Áp dụng công nghệ viễn thám và GIS nghiên cứu biến động đường bờ khu vực tỉnh bình thuận

Vì vậy tôi hy vọng đề tài “Áp dụng công nghệ viễn thám và GIS nghiên cứu biến động đường bờ khu vực tỉnh Bình Thuận” sẽ là cơ sở để từ đó tiến hành nghiên cứu về bản chất, nguyên nhân và

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

HOÀNG LÊ LONG

ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ KHU VỰC TỈNH BÌNH THUẬN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

HOÀNG LÊ LONG

ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ KHU VỰC TỈNH BÌNH THUẬN

Chuyên ngành: Bản đồ viễn thám và GIS

Mã số: 8440211.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch

Hà Nội - 2019

LỜI CẢM ƠN

ii

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS.Nguyễn Ngọc Thạch đã trực tiếp, tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện để tôi thực hiện thành công luận văn này

Đồng thời, tôi cũng xin gửi lời cám ơn tới các thầy cô bộ môn Bản đồ, viễn thám và GIS và các thầy cô khoa Địa lý trường Đại học tự nhiên – Đại học quốc gia

Hà Nội đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thiện luận văn

Do thời gian và trình độ còn nhiều hạn chế nên luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý tích cực của quý th ầy cô

và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn Xin chân thành cám ơn!

Hà nội, tháng 4 năm 2019

Hoàng Lê Long

iii

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 10

1 Tính cấp thiết của đề tài 10

2 Mục tiêu nghiên cứu 11

3 Nội dung nghiên cứu 11

5 Phạm vi nghiên cứu 12

6 Phương pháp nghiên cứu 12

7 Cơ sở tài liệu 13

8 Cấu trúc của luận văn: 14

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ 16

1.1 Tổng quan về biến động đường bờ 16

1.1.1 Một số khái niệm về đường bờ 16

1.1.2 Cơ sở để xác định đường bờ biển 18

1.1.3 Biến động đường bờ ở Việt Nam 22

1.2 Các phương pháp nghiên cứu biến động đường bờ 23

1.2.1 Phương pháp mô hình Bruun 23

1.2.2 Phương pháp GIS 25

1.2.3 Phương pháp viễn thám 26

1.2.4 Phương pháp chỉ số mức độ tổn thương bờ biển 33

1.2.5 Phương pháp địa mạo 34

1.3 Ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý trong nghiên cứu biến động đường bờ 35

1.3.1 Trên thế giới 35

1.3.2 Tại Việt Nam 38

1.4 Lựa chọn phương pháp sử dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý để đánh giá biến động đường bờ 44

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ VÀ NHỮNG TÁC ĐỘNG ĐẾN BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 46

2.1.Tổng quan về khu vực nghiên cứu 46

2.1.1 Điều kiện tự nhiên 46

2.1.1.1 Vị trí địa lý 46

iv

2.1.1.2 Đặc điểm địa hình, địa chất, địa mạo 47

2.1.1.3 Đặc điểm về khí hậu 48

2.1.1.4 Đặc điểm về thủy văn-hải văn 49

2.1.1.5 Tài nguyên khoáng sản 51

2.1.2 Đặc điểm kinh tế, văn hóa xã hội 52

2.1.3 Hiện trạng xây dựng, sử dụng các công trình ven biển 54

2.2 Những tác động làm gia tăng biến động đường bờ khu vực nghiên cứu 59

2.2.1 Tác động của thủy triều 59

2.2.2 Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu 59

2.2.3 Tác động của con người 61

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀO CÁC GIAI ĐOẠN 2003- 2010-2018 63

3.1 Xử lý ảnh và thành lập bản đồ biến động đường bờ 63

3.1.1 Tiền xử lý ảnh 63

3.1.1.1 Nắn chỉnh hình học 63

3.2.1.2 Cắt ảnh và tổ hợp màu tự nhiên 64

3.1.2 Phân loại ảnh 66

3.1.3 Vector hóa 68

3.1.4 Tính toán biến động 69

3.1.5 Thành lập bản đồ biến động 71

3.2 Kết quả nghiên cứu 75

3.2.1 Tình hình biến động đường bờ TP Phan Thiết 75

3.2.2 Nguyên nhân và cơ chế bồi tụ - xói lở bờ biển 82

3.2.3 Giải pháp phòng chống sạt lở bờ biển TP Phan Thiết 86

3.2.4 Dự báo xu thế bồi tụ - xói lở bờ biển TP Phan Thiết 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

GIS Geographic Informations System – Hệ thống thông tin Địa lý MNDWI Modified Normalized Difference Wate Index

NDVI Normalised Difference Vegetation Index

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

2.1 Thông báo Quốc gia về biến đổi khí hậu ở Việt Nam (so với năm

2.2 Nguy cơ nước dâng do bão và mực nước tổng cộng trong bão cho

3.1 Sai số đối với nắn ảnh hình học ảnh SPOT5 63

3.2 Bảng tổng hợp diện tích bồi tụ và xói lở bở biển TP Phan Thiết

Ảnh chụp tại Rạch Gốc, xã Tân An, huyện Ngọc Hiển, Cà Mau

cho thấy, sau 15 năm, bờ biển khu vực này bị xói lở khoảng 1km

(Vũ Văn Phái)

17 1.3 Số liệu thủy triều ngày 29/12/2003 từ phần mềm wxtide32 18 1.4 Số liệu thủy triều ngày 31/5/2010 từ phần mềm wxtide32 18 1.5 Số liệu thủy triều ngày 18/5/2018 từ phần mềm wxtide32 18 1.6 Độ dốc và khoảng cách đường mép nước với vị trí tác động cao

nhất của sóng tại thời điểm thu ảnh 2003 đoạn Hòn Rơm-Mũi Né 19 1.7 Độ dốc và khoảng cách đường mép nước với vị trí tác động cao

nhất của sóng tại thời điểm thu ảnh 2003 đoạn Hàm Tiến 20 1.8 Độ dốc và khoảng cách đường mép nước với vị trí tác động cao

nhất của sóng tại thời điểm thu ảnh 2003 đoạn Đồi Dương 20 1.9 Độ dốc và khoảng cách đường mép nước với vị trí tác động cao

nhất của sóng tại thời điểm thu ảnh 2003 đoạn Tiến Thành 20 1.10 Đường bờ lựa chọn theo các năm (Từ trái qua phải:

1.13 Sơ đồ phân tích DSAS cho một đoạn bờ của huyện Vĩnh Châu,

viii

1.20 Ảnh vệ tinh đa thời gian khu vực cửa Tư Hiền, Thừa Thiên Huế 39 1.21 Biến động đường bờ khu vực Hàm Tiến, Phan Thiết 40 1.22 Kết quả xác đi ̣nh biến động đường bờ hồ Núi Cốc giai đoa ̣n 1993 –

1.26 Sơ đồ các bước đánh giá biến động đường bờ được sử dụng 44

2.2 Đặc điểm địa mạo khu vực nghiên cứu (Nguyễn Ngọc Thạch) 47 2.3 Phân bố dòng chảy mặt mùa đông ( tháng 12 /2015 ) và bản đồ độ

2.9 Khối bê tông TETRAPOD bảo vệ cửa sông, cửa cảng 57 3.1 Các bước thành lập bản đồ biến động đường bờ từ ảnh vệ tinh 62

3.4 Ảnh Sentinel-2 năm 2017 khu vực nghiên cứu 65 3.5 Ảnh SPOT 2003 khu vực nghiên cứu sau khi phân loại 66 3.6 Ảnh SPOT 2010 khu vực nghiên cứu sau khi phân loại 67 3.7 Ảnh Sentinel-2 2018 khu vực nghiên cứu sau khi phân loại 67

ix

3.9 So sánh đường bờ năm 2010, 2018 và xác định vùng biến động 69 3.10 Bản đồ biến động đường bờ thành phố Phan Thiết 2003-2010 71 3.11 Bản đồ biến động đường bờ thành phố Phan Thiết 2010-2018 72 3.12 Bản đồ biến động đường bờ thành phố Phan Thiết 2003-2018 73 3.13 Biến động đường bờ khu vực Hòn Rơm – Mũi Né 2003-2010-2018 75

3.15 Biến động đường bờ Hàm Tiến - Cảng Phan Thiết

3.17 Đoạn bờ bị xói lở tại bãi biển Đồi Dương nhìn từ Google Earth 77

3.19 Sự thay đổi ở khu vực cửa sông Phú Hài năm 2003-2018 78

3.21 Sự thay đổi ở cảng Phan Thiết – Cửa sông Cà Ty năm 2003-2018 79

3.23 Biến động đường bờ xã Tiến Thành 2003-2010-2018 80 3.24 Khu vực xói lở xã Tiến Thành nhìn từ Google Earth 80 3.25 Một số hình ảnh xói lở tại khu vực bờ biển xã Tiến Thành 81

10

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Biến động đường bờ là diễn biến địa chất cơ bản ở vùng ven biển, trong đó bao gồm cả quá trình xâm thực và bồi tụ Hoạt động xói lở, bồi tụ bờ biển ngày càng phức tạp, ảnh hưởng lớn đến môi trường sinh thái biển cũng như rừng ng ập mă ̣n Bên cạnh đó, xói lở bờ biển xảy ra đã phá hủy nhiều công trình xây dựng, khu dân

cư, đường giao thông và làm mất đi nhiều diện tích đất canh tác Bồi tụ bờ biển gây

ra sa bồi luồng tàu, bến cảng, bồi lấp cửa sông, làm giảm đi khả năng thoát lũ, gây ngập úng trên diện rộng Tuy nhiên, bồi tụ bờ biển đã tạo nên những vùng bãi bồi quý giá, cần phải được khai thác Hiện nay, hiện tượng xói lở, bồi tụ bờ biển là mối

lo ngại sâu sắc và là vấn đề cấp thiết cần nghiên cứu, giải quyết ở các tỉnh ven biển Việt Nam

Bình Thuận là tỉnh duyên hải cực Nam Trung Bộ Việt Nam, có mối liên hệ chặt chẽ với vùng Đông Nam Bộ và nằm trong khu vực ảnh hưởng cuả Địa Bàn Kinh tế trọng điểm phía Nam, với bờ biển dài 192km từ mũi Đá Chẹt giáp Cà Ná (Ninh Thuận) đến bãi bồi Bình Châu (Bà Rịa – Vũng Tàu) Bình Thuận là vùng phát triển kinh tế - xã hội hết sức năng động với nhiều trung tâm du lịch, các khu dân cư

đô thị (Phan Thiết - Mũi Né, Hòm Rơm - Suối Nước, Tiến Thành - Hàm Thuận Nam…), cảng biển ( Cảng Phan Thiết, La Gi…) và nhiều cơ sở hạ tầng khác Biển Bình Thuận là một trong 3 ngư trường lớn nhất của Việt Nam với diện tích vùng lãnh hải: 52.000 km² Đặc biệt dải ven biển còn là vùng giầu tiềm năng tự nhiên, đa dạng sinh học với nhiều hệ sinh thái quan trọng Tuy nhiên, trong những năm gần đây, do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và các nguyên nhân khác, đường bờ biển khu vực Bình Thuận, đặc biệt là TP Phan Thiết có những diễn biến hết sức phức tạp, trong đó có c ả xói lở và bồi tụ, ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống sinh hoạt của người dân cũng như sự phát triển kinh tế khu vực Trước tình hình trên, việc nghiên cứu, đánh giá biến động đường bờ ở vùng ven biển Bình Thuận, đặc biệt là TP Phan Thiết là cần thiết, cung cấp thông tin và cơ sở khoa học giúp các nhà quản lý đưa ra các biện pháp nhằm giám sát và bảo vệ môi trường sinh thái ven biển

Cho đến nay, đã có nhi ều công trình nghiên cứu sự biến động đường bờ với

Vì vậy tôi hy vọng đề tài “Áp dụng công nghệ viễn thám và GIS nghiên cứu biến động đường bờ khu vực tỉnh Bình Thuận” sẽ là cơ sở để từ đó tiến hành nghiên cứu về bản chất, nguyên nhân và đưa ra dự báo về khả năng xảy các hiện tượng này trong tương lai, giúp cho việc phòng chống, giảm thiểu các thiệt hại có thể gây ra và xây dựng quy hoạch để đưa vào sử dụng các vùng bãi bồi một cách hợp lý và có hiệu quả

2 Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá tình hình biến động đường bờ biển TP Phan Thiết – Bình Thuận qua các giai đoạn 2003-2010 và 2010-2018 từ ảnh viễn thám đa thời gian

3 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được những mục tiêu trên, trong đề tài cần nghiên cứu các nội dung sau:

- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

- Thu thập, tiền xử lý ảnh vệ tinh SPOT5 giai đoạn 2003-2010 và ảnh vệ tinh Sentinel-2 2018

- Chiết tách đường bờ và thành lập bản đồ biến động đường bờ khu vực nghiên cứu giai đoạn 2003-2010, 2010-2018

- Khảo sát, điều tra thực địa bổ sung về biến động đường bờ biển khu vực nghiên cứu

- Phân tích, đánh giá biến động đường bờ, chỉ ra nguyên nhân gây xói lở và bồi tụ bờ biển khu vực nghiên cứu giai đoạn 2003 - 2010, 2010 - 2018

- Dự báo xu thế biến động đường bờ biển Bình Thuận trong những năm tới và

12

đề xuất các giải pháp

4 Ý nghĩa nghiên cứu

- Phục vụ công tác hỗ trợ trong công tác phòng tránh, giảm thiểu các thiệt hại

do thiên nhiên, do các hoạt động của con người gây ra

- Làm cơ sở để đánh giá và góp ý kiến cho các ngành, các cấp trong các lĩnh vực phát triển kinh tế - xã hội liên quan đến lĩnh vực quản lý nhà nước về vùng biển của địa phương

6 Phương pháp nghiên cứu

6.1 Phương pháp thu thập, thống kê, phân tích tổng hợp

Bản chất của phương pháp này là thu thập, xử lý, phân tích và đánh giá tổng hợp các tài liệu liên quan, từ đó thành lập ra bản đồ biến động đường bờ Các tài liệu này là các nghiên cứu trong và ngoài nước về đánh giá biến động đường bờ từ ảnh viễn thám, số liệu thống kê theo dõi hàng năm hoặc là kết quả công bố của các công trình, dự án nghiên cứu trước đó, ảnh vệ tinh các thời kì và bản đồ địa hình 1:25000

13

6.2 Phương pháp khảo sát thực địa

Phương pháp này được sử dụng cho một số khu vực cụ thể, khi mà sự biến động đường bờ diễn ra phức tạp, đặc biệt là tại những khu vực đã được gia cố xây thêm kè phòng chống xói lở đường bờ

6.3 Phương pháp viễn thám

Đây là phương pháp chính sử dụng trong luận văn, bản chất của phương pháp này là việc xác định và so sánh hiện trạng đường bờ biển có trên ảnh vệ tinh viễn thám đa thời gian (ảnh đã được nắn chỉnh hình học với độ chính xác cao); từ đó xác lập trạng thái và vị trí không gian của chúng theo từng cặp thời gian kế tiếp nhau

- Bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1: 50.000 dạng số trong Hê ̣ quy chiếu quốc gia VN-2000, lưới chiếu UTM, múi chiếu 6 độ, múi chiếu 49 gồm 3 mảnh bản đổ có khoảng cao đều đường bình độ cơ bản 10m, 20m; khoảng sâu đều đường đẳng sâu

cơ bản 2m, 5m với các phiên hiệu như sau: C-49-25-A, C-49-25-B, C-49-25-C được thành lập tại Trung tâm Trắc địa Bản đồ Biển năm 2008, 2009 theo các tài liệu: Phần đất liền lấy từ Bản đồ số do Nhà xuất bản Bản đồ hoàn thiện dữ liệu số hóa năm 2004; Phần địa hình đáy biển và các yếu tố liên quan được đo vẽ tại Trung tâm Trắc

14

địa biển năm 2009; Địa giới hành chính được hiện chỉnh theo tài liệu 364/CT tại thời điểm năm 2004

7.2 Tài liệu viễn thám

Ảnh viễn thám đa thời gian là loại tài liệu chính dùng để thành lập bản đồ biến động đường bờ Các loại ảnh được sử dụng để chiết xuất các thông tin đường

bờ biển theo thời gian được đánh giá theo thời kỳ các năm: 2003, 2010, 2018

- Thời kỳ năm 2003 và 2010 sử dụng 1 cảnh ảnh SPOT5 của Pháp:

7.3 Các tài liệu khác

Các báo cáo nghiên cứu, đánh giá về biến động đường bờ biển TP Phan Thiết, tỉnh Bình Thuận trong các giai đoạn trước đây của các ngành, lĩnh vực nghiên cứu về địa chất, hải dương học, động lực biển, dòng hải lưu, thủy triều liên quan đến bờ biển

8 Cấu trúc của luận văn:

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm 3 chương:

PHẦN MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ VÀ ỨNG DỤNG

CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ

15

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI VÀ NHỮNG TÁC

ĐỘNG ĐẾN BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ KHU VỰC NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ VÀO CÁC

GIAI ĐOẠN 2003 - 2010 - 2018

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

16

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ

1.1 Tổng quan về biến động đường bờ

1.1.1 Một số khái niệm về đường bờ

Hiện nay, cả trên thế giới cũng như ở Việt Nam, một số khái niệm được sử dụng trong nghiên cứu bờ biển còn được hiểu rất khác nhau giữa các nhà khoa học cũng như các nhà quản lý Theo hướng vuông góc với hướng đường bờ, một trắc diện bao gồm 4 bộ phận: bờ biển (coast), bãi biển (beach), đới gần bờ (nearshore) và đới ngoài khơi (hoặc đới sườn bờ ngập nước, sườn bờ ngầm, offshore) (hình 1.1)

[21]

Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn các thuật ngữ về bờ biển

Bờ biển (Coast) là một dải đất có chiều rộng không xác định mở rộng từ

đường bờ vào sâu trong đất liền tới sự thay đổi đầu tiên về địa hình Các vách, các cồn cát tiền tiêu, hoặc đường thực vật có mặt thường xuyên Trên các bờ có các đảo/cồn chắn (barrier), một tổ hợp đầm phá sau barrier, bãi lầy, lạch triều cũng được xem là một phần của bờ Trên các vùng đồng bằng châu thổ (delta), ranh giới về phía đất liền khó xác định hơn Còn ranh giới về phía biển vươn tới vị trí mức sóng

bão - đó chính là đường bờ trong (coastline) Trên các đoạn bờ dốc đứng, thì đường

17

bờ trong và đường bờ ngoài (shoreline) có thể trùng nhau Theo Bách khoa Toàn thư

về Địa lý Xô-Viết, thì bờ biển là một dải hẹp gồm có cả bãi biển chạy dọc theo đường bờ có giới hạn về phía biển là đường mực triều thấp nhất

Bãi biển (beach) là một tích tụ trầm tích bở rời , như cát, cuội sỏi hoă ̣c tảng ,

đôi khi nằm tại bờ sau, nhưng thường mở rộng qua cả bờ nước Một số bãi mở rộng xuống dưới tới mực thủy triều thấp trên các bãi cuội bãi đá thường được mài mòn tốt Bãi biển được mở rộng từ đường nước thấp về phía đất liền tới vị trí tác động của sóng bão (đường bờ trong) Đây là phần mặt đất được lộ ra và bị ngập bởi thủy triều hoặc sóng, hoặc là đới nằm giữa mực nước cao và mực nước thấp Bãi biển có

thể tương đương với đới triều Bãi có thể được chia thành 2 đới: bờ/bãi sau (backshore) và bờ/bãi trước (foreshore) Bãi trước có thể tương đương với đới triều

(littoral zone) Bãi sau được phân bố trong phạm vi giữa đường bờ trong và đường

bờ ngoài và gần như nằm ngang, trong khi đó bãi trước lại nghiêng về phía biển

Đường bờ biển (shoreline): Theo quan niệm chung, đường bờ biển là ranh

giới tiếp xúc giữa biển và đất liền Đường này luôn dịch chuyển theo sự dao động của mực nước biển theo chu kỳ ngắn (thủy triều), chu kỳ dài (chu kỳ thiên văn) hoặc không theo chu kỳ Tuy nhiên để nghiên cứu biến động đường bờ biển cần phải xác

định rõ 2 đường bờ: đường bờ trong và đường bờ ngoài Đường bờ trong (coastline)

là ranh giới tác động cao nhất của sóng trong năm (thường là sóng bão) với đất liền;

hoặc đơn giản hơn, là đường ranh giới giữa bờ và bãi, hoặc giữa đất và nước Đường

bờ ngoài là đường giao nhau giữa mặt nước với bãi biển nằm ở vị trí mực nước cao

trung bình

Biến động đường bờ đó là sự thay đổi vị trí đường bờ theo không gian và thời

gian Có hai dạng một là biến đổi đường bờ do quá trình tích tụ: hiện tượng đường

bờ biển lấn dần ra phía biển Còn quá trình xói lở: hiện tượng đường bờ biển lấn dần

về phía lục địa và có hai hiện tượng xói lở: xói lở bãi và xói lở đường bờ [6, 21]

Biến động địa hình bờ biển , đă ̣c biệt là do xói lở bờ, có tác động rất lớn đến các cộng đồng dân cư và các hệ sinh thái ven bờ trên toàn thế giới Nghiên cứu biến động địa hình bờ biển , thực chất, là nghiên cứu các quá trình địa mạo bờ nhằm tìm

ra những đă ̣c điểm hình thái và động lực hiện nay , lịch sử tiến hóa trong quá khứ và

18

dự báo xu hướng phát triển của nó trong tương lai Cũng như trên đất liền, hoạt động của các quá trình địa mạo ở bờ biển được biểu hiện cụ thể ở sự hình thành một dạng địa hình nào đó (quá trình xây dựng - tích tụ) hoă ̣c ở sự phá hủy một thành tạo địa hình khác (quá trình phá hủy - xói lở) dưới tác động của rất nhiều nhân tố động lực khác nhau từ phía biển cũng như từ phía lục địa , cả các nhân tố tự nhiên cũng như các tác động của con người Xói lở và bồi tụ là hai mă ̣t đối lập trong một quá trình địa mạo gây nên tình trạng biến đổi hình thái bờ biển

Trong mấy chục năm gần đây, trên khắp thế giới, hiện tượng xói lở bờ biển

đã trở thành vấn đề rất nghiêm trọng và chiếm ưu thế hơn hẳn so với bồi tụ và được các quốc gia có biển, các tổ chức khoa học và nhiều nhà khoa học quan tâm Ngày nay, nhiều nước, nhiều nhà quản lý , nhà hoạch định chính sách , nhà khoa học đều thừa nhận rằng , các kết quả nghiên cứu biến động địa hình (nghĩa là các quá trình địa mạo) cả trên đất liền cũng như ở bờ biển là một trong những nguồn tài liệu quan trọng để xây dưng quy hoạch phát triển và quản lý môi trường đới bờ biển

Hình 1.2 Ảnh chụp tại Rạch Gốc, xã Tân An, huyện Ngọc Hiển, Cà Mau cho thấy, sau 15 năm, bờ biển khu vực này bị xói lở khoảng 1km (Vũ Văn Phái)

1.1.2 Cơ sở để xác định đường bờ biển

Dựa vào số liệu thủy triều thu được từ trạm khí tượng Phan Thiết vào thời

19

điểm thu ảnh cùng với tra cứu phần mềm wxtide32, tôi đƣa ra nhận xét nhƣ sau:

Thủy triều vùng ven biển Bình Thuận khá phức tạp, nằm trong khu vực chuyển tiếp giữa chế độ nhật triều không đều ở phía Bắc (tiêu biểu là Qui Nhơn) và bán nhật triều không đều ở phía Nam (Vũng Tàu) Dao động triều khoảng 2m

Hình 1.3 Số liệu thủy triều ngày 29/12/2003 từ phần mềm wxtide32

Hình 1.4 Số liệu thủy triều ngày 31/5/2010 từ phần mềm wxtide32

Hình 1.5 Số liệu thủy triều ngày 18/5/2018 từ phần mềm wxtide32

3:22:30(GMT) 18/5/2018

Do tại thời điểm thu ảnh tại 2 thời kì 2010 và 2018 không có mưa bão hay gió lớn, mức thủy triều là xấp xỉ nhau và xấp xỉ với mức thủy triều cao nhất, nên tôi lựa chọn đường bờ biển để nghiên cứu là đường ranh giới giữa đất và nước

Tại thời điểm thu ảnh năm 2003, mức thủy triều thấp hơn 2 thời kì 2010,

2018 khoảng 1.6-1.7m Do vậy nếu lấy đường bờ tại thời điểm năm 2003 là ranh giới giữa nước và đất thì sẽ có sai số rất lớn Dựa vào bản đồ địa hình đáy biển 1:50.000 khu vực TP Phan Thiết thu thập được tôi đưa ra nhận xét như sau:

- Sau khi tính toán độ dốc từng đoạn trong khu vực nghiên cứu và khoảng cách giữa đường mép nước với đường ranh giới của đất và mức sóng tác động cao nhất tại thời điểm thu ảnh tôi nhận thấy vị trí tác động cao nhất của sóng này khá trùng với đường ranh giới đất và nước ứng với mức thủy triều ~3m ( sai lệch ~2-5m)

- Do đó, tại thời điểm năm 2003, đường bờ tôi lựa chọn để nghiên cứu là đường tương ứng với vị trí tác động cao nhất của sóng tại thời điểm thu ảnh

Hình 1.6 Độ dốc và khoảng cách đường mép nước với vị trí tác động cao nhất của

sóng tại thời điểm thu ảnh 2003 đoạn Hòn Rơm – Mũi Né

21

Hình 1.7 Độ dốc và khoảng cách đường mép nước với vị trí tác động cao nhất của

sóng tại thời điểm thu ảnh 2003 đoạn Hàm Tiến

Hình 1.8 Độ dốc và khoảng cách đường mép nước với vị trí tác động cao nhất của

sóng tại thời điểm thu ảnh 2003 đoạn Đồi Dương

Hình 1.9 Độ dốc và khoảng cách đường mép nước với vị trí tác động cao nhất của

sóng tại thời điểm thu ảnh 2003 đoạn Tiến Thành

22

Hình 1.10 Đường bờ lựa chọn theo các năm ( Từ trái qua phải: 2003,2010,2018)

1.1.3 Biến động đường bờ ở Việt Nam

Xói lở bờ biển ở nước ta có 3 nhóm nguyên nhân chính gồm: Nhóm nguyên nhân nội sinh (hoạt động kiến tạo, cấu trúc địa chất); Nhóm nguyên nhân ngoại sinh (Sóng, dòng chảy, bão…); Nhóm nguyên nhân do hoạt động của con người (công trình thủy lợi, khai thác khoáng sản, chặt phá rừng…)

Số liệu tại Báo cáo quốc gia về "Ðánh giá xói lở bờ biển Việt Nam" của Bộ TN&MT năm 2013 cho thấy, hiện trạng xói lở đang diễn ra nghiêm trọng với quy

mô, cường độ ngày càng tăng Các khu vực bị xói lở nghiêm trọng nhất tập trung ở các tỉnh như: TP Hải Phòng (ở các đoạn: Cát Hải, Bằng La), Thụy Xuân (Thái Bình), Xuân Thủy, Hải Hậu (Nam Định), Thanh Hóa, Thừa Thiên Huế, Quảng Ngãi, Quảng Nam, Phú Yên, Bình Thuận

Quá trình xói lở diễn ra ở hầu hết các kiểu kiến tạo: sỏi cát, bùn sét, bùn, cát… song chủ yếu vẫn là bờ cát chiếm đến 94% tổng số đoạn bị xói lở Ðiều đáng

lo ngại, hiện nay, đã có 121 đoạn bờ có công trình phòng hộ (như đê, kè, trồng cây) nhưng tình trạng xói lở vẫn diễn ra thường xuyên Ở cấp độ địa phương, tại một số tỉnh như Thanh Hóa có 18,1 km bị xói lở, tốc độ xói lở trung bình từ 15 đến 30 m/năm, khu vực xói lở mạnh nhất là Hoằng Hóa, Hậu Lộc và Sầm Sơn; tỉnh Quảng Bình, có 50 km bị xói lở; tỉnh Quảng Trị có 34 km bị xói lở

Theo số liệu thống kê 2017, cả nước có 284 đoạn bị xói lở, trong đó, có 81 đoạn bị xói lở dài từ 200 – 1000m, 57 đoạn dài 1.000 – 2.000m, 47 đoạn dài 2.000 –

23

6.000m, 12 đoạn bị xói lở dài hơn 6.000m; tốc độ xói lở thay đổi từ 0,2 – 0,4 m/năm đến 100 – 150 m/năm, thậm chí, đạt tới 250 m/năm ở Đức Lợi (Quảng Ngãi) Ðiển hình như những tháng cuối năm 2015, vùng bờ biển Hội An biến động sạt lở nghiêm trọng, dãy cát ven biển bị nước biển xâm thực, cuốn trôi khoảng 25ha Riêng tuyến đường ven biển Âu Cơ ở khu vực biển Cửa Đại bị sạt lở hơn 160m, hiện chỉ cách biển khoảng 40m Biển xâm thực mạnh khiến nhiều điểm du lịch, nghỉ dưỡng, khu dân cư bị xói lở và ảnh hưởng nghiêm trọng

Trong mấy chục năm trở lại đây, cả miền Trung bị xói lở 8.840 ha và đang diễn ra hết sức đáng lo ngại Về bồi tụ, khu vực bờ biển Trung Bộ có 186 đoạn bờ được bồi tụ có diện tích từ 2,7 - 5,5 ha đến 262 - 342 ha; tổng diện tích được bồi tụ

bờ biển Trung Bộ mấy chục năm gần đây là 5.200 ha

Trong khi đó biến động bờ biển của các tỉnh Nam Bộ thể hiện rất phức tạp bởi quá trình bồi tụ và xói lở Tốc độ xói lở lớn nhất đạt tới 126,6 m/năm trên bờ cấu tạo bằng bùn sét (phía bắc huyện An Minh, tỉnh Kiên Giang) và thấp nhất trên bờ cấu tạo bằng đá gắn kết (0,05 m/năm Mũi Nai, Kiên Giang) Tốc độ bồi tụ lớn nhất

là 67,8 m/năm ở bờ biển huyện Ba Tri, Bến Tre và 66,0 m/năm ở xã Viên An, huyện Ngọc Hiển, Cà Mau [41]

1.2 Các phương pháp nghiên cứu biến động đường bờ

1.2.1 Phương pháp mô hình Bruun

Mô hình được đưa ra để dự báo biến động bờ biển do mực nước biển dâng lên trên các bờ cát đã được Bruun đưa ra váo năm 1962 và 1988 và thường được gọi

là “quy tắc Bruun” [40] Mô hình này xem xét sự phản ứng đường bờ theo 2 chiều (thẳng đứng và nằm ngang) đối với dâng lên của mực nước biển Giả định cơ bản của mô hình này là, theo thời gian, hình dạng trắc diện ngang của bãi luôn duy trì dạng cân bằng động Kèm theo đó có 4 giả định được bổ sung thêm cho mô hình này là:

- Bãi biển phía trên bị xói lở do sự dịch chuyển về phía đất liền;

- Vật liệu bị xói lở từ phần trên của bãi được vận chuyển ra ngoài khơi và tích

tụ ở đó; khối lượng vật liệu bị xói lở của bãi bằng khối lượng vật liệu tích tụ ở phía dưới;

24

- Sự nâng lên của đáy biển gần bờ do tích tụ bằng sự dâng lên của mực nước biển để duy trì độ sâu của nước

- Gradient trong vận chuyển dọc bờ là không đáng kể

Về mặt toán học, mô hình này được mô tả như sau:

sự thay đổ đường bờ biển (được biểu thị theo giá trị tgα), thì biểu thức trên có thể

25

1.2.2 Phương pháp GIS

GIS có tọa độ không gian, gắn với vị trí của từng đối tượng trên bề mặt trái đất Hơn nữa, bằng chức năng phân tích và xử lý không gian, GIS cho phép phát hiện, xác định mọi loại hình biến động một cách chính xác về cả chất lượng và số lượng, theo cả không gian của thế giới thực [11]

Hình 1.12 Sơ đồ phân tích biến động bằng GIS Sản phẩm của GIS trong nghiên cứu biến động bao gồm cả đồ thị, các thông

số và đặc biệt là các bản đồ có tọa độ địa lý thưc Nghĩa là GIS có khả năng theo dõi

sự biến động theo thời gian thực và không gian thực, điều mà phân tích thống kê không đáp ứng được

Vị trí đường bờ biển từ xử lý dữ liệu viễn thám được chuyển đổi định dạng sang GIS Chồng hai lớp đường bờ tại hai thời điểm khác nhau trong chức năng phân tích không gian của GIS cho phép tính toán diện tích (A) và chiều dài (L) biến động của đường bờ biển[16] Tốc độ biến động trung bình (R) của đường bờ biển được xác định bằng công thức sau:

R (m/năm) = A(m2)/L(m)]/T(năm) (1.3)

T là khoảng thời gian đánh giá biến động, thường T có đơn vị tính bằng năm Ngoài ra còn có phương pháp hệ thống phân tích số đường bờ (DSAS-Digital Shoreline Analysis System) được tích hợp trên ArcGIS đã được Cục Địa chất Hoa

Kỳ sử dụng từ năm 2008 Mục đích của phương pháp này là phân tích lịch sử tiến hóa đường bờ biển [21] Nội dung của phương pháp này gồm các bước:

B1: Thiết lập các đường bờ dựa trên các bản đồ hoặc ảnh viễn thám của các

26

thời kỳ khác nhau;

B2: Vẽ đường cơ sở (là một đường nằm song song với đường bờ biển); B3: vẽ các mặt cắt cách đều nhau dọc theo đường bờ, cắt qua các đường bờ được thiết lập ở bước 1 và vuông góc với đường cơ sở;

B4: Tính toán khoảng cách biến động theo các mặt cắt;

Hình 1.13 Sơ đồ phân tích DSAS cho một đoạn bờ của huyện Vĩnh Châu, tỉnh Sóc

Trăng

1.2.3 Phương pháp viễn thám

Để đánh giá biến động bờ biển trong tương lai người ta phải dựa vào tốc độ biến động đường bờ trên cơ sở thay đổi vị trí của nó theo thời gian Do đó, trước hết cần phải thiết lập được các đường bờ biển trong lịch sử Các tài liệu có thể giúp xác lập các đường bờ qua các thời kỳ khác nhau là các bản đồ, ảnh hàng không và ảnh viễn thám Nguyên tắc chung của phương pháp này là ảnh viễn thám các giai đoạn sau khi tiền xử lý ( hiệu chỉnh khí quyển, nắn chỉnh hình học, tăng cường chất lượng ảnh…) sẽ chiết tách đường bờ rồi sau đó được chồng lên nhau để xác định biến động Một số phương pháp chiết tách đường bờ hay được sử dụng như:

a Phương pháp tổ hợp màu

Tổ hợp màu (bands combination) là một trong những phương pháp đơn giản nhất dựa trên việc tổ hợp các kênh ảnh ở các dải phổ khác nhau để tạo sự tương phản ranh giới giữa đất liền và nước

Trong phân tích, xử lý ảnh viễn thám, kỹ thuật đầu tiên được sử dụng để tạo

27

ranh giới đường bờ là tổ hợp màu Các phương pháp tổ hợp màu để xác định đường

bờ thường sử dụng kênh ảnh ở dải sóng c ận hồng ngoại (NIR) và hồng ngoại giữa (MIR) do ở các bước sóng này, năng lượng bức xạ bị nước hấp thụ rất lớn Phương pháp tổ hợp màu tốt nhất để tạo sự tương phản rõ rệt giữa đất và nước là tổ hợp màu RGB (Red – Green – Blue) gồm 3 kênh ảnh: hồng ngoại trung bình (MIR), cận hồng ngoại (NIR), đỏ (RED) Đối với ảnh Landsat 5 TM và 7 ETM+ các kênh ảnh này tương ứng với kênh 5, kênh 4 và kênh 2, trong khi đó với ảnh Landsat 8 sử dụng các kênh 6, kênh 5 và kênh 3 Trên tổ hợp màu này, nước tương phản rất rõ rệt với đất liền và được đă ̣c trưng b ởi màu xanh đen Mă ̣c dù rất đơn giản nhưng phương pháp

tổ hợp màu cũng có như ợc điểm lớn là không thể tự động tách ranh giới giữa đất và nước, việc xác định đường bờ phải sử dụng phương pháp thủ công Điều này cũng ảnh hưởng đến độ chính xác kết quả đánh giá biến động đường bờ do kết quả chiết tách thông tin đường bờ phụ thuộc kinh nghiệm và khả năng của người xử lý ảnh [18] Ví dụ về tổ hợp màu 542 đối với ảnh LANDSAT 7 ETM+ chụp ngày 16 – 01 –

2001 và 14 – 01 – 2009 khu vực ven biển Cà Mau:

Hình 1.14 Tổ hơ ̣p màu RGB=542 ảnh Landsat khu vực ven biển Cà Mau

b Phương pháp phân ngưỡng

Phương pháp phân ngưỡng (threshold) là phương pháp xử lý s ố phân đoạn ảnh hay tách ảnh làm hai lớp tách biệt nhau bởi một giá trị ngưỡng (threshold) cho trước Đây là kĩ thuật xử lý đơn giản và được sử dụng rất rộng rãi trong các phương

28

pháp phân vùng ảnh Ảnh được xử lý chia ra một lớp có giá trị nhỏ hơn mức độ xám của ngưỡng xác định và lớp kia có giá tr ị cao hơn Kết quả thu được là một ảnh số với 2 giá trị khác nhau Có thể gán giá trị 0 cho một lớp ảnh (đối tượng không quan tâm) và 1 cho lớp ảnh còn lại

Cơ sở toán học của phương pháp phân ngưỡng được hiểu như sau: quá trình

xử lý ngưỡng là quá trình so sánh ảnh với hàm số T = T[x, y, p(x,y), f(x,y)], ở đây f(x,y) - giá trị độ xám tại điểm (x, y); p(x, y) - hàm biểu diễn tính chất của vùng ảnh lân cận điểm (x, y), ví dụ giá trị mức xám trung bình của vùng ảnh có tâm là (x, y);

Kết quả so sánh được tổng hợp trên ảnh g(x, y) theo quy luật sau:

Nếu ngưỡng T chỉ phụ thuộc vào f(x,y) và không thay đổi trong toàn bộ quá trình xử lý ảnh thì gọi là ngưỡng toàn cục Nếu ngưỡng T phụ thuộc vào tọa độ không gian (x, y) gọi là ngưỡng cục bộ Nếu ngưỡng cục bộ T phụ thuộc vào p(x, y) (hay T thay đổi theo tính chất của từng vùng ảnh) thì gọi là ngưỡng thích nghi

Phương pháp phân vùng theo ngưỡng toàn cục (global thresholding) là phương pháp xử lý rất đơn giản khi tách ảnh thành 2 lớp với mức ngưỡng T Mức độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc tính chất của ảnh (ví dụ: phân chia nước – đất liền, ) Cách chọn ngưỡng toàn cục dựa trên cơ sở phân tích lược đồ (histogram) của ảnh bằng mắt người quan sát

Nhìn chung, phương pháp phân ngưỡng là một phương pháp đơn giản và tỏ

ra tương đối hiệu quả trong xác định ranh giới nước – đất liền do có s ự tương phản khá rõ rệt giữa chúng trên ảnh vệ tinh Mă ̣c dù v ậy, độ chính xác của kết quả tách ranh giới nước – đất liền phụ thuộc vào ngưỡng được chọn cũng như kinh nghiệm, khả năng của người sử dụng Trong thực tế, phương pháp phân ngưỡng chỉ được dùng như một bước trong các thuật toán tách ranh giới nước – đất liền [13,21]

29

Hình 1.15 Ảnh LANDSAT 7 kênh 4 (a), kênh 1 (b) và ảnh sau khi xử lý ngưỡng (c)

khu vực hồ núi Cốc (04/11/2000)

c Phương pháp tỉ số ảnh

Một trong các phương pháp biến đổi số học ảnh được sử dụng nhiều nhất là phương pháp tỉ số ảnh Phương pháp tỉ số ảnh cho phép thể hiện những biến đổi nhỏ nhất trong đă ̣c tính ph ổ của các vật thể, từ đó, có thể giải đoán một cách chính xác các đối tượng trên Phương pháp tỉ số ảnh được dùng để tạo các chỉ số, các chỉ số này có thể là chỉ số thực vật, chỉ số khoáng sản, chỉ số biến đổi, Ưu điểm lớn nhất của việc dùng tỉ số trong nghiên cứu các đối tượng là sự đơn giản trong xử lý và kết quả giải đoán đảm bảo độ chính xác mà không mất nhiều thời gian tính toán như các phương pháp cổ điển (giải đoán ảnh bằng các phương pháp thông dụng)

Cho đến nay, đã có nhiều chỉ số được các nhà khoa học trên thế giới đề xuất nhằm nghiên cứu và nâng cao độ tương phản giữa nước và các đối tượng khác Có thể kể đến một số chỉ số như chỉ số khác biệt nước NDWI, chỉ số khác biệt nước điều chỉnh MNDWI, chỉ số AWEI…[24,25,28]

Nhìn chung, các chỉ số này rất đơn giản trong tính toán và có th ể áp dụng hiệu quả trong nghiên cứu mă ̣t nước Mă ̣c dù vậy, phương pháp này cũng không cho phép tự động hóa chiết tách thông tin đường bờ từ tư liệu ảnh vệ tinh

Ví dụ về kết quả xác định chỉ số khác biệt nước điều chính MNDWI đối với ảnh Landsat 5 TM khu vực nội thành Hà Nội, trong đó nư ớc được đại diện bởi các

30

pixel có màu tr ắng sáng, ngược lại, khu vực đất liền được thể hiện bởi các pixel có màu tối

Hình 1.16 Ví dụ chỉ số MNDWI khu vực nội thành Hà Nội

Bên cạnh các chỉ số này, một số nhà khoa học như Winasor , Alesheikh [23,37] đã phát triển các phương pháp chiết tách thông tin đường bờ trên cơ sở các ảnh tỉ lệ giữa các kênh xanh lục (green), cận hồng ngoại (near infrared) và hồng ngoại giữa (middle infrared) Do nước hấp thụ hầu hết năng lượng bức xạ điện từ chiếu tới trong dải sóng c ận hồng ngoại và hồng ngoại giữa, trên các ảnh tỉ lệ này, các pixel đại diện cho nước có giá tr ị lớn hơn 1 Trong khi đó, do các đối tượng đất liền như đất, thực vật…có khả năng phản xạ phổ ở dải sóng cận hồng ngoại và hồng ngoại giữa cáo hơn so với bước sóng xanh l ục, trên các ảnh tỉ lệ này, các pixel đại diện cho đất liền có giá trị nhỏ hơn 1 Điều này cho phép sử dụng phương pháp phân ngưỡng để có thể tự động hóa tách ranh giới giữa nước và đất liền

d Phương pháp phân loại

Mục đích tổng quát của phân loại đa phổ là tự động phân loại tất cả các pixel trong ảnh thành các lớp phủ đối tượng Thông thường người ta sử dụng các dữ liệu

đa phổ để phân loại và tất nhiên, mẫu phổ trong cơ sở dữ liệu đối với mỗi pixel sẽ được dùng làm cơ sở để phân loại Có nghĩa là, các kiểu đặc trưng khác nhau biểu thị các tổ hợp giá trị số dựa trên sự bức xạ phổ và đặc trưng bức xạ vốn có của chúng Vì vậy một "mẫu phổ" không nói đến tính chất hình học mà đúng hơn, thuật

31

ngữ "phổ" ở đây nói đến một tập hợp giá trị đo bức xạ thu được trong các kênh phổ khác nhau đối với mỗi pixel Việc nhận biết mẫu phổ đề cập đến một số phương pháp phân loại có sử dụng thông tin phổ trên các pixel làm cơ sở để tự động phân loại các lớp đối tượng Nhận biết mẫu phổ theo không gian bao gồm phân loại pixel hình ảnh dựa trên cơ sở quan hệ không gian của chúng với các pixel bao quanh Việc phân loại không gian có thể xem xét những khía cạnh như cấu trúc của hình ảnh tính chất gần gũi của pixel, kích thước nét, hình ảnh, tính định hướng, tính lặp lại và bối cảnh cụ thể Những dạng phân loại này có mục đích là tái tạo loại hình tổng hợp theo không gian do người giải đoán tiến hành trong quá trình đoán đọc ảnh bằng mắt Do đó phương thức nhận biết mẫu theo không gian có xu hướng phức tạp hơn và đòi hỏi đi sâu vào tính toán hơn Nhận biết mẫu theo thời gian sử dụng thời gian như một công cụ trợ giúp trong việc nhận dạng các đặc trưng Trong việc khảo sát các cây trồng nông nghiệp chẳng hạn, những thay đổi khác biệt về phổ và không gian trong một vụ canh tác có thể cho phép phân biệt trên các hình ảnh đa thời gian nhưng không thể phân biệt được nếu chỉ cho một dữ liệu mà thôi Chẳng hạn, một ruộng lúa nương có thể không thể phân biệt được với đất hoang nếu vừa mới gieo xong ở mùa đông và về phương diện phổ nó sẽ tương tự như bãi đất hoang ở mùa xuân Tuy nhiên nếu được phân tích từ hai dữ liệu thì ruộng lúa nương nhận biết được, bởi vì không có lớp phủ nào khác để hoang về cuối đông và có màu xanh lục

ở cuối mùa xuân

Với việc khôi phục lại hình ảnh và các kỹ thuật tăng cường, việc phân loại hình ảnh có thể sử dụng kết hợp theo kiểu lai tạo Do vậy, không có một cách "đúng đắn" đơn lẻ nào có thể áp dụng cho việc phân loại hình ảnh Việc áp dụng phương pháp phân loại này hay phương pháp phân loại khác phụ thuộc vào tính chất của dữ liệu đang phân tích và vào khả năng tính toán Có hai phương pháp phân loại đa phổ,

đó là phương pháp phân loại có kiểm định và phương pháp phân loại không kiểm định Trong phương pháp phân loại có kiểm định người giải đoán ảnh sẽ "kiểm tra" quá trình phân loại pixel bằng việc quy định cụ thể theo thuật toán máy tính, các chữ

số mô tả bằng số các thể loại lớp phủ mặt đất khác nhau có mặt trên một cảnh Để làm việc này, các điểm lấy mẫu đại diện của loại lớp phủ đã biết (gọi là các vùng

có mặt trên cảnh Sau đó người giải đoán ảnh sẽ xác định tính đồng nhất của lớp phủ mặt đất của các nhóm phổ này bằng cách so sánh các dữ liệu hình ảnh đã phân loại với các dữ liệu tham khảo mặt đất [8]

Khi sử dụng phương pháp viễn thám để nghiên cứu biến động đường bờ cần lưu ý 1 số điểm như sau:

- Vì ở biển, chế độ thủy triều rất khác nhau giữa các khu vực, ảnh vệ tinh lại được thu cố định theo giờ địa phương (ví dụ ảnh Landsat là 10h45 phút, ảnh SPOT

là 9.30 phút…) Vì lý do đó mà ranh giới đất và nước trên mỗi ảnh sẽ chỉ cho biết ranh giới đó vào đúng lúc thu ảnh (giờ, ngày tháng) Ranh giới đó không phải là

“đường bờ” theo đúng thực tế Như vậy, nếu chồng xếp 2 ảnh của hai thời gian thì

có thể có kết quả không chính xác về mặt thực tế

- Vì lý do đó, trước khi xử lý thông tin theo nguyên tắc nghiên cứu biến động, cần phải xác định chính xác đường bờ của từng date dữ liệu

- Thông thường, việc xác định đường bờ có 2 cách chính như sau:

+ Hiệu chỉnh tại chỗ giữa ranh giới đất và nước trên ảnh với đường thủy triều trung bình (hoặc cao nhất – tùy quan niệm)

+ Xác định đường bờ bằng các dấu hiệu gián tiếp như: bờ đá, đê, ranh giới phía trong của rừng ngập mặn, chỉnh theo độ dốc bãi cát, các dấu hiệu nhân sinh.[7]

33

Hình 1.17 Dữ liệu viễn thám đa thời gian phục vụ nghiên cứu biến động [7]

1.2.4 Phương pháp chỉ số mức độ tổn thương bờ biển

Đây là phương pháp để đánh giá khả năng biến động bờ biển được đưa ra từ đầu những năm 1990 và gần đây được sử dụng rất rộng rãi ở nhiều nước, như: Hoa

Kỳ và ở nhiều nước khác Chỉ số mức độ tổn thương bờ biển (Coastal Vulnerability Index - CVI) được tính toán theo 6 biến số theo biểu thức sau: Những biến số này được xem là quan trọng nhất quyết định tính nhạy cảm của đường bờ đối với sự dâng lên của mực nước biển [38] CVI được tính như sau:

Ở đây a là địa mạo, b là tốc độ biến động đường bờ, c là độ nghiêng của bờ, d

là thay đổi mực nước biển tương đối, e là độ cao sóng có ý nghĩa trung bình và f là

độ cao trung bình của thủy triều

Những biến số này được xem là quan trọng nhất quyết định tính nhạy cảm của đường bờ đối với sự dâng lên của mực nước biển.Theo ý kiến của Pendleton và đồng nghiệp [38], các biến số này giữ vai trò rất quan trọng trong việc xác định mức

C¬ së tµi liÖu ¶nh vÖ tinh

34

độ tổn thương của bờ biển khi mực nước dâng lên Còn Doukakis lại gọi các biến số này là tham số rủi ro [39] Tiếp theo, bằng phương pháp chuyên gia, giá trị của các biến trên được chia thành các khoảng khác nhau và cho điểm trọng số từ 1 đến 5 (5 cấp)

Sau khi có giá trị cho từng trắc diện, tiến hành tính các tham số khác như: giá trị trung bình, độ lệch chuẩn, các giá trị ứng với 25%, 50% và 75% cho toàn bộ đoạn

bờ nghiên cứu Trên cơ sở giá trị tích lũy ứng với các phần trăm nêu trên, tiến hành đánh giá mức độ rủi ro là: thấp ứng với giá trị < 25%, trung bình ứng với giá trị từ 25-50%, cao ứng với các giá trị từ 50-75% và rất cao ứng với các giá trị > 75% Kết quả cuối cùng là xây dựng bản đồ rủi ro cho đoạn bờ biển nghiên cứu

1.2.5 Phương pháp địa mạo

Biến động bờ biển là một trong các nội dung nghiên cứu của môn học địa mạo bờ biển Do đó, khi nghiên cứu biến động bờ biển cần phải áp dụng các phương pháp địa mạo nói chung và địa mạo bờ biển nói riêng

a Phương pháp phân tích hình thái - động lực

Giữa hình thái địa hình bờ biển và các nhân tố động lực thành tạo chúng có mối liên quan rất mật thiết với nhau theo quan hệ nhân - quả Chẳng hạn, các doi cát kéo dài và mở rộng hình quạt về một phía nào đó, chứng tỏ trong khu vực có sự di chuyển dọc bờ của bồi tích rất đáng kể vào một vùng nước tự do, hay ở cửa sông Hoặc nếu có các bar cát chạy song song với đường bờ, thì có sự di chuyển ngang của bồi tích ở đoạn bờ đó [21]

b Phương pháp phân tích trắc lượng hình thái

Đây là một trong những phương pháp nghiên cứu địa mạo truyền thống và mang lại hiệu quả cao Tài liệu được sử dụng trong phương pháp này là các bản đồ địa hình và năm xuất bản khác nhau của vùng nghiên cứu Dựa vào bản đồ địa hình

và quan sát ngoài thực tế, có thể cho ta thấy bờ biển dốc hay thoải Trên cơ sở độ mau-thưa và sự phân bố của các đường bình độ, có thể thấy được hình dạng của địa hình: kéo dài, đẳng thước, lồi hay lõm Nếu trên một vùng bằng phẳng, độ mau của các đường bình độ, có thể cho thấy đó là đá gốc có độ bền vững cao

Về trắc lượng hình thái, khác với địa hình trên đất liền bị chia cắt mạnh dưới

35

tác động của mưa và dòng chảy mặt, nên có độ nghiêng khá lớn, thường có thể tính bằng độ, trong khi địa hình bờ và bãi biển bị chia cắt rất yếu, nên độ nghiêng rất nhỏ, nên thường được tính bằng % (tức là giá trị tgα) Dựa vào độ nghiêng của bãi biển, có thể chia ra các mức độ sau:

Nghiêng: khi tgα > 0,01; nghiêng thoải: khi tgα = 0,01-0,001; hơi nghiêng: khi tgα = 0,001-0,0001 và gần nằm ngang: khi tgα < 0,0001 [21]

c Phương pháp phân tích hình thái - thạch học

Cơ sở của phương pháp này được dựa trên mối liên quan chặt chẽ giữa đặc điểm hình thái với các tính chất của vật liệu (đất đá gắn kết hay bở rời, kích thước hạt, v.v.) tạo nên chúng Chẳng hạn, độ dốc của bãi phụ thuộc rất nhiều vào kích thước hạt Hạt càng thô, độ dốc của bãi càng lớn và ngược lại Cụ thể như sau:

- Độ dốc 2o tương ứng với đường kính trung bình Md = 0,12 mm

- Độ dốc 8o tương ứng với đường kính trung bình Md = 0,5 mm

- Độ dốc 12o tương ứng với đường kính trung bình Md = 2 mm

- Độ dốc 15o tương ứng với đường kính trung bình Md = 5 mm

- Độ dốc ≥ 20o tương ứng với đường kính trung bình Md = 64 mm

Về phần mình, kích thước hạt trầm tích cũng có sự phụ thuộc chặt chẽ vào năng lượng sóng Năng lượng sóng càng lớn, thì vật liệu trầm tích có kích thước càng lớn và độ nghiêng của bãi cũng càng lớn Vì vậy, người ta thường ghép phương pháp này với phương pháp hình thái-động lực và được gọi bằng một tên chung là phương pháp hình thái - thuỷ - thạch động lực [21]

1.3 Ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý trong nghiên cứu biến động đường bờ

1.3.1 Trên thế giới

Công nghệ viễn thám kể từ khi ra đời với những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống đã được sử dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả to lớn trong nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên , giám sát môi trường nói chung , trong theo dõi, đánh giá biến động đường bờ nói riêng Cho đến nay, trên thế giới đã

có nhiều nghiên cứu sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh , trong đó bao gồm cả ảnh quang học

và siêu cao tần nhằm đánh giá và giám sát biến động đường bờ các khu vực ven

36

biển, sông, hồ

Ban đầu, các nghiên cứu thường tập trung sử dụng kết quả phân loại mă ̣t nước từ ảnh vệ tinh đa thời gian , sau đó chồng xếp để phát hiện và đánh giá biến động đường bờ Klemas (2009) [27] sử dụng tư liệu viễn thám, bao gồm ảnh vệ tinh quang học Landsat và ảnh siêu cao tần (SAR) trong nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên và môi trường khu vực ven bờ biển Trong nghiên cứu này , tác giả sử dụng phương pháp phân loại có giám sát kết hợp phân tích texture để đánh giá biến động đường bờ

Gathot Winasor [37] và một số nhà khoa học đã đưa ra phương pháp xác định

tự động ranh giới đất liền – nước vào năm 2001 Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng ba kênh ảnh Landsat TM, ETM+ bao gồm: kênh 2 (xanh lục), kênh 4 (cận hồng ngoại), kênh 5 (hồng ngoại trung bình) để lập ảnh tỉ số Ảnh tỉ số kênh4/kênh2 được sử dụng để tách vùng bờ có thực vật , trong khi ảnh tỉ số kênh 5/kênh5 được sử dụng để tách vùng bờ không có thực vật Kết quả hai ảnh tỉ số trên sẽ bổ sung cho nhau để tạo ranh giới hoàn chỉnh giữa nước và đất liền Trên ảnh thu được, nước có giá trị nhỏ hơn 1, giá trị còn lại thể hiện đất liền Kết quả nhận được sẽ được vector hóa để tạo đường bờ, sau đó chồng xếp nhằm đánh giá biến động

Proisy et al (2003) [34] sử dụng nguồn tư liệu viễn thám, bao gồm ảnh vệ tinh Landsat, SPOT và Radarsat nhằm nghiên cứu biến động đường bờ khu vực sông Amazon (Nam Mỹ ) Trong nghiên cứu này , các tác giả đã sử dụng phương pháp phân loại có giám sát ảnh vệ tinh đa thời gian, sau đó chồng xếp kết quả để phát hiện

và đánh giá biến động đường bờ

37

Hình 1.18 Ảnh vệ tinh Spot khu vực bờ sông Amazon (Nam Mỹ)

Alesheikh (2006) [23] đã phát triển phương pháp do Winasor đề xuất bằng cách sử dụng phân ngưỡng ở kênh giữa hồng ngoại (kênh 5) ảnh Landsat 5 TM nhằm nâng cao độ chính xác trong kết quả chiết tách thông tin đường bờ phục vụ đánh giá biến động Kết quả nghiên cứu cho thấy, kênh 5 ảnh Landsat 5 TM có khả năng phân biệt tốt ranh giới nước – đất liền, kể cả khu vực có thực vật che phủ ở đường bờ

Hình 1.19 Biến động đường bờ giai đoa ̣n 1989 – 2001 trong nghiên cứu của

Alesheikh

38

Để chiết tách thông tin nước mă ̣t , ngoài các phương pháp trên , một số nhà khoa học còn đề xuất các chỉ số như chỉ số khác biệt nước NDWI (Normalized Difference Water Index) hoă ̣c chỉ số khác biệt nước điều chính MNDWI (Modified Normalized Difference Water Index)

Chỉ số NDWI được đề xuất bởi Gao (1996) [24] trên cơ sở sử dụng phản xạ phổ tại dải sóng cận hồng ngoại và hồng ngoại sóng ngắn (SWIR) Chỉ số NDWI được xác định như sau:



NDWI

SWIR NIR

SWIR NIR

Chỉ số MNDWI được xác định như sau:Chỉ số MNDWI được xác định như sau:



MNDWI

MIR GREEN

MIR GREEN

Nhìn chung, các nghiên cứu trên thế giới đã minh chứng tính hiệu quả và ưu việt của phương pháp sử dụng tư liệu viễn thám đánh giá biến động đường bờ Với diện tích phủ trùm rộng, thời gian cập nhật ngắn, tư liệu viễn thám trở thành công cụ mạnh phục vụ nghiên cứu, giám sát biến động khu vực ven bờ

1.3.2 Tại Việt Nam

39

Việt Nam là quốc gia có đường bờ biển dài , hệ thống sông, hồ dày đă ̣c , do vậy việc giám sát , quản lý biến động đường bờ là một vấn đề có ý nghĩa hết sức quan trọng Trên thực tế, tình trạng xói lở, bồi tụ bờ biển, cửa sông đang diễn ra khá phổ biến ở nước ta, gây ra những thiệt hại không nhỏ về kinh tế – xã hội Hàng năm, Nhà nước phải chi một lượng kinh phí lớn để khắc phục , phòng chống và cứu hộ Việc bồi tụ bờ biển, cửa sông đang tạo nên các bãi bồi quý giá cho nhiều vùng , song nhiều nơi cũng trở thành tai biến nghiêm trọng, gây ra sa bồi luồng tàu, bến cảng, bồi lấp cửa sông, làm giảm khả năng thoát lũ, gây ngập lụt trên diện rộng, ngọt hoá các đầm phá, vũng vịnh [17]

Nhận thức rõ tính cấp bách và quan trọng của vấn đề xói lở , bồi tụ bờ biển , cửa sông, nhiều cơ quan , địa phương đã triển khai các chương trình , đề tài , đề án nhằm điều tra, xác định hiện trạng xói lở, bồi tụ, theo dõi diễn biến ở các vùng trọng điểm, xây dựng luận cứ khoa học cho các giải pháp phòng chống Một số công trình tiêu biểu đã được triển khai như nghiên cứu thuỷ động lực , trầm tích Vịnh Bắc Bộ (thuộc Chương trình khảo sát hỗn hợp Việt - Trung giai đoạn 1959†1961); nghiên cứu đă ̣c trưng khí tượn g – hải dương vùng ven biển từ cửa Thuận An đến Kiên Giang của Viện hải dương học SCrips (Mỹ) và Hải quân Mỹ (1960†1974); nghiên cứu nguyên nhân và giải pháp phòng chống xói lở bờ biển Cát Hải, Hải Phòng do Viện các khoa học trái đất thực hiện (1982†1986), động lực các vùng cửa sông Việt Nam (thuộc đề tài KT 02.01, giai đoạn 1986†1990); nghiên cứu phòng chống xói lở

bờ biển Hải Hậu , Cảnh Dương, Gò Công (đề tài KT 03.12) Đặc biệt trong 2 năm 1999†2001, Nhà nước đã cho triển khai 8 đề án về nghiên cứu, dự báo phòng chống sạt lở bờ sông, bờ biển, trong đó 3 đề tài về sạt lờ bờ biển là 5A (miền Bắc) do Phân viện hải dương học Hải Phòng chủ trì thực hiện, 5B (miền Trung) do Viện địa lý chủ trì thực hiện, 5C (miền Nam) do Viện hải dương học Nha Trang chủ trì thực hiện Một số đề tài thuộc chương trình nghiên cứu biển giai đoạn 1991†1995 và 1996†2000 cũng đã đề cập đến vấn đề điều tra nghiên cứu quy luật vận chuyển bùn cát ven bờ biển và dòng phù sa từ sông đổ ra biển [17]

Nhìn chung , các nghiên cứu này đều sử dụng các mô hình thủy văn như CEDAS, LITPACK…nhằm đánh giá xói lở , bồi tụ vùng cửa sông , ven biển nhưng