PHÂN TÍCH BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG bờ KHU vực cà MAU BẰNG ẢNH LANDSAT

PHÂN TÍCH BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ KHU VỰC CÀ MAU BẰNG ẢNH LANDSAT Doãn Hà Phong, Trần Thục, Lê Phương Hà, Nguyễn Ngọc Anh Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường Mục đích của nghiên

PHÂN TÍCH BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ KHU VỰC CÀ MAU

BẰNG ẢNH LANDSAT

Doãn Hà Phong, Trần Thục, Lê Phương Hà, Nguyễn Ngọc Anh

Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường

Mục đích của nghiên cứu này là phân tích biến động đường bờ biển bằng ảnh viễn thám đa thời gian Landsat và Hệ thống phân tích đường bờ (DSAS) khu vực bờ biển Cà Mau

Dữ liệu sử dụng là ảnh vệ tinh Landsat trong giai đoạn 1979-2012 để tách đường bờ biển Hệ thống phân tích đường bờ (DSAS) phiên bản 4.3 là một phần mềm mở rộng của ESRI ArcGIS10 có thể sử dụng để tính toán tỷ lệ biến động đường bờ biển được thống kê từ một trong những vị trí đường bờ lịch sử Kết quả của nghiên cứu này chỉ ra rằng những thay đổi như xói lở hay bồi tụ là nguyên nhân gây ra biến động đường bờ khu vực Cà Mau

I Mở đầu

Bảo vệ đường bờ và ổn định đường bờ là những nhiệm vụ trung tâm trong lĩnh vực kỹ thuật bờ biển Sự biến đổi bãi biển bị chi phối bởi các yếu tố gió, sóng dòng chảy, mực nước, đặc trưng bùn cát và nguồn cung cấp Để dự báo diễn biến bờ biển gây ra bởi một quá trình phức tạp như vậy; rất cần một công cụ hữu ích Sử dụng công thức chỉ số thực vật - đất - nước để tách đường bờ và các tình trạng khác nhau của rừng ngập mặn từ ảnh Landsat Sau đó sử dụng công cụ phân tích biến động đường bờ

tự động DSAS (phiên bản 4.3), để tính toán tỷ lệ biến động đường bờ biển được thống

kê từ một trong những vị trí đường bờ lịch sử giữa các tư liệu viễn thám đa thời gian

Bờ biển tỉnh Cà Mau

dài khoảng 297km được chia

thành hai đoạn, đoạn bờ đông

từ cửa sông Gành Hào đến

Xóm Mũi dài khoảng 122km

và đoạn bờ tây từ Xóm Mũi

đến rạch Tiểu Dừa huyện U

Minh dài khoảng 175km

Phần lớn bờ đông có hướng

Đông bắc-Tây nam, đoạn từ

cửa sông Rạch Gốc đến Xóm

Mũi có hướng gần như

Đông-Tây Bờ tây có hướng

Bắc-Nam, riêng đoạn bờ biển từ

Xóm Mũi đến nam cửa sông

Bảy Háp có hướng Đông

bắc-Tây nam Thay đổi đường bờ

biển tỉnh Cà Mau đã được xác

định gồm xói lở, ổn định và

bồi tụ

Hình 1: Khu vực nghiên cứu

2 Dữ liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1 Dữ liệu sử dụng

Dữ liệu ảnh LandSat gồm ảnh MSS 4 kênh đa sắc với độ phân giải 80m, ảnh Landsat TM gồm 7 kênh đa sắc với độ phân giải 30m & 120m, ảnh ETM+ gồm 1 kênh toàn sắc với độ phân giải 15m và 7 kênh đa sắc với độ phân giải 30m và 90m Bộ dữ liệu lưu trữ gồm những ảnh lịch sử… có thể dùng để nghiên cứu quá trình phát triển đô thị, biến động môi trường, đường bờ

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Sau khi thu thập ảnh Landsat tại khu vực nghiên cứu Cà Mau như bảng 1, các bước xử lý ảnh để chiết tách đường bờ được tiến hành Vì nguồn ảnh thu thập đã được nắn chỉnh hình học nên giai đoạn tiền xử lý ảnh được bỏ qua

Landsat là vệ tinh quang học quan sát Trái đất theo 7 kênh phổ có phạm vi từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt Trên nguyên tắc, vệ tinh quang học chụp được các đối tượng trên mặt đất bao gồm đất, nước và thực vật Sở dĩ ảnh vệ tinh quang học có thể phân biệt được các đối tượng nêu trên là do khả năng phản xạ ánh sáng mặt trời của chúng khác nhau Nghĩa là, trên các kênh ảnh khác nhau, một đối tượng sẽ có các giá trị số (digital number) khác nhau Sự khác biệt này là cơ sở để tiến hành luận giải mắt thường và xử lý số với ảnh vệ tinh trong nghiên cứu

Bảng 1 Dữ liệu được sử dụng trong nghiên cứu

Việc xử lý số được tiến hành trên ảnh vệ tinh Landsat các năm 1979, 1989,1997, 2012 Với mục tiêu chiết suất ranh giới nước và đất, tác giả đã sử dụng phương pháp lọc Sobel Edge Detector trong phần mền IDRISI để lọc ảnh, loại bỏ những tín hiệu nhiễu khi thu ảnh làm rõ đường bờ

Dựa trên tính chất vật lý của phổ ảnh vệ tinh viễn thám và công thức ảnh tỷ số Kênh 5/Kênh 2 để phân ranh hai lớp đất và nước, công thức cải tiến được đề nghị áp dụng kỹ thuật của Winarso G và các cộng sự [3] Đối với Landsat TM và +ETM, Kênh

5 được thay thế bằng (Kênh 5+ Kênh 7) trong công thức ảnh tỷ số Do đó, công thức cải tiến cho Landsat TM và +ETM là (Kênh 5+ Kênh 7)/ Kênh 2 Đối với Landsat MSS, công thức ảnh tỷ số cải tiến được thực hiện dựa trên tính chất ảnh tương đồng cho từng kênh phổ Vì thế, bỏ kết hợp với Kênh 7, thay thế cho Kênh 5, và Kênh 4 được thay thế cho Kênh 2 Do đó, công thức cải tiến cho Landsat MSS là (Kênh 6+ Kênh 7)/ Kênh 4 [2]

Kết quả khi đã phân lớp đất và nước, dữ liệu được chuyển từ dạng raster sang vector và xuất ra đường mực nước

Hình 4: Đường bờ khu vực Tây Cà Mau qua các thời kỳ

Sau khi chiết tách được đường bờ biển từ dữ liệu Landsat MSS, TM và ETM phương pháp DSAS sẽ được sử dụng để tính toán tỷ lệ dịch chuyển và thay đổi đường

bờ DSAS là phần mềm được tích hợp trên ArcGIS 10 để tính toán tỷ lệ thay đổi số liệu thống kê từ nhiều vị trí bờ biển lịch sử DSAS tạo ra các lát cắt vuông góc với đường cơ sở với khoảng cách do người dùng tự định nghĩa dọc theo đường bờ Các giao điểm mặt cắt của đường bờ với đường cơ sở sẽ được sử dụng để tính toán các số liệu thống kê tỷ lệ thay đổi một cách tự động

Xây dựng các đường cơ sở (baseline) (hình 5), là đường gốc để DSAS dựa vào

so sánh, tính toán sự thay đổi đường bờ theo thời gian Đường cơ sở được xây dựng với các đặc tính do người sử dụng quyết định và đóng vai trò như điểm bắt đầu cho tất

cả những đường cắt ngang (transect) Transect là những đường được DSAS vẽ lên theo thuộc tính người sử dụng chọn lựa, các transect sẽ có điểm đầu xuất phát từ đường cơ

sở và cắt ngang qua tất cả các đường bờ cần tính toán Giao điểm bởi transect và các đường bờ sẽ tạo cơ sở cho DSAS tính toán thống kê các thông số thay đổi đường bờ theo thời gian [1]

Hình 5: Xây dựng các đường cơ sở, transect và đường bờ các năm

để tính xói lở bồi tụ

3 Kết quả nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, đường bờ được chiết xuất từ các ảnh Landsat các năm

1979, 1989, 1997, 2012 Tính toán thống kê trên công cụ DSAS cho phép tính toán thống kê các chỉ số như: SCR (Shoreline Change Envelope), NSM (Net shoreline Movement ), EPR (End Point Rate), LRR (Linear Regression Rate) Kết quả của quá trình tính toán đưa ra tốc độ bồi tụ và xói lở theo thời gian, được thể hiện trên hình 6

Hình 6: Bản đồ tốc độ bồi tụ và xói lở giai đoạn 1979- 1989- 1997- 2012

Sự biến đổi đường bờ do tác động của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo đã làm thay đổi đáng kể cảnh quan ven biển khu vực Cà Mau trong giai đoạn 1979- 1989- 1997- 2012 Bên phía bờ Đông là khu vực chủ yếu xảy ra xói lở với tốc độ xói lở lớn nhất (-66 đến -33 m/năm) tại Cửa Bồ Đề, Cửa Bầu Dừa, tốc độ xói lở nhỏ nhất (từ -18 đến 0 m/năm) tại khu vực Cửa Gành Hào

Ngược với bờ Đông, bên phía bờ Tây tại mũi Cà Mau và vùng bờ biển giáp vịnh Thái Lan xảy ra hiện tượng bồi tụ với tốc độ bồi tụ lớn nhất tại khu vực Đất Mũi

và Cửa Bảy Háp (+40- +89 m/năm) và nhỏ nhất tại Vàm sông Ông Đốc (0 đến +13 m/năm) Trong khi tốc độ xói lở chậm, nằm trong 2 khoảng -18 đến 0 m/năm và -33 đến -18 m/năm xen kẽ nhau dọc theo vùng bờ biển giáp vịnh Thái Lan Trên các bãi bồi, tuỳ theo thời gian hình thành khác nhau mà có mức độ che phủ của thực vật khác nhau, chủ yếu là phát triển tự nhiên từ đất liền lấn dần theo sự hình thành của bãi Phần mũi Cà Mau thuộc vườn quốc gia là khu vực khoanh nuôi tái sinh bảo vệ rừng nghiêm cấm mọi hình thức xâm hại

IV Kết luận

Đối với việc luận giải đường bờ, tại những vùng đới bờ có độ dốc nhỏ, khi áp dụng phương pháp nhất thiết phải quy chiếu với mực nước triều Trong khâu tính ngưỡng cho chiết suất đường bờ từ ảnh Landsat, nên tính tới yếu tố không đồng nhất của đặc điểm thực vật, phù sa, dòng ven bờ của khu vực tính toán Các yếu tố này có thể gây sai lệch đường bờ được chiết suất với đường bờ thực

Hệ thống phân tích đường bờ (DSAS – The Digital Shoreline Analysis System)

là phần mở rộng của phần mềm Arcgis, hỗ trợ người dùng tính toán thống kê các thông số thay đổi đường bờ theo chuỗi thời gian một cách tự động Mặc dù gọi tên các phần mềm tiện ích này được dựa trên ứng dụng cho vùng ven biển nhưng DSAS cũng

có thể dùng để tính tỷ lệ thay đổi với bất kỳ vấn đối tượng ranh giới nào được xác định

rõ ràng vị trí, thời điểm riêng biệt như đường bờ sông, ranh giới sử dụng đất

Dù là loại tư liệu nào, phương pháp nghiên cứu truyền thống hay hiện đại thì trong khu vực nghiên cứu từ năm 1979 đến nay vẫn tuân theo quy luật xói bên Đông bồi bên Tây

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Phạm Thị Phương Thảo(1), Hồ Đình Duẩn(2), Đặng Văn Tỏ(3 (1) Viện Hải dương học Nha Trang (2) Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (3) Trương Đại học

Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Trích rút đường mực nước từ ảnh Landsat

2 Thieler, E.R., Himmelstoss, E.A., Zichichi, J.L., and Ergul, Ayhan, 2009, Digital Shoreline Analysis System (DSAS) version 4.0—An ArcGIS extension for calculating shoreline change: U.S Geological Survey Open-File Report

2008-1278

3 Winarso G., Budhiman S., 2001 The potential application of Remote sensing data

DIGITAL SHORELINE ANALYSIS IN CAMAU AREA USING

MULTIL- TEMPORAL LANDSAT IMAGES

Doan Ha Phong, Tran Thuc, Le Phuong Ha, Nguyen Ngoc Anh

Viet Nam Institute of Meteorology, Hydrology and Environment

This research focuses on the shoreline change rate analysis by automatic image analysis techniques using multi-temporal Landsat images and Digital Shoreline Analysis System (DSAS) along the coastal of Ca Mau LANDSAT images acquired during 1975-2012 were used to produce historical shoreline vectors The Digital Shoreline Analysis System (DSAS) version 4.3 is a software extension to ESRI ArcGIS v.10 that enables users to calculate shoreline rate-of-change statistics from multiple historic shoreline positions The results of this study present that coastline changes such as erosion and accretion have caused the morphological changes on coasline in Ca Mau area