Giám sát diễn biến lũ từ dữ liệu ảnh vệ tinh viễn thám

239 GIÁM SÁT DIỄN BIẾN LŨ TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH VIỄN THÁM SV Hồ Thị Tuyết Liễu ThS La Văn Hùng Minh Tóm tắt Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh Landsat thành lập đồ ngập lũ tỉnh Đồng Tháp việc sử dụng phương pháp phân tích đường bờ bán tự động thơng qua số NDWI để tách biệt hai đối tượng đất nước Kết thu năm 2014 phân thành ba khu vực ngập khu vực đầu nguồn huyện sông Tiền (260.066,24 ha); khu vực vùng Đồng Tháp Mười (227.968,26 ha); khu vực huyện phía Nam sơng Tiền (123.196,05 ha) Thành lập đồ ngập lũ khu vực tỉnh Đồng Tháp liệu ảnh Landsat sở cho việc phát triển phương pháp để thành lập đồ dự báo lũ cho khu vực rộng khu vực Đồng sông Cửu Long mở hướng việc nghiên cứu sử dụng loại ảnh vệ tinh chi phí thấp, độ xác cao việc quản lý tài nguyên môi trường Mở đầu Lũ tượng tự nhiên xảy năm vài năm gần ảnh hưởng biến đổi khí hậu có trận lũ lớn xuất diễn biến lũ khơng ổn định, có biến động bất ngờ có năm lũ đến sớm có năm lũ đến muộn làm ảnh hưởng đến công tác quản lý dự báo Do cần phải có giải pháp tốt việc theo dõi giám sát, quản lý khả ngập lũ để hạn chế mặt hại (gây trở ngại cho sản xuất; thiệt hại người tài sản) đồng thời khai thác triệt để mặt lợi (lũ bồi đắp hàng triệu phù sa làm cho đất đai màu mỡ; cải tạo môi trường nước đất; lũ tạo ‘‘mùa nước nổi’’ cung cấp nhiều loại thủy sản, khu rừng ngập nước, làm tăng đa dạng sinh học) Công nghệ viễn thám thành tựu khoa học vũ trụ đạt đến trình độ cao sử dụng rộng rãi giới tất lĩnh vực Hiện nay, công nghệ viễn thám biết đến mạnh mẽ việc quản lý tài nguyên thiên nhiên, theo dõi, giám sát tượng tự nhiên với khả cung cấp liệu phạm vi không gian rộng lớn, với khoảng thời gian lặp lại theo chu kỳ - có khả đánh giá nhanh thay đổi đối tượng đặc biệt ứng dụng việc giám sát tình hình diễn biến lũ Nội dung nghiên cứu 2.1 Phạm vi nghiên cứu Đồng Tháp tỉnh nằm khu vực châu thổ Đồng sông Cửu Long thuộc hạ lưu sông Mekong, tọa độ địa lý từ 10°07’ đến 10°58’ vĩ độ Bắc từ 105°12’ đến 105°56’ kinh độ Đơng Phía Bắc Tây Bắc giáp tỉnh Preyveng thuộc Campuchia với đường biên giới 48.7km, phía Đơng giáp Long An Tiền Giang, phía Tây giáp An Giang Cần Thơ, phía nam Đơng Nam giáp Vĩnh Long [1] Đồng Tháp có địa hình tương đối phẳng, cao trung bình từ - 2m so với mực nước biển; độ cao giảm dần từ Bắc xuống Nam, từ Tây sang Đông Đồng Tháp nằm vùng nhiệt đới gió mùa, có hai mùa rõ rệt mùa mưa mùa khô (mùa mưa từ tháng đến tháng 11 mùa khô từ tháng 12 tháng năm sau) Lượng mưa trung bình năm từ 1.170 – 1.520 mm, tập trung vào mùa mưa, chiếm 90 – 95% 240 lượng mưa năm Tỉnh Đồng Tháp có hệ thống sơng, ngịi, kênh, rạch chằng chịt, nhiều ao, hồ lớn với sơng sơng Tiền (một nhánh sơng Mekong) chảy qua tỉnh với chiều dài khoảng 132km [1] Hình : Vị trí khu vực nghiên cứu 2.2 Dữ liệu phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Dữ liệu nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng liệu ảnh vệ tinh Landsat năm 2014 khu vực tỉnh Đồng Tháp: [2] - Độ phân giải không gian: 30m Thời gian thu thập: tháng ngập lũ từ tháng đến tháng 12 năm 2014 + Chất lượng ảnh: thu thập xử lý ảnh viễn thám khơng bị sọc có độ che phủ mây nhỏ 10% độ che phủ toàn tỉnh Bảng Các kênh ảnh ảnh Landsat Kênh ảnh Bước sóng (µm) Độ phân giải (m) Kênh - Coastal aerosol 0.433 – 0.453 30 Kênh - Blue 0.450 – 0.515 30 Kênh - Green 0.525 – 0.600 30 Kênh - Red 0.630 - 0.680 30 Kênh – Near Infrared 0.845 - 0.885 30 Kênh – SWIR 1.560 - 1.660 30 Kênh – SWIR 2.100 - 2.300 30 Kênh – Panchromatic 0.500 - 0.680 15 Kênh – Cirrus 1.360 - 1.390 30 Kênh 10 – Thermal Infrared 10.3 - 11.3 100 Kênh 11 – Thermal Infrared 11.5 - 12.5 100 241 2.2.1 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp điều tra, thu thập số liệu, tài liệu + Thu thập tài liệu, số liệu có liên quan đến đề tài: Bản đồ trạng tỉnh Đồng Tháp, số liệu khí tượng thủy văn, số liệu ngập lũ địa bàn tỉnh Đồng Tháp Số liệu thu thập Sở Tài ngun Mơi trường, trung tâm khí tượng thủy văn + Đánh giá, phân tích số liệu, tài liệu để chọn lọc thơng tin cần thiết: tình trạng ngập lũ, khu vực ngập lũ, thời gian ngập độ sâu ngập địa bàn tỉnh Đồng Tháp + Thu thập liệu ảnh vệ tinh Landsat khu vực Đồng Tháp - Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh Trong báo cáo sử dụng phần mềm ENVI phân tích ảnh vệ tinh Landsat khu vực nghiên cứu gồm cơng đoạn: + Cắt ảnh tiến trình lấy diện tích nhỏ từ ảnh che phủ diện tích mặt đất lớn cần thiết (một tờ ảnh đầy đủ) Được sử dụng trường hợp khu vực nghiên cứu phần nhỏ tờ ảnh đầy đủ + Ghép ảnh: khu vực tỉnh Đồng Tháp nằm hai tờ ảnh riêng lẽ cần thiết phải ghép hai ảnh lại với để ảnh khu vực tỉnh Đồng Tháp hoàn chỉnh + Phân tích, phân loại đối tượng xác định thông tin đối tượng lũ để thành lập đồ ngập lũ theo giai đoạn: đề tài sử dụng phương pháp phân tích đường bờ bán tự động làm bật thông qua số khác biệt nước Normalized Difference Water Index (NDWI) Theo GAO (1996) số NDWI cho phép phân biệt đối tượng đất với nước hiển thị theo cơng thức: [4] NDWI = (NIR-MIR)/(NIR+MIR) Trong đó: NIR: kênh cận hồng ngoại; MIR: kênh hồng ngoại Sau dùng phương pháp chia ảnh tỉ số sử dụng để làm bật đường bờ theo công thức sau: Đường bờ = ((Green/ NIR) * (Green / MIR)) + NDWI Trong đó: NIR: kênh cận hồng ngoại; MIR: kênh hồng ngoại giữa; Green: kênh màu lục + Sau thực phương pháp làm bật đường bờ, liệu chuyển sang phần mềm ArcGIS MapInfo để thành lập đồ ngập lũ 242 Hình Sơ đồ quy trình phân loại thành lập đồ ngập lũ tỉnh Đồng Tháp Kết thảo luận 3.1 Diễn biến trình ngập lũ tỉnh Đồng Tháp năm 2014 từ ảnh viễn thám Kết phân tích liệu ảnh viễn thám Landsat từ tháng đến tháng 12 năm 2014 cho thấy diễn biến trình ngập lũ khu vực tỉnh Đồng Tháp: lũ bắt đầu xuất từ huyện đầu nguồn sông Tiền chảy phía huyện phía nam khu vực nội đồng, diện tích ngập tăng dần từ tháng đến tháng đạt cao vào tháng 8, tháng sau giảm dần từ tháng 10 tháng 12 Cụ thể khu vực sau: - Khu vực huyện đầu nguồn sông Tiền tỉnh Đồng Tháp: gồm tỉnh Tân Hồng, Hồng Ngự, TX.Hồng Ngự, Tam Nông Do nằm đầu nguồn, giáp biên giới nên lũ khu vực ngày xuất tương đối sớm lũ tràn biên giới lũ từ thượng nguồn chảy về; từ khoảng tháng nước bắt đầu dâng số khu vực xã Thường Phước, Thường Thới Tiền (huyện Hồng Ngự); xã Bình Thạnh, Tân Hội (TX Hồng Ngự); xã Tân Hộ Cơ, Thơng Bình, Tân Phước, Tân Thành (huyện Tân Hồng) sau lan rộng khu vực khác đạt đỉnh cao vào khoảng tháng 8, tháng với diện tích ngập trung bình khoảng 72.868,8 Nhưng đến khoảng cuối tháng 12 số khu vực huyện Hồng Ngự huyện Tân Hồng nước rút ngập số khu vực huyện Tam Nông như: xã Phú Hiệp, xã Phú Đức, xã Tân Cơng Sính với diện tích ngập khoảng 6,823.98 - Khu vực vùng Đồng Tháp Mười: gồm huyện Thanh Bình, Tháp Mười, huyện Cao Lãnh, TP Cao Lãnh Vào khoảng tháng nước bắt đầu dâng số khu vực điển xã Thạnh Lợi, Hưng Thạnh, Trường Xuân (huyện Tháp Mười); xã Phong Mỹ, Tân Nghĩa, Nhị Mỹ, Mỹ Xương, Mỹ Hội (huyện Cao Lãnh) vài nơi nhỏ huyện Cao Lãnh, TP.Cao Lãnh với tổng diện tích ngập 14.788,97 Nhưng đến khoảng tháng ảnh hưởng triều cường lũ từ thượng nguồn tràn nhanh nên nước lũ lên khu vực nội đồng tăng nhanh đáng kể với diện tích ngập rộng vào khoảng 73.370,08 ngập tất nơi khu vực Nhưng trình lũ rút diễn nhanh đến gần cuối tháng 12 diện tích ngập cịn 9.226,51 ngập số nơi Trường Xuân, Hưng Thạnh, Mỹ Q (huyện Tháp Mười); Bình Thạnh, Mỹ Xương, Mỹ Hội (huyện Cao Lãnh); Tịnh Thới (TP.Cao Lãnh); Bình Thành, Tân Phú, Phú Lợi (huyện Thanh Bình) 243 - Khu vực huyện phía Nam sơng Tiền tỉnh Đồng Tháp: gồm huyện TP.Sa Đéc, Lấp Vò, Lai Vung, Châu Thành Khu vực nằm kẹp sông Tiền sơng Hậu, địa hình có dạng lịng máng với hướng dốc từ hai bên sông vào với độ cao khoảng 0,8m – 1,0m Khi mực nước sông Tiền sông Hậu dâng cao thường khoảng tháng nước từ thượng nguồn sông MêKông đổ số khu vực xã Bình Thạnh Trung, Vĩnh Thạnh, Long Hưng B (huyện Lấp Vò); TT Lai Vung, xã Hòa Long, Long Hậu (huyện Lai Vung); xã An Nhơn, TT Cái Tài Hạ, An Khánh (huyện Châu Thành) xuất lũ nước từ hai sông chảy tràn vào với diện tích ngập khu vực 14.479,24 Đồng thời kết hợp với lượng nước từ biên giới chảy tràn xuống nên gây ngập cao vào khoảng tháng 10 với diện tích khoảng 37.583,52 Tuy nhiên q trình rút lũ diễn tương đối nhanh đến cuối tháng 12 diện tích ngập khu vực cịn 2.757,64 ngập số nơi xã Long Hậu, TT.Lai Vung, Hòa Long, Phong Hòa (huyện Lai Vung); xã Vĩnh Thạnh (huyện Lấp Vò); xã An Hiệp, An Nhơn (huyện Châu Thành) Diễn biến trình ngập giải đốn ảnh viễn thám thể thơng qua diện tích ngập khu vực thể qua biểu đồ sau: Hình Biểu đồ ngập lũ khu vực địa bàn tỉnh Đồng Tháp Qua biểu đồ ta thấy tổng diện tích ngập huyện thuộc khu vực đầu nguồn tỉnh Đồng Tháp tương đối cao (khoảng 260.066,24 ha) khu vực lại khu vực vùng Đồng Tháp Mười (khoảng 227.968,26 ha) khu vực huyện phía Nam (khoảng 123.196,05 ha) dao động không ổn định tăng mạnh từ tháng đến tháng tương ứng với thời gian lũ bắt đầu xuất Đồng sơng Cửu Long sau có xu hướng giảm nhẹ tương đối ổn định tháng 11 sau diện tích ngập giảm mạnh cao khu vực lại Cũng khu vực huyện đầu nguồn khu vực Đồng Tháp Mười diện tích ngập tương đối rộng ngập nhiều vào tháng sau có xu hướng giảm dần ổn định tháng 12 Còn khu vực huyện phía Nam sơng Tiền tỉnh Đồng Tháp diện tích ngập từ tháng tháng 10 tương đối ổn định khơng có nhiều biến động sau tăng mạnh đạt diện tích cao vào tháng 11 sau lại giảm đột ngột 244 Hình Diễn biến trình ngập lũ tỉnh Đồng Tháp năm 2014 245 3.2 Đánh giá độ xác kết giải đốn Ðể kiểm tra lại kết sau phân loại, nghiên cứu tiến hành so sánh dựa số liệu mực nước thủy văn ghi nhận trạm quan trắc với diện tích ngập giải đốn từ ảnh vệ tinh Landsat Do mực nước sông dâng cao vượt mức chảy tràn vào khu vực dẫn đến diện tích ngập điểm tăng lên nên ta xét mối tương quan diện tích ngập giải đốn ảnh viễn thám với mực nước đo trạm quan trắc để so sánh đối chiếu Ta nhận thấy diện tích ngập tính dựa ảnh viễn thám mực nước thủy văn trạm khu vực gần tỷ lệ thuận với nhau; mực nước sơng dâng cao diện tích ngập lại tăng lên ngược lại Theo báo cáo kết cơng tác phịng, chống thiên tai tìm kiếm cứu nạn năm 2014 kế hoạch số 93/KH-UBND tỉnh Đồng Tháp việc phòng chống thiên tai tìm kiếm cứu nạn năm 2015, khu vực huyện đầu nguồn sông Tiền tỉnh Đồng Tháp đỉnh lũ lớn năm 2014 khoảng từ ngày 13-16/8/2014 [3] diện tích ngập lớn giải đốn vào 17/8/2014 với tổng diện tích 70.187,63 Khu vực vùng Đồng Tháp Mười đỉnh lũ lớn năm 2014 vào khoảng ngày 14-19/8/2014 gần tương quan với diện tích ngập lớn giải đoán ảnh viễn thám vào khoảng gần đầu tháng với tổng diện tích 73.370,08 ha; đỉnh lũ trạm Trường Xn Mỹ An (huyện Tháp Mười) đến tháng 10 xuất Khu vực huyện phía Nam đạt đỉnh lũ cao năm 2014 vào khoảng ngày 10/10/2014 tương quan với diện tích ngập lớn ảnh viễn thám vào khoảng tháng 10 với diện tích khoảng 37.583,52 ha; đỉnh lũ Lai Vung Lấp Vò xuất tương đối sớm vào khoảng tháng Kết luận Sử dụng kỹ thuật viễn thám để thành lập đồ ngập lũ kỹ thuật mang lại hiệu cao, tốn chi phí, thời gian thực rút ngắn Bản đồ ngập lũ sau hoàn thành cung cấp cho ta khu vực ngập lũ, diện tích ngập theo khu vực để từ đưa so sánh đối chiếu với thực tế Kết thành lập đồ (từ tháng đến tháng 12) thể diễn biến trình ngập lũ khu vực tỉnh Đồng Tháp năm 2014 ta nhận thấy lũ Đồng Tháp xuất tương đối sớm tháng thường đạt cực đại vào khoảng từ tháng đến tháng 10 với diện tích ngập tương đối lớn sau giảm đáng kể vào tháng 12 cuối tháng Kết phân tích ảnh so với số liệu thực tế từ trạm quan trắc có độ xác tương đối cao Với nguồn liệu miễn phí kết giải đốn có độ xác cao phương pháp hiệu việc quản lý theo dõi diễn biến lũ Tài liệu tham khảo [1] Ủy ban nhân dân tỉnh Đồng Tháp (2014) Giới thiệu khái quát tỉnh Đồng Tháp http://www.chinhphu.vn/portal/page/portal/chinhphu/cactinhvathanhpho/tinhdongt hap/thongtintinhthanh?view=introduction&provinceId=1358, truy cập ngày 12/5/2015 [2] USGS (2014) http://earthexplorer.usgs.gov/, truy cập ngày 25/12/2014 [3] Ủy ban nhân dân tỉnh Đồng Tháp (2015) Kế hoạch số 93/KH-UBND ngày 08 tháng năm 2015 Kế hoạch phòng chống thiên tai tìm kiếm cứu nạn năm 2015 [4] Hanqiu Xu (2006) Modification of normalised difference water index (NDWI) to enhance open water features in remotely sensed imagery International Journal of Remote Sensing, 27(14):3027  ... Tháp năm 2014 từ ảnh viễn thám Kết phân tích liệu ảnh viễn thám Landsat từ tháng đến tháng 12 năm 2014 cho thấy diễn biến trình ngập lũ khu vực tỉnh Đồng Tháp: lũ bắt đầu xuất từ huyện đầu nguồn... Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh Trong báo cáo sử dụng phần mềm ENVI phân tích ảnh vệ tinh Landsat khu vực nghiên cứu gồm công đoạn: + Cắt ảnh tiến trình lấy diện tích nhỏ từ ảnh che phủ diện tích... tháng ngập lũ từ tháng đến tháng 12 năm 2014 + Chất lượng ảnh: thu thập xử lý ảnh viễn thám khơng bị sọc có độ che phủ mây nhỏ 10% độ che phủ toàn tỉnh Bảng Các kênh ảnh ảnh Landsat Kênh ảnh Bước