PHÂN TÍCH BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG bờ KHU vực cà MAU BẰNG ẢNH LANDSAT

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI
270 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường

PHÂN TÍCH BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ KHU VỰC CÀ MAU
BẰNG ẢNH LANDSAT
Doãn Hà Phong, Trần Thục, Lê Phương Hà, Nguyễn Ngọc Anh
Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường

Mục đích của nghiên cứu này là phân tích biến động đường bờ biển bằng ảnh viễn
thám đa thời gian Landsat và Hệ thống phân tích đường bờ (DSAS) khu vực bờ biển Cà Mau.
Dữ liệu sử dụng là ảnh vệ tinh Landsat trong giai đoạn 1979-2012 để tách đường bờ biển. Hệ
thống phân tích đường bờ (DSAS) phiên bản 4.3 là một phần mềm mở rộng của ESRI
ArcGIS10 có thể sử dụng để tính toán tỷ lệ biến động đường bờ biển được thống kê từ một
trong những vị trí đường bờ lịch sử. Kết quả của nghiên cứu này chỉ ra rằng những thay đổi
như xói lở hay bồi tụ là nguyên nhân gây ra biến động đường bờ khu vực Cà Mau.

I. Mở đầu
Bảo vệ đường bờ và ổn định đường bờ là những nhiệm vụ trung tâm trong lĩnh
vực kỹ thuật bờ biển. Sự biến đổi bãi biển bị chi phối bởi các yếu tố gió, sóng dòng
chảy, mực nước, đặc trưng bùn cát và nguồn cung cấp. Để dự báo diễn biến bờ biển
gây ra bởi một quá trình phức tạp như vậy; rất cần một công cụ hữu ích. Sử dụng công
thức chỉ số thực vật - đất - nước để tách đường bờ và các tình trạng khác nhau của
rừng ngập mặn từ ảnh Landsat. Sau đó sử dụng công cụ phân tích biến động đường bờ
tự động DSAS (phiên bản 4.3), để tính toán tỷ lệ biến động đường bờ biển được thống
kê từ một trong những vị trí đường bờ lịch sử giữa các tư liệu viễn thám đa thời gian.
Bờ biển tỉnh Cà Mau
dài khoảng 297km được chia
thành hai đoạn, đoạn bờ đông
từ cửa sông Gành Hào đến
Xóm Mũi dài khoảng 122km

và đoạn bờ tây từ Xóm Mũi
đến rạch Tiểu Dừa huyện U
Minh dài khoảng 175km.
Phần lớn bờ đông có hướng
Đông bắc-Tây nam, đoạn từ
cửa sông Rạch Gốc đến Xóm
Mũi có hướng gần như Đông-
Tây. Bờ tây có hướng Bắc-
Nam, riêng đoạn bờ biển từ
Xóm Mũi đến nam cửa sông
Bảy Háp có hướng Đông bắc-
Tây nam. Thay đổi đường bờ
biển tỉnh Cà Mau đã được xác
định gồm xói lở, ổn định và
bồi tụ.

Hình 1: Khu vực nghiên cứu


Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 271

2. Dữ liệu và phương pháp nghiên cứu
2.1. Dữ liệu sử dụng
Dữ liệu ảnh LandSat gồm ảnh MSS 4 kênh đa sắc với độ phân giải 80m, ảnh
Landsat TM gồm 7 kênh đa sắc với độ phân giải 30m & 120m, ảnh ETM+ gồm 1 kênh
toàn sắc với độ phân giải 15m và 7 kênh đa sắc với độ phân giải 30m và 90m. Bộ dữ
liệu lưu trữ gồm những ảnh lịch sử… có thể dùng để nghiên cứu quá trình phát triển đô
thị, biến động môi trường, đường bờ.

2.2. Phương pháp nghiên cứu
Sau khi thu thập ảnh Landsat tại khu vực nghiên cứu Cà Mau như bảng 1, các
bước xử lý ảnh để chiết tách đường bờ được tiến hành. Vì nguồn ảnh thu thập đã được
nắn chỉnh hình học nên giai đoạn tiền xử lý ảnh được bỏ qua.
Landsat là vệ tinh quang học quan sát Trái đất theo 7 kênh phổ có phạm vi từ
dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt. Trên nguyên tắc, vệ tinh quang học chụp
được các đối tượng trên mặt đất bao gồm đất, nước và thực vật. Sở dĩ ảnh vệ tinh
quang học có thể phân biệt được các đối tượng nêu trên là do khả năng phản xạ ánh
sáng mặt trời của chúng khác nhau. Nghĩa là, trên các kênh ảnh khác nhau, một đối
tượng sẽ có các giá trị số (digital number) khác nhau. Sự khác biệt này là cơ sở để tiến
hành luận giải mắt thường và xử lý số với ảnh vệ tinh trong nghiên cứu.
Bảng 1. Dữ liệu được sử dụng trong nghiên cứu
TT
Ngày
Vệ tinh
Đầu thu
Tọa độ
1
1979
Landsat 3
MSS
UTM - Zone 49N - path 134-row 054
2
04/05/1989
Landsat 4
MSS
UTM - Zone 48N - path 126-row 054
3
18/03/1997
Landsat 5

TM
UTM - Zone 48N - path 126-row 054
4
03/03/2012
Landsat 7
ETM+
UTM - Zone 48N - path 126-row 054
Việc xử lý số được tiến hành trên ảnh vệ tinh Landsat các năm 1979,
1989,1997, 2012. Với mục tiêu chiết suất ranh giới nước và đất, tác giả đã sử dụng
phương pháp lọc Sobel Edge Detector trong phần mền IDRISI để lọc ảnh, loại bỏ
những tín hiệu nhiễu khi thu ảnh làm rõ đường bờ.


Hình 2: Ảnh gốc kênh 5 (1997)
Hình 3: Ảnh kênh 5 sau khi xử lý (1997)

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI
272 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường

Dựa trên tính chất vật lý của phổ ảnh vệ tinh viễn thám và công thức ảnh tỷ số
Kênh 5/Kênh 2 để phân ranh hai lớp đất và nước, công thức cải tiến được đề nghị áp
dụng kỹ thuật của Winarso G và các cộng sự [3]. Đối với Landsat TM và +ETM, Kênh
5 được thay thế bằng (Kênh 5+ Kênh 7) trong công thức ảnh tỷ số. Do đó, công thức
cải tiến cho Landsat TM và +ETM là (Kênh 5+ Kênh 7)/ Kênh 2. Đối với Landsat
MSS, công thức ảnh tỷ số cải tiến được thực hiện dựa trên tính chất ảnh tương đồng
cho từng kênh phổ. Vì thế, bỏ kết hợp với Kênh 7, thay thế cho Kênh 5, và Kênh 4
được thay thế cho Kênh 2. Do đó, công thức cải tiến cho Landsat MSS là (Kênh 6+
Kênh 7)/ Kênh 4 [2].
Kết quả khi đã phân lớp đất và nước, dữ liệu được chuyển từ dạng raster sang
vector và xuất ra đường mực nước.

Hình 4: Đường bờ khu vực Tây Cà Mau qua các thời kỳ
Sau khi chiết tách được đường bờ biển từ dữ liệu Landsat MSS, TM và ETM
phương pháp DSAS sẽ được sử dụng để tính toán tỷ lệ dịch chuyển và thay đổi đường
bờ. DSAS là phần mềm được tích hợp trên ArcGIS 10 để tính toán tỷ lệ thay đổi số
liệu thống kê từ nhiều vị trí bờ biển lịch sử. DSAS tạo ra các lát cắt vuông góc với
đường cơ sở với khoảng cách do người dùng tự định nghĩa dọc theo đường bờ. Các
giao điểm mặt cắt của đường bờ với đường cơ sở sẽ được sử dụng để tính toán các số
liệu thống kê tỷ lệ thay đổi một cách tự động
Xây dựng các đường cơ sở (baseline) (hình 5), là đường gốc để DSAS dựa vào
so sánh, tính toán sự thay đổi đường bờ theo thời gian. Đường cơ sở được xây dựng
với các đặc tính do người sử dụng quyết định và đóng vai trò như điểm bắt đầu cho tất
cả những đường cắt ngang (transect). Transect là những đường được DSAS vẽ lên theo
thuộc tính người sử dụng chọn lựa, các transect sẽ có điểm đầu xuất phát từ đường cơ
sở và cắt ngang qua tất cả các đường bờ cần tính toán. Giao điểm bởi transect và các
đường bờ sẽ tạo cơ sở cho DSAS tính toán thống kê các thông số thay đổi đường bờ
theo thời gian [1]

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 273


Hình 5: Xây dựng các đường cơ sở, transect và đường bờ các năm
để tính xói lở bồi tụ
3. Kết quả nghiên cứu
Trong nghiên cứu này, đường bờ được chiết xuất từ các ảnh Landsat các năm
1979, 1989, 1997, 2012. Tính toán thống kê trên công cụ DSAS cho phép tính toán
thống kê các chỉ số như: SCR (Shoreline Change Envelope), NSM (Net shoreline
Movement ), EPR (End Point Rate), LRR (Linear Regression Rate). Kết quả của quá

trình tính toán đưa ra tốc độ bồi tụ và xói lở theo thời gian, được thể hiện trên hình 6.

Hình 6: Bản đồ tốc độ bồi tụ và xói lở giai đoạn 1979- 1989- 1997- 2012

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI
274 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường

Sự biến đổi đường bờ do tác động của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo đã làm
thay đổi đáng kể cảnh quan ven biển khu vực Cà Mau trong giai đoạn 1979- 1989-
1997- 2012. Bên phía bờ Đông là khu vực chủ yếu xảy ra xói lở với tốc độ xói lở lớn
nhất (-66 đến -33 m/năm) tại Cửa Bồ Đề, Cửa Bầu Dừa, tốc độ xói lở nhỏ nhất (từ -18
đến 0 m/năm) tại khu vực Cửa Gành Hào.
Ngược với bờ Đông, bên phía bờ Tây tại mũi Cà Mau và vùng bờ biển giáp
vịnh Thái Lan xảy ra hiện tượng bồi tụ với tốc độ bồi tụ lớn nhất tại khu vực Đất Mũi
và Cửa Bảy Háp (+40- +89 m/năm) và nhỏ nhất tại Vàm sông Ông Đốc (0 đến +13
m/năm). Trong khi tốc độ xói lở chậm, nằm trong 2 khoảng -18 đến 0 m/năm và -33
đến -18 m/năm xen kẽ nhau dọc theo vùng bờ biển giáp vịnh Thái Lan. Trên các bãi
bồi, tuỳ theo thời gian hình thành khác nhau mà có mức độ che phủ của thực vật khác
nhau, chủ yếu là phát triển tự nhiên từ đất liền lấn dần theo sự hình thành của bãi. Phần
mũi Cà Mau thuộc vườn quốc gia là khu vực khoanh nuôi tái sinh bảo vệ rừng nghiêm
cấm mọi hình thức xâm hại.
IV. Kết luận
Đối với việc luận giải đường bờ, tại những vùng đới bờ có độ dốc nhỏ, khi áp
dụng phương pháp nhất thiết phải quy chiếu với mực nước triều. Trong khâu tính
ngưỡng cho chiết suất đường bờ từ ảnh Landsat, nên tính tới yếu tố không đồng nhất
của đặc điểm thực vật, phù sa, dòng ven bờ của khu vực tính toán. Các yếu tố này có
thể gây sai lệch đường bờ được chiết suất với đường bờ thực.
Hệ thống phân tích đường bờ (DSAS – The Digital Shoreline Analysis System)
là phần mở rộng của phần mềm Arcgis, hỗ trợ người dùng tính toán thống kê các
thông số thay đổi đường bờ theo chuỗi thời gian một cách tự động. Mặc dù gọi tên các

phần mềm tiện ích này được dựa trên ứng dụng cho vùng ven biển nhưng DSAS cũng
có thể dùng để tính tỷ lệ thay đổi với bất kỳ vấn đối tượng ranh giới nào được xác định
rõ ràng vị trí, thời điểm riêng biệt như đường bờ sông, ranh giới sử dụng đất.
Dù là loại tư liệu nào, phương pháp nghiên cứu truyền thống hay hiện đại thì
trong khu vực nghiên cứu từ năm 1979 đến nay vẫn tuân theo quy luật xói bên Đông
bồi bên Tây.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Phạm Thị Phương Thảo(1), Hồ Đình Duẩn(2), Đặng Văn Tỏ(3 (1) Viện Hải dương
học Nha Trang (2) Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (3) Trương Đại học
Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM. Trích rút đường mực nước từ ảnh Landsat
2. Thieler, E.R., Himmelstoss, E.A., Zichichi, J.L., and Ergul, Ayhan, 2009, Digital
Shoreline Analysis System (DSAS) version 4.0—An ArcGIS extension for
calculating shoreline change: U.S. Geological Survey Open-File Report 2008-
1278.
3. Winarso G., Budhiman S., 2001. The potential application of Remote sensing data
for coastal study. Proc. 22
nd
Asian Conference on Remote Sensing. Singapore.


Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 275

DIGITAL SHORELINE ANALYSIS IN CAMAU AREA USING
MULTIL- TEMPORAL LANDSAT IMAGES
Doan Ha Phong, Tran Thuc, Le Phuong Ha, Nguyen Ngoc Anh
Viet Nam Institute of Meteorology, Hydrology and Environment

This research focuses on the shoreline change rate analysis by automatic image
analysis techniques using multi-temporal Landsat images and Digital Shoreline Analysis
System (DSAS) along the coastal of Ca Mau. LANDSAT images acquired during 1975-2012
were used to produce historical shoreline vectors. The Digital Shoreline Analysis System
(DSAS) version 4.3 is a software extension to ESRI ArcGIS v.10 that enables users to
calculate shoreline rate-of-change statistics from multiple historic shoreline positions. The
results of this study present that coastline changes such as erosion and accretion have
caused the morphological changes on coasline in Ca Mau area.