Xây dựng bản đồ ngập lụt dựa trên ảnh viễn thám sentinel-1 và mô hình số hóa độ cao SRTM cho tỉnh Bình Định

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1 1 XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT DỰA TRÊN ẢNH VIỄN THÁM SENTINEL-1 VÀ MÔ HÌNH SỐ HÓA ĐỘ CAO SRTM CHO TỈNH BÌNH ĐỊNH FLOOD MAPPING BY SENTINEL-1 SATELLITE IMAGES AND SRTM DEM FOR BINH DINH PROVINCE Nguyễn Quang Bình Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; nqbinh@dut.udn.vn Tóm tắt - Trong công tác phòng chống thiên tai, xác định nhanh chóng mức độ và phạm vi ngập lụt mà không phụ thuộc vào yếu tố thời tiết là một yêu cầu cấp thiết. Trong nghiên cứu này tác giả sẽ trình bày kết quả nghiên cứu xác định vùng ngập lụt bằng ảnh viễn thám. Nghiên cứu sử dụng ảnh viễn thám Sentinel-1 của Cơ quan Vũ trụ châu Âu cung cấp kết hợp với mô hình số độ cao SRTM được thu thập từ Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), để xây dựng bản đồ ngập lụt cho tỉnh Bình Định trong trận lũ lớn xảy ra năm 2017, kéo dài từ ngày 25/11 đến ngày 05/12. Kết quả nghiên cứu hy vọng sẽ cung cấp thêm cơ sở để hiệu chỉnh cho các mô hình thủy lực và chính quyền trong việc xác định các vùng bị ảnh hưởng bởi ngập lụt. Abstract - In the prevention of natural disasters, quickly determining the depth and inundation of flooding without depending on weather factors is an urgent need. In this study, the author will present the results of the study to determine flooded areas with radar images. The study uses the European Space Agency's Sentinel-1 image combined with digital elevation model (DEM) SRTM collected from the United States Geological Survey (USGS) to build a flood map for Binh Dinh province during a major flood in 2017, from 25/11 to 05/12. Hopefully, the results of the study will provide additional basis for calibrating hydraulic models and for government in identifying areas affected by flooding. Từ khóa - ngập lụt; Sentinel-1; SRTM; năm 2017; tỉnh Bình Định. Key words - flooding; Sentinel-1; SRTM; 2017; Binh Dinh province. 1. Đặt vấn đề Lũ lụt là một thảm họa thiên tai lớn ở Việt Nam do đặc trưng khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình kết hợp với ảnh hưởng của yếu tố địa hình và biến đổi khí hậu trong thời gian gần đây. Đặc biệt, khu vực đồng bằng ven biển miền Trung được biết đến là dễ bị ngập lụt vì thuộc khu vực có lượng mưa lớn, vùng đồng bằng duyên hải hẹp, các con sông ngắn và dân cư tập trung đông. Do đó, quản lý và giảm bớt rủi ro do lũ lụt là một trong những nhiệm vụ quan trọng của chính quyền các địa phương. Đến nay, việc xây dựng các bản đồ ngập lụt theo từng trận lũ thực tế thường được trích xuất từ kết quả mô phỏng của các mô hình thủy lực. Trong mô phỏng mô hình thủy lực, để đảm bảo độ tin cậy trong hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thì cần phải có dữ liệu độ sâu ngập tại nhiều vị trí khác nhau. Theo Thông tư 51/2013/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2013, chi phí khảo sát ngoài thực địa trung bình cho một vết lũ là khoảng 15 nhân công cộng thêm chi phí thiết bị và phương tiện [1]. Rõ ràng phương pháp này sẽ có chi phí cao, mất nhiều thời gian cho công tác khảo sát ngoài thực địa, thu thập và chỉnh lý dữ liệu. Trong nhiều trường hợp, yêu cầu ứng phó nhanh với thảm họa từ thiên nhiên như động đất, bão nhiệt đới và lũ lụt là hết sức cần thiết để phục vụ cho công tác hỗ trợ và tái thiết. Do đó, lập bản đồ thiệt hại nhanh sau thảm hoạ là rất quan trọng để phát hiện khu vực bị ảnh hưởng và phạm vi thiệt hại. Ngày nay, sự phát triển của công nghệ ảnh viễn thám đã mở ra một hướng mới trong việc thu thập dữ liệu phục vụ cho việc phân tích, xây dựng bản đồ ngập lụt và đánh giá thiệt hại theo thời gian thực. Ảnh viễn thám đóng một vai trò quan trọng với khả năng thu thập trên một phạm vi rộng và có chi phí thấp. Với nguồn dữ liệu miễn phí được thu thập trong thời gian dài và từ nhiều vệ tinh khác nhau, nhiều phương pháp đã được phát triển dựa trên trên nguồn ảnh viễn thám để đánh giá thiệt hại do lũ lụt. Tuy nhiên, chất lượng của ảnh viễn thám phụ thuộc rất lớn vào điều kiện thời tiết, đặc biệt là trong các trận bão, việc thu thập dữ liệu mặt đất gặp rất nhiều khó khăn do ảnh hưởng của mây. Ngoài ra, thời gian và khu vực hoạt động của vệ tinh cũng ảnh hưởng rất lớn đến việc thu thập dữ liệu khu vực nghiên cứu theo thời gian của từng trận lũ. Do đó, việc áp dụng ảnh viễn thám chủ động Sentinel- 1 của Cơ quan Vũ trụ châu Âu đã giúp vượt qua những khó khăn trên [2]. Với độ phân giải trung bình 10 m và miễn phí nên đến nay có nhiều tác giả đã áp dụng ảnh viễn thám Sentinel – 1 để xây dựng bản đồ ngập lụt cho các khu vực khác nhau trên thế giới. Tác giả Trần Kim Châu áp dụng ảnh Sentinel – 1 để xây dựng bản đồ ngập lụt cho tỉnh Hà Tĩnh trong trận lũ ngày 24/10/2016 [3], Twele và đồng nghiệp đã đưa ra chuỗi xử lý tự động ảnh Sentinel- 1 để phát hiện lũ lụt theo thời gian thực tại biên giới Hy Lạp và Thổ Nhĩ Kỳ [4]. Bình Định là tỉnh duyên hải miền Trung Việt Nam, trải dài 110 km theo hướng Bắc - Nam, diện tích tự nhiên: 6.025 km². Địa hình của tỉnh tương đối phức tạp, thấp dần từ Tây sang Đông, với độ chênh lệch khá lớn (khoảng 1.000m). Các dạng địa hình phổ biến là vùng núi, đồi và cao nguyên, chiếm 70% diện tích toàn tỉnh với độ cao trung bình 500 – 1.000 m, các dãy núi chủ yếu là sườn dốc đứng (Hình 4). Trong năm 2017 vừa qua, trên địa bàn tỉnh xuất hiện 1 đợt lũ lớn kéo dài từ ngày 25/11 – 05/12, làm mực nước các sông dâng cao gây ra thiệt hại lớn trên địa bàn tỉnh (Bảng 1). Để đánh giá chi tiết về mức độ và phạm vi ngập lụt, nghiên cứu sẽ sử dụng ảnh Sentinel-1 để xây dựng bản đồ ngập lụt cho tỉnh Bình Định trong trận lũ lớn xảy ra năm 2017 kéo dài từ ngày 25/11 đến ngày 05/12. Kết quả nghiên cứu hy vọng sẽ cung cấp thêm cơ sở để hiệu chỉnh cho các mô hình thủy lực và chính quyền trong việc xác định các vùng bị ảnh hưởng bởi ngập lụt. 2 Nguyễn Quang Bình Bảng 1. Tổng hợp thiệt hại năm 2017 của tỉnh Bình Định [5] STT Chỉ tiêu thiệt hại Đơn vị tính Số lượng Thành tiền (triệu đồng) 1 Số người chết Người 9 - Số người mất tích Người 4 - Số người bị thương Người 9 - Số hộ bị ảnh hưởng Hộ 16.552 - Số người bị ảnh hưởng Người 82.760 - 2 Thiệt hại về nhà ở Triệu đồng - 132.395 3 Thiệt hại về giáo dục Triệu đồng - 7.110 4 Thiệt hại về nông, lâm nghiệp Triệu đồng - 58.285,5 5 Thiệt hại về thủy lợi Triệu đồng - 139.170,6 2. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng ảnh viễn thám Sentinel-1 để xây dựng bản đồ ngập lụt ở tỉnh Bình Định trong hai ngày 26/11/2017 vào lúc 22h35’ và 04/12/2017 vào lúc 10h55’ mà vệ tinh thu thập được. Phạm vi ngập lụt được so sánh với thời gian trước khi xuất hiện lũ là ngày 23/06/2017. Quá trình xử lý ảnh Sentinel-1 để xây dựng bản đồ ngập lụt được trình bày chi tiết tại Hình 1. Hình 1. Quá trình xử lý ảnh 2.1. Vệ tinh Sentinel-1 Vệ tinh Sentinel-1 đã được Cơ quan Vũ trụ châu Âu phóng thành công lên vũ trụ vào năm 2014. Sentinel-1 được thiết kế và làm việc với chế độ đã được lập trình sẵn, có nhiệm vụ chụp ảnh các vùng đất toàn cầu, các vùng ven biển, các vùng băng biển, các vùng cực, các tuyến đường vận chuyển có độ phân giải cao và các đại dương của thế giới. Nhiệm vụ sẽ đảm bảo độ tin cậy và tạo ra một nguồn lưu trữ dữ liệu lâu dài, thống nhất. Chế độ hoạt động của vệ tinh Sentinel – 1 được minh họa tại Hình 2. Hình 2. Chế độ hoạt động của vệ tinh Sentinel – 1 [6] Hiện nay, Sentinel 1 có 2 vệ tinh đang hoạt động cùng lúc và đặt cách nhau 180° trên mặt phẳng quỹ đạo là vệ tinh Sentinel-1A, Sentinel-1B (Hình 3). Tần suất và vùng phủ sóng của Sentinel-1 rất lớn với các vệ tinh của Cơ quan Vũ trụ châu Âu, sử dụng ảnh radar khẩu độ tổng hợp (SAR) và ảnh radar khẩu độ tổng hợp nâng cao ASAR [2], cho phép chụp ảnh bề mặt Trái đất xuyên qua các đám mây và mưa bất kể thời gian ngày hay đêm [7]. Hình 3. Quỹ đạo hoạt động của vệ tinh Sentinel-1A và Sentinel-1B [7] Ảnh viễn thám Sentinel-1 siêu cao tần cho phép xác định các đặc tính bề mặt của đối tượng, độ ẩm, dựa vào năng lượng tán xạ phản hồi thu được trên ảnh. Tuy nhiên, ảnh Sentinel-1 có hạn chế là không phân loại được lớp phủ bề mặt do đặc điểm thu nhận tín hiệu trên ảnh chỉ phản ánh đặc tính cấu trúc bề mặt, trừ khi kết hợp thêm với các ảnh khác như ảnh quang học [8]. 2.2. Khu vực nghiên cứu Bình Định thuộc vùng nhiệt đới ẩm gió mùa. Nhiệt độ trung bình là 27°C. Lượng mưa trung bình hàng năm trong 5 năm gần đây là 2.185 mm. Mùa mưa (từ tháng 8 đến tháng 12) tập trung 70 - 80% lượng mưa cả năm. Mùa mưa trùng với mùa bão nên thường gây ra lũ lụt. Ngược lại, mùa nắng kéo dài nên gây hạn hán ở nhiều nơi. Hàng năm, khu vực này thường phải chịu tác động trực tiếp từ hai đến bốn cơn bão lớn [9]. Tải ảnh Hiệu chỉnh ảnh Lọc ảnh Điều chỉnh hình dạng Phân ngưỡng Sigma Hiệu chỉnh bởi DEM SRTM Khu vực ngập lụt Bản đồ ngập lụt ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1 3 Hình 4. Bản đồ lưu vực sông và các trạm thủy văn của tỉnh Bình Định 3. Kết quả và thảo luận Kết quả diễn biến mực nước tại các trạm thủy văn ở các lưu vực sông của tỉnh Bình Định được thu thập và thể hiện tại Hình 5. Mực nước lớn nhất của 7 trạm đều xuất hiện vào ngày 04/12/2017, trùng với thời gian vệ tinh thu thập được dữ liệu. Hình 5. Biểu đồ mực nước tại các trạm thủy văn [5] Hình 6 thể hiện kết quả xây dựng bản đồ ngập lụt bằng ảnh viễn thám Sentinel-1 của tỉnh Bình Định. Kết quả tính toán được so sánh trước và trong thời gian xuất hiện lũ. Hình 7, 8, 9, 10 trình bày chi tiết kết quả ngập lụt tại hạ lưu sông Kôn - Hà Thanh (thành phố Quy Nhơn), sông La Tinh và diện tích mặt nước tại hai hồ chứa lớn là hồ Định Bình và hồ Núi Một. (a) Ngày 23/06/2017 (b) Ngày 26/11/2017 (c) Ngày 04/12/2017 Hình 6. Bản đồ ngập lụt tỉnh Bình Định (a) Ngày 23/06/2017 (b) Ngày 26/11/2017 (c) Ngày 04/12/2017 Hình 7. Bản đồ ngập lụt ở hạ lưu sông Kôn – Hà Thanh Ngập Không ngập Ngập Không ngập Ngập Không ngập Ngập Không ngập Ngập Không ngập Ngập Không ngập 4 Nguyễn Quang Bình (a) Ngày 23/06/2017 (b) Ngày 26/11/2017 (c) Ngày 04/12/2017 Hình 8. Bản đồ ngập lụt ở hạ lưu sông La Tinh (a) Ngày 23/06/2017 (b) Ngày 26/11/2017 (c) Ngày 04/12/2017 Hình 9. Bản đồ diện tích mặt nước hồ Định Bình (a) Ngày 23/06/2017 (b) Ngày 26/11/2017 (c) Ngày 04/12/2017 Hình 10. Bản đồ diện tích mặt nước hồ Núi Một Ngập Không ngập Ngập Không ngập Ngập Không ngập Ngập Không ngập Ngập Không ngập Ngập Không ngập Ngập Không ngập Ngập Không ngập (a) (c) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1 5 Theo kết quả phân tích, vùng bị ảnh hưởng lớn bởi ngập lụt là tại hạ lưu của các lưu vực sông và gần cửa ra. Đặc biệt là tại hạ lưu của lưu vực sông Kôn – Hà Thanh, có diện tích phần lớn thuộc thành phố Quy Nhơn. Kết hợp với dữ liệu thu thập về thủy văn tại các trạm cho thấy mực nước tại trạm Thạnh Hòa lúc 10h55’, ngày 04/12/2017 thuộc sông Kôn là 8,65m, trên báo động III 0,65m. Độ sâu mực nước tương ứng với trạm Diêu Trì trên sông Hà Thanh là 4,35 m, dưới báo động II là 0,15 m. Diện tích mặt nước của các hồ chứa lớn thay đổi không lớn trước và trong trận lũ. Kết hợp với dữ liệu lượng mưa thu thập tại các trạm thì nguyên nhân gây ra ngập lụt trên địa bàn tỉnh Bình Định từ ngày 25/11/2017 đến ngày 05/12/2017 được xác định là do lượng mưa lớn tập trung ở hạ lưu. 4. Kết luận Nghiên cứu đã sử dụng thành công ảnh viễn thám Sentinel-1 của Cơ quan Vũ trụ châu Âu kết hợp với mô hình số độ cao SRTM để xây dựng bản đồ ngập lụt cho tỉnh Bình Định trong trận lũ lớn xảy ra trong năm 2017. Phương pháp mới này cho thấy có nhiều thuận lợi bao gồm nguồn dữ liệu miễn phí, thu thập ở phạm vi lớn, không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, kết quả phân tích nhanh và chính xác. Việc khai thác ảnh này sẽ làm giảm được chi phí và thời gian đi điều tra các vết lũ. Hướng tiếp cận này mở ra một cách thức mới trong việc khắc phục thiếu dữ liệu ở các vùng nghiên cứu. Qua kết quả phân tích cho thấy vùng bị ảnh hưởng lớn bởi ngập lụt chủ yếu tại hạ lưu của các lưu vực sông và gần cửa ra, đặc biệt là tại hạ lưu của lưu vực sông Kôn – Hà Thanh. Nguyên nhân gây ra ngập lụt trên địa bàn tỉnh Bình Định từ ngày 25/11/2017 đến ngày 05/12/2017 được xác định là do lượng mưa lớn tập trung ở khu vực hạ lưu. Kết quả nghiên cứu này hy vọng sẽ cung cấp thêm cơ sở để hiệu chỉnh cho các mô hình thủy lực và chính quyền trong việc xác định các vùng bị ảnh hưởng bởi ngập lụt. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Tài nguyên và Môi trường, Thông tư 51/2013/TT-BTNMT, Định mức kinh tế - kỹ thuật công tác điều tra lũ. [2] Earth online, https://earth.esa.int/web/guest/missions/esa- operational-eo-missions/sentinel-1. [3] T. K. Chau, “Mapping extent of flooded areas using Sentinel-1 satellite image”, Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, Số 58, 9/2017, trang 78-82. [4] A. Twele, W. Cao, S. Plank, and S. Martinis, “Sentinel-1-based flood mapping: A fully automated processing chain”, Int. J. Remote Sens., Vol. 37, No. 13, 2016, pp. 2990-3004. [5] Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn tỉnh Bình Định, [6] A. Spatiale Européenne, Sentinel-1: ESA’s Radar Observatory Mission for GMES Operational Services, ESA communications production, 2012. [7] S.-1 Team, Sentinel-1 User Handbook, 2013. [8] T. V. A. Lê Minh Hằng, “Nghiên cứu phương pháp trộn ảnh viễn thám siêu cao tần Sentinel-1 và ảnh viễn thám quang học”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 1, 2016, trang 18-27. [9] Đài khí tượng thuỷ văn - khu vực Nam Trung Bộ, “Đặc điểm khí hậu thủy văn tỉnh Bình Định, 2006. (BBT nhận bài: 06/02/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 19/3/2018)