Ứng dụng chuyển đổi số và trí tuệ nhân tạo trong công tác cảnh báo ngập triều hỗ trợ sản xuất nông nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh

Biến đổi khí hậu đã và đang là thách thức lớn đối với nhân loại trong thế kỷ 21. Sự gia tăng về tần suất và cường độ của các hiện tượng thời tiết cực đoan và thiên tai đang đặt ra những rủi ro ngày càng nghiêm trọng đối với các quốc gia trên thế giới, tác động trực tiếp đến hoạt động sản xuất, đời sống của người dân và sự ổn định, phát triển của các hệ thống kinh tế - xã hội.

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, TP.HCM đã và đang đối mặt với nhiều rủi ro, thách thức lớn. Theo Báo cáo Đánh giá khí hậu TP.HCM được phê duyệt ngày 10 tháng 11 năm 2021 theo Quyết định số 3844/QĐ-UBND của UBND Thành phố, các yếu tố khí hậu cơ bản và cực đoan khí hậu tại Thành phố có xu hướng biến đổi rõ rệt và được dự báo tiếp tục diễn biến phức tạp, cực đoan hơn trong tương lai.

Trước nguy cơ gia tăng mức độ và phạm vi ảnh hưởng của thiên tai do tác động của biến đổi khí hậu, TP.HCM cần cần tăng cường triển khai thực hiện các giải pháp chủ động phòng ngừa và giảm thiểu rủi ro thiên tai, trong đó có ngập do triều. Việc nâng cao chất lượng hệ thống thông tin, dự báo và cảnh báo ngập có vai trò quan trọng trong hỗ trợ cơ quan quản lý và cộng đồng chủ động ứng phó, góp phần giảm thiểu thiệt hại và nâng cao khả năng chống chịu của Thành phố trước biến đổi khí hậu.

Trên cơ sở đó, nhóm nghiên cứu thuộc Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM đã triển khai nhiệm vụ khoa học - công nghệ "Nghiên cứu ứng dụng GIS và viễn thám trong giám sát và cảnh báo ngập triều Thành phố Hồ Chí Minh trong điều kiện biến đổi khí hậu".

TS. Nguyễn Thị Huyền - chủ nhiệm nhiệm vụ cho biết: Các bản tin dự báo, cảnh báo về khả năng xảy ra các hiện tượng khí tượng, thủy văn nguy hiểm cho khu vực TP.HCM hiện nay chủ yếu chỉ cung cấp cho người dùng cái nhìn tổng quát về xu hướng của các hiện tượng này tại các trạm quan trắc và theo những khung giờ được quy định sẵn mà chưa thể hiện độ chi tiết không gian đến từng vị trí. Do đó, cần thiết nâng cao tính trực quan trở nên thân thiện, dễ hiểu hơn và tăng cường khả năng cập nhật theo thời gian thực và tiếp cận đại chúng cho người dùng.

Tuy nhiên, trước những bất định của sự thay đổi hệ thống khí hậu, việc cung cấp thông tin dự báo, cảnh báo có độ tin cậy cao, cập nhật kịp thời và dễ tiếp cận là cơ sở quan trọng để cơ quan quản lý và cộng đồng chủ động ra quyết định và triển khai các biện pháp ứng phó. Đặc biệt, việc tích hợp thông tin khí tượng, thủy văn với dữ liệu không gian và công nghệ GIS, viễn thám có thể góp phần nâng cao khả năng giám sát, trực quan hóa và cảnh báo rủi ro ngập triều theo không gian và thời gian, đáp ứng tốt hơn nhu cầu quản lý và ứng phó tại địa phương. Do đó, thay vì chỉ ứng phó khi sự cố đã xảy ra, cần chuyển cách tiếp cận chủ động hơn trong việc giám sát và cảnh báo, nhằm kịp thời nhận diện các diễn biến và rủi ro liên quan đến biến đổi khí hậu.

GS.TS Nguyễn Kim Lợi - trưởng nhóm nghiên cứu - thông tin thêm: Trong trường hợp này, xây dựng một mạng lưới quan trắc môi trường tự động trên cơ sở ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực GIS, viễn thám, điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông là giải pháp phù hợp, đáp ứng các yêu cầu đặt ra.

Cụ thể, hệ thống cần đáp ứng 4 yêu cầu chính: (1) cung cấp dữ liệu theo thời gian thực hoặc gần thời gian thực, với tần suất cập nhật linh hoạt theo ngày, giờ hoặc theo yêu cầu, đồng thời có khả năng lưu trữ, phân tích và phát hiện các diễn biến bất thường để hỗ trợ cảnh báo kịp thời; (2) có khả năng tích hợp và đồng vận hành với các hệ thống GIS khác nhằm hỗ trợ giám sát và ứng phó với các diễn biến bất thường của khí hậu và môi trường; (3) tuân thủ các chuẩn mở, bảo đảm khả năng kết nối và chia sẻ dữ liệu với các hệ thống trong nước và quốc tế; và (4) tự động truyền tải thông tin cảnh báo đến cộng đồng thông qua nhiều phương tiện truyền thông, góp phần nâng cao khả năng tiếp cận và chủ động ứng phó của người dân.

GS.TS Nguyễn Kim Lợi còn nhấn mạnh thêm, ngành nông nghiệp TP.HCM đang chuyển đổi từ truyền thống sang hiện đại khi ứng dụng công nghệ số để thu thập các dữ liệu, sử dụng phần mềm quản trị vườn trồng hoặc tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên (nước, phân bón…). Trong đó, ngành trồng trọt đã sử dụng các phần mềm phân tích dữ liệu về môi trường, giai đoạn sinh trưởng của cây, cho phép truy xuất, theo dõi các thông số này theo thời gian thực; còn ngành chăn nuôi đã ứng dụng công nghệ blockchain, công nghệ sinh học ở trang trại quy mô lớn. Ngoài ra, một số doanh nghiệp lớn đã áp dụng công nghệ cao, công nghệ thông tin vào điều hành sản xuất, phân phối cũng như tiêu thụ sản phẩm.

Tuy nhiên, để phát triển nông nghiệp công nghệ cao, trước hết phải xây dựng nông nghiệp số, nghĩa là nông nghiệp dựa trên hệ thống cơ sở dữ liệu lớn như thổ nhưỡng, môi trường, thời tiết, trồng trọt, chăn nuôi, thủy sản, tự động hóa môi trường sản xuất - kinh doanh, thương mại điện tử, quản lý quy hoạch và dự báo, cảnh báo thị trường. Xuất phát từ những tác động bất lợi của biến đổi khí hậu đến hiện trạng ngập triều trên địa bàn TP.HCM trong những năm gần đây cùng với yêu cầu chuyển đổi số trong lĩnh vực nông nghiệp và định hướng kế hoạch hành động ứng phó với biến đổi khí hậu giai đoạn 2021-2030, tầm nhìn đến 2050 trên địa bàn Thành phố, đòi hỏi cấp thiết phải tiến hành nghiên cứu và phát triển ứng dụng GIS và viễn thám giám sát, cảnh báo ngập triều tác động đến sản xuất nông nghiệp TP.HCM trong điều kiện biến đổi khí hậu, hướng đến sản xuất nông nghiệp bền vững, đặc biệt là nghiên cứu hỗ trợ đắc lực cho công tác ứng phó và phòng chống thiên tai, hạn chế thiệt hại về vật chất và con người do ngập triều gây ra.

Trên tinh thần đó, GS.TS Nguyễn Kim Lợi, TS. Nguyễn Thị Huyền và cộng sự đã triển khai nhiệm vụ và giải quyết được 2 mục tiêu quan trọng, đó là 1) Xây dựng phần mềm quản lý và khai thác cơ sở dữ liệu GIS về hiện trạng đường bờ sông từ dữ liệu địa hình và được cập nhật mới từ dữ liệu ảnh vệ tinh; và 2) Xây dựng WebGIS cảnh báo ngập triều tác động đến sản xuất nông nghiệp và chia sẻ thông tin nhanh qua phương tiện điện thoại thông minh nhằm cung cấp giải pháp ứng phó kịp thời để hạn chế tác động tiêu cực.

Một trong những sản phẩm chủ lực là Phần mềm quản lý và khai thác cơ sở dữ liệu GIS về đường bờ sông, được xây dựng tại duongbosongtphcm.opengis.vn. Hệ thống cho phép người dùng tương tác với cơ sở dữ liệu đáp ứng yêu cầu của công tác quản lý với 5 phân hệ chức năng, bao gồm:

• Nhóm chức năng xem dữ liệu bao gồm các chức năng: Đăng ký, Đăng nhập tài khoản, Đặt lại mật khẩu, Chọn vùng quan tâm cần xem, Hiển thị dữ liệu kèm chú giải (bản đồ địa hình, sử dụng đất, khí tượng thủy văn, công trình thủy lợi, đường bờ sông, ảnh vệ tinh), So sánh hiện trạng đường bờ sông theo thời gian, Thu phóng, Di chuyển, Đo lường (khoảng cách, diện tích), Xem văn bản pháp luật trong lĩnh vực quản lý tài nguyên nước, khai thác và bảo vệ công trình thủy lợi.
• Nhóm chức năng biên tập cho phép chỉnh sửa hình học và thuộc tính của bản đồ đường bờ sông, công trình thủy lợi, sử dụng đất, số liệu quan trắc khí tượng thủy văn, biến đổi khí hậu, văn bản pháp luật trong lĩnh vực quản lý tài nguyên nước, khai thác và bảo vệ công trình thủy lợi.
• Nhóm chức năng truy vấn, tìm kiếm dữ liệu, bao gồm các chức năng: Truy vấn theo điểm, Truy vấn theo đơn vị hành chính, Tìm kiếm theo từ khóa.
• Nhóm chức năng xuất dữ liệu, tạo báo cáo, bao gồm các chức năng: Tạo báo cáo chi tiết về đường bờ sông, Tạo báo cáo tổng hợp về đường bờ sông theo đơn vị hành chính.
• Nhóm chức năng liên hệ hỗ trợ, góp ý, quản trị tài khoản, bao gồm các chức năng: Liên hệ hỗ trợ, góp ý; Quản trị hệ thống; Quản trị tài khoản.

Kết quả đánh giá diễn biến khí hậu trong các thập kỷ gần đây cho thấy TP.HCM đã trải qua những thay đổi đáng kể về nhiệt độ, lượng mưa và biến động triều cường. Nền nhiệt tại thành phố đã trở nền ấm dần hơn với mức động gia tăng đáng kể của các yếu tố nhiệt độ cực trị. Lượng mưa có sự thay đổi không đồng nhất giữa các trạm quan trắc về cường độ, tần suất và thời đoạn của các sự kiện mưa cực đoan. Trong khi đó mực nước triều nhìn chung có xu thế tăng dần trong những năm qua. Theo các kịch bản dự tính khí hậu SSPs, diễn biến khí hậu, đặc biệt là sự thay đổi của các yếu tố cực đoan, được đánh giá sẽ thay đổi phức tạp, bất định hơn trong các giai đoạn tương lai tiếp theo tại TP.HCM, góp phần gia tăng rủi ro liên quan đến ngập và sản xuất nông nghiệp.

Bên cạnh đó, nghiên cứu đã sử dụng ảnh vệ tinh Landsat và nền tảng Google Earth Engine để xây dựng bản đồ đất nông nghiệp TP.HCM cho các năm 2005, 2010, 2015, 2020 và 2025. Kết quả cho thấy diện tích đất nông nghiệp có xu hướng giảm, chủ yếu do chuyển đổi sang đất xây dựng, trong bối cảnh đô thị hóa ngày càng gia tăng. Kết quả này là cơ sở quan trọng để đánh giá mức độ dễ bị tổn thương của không gian sản xuất nông nghiệp trước các tác động của biến đổi khí hậu và ngập triều.

Đối với nội dung dự báo vị trí, thời gian và độ sâu ngập triều, nhóm nghiên cứu đã xây dựng quy trình dự báo ngắn hạn từ 1-3 ngày trên cơ sở tích hợp dữ liệu khí tượng, thủy văn, địa hình và các lớp dữ liệu không gian. Các mô hình xây dựng và đánh giá bao gồm tổ hợp nhiều mô hình học sâu, điển hình như Boosting, Residual Boosting, LSTM và Transformer. Kết quả cho thấy khả năng ứng dụng cao của các nhóm mô hình học sâu, với sai số dự báo thấp và khả năng mô phỏng tốt biến động mực nước triều. Kết quả dự báo mực nước được kết hợp với mô hình địa hình và dữ liệu GIS để xác định phạm vi, thời gian và độ sâu ngập, qua đó đánh giá nguy cơ ảnh hưởng đến các vùng sản xuất nông nghiệp, đặc biệt tại các khu vực thấp, ven sông và kênh rạch.

Trên nền tảng các kết quả trên, WebGIS cảnh báo ngập triều - https://ngaptrieu4hcm.vn/ được phát triển như một hệ thống tích hợp dữ liệu, mô hình AI, kết quả dự báo và phân tích không gian. Hệ thống cho phép truy vấn dữ liệu ngập triều, theo dõi thông tin khí tượng thủy văn, hiển thị bản đồ ngập dự báo và xác định các khu vực sản xuất nông nghiệp có nguy cơ bị ảnh hưởng. Việc hỗ trợ khai thác thông tin trên máy tính và điện thoại thông minh góp phần nâng cao khả năng tiếp cận thông tin cảnh báo của người dân, nông dân, hợp tác xã và cơ quan quản lý.

Nhìn chung, nhiệm vụ đã hình thành quy trình tích hợp từ thu thập và quản lý dữ liệu, phân tích diễn biến khí hậu, dự báo mực nước triều bằng AI, xây dựng bản đồ ngập đến cung cấp thông tin cảnh báo trên nền tảng WebGIS. Kết quả này tạo cơ sở khoa học và công nghệ cho việc nâng cao năng lực giám sát, cảnh báo sớm và chủ động ứng phó với ngập triều, góp phần giảm thiểu thiệt hại đối với sản xuất nông nghiệp và thúc đẩy phát triển bền vững tại TP.HCM.

Đánh giá về tác động kinh tế - xã hội và môi trường của nhiệm vụ, nhóm nghiên cứu cho rằng việc xây dựng một hệ thống giám sát lượng mưa, mực nước, cảnh báo ngập triều tự động theo thời gian thực sẽ giúp nhà quản lý ứng phó và phòng chống thiên tai, hạn chế thiệt hại về vật chất và con người do ngập triều gây ra. Ngoài ra, hệ thống này sẽ là nền tảng để xây dựng hệ thống thông tin tự động cung cấp cho người dân, cán bộ quản lý trong quá trình sản xuất nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản, chủ động bố trí lịch thời vụ, sản xuất hiệu quả hơn.

Về khía cạnh môi trường, thông qua việc đưa vào sử dụng hệ thống giám sát lượng mưa, mực nước, cảnh báo ngập triều, sẽ góp phần nâng cao nhận thức, hiểu biết về diễn biến thời tiết, chế độ thủy văn của người dân, cán bộ trên khu vực nghiên cứu, từ đó định hướng hành động, hỗ trợ tích cực cho công tác bảo vệ môi trường.

Có thể khẳng định rằng, hệ thống WebGIS nói riêng và tất cả sản phẩm hợp phần tạo ra từ nhiệm vụ khoa học - công nghệ này nói chung, có ý nghĩa thực tiễn trong việc hỗ trợ công tác giám sát, cảnh báo sớm và quản lý rủi ro ngập triều tại TP.HCM, đồng thời tạo nền tảng kỹ thuật để tiếp tục mở rộng hệ thống trong các giai đoạn tiếp theo.

Quỹ PT KH&CN TP.HCM, tháng 9/2026