Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao độ chính xác trong xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất cho khu vực miền núi tỉnh Quảng Ngãi

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:168

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu nâng cao độ chính xác trong xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất cho khu vực miền núi tỉnh Quảng Ngãi" trình bày các nội dung chính sau: Cơ sở lý thuyết các phương pháp sử dụng xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất; Nghiên cứu xác định mô hình dự đoán nguy cơ sạt lở đất phù hợp cho khu vực vùng núi tỉnh Quảng Ngãi; Phân vùng nguy cơ sạt lở đất theo tần suất mưa cho khu vực vùng núi tỉnh Quảng Ngãi.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao độ chính xác trong xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất cho khu vực miền núi tỉnh Quảng Ngãi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐOÀN VIẾT LONG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG XÂY DỰNG BẢN ĐỒ PHÂN VÙNG NGUY CƠ SẠT LỞ ĐẤT CHO KHU VỰC MIỀN NÚI TỈNH QUẢNG NGÃI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG – 2024 i
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐOÀN VIẾT LONG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG XÂY DỰNG BẢN ĐỒ PHÂN VÙNG NGUY CƠ SẠT LỞ ĐẤT CHO KHU VỰC MIỀN NÚI TỈNH QUẢNG NGÃI Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 9580202 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Nguyễn Chí Công 2. TS. Nguyễn Tiến Cường ĐÀ NẴNG – 2024 ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận án tiến sĩ “Nghiên cứu nâng cao độ chính xác trong xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất cho khu vực miền núi tỉnh Quảng Ngãi” là kết quả của quá trình học tập, nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu được sử dụng trong luận án hoàn toàn được thu thập từ thực tế, chính xác, đáng tin cậy, có nguồn gốc rõ ràng, được xử lý trung thực và khách quan. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận án đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc và trích dẫn đầy đủ. Nghiên cứu sinh thực hiện Luận án (Ký và ghi rõ họ tên) NCS. Đoàn Viết Long iii
TÓM TẮT Sạt lở đất là một trong những loại hình thiên tai nguy hiểm xuất hiện nhiều nơi trên thế giới. Hiện tượng này tuy xảy ra trên phạm vi hẹp và thời gian ngắn nhưng đã gây ra tổn thất về người và thiệt hại lớn về kinh tế. Trong công tác phòng chống loại hình thiên tai đặc biệt nguy hiểm này, bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất là một tài liệu hết sức quan trọng. Bản đồ này cung cấp thông tin cần thiết về “vị trí” các khu vực có khả năng xuất hiện sạt lở đất. Đến nay, rất nhiều nghiên cứu được thực hiện liên quan đến mô hình dự đoán nguy cơ sạt lở đất. Tuy nhiên, các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng không có một mô hình hay một cách tiếp cận nào là phù hợp với tất cả các khu vực do đặc điểm về sạt lở đất và dữ liệu ở mỗi vùng miền là khác nhau. Đối với các vùng thiếu dữ liệu, việc xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất gặp nhiều khó khăn khi sử dụng cách tiếp cận dựa trên dữ liệu thống kê. Với mục đích nâng cao độ chính xác trong xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất cho vùng thiếu dữ liệu thực đo, luận án đã thực hiện các nghiên cứu cần thiết nhằm bổ sung và làm giàu dữ liệu, lựa chọn mô hình dự đoán phù hợp. Vùng núi tỉnh Quảng Ngãi thường xuyên xảy ra sạt lở đất nhưng hạn chế về dữ liệu đo đạc là khu vực được lựa chọn áp dụng trong nghiên cứu này. Đối với dữ liệu đầu vào cho mô hình dự đoán, luận án đã sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám để khôi phục dữ liệu hiện trạng sạt lở đất (cả về không gian và thời gian), tạo ra bộ dữ liệu hiện trạng sạt lở đất theo chuỗi thời gian. Ngoài ra, kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám còn được ứng dụng để tạo ra dữ liệu chỉ số thực vật (NDVI), là yếu tố có ảnh hưởng đến sạt lở đất. Đối với dữ liệu mưa, luận án đã thực hiện phân tích dữ liệu các vụ sạt lở có ghi nhận thời gian xảy ra trong giai đoạn từ 2007 đến 2020 để xác định loại mưa gây sạt lở đất. Kết quả phân tích chỉ ra rằng dữ liệu mưa tích lũy lớn nhất trong các thời đoạn 1 ngày, 3 ngày, 5 ngày và 7 ngày có liên quan chặt chẽ đến các vụ sạt lở đất đã xảy ra và được đề xuất sử dụng trong nghiên cứu này. Với các yếu tố ảnh hưởng có đặc tính thay đổi theo thời gian (lượng mưa tích lũy lớn nhất và NDVI), nghiên cứu này đưa ra cách tiếp cận xây dựng theo chuỗi dữ liệu theo thời gian nhằm đánh giá đúng ảnh hưởng của chúng đến sự xuất hiện các i
điểm sạt lở đất theo thời gian tương ứng. Ngoài các yếu tố trên, các yếu tố liên quan đến địa hình, địa chất, mạng lưới sông suối, mạng lưới đường giao thông cũng được thu thập để tạo thành một bộ dữ liệu hoàn chỉnh cho mô hình dự đoán. Đối với mô hình dự đoán, nghiên cứu này sử dụng nhiều mô hình học máy khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp để xây dựng mô hình dự đoán nguy cơ sạt lở đất theo các kịch bản dữ liệu về lượng mưa. Các mô hình được sử dụng gồm có: Hồi quy Logistic (LR), Máy vector hỗ trợ (SVM), Cây quyết định (DT), Rừng ngẫu nhiên (RF), Tăng cường độ dốc cấp cao (XGBoost). Đối với mỗi mô hình, kỹ thuật tinh chỉnh (fine-tuning) được sử dụng để tìm ra bộ thông số tốt nhất. Kết quả dự đoán của các mô hình được đánh giá thông qua các chỉ số thống kê và phương pháp ROC. Theo đó, mô hình XGBoost cho thấy hiệu quả dự đoán cao nhất và được đề xuất sử dụng cho khu vực nghiên cứu vùng núi tỉnh Quảng Ngãi. Bên cạnh đó, tất cả các trường hợp sử dụng dữ liệu mưa theo cách tiếp cận của nghiên cứu này đều cho kết quả dự đoán “rất tốt” với mô hình XGBoost. Trong khi đó, mô hình XGBoost khi sử dụng dữ liệu mưa trung bình nhiều năm như cách tiếp cận của phần lớn các nghiên cứu trước đây lại cho kết quả dự đoán thấp hơn. Điều này cho thấy rằng, các nghiên cứu về bổ sung, chọn lọc dữ liệu và áp dụng phương pháp học máy hiện đại đã nâng cao độ chính xác trong dự đoán nguy cơ sạt lở đất cho khu vực vùng núi tỉnh Quảng Ngãi. Mô hình dự đoán được lựa chọn là cơ sở để xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất. Ở giai đoạn xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất, nghiên cứu này xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất theo tần suất mưa dựa vào mô hình đã xây dựng và dữ liệu lượng mưa bình quân lớn nhất, áp dụng cho khu vực vùng núi tỉnh Quảng Ngãi. Phương pháp phân tích tần suất mưa vùng (RFA), một phương pháp phân tích mưa hiện đại được áp dụng để tạo ra dữ liệu mưa bình quân lớn nhất theo các thời đoạn 1 ngày, 3 ngày, 5 ngày, 7 ngày tương ứng với các tần suất mưa từ 50% đến 2%. Kết quả phân tích biểu đồ chỉ số nguy cơ theo các kịch bản dữ liệu mưa cho thấy sự ảnh hưởng rõ rệt của tần suất mưa đến phân bố chỉ số nguy cơ sạt lở đất. Theo đó, tần suất mưa càng giảm (từ 50% đến 10%) thì số lượng điểm ảnh (pixel) bản đồ ii
có chỉ số nguy cơ cao càng tăng. Tổng cộng có 12 bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất (tương ứng với các thời đoạn mưa 1 ngày, 3 ngày, 5 này, 7 ngày lớn nhất và tần suất mưa 50%, 20%, 10%) được xây dựng dựa trên kết quả tính toán chỉ số nguy cơ và được phân loại thành 5 cấp từ “rất cao” đến “rất thấp”. Kết quả phân tích biến động về diện tích vùng nguy cơ, mật độ sạt lở đất và kiểm chứng một số vụ sạt lở đất xảy ra trong năm 2021 và 2022 đã cho thấy các bản đồ này có khả năng áp dụng vào thực tiễn. Các bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất theo tần suất mưa được thực hiện ở nghiên cứu này là tài liệu hữu ích phục vụ cho công tác phòng chống thiên tai, quy hoạch và thiết kế công trình thủy. Ngoài ra, những hướng tiếp cận mới được sử dụng từ nghiên cứu này có đủ cơ sở phương pháp luận để áp dụng được cho nhiều khu vực thiếu dữ liệu đo khác. iii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................. i DANH MỤC HÌNH VẼ .....................................................................................................iv DANH MỤC BẢNG BIỂU................................................................................................ix MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 1. Giới thiệu chung ...............................................................................................1 2. Vấn đề nghiên cứu............................................................................................3 3. Mục tiêu nghiên cứu .........................................................................................4 3.1. Mục tiêu tổng quát ...................................................................................4 3.2. Mục tiêu cụ thể ........................................................................................4 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................4 4.1. Đối tượng nghiên cứu ..............................................................................4 4.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................4 5. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................5 6. Cách tiếp cận và nội dung nghiên cứu .............................................................5 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ......................................................6 7.1. Ý nghĩa khoa học .....................................................................................6 7.2. Ý nghĩa thực tiễn ......................................................................................6 8. Cấu trúc của luận án .........................................................................................6 Chương 1 TỔNG QUAN.................................................................................................... 7 1.1. Tổng quan về sạt lở đất ..................................................................................7 1.1.1. Khái niệm về sạt lở đất ............................................................................7 1.1.2. Các dạng sạt lở đất ..................................................................................7 1.1.3. Nguyên nhân và các yếu tố ảnh hưởng đến sạt lở đất...........................12 1.1.4. Thiệt hại do sạt lở đất ............................................................................17 1.2. Mức độ đánh giá sạt lở đất và bản đồ sạt lở đất ...........................................18 1.2.1. Mức độ đánh giá sạt lở đất....................................................................18 1.2.2. Các loại bản đồ sạt lở đất .....................................................................19 1.3. Các phương pháp xây dựng mô hình dự đoán nguy cơ sạt lở đất................21 1.3.1. Phương pháp định tính ..........................................................................21 i
1.3.2. Phương pháp bán định lượng ................................................................21 1.3.3. Phương pháp định lượng .......................................................................22 1.4. Kết luận ........................................................................................................25 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG XÂY DỰNG BẢN ĐỒ PHÂN VÙNG NGUY CƠ SẠT LỞ ĐẤT ......................................................27 2.1. Quy trình xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất bằng phương pháp học máy ........................................................................................................27 2.2. Phương pháp khôi phục hiện trạng sạt lở đất bằng kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám 28 2.2.1. Cơ sở dữ liệu ảnh vệ tinh .......................................................................29 2.2.2. Kỹ thuật phân tích .................................................................................32 2.3. Phương pháp xây dựng chuỗi dữ liệu mưa và NDVI dùng trong dự đoán nguy cơ sạt lở đất ...................................................................................................35 2.4. Phương pháp phân tích tần suất mưa vùng ....................................................36 2.4.1. Phân chia vùng đồng nhất .....................................................................38 2.4.2. Phân tích tần suất mưa vùng .................................................................39 2.5. Phương pháp phân tích và chọn lọc dữ liệu yếu tố ảnh hưởng .......................40 2.5.1. Phân tích đa cộng tuyến ........................................................................41 2.5.2. Đánh giá tầm quan trọng của các yếu tố ảnh hưởng ............................41 2.6. Lý thuyết các mô hình dự đoán nguy cơ sạt lở đất .........................................43 2.6.1. Mô hình hồi quy Logistic (LR) ..............................................................44 2.6.2. Mô hình máy vector hỗ trợ (SVM) .........................................................46 2.6.3. Mô hình cây quyết định (DT) ................................................................48 2.6.4. Mô hình rừng ngẫu nhiên (RF) .............................................................50 2.6.5. Mô hình tăng cường độ dốc cấp cao (XGBoost) ...................................51 2.7. Phương pháp đánh giá và so sánh mô hình dự đoán nguy cơ sạt lở đất ..........53 2.7.1. Phương pháp dựa trên chỉ số thống kê .................................................53 2.7.2. Phương pháp ROC ................................................................................54 2.8. Phương pháp xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất theo tần suất mưa ...............................................................................................................55 2.9. Kết luận.........................................................................................................56 ii
Chương 3 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN NGUY CƠ SẠT LỞ ĐẤT PHÙ HỢP CHO KHU VỰC VÙNG NÚI TỈNH QUẢNG NGÃI .......................57 3.1. Giới thiệu về khu vực nghiên cứu ................................................................57 3.2. Trình tự xây dựng mô hình dự đoán nguy cơ sạt lở đất phù hợp cho khu vực nghiên cứu .....................................................................................................60 3.3. Xây dựng và phân tích cơ sở dữ liệu dùng trong dự đoán nguy cơ sạt lở đất . ...............................................................................................................61 3.3.1. Dữ liệu hiện trạng sạt lở đất .................................................................61 3.3.2. Dữ liệu mưa kích thích sạt lở đất .............................................................68 3.3.3. Dữ liệu NDVI .........................................................................................73 3.3.4. Dữ liệu các yếu tố ảnh hưởng khác .......................................................74 3.3.5. Phân tích tần suất các yếu tố ảnh hưởng ..............................................75 3.3.6. Phân tích và chọn lọc dữ liệu yếu tố ảnh hưởng ...................................84 3.4. Kết quả mô hình dự đoán nguy cơ sạt lở đất ...............................................86 3.4.1. Mô hình hồi quy Logistic (LR) ..............................................................87 3.4.2. Mô hình máy vector hỗ trợ (SVM) .........................................................89 3.4.3. Mô hình cây quyết định (DT) ................................................................91 3.4.4. Mô hình rừng ngẫu nhiên (RF) .............................................................94 3.4.5. Mô hình tăng cường độ dốc cấp cao (XGBoost) ...................................96 3.5. Đánh giá sự cải thiện về độ chính xác của mô hình dự đoán nguy cơ sạt lở đất ...............................................................................................................98 3.6. Kết luận ......................................................................................................103 Chương 4 PHÂN VÙNG NGUY CƠ SẠT LỞ ĐẤT THEO TẦN SUẤT MƯA CHO KHU VỰC VÙNG NÚI TỈNH QUẢNG NGÃI ...........................................................105 4.1. Thiết lập cơ sở dữ liệu mưa để xây dựng bản đồ .......................................105 4.1.1. Cơ sở dữ liệu vùng khu vực nghiên cứu ..............................................105 4.1.2. Kết quả phân chia vùng đồng nhất ......................................................106 4.1.3. Kết quả phân tích tần suất mưa vùng ..................................................107 4.1.4. Kết quả bản đồ mưa bình quân lớn nhất .............................................109 4.2. Xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất theo kịch bản tần suất mưa... .............................................................................................................109 iii
4.2.1. Lập bản đồ chỉ số nguy cơ sạt lở đất ...................................................109 4.2.2. Lập bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất theo kịch bản tần suất mưa ... 112 4.3. Đánh giá hiệu quả của bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất theo kịch bản tần suất mưa đã xây dựng ................................................................................ 114 4.3.1. Đánh giá sự biến động vùng nguy cơ sạt lở đất .................................. 114 4.3.2. Đánh giá chỉ số mật độ sạt lở đất (LD) ............................................... 117 4.3.3. Kiểm chứng bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất .............................. 119 4.4. Ứng dụng của bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất ..................................123 4.4.1. Ứng dụng trong phòng chống thiên tai, quy hoạch và sử dụng đất ....123 4.4.2. Ứng dụng trong quy hoạch, thiết kế và quản lý công trình thủy .........126 4.5. Kết luận ......................................................................................................130 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................................................131 1. Những kết quả đạt được của luận án ............................................................131 2. Những hạn chế của luận án ..........................................................................132 3. Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo .........................................................132 3.1. Xây dựng ngưỡng mưa gây sạt lở đất cho vùng nghiên cứu ...............132 3.2. Đề xuất giải pháp phòng chống sạt lở đất cho các khu vực có nguy cơ sạt lở rất cao ........................................................................................132 Tài liệu tham khảo ............................................................................................................134 iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1-NLN 1 ngày lớn nhất 3-NLN 3 ngày lớn nhất 5-NLN 5 ngày lớn nhất 7-NLN 7 ngày lớn nhất ACC Độ chính xác (Accuracy) AHP Phương pháp phân tích thứ bậc (Analytic Hierarchy Process) AI Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence) ANN Mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Networks) AUC Diện tích dưới đường cong ROC (Area Under the ROC Curve) CDMRF Phát hiện sự thay đổi dựa trên Markov Random Field (Change Detection-based Markov Random Field) CNN Mạng nơ-ron tích chập (Convolutional Neural Network) CV Xác thực chéo (Cross Validation) CVA Phân tích vector thay đổi (Change Vector Analysis) DA Phân tích biệt số (Discriminant Analysis) DEM Mô hình cao độ số (Digital Elevation Model) DT Cây quyết định (Decision Tree) FR Tỷ lệ tần suất (Frequency Ratio) FS Lựa chọn đặc trưng (Feature Selection) GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information Systems) HCN Hồ chứa nước ICA Phân tích thành phần độc lập (Independent Component Analysis) IoE Chỉ số Entropy (Index of Entropy) IDW Nội suy khoảng cách ngược (Inverse Distance Weighting) k Chỉ số kappa LD Mật độ sạt lở đất (Lanslide Density) EVI Chỉ số thực vật tăng cường (Enhanced Vegetation Index) i
LR Hồi quy logistic (Logistic Regression) LSI Chỉ số nguy cơ sạt lở đất (Landslide Susceptibility Index) LSI_mean Chỉ số nguy cơ sạt lở đất trung bình MCMC Chuỗi Markov Monte Carlo (Markov chain Monte Carlo) MLP Neural Nets Mạng nơ-ron đa tầng (Multilayer Perceptron Neural Networks) MZSA Giá trị Z lớn nhất trong số các thuộc tính bóng (Maximum Z Score among shadow Attributes) NASADEM Mô hình cao độ số NASA (NASA Digital Elevation Model) NB Thuật toán Naïve Bayes NDVI Chỉ số thực vật (Normalized Difference Vegetation Index) NPV Giá trị tiên lượng âm (Negative Predictive Value) OLI Bộ thu nhận ảnh mặt đất (Operational Land Imager) PCA Phân tích thành phần chính (Principal Component Analysis) PLS Bình phương nhỏ nhất từng phần (Partial Least Squares) PPV Giá trị tiên lượng dương (Positive predictive value ) RF Rừng ngẫu nhiên (Random Forest) RFA Phân tích tần suất vùng (Regional Frequency Analysis) RNN Mạng nơ-ron hồi quy (Recurrent Neural Network) ROC Đường cong đặc trưng hoạt động của bộ thu nhận (Receiver Operating Characteristic Curve) SAR Radar khẩu độ tổng hợp (Synthetic Aperture Radar) SGD Phương pháp giảm dần độ dốc ngẫu nhiên (Stochastic Gradient Descent) SI Chỉ số thống kê (Statistical Index) SPF Độ đặc hiệu (Specificity) SST Độ nhạy (Sensitivity) SVM Máy vector hỗ trợ (Support Vector Machine) TBNN Trung bình nhiều năm ii
TH1 Trường hợp sử dụng dữ liệu mưa 1-NLN TH2 Trường hợp sử dụng dữ liệu mưa 3-NLN TH3 Trường hợp sử dụng dữ liệu mưa 5-NLN TH4 Trường hợp sử dụng dữ liệu mưa 7-NLN TOA Giá trị phản xạ trên đỉnh khí quyển (Top-Of-Atmosphere) TIRS Cảm biến hồng ngoại nhiệt (Thermal Infrared Sensor) TWI Chỉ số độ ẩm địa hình (Topographic wetness index) VIF Yếu tố lạm phát phương sai (Variance Inflation Factor) WoE Bằng chứng có trọng số (Weights-of-Evidence) XGBoost Tăng cường độ dốc cấp cao (Extreme Gradient Boosting) iii
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo của một dạng sạt lở đất cơ bản........................................................7 Hình 1.2 Các dạng sạt lở đất phổ biến ...................................................................... 11 Hình 1.3 Biểu đồ thiệt hại về người do lũ quét, sạt lở đất gây ra (từ năm 2010-2020) ...................................................................................................................................18 Hình 2.1 Sơ đồ minh họa quy trình xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất 27 Hình 2.2 Các bước thực hiện phân tích NDVI ..........................................................33 Hình 2.3 Sơ đồ phương pháp kết hợp hai nguồn ảnh Sentinel 2 và Google Earth để xác định vị trí và thời gian sạt lở đất. ........................................................................35 Hình 2.4 Sơ đồ phương pháp xây dựng chuỗi dữ liệu mưa tích lũy lớn nhất ...........36 Hình 2.5 Sơ đồ phương pháp xây dựng chuỗi dữ liệu NDVI ...................................36 Hình 2.6 Sơ đồ phương pháp nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu mưa bằng kỹ thuật phân tích tần suất mưa vùng ......................................................................................38 Hình 2.7 Sơ đồ minh họa phương pháp LR ..............................................................44 Hình 2.8 Đồ thị của hàm sigmoid và đạo hàm của nó ..............................................46 Hình 2.9 Minh họa mô hình phân loại SVM.............................................................47 Hình 2.10 Sơ đồ cây quyết định ................................................................................49 Hình 2.11 Sơ đồ xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất theo tần suất mưa 55 Hình 3.1 Khu vực nghiên cứu 5 huyện miền núi tỉnh Quảng Ngãi ..........................58 Hình 3.2 Phân bố các điểm sạt lở đất thu thập từ dự án............................................62 Hình 3.3 Ảnh Google Earth chụp ngày: (a) 14/08/2017, (b) 28/03/2019 và (c) phân tích sự thay đổi ảnh sentinel 2 chụp trước sạt lở đất (ngày 05/09/2017) và sau sạt lở đất (ngày 03/04/2018) ...............................................................................................64 Hình 3.4 Ảnh Google Earth giúp nhận dạng vết sạt lở ở khu vực không có thảm phủ ...................................................................................................................................64 Hình 3.5 Ảnh giải đoán từ Google Earth (a) và ảnh chụp thực tế (b) vụ sạt lở đất xảy ra ngày 01/12/2020 tại thôn Mang Hin, xã Sơn Long, huyện Sơn Tây ....................65 Hình 3.6 Ảnh giải đoán từ Google Earth (a) và ảnh chụp thực tế (b) vụ sạt lở đất xảy ra ngày 11/11/2020 tại thôn Ra Pân, xã Sơn Long, huyện Sơn Tây ........................65 iv
Hình 3.7 Ảnh giải đoán từ Google Earth (a) và ảnh chụp thực tế (b) vụ sạt lở đất xảy ra ngày 04/11/2020 tại thôn Cưa, xã Trà Hiệp, huyện Trà Bồng .............................65 Hình 3.8 Bản đồ phân bố điểm sạt lở đất từ năm 2016 đến 2020 .............................66 Hình 3.9 Bản đồ phân bố điểm sạt lở và không sạt lở đất ........................................67 Hình 3.10 Vị trí các trạm đo mưa và vị trí các điểm sạt lở đất có ghi nhận thời gian ...................................................................................................................................69 Hình 3.11 Thống kê 34 sự kiện sạt lở đất từ năm 2007 đến 2020 theo năm xảy ra ..71 Hình 3.12 Phân bố 34 sự kiện sạt lở đất ở 5 huyện miền núi tỉnh Quảng Ngãi ........71 Hình 3.13 Thống kê 34 sự kiện sạt lở đất liên quan đến lượng mưa tích lũy lớn nhất trong năm ( từ 2016 đến 2020) ở các thời đoạn 1 ngày, 3 ngày, 5 ngày và 7 ngày...72 Hình 3.14 Mối quan hệ giữa lượng mưa tích lũy lớn nhất (biểu đồ cột màu xanh) và số điểm sạt lở (biểu đồ đường màu đỏ) được ghi nhận trong các trường hợp mưa ..73 Hình 3.15 (a) Bản đồ phân lớp độ dốc, (b) Biểu đồ phân tích tần suất của độ dốc. .79 Hình 3.16 (a) Bản đồ phân lớp hướng phơi sườn, (b) Biểu đồ phân tích tần suất của yếu tố hướng phơi sườn.............................................................................................79 Hình 3.17 (a) Bản đồ phân lớp độ cao địa hình, (b) Biểu đồ phân tích tần suất của yếu tố độ cao địa hình. .....................................................................................................80 Hình 3.18 (a) Bản đồ phân lớp TWI, (b) Biểu đồ phân tích tần suất của yếu tố TWI ...................................................................................................................................81 Hình 3.19 (a) Bản đồ phân lớp độ cong địa hình, (b) Biểu đồ phân tích tần suất của yếu tố độ cong địa hình .............................................................................................81 Hình 3.20 (a) Bản đồ phân lớp loại đất, (b) Biểu đồ phân tích tần suất của yếu tố loại đất ..............................................................................................................................82 Hình 3.21 (a) Bản đồ phân lớp khoảng cách đến đường, (b) Biểu đồ phân tích tần suất của yếu tố khoảng cách đến đường ...........................................................................83 Hình 3.22 (a) Bản đồ phân lớp khoảng cách đến sông suối, (b) Biểu đồ phân tích tần suất của yếu tố khoảng cách đến sông suối ...............................................................83 Hình 3.23 Mức độ quan trọng của các yếu tố ảnh hưởng sử dụng phương pháp Boruta trong các trường hợp mưa: (a) 1-NLN, (b) 3-NLN, (c) 5-NLN, (d) 7-NLN ............86 v
Hình 3.24 Khả năng dự đoán của mô hình LR sử dụng phương pháp ROC ............89 Hình 3.25 Khả năng dự đoán của mô hình SVM sử dụng phương pháp ROC .........91 Hình 3.26 Quan hệ giữa tham số cp và chỉ số ACC trong 4 trường hợp tính toán ...92 Hình 3.27 Sơ đồ minh họa cây phân loại của mô hình DT ở TH1 ...........................93 Hình 3.28 Khả năng dự đoán của mô hình DT sử dụng phương pháp ROC ............94 Hình 3.29 Khả năng dự đoán của mô hình RF sử dụng phương pháp ROC ............96 Hình 3.30 Khả năng dự đoán của mô hình XGBoost sử dụng phương pháp ROC ..98 Hình 3.31 Tầm quan trọng của các yếu tố ảnh hưởng đến sạt lở đất trong trường hợp sử dụng dữ liệu mưa TBNN ....................................................................................101 Hình 3.32 Biểu đồ ROC của mô hình XGBoost cho các trường hợp sử dụng dữ liệu chuỗi dữ liệu mưa tích lũy lớn nhất và trường hợp sử dụng dữ liệu mưa TBNN ...102 Hình 4.1 Biểu đồ GOODNESS-OF-FIT với dữ liệu mưa 1-NLN ..........................107 Hình 4.2 Biểu đồ GOODNESS-OF-FIT với dữ liệu mưa 3-NLN ..........................108 Hình 4.3 Biểu đồ GOODNESS-OF-FIT với dữ liệu mưa 5-NLN ..........................108 Hình 4.4 Biểu đồ GOODNESS-OF-FIT với dữ liệu mưa 7-NLN ..........................108 Hình 4.5 Biểu đồ phân bố chỉ số nguy cơ ở trường hợp sử dụng dữ liệu mưa 1-NLN ................................................................................................................................. 110 Hình 4.6 Biểu đồ phân bố chỉ số nguy cơ ở trường hợp sử dụng dữ liệu mưa 3-NLN ................................................................................................................................. 111 Hình 4.7 Biểu đồ phân bố chỉ số nguy cơ ở trường hợp sử dụng dữ liệu mưa 5-NLN ................................................................................................................................. 111 Hình 4.8 Biểu đồ phân bố chỉ số nguy cơ ở trường hợp sử dụng dữ liệu mưa 7-NLN ................................................................................................................................. 112 Hình 4.9 Biến động vùng nguy cơ sạt lở đất trong trường hợp mưa 1-NLN ứng với các tần suất 50%, 20%, 10% ................................................................................... 116 Hình 4.10 Biến động vùng nguy cơ sạt lở đất trong trường hợp mưa 3-NLN ứng với các tần suất 50%, 20%, 10% ................................................................................... 116 Hình 4.11 Biến động vùng nguy cơ sạt lở đất trong trường hợp mưa 5-NLN ứng với các tần suất 50%, 20%, 10% ................................................................................... 116 vi
Hình 4.12 Biến động vùng nguy cơ sạt lở đất trong trường hợp mưa 7-NLN ứng với các tần suất 50%, 20%, 10% ................................................................................... 117 Hình 4.13 Mật độ sạt lở đất trong trường hợp sử dụng dữ liệu mưa 1-NLN .......... 118 Hình 4.14 Mật độ sạt lở đất trong trường hợp sử dụng dữ liệu mưa 3-NLN .......... 118 Hình 4.15 Mật độ sạt lở đất trong trường hợp sử dụng dữ liệu mưa 5-NLN .......... 118 Hình 4.16 Mật độ sạt lở đất trong trường hợp sử dụng dữ liệu mưa 7-NLN .......... 118 Hình 4.17 Vị trí các vụ sạt lở đất điển hình xảy ra trong các năm 2021 và 2022 ... 119 Hình 4.18 (a) Sạt lở ta luy dương tại tuyến đường từ đèo Eo Chim vào trung tâm xã Trà Nham, huyện Trà Bồng ngày 25/10/2021, ........................................................120 Hình 4.19 (a) Sạt lở ta luy âm tại tuyến đường từ đèo Eo Chim vào trung tâm xã Trà Nham, huyện Trà Bồng ngày 25/10/2021, (b) Ảnh khảo sát thực tế năm 2023 .....120 Hình 4.20 (a) Sạt lở đất tại nhà máy thủy điện Tà Kinh 1 ngày 10/10/2022) và (b) Ảnh khảo sát thực tế năm 2023 ...............................................................................120 Hình 4.21 Biểu đồ lượng mưa gây ra điểm sạt lở đất số 1 và số 2 .........................121 Hình 4.22 Biểu đồ lượng mưa gây ra điểm sạt lở đất số 3 ......................................121 Hình 4.23 Vị trí 2 điểm sạt lở xảy ra vào ngày 25/10/2021 trên nền bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất theo lượng mưa 3-NLN, tần suất 10% .......................................122 Hình 4.24 Vị trí điểm sạt lở số 3 xảy ra vào ngày 10/10/2022 trên nền bản đồ phân vùng nguy cơ sạt lở đất theo lượng mưa 1-NLN, tần suất 10% ..............................122 Hình 4.25 Hiện trạng sạt lở đất tại khu vực các cơ quan hành chính huyện Sơn Tây .................................................................................................................................124 Hình 4.26 Phân vùng nguy cơ sạt lở đất tại các cơ quan hành chính huyện Sơn Tây trong các trường hợp mưa với tần suất 50% tương ứng các thời đoạn: (a) 1-NLN, (b) 3-NLN, (c) 5-NLN, (d) 7-NLN ...............................................................................124 Hình 4.27 Khu dân cư dọc đường DT 626 đoạn qua thị trấn Di Lăng, huyện Sơn Hà .................................................................................................................................125 Hình 4.28 Phân vùng nguy cơ sạt lở đất tại khu dân cư dọc đường DT626 đoạn qua thị trấn Di Lăng, huyện Sơn Hà trong các trường hợp mưa tần suất 50% tương ứng các thời đoạn: (a) 1-NLN, (b) 3-NLN, (c) 5-NLN, (d) 7-NLN ...............................125 vii
Hình 4.29 Sạt lở đất xảy ra tại đường DT626 đoạn qua thị trấn Di Lăng, huyện Sơn Hà vào cuối năm 2023.............................................................................................125 Hình 4.30 Khảo sát thực tế tại công trình đập thủy điện Hà Nang .........................128 Hình 4.31 Khảo sát thực tế tại công trình nhà máy thủy điện Tà Kinh 1 ...............129 Hình 4.32 Khảo sát thực tế tại công trình đập thủy điện Tà Kinh ..........................129 Hình 4.33 Khảo sát thực tế tại công trình nhà máy Thủy điện Sơn Tây .................129 viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các dạng sạt lở đất ......................................................................................8 Bảng 2.1 Thông tin một số vệ tinh của Google Earth ...............................................29 Bảng 2.2 Thông tin về các kênh phổ của Landsat 8 .................................................30 Bảng 2.3 Thông tin về các kênh phổ của Sentinel-2A/B ..........................................31 Bảng 2.4 Một số hàm Kernel thông dụng .................................................................48 Bảng 2.5 Bộ thông số chính của mô hình DT ...........................................................49 Bảng 2.6 Bộ thông số chính của mô hình RF ...........................................................50 Bảng 2.7 Bộ thông số chính của mô hình XGBoost .................................................52 Bảng 2.8 Kết quả dự đoán của mô hình và mẫu quan sát .........................................53 Bảng 2.9 Các chỉ số thống kê dùng để đánh giá hiệu quả của mô hình dự đoán ......54 Bảng 3.1 Khoảng thời gian thu thập ảnh vệ tinh Sentinel 2 phục vụ nghiên cứu .....63 Bảng 3.2 Kết quả khôi phục và phân loại các điểm sạt lở đất từ 2016-2020............66 Bảng 3.3 Lượng mưa tích lũy gây ra các vụ sạt lở đất ở các thời đoạn 1 ngày, .......70 Bảng 3.4 Đánh giá tương quan giữa lượng mưa và số lượng điểm sạt lở đất...........73 Bảng 3.5 Thông tin chi tiết của các yếu tố ảnh hưởng đến sạt lở đất. ......................74 Bảng 3.6 Phân lớp các yếu tố ảnh hưởng đến sạt lở đất ...........................................78 Bảng 3.7 Chỉ số lạm phát phương sai (VIF) của các yếu tố ảnh hưởng ...................84 Bảng 3.8 Bộ thông số tốt nhất của của mô hình LR trong các trường hợp tính toán ...................................................................................................................................87 Bảng 3.9 Kết quả khả năng dự đoán của mô hình LR trong 4 trường hợp tính toán 89 Bảng 3.10 Bộ thông số tốt nhất của mô hình SVM với hàm RBF kernel.................90 Bảng 3.11 Kết quả khả năng dự đoán của mô hình SVM trong 4 trường hợp tính toán ...................................................................................................................................91 Bảng 3.12 Bộ thông số tốt nhất của mô hình DT trong các trường hợp tính toán ....92 Bảng 3.13 Kết quả khả năng dự đoán của mô hình DT trong 4 trường hợp tính toán ...................................................................................................................................93 Bảng 3.14 Bộ thông số tốt nhất của của mô hình RF trong các trường hợp tính toán ...................................................................................................................................95 ix
Bảng 3.15 Kết quả khả năng dự đoán của mô hình RF trong 4 trường hợp tính toán ...................................................................................................................................95 Bảng 3.16 Bộ thông số tốt nhất của mô hình XGBoost trong các trường hợp tính toán ...................................................................................................................................97 Bảng 3.17 Kết quả khả năng dự đoán của mô hình XGBoost trong 4 trường hợp tính toán ............................................................................................................................98 Bảng 3.18 Kết quả dự đoán của các mô hình cho TH1.............................................99 Bảng 3.19 Kết quả dự đoán của các mô hình cho TH2...........................................100 Bảng 3.20 Kết quả dự đoán của các mô hình cho TH3...........................................100 Bảng 3.21 Kết quả dự đoán của các mô hình cho TH4...........................................100 Bảng 3.22 Kết quả khả năng dự đoán của mô hình XGBoost với dữ liệu mưa TBNN .................................................................................................................................102 Bảng 4.1 Thông tin về 18 trạm đo mưa tại khu vực nghiên cứu ............................105 Bảng 4.2 Chỉ số (Hn) kiểm tra tính đồng nhất của 4 mẫu dữ liệu (K=1) ...............106 Bảng 4.3 Lựa chọn hàm phân phối phù hợp với các dữ liệu mưa ..........................107 Bảng 4.4 Phân loại chỉ số nguy cơ theo 5 mức độ cho trường hợp mưa 1-NLN.... 112 Bảng 4.5 Phân loại chỉ số nguy cơ theo 5 mức độ cho trường hợp mưa 3-NLN.... 113 Bảng 4.6 Phân loại chỉ số nguy cơ theo 5 mức độ cho trường hợp mưa 5-NLN.... 113 Bảng 4.7 Phân loại chỉ số nguy cơ theo 5 mức độ cho trường hợp mưa 7-NLN.... 113 Bảng 4.8 Thông tin các vụ sạt lở đất điển hình xảy ra trong các năm 2021 và 2022 ................................................................................................................................. 119 Bảng 4.9 Cấp độ nguy cơ về sạt lở đất cho 22 công trình thủy trên địa bàn 5 huyện vùng núi tỉnh Quảng Ngãi .......................................................................................126 x