ứng dụng GIS và viễn thám trong quản lý tài nguyên và môi trường

Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM Khoa Môi Trương Và Tài Nguyên Báo Cáo Ứng dụng GIS và Viễn thám trong quản lý tài nguyên và môi trường Chủ đề Ứng dụng viễn thám trong phân tích đánh giá sự cố tràn dầu và thành lập bản đồ nhạy cảm môi trường do sự cố tràn dầu Nhóm 9 STT Họ Tên MSSV 01 Đinh Hồ Quốc Duy 1811702 02 Nguyễn Duy Sơn 1813850 03 Huỳnh Lê Mỹ Quyên 1914871 Thành viên nhóm MỤC LỤC I Giới thiệu về dầu thô 1 Khái niệm 2 Thực trạng sự có tràn dầu II Phương pháp phân tích Công nghệ viễn thá.

Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM Khoa Môi Trương Và Tài Nguyên

Báo Cáo Ứng dụng GIS và Viễn thám trong quản lý tài nguyên và môi trường

Chủ đề: Ứng dụng viễn thám trong phân tích đánh giá sự cố tràn dầu và thành lập bản đồ nhạy cảm môi trường do sự cố tràn dầu

Nhóm: 9

Thành viên nhóm:

MỤC LỤC

I/ Giới thiệu về dầu thô

1/ Khái niệm:

2/ Thực trạng sự có tràn dầu:

II/ Phương pháp phân tích

Công nghệ viễn thám kết hợp GIS trong phân tính đánh giá sự cố tràn dầu trên biển

III/ Bản đồ nhạy cảm môi trường do sự cố tràn dầu

1/ Yếu tố xây dựng:

1.1/ Chỉ số phơi nhiễm

1.2/ Chỉ số tổn thương

2/ Thành lập bản đồ nhạy cảm:

2.1/ Các thành phần liên quan đến tính phơi nhiễm

2.2/ Các thành phần liên quan đến tính dễ tổn thương

Cơ sở dữ liệu ESI và các lớp thông tin địa lý

Kết luận và kiến nghị

I/ Giới thiệu về dầu thô:

1 Khái niệm:

Dầu mỏ hay còn gọi là dầu thô là một chất lỏng sánh đặc màu nâu hoặc ngả lục Dầu mỏ tồn tại trong các lớp đất đá tại một số nơi trong vỏ Trái đất Dầu mỏ là một hỗn hợp hóa chất hữu cơ ở thể lỏng đậm đặc, phần lớn là những hợp chất của hydrocarbon với nhiều thành phần chưa được loại bỏ như lưu huỳnh, nitơ và nhiều kim loại nặng Khi dầu loang, làm giame ánh sáng xuyên vào trong nước, hạn chế khả năng quang hợp của thực vật biển, làm ảnh hưởng đến chuỗi thức ăn trong hệ sinh thái

2 Thực trạng sự cố tràn dầu:

Hiện nay, sự cố tràn dầu đang là mối hiểm họa tiềm tàng đối với các quốc gia ven biển

Tràn dầu được xem là một dạng tai biến có nguồn gốc con người và gây ra những tác hại cực kỳ nghiêm trọng Các tác hại điển hình của tràn dầu có thể kể đến như: gây ô nhiễm môi trường nước, gây ô nhiễm và mất cảnh quan các khu vực bờ, gây tác động đến các loài sinh vật làm giảm đa dạng sinh học vv , không chỉ dừng ở đó, các tác hại kể trên còn kéo theo nhiều tác hại khác như làm giảm năng suất nuôi trồng thủy hải sản, làm giảm sản lượng cá đánh bắt và làm giảm tiềm năng du lịch ở những đường bờ bị ô nhiểm dầu Các vụ tràn dầu lớn trên thế giới có thể kể đến như vụ tràn dầu do tàu Exxon Valdez ở vịnh Alaska năm 1989, thảm họa bồn chứa Amoco Haven ở Địa Trung Hải (Ý) hay gần đây nhất là thảm họa tràn dầu ở Vịnh Mexico

Ở Việt Nam trong khoảng 20 năm trờ lại đây cũng đã xảy ra nhiều vụ tràn dầu nghiêm trọng như

vụ tràn dầu ở vùng biển Vũng Tàu, vụ tràn dầu ở Đà Nẵng vv… Ngoài ra, các vụ tràn dầu trên sông cũng đã và đang diễn ra với mật độ ngày càng cao Các vụ tràn dầu trên sông có thể kể đến như: vụ tràn dầu trên sông Trà Khúc do công ty cổ phần Đường Quảng Ngãi gây ra với lượng dầu đen (FO) của nhà máy tràn ra sông Trà Khúc khoảng 14,5 tấn; vụ tràn dầu trên sông Vàm Cỏ Đông do va chạm tàu thuộc địa phận xã Tân Chánh, huyện Cần Đước tỉnh Long An ngày 08/01/2008; vụ tràn dầu trên sông Đồng Nai do đường ống dẫn dầu trên xà lan của Công ty TNHH Vận tải Đằng Giang bị hỏng gây tràn dầu trên sông hay mới đây nhất vụ tràn dầu ngày 10/02/2012, trên sông Đồng Nai (đoạn giáp ranh xã Phú Hữu, H.Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai và xã Phú Xuân, H.Nhà Bè, TP.HCM) do tai nạn giao thông đường thủy giữa 3 tàu, làm 8.000 lít dầu đã tràn ra sông

II/ Phương pháp phân tích:

Công nghệ viễn thám kết hợp GIS trong phân tính đánh giá sự cố tràn dầu trên biển:

Trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với GIS phục

vụ giám sát sự cố ô nhiễm dầu tràn là một giải pháp hữu hiệu và khả thi Dầu loang khiến độ nhám của mặt biển, sông thay đổi, do đó khi sử dụng ảnh radar có thể thấy được sự khác biệt và nhận biết được các vệt dầu Tùy từng nguyên nhân khác nhau mà hình thái của các vệt dầu cũng khác nhau, dựa vào việc phân tích thời gian, địa điểm hình thái ghi nhận vệt dầu có thể xác định đươc nguồn gốc của chúng.

Tính ưu việt của công nghệ viễn thám là khả năng bao quát rộng, thu nhận hình ảnh nhanh, đa thời gian và xác định tính chất của các đối tượng trên mặt đất thông qua việc phân tích suy giải ảnh vệ tinh radar

Để có thể phát hiện nguyên nhân tràn dầu và độ loang tỏa cần sử dụng các loại tư liệu viễn thám

đa thời gian bao gồm ảnh radar và ảnh quang học

* Ảnh viễn thám radar có các tính chất:

– Sóng radar còn gọi là vi sóng (microwave), là một dải sóng của quang phổ điện từ, có bước sóng khác nhau trong khoảng 0.8 cm – 1.0 m với giải tần số khác nhau từ 1.000 – 125.000 MHZ cho các kênh: Ku,

Ka, X, C, S, L, P

– Độ phân giải: 7 m, 10 m, 12.5 m…, 100 – 300 m

– Sóng radar có thể truyền qua mọi điều kiện khí quyển như sương mù, mưa nhẹ, tuyết và khói, không bị ảnh hưởng ở điều kiện thời tiết Việt Nam nhiều mây, có khả năng xuyên qua mặt đất, thu thông tin về các vật gần mặt đất, đo độ gồ ghề…

Do có bước sóng và tần số khác nhau vì vậy ảnh radar rất nhạy cảm với môi trường nhám và nhẵn Các vệt dầu loang trên biển được thể hiện là màu đen trên ảnh radar vì dầu cản sóng, làm cho bề mặt nhẵn hơn Tuy nhiên khi sử dụng ảnh radar cần kết hợp với các thông tin khác như cường độ của gió,

độ cao của sóng biển, trường nhiệt…

Một số hình ảnh Radar

* Ảnh viễn thám quang học có các tính chất:

– Đa phổ (kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt); Một số loại ảnh có khả năng lập thể; độ phân giải có nhiều loại: cao 0.61 m – 2.50 m, trung bình và thấp; Bị ảnh hưởng bởi thời tiết nhiều mây như ở Việt Nam

Trên thế giới đã có một số nước nghiên cứu thành công ứng phó với sự cố tràn dầu chủ yếu là xác định vị trí sự cố trên cơ sở ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh radar như các loại ảnh: ENVISAT ASAR, ALOS PALSAR, RADARSAT…

Để có thể phát hiện nguyên nhân sự cố ô nhiễm dầu trên biển và sự loang tỏa của nó cần sử dụng nhiều loại tư liệu ảnh viễn thám đa thời gian (đặc biệt là ảnh radar không bị ảnh hưởng ở điều kiện thời tiết Việt Nam nhiều mây như ENVISAT ASAR (Phân giải 25 – 1000 m; Độ phủ 50 – 500 km), ALOS PALSAR (Phân giải 10 – 1000 m; Độ phủ 100 – 350 km), RADARSAT (Phân giải 10 – 100 m; Độ phủ

100 – 350 km), và đã chụp các khu vực nhạy cảm trên biển như: các mỏ khai thác dầu, các điểm khoan thăm dò dầu khí và khu vực hoạt động của các tàu chở dầu

Một số ảnh quang học

* Các bước tiến hành như sau:

• Phân tích, thu thập thông tin các cảnh ảnh trong khu vực cần quan tâm, tra cứu thông tin ảnh hiện có từ các website của các nhà cung cấp ảnh, lựa chọn loại ảnh, Mode thu nhận, độ phân giải không gian và thời điểm đặt ảnh;

• Thu thập tài liệu, số liệu bản đồ, vị trí các dàn khoan có trong vùng Biển Đông, các báo về giám sát môi trường biển;

• Xử lý thông tin nhanh từ các cảnh ảnh QuickLook thu nhận được, phát hiện dấu hiệu tương đối

• Xử lý lọc nhiễu thô để áp dụng các phương pháp tự động phát hiện các đối tượng có giá trị phản xạ thấp hoặc các đối tượng nghi ngờ khác;

• Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán để xử lý ảnh radar, tự động dò tìm các đối tượng, phân loại ảnh;

• Phân tích các đối tượng thu nhận được trên cơ sở kết hợp với các thông tin tư liệu khác như khí tượng, thủy văn…

• Tổng hợp, đánh giá, hoàn thiện quá trình suy giải ảnh;

• Thành lập bản đồ và xây dựng CSDL khu vực có dầu loang;

• Lập báo cáo tổng hợp kết quả

Kết quả đạt được từ vệ tinh ảnh viễn thám gồm có:

+ Bản đổ hiện trạng vị trí các vết ô nhiễm dầu từ IS

+ Vị trí các vết ô nhiễm dầu, nguồn gây ô nhiễm dầu trên ảnh vệ tinh radar

+ Bảng tổng hợp kết quả vị trí, diện tích các vết dầu loang, nguồn gây ô nhiễm dầu vùng biển Việt Nam (theo ảnh ENVISAT ASAR và ALOS PALSAR)

+ Các thông tin về gió, dòng chảy, nhiệt độ thu thập được bằng phương pháp viễn thám vùng biển Việt Nam từ IS

III/ Bản đồ nhạy cảm môi trường do sự cố tràn dầu:

1 Các yếu tố xây dựng bản đồ nhạy cảm

Chỉ số ESI (Environmetal Sensitivity Index) được xây dựng bởi Tổ chức Đại dương và Khí quyển của Mỹ Bản đồ ESI bao gồm chỉ số phơi nhiễm và các tài nguyên dễ bị tổn thương do sự

cố tràn dầu

Hệ thống chỉ số nhạy cảm môi trường được xây dựng trên cơ sở tham khảo, so sánh các tài liệu trong và ngoài nước tại các khu vực có cùng đặc điểm với khu vực nghiên cứu Đồng thời việc tham khảo ý kiến chuyên gia kết hợp khảo sát thực địa vùng nghiên cứu để từ đó xây dựng bản đồ nhạy cảm

Chỉ số nhạy cảm môi trường (ESI) đối với sự cố tràn dầu được tính theo công thức:

ESI = Chỉ số phơi nhiễm + Chỉ số tổn thương

Sơ đồ khối thành lập bản đồ nhạy cảm sự cố tràn dầu.

Ứng dụng GIS xây dựng bản đồ nhạy cảm đường bờ sông trên đại

bàn nhằm ứng phó sự cố tràn dầu

Chỉ số tổn thương Chỉ số phơi nhiễm

Yếu tố kinh tế- xã hội Yếu tố tự nhiên

Giá trị Tài nguyên nhân sinh

Tàinguyên nhân sinh

Dạng

đường bờ

Độ cong đường bờ

Mật độ thủy hệ

Hiện trạng

sử dụng đất

Bản đồ nhạy cảm môi

trường theo mật độ thủy

Bản đồ chỉ số nhạy cảm theo tính tổn thương của loại đường bờ

Bản đồ nhạy cảm môi

trường theo độ cong

Bản đồ chỉ số nhạy cảm

theo tính phơi nhiễm của

tài nguyên nhân sinh

Bản đồ nhạy cảm môi

trường theo loại hình SDĐ

Bản đồ chỉ số nhạy cảm theo tính tổn thương của tài nguyên nhân sinh

Bản đồ nhạy cảm đường bờ sông trên địa bàn

nhằm ứng phó sự cố tràn dầu

1.1 Chỉ số phơi nhiễm

Chỉ số phơi nhiễm đánh giá khả năng bị tác động bởi dầu loang, được xác đinh bởi các yếu tố:

1.1.1 Yếu tố kinh tế - xã hội:

a) Tài nguyên nhân sinh

Các loại công trình cầu, cảng, khu nuôi trồng thủy sản có đặc điểm nằm gần mép nước nên có tính phơi nhiễm cao hơn các loại công trình khác Việc lên danh sách và xác định vị trí của các dạng tài nguyên nhân sinh được thực hiện qua việc khảo sát thực địa và tham khảo tài liệu Cụ thể như sau:

+ Tài liệu về các dạng công trình nhân sinh như Di tích văn hóa – lịch sử hay Khu vui chơi giải trí được thu thập từ trang Web của Sở Văn hóa Thể thao và du lịch các tỉnh trong khu vực nghiên cứu

+ Thông tin về các dạng tài nguyên nhân sinh khác như Khu vực nuôi trồng thủy sản, Cảng, Kho xăng dầu được thu thập từ quá trình thực địa, định vị GPS

b) Hiện trạng sử dụng đất

Hiện trạng sử dụng đất cũng là một yếu tố kinh tế - xã hội xác định tính phơi nhiễm Những loại hình sử dụng đất liên quan chặt chẽ đến sử dụng nước thì có tính phơi nhiễm cao hơn với sự cố tràn dầu

1.1.2 Yếu tố đặc điểm tự nhiên

a) Mật độ dòng chảy

Khu vực có mật độ dòng chảy nhánh như kênh, rạch cao thì có khả năng cao bị thiệt hại bởi sự cố tràn dầu vì vết dầu loang có thể theo triều len vào sâu bên trong Hiện tượng này cũng gây khó khăn cho việc thu gom dầu loang

Việc tính mật độ dòng chảy trong một khu vực được thực hiện bằng phần mềm GIS Lớp dữ liệu thủy hệ của khu vực nghiên cứu được tách từ dữ liệu sử dụng đất Thủy hệ sau đó được chia theo ranh giới phường xã Diện tích mặt nước liên quan đến thủy hệ trong một đơn vị phường, xã sau đó được tính

sử dụng công cụ thống kê trên GIS

b) Độ cong của đường bờ

Độ cong đường bờ cũng là một yếu tố đóng góp đáng kể trong việc xác định tính phơi nhiễm Những khu vực có độ cong đường bờ thấp thì vết dầu loang thường ít tập trung do tác động của dòng chảy, nên ít có tính phơi nhiễm với những tác hại của dầu loang

Độ cong đường bờ được xác định bằng chiều dài cong của đường bờ (chiều dài thực) chia chiều dài thẳng (chiều dài của đoạn thẳng nối liền điểm đầu và điểm cuối của đường bờ)

Đường bờ được tách từ lớp thủy hệ của bản đồ hiện trạng sử dụng đất, sau đó sử dụng công cụ GIS để chia đường bờ theo từng đơn vị hành chính (phường, xã)

Chiều dài thẳng của đường bờ được tính bằng công thức Pythagore với đầu vào là kinh độ và vĩ

độ của điểm đầu và điểm cuối của đoạn đường bờ được xét:

d = ( x2 − x1)2 + (y2- y1)2

Trong đó:

d: chiều dài thằng

x1, x2: kinh độ của điểm đầu, điểm cuối

y1, y2: vĩ độ của điểm đầu, điểm cuối

Chiều dài cong (chiều dài thực) của đường bờ được tính bằng công cụ GIS, chiều dài thực của đường bờ thực chất là tổng chiều dài thẳng của từng đoạn (Segment) được giới hạn bởi 2 điểm (Vertex)

1.2 Chỉ số tổn thương

Chỉ số tổn thương được tính dựa trên giá trị kinh tế xã hội Chỉ số này được xác định dựa trên các yếu tố sau:

1.2.1 Các dạng đường bờ

Loại đường bờ trong được chia làm 2 loại là Đường bờ công trình và Đường bờ tự nhiên Đường

bờ công trình có giá trị kinh tế cao hơn đường bờ tự nhiên, đồng thời nó cũng là loại công trình đi liền với các hoạt động kinh tế - xã hội hay tài nguyên nhân sinh có giá trị

Đường bờ được tách từ lớp thủy hệ của dữ liệu hiện trạng sử dụng đất Loại đường bờ được xác định bằng phương pháp giải đoán ảnh vệ tinh (Google Earth, Landsat) kết hợp với khảo sát thực địa

Việc nhận dạng đường bờ công trình trên ảnh vệ tinh được thực hiện với các khóa giải đoán:

- Đường bờ dạng tuyến

- Màu sáng so với màu sẫm của đường bờ tự nhiên

- Thường đi kèm với các khu vực dân cư hay các khu công nghiệp, cảng

1.2.2 Tài nguyên nhân sinh

Giá trị tài nguyên nhân sinh thì các đối tượng như Khu công nghiệp hay Cảng là những tài nguyên

có giá trị kinh tế cao

2 Thành lập bản đồ nhạy cảm môi trường:

2.1 Các thành phần liên quan đến tính phơi nhiễm

Các thành phần liên quan đến tính phơi nhiễm được chia thành 2 nhóm là nhóm yếu tố điều kiện

tự nhiên và nhóm yếu tố kinh tế - xã hội

2.1.1 Nhóm yếu tố tự nhiên

Nhóm yếu tố tự nhiên bao gồm Mật độ dòng chảy và Độ cong đường bờ

a) Mật độ dòng chảy

Mật độ dòng chảy ở đây được tính bằng diện tích mặt nước chia tổng diện tích một đơn vị hành chính (phường, xã)

b) Độ cong đường bờ

Độ cong đường bờ được xác định bằng chiều dài cong của đường bờ (chiều dài thực) chia chiều dài thẳng (chiều dài của đoạn thẳng nối liền điểm đầu và điểm cuối của đường bờ)

Kết quả càng nhỏ thì chiều dài thẳng của đường bờ càng gần giá trị chiều dài thực nên độ cong của đường bờ càng nhỏ và ngược lại Các khu vực cù lao, do có đặc trưng đường bờ khép kín nên không thể tính được chiều dài thẳng, độ cong đường bờ được mặc định cho giá trị lớn nhất cho các khu vực này Điều này hợp lí trong nghiên cứu tính nhạy cảm với tràn dầu vì cù lao thực tế có tính phơi nhiễm cao với vết dầu loang

2.1.2 Nhóm yếu tố Kinh tế - Xã hội

Nhóm yếu tố Kinh tế - Xã hội bao gồm Sử dụng đất và Tài nguyên nhân sinh

a) Sử dụng đất

Đối với yếu tố sử dụng đất, do đặc trưng nghiên cứu tính nhạy cảm với tràn dầu, nên các các loại

sử dụng đất trong khu vực nghiên cứu được chia thành 2 nhóm: Sử dụng đất liên quan trực tiếp đến sử dụng tài nguyên nước và Sử dụng đất không liên quan đến sử dụng tài nguyên nước

Nhóm sử dụng đất liên quan đến sử dụng tài nguyên nước chủ yếu là các nhóm đất nông nghiệp

và nuôi trồng thủy sản và đất công trình thủy lợi

Nhóm sử dụng đất ít liên quan đến sử dụng tài nguyên nước như các loại hình đất phi nông nghiệp

Tính phơi nhiễm của từng khu vực được xác định bằng diện tích sử dụng đất liên quan đến tài nguyên nước của khu vực đó

b) Tài nguyên nhân sinh

Đối tượng phơi nhiễm được xét đến ở đây là các dạng tài nguyên nhân sinh hay các hoạt động kinh tế - xã hội có độ phơi nhiễm cao với ô nhiễm do dầu tràn Phổ biến các loại hình tài nguyên nhân sinh có mức độ phơi nhiễm cao như Cảng, Khu nuôi trồng thủy sản do hoạt động gắn liền với tài nguyên nước

Để tính ESI, mỗi loại tài nguyên nhân sinh được gán trọng số thành phần khác nhau tùy theo tính phơi nhiễm

2.2 Các thành phần liên quan đến tính dễ tổn thương

Các thành phần liên quan đến tính dễ tổn thương bao gồm yếu tố Loại đường bờ (Nhóm yếu tố tự nhiên) và Tài nguyên nhân sinh (Nhóm yếu tố kinh tế xã hội)

2.2.1 Nhóm yếu tố tự nhiên (Loại đường bờ)

Đường bờ khu vực nghiên cứu được chia làm 2 loại là Đường bờ tự nhiên và Đường bờ có công trình xét đến tính dễ tổn thương Đường bờ có công trình như đê, kè, bờ bao thường gắn liền với những tài nguyên nhân sinh có giá trị cao như các khu dân cư, nghỉ dưỡng, ngược lại với đường bờ tự nhiên thường

đi kèm với các bãi triều nhỏ hay các loại hình sử dụng đất ít có giá trị

2.2.2 Nhóm yếu tố kinh tế - xã hội (Tài nguyên nhân sinh)

Tính tổn thương liên quan đến công trình nhân sinh được xác định bằng giá trị kinh tế của dạng tài nguyên nhân sinh Các đối tượng như Khu công nghiệp, Cảng, Kho xăng dầu có giá trị kinh tế cao hơn với các đối tượng Khu vực nuôi trồng thủy sản, Vui chơi giải trí và Di tích văn hóa lịch sử nên có trọng số thành phần cao hơn

→Bằng phương pháp GIS, các đoạn đường bờ với những thuộc tính khác nhau về cấu tạo, độ công, mật độ thủy hệ, các yếu tố kinh tế - xã hội như sử dụng đất, tài nguyên nhân sinh, đa dạng sinh học… được xây đựng Sử dụng công cụ chồng lớp trên ArcGIS và gán giá trị cho từng trọng số ta xây dựng được bản đồ nhạy cảm do sự cố tràn dầu trên biển