Luận án 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

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG – 2024 ii 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 iii 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 i 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 ii 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 iii 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. i 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 ii 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 iii 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 iv 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 i 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) ii 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 Eleva