4.4.1. Sử dụng phƣơng pháp nội suy IDW xây dựng bản đồ ngập lụt
Phương pháp nội suy không gian IDW được sử dụng để nội suy xây dựng bản đồ ngập lụt từ các điểm dữ liệu ngập lụt thu thập được. Quá trình nội suy và xây dựng bản đồ được mô tả trong sơ đồ sau:
i. Nhập dữ liệu các điểm ngập lụt vào phần mềm ArcGIS.
ii. Sử dụng thuật toán nội suy trung bình có trọng số (IDW) để tạo bề mặt cao độ mức ngập. Kết quả của phép nội suy là bản đồ cao độ bề nội suy.
iii. Sử dụng Đại số Bản đồ để tính toán các khu vực bị ngập bằng cách lấy bề mặt cao độ mực nước trừ đi DEM. Kết quả của thuật toán này là bản đồ hiển thị giá trị về độ sâu ngập. Giá trị dương là vùng ngập; các giá trị 0 hoặc âm cho thấy khu vực không bị ngập lụt. iv. Xác định mức độ ngập lụt bằng cách phân cấp lại bản đồ ngập theo các mức 0, 1, 2, 3, 4 tương ứng với các giá trị ≤0, 0-0.5, 0.5-1, 1-2 và> 2m, sau đó sử dụng thuật toán ngôn ngữ truy vấn cấu trúc (SQL) để trích xuất tạo ra bản đồ phân mức ngập định dạng raster grid.
v. Sử dụng công cụ chuyển đổi "raster to polygon" để chuyển đổi bản đồ ngập lụt dạng raster thành dạng polygon. Kết quả của bước này tạo ra bản đồ ngập định dạng vector polygon. vi. Sử dụng bản đồ ngập định dạng polygon chồng xếp lên bản đồ sử dụng đất để tạo ra bản đồ các loại đất bị ngập lụt. Các điểm ngập lụt Bản đồ nội suy DEM Đức Thọ Bản đồ độ sâu ngập (raster) Bản đồ phân mức ngập Phân khoảng ngập lụt
Chuyển đổi dữ liệu
Bản đồ ngập lụt (polygon) Chồng xếp Bản đồ HTSDĐ Hiện trạng SDĐ bị ngập Raste Calculater
Nội suy IDW Nhập dữ liệu
4.4.1.1. Nhập số liệu và chuyển đổi khuôn dạng dữ liệu trong ArcGIS
Số liệu thu thập được để phục vụ cho quá trình nội suy là 266 điểm vết lũ của trận lũ tháng 10 năm 2016. Đây là một trong những trận lũ lớn nhất trong những năm gần đây. Các số liệu này được nhập và lưu trữ bằng phần mềm Excel. Phần mềm ArcGIS được sử dụng để thực hiện quá trình nội suy do vậy cần nhập dữ liệu này vào ArcGIS và chuyển đổi khuôn dạng phù hợp phục vụ công tác nội suy.
File Excel có định dạng như sau:
Hình 4.4. File đầu vào chứa thông tin các điểm ngập lụt
Công cụ Add Data được sử dụng để đưa bảng dữ liệu vào ArcGIS. Dựa vào giá trị tọa độ X và Y đã biết, các điểm ngập lụt được xác định vị trí và hiển thị lên bản đồ trên nền ArcGIS. Để thực hiện quá trình nội suy và đánh giá độ chính xác của kết quả nội suy, các điểm vết lũ sau đó được chia làm 2 lớp dữ liệu bao gồm lớp dữ liệu dùng để nội suy (gọi là các Training Points, bao gồm 240 điểm)
và lớp dữ liệu tham chiếu dùng để kiểm định độ chính xác của kết quả nội suy (gọi là các Reference Points, bao gồm 26 điểm, tương đương hơn 10% số điểm dùng để nội suy). Các điểm tham chiếu được chọn ngẫu nhiên từ tổng số 266 điểm, theo nguyên tắc là phân bố rải đều trên địa bàn nghiên cứu. Kết quả nhập và phân lớp dữ liệu được thể hiện ở Hình 4.5 dưới đây:
4.4.1.2. Thực hiện quá trình nội suy IDW
Phương pháp nội suy trung bình có trọng số- IDW được sử dụng để thực hiện quá trình nội suy từ các số liệu độ sâu ngập lụt đã biết. Kết quả của quá trình này là bề mặt cao độ mực nước nội suy.
Trước tiên để nội suy các điểm ngập lụt, ta cần tính toán cao độ của mức ngập tại các điểm vết lũ được xác định bằng độ sâu ngập lụt cộng với độ cao của địa hình tại điểm ngập lụt. Độ cao địa hình tại các điểm ngập lụt được tách từ mô hình số độ cao DEM của khu vực nghiên cứu. Trường dữ liệu FloodLevel ở Hình 4.6 thể hiện cao độ của mức ngập.
Sau đó, sử dụng phương pháp IDW trong bộ công cụ ArcToolbox của ArcGIS để thực hiện quá trình nội suy. Do địa bàn nghiên cứu có Đê La Giang đi qua, tách đôi địa bàn làm hai vùng trong đê và ngoài đê. Trong nghiên cứu nội suy về ngập lụt, thì Đê là một đối tượng rào cản, nghĩa là sự ảnh hưởng (trọng số) của các điểm trong đê đối với các điểm ngoài đê và ngược lại có thể bằng không, dù các điểm trong đê và ngoài đê có khoảng cách rất gần nhau. Vì thế trong đề tài này, tôi thực hiện quá trình nội suy IDW cho hai vùng trong đê và ngoài đê với đối tượng rào cản là Đê La Giang.
Kết quả của quá trình tính toán nội suy là bản đồ cao độ mức ngập nội suy cho hai vùng trong đê và ngoài đê, được thể hiện ở Hình 4.7 và Hình 4.8.
4.4.1.3 Đánh giá độ chính xác của quá trình nội suy
Độ chính xác của kết quả nội suy được đánh giá dự vào Hệ số xác định bội (R2), sai số trung phương (RMSE) và Sai số phần trăm trung bình tuyệt đối (MAPE) theo công thức được trình bày ở phần Phương pháp nghiên cứu. Sử dụng các điểm tham chiếu được chọn ngẫu nhiên phân bố đều trên địa bàn nghiên cứu.
Quá trình này được thực hiện để so sánh giá trị cao độ của mức ngập tại các điểm tham chiếu (gọi là giá trị thực đo) và giá trị của bản đồ nội suy tại chính điểm đó (gọi là giá trị tính toán của điểm tham chiếu).
Để thực hiện được quá trình so sánh này, trước hết cần xác định được giá trị của bản đồ nội suy tại các điểm dùng để tham chiếu. Sử dụng công cụ trong ArcToolbox tính toán được các giá trị của bản đồ nội suy tại các điểm dùng để tham chiếu. Qua quá trình tính toán, trường RASTERVALUE chính là trường chứa giá trị dự báo (nghĩa là giá trị của bản đồ nội suy tại điểm dùng để tham chiếu), còn trường FloodLevel là trường chứa giá trị thực đo.
Dữ liệu điểm nội suy cho vùng ngoài đê là 57 điểm với 8 điểm tham chiếu. Dữ liệu điểm nội suy cho vùng trong đê là 183 điểm và 18 điểm tham chiếu.
- Đối với vùng ngoài đê La Giang:
Tập hợp điểm tham chiếu để đánh giá độ chính xác nội suy cho vùng ngoài đê gồm có 8 điểm, tương đương với 14% số điểm dùng để nội suy, các điểm dùng để tham chiếu phân bố đều trên địa bàn vùng ngoài đê
Bảng 4.3. Bảng so sánh giữa số liệu thực tế và số liệu nội suy tại các điểm tham chiếu vùng ngoài đê
STT Mã điểm Giá trị thực đo (m) Giá trị nội suy (m) Sai số (m)
(1) (2) (3) (4) (5)=(4)-(3) 1 R17 13.00 14.81 1.81 2 R20 12.50 14.14 1.64 3 R21 16.70 16.84 0.14 4 R22 16.20 16.46 0.26 5 R23 16.10 16.09 -0.01 6 R24 13.60 14.59 0.99 7 R25 20.30 20.32 0.02 8 R26 14.30 12.96 -1.34
Từ bảng trên cho thấy sai số giữa số liệu thực tế và số liệu nội suy lớn nhất là 1,81m tại điểm R17 nhỏ nhất là 0,01m tại điểm R23. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Quá trình tính toán đã xác định được Hệ số xác định bội R2=0,84, sai số trung phương là RMSE = 1,04m. Sai số trung bình phần trăm tuyệt đối là MAPE=5,7%.
- Đối với vùng trong đê La Giang
Tập hợp dùng để tham chiếu gồm có 18 điểm, tương đương với 10% số điểm dùng để nội suy, các điểm dùng để tham chiếu phân bố đều trên địa bàn vùng trong đê.
Bảng 4.4. Bảng so sánh giữa số liệu thực tế và số liệu nội suy tại các điểm tham chiếu vùng trong đê
STT Mã điểm Giá trị thực đo (m)
Giá trị nội suy (m) Sai số (m) (1) (2) (3) (4) (5)=(4)-(3) 1 R1 15.60 15.19 -0.41 2 R2 13.30 13.06 -0.24 3 R3 13.30 13.15 -0.15 4 R4 17.20 17.30 0.10 5 R5 13.60 14.22 0.62 6 R6 11.50 11.30 -0.20 7 R7 11.60 11.97 0.37 8 R8 11.50 11.40 -0.10 9 R9 14.50 15.23 0.73 10 R10 12.50 12.90 0.40 11 R11 11.20 11.34 0.14 12 R12 12.20 12.11 -0.09 13 R13 15.20 14.92 -0.28 14 R14 12.30 11.93 -0.37 15 R15 14.20 14.93 0.73 16 R16 11.00 10.33 -0.67 17 R18 13.60 11.91 -1.69 18 R19 11.20 11.14 -0.06
Từ bảng trên cho thấy sai số giữa số liệu thực tế và số liệu nội suy lớn nhất là 1,69m tại điểm R18 nhỏ nhất là 0,06m tại điểm R19 .
Kết quả tính toán xác định được Hệ số xác định bội R2=0,91, sai số trung phương tại các điểm tham chiếu là RMSE=0,56m. Sai số trung bình phần trăm tuyệt đối là MAPE=3,1%.
Theo lý thuyết về nội suy thì Hệ số xác định bội (R2) càng gần 1, sai số trung phương RMSE càng gần 0 thì độ chính xác của phương pháp nội suy càng cao. Nếu sai số MAPE từ 0- 10% thì kết quả nội suy đạt độ chính xác rất cao, sai số từ 10%-30%: Chính xác cao, 30-50%: Chính xác trung bình, sai số >50%: Kém chính xác. Như vậy, kết quả tính toán các chỉ số cho thấy phương pháp nội suy IDW đạt độ chính xác rất cao, thể hiện sự phù hợp của phương pháp này đối với nội suy ngập lụt huyện Đức Thọ.
4.4.1.4. Xây dựng bản đồ ngập lụt
Để xây dựng bản đồ ngập lụt, ta lấy bản đồ kết quả nội suy IDW trừ đi độ cao của địa hình (bản đồ DEM). Những vùng nào có giá trị dương là vùng bị ngập lụt,
vùng có giá trị 0 hoặc âm là vùng không bị ngập. Hình 4.10 và Hình 4.11 thể hiện bản đồ ngập lụt đã được phân cấp theo mức ngập:
0 : Không ngập 1: Ngập từ 0-0.5m 2: Ngập từ 0.5-1m 3: Ngập từ 1-2m 4: Ngập từ 2m trở lên
Tham khảo từ nghiên cứu của Vũ Ngọc Châu (2014) với các mức ngập đánh giá nằm trong khoảng từ 0 đến 2m, xét ảnh hưởng của ngập lụt đến các yếu tố con người, thiết bị tài sản và giao thông cũng như các mặt khác của kinh tế cho thấy: chiều sâu ngập lụt càng lớn thì mức độ thiệt hại càng tăng, khả năng ứng phó càng hạn chế và loại hình di tản càng phức tạp.
Hình 4.11. Sơ đồ ngập lụt vùng trong đê La Giang huyện Đức Thọ
* Nhận xét
- Đối với vùng ngoài đê La Giang, đây là vùng ven sông do phù sa sông La bồi đắp, có địa hình thấp và tương đối bằng phẳng. Khi mưa lớn kéo dài nước đổ về từ vùng thượng lưu sông Ngàn Sâu, Sông Cả (sông Lam) đổ về khiến nước sông La dâng cao và làm ngập lụt vùng địa hình thấp trũng. Ở phía Tây Bắc (thuộc xã Trường Sơn) có địa hình đồi, độ dốc từ 18-250
nên bị ngập ít hơn. Tương tự, phía Đông Bắc (xã Đức Vĩnh) có địa hình cao hơn nên diện tích ngập ít hơn.
- Đối với vùng trong Đê La Giang, khi mưa lớn kéo dài, tuy không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ sông La ở ngoài đê nhưng khi nước từ các con sông dâng cao, đặc biệt phía tây có sông Ngàn Sâu chảy quanh, hệ thống các số suối nhỏ như sông Đò Trai, Minh Diện và các kênh rạch suối khác dẫn nước vào vùng trong đê làm ngập những nơi có địa hình thấp trũng, hệ thống thoát nước kém. Ở phía Nam của huyện (thuộc các xã Tân Hương, Đức Lạc, Đức An, Đức Dũng) là những dãy đồi cao và núi thấp có độ dốc trên 250 nên không hoặc ít bị ngập.
4.4.2. Xác định hiện trạng sử dụng đất bị ngập huyện Đức Thọ
4.4.2.1. Chuyển đổi dữ liệu bản đồ ngập lụt
Sử dụng công cụ chuyển đổi "Raster to Polygon" của ArcGIS để chuyển đổi bản đồ ngập lụt raster (đã được phân mức ngập) sang dạng vector polygon. Kết quả của bước này tạo ra bản đồ ngập lụt định dạng vector polygon. Trong bản đồ này còn chứa cả vùng không ngập lụt (những vùng có giá trị bằng 0), ta phải xóa những vùng này để thực hiện việc chồng xếp tính toán diện tích các loại đất bị ngập lụt.
4.4.2.2. Xây dựng cơ sở dữ liệu về sử dụng đất
Cơ sở dữ liệu về hiện trạng sử dụng đất được xây dựng để phục vụ cho việc xây dựng bản đồ ngập lụt đối với các loại hình sử dụng đất và xác định diện tích các loại đất bị ngập
Trên cơ sở bản đồ hiện trạng sử dụng đất huyện Đức Thọ năm 2016 theo hệ tọa độ VN 2000 định dạng Microstation, tôi tiến hành xây dựng cơ sở dữ liệu không gian cho lớp khoanh đất, sau đó tiến hành xây dựng cơ sở dữ liệu thuộc tính. Thông tin thuộc tính chính của cơ sở dữ liệu bao gồm mã loại đất, mục đích sử dụng, diện tích. Hình 4.13 thể hiện cơ sở dữ liệu về hiện trạng sử dụng đất huyện Đức Thọ.
Hình 4.13. Cơ sở dữ liệu hiện trạng sử dụng đất huyện Đức Thọ
4.4.2.3. Chồng xếp xây dựng bản đồ ngập lụt các loại dất
Để xác định hiện trạng sử dụng đất bị ngập và phục vụ việc tính toán diện tích ngập với từng loại đất, ta thực hiện chồng xếp bản đồ ngập lụt với bản đồ hiện trạng sử dụng đất bằng cách sử dụng công cụ Intersect của ArcGIS.
Bản đồ ngập lụt vùng huyện Đức Thọ đối với từng loại đất được thể hiện ở Hình 4.14.
Hình 4.14. Sơ đồ các loại đất bị ngập huyện Đức Thọ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Từ bản đồ ngập lụt xây dựng bằng phương pháp nội suy của các loại đất huyện Đức Thọ hình 4.14, ta thống kê được tổng diện tích ngập lụt của các loại đất như sau:
* Đối với vùng ngoài đê La Giang
- Tổng diện tích đất ngoài đê của huyện là 4.397,44 ha bao gồm toàn bộ các xã: Trường Sơn, Đức Châu, Đức Từng, Đức Quang, Đức Vĩnh, Đức La, Liên Minh và một phần của các xã, thị trấn: Tùng Ảnh, thị trấn Đức Thọ, Đức Yên, Bùi Xá, Đức Nhân, Yên Hồ. Trong đó diện tích bị ngập của vùng ngoài đê là 2.945,93 ha, chiếm khoảng 66,99% tổng diện tích đất vùng ngoài đê La Giang. Theo tổng quan khu vực nghiên cứu lưu vực sông La phần thượng lưu lưu vực đa phần là núi cao (thuộc huyện Hương Sơn), độ dốc khá lớn lớp phủ thực vật ít, phần hạ lưu bị chia cắt bởi các núi thấp và lan ra các vùng châu thổ không đồng nhất, trong đó có phần đồng bằng hay bị ngập lụt do tiêu thoát nước không kịp. Đây là nguyên nhân khiến cho lưu vực sông La luôn bị lũ lụt các năm.
- Diện tích đất nông nghiệp bị ngập là 1.916,26 ha chiếm 65,05% tổng diện tích đất vùng ngoài đê bị ngập của huyện, diện tích ngập ở mức 4 với độ cao ngập trên 2m là lớn nhất với diện tích 1.597,5 ha Trong đó:
+ Đất trồng lúa có 1.106,80 ha chiếm 37,57% diện tích đất bị ngập; chủ yếu bị ngập ở mức trên 2m
+ Đất trồng cây hàng năm khác có 677,18 ha, chiếm 22,99% diện tích đất bị ngập; chủ yếu bị ngập ở mức trên 2m, ở các vùng đồng bằng do phù sa sông La bồi đắp.
+ Đất trồng cây lâu năm có 99,69 ha, chiếm 3,38% diện tích đất bị ngập; trong đó chủ yếu bị ngập mức trên 2m.
+ Đất lâm nghiệp có 1,64 ha, chiếm 0,06% diện tích đất bị ngập, phân bố ở các khu rừng giáp sông, nên diện tích bị ngập không nhiều
+ Đất nuôi trồng thủy sản có 27,06 ha, chiếm 0,92% diện tích đất bị ngập; - Diện tích đất phi nông nghiệp bị ngập là 946,28 ha chiếm 32,12% tổng diện tích đất vùng ngoài đê bị ngập của huyện. Trong đó diện tích đất bị ngập ở mức 1 là 51,61 ha, mức 2 là 56,31 ha, mức 3 là 113,36 ha, mức 4 với độ cao ngập trên 2m là 725,00 ha.
+ Diện tích đất ở bị ngập là 343,58 ha, chiếm 38,53% tổng diện tích đất ở của toàn huyện, ngập ở mức 4 với diện tích 255,94 ha.
+ Đất chuyên dùng bị ngập là 487,85 ha, ngập nhiều ở mức 4, do loại đất