Luận văn Nghiên cứu phát hiện các đứt gãy địa chất lưu vực sông Cả - Rào Nậy trên cơ sở phân tích tài liệu ảnh viễn thám

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu phát hiện các đứt gãy địa chất lưu vực sông Cả - Rào Nậy trên cơ sở phân tích tài liệu ảnh viễn thám

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Mai Thị Hồng Nguyên NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN CÁC ĐỨT GÃY ĐỊA CHẤT LƢU VỰC SÔNG CẢ - RÀO NẬY TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH TÀI LIỆU ẢNH VIỄN THÁM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội- Năm 2013
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Mai Thị Hồng Nguyên NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN CÁC ĐỨT GÃY ĐỊA CHẤT LƢU VỰC SÔNG CẢ - RÀO NẬY TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH TÀI LIỆU ẢNH VIỄN THÁM Chuyên ngành: Vật lý địa cầu Mã số: 60440111 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS CAO ĐÌNH TRIỀU Hà Nội - Năm 2013
3. LỜI CẢM ƠN Luận văn này đƣợc thực hiện tại bộ môn Vật lý địa cầu- Khoa Vật lý - trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên- ĐHQGHN, Viện Vật lý địa cầu- Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Trƣớc hết, Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới PGS. TS Cao Đình Triều, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, bảo ban tôi theo suốt quá trình và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này. Thầy luôn quan tâm, giúp đỡ tôi, cho tôi những bài học thật sự bổ ích. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong bộ môn Vật lý địa cầu đã trang bị cho tôi kiến thức cơ bản, nền tảng trong quá trình học tập, rèn luyện. Tôi xin cảm ơn các bác, các chú, anh, chị cán bộ nghiên cứu trong Viện Vật lý địa cầu- Viện Hàn Lâm Khoc học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tôi về máy móc, phần mềm, tài liệu để tôi hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những ngƣời đã quan tâm, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Hà Nội, tháng năm 2013 Học viên Mai Thị Hồng Nguyên
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1 : VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU ĐỊA LÝ –ĐỊA CHẤT.......... 2 1.1. Khái niệm chung về viễn thám ......................................................................... 2 1.1.1. Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên ................................. 2 1.1.2. Một số yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên .................................................................................................................... 9 1.2. Các phƣơng pháp giải đoán ảnh viễn thám..................................................... 10 1.2.1. Phương pháp giải đoán bằng mắt........................................................... 11 1.2.2. Phương pháp xử lý ảnh số ...................................................................... 14 1.3. Đánh giá độ chính xác phân loại trong phƣơng pháp viễn thám. ................... 21 1.3.1. Phương pháp thứ nhất ............................................................................ 21 1.3.2. Phương pháp thứ hai .............................................................................. 22 CHƢƠNG 2 : HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ VỚI CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM ......... 24 2.1. Khái niệm về Hệ thông tin địa lý (GIS) .......................................................... 24 2.2. Cấu trúc và mô hình dữ liệu của GIS ............................................................. 26 2.2.1. Các điểm, đường, vùng ........................................................................... 26 2.2.2. Định nghĩa bản đồ .................................................................................. 26 2.2.3. Dữ liệu trên máy tính .............................................................................. 27 2.2.4. Cấu trúc dữ liệu raster ............................................................................ 27 2.2.5. Cấu trúc dữ liệu vector ........................................................................... 29
5. 2.2.6. Cấu trúc dữ liệu cho bản đồ và sự lựa chọn giữa raster và vector ........ 31 CHƢƠNG 3 : CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP TƢ LIỆU VIỄN THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ (HTTĐL) ............................................................................................. 33 3.1. Khái niệm ........................................................................................................ 33 3.2. Lý do tích hợp tƣ liệu viễn thám và HTTĐL .................................................. 36 3.3. Khả năng ứng dụng công nghệ tích hợp tƣ liệu viễn thám và HTTĐL .......... 37 3.4. Ứng dụng công nghệ tích hợp viễn thám và hệ thông tin địa lý .................... 37 CHƢƠNG 4 : ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ HTTĐL THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỨT GÃY ĐỊA CHẤT KHU VỰC SÔNG CẢ - RÀO NẬY .......................................................................................................................... 40 4.1. Phƣơng pháp luận phân tích ảnh vệ tinh nghiên cứu đứt gãy địa chất khu vực Sông Cả - Rào Nậy tỷ lệ 1:200.000 ....................................................................... 40 4.1.1. Tài liệu sử dụng....................................................................................... 40 4.1.2. Phương pháp xử lý để thành lập bản đồ hệ thống đứt gãy địa chất ...... 43 4.2. Các đứt gãy có biểu hiện hoạt động khu vực Sông Cả - Rào Nậy tỷ lệ 1:200.000 ............................................................................................................... 58 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 63
6. Danh mục hình vẽ Hình 1.1 : Đặc tính phản xạ phổ của thực vật ............................................................ 5 Hình 1.2 : Đặc tính phản xạ của thổ nhưỡng .............................................................. 7 Hình 1.3 : Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước .................................................... 9 Hình 1.4 : Nguyên lý phân loại theo khoảng cách tối thiểu .....................................15 Hình 1.5: Nguyên lý phân loại theo xác suất cực đại ...............................................17 Hình 3.1 : Vai trò của Viễn thám trong việc xây dựng và cập nhật CSDL trên HTTĐL ......................................................................................................................34 Hình 3.2 : Mô hình chuyển đổi dữ liệu Viễn thám và HTTĐL ..................................36 Hình 4.1: Ảnh nguyên thủy chưa qua xử lý ...............................................................49 Hình 4.2: Ảnh đã qua giãn tuyến tính ......................................................................49 Hình 4.3: Phương pháp lọc tần số cao làm rõ ranh giới các đứt gãy địa chất ........51 Hình 4.4: Quy trình công nghệ thành lập bản đồ hệ thống đứt gãy địa chất ...........55 Hình 4.5: Ảnh vệ tinh Landsat khu vực Sông Cả - Rào Nậy .....................................56 Hình 4.6: Bản đồ đứt gãy địa chất khu vực Sông Cả - Rào Nậy ..............................57 Hình 4.7: Đứt gãy hoạt động chính lưu vực Sông Cả - Rào Nậy .............................59
7. MỞ ĐẦU Đứt gãy địa chất là tiền đề gây nên hàng loạt các dạng tai biến địa chất khác. Do đó, xác định vị trí đứt gãy, đới đứt gãy và đứt gãy hoạt động là việc làm có ý nghĩa đặc biệt quan trọng về mặt lý luận và thực tiễn trong nghiên cứu tai biến địa chất (trƣợt - lở, nứt - sụt đất, động đất, núi lửa...). Đã có nhiều phƣơng pháp đƣợc sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu đứt gãy địa chất nhằm xác định chính xác vị trí, nghiên cứu đặc điểm cấu trúc đứt gãy và đặc điểm hoạt đông của chúng. Trong đó, phƣơng pháp viễn thám - ảnh vệ tinh (ảnh viễn thám) đƣợc đặc biệt chú ý, bởi vì: Vệ tinh bay ở độ cao hơn 700 km nên ảnh có tầm bao quát rộng, tính khái quát hóa tự nhiên rõ rệt. Các loại ảnh chụp có vùng diện tích lớn: ảnh LANDSAT 185 x 185 km, ảnh SPOT 60 x 60 km. Ảnh đƣợc chụp ở tỷ lệ nhỏ với những dải phổ khác nhau nên chúng có tính chất tổng quát hóa tự nhiên về mặt hình học và quang học rõ rệt. Trên ảnh vệ tinh hình ảnh của các đối tƣợng đã đƣợc khái quát hóa, một số chi tiết nhỏ riêng lẻ bị nhòe đi và hợp thành hình ảnh của một thể thống nhất với quy mô lớn. Ảnh vệ tinh thể hiện những cấu trúc lớn, có ý nghĩa khu vực và toàn cầu. Hơn nữa ảnh phản ánh quy luật của hiện tƣợng tự nhiên một cách khách quan và chính xác. Bởi vậy, các đứt gãy địa chất khu vực, các cấu trúc địa chất lớn đƣợc thể hiện trên ảnh rất rõ nét. Để phân tích, phát hiện các đứt gãy địa chất trên ảnh số vệ tinh cần phải đo vẽ các giá trị phổ phản xạ, phân tích các đặc trƣng phổ và sử dụng các thuật toán khác nhau để lọc ra các giá trị dạng tuyến Luận văn “Nghiên cứu phát hiện các đứt gãy địa chất lƣu vực sông Cả- Rào Nậy trên cơ sở phân tích tài liệu ảnh viễn thám”, đƣợc nghiên cứu phân tích ảnh viễn thám nhằm phát hiện các đứt gãy địa chất khu vực Sông Cả - Rào Nậy ở tỷ lệ 1:200.000 1
8. CHƢƠNG 1 : VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU ĐỊA LÝ – ĐỊA CHẤT 1.1. Khái niệm chung về viễn thám Viễn thám là sự thu thập và phân tích, xử lý thông tin về các đối tƣợng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp đến vật thể đối tƣợng, đƣợc phát triển dựa trên những thành tựu của khoa học về công nghệ tin học, công nghệ vũ trụ. Viễn thám là một môn khoa học liên ngành nhằm cung cấp thông tin nhanh và khách quan về các đối tƣợng phục vụ cho phát triển kinh tế, an ninh quốc phòng và nghiên cứu khoa học, đặc biệt trong lĩnh vực địa chất – kiến tạo. Hầu hết các đối tƣợng tự nhiên đều hấp thụ, phản xạ hay bức xạ sóng điện từ với cƣờng độ và theo những cách khác nhau. Các đặc trƣng này thƣờng đƣợc gọi đặc trƣng phổ. Thông tin thu đƣợc trong viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lƣợng phản xạ từ các đối tƣợng cho nên việc nghiên cứu đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên trên các bƣớc sóng khác nhau đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác, ứng dụng có hiệu quả các thông tin thu đƣợc. 1.1.1. Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên Do các thông tin viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lƣợng phản xạ từ các đối tƣợng tự nhiên cho nên việc nghiên cứu các tính chất quang học của các đối tƣợng tự nhiên đóng vai trò hết sức quan trọng đối với việc ứng dụng có hiệu quả phƣơng pháp viễn thám. Sự ra đời và phát triển của kỹ thuật viễn thám gắn với những kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực phổ phản xạ các đối tƣợng. Phần lớn các phƣơng pháp ứng dụng viễn thám đƣợc sử dụng hiện nay đều có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp với việc nghiên cứu đặc trƣng phản xạ phổ của các nhóm đối tƣợng hay các đối tƣợng tự nhiên. Việc giải đoán tƣ liệu viễn thám để xác định các thông tin trên ảnh phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết mối tƣơng quan giữa đặc trƣng phản xạ phổ và bản chất, trạng thái tự nhiên của đối tƣợng. Từ những thông tin về đặc trƣng phản xạ phổ cho 2
9. phép các nhà chuyên môn chọn những kênh phổ chứa thông tin tối ƣu về đối tƣợng nghiên cứu, đồng thời nó là cơ sở để phân tích các tính chất của đối tƣợng địa lý – địa chất tiến tới phân loại các đối tƣợng. Nghiên cứu đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên dựa trên các mục tiêu cơ bản sau đây: o Xác định quy luật phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên trong dải sóng nhìn thấy và gần hồng ngoại. o Xác định sự thay đổi đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên. o Đánh giá mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố ngoại cảnh, điều kiện sinh thái cảnh quan tới khả năng phản xạ phổ của đối tƣợng tự nhiên trong từng vùng, miền cụ thể. Chính nhờ vào các đặc trƣng này cho phép loại trừ ảnh hƣởng của một số yếu tố mà trong điều kiện ngoài thực địa không thực hiện đƣợc. Đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ điều kiện chiếu sáng, môi trƣờng, điều kiện thời tiết và chính bề mặt các đối tƣợng đó (hiện trạng sử dụng đất, lớp phủ hực vật, cấu trúc bề mặt...). Nhƣ vậy, các đối tƣợng khác nhau sẽ có khả năng phản xạ phổ khác nhau. Phƣơng pháp viễn thám dựa trên nguyên lý này để nhận biết phát hiện các đối tƣợng, các hiện tƣợng tự nhiên. Các thông tin về đặc trƣng phản xạ phổ của đối tƣợng tự nhiên sẽ giúp các nhà chuyên môn lựa chọn đƣợc kênh phổ chứa thông tin tối ƣu về đối tƣợng nghiên cứu. Đây chính là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất của đối tƣợng, tiến tới phân loại chúng. Năng lƣợng mặt trời (E0) chiếu xuống mặt đất dƣới dạng sóng điện từ, khi năng lƣợng này tác động lên bề mặt đối tƣợng nào đó thì một phần bị phản xạ trở lại (EPX), một phần bị đối tƣợng hấp thụ và chuyển thành dạng năng lƣợng khác (EKH), phần còn lại bị truyền qua hay còn gọi là hiện tƣợng thấu quang năng lƣợng (ETQ). Có thể mô tả quá trình theo công thức: 3
10. Eo = EPX + EKH + ETQ Phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt của đối tƣợng năng lƣợng phản xạ phổ mà có thể: phản xạ toàn phần, phản xạ một phần hoặc tán xạ toàn phần. Vì vậy, cần phải lƣu ý khi giải đoán ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, cần thu thập các thông tin địa lý, địa chất khu vực tiến hành xử lý cũng nhƣ các thông số kỹ thuật của thiết bị sử dụng điều kiện bay chụp và các yếu tố này có vai trò nhất định trong việc giải đoán hoặc xử lý ảnh. Đồng thời, năng lƣơng phản xạ từ các đối tƣợng không những phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt đối tƣợng mà còn phụ thuộc vào bƣớc sóng của năng lƣợng chiếu tới. Do đó, hình ảnh của đối tƣợng đƣợc ghi nhận bằng năng lƣợng phản xạ phổ của các bƣớc sóng khác nhau sẽ khác nhau. Xét tổng thể, các đối tƣợng tự nhiên trên mặt đất rất đa dạng và phức tạp, song xét cho cùng nó đƣợc cấu thành bởi ba loại đối tƣợng cơ bản, đó là: thực vật, thổ nhƣỡng và nƣớc. a. Đặc trưng phản xạ phổ của thực vật: Lineament thƣờng đƣợc biểu hiện thông qua những đặc điểm lớp phủ thực vật, lớp vỏ thổ nhƣỡng, các kiểu phong hóa riêng... Do đó, việc sử dụng phƣơng pháp viễn thám để nghiên cứu đứt gãy địa chất bằng công nghệ viễn thám là nghiên cứu gián tiếp thông qua các đối tƣợng trên bề mặt. Đó chính là nghiên cứu đặc điểm của lớp phủ thực vật, lớp phủ thổ nhƣỡng, bề mặt nƣớc Đối với lớp phủ thực vật, đặc tính chung nhất của thực vật là khả năng phản xạ phổ phụ thuộc vào chiều dài bƣớc sóng và các giai đoạn sinh trƣởng khác nhau của thực vật. Đây là đối tƣợng đƣợc quan tâm nhất. Các trạng thái lớp phủ thực vật khác nhau có tính chất phản xạ phổ khác nhau. Bức xạ mặt trời (E0) khi tới bề mặt lá cây một phần bị phản xạ ngay (E1). Bức xạ ở vùng sóng chàm và sóng đỏ bị chất diệp lục hấp thụ để thực hiện quá trình quang hợp. Bức xạ ở vùng sóng lục khi gặp diệp lục trong lá cây sẽ phản xạ trở lại (EG). Bức xạ ở vùng sóng hồng ngoại (EIR> 720nm) cũng sẽ phản xạ khi gặp chất diệp lục của lá. Nhƣ vậy, năng lƣợng phản xạ từ thực vật (EPX) bao gồm: 4