8. Cấu trúc luận văn
3.1. XÁC ĐỊNH HIỆN TRẠNG ĐƢỜNG BỜ BIỂN TÂY NAM
3.1.1. Tính tốn các chỉ số nƣớc và phân tích ngƣỡng
Để phục vụ tính tốn các chỉ số nƣớc, tác giả luận văn đã thu thập các ảnh viễn thám Landsat khu vực nghiên cứu bao gồm hai cảnh ảnh 126 - 53 và 126 - 54 vào các năm 2005, 2009, 2015 và 2017. Thông tin ảnh đƣợc sử dụng trong nghiên cứu thể hiện trong bảng 3.1 và các ảnh vệ tinh vùng nghiên cứu sau bƣớc tiền xử lý thể hiện trên các hình 3.1 và 3.2.
Bảng 3.1. Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat sử dụng trong nghiên cứu
Bộ cảm Cảnh ảnh Giờ thu nhận ảnh Ngày thu nhận ảnh
TM 5 126 - 53 10:06:35 19/01/2005 126 - 54 10:08:51 15/08/2005 126 - 53 10:10:39 29/10/2009 126 - 54 10:10:54 13/10/2009 OLI 126 - 53 10:19:47 21/04/2015 126 - 54 10:20:11 21/04/2015 126 - 53 10:19:45 26/04/2017 126 - 54 10:20:09 26/04/2017 Trên cơ sở các ảnh vệ tinh đã thông qua bƣớc tiền xử lý, tác giả luận văn tiến hành tính tốn chỉ số nƣớc AWEInsh theo công thức (3) đã đƣợc mô tả ở phần phƣơng pháp nghiên cứu. Các kênh ảnh đƣợc sử dụng để tính tốn bao gồm 4 kênh: xanh lục, cận hồng ngoại, hồng ngoại sóng ngắn 1 và hồng ngoại sóng ngắn 2. Đối với dữ liệu vệ tinh Landsat TM5 tƣơng ứng là các kênh 2, kênh 4, kênh 5 và kênh 7, ảnh Landsat 8 OLI tƣơng ứng là các kênh 3, kênh 5, kênh 6 và kênh 7. Kết quả tính tốn chỉ số nƣớc các năm thể hiện trên hình 3.3.
Trên cơ sở chỉ số nƣớc AWEInsh đã tính đƣợc, biểu đồ phân phối giá trị của chỉ số này đƣợc xây dựng làm cơ sở phân tích và xác định ngƣỡng ranh giới đất và nƣớc. Trên biểu đồ, trục hoành thể hiện phân bố giá trị AWEInsh, còn trục tung thể hiện tần suất xuất hiện các điểm ảnh có cùng giá trị AWEInsh.
Biểu đồ phân phối giá trị AWEInsh năm 2005 (hình 3.4) cho thấy giá trị AWEInsh khu vực nghiên cứu đƣợc tính tốn từ các cảnh ảnh vệ tinh Landsat TM5 năm 2005 nằm trong khoảng từ -1,5 đến 0,6. Trong khoảng giá trị AWEInsh từ -1,5 đến 0,2 tần suất xuất hiện các điểm ảnh dao động trong khoảng nhỏ hơn 100.000. Từ giá trị lớn hơn 0,2, biểu đồ biến động đột biến với tần suất xuất hiện của các điểm ảnh lên rất cao, cực đại vào khoảng 1.050.000 điểm ảnh. Với tần suất xuất hiện điểm ảnh thấp nằm trong khoảng phổ giá trị AWEInsh dài (-1,5 đến 0,2) đã thể hiện sự không đồng nhất của các đối tƣợng lớp phủ mặt đất khác nhau ở khu vực ven biển vùng nghiên cứu. Trong khi đó, tần suất xuất hiện điểm ảnh cao chỉ tập trung trong khoảng phổ giá trị AWEInsh ngắn (0,2 đến 0,6) thể hiện tính chất đồng nhất cao của một đối tƣợng là nƣớc. Nhƣ vậy, tại giá trị AWEInsh = 0,2 là vị trí có sự thay đổi đột biến tần suất xuất hiện các điểm ảnh và đƣợc xác định là giá trị ngƣỡng để phân tách ranh giới đất và nƣớc, tƣơng ứng với đƣờng bờ biển tức thời tại thời điểm thu nhận ảnh năm 2005.
Để chiết tách đƣờng bờ biển tức thời các năm 2009, 2015 và 2017, tác giả luận văn đã tiến hành xây dựng các biểu đồ phân phối giá trị AWEInsh của các ảnh chỉ số nƣớc AWEInsh khu vực nghiên cứu vào các thời điểm thu nhận ảnh tƣơng ứng. Sau đó tiến hành phân tích ngƣỡng tƣơng tự nhƣ đối với năm 2005 để xác định giá trị ngƣỡng ranh giới đất và nƣớc. Đƣờng bờ biển tức thời tại thời điểm thu nhận ảnh năm 2009 đƣợc xác định tại giá trị ngƣỡng AWEInsh = 0,2 (hình 3.5), trong khi đó, các đƣờng bờ biển tức thời tại thời điểm thu nhận ảnh các năm 2015 và 2017 có giá trị ngƣỡng AWEInsh tƣơng ứng tại giá trị 0,03 và 0,07 (hình 3.6 và hình 3.7).
Hình 3.4. Biểu đồ phân phối giá trị AWEInsh (trái) và đƣờng bờ biển năm 2005 đƣợc chiết tách trên ảnh chỉ số AWEInsh
Hình 3.5. Biểu đồ phân phối giá trị AWEInsh (trái) và đƣờng bờ biển năm 2009 đƣợc chiết tách trên ảnh chỉ số AWEInsh
Hình 3.6. Biểu đồ phân phối giá trị AWEInsh (trái) và đƣờng bờ biển năm 2015 đƣợc chiết tách trên ảnh chỉ số AWEInsh
Hình 3.7. Biểu đồ phân phối giá trị AWEInsh (trái) và đƣờng bờ biển năm 2017 đƣợc chiết tách trên ảnh chỉ số AWEInsh
Việc xác định ranh giới mặt nƣớc với các loại hình lớp phủ mặt đất khác bằng các phƣơng pháp chỉ số nƣớc đã đƣợc đề cập trong nhiều nghiên cứu trên cơ sở sử dụng các nguồn dữ liệu viễn thám. Tuy nhiên, mỗi phƣơng pháp đƣợc áp dụng cho từng loại dữ liệu viễn thám đều cho các kết quả có độ chính xác khác nhau. Các chỉ số nƣớc đƣợc đề xuất về sau đã đƣợc chứng minh có độ chính xác cao hơn so với các chỉ số nƣớc đƣợc đề xuất trƣớc đó và ranh giới mặt nƣớc đƣợc chiết tách từ dữ liệu Landsat 8 OLI đã thử nghiệm trên nhiều khu vực khác nhau đã cho kết quả tốt hơn so với dữ liệu Landsat TM [56]. Bên cạnh đó, việc xác định ngƣỡng thích hợp trong phân tích ranh giới đất và nƣớc để mang lại độ chính xác cao nhất là một nhiệm vụ đầy thách thức và tốn thời gian vì giá trị ngƣỡng thƣờng thay đổi theo vùng địa lý và thời gian thu nhận ảnh [36]. Nhƣ vậy, tùy thuộc vào vị trí địa lý của vùng nghiên cứu mà điều kiện môi trƣờng nƣớc khác nhau dẫn đến năng lƣợng phản xạ của nƣớc trên các kênh ảnh đƣợc đƣa vào tính tốn cũng khác nhau. Trong cơng thức tính chỉ số nƣớc đƣợc đề cập, giá trị ngƣỡng để xác định ranh giới đất và nƣớc theo lý thuyết là 0, giá trị ngƣỡng này đƣợc đƣa ra trong điều kiện lý tƣởng là nƣớc trong, vì nƣớc trong hấp thụ gần nhƣ hoàn toàn năng lƣợng ở các kênh ảnh hồng ngoại. Đối với vùng biển ven bờ Tây Nam Việt Nam, dễ nhận thấy trên ảnh vệ tinh nƣớc ở khu vực này có hàm lƣợng vật chất lơ lửng cao là nguyên nhân gia tăng giá trị phản xạ trên các kênh ảnh dẫn đến giá trị ngƣỡng để xác định ranh giới đất và nƣớc ở khu vực thƣờng > 0. Vị trí có sự đột biến của tần suất xuất hiện các điểm ảnh trên biểu đồ phân phối chỉ số nƣớc vùng nghiên cứu là khá rõ ràng, vì thế có thể khẳng định việc phân tích ranh giới đất và nƣớc dựa vào biểu đồ phân phối giá trị của chỉ số nƣớc là phƣơng pháp cho giá trị ngƣỡng rất ổn định và mang lại độ chính xác cao.
3.1.2. Đánh giá ảnh hƣởng của thủy triều
Để phân tích ảnh hƣởng của thủy triều đối với đƣờng bờ biển, luận văn sử dụng số liệu độ cao mực nƣớc thủy triều đƣợc tính tốn từ phầm mềm dự báo độ cao mực nƣớc thủy triều Ldata (Phân tích Thống kê số liệu Hải dƣơng học và Mực nƣớc triều) viết trên ngơn ngữ lập trình Fortran do các nhà khoa học thuộc Khoa Khí tƣợng Thủy văn và Hải dƣơng học, Trƣờng Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội phát triển. Cơ sở lý thuyết của chƣơng trình dựa trên phƣơng pháp
trong phạm vi khu vực nghiên cứu, số liệu độ cao mực nƣớc thủy triều tại các trạm Rạch Giá và Sơng Đốc (hình 2.1) đƣợc sử dụng để phân tích ảnh hƣởng của thủy triều đối với các cảnh ảnh tƣơng ứng là 126-53 và 126-54 tại các thời điểm thu nhận ảnh. Giá trị độ cao mực nƣớc thủy triều ƣớc tính tại hai trạm Rạch Giá và Sơng Đốc vào thời điểm thu nhận ảnh đƣợc thể hiện trọng bảng 3.2.
Bảng 3.2. Bảng độ cao mực nƣớc thủy triều tại các trạm Rạch Giá và Sông Đốc vào các ngày thu nhận ảnh
Trạm Rạch Giá (Kinh độ: 105.05; Vĩ độ: 10.00) Sông Đốc (Kinh độ: 104.50; Vĩ độ: 9.02) Ngày 19/01/ 2005 29/10/ 2009 21/4/ 2015 26/04/ 2017 15/08/ 2005 13/10/ 2009 21/04/ 2015 26/04/ 2017 Độ cao mực nƣớc từ n g giờ (cm) 0 34 26 -21 2 -30 6 -35 -13 1 32 25 -20 7 -27 10 -31 -9 2 31 26 -13 11 -24 11 -25 -8 3 27 28 -2 9 -21 10 -19 -10 4 20 31 8 3 -18 11 -17 -11 5 12 35 11 -7 -12 16 -15 -11 6 5 37 4 -16 -3 24 -12 -12 7 1 38 -8 -21 10 33 -10 -15 8 3 38 -17 -20 21 39 -11 -18 9 7 38 -23 -14 29 40 -15 -18 10 10 39 -23 -6 32 38 -18 -15 11 6 39 -18 3 31 33 -17 -8 12 -1 36 -10 13 28 26 -12 2 13 -9 32 0 22 21 18 -1 11 14 -15 26 12 28 11 8 12 16 15 -17 20 27 29 0 -2 24 17 16 -15 14 40 23 -12 -10 30 15 17 -12 9 46 13 -20 -14 31 12 18 -5 28 43 3 -26 -13 28 6 19 3 25 32 -6 -27 -10 21 -4 20 13 17 19 -10 -29 -6 10 -14 21 25 7 7 -12 -31 -3 -5 -23 22 36 1 -4 -11 -35 0 -20 -27 23 42 -2 -13 -10 -37 3 -31 -27
Theo bảng 3.1, các cảnh ảnh thuộc khu vực nghiên cứu đều đƣợc thu nhận trong khoảng thời gian từ 10 giờ đến 10 giờ 20 phút giờ địa phƣơng. Đối chiếu với độ cao mực nƣớc thủy triều theo từng giờ vào các ngày thu nhận ảnh (bảng 3.2) thì vào lúc 10 giờ, biên độ triều cao nhất so với mực nƣớc triều trung bình nhiều năm ở trạm Rạch Giá ngày 29/10/ 2009 là 39cm, biên độ triều thấp nhất so với mực nƣớc triều trung bình nhiều năm ở trạm Rạch Giá ngày 21/4/ 2015 là -23cm. Nhìn chung, biên độ triều ở khu vực nghiên cứu là nhỏ so với các vùng ven biển khác trên Biển Đơng.
Bên cạnh đó, có thể thấy vùng ven biển Cà Mau phổ biến rừng ngập mặn, trong khi đó phần lớn rừng ngập mặn ven biển Kiên Giang phân bố ở hai huyện An Biên và An Minh với dải rừng ngập mặn thay đổi về chiều rộng từ 20m đến 500m. Tại các vùng bờ rừng ngập mặn, rất khó có thể xác định mực nƣớc thủy triều (hình 3.8). Vì vậy, trong luận văn “đƣờng thực vật” theo lý thuyết của Boak và Turner, 2005 [35] đƣợc xác định là đƣờng bờ biển.
Kết hợp các tiêu chí là biên độ mực nƣớc thủy triều thấp, bờ biển khu vực nghiên cứu phổ biến rừng ngập mặn và các đƣờng bờ đƣợc xác định từ chỉ số nƣớc AWEInsh với sai số cho phép tƣơng đƣơng với độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh Landsat là 30m, có thể khẳng định các đƣờng bờ biển đƣợc chiết tách hầu nhƣ không bị ảnh hƣởng bởi mực nƣớc thủy triều ở khu vực nghiên cứu nên không cần phải hiệu chỉnh thủy triều.
Hình 3.8. a) Ảnh đƣờng bờ rừng ngập mặn đƣợc xác định ngoài thực địa; b) Bản đồ hiện trạng phân bố rừng ngập mặn năm 2017 cảnh ảnh 126 - 54
3.1.3. Đánh giá độ chính xác vị trí đƣờng bờ biển
Để kiểm chứng độ chính xác, kết quả xác định đƣờng bờ từ các ảnh chỉ số nƣớc AWEInsh năm 2017 đƣợc lựa chọn để đánh giá sai số đối với 21 điểm khảo sát đƣờng bờ năm 2017 (hình 2.1). Thời gian thu nhận ảnh vào ngày 26/04/2017và thời gian khảo sát là cuối tháng 4 đầu tháng 5 năm 2017 là tƣơng đối thích hợp để thực hiện đánh giá độ chính xác. Kết quả đƣợc kiểm chứng và đánh giá độ chính xác bằng phƣơng pháp sai số tuyệt đối trung bình và phƣơng pháp sai số trung phƣơng dựa trên các sai số vị trí bằng khoảng cách giữa điểm đƣờng bờ đƣợc phân tích từ ảnh và điểm khảo sát vị trí đƣờng bờ tƣơng ứng ngồi thực địa. Sử dụng các công cụ đo đạc trong GIS, khoảng cách giữa điểm khảo sát thực tế đến vị trí đƣờng bờ đƣợc chiết tách từ ảnh chỉ số AWEInsh đƣợc xác định. Kết quả đo đạc và đánh giá độ chính xác đƣợc thể hiện trong bảng 3.3.
Bảng 3.3. Kết quả đánh giá độ chính xác TT Kinh độ Vĩ độ TT Kinh độ Vĩ độ Khoảng cách đƣờng bờ phân tích so với đƣờng bờ khảo sát (m) 1 104,486 10,3725 21 2 104,509 10,349 8,8 3 104,529 10,3175 9,5 4 104,557 10,2859 13,9 5 104,587 10,2376 3,5 6 104,609 10,1632 2,4 7 104,616 10,1482 19,2 8 104,637 10,1412 16,4 9 104,699 10,2096 2,4 10 104,864 10,1115 20 11 105,076 10,011 23,4 12 104,891 9,83303 8,5 13 104,869 9,74345 17,8 14 104,84 9,5697 17,8 15 104,826 9,34187 6,2 16 104,809 9,17564 14,4 17 104,816 9,03527 5 18 104,795 8,86299 28 19 104,802 8,72499 20,7 20 104,721 8,60594 0,3 21 104,985 8,60417 0,2
Sai số tuyệt đối trung bình 12,4
Dựa vào kết quả đánh giá trong bảng 3.3, các sai số tính đƣợc từ các vị trí đƣờng bờ đƣợc chiết tách từ chỉ số nƣớc đến vị trí đƣờng bờ thực tế xác định đƣợc từ thực địa nhìn chung đều nằm trong sai số cho phép (nhỏ hơn 30m tƣơng đƣơng với độ phân giải không gian của ảnh Landsat). Kết quả đánh giá sai số theo cả hai cơng thức sai số tuyệt đối trung bình và sai số trung phƣơng đều cho thấy độ chính xác của đƣờng bờ đƣợc chiết xuất từ ảnh AWEI với sai số tuyệt đối trung bình là 12,4m và sai số trung phƣơng là 14,8m. Điều này có thể khẳng định, đƣờng bờ đƣợc chiết tách từ ảnh chỉ số nƣớc AWEInsh có độ chính xác nằm trong giới hạn cho phép. Từ kết quả tính tốn và đánh giá độ chính xác nêu trên, đƣờng bờ đƣợc chiết tách từ ảnh chỉ số nƣớc AWEInsh của các năm đƣợc lựa chọn là đƣờng bờ phù hợp tại thời điểm thu nhận ảnh.
3.2. ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG ĐƢỜNG BỜ BIỂN TÂY NAM
3.2.1. Xây dựng hệ thống đƣờng cơ sở và mặt cắt DSAS
Để đánh giá biến động đƣờng bờ biển khu vực nghiên cứu, trên cơ sở các thế hệ đƣờng bờ biển theo các năm 2005, 2009, 2015 và 2017 đã đƣợc xây dựng, phƣơng pháp Hệ thống phân tích đƣờng bờ kỹ thuật số DSAS đƣợc sử dụng để đánh giá biến động đƣờng bờ trong từng giai đoạn 2005-2009, 2009-2015 và 2015-2017 cũng nhƣ đánh giá xu thế biến động trong toàn giai đoạn 2005-2017.
Để thực hiện theo phƣơng pháp này, trƣớc hết hệ thống đƣờng cơ sở đƣợc xây dựng. Đƣờng cơ sở đƣợc thiết kế về phía lục địa hoặc phía biển với khoảng cách nhất định và song song với đƣờng bờ biển. Trong luận văn, tác giả đã xây dựng đƣờng cơ sở phía lục địa, song song với đƣờng bờ biển và đƣợc chia thành 176 đoạn với chiều dài mỗi đoạn là 2km (hình 3.9).
Trong mỗi đoạn đƣờng cơ sở với chiều dài 2km, hệ thống các mặt cắt DSAS đƣợc xây dựng vng góc với đƣờng cơ sở, cắt qua tất cả các thế hệ đƣờng bờ trong giai đoạn nghiên cứu và khoảng cách giữa các mặt cắt DSAS là 100 mét (hình 3.10). Các mặt cắt DSAS cắt qua các đƣờng bờ là cơ sở để tính khoảng cách biến động và tốc độ biến động cho từng giai đoạn riêng rẽ và xu thế biến động cho tồn giai đoạn nghiên cứu.
Hình 3.10. Sơ đồ hệ thống mặt cắt DSAS dùng để tính biến động đƣờng bờ Sau khi xây dựng hệ thống đƣờng cơ sở và các mặt cắt DSAS, chƣơng trình sẽ xác định các điểm giao nhau giữa các mặt cắt DSAS và các đƣờng bờ biển đƣợc gọi là điểm tính (Measurement point), đây là cơ sở để tính tốn biến động. Trong luận văn, tác giả tính tốn các thơng số chính sau:
- Thơng số SCE (Shoreline Change Envelope): là thông số khoảng cách giữa đƣờng bờ xa nhất và gần nhất tính từ đƣờng cơ sở trên mỗi mặt cắt DSAS, tức là