Tổng quan nghiên cứu

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) đóng vai trò trọng yếu trong an ninh lương thực quốc gia, sản xuất hơn 50% lượng lương thực và cung cấp hơn 90% lượng gạo xuất khẩu của Việt Nam. Tỉnh Đồng Tháp, một trong những địa phương sản xuất lúa lớn nhất, với diện tích gieo trồng khoảng 545.987 ha năm 2017 và năng suất bình quân 6,2 tấn/ha, đang phải đối mặt với hiện tượng sạt lở bờ sông ngày càng nghiêm trọng. Đặc biệt, đoạn sông Tiền chảy qua tỉnh này có diện tích sạt lở lên đến 6,41 ha trong năm 2019, gây thiệt hại lớn về đất đai, tài sản và ảnh hưởng đến sinh kế người dân.

Nghiên cứu nhằm ứng dụng công nghệ viễn thám radar Sentinel-1 để giám sát biến động đường bờ sông Tiền trong giai đoạn 2018-2023, tập trung vào các huyện và thành phố có sông Tiền chảy qua trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp. Mục tiêu cụ thể là thu thập và xử lý ảnh vệ tinh radar, phân loại đối tượng đất và nước bằng phương pháp phân cụm mờ Fuzzy, đồng thời sử dụng công cụ DSAS để phân tích tốc độ sạt lở và bồi tụ. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp dữ liệu chính xác, kịp thời phục vụ công tác quản lý, quy hoạch đất đai và hỗ trợ truyền thông về an ninh sinh kế cho cộng đồng ven sông.

Việc áp dụng công nghệ radar giúp khắc phục hạn chế của ảnh quang học như ảnh hưởng bởi mây mù và điều kiện thời tiết, đồng thời nâng cao độ chính xác trong giám sát biến động đường bờ. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển phương pháp luận mới và ý nghĩa thực tiễn trong quản lý tài nguyên và môi trường tại Đồng Tháp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết biến động đường bờ: Đường bờ được định nghĩa là ranh giới giữa đất và nước, chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố tự nhiên như địa hình, dòng chảy, thủy triều, và các tác động nhân sinh như khai thác cát, xây dựng công trình. Sự biến động đường bờ bao gồm hiện tượng sạt lở và bồi tụ, được đo lường qua các chỉ số như EPR (End Point Rate) và SCE (Shoreline Change Envelope).

  • Mô hình phân loại ảnh viễn thám bằng phương pháp Fuzzy mờ: Phân cụm mờ Fuzzy được sử dụng để xử lý dữ liệu ảnh radar Sentinel-1 nhằm phân biệt rõ ràng giữa đối tượng đất và nước, giải quyết vấn đề ranh giới không rõ ràng trong vùng chuyển tiếp giữa hai đối tượng này.

  • Mô hình phân tích biến động đường bờ bằng công cụ DSAS (Digital Shoreline Analysis System): DSAS tích hợp trong phần mềm ArcGIS cho phép tính toán tốc độ thay đổi đường bờ qua các năm dựa trên các lớp dữ liệu baseline, shoreline và transect, cung cấp các chỉ số thống kê quan trọng phục vụ đánh giá sạt lở.

Các khái niệm chính bao gồm: đường bờ (shoreline), biến động đường bờ (shoreline change), phân cụm mờ Fuzzy, chỉ số EPR, chỉ số SCE, viễn thám radar, và GIS.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Ảnh vệ tinh radar Sentinel-1A với độ phân giải không gian 20m, ảnh quang học Sentinel-2A, mô hình số độ cao SRTM 30m, bản đồ hành chính tỉnh Đồng Tháp. Dữ liệu được thu thập cho giai đoạn 2018-2023, tập trung vào các tháng mùa khô (tháng 1 đến tháng 4).

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn 09 khu vực nghiên cứu đại diện dọc theo sông Tiền gồm các bờ sông chính và các cồn như cồn Liệt Sĩ, cồn Long Khánh, cồn Tân Quới, cồn Trên, cồn Lân, cồn Tre và cồn Mỹ Xương.

  • Phương pháp phân tích: Ảnh Sentinel-1 được xử lý tiền xử lý trên phần mềm SNAP, sau đó áp dụng thuật toán phân cụm mờ Fuzzy để phân loại đối tượng nước và đất. Dữ liệu đường bờ được trích xuất và chuyển đổi sang dạng vector để nhập vào công cụ DSAS phiên bản 5.0 trên nền ArcGIS 10.1. DSAS được sử dụng để tính toán tốc độ biến động đường bờ qua các năm bằng các chỉ số EPR và SCE.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập dữ liệu và xử lý ảnh từ tháng 1 đến tháng 4 các năm 2018-2023; phân tích biến động đường bờ và đánh giá kết quả trong nửa đầu năm 2023; hoàn thiện luận văn và bảo vệ vào tháng 7 năm 2023.

  • Kiểm định kết quả: So sánh kết quả phân loại đường bờ từ ảnh radar Sentinel-1 với ảnh quang học Sentinel-2A và dữ liệu Google Earth thông qua chỉ số Kappa để đánh giá độ chính xác và tính tương đồng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Diện tích sạt lở và bồi tụ trên sông Tiền: Tổng diện tích sạt lở trên đoạn sông Tiền qua tỉnh Đồng Tháp là khoảng 6,41 ha năm 2019. Qua 09 khu vực nghiên cứu, bờ trái sông Tiền có xu hướng sạt lở chiếm đa số (5/9 khu vực), trong khi bờ phải có xu hướng bồi tụ và sạt lở cân bằng (4 khu vực sạt, 4 khu vực bồi).

  2. Tốc độ biến động đường bờ: Chỉ số EPR và SCE tính toán từ DSAS cho thấy tốc độ biến động đường bờ trái sông Tiền dao động từ âm (sạt lở) đến dương (bồi tụ) với mức biến động trung bình khoảng vài mét mỗi năm, phản ánh sự thay đổi rõ rệt trong giai đoạn 2018-2023.

  3. Độ chính xác phân loại ảnh radar: So sánh kết quả phân loại đường bờ từ ảnh Sentinel-1 với ảnh Sentinel-2A và Google Earth cho thấy chỉ số Kappa đạt mức tốt, chứng tỏ ảnh radar Sentinel-1 có độ tin cậy cao trong việc phân biệt đất và nước, đặc biệt trong điều kiện thời tiết xấu hoặc mây che phủ.

  4. Phân bố biến động theo khu vực: Các khu vực cồn như Liệt Sĩ, Long Khánh, Tân Quới có sự biến động đường bờ rõ rệt với sự đối lập giữa bờ trái và bờ phải, phản ánh ảnh hưởng của dòng chảy và địa hình sông.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng sạt lở được xác định là do tác động kết hợp của yếu tố tự nhiên như dòng chảy, thủy triều, địa chất và các hoạt động khai thác cát, thay đổi dòng chảy do sử dụng nước thượng nguồn. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về biến động bờ sông tại ĐBSCL, đồng thời cho thấy công nghệ viễn thám radar Sentinel-1 là công cụ hiệu quả để giám sát biến động đường bờ trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, nhiều mưa và mây.

Việc sử dụng phương pháp phân cụm mờ Fuzzy giúp tăng cường khả năng phân biệt đối tượng nước và đất, giảm sai số do ranh giới không rõ ràng. Công cụ DSAS cung cấp các chỉ số định lượng giúp đánh giá tốc độ và xu hướng biến động đường bờ, hỗ trợ công tác quản lý và quy hoạch đất đai.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tốc độ biến động EPR theo từng khu vực và bản đồ chồng xếp đường bờ qua các năm, giúp trực quan hóa sự thay đổi và xác định các điểm nóng sạt lở.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường ứng dụng viễn thám radar trong giám sát sạt lở: Khuyến nghị Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Đồng Tháp triển khai thường xuyên sử dụng ảnh Sentinel-1 kết hợp phương pháp phân cụm mờ Fuzzy để giám sát biến động đường bờ, nhằm phát hiện sớm và kịp thời các điểm sạt lở nguy hiểm. Thời gian thực hiện: hàng năm.

  2. Phát triển hệ thống cảnh báo sạt lở dựa trên GIS và DSAS: Xây dựng hệ thống cảnh báo sạt lở tự động dựa trên dữ liệu viễn thám và phân tích DSAS, hỗ trợ các cơ quan quản lý trong việc ra quyết định di dời dân cư và bảo vệ tài sản. Chủ thể thực hiện: UBND tỉnh phối hợp với các viện nghiên cứu. Thời gian: 1-2 năm.

  3. Tuyên truyền và nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình truyền thông, tập huấn cho người dân sống ven sông Tiền về nguy cơ sạt lở và biện pháp phòng tránh, nhằm giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản. Chủ thể: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, các tổ chức xã hội. Thời gian: liên tục.

  4. Quản lý khai thác cát và điều tiết dòng chảy thượng nguồn: Kiểm soát chặt chẽ hoạt động khai thác cát và phối hợp với các tỉnh thượng nguồn để điều tiết dòng chảy, giảm thiểu tác động tiêu cực đến địa hình sông và hạn chế sạt lở. Chủ thể: Bộ Tài nguyên và Môi trường, các tỉnh liên quan. Thời gian: dài hạn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý tài nguyên và môi trường: Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh ĐBSCL có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch giám sát và quản lý biến động đất đai ven sông, nâng cao hiệu quả công tác phòng chống sạt lở.

  2. Các nhà nghiên cứu và học giả trong lĩnh vực viễn thám và quản lý môi trường: Luận văn cung cấp phương pháp luận ứng dụng công nghệ radar và phân cụm mờ Fuzzy trong giám sát biến động đường bờ, là tài liệu tham khảo quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo.

  3. Các tổ chức phát triển và phi chính phủ: Các tổ chức hoạt động trong lĩnh vực phát triển bền vững, giảm thiểu rủi ro thiên tai có thể áp dụng kết quả để hỗ trợ cộng đồng ven sông trong công tác phòng chống sạt lở.

  4. Cộng đồng dân cư ven sông Tiền: Người dân sống trong vùng có nguy cơ sạt lở có thể hiểu rõ hơn về mức độ nguy hiểm và các biện pháp phòng tránh, từ đó chủ động bảo vệ tài sản và tính mạng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Viễn thám radar Sentinel-1 có ưu điểm gì so với ảnh quang học trong giám sát sạt lở?
    Ảnh radar Sentinel-1 hoạt động được cả ngày lẫn đêm, không bị ảnh hưởng bởi mây mù hay điều kiện thời tiết xấu, giúp giám sát liên tục và chính xác hơn so với ảnh quang học như Sentinel-2A, vốn bị hạn chế bởi mây và chỉ ghi nhận ban ngày.

  2. Phương pháp phân cụm mờ Fuzzy giúp gì trong phân loại ảnh viễn thám?
    Phân cụm mờ Fuzzy cho phép xử lý các vùng chuyển tiếp không rõ ràng giữa đất và nước, tăng độ chính xác trong phân loại đối tượng, giảm sai số do ranh giới mờ nhạt, từ đó nâng cao chất lượng dữ liệu đường bờ trích xuất.

  3. Chỉ số EPR và SCE trong DSAS có ý nghĩa như thế nào?
    EPR đo tốc độ biến động đường bờ theo thời gian, giá trị dương biểu thị bồi tụ, âm biểu thị sạt lở. SCE đo tổng thay đổi lớn nhất của đường bờ không phụ thuộc thời gian cụ thể, giúp đánh giá mức độ biến động tổng thể.

  4. Tại sao cần kết hợp ảnh radar Sentinel-1 với ảnh quang học Sentinel-2A?
    Việc kết hợp giúp khắc phục hạn chế của từng loại ảnh, ảnh radar bổ sung dữ liệu trong điều kiện mây mù, ảnh quang học cung cấp thông tin chi tiết về màu sắc và thực vật, từ đó nâng cao độ chính xác và tính toàn diện của phân tích.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng như thế nào trong quản lý đất đai?
    Dữ liệu biến động đường bờ giúp các cơ quan quản lý xác định các khu vực nguy cơ sạt lở cao, lập kế hoạch di dời dân cư, quy hoạch sử dụng đất hợp lý, đồng thời hỗ trợ xây dựng các công trình bảo vệ bờ sông hiệu quả.

Kết luận

  • Ứng dụng viễn thám radar Sentinel-1 kết hợp phương pháp phân cụm mờ Fuzzy đã thành công trong việc phân loại và giám sát biến động đường bờ sông Tiền qua tỉnh Đồng Tháp giai đoạn 2018-2023.
  • Kết quả phân tích bằng công cụ DSAS cho thấy bờ trái sông Tiền có xu hướng sạt lở chiếm đa số, trong khi bờ phải có sự cân bằng giữa sạt lở và bồi tụ.
  • Ảnh radar Sentinel-1 có độ chính xác cao, tương đồng tốt với ảnh quang học Sentinel-2A và dữ liệu Google Earth, khẳng định tính khả thi của phương pháp trong điều kiện khí hậu nhiệt đới.
  • Nghiên cứu cung cấp dữ liệu quan trọng phục vụ công tác quản lý, quy hoạch đất đai và phòng chống sạt lở tại Đồng Tháp, đồng thời góp phần nâng cao nhận thức cộng đồng ven sông.
  • Đề xuất triển khai giám sát thường xuyên, xây dựng hệ thống cảnh báo sạt lở và tăng cường quản lý khai thác cát để giảm thiểu tác động tiêu cực đến địa hình sông.

Tiếp theo, cần mở rộng nghiên cứu áp dụng công nghệ viễn thám radar cho các khu vực khác trong ĐBSCL và phát triển hệ thống cảnh báo sạt lở tự động. Mời các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu liên hệ để phối hợp triển khai ứng dụng thực tiễn từ kết quả nghiên cứu này.