Mô hình hóa sự biến đổi lớp phủ bề mặt do lũ lụt ở đồng bằng sông cửu long bằng tư liệu viễn thám và GIS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VĂN KHÁNH MƠ HÌNH HĨA SỰ BIẾN ĐỔI CÁC LỚP PHỦ BỀ MẶT DO LŨ LỤT Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG BẰNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GIS LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VĂN KHÁNH MÔ HÌNH HĨA SỰ BIẾN ĐỔI CÁC LỚP PHỦ BỀ MẶT DO LŨ LỤT Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG BẰNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GIS Ngành: Kỹ thuật trắc địa - đồ Mã số: 9520503 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN XUÂN TRƯỜNG PGS.TS VŨ XUÂN CƯỜNG Hà Nội - 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Nguyễn Văn Khánh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC HÌNH VẼ ix MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài luận án Mục tiêu đề tài luận án Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu .3 Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Luận điểm bảo vệ Những điểm luận án 10 Cấu trúc luận án 11 Lời cảm ơn .6 Chương 1- TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái niệm lớp phủ bề mặt 1.2 Khái niệm chung lũ lụt 1.3 Đặc điểm lũ lụt số khu vực Việt Nam 1.4 Tình hình nghiên cứu biến đổi lớp phủ bề mặt ảnh hưởng lũ lụt 11 1.4.1 Tình hình nghiên cứu giới 11 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nước 20 Tiểu kết chương 1: 25 Chương 2- CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH SỰ THAY ĐỔI LỚP PHỦ BỀ MẶT DO ẢNH HƯỞNG CỦA LŨ LỤT TỪ ẢNH VIỄN THÁM 27 iii 2.1 Xác định thay đổi đối tượng lớp phủ bề mặt ảnh hưởng lũ lụt từ tư liệu viễn thám quang học 27 2.1.1 Đặc điểm tương tác đối tượng mặt đất với vùng phổ khả kiến hồng ngoại 27 2.1.2 Ứng dụng viễn thám quang học xác định biến động lớp phủ bề mặt 28 2.1.2.1 Một số phương pháp xác định biến động lớp phủ bề mặt 28 2.1.2.2 Sử dụng số thực vật (NDVI) phục vụ phân loại thực phủ .30 2.2 Xác định thay đổi đối tượng lớp phủ bề mặt ảnh hưởng lũ lụt từ tư liệu viễn thám Radar 31 2.2.1 Nguyên lý tán xạ bề mặt ảnh Radar 31 2.2.1.1 Đặc điểm Radar độ tổng hợp 31 2.2.1.2 Nguyên lý tán xạ bề mặt 32 2.2.2 Đặc điểm tán xạ bề mặt đối tượng ảnh Radar 35 2.2.2.1 Tán xạ bề mặt đất trống 35 2.2.2.2 Tán xạ bề mặt mặt nước 35 2.2.2.3 Tán xạ bề mặt thảm thực vật 36 2.2.2.4 Tán xạ bề mặt khu vực có cơng trình xây dựng 36 2.2.3 Sự thay đổi tán xạ bề mặt ảnh hưởng lũ lụt 37 2.2.3.1 Thay đổi tán xạ bề mặt khu vực có thảm thực vật mặt nước ảnh hưởng lũ lụt 37 2.2.3.2 Thay đổi tán xạ bề mặt khu vực có cơng trình xây dựng ảnh hưởng lũ lụt 39 2.3 Ứng dụng GIS nghiên cứu biến động lớp phủ bề mặt ảnh hưởng lũ lụt 39 2.3.1 Các thành phần, chức GIS 40 2.3.1.1 Các thành phần GIS 40 2.3.1.2 Các chức GIS 41 2.3.2 Khả ứng dụng công nghệ viễn thám GIS nghiên cứu thay đổi lớp phủ bề mặt ảnh hưởng lũ lụt 41 iv 2.4 Mơ hình hóa ứng dụng mơ hình nghiên cứu lớp phủ bề mặt 42 2.4.1 Khái niệm mơ hình, mơ hình hóa 42 2.4.1.1 Khái niệm mơ hình 42 2.4.1.2 Mơ hình hóa 42 2.4.2 Mơ hình tán xạ thực vật nghiên cứu đất ngập nước 42 Tiểu kết chương 2: 47 Chương 3- XÂY DỰNG MƠ HÌNH BIẾN ĐỔI LỚP PHỦ BỀ MẶT THEO SỰ THAY ĐỔI MỰC NƯỚC DO LŨ LỤT 49 3.1 Nghiên cứu biến đổi lớp phủ bề mặt ảnh hưởng lũ lụt thông qua thay đổi mực nước 49 3.1.1 Ảnh hưởng lũ lụt tới biến động lớp phủ bề mặt 49 3.1.2 Sự cần thiết việc quan trắc thay đổi đối tượng lớp phủ bề mặt công nghệ viễn thám 50 3.1.2.1 Ưu điểm công nghệ viễn thám quan trắc thay đổi lớp phủ bề mặt ảnh hưởng lũ lụt 50 3.1.2.2 Sự cần thiết việc kết hợp kết hợp tư liệu ảnh viễn thám quang học radar quan trắc thay đổi lớp phủ bề mặt ảnh hưởng lũ lụt 51 3.2 Quy trình xây dựng mơ hình biến đổi lớp phủ bề mặt theo thay đổi mực nước 52 3.3 Các bước thực quy trình 54 3.3.1 Thu thập liệu: 54 3.3.2 Xử lý ảnh 54 3.3.3 Phân loại ảnh 55 3.3.3.1 Cơ sở lựa chọn phương pháp phân loại 55 3.3.3.2 Phân loại theo hướng đối tượng 56 3.3.4 Ứng dụng GIS phân tích, xử lý số liệu phục vụ xây dựng mơ hình 61 3.3.5 Xây dựng mơ hình 62 3.4 Phương pháp kiểm nghiệm mơ hình 63 Tiểu kết chương 3: 65 v Chương 4- THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 67 4.1 Khu vực nghiên cứu trình thực nghiệm 67 4.1.1 Khu vực nghiên cứu 67 4.1.1.1 Vị trí địa lý 67 4.1.1.2 Đặc điểm chung khu vực nghiên cứu 67 4.1.1.3 Đặc điểm địa hình 68 4.1.1.4 Đặc điểm mạng lưới sông suối 68 4.1.1.5 Đặc điểm chung thực phủ 69 4.1.2 Tư liệu sử dụng 72 4.1.2.1 Dữ liệu ảnh viễn thám Sentinel-1 72 4.1.2.2 Dữ liệu ảnh viễn thám Sentinel-2 74 4.1.2.3 Dữ liệu mơ hình số độ cao 75 4.1.2.4 Dữ liệu mực nước cấp báo động lũ 75 4.1.2.5 Dữ liệu đồ vết lũ 76 4.1.3 Thực nghiệm phân loại hướng đối tượng lớp phủ bề mặt từ liệu viễn thám Sentinel-2 76 4.1.3.1 Tiền xử lý ảnh Sentinel-2 tính số thực vật NDVI .76 4.1.3.2 Phân loại hướng đối tượng lớp phủ bề mặt kết hợp số thực vật NDVI, DEM số liệu mực nước 77 4.1.3.3 Các kết phân loại lớp phủ bề mặt 80 4.1.3.4 Sự thay đổi lớp phủ bề mặt theo mực nước 82 4.1.4 Thực nghiệm phân loại hướng đối tượng lớp phủ bề mặt từ liệu viễn thám sentinel-1 86 4.1.4.1 Nắn ảnh, ghép, cắt ảnh theo khu vực thực nghiệm lọc nhiễu 86 4.1.4.2 Phân loại lớp phủ bề mặt phần mềm eCognition 87 4.2 Kết quan trắc diễn biến ngập lụt lớp phủ bề mặt tỉnh An Giang Đồng tháp từ chuỗi ảnh Sentinel-1 96 4.3 Xây dựng Mơ hình biến đổi lớp phủ ảnh hưởng mực nước 106 4.4 Kiểm nghiệm mơ hình 109 vi 4.5 Phân tích kết thực nghiệm 112 Tiểu kết chương 4: 114 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 116 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO .119 PHỤ LỤC 129 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT - BĐKH:Biến đổi khí hậu - dB: Decibel - DEM: Mơ hình số độ cao (Digital Elevation Model) - ĐBSCL: Đồng sông Cửu Long - ĐNN: Đất ngập nước - ESA:Cơ quan Vũ trụ châu Âu - GIS: Geographic Information System - NDVI: Chỉ số thực vật khác biệt (Normalized difference vegetation index) - Radar: Radar (Radio Detection and Ranging) - SAR: Radar độ tổng hợp (Synthetic Aperture Radar) viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Một số cảm biến quang học 14 Bảng 1-2: Một số cảm biến radar 18 Bảng 4-1: Thời gian thu ảnh Sentinel-1 mực nước thu thập trạm quan trắc Vàm Nam 73 Bảng 4-2: Thời gian thu ảnh Sentinel-2 với ngày chụp mực nước thu thập trạm quan trắc Vàm Nam 75 Bảng 4-3: Các giá trị thông số trọng số mức tỷ lệ 78 Bảng 4-4: Các quy tắc phân loại NDVI, DEM liệu mực nước 78 Bảng 4-5: Kết đánh giá độ xác phân loại hướng đối tượng từ ảnh chụp ngày 27 tháng 07 năm 2016 80 Bảng 4-6: Diện tích lớp phủ bề mặt chu kỳ lũ lụt 85 Bảng 4-7: Kết đánh giá độ xác toàn phần số Kappa ảnh phân loại 94 Bảng 4-8: Diện tích lớp phủ bề mặt quan trắc giai đoạn 2015 2019 (đơn vị: phần trăm) 101 Bảng 4-9: So sánh kết mơ hình kiểm nghiệm thời điểm mực nước 110 Bảng 4-10: So sánh kết mơ hình kiểm nghiệm thời điểm mực nước 110 Bảng 4-11: So sánh kết mơ hình kiểm nghiệm thời điểm mực nước 111 Bảng 4-12: So sánh kết mô hình kiểm nghiệm thời điểm mực nước 111 Bảng 4-13: So sánh kết mơ hình kiểm chứng thời điểm mực nước .111 144 Phụ lục 16: Kết phân loại lớp phủ bề mặt theo ảnh chụp ngày 23/09/2019 145 Phụ lục 17: Kết phân loại lớp phủ bề mặt theo ảnh chụp ngày 28/09/2019 146 Phụ lục 18: Kết phân loại lớp phủ bề mặt theo ảnh chụp ngày 10/11/2019 147 Phụ lục 19: Bản đồ kết đo cao vết mực nước đỉnh lũ năm 2011 148 Phụ lục 20: Sơ đồ vị trí trạm quan trắc mực nước khu vực nghiên cứu 149 Phụ lục 21: Số liệu mực nước trung bình ngày trạm Vàm Nao, Châu Đốc, Long Xuyên Tân Châu giai đoạn 2016 - 2019 150 151 152 153 154 155 156 157 158 ... vực đồng sông Cửu Long 3 Đối tư? ??ng nghiên cứu Đối tư? ??ng nghiên cứu lớp phủ bề mặt, thay đổi lớp phủ bề mặt tác động lũ lụt, mô hình biến đổi lớp phủ bề mặt, phương pháp nghiên cứu lớp phủ bề mặt. .. lớp phủ bề mặt từ ảnh viễn thám thu nhận được; - Mơ hình hóa thay đổi lớp phủ bề mặt ảnh hưởng lũ lụt - Các kết phân loại lớp phủ bề mặt thời điểm thực nghiệm; - Mơ hình thay đổi lớp phủ bề mặt. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VĂN KHÁNH MƠ HÌNH HĨA SỰ BIẾN ĐỔI CÁC LỚP PHỦ BỀ MẶT DO LŨ LỤT Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG BẰNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GIS Ngành: Kỹ thuật