8. Cấu trúc luận án
1.3.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục tiêu nghiên cứu, nhiều phƣơng pháp nghiên cứu đã đƣợc thực hiện trong luận án:
37
1.3.3.1. Phương pháp nghiên cứu thực địa
Phƣơng pháp khảo sát ngoài thực địa: 3 đợt khảo sát thực địa (T5/2010, T6/2011, T10/2012) đƣợc tiến hành sau khi đã có những phân tích tổng hợp trong phòng (nội nghiệp). Việc khảo sát thực địa địa đã xây dựng đƣợc số lƣợng lớn các mẫu chìa khóa giải đoán (140 mẫu) bằng cách chụp ảnh, đo đạc, định vị bằng máy GPS cầm tay (Garmin 78s). Ngoài ra, khảo sát thực địa đƣợc tiến hành đồng thời với việc sử dụng các phƣơng pháp phân tích chuyên ngành (địa mạo, địa chất,...) để xác định các đặc điểm địa hình, địa mạo, địa hình, thành phần vật chất trong khu vực nghiên cứu.
Hình 1.4: Ảnh khảo sát thực địa chụp cùng chuyên gia Ấn Độ
Phƣơng pháp phân tích đánh giá tổng hợp các số liệu và thông tin thu thập: Thu thập tài liệu liên quan đến tai biến trƣợt lở đất là vấn đề quan trọng đã đƣợc đặt ra. Trong nghiên cứu trƣợt lở đất tại Bắc Kạn, đây là bƣớc đầu tiên đƣợc xem xét trƣớc khi triển khai công tác nghiên cứu điều tra thực địa. Các số liệu này giúp ngƣời thực hiện nhiệm vụ có những nét khái quát mang tính tổng quan về thực trạng và diễn biến của trƣợt lở đất. Đó là những cơ sở để định hƣớng nội dung về các bƣớc tiến hành nghiên cứu. Các tài liệu thu thập đƣợc từ các sở, ban, ngành ở địa phƣơng, các tài liệu đƣợc lƣu trữ ở các bộ, ngành quản lý trung ƣơng.
Phƣơng pháp điều tra nghiên cứu thu thập tài liệu: Sử dụng phƣơng pháp
38
hỏi, ví dụ: thời gian xảy ra trƣợt lở đất, độ lớn của khối trƣợt, ranh giới các khối trƣợt cũ...
Thảo luận nhóm tập trung: trao đổi với các nhà khoa học, cán bộ địa phƣơng về các vấn đề: nguyên nhân phát sinh khối trƣợt, kiểu vỏ phong hóa, kiểu thạch học, hƣớng cắm của đá và đặc điểm lớp phủ thực vật tại khu vực xảy ra trƣợt lở đất.
Quan sát: quan sát, ghi chép các đối tƣợng xung quanh vị trí xảy ra trƣợt lở đất. Đó là các thông tin nhƣ sƣờn xảy ra trƣợt lở đất là taluy âm hay dƣơng, sƣờn tự nhiên hay sƣờn nhân tạo, có gần sông hoặc suối không? Có sát nhà dân không, trƣợt lở đất xảy ra do hoạt động của con ngƣời hay tự nhiên tác động là chính...
Đo đạc: đo tọa độ các điểm trƣợt lở bằng máy định vị toàn cầu GPS cầm tay, so sánh đối chiếu với kết quả có đƣợc từ việc giải đoán trong phòng. Đo độ dốc của sƣờn mà có khối trƣợt, đo hƣớng cắm của đá...
1.3.3.2. Phương pháp nghiên cứu địa mạo
Mục đích của phƣơng pháp ngày là phân tích định lƣợng địa hình bề mặt trái đất để góp phần giải quyết các vấn đề nguồn gốc và động thái của nó. Trong đó, có thể nghiên cứu hình thái địa hình về: độ cao tuyệt đối, độ cao tƣơng đối, độ dốc, hƣớng sƣờn, mặt độ chia cắt ngang, mức độ chia cắt sâu...Kết quả sẽ giúp cho việc xác định đƣợc các vị trí sẽ xảy ra trƣợt lở đất. Với đặc điểm địa hình liên quan đến trƣợt lở đất nhƣ độ dốc, độ chia cắt ngang, độ chia cắt sâu...là những chỉ số quan trọng trong đánh giá sự nguy hiểm của trƣợt lở đất. Độ dốc quy định tốc độ dòng chảy cũng nhƣ ảnh hƣởng tới sự trƣợt lở đất đá trên sƣờn. Độ chia cắt ngang quy định kiểu dòng chảy. Độ chia cắt sâu quy định bồn thu nƣớc, hình thái hệ thống sông suối.
1.3.3.3. Phương pháp viễn thám
Là phƣơng pháp sử dụng năng lƣợng sóng điện từ nhƣ là một phƣơng tiện điều tra đặc tính của đối tƣợng thông qua đặc trƣng riêng về phổ phản xạ của đối tƣợng. Đặc điểm của ảnh viễn thám là giúp chúng ta có thể thu nhận đồng thời đặc điểm của các đối tƣợng trên bề mặt trái đất trong một diện tích rộng lớn tại thời điểm bay chụp. Đối với nghiên cứu trƣợt lở đất tại tỉnh Bắc Kạn, ảnh viễn thám có vai trò nhƣ một dữ liệu đầu vào quan trong cung cấp các thông tin về cấu trúc và các đơn vị địa hình, các khối trƣợt cổ, hiện trạng lớp phủ, mạng lƣới sông suối, mạng lƣới đƣờng
39
giao thông. Đặc biệt ảnh viễn thám cho phép xác định vị trí các điểm trƣợt lở, tách chiết các đối tƣợng dạng tuyến.
Đối với ảnh quang học, các kỹ thuật chủ yếu xử lý thông tin viễn thám hiện nay là phân loại tự động hoặc giải đoán bằng mắt [77]. Kỹ thuật giải đoán ảnh bằng mắt (visual interpretation): là sử dụng mắt ngƣời cùng với trí tuệ để tách chiết các thông tin từ tƣ liệu ảnh viễn thám. Cơ sở để giải đoán bằng mắt là đƣa vào các dấu hiệu giải đoán trực tiếp hoặc gián tiếp và chìa khóa giải đoán. Kỹ thuật phân loại tự động là sự điều khiển và phân tích các thông tin ảnh số với sự trợ giúp của máy tính thông qua các phần mềm chuyên dụng.
Các kỹ thuật này có thể áp dụng hiệu quả cho việc thành lập bản đồ hiện trạng trƣợt lở đất. Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu, phạm vi của khu vực nghiên cứu, tỉ lệ các bản đồ cơ sở, độ phân giải ảnh vệ tinh, kỹ năng và kinh nghiệm của nhà nghiên cứu, các nguồn lực sẵn có mà lựa chọn các phƣơng pháp cụ thể [76, 127].
Bản đồ hiện trạng trƣợt lở đất không phải chỉ phản ánh các sự cố trƣợt lở xảy ra trong một thời điểm nhất định mà là trong một giai đoạn (từ năm này qua năm khác). Việc thành lập bản đồ hiện trạng trƣợt lở cần phải sử dụng ảnh vệ tinh đa thời gian. Luận án đã sử dụng số lƣợng lớn (16) ảnh vệ tinh đa thời gian (từ năm 2008 – 2015), đa độ phân giải (từ 0,4 m – 10 m) để thành lập bản đồ hiện trạng trƣợt lở đất.
Rất khó để sử dụng phƣơng pháp phân loại tự động cho việc thành lập bản đồ hiện trạng trƣợt lở đất, do phần nhiều các dấu hiệu giải đoán các vết trƣợt đã bị che lấp bởi thực phủ. Nên việc kết hợp phƣơng pháp giải đoán bằng mắt thông qua các chìa khóa giải đoán (bằng khảo sát thực địa) đã đƣợc lựa chọn để thành lập bản đồ hiện trạng trƣợt lở đất cho tỉnh Bắc Kạn.
Ngoài kỹ thuật giải đoán bằng mắt ảnh vệ tinh cho việc thành lập bản đồ hiện trạng trƣợt lở đất, luận án còn sử dụng kỹ thuật phân loại tự động cho mục đích tách chiết các yếu tố dạng tuyến.
1.3.3.4. Nhóm các phương pháp sử dụng GIS
Đƣợc sử dụng để đánh giá hiện trạng và nguy cơ trƣợt lở thông qua các phƣơng pháp chồng xếp thông tin, nội suy, phân loại và kỹ thuật truy vấn, thống kê, đo đạc.
40
- Phương pháp chồng xếp thông tin: là một thao tác không gian trong đó lớp
các thông tin chuyên đề đƣợc chồng lên nhau để tạo ra một lớp thông tin chuyên đề mới (hoặc lớp thông tin chuyên đề cũ nhƣng chứa đựng những thông tin mới) bằng các thao tác số học hoặc thao tác logic đƣợc vận dụng trên các lớp dữ liệu khác nhau. Trong luận án này, nhiều lớp thông tin đƣợc tạo ra bằng kỹ thuật chồng xếp thông tin, đó là: (1) ảnh vệ tinh đƣợc chồng xếp với DEM, để tạo ra lớp thông tin hiện trạng trƣợt lở đất; (2) lớp thông tin phƣơng vị hƣớng cắm của đá chồng xếp với hƣớng dốc, để tạo ra lớp thông tin độ lệch giữa hƣớng cắm của đá với hƣớng đổ địa hình; (3) các lớp thông tin giao thông, lớp phủ thực vật đƣờng chồng xếp với ảnh vệ tinh, để tạo ra (cập nhật) lớp thông tin giao thông, lớp phủ thực vật; (4) lớp thông tin lineament thô đƣợc tách chiết tự động bằng phƣơng pháp viễn thám đƣợc chồng xếp lên DEM, ảnh vệ tinh, bản đồ hành chính để tạo ra (chuẩn hóa bằng tay, tự động) lớp thông tin lineament cuối cùng; (5) lần lƣợt 11 lớp thông tin đƣợc chồng xếp với hiện trạng trƣợt lở, để tạo ra lớp thông tin chỉ số nguy cơ trƣợt lở (LSI).
Phương pháp nội suy: cho phép xác định đặc điểm của vùng bao quanh một
vị trí nào đó trong một bán kính đƣợc xác định. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng trong xây dựng DEM, và lập bản đồ mức độ chia cắt sâu, bản đồ mật độ chia cắt ngang, bản đồ lƣợng mƣa trung bình năm, bản đồ buffer giao thông.
Phương pháp phân loại: cho phép gộp một số đối tƣợng không gian có đặc
tính gần giống nhau vào một lớp khác. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng để lập bản đồ độ dốc, bản đồ mật độ chia cắt ngang, bản đồ mật độ chia cắt sâu, bản đồ mật độ lineament, bản đồ lƣợng mƣa trung bình năm, bản đồ nguy cơ trƣợt lở đất.
1.3.3.5. Phương pháp giá trị thông tin
Phƣơng pháp giá trị thông tin đƣợc sử dụng để tính toán thứ hạng mỗi lớp của các yếu tố bằng cách tỷ số hóa mật độ trƣợt lở của mỗi lớp với mật độ trƣợt lở của toàn khu vực nghiên cứu [133]. Theo đó, thứ hạng của các lớp đƣợc tính dựa trên công thức sau:
⁄ ∑ ∑ ⁄ Trong đó:
41
DenClass là mật độ trƣợt lở đất của lớp i
DensMap là mật độ trƣợt lở trên toàn bộ khu vực nghiên cứu
NpixXi là số lƣợng điểm ảnh thuộc khoanh vi đại diện trƣợt lở xảy ra trong lớp i
NpixNi là số lƣợng điểm ảnh trong lớp i
ΣnpixXi là tổng số điểm ảnh trong khoanh vi đại diện trƣợt lở xảy ra ở toàn bộ khu vực nghiên cứu
ΣnpixNi là tổng số điểm ảnh trên toàn bộ khu vực nghiên cứu.
1.3.3.6. Phương pháp phân tích thứ bậc
Phƣơng pháp phân tích thứ bậc (Analytic Hierarchy Process – AHP) dựa vào sự so sánh 2 yếu tố theo nguyên tắc là nếu yếu tố A quan trọng hơn yếu tố B thì A/B > 1 và ngƣợc lại, A kém quan trọng hơn B thì A/B < 1. Đƣơng nhiên, nếu A và B quan trọng nhƣ nhau thì A/B =1. Và mức độ quan trọng của A so với B càng tăng khi tỷ số A/B càng lớn, ngƣợc lại, nếu tỷ số A/B càng nhỏ thì mức độ quan trọng của A so với B càng giảm.
Nội dung của phƣơng pháp này bao gồm việc xây dựng một hệ thống ma trận so sánh tầm quan trọng giữa các yếu tố gây trƣợt dựa trên tiêu chuẩn so sánh của Thomas Saaty trong một ma trận tƣơng ứng, sau đó tính toán tỷ trọng tƣơng đối của mỗi yếu tố trong các yếu tố đặt ra theo công thức tính toán tƣơng ứng. Trọng số là giá trị trung bình của tất cả các phép so sánh các yếu tố gây trƣợt. Trong ma trận tính toán, trọng số chính là giá trị của vector-eigen và có thể tính bằng cách thủ công hoặc bằng các phần mềm trên máy tính.
Bảng 1.4: Tầm quan trọng khi so sánh cặp tương đối theo đề xuất của Saaty [115]
Mức độ quan trọng Giải thích
1 Quan trọng ngang nhau
3 Quan trọng hơn
5 Quan trọng hơn nhiều 7 Quan trọng hơn rất nhiều 9 Quan trọng hơn tuyệt đối 2, 4, 6, 8 Các giá trị trung gian
42
Một điều đáng chú ý của phƣơng pháp phân tích thứ bậc là nó có khả năng đánh giá khả năng sự không nhất quán theo cặp. Các giá trị eigen cho phép xác định đƣợc một giá trị nhất quán sử dụng nhƣ là một dấu hiệu sự không nhất quán hoặc tính bắc cầu trong một bộ giá trị so sánh giữa hai đối tƣợng. Saaty đã chứng minh rằng, đối với một ma trận nghịch đảo nhất quán, giá trị eigen lớn nhất λmax sẽ bằng số cặp đem so sánh n [129]. Một giá trị xác định sự nhất quán, còn đƣợc gọi là chỉ số nhất quán (consistency index – CI), đƣợc xác định nhƣ sau:
Saaty đã tạo ra một cách ngẫu nhiên các ma trận sử dụng các tỷ lệ 1/9, 1/8,...1,..8, 9 để đánh giá chỉ số nhất quán ngẫu nhiên (random consistency index – RI) [115], Chỉ số RI trung bình của 500 ma trận đƣợc trình bày trong bảng 1.5.
Bảng 1.5: Chỉ số nhất quán ngẫu nhiên
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
RI 0 0 0,58 0,9 1,12 1,24 1,32 1,41 1,45 1,49 1,51
Saaty đã đƣa ra một tỷ lệ nhất quán (consistency ratio – CR) đƣợc sử dụng nhƣ là một sự so sánh giữa CI và RI nhƣ sau [113]:
Nếu giá trị của CR nhỏ hơn hoặc bằng 10% thì sự không nhất quán có thể chấp nhận đƣợc, nhƣng nếu giá trị CR lớn hơn 10% thì sự đánh giá chủ quan cần phải xem xét lại [114].
1.3.3.7. Tích hợp viễn thám và GIS
Khái niệm hệ thống tích hợp (intergrated system) chúng không có một giới hạn cụ thể. Do vậy, trong từng hoàn cảnh cụ thể, một nhiệm vụ cụ thể, có thể ngầm hiểu và ngầm mặc định một phạm vi bao trùm cho định nghĩa đó.
Tích hợp viễn thám và GIS là khái niệm hoặc một hệ thống xử lý cả thông tin viễn thám và GIS theo một quy trình thích hợp nhằm triển khai một mô hình lý thuyết để giải quyết một vấn đề cần nghiên cứu. Thông thƣờng công việc này nhằm giải quyết một nhiệm vụ cụ thể của công tác quản lý tài nguyên môi trƣờng.
43
Trong nghiên cứu tai biến, cụ thể nghiên cứu tai biến trƣợt lở đất, có nhiều mô hình khác nhau và yêu cầu thông tin đầu vào khác nhau (có thể là thông tin chuyên ngành về cơ lý, địa chất công trình mà không phải thông tin viễn thám…), quá trình xử lý thông tin cũng khác nhau.
Với tiếp cận địa lý, mô hình nghiên cứu của đề tài là tiếp cận gián tiếp và tích hợp viễn thám và GIS là phƣơng pháp hay công nghệ khai thác nhiều loại thông tin khác nhau từ nhiều nguồn tƣ liệu khác nhau phục vụ cho triển khai mô hình lý thuyết. Phƣơng pháp này cho phép khắc phục những hạn chế của việc thiếu dữ liệu trong nghiên cứu truyền thống, đồng thời có thể khai thác nhiều thông tin mới mà phƣơng pháp truyền thống không đáp ứng đƣợc.
Có thể minh họa khả năng tích hợp viễn thám và GIS trong nghiên cứu trƣợt lở đất theo sơ đồ sau (hình 1.5):
Hình 1.5: Quy trình xử lý tích hợp VT-GIS xây dựng bản đồ trượt lở đất
Trong quy trình này, các công đoạn xử lý thông tin đƣợc cụ thể hóa:
1) Xây dựng mô hình, xác định các loại thông tin cần thiết cho mô hình, format (khuôn dạng dữ liệu), các kỹ thuật xử lý cần áp dụng, các loại sản phẩm trung gian và sản phẩm cuối cùng.
2) Xây dựng cơ sở dữ liệu: xác định số lớp thông tin cần thiết, lớp thông tin nào khai thác từ ảnh viễn thám, lớp thông tin nào khai thác từ nguồn tƣ liệu không phải viễn thám: từ số liệu thống kê, từ bản đồ chuyên đề, từ số liệu thực tế…
44
3) Xử lý thông tin chuyên đề: nhiều kỹ thuật xử lý khác nhau sẽ đƣợc áp dụng tùy thuộc loại tƣ liệu. Ví dụ: xử lý ảnh (với tƣ liệu viễn thám), toán thống kê (với tƣ liệu thống kê.
4) Chuẩn hóa dữ liệu: tùy theo mô hình nghiên cứu mà chuẩn hóa format, tọa độ, tỉ lệ, đánh giá, xác định trọng số.
5) Xử lý tích hợp: tùy theo hàm toán của mô hình, hệ thống dữ liệu sẽ đƣợc xử lý để cho ra kết quả cuối cùng.
Trong quy trình đó, việc xử lý thông tin bằng kỹ thuật viễn thám có thể đƣợc áp dụng ở từng công đoạn, song các kỹ thuật GIS vẫn là chiếm vai trò chủ đạo do những ƣu thế của công nghệ GIS.