Dữ liệu vệ tinh (Satellite Data) phát triển nhanh chóng mang đến nhiều cơ hội mới cho doanh nghiệp, tổ chức trên toàn thế giới.

Sự phát triển của ngành hàng không vũ trụ đòi hỏi các doanh nghiệp và chính phủ trên khắp thế giới phải tìm hiểu rõ hơn về những khả năng mới được mở ra. Dữ liệu thu thập từ vệ tinh mang lại những lợi ích không giới hạn trên quy mô địa phương và cả toàn cầu.

1. Dữ liệu vệ tinh là gì?

Dữ liệu vệ tinh (Satellite data) hay ảnh vệ tinh (Satellite imagery) được hiểu là việc thông tin về Trái đất và những hành tinh khác trong không gian được thu thập bởi các vệ tinh nhân tạo trên quỹ đạo của chúng.

Hoạt động phổ biến nhất của vệ tinh ở thời điểm hiện nay là quan sát Trái đất (EO - Earth Observation). Chúng sẽ cung cấp thông tin về những thay đổi bề mặt và thời tiết trên hành tinh này.

Dữ liệu vệ tinh được tạo ra thông qua công nghệ viễn thám. Trong số đó, công nghệ Radar khẩu độ tổng hợp (SAR - Synthetic Aperture Radar) có khả năng truyền dữ liệu kịp thời và đáng tin cậy cho vô số ứng dụng trên đất liền và trên biển.

Đối với các tổ chức và chính phủ, dữ liệu vệ tinh hỗ trợ hành động kịp thời, chẳng hạn như liên quan đến ngăn chặn thảm họa thiên nhiên và tội phạm. Đối với doanh nghiệp, dữ liệu vệ tinh viễn thám cho phép phát triển những dịch vụ hoàn toàn mới và tiến bộ. 

Loại dữ liệu này được sử dụng để theo dõi thời tiết và biến đổi khí hậu, cũng như cung cấp thông tin quan trọng cho nhiều dự án nghiên cứu.

2. Dữ liệu vệ tinh đến từ đâu?

Dữ liệu hình ảnh vệ tinh được thu thập bằng công nghệ viễn thám, chẳng hạn như Hình ảnh quang học (Optical Imagery) hoặc SAR. Vệ tinh thu thập và truyền dữ liệu về trái đất. Dữ liệu và hình ảnh (từ nhiều nguồn khác nhau) được xử lý, diễn giải, bổ sung bằng những dữ liệu khác, sau đó cung cấp dưới dạng sản phẩm dữ liệu. Một số dữ liệu bị hạn chế quyền truy cập vì lý do bảo mật.

Hầu hết vệ tinh được sử dụng để thu thập dữ liệu đều được phóng và kiểm soát bởi những chính phủ như Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS - United States Geological Survey), Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia Mỹ (NOAA - National Oceanic and Atmospheric Administration) và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA - European Space Agency). Một số công ty tư nhân cũng hoạt động trong lĩnh vực này.

Các vệ tinh quan sát trái đất và vệ tinh địa tĩnh có quỹ đạo tương đối thấp cho phép chụp ảnh chính xác hơn. Bên cạnh hình ảnh vệ tinh, các cảm biến trên không và trên mặt đất cũng được sử dụng để thu thập dữ liệu. Ví dụ, dữ liệu vệ tinh về chuyển động của mảng kiến ​​tạo được làm giàu thêm bằng cảm biến ghi lại chuyển động của mặt đất.

Hệ thống viễn thám thụ động sử dụng cảm biến quang học và nhiệt. Chúng chỉ có thể hoạt động khi có ánh nắng mặt trời và bầu trời quang đãng. Ngược lại, hệ thống viễn thám chủ động sử dụng Radar khẩu độ thực (RAR - Real Aperture Radar), Radar khẩu độ tổng hợp và tia laser. Vệ tinh gửi bức xạ tới Trái đất và đo năng lượng phản xạ từ bề mặt hoặc khí quyển. Hệ thống viễn thám chủ động có thể hoạt động bất cứ lúc nào.

Mới đây, NASA đã phóng thành công vào vũ trụ vệ tinh theo dõi đại dương và bầu khí quyển Trái Đất - Ảnh: Internet

3. Ưu điểm của dữ liệu vệ tinh

Dữ liệu vệ tinh cho phép lập bản đồ và giám sát hiệu quả sử dụng tài nguyên, hệ sinh thái và sự kiện trên Trái đất. Thông tin được sử dụng cho nhiều ứng dụng khoa học, hành chính và thương mại khác nhau.

Thông tin chính xác dựa trên dữ liệu vệ tinh giúp người dùng hiểu được con người đã và đang ảnh hưởng như thế nào đến môi trường, từ đó đưa ra quyết định và hành động dựa trên dữ liệu. Việc truy cập dữ liệu vệ tinh mang lại cơ hội hành động kịp thời, nhanh chóng trên quy mô lớn và nhỏ.

Sử dụng dữ liệu vệ tinh cũng giúp chính phủ và các ngành chia sẻ thông tin xuyên suốt, đưa ra quyết định tốt hơn, hành động đúng lúc và cung cấp dịch vụ được cải tiến hoặc hoàn toàn mới.

Hình ảnh vệ tinh thô ban đầu chứa dữ liệu với thông số có thể giải thích thông qua phần mềm viễn thám. Sau đó, tham số được kết hợp và xác minh, ví dụ như với dữ liệu không gian, để phân tích thêm. Khi những hoạt động, vấn đề, thay đổi và xu hướng được phát hiện, theo dõi và phân tích hiệu quả hơn bằng dữ liệu vệ tinh, lợi ích dành cho con người và môi trường là rất lớn.

Khả năng ứng dụng của hình ảnh vệ tinh rất lớn và đang tăng lên nhanh chóng nhờ những cải tiến mới. Dưới đây là một số ví dụ về việc sử dụng dữ liệu vệ tinh:

• Nông nghiệp: Giám sát cây trồng

• Lâm nghiệp: Quy hoạch lâm nghiệp và ngăn chặn khai thác gỗ trái phép

• Đánh bắt thủy, hải sản: Ngăn chặn đánh bắt trái phép

• Năng lượng: Giám sát đường ống và quyền ưu tiên “right-of-way” (ROW)

• Bảo hiểm: Giám sát tính toàn vẹn của cơ sở hạ tầng

• Sử dụng đất: Quy hoạch cơ sở hạ tầng và giám sát hoạt động xây dựng

• Giao thông đường biển: Giám sát tảng băng trôi, phát hiện sự cố tràn dầu

• An ninh: Giám sát giao thông đường ven biển

• Ứng phó thiên tai: Kịp thời phát hiện, đưa ra biện pháp ngăn chặn và giảm thiểu rủi ro

Cơ sở dữ liệu hình ảnh vệ tinh cung cấp quyền truy cập vào dữ liệu vệ tinh với chi phí phải chăng. Một số thông tin cũng hoàn toàn công khai, miễn phí.

Các nhà cung cấp dữ liệu vệ tinh thương mại bán hình ảnh, dữ liệu và thông tin vệ tinh cho khách hàng hoặc được ủy quyền để cung cấp dữ liệu liên tục, chẳng hạn như từ một khu vực cụ thể nào đó.

4. Xử lý dữ liệu vệ tinh

Nhìn chung, các quan sát của thiết bị viễn thám đều mang tính định lượng. Dữ liệu thô được thu thập ở tọa độ xác định trước và thông số cảm biến. Cảm biến ghi lại bức xạ, xử lý thành hình ảnh thô để phân tích và giải thích thêm. Trong quá trình tiền xử lý, việc đồng đăng ký hình ảnh và hiệu chỉnh pha được thực hiện.

Ví dụ: Xử lý ảnh SAR bao gồm nhiều giai đoạn như nén theo phạm vi, nén góc phương vị, tham chiếu địa lý,... Việc giải thích và phân tích hình ảnh vệ tinh thường thực hiện thông qua phần mềm viễn thám chuyên nghiệp hoặc thuật toán chuyên dụng.

Độ phân giải không gian

Đây được coi là một trong những tính năng chính của bất kỳ hình ảnh vệ tinh nào. Cuộc đua hướng tới cải thiện độ phân giải không gian đang tăng tốc, trong khi những vấn đề về băng thông dữ liệu đã hạn chế khả năng quang phổ của nhiều vệ tinh có độ phân giải cao.

Độ phân giải không gian được hiểu là khoảng cách tối thiểu giữa hai vật thể phân biệt được trong một ảnh. Mức độ phân giải được yêu cầu phụ thuộc vào mục đích sử dụng và kích thước của khu vực được giám sát.

Độ phân giải của bất kỳ vệ tinh chụp ảnh Trái đất nào trên thực tế đều là chiều ngắn nhất trên mặt đất được tạo thành một pixel. Độ phân giải 1 mét có nghĩa là trong những trường hợp lý tưởng (từ trên cao nhìn xuống), mỗi pixel trên hình ảnh đại diện cho 1m vuông diện tích mặt đất.

Độ phân giải hình ảnh không gian được xác định bởi sự kết hợp giữa độ cao chuyến bay hoặc quỹ đạo và đặc điểm cảm biến. Các thuộc tính cảm biến khác nhau có thể thay đổi để phục vụ tốt hơn cho từng trường hợp sử dụng.

Trong trường hợp SAR, độ rộng chùm tia của ăng-ten, độ dài thời gian xung (pulse time) hoặc các thông số kỹ thuật hình ảnh tương tự khác được chọn dựa trên trường hợp sử dụng dữ liệu dự kiến.

Độ phân giải không gian của hình ảnh thu được từ hệ thống cảm biến vệ tinh thường được biểu thị bằng đơn vị mét. Ví dụ: Độ phân giải 3 mét có nghĩa là hai vật thể dài hoặc rộng 3 mét, đặt cạnh nhau, có thể tách rời (phân giải) khỏi nhau trên hình ảnh đầu ra.

Trong công nghệ viễn thám, độ phân giải không gian không chỉ thể hiện khả năng xác định sự hiện diện của hai vật thể mà còn thể hiện tính chất của chúng. Tương tự như chụp ảnh kỹ thuật số, độ phân giải cao hơn có nghĩa là khả năng hiển thị tốt hơn những chi tiết thể hiện trên hình ảnh.

Độ phân giải không gian cuối cùng có thể bị giới hạn bởi nhiễu xạ, quang sai, tiêu điểm không hoàn hảo và biến dạng khí quyển. Đặc điểm của đối tượng được phát hiện từ hình ảnh có độ phân giải khác nhau. Ví dụ: Tàu thuyền được nhận diện bằng hình ảnh SAR có độ phân giải 25 x 25 mét, nhưng ở độ phân giải 3 x 3 mét, ta xác định được hướng và thậm chí tốc độ của tàu.

Hình ảnh vệ tinh Việt Nam khu vực biển đảo trong thực tế - Ảnh: Internet

Xử lý ảnh vệ tinh

Đây là quá trình xử lý dữ liệu đã thu thập thành hình ảnh rõ ràng và đáng tin cậy, được hiểu bởi cả con người và thuật toán. Trong công đoạn này, dữ liệu ảnh vệ tinh mới được tích hợp với ảnh vệ tinh chụp trước đó và/hoặc ảnh vệ tinh có tỷ lệ khác với các nguồn dữ liệu không gian hoặc dữ liệu khác.

Quá trình sử dụng dữ liệu EO diễn ra theo nhiều bước: Từ tiếp nhận dữ liệu đến xử lý, đánh giá chất lượng, xác minh và phân phối thông tin hoặc tích hợp với các hệ thống vận hành/mô hình nơi thông tin sẽ được sử dụng.

Thuật toán học máy (ML - Machine Learning) cung cấp công cụ hiệu quả để phân tích hình ảnh vệ tinh. ML có thể được sử dụng để lập mô hình hoặc xác định thông tin hữu ích từ luồng dữ liệu.

Thuật toán học máy sử dụng dữ liệu vệ tinh và dữ liệu được thu thập từ nhiều nguồn có liên quan khác với các quy trình phức tạp, giúp việc xác minh cuối cùng và diễn giải thông tin của con người nhanh chóng, dễ dàng hơn.

Các thuật toán được sử dụng để quét khối lượng dữ liệu khổng lồ của hình ảnh vệ tinh và phát triển mô hình để trích xuất tính năng, phát hiện thay đổi và dự đoán những tình huống xảy đến với sự trợ giúp của công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI - Artificial Intelligence).

5. Ứng dụng dữ liệu vệ tinh phổ biến

Một số trường hợp sử dụng Satellite Data phổ biến bao gồm:

Thông tin vị trí

Thông tin chi tiết thu được từ dữ liệu vệ tinh và các dạng dữ liệu không gian địa lý khác hiển thị bằng cách xếp lớp trên bản đồ. Chúng được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như:

• Chính phủ và quân đội sử dụng thông tin vị trí từ dữ liệu vệ tinh trong một số hoạt động an ninh quốc phòng

• Cảnh sát và các dịch vụ khẩn cấp dựa vào thông tin vị trí để giúp đỡ người dân trong điều kiện thảm họa, cấp cứu, bạo động,...

• Doanh nghiệp tận dụng thông tin này để tiếp thị, lập hồ sơ khách hàng, chiến dịch quảng cáo, tối ưu hóa vị trí cửa hàng,...

Dự báo thời tiết

Công nghệ viễn thám tận dụng dữ liệu và mô hình lịch sử, kết hợp dữ liệu thời gian thực để dự đoán điều kiện thời tiết tại một địa điểm và thời gian.

Satellite Data cung cấp dữ liệu và các mô hình về điều kiện khí quyển, đất liền và đại dương được hình thành trong một thời gian dài. Những thông tin này hỗ trợ mô hình dự báo thời tiết.

Đồng thời, dữ liệu vệ tinh cũng hỗ trợ theo dõi thời gian thực về bão, lốc xoáy và các thảm họa thiên nhiên khác để cảnh báo người dân có phương án phòng bị.

Nông nghiệp thông minh

Nông nghiệp thông minh chủ động ứng dụng công nghệ, dữ liệu và phân tích để quản lý trang trại giúp cải thiện năng suất cây trồng. Canh tác thông minh tận dụng dữ liệu vệ tinh và những hiểu biết sâu sắc về đất đai, thời tiết,... nhằm hỗ trợ người nông dân tối ưu hóa chi phí, nguyên vật liệu, công sức nhưng vẫn mang lại năng suất cây trồng tốt hơn.

Thành phố thông minh

Thành phố thông minh lên kế hoạch cho cơ sở hạ tầng và dịch vụ của mình để thu thập và chia sẻ dữ liệu, đồng thời tận dụng dữ liệu vệ tinh nhằm liên tục cải thiện, nâng cấp chất lượng cuộc sống của người dân.

Bằng cách cung cấp thông tin mang tính bản địa hóa cao về tiện ích, hoạt động di chuyển và thời tiết, dữ liệu vệ tinh cho phép thành phố thông minh hoạt động hiệu quả hơn.

Bên cạnh một số ví dụ nêu trên, hình ảnh vệ tinh có thể được sử dụng rộng rãi và mang lại lợi ích cho rất nhiều ngành nghề khác, bao gồm vận tải, hậu cần, vận chuyển, bán lẻ và nhóm hàng tiêu dùng đóng gói (CPG - Consumer Package Goods), du lịch, lữ hành, khách sạn, giải trí, thể thao, chăm sóc sức khỏe và dịch vụ tài chính,...

Nguồn tham khảo:

https://www.explorium.ai/blog/location-data/satellite-data/

https://www.iceye.com/satellite-data