Xu thế nghiên cứu, phát triển cải thiện công nghệ vệ tinh quang học quan sát trái đất

Dữ liệu ảnh viễn thám quang học vẫn được coi là nguồn dữ liệu viễn thám quan trọng và được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới cũng như ở Việt Nam.. Những xu thế nghiên cứu chính liên quan đến công nghệ viễn thám quang học bao gồm: 

Xu thế cải thiện về độ phân giải không gian và độ phân giải phổ của các vệ tinh thương mai ngày càng được nâng cao 

Xu thế về quản lý xây dựng cơ sở hạ tầng quản lý và cung cấp CSDL viễn thám phục vụ đa lĩnh vực 

Xu thế phát triển phẩn mềm xử lý, phân tích và cung cấp các sản phẩm ứng dụng.

Sự phát triển của thị trường thương mại dữ liệu viễn thám Trái Đất.

Xu hướng phát triển các hệ thống vệ tinh nhỏ 

Những năm gần đây, việc xây dựng các vệ tinh nhỏ, khối lượng nhỏ, có các năng lực hạn chế nhưng giá thành thấp, đã được quan tâm và phát triển mạnh (Euroconsult 2014b, 37). Một trong những mục tiêu khi chế tạo các vệ tinh này là để phát triển các chùm vệ tinh nhỏ quan trắc trái đất với chi phí thấp phục vụ các mục tiêu khác nhau có thể là nghiên cứu khoa học, phát triển công nghệ hoặc vận hành thường xuyên.

Phân khúc vệ tinh nhỏ phát triển rất nhanh trong những năm gần đây do sự kết hợp giữa sự gia tăng yêu cầu và hạ giá bên cạnh sự cải tiến về công nghệ.

Xu thế phát triển và vận hành chùm vệ tinh nhỏ quan sát trái đất cung cấp ảnh viễn thám độ phân giải cao gần thời gian thực 

Một trong những ưu thế của vệ tinh nhỏ là khả năng sản xuất và sử dụng nhiều vệ tinh riêng biệt (không nhất thiết phải giống nhau) để tạo thành chùm vệ tinh. Các ví dụ tiêu biểu là hệ thống DMC, các vệ tinh Rapid-eyes, Planet … 

Các vệ tinh nhỏ đặc biệt thích hợp để tạo thành chùm vệ tinh vì một số lý do sau: Các vệ tinh nhỏ thường có giá thành trên 1 đơn vị sản phẩm thấp hơn vệ tinh lớn, một phần là vì mỗi một vệ tinh được thiết kế với độ tin cậy, ổn định và dự trữ thấp hơn do nó dựa vào sự dư thừa các vệ tinh trong chùm để cho phép có thể có một số hỏng hóc, rủi ro. Ngoài ra, đối với chùm vệ tinh, những sự hỏng hóc đó sẽ không đột nhiên gây ra sự mất khả năng của toàn bộ hệ thống như các trường hợp đối với vệ tinh lớn.

Khi các chùm vệ tinh đã trở nên phổ biến, sự kết nối, điều phối chặt chẽ hơn giữa các vệ tinh để nâng cao hiệu quả khai thác, vận hành chùm vệ tinh là hết sức cần thiết . Ví dụ, chùm mạng lưới các vệ tinh nhỏ Edision (EDSN) của NASA đã truyền dữ liệu thu thập được của toàn bộ chùm vệ tinh về một vệ tinh tại mỗi thời điểm cho trước và ít bị tác động của việc mất một vệ tinh nào đó. Hệ thống này sẽ tiết kiệm băng thông và chi phí cho trạm thu mặt đất để thu nhận thông tin từ những vệ tinh của chùm phân tán trong không gian mà không cần phải duy trì liên lạc trực tiếp với mỗi vệ tinh riêng lẻ.

Chùm vệ tinh có thể, trong tương lai, triển khai mạng lưới lớn hơn và độc lập hơn trong việc thu thập và xử lý dữ liệu, hoặc là thực hiện một chức năng nào đó hoặc giảm thiểu khối lượng thông tin cần thiết phải gửi qua trạm thu, như trong các hệ thống giám sát đối với một loại thiên tai cụ thể nào đó. Do các vệ tinh nhỏ có thể tận dụng ưu thế của các bộ xử lý tiên tiến hơn, nên chúng có khả năng xử lý dữ liệu ngay trên tàu cao hơn các vệ tinh (platform) tuyền thống.

Hệ thống này hiện nay đang được Mỹ và một số nước như Phần Lan đã xây dựng và đang vận hành với hệ thống hơn 200 vệ tinh (chùm vệ tinh Planet Doves của Hoa Kỳ), cung cấp ảnh viễn thám độ phân giải cao đến siêu cao (từ 0,7-5m) phù trùm toàn cầu với thời gian chụp lặp trung bình 1-2 lần/ngày. 

Với sự xuất hiện của hệ thống vệ tinh trên, cần nghiên cứu công nghệ xử lý dữ liệu lớn, công nghệ thu nhận dữ liệu, …

Xu thế phát triển và vận hành 

Mạng lưới vệ tinh lớn cung cấp dữ liệu viễn thám cao và siêu cao thời gian thực Mạng lưới vệ tinh lớn là một khái niệm hoàn toàn mới, gồm Hệ thống Chùm vệ tinh lớn độ phân giải cao và siêu cao phủ trùm toàn cầu; các công nghệ xử lý; các ứng dụng kèm theo, …

Ý tưởng về mạng lưới vệ tinh viễn thám lớn THEIA hiện đang được một số tập đoàn công nghiệp lớn của Hoa Kỳ thiết kế và xây dựng, dự kiến sẽ khởi động vào năm 2022. Hệ thống này gồm 112 vệ tinh với mỗi vệ tinh có trọng lượng 5700kg (trong khi hiện nay vệ tinh SPOT6/7 có khối lượng khoảng 720kg; vệ tinh Landsat 8 có khối lượng khoảng 2000 kg), hoạt động trên 8 quỹ đạo; mỗi quỹ đạo gồm 14 vệ tinh, có khả năng cung cấp ảnh chất lượng cao thời gian thực ở bất kỳ vị trí nào trên trái đất.

Nếu Hệ thống này được xây dựng và triển khai thành công, sẽ cung cấp được nguồn dữ liệu ảnh viễn thám vô cùng lớn với chất lượng và độ ổn định cao phục vụ các nhu cầu đa dạng của người sử dụng. Do đó, một trong những định hướng lớn hiện nay là tập trung nghiên cứu các giải pháp công nghệ thông minh phù hợp tận dụng tối đa sức mạnh của công nghệ 4.0 với nòng cốt là trí thông minh nhân tạo, học máy, học sâu, vạn vật kết nối, tích hợp các nguồn dữ liệu ảnh viễn thám đa dạng cùng với các thông tin quan trắc từ mặt đất, các dữ liệu hỗ trợ để hình thành các Dữ liệu lớn trên nền tảng điện toán đám mây phục vụ cho công tác giám sát TN&MT, phát triển kinh tế - xã hội, xây dựng thành phố thông minh,…

Xu thế sử dụng thiết bị bay không người lái dùng chụp ảnh mặt đất

Thiết bị bay không người lái (UAV), khinh khí cầu trước đây là các thiết bị chủ yếu được ứng dụng trong lĩnh vực quân sự và thể thao. Tuy nhiên, trong làn sóng của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 với việc ứng dụng các tiến bộ mới về công nghệ thông tin và truyền thông vào các lĩnh vực công nghiệp truyền thống đang diễn ra mạnh mẽ, thì thiết bị bay không người lái đang dần trở nên phổ biến hơn, và được sử dụng rộng rãi hơn cho các mục đích dân sự, đặc biệt là trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, truyền hình, cũng như các ứng dụng khoa học thuộc lĩnh vực địa kỹ thuật không gian.

Thị trường thương mại của UAV cũng đang được các hãng nghiên cứu đánh giá là thị trường rất tiềm năng và sẽ phát triển rất mạnh trong tương lai gần. Hãng nghiên cứu thị trường và công nghệ nổi tiếng Gartner thống kê có khoảng 3 triệu thiết bị bay không người lái cho cả mục đích cá nhân và thương mại sẽ được vận chuyển (bán ra) trong năm 2017. Việc sản xuất các hệ thống UAV cũng đang phát triển rất nhanh chóng, Gartner cũng dự đoán doanh thu thị trường toàn cầu sẽ tăng 34% và đạt hơn 6 tỷ USD trong năm 2017, và tăng lên 11,2 tỷ USD vào năm 2020. Hãng nghiên cứu thị trường BI Intelligence, cũng đưa ra báo cáo về ước tính đầu tư cho phần cứng của drones trên thị trường toàn cầu cũng đang tăng, và dự tính đạt hơn 12 tỷ USD vào năm 2021. Sở dĩ công nghệ UAV phát triển mạnh mẽ dù mới ở những bước phát triển ban đầu vì nó đang đem lại những hiệu quả đáng kể khi ứng dụng vào các ngành công nghiệp khác nhau, tạo ra những thay đổi có tính đột phá so với những phương thức hoạt động truyền thống của những lĩnh vực này. Cụ thể một số lĩnh vực, ngành nghề đang có được sự trợ giúp đắc lực từ việc ứng dụng thiết bị bay không người lái như:

Không ảnh cho báo chí và làm phim; 

Vận chuyển và giao hàng nhanh; 

Thu thập và cung cấp thông tin về quản lý thiên tai; 

Hỗ trợ cứu hộ, cứu nạn; 

Xây dựng bản đồ địa lý của các vùng địa hình phức tạp mà con người khó tiếp cận; 

Kiểm tra an toàn trong xây dựng;

Hỗ trợ kiểm lâm, biên phòng và giám sát rừng, biên giới;

Giám sát cây trồng trong nông nghiệp chính xác; 

Kiểm tra, bảo trì các hệ thống truyền tải điện, hệ thống viễn thông.

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu thế nổi bật công nghệ UAV như độ phân giải cao, khả năng chụp ảnh linh hoạt thì việc xử lý và phân tích các dữ liệu của hệ thống này phục vụ các nhu cầu khác nhau của người sử dụng vẫn chủ yếu mang tính kinh nghiệm và cần được tiếp tục nghiên cứu, phát triển.

Xu thế phát triển công nghệ hạ tầng thu nhận dữ liệu ảnh vệ tinh

Xu hướng phát triển hạ tầng thu nhận dữ liệu viễn thám trên thế giới ngày càng hiện đại và đáp ứng nhu cầu sử dụng dữ liệu viễn thám của người dùng trong các lĩnh vực của xã hội. Hạ tầng thu nhận dữ liệu viễn thám cần đáp ứng một số tiêu chí: 

Là một hệ thống đồng bộ về quy trình thu nhận, xử lý, lưu trữ và phân phối dữ liệu ảnh. Đáp ứng xử lý dữ liệu ảnh nhanh chóng với nhiều khuôn dạng khác nhau, mục đích khác nhau và cho nhiều đối tượng sử dụng. 

Là một hệ thống hiện đại về công nghệ, cả về thiết vị phần cứng và ứng dụng phần mềm. Hệ thống có tính bền vững, phục vụ lâu dài, dễ dàng nâng cấp để thu được các vệ tinh khác trong tương lai.

Theo Chiến lược phát triển viễn thám quốc gia đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2040 đã được thủ tướng chính phủ phê duyệt (Quyết định số 149/QĐ-TTg ngày 01/02/2019) đã đưa ra mục tiêu giai đoạn từ nay đến năm 2030, làm chủ công nghệ chế tạo vệ tinh viễn thám, hệ thống trạm thu nhận, xử lý dữ liệu viễn thám, trạm điều khiển vệ tinh viễn thám, hệ thống chụp ảnh bề mặt Trái Đất từ các thiết bị bay không người lái, khinh khí cầu; xây dựng hệ thống trạm thu, hệ thống xử lý dữ liệu, cơ sở dữ liệu ảnh viễn thám quốc gia đáp ứng nhu cầu phục vụ phát triển kinh tế - xã hội, quốc phòng – an ninh.

Tầm nhìn đến năm 2040, chủ động công nghệ chế tạo và hoàn thành việc xây dựng chùm vệ tinh viễn thám, hệ thống trạm thu nhận, xử lý dữ liệu viễn thám, trạm điều khiển vệ tinh viễn thám, hệ thống chụp ảnh bề mặt Trái Đất từ các thiết bị bay không người lái, khinh khí cầu đồng bộ, hiện đại, cung cấp đầy đủ dữ liệu viễn thám đáp ứng nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám phục vụ phát triển kinh tế - xã hội và đảm bảo quốc phòng – an ninh; đưa trình độ ứng dụng công nghệ viễn thám của Việt Nam ngang tầm với các nước trong khu vực, các nước đang phát triển trên thế giới.

Hệ thống viễn thám chuyên đề phục vụ giám sát chuyên sâu về môi trường đang được một số quốc gia và vùng lãnh thổ phát triển

Bên cạnh các hệ thống vệ tinh viễn thám quan trắc trái đất truyền thống, nhiều nước và các tổ chức quốc tế đã và đang phát triển các hệ thống vệ tinh viễn thám chuyên dụng phục vụ cho các nhu cầu quan trắc cụ thể như: 

Giám sát rác thải nhựa trên biển (của ESA, Nhật Bản, Italia, …); 

Giám sát ô nhiễm không khí thời gian thực (Sentinel 5 của ESA, MODIS của NASA, Himawari của Nhật Bản...); 

Giám sát biến dạng bề mặt đất bằng phương pháp SAR giao thoa như CosmoSkymed (Italia); 

Giám sát mực nước biển và đại dương sử dụng công nghệ đo cao vệ tinh (Jason 2, Sentinel 3, Sentinel 6) 

Đo trọng lực có độ nhạy cao (GRACE -1, 2 và GRACE-FO của NASA và DLR (CHLB Đức)); 

Giám sát khí nhà kính (GOSAT, OCO-2/3), …