Tích hợp giữa viễn thám và GIS nhằm tạo ra công nghệ hiệu quả kết hợp chiến lược xử lý ảnh cũng như dòng luân chuyển thông tin và chuyển đổi dữ liệu trong quá trình xử lý và giải đoán ảnh, để tạo ra dữ liệu địa lý cần thiết cho GIS đáp ứng nhu cầu đa dạng trong công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường...
Từ quan điểm của các chuyên gia GIS, công nghệ viễn thám là một trong những công nghệ thu thập dữ liệu không gian quan trọng và hiệu quả nhất. Sự tích hợp dữ liệu viễn thám và GIS dựa trên dữ liệu Raster rất khả thi vì cấu trúc dữ liệu giống nhau, hơn nữa có sự tương đồng giữa kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám và GIS đó là trong thực tế cả hai kỹ thuật này đều xử lý dữ liệu không gian và có thể thành lập bản đồ số. Khi ảnh vệ tinh đã được xử lý và cung cấp dưới dạng tương thích với GIS, những chức năng phân
21
tích của GIS có thể áp dụng hiệu quả đối với dữ liệu vectơ của GIS (ranh giới, tọa độ, độ cao...) phối hợp các chức năng sẵn có của hai công nghệ mà còn có thể khai thác tối đa dữ liệu thuộc tính nhằm đạt hiệu quả cao nhất trong việc cung cấp thông tin đáp ứng nhanh các nhu cầu trong quy hoạch, quản lý tài nguyên thiên nhiên, giám sát môi trường, theo dõi biến động sử dụng đất và thành lập bản đồ chuyên đề...[18]
Lập bản đồ tai biến
Hiện nay, để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, việc quản lý tai biến cần được thực hiện một cách hệ thống. Những công việc đó có thể được liệt kê cụ thể như sau:
Xây dựng cơ sở dữ liệu về tai biến và ứng dụng công nghệ GIS để có thể cung cấp thông tin theo thời gian thực hoặc gần thực về tai biến. Sản phẩm của hướng nghiên cứu này có thể là các trang Web, Web - GIS hoạt động trên môi trường Internet hoặc công nghệ viễn thông.
Ứng dụng Viễn thám GIS thành lập bản đồ thiệt hại do tai biến lũ lụt Khoảng 95% các thảm họa tự nhiên gây nên thiệt hại về người ở các nước đang phát triển, nơi có hơn 4 tỷ người sinh sống. Các thiệt hại về tài sản do thảm họa thiên nhiên có thể lên đến 80% tổng sản phẩm thu nhập quốc gia. Tuy nhiên, các thảm họa này vẫn cứ đến và con người không thể tránh khỏi được, có chăng là các biện pháp phòng ngừa, cảnh báo và giảm nhẹ thiệt hại mà thôi.
Một nội dung quan trọng của việc nghiên cứu là xác định thiệt hại do tai biến gây ra. Yêu cầu của sản phẩm nghiên cứu là xây dựng bản đồ thiệt hại do lũ, trên cơ sở chồng ghép bản đồ tai biến và bản đồ hiện trạng kinh tế xã hội và bản đồ sử dụng đất đai. Thiệt hại được tính cụ thể thành tiền, ngoài ra, còn phải tính dến các thiệt hại mà không hoặc khó thể hiện trên bản đồ. Các thông số cần tính đến bao gồm:
• Đánh giá sự suy giảm giá trị sản xuất nông nghiệp
• Đánh giá sự mất mát về giá trị đối với các ngành phi nông nghiệp các ngành công nghiệp hoặc dịch vụ …
• Đánh giá giá trị của năng lượng phải chi phí
• Đánh giá giá trị chi phí khi phải di dời khỏi vùng lụt
• Đánh giá sự suy giảm về giá trị và phản ứng của thực vật đất ngập nước hoặc động vật để thay đổi điều kiện sống
22
Đánh giá những thay đổi sẽ xảy ra và ảnh hưởng khi chuyển sinh hoạt đến nơi ở nơi mới
• Thay đổi trong sản xuất nông nghiệp (dựa trên giá trị tiềm năng) • Đánh giá sự mất mát của cuộc sống
• Đánh giá chi phí của sự thay thế cơ sở hạ tầng bị hư hỏng
Dữ liệu ảnh Radar Thái Lan sử dụng để đánh giá thiệt hại do lũ
• Đánh giá tác động khi người dùng phải chi phí cho sinh hoạt (chi phí cơ hội tiếp cận giới hạn / sẵn có của tài nguyên thiên nhiên)
• Đánh giá sự suy giảm hệ sinh thái ở thượng lưu và hạ lưu khu vực bị tác động • Đánh giá tác động môi trường kinh tế, xã hội về những vấn đề khó định lượng như trình độ dân trí, các mối quan hệ giữa các hiện tượng.
Ứng dụng Viễn thám GIS thành lập bản đồ dự báo và quy hoạch nhằm giảm thiểu thiệt hại do tai biến
Một số thảm họa như ngập lụt hoặc động đất có thể ập đến rất nhanh và gây ảnh hưởng trên diện rộng. Ảnh hưởng của thiên tai có thể được giảm bớt nhờ phương pháp quản lý thảm họa phù hợp, bao gồm ngăn ngừa thảm họa (đánh giá nguy cơ và tác động của thảm họa, quy hoạch sử dụng đất), chuẩn bị ứng phó (dự báo, cảnh báo), cứu trợ nhanh chóng và hợp lý. Công tác giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai gây ra chỉ có thể đạt được thành công khi con người kiểm soát được tần suất, tính chất và cường độ của các thảm họa này. Tại một số quốc gia, nơi các hệ thống cảnh báo và tính toán đạt trình độ
23
khá cao, nhiều ứng dụng viễn thám và GIS đã rất thành công trong việc dự báo kịp thời sự xuất hiện của các thảm họa thiên nhiên.
Ứng dụng trong thành lập bản đồ nguy cơ lũ: một hướng tiếp cận là cảnh báo lũ dài hạn trên tiếp cận địa mạo, địa hình, thủy văn lưu vực đồng thời có xem xét đến yếu tố khí tượng mà lượng mưa là thông số quan trọng nhất. Bằng công nghệ GIS, có thể xây dựng bản đồ cảnh báo lũ thông qua tiếp cận thủy văn lưu vực với các chỉ số mặt đệm lưu vực. Trên bản đồ, ranh giới 3 loại hình lũ: lũ ống – hay lũ bùn đá, lũ ống, lũ quét, ngập lụt (hình 1.5).
Mô phỏng lưu vực và bản đồ chỉ số ẩm ướt tách từ mô hình số DEM
Các bản đồ dự báo lũ được sử dụng cho việc xây dựng quy hoạch môi trường. Trong quy hoạch này có tập trung vào việc bảo vệ rừng, đẩy mạnh trồng rừng ở nhiều khu vực đầu nguồn. Ngoài ra, bản đồ còn sử dụng để cảnh báo cho các điểm, cụm dân cư trong việc ứng xử với tai biến lũ một cách phù hợp như di chuyển đến nơi cao hơn.
Thông tin viễn thám, với tính chất đặc biệt của một số loại tư liệu (như Radar) rất có ưu thế so với các biện pháp thông thường trong việc tiếp cận, điều tra khu vực đang bị lũ quét và cung cấp thông tin về mưa. Bên cạnh đó, viễn thám còn cung cấp nhiều thông tin khách quan có liên quan tới lũ ống, lũ quét. Trong nghiên cứu và lập bản đồ lũ quét, một hướng tiếp cận là cảnh báo lũ dài hạn trên tiếp cận địa mạo, địa hình, thủy văn lưu vực đồng thời có xem xét đến yếu tố khí tượng mà lượng mưa là thông số quan trọng nhất. Bằng công nghệ GIS, có thể xây dựng bản đồ cảnh báo lũ thông qua tiếp cận thủy văn lưu vực với các chỉ số mặt đệm lưu vực. GIS, với khả năng xử lý thông tin hết sức đa dạng, cho phép xác định các mối quan hệ của lũ quét với các yếu tố của tự nhiên và thiết lập nên các mô hình để mô tả đúng và dự báo chính xác các vấn đề liên quan tới lũ quét và các thiệt hại do lũ quét gây ra. Với những thiệt hại nặng nề do thiên tai gây ra như vậy, các nước trên thế giới đã áp dụng nhiều thành quả mới của khoa học và công nghệ, trong đó có công nghệ viễn thám và GIS để nghiên cứu các tiêu chí thiên
24
tai, phân vùng và xây dựng các bản đồ có nguy cơ thiên tai kết hợp với công nghệ đo
đạc và truyền tin tự động được tích hợp với các mô hình dự báo số trị cho việc dự báo,
giám sát, cảnh báo thiên tai.
Một số nghiên cứu có mô phỏng lại những cơn lũ ống, lũ quét từ mô hình thủy lực 1D kết nối 2D và gần đây Pháp có phát triển mô hình MARINE cho phép mô phỏng lũ ống, lũ quét thời gian thực bằng mô hình thủy lực nhưng chỉ mới dừng ở mức nghiên cứu và chưa có kết quả để so sánh tính chính xác và hiệu quả. Một số mô hình dự báo lũ nhanh như SWAT, TANK, HEC-HMS, HYDROGIS… cũng được áp dụng. Tuy nhiên mỗi mô hình đòi hỏi thông số đầu vào rất khác nhau. imothy L. S. et al, NOAA, Mỹ đã giới thiệu phương pháp ứng dụng GIS xác định lũ ống, lũ quét vào năm 1993 và Konstantine P. G., at al, Hydrologie Research Center, California, Mỹ đã phát triển và triển khai ứng dụng cho vùng cụ thể vào năm 1996.
Nghiên cứu ứng dụng mô hình Ứng phó Lưu vực sông Thủy văn-thủy động lực học Vật lý (physically-based hydrologic-hydraulic models of catchment response), GIS, viễn thám, dữ liệu đất, dữ liệu sử dụng đất, dữ liệu lớp phủ bề mặt, dữ liệu DEM để xác định tổng lượng mưa hữu hiệu cho một thời đoạn nào đó (1, 2, …, 6 giờ) có thể gây ra lũ trên các suối, sông nhỏ. Mô hình ứng dụng cách tiếp cận ngưỡng mưa thời đoạn và tiểu lưu vực, xác định lũ ống, lũ quét có thể xảy ra tại mỗi tiểu lưu vực nếu mưa thời đoạn vượt ngưỡng chịu đựng của tiểu lưu vực đó. Kết quả là tập các bản đồ nguy cơ lũ ống, lũ quét sử dụng dữ liệu viễn thám và dữ liệu đo đạc tại chỗ. Mục đích chính của nghiên cứu là có được mô hình ứng dụng xác định lũ ống, lũ quét cho toàn nước Mỹ ở tỷ lệ không gian tương đối chi tiết (vài Km2).
Các nghiên cứu ở nước ngoài gần đây chú trọng nhiều đến hình dáng của biểu đồ lưu lượng, đặc biệt thời gian và độ lớn của đỉnh lưu lượng để nhận dạng ra lũ ống, lũ quét so với lũ thông thường, và quan tâm đến mưa theo tần suất để phục vụ tốt hơn cho quy hoạch, phân vùng, đánh giá tổn thương, rủi ro,...
Theo nhận định của các chuyên gia đánh giá, dự báo, và quản lý rủi ro thiên tai tại khóa học “Flood risk preparedness - what theory and practice can teach us when the floods come again and again” do Đại học Twente, Hà Lan và Đại học Naresuan, Thái Lan tổ chức vào tháng 12 năm 2013 thì cảnh báo sớm lũ ống, lũ quét vẫn là vấn đề quá khó. Việc áp dụng phương pháp phổ biến là ngưỡng mưa (rain threshold) chưa cho thấy tính hiệu quả cao vì lũ ống, lũ quét rất phức tạp, tính chất cục bộ của mưa không phải lúc nào cũng đưa vào mô hình được. Ngưỡng mưa gây lũ ống, lũ quét R được xác định
25
cho từng tiểu lưu vực tại outlet (cửa ra của lưu vực) theo hàm tuyến tính như công thức (3):
R=Q_p/(q_pR A) (3)
Trong đó, R – ngưỡng mưa hữu hiệu gây lũ ống, lũ quét theo thời đoạn mưa, Qp – lưu lượng tràn đê tại cửa lưu vực (bankfull at outlet), A – diện tích tiểu lưu vực, qpR – lưu lượng cực đại theo thời đoạn mưa. Ưu điểm của phương pháp là sau khi chạy mô hình, mỗi tiểu lưu vực sẽ được xác định và gắn cho một ngưỡng mưa R. Trong thực tế, số liệu mưa mỗi thời đoạn mưa (từ đo đạc, viễn thám) được sử dụng để tính mưa hữu hiệu và sẽ được so sánh với R, nếu vượt qua R thì sẽ được cho là có nguy cơ lũ ống, lũ quét. Đây là phương pháp đơn giản, dễ áp dụng trong GIS có tính chất ứng dụng cao.
Do vậy, để tăng tính chính xác, theo Prof. Dr. Jentten Áo gắn các thiết bị có độ bền cao vào các viên đá ở các lưu vực nơi có khả năng xảy ra lũ ống, lũ quét, khi viên đá chuyển động (có thể là do lũ ống, lũ quét, lũ bùn đá) thì cảnh báo được phát đi.
T.M. Carpentera et al thuộc Trung tâm nghiên cứu thủy văn, Viện hải dương học Scripps – Đại học California, Văn phòng Thủy văn – NOAA, Mỹ, năm 1999 nghiên cứu và xác định ngưỡng lưu lượng tại cửa ra (outlet) cho từng lưu vực theo mưa thời đoạn để áp dụng cho chương trình theo dõi và cảnh báo lũ ống, lũ quét của Mỹ. Mục đích chính là nâng cao chất lượng cảnh báo lũ ống, lũ quét bằng việc nâng cao độ tin cậy của xác định ngưỡng lưu lượng theo dữ liệu mới từ mạng radar WSR-88D toàn nước Mỹ và do còn tồn tại nhiều giá trị ngưỡng khác nhau từ các cách tính khác nhau thậm chị trong cùng địa hạt quản lý lưu vực sông bằng việc thống nhất cách tính ngưỡng cũng như thuật toán chuẩn xác định các mức báo động.
Phương pháp cũng áp dụng GIS và đầu vào tương tự như của Timothy L. S. et al và phương trình (3) nhưng thay Qp bankfull là Qp dòng chảy lũ (Flooding flow) là dòng chảy theo tần suất thống kê vì có sự tương quan giữ Qp bankfull và Qp dòng chảy lũ theo tần suất 1-2 years. Như vậy, theo hướng này thì gần hơn với rủi ro và đánh giá thiệt hại.
V. Estupina-Borrell et al, Viện Cơ học Chất lỏng, Toulouse, Pháp, 2006, giới thiệu mô hình MARINE (Model of Anticipation of Runoff and INondations for Extreme events) để tính toán lũ ống, lũ quét. Đây là mô hình thủy văn thủy lực kết nối 1 chiều và 2 chiều với 2 phần riêng rẽ: phần thứ nhất là mô hình 1 chiều thủy văn tính dòng chảy mặt từ thượng nguồn, phần thứ 2 là mô hình thủy lực mô phỏng quá trình lan truyền lũ trên các sông chính ở phía hạ lưu.
26
Mục đích của mô hình này là mô phỏng và dự báo lũ ống, lũ quét thời gian thực. Để ứng dụng cho mô phỏng lũ ống, lũ quét, các thông số bốc hơi, trao đổi với nước ngầm được xem nhẹ bỏ qua, và chạy cho mưa cơn. Lũ ống, lũ quét được xác định chỉ là dòng chảy mặt do mưa thuần túy và không bao gồm các thành phần khác như là lũ, xói mòn, vỡ đập.
Mô hình 1 chiều là mô hình thủy văn giải theo phương pháp Travel time hay Time-area zones như I. Muzik và C. Chang đã giới thiệu từ những năm 1993.
Sơ đồ đường đẳng thời gian di chuyển ra tới cửa của nước mặt
Biểu đồ diện tích theo thời gian di chuyển ra tới cửa của nước mặt
Dòng chảy tràn trên bề mặt được xây dựng từ sự kết hợp giữa việc xấp xỉ sóng Kinematic liên tục và phương trình Manning, dòng chảy trong kênh được xây dựng dựa trên phương trình Manning và phương trình liên tục của Chow:
v_o=〖i_e^0.4 S^0.3 L〗^0.4/n^0.6 ,v_c=(S^0.3 Q^0.4)/(n^0.6 B^0.4 )(7)
trong đó, vc, vc – vận tốc chảy trên mặt, trong kênh (m/s), ie – cường độ mưa hữa hiệu (m/s), L – độ dài quảng đường nước chảy qua (m, = 100 đối với hướng chảy dọc hoặc ngang ô lưới và = 141 đối với hướng chảy chéo ô lưới), S – độ dốc (m/m), n – hệ số ma sát Manning (xác định theo bảng), Q – lưu lượng tích lũy (m3/s), B – độ rộng kênh (m).
t=L/v (8)
trong đó, t – thời gian toàn bộ nước chảy qua 1 ô lưới (s), L – như công thức (7), v - vc, vc.trong công thức (7).
27
Khi đã xác định được t từ công thức (8) tại mỗi ô lưới thì có thể tính được thời gian để toàn bộ nước của ô lưới đó chảy ra đến cửa lưu vực.Khi sử dụng Viễn thám, từ việc phân tích các ảnh đa phổ , hệ số Manning có thể được xác định [18]
Zhou Jinxing, Wang Yan, Viện Nghiên cứu Rừng và Liu Yijun, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Trung Quốc, năm 2004 đã có tổng quan về tình hình lũ quét, lũ bùn đá và hệ thống cảnh báo thiên tai này ở Trung Quốc [18].
Sử dụng các loại tư liệu viễn thám khác nhau sẽ thực hiện các loại nghiên cứu đa tỉ lệ, đa thời gian, cho khả năng thiết lập các mô hình một cách đa dạng. Trong đó có mô hình xử lý thông tin đa chỉ tiêu sẽ được áp dụng để đưa ra những kết quả mới, những kịch bản nhằm thực hiện hóa các tư duy khoa học và có thể triển khai trong thực tiễn của việc ra quyết định.
Áp dụng phương pháp viễn thám và GIS để phân tích thống kê các điểm lũ ống, lũ quét cũng như các tác nhân gây nên lũ ống, lũ quét, phương pháp này sẽ cung cấp các kết quả nghiên cứu có tính chất định lượng.
Việc phân tích định lượng yêu cầu xác định rõ về mặt không gian của sự phân
