Tài liệu Ứng dụng ảnh viễn thám đa thời kỳ nghiên cứu biến động lòng sông thượng lưu sông Sê San tỉnh Kon Tum

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA SAU ĐẠI HỌC PHẠM THU THỦY ỨNG DỤNG ẢNH VIỄN THÁM ĐA THỜI KỲ NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LÒNG SÔNG THƢỢNG LƢU SÔNG SÊ SAN TỈNH KON TUM LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Hà Nội – 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA SAU ĐẠI HỌC PHẠM THU THỦY ỨNG DỤNG ẢNH VIỄN THÁM ĐA THỜI KỲ NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LÒNG SÔNG THƢỢNG LƢU SÔNG SÊ SAN TỈNH KON TUM LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chuyên ngành: Biến đổi khí hậu Mã số: Chương trình đào tạo thí điểm Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Phạm Việt Hòa 2. PGS.TS. Vũ Văn Tích Hà Nội – 2013 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học và luận văn thạc sĩ này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ hết sức quý báu. Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô công tác và giảng dạy tại Khoa Sau đại học, Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền đạt các kiến thức cho chúng tôi trong suốt thời gian học tập tại Khoa. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến 2 cán bộ hướng dẫn là TS. Phạm Việt Hòa và PGS.TS Vũ Văn Tích đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn tôi phương pháp nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ. Đồng thời tôi xin cảm ơn tới các cán bộ làm việc tại phòng Công nghệ viễn thám, GIS và GPS - Viện Công nghệ vũ trụ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình giúp đỡ và truyền đạt các kỹ thuật chuyên môn để tôi đạt được các mục tiêu của luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn đề tài TN3/T16 và TN3/T20 thuộc chương trình Khoa học và Công nghệ phục vụ phát triển kinh tế - xã hội vùng Tây Nguyên đã hỗ trợ kinh phí để tôi thực hiện luận văn này. Và cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp, bạn bè luôn ủng hộ, động viên và khích lệ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Học viên: Phạm Thu Thủy MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ........................................................................ i DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................................ ii DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................................... iii MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1 1. Giới thiệu chung ..................................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................................... 2 3. Dự kiến những đóng góp của đề tài ........................................................................................ 3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................................... 3 5. Cấu trúc của luận văn ............................................................................................................. 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƢU VỰC SÔNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LÒNG SÔNG ................... 4 1.1. Đặc điểm tự nhiên .............................................................................................................. 4 1.1.1. Vị trí địa lý........................................................................................................................ 4 1.1.2. Địa hình, địa mạo ............................................................................................................. 5 1.1.3. Địa chất, lớp phủ thực vật................................................................................................. 6 1.1.4. Đặc điểm khí hậu .............................................................................................................. 6 1.3.3. Chế độ thủy văn ................................................................................................................ 7 1.2. Đặc trƣng hình thái tự nhiên của các chi lƣu khu vực nghiên cứu ............................... 8 1.3. Đặc điểm kinh tế - xã hội................................................................................................... 9 1.3.1. Tổ chức hành chính .......................................................................................................... 9 1.3.2. Phân bố dân cư ................................................................................................................. 9 1.3.3. Kinh tế ............................................................................................................................ 10 1.4. Tổng quan về ứng dụng ảnh viễn thám trong nghiên cứu biến động lòng sông ........ 11 1.4.1. Tổng quan nghiên cứu trên thế giới ................................................................................ 11 1.4.2. Tổng quan nghiên cứu ở Việt Nam ................................................................................ 13 CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................ 15 2.1. Cơ sở khoa học về viễn thám .......................................................................................... 15 2.1.1. Định nghĩa viễn thám ..................................................................................................... 15 2.1.2. Nguyên lý cơ bản của viễn thám .................................................................................... 15 2.1.3. Bản chất vật lý của các thông tin viễn thám ................................................................... 17 2.1.4. Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên ........................................................ 19 2.1.5. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên trên ảnh viễn thám ........................................................................................................................... 23 2.2. Phƣơng pháp luận ........................................................................................................... 24 2.3. Các phƣơng pháp nghiên cứu......................................................................................... 25 2.3.1. Phương pháp chiết tách thông tin lòng sông từ ảnh viễn thám Landsat ......................... 25 2.3.2. Phương pháp đánh giá biến động sạt lở, bồi tụ của bờ sông .......................................... 30 2.3.3. Phương pháp tính toán biến động bằng so sánh sau phân loại ....................................... 33 2.3.4. Phương pháp phân loại ảnh viễn thám dựa trên thuật toán K-means ........................... 334 2.3.5. Đánh giá độ chính xác kết quả sau phân loại của các thời kỳ ...................................... 336 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................................. 38 3.1. Cơ sở dữ liệu nghiên cứu ................................................................................................ 38 3.2. Các kết quả nghiên cứu về biến động sạt lở, bồi tụ khu vực nghiên cứu ................... 42 3.2.1. Kết quả biến động sạt lở, bồi tụ của bờ sông tại khu vực sông Đăk Bla ........................ 42 3.2.2. Kết quả biến động sạt lở, bồi tụ của bờ sông tại khu vực sông Pô Kô ........................... 48 3.3. Tính toán sự biến động lớp phủ khu vực lòng sông cực đại ........................................ 54 3.3.1. Kết quả phân loại lớp phủ trên diện tích sông cực đại ................................................... 54 3.3.2. Kết quả biến động lớp phủ qua các giai đoạn................................................................. 58 3.4. Dự báo biến động trong tƣơng lai đoạn sông Pô Kô .................................................... 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DSAS Digital shoreline analysis system GIS Geographic information system ETM Enhanced Thematic Mapper MSS Multi-Spectral Scanner UTM Universal Transverse Mercator TM Thematic Mapper WGS World Geodetic System i DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1: Số liệu về độ ẩm, lượng mưa, số giờ nắng ở Kom Tum một số năm .............7 Bảng 1-2: Đặc trưng dòng chảy năm hệ thống sông Sê San ...........................................7 Bảng 2-1: Đặc trưng của ảnh Landsat ETM, TM .......................................................... 28 Bảng 2-2: Thống kê giá trị phổ ảnh trên các kênh ảnh..................................................29 Bảng 2-3: Thống kê giá trị phổ trên ảnh tỉ số (b5+b7)/b2 .............................................29 Bảng 3-1: Một số thông số chính của các dữ liệu ảnh nghiên cứu ................................ 39 Bảng 3-2: Diện tích các loại lớp phủ trên diện tích sông cực đại .................................54 Bảng 3-3: Ma trận biến động các loại lớp phủ giai đoạn 1990 - 2002 .......................... 60 Bảng 3-4: Ma trận biến động các loại lớp phủ giai đoạn 1990 - 2002 .......................... 60 ii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1: Bản đồ vị trí địa lý tỉnh Kon Tum ...................................................................4 Hình 1-2: Mô hình không gian 3 chiều độ cao tỉnh Kon Tum ........................................5 Hình 1-3: Các lưu vực sông chính trên địa bàn tỉnh Kon Tum .......................................8 Hình 2-1: Nguyên lý thu nhận hình ảnh trong viễn thám ..............................................16 Hình 2-2: Đặc trưng phản xạ phổ của thực vật ............................................................. 20 Hình 2-3: Biểu đồ về sự phản xạ và hấp thụ của nước ..................................................21 Hình 2-4: Khả năng phản xạ phổ của 3 loại thổ nhưỡng ...............................................22 Hình 2-5: Quy trình của phương pháp nghiên cứu biến động lòng sông ......................25 Hình 2-6: Phản xạ phổ của các đối tượng trên các kênh ảnh ...........................................27 Hình 2-7: (a) Ảnh Landsat 1990 (tổ hợp màu 432); (b) Ảnh tỉ số 1990 (b5+b7)/b2 ...28 Hình 2-8: Phân bố giá trị phổ ảnh trên ảnh tỉ số (b5+b7)/b2 của ảnh Landsat 1990 ....29 Hình 2-9: Ảnh tỉ số 1990 ............................................................................................... 30 Hình 2-10: Đối tượng nước được chiết tách từ ảnh tỉ số 1990 ......................................30 Hình 2-11: Mô tả về các đối tượng trong phương pháp của Theiler ............................. 31 Hình 2-12: Mô tả giao nhau giữa đường transect và đường bờ ....................................32 Hình 2-13: Transect giao với đường cơ sở tại cung nhọn .............................................32 Hình 2-14: Đường đệm baseline ...................................................................................32 Hình 2-15: Quy trình phương pháp tính biến động sau phân loại .................................33 Hình 2-16: Sơ đồ của thuật toán K-means ....................................................................34 Hình 3-1: Ảnh Landsat 30/12/1990 ...............................................................................38 Hình 3-2: Ảnh Landsat 22/02/2002 ...............................................................................38 Hình 3-3: Ảnh Landsat ngày 8/03/2013 ........................................................................38 Hình 3-4: Ảnh Landsat 03/01/2013 ...............................................................................38 Hình 3-5: Ảnh Landsat ngày 3/01/2013 ........................................................................40 Hình 3-6: Ảnh Landsat ngày 3/01/2013 đã được sửa lỗi ảnh sọc .................................40 Hình 3-7: Ảnh nghiên cứu được cắt theo ranh giới .......................................................41 Hình 3-8: Xây dựng transect để tính toán biến động đoạn sông Đăk Bla .....................42 Hình 3-9: Biểu đồ mức độ sạt lở, bồi tụ đoạn sông Đăk Bla giai đoạn 1990 - 2002 ....43 Hình 3-10: Biểu đồ tốc độ sạt lở, bồi tụ đoạn sông Đăk Bla giai đoạn 1990 - 2002 ....43 Hình 3-11: Biểu đồ mức độ sạt lở, bồi tụ đoạn sông Đăk Bla giai đoạn 2002 - 2013 ..44 Hình 3-12: Biểu đồ tốc độ sạt lở, bồi tụ ở đoạn sông Đăk Bla giai đoạn 2002 - 2013. 44 Hình 3-13: Sạt lở với mức độ mạnh và kéo dài trên sông Đăk Bla ............................... 45 Hình 3-14: Biểu đồ so sánh mức độ sạt lở, bồi tụ đoạn sông Đăk Bla.......................... 46 Hình 3-15: Biểu đồ so sánh tốc độ, sạt lở bồi tụ ở đoạn sông Đăk Bla ......................... 46 Hình 3-16: Khai thác đá, sỏi trên lòng sông Đakbla .....................................................47 Hình 3-17: Khai thác cát trên sông Đăk Bla .................................................................47 iii Hình 3-18: Các transect được xây dựng trên đoạn sông Pô Kô ....................................48 Hình 3-19: Biểu đồ mức độ bồi tụ, sạt lở đoạn sông Pô Kô giai đoạn 1990 - 2002 .....49 Hình 3-20: Biểu đồ tốc độ bồi tụ, sạt lở đoạn sông Pô Kô giai đoạn 1990 - 2002........49 Hình 3-21: Biểu đồ mức độ bồi tụ, sạt lở đoạn sông Pô Kô giai đoạn 2002 - 2013 .....50 Hình 3-22: Biểu đồ tốc độ sạt lở, bồi tụ đoạn sông Pô Kô giai đoạn 2002– 2013 .......50 Hình 3-23: Biểu đồ so sánh mức độ sạt lở và bồi tụ đoạn sông Pô Kô ......................... 51 Hình 3-24: Biểu đồ so sánh tốc độ sạt lở và bồi tụ đoạn sông Pô Kô ........................... 51 Hình 3-25: Ảnh kv xã Krong nằm giữa hai hồ thủy điện lớn Yaly và Pleikrong .......52 Hình 3-26: Sạt lở lớn trên đoạn sông Pô Kô khu vực chảy qua xã Krong ....................53 Hình 3-27: Bản đồ hiện trạng lớp phủ năm 1990 trên diện tích sông cực đại ..............55 Hình 3-28: Bản đồ hiện trạng lớp phủ năm 2002 trên diện tích sông cực đại ..............56 Hình 3-29: Bản đồ phân loại lớp phủ năm 2013 ........................................................... 57 Hình 3-30: Bản đồ biến động lớp phủ trên diện tích .....................................................58 Hình 3-31: Bản đồ biến động lớp phủ trên diện tích lòng sông ....................................59 Hình 3-32: Phương trình hồi quy khoảng cách từ một điểm .........................................62 Hình 3-33: Biểu đồ mức độ biến động đường bờ tại đoạn sông Pô Kô ........................63 Hình 3-34: Biểu đồ tốc độ biến động đường bờ tại đoạn sông Pô Kô .......................... 63 iv MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu chung Sự biến đổi các lòng sông thường xảy ra theo một quy mô thời gian địa chất kéo dài hoặc do các tai biến nghiêm trọng ngắn hoặc dài hạn [12]. Những thay đổi này chủ yếu có liên quan đến chế độ thủy văn, gió, bão, các quá trình địa mạo, sạt lở, bồi tụ và các hoạt động của con người. Quá trình biến đổi lòng sông thường rất phức tạp, mức độ biến đổi không cố định và thay đổi từ thời điểm này đến thời điểm khác [15]. Phát hiện, đo lường và phân tích sự thay đổi lòng sông là nhiệm vụ quan trọng trong giám sát môi trường, cung cấp thông tin cho việc quản lý và đưa ra các chính sách và quy hoạch liên quan tới các lưu vực sông [34]. Theo Zhang (2010), việc nhận thức được hệ sinh thái ven sông bị ảnh hưởng tiêu cực bởi quá trình biến động lòng sông sẽ làm gia tăng nhiều nỗ lực để đánh giá, quản lý và hạn chế áp lực lên khu vực ven sông [36]. Tuy nhiên, đối với những lưu vực sông lớn hoặc thuộc các khu vực đồi núi hiểm trở, vùng sâu, vùng xa những thông tin về sự biến đổi lòng sông thường khan hiếm do khó tiếp cận và do sự tốn kém của công tác điều tra thực địa [14]. Biến đổi khí hậu với các hiện tượng thời tiết cực đoan ở tỉnh Kon Tum nói chung và khu vực thượng lưu sông Sê San rói riêng, cùng với việc quy hoạch xây dựng một loạt hệ thống hồ thủy điện trên lưu vực sông làm biến đổi hệ sinh thái ven sông, đây cũng là nguyên nhân trực tiếp hoặc gián tiếp làm gia tăng phạm vi, quy mô và cường độ của hiện tượng biến đổi lòng sông ở khu vực. Ngược lại, chính hậu quả biến động các lòng sông lại là tác nhân tiềm ẩn của nhiều sự cố môi trường hoặc gia tăng các tai biến tự nhiên do biến đổi khí hậu. Việc nghiên cứu để hiểu rõ và đánh giá xu thế biến động lòng sông Sê San sẽ giúp giảm thiểu những thiệt hại có thể tác động tới cộng đồng dân cư khu vực ven sông. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý (GIS) giúp cung cấp một cái nhìn khái quát, nhanh chóng, chính xác và hiệu quả về các đối tượng trên bề mặt trái đất, điều mà khó có công nghệ nào khác có thể đánh giá một cách đầy đủ và ít tốn kém hơn [14]. Do đó, công nghệ viễn thám ngày càng được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Công nghệ viễn thám 1 được ứng dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau như thành lập các bản đồ hiện trạng tài nguyên môi trường, phân tích sự biến động lòng sông, đường bờ biển, theo dõi, giám sát hiện tượng ngập úng do bão lũ, cháy rừng, giám sát độ nhiễm mặn vùng đất ven biển, biến động rừng ngập mặn… Công nghệ này cũng thích hợp trong nghiên cứu các khu vực khó tiếp cận hoặc có sự biến đổi liên tục [17]. Trong thời gian qua, các nhà nghiên cứu biến đổi địa chất, thủy văn, hải dương học đã phát triển một số công cụ đánh giá để vẽ bản đồ biến đổi địa chất sử dụng ảnh viễn thám hàng không, tuy nhiên, còn ít nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh [23]. Mặc dù việc sử dụng ảnh hàng không rất hiệu quả nhưng mức độ lặp lại thông tin ảnh không cao (phụ thuộc vào thời gian bay chụp), giới hạn giám sát không gian nhỏ và chi phí cao cũng là một hạn chế lớn. Hơn nữa, miền phổ ảnh hàng không thường ở mức thấp nhất và có thể tạo sai số lớn khi xử lý số liệu [10], [11]. Cách tiếp cận này có nhiều ưu điểm: không tốn thời gian, chi phí thấp, độ bao quát lớn, độ lặp lại thông tin cao [14]. Sử dụng công nghệ viễn thám kết hợp GIS cho phép tạo ra một giải pháp xây dựng cơ sở dữ liệu và phân tích biến động hiệu quả, đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ ra quyết định nhanh trên phạm vi rộng với giá thành thấp so với các phương pháp truyền thống. Hạn chế cơ bản của ảnh vệ tinh là độ phân giải không gian thấp khi so sánh với ảnh hàng không. Tiếp cận vấn đề trên, có thể khẳng định rằng việc chọn lựa đề tài: “Ứng dụng ảnh viễn thám đa thời kỳ nghiên cứu biến động lòng sông thượng lưu sông Sê San tỉnh Kon Tum” là xuất phát từ yêu cầu thực tế, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xác lập được sơ đồ sự biến động lòng sông thông qua phân tích ảnh viễn thám đa phổ độ phân giải trung bình một số giai đoạn cho hai chi lưu Đăk Bla và Pô Kô thuộc thượng lưu sông Sê San, tỉnh Kon Tum. - Xác định mức độ biến động lòng sông trong quá khứ qua đánh giá mức độ và tốc bộ bồi tụ, sạt lở của hai bên bờ sông. - Xác định sự biến động lớp phủ tại khu vực lòng sông. - Dự đoán xu hướng và mức độ biến động lòng sông trong tương lai dựa trên cơ sở dữ liệu biến động lòng sông trong quá khứ. 2 3. Dự kiến những đóng góp của đề tài Về mặt khoa học, đề tài đánh giá khả năng sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh và GIS trong nghiên cứu biến động lòng sông trong quá khứ. Kết quả về mức độ biến động lòng sông trong quá khứ là cơ sở so sánh với các phương pháp truyền thống khác để tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Về mặt thực tiễn, các kết quả nghiên cứu giai đoạn 1990 - 2002, 2002 - 2013 góp phần chỉ ra vị trí, quy mô và xu hướng biến động lòng sông, đây sẽ là một tài liệu hữu ích cho công tác quy hoạch phát triển của vùng. Việc nghiên cứu tạo ra các số liệu thống kê, tỷ lệ thay đổi và xu hướng biến động lòng sông là cơ sở để dự đoán những thay đổi trong tương lai của khu vực thượng lưu sông. Ngoài ra, luận văn còn đóng góp một phần vào việc thực hiện nghiên cứu cho đề tài TN3/T16 và TN3/T20 thuộc chương trình Khoa học và Công nghệ phục vụ phát triển kinh tế - xã hội vùng Tây Nguyên. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Sự biến động lòng sông vùng thượng lưu sông Sê San qua ảnh viễn thám đa thời kỳ. - Phạm vi nghiên cứu: Chi lưu Đăk Bla và chi lưu Pô Kô thuộc thượng lưu sông Sê San, tỉnh Kon Tum. 5. Cấu trúc của luận văn Luận văn gồm có phần Mở đầu, 3 Chương nội dung, phần Kết luận, 9 bảng dữ liệu và 43 hình. 3 CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ LƢU VỰC SÔNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LÒNG SÔNG 1.1. Đặc điểm tự nhiên 1.1.1. Vị trí địa lý Sông Sê San là chi lưu lớn của sông Mê Kông bắt nguồn từ Bắc và Trung Tây Nguyên của Việt Nam, sông chảy sang lãnh thổ Campuchia và nhập vào hệ thống sông Serepok. Sông Sê San có lưu vực rộng 17.000 km2, tổng chiều dài sông chính là 237 km, diện tích lưu vực là 11.450 km² [3]. Hình 1-1: Bản đồ vị trí địa lý tỉnh Kon Tum (nguồn: Sở TN&MT tỉnh Kon Tum) Trên lãnh thổ Việt Nam, phần thượng lưu của sông Sê San gồm chi lưu Pô Kô (phía hữu ngạn) và Đăk Bla (phía tả ngạn) nằm hầu hết trên địa phận tỉnh Kon Tum khu vực Tây Nguyên (hình 1-1). Diện tích tự nhiên của Kon Tum là 9.676,5 km2 ( chiếm 17,13% diện tích vùng Tây Nguyên, 3,1% diện tích cả nước) [3]. Kon 4 Tum có giới hạn lãnh thổ từ 107020’15’’ đến 108032’30’’ kinh độ Đông, từ 130055’15’’ đến 15027’15” vĩ độ Bắc. Phía Bắc của tỉnh giáp tỉnh Quảng Nam, phía Nam giáp tỉnh Gia Lai, phía Đông giáp tỉnh Quảng Ngãi, phía Tây giáp hai nước Lào và Campuchia, độ cao trung bình của toàn tỉnh so với mặt nước biển là 500 m. 1.1.2. Địa hình, địa mạo Kon Tum nằm ở phía Tây dãy Trường sơn, địa hình dốc, thấp dần từ Bắc xuống Nam và từ Đông sang Tây. Khu vực phía Bắc của tỉnh có độ cao trung bình là 1.800  1.200 m, nơi đây có đỉnh Ngọc Linh cao nhất Miền Nam (2.596 m) và là nơi bắt nguồn của hầu hết sông suối trong vùng như Sông Tranh, Sông Cái, sông Sê San, Sông Ba. Chú dẫn 651 - 900 m 900 – 1.100 m 1.100 – 1.300 m 1.300 – 1.500 m 1.500 – 1.700 m 1.700 – 1.900 m 1.900 – 2.598 m Hình 1-2: Mô hình không gian 3 chiều độ cao tỉnh Kon Tum Địa hình của tỉnh Kon Tum khá đa dạng gồm vùng đồi núi, cao nguyên và thung lũng xen kẽ nhau. Trong đó: - Địa hình đồi, núi: Chiếm khoảng 2/5 diện tích toàn tỉnh, bao gồm những ngọn núi lớn (ngọn Bon San (1.939 m); ngọn Ngọc Kring (2.066 m)) và những núi liền dải có độ dốc lớn, địa hình núi cao liền dải phân bố chủ yếu ở phía Bắc - Tây Bắc, mặt địa hình bị phân cắt hiểm trở, tạo thành các thung lũng h p, khe, suối. Địa hình đồi tập trung chủ yếu ở huyện Sa Thầy có dạng nghiêng về phía Tây và thấp dần về phía Tây Nam, xen giữa vùng đồi là dãy núi Chưmomray. - Địa hình cao nguyên: Kon Tum có cao nguyên Konplong nằm giữa dãy An Khê và dãy Ngọc Linh có độ cao 1.100 - 1.300 m, đây là cao nguyên nhỏ, chạy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. 5 - Địa hình thung lũng: Nằm dọc theo sông Pô Kô đi về phía Nam của tỉnh là dạng thung lũng lòng máng thuộc huyện Sa Thầy, dọc theo thung lũng có những đồi lượn sóng như Đăk Uy, Đăk Hà và có nhiều chỗ bề mặt bằng phẳng như vùng thành phố Kon Tum, các thung lũng này được hình thành giữa những dãy núi kéo dài về phía Đông chạy dọc biên giới Việt Nam – Campuchia. 1.1.3. Địa chất, lớp phủ thực vật Qua tổng quan các công trình công bố trong khu vực, cho phép khái quát về hai nội dung trên như sau: Nền địa chất khu vực nghiên cứu được đặc trưng bằng hai lớp bao gồm: Lớp đá móng là các đá kết tinh; lớp phủ trầm tích, chủ yếu là các đá bở rời là sản phẩm phong hóa và bồi tích của lòng sông. Các thành tạo này phân bố chủ yếu hai bên bờ sông Pô Kô, ngược lại, hai bên bờ sông Đăk Bla chủ yếu là các thành tạo đá gốc ngoại trừ vùng hạ lưu trước đập. Thảm thực vật ở khu vực nghiên cứu được phân bổ theo độ cao. Phần sườn thung lũng, thảm thực vật là cây bụi, rừng bị chặt phá với diện tích lớn, không còn rừng nguyên sinh, đa số đá móng kết lộ ra, không để cây cối phát triển. Trong khi đó, ở khu vực lòng sông, thảm thực chủ yếu là cây nông nghiệp và cây bụi. 1.1.4. Đặc điểm khí hậu Đặc điểm khí hậu trong khu vực có nghĩa quan trọng không chỉ luận giải về chất lượng ảnh viễn thám mà còn là cơ sở để luận giải về biến động lòng liên quan đến chu kỳ thời thiết ở khu vực. Khu vực nghiên cứu thuộc vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa cao nguyên, nhiệt độ trung bình năm dao động từ 22 đến 230C, biên độ nhiệt độ dao động trong ngày từ 8 đến 90C. Kon Tum có 2 mùa rõ rệt, mùa mưa chủ yếu bắt đầu từ tháng 4 đến tháng 11, mùa khô từ tháng 12 đến tháng 3 năm sau. Hàng năm, lượng mưa trung bình toàn tỉnh khoảng 2.121 mm, lượng mưa năm cao nhất 2.260 mm, năm thấp nhất 1.234 mm, tháng có lượng mưa cao nhất là tháng 8, hướng gió chủ yếu của mùa khô là Đông Bắc, hướng gió chủ yếu của mùa mưa là Tây Nam, độ ẩm trung bình hàng năm của tỉnh Kon Tum dao động trong khoảng 78 - 87%, độ ẩm không khí tháng cao nhất vào tháng 8 và tháng 9 (khoảng 90%), thấp nhất vào tháng 3 6 (khoảng 66%). Những thông tin về độ ẩm, lượng mưa, số giờ nắng ở Kon Tum qua một số năm được giới thiệu ở bảng 1-1 dưới đây: Bảng 1-1: Số liệu về độ ẩm, lƣợng mƣa, số giờ nắng ở Kom Tum một số năm [3] Stt Hạng mục Đơn vị 2000 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 1 Nhiệt độ o C 22,9 23,4 23,6 23,6 23,3 23,6 24,9 23,9 2 Độ ẩm % 82,4 79,0 79,3 77,0 78,7 79,8 75,3 75,5 3 Lượng mưa mm 2.311 1.925 2.156 1.781 1.648 2.173 1.528 2.520 4 Số giờ nắng giờ 2.043 2.257 2.520 2.288 2.290 2.370 2.560 2.285 Ở Kon Tum, thời tiết nắng nóng của mùa khô (đặc biệt vào cuối mùa) thường làm hạn chế và gây thiếu nước, còn vào tháng 7, 8, lượng mưa tập trung với cường độ cao nên thường xẩy ra lũ lụt làm ảnh hưởng đến cơ sở hạ tầng, sản xuất và đời sống dân sinh trên địa bàn, đặc biệt, làm thay đổi hình thái các lòng sông. 1.3.3. Chế độ thủy văn Giống như chế độ khí hậu, chế độ thủy văn ở Kon Tum cũng chia là hai mùa rõ rệt: mùa lũ thường bắt đầu từ tháng 7 và kết thúc trong tháng 11 hàng năm, mùa cạn kéo dài từ tháng 12 đến tháng 6 năm sau. Mặc dù thời gian mùa lũ thường ngắn hơn mùa cạn nhưng lượng dòng chảy mua lũ ở tỉnh lại chiếm đa số (khoảng 70 – 75% trong hơn 10 tỷ m3 mà các sông chuyên chở hàng năm). Trung bình mỗi năm trên các sông suối ở Kon Tum có khoảng từ 4 – 6 trận lũ, một phần ba trong đó là lũ trung bình đến lũ lớn. Mùa cạn, lượng dòng chảy trong 3 tháng kiệt nhất chỉ chiếm từ 3 – 5% lượng dòng chảy năm gây ra tình trạng thiếu nước trong mùa khô. Các đặc trưng dòng chảy năm hệ thống sông Sê San được trình bày ở bảng 1-2 dưới đây: Bảng 1-2: Đặc trƣng dòng chảy năm hệ thống sông Sê San [1] Stt 1 2 3 4 5 6 Tuyến sông Sông Đăk Bla Sông Pô Kô Sông Sê San Sa Bình YaLy Sông Đăk Cấm Diện tích lƣu vực (km2) Mo (l/s/km2) Qo (m3/s) Wo (109m3) 3.050 3.530 11.450 6.732 7.659 154 32,3 35,7 35,6 35,6 35,6 23,2 98,5 126 408 240 273 3,6 3,11 3,97 12,9 7,56 8,61 0,11 7 Trong từng năm, dòng chảy phân làm 2 mùa rõ rệt. Trên lưu vực sông Pô Kô, mùa lũ bắt đầu từ tháng 7 và kết thúc vào tháng 10. Trên lưu vực sông Đăk Bla mùa lũ muộn hơn, thường bắt đầu vào tháng 8 và có thể kéo dài đến tháng 11. 1.2. Đặc trƣng hình thái tự nhiên của các chi lƣu khu vực nghiên cứu Qua phân tích bản đồ địa hình gắn với hệ thống sông trong khu vực nghiên cứu, có thể đưa ra một số kết luận sơ bộ sau về đặc điểm địa hình, địa mạo và hình thái hai chi lưu Đăk Bla và Pô Kô thuộc thượng lưu sông Sê San: Hình 1-3: Các lƣu vực sông chính trên địa bàn tỉnh Kon Tum [8] - Sông Đăk Bla: là nhánh trái của sông Sê san, bắt nguồn từ dãy núi Ngọc Krinh, khu vực được đặc trưng bằng địa hình ít phân dị. Độ cao đầu nguồn sông là 1.650 m, và tại vị trí hợp lưu vào Sê San, có độ cao là 1.100 m. Sông tương đối trẻ và thường đi với động lực dòng lớn do đặc điểm của địa hình đồi núi h p ở phần thượng lưu của sông. Do chảy trên vùng núi cao nên ở đoạn thượng lưu sông tương đối thẳng, trong lòng h p, dòng chảy theo hướng từ bắc xuống nam, có chiều dài khoảng 74 km và độ dốc 1,7%. Từ trung lưu tới đoạn hợp lưu với sông Pô Kô, sông chảy theo hướng tây trên cao nguyên cổ Kon Tum, địa hình thoải, lòng sông uốn khúc, nhiều ghềnh và thung lũng. Thung lũng có nhiều lòng cũ và bãi bồi, mang nét điển hình của sông đồng bằng, độ dốc khoảng 1,3%, tiết diện sông hình chữ U, động lực dòng giảm. Hình thái sông uốn khúc do dòng nước bị phá hủy theo chiều ngang. Đổ vào sông Đăk Bla có 18 nhánh sông suối chính, có độ dài đa số từ 10 – 70 km. Mật độ lưới sông Đăk Bla là 0,49 km/km2 với hệ số uốn khúc 2,03; 8 - Sông Pô Kô: bắt nguồn từ phía nam của khối núi Ngọc linh, có diện tích lưu vực khoảng 3.530 km2, chiều dài 121 km, chảy theo hướng từ Bắc xuống Nam. Đoạn thượng nguồn sông Sê san dài khoảng 21 km có đặc điểm scủa ông miền núi chảy trong các thung lũng h p dạng hình chữ V với độ dốc khoảng 3,3%. Đoạn trung lưu có độ dốc thoải hơn (khoảng 1,8%), chiều dài 100 km. Ngược lại, với sông Đăk Bla, lưu vực sông nằm ở trung tâm của thung lũng, từ thượng lưu đến hạ lưu không có thay đổi nhiều về độ cao, động lực dòng vừa phải. Địa hình lưu vực sông có thể chia thành 4 dạng: Địa hình vùng núi cao, địa hình núi cao vừa, địa hình cao nguyên, vùng trũng – đồng bằng. Độ rộng của sông ít thay đổi từ thượng lưu xuống hạ lưu. 1.3. Đặc điểm kinh tế - xã hội 1.3.1. Tổ chức hành chính Tỉnh Kon Tum là đơn vị hành chính loại II, toàn tỉnh hiện có 8 huyện, 1 thành phố, 97 xã, phường, thị trấn, trong đó, có 10 xã biên giới giáp Lào và Campuchia với chiều dài biên giới là 280,7 km. Tỉnh Kon Tum có 19 phường, thị trấn, xã thuộc khu vực I, 32 thị trấn, xã thuộc khu vực II, 46 xã thuộc khu vực III; có 51 xã và 36 thôn đặc biệt khó khăn thuộc xã khu vực II được hưởng chương trình 135 - giai đoạn II; có 8 xã và 40 thôn, làng trọng điểm đặc biệt khó khăn [7]. 1.3.2. Phân bố dân cƣ Kon Tum là tỉnh có dân số trẻ. Dân số toàn tỉnh đến năm 2011 là 453.206 người, mật độ dân số trung bình 47 người/km2 thấp nhất vùng Tây Nguyên. Dân số đô thị là 150.385 người, tỷ lệ đô thị hóa đạt 34,5% cao hơn so với tỷ lệ đô thị hóa trung bình của cả nước (khoảng 30,0%). Kon Tum có 25 dân tộc cùng sinh sống, trong đó, dân tộc thiểu số chiếm trên 53%, có 6 dân tộc ít người sinh sống lâu đời bao gồm: Xơ Đăng, Ba Na, Giẻ Triêng, Gia Rai, Brâu và Rơ Măm. Sau ngày thống nhất đất nước (năm 1975), một số dân tộc thiểu số ở các tỉnh khác đến sinh sống tạo cho thành phần dân tộc trong Tỉnh ngày càng đa dạng. Qua nghiên cứu tổng quan và khảo sát thực địa, lưu vực sông Đăk Bla hầu như không có hoạt động kinh tế xã hội (trừ khu vực chạy qua thành phố Kon Tum). Trong khi đó, ở khu vực sông Pô Kô các hoạt động kinh tế xã hội dày đặc nhưng phân bố không đồng đều ở các khu vực thượng lưu và hạ lưu. 9 1.3.3. Kinh tế Tốc độ tăng trưởng kinh tế của Kon Tum trong những năm trở lại đây liên tục đạt mức tăng trưởng khá cao và ổn định. Tốc độ tăng trưởng tổng sản phẩm bình quân của tỉnh (GDP) từ 11%/năm trong giai đoạn 2001 - 2005 tăng lên 14,7%/năm trong giai đoạn 2006 - 2009, cao hơn gấp 2 lần so với tốc độ tăng trưởng bình quân của cả nước (7%) và cao hơn so với một số tỉnh khác trong khu vực kinh tế Tây Nguyên như Gia Lai (13,9%), Đắk Lắk (13,1%) và Lâm Đồng (13,7%) [6]. Mặc dù có sự gia tăng liên tục về quy mô, nhưng tốc độ tăng trưởng GDP của Kon Tum trong giai đoạn 2001 - 2009 có diễn phức tạp. Sau 3 năm tăng trưởng liên tục (từ 12,39%/năm 2003 giảm xuống 10,5%/năm và 8,8%/năm tương ứng trong các năm 2004 và 2005), tốc độ tăng trưởng GDP giảm nhanh trong hai năm 2004 và 2005. Ngoài ra, những ảnh hưởng gián tiếp của cuộc khủng hoảng kinh tế toàn cầu và ảnh hưởng trực tiếp từ cơn bão số 9 năm 2009 là nguyên nhân khiến tăng trưởng kinh tế của tỉnh có sự suy giảm nh từ 15,2%/năm 2008 giảm xuống 13,4%/năm 2009. Cùng với tăng trưởng kinh tế, thu nhập bình quân đầu người của Kon Tum cũng đã có sự cải thiện đáng kể (từ 3,2 triệu đồng/năm năm 2001 tăng lên 4,8 triệu đồng/năm năm 2005 và 11,2 triệu đồng/năm năm 2009) với tốc độ tăng bình quân trong cả hai giai đoạn 2001 - 2005 và 2006 - 2009 lần lượt là 7,6%/năm và 11,4%/năm. Tuy nhiên, những con số này vẫn còn ở mức rất thấp so với bình quân chung của cả nước (GDP bình quân đầu người của cả nước là 19,1 triệu đồng/năm 2009 - cao hơn gấp 1,7 lần so Kon Tum). Kon Tum vẫn là một trong những tỉnh nghèo nhất của cả nước (tỷ lệ nghèo chung của Kon Tum năm 2009 là 19% trong khi đó con số này của cả nước là 12%). Sự thay đổi cơ cấu kinh tế của tỉnh Kon Tum đang có những chuyển biến tích cực song vẫn theo hướng nông nghiệp - dịch vụ - công nghiệp. Trong giai đoạn 2001 - 2005, khu vực nông nghiệp giữ vai trò quan trọng nhất đối với tăng trưởng của tỉnh, tốc độ tăng trưởng và tỷ lệ phần trăm đóng góp vào tăng trưởng chung từ ngành nông nghiệp luôn cao hơn so với các ngành còn lại; sang giai đoạn 2006 2009, đánh dấu sự tăng trưởng mạnh của khu vực công nghiệp và dịch vụ với tốc 10 độ tăng trưởng bình quân năm lần lượt là 34,6%/năm và 19,64%/năm. Đáng chú ý là ngành công nghiệp với tốc độ tăng trưởng bình quân cao gấp 2 lần so với giai đoạn trước và cao hơn nhiều so với tốc độ tăng trưởng GDP bình quân của tỉnh [2]. 1.4. Tổng quan về ứng dụng ảnh viễn thám trong nghiên cứu biến động lòng sông 1.4.1. Tổng quan nghiên cứu trên thế giới Việc sử dụng công nghệ viễn thám để nghiên cứu biến động lòng sông đã được tiến hành ở một số khu vực trên thế giới với các mục tiêu khác nhau. Đây là cơ sở để tiếp tục kế thừa các nghiên cứu này để ứng dụng vào thực tiễn nghiên cứu ở Việt Nam. Một số các nghiên cứu tiêu biểu trên thế giới có thể kể đến như: Năm 2011, Zhengyi Yao và các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu về sự xói lở và bồi tụ bờ sông tại Ningxia - miền trung Mông Cổ thuộc thượng nguồn sông Hoàng Hà [37]. Nghiên cứu dựa trên bản đồ địa hình năm 1958 và năm 1967 thu được từ ảnh chụp hàng không, dữ liệu nghiên cứu thực địa, các ảnh vệ tinh năm 1977, 1990, 2000 và 2008. Trong nghiên cứu này, tác giả đã phát triển một chuỗi dữ liệu tham chiếu địa lý sử dụng kết hợp bản đồ địa chất được số hóa dựa trên dữ liệu thực và các ảnh Landsat TM, các polygon mô tả về xói lở và bồi tụ bờ sông được tạo ra bằng cách so sánh cách đường bờ biến động qua 6 giai đoạn trong khoảng thời gian từ năm 1958 đến năm 2008. Các đường polygon được sử dụng để mô tả các biến động trong lịch sử của các vị trí bồi tụ và sạt lở lòng sông đồng thời xây dựng các đặc trưng quy luật biến đổi của các tham số. Kết quả nghiên cứu xác định khu vực xói lở của bờ sông bằng việc so sánh những thay đổi tuần tự của vị trí bờ sông trong những năm đã qua. Năm 2012, Sainath P.Aher và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu phát hiện sự sạt lở, biến động lòng sông Pravara, Ấn Độ [29]. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp điều tra thực địa, thảo luận, kết hợp với thu thập bản đồ về địa hình, ảnh vệ tinh trên Google và dữ liệu SRTM. Dựa vào bản đồ địa hình tỉ lệ 1:500.000 của 2 năm 1974 và 1975, lòng sông của thời kỳ này được tách ra và lấy mốc thời gian cơ sở là năm 1974. Đồng thời, thông tin lòng sông năm 2009 được số hóa bằng tay từ ảnh vệ tinh trên Google. Với dữ liệu lòng sông thu được của 2 năm trên, kết hợp với kết quả nghiên cứu thực địa, tác giả đã xây dựng bản đồ dịch chuyển đường bờ sông qua hai giai đoạn bằng phương pháp chồng xếp dữ liệu và đánh giá các điểm 11