Mục tiêu chính là cải thiện độ chính xác, minh bạch và toàn vẹn của dữ liệu môi trường, đồng thời tối ưu hóa quy trình thu thập và xử lý dữ liệu. Phương pháp nghiên cứu sử dụng là phân tích các mô hình chuyển đổi số đã được thử nghiệm tại một số quốc gia. Kết quả chỉ ra rằng, ứng dụng công nghệ tiên tiến giúp nâng cao hiệu quả quản lý môi trường, tuy nhiên vẫn đối mặt với những thách thức liên quan đến chi phí và bảo mật dữ liệu.
1. Chuyển đổi số trong giám sát môi trường
1.1. Áp dụng IoT trong giám sát môi trường
Internet vạn vật (IoT) giúp kết nối các thiết bị đo lường với nhau và với hệ thống xử lý dữ liệu, tạo ra một mạng lưới giám sát thông minh, thu thập và truyền tải dữ liệu môi trường liên tục. Các cảm biến IoT có thể lắp đặt ở nhiều vị trí khác nhau để theo dõi các thông số môi trường như chất lượng không khí, nước, đất, chất thải... Dữ liệu từ các cảm biến này được truyền trực tiếp về trung tâm điều khiển để xử lý và phân tích, cho phép phát hiện nhanh chóng các biến động và bất thường.
IoT đề cập đến mạng lưới tập hợp các thiết bị thông minh và công nghệ tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động giao tiếp giữa thiết bị và đám mây cũng như giữa các thiết bị với nhau. IoT đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra một hệ sinh thái kết nối và tương tác giữa các thiết bị xung quanh chúng ta. Nhờ khả năng thu thập và phân tích dữ liệu liên tục, các thiết bị IoT trở nên "thông minh" hơn, cho phép đưa ra các quyết định tức thời mà không cần sự can thiệp của con người. Dữ liệu thu thập từ các cảm biến được xử lý theo thời gian thực giúp phát hiện và cảnh báo nhanh chóng những thay đổi bất thường trong môi trường. Chẳng hạn như, hệ thống giám sát chất lượng không khí kết hợp theo dõi mức độ ô nhiễm không khí với dịch vụ WiFi công cộng, cho phép người dùng không chỉ sử dụng internet mà còn cập nhật thông tin về chất lượng không khí tại khu vực của họ.
IoT giúp tối ưu hóa giao tiếp giữa các thiết bị và hệ thống. Thông tin được truyền tải không chỉ là dữ liệu thô mà đã qua quá trình xử lý, phân tích để trở thành những thông tin có ý nghĩa và hữu ích hơn đối với con người. IoT cho phép các cảm biến đo lường tự động thu thập và truyền tải dữ liệu liên tục. Nhờ có mạng lưới này, các cảm biến không chỉ hoạt động liên tục mà còn truyền tải dữ liệu về trung tâm xử lý hoặc đám mây để phân tích và đưa ra các quyết định điều hành kịp thời. T heo dự báo năm 2030, khoảng 25 tỷ thiết bị IoT sẽ được kết nối với internet, tạo ra một mạng lưới khổng lồ giúp thu thập, phân tích và ra quyết định tự động dựa trên dữ liệu. Các hệ thống thông minh này giúp quản lý môi trường dễ dàng hơn, nâng cao khả năng lập kế hoạch và phản ứng nhanh chóng trước các thay đổi môi trường.
Trong các thành phố thông minh, công nghệ được sử dụng để giám sát và cải thiện nhiều khía cạnh đô thị như an toàn xây dựng, quản lý chất thải và chất lượng không khí. Bằng cách thu thập thông tin thời gian thực, các biện pháp can thiệp kịp thời có thể được thực hiện, đặc biệt là ở những khu vực có nguy cơ ô nhiễm không khí cao. Nhờ đó, IoT không chỉ cải thiện quản lý môi trường mà còn nâng cao chất lượng sống của người dân.
1.2. Sử dụng AI để phân tích dữ liệu giám sát môi trường
Trí tuệ nhân tạo (AI) hỗ trợ việc phân tích dữ liệu đo lường phức tạp từ các hệ thống giám sát môi trường, cho phép dự đoán xu hướng và phát hiện các bất thường một cách nhanh chóng và chính xác. AI ứng dụng các thuật toán học máy (Machine Learning) và học sâu (Deep Learning) để phân tích dữ liệu thời gian thực từ các cảm biến IoT, giúp đưa ra dự báo về sự biến đổi của các yếu tố môi trường như chất lượng không khí, mực nước hoặc mức độ ô nhiễm. AI là lĩnh vực khoa học máy tính chuyên giải quyết các vấn đề nhận thức thường liên quan đến trí tuệ con người, chẳng hạn như học tập, sáng tạo và nhận diện hình ảnh. AI đang tạo ra những thay đổi lớn trong lĩnh vực giám sát và đo lường, nơi việc xử lý dữ liệu lớn và ra quyết định chính xác rất quan trọng. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ IoT, hàng triệu thiết bị cảm biến được triển khai để giám sát chất lượng không khí, nước và các chỉ số sinh thái khác, dẫn đến việc tích lũy một lượng dữ liệu khổng lồ.
AI trở thành công cụ quan trọng giúp phát hiện xu hướng, phân tích mẫu dữ liệu phức tạp và dự đoán chính xác tình trạng môi trường. AI sử dụng các thuật toán học máy (ML) và học sâu (DL) để xử lý dữ liệu từ các cảm biến IoT, chẳng hạn như cảnh báo nguy cơ ô nhiễm sớm trong quan trắc chất lượng nước. Nghiên cứu của EIl-Shafeily đã giới thiệu mô hình MCN-LSTM (mạng nơ-ron tích chập đa lớp - Bộ nhớ thời gian ngắn dài) kết hợp giữa CNN (Mạng nơ-ron tích chập) và LSTM (Bộ nhớ thời gian ngắn dài), đạt độ chính xác 92,3% trong phát hiện các bất thường từ dữ liệu thời gian thực, góp phần hỗ trợ quản lý tài nguyên nước hiệu quả. Không chỉ dừng lại ở khả năng phân tích, AI còn dự đoán các biến động phức tạp, như thời gian và địa điểm có nguy cơ ô nhiễm không khí, đặc biệt quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Một lợi thế khác của AI là khả năng tối ưu hóa hiệu suất hệ thống đo lường tự động, giúp tiết kiệm băng thông và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Nghiên cứu của Bingbing Fang đã phân tích sâu rộng về ứng dụng của AI trong việc tối ưu hóa quy trình quản lý rác thải ở đô thị. AI có thể cải thiện hiệu suất thu gom rác thông qua việc tối ưu hóa tuyến đường, giảm thời gian và chi phí vận chuyển tới 28%.
AI đang cách mạng hóa lĩnh vực giám sát môi trường bằng cách cho phép tự động điều chỉnh và phản hồi dựa trên dữ liệu, giúp phát hiện sớm ô nhiễm không khí và đề xuất các biện pháp kiểm soát mà không cần sự can thiệp của con người. Hệ thống học máy có khả năng tự cải tiến dựa trên dữ liệu mới, hỗ trợ phát hiện kịp thời các dấu hiệu biến đổi môi trường hoặc thiên tai. Với khả năng xử lý khối lượng lớn dữ liệu từ các hệ thống IoT và dự đoán xu hướng tương lai, AI ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ và quản lý tài nguyên thiên nhiên một cách bền vững. Sự kết hợp của AI với các công nghệ quan trắc tiên tiến sẽ là giải pháp hữu hiệu để nhân loại đối phó với các thách thức phức tạp và gia tăng của biến đổi khí hậu.
1.3. Blockchain trong quản lý dữ liệu giám sát môi trường
Blockchain là một công nghệ tiên tiến hỗ trợ quản lý và bảo mật dữ liệu giám sát môi trường với tính minh bạch cao, đảm bảo rằng dữ liệu đo lường được lưu trữ an toàn và không thể bị thay đổi sau khi ghi nhận. Tính toàn vẹn và độ tin cậy của dữ liệu là yếu tố cốt lõi trong giám sát môi trường, đặc biệt khi dữ liệu này có thể ảnh hưởng trực tiếp đến các quyết định liên quan đến bảo vệ và cải thiện chất lượng môi trường.
Trong quản lý dữ liệu giám sát môi trường, một trong những thách thức lớn nhất là ngăn chặn mọi sự can thiệp hoặc thay đổi không mong muốn sau khi dữ liệu được thu thập. Blockchain giải quyết vấn đề này thông qua cơ chế đồng thuận và mã hóa mạnh mẽ, đảm bảo rằng mỗi dữ liệu mới chỉ được thêm vào sau khi đã được xác nhận bởi nhiều bên tham gia, từ đó giảm thiểu rủi ro về gian lận và đảm bảo dữ liệu không bị thao túng. Điều này giúp bảo vệ thông tin liên quan đến chất lượng không khí, nước và các chỉ số sinh thái khác, từ đó hỗ trợ quá trình ra quyết định dựa trên dữ liệu minh bạch.
Khả năng ứng dụng của Blockchain trong chuyển đổi số rất rộng, đặc biệt là khi kết hợp với các công nghệ như IoT và AI. Theo nghiên cứu của Dai và cộng sự, Blockchain đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau và có tiềm năng lớn trong quản lý dữ liệu đo lường, giúp tăng tính minh bạch, giảm thiểu gian lận và nâng cao độ tin cậy trong các phép đo pháp định. Quá trình chuyển đổi số trong giám sát môi trường cũng thúc đẩy xu hướng giảm sử dụng giấy, tăng cường số hóa và nâng cao tiêu chuẩn đo lường quốc tế (SI), đồng thời hỗ trợ mở rộng IoT và tích hợp AI vào phần mềm giám sát.
Tại Việt Nam, Blockchain đã bước đầu được ứng dụng trong các hệ thống truy xuất nguồn gốc và quản lý chuỗi cung ứng, nhờ tính minh bạch và tính an toàn dữ liệu. Tuy nhiên, để phát huy tiềm năng đầy đủ của công nghệ này trong giám sát môi trường, cần có một khuôn khổ pháp lý rõ ràng và đầy đủ. Hiện tại, các ứng dụng Blockchain trong giám sát môi trường vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm và chưa có cơ chế chính sách hỗ trợ cụ thể.
Việc xây dựng một chính sách phù hợp sẽ không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của Blockchain mà còn đẩy mạnh quá trình chuyển đổi số trong nền kinh tế. Quản lý các ứng dụng dựa trên Blockchain một cách chặt chẽ và an toàn có thể giúp Việt Nam khai thác toàn bộ tiềm năng của công nghệ này trong giám sát môi trường, tạo ra một hệ thống quản lý dữ liệu minh bạch, bảo mật và hiệu quả, đồng thời hướng tới một tương lai số hóa an toàn và bền vững hơn.
2. Ứng dụng chuyển đổi số trong lĩnh vực giám sát môi trường
2.1. Thực tế triển khai trên thế giới và tại Việt Nam
Chuyển đổi số trong hoạt động đo lường đã được triển khai tại nhiều quốc gia tiên tiến nhằm nâng cao độ chính xác, minh bạch và hiệu quả trong quản lý môi trường. Bằng cách sử dụng các công nghệ như IoT, AI và Blockchain, các hệ thống giám sát môi trường đã mang lại những kết quả đáng khích lệ trong việc theo dõi các thông số môi trường và cải thiện khả năng ứng phó với các vấn đề môi trường.
Nghiên cứu của Cocioaba và Tudose đã mô tả một hệ thống tích hợp hai mạng lưới, Wi-Fi và IEEE 802.15.4, nhằm giám sát dữ liệu từ Mạng cảm biến không dây không đồng nhất. Hệ thống này cho phép các nút cảm biến không chỉ thu thập dữ liệu từ môi trường mà còn có thể truyền tải dữ liệu đó qua internet tới các thiết bị khác, ứng dụng máy chủ hoặc các giải pháp dựa trên nền tảng đám mây. Điều này giúp cho quá trình giám sát môi trường có thể tiếp cận được từ xa, nâng cao hiệu quả giám sát liên tục và đảm bảo dữ liệu luôn được cập nhật và xử lý kịp thời.
Theo Mois, Folea và Sanislav đã giới thiệu ba hệ thống cảm biến không dây khác nhau dựa trên IoT để giám sát môi trường và các điều kiện xung quanh. Mỗi hệ thống sử dụng một giao thức truyền thông riêng bao gồm HTTP và Bluetooth Smart. Các hệ thống này đều có khả năng cho phép người dùng theo dõi cảm biến từ xa và trực quan hóa dữ liệu trên bất kỳ thiết bị nào có kết nối internet, cung cấp sự tiện lợi và tính linh hoạt cao trong việc quan trắc và phân tích dữ liệu môi trường. Tại Singapore, các hệ thống quan trắc chất lượng không khí sử dụng IoT và AI đã được triển khai rộng rãi để cải thiện hoạt động giám sát môi trường. Theo Cơ quan Môi trường Quốc gia (NEA), nhiều cảm biến đã được triển khai trên khắp thành phố để theo dõi các chất gây ô nhiễm. Các cảm biến này đo mức độ của sáu thông số chất gây ô nhiễm không khí cụ thể là SO2, NO2, O3, CO, PM10 và PM2.5.
Nồng độ của các thông số chất gây ô nhiễm không khí này được sử dụng để tính Chỉ số tiêu chuẩn chất ô nhiễm (PSI) trong khoảng thời gian 24 giờ liên tục. Các chỉ số PSI này được báo cáo hàng giờ trên trang web NEA, trang web về khói mù và ứng dụng myENV. Các chỉ số được chia nhỏ theo phía bắc, đông, nam, tây và trung tâm của Singapore khi đo tại 5 trạm báo cáo quốc gia của NEA đặt tại các khu vực này.
Tại Ấn Độ, Hệ thống quan trắc ô nhiễm không khí dựa trên IoT sử dụng Raspberry Pi và Arduino đã được đề xuất để khắc phục các hạn chế của trạm mặt đất và vệ tinh, như sai lệch dữ liệu (10-26)% và chi phí cao. Hệ thống sử dụng cảm biến như MQ-7 (CO), MQ-135 (NH3) và MQ-131 (O3) để thu thập dữ liệu. Các cảm biến kết nối với bo mạch Arduino để hiệu chuẩn và truyền dữ liệu qua Wi-Fi về Raspberry Pi. Raspberry Pi không chỉ xử lý và lưu trữ dữ liệu mà còn sử dụng thuật toán học máy bằng Python để phân tích thông tin, từ đó nâng cao khả năng giám sát chất lượng không khí.
Việt Nam đã đạt được nhiều tiến bộ trong phát triển kinh tế - xã hội nhưng cũng đối mặt với nhiều thách thức về môi trường, đặc biệt là tại các điểm nóng ô nhiễm. Luật BVMT năm 2020 yêu cầu các dự án và cơ sở sản xuất phải công khai kết quả quan trắc chất thải, nhằm tăng cường tính minh bạch và giám sát. Một giải pháp nổi bật là phần mềm Quản lý dữ liệu quan trắc tự động (Envisoft) của Bộ TN&MT. Phần mềm này kết nối với datalogger để giám sát môi trường theo thời gian thực, giúp phát hiện và xử lý kịp thời các sự cố. Envisoft đáp ứng nhiều chức năng quan trọng như thu thập và xử lý dữ liệu, giám sát tình trạng thiết bị theo thời gian thực, quản lý việc lấy mẫu, kiểm duyệt dữ liệu và truyền nhận dữ liệu giữa trung ương và địa phương. Việc tích hợp nhiều nghiệp vụ trên một nền tảng giúp nâng cao hiệu quả công tác điều hành. Phần mềm cho phép cập nhật dữ liệu liên tục và công bố công khai, cung cấp thông tin kịp thời cho việc quản lý môi trường và tạo điều kiện cho sự giám sát của cộng đồng. Tuy nhiên, Envisoft cũng còn một số hạn chế, như chưa kết nối trực tiếp IoT từ các thiết bị đo, dẫn đến việc thu thập dữ liệu chưa thực sự tối ưu. Phần mềm cũng chưa tích hợp AI để phân tích dữ liệu sâu hơn hoặc cung cấp dự báo chính xác hơn. Ngoài ra, Envisoft chưa áp dụng công nghệ Blockchain, một giải pháp tiềm năng để tăng cường tính minh bạch và bảo mật trong quản lý dữ liệu môi trường.
2.2. Lợi ích của chuyển đổi số trong giám sát môi trường
Chuyển đổi số đang thay đổi cách thức đo lường, kiểm soát và quản lý ô nhiễm. Nghiên cứu cho thấy chuyển đổi số trong giám sát môi trường giúp giảm ô nhiễm không khí và phát thải carbon, đồng thời hỗ trợ xử lý nước thải và đối phó với biến đổi khí hậu. Sự ứng dụng của AI trong kiểm soát ô nhiễm ngày càng phổ biến, giúp giải quyết các vấn đề môi trường phức tạp và khó đoán. Ngoài ra, cũng có những nghiên cứu về cách công nghệ IoT đang được sử dụng để đo lường và kiểm soát ô nhiễm không khí. Các cảm biến IoT cung cấp thông tin giám sát thời gian thực và chứng minh tiềm năng to lớn như một công cụ hiệu quả để hiểu chuyển động của đám mây PM2.5 với sự thay đổi theo thời gian và vị trí địa lý cụ thể, giúp cải thiện chất lượng không khí tốt hơn. Việc áp dụng các thiết bị IoT trong giám sát môi trường còn giúp thu thập dữ liệu liên tục và đồng bộ. Trước đây, các phương pháp đo lường truyền thống thường dựa vào các thiết bị đo cầm tay hoặc hệ thống cơ học, vốn dễ bị sai số do sự can thiệp của con người hoặc yếu tố môi trường. Với IoT, các cảm biến được lắp đặt tại nhiều điểm quan trắc có thể thu thập dữ liệu liên tục, cho phép ghi nhận mọi thay đổi nhỏ nhất về nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí hoặc nước.
Blockchain cũng được ứng dụng trong giám sát môi trường, nâng cao độ tin cậy của thông tin bằng cách ngăn chặn gian lận và bảo vệ tính chính xác của dữ liệu. Zhao đã đề cập rằng blockchain có thể giải quyết các vấn đề về "kho dữ liệu riêng biệt", "xác nhận quyền dữ liệu" và xây dựng lòng tin mà internet truyền thống đang phải đối mặt, đồng thời có thể hạn chế các vấn đề về lòng tin như làm giả dữ liệu và khó khăn trong việc truy xuất trách nhiệm hiện hữu trong quản lý sinh thái tài nguyên khoáng sản. Blockchain có thể tối ưu hóa quản trị sinh thái, nâng cao hiệu quả giám sát môi trường, phát triển thương mại sinh thái trên thị trường và kích thích tiềm năng BVMT từ phía cộng đồng. Chuyển đổi số trong đo lường và giám sát môi trường giúp cảnh báo sớm về thiên tai và ô nhiễm, từ đó giảm thiểu thiệt hại. Hệ thống MyAQI, phát triển bởi Schürholz và cộng sự đã kết hợp IoT và AI để giám sát chất lượng không khí và gửi thông báo cá nhân hóa đến người dùng dựa trên mức độ nhạy cảm của họ với ô nhiễm.
Những lợi ích của chuyển đổi số trong giám sát môi trường rất rõ ràng. IoT nâng cao độ chính xác trong thu thập dữ liệu, Blockchain đảm bảo tính minh bạch và AI giúp phân tích và dự đoán xu hướng môi trường. Để tối đa hóa tiềm năng của các công nghệ này, cần đầu tư vào cơ sở hạ tầng, đào tạo nhân lực và xây dựng chiến lược quản lý hiệu quả.
3. Kết luận
Chuyển đổi số trong hoạt động đo lường và giám sát môi trường đã và đang mở ra những cơ hội to lớn, góp phần cải thiện đáng kể độ chính xác và hiệu quả trong quản lý môi trường. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như IoT, AI và Blockchain đã tạo ra những thay đổi mang tính đột phá, cho phép các hệ thống giám sát hoạt động liên tục và chính xác, đồng thời tăng cường tính minh bạch và dự báo hiệu quả. Các công nghệ này không chỉ giúp quản lý tài nguyên một cách bền vững hơn mà còn đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về BVMT trong bối cảnh biến đổi khí hậu và gia tăng ô nhiễm toàn cầu. Tuy nhiên, để quá trình chuyển đổi số diễn ra thành công, các cơ quan quản lý cần có những bước chuẩn bị toàn diện. Việc đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao là yếu tố then chốt, bởi các công nghệ tiên tiến đòi hỏi kỹ năng chuyên môn và sự am hiểu sâu về cả công nghệ lẫn đo lường. Ngoài ra, đầu tư vào cơ sở hạ tầng số cũng là một yêu cầu bắt buộc để đảm bảo các hệ thống vận hành trơn tru, đáng tin cậy và có thể mở rộng quy mô.
Dù vẫn còn những thách thức, đặc biệt là về chi phí triển khai và bảo mật dữ liệu, nhưng nếu được quản lý và thực hiện đúng cách, chuyển đổi số trong giám sát môi trường sẽ trở thành một công cụ quan trọng góp phần bảo vệ và duy trì môi trường bền vững cho các thế hệ tương lai. |