Đài Khí tượng Thủy văn Nam Bộ và những giải pháp công nghệ dự báo thời tiết nổi bật

Đài KTTV Nam Bộ và những giải pháp công nghệ dự báo thời tiết nổi bật

Giới thiệu chung về Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Bộ

Đài Khí tượng Thủy văn (KTTV) khu vực Nam Bộ là đơn vị trực thuộc Tổng Cục Khí tượng Thủy văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường với nhiệm vụ chính là quản lý, quan trắc, dự báo các hiện tượng thời tiết nguy hiểm cho các tỉnh Nam Bộ.

Những năm qua, Đài đã thực hiện nghiên cứu và ứng dụng một số giải pháp công nghệ mới, công nghệ trí thông minh nhân tạo (AI), giúp nâng cao hiệu suất làm việc, năng lực dự báo, cảnh báo, phục vụ hiệu quả công tác phòng chống thiên tai trên địa bàn các tỉnh Nam Bộ như: Công cụ tự động thu thập-phân tích dữ liệu ảnh mây vệ tinh Himawari và radar thời tiết Nhà Bè, hệ thống đồng hóa dữ liệu quan trắc cho mô hình dự báo thời tiết độ phân giải cao WRF, công cụ phân tích và số hóa bản đồ phân tích thời tiết...

Bộ công cụ thu thập và số hóa dữ liệu quan trắc cũng như các ứng dụng công nghệ AI trong quan trắc và dự báo các hiện tượng thời tiết nguy hiểm diễn ra trong thời gian ngắn như mưa lớn, ngập lụt đô thị, có vai trò rất quan trọng trong hoạt động nghiệp vụ, hỗ trợ chính quyền và phục vụ nhân dân.

Giới thiệu giải pháp công nghệ:

1. Bộ công cụ thu nhận và chuẩn hóa dữ liệu quan trắc

Số liệu quan trắc khí tượng thủy văn có ý nghĩa rất lớn trong công tác dự báo cũng như công tác phòng chống thiên tai và biến đổi khí hậu. Nhằm cung cấp đầy đủ, kịp thời thông tin, dữ liệu khí tượng thủy văn đáp ứng các yêu cầu trong điều hành chính sách, phát triển kinh tế-xã hội, phòng chống thiên tai và ứng phó với biến đổi khí hậu, bảo đảm quốc phòng, an ninh quốc gia, ngành Khí tượng Thủy văn đã và đang được đầu tư nâng cấp mạng lưới quan trắc khí tượng tự động, đồng bộ với mục đích chuyển dần từ đo thủ công sang tự động, đan dày các trạm quan trắc ở vùng núi, vùng sâu.

Hiện nay tại Đài KTTV Nam Bộ có 4 dự án trạm đo mưa tự động, dự án VRAIN (82 trạm), dự án Hàn Quốc (49 trạm), dự án World Bank 4 (107 trạm), dự án World Bank 5 (57 trạm). Trước nguồn số liệu lớn và đa dạng từ các trạm tự động, cần phải xây dựng bộ công cụ thu thập, xử lý và chuẩn hóa toàn bộ nguồn số liệu mưa, giúp thực hiện truy xuất dễ dàng, thuận tiện và nhanh chóng.

Xây dựng giao diện web cho bộ công cụ

Sau khi chuẩn bị xong bộ cơ sở dữ liệu Đài KTTV khu vực Nam Bộ sẽ tiến hành xây dựng một website giúp hiển thị, trích xuất và quản trị các sản phẩm mưa thu thập được. Để thuận tiện trong việc phân tích và trích xuất số liệu, website sẽ được xây dựng với các lớp bản đồ:

- Lớp bản đồ nền chứa thông tin tọa độ và ranh giới các tỉnh, thành phố, quận, huyện, xã…

- Lớp thông tin vị trí trạm chứa thông tin tên trạm, dự án và lượng mưa quan trắc được.

- Lớp dữ liệu mưa chứa thông tin lượng mưa tại các trạm, bảng mô tả màu sắc theo lượng mưa ghi nhận được.

Hệ thống còn tích hợp các lựa chọn về thời gian để người dùng có thể thực hiện truy vấn dữ liệu một cách thuận tiện, dễ dàng, trực quan.

Ngoài ra, người dùng cũng có thể truy vấn dữ liệu theo chuỗi thời gian và trích xuất dữ liệu ra định dạng excel.

Dựa trên cơ sở bộ dữ liệu KTTV thu thập đã được số hóa và chuẩn hóa, Đài KTTV khu vực Nam Bộ thực hiện nghiên cứu một số ứng dụng dựa trên công công nghệ AI phục vụ công tác dự báo và phòng chống thiên tai cho các tỉnh Nam Bộ.

2. Bộ công cụ AI ước lượng lượng mưa từ độ phản hồi radar và cảnh báo mưa lớn, ngập lụt đô thị (ứng dụng cảnh báo cho thành phố Thủ Đức, Tp.Hồ Chí Minh)

Công cụ ước lượng lượng mưa từ độ phản hồi radar bằng công nghệ AI sẽ sử dụng bộ dữ liệu đầu vào là sản phẩm độ phản hồi vô tuyến của radar Nhà Bè (TPHCM) trong nhiều năm. Sau đó đưa các dữ liệu này vào mô hình học máy (Machine learning) để có được bộ thông số. Từ bộ thông số này, cứ mỗi phản hồi vô tuyến hiện tại của radar, mô hình sẽ đưa ra dự báo sự phát triển, hướng dịch chuyển theo thời gian của các vùng phản hồi vô tuyến trong khoảng 3h tới. Đồng thời ứng với mỗi vùng phản hồi được dự báo, mô hình cũng sẽ đưa ra các dự báo lượng mưa.

Mô tả mô hình AI ước lượng lượng mưa từ độ phản hồi radar

- Dữ liệu phản hồi radar quá khứ: Các dữ liệu radar sẽ được thu thập trong nhiều năm, sau đó tiến hành các bước chuẩn hóa làm bộ data đầu vào cho mô hình học máy.

- Bộ data học máy: Các dữ liệu sau khi được chuẩn hóa về định dạng HDF5 cho quá trình học máy.

- Mô hình AI được sử dụng là Convolutional Neural Networks (CNN)

- Dữ liệu phản hồi radar hiện tại: Các sản phẩm quan trắc hiện tại sẽ được cung cấp làm đầu vào để mô hình học máy đưa ra các dự báo.

- Website: Các sản phẩm dự báo sẽ được cập nhật liên tục lên website để người dùng dễ dàng sử dụng.

Giao diện chính của công cụ là hình ảnh dự báo các vùng có mưa được chồng lớp trên bản đồ các tỉnh thành Nam Bộ. Đồng thời ở góc trên bên phải là timeline điều chỉnh các bước thời gian, mô tả thời gian sắp tới các vùng mưa sẽ được dự báo dịch chuyển như thế nào trên bản đồ. Chấm mầu đen trên bản đồ thể hiện vị trí người dùng. Các dự báo sẽ được cập nhật liên tục mỗi 10 phút trong ngày.

Một số chức năng của bộ công cụ ước lượng lượng mưa từ độ phản hồi radar:

- Xác định địa điểm có mưa trên bản đồ

Khi mô hình AI dự báo có mưa, trên bản đồ sẽ xuất hiện các vùng màu (từ xanh đến tím) thể hiện lượng mưa có thể xuất hiện trong 10 phút. Để xác định địa điểm mưa, người dùng có thể click chuột (hay chạm tay với điện thoại cảm ứng) vào vị trí có mưa, từ đó trên bản đồ sẽ thể hiện vị trí điểm chọn (chấm màu đen) và thông tin địa điểm ở góc dưới bên trái màn hình

Khi đã xác định được vị trí có mưa, tương ứng với các màu người dùng có thể dễ dàng biết được lượng mưa có thể xuất hiện trong thời gian tới.

- Timeline xem dự báo mưa và hướng dịch chuyển của vùng mưa trong 3h tới.

Thanh timeline dự báo (góc trên bên phải) sẽ cho ta biết lượng mưa có thể xuất hiện trong mỗi 10 phút, tổng thời gian dự báo là 3h, thời điểm bắt đầu dự báo là giờ có màu xanh trên timeline. Bằng cách click chuột vào vị trí giờ trên timeline người dùng sẽ xem được vùng mưa tương ứng với khoảng thời gian đó. Nếu click vào nút play (hình tam giác), các hình sẽ tự chuyển động.

- Hiển thị bản đồ theo từng tỉnh

Để thuận tiện hơn cho người dùng khi muốn biết chi tiết mưa xuất hiện trong vùng nào của từng tỉnh, người dùng chọn tên tỉnh tương ứng ở góc trên bên phải giao diện.

Lúc này công cụ sẽ chỉ hiển thị riêng hình ảnh bản đồ của tỉnh được lựa chọn. Người dùng cũng có thể phóng to/thu nhỏ bản đồ bằng cách zoom in/out, thuận tiện cho việc quan sát vùng mưa và vị trí mưa trên bản đồ.

3. Công cụ AI dự báo mức độ ngập trên đường phố

Công cụ dự báo ngập dựa trên nền tảng trí tuệ nhân tạo (AI) sẽ sử dụng bộ dữ liệu đầu vào là các số liệu ngập trong quá khứ đã được số hoá lên bản đồ và chuyển thành dạng lưới. Sau đó đưa các dữ liệu này vào mô hình học máy (Machine Learning) với giá trị đầu vào là các ngày có lượng mưa lớn nhất để có được bộ thông số đầu ra phân loại ngập hay không ngập. Đây là bộ thông số dự báo điểm ngập từ số liệu quá khứ.

Từ bộ thông số này, tổng lượng mưa trong 3 giờ và mực nước triều sẽ đưa vào SVC (Support Vector Machine là một thuật toán thuộc nhóm Supervised Learning dùng để phân chia dữ liệu (Classification) thành các nhóm riêng biệt) phân loại độ sâu ngập cho từng điểm trên lưới trong thời gian 3 giờ. Đây là bộ số liệu dự báo vùng ngập theo số liệu mô phỏng. Sau đó sử dụng thuật toán để chập vùng từ số liệu quá khứ và số liệu mô phỏng.

Cuối cùng để nâng cao độ chính xác trong dự báo thì các số liệu trạm đo mực nước, đo mưa, camera trực tuyến sẽ được sử dụng để đào tạo trong quá trình phân loại ngập.

Chức năng công cụ dự báo ngập

Công cụ được phát triển để dự báo điểm, vùng ngập sử dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) với độ chính xác cao, dễ dàng tương tác, thân thiện với người sử dụng với các chức năng chính sau:

- Dự báo ngập hàng ngày

Mô hình AI sử dụng đầu vào là kết quả dự báo lượng mưa 24h và mực nước Triều để dự báo mức độ ngập cho các tuyến đường trên địa bàn thành phố Thủ Đức.

- Cảnh báo ngập trong 3 giờ tới

Sau khi mô hình AI dự báo lượng mưa từ độ phản hồi Radar, mô hình AI dự báo ngập sẽ sử dụng kết quả này để dự báo các tuyến đường có khả năng bị ngập 3h tiếp theo.

Hệ thống cảnh báo ngập trong 3h sau một thời gian sử dụng đã cho thấy rất hiệu quả và có độ chính xác cao. Hiện đã được vận hành tại Ủy ban nhân dân thành phố Thủ Đức, TPHCM.

Ngoài ra, Đài KTTV khu vực Nam Bộ đã được cấp 02 quyền tác giả về lĩnh vực AI:

Một số hình ảnh về các hoạt động của Đài KTTV khu vực Nam Bộ