Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và mô hình thuỷ văn thuỷ lực để thành lập bản đồ ngập lụt lưu vực sông kôn – hà thanh, tỉnh bình định (full)

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮTALOS The Advanced Land Observing SatelliteVệ tinh quan sát Trái Đất của Nhật Bản MIKE NAM Mô hình thuỷ văn MIKE GIS Mô hình MIKE kết nối GIS SWAT Soil and Water A

Môc lôc

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 2

DANH MỤC BẢNG BIỂU 3

MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU VỀ NGẬP LỤT 7

1.1 Bản đồ phục vụ quản lý ngập lụt 7

1.2 Các phương pháp nghiên cứu 9

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong khu vực 10

1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước 12

1.5 Một số mô hình toán học trong nghiên cứu ngập lụt 14

1.5.1 Mô hình thủy văn HEC-HMS 14

1.5.2 Mô hình toán thủy lực mạng sông HEC-RAS 15

1.5.3 Giới thiệu về phần mềm SWAT2000 15

1.5.4 Giới thiệu về hệ thống phần mềm MIKE 16

CHƯƠNG II : NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS 18

TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ NGẬP LỤT 18

2.1 Đặc tính kỹ thuật của tư liệu ảnh vệ tinh 18

2.1.1 Các đặc tính cơ bản của ảnh vệ tinh 18

2.1.2 Ảnh Radar trong nghiên cứu ngập lụt 19

2.1.3 Các đặc tính của ảnh vệ tinh sử dụng trong luận văn 20

2.2 Quy trình kết hợp viễn thám và mô hình thủy văn, thủy lực 24

2.3 Quy trình đặt, thu ảnh nhanh của trạm thu ảnh vệ tinh 26

2.4 Chiết tách một số thông số đầu vào của mô hình MIKE11 từ DEM bằng mô hình SWAT2000 28

2.5 Chiết tách một số thông số đầu vào của mô hình MIKE11 từ tư liệu viễn thám 30

2.6 Lập bản đồ hiện trạng ngập lụt từ ảnh viễn thám 33

2.7 Quy trình công nghệ chiết tách vết ngập lũ từ ảnh vệ tinh RADAR 34

2.8 Quy trình công nghệ phân loại tự động lớp phủ trên ảnh viễn thám bằng phương pháp phân loại có giám định 38

CHƯƠNG III : NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM 43

VÀ MÔ HÌNH THỦY VĂN THỦY LỰC ĐỂ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 43

LƯU VỰC SÔNG KÔN – HÀ THANH, TỈNH BÌNH ĐỊNH 43

3.1 Đặc điểm tự nhiên và kinh tế xã hội vùng thực nghiệm 43

3.1.1 Vị trí địa lý 43

3.1.2 Đặc điểm địa hình 44

3.1.3 Đặc điểm khí tượng thủy văn 45

3.2 Thu thập tư liệu 46

3.2.1 Dữ liệu ảnh vệ tinh 46

3.2.2 Tư liệu bản đồ 46

3.2.3 Tài liệu về khí tượng thủy văn 47

3.3 Chiết tách các thông số đầu vào của mô hình 48

3.3.1 Các bước tính toán lưu vực con trên SWAT2000 48

3.3.2 Phân loại lớp phủ trên ảnh vệ tinh quang học 50

3.4 Tính toán và hiệu chỉnh mô hình thủy văn thủy lực 52

3.4.1 Tính toán dòng chảy mặt từ mô hình MIKE11 52

3.4.2 Tính toán dòng chảy mặt từ mô hình MIKE11 55

3.5 Phương pháp xây dựng bản đồ ngập lụt cho lưu vực 58

3.5.1 Đặt vấn đề 58

3.5.2 Các bước xây dựng bản đồ ngập lụt 58

3.5.3 Chuẩn bị số liệu cho xây dựng bản đồ 59

3.5.4 Lập bản đồ ngập lụt cho lưu vực sông Kôn-Hà Thanh 59

3.6 Lập bản đồ hiện trạng vùng ngập bằng ảnh viễn thám RADAR 70

3.6.1 Xử lý tư liệu ảnh RADAR 70

3.6.2 Chiết tách vùng ngập từ ảnh RADAR 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮTALOS The Advanced Land Observing Satellite

Vệ tinh quan sát Trái Đất của Nhật Bản MIKE NAM Mô hình thuỷ văn

MIKE GIS Mô hình MIKE kết nối GIS

SWAT Soil and Water Assessment Tool

Mô hình mưa dòng chảy

SRTM Shuttle Radar Topography Mission

Dữ liệu mô hình số địa hình

GIS Hệ thống thông tin địa lý

PALSAR Phased Array L-band Synthetic Aperture RADAR

§Çu thu radar trªn ¶nh vÖ tinh ALOSHTSDĐ Hiện trạng sử dụng đất

SPOT Système Pour l’Observation de la Terre

Hệ thống vệ tinh quan trắc Trái Đất của Pháp

DANH MỤC HèNH VẼ

Hình 1 -1: Sơ đồ các chức năng của SWAT 16

Hình 2 -1: Dải tần số hoạt động của Radar 19

Hình 2-2: Sơ đồ quy trình kết hợp viễn thám và mô hình thủy văn, thủy lực tính toán ngập lụt 24

Hình 2-3: Sơ đồ quy trình đặt, thu ảnh nhanh của trạm thu ảnh vệ tinh 26

Hình 2-4 :Sơ đồ quy trình tách chiết các thông số của mô hình MIKE11 bằng modul SWAT2000 28

Hình 2-5: Quy trình đặt chụp ảnh viễn thám và chiết tách vùng ngập lụt 33

từ ảnh viễn thám 33

Hình 2-6: Quy trình công nghệ chiết tách vết ngập lũ từ ảnh vệ tinh RADAR 34

Hình 2-7: Quy trình công nghệ phân loại tự động lớp phủ trên ảnh viễn thám 38

bằng phơng pháp phân loại có giám định 38

Hình 3-1: Bản đồ các lu vực sông thuộc tỉnh Bình Định 44

Hình 3-2: Sơ đố cảnh ảnh SPOT5 tỉnh Bình Định 46

Hình 3-3: Sơ đồ bảng chắp các mảnh bản đồ địa hình trên khu vực nghiên cứu 47

Hình 3- 4: Mô hình số địa hình vùng lu vực sông Kôn 48

Hình 3-5: Mô hình số địa hình dạng grid sau khi đã loại bỏ các giá trị âm và vùng hố 49

Hình 3-6: Hệ thống thuỷ văn sau khi chỉnh sửa các điểm outlet 49

Hình 3- 7: T liệu ảnh vệ tinh sau khi đợc ghép và xử lý 50

Hình 3- 8: Kết quả sau phân loại 51

Hình 3-9: Sơ đồ lu vực bộ phận trong hệ thống sông Kôn - Hà Thanh 53

Hình 3-10: Sơ đồ lu vực sông Kôn - Hà Thanh tỉnh Bình định đợc phân chia trong mô hình MIKE11 54

Hình 3-11: Đờng quá trình lu lợng tính toán và thực đo tại Bình Tờng trận lũ từ 14/X đến 21/X năm 2003 57

Hình 3-12: Mô tả trình tự xây dựng bản đồ ngập lụt cho các phơng án tính toán 58

Hình 3-13: Bản đồ ngập lụt lu vực sông Kôn, Hà Thanh năm 1999 65

Hình 3-14: Bản đồ ngập lụt lu vực sông Kôn, Hà Thanh năm 2003 66

Hình 3-15: Bản đồ ngập lụt lu vực sông Kôn, Hà Thanh năm 2009 67

Hình 3-16: Bản đồ hiện trạng ngập lớn nhất vùng hạ lu sông Kôn - Hà Thanh trận lũ năm 2003 68

Hình 3-17: Bản đồ hiện trạng ngập lớn nhất vùng hạ lu sông Kôn - Hà Thanh trận lũ năm 1999 69

Hình 3-18: Bản đồ hiện trạng ngập lụt năm 2009 đợc chiết tách từ ảnh ALOS-PALSAR 73

Hình 3-19: Bản đồ hiện trạng ngập lụt năm 2009 đợc chiết tách từ ảnh ALOS-PALSAR

trên nền ảnh SPOT 74

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1: Danh mục các sản phẩm ảnh vệ tinh SPOT 5 24

Bảng 2-2: Thông số của ảnh ALOS PALSAR 24

Bảng 3-1: Bảng các thông số đầu vào của mô hình thuỷ văn MIKE11 đợc chiết tách từ t liệu viễn thám: 52

Bảng 3-2: Diện tích các lu vực bộ phận trên lu vực sông Kôn - Hà Thanh 53

Bảng 3-3: Quan hệ tổng lợng ma trận các trạm trong lu vực sông Kôn- Hà Thanh trong trận lũ 2003 (14-21/X/2003) 57

Bảng 3- 4: Cao độ mực nớc lớn nhất tại các ô ruộng tính toán từ trận ma năm 1999 61

Bảng 3- 5: Cao độ mực nớc lớn nhất tại các ô ruộng tính toán từ trận ma năm 2003 63

Bảng 3- 6: Diện tích tơng ứng với độ sâu ngập năm 1999 64

Bảng 3- 7: Diện tích tơng ứng với độ sâu ngập năm 2003 65

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất tới TS Nguyễn Xuân Lâm, Giám đốc Trung tâm Viễn thám Quốc gia, người thầy đã nhiệt tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các cán bộ, nhân viên Trung tâm Thu nhận và Xử lý ảnh viễn thám, Trung tâm Viễn thám Quốc gia đã giúp đỡ tôi trong quá trình thu thập tư liệu, thực hiện đề tài.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo, cán bộ Khoa Địa Lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội, cùng các học viên cao học lớp K8 Bản đồ viễn thám và GIS.

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, nhưng người luôn động viên, sát cánh bên tôi trong suốt quá trình học tập.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

MỞ ĐẦU

Công nghệ Viễn thám trong nhiều thập kỷ qua đã đợc sử dụng để theo dõi vàquản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên rất hữu hiệu Nhiều loại t liệu Viễn thám đã

đợc sử dụng rộng rãi nh: LANDSAT, SPOT, RADARSAT Các vệ tinh ngày càng đợchoàn thiện: các bộ cảm ngày càng đợc cải tiến, với các tính năng kỹ thuật không ngừng

đợc nâng cao nh độ phân giải không gian, độ phân giải phổ, khả năng loại trừ nhiễu,khả năng nắn chỉnh hình học Cùng với tiến bộ nhảy vọt của công nghệ thông tin đãxuất hiện hàng loạt các phần mềm dùng để xử lý và khai thác thông tin vệ tinh với tốc

độ cao và độ chính xác ngày càng cao Những thông tin đồng bộ lấy đợc từ t liệu viễnthám giúp ích rất nhiều cho việc cập nhật và làm mới cơ sở dữ liệu dùng cho công táctheo dõi, quản lý tài nguyên và sử dụng hữu ích nhất Đặc biệt trong thời gian tới khitrạm thu ảnh vệ tinh của trung tâm Viễn thám đi vào hoạt động thì nguồn dữ liệu ảnh

vệ tinh sẽ chủ động và phong phú hơn, giúp ích rất nhiều trong giám sát thiên tai vàquản lý tài nguyên

Trong những năm gần đõy ở Việt Nam liờn tục xảy ra ngập lụt gõy thiệt hai lớn

về tài sản và con người, đặc biệt là cỏc tỉnh miền Trung trong đú cú Bỡnh Định Do vậyviệc thành lập bản đồ hiện trạng ngập lụt là rất cần thiết, để xõy dựng bản đồ hiệntrạng ngập lụt thỡ việc sử dụng cụng nghệ phự hợp nhất hiện nay là ứng dụng tư liệuảnh viễn thỏm kết hợp với hệ thụng tin địa lý (GIS) Và đú là lý do em chọn đề tài

"

Nghiờn cứu ứng dụng cụng nghệ viễn thỏm và mụ hỡnh thuỷ văn thuỷ lực để thành lập bản đồ ngập lụt lưu vực sụng Kụn – Hà Thanh, tỉnh Bỡnh Định” cho luận văn

tốt nghiệp của mỡnh

1 Mục tiêu nghiên cứu

- Tỡm hiểu khả năng của ảnh SPOT5, một số loại ảnh vệ tinh khỏc và mụ hỡnhthuỷ văn thuỷ lực cho nghiờn cứu ngập lụt

- Nghiờn cứu khả năng cung cấp thụng số đầu vào cho mụ hỡnh thuỷ văn thuỷ lực

từ tư liệu viễn thỏm

- Thực nghiệm tài lưu vực sụng Kụn – Hà Thanh, tỉnh Bỡnh Định

2 Nhiệm vụ nghiờn cứu

- Nghiờn cứu quy trỡnh kết hợp viễn thỏm và mụ hỡnh thủy văn thủy lực chonghiờn cứu ngập lụt

- Nghiờn cứu chiết tỏch một số thụng số đầu vào cho mụ hỡnh MIKE11 từ tư liệuviễn thỏm

- Nghiờn cứu chiết tỏch vết ngập lũ từ ảnh vệ tinh RADAR

3 Phạm vi nghiờn cứu

3.1 Phạm vi về mặt khoa học: nghiờn cứu ứng dụng kết hợp cụng nghệ viễn

thỏm và mụ hỡnh thuỷ văn thuỷ lực để thành lập bản đồ hiện trạng ngập lụt

3.2 Phạm vị về lónh thổ: Thử nghiệm tại lưu vực sụng Kụn – Hà Thanh tỉnh

5 Tài liệu sử dụng để thực hiện luận văn

- Ảnh ALOS PALSAR độ phõn giải 6,25m

- Ảnh SPOT 5 độ phõn giải 2.5m

- Ảnh ASTER độ phõn giải 15m

- Bản đồ địa hỡnh tỷ lệ 1:25 000, 1:50 000

6 Kết quả nghiờn cứu của luận văn

- Báo cáo đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ Viễn thám và GIS phục vụgiám sát ngập lụt

1.1 Bản đồ phục vụ quản lý ngập lụt

Từ trước đến nay việc xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt ở Việt Nam thiếu rấtnhiều các tư liệu mang tính thời sự và cũng chưa có các phương pháp tốt để thực hiện.Việc lập bản đồ nguy cơ ngập lụt ở nước ta trong thời gian ngắn, xây dựng phươngpháp mới để thành lập bản đồ nguy cơ ngập lụt nhằm dự báo, giám sát lũ lụt một cáchnhanh chóng và thuận tiện, đảm bảo độ chính xác cao đang là yêu cầu cấp bách cầnnghiên cứu

Bản đồ nguy cơ ngập lụt là một hình thức biểu thị một cách trực quan và để sửdụng được thuận lợi các kết quả phân tích nguy cơ lũ lụt trong một vùng nào đó Trongquản lý lũ lụt tại Việt Nam hiện tạo phổ biến bốn loại tài liệu bản đồ sau đây:

1- Bản đồ hiện trạng ngập lụt: Là loại bản đồ ngập vẽ lại một trận lụt đã qua.

Phương pháp thường dùng hiện nay để thành lập bản đồ ngập lụt là:

- Dựa trên các vết lũ lớn nhất đã khảo sát được để lập bản đồ ngập, sau đó dựavào phần mềm, công nghệ DEM để xác định bản đồ diện ngập và độ sâu ngậpcho toàn khu vực

- Nếu thiếu các vết lũ (thực tế là phổ biến vì diện ngập các lưu vực sông lại quálớn) phương pháp phổ biến là dùng mô hình thủy văn, thủy lực để mô phỏng lại

lũ đã tràn qua, căn cứ vào các vết lũ đo đạc thực địa để hiệu chỉnh và khôi phụccao độ các vết lũ để cung cấp dữ liệu cho DEM

2- Bản đồ dự báo ngập lụt: Là loại bản đồ dự báo ngập lụt khi chưa diễn ra lụt.

Loại sản phẩm này rất cần trong thực tế phòng tránh lũ ở Việt Nam và cả trênthế giới Phương pháp thành lập phù hợp nhất là sử dụng mô hình thủy lực đểtính toán, mô phỏng Cách thực hiện là phải dự báo lượng mưa ở các trạm đotrong lưu vực và tính toán dòng chảy trong mạng sông-ruộng để xác định mứcnước, độ sâu các vị trí

3- Bản đồ ngập lụt thiết kế: Là loại bản đồ dùng trong thiết kế công trình ứng với

từng chu kỳ tái hiện (100, 50, 20, 10, 5 năm) Bản đồ này được tính toán từ trậnmưa thiết kế của từng trạm đo mưa từ chuỗi tài liệu thực đo Phương pháp xâydựng bản đồ này hiện nay là sử dụng mô hình thủy lực Đối với bản đồ nguy cơngập theo tần xuất và các cấp báo động lũ thì phương pháp tính toán thủy lực làcông cụ được sử dụng nhiều nhất

Với các phương pháp trên, độ chính xác phụ thuộc vào số lượng các vết lũ, mức độ chitiết của bản đồ nền địa hình và đặc điểm thủy văn, thủy lực của lưu vực sông Mức độchính xác chủ yếu được đánh giá qua kiểm tra thực địa – một công việc rất mất nhiềuthời gian, tiền bạc nên nhiều khi cũng không được xem xét kỹ.

4- Bản đồ hiện trạng ngập chụp ảnh viễn thám: Thực chất đây là bản đồ ngập

hiện trạng vì chỉ chụp được hình ảnh vùng ngập lụt vào thời điểm chụp ảnh.Tuy nhiên, việc lập bản đồ ngập lụt ở Việt Nam hiện nay còn nhiều bất cậptrong việc thu thập đủ số liệu, thiếu bản đồ địa hình tỷ lệ lớn để cập nhật hiệntrạng và chưa có công nghệ so sánh từ ảnh viễn thám để so sánh, hiệu chỉnh.Quản lý ngập lụt bao gồm cả công việc chuẩn bị trước ngập lụt xảy ra, trongquá trình ngập lụt và sau khi ngập lụt đã diễn ra Phục vụ cho quản lý ngập lụtmột cách hiệu quả đòi hỏi nhiều loại bản đồ khác nhau Ứng dụng công nghệviễn thám và hệ thống thông tin địa lý trong quản lý ngập lụt, hiện nay thườngquan tâm sản xuất các loại bản đồ chuyên đề sau:

- Bản đồ khả năng ngập: là loại bản đồ được tính toán, thành lập từ mô hình số

độ cao hoặc sử dụng mô hình thủy lực Trên bản đồ này thể hiện các vùng cóthể ngập nước theo dòng chảy khi xảy ra lũ lụt

- Bản đồ tổn thương ngập lụt: là loại bản đồ khu vực nghiên cứu, trên đó thể hiệntất cả các đối tượng địa hình, giao thông, dân cư, kinh tế-xã hội chịu tác động

dễ bị tổn thương khi xảy ra lũ

- Bản đồ nguy cơ ngập lụt: là bản đồ kết quả tích hợp của bản đồ tổn thương vàbản đồ khả năng ngập lụt được chạy từ các mô hình dự báo hoặc từ các vết lũlịch sử Bản đồ này cho thấy các vùng có nguy cơ ngập lụt cao khi xảy ra lũ lụt

và các đối tượng dễ bị tổn thương, bị chịu tác động của ngập lụt cần được bảo

vệ hoặc có biện pháp phong tránh tổn thương

Trên đây là các bản đồ chuyên đề phục vụ khâu chuẩn bị ứng phó trước khingập lụt xảy ra Khi ngập lụt đã và đang xảy ra, cần sản xuất và cung cấp nhanh chóngbản đồ hiện trạng ngập lụt phục vụ nắm bắt tình hình ngập, đánh giá sơ bộ tình trạngthiệt hại và lập kế hoạch ứng cứu Vì vậy rất cần thiết tiến hành nghiên cứu công nghệthành lập nhanh bản đồ hiện trạng ngập lụt sử dụng ảnh viễn thám, nhất là ảnhRADAR vì loại ảnh này ít chịu ảnh hưởng của mây

Sau khi ngập lụt đã xảy ra, cần cung cấp nhanh chóng bản đồ hiện trạng sau lụt

để tiến hành đánh giá tổn thất, lập kế hoạch ứng cứu và chỉ đạo ứng cứu phục hồi,khắc phục hậu quả của lũ lụt

Một đặc điểm quan trọng của các loại bản đồ phục vụ quản lý ngập lụt là đòihỏi quy trình cung cấp nhanh sản phẩm, diện bao quát trên vùng rộng lơn Để đáp ứngnhững đòi hỏi cơ bản này thì công nghệ viễn thám và GIS tỏ ra phù hợp hơn cả và pháthuy được các thế mạnh của công nghệ mới, cung cấp thông tin nhanh, chính xác vàtổng thể trên diện rộng

1.2 Các phương pháp nghiên cứu

1.2.1 Phương pháp tổng hợp và kế thừa

- Thu thập tài liệu đã có liên quan tới các phương pháp và nội dung của luậnvăn

- Phân tích lựa chọn các phương pháp nghiên cứu phù hợp

- Phân tích, tổng hợp các kết quả nghiên cứu, các tư liệu liên quan đến nội dungcủa luận văn

1.2.2 Phương pháp sử dụng công nghệ viễn thám

Công nghệ giải đoán ảnh: xử lý ảnh số, chiết tách thông tin, cung cấp dữ liệuđầu vào: mạng lưới thủy văn, hiện trạng lớp phủ bề mặt, thành lập bản đồ ngập lụt

1.2.3 Phương pháp hiện chỉnh dữ liệu địa hình (phân bố dân cư, giao thông )

để cho ra bản đồ nền địa lý

1.2.4 Phương pháp tích hợp thông tin khi xây dựng cơ sở dữ liệu GIS

Công dụng của GIS: Xây dựng cơ sở dữ liệu (CSDL), quản lý thông tin hiệntrạng ngập, phân tích thông tin và đề xuất giải pháp, đánh giá tình hình ngập lụt, đánhgiá tổn thất sau thiên tai

1.2.5 Phương pháp kết hợp ứng dụng tư liệu viễn thám và GIS

- Các phương pháp giải đoán và chiết tách thông tin từ ảnh vệ tinh bao gồmphương pháp phân loại tự động, bán tự động (có giám định), giải đoán bằng mắt vàđiều vẽ trực tiếp trên máy tính, điều vẽ bằng mắt trên ảnh in ra kết hợp với các tư liệu

bổ sung

- Các lớp thông tin được chiết tách ra từ ảnh vệ tinh được số hóa và chuẩn hoá

- Sử dụng các công cụ GIS để chồng lớp thông tin lên bản đồ nền để thành lậpbản đồ nguy cơ ngập lụt

1.2.6 Phương pháp phân tích thống kê

- Các số liệu thống kê thu thập được từ các cơ quan lưu trữ đầu ngành qua quátrình xử lý, phân tích sẽ bổ sung thêm nội dung cho bản đồ hiện trạng ngập lụt và là cơ

sở để đánh giá các thông tin thu được từ bản đồ mới thành lập

- Các số liệu thống kê thu được từ phân tích các thông tin là cơ sở để đánh giá

và quy hoạch

1.2.7 Phương pháp phân tích đa thời gian

- Phần lớn các tài liệu, tư liệu hiện có được thu thập và thành lập ở nhiều thờiđiểm khác nhau, nên cần có quá trình nghiên cứu và phân tích kỹ lưỡng những thôngtin đa thời gian này

- Các thông tin đa thời gian qua quá trình phân tích sẽ cho thấy xu thế biếnđộng của các hiện tượng, đối tượng bề mặt Thông tin này không chỉ hữu ích cho việcthành lập các bản đồ biến động mà còn là dấu hiệu điều vẽ quan trọng để xác định cácđối tượng hiện trạng có trên tư liệu ảnh vệ tinh mới

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong khu vực

Trong khoảng chục năm trở lại đây, những trận lụt xảy ra ngày càng tăng vớicường độ mạnh như ở Trung Quốc (1998), Tây Âu (1998,2000), CH Séc (2002),Băng La Đét (2001), vùng Viễn Đông thuộc Nga (2002)

Ngập lụt là một trong những thảm họa thiên nhiên tác động bao trùm khu vựcrộng lớn Do mật độ dân cư sống dọc theo những dòng sông rất cao và là khu vực

có hoạt động sản xuất kinh tế tập trung đặc biệt là ở các nước châu Á như Băng lađét, Trung Quốc, Ấn Độ , Việt Nam, , nên nạn lụt gây ra những mất mát khổng lồ

cả về tài sản cũng như cướp mất cuộc sống của rất nhiều người hàng năm Sau đây

là một số thông tin về các nghiên cứu ở một số nước trên thế giới về quản lý lũ lụt.Băng la đét đã xây dựng thành công hệ thống giám sát và cảnh báo ngập lụttrên cơ sở sử dụng mô hình thủy văn, thủy lực MIKE11 (của Đan Mạch) dưới sựtrợ giúp của UNDP/WMO kết hợp với sử dụng tư liệu viễn thám GMS, NOAA-12

và NOAA-14 Hệ thống giám sát và cảnh báo ngập lụt này được áp dụng cho vùnglãnh thổ rộng 82.000 km2, trên đoạn dài 7.270 km sông, 195 nhánh, sử dụng 30trạm giám sát

Trung Quốc đã xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo ngập lụt trên cơ sở sửdụng tư liệu viễn thám FY-II, OLR, GPCP, ERS-II, SSM/I Tại Trung Quốc, trong

vài năm gần đây, ngày càng có nhiều dấu hiệu cho thấy sự không bền vững trong

sử dụng tài nguyên nước và các hệ sinh thái tại các lưu vực sông Nhận thức đượcvấn đề này, Ủy ban Hợp Tác Quốc Tế về Môi Trường và Phát Triển Trung Quốc(CCICED) đã đề xuất áp dụng quản lý tổng hợp lưu vực sông tại Trung Quốc dựatrên cách tiếp cận hệ sinh thái

Ấn Độ bắt đầu xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo ngập lụt từ năm 1959cho lưu vực sông Hằng Hiện nay ở Ấn Độ có 145 trung tâm dự báo, 500 trạm khítượng, 350 trạm thủy văn phục vụ cho vùng lưu vực rộng 240.000 km2, sử dụngkhả năng thông tin của các tư liệu ảnh vệ tinh IRS, TM Landsat-5, ERS,RADASAT

Một số nước thuộc châu Phi sử dụng mô hình thủy văn FEWS NET kết hợpvới hệ thống thông tin địa lý GIS để xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo ngậplụt cho 5.600 vùng hạ lưu với sự trợ giúp xây dựng của tổ chức USGS/EROS

Nhận thức tầm quan trọng của việc quản lý thiên tai ngập lụt, năm 2002 Đại

sứ quán Cộng hòa Pháp tại Hà Nội đã tổ chức Hội thảo Việt-Pháp với chủ đề

“ Quản lý lưu vực sông và phòng ngừa lụt lội” Tại hội thảo này các cơ quan quản

lý, viện nghiên cứu, công ty của Pháp đã trao đổi kinh nghiệm quản lý ngập lụttrong lưu vực sông Trong hội thảo nói trên hãng cung cấp ảnh vệ tinh SPOT củaPháp SPOT IMAGE đã trình bày các kinh nghiệm ứng dụng ảnh vệ tinh cho việcgiám sát hiện tượng ngập lụt Mô hình tổ chức quản lý lưu vực sông Seine (Pháp)

Cơ cấu tổ chức quản lý lưu vực sông Seine là mô hình quản lý tài nguyên nước kháhoàn thiện (quản lý đến từng tiểu lưu vực của hệ thống sông Seine) với sự tham giachặt chẽ của các ngành, các địa phương và cộng đồng dân cư trong lưu vực

Tại Mỹ, để quản lý chất lượng nước sông (lưu vực sông Minnesota) các nhàquản lý cho rằng: vấn đề ô nhiễm nước của sông Minnesota không thể giải quyếttriệt để nếu chỉ quan tâm đến việc kiểm soát nguồn nước thải tập trung mà bỏ quanguồn nước thải phân tán

Tại Brazil, để phục hồi chất lượng nước sông Tiete, tháng 9 năm 1991 chínhphủ Brazil đã triển khai dự án làm sạch sông, hồ chức trong lưu vực sông Mộttrong những nhiệm vụ quan trong là kiểm soát rác thải từ hoạt động công nghiệp.Thái Lan, là một nước nằm trong khu vực Đông Nam Á, có nhiều điểm tươngđồng về điều kiện tự nhiên với Việt Nam Viễn thám đã được ứng dụng ở Thái Lan

trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, lâm nghiệp, môi trường và thảm họa thiênnhiên, quy hoạch đô thị, Viễn thám đã được phát triển ở Thái Lan từ đầu nhữngnăm 80 của thế kỷ trước và trong vòng hơn 20 năm qua, trình độ viễn thám ứngdụng ở Thái Lan đã phát triển tương đối cao trong khu vực GISTDA là một tổchức chính phủ trực thuộc Bộ Khoa học, Công nghệ và Môi trường Thái Lan, cómục đích phát triển công nghệ vũ trụ và địa tin học ứng dụng cho các ngành kinh

tế GISTDA đã hợp tác với các nước có công nghệ phát triển như Mỹ, Nhật Bản,Trung Quốc, Nga để phát triển công nghệ vũ trụ, viễn thám và công nghệ thông tin

Một số nghiên cứu về ngập lụt ở Thái Lan như “Dự án phát triển hệ thống cảnh báo ngập lụt cho vùng lòng chảo Chao Phraya” đã được báo cáo kết quả ở

hội nghị quốc tế Kyoto-Nhật Bản vào tháng 5/2004 Hệ thống này phát triển nhằmmục đích cảnh báo sớm cho các cộng đồng dân cư dọc theo vùng lòng chảo tránh lũkhi có mưa lớn ở thượng nguồn, dựa trên việc thiết kế và xây dựng một hệ thốngtruyền dữ liệu thực địa liên tục tự động từng 10 phút để phân tích và dự báo lũ.Nghiên cứu ngập lụt ở sông Mae Chaem thuộc tỉnh Chiêng Mai-Thái Lan, sử dụng

mô hình thủy lực HEC-RAS và khảo sát thực địa nhờ các trạm đo D-GPS để xâydựng các mặt cắt sông và vết lũ năm 2001 để hiệu chỉnh mô hình GISTDA cũng

đã áp dụng ảnh vệ tinh Landsat 5 TM để xác định vùng ngập lụt cho các lưu vựcsông vùng phía Bắc của Thái Lan như sông Songkram, vùng ngập lụt thuộc tỉnhSukotha

1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ngập lụt là hiện tượng thường xảy ra ở Việt Nam Quy mô gây thiệt hại và tầnxuất xuất hiện lũ có xu hướng ngày càng gia tăng trong những năm gần đây Chínhphủ Việt Nam rất quan tâm đến vấn đề giám sát diễn biến của ngập lụt nhằm phòngchống và giảm nhẹ tác hại ở mức độ thấp nhất Có rất nhiều các nghiên cứu về ngập lụt

ở Việt Nam trên các lưu vực ở các hệ thống sông lớn như đồng bằng sông Hồng, sôngCửu Long và các hệ thống sông ở Trung Bộ - Việt Nam

Công tác xây dựng bản đồ ngập lụt ở nước ta thực sự mới được chú ý sau trận

lũ lịch sử ở một số tỉnh miền Trung năm 1999 Một số đề tài nghiên cứu khoa học ởnhiều cấp đã được triển khai Dưới đây giới thiệu một số đề tài nghiên cứu tiêu biểucho khu vực miền Trung

Đề tài 1: “Điều tra nghiên cứu và cảnh báo ngập lụt phục vụ phòng tránh thiên tai ở các lưu vực sông miền Trung” do Viện Khí tượng Thủy văn thực hiện năm 1999-2002.

- Nội dung: Lập bản đồ ngập lụt cho 4 lưu vực sông chính: sông Hương (Huế),sông Thu Bồn (Quảng Nam), sông Vệ (Quảng Ngãi) và sông Kôn-Hà Thanh(Bình Định)

- Loại bản đồ đã lập: Bản đồ hiện trạng lũ năm 1999 và các bản đồ ngập úng vớicác chu kỳ tái hiện khác nhau

- Phương pháp lập: Sử dụng số liệu thực đo và điều tra bổ sung sau đó sử dụng

mô hình DEM để xây dựng bản đồ ngập

Đề tài 2: “ Nghiên cứu cơ sở khoa học cho các giải pháp tổng thể dự báo phòng tránh ngập lụt ở các tỉnh miền Trung” do Viện Địa lý, Trung tâm Khoa học tự nhiên và

Công nghệ Quốc gia thực hiện năm 2000-2004

- Nội dung của đề tài: Lập bản đồ ngập lụt cho các lưu vực sông chính: sôngHương, sông Thu Bồn, sông Vệ, sông Cái, sông Kôn-Hà Thanh

- Loại bản đồ đã lập: Bản đồ hiện trạng lũ 1999 và một số bản đồ ngập lụt ứngvới các chu kỳ tái hiện

- Phương pháp lập: Sử dụng số liệu đo và điều tra bổ sung

Đề tài 3: “ Nghiên cứu xây dựng tập bản đồ ngập lụt tỉnh Thừa Thiên – Huế” do Viện

Địa lý, Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ Quốc gia thực hiện năm 2001

1999 Nội dung: Lập bản đồ ngập lụt cho các lưu vực sông Hương (Thừa Thiên –Huế)

- Loại bản đồ đã lập: Bản đồ hiện trạng lũ năm 1999 tỷ lệ 1: 50 000 và bản đồcảnh báo ngập lụt cho lưu vực sông Hương

- Phương pháp lập: Sử dụng số liệu thực đo và điều tra bổ sung

- Nhược điểm: Sử dụng bản đồ tỷ lệ nhỏ, số liệu các vết lũ ít nên không phản ánhchi tiết các khu vực ngập

Đề tài 4: “ Lập bản đồ ngập lụt cho 7 tỉnh miền Trung” do Trung tâm Tư vấn và Hỗ

trợ Công nghệ KTTV (UNDP tài trợ)

- Nội dung: đã lập được bản đồ ngập lụt cho các lưu vực sông Hương (ThừaThiên – Huế), sông Thu Bồn-Vũ Gia (TP Đà Nẵng, Quảng Nam)

- Loại bản đồ đó lập: Bản đồ ngập lụt hiện trạng lũ năm 1999 tỷ lệ 1: 25 000, 1:

10000 và bản đồ nguy cơ ngập lụt ứng với cỏc chu kỳ tỏi hiện

- Phương phỏp lập: Sử dụng số liệu đo và điều tra thực địa bổ sung cú kết hợpvới mụ hỡnh số độ cao để lập bản đồ ngập

Đề tài 5: “ Hợp tỏc nghiờn cứu kinh nghiệm của Thỏi Lan ứng dụng cụng nghệ viễn thỏm phục vụ cụng tỏc quản lý tài nguyờn và mụi trường Việt Nam, trước hết đối với tài nguyờn đất và nước” - TS.Nguyễn Xuõn Lõm - Trung tõm Viễn thỏm quốc gia,

2005-2006

1.5 Một số mụ hỡnh toỏn học trong nghiờn cứu ngập lụt

Để phũng trỏnh lũ lụt, ngày nay người ta cũng ỏp dụng cỏc mụ hỡnh thủy văn để

mụ hỡnh húa quỏ trỡnh xảy ra lũ, dựa vào đú để dự bỏo hiện tượng lũ lụt Vận hành mụhỡnh thủy văn cần thiết phải xõy dựng cơ sở dữ liệu địa hỡnh và cung cấp cỏc thụng số

đo đạc về thủy văn cho đầu vào của mụ hỡnh Cơ sở dữ liệu địa hỡnh càng chớnh xỏc thỡviệc tớnh toỏn dự bỏo theo mụ hỡnh càng cú độ chớnh xỏc Cỏc thụng số thủy văn cungcấp để tớnh toỏn càng sỏt thời gian thực càng đem lại kết quả dự bỏo chớnh xỏc Mộtmặt khỏc cỏc thụng số của mụ hỡnh cũng phải được hiệu chỉnh thớch hợp với cỏcCSDL

1.5.1 Mụ hỡnh thủy văn HEC-HMS

Mụ hỡnh toỏn thủy văn HEC-HMS (HEC-Hydrologic Modeling System) củaHiệp hội cỏc kỹ sư quõn sự Hoa Kỳ là thế hệ phần mềm kế tiếp về tớnh toỏn mưa-dũngchảy được thay thế cho mụ hỡnh HEC-1 bằng giao diện Windows.[10]

Cơ sở khoa học của mụ hỡnh HEC-HMS:

Mụ hỡnh HEC-HMS được sử dụng để mụ phỏng quỏ trỡnh mưa-dũng chảy khi

nú xảy ra trờn một lưu vực cụ thể Ta cú thể biểu thị mụ hỡnh bằng sơ đồ sau:

Ma (X) -> Dòng chảy (Y) -> Đờng quá trình lũ

(Q~t)

Ta cú thể hỡnh dung bản chất của sự hỡnh thành dũng chảy của một trận lũ nhưsau: Khi mưa bắt đầu rơi cho đến một thời điểm ti nào đú, dũng chảy mặt chưa đượchỡnh thành, lượng mưa ban đầu đú tập trung cho việc làm ướt bề mặt và thấm Khicường độ mưa vượt quỏ cường độ thấm (mưa hiệu quả) thỡ trờn bề mặt bắt đầu hỡnhthành dũng chảy, chảy tràn trờn bề mặt lưu vực, sau đú tập trung vào mạng lưới sụngsuối Sau khi đổ vào sụng, dũng chảy chuyển động về hạ lưu, trong quỏ trỡnh chuyển

Tổn thất(P)

Y=X-P

Đ ờng lũ đơn vị

qp

động này dòng chảy bị biến dạng do ảnh hưởng của đặc điểm hình thái và độ nhámlòng sông.

1.5.2 Mô hình toán thủy lực mạng sông HEC-RAS

Mô hình toán thủy lực HEC-RAS (HEC-River Analysis System) của hiệp hộicác kỹ sư quân sự Hoa Kỳ là thế hệ phần mềm kế tiếp về mô hình phân tích hệ thốngsông được phát triển bằng giao diện trong Windows

Cơ sở khoa học và lý luận của mô hình thủy lực HEC-RAS:

Cơ sở khoa học của mô hình thủy lực HEC-RAS là tạo ra một công cụ có khảnăng mô phỏng sự vận chuyển nước và diễn biến mực nước trong sông trên cơ sở giải

hệ phương trình Saint-Venant 1 chiều

Hệ phương trình Saint-Venant trong mô hình HEC-RAS bao gồm hệ haiphương trình: phương trình liên tục và phương trình động lượng

1.5.3 Giới thiệu về phần mềm SWAT2000

Đây là một modul phần mềm chạy trên nền ARCVIEW sử dụng giao diện đồhọa của phần mềm SWAT SWAT là một phần mềm được phát triển nhằm dự đoánnhững ảnh hưởng của việc sử dụng đất đai, các lớp trầm tích, các lưu vực sông phứctạp đến sự thay đổi của đất đai, đất sử dụng và các điều kiện quản lý trong khoảng thờigian dài Đây là mô hình vật lý kết hợp các đẳng thức hồi quy để mô tả mối quan hệgiữa sự thay đổi của dữ liệu đầu vào và đầu ra SWAT đòi hỏi các thông tin cụ thể vềthời tiết, tính chất của đất, địa hình, thực phủ và các hoạt động quản lý đất trong vùnglưu vực SWAT được dùng để tính toán các lưu vực sông dựa trên mô hình số địa hình

và hệ thống thủy văn có sẵn nhằm phản ánh khả năng phản ứng của lưu vực với mưa

Mô hình SWAT cho phép tính toán các lưu vực dựa trên các điểm outlet (là cácđiểm khống chế lưu vực, thường nằm ở ngã 3 sông suối), điều này cho phép ngườidùng có thể hiệu chỉnh, phân tách các lưu vực hoặc tổng hợp các lưu vực nhỏ thànhlưu vực lớn hơn

Hình 1 -1: Sơ đồ các chức năng của SWAT

1.5.4 Giới thiệu về hệ thống phần mềm MIKE

Viện Thủy lực Đan Mạch xõy dựng cỏc phần mềm để đỏnh giỏ và phõn tớch cỏcvấn đề về chất lượng và số lượng nước, đõy là cỏc phần mềm hữu ớch trong cụng tỏclập kế hoạch phỏt triển và quản lý nguồn nước theo quan điểm bền vững

Cỏc sản phẩm chớnh bao gồm:

MIKE11 – Mụ hỡnh thủy lực 1 chiều (1-D)

MIKE NAM – Mụ hỡnh thủy văn

MIKE11 là một mụ hỡnh hệ thống sụng thụng dụng nhất trờn thế giới Mụ hỡnhđược xõy dựng và phỏt triển trờn 20 năm và đó được ỏp dụng cho cỏc sụng, vựng venbiển, hồ chứa, hệ thống sụng ở hơn 100 nước trờn thế giới MIKE11 là một mụ hỡnhthủy động lực học một chiều dựa trờn việc giải nghiệm của hệ phương trỡnh SaintVenant, thờm vào đú là cỏc modul phõn tỏn, chất lượng nước, chuyển tải bựn cỏt, mưa-dũng chảy, mụ hỡnh sinh thỏi, dự bỏo lũ, mụ hỡnh vỡ đập,… MIKE11 biểu diễn dướidạng mụ phỏng số của hầu hết cỏc dạng quỏ trỡnh dũng chảy của cỏc sụng

MIKE BASIN (mụ hỡnh lưu vực với giao diện GIS) với giao diện ARCVIEWGIS là một mụ hỡnh mụ phỏng nguồn nước lưu vực sụng MIKE BASIN đũi hỏi vớimột số lượng lớn số liệu, với cỏc modul tớnh toỏn đơn giản để đưa ra cỏc kịch bản tớnh

toán các biến đổi của các đặc trưng dòng chảy theo không gian và thời gian, xác địnhcác nhu cầu dùng nước, vận hành hồ chứa đa mục tiêu, công trình chuyển nước vàđánh giá chất lượng nước MIKE BASIN sử dụng giao diện GIS để tổ hợp CSDL, xácđịnh lưu vực và trình diễn kết quả một cách thuận lợi cho người sử dụng.

MIKE FLOOD (Mô hình mô phỏng lũ 1 và 2 chiều) là một công cụ tổng hợp đểphân tích lũ Nó kết hợp các mô hình thủy động lực học MIKE11 (1-D) và MIKE21(2-D) với một giao diện thống nhất cho người sử dụng với GIS Sự kết hợp này đemlại thuận tiện cho người sử dụng để có thể mô tả theo không gian cùng với các tínhtoán một chiều cho các vị trí phù hợp MIKE FLOOD có thể sử dụng để phân tích cácdạng: vùng đồng bằng, ảnh hưởng do bão, vỡ đập, tràn đê, mô phỏng lũ và hạn hán,…

MIKE SHE (Mô hình thủy văn tổng hợp) là một hệ thống mô hình thủy văntổng hợp đa mục tiêu Do đó, MIKE SHE không chỉ là một mô hình ba chiều, mô hìnhnước ngầm mà còn là các mô hình số mô phỏng dòng chảy tràn, dòng chảy tràn khôngbão hòa, mô hình lan truyền chất, mô hình điah hóa, mô phỏng các tác động nôngnghiệp, bốc thoát hơi,… MIKE11 và MOUSE có thể kết hợp sử dụng trong MIKESHE để đưa ra một mô hình tổng hợp dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm trong hệ thống

CHƯƠNG II : NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS

TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ NGẬP LỤT

2.1 Đặc tính kỹ thuật của tư liệu ảnh vệ tinh

2.1.1 Các đặc tính cơ bản của ảnh vệ tinh

Ảnh viễn thám hiện nay có rất nhiều ưu việt có thể ứng dụng trong công tácquản lý ngập lụt Những tính ưu việt cơ bản có thể nêu như sau:

 Độ phủ ảnh:

Đơn vị của tư liệu viễn thám thông thường được tính theo cảnh ảnh, một cảnh làmột vùng không gian được bộ cảm viễn thám quan trắc trong một khoảng thời giannhất định Tùy theo loại bộ cảm và độ phân giải không gian, kích thước của một cảnhảnh sẽ có độ lớn khác nhau Ví dụ tư liệu ảnh SPOT có kích thước của một cảnh ảnh là

60 km x 60 km; ảnh IKONOS có kích thước của một cảnh ảnh nhiều khi chỉ khoảng

11 km x 11 km Như vậy bề mặt đất cũng như các vấn đề liên quan như diện ngập lụttrong một cảnh có thể được quan sát trong một điều kiện gần như không đổi Đó làmột thuận lợi cơ bản của tư liệu viễn thám.Nếu chúng ta sử dụng các phương phápkhảo sát thực địa truyền thống thì để thu thập được các thông tin về ngập lụt trong khuvực tương đương một cảnh ảnh chúng ta sẽ phải cần một khoảng thời gian tương đốilớn, có thể nhiều ngày hoặc nhiều tháng Hơn nữa vào thời điểm ngập lụt chúng takhông thể tiếp cận địa phương do điều kiện thời tiết mưa bão và nước ngập nhưng nếu

sử dụng tư liệu viễn thám chúng ta vẫn có thể nghiên cứu được

 Khả năng chụp lặp:

Do vệ tinh bay trong vũ trụ theo những quỹ đọa cố định nên sau một khoảngthời gian nhất định vệ tinh sẽ quay trở lại điểm quan sát ban đầu Điều này cho phépchúng ta thực hiện các quan sát lặp lại đều đặn theo các khoảng thời gian định trước

Ví dụ như với vệ tinh SPOT thì khoảng thời gian này sẽ là 16 ngày Tuy nhiên một sốloại vệ tinh được trang bị bộ cảm có khả năng thay đổi góc quan sát do vậy khả năngthu lại tín hiệu không còn phụ thuộc quá nhiều vào quỹ đạo bay, thời gian chụp lặp dovậy có thể giảm đi Ví dụ đối với bộ cảm SPOT chu kỳ lặp lại quỹ đạo là 16 ngàynhưng nếu sử dụng thiết bị định hướng của bộ cảm thì có thể thu lại tín hiệu sau 3-4ngày

 Phải giải phổ lớn:

Sử dụng cỏc dải phổ đặc biệt để quan sỏt cỏc đối tượng Tư liệu viễn thỏm đượcghi nhận trờn cỏc dải phổ quang học và siờu cao tần Tư liệu siờu cao tần cú thể thuđược trong mọi điều kiện thời tiết kể cả ban ngày cũng như đờm, mưa bóo hay trờiquang Tuy nhiờn thụng tin mà tư liệu siờu cao tần đũi hỏi nhiều cụng đoạn xử lý phứctạp Tư liệu viễn thỏm quang học sử dụng nhiều dải phổ khụng truyền thống để nghiờncứu cỏc đối tượng Thụng thường mắt người chỉ cảm nhận và thu thập được thụng tintrong dải súng nhỡn thấy tức là cỏc súng xanh chàm, xanh lục và màu đỏ Cỏc bộ cảmviễn thỏm cú khả năng thu nhận tớn hiệu trờn cả cỏc kờnh phổ hồng ngoại gần, trung và

xa Thậm chớ cỏc kờnh hồng ngoại cũng cung cấp nhiều thụng tin bổ ớch trong việcnhận dạng cỏc đối tượng Với sự trợ giỳp của cỏc kờnh hồng ngoại và nhiệt việc nhậndạng cỏc đối tượng tự nhiờn hiệu quả hơn kể cả so với phương phỏp khảo sỏt thực địatruyền thống

Tư liệu viễn thỏm hiện đại được lưu ở dạng số rất thuận lợi cho việc ỏp dụngcỏc phương phỏp xử lý số trong phõn tớch chiết tỏch thụng tin Tớnh ưu việt này chophộp xử lý số liệu với tốc độ rất cao, ỏp dụng cỏc phương phỏp tự động húa và cỏc mụhỡnh trong phõn tớch dữ liệu Với cỏc phương phỏp xử lý số, việc tớch hợp dữ liệu từnhiều nguồn khỏc nhau rất thuận lợi cho phộp giải quyết nhiều bài toỏn thực tiễn.Thụng tin tỏch được từ tư liệu viễn thỏm tớch hợp với thụng tin kinh tế xó hội, mụ hỡnh

số độ cao, cỏc điều kiện hạ tầng cơ sở như hệ thống giao thụng, hệ thống dõn cư, cỏckhu cụng nghiệp cho phộp giải quyết nhiều bài toỏn phức hợp cú ý nghĩa trong thựctiễn

2.1.2 Ảnh Radar trong nghiờn cứu ngập lụt

RADAR được viết tắt từ cụm từ tiếng Anh: RAdio Detection And Ranging (Dũ

tỡm và xỏc định khoảng cỏch bằng súng radio) hoạt động trong dải súng rộng từ bandsiờu cao tần đến band radio (bước súng từ vài milimet đến 1m)

Hình 2 -1: Dải tần số hoạt động của Radar

Radar hoạt động trờn nguyờn tắc truyền tớn hiệu súng điện từ đến đối tượng vàthu nhận phản hồi từ đối tượng Năng lượng phản hồi thu nhận được sẽ được khuếchđại và phõn tớch để xỏc định vị trớ, cỏc đặc tớnh điện từ và cấu hỡnh bề mặt của đối

tượng Radar sử dụng nguồn năng lượng riờng, vỡ vậy hoạt động khụng phụ thuộc vàonguồn sỏng tự nhiờn và độc lập với thời tiết.

Do đầu thu ảnh Radar được thiết kế trong dải tần rộng (với bước súng từ 1cm –1m), ở mỗi loại ảnh khỏc nhau thỡ cú bước súng cụ thể khỏc nhau, vỡ thế so với ảnhquang học ở dải nhỡn thấy và hồng ngoại thỡ ảnh Radar cú nhiều đặc tớnh ưu việt hơn.Với bước súng dài, ảnh Radar cú thể thu được trong mọi điều kiện thời tiết như mõy,

mự, bụi khớ quyển và cả những trận mưa nặng hạt Do ở bước súng dài ảnh Radarkhụng cũn bị ảnh hưởng bởi tỏn xạ khớ quyển như ảnh quang học nờn nú cho phộp xỏcđịnh được năng lượng bước súng trong mọi điều kiện thời tiết và mụi trường vỡ thế ảnhRadar cú thể được thu tại bất kỳ thời điểm nào mà khụng phải quan tõm tới thời tiết.Bờn cạnh đú, với đặc điểm là viễn thỏm chủ động nờn cơ chế tạo ảnh của Radar hoàntoàn khụng phụ thuộc vào nguồn bức xạ năng lượng mặt trời do đú ảnh Radar cú thểthu được cả ngày lẫn đờm Hơn nữa, theo cơ chế tỏn xạ của nước thỡ đối tượng nướcthường cú màu đen khi hiển thị trờn ảnh Radar nờn cú thể nhận dạng và tỏch biệt đượcvựng ngập rừ ràng Vỡ vậy, ảnh Radar mang lại thụng tin thật sự hữu ớch khi ứng dụng

để nghiờn cứu ngập lụt

Chỉ với 2 đặc tớnh ưu việt là cú thể thu ảnh trong mọi điều kiện thời tiết và ngàycũng như đờm đó phần nào núi lờn tầm quan trọng khi ứng dụng ảnh Radar để giỏm sỏtthiờn tai, thảm họa đặc biệt là lũ lụt tại đỳng thời điểm xảy ra, vỡ lũ thường đi kốm vớimõy và mưa lớn Đõy là một đặc tớnh vụ cựng thuận lợi mà ảnh quang học khụng thểđỏp ứng được Chớnh vỡ thế mà ảnh Radar là tài liệu khụng thể thiếu trong nghiờn cứu

ảnh ASTER phủ trùm một khu vực có diện tích 60x60km

Ảnh ASTER là dạng ảnh số, ảnh đa phổ ảnh ASTER có khả năng phủ trùm trênmột vùng lãnh thổ rộng lớn (60km x 60km) với 14 dải phổ (band) khác nhau, từ giảiphổ nhìn thấy đến giải phổ hồng ngoại nhiệt

Trên mỗi khu vực ảnh đợc chụp với 3 ống kính có cấu tạo và chức năng khác nhau:

VNIR : (Visible and Near Infrared Radiometer)

SWIR : (Short Wave Infrared Radiometer)

TIR : (Thermal Infrared Radiometer)

Trong đó:

VNIR chụp ở 3 giải phổ khác nhau có độ phân giải cao nhất: 15 (m)

SWIR chụp trên 6 kênh phổ có độ phân giải là 30m

TIR chụp trên 5 kênh phổ với độ phân giải là 90 (m)

Vệ tinh ASTER bay qua lãnh thổ Việt Nam vào lúc 10h30’ giờ địa phơng vàchu kỳ lặp lại của vệ tinh này là 16 ngày

Các mức xử lý của dữ liệu ASTER nh sau:

Level 1A: ảnh ở mức 1A đã đợc hiệu chỉnh thị sai và méo hình kính vật Cha

hiệu chỉnh hình học và hiệu chỉnh bức xạ nhng các hệ số này đợc gắn kèm theo sảnphẩm mức 1A Các dữ liệu có liên quan khác nh dữ liệu về vị trí vệ tinh và dữ liệu kỹthuật khác cũng đợc gắn kèm theo ảnh ảnh ASTER có khả năng tạo không gian 3D đốivới ảnh xử lý ở mức 1A

Level 1B: đã hiệu chỉnh hình học và hiệu chỉnh bức xạ Độ phân giải của VNIR,

SWIR, TIR lần lợt là 15m, 30m, 90m Tất cả các sản phẩm mức 3 và DEM đều đ ợclàm từ mức 1B

Level 2A02: ở mức này ảnh TIR đã đợc cân bằng phổ Độ phân giải của Pixel là

90m ảnh ở mức này nhấn mạnh vào sự khác nhau giữa sự phản xạ và sự bức xạ của các

đối tợng trên ảnh nhng lại hạn chế trong việc nhận biết sự khác nhau giữa địa hình vànhiệt độ Mặc dù kênh 10, 12, 13 thờng đợc sử dụng nhng ngời dùng có thể sử dụng 3kênh bất kỳ trong các kênh của TIR cho các mục đích cụ thể

Level 2A03: ở mức này ảnh VNIR và SWIR đã đợc cân bằng phổ, độ phân giải

của pixel lần lợt là 15m và 30m ảnh ở mức này nhấn mạnh vào sự khác nhau giữa sựphản xạ và sự bức xạ của các đối tợng trên ảnh, cũng nh khống chế đợc sự khác nhaugiữa địa hình và nhiệt độ

Level 2B: ảnh ở mức này đã đợc hiệu chỉnh ảnh hởng của khí quyển, đã đợc tính

toán đến góc nghiêng của Mặt trời Nhiệt độ bề mặt và dữ liệu về nhiệt cũng cần thiếtcho quá trình xử lý độ sáng bề mặt trong mức này vì thế mức này chỉ có thể xử lý đợccác pixel không mây

Level 3A01: ảnh ở mức này đợc gọi là trực ảnh, đã đợc hiệu chỉnh sự méo hình

gây ra do chênh cao địa hình Sản phẩm này đợc làm từ dữ liệu ảnh mức 1A gồm cáckênh 3N, 3B và dữ liệu DEM đợc làm từ ảnh SWIR có bổ sung hiệu chỉnh về thị sai

Level 4A: sản phẩm mô hình số địa hình cơ bản của ảnh ASTER cha sử dụng

các điểm khống chế mặt đất để tính toán vị trí mặt phẳng và độ cao tuyệt đối nên sảnphẩm này còn đợc gọi là DEM tơng đối Sản phẩm này là dữ liệu đợc làm từ 2 kênh 3N

và 3B Do khoảng cách thời gian thu chụp giữa 2 kênh này là 55 giây nên sự khác nhau

về ảnh hởng của khí quyển và tầm nhìn giữa 2 ảnh là rất nhỏ

Có 3 loại sản phẩm DEM đều đợc làm từ kênh 3N và 3B với độ phân giải pixel lần lợt

là 15m, 30m, 90m cho phù hợp với các kênh phổ:

VNIR 15m SWIR 30m TIR 90mTất cả các sản phẩm này đã đợc đa về hệ toạ độ UTM, WGS 84.

Ảnh ASTER hiện có đợc xử lý hình học ở mức 3, kèm theo dữ liệu DEM

Ảnh quang học SPOT5:

Họ vệ tinh SPOT bắt đầu hoạt động trờn quỹ đạo từ năm 1986 và do Trung tõmNghiờn cứu khụng gian (Centre National d’Etudes Spatiales - CNES) của Phỏp vậnhành Cỏc vệ tinh SPOT cú đặc điểm chung là: bay ở độ cao 832 km, gúc nghiờng củamặt phẳng quỹ đạo là 98,7o thời điểm bay qua xớch đạo là 10h30’ sỏng và chu kỳ lặp là

26 ngày Khả năng chụp nghiờng của SPOT cho phộp tạo cặp ảnh lập thể từ hai ảnhchụp vào hai thời điểm với gúc chụp nghiờng khỏc nhau

Vệ tinh SPOT5, phúng lờn quỹ đạo ngày 03 thỏng 05 năm 2002, được trang bịmột cặp Sensors HRG (High Resolution Geometric), là loại Sensor ưu việt hơn cỏcloại trước đú Mỗi một Sensor HRG cú thể thu được ảnh với độ phõn giải 5m đen-trắng và 10m màu Với kỹ thuật xử lý ảnh đặc biệt, cú thể đạt được độ phõn giải 2,5m,trong khi đú dải chụp phủ mặt đất của ảnh vẫn đạt 60km đến 80km

Đõy chớnh là ưu điểm của ảnh SPOT, điều mà cỏc loại ảnh vệ tinh khỏc cựngthời đều khụng đạt được độ phõn giải này Kỹ thuật thu ảnh HRG cho phộp định vị ảnhvới độ chớnh xỏc trờn 50 m nhờ hệ thống định vị vệ tinh DORIS và Star Tracker lắpđặt trờn vệ tinh Trờn vệ tinh SPOT5 cũn lắp thờm hai mỏy chụp ảnh nữa

Mỏy thứ nhất HRS – Mỏy chụp ảnh lập thể lực phõn giải cao Mỏy này chụpảnh lập thể dọc theo đường bay với độ phủ 120x600km Nhờ ảnh lập thể độ phủ rộngnày mà tạo lập mụ hỡnh số độ cao (DEM) với độ chớnh xỏc 10m mà khụng cần tớiđiểm khống chế mặt đất

Mỏy chụp ảnh thứ hai mang tờn VEGETATION, giống VEGETATION lắp trờn

vệ tinh SPOT4 hàng ngày chụp ảnh mặt đất trờn một dải rộng 2250km với kớch thướcphần tử ảnh (pixel) 1x1km trong 4 kờnh phổ Ảnh VEGETATION được sử dụng rấthữu hiệu cho mục đớch theo dừi biến động địa cầu và đo vẽ bản đồ hiện trạng đất

Ảnh SPOT được sử dụng chủ yếu trong cỏc lĩnh vực sử dụng đất, hiện trạngđất, đo vẽ bản đồ và theo dừi biến động mụi trường như mất rừng, xúi mũn, phỏt triển

đụ thị …

Dưới đõy là bảng danh sỏch cỏc loại ảnh vệ tinh SPOT5 cung cấp:

Bảng 2-: Danh mục các sản phẩm ảnh vệ tinh SPOT 5

Ảnh ALOS PALSAR:

ALOS là vệ tinh giỏm sỏt tài nguyờn của Nhật Bản, ALOS thường được sửdụng cho thành lập bản đồ, giỏm sỏt tài nguyờn thiờn nhiờn, thiờn tai Đầu thuPALSAR (Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar) là đầu thu ảnh radarbăng L được thiết kế để thu chụp ảnh cả ngày và đờm, bất kể thời tiết

Bảng 2-2: Thông số của ảnh ALOS PALSAR

2.2 Quy trỡnh kết hợp viễn thỏm và mụ hỡnh thủy văn, thủy lực

đất về:

- Lớp phủ chất đất

- L u vực con

Xử lý tích hợp thông tin trong GIS

ảnh viễn thám

Tính toán dự báo theo mô hinh thuỷ văn, thuỷ lực

Lập bản đồ dự báo ngập bằng GIS

Bản đồ ngập

từ ảnh viễn thám

Giám sát, điều hành, ra quyết

định

Hoàn thiệnbản đồ ngập lụt

Xử lý chiết tách vùng ngập từ ảnh viễn thám

Căn chỉnh mô hình

Hình 2-2: Sơ đồ quy trình kết hợp viễn thám và mô hình thủy văn, thủy lực tính toán

ngập lụt

Mụ tả cỏc cụng đoạn:

Khối 1: Khối đầu vào bao gồm điều kiện mưa: Mưa thực đo để xõy dựng bản

đồ dự bỏo hay bản đồ ngập hiện trạng Mưa thiết kế để lập bản đồ ngập hiện trạng

Khối 2: Sử dụng ảnh viễn thỏm để chiết tỏch cỏc thụng số đầu vào cho mụ hỡnhthủy văn Nhận dạng địa hỡnh mặt đất: căn cứ vào địa hỡnh mặt đất để xỏc định lớp phủrừng, loại đất, đường giao thụng, phõn bố ruộng, hồ,…

Khối 3: Đưa cỏc dữ liệu thu thập được vào GIS và tạo dữ liệu cỏc lớp thụng tin.Khối 4: Thực hiện chạy đồng thời hai mụ hỡnh thủy văn và thủy lực Kết quảthu được là tập số liệu mực nước tại cỏc mặt cắt và ụ chứa cú tọa độ (x,y,z)

Khối 5: Lập bản đồ ngập lụt từ số liệu của mụ hỡnh thủy lực

Khối 6: Hoàn thiện bản đồ ngập lụt

Khối 7: Ra quyết định điều hành ứng phú

Khối 8: Chụp ảnh viễn thỏm (ảnh radar hiện trạng ngập lụt và ảnh quang họctrước, trong và sau ngập lụt)

Khối 9: Xử lý ảnh radar chiết tỏch vựng ngập từ ảnh viễn thỏm

Khối 10: Lập bản đồ hiện trạng ngập từ ảnh radar, bản đồ này sẽ dựng so sỏnhvới kết quả tớnh toỏn bản đồ dự bỏo vựng ngập Căn cứ sự khỏc biệt giữa kết quả tớnhtoỏn và kết quả ảnh chụp hiện trạng để căn chỉnh cỏc thụng số của mụ hỡnh thủy lực

Để triển khai quy trỡnh tổng quỏt nờu trờn, đó nghiờn cứu và thiết lập một sốquy trỡnh cụng nghệ bộ phõn như sau:

- Quy trỡnh đặt, thu ảnh nhanh của Trạm thu ảnh vệ tinh

- Quy trỡnh cụng nghệ chiết tỏch một số thụng số đầu vào của mụ hỡnh MIKE11

từ DEM Trong quy trỡnh này sử dụng cụng nghệ chiết tỏch lưu vực bộ phậncủa lưu vực sụng trờn SWAT2000

- Quy trỡnh giải đoỏn ảnh và phõn loại tự động thực vật để chiết tỏch một sốthụng số đầu vào của mụ hỡnh MIKE11

- Quy trỡnh cụng nghệ thành lập bản đồ hiện trạng ngập lụt từ ảnh viễn thỏm

2.3 Quy trỡnh đặt, thu ảnh nhanh của trạm thu ảnh vệ tinh

2.1.1

Hình 2-3: Sơ đồ quy trình đặt, thu ảnh nhanh của trạm thu ảnh vệ tinh

1 Đặt yờu cầu thu ảnh

Sau khi Trạm thu ảnh vệ tinh nhận được yêu cầu cung cấp loại tư liệu ảnh vệtinh của vùng mà người sử dụng quan tâm, quản lý trạm thu sẽ xử lý kế hoạch thu ảnh.Công đoạn đầu tiên là xác lập khu vực cần thu ảnh ở dạng tệp tin véctơ hoặc ở dạnghình ảnh trên công cụ chuyên dụng PRM (Programming Relation Management Tool)của SPOT Image rồi gửi yêu cầu thu nhận tín hiệu ảnh trong khoảng thời gian đượcyêu cầu ở định dạng tài liệu chuẩn (do SPOT Image quy định) đến SPOT Image thôngqua mạng Internet Tiếp theo SPOT Image sẽ gửi lại thư điện tử xác nhận đã nhậnđược yêu cầu cho quản lý trạm thu.

2 Tính khả thi của yêu cầu

Người lập kế hoạch của SPOT Image sẽ chia vùng quan tâm dưới dạng lưới ôvuông và nghiên cứu kỹ về tính khả thi cho việc thu ảnh tại vùng đó như: kiểm tra vịtrí địa lý và thời gian cần thu ảnh có trùng với các yêu cầu của các trạm thu khác nhậntrước đó hay không và thông tin về thời tiết của khu vực cần thu ảnh Sau đó SPOTImage sẽ gửi lại tính khả thi của yêu cầu (tính khả thi cao, vừa, ít khả thi) cho quản lýtrạm thu SPOT Image sẽ đặt yêu cầu thu ảnh ở mức ưu tiên hơn nếu dự báo thời tiếtcủa vùng quan tâm đẹp (bầu trời trong, không mây) Ngược lại SPOT Image có quyềnhủy các yêu cầu nếu dự báo thời tiết của vùng cần thu ảnh có bầu trời không mây nhỏhơn 5% (tương đương với 95% mây trên ảnh)

3 Trao đổi và lập chương trình thu ảnh

Quản lý trạm thu và đại diện của SPOT Image cùng trao đổi để đưa ra chươngtrình thu nhận tín hiệu ảnh cuối cùng phù hợp với yêu cầu và điều khoản của cả haibên và ký vào Bản chương trình thu ảnh Tiếp đó SPOT Image sẽ gửi chương trình thuảnh sang Trung tâm điều khiển vệ tinh của CNES (Cơ quan Nghiên cứu không gianPháp) để lập chương trình thu ảnh cho vệ tinh Sau đó Trung tâm điều khiển vệ tinh sẽgửi lại tệp tin kỹ thuật đặc thù của việc thu ảnh cho SPOT Image để chuyển tiếp choTrạm thu ảnh vệ tinh Yêu cầu thu ảnh ở chế độ chuẩn sẽ được thực hiện trong vòng 7ngày làm việc

4 Dò tìm và thu nhận tín hiệu ảnh vệ tinh

Khi nhận được tệp tin kỹ thuật từ SPOT Image hệ thống thu nhận sẽ tự độngchiết tách thông tin thu nhận và gửi lệnh cho ăngten để chuẩn bị cho công đoạn dò tìm

và thu nhận tín hiệu khi vệ tinh bay qua Hệ thống sẽ tự động chiết tách tệp tin báo cáotình trạng hoạt động của trạm thu sau khi quá trình thu nhận hoàn tất để gửi lại choSPOT Image Tiếp đó, quản lý trạm thu kiểm tra chất lượng hình ảnh thu được, nếu đạt

yờu cầu sẽ kết thỳc chương trỡnh thu ảnh với SPOT Image Sau đú, thụng bỏo chongười sử dụng biết Trạm thu đó thu được tớn hiệu ảnh của vựng quan tõm

5 Chuyển giao sản phẩm ảnh cho người sử dụng

Trạm thu sẽ xử lý tớn hiệu nhận đó thu được và xử lý ra sản phẩm ảnh theo yờucầu và chuyển cho người sử dụng

2.4 Chiết tỏch một số thụng số đầu vào của mụ hỡnh MIKE11 từ DEM bằng mụ hỡnh SWAT2000

1 Quy trình chiết tách lu vực trên modul SWAT2000

Chỉnh lại các outlet

L u vực bộ phận Tính các thông số đầu

vào của mô hình MIKE11

Mô hình số độ cao (DEM)

Tách l u vực bộ phận

ĐạtKhông

đạt

Hệ thống thuỷ văn và l u

vực bộ phận

Giải thích quy trình công nghệ tách chiết một số thông số đầu vào của mô hìnhMIKE11 từ DEM:

a Mô hình số độ cao (DEM): mô hình số độ cao là sản phẩm quan trọng trong quá

trình chiết tách các lu vực bộ phận Độ chi tiết của các lu vực bộ phận ( tính theo sôngcấp 2 hoặc cấp 3 ) đợc khống chế bằng tham số đợc sử dụng là số lợng Pixel ảnh Để

đảm bảo độ chính xác của việc tách chiết lu vực theo cấp sông cần kiểm tra lại bằngmạng lới thuỷ văn, sau đó chỉnh sửa một số lu vực vẫn đảm bảo theo tham số đặt ban

đầu nhng không thuộc cấp lu vực sông cần thiết

Với DEM có kích thớc pixel là 15m thì những khu vực vùng đồi, núi có độchênh cao lớn thì việc tách chiết này đảm bảo độ chính xác cần thiết Với những khuvực tơng đối bằng phẳng thì các lu vực đợc tách chiết không đảm bảo độ chính xác Đểkhắc phục vấn đề trên thì DEM ở những khu vực này phải đợc xây dựng có độ chi tiếtcao hơn và có giá trị Interval nhỏ hơn

Trong khu vực nghiên cứu, vùng bằng phẳng là hạ lu của sông Kon-Hà Thanh,tuy nhiên vùng này sẽ không phải tính các tham số đầu vào của mô hình, do vùng này

đợc đa vào vùng nghiên cứu mức độ ngập lụt

Trớc khi thực hiện tách chiết lu vực mô hình số độ cao phải đợc kiểm tra vàchỉnh sửa lỗi để chơng trình chạy thông suốt và kết quả nội suy đợc tốt hơn

b Tách lu vực bộ phận: sau khi đã chỉnh sửa mô hình số độ cao, sử dụng phần mềm

SWAT2000 để nội suy tính toán các lu vực bộ phận, kết quả là hệ thống thuỷ văn vàcác lu vực bộ phận sẽ đợc so sánh với bản đồ lu vực đợc vẽ bằng tay và bản đồ địahình

c Tính toán các thông số đầu vào của mô hình MIKE11 : lu vực bộ phận sau khi so

sánh với bản đồ lu vực và bản đồ địa hình đạt kết quả tốt sẽ đợc dùng để tính toán cácthông số: toạ độ tâm lu vực, độ rộng lu vực, chiều dài sông trong lu vực, độ dốc trungbình trong lu vực; kết hợp với kết quả phân loại ảnh vệ tinh (xác định vùng có thực phủ

và không có thực phủ) để tính toán hệ số phủ (cứng, tự nhiên) trong từng lu vực bộphận

d Tổng hợp các thông số: các hệ số cho mô hình MIKE11: đợc tổng hợp từ các số liệu

đo thực địa và các số liệu tính toán nội suy từ mô hình SWAT, các thông số này phải

đảm bảo đầy đủ và đạt độ chính xác cần thiết

2.5 Chiết tỏch một số thụng số đầu vào của mụ hỡnh MIKE11 từ tư liệu viễn thỏm

ảnh viễn thám thu nhận ở dạng dữ liệu số cho phép áp dụng công cụ tự độnghoá trong quá trình tách chiết một số thông số đầu vào của mô hình MIKE11 Quá trình

đó đợc gọi là xử lý số quá trình phân loại ảnh

Nhìn tổng quan, phân loại ảnh trong xử lý số là quá trình phân định các pixeltrong hình ảnh thành các lớp hoặc các nhóm đơn vị lớp phủ mặt đất (Landcover).Trong quá trình phân loại, giá trị DN của từng pixel là thông số duy nhất được sửdụng

Tuy nhiên có một khái niệm khác được vận dụng là nhận dạng các mẫu khônggian (Spectial Pattern Recognition) Khái niệm mẫu phổ không hề có liên quan đếntính chất hình học của các pixel Khái niệm mẫu phổ liên quan đến những dải giá trịphổ đo được với các band khác nhau cho mỗi pixel Nhận dạng phổ là việc phân chia

đặc điểm phổ thành các nhóm có đặc điểm giống nhau và việc phân loại được thựchiện theo nguyên tắc pixel - pixel phân loại cho lần lượt từng pixel trong ảnh Kháiniệm mẫu phổ không gian, còn liên quan đến mỗi liên quan giữa một số pixel với cácpixel ở xung quanh về các tính chất, kích thước của đặc tính, hình dạng, hướng, sự lặplại và các tính chất khác Những đặc tính này dễ phân biệt trong giải đoán nhưngtương đối phức tạp trong việc xử lý tự động bằng máy tính

Phân loại ảnh (hay phân loại phổ của hình ảnh) có 2 hình thức : phân loại khôngkiểm định (Unsupersived Classification) và phân loại có kiểm định (SupervisedClassification)

Trong đề tài này đã sử dụng phơng pháp Phân loại có kiểm định (SupervisedClassification) với thuật toán maximum likelihood trong quá trình tách chiết một sốthông số từ ảnh viễn thám

Phân loại có kiểm định (Suppervice Classification): Là phân chia một cách cókiểm định các giá trị DN của các pixel ảnh theo từng nhóm đơn vị lớp phủ mặt đấtbằng việc sử dụng máy tinh và các thuật toán Để thực hiện việc phân loại có kiểm tra,phải tạo được “chìa khoá phân tích phổ “ nghĩa là tìm được tính chất phổ đặc trưng chotừng đối tượng lớp phủ mặt đất và đặt tên cho chúng Công việc xác định chìa khoáphân tích phổ được gọi là tạo các vùng mẫu ( hay vùng kiểm tra -trainning areas) Từcác vùng này, các pixel khác trong toàn ảnh sẽ được xem xét và sắp xếp theo nguyêntắc “giống nhất” (Look must like) để đưa về các nhóm đối tượng đã được đặt tên Phânloại giám sát là phân loại được tuân thủ bởi sự đào tạo của người điều khiển dựa trênnhững hiểu biết ngoài thực địa để định các nhóm khi phân loại ( gọi là các tập mẫu-

training sets ) Các mẫu phân loại được nhận biết qua vùng mẫu để thành lập các chìakhóa cho giải đoán ảnh Mỗi pixel ảnh trong lớp dữ liệu sau đó được đối sánh về số vớicác chìa khóa giải đoán được đặt tên mà chúng có xác xuất thuộc về nhóm lớn nhất Córất nhiều cách thức để đối sánh giá trị của pixel chưa biết để xắp xếp thành lớp tươngứng với các chìa khóa được giải đoán trong phân loại

Có 4 phương pháp sắp xếp:

-Sắp xếp theo khoảng cách gần nhất (nearest distance classified)

-Sắp xếp theo nguyên tắc ở gần nhất (Nearest neightbour classified)

-Sắp xếp theo nguyên tắc hình hộp phổ ( Box classified )

-Sắp xếp theo nguyên tắc xác suất giống nhau nhất (maximum likelihoodclassified) Đây là phương pháp phân loại hay được sử dụng, có độ chính xác cao phânloại có giám sát là phương pháp phân loại có sự giám sát của chuyên gia dựa trênnhững hiểu biết về các đối tượng không gian tại khu vực nghiên cứu để gắn và định racác mẫu phân loại (singnature classes) Sau khi các lớp này được xác định bởi qui địnhcủa người phân loại, quá trình phân loại được tiến hành dựa trên các lớp mẫu phân loại

và được thực hiện theo một trong phép phân loại như xác suất cực đại, khoảng cáchngắn nhất hoặc phân loại theo hình hộp

Trong phân loại có giám sát cần phải trải qua các bước sau: thiết lập mẫu chophân loại Mục đích bước này là tìm các vùng có cùng giá trị phổ và gắn chúng vàolớp đối tượng mà chúng ta đã biết trên thực địa hoặc trên nguồn dữ liệu có trước Quátrình này bắt đầu từ việc hiển thị ảnh số trên màn hình ở mức độ phóng to để có thểkhoanh các vùng có cùng giá trị số (cùng mầu) vào một nhóm

Kết quả của việc khoanh vùng trên màn hình tạo ra các nhóm đối tượng phổ gọi

là lớp phổ (signatures classes) Khi các lớp phổ đã được khoanh vi ta cần kiểm trachúng bằng cách hiển thị chúng trên biểu đồ thống kê phân bố chuẩn hoặc xem biểu đồtán phổ (scatter diagram)

Bước tiếp theo là gộp các nhóm và loại bỏ nhóm phổ không chọn đúng để tạonên các nhóm phổ đúng cho phân loại cuối cùng

Phân loại tập dữ liệu vùng mẫu ( training sets ):

Một cách đánh giá sự phân cách phổ được tiến hành là phân loại các pixel trongtập mẫu Bằng cách này, những pixel được lấy mẫu phân loại sẽ được phân loại trước

và chúng được thể hiện bằng ma trận sai số Việc đo sự khác biệt về thống kê giữa cácmẫu có thể được tính toán cho tất cả các cặp và thể hiện theo ma trận tương quan Cácthông số dùng để so sánh là sự khác biệt chuyển đổi, khoảng cách trọng số tương quan

giữa các nhóm trung bình Giá trị khác biệt chuyển đổi càng lớn thì khoảng cách thống

kê giữa các lớp phân loại càng cao

Độ tin cậy của kết quả phân loại phụ thuộc vào diện tích, mật độ phân bố và độchính xác của các vùng mẫu lựa chọn trên khu vực nghiên cứu

2.6 Lập bản đồ hiện trạng ngập lụt từ ảnh viễn thỏm

Ảnh viễn thám cả quang học và ảnh rada đều có thể sử dụng để chiết tách vùngngập lụt Dới đây trình bày quy trình đặt chụp ảnh viễn thám và chiết tách vùng ngậplụt từ ảnh viễn thám nói chung ( đối với ảnh Quang học và ảnh Rada):

Hình 2-5: Quy trình đặt chụp ảnh viễn thám và chiết tách vùng ngập lụt

Chiết tách vùng lụt

Nắn chỉnh hình học

Giải đoán vùng ngập

Sản phẩm lớp thông tin vùng ngập

Đạt

Không đạt

Hình 2-6: Quy trình công nghệ chiết tách vết ngập lũ từ ảnh vệ tinh RADAR

Giải thích quy trình:

1- Định chuẩn ảnh

Vấn đề căn bản trong đánh giá phản hồi RADAR của các đối tợng bề mặt là vấn

đề định chuẩn (calibration) Cũng nh các t liệu viễn thám khác, t liệu RADAR cũng

đ-ợc thơng mại hóa dới dạng dữ liệu số Các thông tin số trên t liệu RADAR đđ-ợc mã hóa

16 bit và thể hiện bằng xám độ ảnh Vì vậy, hàng loạt các ảnh hởng của môi trờng vàcủa thiết bị đã đợc “trung bình hóa” Việc khôi phục lại thông tin ban đầu dới dạngphản hồi đo bằng dB (deci-Ben) trên mã 32 bit thực chất là quá trình định chuẩn Đây

là công việc phức tạp nhng lại đặc biệt quan trọng cho việc phân loại một cách có cơ sởcác đối tợng có phản hồi tơng tự hoặc gần nhau

Trớc khi thành dữ liệu số DN (Digital Number) 16 bit, tín hiệu nhận đợc củaRADA là độ sáng βo đơn vị là Power (32 bit real), để tính hệ số phản hồi σo cần thiếtphải chuyển về lại theo giá trị βo (Power) Trong hệ thống của RADASAT, việc địnhchuẩn đợc tính theo công thức sau:

βo = 10 lg ((DN2 + A3) / A2)

Lúc đó σo tính theo công thức:

σo = βo + 10 lg (sin θi)

Trong đó, A2, A3 : là các hệ số bù trừ do CDPF (Canadian Data ProcessingFacility) cung cấp khi mua ảnh

θi : góc tới tại mỗi cột ảnh song song với hớng bay

2- Lọc ảnh

Tín hiệu RADAR cắt bề mặt đất ở nhiều góc phụ thuộc vào góc tới của tín hiệutruyền, góc tới cục bộ và tần số Doppler hay các “look” đợc dùng trong việc tạo ảnh.Tín hiệu trở về lại tùy thuộc vào các dao động ngẫu nhiên theo cờng độ, các dao độngnày là kết quả tơng tác của sóng RADAR với các bề mặt đất gồ ghề Sự nhiễu sóng này

là kết quả của tín hiệu cộng pha hoặc trừ pha Phản hồi của mỗi pixel là hiệu ứng kếthợp của tất cả các đối tợng riêng biệt trong cùng 1 ô phân giải mặt đất Nhiễu sóng caotần (speckle) chính là sự giao thoa dừng của các sóng tán xạ từ các phần tử mặt đất đợcquan sát trong mỗi ô phân giải đó Nhiễu này sẽ cho ảnh đơn “look” (single look) ởdạng hạt lốm đốm

Nhiễu sóng cao tần là kết quả của quá trình dừng (coherent process), việc giảmnhiễu có thể thực hiện đợc bằng các cách xử lý loại dừng (incoherent) Quá trình giảmnhiễu cần thiết phải giảm độ phân giải (tức là tăng kích thớc ô phân giải) của kênh tínhiệu dữ liệu SAR.

Để giảm nhiễu tần số cao (speckle) ngời ta dùng các bộ lọc đặc biệt, chúng chophép:

- Phân biệt tốt hơn các đối tợng trên ảnh

- Ứng dụng các công cụ tăng cờng chất lợng cổ điển dùng cho các ảnh quanghọc nh là bộ tách các bờ ranh giới, phân loại theo pixel và phân loại cấu trúc

- Phân tích các phát hiện thay đổi

Việc giảm nhiễu phải bảo đảm sao cho mất mát thông tin là ít nhất, do đó phảichọn bộ lọc thích hợp Trong các vùng đồng nhất, bộ lọc phải bảo toàn thông tin bức xạ

và các bờ ranh giới giữa các vùng khác nhau ở các vùng có cấu trúc, bộ lọc phải bảotoàn cả thông tin bức xạ và thông tin về cấu trúc

Bộ lọc đợc sử dụng là nhóm Adaptive Nhóm bộ lọc này không thay đổi giá trịtrung bình cục bộ (local mean) mà chỉ làm giảm độ lệch chuẩn cục bộ (local standarddeviation), cho ảnh mịn hơn so với ảnh gốc và vẫn bảo toàn đợc cấu trúc bờ ranh giới

Kích thớc của bộ lọc thờng là lẻ và có thể đợc chọn từ 3x3 pixel đến 11x11pixel Dùng kích thớc bộ lọc khác nhau sẽ cho chất lợng ảnh xử lý sẽ khác nhau Tùyvào độ phân giải của ảnh và kích thớc đặc trng, ta sẽ chọn kích thớc thích hợp cho bộlọc Nếu bộ lọc quá nhỏ, giải thuật lọc nhiễu sẽ không hiệu quả Nếu bộ lọc lớn quácác chi tiết tinh vi của ảnh sẽ bị mất trong quá trình xử lý Do đó, cần thiết phải chọnkích thớc bộ lọc đủ lớn để bảo đảm mẫu có ý nghĩa thống kê Theo nhiều thử nghiệmtrên loạt ảnh đồng thời có tham khảo các tài liệu có liên quan thì với bộ lọc có kích th -

ớc trung bình là 7x7 pixel sẽ cho kết quả tốt nhất Trong nhóm bộ lọc này có 2 loại bộlọc sau đợc sử dụng:

a Lọc Gamma: đợc dùng để loại bỏ nhiễu tần số cao mà vẫn bảo toàn đợc các

đặc trng tần số cao (tức là các bờ ranh giới) ở những vùng ảnh tơng đối đồng nhất, lọcgamma hoạt động nh một bộ lọc trung bình trợt và có tác dụng làm mịn ảnh Ngợc lại,vùng ảnh trong cửa sổ lọc có khả năng chứa ranh giới giữa 2 đối tợng, lọc Gamma sẽhoạt động nh một bộ lọc tần số cao và có tác dụng làm nổi rõ các đờng biên

b Lọc Frost: Sử dụng một ma trận trọng số không cố định mà thay đổi tùythuộc vào các giá trị thống kê cục bộ của ảnh, đợc tính trong phạm vi mỗi cửa sổ bằngchính kích thớc của bộ lọc và có tâm chính là điểm đích hiện xét

Ở những vùng ảnh tơng đối đồng nhất, các phần tử của ma trận trọng số gầnbằng nhau, lọc Frost hoạt động nh một bộ lọc trung bình trợt và có tác dụng làm mịn

ảnh Trong khi đó ở những vùng ảnh có độ tơng phản lớn, tức những vùng trên ranhgiới giữa các đối tợng hay có các đối tợng dạng tuyến chạy qua, phơng sai của ảnh sẽlớn, các giá trị trọng số sẽ suy giảm rất nhanh, lọc Frost trong trờng hợp này lại hoạt

động nh một bộ lọc tần số cao và có tác dụng làm nổi rõ các đờng biên cũng nh các đốitợng dạng tuyến

3- Nắn chỉnh hình học

Bản chất của việc nắn chỉnh hình học là xây dựng mối tơng quan giữa hệ tọa độ

ảnh đo và hệ tọa độ quy chiếu chuẩn Sau khi nắn xong ảnh đầu tiên, các ảnh còn lại

đ-ợc nắn theo ảnh đã nắn này để đảm bảo độ chính xác khi chồng nhiều ảnh chụp khácngày lên nhau trong quá trình xử lý đa thời gian

4- Chuyển đổi giá trị Power sang dB

Tính toán thống kê ảnh nh là giá trị trung bình hay độ lệch chuẩn cần phải tínhtheo các đơn vị tuyến tính Intensity hay Amplitude (Intensity = Amplitude2), nhng đểtính giá trị hệ số phản hồi nhất thiết phải chuyển đổi sang giá trị logarit là dB, côngthức chuyển đổi đợc thực hiện theo công thức sau:

dB = 10 lg (Power)

5- Chiết tách vùng ngập nớc

Sau khi xử lý nhiễu và hiệu chỉnh hình học trên ảnh ENVISAT ASAR, tiếnhành chiết tách thông tin về tình trạng ngập nớc Công đoạn tách nớc đợc xử lý trênphần mềm ENVI theo phơng pháp "Density Slice"

6- Thành lập Bản đồ ngập lụt

Kết quả của công đoạn chiết tách vùng ngập nớc đợc xuất ra dạng vector (shapefile) kết hợp với dữ liệu GIS cộng với bản đồ tổn thơng của vùng đó để làm ra bản đồngập lụt

2.8 Quy trỡnh cụng nghệ phõn loại tự động lớp phủ trờn ảnh viễn thỏm bằng phương phỏp phõn loại cú giỏm định

Hình 2-7: Quy trình công nghệ phân loại tự động lớp phủ trên ảnh viễn thám

bằng phơng pháp phân loại có giám định

Giải thích quy trình.