Bài báo này đề cập tới việc nghiên cứu đánh giá thử nghiệm ứng dụng ảnh viễn thám trong hỗ trợ công tác quản lý tuyến biên giới Việt – Trung trên địa bàn tỉnh Lai Châu. Với mục tiêu đưa ra được tiềm năng ứng dụng dữ liệu Viễn thám trong một số chuyên đề quản lý trên tuyến biên giới như theo dõi mốc giới, đường biên, các sự cố sạt lở bờ sông, suối phân chia biên giới
Nghiên cứu - Ứng dụng NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM HỖ TRỢ CÔNG TÁC QUẢN LÝ TUYẾN BIÊN GIỚI THÍ ĐIỂM TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH LAI CHÂU VŨ HỮU LONG(1), NGUYỄN VŨ GIANG(1), LÊ QUANG TOAN(1), NGUYỄN PHÚC HẢI(1), TỐNG THỊ HUYỀN ÁI(1), PHẠM VIỆT HỊA(2) Viện Cơng nghệ vũ trụ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Viện Địa lý Tài nguyên TP.HCM, Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam (1) (2) Tóm tắt: Bài báo đề cập tới việc nghiên cứu đánh giá thử nghiệm ứng dụng ảnh viễn thám hỗ trợ công tác quản lý tuyến biên giới Việt – Trung địa bàn tỉnh Lai Châu Với mục tiêu đưa tiềm ứng dụng liệu Viễn thám số chuyên đề quản lý tuyến biên giới theo dõi mốc giới, đường biên, cố sạt lở bờ sông, suối phân chia biên giới Ba loại liệu ảnh vệ tinh với độ phân giải trung bình - Landsat-8 (30m), độ phân giải cao – Sentinel-2 (10m) độ phân giải siêu cao – Worldview-2 (0.5m) sử dụng nghiên cứu Nghiên cứu tiến hành thực nghiệm chuyên đề với so sánh lúc loại tư liệu để thấy tính phù hợp với số nhiệm vụ định Nghiên cứu cho thấy ảnh vệ tinh có độ phân giải siêu cao Worldview-2 phù hợp với mục tiêu cung cấp thơng tin xác mặt khơng gian đối tượng có kích thước nhỏ vị trí cột mốc, cơng trình, kè, điểm sạt lở dọc biên giới Các ảnh vệ tinh miễn phí Sentinel-2 Landsat-8 phù hợp với nhiệm vụ quan trắc tượng, lớp phủ quy mô khu vực lớn hơn, chu kỳ quan trắc dài Giới thiệu chung Bảo vệ chủ quyền biên giới lãnh thổ Quốc gia nhiệm vụ thiêng liêng Đảng, Nhà nước Nhân dân đặc biệt quan tâm Trên địa bàn tỉnh Lai Châu, tuyến biên giới giáp với Trung Quốc trải dài tới 265,165 km, biên giới đất liền 191,740 km sông suối 73,425 km [1], tỉnh quản lý tới 101 mốc biên giới Nhiệm vụ giám sát mặt không gian lãnh thổ đặc biệt coi trọng với tham gia toàn Đảng, toàn dân toàn quân địa bàn tỉnh Tuy nhiên với tuyến biên giới trải dài địa hình hiểm trở, hầu hết núi cao xen lẫn thung lũng, vực sâu, điều kiện thời tiết thường xuyên có lũ ống, lũ quét sạt trượt lở đất đá vào mùa mưa, điều khiến công tác quản lý giám sát biên giới gặp nhiều khó khăn Nhu cầu cấp thiết ứng dụng công nghệ hỗ trợ công tác quản lý tuyến biên giới đặt ra, cần phải nắm bắt số liệu xác khơng gian lãnh thổ để tham mưu cho cấp lãnh đạo có phương hướng đạo xử lý kịp thời Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, việc giám sát trạng khơng gian lãnh thổ thực dễ dàng với công nghệ chụp ảnh từ vệ tinh viễn thám Các vệ tinh viễn thám đa dạng chủng loại, độ phân dải không gian, độ phân giải phổ, cho phép thực nhiệm vụ giám sát nhiều đối tượng khác bề mặt trái đất Tùy theo độ phân giải không gian ảnh, liệu ảnh vệ tinh (AVT) chia thành: AVT độ phân giải thấp, AVT độ phân giải trung bình, AVT độ phân giải cao ảnh độ phân giải siêu cao [2][3] Hiện giới có nhiều loại tư Ngày nhận bài: 03/12/2018, ngày chuyển phản biện: 05/12/2018, ngày chấp nhận phản biện: 07/12/2018, ngày chấp nhận đăng: 10/12/2018 t¹p chí khoa học đo đạc đồ số 38-12/2018 31 Nghiên cứu - Ứng dụng liệu AVT miễn phí sử dụng thông dụng theo dõi giám sát tài ngun mơi trường ảnh có độ phân giải cao Sentinel-2A/B (10 m) độ phân giải trung bình Landsat-8 (15 m/30 m), với tần suất chụp cao (Sentinel-2 ngày) trung bình (LandSat-8 16 ngày) Các vệ tinh thương mại với độ phân giải cao siêu cao sử dụng phổ biến Pleiades (0.7m), Worldview-2/3/4 (0.5 m/0.3 m), Dove (3 m), Rapideye (5 m), … [4] Vệ tinh viễn thám VNREDSat-1 Việt Nam xếp vào nhóm vệ tinh có độ phân giải cao (2m/10m) Ngồi liệu bay chụp từ máy bay không người lái (UAV) với độ phân giải cao cho phép cung cấp thông tin chi tiết địa vật phạm vi không gian nhỏ vừa Những tư liệu đảm bảo tính đa dạng thông tin giám sát, hỗ trợ công tác quản lý lãnh thổ, tài nguyên môi trường Nghiên cứu viết báo phần cho thấy tính ứng dụng thực tiễn liệu viễn thám (DLVT) hỗ trợ quản lý số chuyên đề tuyến biên giới Dữ liệu phương pháp Dữ liệu sử dụng nghiên cứu bao gồm cảnh ảnh Sentinel-2, cảnh Landsat-8 cảnh ảnh độ phân giải siêu cao Worldview-2 chụp địa bàn biên giới tỉnh Lai Châu từ tháng tới tháng năm 2018 Ngồi nghiên cứu cịn sử dụng số tư liệu ảnh chụp thực địa khu vực cung cấp Sở Ngoại vụ tỉnh Lai Châu (Xem bảng 1) Phương pháp sử dụng nghiên cứu kết hợp kỹ thuật giải đoán ảnh dựa tổ hợp màu ảnh với số vật lý số nước mặt NDWI, số thực vật NDVI để làm bật đặc điểm đối tượng cần quan trắc Ảnh vệ tinh chiết tách xử lý bán tự động tảng điện tốn đám mây Google Earth Engine Thơng tin giải đoán kiểm chứng liệu quan trắc thực địa Kết thảo luận 3.1 Thực nghiệm ứng dụng AVT giám sát vị trí mốc biên giới Theo hệ thống phân loại cắm mốc đường biên, mốc phân loại thành loại: Cọc dấu, Mốc tiểu, Mốc Trung Mốc đại Phần lộ mốc theo quy cách bao gồm phần sân mốc bề mặt nhỏ chứa dấu mốc (thân mốc) Bảng cho thấy kích thước theo quy cách loại mốc Theo nghiên cứu trước đây, khả phát nhận biết địa vật địi hỏi vật phải có kích thước tối thiểu từ 2÷3 điểm ảnh [3], vào đó, Bảng đưa cột thơng tin thông số độ phân giải không gian DLVT để đảm bảo nhận biết xác vị trí mốc gợi ý số DLVT phù hợp quan trắc, giám sát mốc Nghiên cứu sử dụng loại liệu vệ tinh để thử nghiệm khả chiết tách thông tin vị trí mốc biên giới ảnh Việc thực nghiệm tiến hành Mốc 65(2), loại mốc cỡ trung, làm từ đá hoa cương, mốc đặt bệ bê tông (khuôn viên mốc) với kích thước khoảng 12 m x12 m, phần sân mốc bọc hàng rào bảo vệ với kích thước 3m x 3m kích thước phần thân mốc nhỏ 0.35m x 0.35 m (Bảng 2) Hình thể ảnh chụp vị trí mốc 65(2) loại DLVT, hình ảnh cho thấy, mốc 65(2) gần nhận biết ảnh Landsat-8 (mặc Bảng 1: Dữ liệu vệ tinh sử dụng bi bỏo 32 tạp chí khoa học đo đạc đồ số 38-12/2018 Nghiờn cu - ng dng dự tiến hành trộn ảnh đa phổ với kênh toàn sắc cho độ phân giải 15m), tương tự khó nhận diện ảnh Sentinel-2 (10m) Với ảnh Worldview-2 (0.5m), vị trí phần khn viên mốc dễ dàng quan trắc được, phần sân mốc thấy phân biệt rõ ảnh, nhiên khó nhận biết rõ ràng phần thân mốc Điều phù hợp mặt lý thuyết Bảng 2, ảnh Worldview quan trắc nhận diện địa vật có kích thước tối thiểu 1m-1.5m (23 điểm ảnh) kích thước thân mốc 65(2) 0.35m x 0.35 m tức nhỏ điểm ảnh Do liệu Worldview-2 kể hệ ảnh độ phân giải siêu cao Worldview-3/4 có độ phân giải tới 0.3m khơng có khả nhận biết xác bề mặt Bảng 2: Kích thước loại mốc theo quy cách DLVT phù hợp quan trắc, giám sát Loại mốc Kích thước bề Kích Đề xuất độ phân giải Loại DLVT có mặt nhỏ thước sân DLVT phù hợp để quan thể quan trắc vị chứa dấu mốc mốc trắc trí thân mốc (m) (m) (m) Loại DLVT quan trắc vị trí sân đặt mốc Cọc dấu 0,25 x 0,25 1x1 0.08 với phần thân mốc 0.3 với sân ảnh UAV Worldview 3,4 ảnh UAV Mốc tiểu 0.30 x 0.30 2x2 0.1 với phần thân mốc với sân ảnh UAV Worldview 2,3,4, Pleiades ảnh UAV Mốc trung 0.35 x 0.35 3x3 0.12 với phần thân mốc với sân ảnh UAV Worldview 2,3,4, Pleiades ảnh UAV Mốc Đại 0.53 x0.53 3x3 0.18 với phần thân mốc với sân ảnh UAV Worldview 2,3,4, Pleiades ảnh UAV Hình 1: So sánh ảnh chụp mốc biên giới 65(2) loại tư liệu: a) ảnh Landsat-8 độ phân giải 15m (sau trộn ảnh) chụp ngày 24-8-2018; b) Ảnh Sentinel độ phân giải 10 m chụp ngày 14-9-2018; c) Ảnh Worldview-2 độ phân giải 0.5m, chụp 16-9-2018, d) ảnh Worldview -2 phóng to hơn; e) ảnh thực chụp mốc 65(2) Hình 2: Vị trí Mốc 68 (2) bị sạt lở sau đợt lũ đầu tháng 8/2018: a) Ảnh Worldview chụp ngày 27/08/2018; b) Ảnh thực địa chụp tháng 8/2018 (Nguồn Sở Ngoại vụ tỉnh Lai Chõu) tạp chí khoa học đo đạc ®å sè 38-12/2018 33 Nghiên cứu - Ứng dụng nhỏ chứa dấu mốc Ngoài việc thực nghiệm quan trắc trạng thái mốc, Hình thể ảnh chụp cố sạt lở vị trí sát mốc 68 (2), vị trí, quy mơ sạt lở quan trắc hiển thị rõ ảnh Worldview chụp ngày 27/08/2018 Do AVT độ phân giải siêu cao có khả quan trắc vị trí mốc bao gồm phần sân mốc với quy cách kích thước từ 3mx3m trở lên tượng xảy quanh vị trí mốc (Xem bảng 2, hình 1, hình 2) 3.2 Thực nghiệm theo dõi dịng chảy, bờ sơng suối, sạt lở đất tuyến biên giới Trong nội dung này, nhóm nghiên cứu sử dụng liệu ảnh Sentinel-2 chụp thời điểm trước sau đợt lũ lớn tháng 8/2018 khu vực mốc 68(2) hướng mốc 69, thuộc địa bàn huyện Phong Thổ Phương pháp giải đốn mắt thường kết hợp với thơng tin chiết tách số nước mặt (NDWI) sử dụng, số liệu kiểm chứng sử dụng từ thông tin khảo sát thực địa thu thập quan chức tỉnh Lai Châu (Hình 3) Kết chiết tách thông tin ảnh cho thấy khu vực ảnh Sentinel-2 chụp ngày 14/09/2018 (một tháng sau lũ) phát khu vực sạt lở đoạn biên giới 68 (2) + 400 68(2) + 1000 hướng mốc 69 Đặc biệt đoạn 68(2) + 1000, lũ vùi lấp khu ruộng canh tác lúa người dân sinh dòng chảy phụ sâu vào phần lãnh thổ Việt Nam, quy mô khu vực bị xâm thực đo AVT với chiều dài khoảng 250m chiều rộng lớn khoảng 70m Hình 3d, cho thấy phần diện tích nước mặt (NDWI) xuất sau lũ, dịng chảy phụ quan sát rõ ràng, ảnh tổ hợp màu tự nhiên (Hình 3b) lại khó nhận Do q trình giải đoán liệu AVT, số vật lý đặc trưng cho nhóm lớp phủ nên sử dụng kết hợp với tổ hợp màu kênh phổ để làm bật yếu tố cần quan tâm (Xem hình 3) Như thấy liệu ảnh Sentinel-2 có khả nhận biết cố sạt lở, thay đổi dòng chảy tuyến đường biên quy mơ trung bình tới lớn Tuy nhiên với khu vực có diện tích sạt lở nhỏ khoảng 30 m, khó quan sát chiết tách thông tin ảnh Với cấp độ nhỏ hơn, sử dụng liệu AVT độ phân giải siêu cao để chiết tách thơng tin Trên Hình 4, nghiên cứu sử dụng tư liệu Worldview để thử nghiệm giải đốn thơng tin sạt trượt lở đất đá vị trí bờ suối biên giới, kết cho thấy với quy mô sạt trượt lở đất nhỏ ảnh phát hiện, chiết tách thơng tin Hình 4a ảnh chụp khu vực sạt lở đất tuyến đường tuần tra biên giới Hình 3: Ảnh Sentinel-2 chụp cố sạt lở bờ sông biên giới đoạn mốc 68(2) + 400 68 (2) + 1000 hướng mốc 69 lũ tháng 8/2018: a) Ảnh Sentinel chụp ngày 21/07/2018 (trước lũ); b) Ảnh Sentinel chụp ngày 14/09/2018 (sau lũ); c) Ảnh số nước mặt NDWI tính từ ảnh chụp ngày 21/07/2018; d) Ảnh số nước mặt NDWI tính từ ảnh chụp ngày 14/09/2018; e) Ảnh thực địa trường chụp tháng 8/2018 (Nguồn Sở Ngoại vụ tỉnh Lai Châu) 34 t¹p chÝ khoa häc đo đạc đồ số 38-12/2018 Nghiờn cu - Ứng dụng với độ dài khoảng 30m, Hình 4b ảnh chụp khu vực sạt lở đường tuần tra biên giới giáp bờ suối biên giới với phạm vi khoảng 10m Tương tự với cố sạt trượt lở đất đá khác quan trắc chi tiết liệu ảnh Worldview 2, ảnh Landsat Sentinel mức độ chi tiết thông tin khó cho phép xác định xác quy mơ đặc điểm cố (Hình 5) 3.3 Tiềm ứng dụng liệu vệ tinh hỗ trợ quản lý tuyến biên giới Một số ví dụ thực nghiệm phần cho thấy tiềm ứng dụng lớn AVT hỗ trợ công tác quản lý tuyến biên giới Dữ liệu AVT độ phân giải siêu cao Worldview2 cho phép giám sát vị trí sân mốc, cố sạt lở đất đá tuyến biên giới mức độ chi tiết cao Tuy nhiên điểm hạn chế áp dụng liệu giá thành cao, độ phủ chụp thấp (chỉ 17.5 km x 10 km), để hỗ trợ quản lý thường xuyên dải biên giới lên tới 265,165 km địa bàn tỉnh Lai Châu tư liệu kinh phí lớn, khơng khả thi Tuy nhiên sử dụng tư liệu để theo dõi cho số khu vực trọng yếu, nhạy cảm với thiên tai có tần suất xảy cố cao Dữ liệu ảnh miễn phí Landsat-8 Sentinel-2, giám sát chi tiết vật, tượng có kích thước, quy mơ nhỏ, lại có lợi ảnh miễn phí, giám sát sơ diễn biến quy mô vừa lớn với chuỗi liệu lịch sử dài, ví dụ trạng nhóm lớp phủ đất, dịch chuyển dịng chảy sơng suối lớn ven biên giới Đặc biệt với độ phân giải không gian 10m, thời gian chụp lặp ngày, độ phủ chụp cảnh lên tới 290 km, ảnh Sentinel-2A/B nguồn liệu miễn phí theo dõi, quan trắc biến động vừa lớn không gian lãnh thổ khu vực tuyến biên giới toàn khu vực nội, ngoại biên Ngoài ra, việc theo dõi sạt lở bờ sông suối, sạt lở đất tuyến biên giới toàn diện đưa thông số kỹ thuật khối lượng sạt lở sở kết hợp mô hình số địa hình ảnh viễn thám để tiến hành phân tích địa hình Hiện nay, việc sử dụng ảnh UAV theo dõi, giám sát đánh giá biến Hình 4: Ảnh Worldview-2 chụp khu vực sạt lở có quy mơ nhỏ 22/7/2018 tại: a) Đường tuần tra biên giới đoạn từ mốc 67(2) tới 68(2), b) Bờ suối biên giới đoạn khu vực xã Mù Sang, Phong Thổ, Lai Châu Hình 5: Ảnh chụp đoạn sạt lở tuyến đường sau mưa lũ tháng 7/2018 xã Ma Ly Pho, Phong Thổ, Lai Châu: a) ảnh Landsat-8 chụp ngày 24-8-2018, b) Ảnh Sentinel chụp ngày 14-92018; c) Ảnh Worldview-2 chụp ngày 22-7-2018 t¹p chÝ khoa häc đo đạc đồ số 38-12/2018 35 Nghiờn cu - Ứng dụng động địa hình thực địa có quy mô nhỏ phổ biến Tuy đường biên vị trí cột mốc khu vực nhạy cảm trị, có thêm nghiên cứu việc sử dụng tư liệu kết hợp với việc đề xuất giải pháp hợp lý phù hợp giúp nội dung nghiên cứu tổng thể, đề xuất đầy đủ toàn diện Kết luận Bài báo làm rõ số tiềm ứng dụng liệu viễn thám hỗ trợ công tác quản lý số chuyên đề tuyến biên giới Với thử nghiệm quan trắc đối tượng cột mốc biên giới, dòng chảy điểm sạt lở dọc theo đường biên, nghiên cứu cho thấy ảnh vệ tinh có độ phân giải siêu cao Worldview2 phù hợp với mục tiêu cung cấp thơng tin xác mặt khơng gian đối tượng có kích thước nhỏ vị trí cột mốc, cơng trình, kè, điểm sạt lở dọc biên giới Các ảnh vệ tinh miễn phí Sentinel-2 Landsat-8 phù hợp với nhiệm vụ quan trắc tượng, lớp phủ quy mô khu vực lớn hơn, chu kỳ quan trắc dài Từ cân nhắc sử dụng liệu vệ tinh phù hợp với mục tiêu nhiệm vụ quản lý chủ quyền biên giới lãnh thổ Nội dung báo hợp phần kết nghiên cứu phục vụ đề tài “Xây dựng sở liệu quản lý tuyến biên giới Việt - Trung địa bàn tỉnh Lai Châu” mã số VAST.NĐP.07.16-17 Viện Công nghệ vũ trụ chủ trì thực hiện.m Tài liệu tham khảo [1] Ủy ban nhân dân tỉnh Lai Châu (2018), Công văn số 262/UBND-NC việc cung cấp số liệu chiều dài đường biên giới quốc gia theo địa giới hành thuốc tỉnh Lai Châu [2] Bộ Tài Nguyên Môi trường (2015), Thông tư số 10/2015/TT-BTNMT ban hành “Quy định kỹ thuật sản xuất ảnh viễn thám quang học độ phân giải cao siêu cao để cung cấp đến người sử dụng” [3] Lương Chính Kế, “Tiềm đồ vệ tinh độ phân giải siêu cao“ [4] Melanie Vanderhoof Clifton Burt (2018), Applying High-Resolution Imagery to Evaluate Restoration-Induced Changes in Stream Condition, Missouri River Headwaters Basin, Montana, 10, 913.m Summary Research and application of Remote sensed technology on territory management – A case study in Lai Chau province, Vietnam Vu Huu Long, Nguyen Vu Giang, Le Quang Toan, Nguyen Phuc Hai, Tong Thi Huyen Ai Space Technology Institute, Vietnam Academy of Science and Technology Pham Viet Hoa Ho Chi Minh City Institute Of Resources Geography, Vietnam Academy of Science and Technology This research focused on the application of multi-resolution earth observation satellite data on territory management – case study in Lai Chau province, Vietnam The objectives of this study were exploring potential of optical satellite images to extract specific information facilitating the national border monitoring operations such as national territory control points, border belt and riverbank errosion surveillance Comparative analysis were implemented to show advantage of three ground resolution satellite imageries included Landsat8 (30m) – moderate resolution, Sentinel-2 (10m) – high resolution, and Worldview2 (0.5m) – very high resolution It was showed that very high ground resolution satellite data benefit for site or position monitoring while moderate and free access satellite data such as Sentinel-2, Landsat8 proper for long term change detection at larger scale.m 36 tạp chí khoa học đo đạc đồ sè 38-12/2018 ... quy mơ đặc điểm cố (Hình 5) 3.3 Tiềm ứng dụng liệu vệ tinh hỗ trợ quản lý tuyến biên giới Một số ví dụ thực nghiệm phần cho thấy tiềm ứng dụng lớn AVT hỗ trợ công tác quản lý tuyến biên giới Dữ... rõ số tiềm ứng dụng liệu viễn thám hỗ trợ công tác quản lý số chuyên đề tuyến biên giới Với thử nghiệm quan trắc đối tượng cột mốc biên giới, dòng chảy điểm sạt lở dọc theo đường biên, nghiên cứu. .. tiêu nhiệm vụ quản lý chủ quyền biên giới lãnh thổ Nội dung báo hợp phần kết nghiên cứu phục vụ đề tài “Xây dựng sở liệu quản lý tuyến biên giới Việt - Trung địa bàn tỉnh Lai Châu? ?? mã số VAST.NĐP.07.16-17