Ứng dụng GIS và viễn thám trong quản lý môi trường

Hình 1: Khu vực nghiên cứu Nguồn dữ liệu đường bờ biểnCác nguồn dữ liệu chính được sử dụng trong nghiên cứu này là các bản đồ, hình ảnh trênkhông, và các cuộc điều tra GPS Crowell, Leath

Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách Khoa

Bài tiểu luận

Ứng dụng GIS và Viễn thám

trong Quản lý Môi trường

GVGD: TS Lê Văn Trung HVTH: Nguyễn Cao Phát MSHV: 12260673

Lớp: Cao học QLMT 2012

SỬ DỤNG MÔ HÌNH XÂY DỰNG TRONG ARCGIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM

ĐỂ ĐO LƯỢNG SỰ XÓI MÒN VÀ BỒI ĐẮP DẢI ĐẤT VEN BIỂN

MIỀN BẮC NƯỚC PHÁP

Tóm tắt

Xói lở bờ biển là ngày càng được quan tâm ngày thế giới (Bartlett và Smith, 2005).Nguyên nhân gây ra bởi các lực lượng tự nhiên như dòng chảy, sóng, triều cường, và gió,cũng như các hoạt động của con người (Heo, Kim, và Kim, 2009; Paskoff, 1998) Đây làmột vấn đề toàn cầu và có ý nghĩa kinh tế và phát triển bền vững ngành du lịch ven biển

và Những thay đổi ven biển còn được coi là một trong các chỉ số về môi trường, quantrọng hơn, nó tác động trực tiếp đến sự phát triển kinh tế ven biển và quản lý đất đai(Stok-kom, Stokman, và Hovenier, 1993) Thay đổi đường bờ biển có thể được xem như

là một chỉ số tốt để đánh giá sự xói mòn bờ biển Chỉ số tốt nhất để mô tả xói mòn bờ biển

là nơi tỷ lệ lấn chiếm đường bờ biển (Heo, Kim, và Kim, 2009)

Một số nhà khoa học đã nghiên cứu về xói mòn bờ biển (Dolan và Vincent, 1972; Dolan

và các đồng nghiệp, 1979; Stafford và Langfelder 1971; Zhang, Douglas, và Leatherman,2004) Nhiều phương pháp đã được đề xuất để đo sự lấn biển Một trong số đó là phươngpháp tiếp cận cơ bản (Dolan, Hayden, và Heywood, 1978), phương pháp thứ hai làphương pháp tiếp cận phân khúc động (Liu, 1998; Li, Liu, và Felus năm 2001, Srivastava

et al, 2005),thứ ba là phương pháp tiếp cận dựa trên khu vực (Ali, 2003), và thứ tư là cáchtiếp cận ít nhất ước tính phi tuyến hình vuông (Heo, Kim, và Kim, 2009)

Cách tiếp cận cơ bản (còn được gọi là phương pháp tiếp cận mặt cắt) được đề xuất bởiDolan Hayden, và Heywood (1978) Trong phương pháp này một đường cơ sở được lựachọn đó là gần như song song với bờ biển, sau đó mức độ xói mòn có thể được tính toán

bằng cách đo hiệu số trực giao của các đường cắt ngang Phương pháp này rất phổ biến và

đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu xói mòn bờ biển (Hardaway et al, 2001; Stewart,1994) Hệ thống thông tin địa lý phát triển lên trong những năm 1970 và được sử dụngtrong những năm 2000 trong nghiên cứu tiến hóa vùng ven biển (Leatherman, 2003) Cácnguồn dữ liệu khác nhau về vị trí của bờ biển (ảnh trên không, hình ảnh vệ tinh, các cuộckhảo sát khác biệt của hệ thống định vị toàn cầu, bản đồ, v.v ) được tích hợp để cho phépviệc tạo, phân tích, và lập thành bản đồ dữ liệu (Armaroli et al, 2006 Byrnes và Hilandnăm 1995; Gorman, Morang, Larson, 1998, McBride, Byrnes, và Hiland, năm 1995;McBride et al, 1992; Moore, 2000)

Mục tiêu của bài báo này là phát triển một phương pháp dựa trên phương pháp tiếp cận cơbản để đo lường sự xói mòn của bờ biển trong khu vực Hardelot-Plage và Sainte Cecile-Plage, ở miền bắc nước Pháp Với phương pháp này, những thay đổi của 14 đường bờbiển liên tiếp trong khoảng thời gian 59 năm đã được xác định và được thể hiện bằng cách

sử dụng phần mềm ArcGISH9.3 Nghiên cứu này tập trung vào bờ biển Hardelot-Plage vàSainte Cecile-Plage (Hình 1), cồn cát ven biển kết hợp với những đường bờ biển rộng đặctrưng

KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ NGUỒN DỮ LIỆU ĐƯỜNG BỜ

Khu vực nghiên cứu

Nghiên cứu của chúng tôi liên quan đến các huyện Hardelot-Plage và 'Sainte Cecile-Plage

ở vùng Nord-Pas-de-Calais, phía bắc nước Pháp (Hình 1) Đường bờ biển của hai huyệnnày dài khoảng 14 km Mô hình đề xuất được thiết kế để đo lường sự thay đổi của đường

bờ biển

Hình 1: Khu vực nghiên cứu Nguồn dữ liệu đường bờ biển

Các nguồn dữ liệu chính được sử dụng trong nghiên cứu này là các bản đồ, hình ảnh trênkhông, và các cuộc điều tra GPS (Crowell, Leatherman, và Douglas, 2005) về sự thay đổiđường bờ biển Một số hình ảnh viễn thám lâu đời nhất được sử dụng có niên đại từ năm

1946, và gần đây nhất là trong năm 2005 Cuối cùng, công việc được thực hiện trên 14 dữliệu khác nhau: 1946, 1947, 1955, 1963, 1971, 1976, 1980, 1983, 1987, 1989, 1995, 1997,

2000, và 2005 (Bảng 1) Dữ liệu địa lý đến từ Trung tâm địa lý quốc gia Pháp, ngoại trừnăm 2005, là từ 'Plateforme Publique de géographique de l' trong vùng Nord Pas-de-Calais, Pháp (PPIGE).

Phương pháp và công cụ

Các phương pháp để tính toán sự thay đổi đường bờ biển đo được tóm tắt trong hình 2.Bao gồm: (1) chuẩn bị dữ liệu, (2) tạo ra dữ liệu và (3) đo lường sự thay đổi đường bờbiển

Chuẩn bị dữ liệu

Mục tiêu của giai đoạn này là chuyển các hình ảnh tham chiếu địa lý vào phần mềmArcGIS 9.3.1 Hệ thống mở rộng Lambert II của Pháp đã được lựa chọn để tất cả dữ liệuđược đảm bảo tính chính xác nhất của việc di chuyển bờ biển Những bức ảnh trên khôngđược quét trong ba độ phân giải khác nhau: 800 (1976), 1000 (1989, 1995), và 1500pixels (1946, 1947, 1955, 1963, 1971, 1979, 1983, 1987, 1997, 2000) bằng việc chụp ảnhtrên không có độ phân giải và tỷ lệ đã được tham chiếu địa lý (PPIGE 2005: tham chiếutrung tâm địa lý với độ phân giải 0,5 m)

Dữ liệu cho GIS phải được tham chiếu địa lý hoặc ghi lại với hệ tọa độ phổ biến để có thể

sử dụng ArcGIS sử dụng phương pháp đa thức để hiệu chỉnh của bức ảnh trên không,phương pháp này cho phép hiệu chỉnh toàn bộ các bức ảnh trên không Khó khăn trongviệc đưa ra cách hiệu chỉnh tốt là việc sự lựa chọn các điểm làm mốc tọa độ mặt đất(GCPS); GCPS phải là điểm cố định theo thời gian, có thể nhìn thấy trên các bức ảnhchụp, và phân bố đều trên toàn bộ hình ảnh để hạn chế các tác động làm biến dạng

Một loạt điểm GCPS đã được sử dụng để tham khảo các bức ảnh chụp trên không của hệthống mở rộng Lambert II, chẳng hạn như các nút giao thông đường bộ, góc tòa nhà, khohàng Đức, vv Trong nghiên cứu này ít nhất là 10 điểm đã được xác định trên mỗi bứcảnh Gần bờ biển, những điểm mốc tốt nhất là kho hàng Đức, khi còn nguyên vẹn(Battiau-Queney et al., 2003), nhưng chỉ có vài cái và không phân bố đều Các điểm nhậndạng chung cho hai hoặc nhiều hình ảnh, nhưng không phải tọa độ mặt đất, bổ sung vàphục vụ để tham khảo các hình ảnh với nhau (Coyne, Fletcher, và Richmond, 1999) Sai

số tọa độ góc vuông (RMSE) thu được trong khi tham chiếu bức ảnh trên không thay đổi

tỷ lệ từ 0,2m đến 1m

Một khi các bức ảnh chụp trên không được tham chiếu địa lý, phương vị có thể được tạo

ra từ các hình ảnh khác nhau tham chiếu địa lý cho một khoảng thời gian Sau tham chiếuđịa lý, từ dữ liệu này, đường bờ biển có thể được số hóa và chồng lên, sự thay đổi đường

bờ và tỷ lệ suy giảm có thể được đánh giá dọc theo tuyến được vẽ vuông góc với đường

bờ biển Việc tạo ra các tuyến và đo đạc sự thay đổi có thể được thực hiện tự động bằngcách sử dụng các chương trình đặc biệt như DSAS (hệ thống phân tích đường bờ kỹ thuật

số, Thieler và Danforth, 1994), ASAP (Chương trình phân tích tự động đường bờ biển,Byrnes và Hiland, 1994) (Faye, 2010), hoặc BeachTools (Hoeke, Zarillo, và Synder,2001) hoặc bằng cách thực hiện một loạt các phương pháp điều chỉnh từ các công cụ vàcác môđun của ArcGIS 9.3.1 hoặc chương trình GIS khác

Tạo dữ liệu

ArcGIS 9.3.1 đã được sử dụng để tạo ra và điều chỉnh dữ liệu Tất cả các dữ liệu đượctạo ra được lưu trữ trong một cơ sở dữ liệu địa lý Một tập dữ liệu đã được tạo ra để ghépcác lớp đặc trưng (bờ biển) có cùng một hệ tọa độ (hệ thống Lambert II mở rộng) vào cơ

sở dữ liệu địa lý này Các lớp đặc trưng mới được tạo ra đưa vào các số liệu có tính chấtcủa các loại đường hình học Các cơ sở dữ liệu địa lý, tập dữ liệu đặc trưng này, và cáclớp dữ liệu được tạo ra trong ArcCatalog (trong phần mềm ArcGIS 9.3.1) (hình 3a): mộtlớp đặc trưng cho mỗi đường bờ biển Thêm vào đó, hai lớp đặc trưng khác đã được tạo

ra, một đường cơ sở và cho các đường khác, cũng là những đường hình học

Theo truyền thống, các tuyến đường vuông góc với các bờ biển, được sử dụng để ước tính

sự xói mòn bờ biển và suy ra tỷ lệ mất đất Một khi các dữ liệu được xây dựng và xácnhận, các đường bờ biển sẽ được số hóa Một đường cơ sở song song để biểu hiện chungcủa các bờ biển, được xây dựng trên vùng cao của tất cả các bờ biển để cung cấp mộtđiểm khởi đầu cho các hoạt động tính toán và chia thành các đơn vị đồng nhất (50 m).Ngoài ra, các tuyến trực giao theo có nguồn gốc từ đường cơ sở được số hóa theo hướng

từ Bắc vào Nam

Số hóa đường bờ biển

Các đường bờ biển tham khảo

Sự lựa chọn của các tài liệu tham khảo bờ biển là một phần công việc chính trong việclập bản đồ bờ biển Tham chiếu đường bờ biển (chỉ số đường bờ biển) phải được xác định

để tính toán sự xói mòn bờ biển Theo Leatherman (2003), điều quan trọng là chỉ số cóthể dễ dàng xác định trong thực tế và trên các bức ảnh trên không Crowell, Leatherman,

và Douglas (2005) đã chỉ ra rằng tham khảo những đặc trưng như là cạnh trên của mộtdốc, vách đá cồn cát, thảm thực vật, hoặc độ dốc của bãi biển Chân cồn cát cũng là mộttài liệu nên tham khảo trong nghiên cứu xói mòn bờ biển (Guillen, Stive, và Capobianco,1999); ngược lại, trên một bức ảnh, thật không dễ dàng để phân biệt giữa độ dốc thật và

độ dốc đang hình thành (Battiau-Queney et al, 2003.) Giải thích này phải được kiểm tra

trong thực tế, nhưng điều này chỉ có thể cho những bức ảnh gần đây nhất hoặc nếu quanđiểm lập có sẵn Nếu không sử dụng các tham chiếu trên, đường dòng nước cao thườngđược sử dụng (HWL) Trong nghiên cứu này, chúng tôi xác định đường bờ biển bằngchân dốc cát bởi vì nó không phải là dễ dàng để phân biệt các HWL.

Số hóa đường bờ biển

Dọc bãi biển khu vực nghiên cứu, có năm loại bờ biển (Hình 4a-e) (1) đê Hardelot-Plage,

700 m; (2) Rip-Rap: 'Hardelot-Plage, 1150 m, được xây dựng sau năm 1980, SainteCecilePlage, 600 m được xây dựng sau năm 1980 và 800 m được xây dựng sau năm 1990;(3) cồn cát (4) còn phôi thai của cồn cát và (5) những vách đá cồn cát

Một khi các dữ liệu (hình ảnh trên không) được tham chiếu địa lý sang một định dạng phổbiến của hệ thống Lambert II mở rộng, sau đó các đường bờ biển có thể được số hóa vàchồng lên bằng cách sử dụng ArcGIS 9.3.1 (hình 3b)

Xử lý dữ liệu trong ArcGIS

Trong giai đoạn này, quá trình xử lý dữ liệu được thực hiện để đo khoảng cách giữa cácđường cơ sở (gọi là đây Tài liệu tham khảo 1) và các đường bờ biển tại mỗi mặt cắt (Tàiliệu tham khảo 2) Hình 5 đại diện cho một khái niệm và mô phỏng cho thấy các đường

cơ sở (Tài liệu tham khảo 1), mặt cắt (Tài liệu tham khảo 2), hai đặc trưng tuyến (haiđường bờ biển), và bảng thuộc tính Xây dựng mô hình trong ArcGIS là hữu ích và hiệuquả để xác định giao điểm giữa các bờ biển, và các tuyến, tính giao hình học (điểm hìnhhọc X, Y), và để đo mất đất của bờ biển, đặc biệt là nếu số lượng bờ biển phải được phântích cao

Có hai phương thức cơ bản để tạo mô hình tính toán Một là như là một ứng dụng chophép công việc thăm dò được thực hiện Là một ứng dụng mà chúng ta xây dựng các công

cụ chung chung mà có thể được tái sử dụng và chia sẻ Các Mô hình (hai mô hình) đượctạo ra và được sử dụng trong công việc này là các mô hình chung chung mà có thể được

sử dụng trong các xử lý dữ liệu tuyến tính đặc trưng Một mô hình được sử dụng để xácđịnh giao điểm giữa các mặt cắt ngang và các đường bờ biển, bổ sung một lĩnh vực mớivào bảng thuộc tính và tính toán hình học của các điểm giao nhau (Hình 6a và b) Một môhình thứ hai cần được thêm các trường mới vào bảng thuộc tính và tính toán khoảng cáchtrên các đường cắt ngang giữa Tài liệu tham khảo 1 và các bờ biển (Hình 6c và d)

Lỗi đường biên

Một số lỗi của các phương pháp đề xuất có liên quan đến chất lượng của dữ liệu được sửdụng, việc tham khảo những hình ảnh địa lý, và với đường bờ biển xác định Những lỗinày có thể được ước tính và đưa vào một mục trong biểu đồ và giải thích kết quả(Crowell, Leatherman, và Buckley, năm 1991; Durand, 1998; Robin, 2002) Trong nghiêncứu này, được đưa ra các lỗi liên quan đến độ chính xác của tọa độ địa lý PPIGE năm

2005 (tham khảo tài liệu), độ phân giải của hình ảnh viễn thám, hiệu chỉnh hình ảnh (lỗiliên quan đến việc xác định mốc tọa độ trên các bức ảnh chụp và tính toán các mô hình đathức), và việc số hóa đường bờ biển, biên độ lỗi được ước tính ở mức 65 m (Bảng 2).Biên độ này có thể tăng gấp đôi khi so sánh vị trí đường bờ biển vào những ngày khácnhau (Aernouts và He'quette, 2006; Durand, 1998), do đó, biên độ lỗi tối đa có thể lên tới

610 m

Hình 2: Biểu đồ sự thay đổi dải đất ven biển được nghiên cứu ( 1947 – 2005) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Bởi vì sự phá vỡ do tự nhiên và do con người ở bờ biển ví dụ như các rãnh, thung lũng,hay xây đê đập, khu vực nghiên cứu được chia thành bảy phần mà tỷ lệ xói mòn được tínhtoán từng phần riêng (Bảng 3; Hình 7 và 8) Hơn nữa, quy mô phải đủ lớn để cho phépmức độ thay đổi hợp lý của đường bờ biển trên các bản đồ Sự thay đổi bờ biển là kết quảđầu tiên được trình bày dưới dạng bản đồ, chúng được số hóa trong các màu sắc khácnhau tùy thuộc vào số năm Các phép đo vị trí đường bờ biển giữa các năm khác nhaugiúp chúng tôi để tính toán tỷ lệ thay đổi mỗi năm cho bờ biển khu vực nghiên cứu bằngcách sử dụng phương pháp lãi suất cuối đường ống (EPR) (Dolan, Fenster, và Holme,1991)

Hình 8: Khu vực nghiên cứu – sự bồi đắp dải đất ven biển Những thay đổi bờ biển từ 1947-2005

Các bức ảnh viễn thám năm 1946 chỉ được trình bày cho phía nam vùng Hardelot-Plage(2,5 km) và không có sẵn cho tất cả các khu vực nghiên cứu, do đó, sự thay đổi dải đấtven bờ biển giữa năm 1947 và 2005 được đại diện và phân tích để cung cấp cho một ýtưởng chung của sự phát triển ven biển vùng nghiên cứu Hình 7 và 8 đại diện cho các

thay đổi đường bờ dọc theo mặt cắt, chỉ có 6,85% trong số đó rơi vào biên độ sai.Đường

bờ biển đã bị lấn đất dần trong khoảng thời gian 59 năm Tổng cộng có 82,2% đường cógiá trị nhỏ hơn 0 (mang ý nghĩa mất đất) Đường bờ biển trong phần S1, S2, S4, S6 làhoàn toàn trong bị mất với một sự thay đổi trung bình là 26,43 m (18.2% của mặt cắt),93,47 m (1% mặt cắt), 23,66 m (42,5% mặt cắt), và 75,49 m (23,6% mặt cắt) (Bảng 3;Hình 8)

Tuy nhiên, mặt khác, các đường bờ biển trong phần S5 và S7 tiên tiến với sự thay đổitrung bình là 34,81 m (7,2% tuyến) và 236,12 m (1% tuyến) Tiến quan trọng trong phầnS7 có thể được liên quan đến các động thái của cửa sông Canche Ngoài ra, hình 7 chothấy có bốn đỉnh đồi nhỏ khác, tương ứng với đầu ra của các dòng suối nhỏ Becque,Bronne, Creve ', và Dannes Phân tích dữ liệu (tất cả các mặt cắt) của biểu đồ tần số chothấy rằng khoảng 80% (228 mặt cắt) của các mặt cắt có giá trị giữa 250 và +50 m Vì vậy,trong một cảm giác chung, các dải đất ven bờ biển của khu vực nghiên cứu đã mất dầnvới một sự thay đổi trung bình khoảng 30,4 m giữa năm 1947 và 2005 nếu có biên độ sai,hoặc 32,84 m mà không có biên độ sai

Dải đất ven bờ biển trong phần S4 bị mất dần ở mức trung bình của 0,41 m y21 Đây làkết quả chung với một phân tích được thực hiện bởi Tresca (2006) cho phần phía bắc (1,5km) Trong thực tế, ở phía nam của Hardelot, bờ biển liên tục rút lui tuy chậm (Battiau-Queney, Malaterre, và Tresca, 2006) bởi vì hệ thống đụn cát của HardelotPlage (phíaNam) bị một thiếu cồn cát lớn ( Hình 9a và b) Vấn đề này liên quan đến độ bão hòa gầnnhư không đổi của bãi biển cát, mà đó là một nguồn tiềm năng để phát triển cồn cát Các

mô hình thủy động lực học và thủy học phân tán đã xác nhận rằng độ bão hòa nước đượcquan sát ở phần phía nam của Hardelot-Plage có liên quan đến sự gần gũi của bề mặt củanước (Chaaban et al, 2011) Tầng chứa nước cát trong lĩnh vực này, với thủy lực liên vớitầng nước ngầm ở phần dưới (Louche, Delay, và CARLIER, 1997), được giao nhau bởilớp than bùn