Các mô hình kết hợp phương pháp viễn thám cho việc giám sát môi trường với các mục đích khác nhau đã được nghiên cứu ứng dụng ở giai đoạn hiện tại và đưa ra xu hướng phát triển, hướng đi trong tương lai để định hướng cho việc nghiên cứu, ứng dụng trong việc quan trắc, giám sát bảo vệ môi trường trong thời kỳ mới. 1. Ứng dụng viễn thám truy xuất các chỉ số sinh thái Một số chỉ số sinh thái cơ bản được đề xuất từ dữ liệu viễn thám để phản ánh hiện trạng sinh thái, bao gồm chỉ số thực vật, độ ẩm của đất/thực vật, thoát hơi nước và nhiệt độ bề mặt đất. - Chỉ số thực vật: Chỉ số thực vật là chỉ số phản ánh tình trạng của thảm thực vật trên mặt đất và mô tả các điều kiện sinh thái. Các chỉ số thực vật thường được sử dụng bao gồm Chỉ số thực vật theo tỷ lệ (RVI), Chỉ số thực vật khác biệt chuẩn hóa (NDVI), Chỉ số thực vật môi trường (EVI), Chỉ số thực vật xanh (GVI), Chỉ số thực vật vuông góc (PVI), Chỉ số thực vật điều chỉnh đất (SAVI), và Chỉ số thực vật môi trường khác biệt (DVIEVI) v.v. Các bộ dữ liệu viễn thám khác nhau, ví dụ: Landsat TM&OLI, Gaofen-1 và MODIS, có các đặc điểm khác nhau, chẳng hạn như độ phân giải không gian, dải quang phổ và độ phân giải dẫn đến các mức độ chính xác của việc truy xuất là khác nhau. Một khía cạnh quan trọng khác là việc sử dụng thông tin dải và một số nghiên cứu đã so sánh phương pháp kết hợp dải ban đầu, phương pháp kết hợp thành phần chính và phương pháp kết hợp dải phái sinh để tìm ra kết hợp dải tốt nhất cho các chỉ số điển hình. Ngoài ra, điều tra các yếu tố tác động của truy xuất chỉ số thực vật và thực hiện các điều chỉnh cũng là một phương pháp hiệu quả để nâng cao độ chính xác của truy xuất. Các nhà khoa học nhận thấy rằng hệ số phản xạ trong các dải cận hồng ngoại và hồng ngoại sóng ngắn rất nhạy cảm với các biến thể địa hình. - Độ ẩm của đất và thực vật: Độ ẩm của đất là thành phần chính của quá trình trao đổi nước và năng lượng toàn cầu giữa thủy quyển, khí quyển và sinh quyển. Nhiều phương pháp đã được đề xuất để lấy độ ẩm của đất và có thể chia thành ba loại: mô hình thực nghiệm, mô hình bán thực nghiệm và mô hình vật lý. Được sử dụng rộng rãi nhất là các mô hình thực nghiệm bao gồm: mô hình truy xuất độ ẩm của đất dựa trên không gian đặc trưng phổ hồng ngoại sóng ngắn MODIS, mô hình truy xuất kết hợp viễn thám chủ động - thụ động dựa trên thuật toán mạng nơ-ron, mô hình truy xuất dựa trên chỉ số hấp thụ phổ chuẩn hóa và mô hình truy xuất độ ẩm của đất dựa trên không gian đặc trưng phổ đỏ - cận hồng ngoại. Các mô hình bán thực nghiệm bao gồm: mô hình kết hợp truy xuất độ ẩm của đất dựa trên viễn thám chủ động - thụ động và mô hình truy xuất độ ẩm của đất dựa trên thông tin phản xạ phân cực. Một mô hình điển hình dựa trên các đặc tính phản xạ hai hướng của đất, mô phỏng phản xạ của đất trong điều kiện tự nhiên và thiết lập mối quan hệ giữa phản xạ hai hướng của đất và hàm lượng nước trong đất. Độ ẩm thực vật là chỉ tiêu phản ánh sự sinh trưởng của thực vật. Phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trước tiên là thiết lập mối quan hệ giữa chỉ số quang phổ và hàm lượng nước của thực vật dựa trên các giá trị đo được trên mặt đất và lấy mẫu trực tiếp định lượng độ ẩm của thực vật từ các ảnh viễn thám. - Thoát hơi nước: Sự thoát hơi nước là một thông số quan trọng trong chu trình năng lượng bề mặt. Các nhà khoa học sử dụng các mô hình khác nhau để tính toán lượng bốc hơi nước trên bề mặt đất. Các mô hình thường được sử dụng bao gồm mô hình Thuật toán cân bằng năng lượng bề mặt cho đất (SEBAL), mô hình Hệ thống cân bằng năng lượng bề mặt (SEBS), mô hình Lập bản đồ thoát hơi nước ở độ phân giải cao với hiệu chuẩn bên trong (METRIC), mô hình lai và mô hình bán thực nghiệm. Một mô hình bán thực nghiệm, tức là, mô hình thoát hơi nước theo cấp số nhân để ước tính lượng bốc hơi nước bằng dữ liệu MODIS và kết quả thực nghiệm đã xác nhận rằng nó hữu ích để theo dõi các sự kiện hạn hán trên bề mặt. - Nhiệt độ bề mặt đất: Nhiệt độ bề mặt đất (LST) là thông số không thể thiếu để nghiên cứu quá trình trao đổi vật chất và năng lượng giữa bề mặt và khí quyển, hoàn lưu đại dương toàn cầu, dị thường biến đổi khí hậu và các khía cạnh khác. Thuật toán truy xuất LST là thuật toán đơn kênh, thuật toán chia cửa sổ và thuật toán dựa trên mạng thần kinh. Các thuật toán đơn kênh sử dụng một dữ liệu kênh hồng ngoại nhiệt duy nhất để truy xuất nhiệt độ bề mặt và chúng có thể được phân loại thành hai loại. Các thuật toán đơn kênh theo kinh nghiệm thiết lập mối quan hệ thực nghiệm giữa các thông số khí quyển và nhiệt độ khí quyển gần bề mặt, trong khi các thuật toán đơn kênh vật lý tiến hành hiệu chỉnh khí quyển bằng cách sử dụng phương trình truyền bức xạ và biên dạng khí quyển. Các thuật toán chia cửa sổ chủ yếu sử dụng sự kết hợp tuyến tính của hai kênh hồng ngoại liền kề với các đặc tính hấp thụ khí quyển khác nhau để loại bỏ các hiệu ứng khí quyển và lấy nhiệt độ bề mặt đất. 2. Giám sát viễn thám các khu vực được bảo vệ - Bảo tồn thiên nhiên: Khu bảo tồn thiên nhiên là thực thể địa lý đặc biệt được chỉ định để bảo vệ các hệ sinh thái quan trọng, cứu các loài có nguy cơ tuyệt chủng hoặc bảo vệ các di sản lịch sử tự nhiên. Chúng đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển bền vững của cân bằng sinh thái. Ứng dụng viễn thám để giám sát các khu bảo tồn thiên nhiên được thực hiện chủ yếu từ hai khía cạnh. Đầu tiên là giám sát thay đổi sử dụng đất/độ che phủ (LUCC) trong các khu bảo tồn thiên nhiên. Các bộ dữ liệu vệ tinh, đặc biệt là ảnh Landsat, được sử dụng rộng rãi để giám sát LUCC bằng cách tiến hành phân loại ảnh dựa trên ảnh vệ tinh gốc hoặc bằng cách sử dụng trực tiếp các sản phẩm có sẵn như EVI do NASA cung cấp. Bên cạnh đó, các nhà khoa học đã áp dụng dữ liệu HJ-1A/1B CCD (Trung Quốc) để theo dõi động lực học của LUCC và chứng minh rằng hiệu suất của dữ liệu HJ-1A/1B CCD tương tự như dữ liệu Landsat TM. Mặt khác, những thay đổi về sinh thái và môi trường trong các khu bảo tồn thiên nhiên đã được phân tích bằng cách phân tích các hoạt động của con người. Theo đặc điểm sử dụng đất, các loại đất do hoạt động của con người gây ra được phân loại dựa trên ảnh viễn thám, sau đó các hoạt động của con người trong các khu bảo tồn thiên nhiên được phân tích bằng cách khám phá sự phân bố không gian của các loại đất đó. Đây là những phương pháp phân tích đại diện lấy một số loại thửa đất cụ thể làm đại diện cho các hoạt động của con người. Một phương pháp khác là xây dựng chỉ số tác động của hoạt động con người dựa trên các loại đất công nghiệp, nông nghiệp, du lịch, giao thông, v.v., và hơn nữa là đánh giá tác động của các hoạt động của con người đối với các khu bảo tồn thiên nhiên. - Bảo tồn đa dạng sinh học: Đa dạng sinh học là sự đa dạng của sự sống về mọi hình thức, cấp độ và quần thể của các sinh vật trên Trái đất, nhìn chung bao gồm ba cấp độ: đa dạng gen, đa dạng loài và đa dạng hệ sinh thái. Các công nghệ viễn thám được sử dụng rộng rãi để giám sát các hoạt động của con người, các loài sinh vật, mức độ đa dạng sinh học và lớp phủ thực vật trong các khu vực ưu tiên bảo tồn đa dạng sinh học (Biodiversity Conservation Priority Areas - BCPA). Chỉ số xáo trộn do con người có thể được xác định trên cơ sở viễn thám phân loại đất để theo dõi và đánh giá mức độ xáo trộn do con người trong BCPA. - Vùng chức năng sinh thái trọng điểm quốc gia: Các khu chức năng sinh thái trọng điểm quốc gia là các khu vực được bảo vệ đặc biệt và hạn chế khai thác. Chúng được thiết lập để bảo vệ, khôi phục và cải thiện các chức năng sinh thái quan trọng của các vùng cụ thể bao gồm bảo tồn đất và nước trong khu vực, kiểm soát gió và cát, điều tiết và lưu trữ lũ, đồng thời duy trì và cải thiện chức năng của chúng để cung cấp các sản phẩm và dịch vụ sinh thái khác nhau. Nó liên quan đến sự phát triển phối hợp bảo vệ kinh tế, xã hội và sinh thái trong khu vực, và sự phát triển cân bằng của khu vực. Viễn thám có thể cung cấp hỗ trợ cho việc giám sát và quản lý các khu chức năng sinh thái quan trọng của quốc gia. Một công việc quan trọng là đánh giá định lượng các dịch vụ sinh thái từ các hoạt động của con người và khí hậu. Có bốn loại dịch vụ sinh thái quan trọng của quốc gia, bao gồm bảo tồn nước, bảo tồn nước và đất, chắn gió và cố định cát và duy trì đa dạng sinh học. Các dịch vụ sinh thái này có thể được đánh giá bằng các mô hình dựa trên bộ dữ liệu viễn thám và dữ liệu khí tượng quan sát được trên mặt đất. Viễn thám có thể được sử dụng để đánh giá các chức năng sinh thái từ các khía cạnh sau: phân bố hệ sinh thái, thay đổi cảnh quan và chỉ số chức năng sinh thái. 3. Triển vọng viễn thám giám sát môi trường Hiện nay suy thoái môi trường xảy ra thường xuyên do các hoạt động có động cơ kinh tế. Để duy trì an toàn môi trường cần tăng cường bảo vệ và giám sát môi trường bằng công nghệ viễn thám, đặc biệt là bảo tồn sinh thái các khu vực có tầm quan trọng đặc biệt, chức năng sinh thái phải được bảo vệ. Tuy nhiên, trước những vấn đề tồn tại, một số định hướng sau đây cần được ban hành nhằm thúc đẩy sự phát triển công nghệ và đáp ứng yêu cầu quản lý môi trường quốc gia. (1) Thúc đẩy hợp nhất dữ liệu đa nguồn. Dữ liệu viễn thám đa nguồn có thể bù đắp những thiếu hụt của một loại dữ liệu duy nhất về độ phân giải thời gian, độ phân giải không gian hoặc độ phân giải quang phổ và cung cấp thông tin bổ sung. Do đó, làm thế nào để ước tính chỉ số sinh thái bằng cách sử dụng tổng hợp dữ liệu đa nguồn bao gồm dữ liệu viễn thám, dữ liệu sinh thái, dữ liệu môi trường, dữ liệu khí tượng, dữ liệu xã hội và kinh tế, là một hướng quan trọng. (2) Nâng cao độ chính xác truy xuất của các tham số viễn thám. Xem xét tính không chắc chắn của quá trình truy xuất viễn thám, độ chính xác của quá trình truy xuất tham số sinh thái được cải thiện bằng cách tối ưu hóa các mô hình và phát triển hệ thống đồng hóa dữ liệu bề mặt đất. (3) Mô hình hóa hiệu ứng quy mô. Hiệu ứng quy mô là vấn đề chính mà viễn thám môi trường cần phải đối mặt. Độ chính xác của truy xuất viễn thám có liên quan đến độ phân giải không gian và thời gian của bộ dữ liệu được sử dụng. Do đó, cần phải chọn một thang đo không gian phù hợp theo yêu cầu và tiếp tục chọn một bộ dữ liệu viễn thám có sẵn. (4) Nâng cao trình độ tự động hóa sản xuất. Bên cạnh tính chính xác của sản phẩm, nhà nước và công chúng cũng có yêu cầu cao về tính kịp thời của sản phẩm trong nhiều tình huống ứng dụng, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng ứng dụng. Trọng tâm của công việc trong tương lai sẽ là tăng mức độ tự động hóa của các sản phẩm viễn thám thông qua tối ưu hóa quy trình, phát triển chức năng tùy chỉnh và tổng hợp tài nguyên tính toán. (5) Nâng cao khả năng dự báo và phân tích tổng hợp, chuyển viễn thám môi trường từ giám sát sang khả năng tổng hợp với giám sát và dự báo, tăng cường phân tích tổng hợp kết quả là những định hướng quan trọng cho công việc trong thời gian tới. (6) Thúc đẩy truy cập mở tới các bộ dữ liệu vệ tinh. Cần xây dựng các chính sách và giao thức liên quan để tăng tính mở của dữ liệu vệ tinh, thúc đẩy các ứng dụng và tăng cường phổ biến thông tin.