HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 158 ỨNG DỤNG VIỄN THÁM - GIS KẾT HỢP CÁC DẤU HIỆU ĐỊA MẠO TRONG XÁC ĐỊNH CÁC LÒNG SÔNG CỔ KHU VỰC PHÍA TÂY THÀNH PHỐ HÀ NỘI Nguyễn Hiệu, Đặng Văn Bào, Đặng Kinh Bắc Khoa Địa lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội Abstract: This article introduces the results of research on the former river system related to the operation of Day and Nhue rivers in the west of Hanoi. Methods used include a combination of channels 2 and 5 of Landsat ETM image taken in 2007 to distinguish the existent former rivers. Using geomorphological signs related to the development of the rivers, such as the nature levees, the oxbow lakes, combined with the other information on sediment characteristics and land use to establish the former rivers that have been reformed by human activities. From the results of image analysis and the study of geomorphology, sediment, a map of former rivers in the west of Hanoi has built as a basis for planning urban development and natural hazards prevention. Keywords: Remote sensing, GIS, former rivers, Hanoi city. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Quá trình hình thành và phát triển của sông Đáy, sông Nhuệ ở phía tây thành phố Hà Nội đã diễn ra từ hàng nghìn năm nay. Trong suốt quá trình phát triển, chúng đã tạo nên các đới biến động rộng lớn, đồng thời cũng để lại những dấu ấn của mình trên địa hình, là các hồ móng ngựa, dải trũng hay các gờ cao ven lòng. Các dấu vết này, một phần còn tồn tại cho đến ngày nay, còn phần lớn đã bị các hoạt động phát triển kinh tế, đặc biệt là quá trình đô thị hóa, làm cho không còn nhận ra được nữa hay biến mất trên thực địa. Điều đáng quan tâm là, đi cùng với những di vết mà các con sông để lại tiềm ẩn những vấn đề liên quan tới các tầng đất yếu hay các trục thoát lũ trên vùng đồng bằng…, có ảnh hưởng trực tiếp và quan trọng đến quá trình quy hoạch và phát triển đô thị. Sự thiếu hiểu biết cũng như các hoạt động quy hoạch không phù hợp với sự phân bố của các lòng sông cổ, cũng như đới biến động của chúng, có thể dẫn tới những hậu quả đáng tiếc, như sụt lún nền móng công trình, gây ngập úng cục bộ… Đã có những công trình nghiên cứu đề cập tới hệ thống sông ở Hà Nội, nhưng cho đến nay chưa có nhiều đề tài chuyên sâu nghiên cứu, xác lập lại hệ thống lòng cổ liên quan đến quá trình phát triển của hai con sông này. Trong khuôn khổ bài báo, các tác giả trình bày kết quả nghiên cứu, khôi phục hệ thống lòng sông cổ của khu vực nghiên cứu trên cơ sở dử dụng tư liệu ảnh viễn thám kết hợp với GIS và các dấu hiệu địa mạo làm cơ sở cho công tác quy hoạch, phát triển đô thị Hà Nội. 2. CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Cơ sở dữ liệu Cơ sở dữ liệu cho thực hiện nghiên cứu gồm có: Ảnh Landsat TM gồm 7 kênh, độ phân giải 30m, chụp vào các ngày 04/11/2007 được hiệu chỉnh về hệ toạ độ UTM, lưới chiếu WGS84, múi 48N; Ảnh SPOT chụp năm 2001; Bản đồ địa hình được thành lập năm 1971, tỷ lệ 1 : 50 000, nắn chỉnh về hệ toạ độ HN72; Bản đồ địa hình thành lập năm 2007, tỷ lệ 1 : 25 000 và 1 : 50 000, nắn chỉnh về hệ toạ độ VN2000; Bản đồ ảnh năm 1873 do người Pháp thực HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 159 hiện, tỷ lệ 1 : 12 500; Các bản đồ liên quan bao gồm: bản đồ hành chính, bản đồ địa chất, bản đồ địa mạo, bản đồ ngập lụt… 2.2. Phương pháp nghiên cứu  Hình 1. Sơ đồ các bước xử lý ảnh viễn thám kết hợp nghiên cứu địa mạo cho xác lập các hồ và lòng sông cổ Trong quá trình hình thành và phát triển, các con sông đều tạo ra những thành tạo địa hình dòng chảy đặc trưng và để lại dấu vết của chúng trên địa hình sau mỗi chu kì biến đổi, đó là các đê cát ven lòng, các bãi bồi, hồ sót có hình móng ngựa, các dải trũng phân bố một cách có định hướng… Chính các dấu tích và sản phẩm mà chúng để lại trên địa hình cho đến ngày nay trở Thống kê giá trị xám độ của mỗi đối tượng trên các kênh ảnh Thử nghiệm và xác lập phép tính làm tách biệt các vùng trũng ngập nước/ độ ẩm cao Sơ đồ các dải trũng ngập nước Sơ đồ các lòng hồ và dải trũng hiện tại Các kênh của ảnh Landsat ETM, 2007; Ảnh SPOT, 2001; các bản đồ đ ị a hình Nhận biết các đối tượng trên ảnh và xác lập các đối tượng dễ bị lẫn với lòn g sôn g cổ Bước 1 Bước 2 Kiểm tra độ chính xác Bước 3 Sơ đồ các lòng sông cổ Xác lập các dấu hiệu địa mạo liên quan đến lòng sông cổ Bước 4 HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 160 thành các dấu hiệu nhận biết quan trọng về sự tồn tại của chúng, hay nói cách khác, các dấu vết này giống như là các bản ghi ghi lại sự hoạt động của dòng sông trong quá khứ [2]. Các nghiên cứu địa mạo về lòng sông cổ cho thấy, chúng thường là các dải trũng có dạng tuyến trên địa hình. Chúng có thể còn đang tồn tại dưới dạng các hồ nước, đầm lầy hoặc có thể là các dải trũng được sử dụng để trồng lúa nước,… song đều có chung đặc điểm là có độ ẩm cao hơn các vùng kế cận. Những đặc điểm này trở thành cơ sở quan trọng cho sinh viên tiếp cận với phương pháp xử lý ảnh số để tách tự động lớp thông tin ban đầu về các lòng sông cổ. Quy trình thực hiện việc tách tự động lớp thông tin về lòng sông cổ từ ảnh viễn thám được thể hi ện trong hình: 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Phân tích, xử lý ảnh viễn thám cho xác lập lòng sông cổ Do đặc điểm là các dạng địa hình trũng thấp nên các lòng sông cổ thường có độ ẩm cao, giá trị xám độ trên ảnh tại các vị trí này thường thấp. Tuy nhiên, trong mỗi kênh ảnh, chúng có thể bị lẫn với các đối tượng khác như thực vật, hoặc sự phân biệt với các đối tượng kề cận không lớn, khiến cho việc tách lớp gặp phải khó khăn. Trên cơ sở sử dụng các kênh ảnh của ảnh Landsat ETM, chúng tôi tiến hành thống kê giá trị xám độ ảnh của đối tượng có mặt trên ảnh (nước trong, nước đục, đầm lầy trũng, rau màu, thực vật cạn, đất khô và dân cư) (bảng 1). Bảng 1. Thống kê giá trị xám độ các đối tượng trên ảnh Landsat ETM Các đối tượng Kênh 2 TB Kênh 4 TB Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5 Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5 Nước trong 36 33 36 33 39 35.4 20 22 22 24 18 21.2 Nước đục 51 55 57 56 52 54.2 28 40 42 32 42 36.8 Đất lầy trũng 37 39 41 39 39 39 34 34 30 27 35 32 Rau màu 45 44 42 44 42 43.4 80 84 98 101 77 88 Thực vật cạn 38 37 38 38 38 37.8 90 101 103 105 97 99.2 Đất khô 46 45 46 47 47 46.2 63 56 58 57 61 59 Dân cư 45 44 43 44 44 44 44 39 38 47 49 43.4 Các đối tượng Kênh 5 TB Kênh 7 TB Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5 Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5 Nước trong 15 18 14 17 14 15.6 30 27 31 27 29 28.8 Nước đục 14 18 16 12 17 15.4 59 69 60 70 60 63.6 Đất lầy trũng 36 29 33 19 32 29.8 36 38 41 36 36 37.4 Rau màu 98 98 101 101 99 99.4 40 40 36 36 38 38 Thực vật cạn 73 80 89 79 75 79.2 32 30 29 29 31 30.2 Đất khô 101 94 89 103 102 97.8 49 49 47 54 49 49.6 Dân cư 79 80 76 79 89 80.6 48 46 47 45 48 46.8 HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 161 Qua bảng thống kê giá trị xám độ ảnh, chúng ta có thể nhận thấy, các yếu tố dải trũng ngập nước rất dễ bị lẫn với các yếu tố như rau màu, dất dân cư và đôi khi lẫn với thực vật cạn. Ví dụ như: tại kênh 2, đối tượng nước trong có thể dễ nhầm lẫn với thực vật cạn hay nước đục lại rất dễ nhầm lẫn với các đối tượng là rau màu hay đất khô,… Để giải quyết vấn đề này, làm tăng sự phân biệt giữa đối tượng quan tâm với các đối tượng khác, chúng tôi sử dụng phương pháp kết hợp giữa các kênh ảnh 2 và 5 (bảng 2). Sau khi xử lý ảnh, lớp thông tin về các vùng ngập nước và vùng có độ ẩm cao được dễ dàng tách ra từ ảnh. Tuy nhiên, không phải toàn bộ các đối tượng này đều liên quan tới dấu vế t hoạt động của dòng sông, nó có thể bị lẫn với các đối tượng khác, như yếu tố canh tác, sử dụng đất của người dân. Bởi vậy, dữ liệu này tiếp tục được nghiên cứu và lược bỏ các đối tượng không liên thông qua các yếu tố khác, như hình dạng, kích thước, vị trí để xây dựng được sơ đồ định dạng ban đầu về sự phân bố của các lòng sông cổ (hình 2). B ảng 2. Kết hợp các kênh ảnh làm tăng sự phân biệt của các đối tượng có độ ẩm cao với các đối tượng khác Đối tượng Band 2 Band 5 Band2/Band5 Nước trong low very low high Nước đục high very low high Đất lầy trũng low low moderate Rau màu moderate high low Thực vật cạn low moderate low Đất khô moderate high low Dân cư moderate high low Hình 2. Sơ đồ các đối tượng lòng hồ, dải trũng được tách sau khi đã xử lý GIS HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 162 Như đã đề cập đến, kết quả nghiên cứu từ ảnh viễn thám chỉ thể hiện được các đối tượng đang còn tồn tại cho tới thời điểm chụp ảnh, trên thực tế, rất nhiều các lòng sông cổ đã bị các yếu tố nhân sinh xoá nhoà/ che lấp. Bởi vậy, để xác lập được hệ thống lòng sông cổ khu vực nghiên cứu, ngoài các kêt quả xử lý ảnh, cần phải có sự phối kết hợp với các nghiên cứu khác về địa mạo, về hình thái, cấu trúc của các đối tượng, đặc trưng trầm tích hay các dấu hiệu sử dụng đất… 3.2. Phân tích các dấu hiệu địa mạo và một số yếu tố khác Các dấu hiệu địa mạo được phân tích cho việc xác lập các lòng sông cổ gồm có: - Các đê cát ven lòng/ đê thiên nhiên: được nhận thấy trên thực đị a là những khu dân cư phân bố có quy luật và thường tồn tại từ rất lâu đời. Do đây là những nơi có địa hình nổi cao trên đồng bằng, lại có kết cấu nền móng vững chắc, ít chịu ảnh hưởng bởi lũ lụt. Chúng có dạng hình bán nguyệt, phát triển ở phần của bờ lồi của các khúc uốn sông. Dọc theo các khu dân cư này, thường xuất hiện các dải địa hình trũng thấp, d ạng tuyến kéo dài có định hướng, chúng chính là dấu vết còn lại của lòng sông cổ được người dân sử dụng để trồng lúa hay sen Trong một số trường hợp, các công trình dân sinh được xây dựng ngay trên các lòng sông cổ. Điều này khiến cho việc xác định chúng trên ảnh viễn thám không thể thực hiện được. Song, nhờ các phân tích địa mạo và sự liên kết giữa các phần còn sót lại trên thực địa, giúp chúng tôi có thể tái hiện lại được các đoạn lòng sông còn thiếu. Hình 3. Nhận biết các lòng sông cổ dựa trên sự phân bố các gờ cao ven lòng là các dải sáng mài chạy dọc các dải trũng và hồ móng ngựa (tại khu vực cửa sông Đáy (a) và phía nam Quốc Oai (b)) - Các khu vực hồ sót có dạng hình móng ngựa là dấu hiệu đặc trưng để xác định các lòng sông cổ. Nhiều nơi, chúng tạo thành các hồ lớn có dạng hình móng ngựa hoặc được sắp xếp một cách liên tục, tạo thành một dải các hồ móng ngựa, các hồ sót có mặt lõm quay về phía lòng sông cổ. Ngoài các dấu hiệu địa mạo, một số các yếu tố khác được phân tích kết hợp: - Các thông tin về đặc điểm trầm tích: tầng trầm tích cát, cuội, sỏi liên quan đến hoạt động của các lòng sông; Các hồ móng ngựa với mặt cắt trầm tích đặc trưng: nằm phía trên các trầm tích tướng lòng sông, thường xuất hiện lớp trầm tích sét than, có thể có xen các dấu tích HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 163 của cây đang trong quá trình hoá than; Giới hạn về không gian phân bố của trầm tích hệ tầng Vĩnh Phúc phần trên mặt…liên quan đến ranh giới hoạt động của sông trong quá khứ. - Các yếu tố sử dụng đất, các hệ thống đê,… Do tính chất thấp trũng, có độ ẩm cao, các lòng sông cổ thường được người dân sử dụng để canh tác lúa nước, trồng sen hoặc thả bèo. Sự xuất hiện của các ngôi miếu, đình, đền hay các khu vực được khoanh để đắp mộ thờ cũng thường được chọn là những nơi cao, không bị lòng sông cắt qua, dọc theo các hệ thống lòng sông… Trên cơ sở phân tích các tiêu chí và dấu hiệu để nhận biết các lòng sông cổ ở trên, chúng tôi tiến hành khoanh vẽ, liên kết lại các lòng cổ của sông Đáy, sông Nhuệ (hình 4). Kết quả cho thấy, các lòng cổ của sông Đáy, sông Nhuệ ở phía tây Hà Nội phân bố một cách có quy luật và chủ yếu tập trung dọc theo tuyến sông Đáy, sông Nhuệ và sông Hồng. Dọc theo hệ thống lòng cổ các con sông là hệ thống các gờ cao ven lòng hay những khu dân cư từ lâu đời. Sự phân bố của các lòng cổ phù hợp với quy luật dòng chảy. Hầu hết các lòng cổ đều chạy theo hướng tây bắc xuống đông nam, dọc theo trục động lực dòng chảy qua các thời kỳ. Hình 4. Sơ đồ hệ thống lòng sông cổ khu vực phía tây nội thành Hà Nội trên nền ảnh vệ tinh Landsat TM chụp năm 2007 Chúng ta cũng có thể nhận thấy sự biến đổi dần của các con sông theo hướng dịch chuyển về phía đông (hướng về sông Hồng hiện đại), phù hợp với sự nhận định về sự tịnh tiến dòng chảy các con sông do khối nâng kiến tạo từ phía tây. Khối nâng từ phía tây của khối Ba Vì, Sơn Tây hay Thạch Thất đã khiến trục động lực của sông Đáy cũng thay đổi về phía tây [1, 3]. Bên cạnh những lòng cổ sông Đáy nằm ngoài đê, các lòng cổ của sông Đáy nằm ở phía tây cho thấy con sông này trong quá khứ có thể chạy men theo khối nâng ở phía tây với độ uốn khúc và bán kính cong lớn (nhìn trên ảnh có thể thấy độ uốn khúc có đoạn lớn hơn sông Hồng ngày nay). Hàng loạt các lòng sông c ổ nằm ở phía tây sông Đáy được nhận thấy khá rõ trên ảnh viễn thám. Điều này chứng tỏ mức độ chia cắt sâu và chia cắt ngang của các lòng HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 164 sông cổ này là rất lớn, sau khoảng thời gian dài phát triển sau này vẫn chưa thể xoá nhoà đi những dấu vết đó trên địa hình. Các lòng cổ chạy dọc theo tuyến sông Nhuệ hiện đại cũng cho thấy một sự tập trung có quy luật, phù hợp với độ uốn và bán kính cong của con sông này. Mặc dù phạm vi tập trung các lòng cổ của con sông này không lớn bằng sông Đáy nhưng nếu so với sông Hồng hiện đại, phạ m vi hoạt động của lòng sông này cũng là rất lớn. 4. KẾT LUẬN Ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với sử dụng GIS và các nghiên cứu địa mạo là phương pháp đạt được hiệu quả và độ chính xác cao trong nghiên cứu khôi phục hệ thống lòng sông cổ và sự biến đổi của chúng theo thời gian. Sự kết hợp giữa các kênh ảnh 2 và 5 của ảnh Landsat làm giảm được sự sai lẫn củ a các lòng sông cổ có độ ẩm cao với các đối tượng khác trên ảnh. Các dấu hiệu địa mạo, bao gồm hệ thống các gờ cao ven lòng, các hồ móng ngựa, hình dạng, kích thước của các dải địa hình trũng…kết hợp với các thông tin về trầm tích và các hoạt động sử dụng đất khác là cơ sở quan trọng cho việc xác lập và khoanh vẽ các lòng sông cổ ở phía tây thành phố Hà Nội làm cơ sở cho công tác quy hoạch phát triển đô thị và phòng tránh tai biến thiên nhiên. * Công trình này được hoàn thành trong khuôn khổ đề tài cấp ĐHQG mã số QG 11-24. Tác giả xin chân thành cám ơn. Tài liệu tham khảo 1. Lê Đức An, Lại Huy Anh, Võ Thịnh, Ngô Anh Tuấn, Đỗ Minh Tuấn, Trần Hằng Nga, 2000. Kết quả nghiên cứu địa mạo đới đứt gãy Sông Hồng. Tạp chí các khoa học về Trái đất, số chuyên đề về đứt gãy Sông Hồng T22(4), tr253-258. 2. Đào Đình Bắc, Đặng Văn Bào, Vũ Văn Phái, Nguyễn Hiệu (2001). “Nghiên cứu các dấu vết của lũ lụt trong địa hình phục vụ cảnh báo tai biến vùng hạ lưu sông Thu Bồn”. Tạp chí "Các khoa học về Trái Đất", t.XXIII, tr. 76-81. 3. Đặng Văn Bào (2003), Nghiên cứu biến động lòng sông Hồng trong Pleistocen muộn - Holocen và tai biến liên quan, Báo cáo kết quả thực hiện ba năm 2001- 2003 đề tài nghiên cứu cơ bản, Bộ Khoa học Công nghệ Hà Nội. 4. Hoàng Ngọc Kỷ, Nguyễn Đức Tâm, 1973. Bản đồ Địa chất và Khoáng sản tờ Hà Nội 1:200 000. Cục Địa chất và khoáng sản Việ t Nam. 5. B.H.P Maathuis, C.J. van Western, Flood hazard analysis using multi-temporal SPOT-XS imagery, International Institute for Aerospace Survey and Earth Sciences (ITC). . THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 158 ỨNG DỤNG VIỄN THÁM - GIS KẾT HỢP CÁC DẤU HIỆU ĐỊA MẠO TRONG XÁC ĐỊNH CÁC LÒNG SÔNG CỔ KHU VỰC PHÍA TÂY THÀNH PHỐ. đồ các bước xử lý ảnh viễn thám kết hợp nghiên cứu địa mạo cho xác lập các hồ và lòng sông cổ Trong quá trình hình thành và phát triển, các con sông