Nghiên cứu ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao và các mô hình lý thuyết để thành lập bản đồ các vùng có nguy cơ trượt lở đất ở khu vực miền núi

Các nội dung chủ yếu của nghiên cứu thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất là: nghiên cứu phương pháp thành tách chíêt thông tin hiện trạng trượt lở đất từ viễn thám, nghiên cứu phương ph

Bộ tài nguyên và môi trường

trung tâm viễn thám

báo cáo tổng kết đề tài kh&cn cấp bộ

nghiên cứu ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh

độ phân giải cao và các mô hình lý thuyết

để thành lập bản đồ các vùng có nguy cơ

trượt lở đất ở khu vực miền núi

chủ nhiệm đề tài: nghiêm văn tuấn

7064

14/01/2009

hà nội - 2008

bộ tài nguyên và môi trường

trung tâm viễn thám quốc gia

108 Đường Chùa Láng - Quận Đống Đa - Hà Nội

-*** -

báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học vμ phát triển công nghệ

Tên Đề tài:

nghiên cứu ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao vμ các mô hình lý thuyết để thμnh lập bản đồ các vùng có nguy cơ trượt lở đất ở khu vực miền núi

chủ nhiệm đề tμi: ThS Nghiêm văn tuấn

Hμ nội, 12 – 2008

BTNMT TTVTQG

bộ tài nguyên và môi trường

trung tâm viễn thám quốc gia

108 Đường Chùa Láng - Quận Đống Đa - Hà Nội

-*** -

báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học vμ phát triển công nghệ

Tên Đề tài:

nghiên cứu ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao vμ các mô hình lý thuyết để thμnh lập bản đồ các vùng có nguy cơ trượt lở đất ở khu vực miền núi

chủ nhiệm đề tμi: ThS Nghiêm văn tuấn

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Họ và tên

Học hàm, học

vị, chuyên môn

Cơ quan công tác

Các mục Thực hiện

A Chủ nhiệm đề tài :

Nghiêm Văn Tuấn THS Bản đồ

Trung tâm Thu nhận và Xử

lý ảnh Viễn thám -Trung tâm Viễn thám - Bộ Tài nguyên và Môi trường

1.3; 2.3; 2.3; 3.2; 3.3; 3.4; 4.4; 4.5; 4.6

B Cán bộ tham gia nghiên cứu

7 Hà Minh Hiền KS Bản đồ Trung tâm Thành lập và

Bμi tóm tắt

Trượt lở đất là dạng tai biến thiên nhiên phổ biến và hết sức nguy hiểm đối với dân cư sinh sống ở các khu vực vùng núi Hàng năm trên thế giới, trượt lở đất gây ra những tổn thất vô cùng to lớn về người và tài sản

Dự báo, cảnh báo nguy cơ trượt lở đất là công vệc quan trọng và cần thiết đối với cả các cấp quản lý và người dân trong vùng có nguy cơ chịu thiệt hại do trượt lở đất gây

ra Các nội dung chủ yếu của nghiên cứu thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất là: nghiên cứu phương pháp thành tách chíêt thông tin hiện trạng trượt lở đất từ viễn thám, nghiên cứu phương pháp thành lập bản đồ các vùng có nguy cơ trượt lở bằng các mô hình toán học sử dụng các thông số tách chiết từ tư liệu viễn thám làm các thông số đầu vào, đối chiếu kết quả thu được với thực tế, sau đó sử dụng các số liệu kiểm tra này để hiệu chỉnh lại các thông số cho các mô hình

Phương pháp viễn thám với ưu điểm vượt trội về khả năng cung cấp thông tin nhanh chóng, trung thực, đồng bộ, đa dạng phong phú và có tính chu kỳ về các đối tượng trên bề mặt của khu vực cần quan sát trên diện rộng Đây là công nghệ hữu hiệu trong việc giám sát tài nguyên thiên nhiên, môi trường, thiên tai, đặc biệt là giám sát các

sự cố và tai biến thiên nhiên Đặc biệt là tư liệu viễn thám ngày nay có độ phân giải cao, với khả năng xử lý công nghệ số có thể liên kết và tích hợp trong GIS đã mở ra khả năng ứng dụng to lớn trong công tác thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất Ngoài ra, trong đề tài cũng sử dụng công nghệ thành lập mô hình số địa hình độ chính xác cao từ tư liệu viễn thám Alos/Prism Đây là tư liệu hết sức quan trọng trong thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất

Đã có nhiều mô hình lý thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu phân tích nguy cơ trượt lở đất được xây dựng và áp dụng Trong các nội dung kể trên của việc thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất, đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng phương pháp viễn thám và công nghệ GIS kết hợp các mô hình toán học để thành lập bản đồ các vùng có nguy cơ trượt lở đất Đã nghiên cứu phương pháp thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất trên các mô hình toán học: Mô hình thống kê, mô hình SINMAP và mô hình Trong số bằng chứng dựa trên lý thuyết xác xuất Bayer kết hợp tư liệu viễn thám Tư liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm có ảnh vệ tinh SPOT5, ảnh ALOS /Avenir, ALOS/Prism, bản đồ

địa chất, địa mạo, số liệu đo mưa…Các dữ liêu này được sử dụng trực tiếp làm các dữ liệu đầu vào của các mô hình toán học hoặc sử dụng đẻ tách chiết các thông số đầu vào của các mô hình Đề tài đã tiến hành thử nghiệm thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất

bằng các mô hình: Mô hình thống kê, mô hình SINMAP và mô hình Trong số bằng chứng, các kết quả thu đ−ợc là các bản đồ và cơ sở dữ liệu bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất Kết quả nghiên cứu của đề tài đã đ−a ra:

- Quy trình thành lập bản đồ hiện trạng tr−ợt lở đất bằng t− liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao

- Quy trình thành lập mô hình số độ cao từ ảnh viễn thám ALOS/Prism

- Quy trình thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất bằng các mô hình toán học

- Sản phẩm thực nghiệm: Mô hình số độ cao, Bản đồ hiện trạng tr−ợt lở đất, bản

đồ nguy cơ tr−ợt lở đất

- Báo cáo tổng kết đề tài

Mục lục

Các từ viết tắt 3

Danh mục hình ảnh 4

Danh mục bảng biểu 5

Mở đầu 6

Chương I: Tổng quan về nghiên cứu trượt lở đất 10

1.1 Tai biến trượt lở đất và các kiểu trượt lở đất 10

1.2 Bản chất và các đặc điểm của quá trình trượt lở đất .12

1.2.1 Các yếu tố địa chất 12

1.2.2 Các yếu tố cơ học, hóa học và khoáng học của đất 13

1.2.3 Các yếu tố địa mạo 13

1.2.4 Các yếu tố thủy văn 15

1.2.5 Địa chấn 18

1.2.6 Các yếu tố nhân tạo 18

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu trượt lở đất trong và ngoài nước 19

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trượt lở đất trên thế giới 20

1.3.2 Kinh nghiệm nghiên cứu trượt lở đất bằng công nghệ viễn thám tại Malaysia 21

1.3.3 Tình hình nghiên cứu trượt lở đất ở Việt nam 24

Chương 2: Một số mô hình lý thuyết ứng dụng trong cảnh báo nguy cơ trựơt lở đất 26

2.1 Một số mô hình lý thuyết ứng dụng trong nghiên cứu trượt lở đất 26

2.1.1 ứng dụng các mô hình Thống kê vào phân vùng cảnh báo trượt lở đất 26

2.1.2 ứng dụng mô hình Trọng số bằng chứng vào phân vùng cảnh báo trượt lở đất 30

2.1.3 ứng dụng mô hình SINMAP vào phân vùng cảnh báo trượt lở đất 33

2.2 Xác định các lớp thông tin cần thiết cho mô hình .40

2.3 Bản đồ nguy cơ trượt lở đất và phương pháp thành lập 42

2.3.1 Khái niệm bản đồ nguy cơ tai biến trượt lở đất : 42

2.3.2 Thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất 43

Chương 3: Nghiên cứu quy trình ứng dụng ảnh viễn thám, hệ thông tin địa lý và các mô hình toán học để phục vụ thành lập bản đồ nguy cơ trựơt lở đất .46

3.1 ảnh viễn thám phân giải cao và mô hình số địa hình : 46

3.1.1 Một số loại ảnh viễn thám độ phân giải cao .46

3.1.2 Mô hình số địa hình trong nghiên cứu trượt lở .48

3.2 Nghiên cứu thành lập mô hình số địa hình từ ảnh vệ tinh ALOS/Prism phục vụ nghiên cứu trượt lở đất .50

3.2.1 Phần mềm SAT-PP 50

3.2.2 Xây dựng DSM với SAT-PP 51

3.2.3 Một số thử nghiệm thành lập DEM 51

3.3 Nghiên cứu đề xuất qui trình thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao kết hợp các mô hình lý thuyết .57

3.4 Sử dụng các công cụ của GIS để xử lý, tích hợp các nguồn thông tin và ứng dụng các mô hình phân tích – cảnh báo trượt lở để xây dựng bản đồ nguy cơ trượt lở đất 63

3.4.1 Nghiên cứu khả năng thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất sử dụng mô hình Thống kê kết hợp dữ liệu ảnh vệ tinh và GIS 63

3.4.2 Nghiên cứu khả năng thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất sử dụng mô

hình Trọng số bằng chứng kết hợp dữ liệu ảnh vệ tinh và GIS 73

3.4.3 Nghiên cứu khả năng thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất sử dụng mô hình Sinmap kết hợp dữ liệu ảnh vệ tinh và GIS 77

Chương 4 Thực nghiệm và đánh giá 85

4.1 Vùng thực nghiệm 85

4.1.1 Vị trí địa lý vùng nghiên cứu 85

4.1.2 Vài nét về đặc điểm địa hình- địa chất 85

4.1.3 Đặc điểm khí tượng thuỷ văn 86

4.1.4 Các quá trình ngoại sinh khu vực và hoạt động của con người 87

4.2 Thu thập tư liệu 89

4.2.1 Tư liệu bản đồ 89

4.2.2 Tư liệu viễn thám .90

4.2.3 Tài liệu về khí tượng thuỷ văn 92

4 2.4 Tài liệu khác .92

4.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS 92

4.4 Thành lập bản đồ hiện trạng trượt lở đất bằng tư liệu viễn thám 93

4.4.1 Thành lập bản đồ hiện trạng trượt lở đất năm 2007 bằng tư liệu ảnh vệ tinh Spot5 .93

4.4.2 Thành lập bản đồ hiện trạng trượt lở đất năm 2008 bằng tư liệu ảnh vệ tinh Alos/AVNIR 98

4.5 Thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất sử dụng môt số mô hình toán học kết hợp dữ liệu viễn thám và GIS 99

4.5.1 Thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất trên cơ sở sử dụng mô hình Thống kê .99

4.5.2 Thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất trên cơ sở sử dụng mô hình Trọng số bằng chứng 105

4.5.3 Thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất trên cơ sở sử dụng mô hình Simap.112 4.6 Đánh giá kết quả, tính khả thi của từng phương pháp và khả năng tự động hóa công nghệ thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất bằng phương pháp viễn thám và GIS .114

4.6.1 Đánh giá độ chính xác của các phương pháp .114

4.6.2 Khả năng tự động hóa và tính ứng dụng của công nghệ 116

Kết luận .118

Tài liệu tham khảo 120

Phụ lục 122

C¸c tõ viÕt t¾t

SPOT-VÖ tinh viÔn th¸m SPOT cña Ph¸p

ALOS- VÖ tinh viÔn th¸m ALOS cña NhËt B¶n

ALOS/PALSAR- ¶nh RADAR PALSAR cña vÖ tinh ALOS

Danh mục hình ảnh

Hình I- 1: Sơ đồ hệ thống NADDI 24

Hình II- 1: Một số dạng sườn địa hình 14

Hình II- 2 : Sơ đồ mô hình ổn định sườn dốc vô hướng 36

Hình II- 3 : Minh hoạ khái niệm yếu tố ma sát vô hướng 37

Hình II- 4 : Định nghĩa khu vực thu nước xác định 38

Hình III- 1 : ảnh PRISM thể hiện trong SAT-PP 52

Hình III- 2: Sơ đồ khối xây dựng tự động DSM bằng phần mềm SAT-PP 53

Hình III- 3 : DEM khu vực Bắc Giang thành lập từ tư liệu ALOS/PRISM 55

Hình III- 4 : ảnh Prism khu vực nghiên cứu 56

Hình III- 5 : DEM khu vực nghiên cứu 57

Hình III- 6 : Sơ đồ hệ thống Qui trình thành lập bản đồ các vùng có nguy cơ trượt lở đất 62

Hình III- 7: Quy trình công nghệ thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ 66

Hình III- 8: Sơ đồ quy trình công nghệ tích hợp viễn thám và GIS trong thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất áp dụng cho mô hình thống kê 72

Hình III- 9: Sơ đồ quy trình công nghệ tích hợp viễn thám và GIS trong thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất áp dụng cho mô hình trọng số bằng chứng 75

Hình III- 10: Sơ đồ quy trình công nghệ thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất bằng mô hình SINMAP 79

Hình III- 11: Ví dụ thể hiện tính toán thống kê mật độ trượt lở theo vùng 83

Hình IV- 1: Sơ đồ bảng chắp các mảnh bản đồ địa hình trên khu vực nghiên cứu 90

Hình IV- 2: Sơ đồ tư liệu ảnh vệ tinh SPOT5 91

Hình IV- 3: Sơ đồ tư liệu ảnh vệ tinh ALOS trong khu vực nghiên cứu 92

Hình IV- 4: Quy trình công nghệ thành lập bản đồ hiện trạng trượt lở đất 98

Hình IV- 5 :Sơ đồ mô tả giá trị chỉ số nguy cơ tai biến trượt lở đất của khu vực nghiên cứu tính toán theo phương pháp chỉ số thống kê 104

Hình IV- 6 : Sơ đồ mô tả giá trị chỉ số nguy cơ tai biến trượt lở đất của khu vực nghiên cứu tính toán theo phương pháp trọng số bằng chứng 111

Hình IV- 7: Sơ đồ các vùng tính toán trong mô hình SINMAP 112

Danh mục bảng biểu

Bảng III- 1 : Một số tính năng kỹ thuật của bộ cảm PRISM 48Bảng III- 2: Một số tính năng kỹ thuật cơ bản của bộ cảm AVNIR-2 48Bảng III- 3 : Các thông số đầu vào của mô hình Thống kê và Trọng số bằng chứng khai thác trực tiếp bằng phương pháp viễn thám và GIS 77Bảng III- 4 : Các thông số đầu vào của mô hình SINMAP khai thác trực tiếp bằng phương pháp viễn thám và GIS 84

Bảng IV- 1 Kết quả tính toán giá trị Wij của các lớp trong các yếu tố gây trượt lở đất 99Bảng IV- 2 : Phân bố diện tích và tỷ lệ phần trăm các nhóm nguy cơ tai biến trượt lở

đất của khu vực nghiên cứu tính toán theo mô hình thống kê 103Bảng IV- 3 : Kết quả tính toán giá trị Cij của các lớp trong các yếu tố gây trượt lở đất 105Bảng IV- 4 : Phân bố diện tích và tỷ lệ phần trăm các nhóm nguy cơ tai biến trượt lở

đất của khu vực nghiên cứu tính toán theo phương pháp trọng số bằng chứng 109Bảng IV- 5: Bảng các thông số đầu vào của mô hình SINMAP 113Bảng IV- 6: Phân khoảng các giá trị ổn định SI 113Bảng IV- 7 : Phân bố diện tích và tỷ lệ phần trăm các nhóm nguy cơ tai biến trượt lở

đất của khu vực nghiên cứu tính toán theo mô hình SINMAP 114

1800 người Tại các vùng núi phía Bắc Thái Lan hàng năm cũng xảy ra các vụ trượt lở

đất làm hàng trăm người chết, Malaysia là quốc gia ở Đông Nam á cũng thường xảy ra trượt lở đất, năm 1999 tại quốc gia này đã xảy ra hai vụ trượt lở đất là chết 245 người

ở Việt Nam, hàng năm thiên tai do trượt lở đất gây ra ở các vùng núi của đã gây thiệt hại rất lớn về người và của, đặc biệt, truợt lở đất đã làm chết hàng trăm người Năm 2004 trong vụ trượt lở đất ở Quảng Ninh đã vùi lấp cả một làng, làm chết hơn 50 người Gần đây nhất, năm 2007 tại khu vực Miền trung, trượt lở đất đã làm chết và mất tích 81 người, tổng thiệt hại về tài sản lên đến hàng ngàn tỉ đồng Ngoài ra, trượt lở đất hàng năm cũng là tổn hại nghiên trọng đến hệ thống đường giao thông, như QL6 đoạn chạy qua Hoà Bình và Sơn La

Đặc điểm chung của trựơt lở đất là xảy ra rất bất ngờ, trong thời gian ngắn, làm cho người dân không thể kịp ứng phó hoặc chạy thoát, hàng chục ngàn mét khối đất đá

có thể vùi lấp cả một làng

Để giảm thiểu và hạn chế thiệt hại do trượt lở đất gây ra, các nước có trình độ công nghệ tiên tiến đã xây dựng hệ thống cảnh báo sớm trên cơ sở sử dụng hệ thống trang thiết bị cảnh báo tiên tiến kết hợp sử dụng dữ liệu bản đồ được xây dựng bằng phương pháp viễn thám và GIS Trong đó việc thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất là biện pháp được đầu tư nghiên cứu ứng dụng

ở Việt Nam, trong những năm gần đây cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu và các bản đồ khoanh vùng nguy cơ trượt lở đất, tuy nhiên các công trình này còn mang nặng tính lý thuyết, các sản phẩm bản đồ chủ yếu ở tỉ lệ trung bình và nhỏ

Trong quá trình thực hiện của đề tài, tháng 1 năm 2008 Trung tâm Viễn thám đã

cử đoàn cán bộ sang Malaysia để nghiên cứu và trao đổi kinh nghiệm về ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong giám sát và cảnh báo trượt lở đất

Malaysia đã phát triển công nghệ vũ trụ theo dõi và cảnh báo trượt lở đất từ những năm 80 của thế kỷ trước, đến nay nước này đã có nhiều kinh nghiệm và sự phát

GIS trên cơ sở kết hợp mô hình toán học tính toán các giá trị thông tin đầu vào đẻ thành lập bản đồ cảnh báo trượt lở đất là những nội dung phi công trình cơ bản

Với mong muốn ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong cảnh báo nguy cơ trượt lở đất hiệu quả và có thể ứng dụng vào thực tế, Trung tâm Viễn thám quốc gia đã

được giao chủ trì đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ có tên gọi:

“Nghiên cứu ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao và các mô hình lý thuyết để thành lập bản đồ các vùng có nguy cơ trượt lở đất ở khu vực miền núi”

Chủ nhiệm đề tài: Nghiêm Văn Tuấn

Học hàm, học vị, chuyên môn: Thạc sỹ

Chức vụ: Cán bộ nghiên cứu Cơ quan: Trung tâm Viễn thám quốc gia

Địa chỉ: 108 phố Chùa Láng - Đống Đa - Hà Nội Điện thoại: 7 638 824

Cơ quan chủ quản: Bộ Tài nguyên và Môi trường

Cơ quan chủ trì: Trung tâm Viễn thám

Thời gian thực hiện: 24 tháng (từ tháng 1/2007 đến tháng 12/2008)

Mục tiêu của đề tài :

- Nghiên cứu ứng dụng tư liệu ảnh viễn thám kết hợp với các các mô hình lý thuyết để thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất

- Thử nghiệm xác định mô hình toán học thích hợp đối với điều kiện thực tế ở Việt Nam

- Nghiên cứu khả năng ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh Alos/PRISM để thành lập mô hình

số địa hình phục vụ phân tích đánh giá nguy cơ trượt lở đất

Phương pháp nghiên cứu:

a Giới hạn vấn đề nghiên cứu

Trong đề tài này vấn đề ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu thành lập bản

đồ nguy cơ trượt lở đất thực hiện với các nội dung sau:

- Kế thừa các kết quả nghiên cứu của các công trình nghiên cứu trượt lở đã công bố, tiếp tục nghiên cứu bổ sung, không đi sâu về phân tích nguyên nhân theo hướng địa chất, địa mạo, chỉ tập trung nghiên cứu hướng giải pháp kỹ thuật xử lý ảnh vệ tinh độ phân giải cao và GIS nhằm khai thác thông tin phục vụ mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu các phương pháp phân tích, giải đoán ảnh vệ tinh độ phân giải cao để thành lập bản đồ hiện trạng trượt lở đất (không đề cập đến ảnh máy bay, ảnh LiDAR)

- Nghiên cứu ứng dụng một số mô hình lý thuyết – cảnh báo trượt lở đất bao gồm một

số mô hình toán học, mô hình hoá hình thái trượt lở nhằm xác định vùng có nguy cơ trượt lở đất Xác định các lớp thông tin cần thiết cho mỗi mô hình

- Thử nghiệm trên khu vực và điều kiện tư liệu cụ thể, đánh giá và hoàn thiện qui trình công nghệ đề xuất

b Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu xây dựng bản đồ các vùng có nguy cơ trượt lở bằng các mô hình toán học

sử dụng các thông số chiết tách từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao làm các thông số đầu vào

- Sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh, phân tích ảnh, tích hợp ảnh vệ tinh độ phân giải cao và GIS trong mô hình phân tích

- Nghiên cứu đề xuất qui trình thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao và các mô hình lý thuyết

- Nghiên cứu phương pháp thành lập mô hình số độ cao từ nguồn tư liệu Alos/PRISM

- Sử dụng các công cụ của GIS để xử lý, tích hợp các nguồn thông tin và ứng dụng các mô hình phân tích - cảnh báo trượt lở để xây dựng bản đồ nguy cơ trượt lở đất

Kết quả nghiên cứu đạt được:

- Báo cáo kết quả nghiên cứu ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh và các mô hình lý thuyết để thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất ở khu vực miền núi (các chuyên đề)

- Quy trình công nghệ, các phương án ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh và các mô hình lý thuyết để thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất ở khu vực miền núi

- Quy trình công nghệ, phương pháp thành lập mô hình số độ cao từ nguồn tư liệu Alos/PRISM hoặc PalSAR

- Một số sản phẩm thực nghiệm: Mô hình số độ cao thành lập từ ảnh Alos/Prism, Bản

đồ hiện trạng trượt lở đất, Bản đồ nguy cơ trượt lở đất

- Báo cáo tổng kết đề tài

Phần chính của “Báo cáo tổng kết đề tài” gồm 120 trang báo cáo, hình vẽ, bảng biểu, phụ lục Bố cục của báo cáo gồm các phần chính sau đây:

Mở đầu

Chương I: Tổng quan về nghiên cứu trượt lở đất

Chương II: Một số mô hình lý thuyết ứng dụng trong cảnh báo nguy cơ trượt lở đất Chương III: Nghiên cứu quy trình ứng dụng ảnh viễn thám, hệ thông tin địa lý và các mô hình toán học để nghiên cứu nguy cơ trựơt lở đất

KÕt luËn

Tµi liÖu tham kh¶o

Phô lôc

Chương I: Tổng quan về nghiên cứu trượt lở đất

1.1 Tai biến trượt lở đất và các kiểu trượt lở đất

a Tai biến trượt lở đất

Trượt lở là một dạng tiêu biểu của tai biến môi trường do các quá trình địa động lực ngoại sinh với tính chất hiểm họa Tuy nhiên những hiểm họa trượt lở chỉ là những hiểm họa cuối cùng của tai biến tiềm ẩn và vấn đề đó càng rõ nét ở vùng đất dốc Trượt

lở là thuật ngữ quen thuộc trên nhiều văn bản quốc tế dùng để chỉ hầu hết các hiện tượng chuyển động của các khối đất đá, đá tảng, các mảnh vụng bị tách khỏi nền gốc ở trên cao, di chuyển xuống phía chân sườn ở dưới thấp

- Thể trượt: là khối đất đá bị dịch chuyển tách khỏi nền gốc (đới sinh trượt)

- Gương trượt: là bề mặt chia tách phần nền gốc, đới sinh trượt với thể trượt, thường tạo thành các mặt lõm trên sườn địa hình diễn ra trượt lở

Trên các sườn dốc, hiện tượng trượt lở thường kéo theo hiện tượng trượt đổ, nghĩa là đất đá rơi tự do, dưới tác dụng của trọng lực ngay sau khi tách khỏi nền đá gốc hay đới sinh trượt Sườn có độ dốc càng lớn, khả năng trượt đổ càng cao

Thông thường trong thực tế có các loại trượt sau đây:

- Kiểu rơi: vật liệu vụn đổ lở

- Kiểu trượt: trượt quay vết gương trượt cong lõm về phía trên, trượt tịnh tiến nếu gương trượt là mặt phẳng có thể nằm ngang hay nghiêng Thường đó là bề mặt gắn kết yếu có gắn như một phân lớp, một lớp kem gắn kết hoặc mặt đứt gãy Khối trượt theo

bề mặt này nếu giữ nguyên dạng được gọi là khối trượt, nếu bị vỡ ra được gọi là trượt

vỡ

- Kiểu phân tán là kiểu phát triển liên tục quá trình trượt tịnh tiến gần nằm ngang, thể trượt bị tách vỡ thành khối tảng nằm chồng chất lên nhau và lan tỏa theo chiều ngang

- Kiểu dòng chảy: Dòng bùn đá, trong đó điển hình là lũ quét, lũ bùn đá

- Kiểu trượt bò: Trượt theo nhiều lớp song song với sườn dốc tốc độ rất chậm có thể làm uốn cong các thân cây Tốc độ trượt ở mặt đất là lớn nhất các lớp ở dưới sâu trượt chậm hơn Không có ranh giới giữa lớp trượt và lớp không trượt Trượt bò đặc trưng cho hiện tượng co rút của khoáng vật sét trong quá trình thay đổi điều kiện thủy văn

Ngoài các kiểu trượt phổ biến trên, còn gặp một số loại trượt lở như: trượt chảy, khi đới sinh trượt tồn tại các mạch nước ngầm, hoặc trong vùng mưa bão nhiều kiểu nhiệt đới, thể trượt là đá bở rời bão hòa nước, có khi tạo thành dòng bùn di động linh hoạt (lũ quét) Trong trường hợp các tầng đất sét pha và nước chưa đủ độ tạo trượt chảy, có thể thấy hiện tượng trượt sườn Khi vật liệu là các mảnh đá vụn, khô, chân sườn thoải, rộng sẽ gặp loại trượt phân tán

b Cấu trúc của khối trượt:

F.P.Xavarenxky đề nghị phân chia trượt ra các kiểu: trượt đơn thuần không theo mặt có sẵn (axekvent); trượt theo bề mặt có sẵn (conxekvent) và trượt hỗn tạp, cắt sâu (inxekvent):

- Trượt axekvent là các khối trượt phát sinh trong đất đá đồng nhất, không phân lớp (sét, sét pha cát, cát pha sét ) Mặt trượt trong những đất đất này thường lõm có dạng gần cung tròn hình trụ và được quyết định bởi các tính chất cơ lý của đất đá Khe nứt tách vở phần trên sườn dốc hay mái dốc của những khối trượt đó tạo nên một hoặc vài dường chia tách và đất đá trượt theo sườn dốc, mái dốc dưới dạng một khối trên mặt trượt lõm đó mà không phá vỡ chút nào đáng kể cấu trúc bên trong Vì vậy, trên địa hình xuất hiện thềm trượt chính và thềm trượt bên trong Nhiều tài liệu quan trắc cho thấy chân trượt thường trùng với chân sườn dốc hay mái dốc Nên bên dưới chân sườn dốc có các lớp đất mềm yếu, thì chân trượt sẽ cắt sâu vào trong đất đó và xuất lộ ở cách chân sườn dốc một khoảng nào đó

- Trượt conxekvent được hình thành trong đất đá không đồng nhất và nứt nẻ Mặt trượt của loại cấu trúc này thường do cấu trúc của sườn dốc hay mái dốc, do các bề mặt trong khối nguyên quyết định Sự dịch chuyển của các khối đất đá dưới dạng khối tảng, hoặc nhiều khối tảng Cũng có trường hợp khối đất đá bị biến thành một thể gần như lỏng nhất và trượt theo mặt nghiêng trùng hợp với các mặt hoặc các đới giảm yếu Các mặt và các đới giảm yếu có thể là:

+ Mặt phân lớp đơn nguyên của đất đá

+ Các lớp hay lớp kẹp đất đá mềm yếu hay nằm nghiêng (đất sét, đá sét, muội than, than )

+ Bề mặt đá gốc hay ranh giới bên dưới của tầng đá phong hóa mạnh

+ Bề mặt các khe nứt

Hình dạng mặt trượt của các khối trượt conxekvent thường phẳng, gợn sóng, phân bậc nghiêng Mặt trượt được xác định tương đối dễ dàng bằng quan sát mắt thường, hoặc khi tiến hành công tác thăm dò, quan trắc dài hạn khi phân tích tài liệu quan trắc địa chất Trượt conxekvent phân bố rộng rãi nhất

- Trượt inxekvent (mặt trượt nằm vuông góc với đường phương đất đá) cũng được tạo thành trong đất đá không đồng nhất, phân lớp nằm ngang hoặc nghiêng về phía sườn dốc Mặt trượt cắt sâu và cắt ngang nhiều lớp đất đá có thành phần khác nhau ở phần

đỉnh, mặt trượt dốc đứng phát triển trong khe nứt Càng về gần chân trượt mặt trượt thoải dần và cắt ngang một hoặc nhiều đất đá

1.2 Bản chất và các đặc điểm của quá trình trượt lở đất

Hiện tượng trượt lở đất được cho là có liên quan đến mối quan hệ giữa kháng lực của đất đá hình thành trên sườn dốc đối với trọng lực của chúng Một sự cố trượt sẽ xảy ra khi mà thế cân bằng của mối quan hệ đó nghiêng về phía trọng lực Mối quan hệ này có thể bị thay đối bởi những tác động do tự nhiên và do con người Các yếu tố có

ảnh hưởng tới sự ổn định của sườn dốc và các sự cố trượt là rất đa dạng và rất khác nhau, chúng tương tác với nhau theo cách rất phức tạp [31] Các yếu tố tự nhiên có thể

được chia thành năm nhóm: độ bền của đất, hóa học đất, khoáng vật học; địa chất; địa mạo; thủy văn; và địa chấn [26]

1.2.1 Các yếu tố địa chất

Độ ổn định của sườn dốc có mối liên quan đến các kiểu thạch học khác nhau, và mối quan hệ này mạnh hay yếu phụ thuộc rất lớn vào mỗi kiểu thạch học đó Sự phong hóa thường làm biến đổi các thuộc tính cơ lý, khoáng vật và thủy văn của thạch học, do

đó sự phong hóa cũng là một yếu tố quan trọng đối với độ ổn định sườn trong mọi hoàn cảnh môi trường [26]

Một yếu tố địa chất quan trọng khác trong nghiên cứu tai biến trượt lở là trật tự phân lớp không ổn định Điều này xảy ra khi sự dịch chuyển của khối đất đá trên mặt phân lớp được kích hoạt khi mà áp suất lỗ hổng phát triển tại giao diện giữa hai lớp thạch học khác nhau (ví dụ như giữa cát kết và sét kết), hoặc khi mà độ bền của lớp trầm tích sét bị yếu đi do nước thấm qua lớp thạch học ở phía trên [10] Do vậy các sự cố trượt lở

đất thường xảy ra mỗi khi có những cơn mưa lớn kéo dài Nhìn chung người ta xác

định được bốn kiểu trật tự phân lớp không ổn định như sau: (1) phân lớp xen kẽ giữa

nằm trên một lớp đất đá có khả năng thấm thấp; (3) Các lớp đất mỏng nằm trên đá gốc; (4) Mũ đá (có nứt nẻ) nằm trên các đá phong hóa dày

Độ bền tương đối của đất đá chịu ảnh hưởng lớn bởi các hoạt động kiến tạo trong quá khứ và quá trình phong hóa hiện thời Đặc biệt, các hoạt động tân kiến tạo cũng đóng một vai trò đối với sự ổn định của sườn dốc thông qua các quá trình dập vỡ, đứt gãy, tách giãn và biến dạng cấu trúc [19] Các đứt gãy và các cấu trúc dạng tuyến thường

được quan tâm nghiên cứu trong các đánh giá tai biến trượt lở đất

1.2.2 Các yếu tố cơ học, hóa học và khoáng học của đất

Các yếu tố cơ học, hóa học và khoáng học của đất có liên quan rất chặt chẽ đến các tính chất tự nhiên và trạng thái cân bằng của đất Cường độ cắt là một trong những đặc tính cơ học rất quan trọng có ảnh hưởng lớn đến độ ổn định tự nhiên và nhân tạo của các sườn dốc Nó không có một giá trị nhất định nhưng lại bị ảnh hưởng rất lớn bởi các hoạt động tải trọng xảy ra trên sườn mà nhất là do ảnh hưởng của lượng nước trong đất Cường độ cắt đất cơ bản được biểu diễn như là một hàm số của áp lực thẳng đứng lên mặt trượt, lực cố kết, và góc ma sát trong [7]

Một đặc tính tự nhiên quan trong khác nữa là hàm lượng sét trong đất Các khoáng chất sét là sản phẩm phong hóa hóa học của đất đá rất quan trọng Có rất nhiều các nghiên cứu đã thử nghiệm liên hệ giữa một số các khoáng chất sét cụ thể với các kiểu trượt và

sự nhạy cảm đối với trượt lở của các sườn dốc Sự tích tụ sét trong các khe nứt tàn dư cũng được liên hệ với các sự cố trượt Khoáng học sét và hóa học sét cũng có thể cung cấp những dấu hiệu liên quan đến các trạng thái của các mặt trượt tiềm năng [25]

1.2.3 Các yếu tố địa mạo

1.2.3.1 Độ dốc sườn

Độ dốc sườn có liên quan rất chặt chẽ đến sự khởi đầu của các sự cố trượt Trong phân lớn các nghiên cứu về trượt lở, độ dốc sườn được xem như là một yếu tố gây trượt hoặc kích hoạt trượt chính [27] Đôi khi người ta coi góc dốc của sườn như là một chỉ số của

sự ổn định sườn, và trong GIS nó có thể được tính toán dưới dạng số và có thể mô tả theo không gian [15]

Ngoài ra, các yếu tố động lực môi trường cũng có ảnh hưởng rất lớn đối với trượt lở Ví

dụ như các khối trượt nhanh và các dòng trượt vụn thậm chí có thể xuất hiện trong những khu vực có góc dốc thấp Điều này chứng tỏ rằng các yếu tố địa mạo, địa chất, thủy văn, thổ nhưỡng đều là những yếu tố quyết định đến sự ổn định của sườn

1.2.3.2 Hình dạng sườn

Hình dạng sườn có một ảnh hưởng rất lớn đến độ ổn định sườn trong những vùng địa hình dốc do sự tập trung nước hay phân chia nước trên bề mặt sườn và lớp dưới bề mặt sườn Theo đơn vị địa mạo - thủy văn, có ba dạng sườn cơ bản: sườn lồi (divergent / convex), sườn phẳng (plannar / straight) và sườn lõm (convergent / concave) Nhìn chung, dạng sườn lồi là dạng sườn ổn định nhất trong vùng địa hình dốc, ít ổn định hơn

là dạng sườn phẳng và kém ổn định nhất là dạng sườn lõm Nguyên nhân là do cấu trúc

địa hình có ảnh hưởng rất rộng lớn đến sự tập trung hay phân chia nước trên bề mặt sườn và lớp dưới bề mặt sườn Dạng sườn lõm có xu hướng tập trung nước ở lớp dưới

bề mặt sườn vào những khu vực nhỏ của sườn, và do đó làm cho áp suất của nước trong các lỗ hổng tăng lên một cách nhanh chóng khi có mưa bão hoặc trong những thời gian mưa kéo dài Khi áp suất lỗ hổng hình thành trong các lỗ rỗng, lực cắt đất sẽ giảm xuống một giá trị tới hạn và một sự cố trượt có thể sẽ xảy ra Như vậy, các lỗ rỗng là những diểm nhạy cảm đối với sự khởi đầu của các khối trượt vụn hoặc các dòng trượt vụn [1]

(1) - Sườn lồi (2) - Sườn phẳng (3) - Sườn lõm

Hình II- 1: Một số dạng sườn địa hình

1.2.3.3 Hướng dốc và độ cao

thực vật trên sườn, đặc biệt là đối với môi trường khô hạn [26] Những đặc điểm như vậy có khả năng làm tăng sự mất ổn định sườn

Các mối quan hệ thống kê giữa độ cao và các hiện tượng trượt lở đã được nghiên cứu trong rất nhiều công trình Nói chung, độ cao thường có liên quan với các sự cố trượt thông qua các yếu tố khác như độ dốc, thạch học, sự phong hóa, lượng nước mưa, sự chuyển động trên bề mặt, độ dày thổ nhưỡng và việc sử dụng đất Ví dụ, các vùng miền núi thường phải đối mặt với những lượng nước mưa rất lớn từ những cơn mưa

1.2.4 Các yếu tố thủy văn

Yếu tố thủy văn cũng đóng vai trò quan trọng đối với sự khởi đầu các sự cố trượt Một

số quá trình thủy văn đáng chú ý nhất là mưa (sự phân bố về không gian và thời gian của lượng mưa), sự thấm nước vào trong đất (và tiềm năng của các dòng chảy mặt), dịch chuyển ngang và thẳng đứng trong thạch học, thoát-bốc hơi nước…

Mưa:

Một trong những nguyên nhân quan trọng tác động đáng kể tới quá trình trượt lở

đất chính là lượng mưa Chính vì vậy trong nghiên cứu phân vùng nguy cơ trượt lở đất việc xây dựng bản đồ phân bố lượng mưa là hết sức cần thiết Bản đồ này sẽ là một đầu vào quan trọng trong tính toán, phân vùng nguy cơ tai biến trượt lở sau này

Sự phân bố theo không gian của lượng mưa có quan hệ mật thiết với sự khởi đầu của các hiện tượng trượt [2] thông qua ảnh hưởng của việc hình thành áp suất nước lỗ hổng trên các sườn không ổn định Một số nhà khoa học thường coi một trong bốn thuộc tính liên quan đến lượng mưa sau như là những yếu tố gây nên trượt: tổng lượng mưa, cường độ mưa trong một thời gian ngắn, lượng mưa rơi trong đợt mưa bão và khoảng thời gian xảy ra mưa bão Tuy nhiên, người ta vẫn chưa xác định được kiểu thuộc tính về lượng mưa nào có mối liên quan nhất với các hiện tượng trượt lở Một số người đã cho rằng cường độ mưa trong một thời ngắn đóng vai trò quyết định nhất, một

số khác lại cho rằng có mối liên hệ giữa các sự cố trượt với lượng mưa xảy ra trong một thời gian dài [26]

Các đặc tính thủy văn của đất và đá gốc bị phong hóa

Các đặc tính thủy văn của đất gây ảnh hưởng đến sự ổn định của sườn dốc có thể chi phối tốc độ di chuyển của nước vào sườn dốc cũng như khả năng giữ nước của nó Ngoài ra, cấu trúc, mật độ và hướng của các khe nứt trong đá gốc và trong các vật liệu

bên dưới khác cũng có vai trò quyết định tới việc nước từ lớp đất bên trên thấm xuống dưới hay nước từ bên dưới thấm lên lớp đất bên trên

ở vi tỷ lệ, tốc độ di chuyển của nước trong đất trên sườn được đặc trưng bởi khả năng di chuyển của nước trong đất (transmitivity - K), lượng nước chảy dưới bề mặt trên một đơn vi gradient thủy lực Đất sét và đất thịt với những lỗ rỗng rất nhỏ thường

có các giá trị K nhỏ hơn rất nhiều so với các loại đất có cấu trúc thô hơn Hơn nữa, để diễn tả được tính thấm của đất trong những điều kiện ẩm ướt nhưng chưa bão hòa nước, người ta cần phải đánh giá được các giá trị K chưa bão hòa

Khả năng di chuyển của nước trong đất của một lớp bị giam hãm bên dưới những dạng

địa hình không ổn định sẽ chi phối sự dẫn nước dài hạn và do đó cũng chi phối cả độ

ẩm của lớp vỏ ở phía trên [26] Khi một lớp có khả năng thấm nước bị giữ lại trong một chất nền có tính sét, áp suất lỗ hổng có thể được tích lại và dẫn đến sự mất ổn định của sườn Ngoài ra, tính rỗng cao của những lớp đất nằm tương đối sâu trên những sườn rất dốc có thể trở nên không ổn định sau những thời kỳ mưa kéo dài cho dù áp suất lỗ hổng tăng [26]

Sự thấm nước

Khái niệm tốc độ thấm có liên quan đến lượng nước thực sự đi vào trong đất và phụ thuộc vào các yếu tố vật lý, sinh học, địa hình và canh tác cũng như tốc độ phân phối nước (nghĩa là cường độ mưa hoặc tốc độ tan của tuyết) Khả năng thấm nước có quan

hệ với lượng nước lớn nhất hay lượng nước tiềm năng chảy vào trong đất tại một thời

điểm nhất định (khả năng thấm nước luôn luôn lớn hơn hoặc bằng với tốc độ thấm) Tốc độ thấm của nước vào trong đất bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các đặc tính tự nhiên của đất (tức là độ lỗ hổng, khả năng di chuyển của nước trong đất, sự phân bố của kích thước lỗ hổng, mạng lưới dòng chảy thường xuyên), thảm thực vật, tập quán canh tác, các hiện tượng băng giá, và điều kiện của địa hình Người ta đã chứng minh được rằng tốc độ thấm của nước có một mối quan hệ gián tiếp tới độ ổn định của sườn [29]

Dòng chảy dưới lớp mặt

Do các quá trình dòng chảy dưới lớp mặt chi phối sự di chuyển trên sườn của nước đã

được thấm xuống nên các quá trình này có ảnh hưởng tới các đặc điểm của sự phân bố

trong đất và dưới đá gốc có thể tạo nên một sự chi phối rất lớn lên sự phát triển của áp suất lỗ hổng trên các sườn dốc, và do đó có ảnh hưởng tới sự khởi đầu của các hiện tượng trượt lở [28]

áp suất nước lỗ hổng

Nói chung, áp suất lỗ hổng thường hình thành tạm thời trong các gương nước ngầm trong thạch học và có liên quan đến sự khởi đầu hoặc sự thúc đẩy các sự cố trượt Các trũng địa mạo có xảy ra các sự cố trượt thường đặc biệt nhạy cảm với sự phát triển của gương nước ngầm do có sự hội tụ của các dòng chảy dưới lớp bề mặt [28]

Sự ảnh hưởng của thực vật

Thực vật thường làm tăng độ ổn định của sườn theo hai con đường: (1) bằng cách loại

bỏ sự ẩm ướt trong đất thông qua sự thoát-bốc hơi nước, và (2) bằng cách tạo nên sự cố kết của rễ cây vào đất Do vậy, thực vật cũng được xem như một nhân tố chính có ảnh hưởng tới các hiện tượng trượt lở Một số ảnh hưởng của thực vật tới các quá trình thủy văn và cơ học tác động đến sự ổn định của sườn bao gồm [6]:

Sự hạn chế lượng mưa do tán thực vật, do vậy thúc đẩy sự bốc hơi nước và giảm

đi lượng nước thấm xuống đất

Hệ thống rễ hút nước từ đất do sinh lý (thông qua sự thoát hơi) dẫn đến việc làm giảm đi độ ẩm trong đất

Hệ thống rễ của những cây gỗ lớn làm cho lớp vỏ bám chặt vào lớp nền ổn định hơn

Hệ thống rễ lớn liên kết các bề mặt yếu dọc theo sườn của các khối trượt tiềm năng

Hệ thống rễ tạo nên một lớp màng gia cố vào lớp vỏ, làm tăng cường độ cắt đất

Hệ thống rễ của các cây gỗ bám vào lớp đá cứng tăng độ độ ổn định của sườn

Trọng lượng của cây cối làm tăng các lực thành phần xuống phía dưới sườn

1.2.5 Địa chấn

Địa chấn cũng là một trong những yếu tố chính kích hoạt các sự cố trượt Phần lớn các

sự cố trượt trong quá khứ được kích hoạt bởi yếu tố địa chấn và các sự cố đó xảy ra ngày càng nhiều và thường rất bất ngờ Kiểu trượt được kích hoạt bởi động đất phổ biến nhất là các hiện tượng đá đổ, đá rơi thường phát triển trên các sườn dốc Thực tế bất cứ kiểu trượt nào cũng có thể xảy ra, bao gồm các hiện tượng đất đá rơi nhanh và

vỡ thành mảnh vụn, trượt chậm dạng kết dính, trượt khối và đất chảy, trượt dòng Các hiện tượng đá đổ, đá rơi dạng vỡ vụn, trượt dòng là những hiện tượng trượt phổ biến nhất được kích hoạt do động đất, còn các hiện tượng trượt thành dòng có khả năng vận chuyển các vật liệu đi xa nhất Chỉ có một kiểu trượt được coi là duy nhất có liên quan tới động đất là hiện tượng trượt do trương nở; kiểu trượt này có thể gây nên sự nứt nẻ hoặc sụt lún của mặt đất Sự trương nở có liên quan đến sự tạm thời mất đi độ bền của các thành phần cát và mùn đóng vai trò như là dung dịch nhớt Chính điều này có thể tạo nên tác động tàn phá của những trận động đất lớn

Những hiện tượng trượt lở lớn nhất và tàn khốc nhất được biết đến thường có liên quan

đến các núi lửa Chúng thường xảy ra khi có núi lửa phun hoặc là hậu quả của sự vận

động của các trầm tích hình thành từ các hoạt động của núi lửa [10]

1.2.6 Các yếu tố nhân tạo

Các hiện tượng trượt lở có thể là kết quả trực tiếp hay gián tiếp liên quan đến các hoạt

động của con người Chưa có một nghiên cứu đầy đủ nào đề cập được hết các tác động của con người gây nên các hiện tượng trượt lở Có thể nêu ra một số các ví dụ như sau:

Các hoạt động xẻ núi làm đường, làm tăng độ dốc của sườn, tăng khả năng làm mất ổn định sườn

Các hoạt động làm tăng tải trọng trên các sườn dốc, phổ biến là việc xây dựng nhà cửa, tăng khả năng làm mất ổn định sườn, làm thay đổi chế độ thủy văn trên sườn và do đó gây tác động xấu đến sự ổn định của sườn

Việc chặt cây, phá rừng làm tăng khả năng xói mòn đất và làm yếu đi khả năng giữ đất của rễ cây, do đó làm giảm đi khả năng thoát-bốc hơi nước

Những chấn rung xuất hiện do các hiện tượng tự nhiên (như động đất) hoặc do nhân tạo

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu trượt lở đất trong và ngoài nước

Hàng năm trên thế giới xảy ra hàng trăm vụ trượt lở đất lớn và vừa, làm chết hàng ngàn người, đặc biệt là các nước thuộc vùng Nam á như Pakistan, ấn Độ, Trung Quốc và một số nước của khu vực Đông Nam á, trong đó có Việt Nam Chính vì những thiệt hại lớn về người và của như vậy, cho nên ngay từ những năm 80 của thế kỷ

20, nhiều nước trên thế giới đã rất chú ý đến các biện pháp, công cụ để sớm cảnh báo, cảnh báo về trượt lở đất để làm giảm thiệt hại do lở đất gây ra

Do vậy, việc nghiên cứu và từng bước hạn chế tác hại của trượt lở đất đang là một vấn đề thời sự đối với nhiều quốc gia Một trong các biện pháp phi công trình trong phòng chống trượt lở đất đang được áp dụng cho các khu vực thường xuyên xảy

ra trượt lở đất là giám sát, cảnh báo và cảnh báo hiện tượng trượt lở đất Việc cảnh báo

và cảnh báo trước hiện tượng trượt lở đất, trong đó phương tiện chính là bản đồ nguy cơ trượt lở đất sẽ là một biện pháp rất cần thiết có thể giảm tối đa thiệt hại về người, tài sản và là một công việc có ý nghĩa chính trị, xã hội rất lớn

Bản đồ nguy cơ trượt lở đất là một hình thức biểu thị một cách trực quan và để

sử dụng được thuận lợi các kết quả phân tích nguy cơ trượt lở đất trong một vùng nào

đó Tác dụng của bản đồ nguy cơ trượt lở đất là:

+ Bản đồ nguy cơ trượt lở đất có vai trò quan trọng trong công tác phòng tránh

và giảm nhẹ thiệt hại do trượt lở đất gây ra, nó được sử dụng rộng rãi trong thực tế

+ Bản đồ nguy cơ trượt lở đất là tài liệu cơ bản cho việc lập quy hoạch phòng tránh trượt lở đất: Quy hoạch phòng tránh trượt lở đất bao gồm các biện pháp công trình và phi công trình Để thực hiện các biện pháp này cần phải đầu tư lớn về nhân lực

và kinh phí Do đó, cần phải lựa chọn phương án phòng tránh trượt lở đất tối ưu với các biện pháp khác nhau trên cơ sở phân tích, đánh giá nguy cơ thiệt hại do trượt lở đất Bản đồ nguy cơ trượt lở đất cung cấp những thông tin cần thiết cho việc phân tích, đánh giá này

+ Bản đồ nguy cơ trượt lở đất là tài liệu cơ bản cho việc quy hoạch phát triển KT-XH, đặc biệt là quy hoạch cơ sở hạ tầng, bố trí dân cư và sản xuất công nghiệp trong vùng

+ Nâng cao hiệu quả phục vụ của công tác cảnh báo, cảnh báo trượt lở đất: Cảnh báo, cảnh báo những nơi có thể bị trượt lở đất với các mức độ nguy hiểm khác nhau

Tuy nhiên việc lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất ở Việt Nam hiện nay còn nhiều khó khăn trong việc thu thập đủ số liệu, thiếu bản đồ địa hình tỷ lệ lớn và cập nhật hiện

trạng các thông số thuộc bề mặt cũng như các thông tin địa chất địa mạo tại các khu vực miền núi

Việc nghiên cứu hiện tượng trượt lở đất là nghiên cứu đa ngành, gồm: Địa chất,

địa mạo, viễn thám, trắc địa, địa động lực chất lỏng và thủy văn Với nền tảng khoa học lâu đời, ngành địa chất, địa mạo, thủy văn đã tham gia nghiên cứu về hiện tượng trượt lở từ rất lâu, cũng bằng các phương pháp này đã lập nên các bản đồ phân vùng nguy cơ trượt lở đất, tuy vậy thời gian và công sức bỏ ra cũng rất lớn

Với sự phát triển của công nghệ viễn thám, với các tính ưu việt chụp đồng thời

được một phạm vi rộng với độ phân giải cao và khả năng chụp ảnh lập thể để có thể xây dựng mô hình số độ cao hứa hẹn những ứng dụng mới trong nghiên cứu trượt lở đất

ở Việt Nam và cũng là xu thế của các nước khác, đó là sự kết hợp của công nghệ viễn thám, công nghệ GIS với mô hình toán học cảnh báo nguy cơ trượt lở đất

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trượt lở đất trên thế giới

Việc ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu trượt lở đã được giới thiệu chi tiết về cơ sở lý thuyết và nghiên cứu thí điểm ở nhiều vùng trên thế giới Từ cuối những năm 80 thế kỉ trước, khi những công trình ứng dụng hệ thông tin địa lí bắt đầu

được sử dụng để nghiên cứu tai biến và trượt lở đất, có nhiều mô hình xây dựng trên nền GIS để phân tích và cảnh báo tai biến được hình thành và phát triển

Đáng kể đến là các mô hình nghiên cứu trượt lở điển hình của trường ITC ở Mêhico, trên sở mã nguồn của phần mềm ILWIS, đã được chuyển thành các phần mềm riêng, đóng gói thành các mô hình chuyển giao công nghệ như mô hình GISSIZ [19]-Mô hình này được xây dựng trên quan điểm tiếp cận địa lý-địa mạo Bên cạnh đó là mô hình SINMAP lại được xây dựng theo quan điểm địa chất công trình Nhìn chung,

đó là những nghiên cứu kỹ lưỡng và có cơ sở khoa học để chúng ta học hỏi và áp dụng cho thực tế nghiên cứu ở Việt Nam Tuy nhiên, hướng giám sát tai biến thời gian thực vẫn còn tiếp tục nghiên cứu

Xu thế ứng dụng viễn thám và GIS vào nghiên cứu trượt lở đất đối các quốc gia có nền công nghệ tiên tiến đi sâu vào hướng phát triển kỹ thuật áp dụng viễn thám trong lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất, đó là:

- Sử dụng ảnh hàng không, ảnh chụp mặt đất

- Công nghệ ảnh LiDAR hàng không, ảnh LiDAR chụp mặt đất

- Sử dụng ảnh vệ tinh

Và mục tiêu của các nghiên cứu áp dụng viễn thám nói chung trong nghiên cứu trượt lở đất có thể được phân ra:

- Phát hiện và khoanh vùng trượt lở

- Giám sát trượt lở

- Phân tích trượt lở và cảnh báo tai biến

Như vậy có thể thấy hướng áp dụng công nghệ viễn thám và GIS đang được ưu tiên nghiên cứu, trong đó việc nghiên cứu ứng dụng viễn thám theo hướng tăng độ chính xác của các dữ liệu đầu vào khai thác từ viễn thám và số lượng các thông số đầu vào khai thác từ ảnh viễn thám đang được quan tâm Từ đó có thể thấy rằng, tư liệu viễn thám có vai trò rất quan trọng trong nghiên cứu trượt lở đất

1.3.2 Kinh nghiệm nghiên cứu trượt lở đất bằng công nghệ viễn thám tại Malaysia

Các hiện tượng thiên tai như lũ lụt, trượt lở đất, hạn hán, cháy rừng và động đất,

đã từng xảy ra ở Malaysia khá phổ biến ở Malaysia, giống như Miền nam Việt Nam

có hai mùa rõ rệt: mùa mưa và mùa khô Vào mùa mưa thiên tai tác động nhiều đến đất nước này bởi những trận mưa dài ngày, kéo theo đó là hiện tượng trượt lở đất

Vì vậy Malaysia đặc biệt quan tâm đến việc xây dựng hệ thống giám sát thiên tai nói chung và trượt lở đất nói riêng Malaysia cũng là nước có tiềm lực về công nghệ

và có các công cụ hữu hiệu áp dụng trong việc phòng chống thiên tai, vì vậy trải qua nhiều lần ứng phó đối mặt với các loại thiên tai trên quy mô lớn, Malaysia là nước có nhiều kinh nghiệm trong các lĩnh vực như giám sát và quản lý: lũ lụt, trượt lở đất, hạn hán, cháy rừng Đặc biệt là giám sát lũ lụt, lũ quét và trượt lở đất trong các vùng dân cư và vùng canh tác nông nghiệp

Riêng về trượt lở đất, Malaysia đã đưa ra đánh giá rằng, đây là hiện tượng thiên tai có tần suất cao, mức độ gây thiệt hại nghiêm trọng, mức độ quản lý và ứng phó cũng mới chỉ đạt mức trung bình và tính rủi ro là rất cao Nước này cũng ưu tiên quan tâm đến công tác giảm nhẹ thiệt hại do trượt lở đất gây ra

Về phương án công trình, Malaysia đã bắt đầu công tác trồng rừng tại các khu vực dân cư, khu sản xuất thương mại và khu vực vui chơi giải trí với mục đích làm giảm bớt sự xuất hiện của hiện tượng trượt lở đất Một số trường hợp trượt lở đất gây thiệt hại lớn đã được ghi nhận trong quá khứ như: Puchong năm 1981, Ampang Jaya năm năm 1983 và Genting Highlands năm 1995 đã cướp đi sinh mạng của 13, 48 và 21 người Năm 2000 Jami đã giới thiệu bản đồ vùng nghiên cứu nguy cơ trượt lở ở Selangor bằng công nghệ viễn thám Điều đó đã mở ra khả năng phát triển một hệ

thống vận hành khép kín sử dụng phương pháp tích hợp công nghệ viễn thám và GIS cho những vùng có nguy cơ trượt lở đất

Để ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS vào công tác cảnh báo vùng có nguy cơ trượt lở đất, Malaysia đã sử dụng một số mô hình toán học khác nhau để nghiên cứu

và đưa vào sử dụng Khu vực nghiên cứu thử nghiệm là vùng Selangor, mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá nguy cơ trượt lở đất tại khu vực này, sau đó sẽ triển khai ứng dụng cho nhiều vùng khác nhau tại Malaysia Trong nghiên cứu này đã sử dụng GIS và công nghệ viễn thám Việc xác định vị trí các điểm trượt lở của vùng nghiên cứu được nhận dạng và chiết tách từ ảnh hàng không, ảnh vệ tinh và các số liệu đo đạc thực địa

Dữ liệu bản đồ địa hình, bản đồ địa chất và dữ liệu ảnh vệ tinh được thu thập, xử

lý và xây dựng thành cơ sở dữ liệu không gian GIS Các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng xảy ra trượt lở đất được lựa chọn để nghiên cứu gồm: độ dốc, hình thái, độ cong, khoảng cách đến hệ thống sông suối, thạch học, khoảng cách từ các đường đứt gãy, lớp phủ mặt đất, chỉ số thực vật và sự phân bố lượng mưa

Vùng trượt lở đất nguy hiểm được xử lý và lập bản đồ sử dụng các nhân tố trượt

lở đã xảy ra bằng mô hình hàm hữu tỉ và hồi quy logic Các kết quả xử lý đó được kiểm tra bằng cách sử dụng dữ liệu trượt lở và so sánh với các dữ liêu làm từ mô hình

Việc so sánh kết quả đã cho thấy rằng mô hình hàm hữu tỉ (có độ chính xác 93,04%) trong khẳ năng cảnh báo tốt hơn so với mô hình hồi quy logic (có độ chính xác khoảng 90,34%)

Về khả năng quản lý và cảnh báo trượt lở đất :

Malaysia ứng dụng một mô hình công nghệ không gian cho quản lý thiên tai như tại các nước có nền công nghệ viễn thám tiên tiến Trong mô hình này, công nghệ viễn thám được ứng dụng trong 3 giai đoạn: trước, trong và sau hiện tượng thiên tai xảy

ra

Đối với giai đoạn trước khi xảy ra thiên tai, người ta tiến hành các công việc chuẩn bị nhằm mục đích cảnh báo, cảnh báo sớm Các công việc được tiến hành bao gồm: Phân tích mức độ nhạy cảm dễ bị tổn thương của các đối tượng trong vùng thường bị xảy ra thiên tai như khu dân cư, nhà xưởng, đường xá giao thông, đất canh tác, v.v , lập kế hoạch ứng phó Bên cạnh đó triển khai ứng dụng các mô hình cảnh báo thiên tai để có thể cảnh báo được các tình huống khi có thiên tai xảy ra theo thời gian

Giai đoạn trong và sau khi thiên tai đã xảy ra: các công việc được quan tâm triển khai nhằm một mục đích duy nhất là khắc phục hậu quả do thiên tai để lại và giám sát diễn biến do thiên tai gây ra Để làm được việc đó người ta tiến hành xác định hiện trạng vùng bị thiên tai để lập kế hoạch cứu hộ kịp thời; nghiên cứu đánh giá tác

động và mức độ thiệt hại của thiên tai; lập kế hoạch tái định cư Các thông tin này được tích hợp trong phân tích đưa ra các biện pháp khắc phục hậu quả

Khi đó công nghệ viễn thám được ứng dụng để xác định các thông tin không gian cần thiết trong các công việc được tiến hành trong sơ đồ hệ thống quản lý và cảnh báo thiên tai, xác định hiện trạng khu vực bị ảnh hưởng bởi thiên tai, đánh giá ảnh hưởng thiên tai và lập triển khai kế hoạch khắc phục hậu quả Trong đó có hệ thống quản lý thiên tai NADDI

Hệ thống NADDI: Được phát triển với mục đích thành lập một trung tâm thu

thập, lưu trữ, xử lý phân tích thông tin và các dữ liệu giá trị gia tăng phổ biến để hỗ trợ cho Cục Quốc phòng của Phủ thủ tướng và các cơ quan quản lý về thảm họa thiên tai trong nước Hệ thống này bao gồm 3 hợp phần như: Hệ thống cảnh báo sớm, Hệ thống tìm kiếm giám sát và Hệ thống giảm nhẹ thiên tai Hệ thống này được đặt tại Cơ quan viễn thám Malaysia (MACRES)

Hệ thống cảnh báo sớm có nhiệm vụ thành lập các bản đồ nguy cơ để chỉ ra những vùng nhạy cảm, dễ bị ảnh hưởng bởi thiên tai cũng như cài đặt hệ thống cảnh báo ở thời gian thực đối với những vùng có nguy cơ xảy ra thảm họa cao Hợp phần tìm kiếm và giám sát đã và đang được thực hiện thông qua các vệ tinh quan sát trái đất như SPOT , các vệ tinh khí tượng như NOAA, MODIS và các hệ thống viễn thám đặt trên các vật thể bay khác, bên cạnh đó các thiết bị đo mặt đất sẽ bổ sung thông tin chính xác vùng bị ảnh hưởng và cảnh báo phạm vi lan rộng ở gần thời điểm xảy ra thảm họa

đến các cơ quan chức năng chịu trách nhiệm Hệ thống giảm nhẹ thiên tai là cơ quan quốc tế họat động thông qua Trung tâm phối hợp phòng chống thiên tai nhằm giảm nhẹ

và phòng chống thiên tai NADDI quan tâm đến các thảm họa chính như lũ, trượt lở, cháy rừng, tràn dầu, sóng thần và các thảm họa “nóng” khác

Hình I- 1: Sơ đồ hệ thống NADDI

1.3.3 Tình hình nghiên cứu trượt lở đất ở Việt nam

Uỷ Ban Quốc gia về phòng chống tai biến đã được thành lập từ nhiều năm nay

và Cơ quan chuyên về nghiên cứu phòng chống tai biến thiên nhiên (DMU) do Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn quản lý đã tiến hành rất nhiều đề án nghiên cứu và tổ chức nhiều hội nghị khoa học với nội dung nghiên cứu về trượt lở đất

Viện Địa chất ,Viện KHCN Quốc gia đã thực hiện thành công đề tài theo nghị

định thư với chính phủ Vương quốc Bỉ về việc phối hợp nghiên cứu tai biến tự nhiên ở Thừa Thiên Huế bằng việc phân tích viễn thám, dự kiến sẽ cộng tác giữa Viện địa chất

và Trường Đại học Liege để nghiên cứu lũ và trượt lở cho địa hình ven biển Miền Trung

Các công trình nghiên cứu theo hướng áp dụng công nghệ viễn thám-GIS về trượt

lở đất ở Việt Nam đã có nhiều tác giả thực hiện, các kết quả thu được là các bản đồ nguy cơ trượt lở đất Có thể tổng hợp các nghiên cứu đó theo các hướng chủ yếu sau:

- Xác định các trọng số cho từng lớp dữ liệu theo hướng chủ quan trên cơ sở phân tích tầm quan trọng và sự ảnh hưởng của từng loại dữ liệu đầu vào, sau đó tích hợp GIS theo mô hình phân tích nhân tố mà không sử dụng mô hình toán học Hạn chế của các nghiên cứu theo phương pháp này là không thể xác định được chính xác hệ số của từng nhân tố ảnh hưởng

- Có sử dụng các mô hình toán học nhưng việc ứng dụng viễn thám vẫn còn hạn chế như ảnh vệ tinh độ phân giải thấp (chủ yếu là dùng ảnh Landsat) và ứng dụng chủ yếu là thành lập bản đồ lớp phủ và hầu hết là thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất ở tỉ

Thông báo thời gian thực

Hệ thống cảnh báo

và xử lý tình huống

Dữ liệu và thông

tin tai biến

CSDL NADDI

Nhiệm vụ và kế hoạch ứng cứu

Điều hành và thông báo

Cơ

quan quản

lý

Hướng nghiên cứu tích hợp công nghệ viễn thám và GIS, hoặc hướng giám sát theo thời gian thực các tai biến chưa được các nhà khoa học quan tâm chi tiết

Trong số các công trình nghiên cứu đã công bố, có thể đề cập đến một số các công trình tiêu biểu sau:

- Nguyễn Ngọc Thạch, Trung tâm ứng dụng Viễn thám và GIS, Trường Đại học Quốc gia Hà nội đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng Viễn thám và GIS để cảnh báo các tai biến thiên nhiên trong đó có trượt lở đất tại tỉnh Hòa Bình Trong đó, tác giả đã sử dụng ảnh vệ tinh Landsat TM kết hợp với các nguồn thông tin khác như cấu trúc địa chất, địa mạo, lớp phủ thực vật, độ dốc và hướng dốc (chiết tách từ DEM), hệ thống thủy văn và kết quả khảo sát thực địa Từng lớp thông tin về các đối tượng trong khu vực nghiên cứu được đánh giá và phân loại theo các chỉ số nhạy cảm với tai biến trượt

lở đất thông qua kinh nghiệm và phân tích định tính mà không sử dụng mô hình toán học Tỉ lệ bản đồ nguy cơ trượt lở đất ở tỉ lệ 1:100 000

-Lại Vĩnh Cẩm và các đồng nghiệp tại Viện Địa lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam đã ứng dụng Công nghệ GIS thành lập bản đồ nguy cơ trượt lở đất tỉ lệ 1/50 000 cho tỉnh Quảng Bình Trong đó tác giả đã áp dụng mô hình SINMAP- Mô hình chỉ số độ ổn định để đánh giá nguy cơ trượt lở đất tại khu vực ngiên cứu Một nguồn tư liệu hết sức quan trọng trong công tác này là Mô hình số địa hình (DEM)

được tác giả xây dựng từ bản đồ địa hình Trong báo cáo này tác giả cũng chưa sử dụng công nghệ viễn thám để xác định các thông số đầu vào của mô hình SINMAP

- Mai Trọng Nhuận và Đỗ Minh Đức tại Trường Đại học Quốc gia, cũng đã ứng dụng mô hình lý thuyết tích hợp với các nguồn thông tin khác trong đó có tư liệu Viễn thám và GIS để dự đoán nguy cơ trượt lở đất ở khu vực Bắc Cạn Trong báo cáo này các tác giả chủ yếu dựa trên sự phân tích định tính trọng số của các nguồn dữ liệu

đầu vào với mô hình lý thuyết là mô hình tích hợp GIS, không phải là mô hình toán học

- Năm 2005, GS Nguyễn Trọng Yêm, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

đã hoàn thành đề tài cấp Nhà nước, đề tài KC-08-01 về thành lập bản đồ cảnh báo về trượt lở đất, lũ quét, lũ bùn đá ở khu vục vùng núi phía Bắc Đây là đề tài đã đưa ra một cái nhìn tổng thể về tình hình xảy ra trượt lở ở vùng núi phía Bắc Việt Nam Đề tài cũng đã có những phân tích nguyên nhân gây ra trượt lở đất và đề xuất phương pháp luận nghiên cứu công tác cảnh báo Tuy nhiên do vùng nghiên cứu rộng lớn, tỉ lệ bản

đồ nhỏ (1:200 000) và đề tài cũng không áp dụng cụ thể một mô hình toán học nào vào quá trình tính toán và tư liệu viễn thám cũng chưa được sử dụng trong công trình này

Chương 2: Một số mô hình lý thuyết ứng dụng trong cảnh báo nguy cơ trựơt lở đất

2.1 Một số mô hình lý thuyết ứng dụng trong nghiên cứu trượt lở đất

Hiện nay có rất nhiều các phương pháp phân vùng cảnh báo tai biến trượt lở đất khác nhau Tuy nhiên các phương pháp có thể phân chia thành 5 nhóm khác nhau là: (1) Phương pháp thành lập bản đồ địa mạo trực tiếp (direct geomorphological mapping); (2) Phương pháp phân tích sự xuất hiện trượt lở (analysis of landslide inventories); (3) Phương pháp kinh nghiệm (heuristic or index based methods); (4) Các phương pháp thống kê (statistical methods) trong đó bao gồm cả các phương pháp có

sử dụng thuật toán như mạng thần kinh (neural networks), tập mờ (fuzzy logic) và các

hệ thống chuyên gia (expert systems); và (5) Các phương pháp nghiên cứu trượt lở dựa trên cơ sở phân tích các đặc tính cơ học của mô hình trượt lở đất

Trong phạm vi báo cáo này tập thể tác giả lựa chọn 3 mô hình vào việc cảnh báo nguy cơ xảy ra tai biến trượt lở đất cho vùng nghiên cứu Đó là các mô hình: Mô hình chỉ số thống kê (mô hình Thống kê); mô hình Trọng số bằng chứng và Mô hình SINMAP, chúng được mô tả trong phần tiếp theo của báo cáo này

2.1.1 ứng dụng các mô hình Thống kê vào phân vùng cảnh báo trượt lở đất

Trong phân tích thống kê tai biến trượt lở, các tác nhân gây trượt trong quá khứ

được thống kê lại nhằm cảnh báo sự xuất hiện trượt lở ở những khu vực tồn tại điều kiện tương tự Dựa trên cơ sở giả thuyết này nhiều phương pháp thống kê khác đã ra

đời và được sử dụng rộng rãi trong phân tích trượt lở Do vậy trong nghiên cứu này chúng tôi chỉ mô tả các phương pháp thống kê để tính toán và phân vùng nguy cơ tai biến trượt lở đất

Các phương pháp phân tích thống kê nhằm cảnh báo nguy cơ trượt lở đất trên cơ sở ứng dụng GIS có thể phân chia thành hai nhóm: phân tích thống kê đơn biến và phân tích thống kê đa biến

• Phương pháp thống kê đơn biến dựa trên phép phân tích mối quan hệ giữa trượt

lở đất và các yếu tố gây trượt, đồng thời xác định mật độ xuất hiện trượt lở trên các yếu tố gây trượt Mật độ hoặc tần suất xuất hiện của tai biến trượt lở đất trên từng yếu tố gây trượt lở đất có thể sử dụng để gán làm trọng số cho từng yếu tố

những bản đồ trọng số của các tác nhân gây ra tai biến trượt lở đất trong hệ thống GIS theo một thuật toán nhất định nào đó tùy vào phương pháp ứng dụng

cụ thể ví dụ như phương pháp phân tích thống kê (Statistical analysis index), phương pháp xác suất (Probability), phương pháp trọng số bằng chứng (Weight

of Evidence), phương pháp hệ số chắc chắn (Certainty factor) [29]

• Phương pháp phân tích thống kê đa biến cũng dựa trên mối quan hệ của mỗi yếu

tố gây ra trượt lở đất và các điểm trượt lở Có ba loại phân tích đa biến số dùng phổ biến hiện nay là hồi qui đa biến (Multiple regression), hồi qui logic (Logistic regression) và phép phân tích biệt thức (Discriminant analysis) Và phương pháp phân tích đa biến số này cũng chỉ phù hợp với bản đồ tỷ lệ trung bình

Trong hai nhóm phương pháp nêu trên thì phương pháp phân tích thống kê đơn biến tương đối dễ sử dụng và thuật toán phân tích đơn giản Phương pháp phân tích thống kê

đa biến có thuật toán phân tích rất phức tạp và trong trường hợp có nhiều yếu tố gây

ảnh hưởng tới quá trình trượt lở đất thì việc phân tích mất nhiều thời gian

Các phương pháp phân tích thống kê đơn biến hiện nay được sử dụng tương đối rộng rãi bởi các nhà khoa học trên thế giới

Mô hình thống kê là mô hình phân tích, tính toán nguy cơ xảy ra trượt lở đất

thuộc nhóm phương pháp phân tích thống kê đơn biến được giới thiệu bởi Van Westen

Phương pháp này cũng đã được áp dụng bởi rất nhiều nhà khoa học khác để cảnh báo nguy cơ xảy ra tai biến trượt lở đất ở nhiều khu vực nghiên cứu khác nhau

Trong mô hình Thống kê, giá trị trọng số cho một lớp thông số ảnh hưởng tới quá trình trượt lở đất ví dụ một đơn vị thạch học hay một lớp độ dốc được định nghĩa là logarit tự nhiên của mật độ trượt lở trong lớp trên mật độ trượt lở trong toàn bản đồ

Công thức này được Van Westen đưa ra như sau:

f ln

ij (2.1) Trong đó:

Wij – Trọng số của lớp i thuộc tác nhân gây trượt lở j

f – Mật độ trượt lở trong lớp i thuộc tác nhân gây trượt lở j

f – Mật độ trượt lở trên toàn bộ khu vực nghiên cứu

Mỗi yếu tố ảnh hưởng tới quá trình trượt lở đất được thể hiện bằng một bản đồ trong GIS, thì có thể nhận thấy mô hình Thống kê được tính toán dựa trên tương quan thống

kê của bản đồ hiện trạng trượt lở với các thuộc tính của các bản đồ tác nhân gây trượt

lở đất khác nhau Giá trị Wij trong công thức trên chỉ tính toán cho các lớp của các yếu

tố mà có xuất hiện trượt lở Trong trường hợp một lớp nào đó của một yếu tố gây trượt

lở không thấy xuất hiện trượt lở, thì trọng số của lớp đó sẽ không ảnh hưởng đến sự tính toán về nguy cơ trượt lở Trong đề tài này, mỗi yếu tố ảnh hưởng tới quá trình trượt

lở đất trong khu vực nghiên cứu được thể hiện dưới dạng bản đồ trong GIS Đối với khu vực nghiên cứu, như đã nêu trên có 10 yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới quá trình trượt

lở đất Đó là: 1- độ dốc địa hình, 2-địa chất, 3-địa mạo, 4-vỏ phong hóa, 5-mật độ lineament, 6-lượng mưa, 7-thảm phủ, 8-mật độ sông suối, 9-độ cao địa hình, 10-nhân sinh Từng yếu tố gây trượt lở đất sẽ được chồng chập với bản đồ trượt lở và tính được mật độ trượt lở trong mỗi lớp Trên cơ sở đó các trọng số nguy cơ trượt lở đất của từng lớp trong từng yếu tố gây trượt sẽ được tính toán theo công thức 2.1 [30]

Bản đồ giá trị nguy cơ trượt lở đất được tính toán trong hệ thống GIS cho một

khu vực dựa trên công thức của Maynard, D 1979 sau đây:

LSI: Chỉ số nguy cơ xảy ra tai biến trượt lở đất

Wij: Trọng số của lớp i thuộc tác nhân gây trượt lở j

n: Số lượng tác nhân gây trượt lở của khu vực nghiên cứu

Sau khi bản đồ hiển thị kết quả giá trị chỉ số mức độ nguy cơ tai biến trượt lở đất được thành lập, việc khoanh định các vùng với mức độ tai biến trượt lở đất khác nhau sẽ

được tiến hành Ví dụ như các vùng có nguy cơ tai biến trượt lở đất rất mạnh, mạnh, trung bình, yếu…Do vậy việc phân chia các giá trị nguy cơ tai biến trượt lở đất thành các lớp giá trị khác nhau thể hiện mức độ nguy cơ tai biến trượt lở đất khác nhau nhất thiết phải được tiến hành Thông thường, các nhà khoa học hay sử dụng biểu đồ tần

lở làm cơ sở để khoanh các khu vực có mức độ nguy cơ khác nhau Hiện nay có nhiều phương pháp phân chia, tuy nhiên phương pháp phân chia các giá trị chỉ số liên tục thành các lớp như trên vẫn chưa được rõ ràng bởi vì phần lớn các nhà nghiên cứu đều dựa vào ý kiến chuyên gia của chính họ để thành lập các giá trị đường biên (giới hạn) cho các lớp [16]

Hiện nay, một số phương pháp toán học hay được sử dụng để phân loại và các công cụ phân chia tương đối phổ biến trong các phần mềm GIS Các phương pháp này đều dựa trên phân quãng thủ công hoặc tự nhiên, phân quãng đều, hay tính toán thống kê Các phương pháp đó có thể được miêu tả như sau:

Phương pháp phân loại "thủ công" là phương pháp dựa vào ý kiến chuyên gia để thành lập các giá trị biên cho các lớp

Phương pháp phân loại "tự nhiên" là phương pháp dựa trên việc phân nhóm các giá trị Thông thường, các giá trị đường biên được xác định bằng cách tìm kiếm những nhóm giá trị hoặc những cấu trúc thuộc về tập hợp dữ liệu Các đặc tính

đó của tập dữ liệu sẽ được phân chia thành các lớp có các đường biên thể hiện các bước nhảy tương đối lớn trong các giá trị của chúng

Phương pháp phân loại theo cách "phân quãng đều" là phương pháp trong đó dãy các giá trị được phân chia thành các quãng bằng nhau theo kích thước Phương pháp này rất có hiệu quả khi muốn làm nổi bật những thay đổi của các giá trị cực đại

Phương pháp phân loại "quartile" là phương pháp trong đó dãy các giá trị được phân chia thành các quãng không bằng nhau theo kích thước nhưng mỗi nhóm

đều có số lượng các giá trị bằng nhau Nghĩa là, các nhóm giá trị ở các đầu cực cũng như các nhóm giá trị ở quãng giữa đều số lượng các giá trị như nhau Do các quãng giá trị ở các đầu cực thường lớn hơn ở các quãng giữa nên phương pháp này thường được sử dụng để làm nổi bật những thay đổi về sự phân bố của các giá trị ở quãng giữa

Phương pháp "độ lệch chuẩn" là phương pháp trong đó dãy các giá trị trong các nhóm được phân chia dựa trên các dãy xác định độ lệch chuẩn của các giá trị trung bình

Một số ví dụ áp dụng các phương pháp phân loại mức độ nguy cơ tai biến trượt lở đất

đã được nhiều nhà khoa học sử dụng như: phương pháp phân loại thủ công; phương pháp phân quãng đều; phương pháp độ lệch chuẩn; và áp dụng phương pháp phân loại

tự nhiên

Trong nghiên cứu này, phương pháp phân loại thủ công được sử dụng để phân chia các giá trị chỉ số nguy cơ tai biến trượt lở đất thành bốn nhóm nguy cơ tai biến khác nhau

dựa theo phương pháp phân loại chỉ số nguy cơ tai biến trượt lở đất đã được Galang

(2004) giới thiệu năm 2004 Đó là phân chia nguy cơ tai biến trượt lở đất thành 4 nhóm: Thấp, trung bình, cao và rất cao Phương pháp phân chia này dựa trên cơ sở thỏa mãn quy tắc: các nhóm nguy cơ trượt lở cao hơn là nơi các hiện tượng trượt lở xuất hiện nhiều hơn Trên cơ sở đó, giả thuyết đưa ra là diện tích xuất hiện trượt lở đất được quan sát trong nhóm nguy cơ trượt lở đất rất cao sẽ gấp hai lần diện tích xuất hiện trượt

lở đất được quan sát được trong nhóm nguy cơ trượt lở cao; Diện tích xuất hiện trượt lở

đất được quan sát trong nhóm nguy cơ trượt lở đất cao sẽ gấp hai lần diện tích xuất hiện trượt lở đất được quan sát được trong nhóm nguy cơ trượt lở trung bình; và diện tích xuất hiện trượt lở đất được quan sát trong nhóm nguy cơ trượt lở đất trung bình sẽ gấp hai lần diện tích xuất hiện trượt lở đất được quan sát được trong nhóm nguy cơ trượt lở thấp Dựa trên quy luật này, có thể suy ra rằng tỷ lệ phần trăm diện tích của các

điểm trượt lở có thể quan sát được trong các nhóm nguy cơ tai biến trượt lở đất thấp, trung bình, cao và rất cao tương ứng là 6.7%, 13.3%, 26.7% và 53.3% Với cách phân chia như vậy bản đồ khoanh vùng cảnh báo nguy cơ tai biến trượt lở đất sẽ được thành lập

2.1.2 ứng dụng mô hình Trọng số bằng chứng vào phân vùng cảnh báo trượt lở đất

Mô hình Trọng số bằng chứng (WOE) là một mô hình lượng hóa dựa trên sự biến đổi và tổ hợp số liệu Mô hình này lần đầu tiên được áp dụng trong ngành y, sau

đó đã sử dụng mô hình này để đánh giá tiềm năng khoáng sản vàng ở Meguma Terrane, một vùng đất phía đông Nova Scotia của Canada Đến năm 1994, mô hình này

đã được sử dụng trong địa chất dựa trên các công thức xác suất Bayesian để xác định tầm quan trọng tương đối của các bằng chứng bằng các phép tính thống kê, do đó trong nhiều trường hợp có thể gọi mô hình này là mô hình Bayer Kể từ đó, mô hình WOE trong thành lập các bản đồ nguy cơ tai biến trượt lở đã được ứng dụng trong rất nhiều

Xác suất tiền nghiệm (Prior probabilities) và xác suất hậu nghiệm (posterior probabilities) là những khái niệm rất quan trọng trong mô hình Bayesian Xác suất P thường được xác định dựa trên sự xuất hiện của một sự cố xảy ra trong quá khứ dưới những tác động bằng nhau mà còn dấu vết xuất hiện với bằng chứng là E, được gọi là xác suất tiền nghiệm P{E} Xác suất này có thể được thay đổi theo một dữ liệu B bởi các cuộc khảo sát, thí nghiệm hay phân tích [16] Nếu những bằng chứng này được tích hợp vào việc tính toán giá trị xác suất thì sẽ thu được một giá trị xác suất có điều kiện, hay còn gọi là xác suất hậu nghiệm P{E|B} Định lý Bayes đưa ra một mối quan hệ giữa các xác suất tiền nghiệm và xác suất hậu nghiệm như sau:

A

A f

P 0 = = * (2.4)

Các bản đồ bằng chứng j=1, ,n sẽ được thêm vào cái này tiếp nối cái kia và xác suất hậu nghiệm Pj được tính theo phương trình:

1 j

* ij

* ij 1

* ij ij

f

f ln } E

* ij ij

f - 1

f - 1 ln } E

Trong trường hợp không có một sự cố trượt nào quan sát được trong một lớp i của yếu

tố nguyên nhân j, trọng số dương sẽ mang giá trị nhỏ nhất của yếu tố nguyên nhân[16]

Cuối cùng, giá trị thể hiện sự tương phản Cij sẽ được xác định và phản ánh sự kết hợp không gian giữa yếu tố bằng chứng và xự xuất hiện của sự cố trượt theo phương trình sau đây:

wij=Cij

Độ lệch chuẩn của giá trị tương phản có thể được tính theo phương trình sau:

) (W S ) (W

S

S(C) = 2 + + 2 ư (2.9)

trong đó:

S(C) - độ lệch chuẩn của giá trị tương phản

S(W+) - độ lệch chuẩn của giá trị trọng số dương

S(W-) - độ lệch chuẩn của giá trị trọng số âm

Các giá trị variance của các trọng số có thể được tính theo các phương trình sau

(Bishop et al., 1975):

} E

| N{B

1 E}

| N{B1)

(W

1 1

) (W

Trong đó N{X|Y} chính là số lượng xuất hiện các sự cố xuất hiện đồng thời X và Y

Tỷ số giữa độ tương phản với giá trị độ lệch chuẩn của chính nó sẽ cho một kết quả về

độ tin cậy Trong trường hợp phân bố chuẩn, độ tương phản sẽ khác 0 với độ tin cậy là

95% nếu như |C/S(C)| lớn hơn 1.96 Hơn nữa, giá trị của |C/S(C)| càng cao thì độ tin

cậy về việc đánh giá mối quan hệ giữa các lớp tham số với các sự cố trượt cũng sẽ càng

cao, hoặc là tích cực nếu giá trị đó dương, hoặc là tiêu cực nếu giá trị đó âm

Các bản đồ về các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình trượt lở đất kết hợp với bản đồ hiện

trạng trượt lở đất trong GIS sẽ cho phép tính được bằng chứng tích cực và tiêu cực của

lớp thứ i của một tác nhân j

Bản đồ thể hiện giá trị nguy cơ tai biến trượt lở đất trong vùng nghiên cứu được tính

bằng tổng các giá trị tương phản của tất cả các yếu tố theo phương trình sau[16]:

∑

=

= n1

i Cij

Bản phân vùng cảnh báo nguy cơ tai biến trượt lở đất sẽ thu được trên cơ sở phân chia

thang giá trị nguy cơ tai biến trượt lở đất thành các nhóm khác nhau theo phương pháp

của Galang (2004) giới thiệu năm 2004

2.1.3 ứng dụng mô hình SINMAP vào phân vùng cảnh báo trượt lở đất

2.2.3.1 Giới thiệu về phương pháp ứng dụng mô hình SINMAP trong nghiên

cứu trượt lở

SINMAP ứng dụng để nghiên cứu hiện tượng trượt lở dựa trên sự đánh giá về độ

ổn định của sườn địa hình Nó không tập trung vào những thông tin để hiệu chỉnh mà

phần lớn sử dụng kết hợp với các mô hình bản đồ khác về tính ổn định của địa hình

Dữ liệu yêu cầu được sử dụng làm đầu vào để chạy mô hình bao gồm các đại

lượng đặc trưng của đất và khí hậu có giá trị về cả mặt không gian và thời gian

Chương trình không yêu cầu đầu vào phải là những con số chính xác mà nó chấp nhận

các giá trị phân khoảng thể hiện tính biến đổi của các thông số trung bình Kết quả đầu

ra là các chỉ số ổn định được phân tích, tính toán, chúng không phải là các đại lượng

chính xác mà phần lớn chúng là các con số xấp xỉ đặc trưng cho mức độ rủi ro

Mô hình này được thực hiện bằng phần mềm dựa trên cấu trúc dữ liệu dạng lưới

Độ chính xác của kết quả đầu ra phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của dữ liệu đầu vào của mô hình số độ cao (DEM) Nó cũng phụ thuộc nhiều vào độ chính xác vị trí các

điểm trượt lở Vì vậy việc tạo DEM có độ chính xác cao và số liệu tính toán các điểm trượt lở là rất quan trọng

Phần mềm được thiết kế dạng công cụ tích hợp tự do trong môi trường GIS, do vậy nó có khả năng sử dụng rộng rãi Phầm mềm sử dụng đơn giản, lý thuyết được thiết kế đơn giản dễ hiểu nên có thể tránh được những nhầm lẫn trong ứng dụng Người

sử dụng vì thế cần có những kinh nghiệm trong khoa học về trái đất Ngoài ra cũng còn

đỏi hỏi kiến thức về những khái niệm căn bản của GIS nói chung và ArcGIS, ArcMap nói riêng

2.2.3.2 Lý thuyết độ ổn định sườn

Lý thuyết của SINMAP (bản đồ hoá chỉ số ổn định) là dựa trên mô hình độ ổn

định không gian của sườn, trong đó là sự cân bằng giữa những hợp phần mang tính bất

ổn định của trọng lực với những hợp phần ổn định của lực ma sát và gắn kết đối với những bề mặt trượt song song với bề mặt dưới với những ảnh hưởng tiếp xúc phức tạp

áp lực mao dẫn liên quan đến mặt trượt do có chế độ ẩm đất ảnh hưởng đến trường ứng xuất làm thay đổi góc cắt trong SINMAP dựa trên phân hạng độ ổn định địa hình từ dữ liệu vào là độ dốc địa hình và lưu vực cụ thể cũng như những thông số định lượng (chẳng hạn như độ bền) và khí hậu (trước hết là thông số độ ẩm thuỷ vực) Mỗi thông

số trên được thể hiện trên lưới số phủ trên khu vực nghiên cứu Đầu ra trước hết của mô hình là bảng chỉ số ổn định, giá trị của chúng có thể được sử dụng để xếp hạng hoặc phân loại độ ổn định địa hình tại mỗi điểm lưới trong khu vực nghiên cứu Các thuộc tính địa hình được tính tự động từ mô hình DEM Những thông số đầu ra khác mang tính giới hạn thay đổi được SINMAP xác định dưới dạng ngưỡng trên và dưới trong những khoảng nào đó Chỉ số ổn định (SI) được xác định là xác suất mà một khu vực ở trạng thái ổn định thông qua tích hợp các thông số thực tế tại điểm so sánh với những khoảng giới hạn thay đổi Giá trị này nằm trong khoảng 0 (rất không ổn định) và 1 (tương đối ổn định) Trong khi bộ chỉ số bảo toàn (mất ổn định) trong mô hình vẫn cho kết quả không đổi thì chỉ số ổn định được định nghĩa là những thông số an toàn (tỉ số giữa lực ổn định và mất ổn định) tại chính khu vực dưới bộ chỉ số bảo tồn Nó thu được giá trị lớn hơn 1