Đề tài Nghiên cứu ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao và các mô hình lý thuyết để thành lập bản đồ các vùng có nguy cơ trượt lở đất ở khu vực miền núi

Bộ tài nguyên và môi tr−ờng trung tâm viễn thám báo cáo tổng kết đề tài kh&cn cấp bộ nghiên cứu ứng dụng t− liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao và các mô hình lý thuyết để thành lập bản đồ các vùng có nguy cơ tr−ợt lở đất ở khu vực miền núi chủ nhiệm đề tài: nghiêm văn tuấn 7064 14/01/2009 hà nội - 2008 bộ tài nguyên và môi tr−ờng trung tâm viễn thám quốc gia 108 Đ−ờng Chùa Láng - Quận Đống Đa - Hà Nội ---------------***--------------- báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học vμ phát triển công nghệ Tên Đề tài: nghiên cứu ứng dụng t− liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao vμ các mô hình lý thuyết để thμnh lập bản đồ các vùng có nguy cơ tr−ợt lở đất ở khu vực miền núi. chủ nhiệm đề tμi: ThS. Nghiêm văn tuấn Hμ nội, 12 – 2008 BTNMT TTVTQG bộ tài nguyên và môi tr−ờng trung tâm viễn thám quốc gia 108 Đ−ờng Chùa Láng - Quận Đống Đa - Hà Nội ---------------***--------------- báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học vμ phát triển công nghệ Tên Đề tài: nghiên cứu ứng dụng t− liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao vμ các mô hình lý thuyết để thμnh lập bản đồ các vùng có nguy cơ tr−ợt lở đất ở khu vực miền núi. chủ nhiệm đề tμi: ThS. Nghiêm văn tuấn Số đăng ký:........... Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2008 chủ nhiệm đề tμi Ths.Nghiêm Văn Tuấn Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2008 cơ quan chủ trì đề tμi KT. giám đốc Phó giám đốc điều hành trung tâm viễn thám quốc gia TS. Nguyễn Xuân Lâm Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2008 hội đồng đánh giá chính thức chủ tịch hội đồng Lê Kim Sơn Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2008 cơ quan quản lý đề tμi TL. bộ tr−ởng bộ tài nguyên và môi tr−ờng vụ tr−ởng vụ KHCN DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Họ và tên Học hàm, học vị, chuyên môn Cơ quan công tác Các mục Thực hiện A Chủ nhiệm đề tài: Nghiêm Văn Tuấn THS. Bản đồ Trung tâm Thu nhận và Xử lý ảnh Viễn thám -Trung tâm Viễn thám - Bộ Tài nguyên và Môi tr−ờng 1.3; 2.3; 2.3; 3.2; 3.3; 3.4; 4.4; 4.5; 4.6. B Cán bộ tham gia nghiên cứu 1 Trần Anh Tuấn ThS. Bản đồ viễn thám Viện Địa lý- Viện KH&CN Việt Nam 2.1; 2.2; 3.2; 3.4; 4.5 2 Trần Tuấn Đạt KS. Trắc Địa Trung tâm Thu nhận và Xử lý ảnh Viễn thám 2.1; 3.4; 4.5 3 Hà Minh C−ờng KS. Trắc Địa Trung tâm Thu nhận và Xử lý ảnh Viễn thám 2.1; 3.4; 4.5 4 Phạm Văn Mạnh CN. Địa lý Trung tâm Thu nhận và Xử lý ảnh Viễn thám 4.1; 4.2;4.6 5 Nguyễn Ngọc Quang ThS. Bản đồ viễn thám Trung tâm Thu nhận và Xử lý ảnh Viễn thám 3.1; 4.6 6 Trịnh Việt Nga KS. Bản đồ Trung tâm Thành lập và HCBĐ cơ sở 1.1;1.2; 3.6; 4.1; 4.3; 7 Hà Minh Hiền KS. Bản đồ Trung tâm Thành lập và HCBĐ cơ sở 3.2; 2.1 8 Nguyễn Văn Hùng KS. Trắc địa Phòng khoa học Kỹ thuật – Trung tâm Viễn thám QG 4.3; 4.6 9 Đỗ Thị Ph−ơng Thảo Ths. Bản đồ viễn thám Tr−ờng Đại học Mỏ - Địa chất 2.2; 3.4 Bμi tóm tắt Tr−ợt lở đất là dạng tai biến thiên nhiên phổ biến và hết sức nguy hiểm đối với dân c− sinh sống ở các khu vực vùng núi. Hàng năm trên thế giới, tr−ợt lở đất gây ra những tổn thất vô cùng to lớn về ng−ời và tài sản. Dự báo, cảnh báo nguy cơ tr−ợt lở đất là công vệc quan trọng và cần thiết đối với cả các cấp quản lý và ng−ời dân trong vùng có nguy cơ chịu thiệt hại do tr−ợt lở đất gây ra. Các nội dung chủ yếu của nghiên cứu thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất là: nghiên cứu ph−ơng pháp thành tách chíêt thông tin hiện trạng tr−ợt lở đất từ viễn thám, nghiên cứu ph−ơng pháp thành lập bản đồ các vùng có nguy cơ tr−ợt lở bằng các mô hình toán học sử dụng các thông số tách chiết từ t− liệu viễn thám làm các thông số đầu vào, đối chiếu kết quả thu đ−ợc với thực tế, sau đó sử dụng các số liệu kiểm tra này để hiệu chỉnh lại các thông số cho các mô hình. Ph−ơng pháp viễn thám với −u điểm v−ợt trội về khả năng cung cấp thông tin nhanh chóng, trung thực, đồng bộ, đa dạng phong phú và có tính chu kỳ về các đối t−ợng trên bề mặt của khu vực cần quan sát trên diện rộng. Đây là công nghệ hữu hiệu trong việc giám sát tài nguyên thiên nhiên, môi tr−ờng, thiên tai, đặc biệt là giám sát các sự cố và tai biến thiên nhiên. Đặc biệt là t− liệu viễn thám ngày nay có độ phân giải cao, với khả năng xử lý công nghệ số có thể liên kết và tích hợp trong GIS đã mở ra khả năng ứng dụng to lớn trong công tác thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất. Ngoài ra, trong đề tài cũng sử dụng công nghệ thành lập mô hình số địa hình độ chính xác cao từ t− liệu viễn thám Alos/Prism. Đây là t− liệu hết sức quan trọng trong thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất. Đã có nhiều mô hình lý thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu phân tích nguy cơ tr−ợt lở đất đ−ợc xây dựng và áp dụng. Trong các nội dung kể trên của việc thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất, đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng ph−ơng pháp viễn thám và công nghệ GIS kết hợp các mô hình toán học để thành lập bản đồ các vùng có nguy cơ tr−ợt lở đất. Đã nghiên cứu ph−ơng pháp thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất trên các mô hình toán học: Mô hình thống kê, mô hình SINMAP và mô hình Trong số bằng chứng dựa trên lý thuyết xác xuất Bayer kết hợp t− liệu viễn thám. T− liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm có ảnh vệ tinh SPOT5, ảnh ALOS /Avenir, ALOS/Prism, bản đồ địa chất, địa mạo, số liệu đo m−a…Các dữ liêu này đ−ợc sử dụng trực tiếp làm các dữ liệu đầu vào của các mô hình toán học hoặc sử dụng đẻ tách chiết các thông số đầu vào của các mô hình. Đề tài đã tiến hành thử nghiệm thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất bằng các mô hình: Mô hình thống kê, mô hình SINMAP và mô hình Trong số bằng chứng, các kết quả thu đ−ợc là các bản đồ và cơ sở dữ liệu bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất. Kết quả nghiên cứu của đề tài đã đ−a ra: - Quy trình thành lập bản đồ hiện trạng tr−ợt lở đất bằng t− liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao. - Quy trình thành lập mô hình số độ cao từ ảnh viễn thám ALOS/Prism. - Quy trình thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất bằng các mô hình toán học. - Sản phẩm thực nghiệm: Mô hình số độ cao, Bản đồ hiện trạng tr−ợt lở đất, bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất. - Báo cáo tổng kết đề tài. 1 Mục lục Các từ viết tắt ...................................................................................................................3 Danh mục hình ảnh..........................................................................................................4 Danh mục bảng biểu........................................................................................................5 Mở đầu.............................................................................................................................6 Ch−ơng I: Tổng quan về nghiên cứu tr−ợt lở đất ..........................................................10 1.1. Tai biến tr−ợt lở đất và các kiểu tr−ợt lở đất.......................................................10 1.2. Bản chất và các đặc điểm của quá trình tr−ợt lở đất. ..........................................12 1.2.1. Các yếu tố địa chất.......................................................................................12 1.2.2. Các yếu tố cơ học, hóa học và khoáng học của đất .....................................13 1.2.3. Các yếu tố địa mạo ......................................................................................13 1.2.4. Các yếu tố thủy văn .....................................................................................15 1.2.5. Địa chấn.......................................................................................................18 1.2.6. Các yếu tố nhân tạo .....................................................................................18 1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu tr−ợt lở đất trong và ngoài n−ớc......................19 1.3.1 Tình hình nghiên cứu tr−ợt lở đất trên thế giới............................................20 1.3.2 Kinh nghiệm nghiên cứu tr−ợt lở đất bằng công nghệ viễn thám tại Malaysia ..21 1.3.3 Tình hình nghiên cứu tr−ợt lở đất ở Việt nam .............................................24 Ch−ơng 2: Một số mô hình lý thuyết ứng dụng trong cảnh báo nguy cơ trựơt lở đất. ..26 2.1 Một số mô hình lý thuyết ứng dụng trong nghiên cứu tr−ợt lở đất....................26 2.1.1. ứng dụng các mô hình Thống kê vào phân vùng cảnh báo tr−ợt lở đất.......26 2.1.2. ứng dụng mô hình Trọng số bằng chứng vào phân vùng cảnh báo tr−ợt lở đất..30 2.1.3. ứng dụng mô hình SINMAP vào phân vùng cảnh báo tr−ợt lở đất .............33 2.2. Xác định các lớp thông tin cần thiết cho mô hình. ............................................40 2.3 Bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất và ph−ơng pháp thành lập . .....................................42 2.3.1 Khái niệm bản đồ nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất : ..........................................42 2.3.2 Thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất ........................................................43 Ch−ơng 3: Nghiên cứu quy trình ứng dụng ảnh viễn thám, hệ thông tin địa lý và các mô hình toán học để phục vụ thành lập bản đồ nguy cơ trựơt lở đất. ..................................46 3.1. ảnh viễn thám phân giải cao và mô hình số địa hình :.......................................46 3.1.1 Một số loại ảnh viễn thám độ phân giải cao. ................................................46 3.1.2 Mô hình số địa hình trong nghiên cứu tr−ợt lở. ............................................48 3.2 Nghiên cứu thành lập mô hình số địa hình từ ảnh vệ tinh ALOS/Prism phục vụ nghiên cứu tr−ợt lở đất. ..............................................................................................50 3.2.1 Phần mềm SAT-PP .......................................................................................50 3.2.2 Xây dựng DSM với SAT-PP .........................................................................51 3.2.3 Một số thử nghiệm thành lập DEM ..............................................................51 3.3 Nghiên cứu đề xuất qui trình thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao kết hợp các mô hình lý thuyết. ...........................................57 3.4 Sử dụng các công cụ của GIS để xử lý, tích hợp các nguồn thông tin và ứng dụng các mô hình phân tích – cảnh báo tr−ợt lở để xây dựng bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất. ...................................................................................................................................63 3.4.1. Nghiên cứu khả năng thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất sử dụng mô hình Thống kê kết hợp dữ liệu ảnh vệ tinh và GIS.................................................63 2 3.4.2. Nghiên cứu khả năng thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất sử dụng mô hình Trọng số bằng chứng kết hợp dữ liệu ảnh vệ tinh và GIS..............................73 3.4.3. Nghiên cứu khả năng thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất sử dụng mô hình Sinmap kết hợp dữ liệu ảnh vệ tinh và GIS....................................................77 Ch−ơng 4. Thực nghiệm và đánh giá .............................................................................85 4.1. Vùng thực nghiệm ..............................................................................................85 4.1.1. Vị trí địa lý vùng nghiên cứu.......................................................................85 4.1.2 Vài nét về đặc điểm địa hình- địa chất .........................................................85 4.1.3 Đặc điểm khí t−ợng thuỷ văn........................................................................86 4.1.4 Các quá trình ngoại sinh khu vực và hoạt động của con ng−ời ....................87 4.2. Thu thập t− liệu...................................................................................................89 4.2.1 T− liệu bản đồ ...............................................................................................89 4.2.2 T− liệu viễn thám. .........................................................................................90 4.2.3 Tài liệu về khí t−ợng thuỷ văn ......................................................................92 4. 2.4 Tài liệu khác. ...............................................................................................92 4.3. Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS ................................................................................92 4.4. Thành lập bản đồ hiện trạng tr−ợt lở đất bằng t− liệu viễn thám........................93 4.4.1 Thành lập bản đồ hiện trạng tr−ợt lở đất năm 2007 bằng t− liệu ảnh vệ tinh Spot5. .....................................................................................................................93 4.4.2 Thành lập bản đồ hiện trạng tr−ợt lở đất năm 2008 bằng t− liệu ảnh vệ tinh Alos/AVNIR..........................................................................................................98 4.5. Thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất sử dụng môt số mô hình toán học kết hợp dữ liệu viễn thám và GIS............................................................................................99 4.5.1 Thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất trên cơ sở sử dụng mô hình Thống kê. ......99 4.5.2 Thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất trên cơ sở sử dụng mô hình Trọng số bằng chứng...........................................................................................................105 4.5.3 Thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất trên cơ sở sử dụng mô hình Simap.112 4.6. Đánh giá kết quả, tính khả thi của từng ph−ơng pháp và khả năng tự động hóa công nghệ thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất bằng ph−ơng pháp viễn thám và GIS. ..........................................................................................................................114 4.6.1 Đánh giá độ chính xác của các ph−ơng pháp. ............................................114 4.6.2. Khả năng tự động hóa và tính ứng dụng của công nghệ............................116 Kết luận. ......................................................................................................................118 Tài liệu tham khảo .......................................................................................................120 Phụ lục .........................................................................................................................122 3 Các từ viết tắt SPOT-Vệ tinh viễn thám SPOT của Pháp ALOS- Vệ tinh viễn thám ALOS của Nhật Bản ALOS/PALSAR- ảnh RADAR PALSAR của vệ tinh ALOS BĐĐH-Bản đồ địa hình DEM-Mô hình số độ cao CSDL- Cơ sở dữ liệu GIS-Hệ thống thông tin địa lý GPS-Hệ thống định vị toàn cầu BĐHTTL-Bản đồ hiện trạng tr−ợt lở BĐHTSDĐ-Bản đồ hiện trạng sử dụng đất GTTL- Giá trị trọng số PLLP-Phân loại lớp phủ HTLP-Hiện trạng lớp phủ. 4 Danh mục hình ảnh Hình I- 1: Sơ đồ hệ thống NADDI.................................................................................24 Hình II- 1: Một số dạng s−ờn địa hình ..........................................................................14 Hình II- 2 : Sơ đồ mô hình ổn định s−ờn dốc vô h−ớng ................................................36 Hình II- 3 : Minh hoạ khái niệm yếu tố ma sát vô h−ớng .............................................37 Hình II- 4 : Định nghĩa khu vực thu n−ớc xác định......................................................38 Hình III- 1 : ảnh PRISM thể hiện trong SAT-PP ..........................................................52 Hình III- 2: Sơ đồ khối xây dựng tự động DSM bằng phần mềm SAT-PP....................53 Hình III- 3 : DEM khu vực Bắc Giang thành lập từ t− liệu ALOS/PRISM ...................55 Hình III- 4 : ảnh Prism khu vực nghiên cứu .................................................................56 Hình III- 5 : DEM khu vực nghiên cứu..........................................................................57 Hình III- 6 : Sơ đồ hệ thống Qui trình thành lập bản đồ các vùng có nguy cơ tr−ợt lở đất ...62 Hình III- 7: Quy trình công nghệ thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ.........................66 Hình III- 8: Sơ đồ quy trình công nghệ tích hợp viễn thám và GIS trong thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất áp dụng cho mô hình thống kê .........................................72 Hình III- 9: Sơ đồ quy trình công nghệ tích hợp viễn thá m và GIS trong thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất á p dụng cho mô hình trọng số bằng chứng...................................................................75 Hình III- 10: Sơ đồ quy trình công nghệ thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất bằng mô hình SINMAP ........................................................................................................79 Hình III- 11: Ví dụ thể hiện tính toán thống kê mật độ tr−ợt lở theo vùng ...................83 Hình IV- 1: Sơ đồ bảng chắp các mảnh bản đồ địa hình trên khu vực nghiên cứu .......90 Hình IV- 2: Sơ đồ t− liệu ảnh vệ tinh SPOT5 ................................................................91 Hình IV- 3: Sơ đồ t− liệu ảnh vệ tinh ALOS trong khu vực nghiên cứu........................92 Hình IV- 4: Quy trình công nghệ thành lập bản đồ hiện trạng tr−ợt lở đất ...................98 Hình IV- 5 :Sơ đồ mô tả giá trị chỉ số nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất của khu vực nghiên cứu tính toán theo ph−ơng pháp chỉ số thống kê .................................................104 Hình IV- 6 : Sơ đồ mô tả giá trị chỉ số nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất của khu vực nghiên cứu tính toán theo ph−ơng pháp trọng số bằng chứng .........................................111 Hình IV- 7: Sơ đồ các vùng tính toán trong mô hình SINMAP...................................112 5 Danh mục bảng biểu Bảng III- 1 : Một số tính năng kỹ thuật của bộ cảm PRISM .........................................48 Bảng III- 2: Một số tính năng kỹ thuật cơ bản của bộ cảm AVNIR-2 ..........................48 Bảng III- 3 : Các thông số đầu vào của mô hình Thống kê và Trọng số bằng chứng khai thác trực tiếp bằng ph−ơng pháp viễn thám và GIS ...............................................77 Bảng III- 4 : Các thông số đầu vào của mô hình SINMAP khai thác trực tiếp bằng ph−ơng pháp viễn thám và GIS..............................................................................84 Bảng IV- 1. Kết quả tính toán giá trị Wij của các lớp trong các yếu tố gây tr−ợt lở đất...................99 Bảng IV- 2 : Phân bố diện tích và tỷ lệ phần trăm các nhóm nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất của khu vực nghiên cứu tính toán theo mô hình thống kê .............................103 Bảng IV- 3 : Kết quả tính toán giá trị Cij của các lớp trong các yếu tố gây tr−ợt lở đất.................105 Bảng IV- 4 : Phân bố diện tích và tỷ lệ phần trăm các nhóm nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất của khu vực nghiên cứu tính toán theo ph−ơng pháp trọng số bằng chứng ...109 Bảng IV- 5: Bảng các thông số đầu vào của mô hình SINMAP..................................113 Bảng IV- 6: Phân khoảng các giá trị ổn định SI ..........................................................113 Bảng IV- 7 : Phân bố diện tích và tỷ lệ phần trăm các nhóm nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất của khu vực nghiên cứu tính toán theo mô hình SINMAP ............................114 6 Mở đầu ở rất nhiều n−ớc trên thế giới hàng năm luôn xảy ra các vụ tr−ợt lở đất nghiêm trọng. Đặc biệt là các n−ớc vùng nhiệt đới nh− Nam á: tháng 1 năm 2006 tại Indonesia đã xảy ra tr−ợt lở đất ở đảo Java làm chết 75 ng−ời. Ngày 17 tháng 2 năm 2006 tại Philipin đã xảy ra trận lở đất cực kỳ nghiêm trọng, vụ tr−ợt lở đất này đã làm chết gần 1800 ng−ời. Tại các vùng núi phía Bắc Thái Lan hàng năm cũng xảy ra các vụ tr−ợt lở đất làm hàng trăm ng−ời chết, Malaysia là quốc gia ở Đông Nam á cũng th−ờng xảy ra tr−ợt lở đất, năm 1999 tại quốc gia này đã xảy ra hai vụ tr−ợt lở đất là chết 245 ng−ời. ở Việt Nam, hàng năm thiên tai do tr−ợt lở đất gây ra ở các vùng núi của đã gây thiệt hại rất lớn về ng−ời và của, đặc biệt, truợt lở đất đã làm chết hàng trăm ng−ời. Năm 2004 trong vụ tr−ợt lở đất ở Quảng Ninh đã vùi lấp cả một làng, làm chết hơn 50 ng−ời. Gần đây nhất, năm 2007 tại khu vực Miền trung, tr−ợt lở đất đã làm chết và mất tích 81 ng−ời, tổng thiệt hại về tài sản lên đến hàng ngàn tỉ đồng. Ngoài ra, tr−ợt lở đất hàng năm cũng là tổn hại nghiên trọng đến hệ thống đ−ờng giao thông, nh− QL6 đoạn chạy qua Hoà Bình và Sơn La... Đặc điểm chung của trựơt lở đất là xảy ra rất bất ngờ, trong thời gian ngắn, làm cho ng−ời dân không thể kịp ứng phó hoặc chạy thoát, hàng chục ngàn mét khối đất đá có thể vùi lấp cả một làng. Để giảm thiểu và hạn chế thiệt hại do tr−ợt lở đất gây ra, các n−ớc có trình độ công nghệ tiên tiến đã xây dựng hệ thống cảnh báo sớm trên cơ sở sử dụng hệ thống trang thiết bị cảnh báo tiên tiến kết hợp sử dụng dữ liệu bản đồ đ−ợc xây dựng bằng ph−ơng pháp viễn thám và GIS. Trong đó việc thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất là biện pháp đ−ợc đầu t− nghiên cứu ứng dụng. ở Việt Nam, trong những năm gần đây cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu và các bản đồ khoanh vùng nguy cơ tr−ợt lở đất, tuy nhiên các công trình này còn mang nặng tính lý thuyết, các sản phẩm bản đồ chủ yếu ở tỉ lệ trung bình và nhỏ. Trong quá trình thực hiện của đề tài, tháng 1 năm 2008 Trung tâm Viễn thám đã cử đoàn cán bộ sang Malaysia để nghiên cứu và trao đổi kinh nghiệm về ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong giám sát và cảnh báo tr−ợt lở đất. Malaysia đã phát triển công nghệ vũ trụ theo dõi và cảnh báo tr−ợt lở đất từ những năm 80 của thế kỷ tr−ớc, đến nay n−ớc này đã có nhiều kinh nghiệm và sự phát triển về công nghệ cảnh báo tr−ợt lở đất, trong đó đã sử dụng công nghệ viễn thám và 7 GIS trên cơ sở kết hợp mô hình toán học tính toán các giá trị thông tin đầu vào đẻ thành lập bản đồ cảnh báo tr−ợt lở đất là những nội dung phi công trình cơ bản. Với mong muốn ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong cảnh báo nguy cơ tr−ợt lở đất hiệu quả và có thể ứng dụng vào thực tế, Trung tâm Viễn thám quốc gia đã đ−ợc giao chủ trì đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ có tên gọi: “Nghiên cứu ứng dụng t− liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao và các mô hình lý thuyết để thành lập bản đồ các vùng có nguy cơ tr−ợt lở đất ở khu vực miền núi” Chủ nhiệm đề tài: Nghiêm Văn Tuấn Học hàm, học vị, chuyên môn: Thạc sỹ Chức vụ: Cán bộ nghiên cứu . Cơ quan: Trung tâm Viễn thám quốc gia Địa chỉ: 108 phố Chùa Láng - Đống Đa - Hà Nội Điện thoại: 7 638 824 Cơ quan chủ quản: Bộ Tài nguyên và Môi tr−ờng Cơ quan chủ trì: Trung tâm Viễn thám Thời gian thực hiện: 24 tháng (từ tháng 1/2007 đến tháng 12/2008) Mục tiêu của đề tài : - Nghiên cứu ứng dụng t− liệu ảnh viễn thám kết hợp với các các mô hình lý thuyết để thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất. - Thử nghiệm xác định mô hình toán học thích hợp đối với điều kiện thực tế ở Việt Nam. - Nghiên cứu khả năng ứng dụng t− liệu ảnh vệ tinh Alos/PRISM để thành lập mô hình số địa hình phục vụ phân tích đánh giá nguy cơ tr−ợt lở đất. Ph−ơng pháp nghiên cứu: a. Giới hạn vấn đề nghiên cứu. Trong đề tài này vấn đề ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất thực hiện với các nội dung sau: - Kế thừa các kết quả nghiên cứu của các công trình nghiên cứu tr−ợt lở đã công bố, tiếp tục nghiên cứu bổ sung, không đi sâu về phân tích nguyên nhân theo h−ớng địa chất, địa mạo, chỉ tập trung nghiên cứu h−ớng giải pháp kỹ thuật xử lý ảnh vệ tinh độ phân giải cao và GIS nhằm khai thác thông tin phục vụ mục tiêu nghiên cứu của đề tài. - Nghiên cứu các ph−ơng pháp phân tích, giải đoán ảnh vệ tinh độ phân giải cao để thành lập bản đồ hiện trạng tr−ợt lở đất (không đề cập đến ảnh máy bay, ảnh LiDAR). 8 - Nghiên cứu ứng dụng một số mô hình lý thuyết – cảnh báo tr−ợt lở đất bao gồm một số mô hình toán học, mô hình hoá hình thái tr−ợt lở nhằm xác định vùng có nguy cơ tr−ợt lở đất. Xác định các lớp thông tin cần thiết cho mỗi mô hình. - Thử nghiệm trên khu vực và điều kiện t− liệu cụ thể, đánh giá và hoàn thiện qui trình công nghệ đề xuất. b. Ph−ơng pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu xây dựng bản đồ các vùng có nguy cơ tr−ợt lở bằng các mô hình toán học sử dụng các thông số chiết tách từ ảnh vệ tinh độ phân giải cao làm các thông số đầu vào. - Sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh, phân tích ảnh, tích hợp ảnh vệ tinh độ phân giải cao và GIS trong mô hình phân tích. - Nghiên cứu đề xuất qui trình thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao và các mô hình lý thuyết. - Nghiên cứu ph−ơng pháp thành lập mô hình số độ cao từ nguồn t− liệu Alos/PRISM. - Sử dụng các công cụ của GIS để xử lý, tích hợp các nguồn thông tin và ứng dụng các mô hình phân tích - cảnh báo tr−ợt lở để xây dựng bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất. Kết quả nghiên cứu đạt đ−ợc: - Báo cáo kết quả nghiên cứu ứng dụng t− liệu ảnh vệ tinh và các mô hình lý thuyết để thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất ở khu vực miền núi (các chuyên đề). - Quy trình công nghệ, các ph−ơng án ứng dụng t− liệu ảnh vệ tinh và các mô hình lý thuyết để thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất ở khu vực miền núi. - Quy trình công nghệ, ph−ơng pháp thành lập mô hình số độ cao từ nguồn t− liệu Alos/PRISM hoặc PalSAR - Một số sản phẩm thực nghiệm: Mô hình số độ cao thành lập từ ảnh Alos/Prism, Bản đồ hiện trạng tr−ợt lở đất, Bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất. - Báo cáo tổng kết đề tài Phần chính của “Báo cáo tổng kết đề tài” gồm 120 trang báo cáo, hình vẽ, bảng biểu, phụ lục ..... Bố cục của báo cáo gồm các phần chính sau đây: Mở đầu Ch−ơng I: Tổng quan về nghiên cứu tr−ợt lở đất Ch−ơng II: Một số mô hình lý thuyết ứng dụng trong cảnh báo nguy cơ tr−ợt lở đất. Ch−ơng III: Nghiên cứu quy trình ứng dụng ảnh viễn thám, hệ thông tin địa lý và các mô hình toán học để nghiên cứu nguy cơ trựơt lở đất. Ch−ơng IV: Thực nghiệm và đánh giá 9 Kết luận. Tài liệu tham khảo Phụ lục. 10 Ch−ơng I: Tổng quan về nghiên cứu tr−ợt lở đất 1.1. Tai biến tr−ợt lở đất và các kiểu tr−ợt lở đất a. Tai biến tr−ợt lở đất Tr−ợt lở là một dạng tiêu biểu của tai biến môi tr−ờng do các quá trình địa động lực ngoại sinh với tính chất hiểm họa. Tuy nhiên những hiểm họa tr−ợt lở chỉ là những hiểm họa cuối cùng của tai biến tiềm ẩn và vấn đề đó càng rõ nét ở vùng đất dốc. Tr−ợt lở là thuật ngữ quen thuộc trên nhiều văn bản quốc tế dùng để chỉ hầu hết các hiện t−ợng chuyển động của các khối đất đá, đá tảng, các mảnh vụng bị tách khỏi nền gốc ở trên cao, di chuyển xuống phía chân s−ờn ở d−ới thấp. - Thể tr−ợt: là khối đất đá bị dịch chuyển tách khỏi nền gốc (đới sinh tr−ợt). - G−ơng tr−ợt: là bề mặt chia tách phần nền gốc, đới sinh tr−ợt với thể tr−ợt, th−ờng tạo thành các mặt lõm trên s−ờn địa hình diễn ra tr−ợt lở. Trên các s−ờn dốc, hiện t−ợng tr−ợt lở th−ờng kéo theo hiện t−ợng tr−ợt đổ, nghĩa là đất đá rơi tự do, d−ới tác dụng của trọng lực ngay sau khi tách khỏi nền đá gốc hay đới sinh tr−ợt. S−ờn có độ dốc càng lớn, khả năng tr−ợt đổ càng cao. Thông th−ờng trong thực tế có các loại tr−ợt sau đây: - Kiểu rơi: vật liệu vụn đổ lở. - Kiểu tr−ợt: tr−ợt quay vết g−ơng tr−ợt cong lõm về phía trên, tr−ợt tịnh tiến nếu g−ơng tr−ợt là mặt phẳng có thể nằm ngang hay nghiêng. Th−ờng đó là bề mặt gắn kết yếu có gắn nh− một phân lớp, một lớp kem gắn kết hoặc mặt đứt gãy . Khối tr−ợt theo bề mặt này nếu giữ nguyên dạng đ−ợc gọi là khối tr−ợt, nếu bị vỡ ra đ−ợc gọi là tr−ợt vỡ . - Kiểu phân tán là kiểu phát triển liên tục quá trình tr−ợt tịnh tiến gần nằm ngang, thể tr−ợt bị tách vỡ thành khối tảng nằm chồng chất lên nhau và lan tỏa theo chiều ngang. - Kiểu dòng chảy: Dòng bùn đá, trong đó điển hình là lũ quét, lũ bùn đá... - Kiểu tr−ợt bò: Tr−ợt theo nhiều lớp song song với s−ờn dốc tốc độ rất chậm có thể làm uốn cong các thân cây. Tốc độ tr−ợt ở mặt đất là lớn nhất các lớp ở d−ới sâu tr−ợt chậm hơn. Không có ranh giới giữa lớp tr−ợt và lớp không tr−ợt. Tr−ợt bò đặc tr−ng cho hiện t−ợng co rút của khoáng vật sét trong quá trình thay đổi điều kiện thủy văn. 11 Ngoài các kiểu tr−ợt phổ biến trên, còn gặp một số loại tr−ợt lở nh−: tr−ợt chảy, khi đới sinh tr−ợt tồn tại các mạch n−ớc ngầm, hoặc trong vùng m−a bão nhiều kiểu nhiệt đới, thể tr−ợt là đá bở rời bão hòa n−ớc, có khi tạo thành dòng bùn di động linh hoạt (lũ quét). Trong tr−ờng hợp các tầng đất sét pha và n−ớc ch−a đủ độ tạo tr−ợt chảy, có thể thấy hiện t−ợng tr−ợt s−ờn. Khi vật liệu là các mảnh đá vụn, khô, chân s−ờn thoải, rộng sẽ gặp loại tr−ợt phân tán. b. Cấu trúc của khối tr−ợt: F.P.Xavarenxky đề nghị phân chia tr−ợt ra các kiểu: tr−ợt đơn thuần không theo mặt có sẵn (axekvent); tr−ợt theo bề mặt có sẵn (conxekvent) và tr−ợt hỗn tạp, cắt sâu (inxekvent): - Tr−ợt axekvent là các khối tr−ợt phát sinh trong đất đá đồng nhất, không phân lớp (sét, sét pha cát, cát pha sét...). Mặt tr−ợt trong những đất đất này th−ờng lõm có dạng gần cung tròn hình trụ và đ−ợc quyết định bởi các tính chất cơ lý của đất đá. Khe nứt tách vở phần trên s−ờn dốc hay mái dốc của những khối tr−ợt đó tạo nên một hoặc vài d−ờng chia tách và đất đá tr−ợt theo s−ờn dốc, mái dốc d−ới dạng một khối trên mặt tr−ợt lõm đó mà không phá vỡ chút nào đáng kể cấu trúc bên trong. Vì vậy, trên địa hình xuất hiện thềm tr−ợt chính và thềm tr−ợt bên trong. Nhiều tài liệu quan trắc cho thấy chân tr−ợt th−ờng trùng với chân s−ờn dốc hay mái dốc. Nên bên d−ới chân s−ờn dốc có các lớp đất mềm yếu, thì chân tr−ợt sẽ cắt sâu vào trong đất đó và xuất lộ ở cách chân s−ờn dốc một khoảng nào đó. - Tr−ợt conxekvent đ−ợc hình thành trong đất đá không đồng nhất và nứt nẻ. Mặt tr−ợt của loại cấu trúc này th−ờng do cấu trúc của s−ờn dốc hay mái dốc, do các bề mặt trong khối nguyên quyết định. Sự dịch chuyển của các khối đất đá d−ới dạng khối tảng, hoặc nhiều khối tảng. Cũng có tr−ờng hợp khối đất đá bị biến thành một thể gần nh− lỏng nhất và tr−ợt theo mặt nghiêng trùng hợp với các mặt hoặc các đới giảm yếu. Các mặt và các đới giảm yếu có thể là: + Mặt phân lớp đơn nguyên của đất đá. + Các lớp hay lớp kẹp đất đá mềm yếu hay nằm nghiêng (đất sét, đá sét, muội than, than...). + Bề mặt đá gốc hay ranh giới bên d−ới của tầng đá phong hóa mạnh. + Bề mặt các khe nứt. 12 Hình dạng mặt tr−ợt của các khối tr−ợt conxekvent th−ờng phẳng, gợn sóng, phân bậc nghiêng. Mặt tr−ợt đ−ợc xác định t−ơng đối dễ dàng bằng quan sát mắt th−ờng, hoặc khi tiến hành công tác thăm dò, quan trắc dài hạn khi phân tích tài liệu quan trắc địa chất. Tr−ợt conxekvent phân bố rộng rãi nhất. - Tr−ợt inxekvent (mặt tr−ợt nằm vuông góc với đ−ờng ph−ơng đất đá) cũng đ−ợc tạo thành trong đất đá không đồng nhất, phân lớp nằm ngang hoặc nghiêng về phía s−ờn dốc. Mặt tr−ợt cắt sâu và cắt ngang nhiều lớp đất đá có thành phần khác nhau. ở phần đỉnh, mặt tr−ợt dốc đứng phát triển trong khe nứt. Càng về gần chân tr−ợt mặt tr−ợt thoải dần và cắt ngang một hoặc nhiều đất đá. 1.2. Bản chất và các đặc điểm của quá trình tr−ợt lở đất. Hiện t−ợng tr−ợt lở đất đ−ợc cho là có liên quan đến mối quan hệ giữa kháng lực của đất đá hình thành trên s−ờn dốc đối với trọng lực của chúng. Một sự cố tr−ợt sẽ xảy ra khi mà thế cân bằng của mối quan hệ đó nghiêng về phía trọng lực. Mối quan hệ này có thể bị thay đối bởi những tác động do tự nhiên và do con ng−ời. Các yếu tố có ảnh h−ởng tới sự ổn định của s−ờn dốc và các sự cố tr−ợt là rất đa dạng và rất khác nhau, chúng t−ơng tác với nhau theo cách rất phức tạp [31]. Các yếu tố tự nhiên có thể đ−ợc chia thành năm nhóm: độ bền của đất, hóa học đất, khoáng vật học; địa chất; địa mạo; thủy văn; và địa chấn [26]. 1.2.1. Các yếu tố địa chất Độ ổn định của s−ờn dốc có mối liên quan đến các kiểu thạch học khác nhau, và mối quan hệ này mạnh hay yếu phụ thuộc rất lớn vào mỗi kiểu thạch học đó. Sự phong hóa th−ờng làm biến đổi các thuộc tính cơ lý, khoáng vật và thủy văn của thạch học, do đó sự phong hóa cũng là một yếu tố quan trọng đối với độ ổn định s−ờn trong mọi hoàn cảnh môi tr−ờng [26]. Một yếu tố địa chất quan trọng khác trong nghiên cứu tai biến tr−ợt lở là trật tự phân lớp không ổn định. Điều này xảy ra khi sự dịch chuyển của khối đất đá trên mặt phân lớp đ−ợc kích hoạt khi mà áp suất lỗ hổng phát triển tại giao diện giữa hai lớp thạch học khác nhau (ví dụ nh− giữa cát kết và sét kết), hoặc khi mà độ bền của lớp trầm tích sét bị yếu đi do n−ớc thấm qua lớp thạch học ở phía trên [10]. Do vậy các sự cố tr−ợt lở đất th−ờng xảy ra mỗi khi có những cơn m−a lớn kéo dài. Nhìn chung ng−ời ta xác định đ−ợc bốn kiểu trật tự phân lớp không ổn định nh− sau: (1) phân lớp xen kẽ giữa các đá cứng và mềm; (2) Đất đá có thành phần bị biến đổi cao và khả năng thấm cao 13 nằm trên một lớp đất đá có khả năng thấm thấp; (3) Các lớp đất mỏng nằm trên đá gốc; (4) Mũ đá (có nứt nẻ) nằm trên các đá phong hóa dày. Độ bền t−ơng đối của đất đá chịu ảnh h−ởng lớn bởi các hoạt động kiến tạo trong quá khứ và quá trình phong hóa hiện thời. Đặc biệt, các hoạt động tân kiến tạo cũng đóng một vai trò đối với sự ổn định của s−ờn dốc thông qua các quá trình dập vỡ, đứt gãy, tách giãn và biến dạng cấu trúc [19]. Các đứt gãy và các cấu trúc dạng tuyến th−ờng đ−ợc quan tâm nghiên cứu trong các đánh giá tai biến tr−ợt lở đất. 1.2.2. Các yếu tố cơ học, hóa học và khoáng học của đất Các yếu tố cơ học, hóa học và khoáng học của đất có liên quan rất chặt chẽ đến các tính chất tự nhiên và trạng thái cân bằng của đất. C−ờng độ cắt là một trong những đặc tính cơ học rất quan trọng có ảnh h−ởng lớn đến độ ổn định tự nhiên và nhân tạo của các s−ờn dốc. Nó không có một giá trị nhất định nh−ng lại bị ảnh h−ởng rất lớn bởi các hoạt động tải trọng xảy ra trên s−ờn mà nhất là do ảnh h−ởng của l−ợng n−ớc trong đất. C−ờng độ cắt đất cơ bản đ−ợc biểu diễn nh− là một hàm số của áp lực thẳng đứng lên mặt tr−ợt, lực cố kết, và góc ma sát trong [7]. Một đặc tính tự nhiên quan trong khác nữa là hàm l−ợng sét trong đất. Các khoáng chất sét là sản phẩm phong hóa hóa học của đất đá rất quan trọng. Có rất nhiều các nghiên cứu đã thử nghiệm liên hệ giữa một số các khoáng chất sét cụ thể với các kiểu tr−ợt và sự nhạy cảm đối với tr−ợt lở của các s−ờn dốc. Sự tích tụ sét trong các khe nứt tàn d− cũng đ−ợc liên hệ với các sự cố tr−ợt. Khoáng học sét và hóa học sét cũng có thể cung cấp những dấu hiệu liên quan đến các trạng thái của các mặt tr−ợt tiềm năng [25]. 1.2.3. Các yếu tố địa mạo 1.2.3.1. Độ dốc s−ờn Độ dốc s−ờn có liên quan rất chặt chẽ đến sự khởi đầu của các sự cố tr−ợt. Trong phân lớn các nghiên cứu về tr−ợt lở, độ dốc s−ờn đ−ợc xem nh− là một yếu tố gây tr−ợt hoặc kích hoạt tr−ợt chính [27]. Đôi khi ng−ời ta coi góc dốc của s−ờn nh− là một chỉ số của sự ổn định s−ờn, và trong GIS nó có thể đ−ợc tính toán d−ới dạng số và có thể mô tả theo không gian [15]. 14 Ngoài ra, các yếu tố động lực môi tr−ờng cũng có ảnh h−ởng rất lớn đối với tr−ợt lở. Ví dụ nh− các khối tr−ợt nhanh và các dòng tr−ợt vụn thậm chí có thể xuất hiện trong những khu vực có góc dốc thấp. Điều này chứng tỏ rằng các yếu tố địa mạo, địa chất, thủy văn, thổ nh−ỡng đều là những yếu tố quyết định đến sự ổn định của s−ờn. 1.2.3.2. Hình dạng s−ờn Hình dạng s−ờn có một ảnh h−ởng rất lớn đến độ ổn định s−ờn trong những vùng địa hình dốc do sự tập trung n−ớc hay phân chia n−ớc trên bề mặt s−ờn và lớp d−ới bề mặt s−ờn. Theo đơn vị địa mạo - thủy văn, có ba dạng s−ờn cơ bản: s−ờn lồi (divergent / convex), s−ờn phẳng (plannar / straight) và s−ờn lõm (convergent / concave). Nhìn chung, dạng s−ờn lồi là dạng s−ờn ổn định nhất trong vùng địa hình dốc, ít ổn định hơn là dạng s−ờn phẳng và kém ổn định nhất là dạng s−ờn lõm. Nguyên nhân là do cấu trúc địa hình có ảnh h−ởng rất rộng lớn đến sự tập trung hay phân chia n−ớc trên bề mặt s−ờn và lớp d−ới bề mặt s−ờn. Dạng s−ờn lõm có xu h−ớng tập trung n−ớc ở lớp d−ới bề mặt s−ờn vào những khu vực nhỏ của s−ờn, và do đó làm cho áp suất của n−ớc trong các lỗ hổng tăng lên một cách nhanh chóng khi có m−a bão hoặc trong những thời gian m−a kéo dài. Khi áp suất lỗ hổng hình thành trong các lỗ rỗng, lực cắt đất sẽ giảm xuống một giá trị tới hạn và một sự cố tr−ợt có thể sẽ xảy ra. Nh− vậy, các lỗ rỗng là những diểm nhạy cảm đối với sự khởi đầu của các khối tr−ợt vụn hoặc các dòng tr−ợt vụn [1]. (1) - S−ờn lồi (2) - S−ờn phẳng (3) - S−ờn lõm Hình II- 1: Một số dạng s−ờn địa hình 1.2.3.3. H−ớng dốc và độ cao H−ớng dốc có ảnh h−ởng rất mạnh mẽ đến các quá trình thủy văn thông qua sự thoát- bốc hơi n−ớc, và do đó có ảnh h−ởng đến các quá trình phong hóa và sự phát triển của 15 thực vật trên s−ờn, đặc biệt là đối với môi tr−ờng khô hạn [26]. Những đặc điểm nh− vậy có khả năng làm tăng sự mất ổn định s−ờn. Các mối quan hệ thống kê giữa độ cao và các hiện t−ợng tr−ợt lở đã đ−ợc nghiên cứu trong rất nhiều công trình. Nói chung, độ cao th−ờng có liên quan với các sự cố tr−ợt thông qua các yếu tố khác nh− độ dốc, thạch học, sự phong hóa, l−ợng n−ớc m−a, sự chuyển động trên bề mặt, độ dày thổ nh−ỡng và việc sử dụng đất. Ví dụ, các vùng miền núi th−ờng phải đối mặt với những l−ợng n−ớc m−a rất lớn từ những cơn m−a. 1.2.4. Các yếu tố thủy văn Yếu tố thủy văn cũng đóng vai trò quan trọng đối với sự khởi đầu các sự cố tr−ợt. Một số quá trình thủy văn đáng chú ý nhất là m−a (sự phân bố về không gian và thời gian của l−ợng m−a), sự thấm n−ớc vào trong đất (và tiềm năng của các dòng chảy mặt), dịch chuyển ngang và thẳng đứng trong thạch học, thoát-bốc hơi n−ớc…. M−a: Một trong những nguyên nhân quan trọng tác động đáng kể tới quá trình tr−ợt lở đất chính là l−ợng m−a. Chính vì vậy trong nghiên cứu phân vùng nguy cơ tr−ợt lở đất việc xây dựng bản đồ phân bố l−ợng m−a là hết sức cần thiết. Bản đồ này sẽ là một đầu vào quan trọng trong tính toán, phân vùng nguy cơ tai biến tr−ợt lở sau này. Sự phân bố theo không gian của l−ợng m−a có quan hệ mật thiết với sự khởi đầu của các hiện t−ợng tr−ợt [2] thông qua ảnh h−ởng của việc hình thành áp suất n−ớc lỗ hổng trên các s−ờn không ổn định. Một số nhà khoa học th−ờng coi một trong bốn thuộc tính liên quan đến l−ợng m−a sau nh− là những yếu tố gây nên tr−ợt: tổng l−ợng m−a, c−ờng độ m−a trong một thời gian ngắn, l−ợng m−a rơi trong đợt m−a bão và khoảng thời gian xảy ra m−a bão. Tuy nhiên, ng−ời ta vẫn ch−a xác định đ−ợc kiểu thuộc tính về l−ợng m−a nào có mối liên quan nhất với các hiện t−ợng tr−ợt lở. Một số ng−ời đã cho rằng c−ờng độ m−a trong một thời ngắn đóng vai trò quyết định nhất, một số khác lại cho rằng có mối liên hệ giữa các sự cố tr−ợt với l−ợng m−a xảy ra trong một thời gian dài [26]. Các đặc tính thủy văn của đất và đá gốc bị phong hóa Các đặc tính thủy văn của đất gây ảnh h−ởng đến sự ổn định của s−ờn dốc có thể chi phối tốc độ di chuyển của n−ớc vào s−ờn dốc cũng nh− khả năng giữ n−ớc của nó. Ngoài ra, cấu trúc, mật độ và h−ớng của các khe nứt trong đá gốc và trong các vật liệu 16 bên d−ới khác cũng có vai trò quyết định tới việc n−ớc từ lớp đất bên trên thấm xuống d−ới hay n−ớc từ bên d−ới thấm lên lớp đất bên trên. ở vi tỷ lệ, tốc độ di chuyển của n−ớc trong đất trên s−ờn đ−ợc đặc tr−ng bởi khả năng di chuyển của n−ớc trong đất (transmitivity - K), l−ợng n−ớc chảy d−ới bề mặt trên một đơn vi gradient thủy lực. Đất sét và đất thịt với những lỗ rỗng rất nhỏ th−ờng có các giá trị K nhỏ hơn rất nhiều so với các loại đất có cấu trúc thô hơn. Hơn nữa, để diễn tả đ−ợc tính thấm của đất trong những điều kiện ẩm −ớt nh−ng ch−a bão hòa n−ớc, ng−ời ta cần phải đánh giá đ−ợc các giá trị K ch−a bão hòa. Khả năng di chuyển của n−ớc trong đất của một lớp bị giam hãm bên d−ới những dạng địa hình không ổn định sẽ chi phối sự dẫn n−ớc dài hạn và do đó cũng chi phối cả độ ẩm của lớp vỏ ở phía trên [26]. Khi một lớp có khả năng thấm n−ớc bị giữ lại trong một chất nền có tính sét, áp suất lỗ hổng có thể đ−ợc tích lại và dẫn đến sự mất ổn định của s−ờn. Ngoài ra, tính rỗng cao của những lớp đất nằm t−ơng đối sâu trên những s−ờn rất dốc có thể trở nên không ổn định sau những thời kỳ m−a kéo dài cho dù áp suất lỗ hổng tăng [26]. Sự thấm n−ớc Khái niệm tốc độ thấm có liên quan đến l−ợng n−ớc thực sự đi vào trong đất và phụ thuộc vào các yếu tố vật lý, sinh học, địa hình và canh tác cũng nh− tốc độ phân phối n−ớc (nghĩa là c−ờng độ m−a hoặc tốc độ tan của tuyết). Khả năng thấm n−ớc có quan hệ với l−ợng n−ớc lớn nhất hay l−ợng n−ớc tiềm năng chảy vào trong đất tại một thời điểm nhất định (khả năng thấm n−ớc luôn luôn lớn hơn hoặc bằng với tốc độ thấm). Tốc độ thấm của n−ớc vào trong đất bị ảnh h−ởng rất nhiều bởi các đặc tính tự nhiên của đất (tức là độ lỗ hổng, khả năng di chuyển của n−ớc trong đất, sự phân bố của kích th−ớc lỗ hổng, mạng l−ới dòng chảy th−ờng xuyên), thảm thực vật, tập quán canh tác, các hiện t−ợng băng giá, và điều kiện của địa hình. Ng−ời ta đã chứng minh đ−ợc rằng tốc độ thấm của n−ớc có một mối quan hệ gián tiếp tới độ ổn định của s−ờn [29]. Dòng chảy d−ới lớp mặt Do các quá trình dòng chảy d−ới lớp mặt chi phối sự di chuyển trên s−ờn của n−ớc đã đ−ợc thấm xuống nên các quá trình này có ảnh h−ởng tới các đặc điểm của sự phân bố áp suất n−ớc lỗ hổng theo cả không gian và thời gian[26]. Dòng chảy th−ờng xuyên 17 trong đất và d−ới đá gốc có thể tạo nên một sự chi phối rất lớn lên sự phát triển của áp suất lỗ hổng trên các s−ờn dốc, và do đó có ảnh h−ởng tới sự khởi đầu của các hiện t−ợng tr−ợt lở [28]. áp suất n−ớc lỗ hổng Nói chung, áp suất lỗ hổng th−ờng hình thành tạm thời trong các g−ơng n−ớc ngầm trong thạch học và có liên quan đến sự khởi đầu hoặc sự thúc đẩy các sự cố tr−ợt. Các trũng địa mạo có xảy ra các sự cố tr−ợt th−ờng đặc biệt nhạy cảm với sự phát triển của g−ơng n−ớc ngầm do có sự hội tụ của các dòng chảy d−ới lớp bề mặt [28]. Sự ảnh h−ởng của thực vật Thực vật th−ờng làm tăng độ ổn định của s−ờn theo hai con đ−ờng: (1) bằng cách loại bỏ sự ẩm −ớt trong đất thông qua sự thoát-bốc hơi n−ớc, và (2) bằng cách tạo nên sự cố kết của rễ cây vào đất. Do vậy, thực vật cũng đ−ợc xem nh− một nhân tố chính có ảnh h−ởng tới các hiện t−ợng tr−ợt lở. Một số ảnh h−ởng của thực vật tới các quá trình thủy văn và cơ học tác động đến sự ổn định của s−ờn bao gồm [6]: ƒ Sự hạn chế l−ợng m−a do tán thực vật, do vậy thúc đẩy sự bốc hơi n−ớc và giảm đi l−ợng n−ớc thấm xuống đất. ƒ Hệ thống rễ hút n−ớc từ đất do sinh lý (thông qua sự thoát hơi) dẫn đến việc làm giảm đi độ ẩm trong đất. ƒ Hệ thống rễ của những cây gỗ lớn làm cho lớp vỏ bám chặt vào lớp nền ổn định hơn. ƒ Hệ thống rễ lớn liên kết các bề mặt yếu dọc theo s−ờn của các khối tr−ợt tiềm năng. ƒ Hệ thống rễ tạo nên một lớp màng gia cố vào lớp vỏ, làm tăng c−ờng độ cắt đất Hệ thống rễ của các cây gỗ bám vào lớp đá cứng tăng độ độ ổn định của s−ờn. ƒ Trọng l−ợng của cây cối làm tăng các lực thành phần xuống phía d−ới s−ờn. 18 1.2.5. Địa chấn Địa chấn cũng là một trong những yếu tố chính kích hoạt các sự cố tr−ợt. Phần lớn các sự cố tr−ợt trong quá khứ đ−ợc kích hoạt bởi yếu tố địa chấn và các sự cố đó xảy ra ngày càng nhiều và th−ờng rất bất ngờ. Kiểu tr−ợt đ−ợc kích hoạt bởi động đất phổ biến nhất là các hiện t−ợng đá đổ, đá rơi th−ờng phát triển trên các s−ờn dốc. Thực tế bất cứ kiểu tr−ợt nào cũng có thể xảy ra, bao gồm các hiện t−ợng đất đá rơi nhanh và vỡ thành mảnh vụn, tr−ợt chậm dạng kết dính, tr−ợt khối và đất chảy, tr−ợt dòng. Các hiện t−ợng đá đổ, đá rơi dạng vỡ vụn, tr−ợt dòng là những hiện t−ợng tr−ợt phổ biến nhất đ−ợc kích hoạt do động đất, còn các hiện t−ợng tr−ợt thành dòng có khả năng vận chuyển các vật liệu đi xa nhất. Chỉ có một kiểu tr−ợt đ−ợc coi là duy nhất có liên quan tới động đất là hiện t−ợng tr−ợt do tr−ơng nở; kiểu tr−ợt này có thể gây nên sự nứt nẻ hoặc sụt lún của mặt đất. Sự tr−ơng nở có liên quan đến sự tạm thời mất đi độ bền của các thành phần cát và mùn đóng vai trò nh− là dung dịch nhớt. Chính điều này có thể tạo nên tác động tàn phá của những trận động đất lớn. Những hiện t−ợng tr−ợt lở lớn nhất và tàn khốc nhất đ−ợc biết đến th−ờng có liên quan đến các núi lửa. Chúng th−ờng xảy ra khi có núi lửa phun hoặc là hậu quả của sự vận động của các trầm tích hình thành từ các hoạt động của núi lửa [10]. 1.2.6. Các yếu tố nhân tạo Các hiện t−ợng tr−ợt lở có thể là kết quả trực tiếp hay gián tiếp liên quan đến các hoạt động của con ng−ời. Ch−a có một nghiên cứu đầy đủ nào đề cập đ−ợc hết các tác động của con ng−ời gây nên các hiện t−ợng tr−ợt lở. Có thể nêu ra một số các ví dụ nh− sau: ƒ Các hoạt động xẻ núi làm đ−ờng, làm tăng độ dốc của s−ờn, tăng khả năng làm mất ổn định s−ờn. ƒ Các hoạt động làm tăng tải trọng trên các s−ờn dốc, phổ biến là việc xây dựng nhà cửa, tăng khả năng làm mất ổn định s−ờn, làm thay đổi chế độ thủy văn trên s−ờn và do đó gây tác động xấu đến sự ổn định của s−ờn. ƒ Việc chặt cây, phá rừng làm tăng khả năng xói mòn đất và làm yếu đi khả năng giữ đất của rễ cây, do đó làm giảm đi khả năng thoát-bốc hơi n−ớc. Những chấn rung xuất hiện do các hiện t−ợng tự nhiên (nh− động đất) hoặc do nhân tạo (do các hoạt động của máy móc, nổ mìn...) 19 1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu tr−ợt lở đất trong và ngoài n−ớc. Hàng năm trên thế giới xảy ra hàng trăm vụ tr−ợt lở đất lớn và vừa, làm chết hàng ngàn ng−ời, đặc biệt là các n−ớc thuộc vùng Nam á nh− Pakistan, ấn Độ, Trung Quốc và một số n−ớc của khu vực Đông Nam á, trong đó có Việt Nam. Chính vì những thiệt hại lớn về ng−ời và của nh− vậy, cho nên ngay từ những năm 80 của thế kỷ 20, nhiều n−ớc trên thế giới đã rất chú ý đến các biện pháp, công cụ để sớm cảnh báo, cảnh báo về tr−ợt lở đất để làm giảm thiệt hại do lở đất gây ra. Do vậy, việc nghiên cứu và từng b−ớc hạn chế tác hại của tr−ợt lở đất đang là một vấn đề thời sự đối với nhiều quốc gia. Một trong các biện pháp phi công trình trong phòng chống tr−ợt lở đất đang đ−ợc áp dụng cho các khu vực th−ờng xuyên xảy ra tr−ợt lở đất là giám sát, cảnh báo và cảnh báo hiện t−ợng tr−ợt lở đất. Việc cảnh báo và cảnh báo tr−ớc hiện t−ợng tr−ợt lở đất, trong đó ph−ơng tiện chính là bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất sẽ là một biện pháp rất cần thiết có thể giảm tối đa thiệt hại về ng−ời, tài sản và là một công việc có ý nghĩa chính trị, xã hội rất lớn. Bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất là một hình thức biểu thị một cách trực quan và để sử dụng đ−ợc thuận lợi các kết quả phân tích nguy cơ tr−ợt lở đất trong một vùng nào đó. Tác dụng của bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất là: + Bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất có vai trò quan trọng trong công tác phòng tránh và giảm nhẹ thiệt hại do tr−ợt lở đất gây ra, nó đ−ợc sử dụng rộng rãi trong thực tế. + Bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất là tài liệu cơ bản cho việc lập quy hoạch phòng tránh tr−ợt lở đất: Quy hoạch phòng tránh tr−ợt lở đất bao gồm các biện pháp công trình và phi công trình. Để thực hiện các biện pháp này cần phải đầu t− lớn về nhân lực và kinh phí. Do đó, cần phải lựa chọn ph−ơng án phòng tránh tr−ợt lở đất tối −u với các biện pháp khác nhau trên cơ sở phân tích, đánh giá nguy cơ thiệt hại do tr−ợt lở đất. Bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất cung cấp những thông tin cần thiết cho việc phân tích, đánh giá này. + Bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất là tài liệu cơ bản cho việc quy hoạch phát triển KT-XH, đặc biệt là quy hoạch cơ sở hạ tầng, bố trí dân c− và sản xuất công nghiệp trong vùng. + Nâng cao hiệu quả phục vụ của công tác cảnh báo, cảnh báo tr−ợt lở đất: Cảnh báo, cảnh báo những nơi có thể bị tr−ợt lở đất với các mức độ nguy hiểm khác nhau. Tuy nhiên việc lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất ở Việt Nam hiện nay còn nhiều khó khăn trong việc thu thập đủ số liệu, thiếu bản đồ địa hình tỷ lệ lớn và cập nhật hiện 20 trạng các thông số thuộc bề mặt cũng nh− các thông tin địa chất địa mạo tại các khu vực miền núi. Việc nghiên cứu hiện t−ợng tr−ợt lở đất là nghiên cứu đa ngành, gồm: Địa chất, địa mạo, viễn thám, trắc địa, địa động lực chất lỏng và thủy văn. Với nền tảng khoa học lâu đời, ngành địa chất, địa mạo, thủy văn ... đã tham gia nghiên cứu về hiện t−ợng tr−ợt lở từ rất lâu, cũng bằng các ph−ơng pháp này đã lập nên các bản đồ phân vùng nguy cơ tr−ợt lở đất, tuy vậy thời gian và công sức bỏ ra cũng rất lớn. Với sự phát triển của công nghệ viễn thám, với các tính −u việt chụp đồng thời đ−ợc một phạm vi rộng với độ phân giải cao và khả năng chụp ảnh lập thể để có thể xây dựng mô hình số độ cao hứa hẹn những ứng dụng mới trong nghiên cứu tr−ợt lở đất ở Việt Nam và cũng là xu thế của các n−ớc khác, đó là sự kết hợp của công nghệ viễn thám, công nghệ GIS với mô hình toán học cảnh báo nguy cơ tr−ợt lở đất. 1.3.1 Tình hình nghiên cứu tr−ợt lở đất trên thế giới Việc ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu tr−ợt lở đã đ−ợc giới thiệu chi tiết về cơ sở lý thuyết và nghiên cứu thí điểm ở nhiều vùng trên thế giới. Từ cuối những năm 80 thế kỉ tr−ớc, khi những công trình ứng dụng hệ thông tin địa lí bắt đầu đ−ợc sử dụng để nghiên cứu tai biến và tr−ợt lở đất, có nhiều mô hình xây dựng trên nền GIS để phân tích và cảnh báo tai biến đ−ợc hình thành và phát triển. Đáng kể đến là các mô hình nghiên cứu tr−ợt lở điển hình của tr−ờng ITC ở Mêhico, trên sở mã nguồn của phần mềm ILWIS, đã đ−ợc chuyển thành các phần mềm riêng, đóng gói thành các mô hình chuyển giao công nghệ nh− mô hình GISSIZ [19]- Mô hình này đ−ợc xây dựng trên quan điểm tiếp cận địa lý-địa mạo. Bên cạnh đó là mô hình SINMAP lại đ−ợc xây dựng theo quan điểm địa chất công trình. Nhìn chung, đó là những nghiên cứu kỹ l−ỡng và có cơ sở khoa học để chúng ta học hỏi và áp dụng cho thực tế nghiên cứu ở Việt Nam. Tuy nhiên, h−ớng giám sát tai biến thời gian thực vẫn còn tiếp tục nghiên cứu. Xu thế ứng dụng viễn thám và GIS vào nghiên cứu tr−ợt lở đất đối các quốc gia có nền công nghệ tiên tiến đi sâu vào h−ớng phát triển kỹ thuật áp dụng viễn thám trong lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất, đó là: - Sử dụng ảnh hàng không, ảnh chụp mặt đất - Công nghệ ảnh LiDAR hàng không, ảnh LiDAR chụp mặt đất. - Sử dụng ảnh vệ tinh. 21 Và mục tiêu của các nghiên cứu áp dụng viễn thám nói chung trong nghiên cứu tr−ợt lở đất có thể đ−ợc phân ra: - Phát hiện và khoanh vùng tr−ợt lở. - Giám sát tr−ợt lở - Phân tích tr−ợt lở và cảnh báo tai biến. Nh− vậy có thể thấy h−ớng áp dụng công nghệ viễn thám và GIS đang đ−ợc −u tiên nghiên cứu, trong đó việc nghiên cứu ứng dụng viễn thám theo h−ớng tăng độ chính xác của các dữ liệu đầu vào khai thác từ viễn thám và số l−ợng các thông số đầu vào khai thác từ ảnh viễn thám đang đ−ợc quan tâm. Từ đó có thể thấy rằng, t− liệu viễn thám có vai trò rất quan trọng trong nghiên cứu tr−ợt lở đất. 1.3.2 Kinh nghiệm nghiên cứu tr−ợt lở đất bằng công nghệ viễn thám tại Malaysia Các hiện t−ợng thiên tai nh− lũ lụt, tr−ợt lở đất, hạn hán, cháy rừng và động đất, đã từng xảy ra ở Malaysia khá phổ biến. ở Malaysia, giống nh− Miền nam Việt Nam có hai mùa rõ rệt: mùa m−a và mùa khô. Vào mùa m−a thiên tai tác động nhiều đến đất n−ớc này bởi những trận m−a dài ngày, kéo theo đó là hiện t−ợng tr−ợt lở đất. Vì vậy Malaysia đặc biệt quan tâm đến việc xây dựng hệ thống giám sát thiên tai nói chung và tr−ợt lở đất nói riêng. Malaysia cũng là n−ớc có tiềm lực về công nghệ và có các công cụ hữu hiệu áp dụng trong việc phòng chống thiên tai, vì vậy trải qua nhiều lần ứng phó đối mặt với các loại thiên tai trên quy mô lớn, Malaysia là n−ớc có nhiều kinh nghiệm trong các lĩnh vực nh− giám sát và quản lý: lũ lụt, tr−ợt lở đất, hạn hán, cháy rừng.... Đặc biệt là giám sát lũ lụt, lũ quét và tr−ợt lở đất trong các vùng dân c− và vùng canh tác nông nghiệp. Riêng về tr−ợt lở đất, Malaysia đã đ−a ra đánh giá rằng, đây là hiện t−ợng thiên tai có tần suất cao, mức độ gây thiệt hại nghiêm trọng, mức độ quản lý và ứng phó cũng mới chỉ đạt mức trung bình và tính rủi ro là rất cao. N−ớc này cũng −u tiên quan tâm đến công tác giảm nhẹ thiệt hại do tr−ợt lở đất gây ra Về ph−ơng án công trình, Malaysia đã bắt đầu công tác trồng rừng tại các khu vực dân c−, khu sản xuất th−ơng mại và khu vực vui chơi giải trí... với mục đích làm giảm bớt sự xuất hiện của hiện t−ợng tr−ợt lở đất. Một số tr−ờng hợp tr−ợt lở đất gây thiệt hại lớn đã đ−ợc ghi nhận trong quá khứ nh−: Puchong năm 1981, Ampang Jaya năm năm 1983 và Genting Highlands năm 1995 đã c−ớp đi sinh mạng của 13, 48 và 21 ng−ời. Năm 2000 Jami đã giới thiệu bản đồ vùng nghiên cứu nguy cơ tr−ợt lở ở Selangor bằng công nghệ viễn thám. Điều đó đã mở ra khả năng phát triển một hệ 22 thống vận hành khép kín sử dụng ph−ơng pháp tích hợp công nghệ viễn thám và GIS cho những vùng có nguy cơ tr−ợt lở đất. Để ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS vào công tác cảnh báo vùng có nguy cơ tr−ợt lở đất, Malaysia đã sử dụng một số mô hình toán học khác nhau để nghiên cứu và đ−a vào sử dụng. Khu vực nghiên cứu thử nghiệm là vùng Selangor, mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá nguy cơ tr−ợt lở đất tại khu vực này, sau đó sẽ triển khai ứng dụng cho nhiều vùng khác nhau tại Malaysia. Trong nghiên cứu này đã sử dụng GIS và công nghệ viễn thám. Việc xác định vị trí các điểm tr−ợt lở của vùng nghiên cứu đ−ợc nhận dạng và chiết tách từ ảnh hàng không, ảnh vệ tinh và các số liệu đo đạc thực địa. Dữ liệu bản đồ địa hình, bản đồ địa chất và dữ liệu ảnh vệ tinh đ−ợc thu thập, xử lý và xây dựng thành cơ sở dữ liệu không gian GIS. Các nhân tố ảnh h−ởng đến khả năng xảy ra tr−ợt lở đất đ−ợc lựa chọn để nghiên cứu gồm: độ dốc, hình thái, độ cong, khoảng cách đến hệ thống sông suối, thạch học, khoảng cách từ các đ−ờng đứt gãy, lớp phủ mặt đất, chỉ số thực vật và sự phân bố l−ợng m−a. Vùng tr−ợt lở đất nguy hiểm đ−ợc xử lý và lập bản đồ sử dụng các nhân tố tr−ợt lở đã xảy ra bằng mô hình hàm hữu tỉ và hồi quy logic. Các kết quả xử lý đó đ−ợc kiểm tra bằng cách sử dụng dữ liệu tr−ợt lở và so sánh với các dữ liêu làm từ mô hình. Việc so sánh kết quả đã cho thấy rằng mô hình hàm hữu tỉ (có độ chính xác 93,04%) trong khẳ năng cảnh báo tốt hơn so với mô hình hồi quy logic (có độ chính xác khoảng 90,34%). Về khả năng quản lý và cảnh báo tr−ợt lở đất : Malaysia ứng dụng một mô hình công nghệ không gian cho quản lý thiên tai nh− tại các n−ớc có nền công nghệ viễn thám tiên tiến. Trong mô hình này, công nghệ viễn thám đ−ợc ứng dụng trong 3 giai đoạn: tr−ớc, trong và sau hiện t−ợng thiên tai xảy ra . Đối với giai đoạn tr−ớc khi xảy ra thiên tai, ng−ời ta tiến hành các công việc chuẩn bị nhằm mục đích cảnh báo, cảnh báo sớm. Các công việc đ−ợc tiến hành bao gồm: Phân tích mức độ nhạy cảm dễ bị tổn th−ơng của các đối t−ợng trong vùng th−ờng bị xảy ra thiên tai nh− khu dân c−, nhà x−ởng, đ−ờng xá giao thông, đất canh tác, v.v..., lập kế hoạch ứng phó. Bên cạnh đó triển khai ứng dụng các mô hình cảnh báo thiên tai để có thể cảnh báo đ−ợc các tình huống khi có thiên tai xảy ra theo thời gian. 23 Giai đoạn trong và sau khi thiên tai đã xảy ra: các công việc đ−ợc quan tâm triển khai nhằm một mục đích duy nhất là khắc phục hậu quả do thiên tai để lại và giám sát diễn biến do thiên tai gây ra. Để làm đ−ợc việc đó ng−ời ta tiến hành xác định hiện trạng vùng bị thiên tai để lập kế hoạch cứu hộ kịp thời; nghiên cứu đánh giá tác động và mức độ thiệt hại của thiên tai; lập kế hoạch tái định c−. Các thông tin này đ−ợc tích hợp trong phân tích đ−a ra các biện pháp khắc phục hậu quả. Khi đó công nghệ viễn thám đ−ợc ứng dụng để xác định các thông tin không gian cần thiết trong các công việc đ−ợc tiến hành trong sơ đồ hệ thống quản lý và cảnh báo thiên tai, xác định hiện trạng khu vực bị ảnh h−ởng bởi thiên tai, đánh giá ảnh h−ởng thiên tai và lập triển khai kế hoạch khắc phục hậu quả. Trong đó có hệ thống quản lý thiên tai NADDI. Hệ thống NADDI: Đ−ợc phát triển với mục đích thành lập một trung tâm thu thập, l−u trữ, xử lý phân tích thông tin và các dữ liệu giá trị gia tăng phổ biến để hỗ trợ cho Cục Quốc phòng của Phủ thủ t−ớng và các cơ quan quản lý về thảm họa thiên tai trong n−ớc. Hệ thống này bao gồm 3 hợp phần nh−: Hệ thống cảnh báo sớm, Hệ thống tìm kiếm giám sát và Hệ thống giảm nhẹ thiên tai. Hệ thống này đ−ợc đặt tại Cơ quan viễn thám Malaysia (MACRES). Hệ thống cảnh báo sớm có nhiệm vụ thành lập các bản đồ nguy cơ để chỉ ra những vùng nhạy cảm, dễ bị ảnh h−ởng bởi thiên tai cũng nh− cài đặt hệ thống cảnh báo ở thời gian thực đối với những vùng có nguy cơ xảy ra thảm họa cao. Hợp phần tìm kiếm và giám sát đã và đang đ−ợc thực hiện thông qua các vệ tinh quan sát trái đất nh− SPOT , các vệ tinh khí t−ợng nh− NOAA, MODIS và các hệ thống viễn thám đặt trên các vật thể bay khác, bên cạnh đó các thiết bị đo mặt đất sẽ bổ sung thông tin chính xác vùng bị ảnh h−ởng và cảnh báo phạm vi lan rộng ở gần thời điểm xảy ra thảm họa đến các cơ quan chức năng chịu trách nhiệm. Hệ thống giảm nhẹ thiên tai là cơ quan quốc tế họat động thông qua Trung tâm phối hợp phòng chống thiên tai nhằm giảm nhẹ và phòng chống thiên tai. NADDI quan tâm đến các thảm họa chính nh− lũ, tr−ợt lở, cháy rừng, tràn dầu, sóng thần và các thảm họa “nóng” khác. 24 Hình I- 1: Sơ đồ hệ thống NADDI 1.3.3 Tình hình nghiên cứu tr−ợt lở đất ở Việt nam Uỷ Ban Quốc gia về phòng chống tai biến đã đ−ợc thành lập từ nhiều năm nay và Cơ quan chuyên về nghiên cứu phòng chống tai biến thiên nhiên (DMU) do Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn quản lý đã tiến hành rất nhiều đề án nghiên cứu và tổ chức nhiều hội nghị khoa học với nội dung nghiên cứu về tr−ợt lở đất. Viện Địa chất ,Viện KHCN Quốc gia đã thực hiện thành công đề tài theo nghị định th− với chính phủ V−ơng quốc Bỉ về việc phối hợp nghiên cứu tai biến tự nhiên ở Thừa Thiên Huế bằng việc phân tích viễn thám, dự kiến sẽ cộng tác giữa Viện địa chất và Tr−ờng Đại học Liege để nghiên cứu lũ và tr−ợt lở cho địa hình ven biển Miền Trung. Các công trình nghiên cứu theo h−ớng áp dụng công nghệ viễn thám-GIS về tr−ợt lở đất ở Việt Nam đã có nhiều tác giả thực hiện, các kết quả thu đ−ợc là các bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất. Có thể tổng hợp các nghiên cứu đó theo các h−ớng chủ yếu sau: - Xác định các trọng số cho từng lớp dữ liệu theo h−ớng chủ quan trên cơ sở phân tích tầm quan trọng và sự ảnh h−ởng của từng loại dữ liệu đầu vào, sau đó tích hợp GIS theo mô hình phân tích nhân tố mà không sử dụng mô hình toán học. Hạn chế của các nghiên cứu theo ph−ơng pháp này là không thể xác định đ−ợc chính xác hệ số của từng nhân tố ảnh h−ởng. - Có sử dụng các mô hình toán học nh−ng việc ứng dụng viễn thám vẫn còn hạn chế nh− ảnh vệ tinh độ phân giải thấp (chủ yếu là dùng ảnh Landsat) và ứng dụng chủ yếu là thành lập bản đồ lớp phủ và hầu hết là thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất ở tỉ lệ nhỏ, các tham số của tự nhiên ch−a đ−ợc xem xét đầy đủ. Cảnh báo sớm Giảm nhẹ Phát hiện và Giám sát Thông báo thời gian thực Hệ thống cảnh báo và xử lý tình huống Dữ liệu và thông tin tai biến CSDL NADDI Nhiệm vụ và kế hoạch ứng cứu Điều hành và thông báo Cơ quan quản lý 25 H−ớng nghiên cứu tích hợp công nghệ viễn thám và GIS, hoặc h−ớng giám sát theo thời gian thực các tai biến ch−a đ−ợc các nhà khoa học quan tâm chi tiết. Trong số các công trình nghiên cứu đã công bố, có thể đề cập đến một số các công trình tiêu biểu sau: - Nguyễn Ngọc Thạch, Trung tâm ứng dụng Viễn thám và GIS, Tr−ờng Đại học Quốc gia Hà nội đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng Viễn thám và GIS để cảnh báo các tai biến thiên nhiên trong đó có tr−ợt lở đất tại tỉnh Hòa Bình. Trong đó, tác giả đã sử dụng ảnh vệ tinh Landsat TM kết hợp với các nguồn thông tin khác nh− cấu trúc địa chất, địa mạo, lớp phủ thực vật, độ dốc và h−ớng dốc (chiết tách từ DEM), hệ thống thủy văn ...và kết quả khảo sát thực địa. Từng lớp thông tin về các đối t−ợng trong khu vực nghiên cứu đ−ợc đánh giá và phân loại theo các chỉ số nhạy cảm với tai biến tr−ợt lở đất thông qua kinh nghiệm và phân tích định tính mà không sử dụng mô hình toán học. Tỉ lệ bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất ở tỉ lệ 1:100 000. -Lại Vĩnh Cẩm và các đồng nghiệp tại Viện Địa lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam đã ứng dụng Công nghệ GIS thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất tỉ lệ 1/50 000 cho tỉnh Quảng Bình. Trong đó tác giả đã áp dụng mô hình SINMAP- Mô hình chỉ số độ ổn định để đánh giá nguy cơ tr−ợt lở đất tại khu vực ngiên cứu. Một nguồn t− liệu hết sức quan trọng trong công tác này là Mô hình số địa hình (DEM) đ−ợc tác giả xây dựng từ bản đồ địa hình. Trong báo cáo này tác giả cũng ch−a sử dụng công nghệ viễn thám để xác định các thông số đầu vào của mô hình SINMAP. - Mai Trọng Nhuận và Đỗ Minh Đức tại Tr−ờng Đại học Quốc gia, cũng đã ứng dụng mô hình lý thuyết tích hợp với các nguồn thông tin khác trong đó có t− liệu Viễn thám và GIS để dự đoán nguy cơ tr−ợt lở đất ở khu vực Bắc Cạn. Trong báo cáo này các tác giả chủ yếu dựa trên sự phân tích định tính trọng số của các nguồn dữ liệu đầu vào với mô hình lý thuyết là mô hình tích hợp GIS, không phải là mô hình toán học. - Năm 2005, GS. Nguyễn Trọng Yêm, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hoàn thành đề tài cấp Nhà n−ớc, đề tài KC-08-01 về thành lập bản đồ cảnh báo về tr−ợt lở đất, lũ quét, lũ bùn đá ở khu vục vùng núi phía Bắc. Đây là đề tài đã đ−a ra một cái nhìn tổng thể về tình hình xảy ra tr−ợt lở ở vùng núi phía Bắc Việt Nam. Đề tài cũng đã có những phân tích nguyên nhân gây ra tr−ợt lở đất và đề xuất ph−ơng pháp luận nghiên cứu công tác cảnh báo. Tuy nhiên do vùng nghiên cứu rộng lớn, tỉ lệ bản đồ nhỏ (1:200 000) và đề tài cũng không áp dụng cụ thể một mô hình toán học nào vào quá trình tính toán và t− liệu viễn thám cũng ch−a đ−ợc sử dụng trong công trình này. 26 Ch−ơng 2: Một số mô hình lý thuyết ứng dụng trong cảnh báo nguy cơ trựơt lở đất. 2.1 Một số mô hình lý thuyết ứng dụng trong nghiên cứu tr−ợt lở đất. Hiện nay có rất nhiều các ph−ơng pháp phân vùng cảnh báo tai biến tr−ợt lở đất khác nhau. Tuy nhiên các ph−ơng pháp có thể phân chia thành 5 nhóm khác nhau là: (1) Ph−ơng pháp thành lập bản đồ địa mạo trực tiếp (direct geomorphological mapping); (2) Ph−ơng pháp phân tích sự xuất hiện tr−ợt lở (analysis of landslide inventories); (3) Ph−ơng pháp kinh nghiệm (heuristic or index based methods); (4) Các ph−ơng pháp thống kê (statistical methods) trong đó bao gồm cả các ph−ơng pháp có sử dụng thuật toán nh− mạng thần kinh (neural networks), tập mờ (fuzzy logic) và các hệ thống chuyên gia (expert systems); và (5) Các ph−ơng pháp nghiên cứu tr−ợt lở dựa trên cơ sở phân tích các đặc tính cơ học của mô hình tr−ợt lở đất. Trong phạm vi báo cáo này tập thể tác giả lựa chọn 3 mô hình vào việc cảnh báo nguy cơ xảy ra tai biến tr−ợt lở đất cho vùng nghiên cứu. Đó là các mô hình: Mô hình chỉ số thống kê (mô hình Thống kê); mô hình Trọng số bằng chứng và Mô hình SINMAP, chúng đ−ợc mô tả trong phần tiếp theo của báo cáo này. 2.1.1. ứng dụng các mô hình Thống kê vào phân vùng cảnh báo tr−ợt lở đất Trong phân tích thống kê tai biến tr−ợt lở, các tác nhân gây tr−ợt trong quá khứ đ−ợc thống kê lại nhằm cảnh báo sự xuất hiện tr−ợt lở ở những khu vực tồn tại điều kiện t−ơng tự. Dựa trên cơ sở giả thuyết này nhiều ph−ơng pháp thống kê khác đã ra đời và đ−ợc sử dụng rộng rãi trong phân tích tr−ợt lở. Do vậy trong nghiên cứu này chúng tôi chỉ mô tả các ph−ơng pháp thống kê để tính toán và phân vùng nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất. Các ph−ơng pháp phân tích thống kê nhằm cảnh báo nguy cơ tr−ợt lở đất trên cơ sở ứng dụng GIS có thể phân chia thành hai nhóm: phân tích thống kê đơn biến và phân tích thống kê đa biến. • Ph−ơng pháp thống kê đơn biến dựa trên phép phân tích mối quan hệ giữa tr−ợt lở đất và các yếu tố gây tr−ợt, đồng thời xác định mật độ xuất hiện tr−ợt lở trên các yếu tố gây tr−ợt. Mật độ hoặc tần suất xuất hiện của tai biến tr−ợt lở đất trên từng yếu tố gây tr−ợt lở đất có thể sử dụng để gán làm trọng số cho từng yếu tố gây tr−ợt. Bản đồ trọng số về nguy cơ xảy ra tai biến tr−ợt lở đất là sự kết hợp 27 những bản đồ trọng số của các tác nhân gây ra tai biến tr−ợt lở đất trong hệ thống GIS theo một thuật toán nhất định nào đó tùy vào ph−ơng pháp ứng dụng cụ thể ví dụ nh− ph−ơng pháp phân tích thống kê (Statistical analysis index), ph−ơng pháp xác suất (Probability), ph−ơng pháp trọng số bằng chứng (Weight of Evidence), ph−ơng pháp hệ số chắc chắn (Certainty factor) [29]. • Ph−ơng pháp phân tích thống kê đa biến cũng dựa trên mối quan hệ của mỗi yếu tố gây ra tr−ợt lở đất và các điểm tr−ợt lở. Có ba loại phân tích đa biến số dùng phổ biến hiện nay là hồi qui đa biến (Multiple regression), hồi qui logic (Logistic regression) và phép phân tích biệt thức (Discriminant analysis). Và ph−ơng pháp phân tích đa biến số này cũng chỉ phù hợp với bản đồ tỷ lệ trung bình. Trong hai nhóm ph−ơng pháp nêu trên thì ph−ơng pháp phân tích thống kê đơn biến t−ơng đối dễ sử dụng và thuật toán phân tích đơn giản. Ph−ơng pháp phân tích thống kê đa biến có thuật toán phân tích rất phức tạp và trong tr−ờng hợp có nhiều yếu tố gây ảnh h−ởng tới quá trình tr−ợt lở đất thì việc phân tích mất nhiều thời gian. Các ph−ơng pháp phân tích thống kê đơn biến hiện nay đ−ợc sử dụng t−ơng đối rộng rãi bởi các nhà khoa học trên thế giới. Mô hình thống kê là mô hình phân tích, tính toán nguy cơ xảy ra tr−ợt lở đất thuộc nhóm ph−ơng pháp phân tích thống kê đơn biến đ−ợc giới thiệu bởi Van Westen. Ph−ơng pháp này cũng đã đ−ợc áp dụng bởi rất nhiều nhà khoa học khác để cảnh báo nguy cơ xảy ra tai biến tr−ợt lở đất ở nhiều khu vực nghiên cứu khác nhau. Trong mô hình Thống kê, giá trị trọng số cho một lớp thông số ảnh h−ởng tới quá trình tr−ợt lở đất ví dụ một đơn vị thạch học hay một lớp độ dốc đ−ợc định nghĩa là logarit tự nhiên của mật độ tr−ợt lở trong lớp trên mật độ tr−ợt lở trong toàn bản đồ. Công thức này đ−ợc Van Westen đ−a ra nh− sau: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= f flnw ijij (2.1) Trong đó: Wij – Trọng số của lớp i thuộc tác nhân gây tr−ợt lở j. fij – Mật độ tr−ợt lở trong lớp i thuộc tác nhân gây tr−ợt lở j. 28 f – Mật độ tr−ợt lở trên toàn bộ khu vực nghiên cứu. Mỗi yếu tố ảnh h−ởng tới quá trình tr−ợt lở đất đ−ợc thể hiện bằng một bản đồ trong GIS, thì có thể nhận thấy mô hình Thống kê đ−ợc tính toán dựa trên t−ơng quan thống kê của bản đồ hiện trạng tr−ợt lở với các thuộc tính của các bản đồ tác nhân gây tr−ợt lở đất khác nhau. Giá trị Wij trong công thức trên chỉ tính toán cho các lớp của các yếu tố mà có xuất hiện tr−ợt lở. Trong tr−ờng hợp một lớp nào đó của một yếu tố gây tr−ợt lở không thấy xuất hiện tr−ợt lở, thì trọng số của lớp đó sẽ không ảnh h−ởng đến sự tính toán về nguy cơ tr−ợt lở. Trong đề tài này, mỗi yếu tố ảnh h−ởng tới quá trình tr−ợt lở đất trong khu vực nghiên cứu đ−ợc thể hiện d−ới dạng bản đồ trong GIS. Đối với khu vực nghiên cứu, nh− đã nêu trên có 10 yếu tố quan trọng ảnh h−ởng tới quá trình tr−ợt lở đất. Đó là: 1- độ dốc địa hình, 2-địa chất, 3-địa mạo, 4-vỏ phong hóa, 5-mật độ lineament, 6-l−ợng m−a, 7-thảm phủ, 8-mật độ sông suối, 9-độ cao địa hình, 10-nhân sinh. Từng yếu tố gây tr−ợt lở đất sẽ đ−ợc chồng chập với bản đồ tr−ợt lở và tính đ−ợc mật độ tr−ợt lở trong mỗi lớp. Trên cơ sở đó các trọng số nguy cơ tr−ợt lở đất của từng lớp trong từng yếu tố gây tr−ợt sẽ đ−ợc tính toán theo công thức 2.1 [30]. Bản đồ giá trị nguy cơ tr−ợt lở đất đ−ợc tính toán trong hệ thống GIS cho một khu vực dựa trên công thức của Maynard, D. 1979 sau đây: ∑ = = n 1j ijwLSI (2.2) Trong đó LSI: Chỉ số nguy cơ xảy ra tai biến tr−ợt lở đất Wij: Trọng số của lớp i thuộc tác nhân gây tr−ợt lở j. n: Số l−ợng tác nhân gây tr−ợt lở của khu vực nghiên cứu Sau khi bản đồ hiển thị kết quả giá trị chỉ số mức độ nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất đ−ợc thành lập, việc khoanh định các vùng với mức độ tai biến tr−ợt lở đất khác nhau sẽ đ−ợc tiến hành. Ví dụ nh− các vùng có nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất rất mạnh, mạnh, trung bình, yếu…Do vậy việc phân chia các giá trị nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất thành các lớp giá trị khác nhau thể hiện mức độ nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất khác nhau nhất thiết phải đ−ợc tiến hành. Thông th−ờng, các nhà khoa học hay sử dụng biểu đồ tần suất của giá trị chỉ số nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất và sự xuất hiện của hiện t−ợng tr−ợt 29 lở làm cơ sở để khoanh các khu vực có mức độ nguy cơ khác nhau. Hiện nay có nhiều ph−ơng pháp phân chia, tuy nhiên ph−ơng pháp phân chia các giá trị chỉ số liên tục thành các lớp nh− trên vẫn ch−a đ−ợc rõ ràng bởi vì phần lớn các nhà nghiên cứu đều dựa vào ý kiến chuyên gia của chính họ để thành lập các giá trị đ−ờng biên (giới hạn) cho các lớp [16]. Hiện nay, một số ph−ơng pháp toán học hay đ−ợc sử dụng để phân loại và các công cụ phân chia t−ơng đối phổ biến trong các phần mềm GIS. Các ph−ơng pháp này đều dựa trên phân quãng thủ công hoặc tự nhiên, phân quãng đều, hay tính toán thống kê. Các ph−ơng pháp đó có thể đ−ợc miêu tả nh− sau: ƒ Ph−ơng pháp phân loại "thủ công" là ph−ơng pháp dựa vào ý kiến chuyên gia để thành lập các giá trị biên cho các lớp. ƒ Ph−ơng pháp phân loại "tự nhiên" là ph−ơng pháp dựa trên việc phân nhóm các giá trị. Thông th−ờng, các giá trị đ−ờng biên đ−ợc xác định bằng cách tìm kiếm những nhóm giá trị hoặc những cấu trúc thuộc về tập hợp dữ liệu. Các đặc tính đó của tập dữ liệu sẽ đ−ợc phân chia thành các lớp có các đ−ờng biên thể hiện các b−ớc nhảy t−ơng đối lớn trong các giá trị của chúng. ƒ Ph−ơng pháp phân loại theo cách "phân quãng đều" là ph−ơng pháp trong đó dãy các giá trị đ−ợc phân chia thành các quãng bằng nhau theo kích th−ớc. Ph−ơng pháp này rất có hiệu quả khi muốn làm nổi bật những thay đổi của các giá trị cực đại. ƒ Ph−ơng pháp phân loại "quartile" là ph−ơng pháp trong đó dãy các giá trị đ−ợc phân chia thành các quãng không bằng nhau theo kích th−ớc nh−ng mỗi nhóm đều có số l−ợng các giá trị bằng nhau. Nghĩa là, các nhóm giá trị ở các đầu cực cũng nh− các nhóm giá trị ở quãng giữa đều số l−ợng các giá trị nh− nhau. Do các quãng giá trị ở các đầu cực th−ờng lớn hơn ở các quãng giữa nên ph−ơng pháp này th−ờng đ−ợc sử dụng để làm nổi bật những thay đổi về sự phân bố của các giá trị ở quãng giữa. ƒ Ph−ơng pháp "độ lệch chuẩn" là ph−ơng pháp trong đó dãy các giá trị trong các nhóm đ−ợc phân chia dựa trên các dãy xác định độ lệch chuẩn của các giá trị trung bình. 30 Một số ví dụ áp dụng các ph−ơng pháp phân loại mức độ nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất đã đ−ợc nhiều nhà khoa học sử dụng nh−: ph−ơng pháp phân loại thủ công; ph−ơng pháp phân quãng đều; ph−ơng pháp độ lệch chuẩn; và áp dụng ph−ơng pháp phân loại tự nhiên. Trong nghiên cứu này, ph−ơng pháp phân loại thủ công đ−ợc sử dụng để phân chia các giá trị chỉ số nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất thành bốn nhóm nguy cơ tai biến khác nhau dựa theo ph−ơng pháp phân loại chỉ số nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất đã đ−ợc Galang (2004) giới thiệu năm 2004. Đó là phân chia nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất thành 4 nhóm: Thấp, trung bình, cao và rất cao. Ph−ơng pháp phân chia này dựa trên cơ sở thỏa mãn quy tắc: các nhóm nguy cơ tr−ợt lở cao hơn là nơi các hiện t−ợng tr−ợt lở xuất hiện nhiều hơn. Trên cơ sở đó, giả thuyết đ−a ra là diện tích xuất hiện tr−ợt lở đất đ−ợc quan sát trong nhóm nguy cơ tr−ợt lở đất rất cao sẽ gấp hai lần diện tích xuất hiện tr−ợt lở đất đ−ợc quan sát đ−ợc trong nhóm nguy cơ tr−ợt lở cao; Diện tích xuất hiện tr−ợt lở đất đ−ợc quan sát trong nhóm nguy cơ tr−ợt lở đất cao sẽ gấp hai lần diện tích xuất hiện tr−ợt lở đất đ−ợc quan sát đ−ợc trong nhóm nguy cơ tr−ợt lở trung bình; và diện tích xuất hiện tr−ợt lở đất đ−ợc quan sát trong nhóm nguy cơ tr−ợt lở đất trung bình sẽ gấp hai lần diện tích xuất hiện tr−ợt lở đất đ−ợc quan sát đ−ợc trong nhóm nguy cơ tr−ợt lở thấp. Dựa trên quy luật này, có thể suy ra rằng tỷ lệ phần trăm diện tích của các điểm tr−ợt lở có thể quan sát đ−ợc trong các nhóm nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất thấp, trung bình, cao và rất cao t−ơng ứng là 6.7%, 13.3%, 26.7% và 53.3%. Với cách phân chia nh− vậy bản đồ khoanh vùng cảnh báo nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất sẽ đ−ợc thành lập. 2.1.2. ứng dụng mô hình Trọng số bằng chứng vào phân vùng cảnh báo tr−ợt lở đất Mô hình Trọng số bằng chứng (WOE) là một mô hình l−ợng hóa dựa trên sự biến đổi và tổ hợp số liệu. Mô hình này lần đầu tiên đ−ợc áp dụng trong ngành y, sau đó đã sử dụng mô hình này để đánh giá tiềm năng khoáng sản vàng ở Meguma Terrane, một vùng đất phía đông Nova Scotia của Canada. Đến năm 1994, mô hình này đã đ−ợc sử dụng trong địa chất dựa trên các công thức xác suất Bayesian để xác định tầm quan trọng t−ơng đối của các bằng chứng bằng các phép tính thống kê, do đó trong nhiều tr−ờng hợp có thể gọi mô hình này là mô hình Bayer. Kể từ đó, mô hình WOE trong thành lập các bản đồ nguy cơ tai biến tr−ợt lở đã đ−ợc ứng dụng trong rất nhiều nghiên cứu. 31 Xác suất tiền nghiệm (Prior probabilities) và xác suất hậu nghiệm (posterior probabilities) là những khái niệm rất quan trọng trong mô hình Bayesian. Xác suất P th−ờng đ−ợc xác định dựa trên sự xuất hiện của một sự cố xảy ra trong quá khứ d−ới những tác động bằng nhau mà còn dấu vết xuất hiện với bằng chứng là E, đ−ợc gọi là xác suất tiền nghiệm P{E}. Xác suất này có thể đ−ợc thay đổi theo một dữ liệu B bởi các cuộc khảo sát, thí nghiệm hay phân tích [16]. Nếu những bằng chứng này đ−ợc tích hợp vào việc tính toán giá trị xác suất thì sẽ thu đ−ợc một giá trị xác suất có điều kiện, hay còn gọi là xác suất hậu nghiệm P{E|B}. Định lý Bayes đ−a ra một mối quan hệ giữa các xác suất tiền nghiệm và xác suất hậu nghiệm nh− sau: { } { } { }P{B} E|BPEPB|EP ì= (2.3) Bằng cách chồng chập các điểm tr−ợt lở lên mỗi bằng chứng (yếu tố nguyên nhân), mối quan hệ thống kê sẽ đ−ợc xác định và đánh giá để thấy đ−ợc mức độ ảnh h−ởng của bằng chứng đó tới sự xuất hiện của các sự cố tr−ợt lở trong quá khứ [16]. Nh− vậy, bắt đầu từ một giá trị xác suất tiền nghiệm P0, đại diện cho giá trị mật độ của các sự cố tr−ợt quan sát đ−ợc trong vùng nghiên cứu: A AfP * 0 == (2.4) Các bản đồ bằng chứng j=1,...,n sẽ đ−ợc thêm vào cái này tiếp nối cái kia và xác suất hậu nghiệm Pj đ−ợc tính theo ph−ơng trình: 1j* ij * ij 1j ij j PA AxA Apf fP -- ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛== (2.5) Trong đó chỉ số i có liên quan tới các lớp khác nhau của bản đồ j. Sau khi ph−ơng trình nói trên đ−ợc áp dụng cho tất cả các bản đồ tham số thì tất cả các bản đồ đ−ợc coi là độc lập có điều kiện đối với nhau. Trọng số bằng chứng tích cực của lớp thứ i của một tác nhân j ( +ijW ) và trọng số bằng chứng tiêu cực của lớp thứ i của một tác nhân j ( −ijW ) đ−ợc tính toán theo công thức sau: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛==+ * ij * ij ij f fln }E|P{B E}|P{BlnW (2.6) 32 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛==− * ij * ij ij f-1 f-1ln }E|BP{ E}|BP{lnW (2.7) Theo các ph−ơng trình trên, dấu gạch ngang trên một số ký tự mang nghĩa ng−ợc lại về mặt xác suất, ví dụ: E không phải là E. Trong tr−ờng hợp không có một sự cố tr−ợt nào quan sát đ−ợc trong một lớp i của yếu tố nguyên nhân j, trọng số d−ơng sẽ mang giá trị nhỏ nhất của yếu tố nguyên nhân [16]. Cuối cùng, giá trị thể hiện sự t−ơng phản Cij sẽ đ−ợc xác định và phản ánh sự kết hợp không gian giữa yếu tố bằng chứng và xự xuất hiện của sự cố tr−ợt theo ph−ơng trình sau đây: −+= ijijij W- WC (2.8) Giá trị t−ơng phản mang giá trị d−ơng nghĩa là sự kết hợp không gian đó có tác động tích cực, và ng−ợc lại. Nh− vậy, sự t−ơng phản chính là trọng số của mỗi lớp trong mỗi yếu tố nguyên nhân có ảnh h−ởng tới sự xuất hiện của các sự cố tr−ợt lở đất, nghĩa là wij=Cij. Độ lệch chuẩn của giá trị t−ơng phản có thể đ−ợc tính theo ph−ơng trình sau: )(WS)(WSS(C) 22 −+ += (2.9) trong đó: S(C) - độ lệch chuẩn của giá trị t−ơng phản S(W+) - độ lệch chuẩn của giá trị trọng số d−ơng S(W-) - độ lệch chuẩn của giá trị trọng số âm Các giá trị variance của các trọng số có thể đ−ợc tính theo các ph−ơng trình sau (Bishop et al., 1975): }E|N{B 1 E}|N{B 1)(WS2 +=+ (2.10) }E|BN{ 1 E}|BN{ 1)(WS2 +=− (2.11) 33 Trong đó N{X|Y} chính là số l−ợng xuất hiện các sự cố xuất hiện đồng thời X và Y. Tỷ số giữa độ t−ơng phản với giá trị độ lệch chuẩn của chính nó sẽ cho một kết quả về độ tin cậy. Trong tr−ờng hợp phân bố chuẩn, độ t−ơng phản sẽ khác 0 với độ tin cậy là 95% nếu nh− |C/S(C)| lớn hơn 1.96. Hơn nữa, giá trị của |C/S(C)| càng cao thì độ tin cậy về việc đánh giá mối quan hệ giữa các lớp tham số với các sự cố tr−ợt cũng sẽ càng cao, hoặc là tích cực nếu giá trị đó d−ơng, hoặc là tiêu cực nếu giá trị đó âm. Các bản đồ về các yếu tố ảnh h−ởng tới quá trình tr−ợt lở đất kết hợp với bản đồ hiện trạng tr−ợt lở đất trong GIS sẽ cho phép tính đ−ợc bằng chứng tích cực và tiêu cực của lớp thứ i của một tác nhân j. Bản đồ thể hiện giá trị nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất trong vùng nghiên cứu đ−ợc tính bằng tổng các giá trị t−ơng phản của tất cả các yếu tố theo ph−ơng trình sau[16]: ∑ = = n 1i ijC LSI (2.12) Bản phân vùng cảnh báo nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất sẽ thu đ−ợc trên cơ sở phân chia thang giá trị nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất thành các nhóm khác nhau theo ph−ơng pháp của Galang (2004) giới thiệu năm 2004. 2.1.3. ứng dụng mô hình SINMAP vào phân vùng cảnh báo tr−ợt lở đất 2.2.3.1. Giới thiệu về ph−ơng pháp ứng dụng mô hình SINMAP trong nghiên cứu tr−ợt lở. SINMAP ứng dụng để nghiên cứu hiện t−ợng tr−ợt lở dựa trên sự đánh giá về độ ổn định của s−ờn địa hình. Nó không tập trung vào những thông tin để hiệu chỉnh mà phần lớn sử dụng kết hợp với các mô hình bản đồ khác về tính ổn định của địa hình. Dữ liệu yêu cầu đ−ợc sử dụng làm đầu vào để chạy mô hình bao gồm các đại l−ợng đặc tr−ng của đất và khí hậu có giá trị về cả mặt không gian và thời gian. Ch−ơng trình không yêu cầu đầu vào phải là những con số chính xác mà nó chấp nhận các giá trị phân khoảng thể hiện tính biến đổi của các thông số trung bình. Kết quả đầu ra là các chỉ số ổn định đ−ợc phân tích, tính toán, chúng không phải là các đại l−ợng chính xác mà phần lớn chúng là các con số xấp xỉ đặc tr−ng cho mức độ rủi ro. 34 Mô hình này đ−ợc thực hiện bằng phần mềm dựa trên cấu trúc dữ liệu dạng l−ới. Độ chính xác của kết quả đầu ra phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của dữ liệu đầu vào của mô hình số độ cao (DEM). Nó cũng phụ thuộc nhiều vào độ chính xác vị trí các điểm tr−ợt lở. Vì vậy việc tạo DEM có độ chính xác cao và số liệu tính toán các điểm tr−ợt lở là rất quan trọng. Phần mềm đ−ợc thiết kế dạng công cụ tích hợp tự do trong môi tr−ờng GIS, do vậy nó có khả năng sử dụng rộng rãi. Phầm mềm sử dụng đơn giản, lý thuyết đ−ợc thiết kế đơn giản dễ hiểu nên có thể tránh đ−ợc những nhầm lẫn trong ứng dụng. Ng−ời sử dụng vì thế cần có những kinh nghiệm trong khoa học về trái đất. Ngoài ra cũng còn đỏi hỏi kiến thức về những khái niệm căn bản của GIS nói chung và ArcGIS, ArcMap nói riêng. 2.2.3.2. Lý thuyết độ ổn định s−ờn Lý thuyết của SINMAP (bản đồ hoá chỉ số ổn định) là dựa trên mô hình độ ổn định không gian của s−ờn, trong đó là sự cân bằng giữa những hợp phần mang tính bất ổn định của trọng lực với những hợp phần ổn định của lực ma sát và gắn kết đối với những bề mặt tr−ợt song song với bề mặt d−ới với những ảnh h−ởng tiếp xúc phức tạp. áp lực mao dẫn liên quan đến mặt tr−ợt do có chế độ ẩm đất ảnh h−ởng đến tr−ờng ứng xuất làm thay đổi góc cắt trong. SINMAP dựa trên phân hạng độ ổn định địa hình từ dữ liệu vào là độ dốc địa hình và l−u vực cụ thể cũng nh− những thông số định l−ợng (chẳng hạn nh− độ bền) và khí hậu (tr−ớc hết là thông số độ ẩm thuỷ vực). Mỗi thông số trên đ−ợc thể hiện trên l−ới số phủ trên khu vực nghiên cứu. Đầu ra tr−ớc hết của mô hình là bảng chỉ số ổn định, giá trị của chúng có thể đ−ợc sử dụng để xếp hạng hoặc phân loại độ ổn định địa hình tại mỗi điểm l−ới trong khu vực nghiên cứu. Các thuộc tính địa hình đ−ợc tính tự động từ mô hình DEM. Những thông số đầu ra khác mang tính giới hạn thay đổi đ−ợc SINMAP xác định d−ới dạng ng−ỡng trên và d−ới trong những khoảng nào đó. Chỉ số ổn định (SI) đ−ợc xác định là xác suất mà một khu vực ở trạng thái ổn định thông qua tích hợp các thông số thực tế tại điểm so sánh với những khoảng giới hạn thay đổi. Giá trị này nằm trong khoảng 0 (rất không ổn định) và 1 (t−ơng đối ổn định). Trong khi bộ chỉ số bảo toàn (mất ổn định) trong mô hình vẫn cho kết quả không đổi thì chỉ số ổn định đ−ợc định nghĩa là những thông số an toàn (tỉ số giữa lực ổn định và mất ổn định) tại chính khu vực d−ới bộ chỉ số bảo tồn. Nó thu đ−ợc giá trị lớn hơn 1. 35 Thực tế khi lập bản đồ mức độ ổn định, cần định nghĩa và phân chia thành các lớp với mức độ ổn định khác nhau và lập bản đồ dựa trên những thông tin liên quan cơ bản để nhanh chóng xác định những vùng cần phải có những đánh giá chi tiết hơn. Trong tr−ờng hợp này SI d−ới khía góc độ an toàn đã dùng những tham số về c−ờng độ của lực gây không ổn định (e.g. tăng độ ẩm dọc đ−ờng tụ thuỷ, t−ới n−ớc...) để tính toán độ không ổn định. SINMAP sử dụng dạng “cận d−ới” và “cận trên” mang tính đặc tr−ng cho khu vực nơi mà theo các khoảng không ổn định đã đ−ợc định l−ợng qua mô hình với xác suất không ổn định t−ơng ứng là nhỏ hơn hoặc lớn hơn 50%. Trong phần d−ới, đ−a ra những dạng thức cơ bản của SINMAP d−ới dạng mô hình độ ổn định s−ờn bất định và chỉ số độ ẩm địa hình. Những hợp phần này đ−ợc kết hợp với những số liệu thông số dễ bị biến đổi để xác định chỉ số độ ổn định SI. Mô hình s−ờn ổn định vô hạn Yếu tố s−ờn ổn định vô hạn (tỉ số giữa lực gây cố kết và lực gây bất ổn) đ−ợc xác định (đơn giản hoá bằng cách cho mật độ ẩm và khô nh− nhau) [8]: Trong đó: Cr là lực liên kết ban đầu [N/m 2] Cs là lực liên kết đất [N/m 2] θ là góc dốc ρs là mật độ đất −ớt [kg/m3], g là gia tốc trọng tr−ờng (9.81 m/s2) D chiều dày đất [m] Dw độ sâu mực n−ớc tĩnh trong tầng đất [m] φ là góc mặt cắt ứng xuất trong của đất [-] Góc dốc θ là giá trị arctg của độ dốc, S Hình II-2 thể hiện hình học công thức (2.13): 2.13 36 Hình II- 2 : Sơ đồ mô hình ổn định s−ờn dốc vô h−ớng ở đây mô hình thuỷ văn là thể hiện độ dày tầng đất vuông góc với h−ớng dốc chứ không phải chiều dày tầng đất theo ph−ơng thẳng đứng. Độ dầy tầng đất, h [m], và chiều sâu liên quan với nhau nh− sau: H= Dcosθ (2.14) Với sự thay đổi này FS biến trở thành: công thức 2.15 Trong đó: W=Dw/D=hw/h (2.16) Là với độ ẩm t−ơng đối C = (Cr+Cs)/(hρsg) (2.17) Việc kết hợp ma sát tạo nên tính vô h−ớng liên quan tới chiều dày vuông góc của đất và tỉ lệ giữa mật độ n−ớc so với đất. r = ρw/ρs (2.18) Số hạng thứ 2 trong tử số của công thức toán học 2.15 xác định sự chi phối tới tính ổn định bởi góc ma sát trong của đất (nh− đã xác định góc ma sát, φ, hoặc hệ số ma sát, tanφ). Số hạng này giảm khi độ ẩm tăng sự gia tăng độ ẩm do tăng áp xuất mao dẫn n−ớc (pore pressures) và hệ quả là làm giảm áp lực thông th−ờng trong cấu trúc đất. Tính nhạy cảm của ảnh h−ởng này là bị khống chế bởi tỉ số mật độ r (công thức 2.18). (2.15) 37 Hình II- 3 : Minh hoạ khái niệm yếu tố ma sát vô h−ớng Trên thực tế mô hình thực hiện bằng tính toán độ dốc và độ ẩm tại mỗi điểm ô l−ới, nh−ng giả thiết những tham số khác không thay đổi (hoặc không thay đổi xác xuất phân bố thống kê) đối với những vùng rộng lớn. Với công thức (2.15) đã giả thiết rằng chiều dày tầng đất (vuông góc với s−ờn dốc) là không đổi. Chỉ số độ ẩm địa hình Điểm nhấn mạnh là thông số “a” cho một thuỷ vực cụ thể mặc dù đã đ−ợc định nghĩa là vùng trên của s−ờn trên chiều dài đ−ờng đẳng trị [m2/m] (xem hình II-4). Những kỹ thuật mô hình đ−ợc sử dụng bắt đầu từ quan sát thực tế rằng những khu vực có độ ẩm cao hơn hoặc có bề mặt bão hoà n−ớc có nhiều khả năng là các khu vực trũng tụ thuỷ. Ngoài ra các báo cáo cũng xác nhận tr−ợt lở đất th−ờng xảy ra ở những khu vực địa hình mang tính tụ thuỷ. Theo mô hình TOPMODEL (và một số mô hình t−ơng tự xác định chỉ số độ ẩm dựa trên địa hình) đ−a ra một số giả thiết: (1) Dòng chảy ngầm tại những bồn trũng định h−ớng theo độ dốc địa hình. Điều này thể hiện vai trò của từng khu vực đối với dòng chảy tại mỗi điểm do những khu vực tụ thuỷ đ−ợc xác định trên bề mặt địa hình (hình II-4). (2) L−ợng n−ớc nạp vào và thoát ra tại mỗi điểm là bằng nhau trong trạng thái ổn định [m/hr]. (3) Khả năng cấp của dòng chảy tại mỗi điểm là Tsinθ, trong đó T là khả năng dịch chuyển trong đất [m2/giờ], ví dụ nh− độ dẫn thuỷ văn [m/giờ] nhân với chiều dày đất, h [m]. Với giả thiết (1) và (2) ta có: 38 q = R.a (2.19) Hình II- 4 : Định nghĩa khu vực thu n−ớc xác định (Specific Catchment area) Với giả thiết (3) khác với TOPMODEL, không giả thiết độ dẫn n−ớc giảm theo chiều sâu mà giả thiết độ dẫn chung của lớp đất nằm bên trên tầng đá không thấm. Thêm vào đó, sử dụng sinθ thay vì tanθ. Điều này chính xác hơn vì dòng chảy th−ờng theo h−ớng dốc. Sự khác biệt giữa tg và sin là không đáng kể đối với các góc dốc nhỏ nh−ng đáng kể đối với độ dốc lớn nơi dễ gây ra tr−ợt lở của dạng s−ờn phân bậc. Bây giờ với giả thiết (3) độ ẩm t−ơng đối là: Độ ẩm t−ơng đối có ng−ỡng trên là 1 với giả thiết là trong tr−ờng hợp dòng chảy tràn bề mặt. Nh− đã minh hoạ trong hình II-1, độ ẩm t−ơng đối xác định độ sâu t−ơng đối tới g−ơng n−ớc ngầm không áp trong tầng đất. Tỉ lệ R/T trong (2.20) với đơn vị [1/m] đã xác định độ ẩm t−ơng đối với giả thiết trạng thái nhả n−ớc ổn định liên quan với khả năng tiêu n−ớc của đất liền kề. Mặc dù khái niệm “trạng thái ổn định” đ−ợc sử dụng trong công thức (2.19) để tính gần đúng dòng chảy liền kề nh−ng giá trị R không phải là chuỗi tiếp nhận dài (ví dụ hàng năm). Thực tế nó là ảnh h−ởng tiếp nhận chỉ trong một thời đoạn cụ thể với khí hậu ẩm −ớt và d−ờng nh− là chốt cuối gây nên tr−ợt lở. Tỉ số R/T đ−ợc xem là một chỉ số đơn, nh−ng nó lại hàm chứa cả các yếu tố thuỷ văn và khí hậu, Giá trị (T/R)sinθ [m] có thể đ−ợc xem là chiều dài của s−ờn đồi (bằng phẳng, không trũng thấp) đòi hỏi cần cân nhắc sự phát triển bão hoà trong thời kỳ đặc (2.20) 39 biệt ẩm −ớt. Khái niệm này có thể hữu dụng để thiết lập đánh giá thực tế đối với R/T thông qua xác định các giới hạn của bề mặt bão hoà n−ớc. Định nghĩa chỉ số ổn định Để định nghĩa chỉ số ổn định thì chỉ số độ ẩm từ công thức (2.20) đ−ợc kết hợp với độ an toàn không thứ nguyên trong công thức (2.15) để trở thành: Tham biến a và θ có từ địa hình cùng với các thông số C, tanφ, r and R/T. Nếu xác định tỉ số mật độ r là một hằng số (với giá trị 0.5) nh−ng cho phép giá trị khoảng của 3 trị số thông qua xác định ng−ỡng trên và d−ới. Thông th−ờng những ng−ỡng đ−ợc xác định dựa trên phân bố xác xuất thống kê đồng bộ của các trị số ngẫu nhiên. Có nghĩa là R/T = x, tanφ = t, và phân phối đồng bộ với ng−ỡng trên và d−ới nh− sau: C ~ U(C1, C2) x ~ U(x1, x2) (2.22) t ~ U(t1, t2) Giá trị nhỏ nhất của C và t, (ví dụ C1 và t1) cùng với giá trị lớn nhất của x (ví dụ x2) chỉ ra kịch bản xấu nhất theo nh− giả thiết về giá trị khoảng của các thông số. Các khu vực trong tr−ờng hợp trên có giá trị FS của mô hình này lớn hơn 1, chỉ số độ ổn định SI đ−ợc xác định: Đối với những khu vực mà giá trị yếu tố nhỏ nhất của độ an toàn nhỏ hơn 1, thì nơi đó có khả năng xảy ra tr−ợt lở. Đây là xác xuất không gian theo nh− biến đổi tham biến (biến đổi không gian) đối với các giá trị C, tanφ và T. Giá trị xác suất này không sử dụng yếu tố thời gian, do đó R đặc tr−ng cho độ ẩm có thể thay đổi theo thời gian. Bởi vậy khoảng biến đổi của x là kết quả của xác suất đối với không gian cũng nh− thời gian. Những khu vực này (với FSmin <1) khi đó: SI = Prob( FS>1) (2.24) (2.21) (2.23) 40 Thông qua sự phân bố của các trị số C, x và t (công thức 2.22). Kịch bản tốt nhất khi C=C2, x=x1 và t=t2 sẽ dẫn tới: Trong tr−ờng hợp này FSmin <1 nên: SI = Prob(FS>1) = 0 (2.26) 2.2. Xác định các lớp thông tin cần thiết cho mô hình. Mục tiêu chính của đề tài là xác định đ−ợc vùng có nguy cơ tr−ợt lở đất trong khu vực nghiên cứu và đánh giá mức độ khả năng tr−ợt lở tại khu vực đó, do đó việc xác định các lớp thông tin cần thiết làm dữ liệu đầu vào của mỗi mô hình là hết sức cần thiết. Đối với khu vực nghiên cứu, các số liệu thông số cơ bản đ−ợc lựa chọn để tính toán, đánh giá nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất đ−ợc thể hiện d−ới dạng các bản đồ trong hệ thống GIS. Việc lựa chọn số liệu bản đồ đầu vào để tính toán nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất phụ thuộc vào 3 yếu tố chính là : - Sự thích hợp của số liệu với tr−ợt lở đất (relevance), - Sự sẵn sàng của số liệu (availability), - Tỷ lệ bản đồ đầu vào (scale). Trong đó “sự thích hợp của số liệu với tr−ợt lở đất” (relevance) thể hiện sự thíh hợp của các yếu tố chính liên quan tới tr−ợt lở đất trong khu vực nghiên cứu; “Sự sẵn sàng của số liệu” (availability) đề cập các số liệu sẵn có và các số liệu có khả năng có đ−ợc trong nghiên cứu; “tỷ lệ bản đồ đầu vào” (scale) là một yếu tố quan trọng nó đề cập tới tỷ lệ bản đồ của các yếu tố ảnh h−ởng tới quá trình tr−ợt lở đất mà sẽ đ−ợc sử dụng để tính toán nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất cho khu vực nghiên cứu. Trên cơ sở căn cứ vào các yếu tố chính của dữ liệu đầu vào đã trình bày trên để có sự đánh giá độ chính xác của mỗi mô hình đ−ợc khách quan và chính xác. Trên cơ sở phân tích cơ chế tạo thành tr−ợt và xác định các nguyên nhân chính gây tr−ợt lở đất đã xác định trong mục 1.2, dựa vào phân tích đặc điểm cụ thể của khu vực nghiên cứu trên cơ sở các báo cáo thu thập đ−ợc kết hợp với quá trình khảo sát thực địa, có thể xác định đ−ợc các yếu tố chính ảnh h−ởng đến quá trình tr−ợt lở đất của khu vực nghiên cứu nh− sau: (2.25) 41 - Độ dốc - Độ cao địa hình - Địa chất - Vỏ phong hóa và đất - Địa mạo - Mật độ lineament - Mật độ sông suối - Thực phủ - L−ợng m−a - Độ phân cắt sâu. Với kết quả xác định nh− trên, dựa vào ph−ơng pháp tính tán của từng mô hình nghiên cứu tr−ợt lở đất cụ thể đ−ợc áp dụng mà xác định cụ thể chi tiết các lớp thông tin cần thiết cho mô hình, vấn đề này sẽ đ−ợc trình bày chi tiết trong phần thực nghiệm. Việc xác định các lớp thông tin cần thiết cho mỗi mô hình có thể có sự khác nhau, nh−ng vẫn phải đảm bảo các yêu cầu cũng nh− theo một số các nguyên tắc chung nhất định trong quá trình xây dựng cơ sở dữ liệu (CSDL). Trong quá trình xây dựng CSDL, thì vấn đề xác định mô hình CSDL và vấn đề lựa chọn phần mềm để thiết kế và quản trị CSDL là vấn đề quan trọng đối với với quá trình sử dụng CSDL vào nghiên cứu và xác định khu vực có nguy cơ tr−ợt lở đất. Nó đòi hỏi phải có tính năng sử dụng đơn giản, dễ quản trị và đặc biệt là dễ dàng trao đổi, liên kết dữ liệu với các phần mềm GIS khác. Sau khi xác định đ−ợc các yếu tố chính ảnh h−ởng tới quá trình tr−ợt lở đất ở khu vực nghiên cứu, lựa chọn đ−ợc mô hình CSDL, cũng nh− phần mềm thiết kế và quản trị CSDL, tiến hành đánh giá các yếu tố ảnh h−ởng tới quá trình tr−ợt lở chính của khu vực nghiên cứu nhằm cụ thể hóa thành các biểu bảng, đ−ợc quản lý và liên hệ với nhau. Trên cơ sở nghiên cứu cấu trúc các bảng l−u giữ thông tin phục vụ cho việc tính toán, xác định vùng có nguy cơ tr−ợt lở đất của khu vực nghiên cứu sẽ đ−ợc thành lập. Đồng thời các mối quan hệ giữa các biểu bảng đ−ợc thể hiện trong CSDL phục vụ việc tính toán vùng có nguy cơ tr−ợt lở cũng đ−ợc thiết lập. 42 2.3 Bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất và ph−ơng pháp thành lập . 2.3.1 Khái niệm bản đồ nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất : Bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất hay còn gọi là bản đồ Phân vùng đánh giá (cảnh báo) khả năng tr−ợt lở đất là bản đồ có nội dung chính trên đó thể hiện khoanh vùng khu vực nguy hiểm có khă năng tr−ợt lở ở nhiều mức độ nguy hiểm khác nhau. Độ chi tiết về cấp độ nguy hiểm cũng nh− độ chính xác vị trí của các vùng có nguy cơ tr−ợt lở phụ thuộc vào tỉ lệ bản đồ cần thành lập, mô hình sử dụng và t− liệu đầu vào đ−ợc sử dụng. Các tai biến môi tr−ờng xảy ra trên một lãnh thổ với quy mô, c−ờng độ khác nhau. Kết quả khảo sát nghiên cứu các tai biến đ−ợc thể hiện trên bản bằng các ký hiệu quy −ớc. Tr−ợt lở đất thông th−ờng đ−ợc thể hiện trên bản đồ với các lớp khác nhau, đặc tr−ng cho các kiểu tr−ợt lở khác nhau. Phân vùng nghĩa là thể hiện sự phân chia vùng đất thành các vùng có tính chất đồng nhất hoặc có cùng thuộc tính của tai biến tự nhiên với nguyên nhân là chuyển động khối [31]. Một bản đồ lý t−ởng về phân vùng tai biến tr−ợt lở đ−ợc quan niệm là bản đồ phân vùng đất dốc không ổn định, nội dung của bản đồ phải bao gồm các thông tin về xác suất không gian, xác suất thời gian, kiểu, biên độ, tốc độ, khoảng cách tr−ợt, giới hạn dịch chuyển của khối trong một vùng nhất định [9]. Đại đa số các phát hiện về tr−ợt lở đất về phía tr−ớc là những vết tr−ợt hiện tại hoặc quá khứ. Để đánh giá chính xác các thông số về biên độ tr−ợt phải có các ảnh máy bay đa thời gian, ảnh vệ tinh độ phân giải cao và kiểm tra thực địa. Tuy nhiên việc phân vùng có thể thực hiện theo các kinh nghiệm của các nhà nghiên cứu về tai biến. Bản đồ phân vùng tai biến tr−ợt lở phải đ−ợc hiểu là bản đồ phân vùng khả năng có thể xảy ra tai biến tr−ợt lở với quy mô khác nhau và diện phân bố trong không gian của chúng. Bản đồ này sẽ là cơ sở để hoạch định những công việc cần thiết nhằm giảm thiểu tối đa khả năng xảy ra tr−ợt lở , hoặc khi tr−ợt lở xảy ra thì sẽ gây tổn hại ít nhất. Vì vậy, khi nghiên cứu tr−ợt lở cần thiết phải phân tích kỹ các lớp thông tin có liên quan. Các thông tin này có thể khai thác từ nhiều nguồn dữ liệu, trong đó, t− liệu viễn thám với độ phân giải cao sẽ cung cấp các thông tin cập nhật, chính xác. Hệ số nhạy cảm tổng hợp của một khu vực chính là tích hợp có trọng số mức độ nhạy cảm của các lớp thông tin hợp phần. 43 2.3.2 Thành lập bản đồ nguy cơ tr−ợt lở đất Bản đồ tai biến tr−ợt lở đất là một dạng bản đồ biểu thị sự phân bố các tai biến thuộc phạm vi một vùng hay một lãnh thổ trong mối t−ơng quan với các yếu tố địa chất môi tr−ờng theo một tỷ lệ nhất định. Theo tính chất, bản đồ tai biến tr−ợt lở đất đ−ợc thành lập từ 2 b−ớc: 1 - Bản đồ đánh giá các tác nhân gây tai biến tr−ợt lở đất. 2 - Bản đồ phân vùng nguy cơ tai biến tr−ợt lở đất tổng hợp (Tổng hợp thông tin từ những bản đồ đ−ợc xây dựng ở b−ớc 1). - Bản đồ đánh giá các tác nhân gây tai biến tr−ợt lở đất đ−ợc thành lập trên cơ sở lựa chọn các trọng số đánh giá cho các nhân gây tr−ợt và biểu diễn chúng không phân biệt quy mô hay c−ờng độ - Các yếu tố về nội dung biểu diễn trên bản đồ có chú ý đến tính chất lịch sử của tai biến. - Tai biến tr−ợt lở đ−ợc xem xét trong mối t−ơng quan với các yếu tố ĐLTN và KTXH nh−: nền địa chất, cấu trúc địa chất, phân bố dân c− và hạ tầng cơ sở... Nh− vậy nội dung của các bản đồ thành phần và bản đồ tai biến tr−ợt lở có thể biểu diễn nh− sau: - Kỹ thuật biểu diễn: màu sắc, ký hiệu, đ−ờng nét có tính trực quan cao. - Thông tin dễ đọc, chuyên từ xã hội hoá. Bản đồ phân vùng nguy cơ tr−ợt lở đất đ−ợc thành lập theo nguyên tắc chồng lắp tích luỹ từ các bản đồ tai biến thành phần [25]. Tai biến thành phần (phân vùng nguy cơ) theo mức độ nhạy cảm gồm: Vùng nguy cơ rất cao; Vùng nguy cơ cao; Vùng nguy cơ trung bình; Vùng nguy cơ thấp; Vùng nguy cơ rất thấp. Đối với vùng nguy cơ thấp và rất thấp có thể gộp làm một. Để xây dựng đ−ợc bản đồ phân vùng nguy cơ tr−ợt lở đất đề tài thực hiện các công việc sau: a/ Xây dựng bản đồ hiện trạng tr−ợt lở: Theo từng b−ớc của quá trình xử lý, công việc cần thực hiện tr−ớc tiên là thành lập bản đồ hiện trạng tr−ợt lở đ−ợc chỉnh lý và chính xác hoá bằng công tác thực địa. b/ Xây dựng cơ sở dữ liệu: Một khối l−ợng lớn công việc tiếp theo là xây dựng cơ sở dữ liệu cho nghiên cứu tr−ợt lở. Các lớp thông tin cùng tỉ lệ bản đồ 1:25.000 hoặc 1 :50 000 và đ−ợc xây 44 dựng từ nhiều nguồn tài liệu hiện có và bổ sung bằng việc phân tích ảnh vệ tinh SPOT5, ảnh vệ tinh ALOS. Các lớp thông tin của cơ sở dữ liệu bao gồm: bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ thảm thực vật, bản đồ đất, bản đồ khí hậu, bản đồ l−ợng m−a năm, bản đồ thuỷ văn, bản đồ thạch học, bản đồ đứt gãy và khe nứt, bản đồ cấu trúc địa chất, bản đồ giao thông, bản đồ địa hình, bản đồ địa mạo... Sử dụng các chức năng GIS nh−: tính toán độ dài sông suối, độ dài khe nứt, nội suy, tính toán theo các hàm toán...nhiều lớp thông tin mới đ−ợc thành lập nh−: độ cao, độ dốc, chia cắt ngang, mật độ đứt gãy-khe nứt, các vùng ảnh h−ởng của sông suối, của đ−ờng giao thông...Các lớp trên với cùng toạ độ và các thuộc tính của từng đơn vị đã tạo nên một cơ sở dữ liệu phục vụ cho việc xử lý tích hợp thông tin. c/ Xác định các hệ số nhạy cảm với tr−ợt lở: Đây là b−ớc quan trọng của quá trình nghiên cứu, công việc này đ−ợc thực hiện cho các hợp phần trong cơ sở dữ liệuvới sự trợ giúp bởi kiến thức chuyên gia theo quan điểm phân tích địa lý tổng hợp, ph−ơng pháp phân tích thành phần chính và quan trọng nhất là áp dụng các mô hình toán học để lựa chọn trọng số đánh giá cho từng nhân tố bằng công cụ GIS để xử lý dữ liệu bản đồ theo nguyên tắc: - Xác định trọng số đối với từng nhân tố gây ảnh h−ởng đến tr−ợt lở đất, các nhân tố này đ−ợc cụ thể hóa bằng các dữ liệu tính toán trực tiếp của mỗi mô hình toán học đ−ợc sử dụng, ví dụ nguyên nhân thủy văn có thể căn cứ vào l−ợng m−a, bản đồ mật độ thủy văn....: - Tích hợp thông tin: Là ph−ơng pháp cộng nhiều lớp thông tin, mỗi đơn vị của từng lớp nhân tố lại có trọng số riêng đã đ−ợc tính từ b−ớc 1, việc tích hợp thông tin theo công thức 2.2: ∑ = = n 1j ijwLSI Chức năng tính toán bản đồ (Mapcaculation) đã cho phép tích hợp nhiều lớp thông tin theo các hàm số toán học trên trong các phần mềm GIS. Chức năng Phân loại lại (Reclassification) cho phép đơn giản hoá và xắp xếp dãy thông tin theo thang bậc 4 cấp hoặc 5 cấp hoặc nhiều cấp. Ngoài ra, việc tích hợp thông tin có thể thực hiện bằng các thuật toán lựa chọn của đại số Boolean, hoặc các thuật toán logic theo điều kiện( if...then...else...). Khi đó, kết quả sẽ có độ chính xác cao hơn kết quả của việc tính theo ph−ơng pháp trung bình. 45 Bản đồ kết quả: là sản phẩm tích hợp thông tin các bản đồ dạng raster cảnh báo khả năng nhạy cảm với tr−ợt lở trong t−ơng lai của khu vực nghiên cứu. Bảng chú giải, tỷ lệ bản đồ 46 Ch−ơng 3: Nghiên cứu quy trình ứng dụng ảnh viễn thám, hệ thông tin địa lý vμ các mô hình toán học để phục vụ thμnh lập bản đồ nguy cơ trựơt lở đất. 3.1. ảnh viễn thám phân giải cao và mô hình số địa hình : 3.1.1 Một số loại ảnh viễn thám độ phân giải cao. a. ảnh vệ tinh SPOT5. Họ vệ tinh SPOT bắt đầu hoạt động trên quỹ đạo từ 1986 và do Trung tâm Nghiên cứu Không gian (Centre National d'Etudes Spatiales - CNES) của Pháp vận hành. Vệ tinh SPOT bay ở độ cao 832 km, góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98,7o thời điểm bay qua xích đạo là 10h30’ sáng và chu kỳ lặp 26 ngày. Khả năng chụp nghiêng của SPOT cho phép tạo cặp ảnh lập thể từ hai ảnh chụp vào hai thời điểm với góc chụp nghiêng khác nhau. Vệ tinh SPOT - 5, phóng lên quỹ đạo ngày 03 tháng 5 năm 2002, đ−ợc trang bị một cặp Sensors HRG (High Resolution Geometric), là loại Sensor −u việt hơn các loại tr−ớc đó. Mỗi một Sensor HRG có thể thu đ−ợc ảnh với độ phân giải 5m đen - trắng và 10 m mầu. Với kỹ thuật xử lý ảnh đặc biệt, có thể đạt đuợc ảnh độ phân giải 2,5 m, trong khi đó dải chụp phủ mặt đất của ảnh vẫn đạt 60 km đến 80 km.