ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ
NHIÊN
ĐẶNG KINH BẮC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ
GIS
TRONG NGHIÊN CỨU TÁI
HIỆN
HỆ THỐNG LÒNG CỔ SÔNG ĐÁY, SÔNG
NHUỆ
ĐOẠN CHẢY QUA THÀNH PHỐ HÀ
NỘI
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ
GIS
TRONG NGHIÊN CỨU TÁI
HIỆN
HỆ THỐNG LÒNG CỔ SÔNG ĐÁY, SÔNG
NHUỆ
ĐOẠN CHẢY QUA THÀNH PHỐ HÀ
NỘI
Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và GIS
Mã số: 60.44.76 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Ngƣời hƣớng dẫn: PGS. TS. Nguyễn
Hiệu
Hà Nội –
2012
CHƢƠNG 2: CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƢỞNG TỚI QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI
LÒNG SÔNG TẠI THÀNH PHỐ HÀ NỘI 34
2.1. Điều kiện địa chất, tân kiến tạo 34
2.1.1. Cấu trúc địa chất, tân kiến tạo 34
2.1.2. Thành phần vật chất cấu tạo đồng bằng 38
2.2. Địa hình và quá trình địa mạo 44
2.2.1. Khái quát địa hình khu vực 44
2.2.2. Đặc điểm các kiểu nguồn gốc địa hình 47
2.3. Điều kiện khí hậu 53
2.3.1. Đặc trưng cổ khí hậu 53
2.3.2. Điều kiện khí hậu hiện đại 59
2.4. Điều kiện thủy văn 60
2.5. Các hoạt động nhân sinh 62
CHƢƠNG 3: HỆ THỐNG LÒNG CỔ SÔNG ĐÁY, SÔNG NHUỆ KHU VỰC
TP. HÀ NỘI - CÁC TAI BIẾN THIÊN NHIÊN LIÊN QUAN VÀ ĐỊNH HƢỚNG
PHÒNG TRÁNH 65
3.1. Ứng dụng viễn thám và GIS trong phân tích hệ thống lòng sông cổ 65
3.1.1. Ứng dụng viễn thám trong phân tích hệ thống lòng sông cổ 65
3.1.1.1. Ứng dụng ảnh viễn thám đa thời gian xác lập các khu vực thấp trũng 65
3.1.1.2. Xử lý ảnh viễn thám xác lập các khu vực có độ ẩm cao 68
3.1.1.3. Bước lọc nhờ dữ liệu mây, bóng mây và bóng núi 78
3.1.1.4. Bóc tách dữ liệu dựa trên tài liệu địa mạo, trắc lượng hình thái 82
v 3.1.2. Tích hợp viễn thám và GIS cho xác định hệ thống lòng sông cổ 83
3.1.2.1. Lọc và bổ sung dữ liệu lòng sông cổ bằng các đơn vị địa mạo 84
3.1.2.2. Lọc và bổ sung dữ liệu lòng sông cổ bằng các yếu tố nhân sinh 86
3.1.2.3. Phân tích dấu hiện lòng sông qua tài liệu địa chất, lỗ khoan địa tầng 90
3.2. Đặc điểm hệ thống lòng cổ sông Đáy, sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố
Hình 2.4: Đê sông Hồng được đắp trên dải gờ cao ven lòng 51
Hình 2.5: Bãi bồi thấp (trái) và cao (phải) dọc sông Đáy 51
Hình 2.6: Khối núi karst sót tại Quốc Oai 51
Hình 2.7: Thềm cấu tạo bởi trầm tích hệ tầng Vĩnh Phúc tại Xuân Đỉnh với bề mặt khá
phẳng 51
Hình 2.8: Dao động mực nước đại dương theo các tác giả 54
Hình 2.9: Dao động mực biển ở Nam Trung Quốc từ Pleistocen muộn tới nay 54
vii Hình 2.10: Sơ đồ tiến trình dao động mực nước biển Việt Nam trong Holocen 57
Hình 3.1: Ảnh vệ tinh Landsat thu nhận trong nhiều năm khu vực Hà Nội 66
Hình 3.2:Biểu đồ phản xạ phổ các đối tượng trên ảnh Landsat 1989 68
Hình 3.3:Sơ đồ các bước xử lý ảnh viễn thám để tách lớp thông tin các hồ sót và lòng
sông cổ 69
Hình 3.4:Biểu đồ phản xạ phổ các đối tượng trên ảnh Landsat 1996 (Mùa khô) 70
Hình 3.5:Biểu đồ phản xạ phổ các đối tượng trên ảnh Landsat 2000 (Mùa khô) 70
Hình 3.6:Biểu đồ phản xạ phổ các đối tượng trên ảnh Landsat 2009 (Mùa khô) 70
Hình 3.7:Kênh 5 của ảnh vệ tinh Landsat chưa xử lý (A) so sánh với ảnh đã lọc (B) 72
Hình 3.8:Sơ đồ các đối tượng có độ ẩm cao trên 7 thời kỳ ảnh sau khi xử lý 73
Hình 3.9:Sơ đồ các đối tượng có độ ẩm cao và sự biến đổi mặt hồ được tổng hợp qua
thời kỳ thu nhận ảnh sau khi đã xử lý 74
Hình 3.10:Tuyến lát cắt so sánh lòng sông phân tích lòng sông trên 2 thời gian thu
nhận ảnh vào mùa mưa (năm 1989) và mùa khô (2007) 75
Hình 3.11:Lát cắt lòng sông cổ qua sản phẩm phân tích ảnh mùa khô năm 2007 (tuyến
A – A’) 75
Hình 3.12:Lát cắt lòng sông cổ qua sản phẩm phân tích ảnh mùa mưa năm 1989 (tuyến
B – B’) 75
Hình 3.13: Bản đồ hành chính Hà Nội năm 1980 và năm 1991 77
Hình 3.14: Bản đồ hành chính Hà Nội năm 2010 77
Hình 3.33: Di tích chùa Trăm Gian tại khu vực núi tuổi Triat thuộc hệ tầng Viên Nam 99
Hình 3.34: Các công trình xây dựng ngay trên các lòng sông cổ tại xã Quốc Oai 102
Hình 3.35:Sụt lún các công trình xây dựng trên lòng sông cổ tại xã Quốc Oai (12/2008) 102
Hình 3.36: Các vị trí ngập sâu nhất hầu hết đều trùng với những nơi có lòng sông cổ 102
ix
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Ứng dụng chính của các kênh phổ của Landsat ETM 10
Bảng 1.2: Phân loại các kiểu lòng sông aluvi trên cơ sở tải lượng trầm tích 22
Bảng 2.1: Đặc trưng nhiệt độ và lượng mưa bình quân của Hà Nội 59
Bảng 2.2: Đặc trưng hình thái một số sông chính của hệ thống sông Hồng 61
Bảng 3.1: Các loạt ảnh được sử dụng trong phân tích khu vực Hà Nội 65
Bảng 3.2: Kết hợp các kênh ảnh làm tăng sự phân biệt của các đối tượng có độ ẩm cao
với các đối tượng khác 71
Bảng 3.3: Mối quan hệ giữa những vùng sụt lún mạnh với lòng sông cổ 101
1
MỞ ĐẦU
Sông Đáy, sông Nhuệ là những dòng sông có vai trò hết sức quan trọng đối với
thủ đô Hà Nội. Ngoài chức năng thoát lũ hiện nay, chúng sẽ phải “gánh vác” những
trọng trách mới cho sự phát triển phồn thịnh của thủ đô trong tương lai, trở thành
những trục cảnh quan, hành lang xanh, điều hoà không khí và môi trường của thủ đô
Hà Nội, hay tạo cảnh quan môi trường cho các đô thị sinh thái bên sông v.v. Chính
cứu sau:
- Thu thập và tổng hợp tài liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội liên quan
đến khu vực nghiên cứu;
- Tổng quan cơ sở lý luận và thực tiễn của việc ứng dụng công nghệ viễn thám
và GIS trong nghiên cứu biến động lòng sông;
- Phân tích các nhân tố ảnh hưởng tới biến động lòng sông;
- Phân tích dấu hiệu nhận biết các lòng sông cổ trên ảnh vệ tinh;
- Xác lập (tái hiện) hệ thống lòng sông cổ trên cơ sở tích hợp thông tin địa chất,
địa mạo với sự hỗ trợ của công nghệ viễn thám và GIS;
- Đề xuất một số giải pháp phòng tránh, giảm thiểu tai biến thiên nhiên liên quan
tới các lòng cổ và sự biến động lòng sông khu vực thành phố Hà Nội.
Phạm vi nghiên cứu
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài tài là khu vực nằm trong phạm vi thành phố Hà
Nội (hình 1), tập trung vào các khu vực xuất hiện hệ thống lòng cổ sông Đáy và sông
Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội (tập trung phân tích cho khu vực phía nam sông
Hồng)
- Phạm vi khoa học: Nghiên cứu biến động lòng sông Đáy - sông Nhuệ từ sau
biển tiến Flandrian đến hiện đại (từ Holocen muộn đến nay).
- Khả năng ứng dụng trong thực tiễn: Trên cơ sở nghiên cứu, tái hiện hệ thống
lòng sông cổ khu vực thành phố Hà Nội, học viên phân tích và xác lập các mối liên hệ
3
giữa lòng sông cổ với các tai biến thiên nhiên như ngập lụt; độ ổn định của nền móng
công trình kém, làm cơ sở tài liệu quan trọng cho công tác quy hoạch, phát triển đô thị
trong tương lai.
Hình 1: Khu vực nghiên cứu 4
hay phân tách sóng điện từ).
Năng lượng sóng phản xạ từ đối tượng bao gồm hai phần:
- Năng lượng phản xạ trực tiếp từ bề mặt đối tượng
- Năng lượng tán xạ bởi cấu trúc bề mặt đối tượng.
Năng lượng phản xạ trực tiếp không phụ thuộc vào bản chất của đối tượng mà
chỉ phụ thuộc vào đặc tính bề mặt: độ gồ ghề, hướng, của đối tượng.
Năng lượng tán xạ là kết quả của một quá trình tương tác giữa bức xạ với bề dày
của đối tượng mà bức xạ đó có khả năng xuyên tới. Năng lượng này phụ thuộc vào cấu
trúc, bản chất và trạng thái của đối tượng. Đây là nguồn năng lượng mang thông tin
giúp ta có thể nhận biết được các đối tượng và trạng thái của chúng.
Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ bằng
các cách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ. Phổ
phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu được về các đối tượng. Đối với
mỗi vật trong tự nhiên có đặc tính phản xạ phổ điện từ khác nhau trên các bước sóng
khác nhau. Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ có thể phân tích, so sánh và nhận diện các
đối tượng trên bề mặt. Các đối tượng chủ yếu trên mặt đất bao gồm: lớp phủ thực vật,
nước, đất hay cát, đá công trình xây dựng. Mỗi loại này có phản xạ khác nhau với sóng
điện từ tại các bước sóng khác nhau.
6 Hình 1.2. Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên chính
Đây là hình biểu diễn đường cong phản xạ phổ của các loại lớp phủ mặt đất
(thực vật, đất và nước), chúng có tính chất khái quát việc phản xạ phổ của ba loại lớp
phủ chủ yếu. Trên thực tế, các loại thực vật, đất và nước khác nhau sẽ có các đường
cong phản xạ phổ khác nhau. Sự khác nhau này chủ yếu được thể hiện ở độ lớn của
phần trăm phản xạ, song hình dạng tương đối của đường cong ít khi có sự thay đổi.
Thực vật: phản xạ phổ cao nhất ở bước sóng màu lục (0.5-0.6
μm
) (tương ứng với
tiểu một cách rõ ràng, lý do chính là các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất phổ của đất
khá phức tạp và không rõ ràng như ở thực vật. Tuy nhiên quy luật chung là giá trị phổ
phản xạ của đất tăng dần về phía sóng có bước sóng dài. Các cực trị hấp thụ phổ do hơi
nước cũng diễn ra ở vùng 1.4; 1.9 và 2.7μm.
Hình 1.4. Phản xạ phổ của một số loại đất
8
Cùng với các đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên cơ bản, Root và
Mille vào năm 1971 nghiên cứu và đưa ra các đặc trưng phản xạ phổ của một số đối
tượng chính trong đô thị như bê tông, ván lợp, nhựa đường và đất trống. Các đặc trưng
này là thông tin quan trọng giúp quá trình giải đoán các đối tượng đô thị.
Hình 1.5. Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng trong đô thị
(Nguồn: “Root và Mille 1971”)
Phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu được về các đối
tượng. Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ (cường độ, dạng đường cong ở các dải sóng
khác nhau) có thể phân tích, so sánh và nhận diện các đối tượng trên bề mặt. Thông tin
về phổ là thông tin đầu tiên, là tiền đề cho các phương pháp phân tích ảnh trong viễn
thám.
Các đối tượng khác nhau trong cùng một nhóm đối tượng sẽ có dạng đường
cong phổ phản xạ chung, tương đối giống nhau, song sẽ khác nhau về các chi tiết nhỏ
khoảng bước sóng này là độ phân giải phổ của ảnh, khoảng bước sóng càng hẹp thì tính
chất phản xạ phổ của đối tượng càng đồng nhất. Các khoảng bước sóng này được gọi là
các kênh ảnh.
Bức xạ phổ (bao gồm cả phản xạ, tán xạ và bức xạ riêng) của một đối tượng thay
đổi theo bước sóng điện từ. Như vậy, ảnh chụp đối tượng trên các kênh khác nhau sẽ
khác nhau và điều này có nghĩa là ảnh được thu trên càng nhiều kênh thì càng có nhiều
10
thông tin về đối tượng được thu thập. Số lượng kênh ảnh được gọi là độ phân giải phổ.
Độ phân giải phổ càng cao (càng nhiều kênh ảnh) thì thông tin thu thập từ đối tượng
càng nhiều và giá thành càng lớn. Thông thường, các vệ tinh đa phổ thường có số kênh
ảnh từ khoảng 3 đến 10 kênh. Hiện nay, trong viễn thám đa phổ, các loại vệ tinh viễn
thám có khả năng thu được rất nhiều kênh ảnh (trên 30 kênh) gọi là các vệ tinh siêu phổ
(hyperspectral satellite) đang được phát triển.
Độ phân giải thời gian.
Vệ tinh viễn thám chuyển động trên quĩ đạo và chụp ảnh khu vực theo một chu
kì. Khoảng thời gian lặp giữa các lần chụp được gọi là độ phân giải thời gian của vệ tinh,
khoảng thời gian này càng nhỏ thì thông tin thu thập (hay ảnh chụp) càng nhiều. [35]
Tóm lại, thông tin trên ảnh viễn thám quang học là phản xạ phổ của các đối
tượng trên mặt đất, bao gồm lớp phủ thực vật, nước và đất trống được ghi nhận thành
từng pixel ảnh có độ phân giải không gian xác định, trên nhiều kênh phổ xác định và
vào một thời gian xác định.
1.1.3. Lựa chọn tư liệu ảnh viễn thám
Khả năng nhận biết đối tượng trên ảnh vệ tinh phụ thuộc vào độ phân giải không
gian của ảnh. Ta có thể chia ra thành 4 mức dữ liệu ảnh viễn thám bao gồm: dữ liệu có
độ phân giải thấp như ảnh NOAA…, dữ liệu có độ phân giải trung bình như ảnh
Landsat MSS (80m)…, dữ liệu có độ phân giải cao như Landsat TM (30m, 15m),
SPOT (20m, 10m), Aster (15m) và ảnh có độ phân giải siêu cao như IKONOS (1-5m),
ảnh Quickbird (0,6m). Đối với ảnh Landsat MSS thì ảnh ETM có độ phân giải không
gian cao hơn, độ phân giải phổ cũng cao hơn (ảnh Landsat ETM có 7 kênh phổ, còn
4
0.76-0.9
Cận hồng
ngoại
- Là vùng thực vật có phản xạ cao
nhất, có tác dụng xác định sức khỏe,
các kiểu và sinh khối của cây
5
1.55-1.75
Hồng ngoại
giữa
- Cho biết chỉ thị độ ẩm của thực vật,
độ ẩm của đất, và có thể dựa vào đó
phân biệt vùng tuyết và mây.
6
10.4-12.5
Hồng ngoại
nhiệt
- Phân biệt độ ẩm của đất, thành lập
bản đồ nhiệt
7
2.8-2.35
Hồng ngoại
giữa
- Có khả năng phân biệt các loại
khoáng vật, đá, nhậy cảm với độ ẩm
thực vật
1.1.4. Chiết xuất thông tin bằng tiếp cận đa quy mô
Để chiết xuất thông tin từ ảnh viễn thám, có nhiều cách tiếp cận khác nhau, có
thể chia ra làm hai cách chính là giải đoán ảnh bằng mắt thường và xử lý ảnh số.
bổ sung, kiểm chứng dữ liệu bằng GIS và thực tế ngoài thực địa.
1.2. Tổng quan về biến đổi lòng sông
1.2.1. Khái quát chung về hoạt động địa mạo dòng chảy và biến đổi lòng sông
Hoạt động địa mạo dòng chảy rất không ổn định trong không gian và thời gian
và bao giờ cũng đồng thời tồn tại hai quá trình đối ngược nhau là quá trình xâm thực và
tích tụ. Hai quá trình này đều đồng thời tồn tại trong hoạt động của cùng một dòng
13
sông, thậm chí ngay trong cùng một mặt cắt ngang của nó, như người ta thường nói
“con sông bên lở (xâm thực ngang), bên bồi (tích tụ)”. Tuy vậy, vẫn có thể phân biệt
trong trắc diện dọc của nó những đoạn mà tại đó một trong hai quá trình này chiếm ưu
thế. Lý thuyết về hoạt động địa mạo dòng chảy đã được đề cập khá đầy đủ trong giáo
trình Địa mạo đại cương của GS. Đào Đình Bắc và một số tác giả khác [6]. Dưới đây là
những nét cơ bản nhất về hoạt động này.
Hoạt động xâm thực và tích tụ của dòng chảy được thực hiện do chúng có động
năng hay còn gọi là hoạt lực, được tính bằng công thức:
F=mv
2
/2
F: là động năng của dòng nước; m: khối lượng nước; v: tốc độ dòng chảy.
Hoạt lực của dòng nước biến đổi liên tục trong không gian và thời gian do khối
lượng nước tham gia dòng chảy (m) luôn thay đổi, tốc độ đáy dòng, độ sâu dòng và tốc
độ của dòng cũng thay đổi trong mặt cắt dọc và mặt cắt ngang của nó. Mặt khác khối
lượng dòng rắn cũng thay đổi liên tục do nhiều nguyên nhân khác nhau. Tất cả những
sự không ổn định đó trong từng thông số của dòng chảy chính là nguyên nhân khiến
cho có sự xen kẽ giữa hoạt động xâm thực với bồi tụ ngay trong cùng một mặt cắt
ngang của dòng chảy.
Một trong hai quá trình xâm thực hay tích tụ sẽ xảy ra là tùy thuộc vào tương
quan giữa động năng của dòng chảy (khả năng vận tải) và khối lượng dòng rắn. Mặt khác,
cả hai quá trình xâm thực và tích tụ đều luôn luôn đồng thời xảy ra tại mỗi khúc sông.
Do đặc điểm cấu trúc địa chất, hình thái địa hình và đặc điểm của dòng chảy
lỏng, ngay từ lúc mới hình thành, các dòng sông đã rất quanh co, có nhiều khúc uốn.
Đó là những khúc uốn nguyên thủy hay còn gọi là khúc uốn sơn văn. Như vậy, tính chất
quanh co, uốn khúc là một đặc điểm tất yếu của bất kì dòng sông nào. Trong quá trình
tiến hóa tiếp sau đó, các khúc uốn nguyên thủy được dòng sông gia công và làm biến
dạng liên tục để tạo ra những khúc uốn thứ sinh theo những quy luật nhất định. Các
khúc uốn thứ sinh nằm kẹp giữa hai cửa sông phụ lưu liên tiếp nhau có dạng những
cánh cung trơn tru, với độ cong và kích thước tương đồng nhau, lặp đi lặp lại một cách
15
chu kì. Sự thành tạo hệ thống những khúc uốn thứ sinh như vậy cũng là một quy luật
tất yếu trong quá trình phát triển lòng sông. Quá trình xê dịch khúc uốn theo chiều nằm
ngang xảy ra mạnh mẽ và có ý nghĩa hình thái rất to lớn đối với thung lũng sông. Xu
hướng chuyển dịch khúc uốn như vậy đặc trưng cho mọi dòng chảy mà không bị rằng
buộc bởi tính chất của nham thạch cấu thành sườn. Điều khác nhau chỉ là ở tốc độ của
quá trình: nếu bờ dốc đứng và đất đá cứng chắc hoặc khả năng thoát nước theo các
khe rãnh diễn ra mạnh thì quá trình này sẽ diễn ra chậm hơn so với những trường
hợp khác. Hiện tượng dòng sông uốn khúc, sự phát triển của hệ thống các khúc uốn
thứ sinh đóng vai trò quyết định trong việc thành tạo các bãi bồi phù sa rộng lớn.
Biến động lòng sông ở vùng đồng bằng
Sự hình thành và biến đổi lòng sông gắn liền với sự phát triển của đồng bằng bãi
bồi ở vùng đồng bằng. gắn liền với quá trình thành tạo những dạng địa hình đặc trưng
nơi đây, như các đê cát tự nhiên, lòng sông cổ hay những bãi bồi rộng lớn,… Mỗi đối
tượng địa hình này đều có những đặc trưng riêng giúp chúng ta có thể nhận biết chúng
trên bề mặt đồng bằng. [9]
Đồng bằng bãi bồi (floodplain)
Đồng bằng bãi bồicó nguồn gốc phát sinh là đồng bằng tích tụ sông, hình thành
ở những bãi bồi sông phát triển mở rộng. Chúng thường phát triển trong đáy các thung
lũng có biểu hiện võng hạ tương đối hoặc tuyệt đối hoặc ở những nơi cắt nhau của các
đứt gãy kiến tạo. Lũ lụt liên quan mật thiết với sự hình thành đồng bằng này. Đồng
Meander: khúc uốn
Oxbow: móng ngựa
Swale: miền đất thấp
Natural levee: đê thiên
nhiên
Back swamp: dải trũng
dưới chân sườn
Copyright: Tài liệu đại học ©