Quan trắc sự biến động đường bờ sử dụng dữ liệu vệ tinh Landsat đa thời gian ở khu vực Cửa Đại, sông Thu Bồn, Quảng Nam

Bài viết Quan trắc sự biến động đường bờ sử dụng dữ liệu vệ tinh Landsat đa thời gian ở khu vực Cửa Đại, sông Thu Bồn, Quảng Nam nhằm đưa ra một số phương pháp xác định biến động đường bờ biển như tiền xử lý ảnh, chiết tách đường bờ, hiệu chỉnh tác động do thủy triều khác nhau ở các thời điểm.

QUAN TRẮC SỰ BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ SỬ DỤNG DỮ LIỆU VỆ TINH LANDSAT ĐA THỜI GIAN Ở KHU VỰC CỬA ĐẠI, SÔNG THU BỒN, QUẢNG NAM TS Nguyễn Văn Trung Khoa Trắc địa – Bản đồ Quản lý đất đai, Đại học Mỏ - Địa chất ThS Nguyễn Văn Khánh Khoa Trắc địa – Bản đồ, Đại học Tài Ngun Mơi trường thành phố Hồ Chí Minh Tóm tắt Sự thay đổi đường bờ sơng biển ảnh hưởng hoạt động địa kiến tạo nâng, hạ, đứt gẫy, xói mịn, bội tụ dịch chuyển doi cát Các nguyên nhân khác bao gồm mực nước biển dâng, tăng lượng mưa bất thường, di chuyển trầm tích cửa sông hoạt động xây dựng đập nước, nuôi trồng thủy sản trồng rừng ngập mặn người Bởi vậy, quan trắc thay đổi đường bờ thực cần thiết bối cảnh biến đổi khí hậu Cửa Đại, sơng Thu Bồn Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat đa thời gian giai đoạn 1973 đến 2014 với năm có ảnh sử dụng cho mục đích quan trắc Chúng sử dụng phương pháp ảnh tỷ số với kỹ thuật phân ngưỡng để chiết tách đường bờ thời điểm mà ảnh vệ tinh có sẵn Sự thay đổi đường bờ tính tốn từ mặt cắt ngang vng góc với đường bờ Giá trị dương đại diện cho xói mịn đường bờ giá trị âm tương ứng với bồi tụ đường bờ Từ kết thực nghiệm, tìm thấy thay đổi đường bờ lớn 600 m năm 1973 năm 2014 bờ phía Nam cửa Đại, sơng Thu Bồn, Quảng Nam Từ khóa: Sơng Thu Bồn, thay đổi đường bờ, ảnh Landsat, tỷ số ảnh MỞ ĐẦU Sông Thu Bồn sông lớn khu vực miền Trung nước ta Sông bắt nguồn từ hồ Sông Tranh độ cao 100 m so với mực nước biển tạo đồng châu thổ rộng lớn trước đổ biên Đông Lưu vực sông Thu Bồn kéo dài từ 14054’ đến 16013’ vĩ độ Bắc, 107013’ to 108044’ kinh độ Đông vùng phẳng phạm vi hẹp Diện tích lưu vực khoảng 10.035 km2 thuộc tỉnh Quảng Nam phần tỉnh Kon Tum Khu vực cửa sông thường chịu nhiều tác động hoạt động kiến tạo đại (các cấu trúc nâng, hạ, đứt gẫy), mực nước biển dâng, thay đổi lượng mưa, tăng lượng trầm tích sơng hoạt động người xây dựng đập thủy điện, thủy lợi, nuôi thủy sản, trồng rừng ngập mặn [1] Đường bờ định nghĩa ranh giới bề mặt đất nước mức thủy triều qui định [2] Quan trắc thay đổi địa mạo, đường bờ, sử dụng đất vùng gần bờ sông biển quan tâm tác động từ nhiều yếu tố bao gồm chế thủy văn, địa chất, khí hậu thực vật [3] Các đồ đường bờ truyền thống khu vực phạm vi nhỏ thường thành lập phương pháp trắc địa thông thường kết hợp với liệu thủy triều [4] Hạn chế phương pháp khả ứng dụng cho phạm vi lớn, giá thành cao phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Bởi vậy, phương pháp xác định đương bờ phổ biến vài thập niên gần đo ảnh lập thể với điểm khống chế đo công nghệ GPS [5] Phương pháp khó áp dụng quan trắc nhiều thời điểm phạm vi lớn Trong năm gần đây, kỹ thuật viễn thám vệ tinh có áp dụng để quan trắc thành lập đồ khu vực ven biển [6], [7] Quá trình chiết tách đường bờ từ ảnh vệ tinh phụ thuộc vào đường bờ nước, mực nước thủy triều vài điều kiện khác để hiệu chỉnh mức thủy triều quy định Sự biến động đường bờ kiện đặc biệt quan trắc dựa vào số liệu chu kỳ dài thời điểm ngẫu nhiên [3] Sự xác định biến động đường bờ mực nước biển dâng đề cập vài tác giả [3],[8]-[9] Nguyên lý phương pháp áp dụng nghiên cứu dựa vào phân tách phản xạ phổ bề mặt đất bề mặt nước khu vực ven bờ Trong trường hợp vùng ven biển bao phủ thực vật, kênh phổ đỏ cận hồng ngoại sử dụng để tách biệt thực vật nước Bởi vậy, áp dụng kênh toàn sắc tổ hợp màu giả cho phép giải đốn mắt đường bờ Ngồi ra, phương pháp biến đổi ảnh từ tính tốn dựa vào kênh ảnh sử dụng cho mục đích chiết tách đường bờ Các phương pháp nhằm tăng hiệu việc xác định đường bờ [10]-[13] Nghiên cứu nhằm lựa chọn kỹ thuật chiết tách đường bờ sử dụng ảnh vệ tinh đa thời gian Chúng có thay đổi phương pháp đề xuất [11] để xác định đường bờ phù hợp đường bờ sông biển khu vực cửa Đại, sông Thu Bồn Quan trắc biến động đường bờ cách so sánh đường bờ xác định thời điểm mà ảnh vệ tinh cung cấp với hiệu chỉnh tác động thủy triều gây Bởi vậy, ảnh vệ tinh đa thời gian sử dụng cho mục đích cần phải lựa chọn thu nhận cảm biến, thu nhận mùa chế thủy triều loại trừ giảm thiểu sai số ảnh hưởng đến kết xác định biến động KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ DỮ LIỆU SỬ DỤNG 2.1 Khu vực nghiên cứu Lưu vực sông Thu Bồn nằm huyện Trà My, Tiên Phước, Phước Sơn, Hiệp Đức, Nam Giang, Quế Sơn, Duy Xuyên, Đại Lộc, Điện Bàn quận Thanh Bình bao gồm đa dạng loại địa núi, đồi, đồng bằng, khu vực ven biển thềm sông Khu vực nghiên cứu khu vực cửa sông lớn sông Thu Bồn gọi cửa Đại (Hình 1) Đường bờ sơng biển khu vực biến động nhanh hoạt động tự nhiên người Hình Lưu vực sông Thu Bồn, Quảng Nam 2.2 Dữ liệu sử dụng Các đồ liệu ảnh vệ tinh cần sử dụng nghiên cứu bao gồm đồ địa hỉnh tỷ lệ 1: 50.000 thành lập năn 2002 cung cấp Trung tâm liệu Trắc địa đồ Dữ liệu thủy triều thời điểm chụp ảnh vệ tinh vị trí khu vực nghiên cứu tính từ trạm gốc Hịn Dấu cung cấp Viện địa chất biển địa vật lý Các ảnh vệ tinh sử dụng để chiết tách đường bờ bao gồm ảnh thu nhận từ cảm biến Landsat MSS, TM, ETM+ OLI Bảng mô tả chi tiết thông số loại ảnh mức thủy triều thời điểm thu nhận ảnh Bảng Dữ liệu ảnh Landsat mức thủy triều Bộ cảm MSS MSS TM TM TM TM TM OLI Cột/ hàng 133/049 133/049 124/049 124/049 124/049 124/049 124/049 124/049 Ngày/tháng/năm Giờ địa phương 21/02/1973 06/01/1979 17/05/1989 19/06/1995 07/05/2000 20/08/2006 10/05/2009 22/05/2014 9h32' 9h41' 9h39' 9h51' 10h06' 10h05' 10h07' 10h38' Độ phân giải (m) 80 80 30 30 30 30 30 30 Mức thủy triều (m) 0.14 0.18 0.20 0.27 0.39 0.53 0.31 0.35 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ Để chuẩn bị thực xác định biến động đường bờ, kỹ thuật viễn thám sử dụng công cụ GIS phải thực xử lý ảnh, phân tích ảnh, phân tích biến động liệu vector, vv…Một quy trình mơ tả tồn phương pháp thực nghiệm đưa Hình Kênh 2, Kênh 4, Kênh (Landsat TM) Phân ngưỡng kênh Kênh 2/kênh > and kênh 2/kênh > Ảnh số Ảnh số Nhân hai ảnh Chiết tách đường bờ Hiệu chỉnh tác động thủy triều Bản đồ biến động đường bờ Hình Quy trình xác định biến động đường bờ (được thay đổi dựa vào [11]) 3.1 Tiền xử lý ảnh Tất ảnh Landsat hiệu chỉnh hình học hệ tọa độ VN-2000, phép chiếu UTM với độ phân giải 30 m Sau đó, ảnh sau hiệu chỉnh hình học cắt theo phạm vi khu vực nghiên cứu tăng cường chất lượng ảnh việc làm bật đường bờ kỹ thuật lọc gờ 3.2 Chiết tách đường bờ Đường bờ nước đường phân tách bề mặt sông biển đất (Elizabeth, 2005) Khi mực nước thay đổi, đường bờ nước thay đổi theo, việc xác định đường bờ trở nên khó [3] Việc chiết tách đường bờ từ ảnh vệ tinh cần phải dựa vào đường bờ nước, mức thủy triều điệu kiện khác làm giảm ảnh hưởng sai số trình xác định đường bờ Vài phương pháp sử dụng để xác định đường bờ từ ảnh vệ tinh viễn thám Đó phương pháp truyền thống giải đốn mắt Ngồi ra,phương pháp phân loại ảnh số sử dụng với việc phân ngưỡng giá trị kênh phổ đơn Bên cạnh đó, kỹ thuật lọc gờ, phân đoạn ảnh áp dụng nhằm bổ sung thêm phương pháp khác [14] Phản xạ phổ nước gần kênh hồng ngoại, nhiên phản xạ phổ thực vật đất tương đối lớn kênh hồng ngoại [11] Bởi vậy, đường bờ dễ chiết tách từ kênh hồng ngoại đơn Ví dụ, kênh ảnh Landsat TM ETM+ phân tách vùng đặc trưng nước đất Nhưng, vùng chuyển tiếp đất nước cho kết lẫn lộn đất nước Nếu giá trị phản xạ phổ vùng rõ ràng tách biệt mô tả vùng nước (giá trị phản xạ phổ thấp) đất (giá trị phản xạ phổ cao hơn) [11] Tuy nhiên, giá trị ngưỡng áp dụng cho toàn cầu mà áp dụng cho khu vực cục bộ, khó nhận kết xác sử dụng phương pháp Trong nghiên cứu này, phương pháp tính tỷ số kênh phổ áp dụng kênh kênh ảnh Landsat MSS kênh kênh ảnh Landsat TM ETM+ Trong phương pháp phân tách nước đất rõ ràng Tỷ số kênh kênh lớn bề mặt nước nhỏ đất khu vực ven biển [15] Sự phân ngưỡng dựa vào Histogram định nghĩa bước nhảy 0.01 để phân biệt rõ ràng nước đất Kết ảnh tỷ số chuyển sang định dạng shape file phần mềm ENVI 5.2 cơng tác biên tập xóa đối tượng nhỏ thu đồ đường bờ sử dụng phần mềm ArcGIS 10.2 3.3 Hiệu chỉnh tác động thủy triều khác thời điểm Đường bờ theo định nghĩa phải qui chiếu mức thủy triều Bởi kết hiệu chỉnh phụ thuộc vào độ dốc bờ sông, biển, thời điểm thu nhận ảnh (giờ, ngày mặt trăng, mùa) điều kiện thời tiết khác [2] Trong vùng hạ lưu sông Thu Bồn, mực nước cửa sông biển thời điểm ảnh chụp khác từ -0.14 m đến 0.53 m Điều có nghĩa thủy triều có ảnh hưởng đến đường bờ nước chiết tách từ ảnh vệ tinh thời điểm năm 1973, 1979, 1989, 1995, 2000, 2006, 2009 2014 Hình Chúng ta phải hiệu chỉnh đường bờ mức thủy triều chung Nếu đường bờ nước coi đường bình độ từ đường bình độ nội suy đường bình độ mức độ cao chuẩn Để thuận tiện, chúng tơi chọn, mức thủy triều thấp -0.14 m năm 1973 làm mức chuẩn để quy chiếu thời điểm khác theo Kết sau quy chiếu tất thời điểm mức thủy triều năm 1973 thu Hình 4a KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Các đường bờ sau chiết tách từ ảnh vệ tinh Landsat (Hình 3) hiệu chỉnh tác động thủy triều tám thời điểm 1973, 1979, 1989, 1995, 2000, 2006, 2009 2014 (Hình 4a) Chúng ta thấy rõ biến động phức tạp hình dáng, biên độ tốc độ Bởi vậy, bốn mặt cắt ngang vng góc với đường bờ lựa chọn bốn vùng đặc trưng AA, BB, CC DD (Hình 4a) Mặt cắt AA BB nằm bờ sơng phía Nam Cửa Đại khu vực bị xói lở đường bờ Mặt cắt CC lựa chọn góc bờ sơng phía Nam bờ biển khu vực chịu ảnh hưởng dòng chảy sông thủy triều biển Các biến động đường bờ mặt cắt bao gồm xói lở, bồi tụ dịch chuyển doi cát Mặt cắt DD nằm bờ biển gần cửa Đại, sông Thu Bồn bội tụ xẩy mặt cắt Các biến động bốn mặt cắt AA, BB, CC DD đo đạc vẽ Hình 4b thể biến động thời điểm khu vực nghiên cứu 21/02/1973 06/01/1979 17/05/1989 19/06/1995 07/05/2000 22/05/2014 10/05/2009 22/05/2014 Hình Chiết tách đường bờ từ ảnh vệ tinh Landsat tám thời điểm Các đường bờ sau hiệu chỉnh thủy triều chồng lên sử dụng công cụ GIS phần mềm ArcGIS để thành lập đồ biến động đường bờ Hình 4a Chúng ta thấy đường bờ khu vực nằm sâu đất liền khơng có biến động đáng kể Tuy nhiên, thay đổi đường bờ khu vực cửa Đại diễn liên tục theo thời gian Đặc biệt, đường bờ phía Nam Đại biến động lớn dần đến biển Đông Đây lý lựa chọn mặt cắt ngang cửa sơng Đường bờ góc bờ sơng bờ biển có biến động phức tạp doi cát liên tục chuyển động, mặt cắt bố trí để quan trắc biện động (a) (b) Hình a) Bản đồ biến động đường bờ; b) bốn mặt cắt ngang AA, BB, CC DD Của Đại Để thực phân tích biến động đường bờ 41 năm, bốn mặt cắt khu vực Cửa Đại đo đạc vẽ Hình Bốn mặt cắt vẽ tương ứng với bốn màu đỏ, xanh cây, xanh nước biển đen với sai số xác định ± pixel loại ảnh Landsat MSS, TM OLI Sự biến động đường bờ năm 1973 coi không (không biến động) Điều có nghĩa đường bờ năm 1973 đặt đường bờ chuẩn Các đường bờ khác so sánh với đường bờ năm 1973 để xác định giá trị biến động hai đường bờ Nếu giá trị biến động mang dấu dương, điều có nghĩa đường bờ có biến động q trình xói mịn Ngược lại, giá trị biến động mang dấu âm nghĩa đường bờ có biến động q trình bồi tụ Hình Biến động đường bờ thể bốn mặt cắt Cửa Đại Dựa vào kết Hình 5, biến động đường bờ mặt cắt AA tăng dần toàn khoảng thời gian quan trắc Biến động lớn khoảng 200 m so với với đường bờ năm 1973 Tuy nhiên, biến động đường bờ mặt cắt BB có độ dốc cao so với mặt cắt AA mặt cắt BB nằm gần biển nên có biên động đường bờ lớn Biến động lớn mặt cắt BB 319 m so với đường bờ năm 1973 Giai đoạn có biến động lớn 154 m năm 1995 2000, giai đoạn xẩy xói lở lớn Trong mặt cắt CC, biến động đường bờ xẩy phức tạp dịch chuyển dải cát nắm vị trí góc tạo bờ sơng bờ biển Sự biến động nhìn chung tăng, ngoại trừ giai đoạn 1989-1995 có biến động giảm 216 m Giai đoạn 1995-2000 có biến động tăng lớn 304 m biến động toàn suốt khoảng thời gian quan trắc 450 m Ngược lại với trình biến động ba mặt cắt AA,BB CC, biến động đường bờ mặt cắt DD mang giá trị âm trình bồi tụ xẩy Giá trị biến động -130 m -202 m giai đoạn 2000-2006 2006-2009 Nhưng, biến động đường bờ giai đoạn 2009-2014 lại +62 m Biến động đường bờ toàn khoảng thời gian quan trắc mặt cắt 603 m so với đường bờ chọn làm chuẩn năm 1973 KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, tám ảnh Landsat khoảng thời gian 1973-2014, mức thủy triều mơ hình số độ cao khu vực Cửa Đại, sông Thu Bồn sử dụng để chiết tách đường bờ tám thời điểm mà ảnh Landsat cung cấp Các đường bờ chồng lên đồ biến động đường bờ sử dụng công cụ GIS để phục vụ phân tích biến động đường bờ suốt 41 năm Bốn mặt cắt lựa chọn khu vực cửa Đại nhằm cung cấp kết biến động Dựa vào kết bốn mặt cắt, chúng tơi kết luận biến động đường bờ phía Nam cửa Đại hoạt động xói lở Đặc biệt giai đoạn 1995-2000, biến động đường bờ lớn 154 m 304 m mặt cắt BB CC Biến động đường bờ toàn khoảng thời gian quan trắc 200 m, 319 m, 450 m mặt cắt AA, BB CC Tuy nhiên, trình bồi tụ lại xẩy mặt cắt DD giá trị biến động mang dấu âm Kết biến động mặt cắt -130 m -202 m giai đoạn 2000-2006 2006-2009 Như vậy, trình xói mịn hay bồi tụ cịn phụ thuộc vào đường bờ nằm vị trí khu vực ven biển TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mills J P., S J B., H L Mitchell, P J Clarke and S J Edwards, 2005 A geomatics data integration technique for coastal change monitoring Earth Surface Processes and Landforms, 30, pp 651–664 [2] Elizabeth, H., B I L T., 2005 Shoreline Definition and Detection: A Review Journal of Coastal Research 21(4), pp 688–703 [3] Annibale, G., A B., Angela L., Rocco S., Maria L T., Angelo Z and Antonio C., 2006 A multisource approach for coastline mapping and identification of shoreline changes Annals of geophysics, 49(1) [4] Dinh, T B H., T T H A., 2010 Integration multitemporal remote sensing data and bathymetric data for studying shoreline change in Ba Lat estuary, Thai Binh province, Vietnam Proccessing of Asian Conference Remote Sensing [5] NOAA (1997) Shoreline mapping URL: http://anchor.ncd.noaa.gov/psn/shoreline.html [6] Kasetsart, J., P D., 2005 Coastal Landuse Change Detection Using Remote Sensing Technique: Case Study in Banten Bay, West Java Island, Indonesia Natural Sciences,39, pp 159-164 [7] Avinash, K., A C N., K.S Jayappaa, 2010 Shoreline changes and morphology of spits along southern Karnataka, west coast of India: A remote sensing and statistics-based approach Geomorphology, 120, pp 133–152 [8] Chen, L.C and Rau, J.Y., 1998 Detection of shoreline changes for tideland areas using multitemporal images International Journal of Remote Sensing, 1(17), pp 3383–3397 [9] Ryu, J.H., Kim, C.H., Lee, Y.K., Won, J.-S., Chun, S.S., and Lee, S., 2008 Detecting the intertidal morphologic change using satellite data Estuarine, Coastal and Shelf Science, 78(4), pp 623–632 [10] Ryu, J.H., Won, J.-S., and Min, K.D., 2002 Waterline extraction from Landsat TM data in a tidal flat: a case study in Gomso Bay, Korea Remote Sensing of Environment, 83(3), pp 442– 456 [11] Alesheikh, A., N Nouri, 2007 Coastline change detection using remote sensing International Journal of Environmental Science and Technology, 4, pp 61-66 [12] Liu, H and Jezek, K.C., 2004 Automated extraction of coastline from satellite imagery by integrating Canny edge detection and locally adaptive thresholding methods International Journal of Remote Sensing, 25(5), pp 937–958 [13] Lee, J.S and Jurkevich, I., 1990 Coastline detection and tracing in SAR images IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 28(4), pp 662–668 [14] Kevin, W., H M E A., 1999 Monitoring changeing position of coastlines using Thematic Mapper imagery, an example from the Nile Delta Geomorphology, 29, pp 93-105 [15] Pritam, C., Prasenjit A., 2010 Shoreline change and sea level rise along coast of Bhitarkanika wildlife sanctuary, Orissa: An a nalytical approach of remote sensing and statistical techniques International journal of geomatics and geosciences, 1(3), pp 0976 – 4380 MONITORING COASTLINE CHANGES USING LANDSAT MULTITEMPORAL DATA IN THE CUA DAI ESTUARY, THU BON RIVER, QUANG NAM Nguyen Van Trung University of Mining and Geology Nguyen Van Khanh University of Natural Resources and Environment, Ho Chi Minh City Abstract: The coastlines are influenced by modern tectonics activities such as uplift, lower, faults, erosion, deposition and sand bar movement Other causes are by the sea level rise, rainfall increase, sediment from river basin, and human activities for building dam, raising aquaculture, planting mangrove Monitoring coastline changes, thus, are necessary in climate change context in the Dai estuary, Thu Bon river, Vietnam Multi-temporal Landsat data are used for this purpose over the period of 1973 to 2014 with five-year interval Band rationing methods and threshold technique were applied for the coastline extraction The change of coastlines is estimated from special profiles established perpendicular to coastlines Positive values represent the erosion of shoreline and negative values corresponds the deposition of shoreline From the experimental results, it was found that maximum shoreline change was about 600 m between 1973 and 2014 in the southern of Dai estuary, Thu Bon river delta Keywords: Thu Bon river delta, coastline changes, Landsat, band ratio Địa liên hệ tác giả: TS Nguyễn Văn Trung Khoa Trắc địa – Bản đồ Quản lý đất đai, Đại học Mỏ - Địa chất Tel: 0986058067; Email: nvtrungvn2000@yahoo.com Th.S Nguyễn Văn Khánh Khoa Trắc địa – Bản đồ, Đại học Tài Nguyên Mơi trường thành phố Hồ Chí Minh Tel: 0936639899;Email: tracdiabando@gmail.com 10 ... bờ sông biển khu vực cửa Đại, sông Thu Bồn Quan trắc biến động đường bờ cách so sánh đường bờ xác định thời điểm mà ảnh vệ tinh cung cấp với hiệu chỉnh tác động thủy triều gây Bởi vậy, ảnh vệ tinh. .. bằng, khu vực ven biển thềm sông Khu vực nghiên cứu khu vực cửa sông lớn sông Thu Bồn gọi cửa Đại (Hình 1) Đường bờ sông biển khu vực biến động nhanh hoạt động tự nhiên người Hình Lưu vực sơng Thu. .. kết luận biến động đường bờ phía Nam cửa Đại hoạt động xói lở Đặc biệt giai đoạn 1995-2000, biến động đường bờ lớn 154 m 304 m mặt cắt BB CC Biến động đường bờ toàn khoảng thời gian quan trắc 200