ứng dụng công nghệ viễn thám và gis trong nghiên cứu tái hiện hệ thống lòng cổ sông đáy, sông nhuệ đoạn chảy qua thành phố hà nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ
NHIÊN






ĐẶNG KINH BẮC





ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ
GIS
TRONG NGHIÊN CỨU TÁI
HIỆN

HỆ THỐNG LÒNG CỔ SÔNG ĐÁY, SÔNG
NHUỆ
ĐOẠN CHẢY QUA THÀNH PHỐ HÀ
NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC










Hà Nội –
2012

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ
NHIÊN






ĐẶNG KINH BẮC

\\

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ
GIS
TRONG NGHIÊN CỨU TÁI
HIỆN

HỆ THỐNG LÒNG CỔ SÔNG ĐÁY, SÔNG
NHUỆ
ĐOẠN CHẢY QUA THÀNH PHỐ HÀ
NỘI



Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và GIS
Mã số: 60.44.76


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



Ngƣời hƣớng dẫn: PGS. TS. Nguyễn
Hiệu






Hà Nội –
2012

iii


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: CƠ SỞ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM – GIS TRONG
NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỔI LÒNG SÔNG 4
1.1. Cơ sở viễn thám – GIS trong nghiên cứu địa lý 4
1.1.1. Cơ sở công nghệ viễn thám – GIS 4
1.1.2. Cơ sở phân tích, nhận dạng đối tượng trên ảnh viễn thám 5
1.1.3. Lựa chọn tư liệu ảnh viễn thám 10
1.1.4. Chiết xuất thông tin bằng tiếp cận đa quy mô 11
1.2. Tổng quan về biến đổi lòng sông 12
1.2.1. Khái quát chung về hoạt động địa mạo của dòng chảy và biến đổi lòng sông 12
1.2.2. Các nhân tố ảnh hưởng tới biến động lòng sông 20
1.2.3. Sản phẩm của biến đổi lòng sông 24
1.3. Tổng quan các công trình nghiên cứu lòng sông cổ tại thành phố Hà Nội 26
1.3.1. Thời kỳ trước năm 1954 27
1.3.2. Thời kỳ sau 1954 28
1.4. Cơ sở dữ liệu và các phƣơng pháp nghiên cứu 30
1.4.1. Cơ sở dữ liệu 30
1.4.2. Các phương pháp nghiên cứu 30
1.4.2.1. Phương pháp kết hợp nghiên cứu địa mạo và công nghệ viễn thám - GIS trong
đánh giá biến đổi lòng sông 30
1.4.2.2. Các phương pháp khác 33
iv

CHƢƠNG 2: CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƢỞNG TỚI QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI
LÒNG SÔNG TẠI THÀNH PHỐ HÀ NỘI 34
2.1. Điều kiện địa chất, tân kiến tạo 34
2.1.1. Cấu trúc địa chất, tân kiến tạo 34
2.1.2. Thành phần vật chất cấu tạo đồng bằng 38
2.2. Địa hình và quá trình địa mạo 44
2.2.1. Khái quát địa hình khu vực 44
2.2.2. Đặc điểm các kiểu nguồn gốc địa hình 47
2.3. Điều kiện khí hậu 53
2.3.1. Đặc trưng cổ khí hậu 53
2.3.2. Điều kiện khí hậu hiện đại 59
2.4. Điều kiện thủy văn 60
2.5. Các hoạt động nhân sinh 62
CHƢƠNG 3: HỆ THỐNG LÒNG CỔ SÔNG ĐÁY, SÔNG NHUỆ KHU VỰC
TP. HÀ NỘI - CÁC TAI BIẾN THIÊN NHIÊN LIÊN QUAN VÀ ĐỊNH HƢỚNG
PHÒNG TRÁNH 65
3.1. Ứng dụng viễn thám và GIS trong phân tích hệ thống lòng sông cổ 65
3.1.1. Ứng dụng viễn thám trong phân tích hệ thống lòng sông cổ 65
3.1.1.1. Ứng dụng ảnh viễn thám đa thời gian xác lập các khu vực thấp trũng 65
3.1.1.2. Xử lý ảnh viễn thám xác lập các khu vực có độ ẩm cao 68
3.1.1.3. Bước lọc nhờ dữ liệu mây, bóng mây và bóng núi 78
3.1.1.4. Bóc tách dữ liệu dựa trên tài liệu địa mạo, trắc lượng hình thái 82
v


3.1.2. Tích hợp viễn thám và GIS cho xác định hệ thống lòng sông cổ 83
3.1.2.1. Lọc và bổ sung dữ liệu lòng sông cổ bằng các đơn vị địa mạo 84
3.1.2.2. Lọc và bổ sung dữ liệu lòng sông cổ bằng các yếu tố nhân sinh 86
3.1.2.3. Phân tích dấu hiện lòng sông qua tài liệu địa chất, lỗ khoan địa tầng 90
3.2. Đặc điểm hệ thống lòng cổ sông Đáy, sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố

Hà Nội 93
3.2.1. Hệ thống lòng cổ sông Đáy, sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội 93
3.2.2. Phân tích hệ thống lòng sông cổ tại những vùng có mức độ biến động cao 96
3.2.2.1. Hệ thống lòng sông cổ khu vực phía tây thành phố Hà Nội 96
3.2.2.2. Hệ thống lòng sông cổ khu vực Chương Mỹ, Hà Nội 98
3.3. Các tai biến thiên nhiên liên quan và định hƣớng phòng tránh 100
KẾT LUẬN 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO 105
vi


DANH MỤC HÌNH HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý thu nhận hình ảnh của viễn thám 4
Hình 1.2: Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên chính 6
Hình 1.3: Đồ thị phản xạ phổ của một số loại nước 7
Hình 1.4: Phản xạ phổ của một số loại đất 7
Hình 1.5: Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng trong đô thị 8
Hình 1.6: Sơ đồ cấu tạo đồng bằng bãi bồi (a); đê thiên nhiên (b) 16
Hình 1.7: Hình thái thung lũng sông vùng đồng bằng 17
Hình 1.8: Quá trình hình thành khúc uốn thứ sinh từ khúc uốn nguyên thủy P-P 18
Hình 1.9: Các kiểu biến đổi lòng nhờ quá trình uốn khúc lòng sông 19
Hình 1.10: Dòng sông cắt đứt cổ khúc uốn và hình thành hồ móng ngựa 19
Hình 1.11: Cấu tạo của một bãi bồi hoàn chỉnh (theo N.I.Macaveiev) 25
Hình 1.12: Sơ đồ minh họa các tầng trầm tích của bãi bồi 25
Hình 1.13: Gờ cao ven lòng (đê thiên nhiên) 26
Hình 1.14: Dấu vết các các dải trũng và các gờ cao ven lòng trên ảnh viễn thám 31
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống đứt gãy kiến tạo trên bản đồ đẳng đáy trầm tích Kainozoi và
các khối kiến trúc miền võng Hà Nội 36
Hình 2.2: Sơ đồ đẳng trầm tích Đệ tứ khu vực thành phố Hà Nội cũ 37
Hình 2.3: Bản đồ địa chất thành phố Hà Nội 39

Hình 2.4: Đê sông Hồng được đắp trên dải gờ cao ven lòng 51
Hình 2.5: Bãi bồi thấp (trái) và cao (phải) dọc sông Đáy 51
Hình 2.6: Khối núi karst sót tại Quốc Oai 51
Hình 2.7: Thềm cấu tạo bởi trầm tích hệ tầng Vĩnh Phúc tại Xuân Đỉnh với bề mặt khá
phẳng 51
Hình 2.8: Dao động mực nước đại dương theo các tác giả 54
Hình 2.9: Dao động mực biển ở Nam Trung Quốc từ Pleistocen muộn tới nay 54
vii


Hình 2.10: Sơ đồ tiến trình dao động mực nước biển Việt Nam trong Holocen 57
Hình 3.1: Ảnh vệ tinh Landsat thu nhận trong nhiều năm khu vực Hà Nội 66
Hình 3.2:Biểu đồ phản xạ phổ các đối tượng trên ảnh Landsat 1989 68
Hình 3.3:Sơ đồ các bước xử lý ảnh viễn thám để tách lớp thông tin các hồ sót và lòng
sông cổ 69
Hình 3.4:Biểu đồ phản xạ phổ các đối tượng trên ảnh Landsat 1996 (Mùa khô) 70
Hình 3.5:Biểu đồ phản xạ phổ các đối tượng trên ảnh Landsat 2000 (Mùa khô) 70
Hình 3.6:Biểu đồ phản xạ phổ các đối tượng trên ảnh Landsat 2009 (Mùa khô) 70
Hình 3.7:Kênh 5 của ảnh vệ tinh Landsat chưa xử lý (A) so sánh với ảnh đã lọc (B) 72
Hình 3.8:Sơ đồ các đối tượng có độ ẩm cao trên 7 thời kỳ ảnh sau khi xử lý 73
Hình 3.9:Sơ đồ các đối tượng có độ ẩm cao và sự biến đổi mặt hồ được tổng hợp qua
thời kỳ thu nhận ảnh sau khi đã xử lý 74
Hình 3.10:Tuyến lát cắt so sánh lòng sông phân tích lòng sông trên 2 thời gian thu
nhận ảnh vào mùa mưa (năm 1989) và mùa khô (2007) 75
Hình 3.11:Lát cắt lòng sông cổ qua sản phẩm phân tích ảnh mùa khô năm 2007 (tuyến
A – A’) 75
Hình 3.12:Lát cắt lòng sông cổ qua sản phẩm phân tích ảnh mùa mưa năm 1989 (tuyến
B – B’) 75
Hình 3.13: Bản đồ hành chính Hà Nội năm 1980 và năm 1991 77
Hình 3.14: Bản đồ hành chính Hà Nội năm 2010 77

Hình 3.15:Sơ đồ các đối tượng có độ ẩm cao được lọc những ảnh hưởng của mây,
bóng mây và bóng núi 80
Hình 3.16:Sơ đồ các đối tượng dải trũng, lòng hồ so sánh với bản đồ ngập năm 2008 81
Hình 3.17:Sơ đồ các đối tượng dải trũng, lòng hồ được lọc qua yếu tố địa mạo 82
Hình 3.18:Sơ đồ các bước xử lý, tích hợp các lớp thông tin, bóc tách lòng sông cổ 83
Hình 3.19: Nhận biết các lòng sông cổ dựa trên sự phân bố các hồ sót, dải trũng kéo
viii


dài với lớp than bùn (ví dụ tại khu vực xã Mễ Trì) 85
Hình 3.20: Lòng sông cổ không bị ngập nước tại phía tây bắc Canh 85
Hình 3.21: Nhận biết các lòng sông cổ dựa trên sự phân bố các gờ cao ven lòng là các
dải sáng màu chạy dọc các dải trũng và hồ móng ngựa (tại khu vực cửa sông Đáy (a)
và phía nam Quốc Oai (b)) 86
Hình 3.22: Các thửa ruộng được phân bố uốn khúc đúng theo hướng chảy của sông
Hồng thuộc phía tây sông Nhuệ 87
Hình 3.23: Ảnh Landsat năm 1989 khu vực phía nam sông Đáy thể hiện rõ sự phân bố
các thửa ruộng phân bố theo tính chất uốn khúc lòng sông 88
Hình 3.24: Sơ đồ các đối tượng dải trũng, lòng hồ được lọc qua các yếu tố nhân sinh 89
Hình 3.25: Bản đồ địa mạo và ảnh Landsat khu vực huyện Hoài Đức, Đan Phượng, Từ
Liêm 90
Hình 3.26: Mặt cắt địa chất đệ tứ theo tuyến khoan từ Nhổn đến Đông Anh 91
Hình 3.27: Nhận biết lòng sông cổ dựa trên yếu tố trầm tích (a) Bản đồ địa hình khu
vực Nhân Chính; (b) Mặt cắt trầm tích tại điểm có lỗ khoan LK; (c) Ảnh khu vực có
mặt cắt là lớp cát sạn tướng lòng sông 91
Hình 3.28: Tầng trầm tích sét than tại hồ Đống Đa và dấu vết cây đang hoá than 91
Hình 3.29: Bản đồ hệ thống lòng sông cổ khu vực thành phố Hà Nội 94
Hình 3.30: Hệ thống máng xói tại khu vực Đông Anh, Hà Nội 95
Hình 3.31: Hệ thống lòng sông cổ khu vực phía tây thành phố Hà Nội 96
Hình 3.32: Địa hình trũng thấp tại khu vực huyện Chương Mỹ, Hà Nội 99

Hình 3.33: Di tích chùa Trăm Gian tại khu vực núi tuổi Triat thuộc hệ tầng Viên Nam 99
Hình 3.34: Các công trình xây dựng ngay trên các lòng sông cổ tại xã Quốc Oai 102
Hình 3.35:Sụt lún các công trình xây dựng trên lòng sông cổ tại xã Quốc Oai (12/2008) 102
Hình 3.36: Các vị trí ngập sâu nhất hầu hết đều trùng với những nơi có lòng sông cổ 102

ix



DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Ứng dụng chính của các kênh phổ của Landsat ETM 10
Bảng 1.2: Phân loại các kiểu lòng sông aluvi trên cơ sở tải lượng trầm tích 22
Bảng 2.1: Đặc trưng nhiệt độ và lượng mưa bình quân của Hà Nội 59
Bảng 2.2: Đặc trưng hình thái một số sông chính của hệ thống sông Hồng 61
Bảng 3.1: Các loạt ảnh được sử dụng trong phân tích khu vực Hà Nội 65
Bảng 3.2: Kết hợp các kênh ảnh làm tăng sự phân biệt của các đối tượng có độ ẩm cao
với các đối tượng khác 71
Bảng 3.3: Mối quan hệ giữa những vùng sụt lún mạnh với lòng sông cổ 101




1

MỞ ĐẦU
Sông Đáy, sông Nhuệ là những dòng sông có vai trò hết sức quan trọng đối với
thủ đô Hà Nội. Ngoài chức năng thoát lũ hiện nay, chúng sẽ phải “gánh vác” những
trọng trách mới cho sự phát triển phồn thịnh của thủ đô trong tương lai, trở thành
những trục cảnh quan, hành lang xanh, điều hoà không khí và môi trường của thủ đô
Hà Nội, hay tạo cảnh quan môi trường cho các đô thị sinh thái bên sông v.v. Chính

bởi vậy, sự hiểu biết về những con sông này, đặc biệt về sự hình thành và phát triển
của chúng trong quá khứ cũng như hiện nay là hết sức cấp thiết.
Quá trình hình thành và phát triển của sông Đáy, sông Nhuệ đã diễn ra từ hàng
nghìn năm. Trong suốt quá trình phát triển, chúng đã tạo nên các đới biến động rộng
lớn, đồng thời cũng để lại những dấu ấn của mình trên địa hình như hồ móng ngựa, dải
trũng hay các gờ cao ven lòng với những đặc trưng riêng về hình dạng, kích thước. Các
dấu vết này, một phần còn tồn tại cho đến ngày nay, còn phần lớn đã bị các hoạt động
phát triển kinh tế, đặc biệt là quá trình đô thị hoá, không còn nhận ra được nữa hay biến
mất trên thực địa. Điều đáng quan tâm là, gắn liền với những dấu vết đó còn tiềm ẩn
những vấn đề liên quan tới các tầng đất yếu hay các trục thoát lũ trên vùng đồng
bằng…, có ảnh hưởng trực tiếp và quan trọng đến quá trình quy hoạch và phát triển đô
thị. Sự thiếu hiểu biết cũng như các hoạt động quy hoạch không phù hợp với sự phân
bố của các lòng sông cổ, cũng như đới biến động của chúng, có thể dẫn tới những hậu
quả đáng tiếc, như sụt lún nền móng công trình, gây ngập úng cục bộ…
Nhiều công trình nghiên cứu đề cập tới hệ thống sông ở Hà Nội đã được công
bố, nhưng cho đến nay chưa có nhiều đề tài chuyên sâu nghiên cứu, xác lập lại hệ
thống lòng cổ và đới hoạt động của hai con sông này. Nhận thức được tầm quan trọng
của vấn đề, học viên đã lựa chọn đề tài: “Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong
nghiên cứu tái hiện hệ thống lòng cổ sông Đáy, sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố
Hà Nội” làm luận văn thạc sĩ của mình.

2

Mục tiêu của đề tài
Tái hiện được hệ thống lòng cổ của sông Đáy, sông Nhuệ đoạn chảy qua thành
phố Hà Nội, góp phần giảm nhẹ các thiệt hại do những tai biến thiên nhiên liên quan
với biến động lòng sông (ngập úng, sụt lún đất, ) gây ra trên cơ sở ứng dụng công nghệ
viễn thám và hệ thông tin địa lý.
Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu của đề tài
Để đạt được mục tiêu trên, báo cáo giải quyết các nhiệm vụ và nội dung nghiên

cứu sau:
- Thu thập và tổng hợp tài liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội liên quan
đến khu vực nghiên cứu;
- Tổng quan cơ sở lý luận và thực tiễn của việc ứng dụng công nghệ viễn thám
và GIS trong nghiên cứu biến động lòng sông;
- Phân tích các nhân tố ảnh hưởng tới biến động lòng sông;
- Phân tích dấu hiệu nhận biết các lòng sông cổ trên ảnh vệ tinh;
- Xác lập (tái hiện) hệ thống lòng sông cổ trên cơ sở tích hợp thông tin địa chất,
địa mạo với sự hỗ trợ của công nghệ viễn thám và GIS;
- Đề xuất một số giải pháp phòng tránh, giảm thiểu tai biến thiên nhiên liên quan
tới các lòng cổ và sự biến động lòng sông khu vực thành phố Hà Nội.
Phạm vi nghiên cứu
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài tài là khu vực nằm trong phạm vi thành phố Hà
Nội (hình 1), tập trung vào các khu vực xuất hiện hệ thống lòng cổ sông Đáy và sông
Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội (tập trung phân tích cho khu vực phía nam sông
Hồng)
- Phạm vi khoa học: Nghiên cứu biến động lòng sông Đáy - sông Nhuệ từ sau
biển tiến Flandrian đến hiện đại (từ Holocen muộn đến nay).
- Khả năng ứng dụng trong thực tiễn: Trên cơ sở nghiên cứu, tái hiện hệ thống
lòng sông cổ khu vực thành phố Hà Nội, học viên phân tích và xác lập các mối liên hệ
3

giữa lòng sông cổ với các tai biến thiên nhiên như ngập lụt; độ ổn định của nền móng
công trình kém, làm cơ sở tài liệu quan trọng cho công tác quy hoạch, phát triển đô thị
trong tương lai.

Hình 1: Khu vực nghiên cứu


4

CHƢƠNG 1: CƠ SỞ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM – GIS
TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỔILÒNG SÔNG
1.1. Cơ sở viễn thám – GIS trong nghiên cứu địa lý
1.1.1. Cơ sở công nghệ viễn thám - GIS
Viễn thám (Remote sensing) được định nghĩa bằng nhiều cách khác nhau, nhưng
nói chung đều thống nhất là khoa học và công nghệ thu thập thông tin của vật thể mà
không tiếp xúc trực tiếp với vật thể đó. Định nghĩa sau đây có thể coi là tiêu biểu:
“Viễn thám là khoa học và công nghệ mà theo đó các đặc tính đối tượng quan tâm được
nhận diện, đo đạc, phân tích các tính chất mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối
tượng”. Đối tượng trong định nghĩa này có thể hiểu là một đối tượng cụ thể, một vùng
hay một hiện tượng.
Viễn thám điện từ là khoa học và công nghệ sử dụng sóng điện từ để chuyển tải
thông tin từ vật cần nghiên cứu tới thiết bị thu nhận thông tin cũng như công nghệ xử
lý để các thông tin thu nhận có ý nghĩa.
Các thiết bị dùng để thu nhận sóng điện từ bộ cảm được gọi là vật mang
(platform). Máy bay và vệ tinh là những vật mang thông dụng trong kỹ thuật viễn
thám.

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý thu nhận hình ảnh của viễn thám
5

Tín hiệu điện từ thu nhận từ đối tượng nghiên cứu mang theo thông tin về đối
tượng. Các thiết bị viễn thám thu nhận xử lý các thông tin nàytừ thông tin phổ, tiếp tục
tiến hành nhận biết, xác định được các đối tượng. [35]
1.1.2. Cơ sở phân tích, nhận dạng đối tượng trên ảnh viễn thám
Thông tin trên ảnh viễn thám có được về các đối tượng nhờ vào quá trình “chụp
ảnh” vệ tinh mà thực chất là quá trình thu nhận năng lượng sóng điện từ phản xạ hoặc
phát xạ từ vật thể. Thông tin có được về đối tượng trong quá trình này chính là nhờ sự
khác biệt của phản ứng với sóng điện từ của các đối tượng khác nhau (phản xạ, hấp thụ

hay phân tách sóng điện từ).
Năng lượng sóng phản xạ từ đối tượng bao gồm hai phần:
- Năng lượng phản xạ trực tiếp từ bề mặt đối tượng
- Năng lượng tán xạ bởi cấu trúc bề mặt đối tượng.
Năng lượng phản xạ trực tiếp không phụ thuộc vào bản chất của đối tượng mà
chỉ phụ thuộc vào đặc tính bề mặt: độ gồ ghề, hướng, của đối tượng.
Năng lượng tán xạ là kết quả của một quá trình tương tác giữa bức xạ với bề dày
của đối tượng mà bức xạ đó có khả năng xuyên tới. Năng lượng này phụ thuộc vào cấu
trúc, bản chất và trạng thái của đối tượng. Đây là nguồn năng lượng mang thông tin
giúp ta có thể nhận biết được các đối tượng và trạng thái của chúng.
Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ bằng
các cách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ. Phổ
phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu được về các đối tượng. Đối với
mỗi vật trong tự nhiên có đặc tính phản xạ phổ điện từ khác nhau trên các bước sóng
khác nhau. Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ có thể phân tích, so sánh và nhận diện các
đối tượng trên bề mặt. Các đối tượng chủ yếu trên mặt đất bao gồm: lớp phủ thực vật,
nước, đất hay cát, đá công trình xây dựng. Mỗi loại này có phản xạ khác nhau với sóng
điện từ tại các bước sóng khác nhau.
6


Hình 1.2. Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên chính
Đây là hình biểu diễn đường cong phản xạ phổ của các loại lớp phủ mặt đất
(thực vật, đất và nước), chúng có tính chất khái quát việc phản xạ phổ của ba loại lớp
phủ chủ yếu. Trên thực tế, các loại thực vật, đất và nước khác nhau sẽ có các đường
cong phản xạ phổ khác nhau. Sự khác nhau này chủ yếu được thể hiện ở độ lớn của
phần trăm phản xạ, song hình dạng tương đối của đường cong ít khi có sự thay đổi.
Thực vật: phản xạ phổ cao nhất ở bước sóng màu lục (0.5-0.6
μm
) (tương ứng với

dải sóng màu lục-Green) trong vùng nhìn thấy và có màu xanh lục. Khi diệp lục tố
giảm đi, thực vật chuyển sang khả năng phản xạ ánh sáng màu đỏ trội hơn, dẫn đến lá
cây có màu vàng (do tổ hợp màu Green và Red) hoặc màu đỏ hẳn. Các đặc trưng phản
xạ phổ của thực vật nổi bật nhất ở vùng hồng ngoại gần (0,7-1.4
μm
), là vùng bước sóng
mà thực vật có phản xạ cao nhất. Mức độ phản xạ của thực vật phụ thuộc vào rất nhiều
yếu tố khác nhau, có thể kể đến là lượng chlorophyll (diệp lục), độ dày tán lá và cấu
trúc tán lá.
Nước: có phản xạ chủ yếu nằm trong vùng nhìn thấy (0.4-0.7
μm
) và phản xạ mạnh
ở dải sóng lam (0.4-0.5
μm
) và lục (0.5-0.6
μm
). Giá trị phản xạ của một đối tượng nước
phụ thuộc chủ yếu vào độ đục của nó. Nước trong có giá trị phản xạ rất khác nước đục,
nước càng đục có độ phản xạ càng cao.




7


Hình 1.3. Đồ thị phản xạ phổ của một số loại nước
Ðất: có phần trăm phản xạ tăng dần theo chiều tăng của chiều dài bước sóng.
Phần trăm phản xạ của đất chủ yếu phụ thuộc vào độ ẩm và màu của đất. Đất khô,
đường cong phổ phản xạ của đất khô tương đối đơn giản, ít có những cực đại và cực

tiểu một cách rõ ràng, lý do chính là các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất phổ của đất
khá phức tạp và không rõ ràng như ở thực vật. Tuy nhiên quy luật chung là giá trị phổ
phản xạ của đất tăng dần về phía sóng có bước sóng dài. Các cực trị hấp thụ phổ do hơi
nước cũng diễn ra ở vùng 1.4; 1.9 và 2.7μm.









Hình 1.4. Phản xạ phổ của một số loại đất
8

Cùng với các đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên cơ bản, Root và
Mille vào năm 1971 nghiên cứu và đưa ra các đặc trưng phản xạ phổ của một số đối
tượng chính trong đô thị như bê tông, ván lợp, nhựa đường và đất trống. Các đặc trưng
này là thông tin quan trọng giúp quá trình giải đoán các đối tượng đô thị.

Hình 1.5. Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng trong đô thị
(Nguồn: “Root và Mille 1971”)
Phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu được về các đối
tượng. Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ (cường độ, dạng đường cong ở các dải sóng
khác nhau) có thể phân tích, so sánh và nhận diện các đối tượng trên bề mặt. Thông tin
về phổ là thông tin đầu tiên, là tiền đề cho các phương pháp phân tích ảnh trong viễn
thám.
Các đối tượng khác nhau trong cùng một nhóm đối tượng sẽ có dạng đường
cong phổ phản xạ chung, tương đối giống nhau, song sẽ khác nhau về các chi tiết nhỏ

trên đường cong hoặc khác nhau về độ lớn giá trị cường độ phản xạ. Khi tính chất của
đối tượng thay đổi thì đường cong phổ phản xạ cũng bị biến đổi theo. Một loại sai biệt
nữa là sự sai biệt có tính chất cục bộ khi cấu trúc của đối tượng khác nhau trong không
gian (ví dụ lúa được cấy và lúa được sạ), hoặc cấu trúc đó khác nhau theo hướng của
nguồn sáng (ví dụ các dãy cây trồng hướng Bắc Nam sẽ có ảnh khác với cũng các dãy
đó được trồng hướng Đông – Tây).
9

Các thông số quan trọng nhất đặc trưng cho khả năng thông tin cung cấp của
một ảnh vệ tinh là độ phân giải của nó. Có ba loại độ phân giải: độ phân giải không
gian, độ phân giải phổ và độ phân giải thời gian.
Độ phân giải không gian.
Độ phân giải không gian của một ảnh vệ tinh, do đặc tính của đầu thu, phụ thuộc
vào hai thông số FOV (Field of view-trường/góc nhìn) và IFOV (instantaneous field of
view - trường/góc nhìn tức thì) được thiết kế sẵn. Thông số FOV cho ta thấy được
phạm vi không gian mà đầu thu có thể thu nhận được sóng điện từ từ đối tượng. Rõ
ràng là với góc nhìn càng lớn (FOV càng lớn) thì ảnh thu được càng rộng, và với cùng
một góc nhìn, vệ tinh nào có độ cao lớn hơn sẽ có khoảng thu ảnh lớn hơn. Còn với
IFOV của đầu thu đặc trưng cho phạm vi không gian. Tổng hợp giá trị bức xạ của các
đối tượng trong một góc IFOV được thu nhận cùng một lúc và mang một giá trị, được
ghi nhận như một điểm ảnh. Trong ảnh số, một điểm ảnh được gọi là một pixel và giá
trị kích thước pixel đặc trưng cho khả năng phân giải không gian của ảnh. Góc IFOV
càng nhỏ thì khả năng phân biệt các đối tượng trong không gian càng lớn, nghĩa là giá
trị pixel càng nhỏ và phạm vi “chụp” ảnh càng hẹp.
Ý nghĩa quan trọng nhất của độ phân giải không gian là cho ta biết các đối
tượng nhỏ nhất mà có thể phân biệt được trên ảnh.
Độ phân giải phổ.
Không phải toàn bộ giải sóng điện từ được sử dụng trong việc thu nhận ảnh viễn
thám. Tuỳ thuộc vào mục đích thu thập thông tin, mỗi loại đầu thu được thiết kế để có
thể thu nhận sóng điện từ trong một số khoảng bước sóng nhất định. Độ rộng hẹp của

khoảng bước sóng này là độ phân giải phổ của ảnh, khoảng bước sóng càng hẹp thì tính
chất phản xạ phổ của đối tượng càng đồng nhất. Các khoảng bước sóng này được gọi là
các kênh ảnh.
Bức xạ phổ (bao gồm cả phản xạ, tán xạ và bức xạ riêng) của một đối tượng thay
đổi theo bước sóng điện từ. Như vậy, ảnh chụp đối tượng trên các kênh khác nhau sẽ
khác nhau và điều này có nghĩa là ảnh được thu trên càng nhiều kênh thì càng có nhiều
10

thông tin về đối tượng được thu thập. Số lượng kênh ảnh được gọi là độ phân giải phổ.
Độ phân giải phổ càng cao (càng nhiều kênh ảnh) thì thông tin thu thập từ đối tượng
càng nhiều và giá thành càng lớn. Thông thường, các vệ tinh đa phổ thường có số kênh
ảnh từ khoảng 3 đến 10 kênh. Hiện nay, trong viễn thám đa phổ, các loại vệ tinh viễn
thám có khả năng thu được rất nhiều kênh ảnh (trên 30 kênh) gọi là các vệ tinh siêu phổ
(hyperspectral satellite) đang được phát triển.
Độ phân giải thời gian.
Vệ tinh viễn thám chuyển động trên quĩ đạo và chụp ảnh khu vực theo một chu
kì. Khoảng thời gian lặp giữa các lần chụp được gọi là độ phân giải thời gian của vệ tinh,
khoảng thời gian này càng nhỏ thì thông tin thu thập (hay ảnh chụp) càng nhiều. [35]
Tóm lại, thông tin trên ảnh viễn thám quang học là phản xạ phổ của các đối
tượng trên mặt đất, bao gồm lớp phủ thực vật, nước và đất trống được ghi nhận thành
từng pixel ảnh có độ phân giải không gian xác định, trên nhiều kênh phổ xác định và
vào một thời gian xác định.
1.1.3. Lựa chọn tư liệu ảnh viễn thám
Khả năng nhận biết đối tượng trên ảnh vệ tinh phụ thuộc vào độ phân giải không
gian của ảnh. Ta có thể chia ra thành 4 mức dữ liệu ảnh viễn thám bao gồm: dữ liệu có
độ phân giải thấp như ảnh NOAA…, dữ liệu có độ phân giải trung bình như ảnh
Landsat MSS (80m)…, dữ liệu có độ phân giải cao như Landsat TM (30m, 15m),
SPOT (20m, 10m), Aster (15m) và ảnh có độ phân giải siêu cao như IKONOS (1-5m),
ảnh Quickbird (0,6m). Đối với ảnh Landsat MSS thì ảnh ETM có độ phân giải không
gian cao hơn, độ phân giải phổ cũng cao hơn (ảnh Landsat ETM có 7 kênh phổ, còn

ảnh Landsat MSS có 4 kênh phổ).
Bảng 1.1. Ứng dụng chính của các kênh phổ của Landsat ETM
Kênh
Bước sóng (µm)
Vị trí kênh phổ
Các ứng dụng chính
1
0.45-0.52
Lam
- Có ích đối với lập bản đồ đường bờ
vì kênh này có khả năng cho phản xạ
khác nhau rất rõ đối tượng nước với
11

đất
- Có khả năng phân biệt rõ đất- thực
vật nên thuận tiện thành lập bản đồ
kiểu rừng và các đối tượng văn hóa
2
0.52-0.6
Lục
- Dải sóng này thiết kế nhằm đo giá trị
phản xạ cao nhất của ánh sáng màu
lục, do đó rất có ích cho việc phân biệt
và đánh giá sức khỏe của thực vật
3
0.63-0.69
Đỏ
- Nhận biết vùng hấp thụ ánh sáng của
diệp lục, nhằm phân biệt các loài cây

4
0.76-0.9
Cận hồng
ngoại
- Là vùng thực vật có phản xạ cao
nhất, có tác dụng xác định sức khỏe,
các kiểu và sinh khối của cây
5
1.55-1.75
Hồng ngoại
giữa
- Cho biết chỉ thị độ ẩm của thực vật,
độ ẩm của đất, và có thể dựa vào đó
phân biệt vùng tuyết và mây.
6
10.4-12.5
Hồng ngoại
nhiệt
- Phân biệt độ ẩm của đất, thành lập
bản đồ nhiệt
7
2.8-2.35
Hồng ngoại
giữa
- Có khả năng phân biệt các loại
khoáng vật, đá, nhậy cảm với độ ẩm
thực vật
1.1.4. Chiết xuất thông tin bằng tiếp cận đa quy mô
Để chiết xuất thông tin từ ảnh viễn thám, có nhiều cách tiếp cận khác nhau, có
thể chia ra làm hai cách chính là giải đoán ảnh bằng mắt thường và xử lý ảnh số.

a. Giải đoán bằng mắt thường
Giải đoán bằng mắt thường là phương pháp khoanh định các vật thể cũng như
xác định trạng thái của chúng nhờ phân biệt các đặc tính yếu tố ảnh (độ sáng, kiến trúc,
kiểu mẫu, hình dạng, kích thước, bóng, vị trí, màu) và các yếu tố địa kỹ thuật. Cơ sở để
giải đoán bằng mắt là các chuẩn giải đoán và khóa giải đoán. Phương pháp này có thể
khai thác các tri thức chuyên gia và kinh nghiệm của người giải đoán, đồng thời phân
12

tích được các thông tin phân bố không gian một cách dễ dàng. Kết quả giải đoán phụ
thuộc rất nhiều vào khả năng của người phân tích. Tất nhiên, hạn chế của giải đoán
bằng mắt là không nhận biết được hết các đặc tính phổ của đối tượng, nguyên nhân do
khả năng phân biệt sự khác biệt về phổ của mắt người hạn chế (12-14 mức).
Như vậy, trong giải đoán bằng mắt phải nắm bắt và phân biệt được các dấu hiệu
giải đoán, công việc đó đòi hỏi người giải đoán phải có kiến thức chuyên môn vững để
có thể kết hợp tốt các kiến thức trong quá trình giải đoán ảnh và chỉ có vậy mới có thể
đưa ra kết quả chính xác.
b. Phương pháp xử lý ảnh số
Xử lý ảnh số là phương pháp phân tích tư liệu viễn thám dạng hình ảnh số. Ưu
thế của phương pháp xử lý số là có thể phân tích được tín hiệu phổ rất chi tiết (256
mức hoặc hơn). Với sự trợ giúp của máy tính và các phần mềm chuyên dụng, có thể
tách chiết rất nhiều thông tin phổ của đối tượng, từ đó có thể nhận biết các đối tượng
một cách tự động. Tất nhiên, quá trình xử lý số cần có sự kết hợp nhuần nhuyễn với
kiến thức chuyên môn của người phân tích, hoặc người lập trình các chương trình tính
toán. Ưu điểm nổi bật là thời gian xử lý ngắn, việc phân loại đối tượng được tiến hành
nhanh chóng trên phạm vi rộng mà không cần nhiều công đi thực địa, công việc thực
hiện hoàn toàn dựa vào cấp độ xám của pixel nên kết quả thu được khách quan không
phụ thuộc chủ quan của người giải đoán. Nhược điểm cơ bản của phương pháp xử lý số
là không tận dụng được tri thức và kinh nghiệm của con người. Đồng thời do xử lý số
chỉ thuần túy dựa vào đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng nên còn có sự nhầm lẫn
cho việc phân tích thông tin của một số đối tượng. Do vậy, phương pháp này cần có sự

bổ sung, kiểm chứng dữ liệu bằng GIS và thực tế ngoài thực địa.
1.2. Tổng quan về biến đổi lòng sông
1.2.1. Khái quát chung về hoạt động địa mạo dòng chảy và biến đổi lòng sông
Hoạt động địa mạo dòng chảy rất không ổn định trong không gian và thời gian
và bao giờ cũng đồng thời tồn tại hai quá trình đối ngược nhau là quá trình xâm thực và
tích tụ. Hai quá trình này đều đồng thời tồn tại trong hoạt động của cùng một dòng
13

sông, thậm chí ngay trong cùng một mặt cắt ngang của nó, như người ta thường nói
“con sông bên lở (xâm thực ngang), bên bồi (tích tụ)”. Tuy vậy, vẫn có thể phân biệt
trong trắc diện dọc của nó những đoạn mà tại đó một trong hai quá trình này chiếm ưu
thế. Lý thuyết về hoạt động địa mạo dòng chảy đã được đề cập khá đầy đủ trong giáo
trình Địa mạo đại cương của GS. Đào Đình Bắc và một số tác giả khác [6]. Dưới đây là
những nét cơ bản nhất về hoạt động này.
Hoạt động xâm thực và tích tụ của dòng chảy được thực hiện do chúng có động
năng hay còn gọi là hoạt lực, được tính bằng công thức:
F=mv
2
/2
F: là động năng của dòng nước; m: khối lượng nước; v: tốc độ dòng chảy.
Hoạt lực của dòng nước biến đổi liên tục trong không gian và thời gian do khối
lượng nước tham gia dòng chảy (m) luôn thay đổi, tốc độ đáy dòng, độ sâu dòng và tốc
độ của dòng cũng thay đổi trong mặt cắt dọc và mặt cắt ngang của nó. Mặt khác khối
lượng dòng rắn cũng thay đổi liên tục do nhiều nguyên nhân khác nhau. Tất cả những
sự không ổn định đó trong từng thông số của dòng chảy chính là nguyên nhân khiến
cho có sự xen kẽ giữa hoạt động xâm thực với bồi tụ ngay trong cùng một mặt cắt
ngang của dòng chảy.
Một trong hai quá trình xâm thực hay tích tụ sẽ xảy ra là tùy thuộc vào tương
quan giữa động năng của dòng chảy (khả năng vận tải) và khối lượng dòng rắn. Mặt khác,
cả hai quá trình xâm thực và tích tụ đều luôn luôn đồng thời xảy ra tại mỗi khúc sông.

Nguyên nhân là do bản thân dòng sông không phải là một dòng chảy đồng nhất: bên
cạnh chuyển động tiến là chủ yếu còn có sự vận động của nước theo chiều ngang từ bờ
này sang bờ kia, nghĩa là dòng sông là một dòng chảy rối. Trong lát cắt ngang của dòng
sông, tốc độ phân bố không đồng đều: dòng nước chảy mạnh nhất tại vị trí đường trục.
Tại mỗi khúc uốn, đường trục nằm ép về phía bờ lõm. Ở đây đồng thời với dòng chảy
tiến còn có dòng nước đi xuống khá mạnh, gây tác dụng bào mòn bờ và đáy. Dưới đáy,
dòng đi xuống đó tiếp tục vận chuyển về phía bờ lồi đối diện, đồng thời vẫn tiếp tục nằm
trong dòng chảy tiến chung. Sau khi đạt tới bờ lồi đối diện nó chảy ngược lên mặt nước
14

rồi lại theo bề mặt dòng chảy tiến về bờ bên kia (bờ lõm). Cả trong trường hợp này nữa
nó cũng vẫn liên tục nằm trong dòng tiến chung. Kết quả là khi chảy dưới đáy cũng
như trên bề mặt, dòng ngang đều chịu ảnh hưởng của dòng tiến nên khi chuyển động
từ bờ này sang bờ bên kia nó cũng đã chuyển động được một đoạn xuôi dòng. Vì vậy
mà dòng nước có dạng dòng chảy kiểu xoắn thừng.
Trong phạm vi từng khúc uốn, lòng sông có trắc diện ngang không đối xứng: bờ
lõm bị xâm thực mạnh nên sâu và dốc hơn, bờ lồi được bồi đắp nên thoải hơn. Tại bờ
lõm, dòng sông chảy xiết hơn, do đó mà hiện tượng xâm thực bờ và xâm thực đáy ở
đây đều xảy ra mạnh. Ngược lại, ở phía bờ đối diện - bờ lồi - tốc độ dòng chảy yếu hơn
nên xảy ra quá trình tích tụ. Mặt khác, tác dụng của dòng hoàn lưu ngang ở đây có thể
thấy rất rõ ràng: ở phía bờ lõm nó đi xuống, tăng cường thêm sự xâm thực bờ và đáy,
rồi vận động trên mặt đáy sang phía bờ lồi đối diện, đồng thời cuốn theo những sản
phẩm vừa xâm thực đó để bồi đắp cho bờ lồi (dòng đi lên). Kết quả là bờ lõm ngày
càng bị khoét sâu, giật lùi lại, còn bờ lồi ngày càng được bồi đắp, tiến vào lòng sông.
Sự chuyển dịch theo chiều ngang như vậy của lòng sông xảy ra đặc biệt mạnh
mẽ và chủ yếu vào thời kì nước lũ, tức là quá trình này mang tính chất đột biến. Bờ lồi
do đó cũng được bồi đắp và tiến vào lòng sông một cách đột biến - mỗi trận lũ hay mùa
lũ lại bồi đắp thêm, khiến cho bờ lồi tiến vào lòng sông một đoạn nhỏ. Kết quả là tạo ra
bãi cạn ven lòng sông với nhiều bậc nhỏ được bao phủ bằng một lớp phù sa mỏng, hình
thành một bề mặt bậc thang nghiêng mà tác giả E. Chaput gọi là bậc thềm đa sinh.

Do đặc điểm cấu trúc địa chất, hình thái địa hình và đặc điểm của dòng chảy
lỏng, ngay từ lúc mới hình thành, các dòng sông đã rất quanh co, có nhiều khúc uốn.
Đó là những khúc uốn nguyên thủy hay còn gọi là khúc uốn sơn văn. Như vậy, tính chất
quanh co, uốn khúc là một đặc điểm tất yếu của bất kì dòng sông nào. Trong quá trình
tiến hóa tiếp sau đó, các khúc uốn nguyên thủy được dòng sông gia công và làm biến
dạng liên tục để tạo ra những khúc uốn thứ sinh theo những quy luật nhất định. Các
khúc uốn thứ sinh nằm kẹp giữa hai cửa sông phụ lưu liên tiếp nhau có dạng những
cánh cung trơn tru, với độ cong và kích thước tương đồng nhau, lặp đi lặp lại một cách
15

chu kì. Sự thành tạo hệ thống những khúc uốn thứ sinh như vậy cũng là một quy luật
tất yếu trong quá trình phát triển lòng sông. Quá trình xê dịch khúc uốn theo chiều nằm
ngang xảy ra mạnh mẽ và có ý nghĩa hình thái rất to lớn đối với thung lũng sông. Xu
hướng chuyển dịch khúc uốn như vậy đặc trưng cho mọi dòng chảy mà không bị rằng
buộc bởi tính chất của nham thạch cấu thành sườn. Điều khác nhau chỉ là ở tốc độ của
quá trình: nếu bờ dốc đứng và đất đá cứng chắc hoặc khả năng thoát nước theo các
khe rãnh diễn ra mạnh thì quá trình này sẽ diễn ra chậm hơn so với những trường
hợp khác. Hiện tượng dòng sông uốn khúc, sự phát triển của hệ thống các khúc uốn
thứ sinh đóng vai trò quyết định trong việc thành tạo các bãi bồi phù sa rộng lớn.
Biến động lòng sông ở vùng đồng bằng
Sự hình thành và biến đổi lòng sông gắn liền với sự phát triển của đồng bằng bãi
bồi ở vùng đồng bằng. gắn liền với quá trình thành tạo những dạng địa hình đặc trưng
nơi đây, như các đê cát tự nhiên, lòng sông cổ hay những bãi bồi rộng lớn,… Mỗi đối
tượng địa hình này đều có những đặc trưng riêng giúp chúng ta có thể nhận biết chúng
trên bề mặt đồng bằng. [9]
Đồng bằng bãi bồi (floodplain)
Đồng bằng bãi bồicó nguồn gốc phát sinh là đồng bằng tích tụ sông, hình thành
ở những bãi bồi sông phát triển mở rộng. Chúng thường phát triển trong đáy các thung
lũng có biểu hiện võng hạ tương đối hoặc tuyệt đối hoặc ở những nơi cắt nhau của các
đứt gãy kiến tạo. Lũ lụt liên quan mật thiết với sự hình thành đồng bằng này. Đồng

bằng bãi bồi được cấu tạo bởi trầm tích nguồn gốc sông là chủ yếu, ngoài ra còn có
một phần nhỏ là trầm tích do gió, hay trầm tích nguồn gốc sông – biển ở khu vực ven
bờ. Trên nền đồng bằng này, dòng sông uốn khúc và thành tạo các dạng địa hình đặc
trưng của nó (bãi bồi, hồ móng ngựa…) (Hình 1.6). Vào mùa lũ, nước sông tràn bờ,
tích tụ những vật liệu thô nhất ở ngay mép sông để hình thành các đê tự nhiên, càng về
phía xa bờ sông thì kích thước hạt càng nhỏ dần. Những dải đất nằm xa bờ sông ở chân
các bậc thềm thường là bãi lầy do chúng cấu tạo bởi bồi tích hạt mịn giàu hữu cơ, mực
nước ngầm cao và thực vật sình lầy.
16


Hình 1.6: Sơ đồ cấu tạo đồng bằng bãi bồi (a); đê thiên nhiên (b) [9]
Như vậy, đồng bằng bãi bồi (floodplain) thông thường được hiểu là vùng đất
nằm kề bên và bao chứa các con sông, chịu ảnh hưởng của lũ lụt theo định kỳ. Nhiều
tác giả không chuyên địa mạo còn gọi đồng bằng này là “đồng bằng lũ lụt”. Vật liệu
tạo nên nó chủ yếu là phù sa sông lắng đọng mỗi khi bị nước lũ tràn ngập.
Đối với các sông đồng bằng hạ lưu, do các đặc trưng về độ dốc dòng chảy, đặc
điểm cấu trúc kiến tạo và ảnh hưởng tương tác sông - biển, hình thái đồng bằng có
những nét riêng, đáng chú ý nhất ở đây là sự phân nhánh của dòng chảy (Hình 1.7).
Thung lũng sông vùng đồng bằng hạ lưu phần nhiều là có bãi bồi phát triển
hoàn thiện. Đặc điểm của dạng thung lũng này là 1. Bờ thung lũng rất thoải và đáy có
đường phân biệt rõ rệt; 2. Lòng sông không có những bậc thay đổi đột ngột, độ dốc
bình quân nhỏ; 3. Dòng sông chảy qua vùng đồng bằng đất bồi, do cấu tạo địa chất
không đồng nhất và điều kiện thuỷ lực thay đổi nên đã hình thành nhiều hình thức lòng
sông khác nhau.
Vertical accretion
deposits: Trầm tích
nhỏ dần theo chiều
thẳng đứng.
Bank: bờ.

Meander: khúc uốn
Oxbow: móng ngựa
Swale: miền đất thấp
Natural levee: đê thiên
nhiên
Back swamp: dải trũng
dưới chân sườn