Tương tác giữa bức xạ mặt trời với bề mặt biển không có rác thải nhựa (a) và có rác thải nhựa (b) (theo Murphy et al., 2018)
Ảnh viễn thám quang học ở dải sóng cận hồng ngoại (NIR) và hồng ngoại sóng ngắn (SWIR) đã chứng minh tính hiệu quả trong phát hiện các rác thải nhựa trên biển. Các nghiên cứu của Garaba và cộng sự trong dự án RESMALI (Remote Sensing of Marine Litter) do Cơ quan Vũ trụ châu Âu tài trợ đã sử dụng ảnh hàng không chụp ở độ cao 400m trên biển (bằng máy bay C-130 Hercules) để xác định bằng trực quan các mảnh rác thải nhựa có kích thước từ 0.5 m trở lên, sau đó so sánh và nhận dạng chúng trên ảnh vệ tinh ở dải sóng hồng ngoại. Kết quả nhận được trong nghiên cứu trên cho thấy, các mảnh nhựa trên biển đặc biệt nhạy cảm với dải sóng xung quanh 1215 nm và 1732 nm. Các kết quả đạt được trong Dự án RESMALI cũng cho thấy, việc sử dụng ảnh hàng không, ảnh UAV ở tổ hợp màu tự nhiên là rất hiệu quả khi phát hiện các mảnh nhựa cỡ lớn. Tuy nhiên, việc phát hiện, nhận dạng các mảnh vi nhựa gặp rất nhiều khó khăn và thường bị lẫn với các mảnh vụn khác trên biển (gỗ). Điều này có thể được khắc phục khi sử dụng các kênh ảnh ở dải sóng hồng ngoại, đặc biệt là hồng ngoại sóng ngắn (SWIR).
Khả năng nhận dạng và phân loại rác thải nhựa trên biển ở dải sóng NIR và SWIR có thể bị ảnh hưởng bởi sự hấp thụ của nước. Trong nghiên cứu của Garaba và Dierssen (2018) cho thấy, sự suy giảm giá trị chỉ số độ sâu trung vị (median band depth index) của nhựa ướt so với nhựa khô ở các dải sóng 931 nm, 1215 nm và 1732 nm lần lượt là 75%, 55% và 71%. Sự hấp thụ của nước không phải là yếu tố duy nhất làm giảm khả năng phản xạ của rác thải nhựa trên biển. Chiều rộng của các băng phổ (băng thông-bandwidth) cũng hạn chế khả năng phát hiện rác thải nhựa trên biển.
Biermann và nnk (2020) đã nghiên cứu và đê xuất chỉ số rác thải nổi (FDI-floating debris index) cho ảnh Sntinel 2, sử dụng 4 trong số 12 kênh phổ của bộ cảm biến MSI trên vệ tinh Sentinel 2. Công thức tính chỉ số FDI như sau:
Trong đó, Rrs,NIR là kênh cận hồng ngoại; Rrs, RE2 là kênh Red Edge2 (Kênh 6); Rrs, SWIR1 là kênh 11; λ là bước sóng. Sau khi áp dụng chỉ số FDI cho ảnh Sentinel-2 để phát hiện các mảnh rác thải nổi trên biển, nhóm tác giả tiếp tục sử dụng chỉ số thực vật NDVI để phân biệt và tách riêng thành phần thực vật ra khỏi rác thải nổi nói chung, do các dạng thực vật như tảo thường có giá trị chỉ số thực vật cao hơn so với các thành phần rác nổi khác. Trên cơ sở đó, nhóm thực hiện đã xác định và phân tách được các bãi rác thải nhựa trên biển với độ chính xác lên tới 86%.
Việc phát hiện rác thải nhựa khu vực cửa sông, ven biển thường thuận lợi hơn so với rác thải nhựa đại dương do giảm thiểu được ảnh hưởng của sóng biển. Moy et al. (2018) đã sử dụng ảnh hàng không để phân loại và lập bản đồ rác thải biển dọc theo bờ biển quần đảo Hawaii. Với độ phân giải siêu cao của ảnh hàng không, các mảnh rác thải nhựa có kích thước khoảng 0,05 m2 có thể được phát hiện. Trong một nghiên cứu khác, Martin và các cộng sự đã đánh giá tiềm năng của việc kết hợp ảnh chụp từ máy bay không người lái (UAV) và phương pháp học máy để phát hiện và lập bản đồ rác biển. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy, việc sử dụng ảnh UAV cho phép phát hiện và giám sát rác thải biển nhanh hơn 39 lần so với các phương pháp quan trắc truyền thống.
Bên cạnh phương pháp viễn thám bị động, các hệ thống viễn thám chủ động cũng đã được sử dụng trên thế giới trong phát hiện và giám sát ô nhiễm rác thải trên biển. Bộ cảm biến Cloud-Aerosol LIDAR trên vệ tinh CALIPSO với độ phân giải 100m đã thể hiện hiệu quả tốt khi nghiên cứu các mảnh nhựa biển dựa trên giá trị tán xạ chúng (Behrenfeld et al., 2013). Bên cạnh đó, do dữ liệu viễn thám SAR rất nhạy cảm với độ nhám của các đám rác thải nổi (trong đó có rác thải nhựa) so với bề mặt xung quanh nên có thể được khai thác để phát hiện, khoanh vẽ và giám sát các khu vực có ô nhiễm rác thải nhựa. Ví dụ như Arii và nnk (2014) đã sử dụng 3 ảnh PALSAR để giám sát các mảnh vụn nổi sau thảm họa sóng thần Tohoku (năm 2011). Kết quả cho thấy ảnh SAR rất hiệu quả trong việc phát hiện và giám sát các mảnh vụn nổi trên biển. Bên cạnh đó, do dữ liệu viễn thám SAR rất nhạy cảm với độ nhám của các đám rác thải nhựa so với bề mặt xung quanh nên có thể được khai thác để phát hiện, khoanh vẽ và giám sát các khu vực có ô nhiễm rác thải nhựa.
Về mặt cơ sở thực tiễn, Bộ Tài nguyên và Môi trường đang triển khai thực hiện Bản ghi nhớ về tổn thương, đánh giá rủi ro, thích ứng và giảm thiểu tác động của Biến đổi khí hậu đã ký kết với Bộ Môi trường, Đất đai và Biển Italia; trong đó có nội dung hợp tác Thiết lập Hệ thống thông tin địa lý cho Việt Nam để thu nhận, xử lý dữ liệu ảnh radar COSMO-Skymed. Đây là hệ thống cung cấp dữ liệu ảnh SAR có độ phân giải cao do Tập đoàn E-Geos của Italia sản xuất. Bên canh đó, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đang triển khai dự án “Phòng chống thiên tai và biến đổi khí hậu sử dụng vệ tinh quan sát trái đất”, trong đó sẽ hợp tác với Nhật Bản phóng 01 vệ tinh radar độ phân giải cao LOTUSat-1 của Việt Nam vào năm 2023.
Như vậy việc sử dụng kết hợp các loại dữ liệu ảnh viễn thám khác nhau và dữ liệu điều tra, khảo sát trực tiếp trên biển là phương án rất khả thi và hiệu quả cao trong giám sát ô nhiễm rác thải nhựa trên biển; thông qua việc giám sát sự phát tán rác thải nhựa vào biển từ nhiều nguồn khác nhau như từ đất liền thông qua các hệ thống sông, các hoạt động kinh tế-xã hội ven biển, các hoạt động trên biển và sự di chuyển rác từ đại dương và vùng biển lân cận vào Biển Đông của Việt Nam.
Với khu vực có diện tích lớn và khó tiếp cận như vùng biển, phương pháp sử dụng dữ liệu viễn thám trong nghiên cứu ô nhiễm rác thải nhựa là một tiếp cận phù hợp và hiệu quả, tiết kiệm thời gian và chi phí so với các phương pháp quan trắc truyền thống. Các nghiên cứu trên thế giới trong đánh giá ô nhiễm rác thải nhựa trên biển đều tập trung vào 02 vấn đề chính: thứ nhất, phát hiện và phân loại rác thải nhựa trên biển; thứ hai: dự đoán các khu vực có nguy cơ ô nhiễm rác thải nhựa trên cơ sở phân tích mối quan hệ với các đặc trưng về thủy, hải văn. Phương pháp viễn thám được xem là phù hợp và hiệu quả khi sử dụng nhằm phát hiện sớm và phân loại rác thải nhựa trên biển do sự khác nhau rõ rệt về phản xạ phổ của rác thải nhựa so với môi trường xung quanh. Các đặc điểm về hình dạng, cấu trúc cũng có thể được sử dụng trong nhận dạng rác thải nhựa trên biển.
Do đó việc sử dụng công nghệ viễn thám cho mục đích giám sát rác thải nhựa ven biển phục vụ phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường là cấp thiết.
