Ứng dụng phương pháp radar giao thoa (Psinsar) xử lý ảnh Sentinel1 xác định biến dạng bề mặt đất khu vực thị xã Mường Lay - Điện Biên

Ứng dụng phương pháp radar giao thoa (Psinsar) xử lý ảnh Sentinel1 xác định biến dạng bề mặt đất khu vực thị xã Mường Lay - Điện Biên

Nguyễn Đức Anh^*, Phạm Thanh Hải, Nguyễn Trung Thành, Nguyễn Công Quân, Bùi Phương Thảo

¹Viện Các khoa học Trái đất, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

*Email tác giả liên hệ: nguyenducanh237@gmail.com

doi.org/10.5281/zenodo.17042742

Tóm tắt:

                Radar giao thoa là một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để đo lún mặt đất và đã cho thấy khả năng xây dựng bản đồ biến dạng bề mặt đất cho một khu vực lớn với độ chính xác cao. Nghiên cứu này trình bày phương pháp Radar giao thoa tán xạ cố định (PSInSAR- Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar) xác định vận tốc biến dạng bề mặt địa hình cho khu vực khu vực thị xã Mường Lay – Điện Biên dựa vào dữ liệu ảnh Sentinel 1, quỹ đạo Acsending với 50 ảnh thời gian từ năm 2018 đến năm 2022. Kết quả nghiên cứu chỉ ra biến dạng bề mặt địa hình với 20.493 điểm PS giá trị từ -8.1 mm/năm đến 7.4 mm/năm trên toàn bộ khu vực thị xã Mường Lay. Giá trị các điểm PS phân bố trên các khu dân cư dọc theo suối Nậm Lay thuộc khu vực thị xã Mường Lay cho thấy có khu vực biểu hiện của việc dịch chuyển lún xuống (giá trị âm) và khu vực dịch chuyển trồi lên (giá trị dương). Các kết quả này cung cấp cơ sở để xác định nguyên nhân biến đổi bề mặt địa hình và đề xuất các giải pháp phòng ngừa, giảm thiểu thiệt hại tại thị xã Mường Lay – Điện Biên trong các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo.

Từ khóa: Mường Lay, PSinSAR, StamPS, SNAP

Application of Persistent Scatterer Interferometric SAR (PSInSAR) Method for Processing Sentinel-1 Images to Detect Surface Deformation in Muong Lay Town, Dien Bien Province

Nguyen Duc Anh*, Pham Thanh Hai, Nguyen Trung Thanh, Nguyen Cong Quan, Bui Phuong Thao

Institute of Earth Sciences, Vietnam Academy of Science and Technology

*Corresponding Author Email: nguyenducanh237@gmail.com

Abstract:

Interferometry (InSAR) is a technique to measure ground subsidence and has ability to building ground subsidence map on a large spatial scalewith high accuracy from space. TThis study presents the Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar (PSInSAR) method to determine the surface deformation velocity of the terrain in Muong Lay town – Dien Bien province, based on Sentinel-1 ascending orbit data with 50 images acquired from 2018 to 2022. The results reveal surface deformation in the Muong Lay area with 20.493 PS points, ranging from -8.1 mm/year to 7.4 mm/year. The distribution of PS values across residential areas along the Nam Lay stream within Muong Lay town indicates zones experiencing downward subsidence (negative values) as well as uplift (positive values). These findings provide a basis for identifying the causes of terrain surface changes and for proposing preventive measures to mitigate damages in Muong Lay town, Dien Bien province, in future in-depth studies.

Keywords: Mường Lay, PSinSAR, StamPS, SNAP

1. Mở đầu

Biến dạng bề mặt đất hiện nay là một trong những dạng tai biến ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của người dân. Các hiện tượng trượt lở đất, sụt lún trong khu vực có biến dạng bề mặt đất thường ảnh hưởng và gây thiệt hại nghiêm trọng trong đời sống của người dân. Nghiên cứu biến dạng bề mặt đất trở thành một trong những nhiệm vụ quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội. Hiện nay, nghiên cứu biến dạng bề mặt đất bằng các phương pháp khác nhau bao gồm nhóm các phương pháp đo đạc truyền thống tại hiện trường và nhóm các phương pháp ứng dụng viễn thám và GIS.

Trên thế giới, với sự phát triển của công nghệ radar vệ tinh, cùng với sự ra đời của phương pháp radar giao thoa đã cho phép nghiên cứu biến dạng bề mặt đất trên khu vực không gian rộng với độ chính xác đạt tới milimet. Nguyên lý của giao thoa radar là thông qua xử lý cặp ảnh của một hoặc hai vệ tinh thu nhận ảnh trên cùng một khu vực và ở hai thời điểm khác nhau, cùng một băng tần dựa trên giá trị lệch pha của cặp ảnh radar. Pha giao thoa có thể được tạo thành khi một cặp ảnh với thời gian giãn cách rất ngắn, lúc này địa hình không có thay đổi và pha giao thoa chỉ chứa pha của địa hình. Nhưng nếu khoảng thời gian giãn cách lớn, địa hình thay đổi thì pha giao thoa lúc đó sẽ bao gồm pha địa hình và pha thay đổi của địa hình.

Công nghệ radar giao thoa vi phân (DInSAR – Diffrential InSAR) đầu tiên được ứng dụng với ảnh Seasat để nghiên cứu những thay đổi nhỏ về độ cao trên một vùng rộng 50 km ở thung lũng Imperial, California, Mỹ.  Chatterjee và cộng sự đã nghiên cứu tình trạng lún bề mặt đất do khai thác nước dưới đất bằng công nghệ Ra-đa giao thoa áp dụng cho thành phố Calcutta, Ấn Độ với dữ liệu từ năm 1992 tới 1998. Fruneau và nnk nghiên cứu sụt lún do khai thác nước dưới đất ở Pa-ri (Pháp) với 40 ảnh ra-đa, 87 điểm đo các đặc trưng của khí quyển và 670 điểm đo sụt lún tại mặt đất. Nghiên cứu đã hạn chế được nhược điểm của phương pháp ra-đa giao thoa là bị ảnh hưởng do sự khác biệt về khí quyển giữa hai lần chụp. López-Quiroz và cộng sự đã nghiên cứu sụt lún ở thành phố Mê-xi-cô (Mê-xi-cô) từ năm 2002 tới 2007 bằng công nghệ ra-đa giao thoa vệ tinh. Với 14 tấm ảnh RadarSat-1 độ phân giải 8.9 m từ tháng 10/2005 tới 10/2009, mô hình số địa hình từ ra-đa giao thoa (SRTM-Shuttle Radar Topography Mission) độ phân giải 90 m, các điểm đo lún mặt đất và sử dụng phương pháp ra-đa giao thoa tán xạ cố định (PSI-Permanent Scatterers Interferometry), 40 ảnh giao thoa đã được thành lập cho thành phố Băng-Cốc nhằm nghiên cứu lún mặt đất.

Ứng dụng kỹ thật SAR giao thoa nghiên cứu biến dạng bề mặt địa hình tại nước ta đã được ứng dụng tương đối rộng dãi và tập trung tại khu vực thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và một số đô thị lớn dọc ven biển nước ta.

Nghiên cứu của Lê Văn Trung và Hồ Tống Minh Định [3] kết hợp với dữ liệu DEM-SRTM, tiến hành xử lý giao thoa theo kỹ thuật InSAR và thử nghiệm tiếp kỹ thuật xử lý PSInSAR với các ảnh vệ tinh ERS-1 và ERS-2 (đều cho khu vực thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu của Trần Vân Anh và nnk [6], năm 2007 đã sử dụng ảnh JERS-1 kênh L các năm 1995 và 1998 cho nghiên cứu sụt lún đất khu vực nội đô và phụ cận Hà Nội đã sử dụng dữ liệu đo lún tại các trạm mặt đất so sánh và chuẩn hoá với kết quả từ ảnh giao thoa. Nghiên cứu của Đặng Vũ Khắc và nnk, 2013 [7] sử dụng 22 ảnh ALOS PALSAR (kênh sóng L) trong giai đoạn 2/2007-2/2011 với phương pháp giao thoa đa thời gian StaMPS/MTI, phương pháp này tổ hợp cả hai cách tiếp cận Persistent Scatterers và Small Baseline để tách ra dấu hiệu biến dạng tại các điểm ảnh và làm tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu. Nghiên cứu của Trần Quốc Cường và nnk [1] ứng dụng công nghệ radar giao thoa để nghiên cứu xác định lún cho thành khu vực trung tâm phố Hà Nội thời gian từ năm 2000 đến 2014, đề tài mã số DTDL.2012 – T/28 sử dụng dữ liệu ảnh TerraSAR-X và ảnh Cosmo Skymed với bước sóng 3.1cm (kênh X) xác định biến dạng bề mặt đất giai đoạn 2011 – 2014 qua hai phương pháp PSInSAR và phương pháp SQueeSAR. Tuy nhiên hai dữ liệu trên đều là dữ liệu ảnh thương mại với chi phí rất lớn. Gần đây, nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất giải pháp cảnh báo sớm tai biến sụt đất, trượt lở, lũ quét, lũ bùn đá miền Bắc Việt Nam bằng công nghệ viễn thám và dữ liệu về cấu trúc địa chất” mã số VT-UD.05/18-20 của Trần Quốc Cường và nnk (2021) [2] đã xác định biến dạng bề mặt đất cho khu vực trung tâm Cẩm Phả - Quảng Ninh thông qua ảnh radar Sentinel là ảnh miễn phí được cung cấp bởi cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA – European Space Agency thông qua phương pháp sử lý PSInSAR.

Trong bài báo này, tác giả sử dụng tư liệu ảnh Sentinel thông qua phương pháp PSInSAR để xác định biến dạng bề mặt đất cho một khu vực thuộc miền núi phía Bắc là thị xã Mường Lay – Điện Biên.

2. Phạm vi khu vực nghiên cứu và số liệu sử dụng

Thị xã Mường Lay nằm ở phía bắc tỉnh Điện Biên, cách thành phố Điện Biên Phủ 103 km về phía bắc, cách trung tâm thủ đô Hà Nội 576 km về phía tây bắc, có vị trí địa lý:

Phía bắc giáp huyện Nậm Nhùn và huyện Sìn Hồ, tỉnh Lai Châu qua sông Đà, các phía còn lại giáp huyện Mường Chà.

Thị xã Mường Lay có diện tích 112,67 km², gồm 3 đơn vị hành chính cấp xã trực thuộc, bao gồm 2 phường: Na Lay, Sông Đà và xã Lay Nưa.

Về địa chất, khu vực Mường Lay có cấu trúc chính phương á kinh tuyến với hệ đứt gãy lớn (đứt gãy Lai Châu-Điện Biên) cung phương á kinh tuyến, ở đây gồm các thành tạo Paleozoi- Mezozoi gồm đá lục nguyên, lục nguyên-cacbonat và đá biến chất. Chiều dày vở phong hóa thay đổi từ 0- 20-30m, Kiểu vỏ phong hóa chủ yếu là Sapolit, ferosialit.

  Hình 1. Sơ đồ khu vực nghiên cứu

Địa hình trong khu vực phân dị mạnh với độ chia cắt sâu lớn 500-800m, chia cắt ngang mạnh với dòng chảy cấp 1 chiếm đa số, mạng lưới sông suối dạng cành cây đặc trưng với hình thái lưu vực hình chữ nhật.  Độ dốc sườn lớn với dạng sườn thẳng, phát triển nhiều vách dốc đứng.

2.1. Cơ sở dữ liệu

- Dữ liệu ảnh radar: Trong nghiên cứu, sử dụng ảnh Sentinel từ vệ tinh Sentinel-1 thuộc chương trình Copernicus đã được đưa lên quĩ đạo ngày 3/4/2014. Dữ liệu Sentinel-1 hiện nay hoàn toàn miễn phí, trong phạm vi vùng nghiên cứu của đề tài, dữ liệu ảnh sentinel được download về từ trang web:  https://scihub.copernicus.eu/

Dữ liệu ảnh khu vực nghiên cứu với 50 ảnh, phân cực VV và quỹ đạo Ascending. Thời gian từ năm 2018 đến 2022.

Ảnh Sentinel-1 được sử dụng trong nghiên cứu này là ảnh thu nhận ảnh dạng Interferometric Wide (IW). Dữ liệu với độ dài 250 km ở độ phân giải không gian 5 m x 20 m (nhìn đơn). Chế độ IW chụp ba dải phụ thông qua công nghệ quét lũy tiến TOPSAR (The Terrain Observation with Progressive Scans SAR).

Hình 3. Dải chụp và burst ảnh khu vực nghiên cứu Mường Lay – Điện Biên

Bảng 1. Tập hợp ảnh quỹ đạo Ascending khu vực Mường Lay – Điên Biên

Trong phương pháp PSInSAR, ảnh được thu vào ngày 19/01/2018 được chọn là ảnh master và tập hợn ảnh còn lại là ảnh slaves.

3. Phương pháp xử lý

Giao thoa radar (InSAR) [8] bằng cách tách chiết thông tin pha từ cặp ảnh giao thoa cho phép nghiên cứu biến dạng bề mặt địa hình và theo công thức:

φinterferometry= φtopo+φdefo+φatm+φnoise               (1)

φinterferometry: pha giao thoa

φtopo: pha địa hình

φdefo:pha biến dạng (defomation)

φatm:pha ảnh hưởng khí quyển (atmosphere)

φnoise:pha nhiễu

Trong pha giao thoa của cặp ảnh radar bao gồm pha địa hình, pha biến dạng, pha ảnh hưởng khí quyển do độ trễ của tín hiệu khi đi qua khí quyển, pha nhiễu khác ví dụ như suy giảm tương quan hình học hay đường đáy ảnh, suy giảm tương quan do thời gian, nhiễu nhiệt…

Pha biến dạng (defomation) được tính theo công thức:

φdefo=4 π∆r              (2)

Trong đó: ∆r là thành phần biến dạng theo hướng nhìn hay song song với tầm xiên hướng phát tín hiện radar xuống mặt đất,  bước sóng radar.

Nghiên cứu biến dạng bề mặt đất khu vực Mường Lay - Điện Biên được xử lý thông qua phương pháp PSInSAR với dữ liệu ảnh Sentinel với một ảnh SAR master được chọn và sau đó đăng ký tất cả ảnh còn lại theo ảnh master này. Quy trình xử lý PSInSAR (hình 5).

Hình 5. Quy trình xử lý PSInSAR nghiên cứu biến dạng bề mặt địa hình

Phần mềm SNAP được phát triển bởi ESA (Cơ quan hàng không và vũ trụ châu Âu) và Array Systems Computing hợp tác với DLR, Brockmann Consulting và OceanDataLab. SNAP bao gồm bộ công cụ xử lý, trình đọc và ghi sản phẩm dữ liệu và ứng dụng hiển thị và phân tích để hỗ trợ kho lưu trữ dữ liệu lớn từ các vệ tinh của ESA SAR bao gồm SENTINEL-1, ERS-1 & 2 và ENVISAT, cũng như dữ liệu SAR của các nước khác như ALOS PALSAR, TerraSAR-X, COSMO-SkyMed và RADARSAT-2[9]. Các công cụ xử lý khác nhau có thể được chạy độc lập với dòng lệnh và cũng được tích hợp trong giao diện người dùng đồ họa. Hộp công cụ bao gồm các công cụ để hiệu chuẩn, lọc nhiễu đốm, phân tích, hiệu chỉnh hình học, ghép, chuyển đổi dữ liệu, phân cực và dữ liệu giao thoa.

Hình 6. Quy trình xử lý cặp ảnh giao thoa ảnh Sentinel 1 trong SNAP

4. Kết quả

4.1. Ưu điểm và nhược điểm công nghệ radar giao thoa

Việc phân tích các nguyên lý trong giao thoa radar (InSAR) đã cho thấy tiềm năng ứng dụng trong nghiên cứu biến dạng bề mặt địa hình cả về không gian và thời gian, trên phạm vi rộng với độ chính xác đến milimet. Tuy nhiên, công nghệ này cũng tồn tại cả ưu điểm và nhược điểm trong giai đoạn xử lý.

4.2. Kết quả giao thoa radar

 Một số kết quả thu được trong quá trình xử lý giao thoa radar từ tập ảnh Sentinel cho khu vực Mường Lay – Điện Biên:

- Kết quả vận tốc biến dạng bề mặt: khu vực Mường Lay – Điện Biên từ ảnh Sentinel giai đoạn 2018 – 2022

Hình 13. Vận tốc biến dạng bề mặt khu vực Mường Lay – Điện Biên từ ảnh Sentinel giai đoạn 2018 – 2022

5. Thảo luận

Vận tốc biến dạng bề mặt địa hình tính toán bằng phương pháp PSInSAR cho khu vực khu vực thị xã Mường Lay – Điện Biên với dữ liệu ảnh Sentinel 1, quỹ đạo Acsending với 50 ảnh thời gian từ năm 2018 đến năm 2022 cho kết quả 20.493 điểm giá trị PS và vận tốc biến dạng bề mặt địa hình tại đây có giá trị từ -8.1 mm/năm đến 7.4 mm/năm.

Các khối trượt trong khu vực dịch chuyển xuống khu vực dân cư tác động đến bề mặt địa hình tại đây. Mặc dù đã có các công trình được xây dựng nhằm ổn định mái dốc cho các khối trượt trong khu vực. Tuy nhiên, theo thời gian việc dịch chuyển này xô đẩy các công trình đã xây dựng tại đây, khiến các công trình tại đây bị nghiêng nứt, thậm chí bị phá hủy và đẩy trồi lên cao.

Hình 14. Công trình bảo vệ mái dốc phía sau UBND thị xã Mường Lay

Trong khu vực đường giao thông dọc theo chân các sườn các núi phiến sét bị ảnh hưởng của trượt lở sườn rất lớn. Tuyến đường đi từ trung tậm thị trấn Mường Lay đi về phía Bản Mo, việc trượt lở sườn núi làm cho tuyến đường bị biến dạng mạnh, đất đá dịch chuyển xuống làm cho phần hành lang của tuyến đường bị trồi lên. Kết quả phân tích điểm PS giao thoa radar tại tuyến đường này cho thấy trong khoảng thời gian từ 2018 đến 2021 giá trị biến dạng bề mặt địa hình trong khu vực chủ yếu mang giá trị dương tại các vị trí này và đây là thể hiện cho hiện tượng bị bị nâng lên hay trồi lên.

Hình 15. Vị trí và giá trị biến dạng bề mặt địa hình tuyến đường đi về phía Bản Mo cho thấy tuyến đường bị nâng và trồi lên.

6. Kết luận

Giao thoa radar cụ thể với phương pháp PSInSAR là một giải pháp khả thi trong việc phát hiện các biến dạng bề mặt địa hình theo không gian và thời gian. Tư liệu ảnh radar Sentinel miễn phí hoàn toàn cho phép nghiên cứu biến dạng bề mặt địa hình ở một nước thuộc khí hậu nhiệt đới như nước ta, không chỉ áp dụng tại các khu vực thành phố và còn áp dụng cho các khu vực miền núi nước ta.Kết quả nghiên cứu lún từ dữ liệu radar cho phép phân tích nhanh vận tốc biến dạng bề mặt địa hình cung cấp cho chúng ta nguồn dữ liệu hữu ích phục vụ cho giám sát và dự báo các tai biến trong hiện tượng biến dạng bề mặt đất là tai biến trượt lở, sụt lún đất.

Kết quả tính toán lún mặt đất giai đoạn 2018 – 2022 khu vực Mường Lay – Điện Biên bằng phương pháp PSInSAR được xử lý trên phần mềm SNAP và STAMPS cho dữ liệu ảnh Sentinel được kết quả 20.493 điểm giá trị PS với giá trị vận tốc biến dạng bề mặt tại đây từ -8.1 mm đến 7.4 mm/năm.

Qua khảo sát thực tế tại khu vực cho thấy một số công trình phòng chống ổn định bờ dốc bị biến dạng do ảnh hưởng của các khối trượt lớn đang hoạt động trong khu vực.

Kết hợp nghiên cứu lún bằng giao thoa radar với một số phương pháp quan quan trắc, đo lún ngoài thực tế sẽ giúp theo dõi biến dạng bề mặt đất hiệu quả và chính xác. Tuy nhiên với các khu vực biến dạng bề mặt đất cần phải có các nghiên cứu sâu hơn về nguyên nhân, các yếu tố gây ra biến dạng để từ đấy đưa ra dự báo và các biện pháp ứng phó với hiện tượng này.

Lời cám ơn:

Tập thể tác giả xin chân thành cám ơn Đề tài Nghiên cứu sử dụng công nghệ địa không gian nhằm đánh giá nguy cơ, khả năng thiệt hại do trượt lở và lũ bùn đá khu vực miền núi phía Bắc. Mã số ĐTĐL.CN-82/21 đã hỗ trợ và tạo điều kiện nghiên cứu cho nhóm nghiên cứu hoàn thành nghiên cứu biến dạng bề mặt địa hình cho khu vực Mường Lay –Điện Biên.

Cam kết của các tác giả: 

Tất cả các tác giả có tên trong bài báo cam kết sự đồng thuận và không có xung đột lợi ích trong công bố khoa học tại bài báo này.

Tài liệu tham khảo

[1] Trần Quốc Cường, 2016, “Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất giải pháp dự báo lún mặt đất thành phố Hà Nội bằng kỹ thuật ra-đa giao thoa”. Mã số đề tài ĐTĐL.2012-T/28.

[2] Trần Quốc Cường và nnk (2021), “Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất giải pháp cảnh báo sớm tai biến sụt đất, lở, lũ quét, lũ bùn đá miền Bắc Việt Nam bằng công nghệ viễn thám và dữ liệu về cấu trúc địa chất”, VT-UD.05/18-20. Báo cáo tổng kết. Lưu trữ Viện Địa chất

[3] Lê Văn Trung, Hồ Tống Minh Định. Ứng dụng kỹ thuật InSAR vi phân trong quan trắc biến dạng mặt đất khu vực thành phố Hồ Chí Minh. 2008. Tạp chí Phát triển KH&CN, Tập 11, số 12 – 2008. tr.121-130.

[4] Hồ Tống Minh Định, 2007, Principle Investigator ESA CAT1 ID.3832 project, “Applying SAR Interferometry for ground subsidence investigation in Ho Chi Minh City area”, 2007

[5] Tran Van Anh, Shinji Masumoto, KiyojiShiono and VenkateshRaghavan, (2007), Spatial distribution of subsidence in Hanoi detected by JERS-1 SAR interferometry, Journal of GeoInformatics-Japan, Vol. 18, no.1

[6] Tran Van Anh, Tran Quoc Cuong, Nguyen Duc Anh, Dang Vu Khac. Studying of Subsidence detection by DinSAR and evaluation of some factors to the outcome. 2015. Tạp chí các Khoa học về Trái đất (số tiếng Anh) Vol 37, No 4, 2015, pp.344-354. ISNN 0866-7187

[7] V. K. Dang., C. Doubre, C. Weber, F. Masson and N. Gourmelen, 2013. “Recent land subsidence caused by the rapid urban development in the Hanoi urban region (Vietnam) using ALOS InSAR data”. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. Discuss., 1, 6155–6197, 2013.

[8] L.C Graham, "Synthetic interferometer radar for topographic mapping," IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, pp. 62:763–768, 1974.

[9] Benedicte Fruneau, J.P Rudant, P.S Roy, Pierre-Louis Frison, R.C Lakhera, V.K. Dadhwal and Ranajit Saha Chatterjee R.S, "Subsidence of Kolkata city, India during the 1990s as observerd from space by Differential Synthetic Aperture Ra-đa Interferometry (D-InSAR) technique," Remote Sensing of Environment, pp. vol. 102, pp. 176-185, 2006.

[10] De Zan, F., & Guarnieri, A. M. (2006). “TOPSAR: Terrain Observation by Progressive Scans. Geoscience and Remote Sensing”, IEEE Transactions on, 44(9), 2352–2360. doi:10.1109/TGRS.2006.873853