Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh để nhận diện sự biến động đường bờ biển tỉnh thừa thiên huế5

TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ẢNH VỆ TINH ðỂ NHẬN DIỆN SỰ BIẾN ðỘNG ðƯỜNG BỜ BIỂN TỈNH THỪA THIÊN HUẾ Nguyễn Tiến Hoàng, Trần Hữu Tuyên Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế Nguyễn ðình Hịe Trường ðại học Khoa học Tự nhiên, ðại học Quốc gia Hà Nội TÓM TẮT Tỉnh Thừa Thiên Huế ñịa phương chịu nhiều tổn thương thiên tai biến đổi khí hậu gây Việt Nam Bờ biển liên tục bị xói lở hàng năm Sự biến ñộng ñường bờ biển Thừa Thiên Huế 40 năm qua xác định thơng qua phân tích ảnh vệ tinh Landsat, ASTER đồ địa hình Các phương pháp giải đốn đường bờ điều kiện sóng vỡ đề xuất Kết phân tích cho thấy, ñoạn bờ từ Hải Dương ñến Phú Thuận bị xâm thực với tốc ñộ mạnh nhất, khoảng 10 - 15m/năm Khu vực hai cửa sông Thuận An Tư Hiền biến đổi phức tạp Vùng cửa sơng Hương có xu hướng biến đổi từ cấu trúc liman sang cấu trúc cửa sơng hình phễu Từ khóa: xói lở bờ biển, giải đốn ảnh, viễn thám Giới thiệu Bờ biển Thừa Thiên Huế liên tục biến ñộng hàng năm Trong thập niên gần ñây, biến ñổi mạnh mẽ theo xu hướng xâm thực phá hủy bờ, gây hậu lớn ñến ñời sống, sản xuất mơi trường Ngồi ngun nhân tự nhiên tất yếu (mực nước biển có xu hướng dâng cao, tăng cường bão, lũ ), hoạt ñộng người ñã trở thành ngày đóng vai trị lớn việc gây biến đổi bờ biển ðiều làm cho tranh toàn cảnh q trình địa mạo trở nên phức tạp ña dạng Nghiên cứu biến ñộng ñịa hình, xu biến ñổi ñường bờ có ý nghĩa quan trọng cơng tác quy hoạch phát triển đới bờ mà bao hàm cơng tác ứng phó tai biến thiên nhiên [2] Xuất phát từ thực tế đó, chúng tơi thực nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh ñể nhận diện biến ñộng ñường bờ biển tỉnh Thừa Thiên Huế phương pháp đại, có độ tin cậy tính cập nhật cao Dữ liệu phương pháp nghiên cứu 2.1 Dữ liệu Nghiên cứu biến động đường bờ biển cần phải có sở liệu bảo ñảm 97 yêu cầu chất lượng tính đa thời gian (biến động theo mùa nhiều năm theo mùa khác năm) Nhằm đáp ứng u cầu đó, nghiên cứu ñã sử dụng hai loại liệu: ảnh vệ tinh đồ địa hình năm 1965, 1998, 2007 Ảnh vệ tinh bao gồm 21 cảnh ảnh Landsat từ năm 1973 ñến năm 2009, cảnh ảnh ASTER từ năm 2000 ñến năm 2008 cảnh ảnh SPOT ñược chụp vào năm 2005, 2007 2.2 Hiệu chỉnh ảnh vệ tinh Trong phân tích ảnh vệ tinh, trình tiền xử lý ảnh khâu quan trọng ñể loại bỏ tối ña sai số biến dạng địa hình, nhiễu khí quyển,… Các ảnh vệ tinh sử dụng nghiên cứu ñều ñược số hóa từ hãng sản xuất quy trình chuẩn tương ứng loại vệ tinh ðịa hình đới ven biển Thừa Thiên Huế tương đối phẳng, diện tích dải biến động q trình bồi xói tương đối hẹp so với diện tích tồn cảnh nên biến dạng hình học khơng ảnh hưởng lớn đến kết phân loại ảnh Tuy nhiên, kết tách ñường bờ bị ảnh hưởng lớn nhiễu khí mây bóng râm che phủ bờ biển Vì vậy, trước tiến hành phân tích, ảnh vệ tinh ñã ñược hiệu chỉnh phổ (lấy mẫu ñộ chói sáng), hiệu chỉnh nhiễu khí theo mơ hình FLAASH [6] 2.3 Tách đường bờ từ ảnh vệ tinh Trình tự bước xác định đường bờ (Hình 1) áp dụng chung cho hai loại ảnh Landsat Aster Kết tách ñường bờ từ ảnh vệ tinh ñược ñối chiếu với ñường bờ biển ñồ ñịa hình và/hoặc chồng ghép lên ảnh vệ tinh SPOT thời gian ñể ñánh giá chất lượng phương pháp xác ñịnh Ảnh SPOT ảnh vệ tinh quang học có độ phân giải cao (2,5 m 10 m), kết tổ hợp màu ba kênh phổ ảnh cho màu ñối tượng thực mặt đất nên phân biệt tương đối xác ñối tượng qua ảnh, ñặc biệt ñường bờ biển Nếu kết kiểm định khơng tốt tiến hành kiểm tra lại khâu phân loại để tìm Hình Sơ đồ bước xác định đường bờ nguyên nhân sai số ñiều chỉnh từ ảnh vệ tinh Các bước phân tích ảnh vệ tinh thực phần mềm RSI ENVI 4.5 có so sánh kết thực nghiệm với phần mềm ILWIS 3.3 Academic 98 Tách ñường bờ từ ảnh Landsat Khảo sát hành vi phổ nước biển ñối tượng khác ven bờ cho thấy, nước biển phân biệt tốt kênh hai loại ảnh ñược chụp từ cảm TM, MSS kênh (0,77 – 0,90 µm) ảnh ETM+ Kết hồn tồn phù hợp so sánh với bảng số liệu chuẩn hành vi phổ ñối tượng ảnh Landsat Tuy nhiên, xem xét ảnh có vùng sóng vỡ, kênh ảnh MSS TM cho kết tốt khó phân biệt vùng sóng vỡ bờ cát kênh ảnh ETM+ Sử dụng công cụ Band Math ENVI kết hợp với phân tích hành vi phổ đối tượng xác ñịnh ñược tỷ lệ kênh phổ phù hợp ñể phân loại ñường bờ Tỷ lệ kênh phổ tốt ñối với ảnh ETM+ ñiều kiện sóng vỡ ñược lựa chọn là: R= B5 − B B2 Quá trình giải đốn gồm bước chính: - Xác định giá trị ngưỡng: thực kênh ảnh MSS TM; kênh ảnh ETM+ khơng có vùng sóng vỡ kênh tỷ lệ R ảnh ETM+ điều kiện sóng vỡ - Chạy phép phân loại Band Threshold với giá trị ngưỡng ñã chọn Tách ñường bờ từ ảnh Aster Thực phương pháp giải đốn tương tự ảnh Landsat, kênh phổ ASTER ñược chọn ñể phân loại theo phương pháp Band Threshold bao gồm: kênh VNIR_Band3B (0,76 – 0,86 µm) điều kiện khơng có vùng sóng vỡ (Hình 4) kênh tỷ lệ R = VNIR_Band2/VNIR_Band3N ñiều kiện có vùng sóng vỡ (Hình 5) Từ hai biểu đồ hình 3, ta thấy rõ bờ cát phân biệt tốt với nước kênh phân biệt tốt với sóng vỡ kênh tỷ lệ 2.5 Sóng vỡ ðộ phản xạ 1.5 Nước 0.5 Cát Kênh Kênh Cát Nước Kênh Kênh Hình So sánh giá trị ñộ phản xạ ñối tượng kênh ảnh ASTER (xác ñịnh theo phương pháp IAR Reflectance) 0.5 1.5 2.5 ðộ phản xạ Cát-nước Hình So sánh giá trị độ phản xạ ñối tượng kênh tỷ lệ ảnh ASTER (R = VNIR_Band2/VNIR_Band3N) 99 a Ảnh tổ hợp màu kênh ảnh ASTER (3,2,1) b Kênh ảnh ASTER c Kết phân loại theo phương pháp Band Threshold d Kết tách ñường bờ từ ảnh phân loại Hình Giải đốn đường bờ từ ảnh ASTER điều kiện khơng có sóng vỡ a Ảnh tổ hợp màu chưa xử lý 100 b Ảnh ñã xử lý vùng sóng vỡ theo tỷ lệ R = VNIR_Band2/VNIR_Band3N c Kết tách ñường bờ từ ảnh phân loại Hình Giải đốn đường bờ từ ảnh ASTER ñiều kiện có sóng vỡ 2.4 Xây dựng ñồ biến ñộng ñường bờ biển Thừa Thiên Huế Bản ñồ ñược xây dựng sở chồng ghép lớp ñường bờ biển ñã ñược tách từ ảnh vệ tinh đồ địa hình (Hình 6) Nghiên cứu sử dụng phần mềm ILWIS 3.3 Academic ARCMAP 9.3 để xây dựng đồ tính tốn diện tích biến động q trình bồi xói bờ biển Các lớp ñường bờ biển sau tách từ ảnh vệ tinh đồ địa hình chuyển hệ tọa độ UTM/WGS84 ðể tính tốn biến ñộng, ñề tài chồng ghép lớp ñường bờ năm khác mùa ñược tách từ loại vệ tinh Kết tính tốn đối chiếu với liệu thu từ q trình điều tra theo phiếu vấn cộng ñồng Bản ñồ sở ñể ñánh giá xu xói lở bờ biển nhận diện nguyên nhân hoạt động xói lở 101 ∗ Hình Kết giải đốn biến động đường bờ biển từ ảnh Landsat (a) Biến ñộng ñường bờ khu vực cửa Thuận An lân cận giai ñoạn 1965 – 1989 (b) Biến ñộng ñường bờ khu vực cửa Thuận An lân cận giai ñoạn 1965 – 2007 (c) Biến ñộng ñường bờ khu vực cửa Tư Hiền lân cận giai ñoạn 1989 – 2003 Kết thảo luận Xói lở bờ biển loại biến ñổi ñịa hình phổ biến suốt chiều dài bờ biển Thừa Thiên Huế biến ñổi với tốc ñộ mạnh, ñoạn bờ từ Hải Dương ñến Phú Thuận Xói lở bờ biển thường xảy vào mùa đơng (từ tháng đến tháng 3) Từ tháng 102 đến tháng 12, tốc độ xói lở xảy mạnh nhất, đặc biệt thời điểm có gió mùa ðơng Bắc áp thấp nhiệt đới hoạt ñộng mạnh [4], [5] Vào mùa hè, bờ biển ñược bồi tụ lại phần, có tốc độ khác nhau, tùy theo khu vực Căn vào kết giải đốn ảnh viễn thám tham khảo nghiên cứu trước đây, phân chia hoạt động xói lở bờ biển Thừa Thiên Huế ñoạn bờ biển với ñặc ñiểm khác nhau: ðiền Hương – Quảng Công, Hải Dương – Phú Thuận, Phú Hải – Linh Thái, Linh Thái – Chân Mây Tây, Cảnh Dương Lăng Cô ðoạn ðiền Hương – Quảng Công: kéo dài khoảng 25 km từ ñường ranh giới với tỉnh Quảng Trị đến hết xã Quảng Cơng ðoạn bờ tương đối ổn định nhiều năm Tốc độ xói lở bờ biển trung bình tăng dần từ 0,5 – m/năm phía Bắc đến khoảng – m/năm phía Nam dọc theo đường bờ biển Xói lở có xu hướng tăng nhanh sau năm 1999 tốc độ quy mơ, đặc biệt dọc theo bờ biển xã Quảng Công ðoạn Hải Dương – Phú Thuận: kéo dài từ xã Hải Dương cho ñến hết xã Phú Thuận, có chiều dài ñường bờ khoảng 14 km, phân cách cửa Thuận An Các nghiên cứu trước ñây [5] ñã ñây khu bờ ổn định, xói lở xảy mạnh biến ñổi phức tạp Kết giải ñoán ảnh vệ tinh kết hợp với ñồ ñịa hình từ năm 1965 đến 2009 cho thấy kết tương tự Có thể chia thành thời kỳ: - Từ năm 1965 ñến trước trận lũ 11/1999: bờ biển bị xói lở mạnh bờ Bắc khu vực phía Nam cửa Thuận An Tại khu bờ Hải Dương phía Bắc cửa sơng, biển lấn sâu vào từ 200m ñến 350m khoảng 2,5 km bờ biển Ở phía Nam cửa sơng, xói lở xảy mạnh từ Hải Bình đến Hịa Qn chiều dài khoảng km, chạy qua bãi tắm Thuận An Tốc độ xói lở trung bình từ m đến m/năm Tổng diện tích xói lở tồn đoạn 250 - Từ sau trận lũ 11/1999 đến (xem Hình 7, Bảng 2): bờ biển tiếp tục bị xói lở có ñặc ñiểm khác với thời kỳ trước chịu ảnh hưởng cơng trình bảo vệ bờ biển Khu vực xói lở mạnh từ cửa Thuận An đến cửa Hịa Dn, với tốc độ xói lở trung bình khoảng 10 - 15m/năm Xói lở có tính bất thường mặt hướng biển cồn cát gần bờ Nam cửa sông Vào mùa mưa, biển lấn sâu vào từ 50 – 100m Mặc dù cửa Hòa Duân ñã ñược lấp lại sau bị “chọc thủng” trận lũ 11/1999 hệ thống kè mỏ hàn mềm ứng dụng công nghệ Stabiplage bảo vệ khu bờ ñã ñi vào hoạt ñộng, xói lở tiếp tục xảy Nửa ngồi bờ phía Bắc cửa Thuận An ñang ñược bồi dần nhờ tác ñộng hệ thống kè mỏ hàn bảo vệ nửa phía bị xói lở Trong hai thời kỳ, cửa Thuận An ln dịch chuyển lên phía Bắc theo hướng ðơng Nam – Tây Bắc Tính từ năm 1965 đến 2009, cửa Thuận An ñã dịch chuyển khoảng 800m ñến 900m Tốc độ dịch chuyển trung bình khoảng 20m/năm Cơ chế dịch chuyển cửa Thuận An ñã ñược số tác giả giải thích [1] Do lượng bồi tích dọc bờ lớn, nên bùn cát tích tụ trước cửa sơng để hình thành đê cát dạng doi 103 ... hình (Hình 6) Nghiên cứu sử dụng phần mềm ILWIS 3.3 Academic ARCMAP 9.3 ñể xây dựng ñồ tính tốn diện tích biến động q trình bồi xói bờ biển Các lớp đường bờ biển sau tách từ ảnh vệ tinh ñồ ñịa... biến dạng địa hình, nhiễu khí quyển,… Các ảnh vệ tinh sử dụng nghiên cứu số hóa từ hãng sản xuất quy trình chuẩn tương ứng loại vệ tinh ðịa hình đới ven biển Thừa Thiên Huế tương đối phẳng, diện. .. bước xác định đường bờ (Hình 1) áp dụng chung cho hai loại ảnh Landsat Aster Kết tách ñường bờ từ ảnh vệ tinh ñược ñối chiếu với ñường bờ biển đồ địa hình và/hoặc chồng ghép lên ảnh vệ tinh SPOT