Giáo trình Sử dụng ảnh vệ tinh radar đa thời gian để nghiên cứu biến động trượt lở - Nguyễn Anh Tuấn

Nội dung text: Giáo trình Sử dụng ảnh vệ tinh radar đa thời gian để nghiên cứu biến động trượt lở - Nguyễn Anh Tuấn

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 48, 10/2014, (Chuyªn ®Ò §o ¶nh - ViÔn th¸m), tr.85-90 SỬ DỤNG ẢNH VỆ TINH RADAR ĐA THỜI GIAN ĐỂ NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG TRƯỢT LỞ NGUYỄN ANH TUẤN, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Bài báo giới thiệu phương pháp sử dụng tư liệu ảnh Radar đa thời gian nhằm theo dõi và mô hình hóa các biến động ổn định sườn dốc. Bằng việc sử dụng phương pháp mạng lưới điểm ổn định SPN (Points Stables Networks) được phát triển bởi công ty Altamira Information Tây Ban Nha, tốc độ biến động của sườn dốc kể cả đối với những biến động rất nhỏ (cm/năm) có thể tính toán được, để từ đó có những giải pháp tiếp theo nhằm ngăn chặn hoặc xử lý các trượt lở sườn dốc nguy hiểm. 1. Giới thiệu chung thường xác định được các biến động nhỏ với độ Trượt lở bờ dốc luôn là vấn đề thiên tai gây chính xác cao tuy nhiên khó có khả năng áp hậu quả nghiêm trọng về tài sản cũng như con dụng cho một khu vực trượt lở rộng lớn, bên người trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Các cạnh đó chi phí để tiến hành quan trắc liên tục nguyên nhân gây ra trượt lở bờ dốc bao gồm các cũng rất cao. Phương pháp sử dụng tư liệu viễn tác động tự nhiên như mưa, lũ lụt, các hoạt động thám ngày càng thể hiện được ưu thế của mình đia chất và các tác động của con người. Việc trong việc quan trắc biến động đặc biệt là biến xác định, theo dõi, cập nhật các biến động sự ổn động trượt lở đó là khả năng quan trắc khu vực định bờ dốc luôn là công việc cấp thiết nhằm rộng lớn, chu trình đo lặp nhanh chóng với số cảnh báo các trượt lở sẽ xẩy ra nhằm giảm thiểu lượng trị đo dày đặc chi phí thấp và độ chính các thiệt hại về tài sản và con người. Đồng thời xác ngày càng được nâng cao. việc xác định, theo dõi ổn định bờ dốc cũng góp 2. Phương pháp nghiên cứu phần không nhỏ trong việc hoạch định chính sách phát triển xã hội, phát triển đô thị. 2.1. Nguyên lý quan trắc biến dạng của vệ tinh Trên thế giới, việc xác định theo dõi biến Radar động bờ dốc đã được quan tâm nghiên cứu từ Nguyên lý quan trắc biến dạng của vệ tinh rất sớm. Các phương pháp được sử dụng vào Radar có thể được tóm tắt như trong hình 1. Vệ mục đích nghiên cứu biến động bờ dốc có thể tinh Radar sẽ quan trắc một điểm trên mặt đất chia ra thành 2 nhóm: nhóm phương pháp dựa trên sự biến động khoảng cách từ điểm đó truyền thống và phương pháp sử dụng tư liệu đến vệ tinh qua các lần quan sát khác nhau theo viễn thám. Nhóm các phương pháp truyền hướng nhìn (LOS -Line Of Sight) của vệ tinh. thống sử dụng các thiết bị được lắp đặt ngay tại Trong trường hợp a) mặt trượt có hướng trượt khu vực nghiên cứu như phương pháp đo song song với hướng nhìn, vị trí của điểm P0 tại nghiêng [6-9, 14, 24]cung cấp các thông tin về thời điểm S0 dịch chuyển đến điểm P1 tại thời các mặt trượt khác nhau và độ sâu các mặt trượt điểm S1, khi đó khoảng cách thay đổi thực tế đồng thời cũng cung cấp một phần các thông tin của điểm P đến vệ tinh Dreal sẽ xấp xỉ với về hướng trượt của các mặt trượt này, phương khoảng cách thay đổi đo được theo LOS DLOS. pháp đo GPS xác định biến động của các điểm Trong trường hợp b) mặt trượt nằm đối diện với quan trắc với độ chính xác cao[4, 9, 12, 14, 16, hướng quan sát của vệ tinh, khi đó ta có thể 17, 20-22] Phương pháp sử dụng tư liệu viễn thấy rằng giá trị dịch chuyển mà vệ tinh đo thám như ảnh Radar [5, 13-15, 23], ảnh hàng được DLOS có thể không phải là giá trị dịch không [2, 3, 18, 19] chủ yếu được sử dụng để chuyển thực tế Dreal của điểm quan sát. Đây thành lập bản đồ biến động bề mặt của khu vực cũng chính là điểm hạn chế khi sử dụng ảnh có trượt lở. Các phương pháp truyền thống radar trong việc nghiên cứu biến dạng địa hình. 85
2. Hình 1. Nguyên lý quan trắc biến động của vệ tinh Radar 2.2. Phương pháp mạng lưới các điểm rời rạc - Ảnh hiệu chỉnh mô hình số địa hình: hiệu SPN (Stable Points Network) chỉnh các sai số địa hình cho mỗi điểm PS, Phương pháp đo ảnh giao thoa tán xạ cố những hiệu chỉnh này được dựa trên MNT định (PSInSar) là một trong những phương - Hình ảnh các biên độ trung bình. pháp được sử dụng rộng rãi trong vệc quan trắc - Các giá trị biến dạng của các điểm theo dịch chuyển [1, 10, 11]. Trong đó thuật toán thời gian cho mỗi cặp ảnh radar giao thoa. SPN được hãng Altamira Information (Tây Ban Phương pháp InSAR SPN cho phép quan Nha) phát triển từ năm 1999 dựa trên công nghệ trắc biến dạng địa hình trong một thời gian dài. đo ảnh giao thoa tán xạ cố định (PSInSAR) để Các yếu tố về áp suất và địa hình được loại bỏ tính toán các điểm tán xạ cố định PS khi chúng ta sử dụng số lần đo lặp nhiều hơn (Permanent Scaterrers). Công nghệ này cho 25. Phương pháp cho phép đo được các biến phép xác định được những dịch chuyển với độ dạng theo chiều thẳng đứng đến 1mm/năm [1]. chính xác đến 1/10mm khi chúng ta sử dụng 3. Sử dụng ảnh Radar ALOS nghiên cứu sêri ảnh để theo dõi trong thời gian dài. Công biến động trượt lở nghệ này nhằm để phân tích giao thoa pha Vệ tinh Alos (Advanced Land Observing ϕ interf. Các thành phần này bao gồm: địa hình Satellite) được phóng lên không gian vào ngày 24/01/2006 bởi cơ quan nghiên cứu không gian ϕtopo, dịch chuyển ϕdisp, áp suất ϕAPS và nhiễu Nhật Bản. Vệ tinh Alos sử dụng sóng điện từ có ϕ noise. bước sóng λ = 23.6cm với vòng lặp là 46 ngày. ϕ interf = ϕ topo + ϕ disp + ϕ APS + ϕ noise Độ phân giải không gian của tư liệu ảnh Alos Sơ đồ quy trình thực hiện SPN được mô tả toàn sắc là 2.5m và đối với ảnh đa phổ là 10m. trong hình 2. Vệ tinh Alos đã dừng hoạt động vào năm 2011 Phương pháp SPN cho kết quả bao gồm: vì trục trặc hệ thống điện tuy nhiên cơ quan - Bản đồ sự biến dạng trung bình của các nghiên cứu không gian Nhật thông báo sẽ phóng điểm quan trắc. vệ tinh Alos thế hệ thứ 2 trong thời gian gần. 86
3. Hình 2. Sơ đồ quy trình tính PS bằng phương pháp SPN Để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm năm 2006 đến 2010, chúng tôi thu được 132 nhằm đánh giá khả năng ứng dụng của ảnh vệ điểm PS cho khu vực trượt lở Sexta. Kết quả tinh đa thời gian trong nghiên cứu trượt lở bờ thể hiện trượt lở Sexta được chia thành 3 phần dốc, chúng tôi đã thực hiện việc thu thập dữ trượt nhỏ khác nhau với tốc độ trượt lớn nhất liệu ảnh vệ tinh ALOS từ năm 2006 đến 2010 là 31cm/năm. Tiến hành nội suy để theo dõi để theo dõi trượt lở Sexta. Trượt lở Sexta biến động của trượt lở Sexta ta thấy rằng ở kết thuộc một trong những khu vực hoạt động địa quả đầu tiên (hình 4a) sau 1 tháng quan trắc, sự chất mạnh mẽ nhất của dãy núi Pyrénées biên biến động là rất nhỏ. Ở kết quả thứ 2 (hình 4b) giới giữa Tây Ban Nha và Pháp. Trong khu sau 6 tháng quan trắc, sự biến động của trượt vực này có đến hàng trăm khu vực bất ổn định lở đã bắt đầu thể hiện, thời điểm này tốc độ bờ dốc với những kích thước và tốc độ dịch trượt lớn nhất vào khoảng 20cm/năm. Sau 1 chuyển khác nhau. Chúng tôi chọn khu trược năm quan trắc (hình 4d) tốc độ trượt lúc này lở Sexta vì nó có những hình thái địa chất địa đạt 30cm/năm. Ta cũng có thể thấy rằng 2 hình đặc trưng: địa hình đa dạng, tồn tại nhiều phần trượt lở nhỏ hoạt động mạnh mẽ hơn dạng trượt khác nhau với tốc độ khác nhau, phần trượt lở chính và đối với phần trượt lở phá hủy trực tiếp đến con đường huyết mạch chính, phía trên của sườn dốc hoạt động mạnh nối Pháp và Tây Ban Nha đồng thời ảnh hưởng mẽ hơn phía chân sườn dốc. Như vậy việc sử đến các khu vực trượt tuyết xung quanh. Hình dụng ảnh vệ tinh Alos đa thời gian để nội suy 3 thể hiện dữ liệu ALOS thu được tại khu vực giúp chúng ta hiểu rõ hơn và mô hình hóa được nghiên cứu. Với số lượng 12 ảnh được chụp từ hoạt động của trượt lở sườn dốc. 87
4. Hình 3. 132 điểm PS thu được từ 12 ảnh Alos được chụp từ năm 2006-2010 (VEL : Tốc độ trượt lở) (a) (b) (c) (d) Hình 4. Kết quả nội suy diễn biến trượt lở Sexa. Ảnh a) sau 1 tháng, ảnh b) sau 6 tháng, ảnh c) sau 8 tháng và ảnh d) sau 1 năm Hình 5. Điểm phản xạ nhân tạo đối với ảnh vệ tinh Radar 88
5. 4. Kết luận System surveys and field instrumentation, July Việc sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh đa thời 1998-March 2002, Engineering Geology, số 68, gian giúp chúng ta có thể hiểu rõ hơn và mô tr. 67-101. hình hóa được tiến trình hoạt động của trượt lở [5]. Colesanti C. và Wasowski J., 2006. sườn dốc. Đồng thời, dựa vào tư liệu ảnh Alos Investigating landslide with space-borne nói riêng và tư liệu ảnh Radar nói chung chúng Synthetic Aperture Radar (SAR) interferometry, ta có thể tính toán được tốc độ trượt sườn dốc ở Engineering Geology, số 88, tr. 173-199. những thời điểm nhất định kể cả đối với những [6]. Corominas J. và Moya J., 1999a. biến động rất nhỏ (cm/năm). Tuy nhiên phương Reconstructing recent landslide activity in pháp này cũng có nhiều hạn chế cần khắc phục relation to rainfall in the Llobregat River basin, như: khả năng quan trắc được biến động bằng Eastern Pyrenees, Spain, Geomorphology, số tư liệu ảnh Alos phụ thuộc nhiều vào việc chọn 30, tr. 79-93. lựa tư liệu ảnh với các quỹ đạo bay phù hợp với [7]. Corominas J., Moya J., Ledesma A., Rius khu vực cần quan trắc. Đối với các khu vực bị J., Gili J. A., và Lloret A., 1999c. Monitoring of thực phủ che lấp, không có những điểm ổn định the Vallcebre landslide, Eastern Pyrenees, (PS) có thể được quan trắc ở nhiều thời điểm Spain, in Slope stability engineering, khác nhau hoặc kích thước của điểm PS không Yamagami Yagi, Jiang, Editor: Balkema, đủ lớn (đối với ảnh Alos điểm PS đòi hỏi phải Rotterdam. tr. 1239-1244. lớn hơn 1m3) để có thể phản xạ trên ảnh thì [8]. Corominas J., Moya J., Lloret A., Gili J.A., phương pháp này không thể thực hiện được. Để Angeli M.G., Pasuto A., và Silvano S., 1999b. khắc phục điều này chúng ta có thể lắp đặt các Measurement of landslide displacements using điểm phản xạ nhân tạo tại khu vực nghiên cứu a wire extensometer, Engineering Geology, số như ví dụ trong hình 5, các điểm này đóng vai 55, tr. 149-166. trò như điểm PS và tín hiệu phản xạ của các [9]. Corsini A., Pasuto A., Soldati M., và điểm là rất tốt. Zannoni A., 2005. Field monitoring of the Corvara landslide (Dolomites, Italy) and its TÀI LIỆU THAM KHẢO relevance for hazard assessment, Geomorphology, số 66, tr. 149-165. [1]. Arnaud A., Adam N., Hanssen R., Inglada [10]. Ferretti A., Prati C., và Rocca F., 2001. J., Duro J., Closa J., và Eineder M., 2003. Permanent Scatterers in SAR Interferometry, ASAR ERS interferometric phase continuty, IEEE Transactions on Geoscience and Remote IGARSS: Toulouse. Sensing, số 39, tr. 8-20. [2]. Casson B., Delacourt C., và Allemand P. [11]. Gabriel A.K, Goldstein R.M, và Zebker 2005. Contribution of multi-temporal remote H.A., 1989. Mapping small elevation changes sensing images to characterize landslide slip over large areas - differential radar surface – Application to the La Clapière interferometry, Geophysical Journal landslide (France), Natural Hazards and Earth International, số 94, tr. 9183-9191. System Sciences, số 5, tr. 425-437. [12]. Gili J.A., Corominas J., và Rius J., 2000. [3]. Casson B., Delacourt C., Baratoux D., và Using Global Positioning System techniques in Allemand P., 2003. Seventeen years of the "La landslide monitoring, Engineering Geology, số clapière" landslide evolution analysed from 55, tr. 167-192. ortho-rectified aerial photographs, Engineering [13]. Gourmelen N. và Amelung F., 2005. Geology, số 68, tr. 123-139. Postseismic Mantle Relaxation in the Central [4]. Coe J. A., Ellis W.L., Godt J.W., Savage Nevada Seismic Belt, Science, số 310, tr. 1473- W.Z., Savage J.E., Michael J.A., Kibler J.D., 1476. Powers P.S., Lidke D.J., và Debray S., 2003. [14]. Herrera G., Merodo F.J.A. , Mulas J., Seasonal movement of the Slumgullion Pastor M., Luzi G., và Monserrat O., 2009a. A landslide determined from Global Positioning landslide forecasting model using ground based 89
6. SAR data: The Portalet case study, Engineering Geophysical Journal International, số 169, tr. Geology, số 105(3-4), tr. 220 - 230. 357-364. [15]. Herrera G., Notti D., Davalillo J.C.G, [20]. Mora P., Baldi P., Casula G., Fabris M., Mora O., Cooksley G., Sanchez M., Arnaud A., Ghirotti M., Mazzini E., và Pesci A., 2002. và Crosetto M., 2009b. Analysis with C- and X- Global Positioning Systems and digital band satellite SAR data of the Portalet landslide photogrammetry for the monitoring of mass area, Landslide. movements: application to the Ca’ di Malta [16]. Malet J.-P., Maquaire O., và Calais E., landslide (northern Apennines, Italy), 2002. The use of Global Positioning System Engineering Geology, số 68, tr. 103-121. techniques for the continuous monitoring of [21]. Nguyen A.T., Saillard M., Darrozes J., landslides: application to the Super-Sauze earthf Oliver M., Herrera G., Carlos G., Celestino G., low (Alpes-de-Haute-Provence, France), Inmaculada A.F., Mulas P.J. Monod B, Soula J- Geomoephology, số 43, tr. 33-54. C., và Courjaul-Radé P., 2013. Spatio-temporal [17]. Malet J. P., Hartig S., Calais E., và evolution of Ground displacement of the Tena Maquaire O., 2000. Contribution of GPS to landslide (Spain), Landslides: Science and continuous monitoring of landslides. Practice, số 2, tr. 133-140. Application to the Super-Saute earthflow (Alpes-de-Haute-Provence, France), Earth and [22]. Petley D.N., Mantovani F., Bulmer M.H., Planetary Science,Comptes Rendus de và Zannoni A., 2005. The use of surface l'Académie des Sciences. tr. 175-182. monitoring data for the interpretation of [18]. Michel R. và Avouac J-P., 2006. landslide movement patterns, Geomorphology, Coseismic surface deformation from air photos: số 66, tr. 133-147. The Kickapoo step over in the 1992 Landers [23]. Rott H. và Nagler T., 2006. The rupture, JOURNAL OF GEOPHYSICAL Contribution of Radar Interferometry to the RESEARCH, số 11, tr. 13. Assessment of Landslide Hazards, Advances in [19]. Michele M. và Briole P., 2007. Space Research, số 37, tr. 710-719. Deformation between 1989 and 1997 at Piton [24]. Timothy D., Stark, và Hangseok Choi., de la Fournaise volcano retrieved from 2008. Slope inclinometers for landslides, correlation of panchromatic airborne imag, Landslide, số 5(339–350). SUMARY Use the temporal images satellite for monitoring the inventories of displacements Nguyen Anh Tuan, Hanoi University of Mining and Geology This paper wants to present the method which uses the temporal Radar data to monitoring and modeling the inventories of displacements of slopes. By using the algorithm Point Stables Networks which were developed by Altamira Information Spain Company, we can calculate the velocities of displacements including the small displacement (cm/year) from there we can have solutions for the dangerous landslides. 90