Thạc Sĩ Ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý trong nghiên cứu biến động đường bờ hỗ trợ xác đ

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống công trình kinh tế xã hội bao gồm các công trình y tế, văn hoá, giáo dục, hệ thống giao thông . Nhằm tạo động lực phát triển kinh tế - xã hội, quốc phòng an ninh và an sinh xã hội. Các công trình kinh tế xã hội đã và đang được Nhà nước quan tâm và đầu tư rất lớn. Trong đó hệ thống giao thông vận tải đóng một vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội của con người. Trong hệ thống giao thông đường bộ thì cầu giao thông vượt sông đóng một vai trò rất quan trọng, đặc biệt đối với các vùng có hệ thống sông ngòi, kênh rạch dày đặc như các tỉnh Bến Tre và Tiền Giang. Việc xây dựng những cây cầu sẽ làm giảm chi phí vận chuyển, giảm thời gian đi lại, thúc đẩy sự thông thương giữa các khu vực.
Khi thiết kế một cây cầu vượt sông cụ thể thì công việc trước tiên là phải khảo sát thăm dò sơ bộ khu vực dự kiến xây cầu nhằm mục đích lựa chọn được vị trí hợp lý nhất, an toàn nhất để xây dựng cầu. Chọn vị trí xây cầu là một công tác hết sức quan trọng và khó khăn, chọn được vị trí tốt thì giá thành xây dựng sẽ rẻ, chất lượng cây cầu sẽ ổn định hơn và giảm được giá thành khi vận chuyển hàng hoá đến các khu vực khác, đạt được mục tiêu thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội mà địa phương và Nhà nuớc đã đề ra. Việc lựa chọn vị trí cầu phụ thuộc nhiều yếu tố, tuy nhiên, một trong những yếu tố quan trọng nhất là sự ổn định và độ vững chắc của đường bờ sông [6]. Mặt khác, vị trí đặt cầu phải thuận lợi cho giao thông, phù hợp với hiện trạng phân bố dân cư và phương hướng phát triển kinh tế xã hội hai bên bờ sông trong tương lai [11].
Có nhiều phương pháp khác nhau và nhiều cách tiếp cận khác nhau có thể được lựa chọn để nghiên cứu biến động đường bờ, quá trình biến động đường bờ cũng như quan hệ của chúng với các yếu tố khác để tìm ra một vị trí tối ưu xây dựng cầu vượt sông. Trong các phương pháp nghiên cứu, các phương pháp viễn thám và GIS là những phương pháp hiện đại, là những công cụ mạnh có khả năng giúp giải quyết những vấn đề ở tầm vĩ mô (về không gian) trong thời gian ngắn [10]. Dữ liệu viễn thám có các ưu điểm là đa thời gian, đa kênh phổ, đa độ phân giải, và có độ phủ trùm những vùng lãnh thổ nghiên cứu lớn nên đã được sử dụng để theo dõi biến động bề mặt địa lý tự nhiên nói chung và theo dõi biến động đường bờ nói riêng.
Để lựa chọn vị trí tối ưu xây dưng công trình cầu giao thông vượt sông, cần phải phân tích nhiều thể loại thông tin. Hệ thông tin địa lý (GIS), là công cụ thích hợp để xử lý các thông tin viễn thám kết hợp với các thể loại thông tin khác. Sử dụng hệ thông tin địa lý để tích hợp các thông tin kinh tế - xã hội, giao thông, dân cư trên nền địa lý với vị trí đường bờ ổn định, cho phép chỉ ra vị trí tối ưu xây dựng cầu giao thông vượt sông.
Với những cơ sở nêu trên và trong phạm vi nghiên cứu của luận văn thạc sỹ, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý trong nghiên cứu biến động đường bờ hỗ trợ xác định vị trí xây dựng công trình kinh tế xã hội - Cầu giao thông Rạch Miễu vượt sông Tiền”.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
- Nghiên cứu mối liên hệ giữa biến động đường bờ sông với việc lựa chọn vị trí xây dựng cầu giao thông vượt sông.
- Tìm hiểu tình hình ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu biến động bề mặt địa lý tự nhiên nói chung và khả năng ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu biến động bờ sông.
- Xây dựng mô hình tích hợp viễn thám và Hệ Thông tin Địa lý trong nghiên cứu biến động đường bờ từ đó hỗ trợ xác định vị trí tối ưu xây dựng công trình cầu giao thông vượt sông.
- Thực nghiệm khảo sát, xây dựng quy trình công nghệ ứng dụng viễn thám và Hệ thông tin Địa Lý nghiên cứu biến động đường bờ sông Tiền hỗ trợ xác định vị trí xây dựng cầu giao thông nối liền Tiền Giang với Bến Tre.
Do không đi sâu nghiên cứu về nguyên nhân biến động, cũng như không đi sâu về địa chất, thủy văn của công trình cầu nên luận văn chỉ dừng ở việc khảo sát nghiên cứu về vị trí, diện tích biến động của đường bờ.
Để thực hiện được mục tiêu nêu trên luận văn phải thực hiện những công việc sau đây:
- Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS.
- Thu thập tài liệu, dữ liệu: bản đồ, ảnh vệ tinh,
- Tiến hành nghiên cứu biến động đường bờ sông, xác định vị trí xây dựng cầu giao thông:
o Nắn chỉnh hình học.
o Tăng cường độ tương phản.
o Chuyển đổi khuôn dạng sang phần mềm giải đoán trên màn hình
o Giải đoán ảnh viễn thám và xác định hiện trạng đường bờ ở từng thời điểm khác nhau.
o Thành lập bản đồ biến động đường bờ của các thời kỳ.
o Tích hợp viễn thám và GIS tìm vị trí đường bờ ổn định lâu dài từ đó trợ giúp quyết định để xác định vị trí xây dựng cầu vượt sông.
3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Luận văn đề cập đến các phương pháp xử lý ảnh viễn thám để xác định tình hình biến động đường bờ và tích hợp các thông tin này với các thông tin kinh tế - xã hội khác trong môi trường hệ thông tin địa lý, từ đó đưa ra các phân tích và nhận xét về quá trình biến động đường bờ sông Tiền - đoạn chảy qua hai tỉnh Bến Tre và Tiền Giang. Các thông tin tìm kiếm biến động trên dữ liệu viễn thám được phân tích, xử lý, từ đó tìm ra một ví trí có đường bờ ổn định nhất, kết hợp với các lớp thông tin về dân cư, giao thông, kinh tế . đề xuất một vị trí tối ưu xây dựng công trình cầu giao thông vượt sông. Về các nguyên nhân gây ra các hiện tượng biến động tại khu vực nghiên cứu cũng như việc phân tích ảnh hưởng của chúng đến các công trình kinh tế - kỹ thuật trên bờ sông sẽ không được đặt ra trong khuôn khổ luận văn này, vì đây là một vấn đề lớn, phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian và điều kiện vật chất – kỹ thuật để nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu chủ yếu của luận văn là biến động đường bờ sông (tập trung vào các số liệu biến động thấy được mà không đi vào giải thích nguyên nhân các biến động đó). Đồng thời luận văn cũng không đi sâu về địa chất, thủy văn công trình cầu mà chỉ dừng lại ở việc tìm ra được vị trí mà ở đó có tính ổn định lâu dài về đường bờ. Luận văn chỉ giới hạn nghiên cứu trong khu vực đã được khảo sát sơ bộ, thành lập bản đồ biến động đường bờ tại khu vực đã được khảo sát và trên khu vực đó nghiên cứu đánh giá biến động đường bờ. Các kết quả thu nhận được trong luận văn qua quá trình phân tích ảnh số và phân tích không gian trên máy tính cần có được những kiểm chứng thực địa đáng tin cậy trước khi sử dụng vào một mục đích cụ thể nào đó. Thực nghiệm trong đề tài mang tính kiểm chứng những việc đã xảy ra trong thực tế nhằm ứng dụng cho các công trình sẽ được xây dưng trên sông trong tương lai.
4. Nội dung nghiên cứu của đề tài
- Xây dựng cơ sở dữ liệu bản đồ hiện trạng đường bờ sông Tiền ở các thời điểm 1954, 1967, 1987 và 2001.
- Xác định vị trí đường bờ ổn định từ năm 1954-2001, các vùng bồi tụ và xói lở qua các giai đoạn từ 1953 đến 2001.
- Đề xuất chọn phương án tối ưu cho việc xác định vị trí đặt công trình cầu giao thông nối liền Tiền Giang với Bến Tre.
5. Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp đã được lựa chọn để thực hiện đề tài nghiên cứu này bao gồm:
Phương pháp kế thừa
Trong phạm vi đề tài nghiên cứu, học viên đã sử dụng các kết quả bản đồ đã được thành lập từ những giai đoạn trước bằng các phương pháp khác nhau để xác định đường bờ ở các thời điểm khác nhau cũng như thành lập các bản đồ hiện trạng.
Tổng hợp và kế thừa các thành quả nghiên cứu ứng dụng của các đề tài, dự án ứng dụng tại các cơ quan nghiên cứu và sản xuất.
Phương pháp viễn thám
Việc giải đoán hiện trạng đường bờ được tiến hành dựa vào khả năng tách biệt hoàn toàn các đối tượng thực vật, đất và nước trên tư liệu viễn thám nhờ độ phản xạ hoặc bức xạ của đối tượng. Phương pháp chủ đạo được sử dụng trong luận văn là giải đoán bằng mắt trên máy tính với sự trợ giúp của các dữ liệu liên quan đến đường bờ như: địa hình, thuỷ văn, được lưư trữ trên cơ sở dữ liệu và có thể hiện thị đồng thời với ảnh vệ tinh.
Các tư liệu ảnh viễn thám đã được nắn chỉnh hình học về một hệ quy chiếu bản đồ với sai số nắn chỉnh phải nhỏ hơn 1pixel.
Dữ liệu viễn thám mang thông tin phong phú về hiện trạng đường bờ sông và có nhiều cách tiếp cận khác nhau để chiết xuất các thông tin về hiện trạng đường bờ từ ảnh viễn thám. Quá trình chiết xuất thông tin từ ảnh viễn thám thực chất là một quá trình chuyển đổi các thông tin ảnh thành các thông tin có nghĩa với người sử dụng [10].
Phương pháp hệ thông tin địa lý
Hệ thống thông tin địa lý với khả năng phân tích không gian, được sử dụng để phân tích biến động đường bờ nhờ việc chồng xếp bản đồ hiện trạng đường bờ của các thời gian khác nhau và đặc biệt nhờ khả năng này có thể tích hợp các lớp thông tin khác như: dân cư, giao thông, . để tìm một vị trí tối ưu xây dựng công trình cầu giao thông vượt sông. Các dữ liệu ảnh đã có toạ độ sẽ được chuyển vào môi trường hệ thông tin địa lý cùng các dữ liệu phụ trợ khác. Kết quả giải đoán từng thời điểm sẽ được phân tích bằng phương pháp tính bảng chéo (crossing table) để tính ra biến động. Tích hợp các thông tin viễn thám với các thông tin kinh tế xã hội khác sẽ giúp cho việc đánh giá mối liên quan giữa biến động đường bờ với các yếu tố kinh tế xã hội mà ta quan tâm.
Phương pháp phân tích thống kê: Đây là phương pháp tương đối phổ biến trong hầu hết các khóa luận nghiên cứu. Khi tiến hành nghiên cứu biến động đường bờ ta phải so sánh, phân tích, xử lý và chọn lọc các số liệu theo mục tiêu nghiên cứu, phù hợp với nội dung của đề tài.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kỹ thuật viễn thám là giải pháp hữu hiệu trong việc nghiên cứu biến động đường bờ của các con sông. Các tư liệu viễn thám kết hợp với hệ thông tin địa lý giúp nhanh chóng thu nhận các thông tin và đánh giá hiện trạng về sự biến động đường bờ, sạt lở bờ của sông Tiền.
Các tư liệu ảnh viễn thám kết hợp với hệ thông tin địa lý là công cụ trợ giúp ra quyết định có hiệu quả cho các nhà quản lý, các cấp lãnh đạo trong việc chọn vị trí tối ưu cho việc tìm kiếm vị trí xây dựng các công trình giao thông trên một khu vực cụ thể.
7. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm 3 chương, phần mở đầu và phần kết luận, gồm 70 trang, 05 bảng biểu, 13 hình vẽ, và danh mục 17 tài liệu tham khảo.
Mở đầu
Chương 1: Một số vấn đề chung
Chương 2: Cơ sở khoa học ứng dụng viễn thám và GIS nghiên cứu biến động đường bờ, hỗ trợ xác định vị trí xây dựng cầu giao thông vượt sông.
Chương 3: Nghiên cứu biến động bờ sông Tiền, hỗ trợ xác định vị trí xây dựng cầu giao thông Rạch Miễu.
Kết luận và kiến nghị


BẢNG GIẢI THÍCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
NGHĨA TIẾNG ANH
NGHĨA TIẾNG VIỆT
UTM
NDVI
DEM
IGN
GIS
GPS
DN
PC Universal trasverse mercator
Normalized Difference Vegetation Index.
Digital Elevation Model
Institut Geographique National
Geographical Information System
Global Positioning System
Digital number
Personnal computer Hệ toạ độ chuyển đổi của Mỹ
Chỉ số khác biệt thực vật
Mô hình số địa hình
Nha địa dư Quốc gia (Pháp)
Hệ thống thông tin Địa lý
Hệ thống định vị toàn cầu
Gía trị số (trong ảnh số)
Máy tính cá nhân

DANH MỤC CÁC HÌNH
STT Số hình Tên hình Trang
1 Hình 1 Nguyên tắc nghiên cứu biến động trong GIS 14
2 Hình 2 Sơ đồ nguyên lý thu nhận hình ảnh của viễn thám 19
3 Hình 3 Các giải sóng chủ yếu sử dụng trong viễn thám 20
4 Hình 4 Đường cong phản xạ phổ của một số đối tượng 21
5 Hình 5 Đường cong phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên 22
6 Hình 6 Sơ đồ quy trình thành lập bản đồ biến động đường bờ sông 25
7 Hình 7 Cấu trúc của GIS 34
8 Hình 8 Hình ảnh thu nhỏ bản đồ hành chính tỉnh Tiền Giang 40
9 Hình 9 Hình ảnh thu nhỏ bản đồ thủy văn tỉnh Bến Tre 43
10 Hình 10 Sơ đồ quy trình xác định vị trí xây cầu giao thông vượt sông 55
11 Hình 11 Hiện trạng đường bờ sông Tiền năm 1954 và năm 1967 60
12 Hình 12 Hiện trạng đường bờ sông Tiền năm 1967 và năm 1987 61
13 Hình 13 Hiện trạng đường bờ sông Tiền năm 1987 và năm 2001 62

DANH MỤC CÁC BẢNG
STT Số bảng Tên bảng Trang
1 Bảng 1 Nắn chỉnh hình học ảnh 56
2 Bảng 2 Giới hạn không gian của ảnh khu vực nghiên cứu 57
3 Bảng 3 Bảng tính chéo biến động diện tích đường bờ khu vực nghiên cứu giai đoạn 1954-1967 60
4 Bảng 4 Bảng tính chéo biến động diện tích đường bờ khu vực nghiên cứu giai đoạn 1967-1987 61
5 Bảng 5 Bảng tính chéo biến động diện tích đường bờ khu vực nghiên cứu giai đoạn 1987-2001 62