Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu này trình bày phương pháp và quy trình tích hợp GIS và viễn thám để xây dựng bản đồ phân vùng môi trường địa chất phục vụ cho công tác quy hoạch phát triển các công trình xây dựng một cách an toàn, hiệu quả và bền vững.
Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Trái đất Môi trường, 3(1):1- 11 Nghiên cứu Ứng dụng GIS viễn thám xây dựng đồ phân vùng môi trường địa chất phục vụ cho công tác quy hoạch xây dựng lưu vực sông Thị Vải Ngơ Thị Tường Vân, Nguyễn Hồng Anh∗ TĨM TẮT Phân vùng môi trường địa chất phân chia khu vực thành đơn vị tương đối đồng dựa vào ye´ˆ u tố tự nhiên thủy văn, địa hình, địa chất, tai bie´ˆ n để phục vụ cho việc nghiên cứu hay quản lý đạt hiệu theo đặc thù riêng khu vực Nghiên cứu trình bày phương pháp quy trình tích hợp GIS viễn thám để xây dựng đồ phân vùng môi trường địa chất phục vụ cho công tác quy hoạch phát triển cơng trình xây dựng cách an tồn, hiệu bền vững Dữ liệu sử dụng để tích hợp bao gồm ảnh vệ tinh Landsat phân tích áp dụng phương pháp Fuzzy Logic để xây dựng lớp trạng sử dụng đất có trạng cơng trình xây dựng, với liệu GIS gồm địa chất, địa hình, địa chất cơng trình, địa chất thủy văn Ke´ˆ t việc tích hợp liệu hình thành đồ phân vùng mức độ thích hợp phát triển cơng trình xây dựng lưu vực sơng Thị Vải Bản đồ thể mức độ thích hợp khác mơi trường địa chất tải trọng cơng trình xây dựng Ke´ˆ t minh chứng khả ứng dụng tích hợp GIS viễn thám để xây dựng công cụ hỗ trợ cơng tác quản lý, phân tích liệu, xa xác định tổ hợp nhân tố ảnh hưởng đe´ˆ n đối tượng quản lý nghiên cứu Từ khoá: Bản đồ chuyên đề, Kriging, Remote Sensing, Phân vùng quy hoạch xây dựng, Fuzzy Logic GIỚI THIỆU Phòng Tin Học Mơi trường – Viện Môi Trường & Tài Nguyên – ĐHQG-HCM Liên hệ Nguyễn Hồng Anh, Phòng Tin Học Mơi trường – Viện Môi Trường & Tài Nguyên – ĐHQG-HCM Email: anhnguyen.ier@gmail.com Lịch sử • Ngày nhận: 02-10-2018 • Ngày chấp nhận: 08-04-2019 • Ngày đăng: 15-05-2019 DOI : 10.32508/stdjsee.v3i1.485 Bản quyền © ĐHQG Tp.HCM Đây báo công bố mở phát hành theo điều khoản the Creative Commons Attribution 4.0 International license Phân vùng môi trường địa chất phân chia khu vực thành đơn vị tương đối đồng dựa vào ye´ˆ u tố khí hậu, thổ nhưỡng, địa hình, địa chất,…để phục vụ cho việc nghiên cứu hay quản lý đạt hiệu theo đặc thù riêng khu vực Các nghiên cứu xây dựng phân vùng môi trường địa chất cho đe´ˆ n thực cho nội dung khác công cụ GIS viễn thám áp dụng nghiên cứu để tích hợp liệu khơng gian cho xây dựng đồ phân vùng môi trường địa chất Một số nghiên cứu xây dựng đồ phân vùng mơi trường địa chất thực đơn cử nghiên cứu Huỳnh Thị Minh Hằng Nguyễn Hoàng Anh ứng dụng GIS để phân tích, xử lý đồ trầm tích, đồ địa chất cơng trình, q trình vận động lưu chất, dự báo tai bie´ˆ n tự nhiên nhân tạo để tie´ˆ n hành xây dựng đồ phân vùng mơi trường địa chất thích hợp cho phát triển khu dân cư, sở hạ tầng khu vực Cần Giờ, Thành phố Hồ Chí Minh Hoặc nghiên cứu xây dựng đồ phân vùng nhạy cảm phục vụ ứng cứu tai bie´ˆ n tràn dầu 2,3 , xây dựng đồ phân vùng xác định vị trí chơn lấp chất thải rắn , xây dựng đồ phân vùng nguy lũ quét … Sự thay đổi nhanh chóng loại hình sử dụng đất năm gần đây, đặc biệt việc phát triển ạt công trình tải trọng nặng Việt Nam nói chung lưu vực sơng Thị Vải (Hình 1) nói riêng, tạo nên áp lực lớn khả chống chịu môi trường địa chất cho đe´ˆ n nay, thie´ˆ u nghiên cứu đánh giá cách tổng thể khả chịu tải trọng cơng trình xây dựng mơi trường Trọng tâm báo trình bày phương pháp xây dựng đồ phân vùng môi trường địa chất phục vụ cho công tác quy hoạch xây dựng lưu vực sông Thị Vải, sử dụng công cụ GIS viễn thám Bản đồ công cụ hỗ trợ công tác đánh giá khả chống chịu môi trường địa chất cách bền vững khoa học trước trạng phát triển ạt cơng trình nhà khu công nghiệp lưu vực sông Thị Vải ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC NGHIÊN CỨU Sông Thị Vải với chiều dài khoảng 76km (đoạn khoảng 36km) sơng nước mặn, ngắn, rộng sâu, chiều rộng trung bình 400-650m, độ sâu trung Trích dẫn báo này: Tường Vân N T, Hoàng Anh N Ứng dụng GIS viễn thám xây dựng đồ phân vùng môi trường địa chất phục vụ cho công tác quy hoạch xây dựng lưu vực sông Thị Vải Sci Tech Dev J - Sci Earth Environ.; 3(1):1-11 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái đất Mơi trường, 3(1):1- 11 Hình 1: Sơ đồ vị trí khu vực nghiên cứu bình 22m, nơi sâu 60m Là khu vực có nhiều ưu điểm như: thuận lợi giao thơng đường thủy, có hệ thống cảng nước sâu phát triển, nằm trung tâm phát triển kinh te´ˆ mạnh nước thuộc khu vực Đông Nam Bộ cửa ngõ giao thông đường thủy cho vùng kinh te´ˆ trọng điểm phía Nam Lưu vực sông Thị Vải phát triển mạnh mẽ hoạt động công nghiệp giao thông vận tải đường thủy năm 90 với định hướng phát huy khai thác tối đa tiềm the´ˆ mạnh khu vực Tuy nhiên, bên cạnh mặt hạn che´ˆ làm giảm ưu the´ˆ khu vực như: - Khu vực nằm vùng móng ye´ˆ u có cấu trúc địa chất trẻ (nơi giao thoa biển đất liền) - Quy hoạch xây dựng dựa ye´ˆ u tố kinh te´ˆ - Có quan tâm đe´ˆ n ye´ˆ u tố môi trường, chưa xem xét đầy đủ ye´ˆ u tố địa chất môi trường Với cường độ hoạt động xây dựng phát triển kinh te´ˆ nay, khả tính ổn định môi trường địa chất khu vực phải chịu ảnh hưởng nặng nề Vị trí khu vực nghiên cứu thể Hình có địa hình đất phù sa bồi tụ, mặt đất không phẳng, thấp dần từ Bắc xuống Nam phía Cần Giờ, khu vực trung tâm có lòng chảo có độ cao từ -0,5 m đe´ˆ n +0,5 m Phía Tân Thành có địa hình vùng đồng bình nguyên với núi sót rải rác, có xu hướng thấp dần theo hướng Bắc - Nam Có thể phân biệt thành dạng địa hình gồm đồng bằng, đồi lượn sóng địa hình đồi núi thấp Các thành tạo đất đá vùng có tuổi từ Pleistocen đe´ˆ n Holocen từ phía huyện Cần Giờ đe´ˆ n huyện Tân Thành gồm vật liệu có nguồn gốc từ thành tạo đá Granit, trầm tích sơng, biển, đầm lầy sơng biển, v.v…trong cấu trúc có vật liệu đá có móng cơng trình vững tập trung phía Đơng Nam huyện Tân Thành, phần lại vùng có cấu trúc trầm tích trẻ móng ye´ˆ u Khu vực nghiên cứu thường xuyên bị ngập úng chịu ảnh hưởng che´ˆ độ bán nhật triều khơng Theo địa hình che´ˆ độ thủy triều khu vực chia thành cấp ngập úng sau : - Ngập hai lần ngày: khu vực có độ cao từ 0,0 - 0,2 m - Ngập lụt lần ngày: khu vực có độ cao từ 0,2 đe´ˆ n 0,5 m - Ngập lụt tháng lần: diện tích từ 0,5 - 1,0 m chiều cao - Ngập lụt năm lần: diện tích từ 1,0 - 1,5 m chiều cao - Ngập lụt năm lần: khu vực cao 1,5 m Do đặc thù khu vực nằm vị trí cửa sơng ven biển nên đặc tính nước mặt nước ngầm vùng bị nhiễm mặn, có vài nơi có phân bố phân vị Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Trái đất Môi trường, 3(1):1- 11 nước ngầm có tính chất nước (các thấu kính nước ngọt) sử dụng cho sinh hoạt • T∗ : giá trị cần ước lượng tọa độ khơng gian; PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU • μ: giá trị trung bình; Cơ sở phương pháp luận • W: trọng số phụ thuộc vào vị trí liệu; Việc xây dựng cơng trình đất ye´ˆ u thie´ˆ t phải ý đe´ˆ n độ ngập úng khu vực, khả chịu tải mức độ đồng vật liệu mức độ nhiễm mặn nước ngầm nhằm tránh tượng ăn mòn bê tơng cốt thép ảnh hưởng đe´ˆ n bền vững cơng trình, ngồi độ mặn nước ngầm nhân tố xác định khả khai thác nước ngầm cho mục đích sử dụng cho sinh hoạt Do đó, để xây dựng đồ phân vùng môi trường địa chất phục vụ cho công tác quy hoạch xây dựng cần xác định tiêu chí phù hợp xét mức độ ưu tiên chúng, tiêu chí cần phải đánh giá phân tích bao gồm: - Cao độ địa hình (bie´ˆ n thể X) - Mức độ đồng thành phần vật liệu môi trường (bie´ˆ n thể Y) - Khả chịu tải đất (bie´ˆ n thể Z) - Độ mặn (tổng độ khống hóa TDS), mức độ chứa nước khả khai thác nước ngầm cho mục tiêu sinh hoạt (bie´ˆ n thể Q) - Nguy từ mối nguy hiểm tự nhiên Dữ liệu đầu vào quy trình tích hợp Trên tảng tiêu chí nêu trên, ye´ˆ u tố chọn để phân tích với liệu kèm bao gồm: - Bản đồ địa chất, địa hình tỉ lệ 1:50.000 - Bản đồ địa chất thủy văn tỉ lệ 1:50.000 - Bản đồ tai bie´ˆ n tỉ lệ 1:100.000 - Số liệu lỗ khoan địa chất cơng trình địa chất thủy văn Các đồ chuẩn hóa theo hệ tọa độ VN 2000 lưu trữ theo định dạng phần mềm MapInfo Quy trình tích hợp liệu đồ thể Hình Phương pháp thực Phương pháp hồi quy không gian Kriging Phương pháp Kriging kỹ thuật thống kê không gian, dùng để nội suy giá trị trường ngẫu nhiên điểm không đo đạc thực te´ˆ từ điểm đo đạc gần Cơng thức phương pháp Kriging sau : n T∗ − µ = wi (gi ài ) Trong ú: gi : giá trị điểm khác; • n: số liệu xung quanh dùng để ước lượng giá trị T Phương pháp Kriging sử dụng nghiên cứu để xây dựng lớp phân vùng khả chịu tải R (kG/cm2 ) dựa số liệu lỗ khoan địa chất cơng trình lớp phân vùng khống hóa TDS (mg/L) từ số liệu lỗ khoan địa chất thủy văn Đồ thị Variogram (Hình 3) trình bày độ tương thích số liệu 22 lỗ khoan địa chất thủy văn với mơ hình hồi quy theo dạng hàm mũ Ke´ˆ t nội suy Kriging đồ phân vùng giá trị TDS thể Hình Phương pháp phân loại Logic mờ (Fuzzy Logic) Ảnh vệ tinh Lansat (độ phân giải không gian 30 m) thu nhận thời điểm 01/06/2017 sử dụng để rút trích lớp thơng tin trạng lớp phủ bề mặt đất năm 2017 lưu vực sông Thị Vải với áp dụng phương pháp phân loại Fuzzy Logic Phương pháp phân loại Fuzzy Logic phương pháp dựa nguyên tắc pixel thuộc nhiều lớp phủ lớp phủ chie´ˆ m tỷ lệ phần trăm tương ứng pixel Tập mờ mà phần tử có mức độ thành viên Một phần tử tập mờ thành viên đầy đủ (100% thành viên) thành viên phần (từ 0% đe´ˆ n 100% thành viên) Tức là, giá trị thành viên gán cho phần tử không bị hạn che´ˆ với hai giá trị, 0,1 Bước phân loại Fuzzy Logic bước phân nhóm giá trị pixel kênh ảnh dùng để phân loại, sau q trình phân nhóm này, hàm thành viên định nghĩa Các hàm thành viên nghiên cứu xác định hàm Gauss với giá trị trung bình độ lệch chuẩn giá trị trung bình phân nhóm pixel độ lệch chuẩn phân nhóm Các hàm thành viên (hàm Gauss) mức độ chie´ˆ m tỷ lệ lớp phủ ảnh phân loại nghiên cứu thể Hình Quá trình suy luận Logic mờ liên quan đe´ˆ n chức thành viên, toán tử Logic mờ quy tắc “IFTHEN” Quy luật thông thường mô hình Logic mờ có dạng sau: IF Input = x AND Input = y, THEN Output is z = ax + by + c Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái đất Mơi trường, 3(1):1- 11 Hình 2: Quy trình tích hợp Hình 3: Đồ thị Variogram trình bày độ tương thích khoảng cách nội suy lỗ khoan địa chất thủy văn (đường đứt nét nối điểm) với mơ hình hồi quy theo dạng hàm mũ (đường cong) Ở đây, coi cấp độ đầu z số (a = b = 0) Khi bie´ˆ n đặt tên chức thành viên có dạng tên thích hợp, thứ sẵn sàng để ghi quy tắc Dựa phân nhóm pixel kênh đầu vào (các kênh ảnh xanh, đỏ, cận hồng ngoại hồng ngoại sóng ngắn) thơng qua hàm thành viên, bie´ˆ n đầu (nước, thực vật trưởng thành, đất ẩm, thực vật thân thấp, bê tơng hóa, nhựa hóa), quy tắc phân loại xây dựng Quy tắc Logic mờ cho thủ tục phân loại ảnh thực dựa vào tập luật sau: IF (GREEN is mf1) AND (RED is mf1) AND (NIR is mf1) AND (SWIR is mf1) THEN (Class is nước) IF (GREEN is mf2) AND (RED is mf2) AND (NIR is mf2) AND (SWIR is mf2) THEN (Class is thực vật trưởng thành) IF (GREEN is mf3) AND (RED is mf3) AND (NIR is mf3) AND (SWIR is mf3) THEN (Class is đất ẩm) IF (GREEN is mf4) AND (RED is mf4) AND (NIR is mf4) AND (SWIR is mf4) THEN (Class is thực vật thân thấp) IF (GREEN is mf5) AND (RED is mf5) AND (NIR is mf5) AND (SWIR is mf5) THEN (Class is bê tơng hóa) Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái đất Mơi trường, 3(1):1- 11 Hình 4: Các hàm thành viên quy tắc phân loại Fuzzy Logic IF (GREEN is mf6) AND (RED is mf6) AND (NIR is mf6) AND (SWIR is mf6) THEN (Class is nhựa hóa) Xác định tiêu chí trọng số cho tích hợp GIS thành lập đồ chuyên đề Khu vực nghiên cứu giáp ranh với biển, cơng trình xây dựng đặc biệt khu dân cư phát triển khu vực phải đối đầu với vấn đề sau: chịu ngập úng thủy triều, móng cơng trình ye´ˆ u vật liệu đất khu vực vật liệu có khả chịu tải kém, nước ngầm bị nhiễm mặn sử dụng cho sinh hoạt có khả gây ăn mòn bê tơng Do đó, nghiên cứu tie´ˆ n hành phân tích liệu xác định tiêu chí, phân chia cấp độ thích hợp cho phát triển cơng trình xây dựng Các tiêu chí đánh giá gồm thành phần vật liệu khu vực, cao độ địa hình, khả chịu tải chất lượng nước đất Các tiêu chí gọi bie´ˆ n thể chúng chia thành mức độ thích hợp cho phát triển xây dựng: - Bie´ˆ n thể có mức độ tốt - Bie´ˆ n thể có mức độ trung bình - Bie´ˆ n thể có mức độ Bie´ˆ n thể X đại diện cho cao độ địa hình chia thành: X1= 5-20 (m); X2= 2-1000 mg/L, nước có tính chất từ lợ đe´ˆ n mặn gây ảnh hưởng đe´ˆ n chất lượng nước sử dụng gây ăn mòn bê tơng cốt thép cơng trình xây dựng Khu vực nghiên cứu nằm đới đứt gãy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam 11 , mặt trượt hướng phía Tây Nam gần thẳng đứng Đứt gãy kie´ˆ n tạo ngun nhân gây ổn định cơng trình xây dựng phương diện trượt, lún thấm Tuy nhiên lưu vực sơng Thị Vải, cơng trình xây dựng tập trung đông đúc ven sông Thị Vải, nơi có lợi the´ˆ tốt giao thơng đường thủy (phân bố cơng trình xây dựng phân loại từ ảnh viễn thám chồng lên đồ phân vùng Hình 8) Cho đe´ˆ n việc phát triển kinh te´ˆ khu vực đáp ứng Tuy nhiên, vấn đề môi trường xảy ra, hệ lụy chưa giải quye´ˆ t cách thích hợp cụ thể sau: - Gia tăng tầng suất chuyển động xói lở bờ sơng Thị Vải; - Gia tăng ô nhiễm lưu vực sông Thị Vải, ảnh hưởng đe´ˆ n hệ sinh thái nước, vấn đề điển hình trường hợp Cơng ty cổ phần hữu hạn Vedan; - Mức độ ô nhiễm chất thải rắn, khói bụi nhà máy, khu cơng nghiệp, ngày tăng; Đứng góc độ địa chất mơi trường, vấn đề có khả xảy bao gồm: - Sụp lún đất tải trọng cơng trình xây dựng vượt q khả chịu tải mơi trường nền; - Xói lở đường bờ tie´ˆ p tục gia tăng; - Xâm nhập mặn nước đất gia tăng hoạt động khai thác nước đất mức Việc khai thác nước đất khu vực cần ý tác động trực tie´ˆ p đe´ˆ n trình sụp lún khu vực Do đó, khuye´ˆ n cáo hoạt động trực tie´ˆ p lên môi trường địa chất khu vực cần phải xem xét đánh giá cách hợp lý để phòng tránh trường hợp kích hoạt hoạt động đới đứt gãy, hay nói cách khác việc phát triển cơng trình xây dựng phân vùng khơng thích hợp cần nên có đánh giá kĩ thuật he´ˆ t sức chi tie´ˆ t cần tính tốn xác định giải pháp cụ thể cho tình Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái đất Mơi trường, 3(1):1- 11 Hình 5: Phân bố giá trị TDS Hình 6: Ảnh phân loại theo phương pháp Fuzzy Logic Bảng 1: MA TRẬN ĐÁNH GIÁ SAI SỐ PHÂN LOẠI ẢNH Lớp Nước Lớp phủ TV thân thảo Lớp TV gỗ Nước 100 Lớp phủ TV thấp Lớp phủ TV cao phủ thân bê Nền tơng hóa Nền ẩm 0 99,64 0 0,36 Nền bê tơng hóa Nền đất ẩm đất Nền nhựa hóa Tổng 0 32,24 0 6,87 100 0 7,19 0 100 0,97 25,02 0 0 94,17 15,3 8,44 Nền nhựa hóa 0 0 4,85 84,7 20,24 Tổng 100 100 100 100 100 100 100 Độ xác tồn cục 96,0667 (%) Hệ số Kappa 0,9490 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái đất Mơi trường, 3(1):1- 11 Hình 7: Phân cấp lớp liệu trung gian (a) Lớp phân cấp thành phần vật liệu, (b) lớp phân cấp cao độ địa hình, (c) lớp phân cấp khả chịu tải R, (d) lớp phân cấp lưu lượng chứa nước, (e) lớp phân cấp tổng độ khống hóa TDS Hình 8: Bản đồ phân vùng môi trường địa chất phục vụ cho công tác quy hoạch khu dân cư lưu vực sơng Thị Vải Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái đất Môi trường, 3(1):1- 11 Bảng 2: TRỌNG SỐ VỀ MỨC ĐỘ PHÙ HỢP CHO QUY HOẠCH XÂY DỰNG Ở LƯU VỰC SƠNG THỊ VẢI Tiêu chí X Đơn vị m Q Tương đối thích hợp (2) Khơng thích hợp (3) 5-20 2-