Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu xác định vùng ngập lụt bằng ảnh viễn thám. Nghiên cứu sử dụng ảnh viễn thám Sentinel-1 của Cơ quan Vũ trụ châu Âu cung cấp kết hợp với mô hình số độ cao SRTM được thu thập từ Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), để xây dựng bản đồ ngập lụt cho tỉnh Bình Định trong trận lũ lớn xảy ra năm 2017, kéo dài từ ngày 25/11 đến ngày 05/12.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1 XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT DỰA TRÊN ẢNH VIỄN THÁM SENTINEL-1 VÀ MƠ HÌNH SỐ HĨA ĐỘ CAO SRTM CHO TỈNH BÌNH ĐỊNH FLOOD MAPPING BY SENTINEL-1 SATELLITE IMAGES AND SRTM DEM FOR BINH DINH PROVINCE Nguyễn Quang Bình Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; nqbinh@dut.udn.vn Tóm tắt - Trong cơng tác phòng chống thiên tai, xác định nhanh chóng mức độ phạm vi ngập lụt mà không phụ thuộc vào yếu tố thời tiết yêu cầu cấp thiết Trong nghiên cứu tác giả trình bày kết nghiên cứu xác định vùng ngập lụt ảnh viễn thám Nghiên cứu sử dụng ảnh viễn thám Sentinel-1 Cơ quan Vũ trụ châu Âu cung cấp kết hợp với mơ hình số độ cao SRTM thu thập từ Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), để xây dựng đồ ngập lụt cho tỉnh Bình Định trận lũ lớn xảy năm 2017, kéo dài từ ngày 25/11 đến ngày 05/12 Kết nghiên cứu hy vọng cung cấp thêm sở để hiệu chỉnh cho mơ hình thủy lực quyền việc xác định vùng bị ảnh hưởng ngập lụt Abstract - In the prevention of natural disasters, quickly determining the depth and inundation of flooding without depending on weather factors is an urgent need In this study, the author will present the results of the study to determine flooded areas with radar images The study uses the European Space Agency's Sentinel-1 image combined with digital elevation model (DEM) SRTM collected from the United States Geological Survey (USGS) to build a flood map for Binh Dinh province during a major flood in 2017, from 25/11 to 05/12 Hopefully, the results of the study will provide additional basis for calibrating hydraulic models and for government in identifying areas affected by flooding Từ khóa - ngập lụt; Sentinel-1; SRTM; năm 2017; tỉnh Bình Định Key words - flooding; Sentinel-1; SRTM; 2017; Binh Dinh province Đặt vấn đề Lũ lụt thảm họa thiên tai lớn Việt Nam đặc trưng khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình kết hợp với ảnh hưởng yếu tố địa hình biến đổi khí hậu thời gian gần Đặc biệt, khu vực đồng ven biển miền Trung biết đến dễ bị ngập lụt thuộc khu vực có lượng mưa lớn, vùng đồng duyên hải hẹp, sông ngắn dân cư tập trung đông Do đó, quản lý giảm bớt rủi ro lũ lụt nhiệm vụ quan trọng quyền địa phương Đến nay, việc xây dựng đồ ngập lụt theo trận lũ thực tế thường trích xuất từ kết mơ mơ hình thủy lực Trong mơ mơ hình thủy lực, để đảm bảo độ tin cậy hiệu chỉnh kiểm định mơ hình cần phải có liệu độ sâu ngập nhiều vị trí khác Theo Thơng tư 51/2013/TT-BTNMT Bộ Tài ngun Mơi trường cơng bố năm 2013, chi phí khảo sát ngồi thực địa trung bình cho vết lũ khoảng 15 nhân cơng cộng thêm chi phí thiết bị phương tiện [1] Rõ ràng phương pháp có chi phí cao, nhiều thời gian cho cơng tác khảo sát ngồi thực địa, thu thập chỉnh lý liệu Trong nhiều trường hợp, yêu cầu ứng phó nhanh với thảm họa từ thiên nhiên động đất, bão nhiệt đới lũ lụt cần thiết để phục vụ cho công tác hỗ trợ tái thiết Do đó, lập đồ thiệt hại nhanh sau thảm hoạ quan trọng để phát khu vực bị ảnh hưởng phạm vi thiệt hại Ngày nay, phát triển công nghệ ảnh viễn thám mở hướng việc thu thập liệu phục vụ cho việc phân tích, xây dựng đồ ngập lụt đánh giá thiệt hại theo thời gian thực Ảnh viễn thám đóng vai trò quan trọng với khả thu thập phạm vi rộng có chi phí thấp Với nguồn liệu miễn phí thu thập thời gian dài từ nhiều vệ tinh khác nhau, nhiều phương pháp phát triển dựa trên nguồn ảnh viễn thám để đánh giá thiệt hại lũ lụt Tuy nhiên, chất lượng ảnh viễn thám phụ thuộc lớn vào điều kiện thời tiết, đặc biệt trận bão, việc thu thập liệu mặt đất gặp nhiều khó khăn ảnh hưởng mây Ngoài ra, thời gian khu vực hoạt động vệ tinh ảnh hưởng lớn đến việc thu thập liệu khu vực nghiên cứu theo thời gian trận lũ Do đó, việc áp dụng ảnh viễn thám chủ động Sentinel1 Cơ quan Vũ trụ châu Âu giúp vượt qua khó khăn [2] Với độ phân giải trung bình 10 m miễn phí nên đến có nhiều tác giả áp dụng ảnh viễn thám Sentinel – để xây dựng đồ ngập lụt cho khu vực khác giới Tác giả Trần Kim Châu áp dụng ảnh Sentinel – để xây dựng đồ ngập lụt cho tỉnh Hà Tĩnh trận lũ ngày 24/10/2016 [3], Twele đồng nghiệp đưa chuỗi xử lý tự động ảnh Sentinel1 để phát lũ lụt theo thời gian thực biên giới Hy Lạp Thổ Nhĩ Kỳ [4] Bình Định tỉnh duyên hải miền Trung Việt Nam, trải dài 110 km theo hướng Bắc - Nam, diện tích tự nhiên: 6.025 km² Địa hình tỉnh tương đối phức tạp, thấp dần từ Tây sang Đông, với độ chênh lệch lớn (khoảng 1.000m) Các dạng địa hình phổ biến vùng núi, đồi cao nguyên, chiếm 70% diện tích tồn tỉnh với độ cao trung bình 500 – 1.000 m, dãy núi chủ yếu sườn dốc đứng (Hình 4) Trong năm 2017 vừa qua, địa bàn tỉnh xuất đợt lũ lớn kéo dài từ ngày 25/11 – 05/12, làm mực nước sông dâng cao gây thiệt hại lớn địa bàn tỉnh (Bảng 1) Để đánh giá chi tiết mức độ phạm vi ngập lụt, nghiên cứu sử dụng ảnh Sentinel-1 để xây dựng đồ ngập lụt cho tỉnh Bình Định trận lũ lớn xảy năm 2017 kéo dài từ ngày 25/11 đến ngày 05/12 Kết nghiên cứu hy vọng cung cấp thêm sở để hiệu chỉnh cho mô hình thủy lực quyền việc xác định vùng bị ảnh hưởng ngập lụt Nguyễn Quang Bình Bảng Tổng hợp thiệt hại năm 2017 tỉnh Bình Định [5] Đơn vị tính Số lượng Thành tiền (triệu đồng) Số người chết Người - Số người tích Người - Số người bị thương Người - Số hộ bị ảnh hưởng Hộ 16.552 - Số người bị ảnh hưởng Người 82.760 - Thiệt hại nhà Triệu đồng - 132.395 Thiệt hại giáo dục Triệu đồng - 7.110 Thiệt hại nông, lâm nghiệp Triệu đồng - 58.285,5 Thiệt hại thủy lợi Triệu đồng - 139.170,6 STT Chỉ tiêu thiệt hại Phương pháp nghiên cứu Sử dụng ảnh viễn thám Sentinel-1 để xây dựng đồ ngập lụt tỉnh Bình Định hai ngày 26/11/2017 vào lúc 22h35’ 04/12/2017 vào lúc 10h55’ mà vệ tinh thu thập Phạm vi ngập lụt so sánh với thời gian trước xuất lũ ngày 23/06/2017 Quá trình xử lý ảnh Sentinel-1 để xây dựng đồ ngập lụt trình bày chi tiết Hình Hình Chế độ hoạt động vệ tinh Sentinel – [6] Hiện nay, Sentinel có vệ tinh hoạt động lúc đặt cách 180° mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh Sentinel-1A, Sentinel-1B (Hình 3) Tần suất vùng phủ sóng Sentinel-1 lớn với vệ tinh Cơ quan Vũ trụ châu Âu, sử dụng ảnh radar độ tổng hợp (SAR) ảnh radar độ tổng hợp nâng cao ASAR [2], cho phép chụp ảnh bề mặt Trái đất xuyên qua đám mây mưa thời gian ngày hay đêm [7] Tải ảnh Hiệu chỉnh ảnh Lọc ảnh Điều chỉnh hình dạng Phân ngưỡng Sigma Hiệu chỉnh DEM SRTM Khu vực ngập lụt Bản đồ ngập lụt Hình Quá trình xử lý ảnh 2.1 Vệ tinh Sentinel-1 Vệ tinh Sentinel-1 Cơ quan Vũ trụ châu Âu phóng thành cơng lên vũ trụ vào năm 2014 Sentinel-1 thiết kế làm việc với chế độ lập trình sẵn, có nhiệm vụ chụp ảnh vùng đất toàn cầu, vùng ven biển, vùng băng biển, vùng cực, tuyến đường vận chuyển có độ phân giải cao đại dương giới Nhiệm vụ đảm bảo độ tin cậy tạo nguồn lưu trữ liệu lâu dài, thống Chế độ hoạt động vệ tinh Sentinel – minh họa Hình Hình Quỹ đạo hoạt động vệ tinh Sentinel-1A Sentinel-1B [7] Ảnh viễn thám Sentinel-1 siêu cao tần cho phép xác định đặc tính bề mặt đối tượng, độ ẩm, … dựa vào lượng tán xạ phản hồi thu ảnh Tuy nhiên, ảnh Sentinel-1 có hạn chế khơng phân loại lớp phủ bề mặt đặc điểm thu nhận tín hiệu ảnh phản ánh đặc tính cấu trúc bề mặt, trừ kết hợp thêm với ảnh khác ảnh quang học [8] 2.2 Khu vực nghiên cứu Bình Định thuộc vùng nhiệt đới ẩm gió mùa Nhiệt độ trung bình 27°C Lượng mưa trung bình hàng năm năm gần 2.185 mm Mùa mưa (từ tháng đến tháng 12) tập trung 70 - 80% lượng mưa năm Mùa mưa trùng với mùa bão nên thường gây lũ lụt Ngược lại, mùa nắng kéo dài nên gây hạn hán nhiều nơi Hàng năm, khu vực thường phải chịu tác động trực tiếp từ hai đến bốn bão lớn [9] ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 3 Kết thảo luận Kết diễn biến mực nước trạm thủy văn lưu vực sơng tỉnh Bình Định thu thập thể Hình Mực nước lớn trạm xuất vào ngày 04/12/2017, trùng với thời gian vệ tinh thu thập liệu Hình Biểu đồ mực nước trạm thủy văn [5] Hình thể kết xây dựng đồ ngập lụt ảnh viễn thám Sentinel-1 tỉnh Bình Định Kết tính tốn so sánh trước thời gian xuất lũ Hình 7, 8, 9, 10 trình bày chi tiết kết ngập lụt hạ lưu sông Kôn - Hà Thanh (thành phố Quy Nhơn), sơng La Tinh diện tích mặt nước hai hồ chứa lớn hồ Định Bình hồ Núi Một Hình Bản đồ lưu vực sơng trạm thủy văn tỉnh Bình Định Ngập Ngập Ngập Không ngập Không ngập Không ngập (a) Ngày 23/06/2017 (b) Ngày 26/11/2017 Hình Bản đồ ngập lụt tỉnh Bình Định (c) Ngày 04/12/2017 Ngập Ngập Ngập Không ngập Không ngập Không ngập (a) Ngày 23/06/2017 (b) Ngày 26/11/2017 Hình Bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Kôn – Hà Thanh (c) Ngày 04/12/2017 Nguyễn Quang Bình Ngập Ngập Khơng ngập Khơng ngập (a) Ngày 23/06/2017 (b) Ngày 26/11/2017 Hình Bản đồ ngập lụt hạ lưu sông La Tinh (c) Ngày 04/12/2017 Ngập Ngập Ngập Không ngập Không ngập Không ngập (a) Ngày 23/06/2017 (b) Ngày 26/11/2017 Hình Bản đồ diện tích mặt nước hồ Định Bình (a) (c) Ngày 04/12/2017 (c) Ngập Ngập Ngập Không ngập Không ngập Không ngập (a) Ngày 23/06/2017 (b) Ngày 26/11/2017 Hình 10 Bản đồ diện tích mặt nước hồ Núi Một (c) Ngày 04/12/2017 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển Theo kết phân tích, vùng bị ảnh hưởng lớn ngập lụt hạ lưu lưu vực sông gần cửa Đặc biệt hạ lưu lưu vực sơng Kơn – Hà Thanh, có diện tích phần lớn thuộc thành phố Quy Nhơn Kết hợp với liệu thu thập thủy văn trạm cho thấy mực nước trạm Thạnh Hòa lúc 10h55’, ngày 04/12/2017 thuộc sông Kôn 8,65m, báo động III 0,65m Độ sâu mực nước tương ứng với trạm Diêu Trì sơng Hà Thanh 4,35 m, báo động II 0,15 m Diện tích mặt nước hồ chứa lớn thay đổi không lớn trước trận lũ Kết hợp với liệu lượng mưa thu thập trạm nguyên nhân gây ngập lụt địa bàn tỉnh Bình Định từ ngày 25/11/2017 đến ngày 05/12/2017 xác định lượng mưa lớn tập trung hạ lưu cửa ra, đặc biệt hạ lưu lưu vực sông Kôn – Hà Thanh Nguyên nhân gây ngập lụt địa bàn tỉnh Bình Định từ ngày 25/11/2017 đến ngày 05/12/2017 xác định lượng mưa lớn tập trung khu vực hạ lưu Kết nghiên cứu hy vọng cung cấp thêm sở để hiệu chỉnh cho mơ hình thủy lực quyền việc xác định vùng bị ảnh hưởng ngập lụt Kết luận Nghiên cứu sử dụng thành công ảnh viễn thám Sentinel-1 Cơ quan Vũ trụ châu Âu kết hợp với mơ hình số độ cao SRTM để xây dựng đồ ngập lụt cho tỉnh Bình Định trận lũ lớn xảy năm 2017 Phương pháp cho thấy có nhiều thuận lợi bao gồm nguồn liệu miễn phí, thu thập phạm vi lớn, khơng phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, kết phân tích nhanh xác Việc khai thác ảnh làm giảm chi phí thời gian điều tra vết lũ Hướng tiếp cận mở cách thức việc khắc phục thiếu liệu vùng nghiên cứu Qua kết phân tích cho thấy vùng bị ảnh hưởng lớn ngập lụt chủ yếu hạ lưu lưu vực sông gần [4] A Twele, W Cao, S Plank, and S Martinis, “Sentinel-1-based flood mapping: A fully automated processing chain”, Int J Remote Sens., Vol 37, No 13, 2016, pp 2990-3004 [5] Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai Tìm kiếm cứu nạn tỉnh Bình Định, http://pcttbinhdinh.gov.vn/ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Tài nguyên Môi trường, Thông tư 51/2013/TT-BTNMT, Định mức kinh tế - kỹ thuật công tác điều tra lũ [2] Earth online, https://earth.esa.int/web/guest/missions/esaoperational-eo-missions/sentinel-1 [3] T K Chau, “Mapping extent of flooded areas using Sentinel-1 satellite image”, Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, Số 58, 9/2017, trang 78-82 [6] A Spatiale Européenne, Sentinel-1: ESA’s Radar Observatory Mission for GMES Operational Services, ESA communications production, 2012 [7] S.-1 Team, Sentinel-1 User Handbook, 2013 [8] T V A Lê Minh Hằng, “Nghiên cứu phương pháp trộn ảnh viễn thám siêu cao tần Sentinel-1 ảnh viễn thám quang học”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1, 2016, trang 18-27 [9] Đài khí tượng thuỷ văn - khu vực Nam Trung Bộ, “Đặc điểm khí hậu thủy văn tỉnh Bình Định, 2006 (BBT nhận bài: 06/02/2018, hồn tất thủ tục phản biện: 19/3/2018) ... xác định vùng bị ảnh hưởng ngập lụt Kết luận Nghiên cứu sử dụng thành công ảnh viễn thám Sentinel-1 Cơ quan Vũ trụ châu Âu kết hợp với mơ hình số độ cao SRTM để xây dựng đồ ngập lụt cho tỉnh Bình. .. Ngập Ngập Ngập Khơng ngập Khơng ngập Khơng ngập (a) Ngày 23/06/2017 (b) Ngày 26/11/2017 Hình Bản đồ ngập lụt tỉnh Bình Định (c) Ngày 04/12/2017 Ngập Ngập Ngập Không ngập Không ngập Không ngập (a)... nghiên cứu Sử dụng ảnh viễn thám Sentinel-1 để xây dựng đồ ngập lụt tỉnh Bình Định hai ngày 26/11/2017 vào lúc 22h35’ 04/12/2017 vào lúc 10h55’ mà vệ tinh thu thập Phạm vi ngập lụt so sánh với thời