Sử dụng tư liệu viễn thám để xây dựng bản đồ đánh giá thiệt hại do ảnh hưởng của lũ lụt tới hiện trạng lớp phủ ở phú yên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN THỊ MAI YÊN

SỬ DỤNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM ĐỂ XÂY DỰNG BẢN
ĐỒ ĐÁNH GIÁ THIỆT HẠI DO ẢNH HƯỞNG CỦA LŨ
LỤT TỚI HIỆN TRẠNG LỚP PHỦ Ở PHÚ YÊN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN THỊ MAI YÊN

SỬ DỤNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM ĐỂ XÂY DỰNG BẢN
ĐỒ ĐÁNH GIÁ THIỆT HẠI DO ẢNH HƯỞNG CỦA LŨ
LỤT TỚI HIỆN TRẠNG LỚP PHỦ Ở PHÚ YÊN

Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thống thông tin địa lý
Mã số: 60.44.76

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Trần Vân Anh

HÀ NỘI - 2011


1
LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam, đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên
cứu và thực nghiệm đưa ra trong luận văn là hoàn toàn trung thực, chưa được ai
cơng bố trong cơng trình nào.

Hà Nội, ngày 15 tháng 4 năm 2011
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Mai Yên


2

MỤC LỤC
MỤC LỤC..............................................................................................................2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT....................................................................5
DANH MỤC BẢNG BIỂU....................................................................................6
DANH MỤC BIỂU ĐỒ .........................................................................................7
DANH MỤC HÌNH VẼ.........................................................................................8
MỞ ĐẦU..............................................................................................................10
CHƯƠNG 1

VIỄN THÁM VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU

NGẬP LỤT ..........................................................................................................16

1.1. KHÁI QUÁT VỀ VIỄN THÁM ..................................................................16
1.1.1. Khái niệm về viễn thám .......................................................................16
1.1.2. Nguyên lý thu chụp thông tin viễn thám...............................................17
1.1.3. Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên .................................18
1.2. ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA ẢNH VỆ TINH ................................................20
1.2.1. Đặc tính cơ bản của ảnh quang học ......................................................20
1.2.2. Đặc tính cơ bản của ảnh radar ..............................................................21
1.2.3. Khả năng của ảnh vệ tinh trong nghiên cứu ngập lụt ............................23
CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN

THÁM THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐÁNH GIÁ THIỆT HẠI DO NGẬP LỤT ...27
2.1. CƠ SỞ KHOA HỌC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ NGẬP LỤT ..........................27
2.1.1. Khái niệm về bản đồ ngập lụt...............................................................27
2.1.2. Yêu cầu khi thành lập bản đồ ngập lụt..................................................27
2.1.3. Nguyên tắc thành lập bản đồ ngập lụt...................................................28
2.1.4. Nội dung và các phương pháp thể hiện nội dung bản đồ ngập lụt .........29
2.1.5. Các phương pháp thành lập bản đồ ngập lụt.........................................30
2.2. NHU CẦU THÀNH LẬP BẢN ĐỒ NGẬP LỤT.........................................32
2.3. PHƯƠNG PHÁP ƯỚC TÍNH THIỆT HẠI..................................................34
2.4. CÁC QUAN ĐIỂM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..........................34
2.4.1. Những quan điểm khoa học vận dụng trong nghiên cứu thành lập bản đồ
ngập lụt:.........................................................................................................34


3
2.4.2. Các phương pháp khoa học sử dụng trong nghiên cứu thành lập bản đồ
ngập lụt..........................................................................................................35
CHƯƠNG 3

XỬ LÝ ẢNH RADAR................................................................37

3.1. MỘT VÀI NÉT VỀ VỆ TINH ALOS PALSAR...........................................37
3.2. ĐỊNH CHUẨN ẢNH ALOS PALSAR........................................................38
3.3. XỬ LÝ NHIỄU TRÊN ẢNH RADAR.........................................................39
3.3.1. Mô hình nhiễu......................................................................................40
3.3.2. Các phương pháp lọc............................................................................41
3.4. NẮN CHỈNH HÌNH HỌC ẢNH RADAR ...................................................46
3.4.1. Những biến dạng hình học cơ bản của ảnh Radar .................................47
3.4.2. Phương pháp nắn chỉnh hình học .........................................................50
CHƯƠNG 4

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH TÍCH HỢP ẢNH QUANG HỌC

VÀ ẢNH RADAR ĐỂ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ ĐÁNH GIÁ THIỆT HẠI DO
ẢNH HƯỞNG CỦA LŨ LỤT ĐẾN LỚP PHỦ BỀ MẶT. THỰC NGHIỆM...54
4.1. QUY TRÌNH TÍCH HỢP THƠNG TIN TỪ ẢNH QUANG HỌC VÀ ẢNH
RADAR.............................................................................................................54
4.1.1. Sơ đồ quy trình.....................................................................................54
4.1.2. Mơ tả quy trình ....................................................................................56
4.2. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ THIỆT HẠI DO NGẬP LỤT TỚI CÁC ĐỐI
TƯỢNG LỚP PHỦ BỀ MẶT.............................................................................59
4.2.1. Hệ thống phân loại...............................................................................59
4.2.2. Các chỉ tiêu đánh giá mức độ ngập lụt..................................................60
4.3. ĐẶC ĐIỂM TÌNH HÌNH KHU THỰC NGHIỆM .......................................61
4.3.1. Vị trí địa lý khu thực nghiệm................................................................61
4.3.2. Điều kiện tự nhiên................................................................................61
4.3.3. Đặc điểm khí hậu, thủy văn..................................................................62
4.3.4. Đặc điểm dân cư, kinh tế, xã hội ..........................................................72

4.4. TƯ LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM THỰC HIỆN..................................72
4.4.1. Tư liệu sử dụng ....................................................................................72
4.4.2. Thiết bị và phần mềm thực hiện. ..........................................................73


4
4.5. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CƠ SỞ TOÁN HỌC BẢN ĐỒ NGẬP LỤT
KHU VỰC HẠ LƯU SÔNG BA - TỈNH PHÚ N ..........................................74
4.6. XÂY DỰNG MƠ HÌNH SỐ ĐỘ CAO DEM ...............................................75
4.7. NẮN CHỈNH HÌNH HỌC ẢNH VỆ TINH SPOT 5 VÀ ẢNH ALOS
PALSAR ...........................................................................................................76
4.8. CHIẾT TÁCH VÀ CHỒNG GHÉP THƠNG TIN........................................78
4.8.1. Chiết tách thơng tin lớp phủ mặt đất từ ảnh quang học .........................78
4.8.2. Xử lý ảnh radar chiết tách thông tin vùng ngập lụt ...............................80
4.8.3. Chồng ghép thông tin ...........................................................................82
4.9. BẢN ĐỒ MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG DO NGẬP LỤT...................................83
4.10. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ...........................84
4.10.1. Xác định diện tích các đơn vị sử dụng đất bị ảnh hưởng do ngập lụt ..84
4.10.2. Đánh giá ảnh hưởng thiệt hại do ngập lụt ...........................................85
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................92


5

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ALOS

Advanced Land Observing Satellite

CSDL

Cơ sở dữ liệu

DEM

Mơ hình số độ cao

DN

Giá trị độ xám của pixel trong ảnh số

ECLAC

Phương pháp đánh giá hậu quả thiên tai

GIS

Hệ thống thông tin địa lý

HTSSĐ

Hiện trạng sử dụng đất

NASDA

Cơ quan hàng không vũ trụ Nhật Bản

NCNL

Nguy cơ ngập lụt

NDVI

Chỉ số khác biệt của thực vật

NIR

Vùng sóng cận hồng ngoại

RADAR

Dị tìm và xác định khoảng cách bằng sóng radio
(Radio Detection And Ranging)

RGB

Tổ hợp màu Đỏ - Xanh lục – Chàm

SAR

Hệ radar tổng hợp
(Synthetic Aperture Radar)

SPOT

Hệ thống vệ tinh quan trắc Trái Đất của Pháp
(Système Pour I’Observation de la Terre)

6

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1: Lượng mưa trung bình tháng, năm (mm) ...............................................63
Bảng 4.2: Sông suối lưu vực sông Ba phân theo cấp diện tích lưu vực...................67
Bảng 4.3: Đặc trưng hình thái lưu vực sơng Ba .....................................................68
Bảng 4.4: Các trạm thủy văn trên lưu vực sông Ba ................................................69
Bảng 4.5: Nguồn nước các sông trong lưu vực sông Ba.........................................70
Bảng 4.6: Lưu lượng trung bình tháng, năm tại một số trạm thuỷ văn trên lưu vực
sông Ba .................................................................................................................71
Bảng 4.7: Lưu lượng lớn nhất và nhỏ nhất tại một số trạm thuỷ văn trên lưu vực
sông Ba .................................................................................................................71
Bảng 4.8. Tư liệu ảnh Radar và ảnh Quang học .....................................................73
Bảng 4.9. Mức độ ảnh hưởng của các đối tượng do ngập lụt gây ra ở thời điểm
tháng 11-2009 khu vực hạ lưu sông Ba - tỉnh Phú Yên ..........................................88
Bảng 4.10. Thiệt hại do ngập lụt đối với cây lúa và hoa màu .................................88
Bảng 4.11. Thiệt hại do ngập lụt đối với ngành nuôi trồng thủy sản.......................89


7

DANH MỤC BIỂU ĐỒ
Biểu đồ 4.1: Diện tích đối tượng trước ngập lụt (ha)..............................................80
Biểu đồ 4.2: Diện tích đối tượng và diện tích bị ngập (ha) .....................................85


8

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hệ thống viễn thám................................................................................16

Hình 1.2: Các dải sóng chủ yếu sử dụng trong viễn thám.......................................17
Hình 1.3: Hệ thống thu nhận ảnh vệ tinh................................................................18
Hình 1.4: Đặc tính phản xạ phổ của đất, nước và thực vật trên ảnh vệ tinh ............19
Hình 1.5: Dải tần số hoạt động của Radar..............................................................21
Hình 1.6: Cơ chế tán xạ của Radar.........................................................................22
Hình 1.7: Các kiểu tán xạ trên các bề mặt khác nhau .............................................22
Hình 1.8: Các kiểu tán xạ trong mơi trường điện mơi khác nhau............................22
Hình 1.9: Các kiểu phân cực trong viễn thám Radar ..............................................23
Hình 1.10: Cơ chế tán xạ của nước trên ảnh Radar ................................................25
Hình 3.1: Vệ tinh Alos Palsar ................................................................................37
Hình 3.2: Sự tạo thành nhiễu trên ảnh Radar..........................................................39
Hình 3.3: Mối tương quan giữa độ lệch chuẩn và giá trị trung bình cục bộ ............40
Hình 3.4: Hiện tượng co ngắn trên ảnh Radar ........................................................47
Hình 3.5: Hiện tượng biến dạng co ngắn trên ảnh Radar........................................48
Hình 3.6: Các hiện tượng biến dạng ảnh Radar do địa hình gây ra. ........................48
Hình 3.7: Hiện tượng co ngắn phía trước...............................................................49
Hình 3.8: Hiện tượng chồng đè trên ảnh Radar ......................................................49
Hình 3.9: Hiện tượng bóng trên ảnh Radar ............................................................50
Hình 3.10: Ảnh hưởng của chênh cao địa hình tới vị trí điểm trên thực địa............53
Hình 4.1. Sơ đồ quy trình cơng nghệ ứng dụng tư liệu viễn thám thành lập bản đồ
mức độ ảnh hưởng do ngập lụt ..............................................................................55
Hình 4.2: Bản đồ đẳng trị lượng mưa năm trên lưu vực sơng Ba............................64
Hình 4.3: Bản đồ mạng lưới sơng suối lưu vực sơng Ba ........................................66
Hình 4.4. Bản đồ nền cơ sở địa lý khu vực hạ lưu sông Ba, tỉnh Phú n..............75
Hình 4.5. Mơ hình số độ cao khu vực hạ lưu sơng Ba, tỉnh Phú n......................76
Hình 4.6: Ảnh Spot 5 chụp ngày 2-12-2008 và 20-8-2009 .....................................77
Hình 4.7: Ảnh Alos Palsar chụp ngày 5-11-2009, thời điểm ngập lụt.....................78


9

Hình 4.8: Bản đồ hiện trạng sử dụng đất khu vực hạ lưu sơng Ba tỉnh Phú n, năm
2009 ......................................................................................................................79
Hình 4.9: Ảnh radar trước và sau khi lọc bằng phin lọc Lee ..................................80
Hình 4.10. Giá trị max, min, trung bình và độ lệch chuẩn ......................................81
Hình 4.11: Kết quả chiết tách vùng ngập ...............................................................82
Hình 4.12: Bản đồ hiện trạng ngập lụt khu vực hạ lưu sông Ba – tỉnh Phú Yên,
tháng 11 năm 2009 ................................................................................................83
Hình 4.13: Bản đồ mức độ ảnh hưởng của ngập lụt đối với hiện trạng sử dụng đất
khu vực hạ lưu sông Ba – tỉnh Phú Yên, tháng 11 năm 2009 .................................84


10

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Ngập lụt là một hiện tượng tai biến thiên nhiên, kết quả của quá trình tập trung
nước với khối lượng lớn và tràn vào các vùng địa hình thấp, gây ngập lụt trên diện
rộng, không chỉ gây tổn hại nặng nề về người và của ở thời điểm đó mà cịn tác động
tiêu cực rất lâu dài đến môi trường sinh thái, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống và các
hoạt động kinh tế xã hội con người.

Trong khoảng chục năm trở lại đây, những trận lũ lụt xảy ra ngày càng tăng
với cường độ mạnh như ở Trung Quốc (1998), Tây Âu (1998, 2000), CH Séc
(2002), Bangladesh (2001), vùng Viễn Đông thuộc nước Nga (2002), Italia (2006),
Philippin (2007).
Việc nghiên cứu các giải pháp phòng lũ lụt được nhiều Quốc gia quan tâm và
hướng tiếp cận là sự kết hợp giữa giải pháp cơng trình và phi cơng trình. Giải pháp
cơng trình thường được sử dụng là xây dựng các hồ chứa, đê điều, cải tạo lịng
sơng…Các giải pháp phi cơng trình là trồng rừng, bảo vệ rừng; xây dựng và vận hành
các phương án phòng tránh lũ và di dân lúc cần thiết khi có thơng tin dự báo và cảnh

báo chính xác. Việc dự báo và cảnh báo ngập lụt sẽ là một biện pháp rất cần thiết có thể
giảm thiểu tối đa thiệt hại về người và tài sản.

Bangladesh đã xây dựng thành công hệ thống giám sát và cảnh báo lũ lụt trên
cơ sở ứng dụng mơ hình thủy văn và thủy lực MIKE-11 (của Đan Mạch) dưới sự trợ
giúp của UNDP/WMO kết hợp với sử dụng tư liệu viễn thám GMS, NOAA-12 và
NOAA-14. Hệ thống giám sát và cảnh báo lũ lụt này được áp dụng cho vùng lãnh
thổ rộng 82.000 km2, trên đoạn dài 7.270km sông, 195 nhánh, sử dụng 30 trạm
giám sát.
Trung Quốc đã xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo ngập lụt trên cơ sở sử
dụng tư liệu viễn thám FY-II, OLR, GPCP, ERS-II, SSM/I.
Ấn Độ bắt đầu xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo lũ lụt từ năm 1959 cho
khu vực sơng Hằng. Hiện nay, ở Ấn Độ có 145 trung tâm dự báo, 500 trạm khí
tượng, 350 trạm thủy văn phục vụ cho vùng lưu vực rộng 240.000km2, sử dụng khả
năng thông tin của các tư liệu ảnh vệ tinh IRS, TM Landsat-5, ERS, RADARSAT.


11
Một số nước thuộc Châu Phi sử dụng mơ hình thủy văn FEWS NET kết hợp
với hệ thống thông tin địa lý GIS để xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo lũ lụt
cho 5.600 vùng hạ lưu với sự trợ giúp xây dựng của tổ chức USGS/EROS.
Cơ quan hàng không Vũ trụ Nhật Bản (JAXA) thực hiện chương trình
Sentinel Asia, đây là chương trình chia sẻ thơng tin về thiên tai giữa các nước trong
khu vực Châu Á – Thái Bình Dương. Các thơng tin được chia sẻ thông qua mạng
Web-GIS, tạo ra một cơ sở dữ liệu ảnh vệ tinh trong việc giám sát thiên tai. Chương
trình Sentinel Asia là sự khởi đầu cho việc thành lập một điểm phân phối thông tin
quan trọng dựa trên nền tảng Internet, thông tin được phân phối ở đây là dữ liệu ảnh
vệ tinh không gian về thảm họa thiên nhiên trong khu vực Châu Á-Thái Bình
Dương.
Thái Lan là một nước nằm trong khu vực Đơng Nam Châu Á, có nhiều điểm

tương đồng về điều kiện tự nhiên với Việt Nam. Thái Lan đặc biệt quan tâm đến
việc xây dựng hệ thống giám sát thiên tai nói chung và lũ lụt nói riêng. Thái Lan
cũng là nước có tiềm lực về cơng nghệ và có các cơng cụ hữu hiệu áp dụng trong
việc phòng chống thiên tai về lũ lụt. Trong bảng ưu tiên quan tâm các hiện tượng
thiên tai thường xảy ra ở Thái Lan thì lũ lụt là hiện tượng chiếm ưu tiên số 1. Một
trong những hướng được Thái Lan quan tâm là ứng dụng công nghệ viễn thám và
GIS trong việc quản lý thiên tai.
Ở nước ta đã có nhiều dự án, đề tài nghiên cứu khoa học về lũ lụt và cách
phòng tránh trên các lưu vực ở các sông lớn như đồng bằng sông Hồng, sông Cửu
Long và các hệ thống sông ở Trung Bộ Việt Nam. Có thể kể ra một số đề tài dự án
đã được thực hiện như sau:
Đề tài 1: “Điều tra nghiên cứu và cảnh báo ngập lụt phục vụ phịng tránh thiên
tai ở các lưu vực sơng miền Trung” do Viện Khí tượng Thủy văn thực hiện năm
1999-2002.
Nội dung: Lập bản đồ ngập lụt cho 4 lưu vực sơng chính: Hương (Thừa ThiênHuế), Thu Bồn (Quảng Nam), Vệ (Quảng Ngãi) và Kơn-Thanh (Bình Định).
Loại bản đồ đã lập: Bản đồ hiện trạng lũ 1999 và các bản đồ ngập úng với các
chu kỳ tái hiện khác nhau.
Phương pháp lập: Sử dụng số liệu đo thực và điều tra bổ sung sau đó sử dụng


12
mơ hình DEM để xây dựng bản đồ ngập.
Nhược điểm: Số liệu các vết lũ ít nên khơng phản ánh chi tiết các khu vực
ngập, chưa được kiểm tra thực địa.
Đề tài 2: “Nghiên cứu cơ sở khoa học cho các giải pháp tổng thể dự báo
phòng tránh ngập lụt ở các tỉnh miền Trung” do Viện Địa lý, Trung tâm Khoa học
Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia thực hiện năm 2000-2001.
Nội dung: Lập bản đồ ngập lụt cho các lưu vực sơng chính: sơng Hương
(Thừa Thiên-Huế), sơng Thu Bồn (Quảng Nam), sơng Vệ (Quảng Ngãi) và sơng
Kơn-Thanh (Bình Định), sơng Cái (Khánh Hịa).

Loại bản đồ đã lập: Bản đồ hiện trạng lũ năm 1999 và một số bản đồ ngập úng
với các chu kỳ tái hiện.
Phương pháp lập: Sử dụng số liệu đo thực và điều tra bổ sung.
Nhược điểm: Số liệu các vết lũ ít nên khơng phản ánh chi tiết các khu vực
ngập.
Đề tài 3: “Nghiên cứu xây dựng tập bản đồ ngập lụt tỉnh Thừa Thiên-Huế” do
Viện Địa lý, Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia thực hiện năm
1999-2001.
Nội dung: Lập bản đồ ngập lụt cho lưu vực sông Hương (Thừa Thiên-Huế).
Loại bản đồ đã lập: Bản đồ hiện trạng lũ năm 1999 tỷ lệ 1:50.000 và bản đồ
cảnh báo ngập cho khu vực sông Hương.
Phương pháp lập: Sử dụng số liệu đo thực và điều tra bổ sung.
Nhược điểm: Sử dụng bản đồ tỷ lệ nhỏ, số liệu các vết lũ ít nên khơng phản
ánh chi tiết các khu vực ngập.
Đề tài 4: “Xây dựng bản đồ phân vùng ngập lụt và phương án cảnh báo nguy
cơ ngập lụt hạ lưu sông Hương, sông Bồ tỉnh Thừa Thiên-Huế” do Đài Khí tượng
Thủy văn Khu vực Trung Trung Bộ thực hiện năm 1999-2001.
Loại bản đồ đã lập: Bản đồ hiện trạng lũ năm 1999 tỷ lệ 1:20.000, 1:10.000 và
bản đồ nguy cơ ngập lụt với các tần suất cho lưu vực sông Hương.
Phương pháp lập: Sử dụng số liệu đo thực địa và điều tra bổ sung.
Nhược điểm: Sử dụng bản đồ tỷ lệ nhỏ, số liệu các vết lũ ít nên không phản
ánh chi tiết các khu vực ngập.


13
Dự án: “Lập bản đồ ngập lụt cho 7 tỉnh miền Trung” do Trung tâm Tư vấn và
hỗ trợ công nghệ KTTV (UNDP tài trợ) thực hiện từ 2001 đến nay.
Nội dung: Đã lập được bản đồ ngập lụt cho lưu vực sông Hương (Thừa ThiênHuế), sông Thu Bồn-Vu Gia (TP Đà Nẵng, Quảng Nam).
Loại bản đồ đã lập: Bản đồ hiện trạng lũ năm 1999 tỷ lệ 1:25.000, 1:10.000 và
bản đồ nguy cơ ngập lụt ứng với các chu kỳ tái hiện.

Phương pháp lập: Sử dụng số liệu đo thực và điều tra bổ sung có kết hợp với
mơ hình số độ cao để lập bản đồ ngập.
Dự án: “Xây dựng CSDL hệ thống thơng tin địa hình thủy văn cơ bản phục vụ
phòng chống lũ lụt và phát triển kinh tế-xã hội vùng đồng bằng sông Cửu Long” do
Trung tâm Viễn thám – Bộ Tài nguyên và Môi trường làm chủ đầu tư.
Đây là một trong những dự án lớn áp dụng nhiều công nghệ hiện đại trong lĩnh
vực đo đạc bản đồ, quản lý dữ liệu, hệ thống thông tin địa lý và hệ thống thông tin
thủy văn.
Các sản phẩm của dự án góp phần quan trọng trong cơng cuộc phịng chống lũ
lụt và phát triển kinh tế xã hội vùng đồng bằng sông Cửu Long theo chủ trương
“Sống chung với lũ” mà Đảng và Nhà nước đã đưa ra.
Nhìn chung cách thức tiếp cận và thực hiện các đề tài trong nước chủ yếu dựa
trên cơ sở các phương pháp truyền thống là sử dụng số liệu thực đo và điều tra thực
địa bổ sung rồi kết hợp với mơ hình số độ cao để chiết tách vết lũ. Các kết quả thu
được hầu hết chỉ là bản đồ ngập lụt, bản đồ hiện trạng lũ ở các chu kỳ khác nhau,
chưa có những số liệu chi tiết về vùng ngập và đánh giá nhanh những ảnh hưởng và
thiệt hại mà lũ lụt gây ra.
Nhằm tận dụng khả năng ưu việt của công nghệ viễn thám, luận văn sẽ đề cập
cụ thể việc xây dựng bản đồ đánh giá thiệt hại do lũ lụt và đi sâu phân tích thiệt hại
một số loại hình sử dụng đất do ngập lụt gây ra.
Phú Yên là một tỉnh nằm ở khu vực duyên hải Nam Trung Bộ, Việt Nam
thường xuyên xảy ra ngập lụt nặng khi có mưa lớn. Cũng tại các địa hình này, hiện
tượng ngập úng có tính chất thường trực hàng năm, kéo dài, dẫn đến tình trạng đất
hoang hóa, chưa được tận dụng có hiệu quả vào sản xuất. Hậu quả là đời sống và
điều kiện kinh tế của nhân dân cịn khó khăn. Trước tình hình thực tế đó, tác giả đã


14
chọn đề tài: “Sử dụng tư liệu viễn thám để xây dựng bản đồ đánh giá thiệt hại do
ảnh hưởng của lũ lụt tới hiện trạng lớp phủ ở Phú Yên” làm đề tài luận văn tốt

nghiệp của mình.
2. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Mục tiêu của đề tài:
Nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám để chiết tách thông tin vùng ngập lụt
và thông tin về lớp phủ mặt đất.
Kết hợp công nghệ viễn thám và GIS để xây dựng cơ sở dữ liệu, thành lập bản
đồ đánh giá thiệt hại do ảnh hưởng của lũ lụt đến hiện trạng lớp phủ.
Nội dung nghiên cứu của đề tài:
- Nghiên cứu cơ sở khoa học sử dụng tư liệu viễn thám và ứng dụng trong
nghiên cứu ngập lụt.
- Nghiên cứu quy trình xử lý ảnh vệ tinh Alos Palsar để chiết tách thông tin
vùng ngập lụt.
- Xử lý, chiết tách thông tin lớp phủ mặt đất từ ảnh Spot 5 năm 2008, 2009 từ
đó thu nhận bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2009 khu vực hạ lưu sông Ba tỉnh
Phú Yên.
- Thành lập bản đồ hiện trạng ngập lụt khu vực hạ lưu sông Ba tỉnh Phú Yên
trên cơ sở ứng dụng công nghệ viễn thám.
- Ứng dụng GIS tính diện tích ngập lụt cho một số loại hình sử dụng đất và
phân tích, đánh giá ảnh hưởng thiệt hại do ngập lụt.
3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Phạm vi không gian: Khu vực hạ lưu sông Ba thuộc tỉnh Phú Yên.
Phạm vi khoa học: Luận văn đi sâu nghiên cứu đặc điểm quy trình cơng nghệ xử
lý ảnh Radar trong thành lập bản đồ ngập lụt. Ứng dụng ảnh viễn thám quang học
thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất. Sử dụng cơng cụ GIS tính diện tích ngập lụt
và ước tính thiệt hại cho một số loại hình sử dụng đất.

4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
- Phương pháp thu thập, phân tích tư liệu ảnh viễn thám, tư liệu bản đồ và các

15
tư liệu có liên quan khác với mục đích giải quyết vấn đề ảnh hưởng của ngập lụt
đến hiện trạng lớp phủ.
- Phương pháp sử dụng các phần mềm và tiện ích của chúng phục vụ việc xử
lý ảnh vệ tinh và thành lập bản đồ.
- Phương pháp bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý phục vụ việc xây dựng
bản đồ hiện trạng ngập lụt và bản đồ mức độ ảnh hưởng do ngập lụt.
- Phương pháp ước tính thiệt hại do ngập lụt.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học: Kết quả của đề tài góp phần vào việc vận dụng những ưu
việt của công nghệ viễn thám vào lĩnh vực thành lập bản đồ nói chung, bản đồ ngập
lụt nói riêng, làm cơ sở cho cơng tác nghiên cứu, đánh giá, cảnh báo và phòng
chống ngập lụt kịp thời. Kiến nghị các biện pháp giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt,
phục vụ lợi ích con người.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của đề tài phần nào đó có thể giúp ích cho tỉnh
Phú Yên trong việc đánh giá thiệt hại do lũ lụt, từ đó có những biện pháp tích cực

nhằm giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của ngập lụt
6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Luận văn được trình bày trong 93 trang, với 4 chương, 33 hình vẽ, 11 bảng, 2
biểu đồ.
Để hồn thành luận văn tơi xin chân thành cảm ơn TS. Trần Vân Anh đã
giúp đỡ tôi rất nhiều về kiến thức chuyên môn. Tôi xin cảm ơn trung tâm Thu nhận
và Xử lý ảnh viễn thám – Trung tâm viễn thám quốc gia – Bộ tài nguyên và môi
trường, nơi tôi công tác đã cung cấp tư liệu trong thời gian tiến hành thực nghiệm.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới các bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã tạo điều
kiện và giúp đỡ tơi trong q trình làm luận văn.
Luận văn đã hồn thành đúng thời hạn và kết quả cũng đạt được các yêu cầu
cơ bản của một luận văn tốt nghiệp chương trình Thạc sĩ, nhưng chắc chắn khơng
tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo, các bạn

đồng nghiệp để luận văn được hoàn chỉnh hơn.


16

CHƯƠNG 1

VIỄN THÁM VÀ ỨNG DỤNG TRONG

NGHIÊN CỨU NGẬP LỤT
1.1. KHÁI QUÁT VỀ VIỄN THÁM
1.1.1. Khái niệm về viễn thám
Viễn thám là phương pháp sử dụng bức xạ điện từ như một phương tiện để
nghiên cứu, điều tra, đo đạc những thuộc tính cơ bản của các đối tượng hoặc hiện
tượng mà không cần tiếp xúc trực tiếp tới các đối tượng, hiện tượng đó. Hầu hết các
đối tượng tự nhiên đều hấp thụ, phản xạ hay bức xạ sóng điện từ với cường độ và
theo những cách khác nhau. Các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ.
Thơng tin thu được trong viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lượng phản xạ
từ các đối tượng, nên việc nghiên cứu đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự
nhiên đóng một vai trị hết sức quan trọng trong việc khai thác, ứng dụng có hiệu
quả các thông tin thu được. Công nghệ viễn thám phát triển dựa trên những thành
tựu mới nhất của khoa học kỹ thuật cũng như công nghệ vũ trụ, công nghệ tin
học…Với mục tiêu cung cấp thông tin nhanh nhất và khách quan nhất.

Hình 1.1: Hệ thống viễn thám
Viễn thám được ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau như qn
sự, địa chất, địa lý, khí tượng, thủy văn, mơi trường, nơng nghiệp, lâm nghiệp….
Theo bước sóng sử dụng, viễn thám có thể phân thành 3 loại cơ bản:
* Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại
Tư liệu viễn thám thu nhận được trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu

vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và từ bề mặt trái đất. Vì vậy, các thông tin về vật


17
thể được xác định từ các phổ phản xạ (Radar sử dụng tia laze là trường hợp ngoại lệ
không sử dụng năng lượng mặt trời).
* Viễn thám hồng ngoại nhiệt
Nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệt do chính vật thể sinh ra
* Viễn thám siêu cao tần
Trong viễn thám siêu cao tần thường sử dụng hai loại kỹ thuật chủ động và bị
động. Viễn thám siêu cao tần bị động thì bức xạ siêu cao tần do chính vật thể phát
ra được ghi lại, trong viễn thám siêu cao tần chủ động lại thu những bức xạ, tán xạ
hoặc phản xạ từ vật thể

Hình 1.2: Các dải sóng chủ yếu sử dụng trong viễn thám
1.1.2. Nguyên lý thu chụp thông tin viễn thám
Dựa vào nguồn gốc của năng lượng điện từ được sử dụng trong quá trình thu
nhận ảnh vệ tinh, các hệ thống thu nhận được chia làm 2 loại:
- Hệ thống chủ động.
- Hệ thống bị động.
Hệ thống bị động thu nhận ảnh vệ tinh dựa vào nguồn năng lượng phát ra từ
mặt trời. Năng lượng điện từ phát ra từ mặt trời truyền tới các đối tượng trên bề mặt
trái đất và sẽ được hấp thụ truyền tiếp hoặc phản xạ lại. Phần năng lượng phản xạ
lại sẽ được hệ thống thu nhận trên vệ tinh ghi lại và chuyển thành tín hiệu số hay
ảnh số.
Quá trình thu nhận ảnh vệ tinh của hệ thống chủ động và bị động được minh


18
họa trên sơ đồ sau:

Hình 1.3: Hệ thống thu nhận ảnh vệ tinh.
Khác với hệ thống bị động, hệ thống chủ động sử dụng nguồn năng lượng của
chính nó để truyền tới các đối tượng trên bề mặt trái đất và ghi nhận phần năng
lượng phản xạ lại để chuyển thành tín hiệu số. Hệ thống viễn thám tiêu biểu là
radarsat.
Do đặc điểm chủ động về nguồn năng lượng nên hệ thống viễn thám chủ động
có thể chụp ảnh vào bất kỳ thời điểm nào, trong khi việc chụp ảnh bằng hệ thống
viễn thám bị động chỉ có thể thực hiện lúc thời tiết tốt.
1.1.3. Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên
Đồ thị phản xạ phổ được xây dựng với chức năng là một hàm số của giá trị
phổ phản xạ và bước sóng, được gọi là đường cong phổ phản xạ. Hình dáng của
đường cong phổ phản xạ cho biết một cách tương đối rõ ràng tính chất phổ của một
đối tượng và hình dạng đường cong phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn các dải
sóng mà ở đó thiết bị viễn thám có thể ghi nhận được các tín hiệu phổ.
Hình dạng của đường cong phổ phản xạ còn phụ thuộc rất nhiều vào tính chất
của các đối tượng. Trong thực tế, các giá trị phổ của các đối tượng khác nhau, của
một nhóm đối tượng cũng rất khác nhau, song về cơ bản chúng dao động quanh giá
trị trung bình.
Nguyên tắc cơ bản để phân biệt các đối tượng lớp phủ mặt đất trên ảnh vệ tinh
là dựa vào sự khác biệt về đặc tính phản xạ của chúng trên các kênh phổ. Hình 1.4
dưới đây thể hiện đặc tính phản xạ của các thành phần đất, nước và thực vật trên
ảnh vệ tinh.


19
Phản xạ (%)
Đất khô
Đất ướt
Thực vật

Nước

dảI sóng
0,8

1,2

Hồng ngoại gần

1,6

2,0

2,4

Hồng ngoại trung

Hình 1.4: Đặc tính phản xạ phổ của đất, nước và thực vật trên ảnh vệ tinh
Đặc tính phản xạ phổ của thực vật
Thực vật khỏe mạnh chứa nhiều diệp lục tố (Chlorophil), phản xạ rất mạnh
ánh sáng có bước sóng từ 0,45 – 0,67µm (tương ứng với dải sóng màu lục – Green)
vì vậy ta nhìn thấy chúng có màu xanh lục. Khi diệp lục tố giảm đi, thực vật chuyển
sang có khả năng phản xạ ánh sáng màu đỏ trội hơn. Kết quả là lá cây có màu vàng
(do tổ hợp màu green và red) hoặc màu đỏ hẳn (rừng ở khí hậu lạnh, hiện tượng này
khá phổ biến khi mùa đông đến), ở vùng hồng ngoại phản xạ (từ 0,7 – 1,3µm) thực
vật có khả năng phản xạ rất mạnh, khi sang vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng
(microwave) một số điểm cực trị ở vùng sóng dài làm tăng khả năng hấp thụ ánh
sáng của hơi nước trong lá, khả năng phản xạ của chúng giảm đi rõ rệt và ngược lại,
khả năng hấp thụ ánh sáng lại tăng lên. Đặc biệt, đối với rừng có nhiều tầng lá, khả

năng đó càng tăng lên.
Đặc tính phản xạ phổ của nước
Nước không chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng của tia xanh lơ (Blue) và yếu dần
khi sang vùng tia xanh lục (Green), triệt tiêu ở cuối dải sóng đỏ (Red). Khi nước bị
đục, khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hưởng sự tán xạ của các vật chất lơ lửng. Sự
thay đổi về tính chất của nước (độ đục, độ sâu, hàm lượng Chlorophil...) đều ảnh
hưởng đến tính chất phổ của chúng. Nghĩa là khi tính chất nước thay đổi, hình dạng
đường cong và giá trị phổ phản xạ sẽ bị thay đổi.
Ngồi ra nó còn phụ thuộc vào bề mặt và trạng thái của nước. Trên kênh hồng
ngoại và cận hồng ngoại đường bờ nước được phát hiện rất dễ dàng.


20
Đặc tính phản xạ phổ của đất khơ
Đường cong phản xạ phổ của đất khơ 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 khơng rõ ràng như ở thực vật.
Các yếu tố ảnh hưởng đến đường cong phổ phản xạ của đất là: lượng ẩm, cấu
trúc của đất (tỉ lệ cát, bột và sét), độ nhám bề mặt, sự có mặt của các loại oxyt kim
loại, hàm lượng vật chất hữu cơ,...các yếu tố đó làm cho đường cong phổ phản xạ
biến động rất nhiều quanh đường cong có giá trị trung bình. 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.
1.2. ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA ẢNH VỆ TINH
1.2.1. Đặc tính cơ bản của ảnh quang học
Một trong những ưu điểm cơ bản của ảnh vệ tinh quang học là được thu nhận
ở vùng sóng nhìn thấy và cận hồng ngoại nên rất phù hợp với cảm nhận trực giác
của con người (vì mắt người cũng có thể coi là một bộ xử lý hình ảnh ở vùng sóng
nhìn thấy). Do đó, rất thuận lợi cho việc phân tích, giải đốn, chiết tách các thơng
tin. Hình ảnh các đối tượng trên ảnh quang học thường rõ ràng, sắc nét, ít nhiễu, dễ

giải đốn, nhận dạng. Đây là một đặc tính ưu việt hơn hẳn ảnh radar. Ngồi ra ảnh
quang học cịn có một số đặc điểm sau:
Độ phủ rộng:
Trong trường hợp tư liệu SPOT 5 với độ phân giải 10m thì một cảnh có kích
thước là 60km x 60km. Với ảnh Landsat phạm vi của khả năng thu nhận lên tới
180km x 180km. Như vậy, bề mặt đất cũng như các vấn đề liên quan như diện
ngập lụt trong một khu vực có thể được quan sát trong một điều kiện gần như không
đổi. Đó là thuận lợi cơ bản của tư liệu viễn thám. Nếu chúng ta sử dụng phương
pháp khảo sát thực địa truyền thống thì để thu thập được các thơng tin về vùng ngập
lụt tương đương với một cảnh ta sẽ phải cần một khoảng thời gian tương đối lớn.
Hơn nữa, có nhiều khu vực do điều kiện thời tiết mưa bão và ngập lụt chúng ta
không thể tiếp cận thực địa nhưng nếu sử dụng tư liệu viễn thám chúng ta vẫn có
thể nghiên cứu được.


21
Khả năng chụp lặp:
Do vệ tinh bay trong vũ trụ theo những quỹ đạo cố định nên sau một khoảng
thời gian nhất định vệ tinh sẽ quay trở lại điểm quan sát ban đầu. Điều này cho phép
chúng ta thực hiện các quan sát lặp lại đều đặn theo các khoảng thời gian định
trước. Khả năng này cho phép thực hiện các nghiên cứu mang tính đa thời gian.
Phân giải phổ lớn:
Sử dụng các giải phổ đặc biệt để quan sát các đối tượng.
Tư liệu viễn thám hiện đại được lưu ở dạng số rất thuận lợi cho việc áp dụng
các phương pháp xử lý số trong phân tích, chiết tách thơng tin. Tính ưu việt này cho
phép xử lý dữ liệu với tốc độ rất cao, áp dụng các phương pháp tự động hóa và các
mơ hình trong phân tích dữ liệu.
1.2.2. Đặc tính cơ bản của ảnh radar
RADAR được viết tắt từ cụm từ tiếng Anh Radio Detection And Ranging ( dị
tìm và xác định khoảng cách bằng sóng radio) hoạt động trong dải sóng từ band siêu

cao tần đến band radio (bước sóng từ vài milimét đến 1 mét).

Hình 1.5: Dải tần số hoạt động của Radar
1.2.2.1. Cơ chế tán xạ của Radar
Cơ chế tán xạ là một đặc trưng hết sức quan trọng của ảnh Radar, nó phản ánh
sự tương tác giữa sóng Radar với bề mặt đối tượng và đóng vai trị quyết định trong
việc tạo ảnh Radar. Dưới đây là một số hình minh họa cơ chế tán xạ của ảnh Radar:


22

Hình 1.6: Cơ chế tán xạ của Radar
Ở đó, tín hiệu tán xạ ngược là kết quả giữa tán xạ bề mặt, tán xạ khối và đa
tán xạ khối. Các tán xạ này phụ thuộc vào độ gồ ghề của bề mặt và đặc trưng điện
mơi của mơi trường.

Hình 1.7: Các kiểu tán xạ trên các bề mặt khác nhau
Qua hình 1.7, ta có thể thấy độ gồ ghề của bề mặt (tùy thuộc vào bước sóng)
ảnh hưởng đến các kiểu tán xạ.

Hình 1.8: Các kiểu tán xạ trong mơi trường điện mơi khác nhau
Với hình 1.8 ta cũng có thể thấy hằng số điện môi của môi trường cũng ảnh
hưởng đến cường độ tán xạ.
Bên cạnh đó tất cả các yếu tố này lại phụ thuộc vào tần số, sự phân cực và góc
tới của ảnh Radar.
1.2.2.2. Phân cực
Hệ thống thu nhận của radar viễn thám là chủ động nên khi phát và thu sóng
điện từ người ta có thể ứng dụng các kiểu phân cực khác nhau nhằm cải thiện thêm

23
thông tin thu nhận.
Trong viễn thám Radar, phân cực được chia làm 2 loại:
Phân cực giống nhau:
VV - phát phân cực đứng, thu phân cực đứng
HH - phát phân cực ngang, thu phân cực ngang
Phân cực chéo:
HV - phát phân cực ngang, thu phân cực đứng
VH - phát phân cực đứng, thu phân cực ngang

Hình 1.9: Các kiểu phân cực trong viễn thám Radar
1.2.3. Khả năng của ảnh vệ tinh trong nghiên cứu ngập lụt
Ảnh vệ tinh hiện nay có rất nhiều tính ưu việt có thể ứng dụng trong công tác
nghiên cứu ngập lụt. Tư liệu viễn thám được ghi nhận trên các giải phổ quang học
và siêu cao tần.
1.2.3.1. Khả năng thông tin của ảnh quang học trong nghiên cứu ngập lụt
Những ưu thế cơ bản của ảnh vệ tinh có thể kể là:
Cung cấp thơng tin khách quan, đồng nhất trên khu vực phủ trùm lớn cho phép
tiến hành theo dõi giám sát trên những khu vực rộng lớn cùng một lúc.
Cung cấp thông tin đa dạng trên nhiều kênh phổ khác nhau cho phép nghiên
cứu các đặc điểm của đối tượng từ nhiều góc độ phản xạ phổ khác nhau
Cung cấp các loại ảnh có độ phân giải khác nhau do đó cho phép nghiên cứu
bề mặt ở những mức độ chi tiết hoặc khái quát khác nhau. Ví dụ như các loại ảnh độ
phân giải siêu cao như SPOT5, IKONOS, QuickBird để nghiên cứu chi tiết, hoặc
các loại ảnh có độ phân giải thấp nhưng tần suất chụp lặp cao, diện tích phủ trùm
lớn như MODIS, MERIS cho phép cung cấp các thông tin khái quát ở mức vùng
hay khu vực.
Việc sử dụng các ảnh vệ tinh chụp tại các thời điểm khác nhau sẽ cho phép