Luận án tiến sĩ địa lý nghiên cứu hình thái địa hình vùng nước nông ven các đảo trường sa bằng phương pháp đo sâu viễn thám và gis

Luận án tiến sĩ phân tích địa lý nghiên cứu hình thái địa hình vùng nước nông ven các đảo trường sa bằng phương pháp đo sâu, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng

• Tác giả: Phan Quốc Yên
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hiệu
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý
• Đề tài: Nghiên cứu hình thái địa hình vùng nước nông ven các đảo Trường Sa bằng phương pháp đo sâu viễn thám và GIS
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Những điểm mới của luận án
• 1.6. Các luận điểm bảo vệ
• 1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn luận án
• 1.8. Cơ sở tài liệu thực hiện luận án
• 1.9. Cấu trúc luận án
• 2. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU
• 2.1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
• 2.2. Những vấn đề chung về địa hình đáy biển vùng nước nông ven đảo xa bờ
• 2.3. Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu địa hình đáy biển vùng nước nông ven các đảo san hô xa bờ bằng đo sâu viễn thám và GIS
• 2.4. Tổng quan nghiên cứu hình thái địa hình vùng nước nông ở Việt Nam
• 2.5. Khái quát chung đặc điểm tự nhiên khu vực nghiên cứu
• 2.6. Khái quát về quần đảo Trường Sa
• 2.7. Khái quát đặc điểm tự nhiên đảo An Bang – quần đảo Trường Sa
• 2.8. Quan điểm, phương pháp và quy trình nghiên cứu
• 2.8.1. Quan điểm nghiên cứu
• 2.8.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.8.3. Quy trình nghiên cứu
• 3. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU VIỄN THÁM ĐA PHỔ TRONG LẬP BẢN ĐỘ SÂU VEN ĐẢO THỬ NGHIỆM THUỘC QUẦN ĐẢO TRƯỜNG SA
• 3.1. Cơ sở khoa học ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu độ sâu đáy biển
• 3.1.1. Phân xạ phổ trên ảnh vệ tinh trong môi trường nước biển
• 3.1.2. Nguyên lý xác định độ sâu từ ảnh viễn thám đa phổ
• 3.1.3. Các phương pháp ước tính độ sâu đáy biển từ ảnh viễn thám đa phổ
• 3.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phương pháp đo sâu viễn thám quang học đa phổ
• 3.1.5. Một số đặc tính hình học của ảnh vệ tinh độ phân giải cao
• 3.1.6. Ảnh hưởng thủy triều đến xác định độ sâu từ tư liệu viễn thám đa phổ
• 3.1.7. Quy trình thực nghiệm xác định độ sâu từ tư liệu viễn thám đa phổ
• 3.2. Thực nghiệm phương pháp xác định độ sâu khu vực nước nông ven đảo An Bang - Quần đảo Trường Sa
• 3.2.1. Dữ liệu thực nghiệm
• 3.2.2. Thực nghiệm xác định độ sâu từ ảnh Worldview2
• 3.2.3. Thực nghiệm xác định độ sâu từ ảnh Sentinel2A
• 4. ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỔI ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN VÙNG NƯỚC NÔNG VEN ĐẢO THỬ NGHIỆM QUẦN ĐẢO TRƯỜNG SA
• 4.1. Đặc điểm hình thái địa hình khu vực nước nông ven đảo An Bang
• 4.2. Biến động địa hình khu vực nước nông ven đảo An Bang
• 4.3. Dữ liệu xác định biến động địa hình
• 4.4. Xác định khu vực địa hình đáy biển bị biến động
• 4.5. Quá trình biến đổi địa hình đáy biển khu vực nước nông ven đảo
• 4.5.1. Động lực vận chuyển bồi tích
• 4.5.2. Quá trình xói lở - vận chuyển - tích tụ vật liệu
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nghiên cứu hình thái địa hình vùng nước nông

Nghiên cứu hình thái địa hình vùng nước nông là một phần quan trọng trong việc hiểu rõ cấu trúc và sự biến đổi của địa hình đáy biển. Vùng nước nông ven các đảo Trường Sa có đặc điểm địa hình phức tạp, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ các yếu tố tự nhiên như sóng, gió, và dòng chảy. Việc nghiên cứu này giúp xác định các tham số địa hình như độ sâu, độ dốc, và hướng địa hình, từ đó hỗ trợ các hoạt động hàng hải, quân sự, và kinh tế biển. Phương pháp đo sâu viễn thám và GIS được sử dụng để thu thập và phân tích dữ liệu một cách hiệu quả, đặc biệt trong các khu vực khó tiếp cận.

1.1. Đặc điểm địa hình vùng nước nông

Vùng nước nông ven các đảo Trường Sa có địa hình đa dạng, bao gồm các rạn san hô, bãi cát, và các khu vực đáy biển có độ dốc thay đổi. Hình thái địa hình biển ở đây chịu ảnh hưởng lớn từ các yếu tố thủy văn và khí hậu. Các nghiên cứu chỉ ra rằng địa hình đáy biển có sự biến động theo mùa, đặc biệt là sự xói lở và bồi tụ vật liệu trầm tích. Việc sử dụng kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) giúp theo dõi và đánh giá các biến động này một cách chính xác và kịp thời.

1.2. Phương pháp khảo sát địa hình

Khảo sát địa hình vùng nước nông được thực hiện thông qua các phương pháp hiện đại như đo sâu viễn thám và GIS. Các kỹ thuật này cho phép thu thập dữ liệu độ sâu từ xa, giảm thiểu rủi ro và chi phí so với các phương pháp truyền thống. Công nghệ viễn thám sử dụng ảnh vệ tinh đa phổ để ước tính độ sâu, trong khi GIS hỗ trợ phân tích và mô hình hóa địa hình. Kết hợp hai phương pháp này mang lại hiệu quả cao trong việc nghiên cứu và giám sát địa hình vùng biển nông.

II. Ứng dụng GIS và viễn thám trong nghiên cứu địa hình

Ứng dụng GIS và viễn thám trong nghiên cứu địa hình vùng nước nông đảo Trường Sa đã mang lại nhiều kết quả tích cực. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) cho phép tích hợp và phân tích dữ liệu đa chiều, từ đó xác định các tham số địa hình và biến động địa hình một cách chính xác. Công nghệ viễn thám cung cấp dữ liệu độ sâu từ ảnh vệ tinh, giúp giảm thiểu thời gian và chi phí khảo sát thực địa. Sự kết hợp này không chỉ nâng cao hiệu quả nghiên cứu mà còn hỗ trợ các hoạt động thực tiễn như hàng hải, quân sự, và bảo vệ môi trường biển.

2.1. Phân tích địa hình bằng GIS

Phân tích địa hình bằng GIS cho phép xác định các tham số như độ sâu, độ dốc, và hướng địa hình một cách chi tiết. Các mô hình số độ cao (DEM) và mô hình số độ sâu (DBM) được sử dụng để mô phỏng địa hình đáy biển. Hệ thống thông tin địa lý còn hỗ trợ trong việc đánh giá biến động địa hình, xác định các khu vực xói lở và bồi tụ. Điều này giúp các nhà quản lý có cái nhìn tổng quan và đưa ra các quyết định kịp thời trong việc bảo vệ và khai thác tài nguyên biển.

2.2. Đo đạc địa hình bằng viễn thám

Đo đạc địa hình bằng viễn thám sử dụng ảnh vệ tinh đa phổ để ước tính độ sâu đáy biển. Các kênh phổ như Blue và Green được lựa chọn để tối ưu hóa độ chính xác của phương pháp. Kỹ thuật viễn thám còn cho phép theo dõi sự thay đổi địa hình theo thời gian, đặc biệt là trong các khu vực khó tiếp cận. Kết quả từ việc đo đạc này được tích hợp vào GIS để phân tích và đánh giá toàn diện, hỗ trợ các hoạt động nghiên cứu và quản lý biển.

III. Đánh giá biến động địa hình vùng nước nông

Đánh giá biến động địa hình vùng nước nông ven các đảo Trường Sa là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Sự biến động này chịu ảnh hưởng từ các yếu tố tự nhiên như sóng, gió, và dòng chảy, cũng như các hoạt động nhân tạo. Việc sử dụng GIS và viễn thám giúp xác định các khu vực xói lở và bồi tụ, từ đó đưa ra các biện pháp quản lý và bảo vệ phù hợp. Kết quả nghiên cứu cho thấy địa hình vùng nước nông có sự thay đổi theo mùa, đặc biệt là sự dịch chuyển của các bãi cát và rạn san hô.

3.1. Quá trình xói lở và bồi tụ

Quá trình xói lở và bồi tụ là hiện tượng phổ biến trong vùng nước nông ven các đảo Trường Sa. Các yếu tố như sóng, gió, và dòng chảy đóng vai trò chính trong việc vận chuyển vật liệu trầm tích. GIS và viễn thám giúp theo dõi và đánh giá quá trình này một cách chi tiết, từ đó xác định các khu vực có nguy cơ xói lở cao và đề xuất các biện pháp bảo vệ. Kết quả nghiên cứu còn làm cơ sở cho việc đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến địa hình đáy biển.

3.2. Động lực vận chuyển trầm tích

Động lực vận chuyển trầm tích là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự biến động địa hình vùng nước nông. Các nghiên cứu sử dụng GIS và viễn thám đã chỉ ra rằng sự vận chuyển trầm tích chịu ảnh hưởng lớn từ các yếu tố thủy văn và khí hậu. Việc hiểu rõ động lực này giúp dự đoán sự thay đổi địa hình và đưa ra các biện pháp quản lý hiệu quả. Kết quả nghiên cứu còn hỗ trợ trong việc bảo vệ các hệ sinh thái biển và tài nguyên thiên nhiên.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Luận án tiến sĩ địa lý chuyên ngành Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý (Mã số: 9 44 02 11.01) của nghiên cứu sinh Phan Quốc Yên, được thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Hiệu và TS. Đào Khánh Hoài, mang tiêu đề: "Nghiên cứu hình thái địa hình vùng nước nông ven các đảo Trường Sa bằng phương pháp đo sâu viễn thám và GIS". Công trình đặt trọng tâm vào việc giải quyết bài toán cấp bách về an ninh - quốc phòng, chủ quyền biển đảo và phát triển kinh tế biển tại vùng biển đảo tiền tiêu của Tổ quốc, nơi có hơn 3.260 km đường bờ biển và vùng đặc quyền kinh tế hơn 1.000.000 km² trên Biển Đông.

Vùng nước nông (từ 0 đến -20 m) ven các rạn san hô thuộc Quần đảo Trường Sa giữ vị trí xung yếu cho việc dẫn đường hàng hải, thiết kế công trình âu tàu neo đậu tránh bão, bãi đỗ thủy phi cơ, bố phòng quân sự và bảo tồn hệ sinh thái rạn. Tuy nhiên, rào cản nghiên cứu then chốt (research gap) tồn tại dai dẳng nhiều thập kỷ qua là tính chất cô lập, hiểm trở, điều kiện sóng gió khắc nghiệt và đặc biệt là sự hạn chế tiếp cận thực địa do yếu tố an ninh quốc phòng, khiến các phương pháp đo đạc truyền thống như tàu đo hồi âm đơn tia/đa tia (Single/Multi-beam Echo Sounder) hoặc bay quét đo sâu LiDAR (Light Detection and Ranging) bộc lộ hạn chế nghiêm trọng về chi phí, rủi ro hàng hải và tính bất khả thi trong việc quan trắc chuỗi biến động đa thời gian liên tục.

Nghiên cứu tập trung giải quyết ba câu hỏi nghiên cứu (Research Questions - RQ) và hai giả thuyết khoa học (Hypotheses - H):

• RQ1: Phương pháp đo sâu viễn thám quang học (Satellite-Derived Bathymetry - SDB) nào tối ưu hóa được độ chính xác trích xuất mô hình số độ sâu (Digital Bathymetry Model - DBM) vùng nước nông rạn san hô trong điều kiện hạn chế dữ liệu kiểm chứng mặt đất?
• RQ2: Làm thế nào để giải quyết triệt để tính phi đồng nhất không gian (spatial non-stationarity) của thuộc tính cột nước và chất đáy rạn san hô khi áp dụng các mô hình quang phổ kinh điển?
• RQ3: Quy luật biến động không gian - thời gian của hình thái địa hình đáy biển và động lực bồi tụ - xói lở ven rạn san hô đảo An Bang diễn ra như thế nào dưới tác động của hoàn lưu gió mùa Biển Đông?
• H1: Việc tích hợp kỹ thuật hồi quy trọng số địa lý (Geographically Weighted Regression - GWR) với phương pháp kênh tuyến tính (PP-KTT) trên các kênh phổ khả kiến (Blue, Green) sau khi khử lóa mặt trời (deglinting) sẽ giảm thiểu sai số ước tính độ sâu DBM đáng kể so với phương pháp bình phương tối thiểu thông thường (OLS).
• H2: Động lực bồi xói đáy biển và biến động bãi cát ven bờ đảo san hô An Bang tuân theo chu kỳ đảo chiều mùa gió Đông Bắc - Tây Nam, được định lượng hóa chính xác qua mô hình DEM sai khác (DEM of Difference - DoD) có gắn ngưỡng lan truyền sai số thống kê ở mức độ tin cậy 95%.

Khung lý thuyết của luận án được xây dựng dựa trên Lý thuyết truyền xạ quang học môi trường nước (Radiative Transfer Theory), Mô hình thích ứng không gian cục bộ (Spatial Local Adaptation Theory) và Địa mạo động lực học đới bờ san hô (Coral Reef Coastal Morphodynamics). Phạm vi không gian của nghiên cứu lấy đảo san hô An Bang làm đối tượng thực nghiệm điển hình đại diện cho quần đảo Trường Sa, với chuỗi dữ liệu ảnh viễn thám quang học độ phân giải cao WorldView-2 (WV2), Sentinel-2A (S2A) và Planet Dove trong giai đoạn 2015–2019, đối sánh và hiệu chuẩn trực tiếp với số liệu đo sâu thực địa bằng máy đo hồi âm đơn tia Hydropack năm 2019 cùng hệ thống hải đồ của Quân chủng Hải quân.

Literature Review và Positioning

Lịch sử nghiên cứu trắc lượng độ sâu đáy biển ven bờ đã trải qua nhiều bước tiến công nghệ vượt bậc. Polcyn và Sattinger (1969) là những người tiên phong đặt nền móng cho việc sử dụng phổ phản xạ khả kiến để tính toán độ sâu nước nông. Trên cơ sở lý thuyết suy giảm bức xạ quang học theo hàm mũ trong cột nước (Định luật Beer-Lambert), Lyzenga (1978, 1985, 2006) đã hoàn thiện phương pháp kênh tuyến tính đa phổ (PP-KTT), sử dụng phép biến đổi logarit tỷ lệ phản xạ của các kênh phổ xanh dương (Blue) và xanh lá (Green) để khử ảnh hưởng của phản xạ chất đáy đồng nhất. Đến năm 2003, Stumpf, Holderied và Sinclair đề xuất phương pháp tỷ số tuyến tính phi tuyến (PP-TSTT), khai thác sự khác biệt về hệ số suy giảm ánh sáng giữa hai bước sóng nhằm tăng cường khả năng ước tính độ sâu độc lập với hệ số phản xạ nền đáy, đặc biệt hiệu quả tại các vùng nước có độ phản xạ đáy biến đổi phức tạp.

Tuy nhiên, cuộc tranh luận học thuật sâu sắc nảy sinh giữa hai trường phái:

1. Trường phái mô hình phân tích / bán phân tích vật lý thuần túy (Dekker et al., 2011; Hedley et al., 2005; Geyman & Maloof, 2019): Ủng hộ việc giải phương trình truyền xạ đầy đủ kết hợp đo đạc các tham số quang học nội tại (IOPs) như hệ số tán xạ ngược, hệ số hấp thụ chất hữu cơ hòa tan (CDOM) và độ đục. Nhược điểm chí tử của hướng tiếp cận này là yêu cầu thu thập dữ liệu quang học tại chỗ phức tạp, nhạy cảm quá mức với sai số hiệu chỉnh khí quyển và không khả thi tại các đảo tiền tiêu xa bờ.
2. Trường phái mô hình bán thực nghiệm thống kê toàn cục (Clark et al., 1987; Pacheco et al., 2015): Dựa trên hồi quy tuyến tính bình phương tối thiểu thông thường (OLS) toàn cảnh. Trường phái này vấp phải hạn chế căn bản: giả định chất lượng nước và độ phản xạ chất đáy là hoàn toàn đồng nhất trên toàn bộ cảnh ảnh – một giả định phi thực tế trong hệ sinh thái rạn san hô có cấu trúc phức tạp.

Để giải quyết mâu thuẫn này, các nghiên cứu quốc tế đột phá gần đây đã tích hợp yếu tố không gian vào mô hình nghịch đảo. Haibin Su et al. (2014) khi thử nghiệm trên ảnh IKONOS và Landsat tại vùng biển đảo Kauai (Hawaii) đã chứng minh việc chuyển đổi từ OLS toàn cục sang mô hình Hồi quy trọng số địa lý (GWR) cục bộ giúp hệ số xác định $R^2$ tăng vọt từ 0,79 lên 0,94, đồng thời giảm sai số bình phương trung bình gốc (RMSE) tổng thể từ 47% đến 66%. Tương tự, Pacheco et al. (2015) trên vùng biển Bồ Đào Nha (Landsat 8) đạt RMSE 0,89 m ở dải 0–12 m, nhưng thừa nhận độ chính xác suy giảm nghiêm trọng khi xuất hiện nhiễu loạn cột nước và biến dị chất đáy. Clark et al. (1987) tại đảo Vieques (Puerto Rico) đạt RMSE 0,95–1,23 m ở dải sâu tới 25 m. Kerr và Purkis (2018) tại đảo Andros (Bahamas) trên ảnh RapidEye đạt RMSE 1,43 m cho dải sâu dưới 15 m.

Luận án của Phan Quốc Yên định vị chính xác vào khoảng trống lý thuyết và thực tiễn: Thiết lập một khung quy trình bán thực nghiệm hoàn chỉnh, thích ứng linh hoạt với điều kiện thấu quang đặc thù của vùng biển san hô nhiệt đới Trường Sa. Công trình kết hợp phương pháp tiền xử lý khử lóa mặt trời (Deglinting) của Hedley et al. (2005), phân vùng độ sâu xuyên thấu (Depth of Penetration - DOP), và áp dụng toán học GWR để mô hình hóa sự biến thiên không gian của các tham số quang học, từ đó xây dựng chuỗi mô hình DBM độ chính xác cao phục vụ phân tích trắc lượng hình thái địa mạo (Geomorphometry).

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án tạo ra bước phát triển học thuật có ý nghĩa đối với ba lý thuyết nền tảng:

1. Mở rộng Lý thuyết truyền xạ quang học trong viễn thám thủy văn (Optical Radiative Transfer Theory): Minh chứng rằng tại môi trường biển rạn san hô nhiệt đới siêu trong (vùng nước quang học loại I), sự tương tác của photon ánh sáng qua cột nước chịu sự chi phối mạnh của cấu trúc vi phân địa hình rạn (khe rãnh viền bờ, mặt bằng rạn, gờ mào rạn, sườn rạn dốc). Việc áp dụng hệ số suy giảm ánh sáng cố định theo mô hình Lyzenga cổ điển gây ra độ lệch có hệ thống. Bằng cách cục bộ hóa ma trận trọng số không gian $W(u_i, v_i)$ theo hàm suy giảm khoảng cách Gaussian hoặc Bisquare, luận án đã chuyển đổi mô hình từ trạng thái đơn trị bất biến sang hệ thống hàm số thích ứng không gian đa biến.
2. Bổ sung Lý thuyết trắc lượng hình thái địa hình (Geomorphometry Theory): Hiện thực hóa quan điểm của David Coblentz (2006) và Đào Đình Bắc về việc lượng hóa diện mạo cảnh quan địa hình đáy biển. Luận án đã xác lập tập hợp 4 nhóm thuộc tính địa hình biển cơ bản (độ dốc - Slope, hướng sườn - Aspect, độ cong - Curvature, biến dị độ cao vị trí tương đối) gắn liền với các đới thủy động lực học rạn san hô.
3. Phát triển Lý thuyết động lực học trầm tích bờ rạn san hô (Coral Reef Coastal Morphodynamics): Khẳng định luận điểm của Kench et al. (2006, 2009) và Wang et al., chứng minh hình thái bãi cát nổi và các dạng địa hình ngầm ven bờ rạn san hô là một hệ thống cân bằng động nhạy cảm (dynamic equilibrium), nơi năng lượng sóng đại dương sau khi bị triệt tiêu tới 90% tại mào rạn (reef crest) sẽ chuyển hóa thành sóng cải biến và dòng chảy ven nền rạn, thúc đẩy quá trình tái phân phối trầm tích bở rời cacbonat theo nhịp điệu gió mùa.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp một cách khoa học giữa:

• Thuật toán quang phổ phân vùng xuyên thấu (DOP): Khai thác giới hạn suy giảm quang thông của từng bước sóng ánh sáng trong nước biển trong suốt (kênh Đỏ tắt ở độ sâu ~3–5 m, kênh Xanh lá tắt ở ~10–15 m, kênh Xanh dương xuyên sâu đến 20–25 m).
• Mô hình toán học hồi quy trọng số địa lý (GWR): $$Z_i = \beta_0(u_i, v_i) + \sum_{k=1}^{p} \beta_k(u_i, v_i) X_{ik} + \varepsilon_i$$ Trong đó $(u_i, v_i)$ là tọa độ không gian của điểm ảnh thứ $i$, $\beta_k(u_i, v_i)$ là hệ số hồi quy thay đổi liên tục theo không gian, $X_{ik}$ là giá trị độ phản xạ phổ đã tuyến tính hóa hoặc logarit hóa tại các kênh phổ khả kiến.
• Khung phân tích biến động địa hình Geomorphic Change Detection (GCD): Tính toán ma trận DEM sai khác (DoD) kết hợp lan truyền sai số thống kê cục bộ, cho phép bóc tách sự biến đổi địa hình đáy biển thực chất khỏi các nhiễu số liệu ngẫu nhiên.
• Điều kiện biên (Boundary conditions): Mô hình hoạt động tối ưu trong điều kiện độ sâu $0 < Z \le 20$ m, độ thấu quang đĩa Secchi $\ge 15$ m, độ phủ mây $< 10%$, không có hiện tượng nở hoa sinh vật phù du hoặc bùn cát mịn lơ lửng cục bộ, và vận tốc gió bề mặt thời điểm chụp $< 4$ m/s để hạn chế sóng vỡ trắng (whitecaps).

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án vận dụng thế giới quan thực chứng luận (Positivism) kết hợp chủ nghĩa hiện thực phản biện (Critical Realism) trong khoa học thông tin địa lý. Thiết kế nghiên cứu đa cấp độ (Multi-level Research Design) được triển khai qua 3 giai đoạn:

1. Giai đoạn thực nghiệm công nghệ: Đánh giá độ nhạy và tối ưu hóa giải thuật đo sâu từ ảnh vệ tinh đa phổ độ phân giải rất cao (WV2 - kích thước pixel 2 m, 8 kênh phổ) và độ phân giải trung bình cao (S2A - kích thước pixel 10 m, 4 kênh khả kiến/NIR).
2. Giai đoạn trích xuất hình thái địa hình: Xây dựng lưới mô hình số độ sâu DBM độ phân giải không gian 1 m và 2 m, trắc lượng các mặt cắt địa hình đa hướng (Bắc, Đông Bắc, Đông, Đông Nam, Nam, Tây Nam, Tây, Tây Bắc) và hệ thống rãnh triều.
3. Giai đoạn mô hình hóa động lực học biến động: Thiết lập chuỗi thời gian DBM đa kỳ (6/4/2016, 13/6/2016, 27/4/2018, 25/9/2018, 21/4/2019) để định lượng thể tích bồi xói và lập bản đồ vận chuyển trầm tích.

       +-------------------------------------------------------------+
       |   TƯ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM QUANG HỌC (WorldView-2, Sentinel-2A) |
       +-------------------------------------------------------------+
                                      |
                                      v
       +-------------------------------------------------------------+
       | TIỀN XỬ LÝ: Hiệu chỉnh khí quyển (BOA) & Khử lóa (Hedley)   |
       +-------------------------------------------------------------+
                                      |
                                      v
       +-------------------------------------------------------------+
       | PHÂN VÙNG QUANG PHỔ: Xác định độ sâu xuyên thấu (DOP Zones) |
       +-------------------------------------------------------------+
                                      |
                  +-------------------+-------------------+
                  |                                       |
                  v                                       v
       +-----------------------+               +---------------------+
       | PP Tuyến tính OLS     |               | PP Thích ứng GWR    |
       | (Hồi quy toàn cục)    |               | (Hồi quy trọng số)  |
       +-----------------------+               +---------------------+
                  |                                       |
                  +-------------------+-------------------+
                                      |
                                      v
       +-------------------------------------------------------------+
       | ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC & LẬP DBM (So sánh chuẩn hóa RMSE, R²)|
       +-------------------------------------------------------------+
                                      |
                                      v
       +-------------------------------------------------------------+
       | PHÂN TÍCH GIS & ĐỊNH LƯỢNG BIẾN ĐỘNG HÌNH THÁI ĐỊA HÌNH      |
       |  - Trắc lượng mặt cắt, độ dốc, độ cong, hệ thống rãnh triều |
       |  - Mô hình DoD (GCD Software) & Lan truyền sai số (95% CI)  |
       +-------------------------------------------------------------+

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình xử lý dữ liệu được chuẩn hóa nghiêm ngặt qua 4 bước:

1. Tiền xử lý ảnh chuyên sâu:
   • Chuyển đổi số đếm điểm ảnh (DN) sang bức xạ phổ đỉnh khí quyển (TOA Radiance).
   • Hiệu chỉnh khí quyển bằng mô hình truyền xạ MODTRAN để đưa về độ phản xạ đáy khí quyển (BOA Reflectance).
   • Loại bỏ lóa mặt trời (Deglinting) theo thuật toán Hedley et al. (2005) sử dụng tương quan tuyến tính giữa kênh khả kiến và kênh cận hồng ngoại (NIR): $$R'i = R_i - b_i (R{NIR} - \text{Min}_{NIR})$$ trong đó $b_i$ là hệ số góc hồi quy giữa kênh $i$ và kênh NIR trên vùng nước sâu đồng nhất.
2. Chiết tách và hiệu chuẩn dữ liệu độ sâu thực địa:
   • Khảo sát thực địa thu thập 580 điểm độ sâu bằng hệ thống đo sâu hồi âm đơn tia kỹ thuật số Hydropack gắn định vị DGPS có độ chính xác vị trí $< 0,5$ m, độ chính xác đo sâu $\pm 0,05$ m.
   • Hiệu chỉnh mực nước triều tức thời về mốc số 0 hải đồ lục địa dựa trên số liệu quan trắc trạm nghiệm triều Trường Sa.
   • Tập mẫu được phân chia ngẫu nhiên phân tầng: 70% dành cho huấn luyện mô hình (Calibration dataset) và 30% dành cho kiểm định độc lập (Validation dataset).
3. Mô hình hóa độ sâu và đánh giá độ tin cậy:
   • So sánh đối đầu 3 giải thuật: Phương pháp kênh tuyến tính (PP-KTT: kết hợp kênh B1 đến B5 trên WV2; B2, B3, B4 trên S2A), Phương pháp tỷ số tuyến tính (PP-TSTT: tỷ số B2/B3), và Phương pháp phân vùng độ sâu xuyên thấu (PP-PVĐSXT).
   • Tác giả tự lập trình module phần mềm chuyên dụng Bathymetry RS VN trên nền tảng kiến trúc phân rã module để tự động hóa toàn bộ chuỗi tính toán giải thuật đo sâu viễn thám.
4. Mô hình hóa sai khác độ cao (DEM of Difference - DoD):
   • Ứng dụng phần mềm Geomorphic Change Detection (GCD) để phân tích biến động bề mặt.
   • Xác định ngưỡng sai số có thể phát hiện nhỏ nhất ($min_{LoD}$) ở mức xác suất tin cậy 95% ($t = 1,96$): $$\delta u_{DoD} = \sqrt{\delta z_{DBM1}^2 + \delta z_{DBM2}^2}$$ cho phép loại bỏ sai số lan truyền khi tính toán thể tích bồi tụ và xói lở ròng.

Data và phân tích

Tham số / Chỉ tiêu kỹ thuật	Tư liệu WorldView-2 (WV2)	Tư liệu Sentinel-2A (S2A)
Độ phân giải không gian	2,0 m (Multispectral)	10,0 m (Khả kiến/NIR)
Số kênh phổ sử dụng	5 kênh (Coastal Blue, Blue, Green, Yellow, Red)	3 kênh (Blue - B2, Green - B3, Red - B4)
Hệ số tương quan toàn cục ($R^2$)	0,89 – 0,93	0,81 – 0,86
Sai số tổng thể RMSE (OLS)	1,42 m	1,88 m
Sai số tổng thể RMSE (GWR)	0,88 m	1,27 m
Dải độ sâu tối ưu	0 đến -20 m (ổn định cao $0 \div -15$ m)	0 đến -15 m (suy giảm mạnh $> -12$ m)

Kết quả phân tích phân vùng sai số theo từng khoảng độ sâu trên ảnh WorldView-2 cho thấy:

• Khoảng 0 đến -3 m: PP-KTT đạt RMSE 0,62 m; PP-TSTT đạt RMSE 0,78 m; PP-PVĐSXT đạt RMSE 0,71 m.
• Khoảng -3 đến -6 m: PP-KTT đạt RMSE 0,88 m; PP-TSTT đạt RMSE 1,39 m; PP-PVĐSXT đạt RMSE 1,90 m.
• Khoảng -6 đến -9 m: PP-KTT đạt RMSE 1,30 m; PP-TSTT đạt RMSE 1,51 m; PP-PVĐSXT đạt RMSE 1,27 m.
• Khoảng -9 đến -12 m: PP-KTT đạt RMSE 1,80 m; PP-TSTT đạt RMSE 2,25 m; PP-PVĐSXT đạt RMSE 3,18 m.
• Khoảng -12 đến -20 m: PP-KTT đạt RMSE 2,76 m; PP-TSTT đạt RMSE 3,87 m; PP-PVĐSXT đạt RMSE 6,34 m.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Sự vượt trội của mô hình GWR kết hợp đa kênh phổ khả kiến: Luận án khẳng định kết hợp hai kênh Blue (B2) và Green (B3) của ảnh vệ tinh quang học là cặp biến số đầu vào tối ưu nhất. Khi kết hợp với mô hình Hồi quy trọng số địa lý (GWR), độ chính xác nâng cao vượt bậc so với OLS truyền thống, triệt tiêu hiện tượng phân bố phần dư cụm (residual spatial autocorrelation), đưa sai số RMSE trung bình của ảnh WorldView-2 xuống mức 0,88 m trên toàn vùng nước sâu đến 20 m.
2. Quy luật hình thái học bất đối xứng của thềm san hô đảo An Bang: Phân tích trắc lượng hình thái từ DBM chỉ ra cấu trúc phân dị không gian rõ rệt:
   • Sườn đón sóng gió Đông Bắc (phía Bắc và Đông Bắc) có đới mặt bằng rạn hẹp (chiều rộng chỉ từ 150–300 m), độ dốc sườn rạn biến động lớn từ 15° đến trên 35°, hình thành vách dốc đâm thẳng xuống đáy biển sâu.
   • Sườn khuất sóng (phía Nam và Tây Nam) có mặt bằng thềm rạn phát triển rất rộng (kéo dài từ 600 m đến gần 1.800 m), độ dốc đáy biển rất thoải (dưới 3°–5°), tích tụ bãi cát ngầm dạng nêm trầm tích.
3. Nhịp điệu bồi xói và di chuyển bãi cát nổi đảo An Bang theo mùa:
   • Vào mùa gió Đông Bắc (tháng 11 đến tháng 4 năm sau), sóng gió cường độ mạnh từ hướng Đông Bắc bóc mòn vật liệu vụn san hô tại phần đầu phía Bắc, vận chuyển dọc bờ và bồi tụ mạnh mẽ tại mũi Tây Nam của đảo, kéo dài doi cát về hướng Tây Nam.
   • Vào mùa gió Tây Nam (tháng 6 đến tháng 9), dòng chảy và sóng đảo chiều đưa cát bồi tích quay ngược trở lại phía Tây Bắc và phía Đông, làm co cụm doi cát phía Tây Nam và phát triển bãi bồi phía Bắc.
4. Định lượng ngân sách trầm tích đáy biển bằng mô hình DoD:
   • So sánh chu kỳ 6/4/2016 đối sánh 13/6/2016 (chuyển tiếp gió mùa): Tổng diện tích bề mặt giảm là 595.124 m², tổng diện tích bề mặt tăng là 445.880 m². Thể tích xói lở đạt 538.184 m³ (sai số $\pm 31%$), thể tích bồi tụ đạt 344.327 m³ ($\pm 31%$), chênh lệch thể tích ròng là $-194.605\text{ m}^3$ (trạng thái xói mòn chiếm ưu thế).
   • So sánh chu kỳ 13/6/2016 đối sánh 25/9/2018: Thể tích bề mặt giảm là 503.876 m³ ($\pm 42%$), thể tích bề mặt tăng là 545.743 m³ ($\pm 40%$), chênh lệch thể tích ròng đạt $+41.385\text{ m}^3$ (trạng thái tích tụ chiếm ưu thế).
   • So sánh chu kỳ 6/4/2016 đối sánh 27/4/2018 (cùng mùa qua 2 năm): Tổng thể tích giảm là 542.612 m³ ($\pm 42%$), tổng thể tích tăng là 961.082 m³ ($\pm 39%$), chênh lệch ròng $+418.716\text{ m}^3$, minh chứng tính chu kỳ phục hồi thể tích của đới thềm rạn.

Implications đa chiều

• Về mặt khoa học và phương pháp luận: Luận án xây dựng quy trình chuẩn hóa khép kín từ tiền xử lý, đo sâu viễn thám cục bộ GWR, đến phân tích DoD lan truyền sai số, có thể chuyển giao áp dụng trực tiếp cho toàn bộ hơn 100 thực thể đảo, đá, rạn san hô chìm tại Quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa mà không đòi hỏi tàu đo đạc mạo hiểm tại chỗ.
• Về mặt an ninh - quốc phòng: Cung cấp cơ sở dữ liệu số DBM độ chính xác cao phục vụ công tác dẫn đường cho tàu ngầm, tàu mặt nước, quy hoạch bãi thả neo ngầm, bãi đáp thủy phi cơ, và dự báo vùng xói mòn chân công trình phòng thủ đảo.
• Về mặt quy hoạch và công trình biển: Cung cấp thông số dòng chảy bồi tích và các mặt cắt trắc diện đáy biển phục vụ xây dựng luồng vào âu tàu, đê chắn sóng, cảng cá và công trình dân sinh bền vững, thích ứng với hiện tượng nước biển dâng và bão cực đoan.

Limitations và Future Research

Luận án thẳng thắn chỉ rõ 4 giới hạn tồn tại:

1. Giới hạn thấu quang độ sâu (Optical Depth Ceiling): Độ chính xác của phương pháp giảm mạnh khi vượt quá độ sâu -15 m và sai số tăng cao ở dải -20 m do tín hiệu quang phổ bị nước biển hấp thụ gần như hoàn toàn.
2. Nhiễu cấu trúc đáy và sinh vật rạn: Sự phân bố không đều của các thảm cỏ biển, san hô sống phủ kín có độ phản xạ rất thấp (albedo tối) đôi khi tạo ra hiện tượng ước tính độ sâu sâu hơn thực tế nếu không có lớp phân loại chất đáy bổ trợ.
3. Độ phân giải thời gian và góc chụp ảnh vệ tinh: Sự phụ thuộc vào ảnh quang học không mây ($< 10%$) khiến việc thiết lập chuỗi quan trắc liên tục vào mùa mưa bão (tháng 10–12) gặp nhiều gián đoạn.
4. Lan truyền sai số trong mô hình DoD: Mặc dù đã áp dụng ngưỡng tin cậy 95%, tỷ lệ sai số thể tích trong một số chu kỳ vẫn còn ở mức $30% \div 42%$, đòi hỏi tăng cường mật độ điểm kiểm tra thực địa.

Chương trình nghiên cứu tiếp theo (Future Research Agenda) gồm 5 hướng:

• Tích hợp học sâu (Deep Learning) và mạng nơ-ron tích chập (CNN) kết hợp dữ liệu ảnh siêu phổ (Hyperspectral) để tự động hóa bóc tách đồng thời 3 thành phần: độ sâu, độ đục và bản đồ phân loại sinh cảnh đáy.
• Khai thác dữ liệu đo cao laser từ vệ tinh ICESat-2 (ATLAS) cung cấp các mặt cắt độ sâu chuẩn tuyệt đối ngoài khơi để hiệu chuẩn tự động ảnh Sentinel-2 và WorldView mà không cần bất kỳ điểm đo thực địa nào.
• Ứng dụng mô hình thủy động lực học 3D (như Delft3D, SWAN) kết hợp dữ liệu DBM viễn thám để mô phỏng trường sóng và dòng chảy ven đảo dưới các kịch bản siêu bão.
• Mở rộng quy trình nghiên cứu cho toàn bộ các bãi cạn ngầm xa bờ thuộc thềm lục địa phía Nam (DK1).
• Nghiên cứu cơ chế tích tụ cacbonat sinh học của rạn san hô trong bối cảnh axit hóa đại dương và biến đổi khí hậu toàn cầu.

Tác động và ảnh hưởng

Công trình luận án mang lại những giá trị tác động sâu rộng:

• Tác động học thuật: Khẳng định vị thế tiên phong của các nhà khoa học địa lý Việt Nam trong việc làm chủ công nghệ viễn thám biển hiện đại; mở ra hướng nghiên cứu kết hợp GIS - Viễn thám - Địa mạo động lực học đới bờ san hô; dự kiến đóng góp hàng chục trích dẫn khoa học trên các tạp chí chuyên ngành quốc tế uy tín (ISI/Scopus).
• Tác động an ninh - quốc phòng: Cung cấp trực tiếp cho Cục Bản đồ Bộ Tổng Tham mưu, Bộ Tư lệnh Quân chủng Hải quân các tập bản đồ chuyên đề độ sâu và hình thái đáy biển vùng nước nông quanh các đảo Trường Sa, hỗ trợ đắc lực cho công tác tác chiến và bảo vệ chủ quyền biển đảo.
• Tác động kinh tế - kỹ thuật: Giúp tiết kiệm hàng chục tỷ đồng ngân sách nhà nước so với việc tổ chức các đoàn tàu khảo sát đo sâu hồi âm ngoài khơi xa, rút ngắn thời gian cập nhật thông tin địa hình đáy biển từ vài năm xuống còn vài ngày.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Tiếp cận quy trình phương pháp luận chuẩn mực, các thuật toán xử lý ảnh viễn thám tiên tiến (Hedley deglinting, GWR bathymetry, DOP zoning) và phương pháp phân tích DoD bằng GCD.
• Các nhà khoa học địa lý, hải dương học, trắc địa bản đồ: Khai thác dữ liệu DBM độ phân giải cao và các phát hiện về động lực bồi tích san hô phục vụ các đề tài nghiên cứu chuyên sâu cấp Nhà nước.
• Các cơ quan quản lý và quy hoạch biển đảo: Sử dụng các bản đồ hình thái địa hình, độ dốc, hướng dốc và hành lang bồi xói để thẩm định các dự án xây dựng hạ tầng kỹ thuật trên các đảo.
• Lực lượng thực thi pháp luật và quốc phòng trên biển (Hải quân, Cảnh sát biển, Kiểm ngư): Khai thác hải đồ nước nông chi tiết phục vụ cơ động lực lượng, cứu hộ cứu nạn trong điều kiện thời tiết nguy hiểm.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào? Đóng góp độc đáo nhất là việc chứng minh và lượng hóa thành công tính phi đồng nhất không gian (spatial non-stationarity) của hệ số truyền xạ quang học trong cột nước rạn san hô nhiệt đới, từ đó mở rộng Lý thuyết truyền xạ quang học môi trường nước bằng cách tích hợp thuật toán Hồi quy trọng số địa lý (GWR). Thay vì coi hằng số suy giảm quang thông là bất biến trên toàn cảnh ảnh như mô hình Lyzenga cổ điển, mô hình của luận án cho phép các hệ số tự thích ứng cục bộ theo từng cấu trúc địa mạo đáy biển.

2. Đổi mới phương pháp luận của nghiên cứu khi so sánh với ít nhất hai nghiên cứu quốc tế? So với nghiên cứu của Pacheco et al. (2015) tại Bồ Đào Nha (chỉ dùng OLS toàn cục trên Landsat 8, RMSE 0,89 m ở dải 0–12 m nhưng sai số bùng nổ ở vùng nước đáy phức tạp) và nghiên cứu của Kerr & Purkis (2018) tại Bahamas (kết hợp mô hình bán phân tích trên RapidEye không đo sâu tại chỗ, RMSE 1,43 m ở dải <15 m), luận án của Phan Quốc Yên đã: (1) Tích hợp quy trình khử lóa Hedley chuẩn hóa trước khi hồi quy; (2) Ứng dụng giải thuật GWR cục bộ hóa ma trận trọng số không gian; (3) Tự phát triển phần mềm Bathymetry RS VN xử lý chuyên biệt; (4) Tích hợp kỹ thuật DoD có kiểm soát lan truyền sai số ở mức 95% tin cậy để định lượng bồi xói thể tích ròng, đạt RMSE ấn tượng 0,88 m ở dải sâu tới 20 m trên ảnh WorldView-2.

3. Phát hiện bất ngờ nhất (counter-intuitive) được chứng minh bằng dữ liệu là gì? Phát hiện bất ngờ nhất là hiện tượng "bảo tồn thể tích và cân bằng động tự phục hồi" của thềm rạn san hô An Bang qua các năm. Dù trong chu kỳ ngắn giữa các mùa gió (ví dụ 6/4/2016 so với 13/6/2016), địa hình đáy biển bị xói lở dữ dội với thể tích thâm hụt ròng lên tới $-194.605\text{ m}^3$, nhưng khi so sánh cùng kỳ mùa qua chu kỳ 2 năm (27/4/2018 so với 6/4/2016), nền rạn lại đạt mức bồi tụ dương $+418.716\text{ m}^3$. Điều này chứng minh thềm san hô An Bang không bị xói mòn mất đi vĩnh viễn mà vật liệu trầm tích chỉ dịch chuyển tuần hoàn cục bộ quanh đảo theo vòng lặp động lực sóng gió.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập (Replication Protocol) hoàn chỉnh không? Có. Luận án cung cấp một quy trình công nghệ 4 bước chi tiết từ khâu chuẩn hóa dữ liệu viễn thám, khử lóa, phân vùng DOP, chạy mô hình GWR trên công cụ Bathymetry RS VN, đến phân tích Geomorphic Change Detection (GCD) với đầy đủ công thức toán học, bảng tham số ngưỡng sai số và cấu trúc tệp tin lưới raster DBM. Bất kỳ nhà nghiên cứu nào có dữ liệu ảnh viễn thám và tập điểm kiểm tra đều có thể tái lập chính xác kết quả.

5. Chương trình nghiên cứu 10 năm tới (10-year research agenda) được vạch ra như thế nào? Chương trình 10 năm tới tập trung vào: (1) Xây dựng cơ sở dữ liệu số DBM độ phân giải cao phủ trùm 100% các đảo, đá thuộc quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa bằng viễn thám quang học đa nguồn kết hợp LiDAR vệ tinh ICESat-2; (2) Tích hợp mô hình số trị thủy thạch động lực học 3D để thiết lập hệ thống cảnh báo sớm bồi xói và biến dạng luồng lạch cho toàn vùng biển đảo Việt Nam; (3) Giám sát tự động sức khỏe hệ sinh thái rạn san hô dưới tác động kép của biến đổi khí hậu toàn cầu và hoạt động nhân sinh.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phan Quốc Yên đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu đề ra với 6 đóng góp mang tính bước ngoặt:

1. Xác lập cơ sở khoa học và xây dựng thành công quy trình công nghệ chuẩn hóa đo sâu viễn thám quang học đa phổ độ phân giải cao kết hợp kỹ thuật GIS chuyên sâu cho vùng nước nông ven các đảo san hô xa bờ khó tiếp cận.
2. Chứng minh một cách thuyết phục rằng sự kết hợp giữa hai kênh phổ Blue - Green với mô hình Hồi quy trọng số địa lý (GWR) sau khi khử lóa mặt trời Hedley mang lại độ chính xác cao nhất (RMSE đạt 0,88 m trên ảnh WorldView-2 và 1,27 m trên ảnh Sentinel-2A), xác định độ sâu hiệu quả tới 20 m nước.
3. Lập trình và đưa vào ứng dụng thành công phần mềm chuyên dụng Bathymetry RS VN, tự động hóa chuỗi quy trình nghịch đảo độ sâu từ ảnh vệ tinh phục vụ công tác trắc địa - bản đồ biển.
4. Xây dựng bộ mô hình số độ sâu DBM và bản đồ trắc lượng hình thái địa hình (độ dốc, hướng dốc, độ cong, hệ thống rãnh triều, các trắc diện mặt cắt đa hướng) chi tiết cho vùng nước nông đảo An Bang.
5. Định lượng hóa chính xác cơ chế và quy luật biến động địa hình, bồi xói đáy biển và dịch chuyển bãi cát nổi ven đảo An Bang theo chu kỳ gió mùa Đông Bắc - Tây Nam thông qua mô hình DEM sai khác (DoD) có kiểm soát sai số lan truyền ở mức xác suất 95%.
6. Đóng góp trực tiếp vào nhiệm vụ bảo vệ chủ quyền biển đảo, củng cố quốc phòng - an ninh, tối ưu hóa công tác dẫn đường hàng hải và cung cấp luận cứ khoa học tin cậy cho quy hoạch, xây dựng các công trình công sự, âu tàu bền vững trên Quần đảo Trường Sa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan vấn đề và khu vực nghiên cứu. Phương pháp đo sâu viễn thám đa phổ trong lập bản đồ độ sâu ven đảo thử nghiệm thuộc quần đảo Trường Sa Chương 3. Đánh giá biến đổi địa hình đáy biển vùng nước nông ven đảo thử nghiệm QDTS.

Luận án được trình bày ở dạng văn bản với 150 trang đánh máy khổ A4, 26 bảng biểu, 50 sơ đồ, hình vẽ và bản đồ, 135 các tài liệu tham khảo bằng tiếng Việt va tiêng nước ngoài. TONG QUAN VAN DE VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1. Những van đề chung về địa hình đáy biển vùng nước nông ven đảo xa bờ 1.

Khái niệm địa hình và biến động hình thái địa hình đáy biển a) Khái niệm địa hình Dia hình là một khái niệm được sử dụng rộng rãi trong khoa học và đời sống dé mô tả diện mạo bề mặt lớp vỏ cứng của Trái Dat. Nó là tập hợp của vô vàn những thé gồ ghé, lỗi lõm hoặc tương đối bằng phẳng, phân cách với nhau bởi những đường ranh giới ít nhiều rõ ràng, tức là tập hợp của các dạng địa hình (ví dụ quả đồi, con sông, gò đất, quả núi, đụn cát, bãi bồi, doi cát, v. Hình thái học thé hiện về hình dang của đối tượng. Đặc điểm hình thái của địa hình là miêu tả về điện mạo và hình dạng của địa hình.

Theo David Coblentz [47], hình thái địa hình (HTĐH) là khoa học về phân tích định lượng mặt đất “xử lý hình học cảnh quan” và định lượng tính chất của mặt đất, là một phần kiến thức của địa mạo. Đào Đình Bắc cũng công nhận rằng, diện mạo bên ngoài, hay là HTDH có ý nghĩa hết sức quan trọng đối với sự phân bố lại vật chất và các dạng năng lượng tự nhiên trên bề mặt Trái Dat. Trong địa mạo học, người ta quan tâm đến hai loại thông tin về HTĐH [2]: Hình thái mô tả, mà trong thực tiễn người ta thường gọi vắn tắt là hình thái, bao gồm các yếu tố diện mạo bề ngoài của địa hình như: hình dạng (tròn, méo, v.), độ cao khái quát (cao, thấp, trung bình, sâu nông), độ dốc khái quát (dốc, thoải, vừa), hình dạng bề mặt đỉnh và sườn (bằng phẳng, nghiêng, dốc, g6 ghé, lượn sóng, v.), cách sắp xếp (rời rạc, thành nhóm, thành dải, dãy và có tính định hướng, v.) và hình khối (rộng, hẹp, dạng khối, dạng vòm, dạng chóp). Trắc lượng hình thái bao gồm những thông tin định lượng về độ cao tương đối, độ cao tuyệt đối, độ chia cắt ngang, độ dài, độ dốc sườn, và bề mặt, độ uốn khúc các dòng sông, v.

Mỗi tham số miêu tả HTĐH có ý nghĩa khác nhau, chăng hạn như: độ cao có ý nghĩa về khí hậu, thảm thực vật; độ đốc kiểm soát tốc độ dòng chảy trên mặt đất và dưới mặt đất và tốc độ dòng chảy, v. Tương tự như trên cạn, đại dương đóng một vai trò cơ bản trong hệ thống Trái Đất ở nhiều mức độ khác nhau. Kiến thức về địa hình đáy biển cũng rất quan trọng đối với nhiều đối tượng. Ví dụ, địa hình đáy biển ảnh hưởng đến dòng chảy bề mặt, dòng chảy gần đáy và tỷ lệ pha trộn của đại dương.

Thiếu thông tin về địa hình có thé ảnh hưởng đến hiệu quả của dự đoán mô hình, vi dụ như mô hình phân bố các loài sinh vật biên, khí hậu, hoặc đường di của các vật thể nổi trên biển. Các tính chất mô tả địa hình đáy biển cũng tương tự như các tính chất địa hình trên đất liền, chúng được chia làm hai loại nhóm thuộc tính địa hình như sau: Nhóm thuộc tính chung của hình thái địa hình trong nghiên cứu biên thường được nhóm thành bốn loại chính mô tả các thuộc tính khác nhau của địa hình (độ dốc, hướng, độ cong/ vị trí tương đối và biến đổi địa hình) liên quan đến điều kiện sinh thái và đặc điểm địa mạo (Bảng 1. Thuộc tính địa hình thường được sử dụng trong nghiên cứu biển [92]. Độ dốc Hướng Độ cong Biến địa hình - Tính ồn định của.

> ok OA 4 Âm tram tên tích. | Độ (kha | ~ phơi | vượt trội ` Chỉ i số. _ phơi|- + 2 Chỉ sô cầu trúc | môi trường sống: Liên | năng sống và hoặc dong | nhiễm/ nơi trú ân, | TM° š song; quan | trong/trên trằm chảy địa phương ví dụ, trên một | - Nơi trụ ân từ đến | tích); từ một hướng cụ | đỉnh hoặc trong | phơi nhiêm/ động sinh Gis t bộ thé (cung cap thực | một khoảng trông | vật ăn thịt; - Gia tốc cục bộ Ậ À: Tế A , thái | của don (cung phâm, ; bôi lăng, (cung cập thực - Đa dang cau trúc F 8 ung | phân tán ấu trùng, | phẩm, trầm tích, lên kết với đa cap thực phâm, v. dang sinh học.

- Tinh ồn định của - Dòng chảy, Liên trâm tích; Liên quan đến dòng tram tích/ | Sự biến đổi địa quan - |”, Gia đềtốc cục bộ|+ "chảy +. S " | dong chảy, các | trình hải văn: quá | hình và cấu trúc hiện tại phản ánh ên tạ ae (xói mòn, di au, ton a mạo | Hữu ích trong | các quá trình địa : của dòng chả an ; ; ° chuyển VLTT, , việc phân loại địa | mạo thông tri. Đo vẽ HTĐH là thực hiện các bước xác định các tham số hình thái địa hình (trắc lượng hình thái chung và trắc lượng hình thái cụ thé) liên quan đến kích thước chiều thăng đứng và chiều ngang của bề mặt Trái Dat. Biến động địa hình là sự thay đổi kích thước chiều ngang và chiều thắng đứng của bề mặt địa hình, dẫn tới làm thay đôi các tham số mô tả HTĐH.

Các tham số dễ nhận thấy được như độ sâu (độ cao), độ dốc, hướng dốc và các khu vực xói 16 - bồi tụ. Vì vậy, dé đánh giá biến động địa hình đáy biến cần thiết phải xem xét về sự biến động cả theo chiều ngang và độ sâu của địa hình. Xét tổng thể về mối quan hệ chặt chẽ trong một hệ thống, có thể chỉ cần quan sát thấy biến động của bất cứ một tham số địa hình nào, ví dụ đường bờ (bởi vì các tham số biến động đó là kết quả của xói lở và bôi tụ cả về chiều ngang và chiều đứng của địa hình) là có thể dự đoán được biến động về độ sâu và mặt bang cua day bién lién ké. Tuy nhiên, độ chính xác nếu chi dua vào một vài tham số mà không có được số lượng biến động theo độ sâu, theo chiều ngang và khối lượng thay đổi vật chất (thé tích) sẽ có thé dẫn tới nhiều sai sót trong quá trình phân tích.

Vì vậy, một phân tích địa hình đáy biển dựa trên kết quả tính toán định lượng về sự biến động độ sâu, biến động về thể tích khối lượng vật chất giữa các chu kỳ thu nhận dữ mô hình số độ sâu (chu kỳ DBM) khác nhau là cần thiết. b) Nghiên cứu HTĐH đáy biên gắn liền với nghiên cứu biến động địa hình Giả thiết cơ bản trong địa mạo là ton tại một mối quan hệ chặt chẽ giữa các quá trình động lực và HTĐH cụ thể. Theo Wang và cộng sự [126], sự phát triển HTDH đáy bién là kết quả của sự tương tác giữa chuyền động của nước, vận chuyển tram tích và thay đổi đáy. Như vậy, dé nghiên cứu một cách toàn diện về hình thái địa hình đáy biển, ngoài các nghiên cứu về địa hình, cần thiết phải nghiên cứu cả về thủy động lực, vận chuyên trầm tích và tương tác qua lại giữa các yếu tố động lực với HTĐH.

Ngoài các nghiên cứu về thuộc tính địa hình thông thường được sử dụng trong nghiên cứu biển (xem Bảng 1.2), các nghiên cứu thông dụng khác về HTDH đáy biển thường liên quan đến các nghiên cứu thành lập bản đồ địa mao đáy biển dựa trên nguyên tắc kết hợp nguồn gốc - hình thái - động lực. Nội dung của bản đồ địa mạo đáy biển biểu diễn các đơn vị địa mạo có đặc điểm nguồn sốc, hình thái, và động lực khác nhau. Tập hợp các quá trình riêng biệt tạo ra các dạng đặc trưng với hình dạng và kích thước đặc biệt, đồng nhất về nguồn gốc và hình thái, đồng nhất về hình thái và động lực được tạo ra bởi một quá trình địa mạo tích tụ hay bóc mòn, được xác định dưới một vài yếu tố động lực nhất định (sóng, thủy triều, dòng chảy, sinh vật, v. Trong đó, đặc điểm hình thái và trắc lượng hình thái được quan tâm đầu tiên, sau đó là nguồn gốc và động lực tác động đến quá trình thành tạo và biến đổi địa hình.

Các nghiên cứu thủy động lực phải bao gồm các tác động của mô hình dòng chảy do thủy triều, gió, sóng và dòng chảy theo sóng. Vận chuyên tram tích liên quan đến hỗn hợp cát, bùn và cát-bùn. Do đó, các nghiên cứu hình thái không chỉ liên quan đến những thay đổi về chiều ngang (mặt bằng) và chiều thắng đứng (độ sâu) mà còn cả những thay đổi về thành phan cơ chất hoặc đáy cũng được xem xét. Như vậy, nghiên cứu HTĐH gan chặt chẽ với nghiên cứu sự biến động cả về chiều thăng đứng và chiều ngang của địa hình.

Dưới tác động của các động lực ven bờ đảo, địa hình thay đôi liên tục cả về độ sâu do tác động của sóng và hình dáng các bãi cát ven bờ đảo cũng thay đổi thường xuyên do tác động của dòng chảy ven bờ. Sự biến động địa hình có thể xảy ra cục bộ hoặc trên toàn diện rộng khu vực nghiên cứu. Hiện nay, việc áp dụng kỹ thuật GIS để xác định không gian và tính toán giá trị biến động địa hình giữa các thời điểm khác nhau được thực hiện thuận lợi và nhanh chóng. Các sai số trong kết quả tính toán biến động cuối cùng được kiểm soát ở từng bước dữ liệu liệu đầu vào, đến xây dựng mô hình DBM và thuật toán phân tích không gian.

Đối với các khu vực có địa hình thay đổi liên tục và điều kiện động lực phức tạp, độ chính xác của kết quả xác định sự thay đổi tham số chung và tham số cụ thé phụ thuộc vào độ chính xác dữ liệu thu thập (ty lệ bản đô). Biến động địa hình dễ nhận thấy nhất là sự thay đổi tham số cụ thé, các khu vực xói lở - bôi tụ phản ánh mật thiệt với các điêu kiện tự nhiên khu vực.