Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách Khoa Bài tiểu luận Ứng dụng GIS và Viễn thám trong Quản lý Môi trường GVGD: TS. Lê Văn Trung HVTH: Nguyễn Cao Phát MSHV: 12260673 Lớp: Cao học QLMT 2012 SỬ DỤNG MÔ HÌNH XÂY DỰNG TRONG ARCGIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM ĐỂ ĐO LƯỢNG SỰ XÓI MÒN VÀ BỒI ĐẮP DẢI ĐẤT VEN BIỂN MIỀN BẮC NƯỚC PHÁP Tóm tắt Xói lở bờ biển là ngày càng được quan tâm ngày thế giới (Bartlett và Smith, 2005). Nguyên nhân gây ra bởi các lực lượng tự nhiên như dòng chảy, sóng, triều cường, và gió, cũng như các hoạt động của con người (Heo, Kim, và Kim, 2009; Paskoff, 1998). Đây là một vấn đề toàn cầu và có ý nghĩa kinh tế và phát triển bền vững ngành du lịch ven biển và. Những thay đổi ven biển còn được coi là một trong các chỉ số về môi trường, quan trọng hơn, nó tác động trực tiếp đến sự phát triển kinh tế ven biển và quản lý đất đai (Stok-kom, Stokman, và Hovenier, 1993). Thay đổi đường bờ biển có thể được xem như là một chỉ số tốt để đánh giá sự xói mòn bờ biển. Chỉ số tốt nhất để mô tả xói mòn bờ biển là nơi tỷ lệ lấn chiếm đường bờ biển (Heo, Kim, và Kim, 2009). Một số nhà khoa học đã nghiên cứu về xói mòn bờ biển (Dolan và Vincent, 1972; Dolan và các đồng nghiệp, 1979; Stafford và Langfelder 1971; Zhang, Douglas, và Leatherman, 2004). Nhiều phương pháp đã được đề xuất để đo sự lấn biển. Một trong số đó là phương pháp tiếp cận cơ bản (Dolan, Hayden, và Heywood, 1978), phương pháp thứ hai là phương pháp tiếp cận phân khúc động (Liu, 1998; Li, Liu, và Felus năm 2001, Srivastava et al, 2005),thứ ba là phương pháp tiếp cận dựa trên khu vực (Ali, 2003), và thứ tư là cách tiếp cận ít nhất ước tính phi tuyến hình vuông (Heo, Kim, và Kim, 2009). Cách tiếp cận cơ bản (còn được gọi là phương pháp tiếp cận mặt cắt) được đề xuất bởi Dolan Hayden, và Heywood (1978). Trong phương pháp này một đường cơ sở được lựa chọn đó là gần như song song với bờ biển, sau đó mức độ xói mòn có thể được tính toán Nguyễn Cao Phát - 12260673 2 bằng cách đo hiệu số trực giao của các đường cắt ngang. Phương pháp này rất phổ biến và đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu xói mòn bờ biển (Hardaway et al, 2001; Stewart, 1994). Hệ thống thông tin địa lý phát triển lên trong những năm 1970 và được sử dụng trong những năm 2000 trong nghiên cứu tiến hóa vùng ven biển (Leatherman, 2003). Các nguồn dữ liệu khác nhau về vị trí của bờ biển (ảnh trên không, hình ảnh vệ tinh, các cuộc khảo sát khác biệt của hệ thống định vị toàn cầu, bản đồ, v.v ) được tích hợp để cho phép việc tạo, phân tích, và lập thành bản đồ dữ liệu (Armaroli et al, 2006. Byrnes và Hiland năm 1995; Gorman, Morang, Larson, 1998, McBride, Byrnes, và Hiland, năm 1995; McBride et al, 1992;. Moore, 2000). Mục tiêu của bài báo này là phát triển một phương pháp dựa trên phương pháp tiếp cận cơ bản để đo lường sự xói mòn của bờ biển trong khu vực Hardelot-Plage và Sainte Cecile- Plage, ở miền bắc nước Pháp. Với phương pháp này, những thay đổi của 14 đường bờ biển liên tiếp trong khoảng thời gian 59 năm đã được xác định và được thể hiện bằng cách sử dụng phần mềm ArcGISH9.3. Nghiên cứu này tập trung vào bờ biển Hardelot-Plage và Sainte Cecile-Plage (Hình 1), cồn cát ven biển kết hợp với những đường bờ biển rộng đặc trưng. KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ NGUỒN DỮ LIỆU ĐƯỜNG BỜ Khu vực nghiên cứu Nghiên cứu của chúng tôi liên quan đến các huyện Hardelot-Plage và 'Sainte Cecile-Plage ở vùng Nord-Pas-de-Calais, phía bắc nước Pháp (Hình 1). Đường bờ biển của hai huyện này dài khoảng 14 km. Mô hình đề xuất được thiết kế để đo lường sự thay đổi của đường bờ biển. Nguyễn Cao Phát - 12260673 3 Hình 1: Khu vực nghiên cứu Nguồn dữ liệu đường bờ biển Các nguồn dữ liệu chính được sử dụng trong nghiên cứu này là các bản đồ, hình ảnh trên không, và các cuộc điều tra GPS (Crowell, Leatherman, và Douglas, 2005) về sự thay đổi đường bờ biển. Một số hình ảnh viễn thám lâu đời nhất được sử dụng có niên đại từ năm 1946, và gần đây nhất là trong năm 2005. Cuối cùng, công việc được thực hiện trên 14 dữ liệu khác nhau: 1946, 1947, 1955, 1963, 1971, 1976, 1980, 1983, 1987, 1989, 1995, 1997, Nguyễn Cao Phát - 12260673 4 2000, và 2005 (Bảng 1). Dữ liệu địa lý đến từ Trung tâm địa lý quốc gia Pháp, ngoại trừ năm 2005, là từ 'Plateforme Publique de géographique de l' trong vùng Nord Pas-de-Calais, Pháp (PPIGE). Phương pháp và công cụ Các phương pháp để tính toán sự thay đổi đường bờ biển đo được tóm tắt trong hình 2. Bao gồm: (1) chuẩn bị dữ liệu, (2) tạo ra dữ liệu và (3) đo lường sự thay đổi đường bờ biển. Chuẩn bị dữ liệu Mục tiêu của giai đoạn này là chuyển các hình ảnh tham chiếu địa lý vào phần mềm ArcGIS 9.3.1. Hệ thống mở rộng Lambert II của Pháp đã được lựa chọn để tất cả dữ liệu được đảm bảo tính chính xác nhất của việc di chuyển bờ biển. Những bức ảnh trên không được quét trong ba độ phân giải khác nhau: 800 (1976), 1000 (1989, 1995), và 1500 pixels (1946, 1947, 1955, 1963, 1971, 1979, 1983, 1987, 1997, 2000) bằng việc chụp ảnh trên không có độ phân giải và tỷ lệ đã được tham chiếu địa lý (PPIGE 2005: tham chiếu trung tâm địa lý với độ phân giải 0,5 m). Dữ liệu cho GIS phải được tham chiếu địa lý hoặc ghi lại với hệ tọa độ phổ biến để có thể sử dụng. ArcGIS sử dụng phương pháp đa thức để hiệu chỉnh của bức ảnh trên không, phương pháp này cho phép hiệu chỉnh toàn bộ các bức ảnh trên không. Khó khăn trong việc đưa ra cách hiệu chỉnh tốt là việc sự lựa chọn các điểm làm mốc tọa độ mặt đất (GCPS); GCPS phải là điểm cố định theo thời gian, có thể nhìn thấy trên các bức ảnh chụp, và phân bố đều trên toàn bộ hình ảnh để hạn chế các tác động làm biến dạng. Nguyễn Cao Phát - 12260673 5 Một loạt điểm GCPS đã được sử dụng để tham khảo các bức ảnh chụp trên không của hệ thống mở rộng Lambert II, chẳng hạn như các nút giao thông đường bộ, góc tòa nhà, kho hàng Đức, vv . Trong nghiên cứu này ít nhất là 10 điểm đã được xác định trên mỗi bức ảnh. Gần bờ biển, những điểm mốc tốt nhất là kho hàng Đức, khi còn nguyên vẹn (Battiau- Queney et al., 2003), nhưng chỉ có vài cái và không phân bố đều. Các điểm nhận dạng chung cho hai hoặc nhiều hình ảnh, nhưng không phải tọa độ mặt đất, bổ sung và phục vụ để tham khảo các hình ảnh với nhau (Coyne, Fletcher, và Richmond, 1999). Sai số tọa độ góc vuông (RMSE) thu được trong khi tham chiếu bức ảnh trên không thay đổi tỷ lệ từ 0,2m đến 1m. Một khi các bức ảnh chụp trên không được tham chiếu địa lý, phương vị có thể được tạo ra từ các hình ảnh khác nhau tham chiếu địa lý cho một khoảng thời gian. Sau tham chiếu địa lý, từ dữ liệu này, đường bờ biển có thể được số hóa và chồng lên, sự thay đổi đường bờ và tỷ lệ suy giảm có thể được đánh giá dọc theo tuyến được vẽ vuông góc với đường bờ biển. Việc tạo ra các tuyến và đo đạc sự thay đổi có thể được thực hiện tự động bằng cách sử dụng các chương trình đặc biệt như DSAS (hệ thống phân tích đường bờ kỹ thuật số, Thieler và Danforth, 1994), ASAP (Chương trình phân tích tự động đường bờ biển, Byrnes và Hiland, 1994) (Faye, 2010), hoặc BeachTools (Hoeke, Zarillo, và Synder, 2001) hoặc bằng cách thực hiện một loạt các phương pháp điều chỉnh từ các công cụ và các môđun của ArcGIS 9.3.1 hoặc chương trình GIS khác. Tạo dữ liệu ArcGIS 9.3.1 đã được sử dụng để tạo ra và điều chỉnh dữ liệu. Tất cả các dữ liệu được tạo ra được lưu trữ trong một cơ sở dữ liệu địa lý. Một tập dữ liệu đã được tạo ra để ghép các lớp đặc trưng (bờ biển) có cùng một hệ tọa độ (hệ thống Lambert II mở rộng) vào cơ sở dữ Nguyễn Cao Phát - 12260673 6 liệu địa lý này. Các lớp đặc trưng mới được tạo ra đưa vào các số liệu có tính chất của các loại đường hình học. Các cơ sở dữ liệu địa lý, tập dữ liệu đặc trưng này, và các lớp dữ liệu được tạo ra trong ArcCatalog (trong phần mềm ArcGIS 9.3.1) (hình 3a): một lớp đặc trưng cho mỗi đường bờ biển. Thêm vào đó, hai lớp đặc trưng khác đã được tạo ra, một đường cơ sở và cho các đường khác, cũng là những đường hình học. Theo truyền thống, các tuyến đường vuông góc với các bờ biển, được sử dụng để ước tính sự xói mòn bờ biển và suy ra tỷ lệ mất đất. Một khi các dữ liệu được xây dựng và xác nhận, các đường bờ biển sẽ được số hóa. Một đường cơ sở song song để biểu hiện chung của các bờ biển, được xây dựng trên vùng cao của tất cả các bờ biển để cung cấp một điểm khởi đầu cho các hoạt động tính toán và chia thành các đơn vị đồng nhất (50 m). Ngoài ra, các tuyến trực giao theo có nguồn gốc từ đường cơ sở được số hóa theo hướng từ Bắc vào Nam. Số hóa đường bờ biển Các đường bờ biển tham khảo Sự lựa chọn của các tài liệu tham khảo bờ biển là một phần công việc chính trong việc lập bản đồ bờ biển. Tham chiếu đường bờ biển (chỉ số đường bờ biển) phải được xác định để tính toán sự xói mòn bờ biển. Theo Leatherman (2003), điều quan trọng là chỉ số có thể dễ dàng xác định trong thực tế và trên các bức ảnh trên không. Crowell, Leatherman, và Douglas (2005) đã chỉ ra rằng tham khảo những đặc trưng như là cạnh trên của một dốc, vách đá cồn cát, thảm thực vật, hoặc độ dốc của bãi biển. Chân cồn cát cũng là một tài liệu nên tham khảo trong nghiên cứu xói mòn bờ biển (Guillen, Stive, và Capobianco, 1999); ngược lại, trên một bức ảnh, thật không dễ dàng để phân biệt giữa độ dốc thật và độ dốc đang hình thành (Battiau-Queney et al, 2003.). Giải thích này phải được kiểm tra trong thực Nguyễn Cao Phát - 12260673 7 tế, nhưng điều này chỉ có thể cho những bức ảnh gần đây nhất hoặc nếu quan điểm lập có sẵn. Nếu không sử dụng các tham chiếu trên, đường dòng nước cao thường được sử dụng (HWL). Trong nghiên cứu này, chúng tôi xác định đường bờ biển bằng chân dốc cát bởi vì nó không phải là dễ dàng để phân biệt các HWL. Số hóa đường bờ biển Dọc bãi biển khu vực nghiên cứu, có năm loại bờ biển (Hình 4a-e). (1) đê Hardelot-Plage, 700 m; (2) Rip-Rap: 'Hardelot-Plage, 1150 m, được xây dựng sau năm 1980, Sainte CecilePlage, 600 m được xây dựng sau năm 1980 và 800 m được xây dựng sau năm 1990; (3) cồn cát (4) còn phôi thai của cồn cát và (5) những vách đá cồn cát Một khi các dữ liệu (hình ảnh trên không) được tham chiếu địa lý sang một định dạng phổ biến của hệ thống Lambert II mở rộng, sau đó các đường bờ biển có thể được số hóa và chồng lên bằng cách sử dụng ArcGIS 9.3.1 (hình 3b). Xử lý dữ liệu trong ArcGIS Trong giai đoạn này, quá trình xử lý dữ liệu được thực hiện để đo khoảng cách giữa các đường cơ sở (gọi là đây Tài liệu tham khảo 1) và các đường bờ biển tại mỗi mặt cắt (Tài liệu tham khảo 2). Hình 5 đại diện cho một khái niệm và mô phỏng cho thấy các đường cơ sở (Tài liệu tham khảo 1), mặt cắt (Tài liệu tham khảo 2), hai đặc trưng tuyến (hai đường bờ biển), và bảng thuộc tính. Xây dựng mô hình trong ArcGIS là hữu ích và hiệu quả để xác định giao điểm giữa các bờ biển, và các tuyến, tính giao hình học (điểm hình học X, Y), và để đo mất đất của bờ biển, đặc biệt là nếu số lượng bờ biển phải được phân tích cao. Có hai phương thức cơ bản để tạo mô hình tính toán. Một là như là một ứng dụng cho phép công việc thăm dò được thực hiện. Là một ứng dụng mà chúng ta xây dựng các công cụ Nguyễn Cao Phát - 12260673 8 chung chung mà có thể được tái sử dụng và chia sẻ. Các Mô hình (hai mô hình) được tạo ra và được sử dụng trong công việc này là các mô hình chung chung mà có thể được sử dụng trong các xử lý dữ liệu tuyến tính đặc trưng. Một mô hình được sử dụng để xác định giao điểm giữa các mặt cắt ngang và các đường bờ biển, bổ sung một lĩnh vực mới vào bảng thuộc tính và tính toán hình học của các điểm giao nhau (Hình 6a và b). Một mô hình thứ hai cần được thêm các trường mới vào bảng thuộc tính và tính toán khoảng cách trên các đường cắt ngang giữa Tài liệu tham khảo 1 và các bờ biển (Hình 6c và d). Lỗi đường biên Một số lỗi của các phương pháp đề xuất có liên quan đến chất lượng của dữ liệu được sử dụng, việc tham khảo những hình ảnh địa lý, và với đường bờ biển xác định. Những lỗi này có thể được ước tính và đưa vào một mục trong biểu đồ và giải thích kết quả (Crowell, Leatherman, và Buckley, năm 1991; Durand, 1998; Robin, 2002). Trong nghiên cứu này, được đưa ra các lỗi liên quan đến độ chính xác của tọa độ địa lý PPIGE năm 2005 (tham khảo tài liệu), độ phân giải của hình ảnh viễn thám, hiệu chỉnh hình ảnh (lỗi liên quan đến việc xác định mốc tọa độ trên các bức ảnh chụp và tính toán các mô hình đa thức), và việc số hóa đường bờ biển, biên độ lỗi được ước tính ở mức 65 m (Bảng 2). Biên độ này có thể tăng gấp đôi khi so sánh vị trí đường bờ biển vào những ngày khác nhau (Aernouts và He'quette, 2006; Durand, 1998), do đó, biên độ lỗi tối đa có thể lên tới 610 m. Nguyễn Cao Phát - 12260673 9 Hình 2: Biểu đồ sự thay đổi dải đất ven biển được nghiên cứu ( 1947 – 2005) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Bởi vì sự phá vỡ do tự nhiên và do con người ở bờ biển ví dụ như các rãnh, thung lũng, hay xây đê đập, khu vực nghiên cứu được chia thành bảy phần mà tỷ lệ xói mòn được tính toán từng phần riêng (Bảng 3; Hình 7 và 8). Hơn nữa, quy mô phải đủ lớn để cho phép mức độ thay đổi hợp lý của đường bờ biển trên các bản đồ. Sự thay đổi bờ biển là kết quả đầu tiên được trình bày dưới dạng bản đồ, chúng được số hóa trong các màu sắc khác nhau tùy thuộc vào số năm. Các phép đo vị trí đường bờ biển giữa các năm khác nhau giúp chúng tôi để tính toán tỷ lệ thay đổi mỗi năm cho bờ biển khu vực nghiên cứu bằng cách sử dụng phương pháp lãi suất cuối đường ống (EPR) (Dolan, Fenster, và Holme, 1991). Nguyễn Cao Phát - 12260673 10