Phân vùng nguy cơ trượt lở dọc các tuyến đường giao thông trọng điểm miền núi tỉnh quảng nam bằng công nghệ GIS và máy học machine learning

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐẶNG THỊ THÙY PHÂN VÙNG NGUY CƠ TRƢỢT LỞ DỌC CÁC TUYẾN ĐƢỜNG GIAO THÔNG TRỌNG ĐIỂM MIỀN NÚI TỈNH QUẢNG NAM BẰNG CÔNG NGHỆ GIS VÀ MÁY HỌC (MACHINE LEARNING) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐẶNG THỊ THÙY PHÂN VÙNG NGUY CƠ TRƢỢT LỞ DỌC CÁC TUYẾN ĐƢỜNG GIAO THÔNG TRỌNG ĐIỂM MIỀN NÚI TỈNH QUẢNG NAM BẰNG CÔNG NGHỆ GIS VÀ MÁY HỌC (MACHINE LEARNING) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám Hệ thông tin Địa lý Mã số: 8440211.01 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Dƣơng Thị Toan XÁC NHẬN HỌC VIÊN ĐÃ CHỈNH SỬA THEO GÓP Ý CỦA HỘI ĐỒNG Giáo viên hƣớng dẫn Chủ tịch hội đồng chấm luận văn thạc sĩ khoa học TS Dƣơng Thị Toan PGS.TS Đinh Thị Bảo Hoa Hà Nội - 2020 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu dƣới hỗ trợ thầy cô hƣớng dẫn Các nội dung nghiên cứu, kết luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố dƣới hình thức trƣớc Học viên cao học Đặng Thị Thùy i Lời cảm ơn Trong trình thực luận văn Thạc sĩ, em nhận đƣợc giúp đỡ quý báu vật chất tinh thần nhƣ kiến thức chuyên môn từ thầy cô bạn bè Trƣớc tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Đỗ Minh Đức TS Dƣơng Thị Toan định hƣớng, hƣớng dẫn bảo tận tình cho em suốt trình nghiên cứu thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô Khoa Địa lý – trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội tạo điều kiện cho em suốt trình học tập khoa Em xin gửi lời cảm ơn đến đề “Nghiên cứu dự báo nguy tai biến trƣợt lở mái dốc dọc tuyến giao thông trọng điểm miền núi tỉnh Quảng Nam đề xuất giải pháp ứng phó”, mã số: ĐTĐL.CN-23/17 PGS TS Đỗ Minh Đức làm chủ trì cung cấp tài liệu hỗ trợ em trình thực luận văn Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, ngƣời động viên, khích lệ em suốt thời gian học tập nghiên cứu Một lần em xin chân thành cảm ơn! Học viên cao học Đặng Thị Thùy Mục lục MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát trƣợt lở 1.2 Tổng quan ứng dụng GIS máy học nghiên cứu trƣợt lở giới Việt Nam 1.1.1 Thế giới 1.1.2 Việt Nam 11 1.2 Cơ sở tài liệu, quy trình phƣơng pháp nghiên cứu 16 1.2.1 Cơ sở tài liệu 16 1.3.2 Quy trình nghiên cứu 17 1.3.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 17 CHƢƠNG II ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN – KINH TẾ XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU 25 2.1 Vị trí địa lý 25 2.2 Đặc điểm tự nhiên 26 2.2.1 Đặc điểm địa hình 26 2.2.2 Đặc điểm mạng lƣới thủy văn 27 2.2.3 Đặc điểm khí hậu 29 2.2.4 Đặc điểm địa chất 30 2.2.5 Đặc điểm thảm thực vật 34 2.2.6 Hiện trạng đất 34 2.3 Đặc điểm kinh tế - xã hội 36 2.3.1 Giao thông 36 2.3.2 Đặc điểm kinh tế 37 iii 2.3.3 Đặc điểm xã hội 38 2.4 Khái quát tuyến quốc lộ 38 CHƢƠNG III XÂY DỰNG VÀ ĐÁNH GIÁ BẢN ĐỒ PHÂN VÙNG NGUY CƠ TRƢỢT LỞ DỌC CÁC TUYẾN ĐƢỜNG GIAO THÔNG TRỌNG ĐIỂM MIỀN NÚI TỈNH QUẢNG NAM 41 3.1 Xây dựng sở liệu trạng trƣợt lở yếu tố ảnh hƣởng 41 3.1.1 Hiện trạng trƣợt lở 41 3.1.2 Xây dựng liệu yếu tố ảnh hƣởng 51 3.2 Xây dựng đồ phân vùng nguy trƣợt lở 56 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 iv Danh mục hình Hình Mối quan hệ AI, deep learning machine learning .8 Hình Phân loại máy học Hình Trƣợt lở quốc lộ 14G tỉnh Quảng Nam .16 Hình Hoạt động mạng nơ ron nhân tạo nhƣ hệ thống mạng nơ ron não ngƣời 19 Hình Mạng lƣới mạng nơ ron nhân tạo 20 Hình Bài toán phân chia mặt phẳng chiều 21 Hình Bài tốn phân chia mặt phẳng đa chiều 22 Hình Mơ biến đổi khơng gian Kernel 22 Hình Các bƣớc xây dựng đồ phân vùng nguy trƣợt lở 23 Hình 10 Mơ AUC - ROC 24 Hình 11 Sơ đồ khu vực nghiên cứu 25 Hình 12 Cơng nhân tiến hành xúc dọn Km89+500 QL24C 43 Hình 13 Trƣợt lở tuyến quốc lộ 40B 43 Hình 14 Bản đồ trạng trƣợt lở khu vực nghiên cứu 48 Hình 15 Trƣợt lở km 67 + 100 đƣờng QL40B 49 Hình 16 Trƣợt lở gây trƣợt taluy âm km 72+650 đƣờng QL40B .49 Hình 17 Trƣợt lở km 75 +810 đƣờng QL40B 49 Hình 18 Trƣợt lở km 127 + 700 đƣờng QL40B 49 Hình 19 Trƣợt lở km 138+650 đƣờng QL40B 49 Hình 20 Trƣợt lở km 1373 + 200 đƣờng HCM 49 Hình 21 Trƣợt lở km 1392 + 750 đƣờng HCM 50 Hình 22 Trƣợt lở km 1401 + 400 đƣờng HCM 50 Hình 23 Trƣợt lở km 80 + 670 đƣờng QL24C 50 Hình 24 Trƣợt lở km 92 + 600 đƣờng QL 24C 50 Hình 25 Trƣợt lở km 65 + 000 QL 14D 50 Hình 26 Trƣợt lở km 85 + 300 QL 14E 50 Hình 27 Cách thức tổ chức liệu excel 56 Hình 28 Cách thức xây dựng mơ hình .57 vii Hình 29 Chạy mơ hình phần mềm R 57 Hình 30 AUC mơ hình mạng nơ ron nhân tạo 58 Hình 31 AUC mơ hình máy vec tơ hỗ trợ 58 Hình 32 Phân vùng nguy trƣợt lở tuyến Hồ Chí Minh quốc lộ 14D theo mạng nơ ron nhân tạo 61 Hình 33 Phân vùng nguy trƣợt lở tuyến Hồ Chí Minh quốc lộ 14D theo máy vec tơ hỗ trợ 62 Hình 34 Phân vùng nguy trƣợt lở tuyến quốc lộ 14B 14G theo mạng nơ ron nhân tạo .63 Hình 35 Phân vùng nguy trƣợt lở tuyến quốc lộ 14B 14G theo máy vec tơ hỗ trợ 63 Hình 36 Phân vùng nguy trƣợt lở tuyến quốc lộ 40B 24C theo mạng nơ ron nhân tạo .64 Hình 37 Phân vùng nguy trƣợt lở tuyến quốc lộ 40B 24C theo máy vec tơ hỗ trợ 65 Hình 38 Phân vùng nguy trƣợt lở tuyến quốc lộ 14E theo mạng nơ ron nhân tạo 66 Hình 39 Phân vùng nguy trƣợt lở tuyến quốc lộ 14E theo máy vec tơ hỗ trợ 66 viii Danh mục bảng Bảng Phân loại trƣợt lở theo Varnes D.J [4] Bảng Phân loại trƣợt lở theo Ban Nghiên cứu đƣờng Mỹ (1958) [1] .5 Bảng Các nhóm đất, diện tích phân bố 35 Bảng Diện tích loại đất lâm nghiệp (đơn vị: ha) 36 Bảng Thống kê điểm trƣợt khu vực nghiên cứu 44 Bảng Phân nhóm yếu tố độ cao .51 Bảng Phân nhóm yếu tố độ dốc 52 Bảng Phân nhóm yếu tố mật độ phân cắt sâu .52 Bảng Phân nhóm yếu tố thạch học 53 Bảng 10 Phân nhóm yếu tố lớp phủ 53 Bảng 11 Phân nhóm yếu tố khoảng cách đến đƣờng giao thơng .54 Bảng 12 Phân nhóm yếu tố khoảng cách đến đứt gãy .54 Bảng 13 Phân nhóm yếu tố số ẩm ƣớt TWI .55 Bảng 14 Phân cấp nguy trƣợt lở dọc tuyến giao thông tỉnh Quảng Nam .59 Bảng 15 Đánh giá khác biệt kết phân vùng hai mơ hình .60 ix MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Tỉnh Quảng Nam với huyện miền núi có địa hình đa dạng, cấu trúc địa chất phức tạp xung yếu đặc biệt hoạt động tân kiến tạo gây phân cắt địa hình mạnh mẽ, số tuyến giao thông miền núi phải đối mặt với tình trạng bị chia cắt trƣợt lở mái dốc, đặc biệt vào mùa mƣa Thực tế với ảnh hƣởng bất lợi hoạt động nhân sinh, tỉnh Quảng Nam nói chung, tuyến giao thơng huyết mạch miền núi nói riêng ln có nguy trƣợt lở mái dốc Những năm gần đây, tƣợng trƣợt lở mái dốc xảy đặc biệt nghiêm trọng số đoạn thuộc đƣờng Hồ Chí Minh, quốc lộ 14D, 14E, 14B, 40B, 24C Theo thống kê thiệt hại giai đoạn 2002 – 2019 trƣợt lở gây hƣ hỏng, vùi lấp hàng ngàn mét khối đƣờng giao thông hàng năm, gây thiệt hại ngƣời tiền để khắc phục cố, sửa chữa đƣờng đảm bao lƣu thông, lại ngƣời dân Tổng thiệt hại 1.000 tỷ đồng với khối lƣợng đất đá vùi lấp lên đến hàng triệu mét khối Đặc biệt đợt mƣa lớn lịch sử cuối năm 2017 làm ngƣời chết 117 tỷ đồng với hàng trăm điểm trƣợt tất tuyến quốc lộ, tỉnh lộ đƣờng huyện Để đánh giá, phòng tránh giảm thiểu tổn thƣơng, thiệt hại trƣợt lở tuyến đƣờng giao thông gây địi hỏi phải có tính tốn, dự báo tin cậy khả phát triển tai biến Hiện nay, có nhiều phƣơng pháp nghiên cứu đánh giá, dự báo trƣợt lở khác đƣợc công bố Việt Nam, có phƣơng pháp ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS – Geographic Information System) mơ hình machine learning – máy học nghiên cứu trƣợt lở trở nên phổ biến mang lại hiệu Máy học tập AI, phân ngành khoa máy học tính, với mục đích tạo cho máy tính khả học hỏi từ liệu sẵn có Một số mơ hình máy học đƣợc sử dụng thành lập đồ phân vùng nguy trƣợt lở nhƣ: hồi quy logistic, định, mạng nơ ron nhân tạo, K-means, K-nearest neighbor, máy vec tơ hỗ trợ … Trong mơ hình mạng nơ ron nhân tạo máy vec tơ hỗ trợ hầu hết nghiên cứu Thế giới Việt Nam cho ...ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐẶNG THỊ THÙY PHÂN VÙNG NGUY CƠ TRƢỢT LỞ DỌC CÁC TUYẾN ĐƢỜNG GIAO THÔNG TRỌNG ĐIỂM MIỀN NÚI TỈNH QUẢNG NAM BẰNG CÔNG NGHỆ GIS. .. nhân tạo máy vec tơ hỗ trợ kết hợp với GIS để xây dựng đồ phân vùng nguy trƣợt lở dọc tuyến đƣờng giao thông trọng điểm miền núi tỉnh Quảng Nam Các tuyến đƣờng nghiên cứu bao gồm 07 tuyến quốc... Đặc điểm xã hội 38 2.4 Khái quát tuyến quốc lộ 38 CHƢƠNG III XÂY DỰNG VÀ ĐÁNH GIÁ BẢN ĐỒ PHÂN VÙNG NGUY CƠ TRƢỢT LỞ DỌC CÁC TUYẾN ĐƢỜNG GIAO THÔNG TRỌNG ĐIỂM MIỀN NÚI TỈNH QUẢNG