Luận án Nghiên cứu đánh giá tính dễ bị tổn thương của tuyến đường quốc lộ vùng núi bằng công nghệ viễn thám và gis (đoạn quốc lộ 6 thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình)

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu đánh giá tính dễ bị tổn thương của tuyến đường quốc lộ vùng núi bằng công nghệ viễn thám và gis (đoạn quốc lộ 6 thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình)

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Hà Thị Hằng NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÍNH DỄ BỊ TỔN THƢƠNG CỦA TUYẾN ĐƢỜNG QUỐC LỘ VÙNG NÚI BẰNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS (ĐOẠN QUỐC LỘ 6 THUỘC ĐỊA PHẬN TỈNH HÒA BÌNH) LUẬN ÁN TIẾN SỸ ĐỊA LÍ Hà Nội - 2020
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Hà Thị Hằng NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÍNH DỄ BỊ TỔN THƢƠNG CỦA TUYẾN ĐƢỜNG QUỐC LỘ VÙNG NÚI BẰNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS (ĐOẠN QUỐC LỘ 6 THUỘC ĐỊA PHẬN TỈNH HÒA BÌNH) Chuyên ngành : Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lí Mã số : 9440211.01 LUẬN ÁN TIẾN SỸ ĐỊA LÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS. Nguyễn Ngọc Thạch 2. PGS.TS. Hoàng Tùng Hà Nội - 2020
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất cứ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả Hà Thị Hằng iii
4. LỜI CẢM ƠN Tác giả xin trân trọng cảm ơn Đại học Quốc gia Hà Nội, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên đã quan tâm, giúp đỡ nghiên cứu sinh trong suốt quá trình đào tạo. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo, các Thầy, Cô giáo trong Khoa Địa lý, Bộ môn Bản đồ -Viễn thám và GIS đã trực tiếp giảng dạy, trao đổi và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cũng nhƣ động viên tinh thần để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Trƣờng Đại học Xây Dựng, Ban lãnh đạo Khoa Cầu Đƣờng, Ban lãnh đạo Bộ môn Trắc Địa - nơi tác giả đang công tác cùng toàn thể các Thầy, Cô giáo, đồng nghiệp, bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ, chia sẻ công việc để tác giả có thể hoàn thành luận án này. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Nguyễn Ngọc Thạch và PGS.TS. Hoàng Tùng đã tận tình hƣớng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu và động viên, tạo điều kiện giúp đỡ để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới GS. TS. Nguyễn Quang Đạo - Trƣờng Đại học Xây Dựng; TS. Lê Đức Hùng - Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản; TS. Nguyễn Khắc Giảng - Bộ môn Khoáng thạch - Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất và nhiều Nhà khoa học khác đã truyền thụ thêm những kiến thức ngoại ngành để tác giả góp phần bổ sung, hoàn thiện luận án này. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các Nhà khoa học thuộc các cơ quan: Viện Địa lý, Viện Công nghệ Vũ trụ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Đại học Mỏ - Địa chất, Đại học Xây Dựng, Cục quản lý Đƣờng bộ I, Học viện kỹ thuật quân sự, Cục đo đạc, bản đồ và thông tin địa lý Việt Nam, Cục bản đồ quân đội, đã đóng góp ý kiến từ nhiều khía cạnh để luận án trở nên hoàn thiện hơn. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Sở Tài nguyên và Môi trƣờng Hòa Bình, Cục Thống kê Hòa Bình, Trung tâm Viễn thám Địa chất - Liên đoàn Bản đồ Địa chất miền Bắc, đã cung cấp tƣ liệu cho luận án. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới Gia đình, đặc biệt là Chồng và Hai con đã luôn ở bên cạnh, chia sẻ và động viên tinh thần trong suốt nhiều năm tác giả thực hiện luận án. Tác giả iv
5. MỤC LỤC MỤC LỤC v DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH viii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT x MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH DỄ BỊ TỔN THƢƠNG CỦA TUYẾN ĐƢỜNG QUỐC LỘ VÙNG NÚI 6 1.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan 6 1.1.1. Các nghiên cứu về tính dễ bị tổn thƣơng của đƣờng bộ 6 1.1.2. Các nghiên cứu đánh giá TDBTT của đƣờng bộ bằng công nghệ viễn thám và GIS trên thế giới 7 1.1.3. Các nghiên cứu đánh giá TDBTT của đƣờng bộ bằng công nghệ viễn thám và GIS ở Việt Nam 28 1.1.4. Các nghiên cứu đánh giá TDBTT của đoạn quốc lộ 6 tỉnh Hòa Bình bằng công nghệ viễn thám và GIS 33 1.1.5. Các nghiên cứu về tiêu chí xác định nguy cơ dễ bị tổn thƣơng của đƣờng bộ 36 1.2. Cơ sở lý luận nghiên cứu tính dễ bị tổn thƣơng của tuyến đƣờng quốc lộ vùng núi 38 1.2.1. Khái niệm và tính đặc thù về tính dễ bị tổn thƣơng của tuyến đƣờng quốc lộ vùng núi 38 1.2.2. Tiêu chí xác định nguy cơ dễ bị tổn thƣơng của tuyến đƣờng quốc lộ vùng núi 41 1.2.3. Bản đồ nguy cơ dễ bị tổn thƣơng với các mức độ khác nhau 45 1.3. Quan điểm, phƣơng pháp xây dựng bản đồ nguy cơ dễ bị tổn thƣơng của tuyến đƣờng quốc lộ vùng núi 47 1.3.1. Quan điểm nghiên cứu 47 1.3.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu 48 1.3.3. Phƣơng pháp xây dựng bản đồ nguy cơ dễ bị tổn thƣơng của tuyến đƣờng quốc lộ vùng núi 52 TIỂU KẾT CHƢƠNG 1 56 v
6. CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG BỘ TIÊU CHÍ CHO ĐÁNH GIÁ TÍNH DỄ BỊ TỔN THƢƠNG CỦA ĐOẠN QUỐC LỘ 6 TỈNH HÒA BÌNH 57 2.1. Nhóm tiêu chí về các tai biến thiên nhiên 57 2.1.1. Các yếu tố ảnh hƣởng tới tai biến thiên nhiên 57 2.1.2. Chỉ tiêu về tai biến trƣợt lở đất 71 2.1.3. Chỉ tiêu về tai biến lũ lụt 77 2.2. Nhóm tiêu chí về các yếu tố nội tại của đƣờng bộ 82 2.2.1. Chỉ tiêu về tính ổn định nền đƣờng 82 2.2.2. Chỉ tiêu về độ dốc dọc tuyến đƣờng 84 2.2.3. Chỉ tiêu về chất lƣợng mặt đƣờng 86 2.2.4. Chỉ tiêu về các khúc cua trên tuyến đƣờng 88 2.2.5. Các công trình phụ trợ trên đƣờng 90 TIỂU KẾT CHƢƠNG 2 91 CHƢƠNG 3. ĐÁNH GIÁ TÍNH DỄ BỊ TỔN THƢƠNG CỦA ĐOẠN QUỐC LỘ 6 TÌNH HÒA BÌNH BẰNG VIỄN THÁM - GIS VÀ CÁC BIỆN PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG KHAI THÁC TUYẾN ĐƢỜNG 92 3.1. Phân tích hiện trạng tổn thƣơng trên đoạn quốc lộ 6 tỉnh Hòa Bình 92 3.1.1. Phƣơng pháp phân tích và thành lập bản đồ hiện trạng tổn thƣơng bằng công nghệ viễn thám 92 3.1.2. Đặc điểm phân bố các vị trí tổn thƣơng trên bản đồ hiện trạng 105 3.2. Đánh giá nguy cơ dễ bị tổn thƣơng 110 3.2.1. Xác định mức độ dễ bị tổn thƣơng 110 3.2.2. Bản đồ nguy cơ dễ bị tổn thƣơng đƣờng bộ 115 3.2.3. Kiểm chứng kết quả 122 3.3. Các giải pháp đảm bảo chất lƣợng khai thác của tuyến đƣờng 124 3.3.1. Các giải pháp phát hiện sớm những hƣ hỏng trên mặt đƣờng 124 3.3.2. Giải pháp khắc phục các khúc cua gấp trên đƣờng 126 3.3.3. Các biện pháp bảo vệ tuyến đƣờng trƣớc tác động của tai biến lũ lụt và trƣợt lở đất 127 TIỂU KẾT CHƢƠNG 3 131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 132 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO 135 vi
7. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Tổng quan các phƣơng pháp đánh giá mức độ tổn thƣơng của mạng lƣới đƣờng bộ. 15 Bảng 1.2. Tổng quan các tiêu chí đánh giá TDBTT của đƣờng bộ. 37 Bảng 1.3. Nhóm tiêu chí sử dụng trong đánh giá TDBTT của tuyến đƣờng quốc lộ vùng núi. 41 Bảng 2.1. Tỷ lệ (%) lƣợng mƣa phân theo mùa năm 2018 tại các trạm đo 67 Bảng 2.2. Phân bố dân cƣ trên địa bàn khu vực nghiên cứu 70 Bảng 2.3. Bảng đánh giá các yếu tố liên quan đến nguy cơ trƣợt lở đất trên QL6. 72 Bảng 2.4. Ma trận so sánh cặp và trọng số của các yếu tố tham gia đánh giá nguy cơ trƣợt lở đất trên đoạn QL6. 73 Bảng 2.5. Thống kê nguy cơ TLĐ theo đơn vị hành chính và chiều dài đoạn QL6.75 Bảng 2.6. Bảng đánh giá các yếu tố liên quan đến nguy cơ lũ lụt trên đoạn QL6. 77 Bảng 2.7. Ma trận so sánh cặp và trọng số của các yếu tố tham gia đánh giá nguy cơ lũ lụt trên đoạn QL6. 78 Bảng 2.8. Thống kê nguy cơ lũ lụt theo đơn vị hành chính và chiều dài đoạn QL6.80 Bảng 3.1. Các nguồn ảnh viễn thám đƣợc sử dụng trong nghiên cứu. 93 Bảng 3.2. Các thông số kĩ thuật cơ bản của thiết bị UAV DJI Phantom 3 Standard95 Bảng 3.3. Hình ảnh một số vị trí tổn thƣơng trên đoạn QL6 từ ảnh viễn thám và kết quả khảo sát thực địa. 98 Bảng 3.4. Thống kê hiện trạng tổn thƣơng theo đơn vị hành chính cấp huyện. 108 Bảng 3.5. Các tiêu chí đƣợc dùng trong đánh giá TDBTT của đoạn QL6. 112 Bảng 3.6. Xếp hạng các tiêu chí tham gia đánh giá TDBTT 114 Bảng 3.7. Ma trận so sánh cặp và trọng số của các tiêu chí. 115 Bảng 3.8. Phân chia giá trị dễ bị tổn thƣơng và thống kê diện tích các nhóm nguy cơ dễ bị tổn thƣơng. 117 Bảng 3.9. Thống kê mức độ dễ bị tổn thƣơng của đoạn QL6 theo đơn vị hành chính và chiều dài tuyến. 122 vii
8. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Minh họa hai nhóm tiêu chí ảnh hƣởng đến TDBTT của tuyến đƣờng quốc lộ vùng núi. 41 Hình 1.2. Sơ đồ các bƣớc trong phƣơng pháp xây dựng bản đồ nguy cơ dễ bị tổn thƣơng cho tuyến đƣờng quốc lộ vùng núi. 53 Hình 2.1. Các bộ phận trên mặt cắt ngang một tuyến đƣờng bộ vùng núi 58 Hình 2.2. Bản đồ đoạn quốc lộ 6 đi qua các đơn vị hành chính cấp huyện thuộc tỉnh Hòa Bình và không gian nghiên cứu. 60 Hình 2.3. Bản đồ phân vùng nguy cơ trƣợt lở đất trên đoạn QL6 theo không gian nghiên cứu. 76 Hình 2.4. Bản đồ phân vùng nguy cơ lũ lụt trên đoạn QL6 theo không gian nghiên cứu. 81 Hình 2.5. Bản đồ tính ổn định nền đƣờng đoạn QL6 theo không gian nghiên cứu.83 Hình 2.6. Bản đồ phân cấp độ dốc dọc tuyến đoạn QL6 theo không gian nghiên cứu. 85 Hình 2.7. Bản đồ phân loại chất lƣợng mặt đƣờng đoạn QL6 theo không gian nghiên cứu. 87 Hình 2.8. Bản đồ phân loại các khúc cua trên đoạn QL6 theo không gian nghiên cứu. 89 Hình 3.1. Sơ đồ quy trình thành lập bản đồ hiện trạng tổn thƣơng tuyến đƣờng quốc lộ vùng núi. 92 Hình 3.2. Sơ đồ quy trình phát hiện tổn thƣơng trên tuyến đƣờng quốc lộ vùng núi từ dữ liệu ảnh bay chụp bằng UAV. 96 Hình 3.3. Bản đồ hiện trạng tổn thƣơng đoạn QL6. 104 Hình 3.4. Một số hình ảnh khảo sát tại thực địa. 107 Hình 3.5. Biểu đồ so sánh diện tích tổn thƣơng theo huyện và chiều dài tuyến. . 109 Hình 3.6. Sơ đồ quá trình thành lập bản đồ nguy cơ dễ bị tổn thƣơng đoạn QL6.111 Hình 3.7. Biểu đồ phân bố giá trị dễ bị tổn thƣơng khu vực nghiên cứu. 116 Hình 3.8. Bản đồ nguy cơ dễ bị tổn thƣơng của đoạn QL6 tỉnh Hòa Bình. 118 viii
9. Hình 3.9. Biểu đồ biểu diễn diện tích khu vực dễ bị tổn thƣơng ở các mức độ. . 119 Hình 3.10. Biểu đồ biểu diễn các đoạn tuyến dễ bị tổn thƣơng ở các mức độ. 119 Hình 3.11. Diện tích dƣới đƣờng cong ROC 123 Hình 3.12. Đánh giá độ chính xác của mô hình nghiên cứu TDBTT trên đoạn QL6 124 ix
10. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ANN Artificial Neural Network (Mạng nơ ron nhân tạo) AHP Analytical Hierachy Process (Phương pháp phân tích thứ bậc) AUC Area Under Curve (Diện tích dưới đường cong) BĐKH Biến đổi khí hậu BTCT Bê tông cốt thép BTN Bê tông nhựa CI Consistency Ratio (Tỷ lệ nhất quán) CR Consistency Index (Chỉ số nhất quán) DEM Digital Elevation Model (Mô hình số độ cao) DSM Digital Surface Model (Mô hình số bề mặt) FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations (Tổ chức Nông lương Thế giới) FEWS Famine Early Warning System (Hệ thống cảnh báo sớm nạn đói nghèo) FR Frequency Ratio (Tỷ số tần số) FSI Flood Susceptibility Index (Chỉ số nhạy cảm lũ lụt) GIS Geographic Information System (Hệ thống thông tin địa lý) GPS Global Positioning System (Hệ thống định vị toàn cầu) x
11. HĐBT Hoạt động bình thƣờng IDW Inverse Distance Weighting (Phương pháp nội suy IDW) IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change (Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu) Lineament Các yếu tố dạng tuyến LSI Landslide Susceptibility Index (Chỉ số nhạy cảm trượt lở đất) NASA National Aeronautics and Space Administration (Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ) NCS Nghiên cứu sinh NCSHD The National Consortium on Safety, Hazards, and Disaster Assessment (Hiệp hội quốc gia về an toàn, nguy hiểm và đánh giá thiên tai của Hoa Kỳ) NCRST National Consortium for Remote Sensing in Transportation (Hiệp hội quốc gia về viễn thám trong giao thông vận tải của Hoa Kỳ) nnk Nhiều ngƣời khác NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration, Coastal Services Center (Cục quản lý khí quyển và đại dương quốc gia) NRC The National Research Council (Hội đồng nghiên cứu quốc gia) pixel Picture Element (Điểm ảnh) QL Quốc lộ RAPID Road Assessment Programme Inspection Device (Thiết bị kiểm tra cơ sở hạ tầng đường bộ) RI Random Consistency Index (Chỉ số nhất quán ngẫu nhiên) xi
12. ROC Receiver Operating Characteristic (Đường cong ghi nhận tín hiệu) RSPA Research and Special Programs Administration (Viện nghiên cứu chương trình đặc biệt) RVI Road Vulnerability Index (Chỉ số dễ bị tổn thương của đường bộ) SAR Synthetic Aperture Radar (Radar khẩu độ tổng hợp) SOPAC The South Pacific Applied Geo-science Commission (Uỷ ban Địa học ứng dụng Nam Thái Bình Dương) SPSS Statistical Package for the Social Sciences (Phần mềm thống kê SPSS) TDBTT Tính dễ bị tổn thƣơng TLĐ Trƣợt lở đất TP Thành phố TT Thị trấn TWI Topographical Wetness Index (Chỉ số độ ẩm địa hình) UAV Unmanned Aerial Vehicle (Máy bay không người lái) UN United Nations (Liên hợp quốc) UNEP United Nations Environment Programme (Chương trình môi trường Liên hiệp quốc) USAID United States Agency for International Development (Cơ quan phát triển quốc tế của Hoa Kỳ) xii
13. USDOT United State Department of Transportation (Bộ Giao thông vận tải Hoa Kỳ) USEPA United States Environmental Protection Agency (Cục bảo vệ môi trƣờng Hoa Kỳ) USGS The United States Geological Survey (Cục địa chất liên bang Mỹ) VI Vulnerability Index (Chỉ số dễ bị tổn thương) WFP World Food Programme (Chương trình lương thực thế giới) XDCB Xây dựng cơ bản 3D Three Dimensions (Ba chiều) xiii
14. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ở Việt Nam, tuyến QL6 qua địa phận tỉnh Hòa Bình dài khoảng 115km, là tuyến đƣờng huyết mạch nối liền Hà Nội, đồng bằng Bắc Bộ với Tây Bắc và Thƣợng Lào [23]. Đây là tuyến đƣờng trọng yếu phục vụ cho phát triển giao thƣơng các tỉnh vùng núi phía Bắc cũng nhƣ đảm bảo an ninh quốc phòng cho đất nƣớc. Tai biến thiên nhiên không chỉ gây thiệt hại lớn về ngƣời và tài sản mà còn làm suy giảm chất lƣợng khai thác của đoạn QL6. Theo thống kê cho thấy, ¾ chiều dài đoạn QL6 tỉnh Hòa Bình chạy qua địa hình đồi núi, qua các vùng có cấu trúc địa chất phức tạp, chịu ảnh hƣởng của các đới kiến tạo phá huỷ. Trong lịch sử, tai biến lũ lụt và trƣợt lở đất xảy ra khá thƣờng xuyên trên tuyến đƣờng này. Trận mƣa lớn kéo dài trong các ngày từ 9-13/10/2017 đã gây ngập úng cục bộ và sạt lở đất trên tuyến QL6, đặc biệt, tại Km131+050 đến Km131+250, ngã ba Tòng Đậu thuộc huyện Mai Châu, tỉnh Hòa Bình, nƣớc lũ dâng cao trên 2m so với mặt đƣờng gây ách tắc giao thông cục bộ, kéo dài gần một tuần, khiến cho hàng trăm xe tại hai đầu tuyến đƣờng này phải nằm chờ kéo dài hàng km. Về công trình hạ tầng, giao thông thủy lợi, có hơn 180 công trình bị hƣ hỏng nặng hoặc thiệt hại hoàn toàn. Về giao thông, toàn tỉnh Hòa Bình có số điểm sạt lở taluy dƣơng khoảng 750 điểm, với tổng khối lƣợng sạt lở khoảng 550 nghìn m3; 72 điểm sạt lở taluy âm. Ƣớc tính tổng thiệt hại trên địa bàn toàn tỉnh đến ngày 19/10/2017 là khoảng 1.630 tỷ đồng [24]. Mới đây nhất, ngày 31/08/2019, do ảnh hƣởng của hoàn lƣu bão, trên địa bàn tỉnh Hòa Bình xuất hiện mƣa to đến rất to, dẫn đến tình trạng ngập úng, sạt lở đất đá trên tuyến QL6, đặc biệt, trƣợt lở đất xảy ra nghiêm trọng nhất tại Km140+80, thuộc địa phận xóm Phiêng Sa, xã Đồng Bảng, huyện Mai Châu (Hòa Bình), hơn 1.000m3 đất đá đã sạt lở xuống đƣờng, gây ách tác giao thông nghiêm trọng từ khoảng 6 giờ sáng 31/08. Các cơ quan chức năng đã phải huy động rất nhiều nhân lực, vật lực để giải phóng khối đất đá bị sạt lở, đảm bảo cho giao thông trên tuyến QL6 đƣợc thông suốt [25]. Rõ ràng ở đây, mặc dù địa phƣơng và các đơn vị quản lý đã có kế hoạch ứng phó trƣớc mỗi mùa mƣa 1
15. bão, song chất lƣợng khai thác tuyến QL6 vẫn bị gián đoạn, trì trệ, không thông suốt, thời gian kéo dài từ vài giờ đồng hồ cho đến vài ngày tùy theo lý trình và điều đó thể hiện tính dễ bị tổn thƣơng (TDBTT) của tuyến QL6 từ mức độ rất ít cho đến rất nhiều. Trên thế giới, mặc dù khái niệm TDBTT của đƣờng bộ đƣợc đƣa ra khá sớm song việc nghiên cứu đánh giá TDBTT của đƣờng bộ do tác động của các loại hình tai biến thiên nhiên trên cơ sở tích hợp viễn thám và GIS mới chỉ đƣợc quan tâm và thực hiện trong hơn 10 năm trở lại đây. Với mục đích nhằm giảm thiểu thiệt hại do các tai biến thiên nhiên gây ra, nhiều nhà khoa học trên thế giới đều nhận định rằng cần phải chỉ ra sự phân bố các đoạn đƣờng có nguy cơ dễ bị tổn thƣơng trong tƣơng lai, trong đó, ứng dụng viễn thám và GIS đƣợc xem là phƣơng pháp đánh giá hiệu quả [91, 102, 103]. Việc dự báo, chỉ ra các đoạn đƣờng có nguy cơ dễ bị tổn thƣơng với các mức độ khác nhau trên cơ sở ứng dụng viễn thám và GIS có thể áp dụng hiệu quả và kinh tế đối với những tuyến đƣờng trải dài qua nhiều dạng địa hình, địa chất phức tạp nhƣ tuyến QL6 tỉnh Hòa Bình. Trong khi đó, nếu đánh giá tính dễ bị tổn thƣơng của tuyến đƣờng quốc lộ vùng núi theo phƣơng pháp truyền thống (khảo sát địa kỹ thuật) thì tồn tại rất nhiều bất cập, nhƣ: chi phí lớn, mất nhiều thời gian, phạm vi khảo sát hẹp, kết quả đánh giá chỉ có ý nghĩa tại thời điểm khảo sát mà không mang tính dự báo. Ở Việt Nam, các nghiên cứu đánh giá tình trạng tổn thƣơng của đƣờng căn cứ chủ yếu vào chất lƣợng bề mặt đƣờng hoặc tập trung vào việc thống kê số điểm trƣợt lở đất đá dọc tuyến hoặc chỉ ra các điểm có nguy cơ trƣợt lở cao qua phân tích địa hình, địa mạo. Phần lớn nội dung các nghiên cứu này không đề cập tới khả năng chống chịu của tuyến đƣờng trƣớc tác động của các tai biến thiên nhiên, phƣơng pháp đánh giá chủ yếu là thông qua khảo sát thực địa, kết quả nghiên cứu chỉ có ý nghĩa tức thời. Với những lý do trên, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu đánh giá tính dễ bị tổn thương của tuyến đường quốc lộ vùng núi bằng công nghệ viễn thám và GIS (Đoạn Quốc lộ 6 thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình)”. 2
16. 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Xác định bộ tiêu chí và đánh giá nguy cơ dễ bị tổn thƣơng của tuyến đƣờng quốc lộ vùng núi bằng công nghệ viễn thám và GIS (Đoạn quốc lộ 6 thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình). Nội dung nghiên cứu: - Tổng quan, xác lập cơ sở lý luận, bộ tiêu chí và phƣơng pháp nghiên cứu đánh giá tính dễ bị tổn thƣơng của tuyến đƣờng quốc lộ vùng núi trên cơ sở tích hợp công nghệ viễn thám và GIS. - Phân tích hai nhóm tiêu chí ảnh hƣởng tới tính dễ bị tổn thƣơng của đoạn quốc lộ 6 thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình. - Phân tích hiện trạng tổn thƣơng của đoạn quốc lộ 6 thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình bằng công nghệ viễn thám. - Đánh giá và xây dựng bản đồ nguy cơ dễ bị tổn thƣơng với các mức độ khác nhau của đoạn quốc lộ 6 thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình với sự trợ giúp của công nghệ viễn thám và GIS. - Đề xuất các giải pháp đảm bảo chất lƣợng khai thác của đoạn quốc lộ 6 thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu * Đối tƣợng nghiên cứu: Tính dễ bị tổn thƣơng của đoạn quốc lộ 6 thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình do tai biến lũ lụt, trƣợt lở đất bằng công nghệ viễn thám và GIS. * Phạm vi không gian: Từ đỉnh các dãy núi (đƣờng phân thủy đỉnh ở vùng thƣợng lƣu) đến đáy các thung lũng (đƣờng tụ thủy ở vùng hạ lƣu) cắt ngang qua đoạn quốc lộ 6 thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình. * Phạm vi vấn đề: - Đánh giá hiện trạng và dự báo nguy cơ dễ bị tổn thƣơng của đoạn quốc lộ 6 thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình ở tỷ lệ 1:50000. - Việc đánh giá đƣợc thực hiện chủ yếu bởi công nghệ viễn thám và GIS, kết hợp với kiểm chứng thực địa và bay chụp UAV. 3
17. 4. Những điểm mới của luận án - Điểm mới 1: Đã xác định đƣợc bộ tiêu chí đánh giá tính dễ bị tổn thƣơng của đoạn quốc lộ 6 thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình, bao gồm nhóm tiêu chí về các tai biến thiên nhiên và nhóm tiêu chí về các yếu tố nội tại của tuyến đƣờng. - Điểm mới 2: Đánh giá đƣợc nguy cơ dễ bị tổn thƣơng với các mức độ khác nhau của đoạn quốc lộ 6 thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình bằng công nghệ viễn thám và GIS. 5. Các luận điểm bảo vệ - Luận điểm 1: Bộ tiêu chí đánh giá tính dễ bị tổn thƣơng của đoạn quốc lộ 6 tỉnh Hòa Bình bao gồm nhóm tiêu chí về các tai biến thiên nhiên và nhóm tiêu chí về các yếu tố nội tại của tuyến đƣờng. - Luận điểm 2: Kết quả đánh giá nguy cơ dễ bị tổn thƣơng theo các mức độ khác nhau với sự trợ giúp của công nghệ viễn thám và GIS là cơ sở khoa học cho việc đề xuất các giải pháp đảm bảo chất lƣợng khai thác đƣờng bộ của đoạn quốc lộ 6 thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Kết quả luận án góp phần hoàn thiện bộ tiêu chí, phƣơng pháp và quy trình đánh giá TDBTT của đoạn quốc lộ 6 thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình, có thể vận dụng cho các khu vực có điều kiện tự nhiên tƣơng tự. - Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án đã làm rõ đƣợc nguy cơ dễ bị tổn thƣơng với các mức độ khác nhau, làm cơ sở khoa học cho việc đề xuất các giải pháp đảm bảo chất lƣợng khai thác đƣờng bộ đoạn quốc lộ 6 thuộc tỉnh Hòa Bình. 7. Cơ sở tài liệu - Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50.000 (Nguồn: Xí nghiệp đo đạc ảnh địa hình - Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng). - Bản đồ hoàn công đƣờng bộ tỷ lệ 1: 500 đoạn QL6, thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình năm 2002 (Nguồn: Cục quản lý đƣờng bộ I - Tổng cục đƣờng bộ Việt Nam). 4
18. - Bản đồ ổn định nền đƣờng tỷ lệ 1: 10000 đoạn QL6, thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình năm 1998 (Nguồn: Cục quản lý đƣờng bộ I - Tổng cục đƣờng bộ Việt Nam). - Bản vẽ mặt cắt dọc tỷ lệ 1:2000 đoạn QL6, thuộc địa phận tỉnh Hòa Bình năm 2002 (Nguồn: Cục quản lý đƣờng bộ I - Tổng cục đƣờng bộ Việt Nam). - Bản đồ địa chất tỷ lệ 1:200.000 (Nguồn: Trung tâm thông tin lƣu trữ địa chất - Tổng cục địa chất và khoáng sản Việt Nam). - Dữ liệu lƣợng mƣa từ năm 2007 - 2016 tại 5 trạm quan trắc (Mai Châu, Kim Bôi, Lạc Sơn, Hòa Bình, Chi Nê) trên địa bàn tỉnh Hòa Bình. - Các ảnh vệ tinh bao trùm toàn bộ khu vực nghiên cứu: Ảnh GeoEye-1, ảnh Spot 5 vào các năm 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016, 2017. - Dữ liệu ảnh chụp khu vực nghiên cứu từ máy bay không ngƣời lái (UAV) vào năm 2017, 2018. - Các công trình nghiên cứu đánh giá TDBTT của mạng lƣới giao thông đƣờng bộ do tai biến đã công bố (đề tài, luận án, luận văn) từ năm 2000 đến năm 2017. - Các tài liệu, dữ liệu NCS thu thập đƣợc trong quá trình nghiên cứu và khảo sát thực địa vào tháng 05/2015, tháng 08/2016, tháng 10/2017, tháng 10/2018. - Kết quả đo đạc bằng công nghệ GPS ngoài thực địa của NCS. 8. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo và phụ lục, cấu trúc luận án gồm 03 chƣơng: Chƣơng 1. Cơ sở lý luận và phƣơng pháp nghiên cứu tính dễ bị tổn thƣơng của tuyến đƣờng quốc lộ vùng núi. Chƣơng 2. Xây dựng bộ tiêu chí cho đánh giá tính dễ bị tổn thƣơng của đoạn quốc lộ 6 tỉnh Hòa Bình. Chƣơng 3. Đánh giá tính dễ bị tổn thƣơng của đoạn quốc lộ 6 tỉnh Hòa Bình bằng viễn thám - GIS và các biện pháp đảm bảo chất lƣợng khai thác đƣờng bộ. 5
19. CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH DỄ BỊ TỔN THƢƠNG CỦA TUYẾN ĐƢỜNG QUỐC LỘ VÙNG NÚI Chƣơng 1 trình bày tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan ở trên thế giới, ở Việt Nam cũng nhƣ liên quan đến khu vực nghiên cứu; cơ sở lý luận nghiên cứu TDBTT của tuyến đƣờng quốc lộ vùng núi, từ đó, đƣa ra quan điểm, phƣơng pháp và hình thành hƣớng tiếp cận phù hợp trong đánh giá nguy cơ dễ bị tổn thƣơng với các mức độ khác nhau do tai biến thiên nhiên trên tuyến đƣờng quốc lộ vùng núi. 1.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan 1.1.1. Các nghiên cứu về tính dễ bị tổn thương của đường bộ 1.1.1.1. Các nghiên cứu về tính dễ bị tổn thương Tính dễ bị tổn thƣơng (Vulnerability) là một khái niệm khá trừu tƣợng, đƣợc đề cập trong rất nhiều tài liệu và đƣợc nghiên cứu ở các lĩnh vực khác nhau (hệ thống tự nhiên - xã hội, kinh tế, chính trị, môi trƣờng, y tế, tài nguyên thiên nhiên, ), ở các quy mô, khía cạnh khác nhau (cấp vùng, cấp khu vực, ) dƣới các tác động và hoàn cảnh đa dạng (sự BĐKH toàn cầu, tai biến thiên nhiên và biến động môi trƣờng, biến động giá cả hàng hóa trên thị trƣờng, sự khan hiếm lƣơng thực, sự thay đổi tổ chức và thể chế, thảm họa công nghệ, chiến tranh, ). Liên quan đến khía cạnh biến đổi khí hậu (BĐKH), đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu của các tác giả, các tổ chức trên thế giới đề cập đến vấn đề này. Trong đó, có một số khái niệm điển hình về TDBTT do BĐKH đƣợc đƣa ra nhƣ sau: - TDBTT là khả năng tiềm tàng và sự ảnh hƣởng của các tai biến trong từng bối cảnh cụ thể của xã hội, môi trƣờng sống, BĐKH [38]. - TDBTT là sự nhạy cảm của hệ thống tự nhiên hay xã hội do những thiệt hại lâu dài từ BĐKH [115]. - TDBTT do BĐKH là mức độ mà hệ thống dễ bị tác động và không có khả năng chống chịu trƣớc những tác động bất lợi [116]. 6
20. Từ những khái niệm điển hình trên có thể thấy TDBTT là mức độ tổn thất, suy thoái của hệ thống, mức độ chống chịu, phục hồi, ứng phó của nó trƣớc các tác động từ bên ngoài (tai biến thiên nhiên và các hoạt động nhân sinh). 1.1.1.2. Các nghiên cứu về tính dễ bị tổn thương của đường bộ Trong lĩnh vực giao thông đƣờng bộ, rất nhiều nhà khoa học than phiền về việc thiếu một định nghĩa đầy đủ, chính thức về TDBTT của đƣờng bộ, trong đó, phần lớn nhìn nhận bất cứ một mối đe dọa nào tới độ tin cậy của mạng lƣới giao thông sẽ khiến cho mạng lƣới giao thông bị tổn thƣơng tại một số điểm cụ thể hoặc bị suy yếu toàn bộ [40, 52]. Bởi lẽ, độ tin cậy của mạng lƣới giao thông đƣờng bộ thƣờng đƣợc đánh giá theo các phƣơng pháp kỹ thuật truyền thống, trong đó, độ tin cậy có thể biểu hiện qua nhiều khía cạnh, nhƣ: sự liên kết giữa các tuyến đƣờng đảm bảo sự thông suốt, ổn định; hoặc mức độ ổn định của các phƣơng tiện tham gia giao thông trên đƣờng; chi phí bảo dƣỡng và chi phí nhiên liệu cho các phƣơng tiện tham gia trên đƣờng; Chính vì vậy, có nhiều định nghĩa đánh giá TDBTT của đƣờng bộ dựa trên các khía cạnh này, cụ thể nhƣ sau: - Độ tin cậy của mạng lƣới giao thông đƣờng bộ thể hiện thông qua khả năng kết nối và thời gian di chuyển trên đƣờng [36]. - Đánh giá hoặc dự đoán các tác động của các sự cố bên ngoài tới sự gián đoạn phục vụ của mạng lƣới đƣờng bộ là trọng tâm chính trong đánh giá TDBTT đƣờng bộ [53]. - TDBTT của đƣờng bộ liên quan đến sự suy yếu của mạng lƣới giao thông đƣờng bộ và hậu quả của nó gây ra tới sự phát triển kinh tế - xã hội [52]. - TDBTT của đƣờng bộ liên quan đến khả năng phục vụ, cụ thể là khả năng sử dụng một liên kết, một tuyến đƣờng trong một thời điểm nhất định [68]. 1.1.2. Các nghiên cứu đánh giá TDBTT của đường bộ bằng công nghệ viễn thám và GIS trên thế giới Các nghiên cứu đánh giá TDBTT trƣớc khi xảy ra thảm họa có khả năng làm giảm đáng kể số lƣợng ngƣời thƣơng vong, tử vong, thiệt hại về tài sản nếu đƣợc sử dụng theo cách thích hợp. Chúng đòi hỏi phải có một tập hợp các nguồn 7
21. dữ liệu (các yếu tố phơi nhiễm) liên quan đến TDBTT (là những tác động dự đoán) và các nguy cơ tai biến [78]. Mãi cho đến những năm gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, ngày càng có nhiều các công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong đánh giá TDBTT của mạng lƣới giao thông đƣờng bộ. Trong đó, toàn bộ các thông tin chiết xuất đƣợc từ hình ảnh viễn thám đóng vai trò là nguồn dữ liệu đầu vào quan trọng, bên cạnh đó, không thể thiếu GIS - công cụ xử lý, phân tích để thành lập bản đồ đánh giá TDBTT của đƣờng bộ trƣớc tác động của các loại hình tai biến thiên nhiên. 1.1.2.1. Đánh giá tính dễ bị tổn thương của đường bộ bằng công nghệ viễn thám Trên thế giới, viễn thám là một ngành khoa học và công nghệ đƣợc ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, đặc biệt trong lĩnh vực giao thông đƣờng bộ. Đây chính là tiền đề mở đầu cho quá trình ứng dụng viễn thám trong đánh giá TDBTT của đƣờng bộ [75]. Công nghệ viễn thám đƣợc ứng dụng trong lĩnh vực giao thông đƣờng bộ từ rất sớm, bắt đầu từ năm 1972, ảnh hàng không chụp từ máy bay có ngƣời lái đã đƣợc sử dụng để cung cấp các thông tin liên quan đến đƣờng bộ, cơ sở hạ tầng đƣờng bộ nhằm giúp các nhà quản lý, các nhà hoạch định chính sách trong việc quản lý hệ thống giao thông vận tải [70]. Các dữ liệu hình ảnh này cung cấp các thông tin của đƣờng bộ nhanh chóng, chi tiết mà không mất nhiều thời gian. Nhìn chung, vào giai đoạn này, công nghệ viễn thám đƣợc đánh giá là công cụ phục vụ cho việc quản lý giao thông đƣờng bộ thông qua việc cung cấp các thông tin của đƣờng bộ, hạ tầng đƣờng bộ [75]. Trong lĩnh vực giao thông đƣờng bộ, tổn thƣơng đƣờng bộ không đơn thuần là sự mất mát, sự hƣ hỏng, sự không nguyên vẹn nhƣ hiện trạng ban đầu, mà dòng xe bị tắc nghẽn trên đƣờng cũng là một trong những dấu hiệu cho thấy đƣờng bộ bị tổn thƣơng, không đảm bảo chất lƣợng khai thác. Bộ Giao thông vận tải (USDOT) và Hiệp hội quốc gia về viễn thám trong giao thông vận tải của Hoa Kỳ (NCRST) đã sử dụng hình ảnh vệ tinh quang học Quickbird, Ikonos và ảnh vệ tinh hồng ngoại nhiệt nhằm thay thế cho các bộ cảm biến đƣờng bộ trong 8
22. theo dõi, giám sát sự tắc nghẽn trên đƣờng bộ, bởi những dữ liệu hình ảnh này cho phạm vi quan sát rộng lớn và tiết kiệm chi phí [75]. Ngoài ra, Hiệp hội quốc gia về an toàn, nguy hiểm và đánh giá thiên tai của Hoa Kỳ (NCSHD) còn nhận định các dữ liệu viễn thám có độ phân giải không gian siêu cao này (Quickbird, Ikonos) còn cung cấp những thông tin quan trọng trong việc quản lý và bảo vệ cơ sở hạ tầng đƣờng bộ [109]. Tuy nhiên, trong quá trình quản lý, đòi hỏi công nghệ viễn thám cần phải cung cấp hình ảnh tức thời, chủ động về mặt thời gian, ít tốn kém hơn và có độ phân giải không gian cao hơn, Jensen (2000) đã chỉ ra rằng có thể quản lý hiệu quả mạng lƣới giao thông đƣờng bộ bằng hình ảnh đƣợc cung cấp từ UAV trong khoảng thời gian 10 phút và độ phân giải không gian lên tới 6 inch. Với công nghệ mới này, dữ liệu hình ảnh chụp đƣợc không chỉ cung cấp các thông tin của đƣờng bộ (độ rộng, chất liệu mặt đƣờng, số làn đƣờng, ), cơ sở hạ tầng đƣờng bộ (cầu, cống, ) mà còn có thể cung cấp và đo lƣờng chính xác mật độ, lƣu lƣợng các phƣơng tiện trên đƣờng, điều này giúp nâng cao hiệu quả quản lý mạng lƣới giao thông đƣờng bộ từ xa [70]. Để đánh giá mức độ tổn thƣơng của đƣờng bộ do dòng xe, các dữ liệu hình ảnh thời gian thực từ các máy bay không ngƣời lái UAVs cũng có thể đƣợc sử dụng để giám sát mức độ tắc nghẽn trên đƣờng bộ. Công nghệ này có rất nhiều ƣu điểm vƣợt trội so với các dữ liệu hình ảnh vệ tinh quang học, đó là: cung cấp dữ liệu hình ảnh có độ phân giải không gian cao, tức thời, nhanh chóng, chủ động đƣợc về mặt thời gian. Tuy nhiên, công nghệ bay chụp ảnh từ UAV chỉ hiệu quả trong phạm vi quy mô nhỏ, còn khi tuyến đƣờng bộ trải dài trên một khu vực rộng lớn thì công nghệ này lại không hiệu quả do phải xử lý một khối lƣợng lớn dữ liệu, chi phí đầu tƣ tốn kém hơn, Khắc phục nhƣợc điểm này, nhiều nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh quang học có độ phân giải không gian cao, siêu cao (Spot, Ikonos, Quickbird, ) để chiết tách các thông tin của đƣờng bộ, cơ sở hạ tầng đƣờng bộ, thảm thực vật, nhà cửa, nhằm phục vụ cho các công tác quản lý cũng nhƣ đánh giá hiện trạng tổn thƣơng của đƣờng bộ [118]. 9