Một thuật toán máy tính mới được phát triển tại Đại học Stanford cho phép các nhà khoa học sử dụng dữ liệu vệ tinh để xác định mực nước ngầm trên các khu vực rộng lớn.
Kỹ thuật này, được đăng tải chi tiết trong số tháng 6 của tạp chí Water Resources Research. Đồng tác giả của nghiên cứu Rosemary Knight, giáo sư địa vật lý tại Khoa Trái đất, Khoa học Năng lượng và Khoa học Môi trường Đại học Stanford, cho biết: “Điều này có thể đặc biệt hữu ích trong các vùng nông nghiệp, nơi mà việc khai thác nước ngầm là phổ biến và sự cạn kiệt nước ngầm là nguy cơ”.
Knight và các đồng nghiệp gần đây đã áp dụng thuật toán để xác định mực nước ngầm trong toàn bộ vùng nông nghiệp ở thung lũng San Luis của Colorado. Khởi đầu, thuật toán dùng dữ liệu thu được bằng cách sử dụng một công nghệ vệ tinh được gọi là Radar khẩu độ tổng hợp Interferometric, hoặc InSAR, để tính mực nước ngầm thay đổi ở Thung lũng San Luis từ năm 1992 đến năm 2000.
Các vệ tinh InSAR sử dụng sóng điện từ để theo dõi các thay đổi nhỏ ở mức centimet trong độ cao của bề mặt trái đất. Chương trình này do NASA phát triển ban đầu vào những năm 1980 để thu thập dữ liệu về núi lửa, động đất và sạt lở đất, nhưng Knight và đồng nghiệp Howard Zebker, giáo sư địa vật lý và kỹ sư điện tại Stanford, trong những năm gần đây đã điều chỉnh công nghệ nhằm giám sát nước ngầm.
Các nhà khoa học Stanford đã chỉ ra rằng sự thay đổi độ cao bề mặt có thể tương quan với sự dao động của mực nước ngầm. Tuy nhiên, họ chỉ có thể làm việc đó cho một khu vực tương đối nhỏ vì họ phải xác định và phân tích thủ công các điểm ảnh chất lượng cao trong các hình ảnh vệ tinh InSAR của khu vực không bị che phủ bởi các vụ mùa hoặc các đặc tính bề mặt khác.
Thuật toán mới, được phát triển bởi Jingyi “Ann” Chen, một nhà nghiên cứu bậc sau tiến sĩ Stanford thuộc nhóm Knight, đã tự động hóa quá trình lựa chọn pixel trước đây. Chen cho biết: “Những gì chúng tôi đã chứng minh trong nghiên cứu mới này là một phương pháp cho phép chúng ta tìm ra các điểm InSAR chất lượng cao tại nhiều địa điểm khác nhau trong thung lũng San Luis”, ông Chen, tác giả đầu tiên của nghiên cứu mới cho biết.
Thuật toán của Chen cũng đi một bước xa hơn bằng cách xác định hoặc nội suy, mực nước ngầm trong không gian giữa các điểm ảnh mà không có dữ liệu InSAR chất lượng cao. Phương thức nội suy trung bình được sử dụng nhưng nó đòi hỏi dữ liệu InSAR chất lượng cao từ các địa điểm gần giếng theo dõi, nơi mực nước ngầm đã được biết đến để hiệu chỉnh mối liên hệ giữa dữ liệu InSAR và mực nước ngầm. Trong các nghiên cứu trước đây, chỉ có ba giếng giám sát được xác định với các điểm ảnh InSAR chất lượng cao. Sử dụng thuật toán mới, con số đó đã tăng lên đến 16.
Kết quả là nhóm nghiên cứu đã có thể tính toán sự thay đổi bề mặt – và mở rộng ra là mực nước ngầm – cho toàn bộ lưu vực nông nghiệp của Thung lũng San Luis, một khu vực có diện tích khoảng 4.000 mét vuông – lớn hơn khoảng năm lần so với diện tích nước ngầm được tính toán trong nghiên cứu trước. Hơn nữa, các thành viên trong nhóm đã có thể chỉ ra mực nước ngầm trong khu vực thay đổi theo thời gian từ năm 2007 đến năm 2011 – những năm mà dữ liệu InSAR có thể được phân tích theo thuật toán đã có sẵn.
