnh vực môi trường, quan trắc chất lượng không khí đã được một số sở/ngành thực hiện từ nhiều năm nay với hàng loạt công cụ, giải pháp cụ thể. Nhưng thực tế cho thấy, TP.HCM vẫn chưa có một hệ thống cảnh báo rủi ro hoàn chỉnh và tổng thể để 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 khiến công tác dự báo gặp khó khăn. “Từ thực tế đó, chúng tôi đã xây dựng “Hệ thống bản đồ cảnh báo dùng các cảm biến năng lượng thấp và dữ liệu viễn thám” nhằm phát triển hệ thống phục vụ định hướng thành phố thông minh, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống người dân và khả năng quản lý của cơ quan chức năng”, TS. Cường cho biết.

Ngoài việc xây dựng khung bản đồ cảnh báo rủi ro, nguy hiểm, hệ thống có thể tiếp nhận thông tin từ nhiều nguồn khác nhau như các cảm biến, ảnh vệ tinh, camera quan sát. Nghiên cứu này cũng đã hoàn thiện sản xuất trọn bộ giải pháp thành phẩm gồm 10 nút thu thập dữ liệu từ các cảm biến, 4 nút trung tâm và hệ thống phần mềm quản lý tương ứng. Các nút cảm biến trong bộ giải pháp 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 cổng trung tâm.

Nút cảm biến được thiết kế dạng tủ kín, sử dụng pin năng lượng mặt trời

Các nút cảm biến và cổng thu thập dữ liệu trung tâm có khả năng hoạt động với hai nguồn cung cấp năng lượng là pin tích hợp và 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 như vùng sâu vùng xa, khu vực có hóa chất độc hại. Với công nghệ kết nối LoRa, một cổng trung tâm có thể quản lý cùng lúc 4 điểm cảm biến và phạm vi kết nối giữa cổng trung tâm và điểm cảm biến là khoảng 400m, hoàn toàn phù hợp để triển khai trong không gian đô thị. Tại các cổng trung tâm, việc kết nối với hệ thống máy chủ dữ liệu điện toán đám mây chủ yếu thông qua hạ tầng mạng internet với kết nối wifi hay LAN. Tùy nhu cầu và tính cấp thiết của việc quan trắc, đơn vị quản lý có thể định thời điểm cho các điểm cảm biến gửi dữ liệu về cổng trung tâm, từ đó gửi tiếp dữ liệu về dịch vụ để thực hiện các phân tích, đánh giá và đưa thông tin cảnh báo.

Kết quả quan trắc chính xác hơn

Theo đánh giá của các chuyên gia, điểm nổi bật của giải pháp 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, từ đó có thể ước lượng nồng độ bụi mịn và nhiệt độ bề mặt tại những khu vực mà thành phố chưa có điều kiện để triển khai, bố trí các trạm quan trắc.

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

TS. Phạm Quốc Cường thông tin, 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 điểm cảm biến mà hệ thống thu thập trước đó. Đồng thời tạo dữ liệu cho các nghiệp vụ thống kê, lập dự báo. Dữ liệu từ ảnh viễn thám, ảnh vệ tinh cũng giúp cân chỉnh lại các cảm biến để hoạt động chính xác hơn trong một số trường hợp cần thiết. Sau khi trích rút, 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, nhóm nghiên cứu 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. Trước khi bắt tay vào xây dựng hệ thống, nhóm nghiên cứu xác định đây là công trình mang tính hữu ích và đã hoàn thiện việc xây dựng cổng thông tin cung cấp dữ liệu quan trắc môi trường. Từ đó hỗ trợ cảnh báo cũng như phản hồi qua tin nhắn SMS, cùng giao diện quản lý theo dõi thông tin và ứng dụng giám sát trên thiết bị di động thông qua nền tảng một dịch vụ điện toán đám mây. Giao diện quản lý thể hiện tất cả số liệu quan trắc tại từng điểm 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 như nhiệt độ, độ ẩm, bụi… tại từng điểm 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 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 ở từng mốc thời gian đối với mọi điểm quan trắc. “Với dữ liệu trích xuất từ ảnh chụp vệ tinh và ảnh viễn thám, bộ giải pháp 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. 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 quan sát chống ngập, camera giao thông nhằm hợp nhất mọi thông tin, cảnh báo lên duy nhất một hệ thống giám sát. Đây là cơ sở để mở rộng giải pháp, triển khai trong chương trình xây dựng TP.HCM thành đô thị thông minh”, TS. Cường kỳ vọng.

Bài, ảnh: Trần Trọng Tri