So sánh các kỹ thuật phân tích và xác định quy luật diễn biến đường bờ biển vịnh Đà Nẵng bằng ảnh viễn thám

Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng bốn kỹ thuật phân tích phổ biến bao gồm: Chỉ số nước khác biệt (NDWI), Chỉ số nước khác biệt được hiệu chỉnh (MNDWI), Chỉ số trích xuất nước tự động (AWEI), tỷ số ảnh (BR) để trích xuất đường bờ cho vịnh Đà Nẵng.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(130).2018 SO SÁNH CÁC KỸ THUẬT PHÂN TÍCH VÀ XÁC ĐỊNH QUY LUẬT DIỄN BIẾN ĐƯỜNG BỜ BIỂN VỊNH ĐÀ NẴNG BẰNG ẢNH VIỄN THÁM INTER-COMPARING THE ANALYSIS TECHNIQUES AND DETERMINING LAW OF SHORELINE CHANGE OF DANANG BAY BY REMOTE SENSING IMAGES Nguyễn Quang Bình Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; nqbinh@dut.udn.vn Tóm tắt - Hiện có nhiều kỹ thuật sẵn có để phân tích diễn biến đường bờ biển ảnh viễn thám, nhiên lựa chọn kỹ thuật phù hợp cho khu vực nghiên cứu cụ thể gặp nhiều khó khăn Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng bốn kỹ thuật phân tích phổ biến bao gồm: Chỉ số nước khác biệt (NDWI), Chỉ số nước khác biệt hiệu chỉnh (MNDWI), Chỉ số trích xuất nước tự động (AWEI), tỷ số ảnh (BR) để trích xuất đường bờ cho vịnh Đà Nẵng Các kết thu kiểm chứng với liệu thực đo hình ảnh từ Google Earth Các kết phân tích cho thấy kỹ thuật phân tích tỷ số ảnh (BR) có kết tốt phù hợp so với ba kỹ thuật lại Dựa vào kỹ thuật này, tác giả tiến hành phân tích đánh giá thêm diễn biến đường bờ Vịnh Đà Nẵng theo mùa khô, mùa mưa theo năm tương ứng với thời gian 1996, 2001, 2006, 2011, 2016 Abstract - There are now many available techniques to analyze the coastline by using remote sensing images, but choosing the appropriate technique for a specific study area is still difficult In this study, the author uses four common analytical techniques: Normalized Difference Water Index (NDWI), Modified Normalized Difference Water Index (MNDWI), Automated Water Extraction Index (AWEI), Band ratio (BR) to extract shoreline for Danang Bay The results will be validated with observed data and imagery from Google Earth The analytical results show that the technique of Band ratio (BR) has better and more suitable results than the other three techniques Based on this technique, the author analyzes and evaluates the shoreline of Danang Bay coastline in dry season, rainy season and in the year 1996, 2001, 2006, 2011 and 2016 respectively Từ khóa - Diễn biến đường bờ; NDWI; MNDWI; AWEI; Tỷ số ảnh; Ảnh viễn thám; Vịnh Đà Nẵng Key words - Shoreline change; NDWI; MNDWI; AWEI; Band ratio; remote sensing images; Danang Bay Đặt vấn đề Hiện nay, có nhiều phương pháp áp dụng để nghiên cứu diễn biến đường bờ, điển hình như: Khảo sát trắc địa GPS, chụp ảnh không, viễn thám, Tất phương pháp có ưu điểm nhược điểm riêng, tùy thuộc vào khu vực liệu nghiên cứu [1] Trong đó, cơng nghệ ảnh viễn thám xem phương pháp có ưu điểm so với phương pháp khác [2] Với nguồn liệu sẵn có từ năm 1972 đến thông qua loạt cảm biến chẳng hạn như: MSS (Multispectral Scanner System), TM (Thematic Mapper), ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus), OLI (Operational Land Imager) Cảm biến OLI hoạt động với độ phân giải khơng gian cao, trung bình 30m lặp lại thời gian ngày [2] Trong kỹ thuật phân tích ảnh viễn thám, khó khăn phân định xác đất nước Năm 1996, McFeeters giới thiệu kỹ thuật Chỉ số nước khác biệt (NDWI) kết hợp màu xanh lục (band 2) cận hồng ngoại-NIR (band 4) ảnh Landsat TM McFeeters đề nghị giá trị ngưỡng để tách nước, giá trị lớn phân loại nước ngược lại nước [3] Năm 2006, Xu phát khu vực xây dựng kỹ thuật NDWI cho kết không tốt đề xuất kỹ thuật khác Chỉ số nước khác biệt hiệu chỉnh (MNDWI) cách thay band cận hồng ngoại band hồng ngoại-MIR (trong cảm biến ETM+ band OLI band 6) [4] Một hạn chế chung tồn hai kỹ thuật NDWI, MNDWI cung cấp giá trị ngưỡng xác dùng để phân tách rõ ràng đất nước [5] Kỹ thuật tỷ số ảnh kênh phổ áp dụng kênh kênh ảnh Landsat MSS, kênh kênh ứng với ảnh Landsat TM ETM+ đề xuất Alesheikh đồng nghiệp năm 2007 Trong kỹ thuật phân tách đất nước rõ ràng Do nước hấp thụ hầu hết lượng xạ điện từ chiếu tới dải sóng cận hồng ngoại hồng ngoại, nên pixel đại diện cho nước có giá trị lớn Trong đó, đối tượng khác đất, thực vật…có khả phản xạ dải sóng cận hồng ngoại hồng ngoại cao nên ô pixel đại diện cho đất liền có giá trị nhỏ Điều cho phép sử dụng phương pháp phân ngưỡng để tự động phân tách rõ ràng ranh giới đất nước [6] Để khắc phục hạn chế hai kỹ thuật NDWI MNDWI, năm 2014 Feyisa đồng nghiệp đề xuất Chỉ số trích xuất nước tự động (AWEI) để cải thiện độ xác khu vực xuất bóng tối bề mặt mà kỹ thuật khác thường phân loại không tốt [5] Từ phân tích ưu nhược điểm kỹ thuật trên, kết hợp với kết nghiên cứu áp dụng cho khu vực khác giới Để góp phần làm rõ thêm, nghiên cứu bổ sung khu vực cụ thể cần thiết để đánh giá so sánh hiệu kỹ thuật Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng bốn kỹ thuật bao gồm: Chỉ số nước khác biệt (NDWI), Chỉ số nước khác biệt hiệu chỉnh (MNDWI), Chỉ số trích xuất nước tự động (AWEI), tỷ số ảnh (BR) để đánh giá cho đường bờ khu vực vịnh Đà Nẵng, cửa hai hệ thống sông lớn Vu Gia – Thu Bồn Cu Đê Dọc theo vịnh Đà Nẵng có bãi biển kéo dài 61,92 km với nhiều cơng trình quan trọng cảng Tiên Sa, âu thuyền Thọ Quang, đô thị Đa Phước, [7] Phương pháp nghiên cứu Bốn kỹ thuật NDWI, MNDWI, AWEI BR áp dụng phân tích với ảnh landsat thông qua cảm biến OLI chụp vào thời gian 11/03/2017 Kết trích xuất so sánh với liệu thực đo ảnh từ Google Nguyễn Quang Bình Earth thời điểm Chi tiết kỹ thuật phân tích kỹ thuật sơ đồ phương pháp nghiên cứu chung tổng hợp Hình Sau sử dụng kỹ thuật tốt để đánh giá diễn biến đường bờ cho Vịnh Đà Nẵng theo mùa khô, mùa mưa theo năm tương ứng với năm 1996, 2001, 2006, 2011, 2016 Diễn biến đường bờ mô mô đun DSAS Toolbar DSAS công cụ mở rộng chạy phần mềm ArcGIS phát triển với Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ với mục đích phân tích diễn biến đường bờ [8] 2.1 Dữ liệu nghiên cứu Trong nghiên cứu 11 ảnh landsat sử dụng để phân tích với độ phân giải 30mx30m, thơng tin chi tiết ảnh thể Bảng [9] Bảng Dữ liệu ảnh landsat Số thứ tự Bộ cảm Thời gian Số thứ tự Bộ cảm Thời gian Số thứ tự Bộ cảm Thời gian TM 17/03/1996 TM TM 30/12/1996 TM 01/06/2006 OLI 08/03/2016 26/12/2006 10 OLI 21/12/2016 ETM+ 23/03/2001 ETM+ 25/11/2001 ETM+ 06/03/2011 11 OLI 11/03/2017 ETM+ 30/11/2011 Tải ảnh Lọc ảnh Hiệu chỉnh ảnh Điều chỉnh hình dạng ảnh NDWI MNDWI AWEI (Normalized Difference Water Index (Modified Normalized Difference Water Index (Automatic Water Extraction Index (Green – NIR) (Green + NIR) (Green – MIR) (Green + MIR) x (Green – MIR) - (0.25 x NIR + 2.75 x MIR) Band Ratio Chiết tách đường bờ Hiệu chỉnh tác động thủy triều Đánh giá độ xác Dữ liệu tham chiếu Thực đo, Google Earth Bản đồ diễn biến đường bờ Hình Sơ đồ kỹ thuật phân tích diễn biến đường bờ [3], [4], [5], [6] Kết nghiên cứu Kết phân tích bốn kỹ thuật cho kết tương đối tốt khu vực dọc theo bờ biển, lại hiệu nơi có mật độ xây dựng cao (Cảng Tiên Sa) cửa lưu vực nơi có lượng bùn cát từ thượng nguồn tập trung lớn (cửa sơng Hàn, cửa sơng Cu Đê) (Hình 2) Trong đó, kỹ thuật tỷ số ảnh (BR) cho kết tốt ba kỹ thuật lại vùng nước Kết phù hợp với nghiên cứu Swathy Sunder đồng nghiệp áp dụng cho bờ biển Ấn Độ năm 2017 [10] Ở khu vực có cơng trình nhân tạo kè Liên Chiểu, kè Đa Phước, khu vực neo đậu tàu thuyền cảng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(130).2018 Tiên Sa có bề rộng cơng trình nhỏ kích thước pixel (30m) ảnh Landsat OLI, kết phân tích kỹ thuật khơng tốt Trong kỹ thuật độ lệch trung bình đến đường thực đo nhỏ pixel ảnh Landsat OLI (30m) (Bảng 2) Trong đó, kỹ thuật tỷ số ảnh (BR) có sai số trung bình đến đường thực đo nhỏ so với kỹ thuật lại, với sai số trung bình 18,2m toàn 61,92km chiều dài Vịnh Bảng Phân tích đánh giá độ xác kỹ thuật Kỹ thuật phân tích Chỉ số thống kê Khoảng cách sai số trung bình so với đường thực đo (m) NDWI MNDWI AWEI BR 24,5 23,4 21,8 18,2 Hình Kết trích xuất đường bờ kỹ thuật Kết phân tích diễn biến đường bờ Kỹ thuật tỷ số ảnh (BR) cho kết tốt so với kỹ thuật lại khu vực đường bờ biển vịnh Đà Nẵng Tác giả sử dụng kỹ thuật để tiến hành phân tích đánh giá diễn biến đường bờ theo mùa theo năm Vịnh Từ kết phân tích cho thấy khu vực có diễn biến lớn tập trung hai cửa sông Cu Đê sông Hàn, sử dụng mơ đun DSAS Toolbar để phân tích chi tiết diễn biến cho mặt cắt đặc trưng điển hình cửa sông Cu Đê (mặt cắt 1-1 2-2) tương tự với mặt cắt cửa sông Hàn (mặt cắt 3-3 4-4) 4.1 Diễn biến theo mùa khơ Tính tốn thay đổi đường bờ mùa khơ dựa vào việc phân tích chuỗi ảnh năm từ năm 1996 đến năm 2016 với tháng mùa khô từ tháng đến tháng tập trung chủ yếu vào tháng Kết phân tích cho thấy, mũi phía Nam cửa sơng Cu Đê biến động, dịch chuyển nhiều mũi phía Bắc Chiều dài dịch chuyển lớn mũi phía Nam 129,6 m (từ 03/2011 đến 03/2016) mũi phía Bắc có chiều dài dịch chuyển lớn 108,2 m Mũi phía Nam có xu hướng dịch chuyển ổn định thời gian dài biến động hơn, mũi phía bắc mở rộng thu hẹp thay đổi liên tục thời gian ngắn (Hình 3, Hình 4) Tại cửa sơng Hàn, mặt cắt 3-3, 4-4 đường bờ có xu hướng chung mở rộng với bề rộng thay đổi lớn 739m, từ năm 2006 đến năm 2011 (Hình 3, Hình 5) 10 Nguyễn Quang Bình Hình Diễn biến đường bờ mùa khơ Hình Diễn biến đường bờ mùa khô cửa sông Cu Đê (khoảng cách so với đường sở) Hình Diễn biến đường bờ mùa khô cửa sông Hàn (khoảng cách so với đường sở) 4.2 Diễn biến theo mùa mưa Ngược lại mùa mưa lũ, mũi phía Nam cửa sông Cu Đê lại biến động phức tạp mũi phía Bắc khơng theo quy luật rõ ràng (Hình 6, Hình 7), quy luật chung bờ Bắc xói lở xuất mạnh từ năm 1996 đến 2001 Tại cửa sông Hàn bờ biển tiếp tục mở rộng (Hình 6, Hình 8) Hình Diễn biến đường bờ mùa mưa Hình Diễn biến đường bờ mùa mưa cửa sông Cu Đê (khoảng cách so với đường sở) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(130).2018 11 Hình Diễn biến đường bờ mùa mưa cửa sông Hàn (khoảng cách so với đường sở) 4.3 Diễn biến theo năm Diễn biến đường bờ cửa sông Cu Đê phức tạp cửa sông Hàn khơng theo quy luật rõ ràng Hình trình bày diễn biến theo năm hai mặt cắt đặc trưng khu vực (mặt cắt 1-1, 2-2) Ở mũi phía Bắc diễn biến ổn định, q trình xói lở bồi đắp diễn liên tục theo năm với quy luật ước chừng khoảng 10 năm, mũi phía Nam q trình lại phức tạp không Trong mùa khô mũi phía Nam cửa sơng Cu Đê biến động, dịch chuyển nhiều mũi phía Bắc Chiều dài dịch chuyển lớn mũi phía Nam 129,6m mũi phía Bắc 108,2m Vào mùa mưa lũ, mũi phía Nam lại biến động mũi phía Bắc không tuân theo quy luật rõ ràng quy luật chung bờ Bắc xói lở Mũi phía Bắc cửa sơng Hàn xu hướng chung đường bờ hai hai mùa bồi đắp Đánh giá từ kết diễn biến theo năm, mũi phía Bắc cửa sông Cu Đê diễn biến ổn định hơn, q trình xói lở bồi đắp diễn liên tục theo năm với quy luật ước chừng khoảng 10 năm, mũi phía Nam q trình lại phức tạp không Kết nghiên cứu hi vọng cung cấp thêm cho nhà quản lý sở khoa học có độ tin cậy phục vụ cho công tác xây dựng đồ đường bờ, quy hoạch quản lý tài nguyên ven biển Lời cảm ơn: Bài báo tài trợ Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng với đề tài có mã số: T2018-02-27 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Diễn biến đường bờ theo năm cửa sông Cu Đê (khoảng cách so với đường sở) Kết luận Kết phân tích bốn kỹ thuật cho kết tương đối tốt khu vực dọc theo bờ biển, lại hiệu nơi có mật độ xây dựng cao (Cảng Tiên Sa) cửa lưu vực nơi có lượng bùn cát từ thượng nguồn tập trung lớn (cửa sông Hàn, cửa sơng Cu Đê) Trong đó, kỹ thuật tỷ số ảnh (BR) cho kết tốt ba kỹ thuật lại vùng nước Ở khu vực có cơng trình nhân tạo kè Liên Chiểu, kè Đa Phước, khu vực neo đậu tàu thuyền cảng Tiên Sa có bề rộng cơng trình nhỏ kích thước pixel (30m) ảnh Landsat OLI, kết phân tích kỹ thuật không tốt Trong kỹ thuật độ lệch trung bình đến đường thực đo nhỏ pixel ảnh Landsat OLI (30m) Trong đó, kỹ thuật tỷ số ảnh (BR) có sai số trung bình đến đường thực đo nhỏ so với kỹ thuật lại, với sai số trung bình 18,2m toàn 61,92km chiều dài Vịnh [1] D Ozturk and F A Sesli, “Shoreline change analysis of the Kizilirmak Lagoon Series,” Ocean Coast Manag., vol 118, pp 290–308, 2015 [2] Z Du et al., “Analysis of Landsat-8 OLI imagery for land surface water mapping,” Remote Sens Lett., vol 5, no 7, pp 672–681, 2014 [3] S K McFeeters, “The use of the Normalized Difference Water Index (NDWI) in the delineation of open water features,” Int J Remote Sens., vol 17, no 7, pp 1425–1432, 1996 [4] H Xu, “Modification of normalised difference water index (NDWI) to enhance open water features in remotely sensed imagery,” Int J Remote Sens., vol 27, no 14, pp 3025–3033, 2006 [5] G L Feyisa, H Meilby, R Fensholt, and S R Proud, “Automated Water Extraction Index: A new technique for surface water mapping using Landsat imagery,” Remote Sens Environ., vol 140, pp 23–35, 2014 [6] A A Alesheikh, A Ghorbanali, and N Nouri, “Coastline change detection using remote sensing,” Int J Environ Sci Technol., vol 4, no 1, pp 61–66, 2007 [7] C thống kê Đ Nẵng, “Điều kiện tự nhiên Đà Nẵng,” 2010 [8] E R Thieler, E A Himmelstoss, J L Zichichi, and A Ergul, “The Digital Shoreline Analysis System (DSAS) version 4.0-an ArcGIS extension for calculating shoreline change,” US Geological Survey, 2009 [9] USGS, “Cục khảo sát địa chất Hoa kỳ.” [Online] Available: https://www.usgs.gov [10] S Sunder, R Ramsankaran, and B Ramakrishnan, “Intercomparison of remote sensing sensing-based shoreline mapping techniques at different coastal stretches of India,” Environ Monit Assess., vol 189, no 6, p 290, 2017 (BBT nhận bài: 17/8/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 10/9/2018) ... kỹ thuật Kết phân tích diễn biến đường bờ Kỹ thuật tỷ số ảnh (BR) cho kết tốt so với kỹ thuật lại khu vực đường bờ biển vịnh Đà Nẵng Tác giả sử dụng kỹ thuật để tiến hành phân tích đánh giá diễn. .. Hình Diễn biến đường bờ mùa khơ Hình Diễn biến đường bờ mùa khô cửa sông Cu Đê (khoảng cách so với đường sở) Hình Diễn biến đường bờ mùa khô cửa sông Hàn (khoảng cách so với đường sở) 4.2 Diễn biến. .. Earth thời điểm Chi tiết kỹ thuật phân tích kỹ thuật sơ đồ phương pháp nghiên cứu chung tổng hợp Hình Sau sử dụng kỹ thuật tốt để đánh giá diễn biến đường bờ cho Vịnh Đà Nẵng theo mùa khô, mùa