Nghiên cứu này được thực hiện với mục tiêu chính là thành lập được các bản đồ địa mạo và thủy văn của thành phố Đà Nẵng từ ảnh viễn thám. Kết quả nghiên cứu đã xây dựng được một số bản đồ chuyên đề về địa mạo và thủy văn của thành phố. Đây là tài liệu rất quan trọng, phục vụ đắc lực cho công tác giảng dạy và nghiên cứu các vấn đề địa lý.
UED Journal of Sciences, Humanities & Education – ISSN 1859 - 4603 TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC Nhận bài: 17 – 05 – 2015 Chấp nhận đăng: 25 – 09 – 2015 PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP MỘT SỐ BẢN ĐỒ ĐỊA MẠO VÀ THỦY VĂN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG BẰNG ẢNH VIỄN THÁM PHỤC VỤ DẠY HỌC VÀ NGHIÊN CỨU Lê Ngọc Hànha*, Hồ Phongb http://jshe.ued.udn.vn/ Tóm tắt: Bản đồ cơng cụ quan trọng để dạy, học nghiên cứu địa lý Sự phát triển khoa học địa lý tách rời khoa học đồ Trước đây, việc thành lập đồ thường tốn nhiều thời gian, công sức hiệu mang lại không cao Cùng với phát triển công nghệ thông tin, đặc biệt viễn thám GIS giúp cho việc thành lập đồ trở nên dễ dàng mang lại hiệu cao Nghiên cứu thực với mục tiêu thành lập đồ địa mạo thủy văn thành phố Đà Nẵng từ ảnh viễn thám Kết nghiên cứu xây dựng số đồ chuyên đề địa mạo thủy văn thành phố Đây tài liệu quan trọng, phục vụ đắc lực cho công tác giảng dạy nghiên cứu vấn đề địa lý Từ khóa: viễn thám; đồ; địa lý; địa mạo; thủy văn Đặt vấn đề Bản đồ công cụ quan trọng dạy, học nghiên cứu vấn đề địa lý Nhiều nhà địa lý cho rằng, việc nghiên cứu địa lý phải bắt đầu đồ kết thúc đồ Bản đồ thể trực quan tượng tự nhiên, xu biến đổi chúng tương lai Việc thành lập đồ công việc nhà địa lý quan tâm Có thể nói phát triển khoa học địa lý tách rời khoa học đồ Trước đây, việc thành lập đồ phương pháp truyền thống tốn nhiều thời gian, công sức kết đem lại không cao Cùng với phát triển công nghệ thông tin, đặc biệt viễn thám GIS, tạo cách mạng việc thành lập đồ phục vụ giảng dạy nghiên cứu địa lý Nhiều đồ trước thành lập khó khăn, nhờ ảnh viễn thám GIS thành lập dễ dàng Trong báo này, sâu vào phương pháp sử dụng ảnh viễn thám, mà cụ thể ảnh ASTER DEM GIS để thành lập a, b Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng * Liên hệ tác giả Lê Ngọc Hành Email: hanhlespdn@@gmail.com 124 | số đồ địa mạo thủy văn như: đồ độ dốc, đồ độ cao, đồ hướng sườn, phân cắt sâu, mặt cắt địa hình, đồ lưu vực sơng, hướng dịng chảy, tích tụ dịng chảy, đồ phân cắt ngang Đây công cụ tư liệu hữu ích để dạy, học nghiên cứu địa lý Phương pháp nghiên cứu 2.1 Dữ liệu nghiên cứu Bài báo sử dụng ảnh ASTER DEM có độ phân giải 1.5 arc second xấp xỉ từ 30 - 45m xây dựng ảnh viễn thám ASTER để thành lập số đồ chuyên đề địa mạo thủy văn So với liệu ảnh vệ tinh khác, ảnh ASTER có khả cung cấp nhiều thơng tin cảm cấu thành từ hệ phụ, hệ hoạt động hệ thống quang riêng Ảnh ASTER DEM thành phố Đà Nẵng nằm cảnh ảnh ASTGM2_N15E107, ASTGM2_N15E108, ASTGM2_N16E107, ASTGM2_N16E108 2.2 Quy trình nghiên cứu Việc thành lập đồ địa mạo thủy văn thực theo quy trình sau: Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 5, số 3(2015), 124-130 Mục tiêu báo thành lập đồ chuyên đề địa mạo dựa vào liệu ảnh ASTER DEM GIS Vì vậy, chúng tơi sử dụng công cụ GIS chủ yếu để xử lý thành lập đồ chuyên đề Từ ảnh ASTER DEM, sử dụng kỹ thuật phân loại độ cao theo phương pháp phân tầng màu phần mềm ArcGIS để thành lập đồ độ cao thành phố Đà Nẵng Trong trình thành lập đồ địa mạo thủy văn, sử dụng số kỹ thuật như: nắn chỉnh ảnh, lọc ảnh, tính tốn liệu raster, thống kê liệu raster Ảnh ASTER DEM nén chỉnh hệ quy chiếu đồ Sau đó, thành lập đồ độ cao, độ dốc, hướng sườn, phân cắt sâu, mặt cắt địa hình phần mềm ArcGIS Tiếp tục, báo sử dụng phần mềm ArcSWAT tích hợp ArcGIS để thành lập đồ lưu vực sơng, hướng dịng chảy, tích tụ dịng chảy phân cắt ngang Nội dung kết nghiên cứu 3.1 Thành lập nhóm đồ địa mạo 3.1.1 Bản đồ độ cao Bản đồ độ cao thể độ cao tuyệt đối vị trí so với mặt thủy chuẩn gốc Địa hình núi cao thành phố Đà Nẵng tập trung chủ yếu Tây Tây Bắc thành phố, có độ cao trung bình từ 500 - 1000m Địa hình gị đồi phân bố phía Tây, Tây Bắc thành phố, gồm xã Hòa Liên, Hòa Sơn, Hòa Nhơn, Hòa Phong phần xã Hòa Khương, Hòa Ninh huyện Hịa Vang Địa hình đồng phân bố chủ yếu phía Đơng thành phố, dọc theo sơng lớn: sông Yên, sông Túy Loan, sông Cẩm Lệ, sông Cu Đê, sông Hàn dọc theo biển 125 | Hình Bản đồ độ cao thành phố Đà Nẵng (thu nhỏ từ tỷ lệ 1:250000) 3.1.2 Bản đồ độ dốc Bản đồ độ dốc tảng cho việc thành lập đồ khác đồ thổ nhưỡng, đồ cảnh quan Ngồi ra, thơng tin thu đồ độ dốc cấp độ dốc, diện tích, phân bố giúp giải tốn phân tích khơng gian xác định khu vực nguy trượt lở, vùng có khả xảy lũ quét, Giá trị độ dốc tính tốn dựa vào số liệu độ cao pixel ảnh ASTER DEM Bài báo sử dụng tốn phân tích khơng gian (Raster surface) để nội suy đồ độ dốc Dựa giá trị độ cao ảnh ASTER DEM, dùng thuật toán nội suy công cụ 3D Analyst phần Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 5, số 3(2015), 124-130 Lê Ngọc Hành, Hồ Phong mềm ArcGIS, báo thành lập đồ độ dốc khu vực nghiên cứu Hình Bản đồ hướng sườn thành phố Đà Nẵng (thu nhỏ từ tỷ lệ 1:250000) 3.1.4 Bản đồ phân cắt sâu Hình Bản đồ độ dốc thành phố Đà Nẵng (thu nhỏ từ tỷ lệ 1:250000) Khu vực có độ dốc lớn thành phố tập trung Tây Tây Bắc Đây nơi tập trung nhiều rừng đầu nguồn có ý nghĩa bảo vệ mơi trường sinh thái thành phố Khu vực phía Nam Đơng Nam có độ dốc thấp Đây nơi tập trung nhiều hoạt động sinh hoạt sản xuất thành phố 3.1.3 Bản đồ hướng sườn Hướng sườn địa hình phụ thuộc chủ yếu vào chênh lệch độ cao điểm bề mặt địa hình Hướng sườn hướng thẳng đứng từ bề mặt đến đường đồng mức Giá trị hướng sườn biểu diễn góc phương vị, từ 00 đến 3600 theo chiều kim đồng hồ Bản đồ phân cắt sâu biểu diễn chênh lệch độ cao địa hình 1km2 Miền có địa hình thay đổi nhiều thường có thung lũng dạng sườn dốc, độ dốc dọc theo dịng sơng lớn, làm cho lưu tốc nước lớn, thời gian tập trung ngắn Việc thành lập đồ phân cắt sâu ảnh ASTER DEM thực nhiều cách khác Từ ảnh ASTER DEM thành lập đồ thể giá trị cao giá trị thấp phạm vi 1km2 Sau sử dụng thuật tốn thống kê ArcGIS thành lập đồ phân cắt sâu cách lấy đồ giá trị cao trừ đồ giá trị nhỏ Trong báo sử dụng công cụ Focal Statistics hộp thoại Neighborhood phần Spatial Analyst Tool để thành lập đồ phân cắt sâu Bản đồ cho biết hướng địa hình Hướng sườn có ý nghĩa quan trọng việc phân bố lượng mặt trời, đón gió khuất gió Vì vậy, hướng sườn có ảnh hưởng lớn đến thành phần tự nhiên khác khí hậu sinh vật Từ ảnh ASTER DEM, báo sử dụng công cụ Aspect để thành lập đồ hướng sườn thành phố Đà Nẵng Hướng sườn thành phố phân bố đa dạng Những khu vực có địa hình phẳng tập trung chủ yếu Đông Đông Nam thành phố Khu vực phía Tây, Tây Bắc, Tây Nam Đơng Bắc có hướng sườn phức tạp Điều ảnh hưởng lớn đến phân bố nhiệt ẩm, tác động trực tiếp gián tiếp đến thành phần tự nhiên khác thành phố 126 Hình Bản đồ phân cắt sâu thành phố Đà Nẵng (thu nhỏ từ tỷ lệ 1:250000) 3.1.5 Mặt cắt địa hình Mặt cắt địa hình biểu diễn cao thấp mặt đất tự nhiên dọc theo tuyến Mặt cắt địa hình ISSN 1859 - 4603 - Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 5, số 3(2015), 124-130 công cụ quan trọng để nghiên cứu biến đổi đối tượng tự nhiên theo tuyến xác định Việc thành lập mặt cắt địa hình sử dụng phương pháp thủ công đại Bài báo sử dụng ảnh ASTER DEM kết hợp với công cụ interpolate shape để vẽ mặt cắt khu vực, kết sau: Hình Mặt cắt địa hình từ ảnh ASTER DEM 3.2 Thành lập nhóm đồ thủy văn 3.2.1 Bản đồ lưu vực sông Lưu vực sông khu vực bề mặt cung cấp nước cho sông hệ thống sông Các lưu vực sông ngăn cách với đường phân thủy đỉnh phân thủy, cịn gọi đường chia nước Có lưu vực sơng chính: lưu vực sơng sơ đẳng lưu vực sông lưu vực thủy hệ lưu vực chung hệ thống sông khoanh lưu vực theo cao độ lớn khu vực nghiên cứu Phương pháp xác định ranh giới lưu vực sông ứng dụng công nghệ GIS đồ số khắc phục nhược điểm phương pháp xác định lưu vực sông đồ địa hình giấy Trong nghiên cứu này, sử dụng chức tạo lưu vực tích hợp cơng cụ ArcSWAT phần mềm ArcGIS 10.2 Kết quả, báo thành lập đồ lưu vực sông khu vực nghiên cứu 3.2.2 Bản đồ hướng dòng chảy Hướng dòng chảy ô pixel hướng mà nước chảy khỏi pixel đó, xác định hướng dốc từ pixel Mơ hình tám hướng giá trị dòng chảy thể đồ, hướng dịng chảy mã hóa số tương ứng với hướng ô xung quanh ô pixel trung tâm bao gồm 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 128, Hướng dòng chảy dẫn xuất từ ảnh ASTER GDEM thông qua sử dụng chức phân tích thủy văn (Hydrology Tool) phần mềm ArcMap Từ đồ Fill, sử dụng công cụ Flow Direction hộp thoại hydrology Spatial Analyst Tool Hình Mơ hình hướng dịng chảy Hình Bản đồ lưu vực sông Cu Đê – TP Đà Nẵng (thu nhỏ từ tỷ lệ 1:275000) Hình Bản đồ hướng dòng chảy TP Đà Nẵng (thu nhỏ từ tỷ lệ 1:250000) Trước có cơng cụ hỗ trợ máy tính phương pháp xác định lưu vực sông phổ biến sử dụng đồ cao độ địa hình, tạo đường đồng cao độ, sau 3.2.3 Bản đồ tích tụ dịng chảy Bản đồ dịng chảy tích tụ nước tích dựa vào hướng dịng chảy (Flow Direction) Dịng chảy tích 127 Lê Ngọc Hành, Hồ Phong lũy dựa số lượng tế bào chảy vào ô raster đầu Các tế bào xử lý không xem xét tích lũy Từ đồ Flow Accumulation, sử dụng công cụ Raster calculator Spatial Analyst Tool sau chuyển liệu từ Raster sang vectơ lọc dịng chảy lưu vực Sau đó, sử dụng cơng cụ Line Density hộp thoại Density phần Spatial Analyst tool, báo thành lập đồ phân cắt ngang khu vực nghiên cứu Hình 10 Thành lập đồ tích tụ dòng chảy Từ đồ Flow Direction, thành lập đồ Flow Accumulation, kết sau: Hình 12 Bản đồ phân cắt ngang thành phố Đà Nẵng (thu nhỏ từ tỷ lệ 1:200000) Hình 11 Bản đồ tích tụ dịng chảy TP Đà Nẵng (thu nhỏ từ tỷ lệ 1:250000) 3.2.4 Bản đồ phân cắt ngang Bản đồ thể mật độ sông suối lưu vực Mật độ sông suối ảnh hưởng lớn đến thời gian tập trung nước mưa lưu vực, mật độ sơng suối lớn có lưới sông dày đặc, lưu lượng lũ lớn mùa mưa, cạn mùa khô Bản đồ phân cắt ngang lưu vực D tính theo cơng thức: D= ∑ li/A li: Độ dài nhánh sông thứ i A: Diện tích lưu vực, người ta thường lấy 1km2 Nếu D cịn nhỏ mật độ sơng suối cịn thưa; D lớn mật độ sông suối dày mức độ xâm thực ngang phát triển 128 3.3 Một số ứng dụng đồ dạy học nghiên cứu địa lý Thông qua đồ, vấn đề địa lý tự nhiên giải cách dễ dàng Đây nguồn tư liệu phục vụ bổ ích cho việc dạy, học nghiên cứu cán sinh viên địa lý trở nên trực quan, hiệu Thơng qua đó, giúp sinh viên hình thành phương pháp nghiên cứu vấn đề tương tự, Việc áp dụng đồ vào dạy, học nghiên cứu địa lý tự nhiên, cụ thể sau: - Sử dụng đồ phân cắt ngang, phân cắt sâu, đồ độ dốc, mặt cắt địa hình học phần địa mạo đại cương chương: nguyên tắc phân loại địa hình; địa hình miền núi trình sườn Trong học phần tai biến thiên nhiên, đồ ứng dụng vào việc giảng dạy nghiên cứu tai biến thiên nhiên thạch – địa mạo Ở học phần viễn thám ứng dụng, đồ công cụ hiệu để giảng dạy vấn đề ứng dụng viễn thám nghiên cứu trượt lở đất,… Bảng Mối quan hệ giá trị phân cắt ngang với xói mịn trượt lở đất Phân cắt Xói mịn Phân cắt Trượt lở ISSN 1859 - 4603 - Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 5, số 3(2015), 124-130 ngang (km/km2) 2.0 Rất mạnh 0.5 – 1.0 1.0 – 1.5 ngang (km/km2) 3.5 Yếu Bảng Mối quan hệ giá trị phân cắt sâu với xói mịn trượt lở đất Phân cắt sâu (m/km2) Xói mịn Phân cắt sâu (m/km2) 150m Trượt lở Mạnh Tương đối mạnh Yếu Bên cạnh đó, kết hợp đồ địa mạo thủy văn với đồ khác để nghiên cứu vấn đề mơi trường cụ thể Ví dụ: Chúng ta kết hợp đồ độ đốc, độ cao, phân cắt ngang, phân cắt sâu, hướng sườn số đồ địa lý khác như: lượng mưa, tầng dày đất, giao thông, đứt gãy,… cơng cụ phân tích khơng gian GIS, để nghiên cứu vấn đề trượt lở đất huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng Kết sau: Cấp nguy Diện tích (ha) Nguy thấp 5.428,3 7,76 Nguy thấp 20.729,4 29,62 Nguy trung bình 25.957,8 37,09 Nguy cao 16.437,1 23,48 Nguy cao 1.440,1 2,06 Tỷ lệ (%) Đối với đồ lưu vực sơng, ứng dụng có tính tiềm tàng tận dụng kết nghiên cứu khác việc phân định vùng ảnh hưởng khu vực Việc thứ hai liên quan đến việc phân tích đánh giá sử dụng đất việc đánh giá dòng chảy vị trí Từ việc xác định ranh giới lưu vực sơng, người sử dụng xác định phạm vi ảnh hưởng, mức độ loại hình ảnh hưởng lưu vực nghiên cứu Ngoài ra, việc tác động rừng dòng chảy cần phải nghiên cứu thêm lẽ dịng chảy lưu vực sơng chịu tác động nhiều yếu tố bao gồm đặc trưng khí tượng mưa, nhiệt độ, nắng, gió, bốc Ngồi việc giảng dạy, giáo viên sinh viên áp dụng phương pháp để tự thành lập đồ địa mạo thủy văn lãnh thổ khu vực khác Từ đó, giáo viên sinh viên bổ sung cập nhật tư liệu giảng dạy thiếu khu vực cụ thể, giúp cho việc dạy học nghiên cứu mang lại hiệu cao Kết luận Từ kết sử dụng ảnh viễn thám để thành lập số đồ địa mạo, thủy văn ứng dụng chúng dạy học, nghiên cứu địa lý, chúng tơi đưa số kết luận sau: Hình 13 Bản đồ phân vùng nguy trượt lở đất huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng Sử dụng công cụ thống kê GIS dễ dàng nhận biết nguy trượt lở đất huyện Hòa Vang - Việc ứng dụng ảnh viễn thám ASTER DEM để xây dựng đồ chuyên đề địa mạo thủy văn mang lại hiệu cao, tiết kiệm thời gian chi phí Đây phương pháp thành lập đồ đại, cung cấp lượng thông tin lớn; - Xây dựng đồ trợ giúp phần mềm chuyên ngành, đặc biệt ArcGIS cho hiệu quả, độ xác cao, quy trình thành lập đơn giản; 129 Lê Ngọc Hành, Hồ Phong - Bài báo thành lập số đồ chuyên đề địa mạo thủy văn việc áp dụng cụ thể chúng vào dạy học, nghiên cứu địa lý; - Chúng ta ứng dụng để thành lập đồ địa mạo thủy văn khu vực khác cách dễ dàng Từ đó, làm phong phú thêm tài liệu phục vụ dạy học nghiên cứu địa lý - Các đồ chuyên đề địa mạo thủy văn thành lập theo phương pháp nguồn tư liệu quan trọng, giúp cho việc dạy, học nghiên cứu địa lý trở nên hiệu Thơng qua hình thành lực nghiên cứu cho sinh viên khả thực hành, áp dụng vào thực tiễn công việc Tài liệu tham khảo [1] Đỗ Đức Dũng (2009), chuyên đề “Phương pháp xác định lưu vực sông”, Viện Quy hoạch Thủy lợi Miền Nam [2] Đỗ Đức Dũng ctv (2002), Báo cáo tổng hợp “Quy hoạch Thủy lợi Lưu vực sông Bé”, Viện Quy hoạch Thủy lợi Miền Nam [3] Lê Ngọc Hành, Trương Phước Minh (2014), “Phân vùng nguy trượt lở đất huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng”, Kỷ yếu Hội thảo Ứng dụng GIS toàn quốc năm 2014, Cần Thơ [4] Nguyễn Đình Hoè, Nguyễn Ngọc Thạch (1999), Viễn thám nghiên cứu môi trường, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [5] Nguyễn Thanh Sơn (2004), Tính tốn thủy văn, NXB ĐHQG Hà Nội [6] Singh V P and Woolhiser D A (2003), Mathematical Modeling of Watershed Hydrology, Journal of Hydrologic Engineering, Vol 7, No 4, 2002, pp 270-292 doi:10.1061/(ASCE)10840699(2002)7:4(270) A METHOD FOR MAKING GEOMORPHOLOGICAL MAPS AND HYDROLOGICAL MAPS OF DA NANG CITY VIA REMOTE SENSING IMAGES FOR THE SAKE OF TEACHING AND DOING RESEARCH Abstract: Maps are crucial tools for teaching, learning and researching geography The development of the geographical science cannot be separated from cartography Formerly, map-making used to take a lot of time and effort but did not bring back high efficiency The development of the information technology, especially remote sensing and GIS, has eased the establishment of maps, resulting in high efficiency The main purpose of this research is to establish geomorphological maps and hydrological maps of Da Nang city by means of remote sensing images The research findings help to build up a number of specialized maps in geomorphology and hydrology related to Da Nang city This is a document of great importance for use in teaching, learning and researching geography Key words: remote sensing; map; geography; geomorphology; hydrology 130 ... giúp cho việc dạy học nghiên cứu mang lại hiệu cao Kết luận Từ kết sử dụng ảnh viễn thám để thành lập số đồ địa mạo, thủy văn ứng dụng chúng dạy học, nghiên cứu địa lý, chúng tơi đưa số kết luận... thành lập đồ địa mạo thủy văn khu vực khác cách dễ dàng Từ đó, làm phong phú thêm tài liệu phục vụ dạy học nghiên cứu địa lý - Các đồ chuyên đề địa mạo thủy văn thành lập theo phương pháp nguồn... độ cao theo phương pháp phân tầng màu phần mềm ArcGIS để thành lập đồ độ cao thành phố Đà Nẵng Trong trình thành lập đồ địa mạo thủy văn, sử dụng số kỹ thuật như: nắn chỉnh ảnh, lọc ảnh, tính tốn