Chương IV ỨNG DỤNG KỸ THUẬT VIỄN THÁM TRONG ĐIỀU TRA TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
4.5 Viễn thám ứng dụng điều tra nghiên cứu địa chất
Nhiệm vụ của địa chất học là nghiên cứu thành phần, cấu tạo, nguồn gốc phát sinh, lịch sử phát triển của quả đất nói chung và vỏ trái đất nói riêng. Các nghiên cứu đó được thể hiện trên các bản đồ chuyên ngành.
Cho đến nay khoa học địa chất có đầy đủ các phương pháp nghiên cứu hoàn thiện. Các phương pháp này cho phép nâng cao độ tin cậy của các tài liệu địa chất, phục vụ đắc lực cho nhu cầu của con người. Viễn thám đã trở thành một công cụ quan trọng và có hiệu quả trong nghiên cứu địa chất. Kỹ thuật viễn thám bắt đầu bằng ảnh máy bay, sau đó là ảnh vệ tinh. Kỹ thuật viễn thám thông thường được sử dụng ngày nay bao gồm nhiều kiểu ảnh khác nhau được chụp từ khoảng không như các loại ảnh được chụp bởi máy quét đa phổ, chụp đo nhiệt độ, chụp thông thường do máy bay, ảnh chụp bởi do sóng ra đa và công việc điều tra tiến hành qua sự truyền sóng trong không gian của máy phát địa vật lý.
ảnh máy bay và ảnh vệ tinh cung cấp một lượng thông tin rất phong phú trên những diện tích rộng lớn của bề mặt trái đất (cho phép chúng ta nhìn được một cách khái quát) và chúng được chụp ảnh một cách thường xuyên, nghiên cứu địa chất bằng phương pháp viễn thám cho
phép xác định cấu trúc vùng, phân chia ra các loại thạch học khác nhau, đường phương cũng như thế nằm của các lớp đá và nhiều đặc điểm nữa. ở những vùng địa hình hiểm trở, khó khăn đối với công tác điều tra khảo sát thực địa, viễn thám trở thành công cụ nghiên cứu đắc lực và quan trọng. Việc sử dụng kỹ thuật viễn thám kết hợp với kiểm tra ngoài thực địa cho phép tập hợp được các tư liệu thu được đưa lên bản đồ với chất lượng cao. Giải đoán ảnh máy bay và các phương pháp viễn thám cho phép điều tra tài nguyên thiên nhiên với kết quả cao hơn và kinh tế hơn so với phương pháp điều tra thực địa thông thường.
Sự phản xạ ánh sáng khác nhau của các đối tượng đoán đọc được thể hiện bởi các tông màu khác nhau mà chúng được ghi lại trên ảnh máy bay và ảnh vệ tinh. Kết hợp với các nhân tố đoán đọc khác nhau như hình dạng, kích thước, kiểu mạng lưới sông suối, kiến trúc ảnh, địa hình v.v...các nhà địa chất ảnh, các chuyên gia viễn thám giàu kinh nghiệm sẽ nhận biết các đơn vị thạch học khác nhau, đặc điểm cấu trúc địa chất vùng v.v...từ các tư liệu viễn thám. Điều tra địa chất theo mục đích từ khảo sát thăm dò tới nghiên cứu chi tiết kết hợp cả công tác thực địa cộng với giải đoán ảnh máy bay, ảnh vệ tinh ở các băng khác nhau, và tỷ lệ ảnh phù hợp cũng là yêu cầu cơ bản. Giải đoán qua cặp ảnh lập thể máy bay chụp thẳng đứng (ảnh màu, ảnh trắng đen,ảnh hồng ngoại), ảnh vệ tinh đa phổ MSS và v.v...đều có giá trị trong nghiên cứu các lĩnh vực khác nhau của khoa học địa chất. Sử dụng ảnh chụp đo nhiệt, đo sóng ra đa cũng cung cấp nhiều thông tin. Đối với một số mục đích nghiên cứu đặc biệt khác tư liệu viễn thám được phân tích trên máy tính kết hợp với kỹ thuật xử lý số.
4.5.2 Đoán đọc ảnh
Đoán đọc ảnh có thể được coi như một bước gián tiếp “ dự đoán ” đặc điểm đối tượng cần nhận biết bởi kết hợp một loạt các quá trình phát hiện, suy luận, xác định và nhận biết trên ảnh máy bay, ảnh vệ tinh có kết hợp với kiểm tra ngoài thực địa và sử dụng tư liệu đoán đọc ở khu vực kế cận.
Giải đoán địa chất trên ảnh vệ tinh và ảnh máy bay chủ yếu dựa trên việc sử dụng một loạt các nhân tố nhận biết “ recognition elements ” giúp cho việc đoán đọc bằng mắt, cụ thể các nhân tố nhận biết đó là:
- Các nhân tố nhận biết trên ảnh: tôn màu, kiến trúc, hình dạng, kích thước, kiểu, bóng v.v...
- Các nhân tố địa hình địa vật như: các dạng địa hình, kiểu mạng lưới sông suối, hiện trạng lớp phủ thực vật, xói mòn v.v...
Các kiểu tư liệu đoán đọc từ ảmh vệ tinh và ảnh máy bay gắn liền với:
a) Tư liệu phổ: độ xám tối, màu tự nhiên, màu giả v.v...
b) Tư liệu không gian: các dạng địa hình, hình dáng kích thước đối tượng mạng lưới sông suối v.v...
c) Tư liệu về thời gian: Tư liệu ảnh được chụp cho một vùng cụ thể ở các thời điểm khác nhau, các mùa khác nhau.
Giải đoán ảnh phải dựa trên sự đọc ảnh “ photo reading” những đặc điểm rõ ràng trên ảnh, kết hợp phân tích ảnh “ photo analysis ” sử dụng các khoá phân tích “ Analogri kcyo ” dựa trên sự tương quan giữa nhân tố ảnh và các nhân tố địa hình địa vật đối với điều kiện địa chất đã biết trong môi trường địa chất xác định. Các khoá ảnh tiêu chuẩn được xây dựng một cách cẩn
thận và được sử dụng cho từng đối tượng riêng biệt. Có thể nêu ở đây rằng tổng hợp thế tự nhiên rất phức tạp và thường không đồng nhất , vì lý do đó phân tích đặc điểm đối tượng cần giải đoán phải được tiến hành một cách logic và chặt chẽ. Dựa trên việc xử lý các tư liệu thu thập được sẽ nhận được các kết quả có nhiều ý nghĩa cho việc giải đoán. Ví dụ một nhà giải đoán nhận ra một đới thực vật trên ảnh, nhà giải đoán đó sẽ cho đó là ranh giới địa chất giữa hai loại đá hay đó là một đới đứt gãy mà không cần biết một tý kiến thức nào về sinh thái thực vật. Tuy nhiên, nếu có sự hiểu biết về sinh thái thực vật, nó sẽ giúp cho người giải đoán biết rõ hơn về đất đá dưới lớp phủ thực vật, khả năng thấm nước cũng như các đặc tính lý học và thủy văn của đất đá đó.
Sử dụng kết hợp đặc diểm lớp phủ thực vật, đất, địa chất và mối liên kết các địa điểm cho việc giải đoán địa chất là hết sức cần thiết. Song cũng cần phải nhấn mạnh rằng giải đoán địa chất ảnh chỉ là công cụ chỉ là công cụ có giá trị nhằm bổ sung cho công tác điều tra mặt đất và không thể thay thế được cho công tác điều tra thực địa.
Thông thường trong giải đoán ảnh người ta thường giải quyết theo hai cách:
- Chia ra các hạng loại để nhận biết;
- Phân ra các loại đồng nhất của mỗi hạng.
Có hai kiểu chính mắc lỗi thường xẩy ra trong giải đoán:
- Kiểu mắc sai lầm 1: Loại bỏ “ A ” khi trong thực tế lại chính là “ A” gọi là loại bỏ sai (Wrong rejecton);
- Kiểu mắc sai lầm 2: Chấp nhận “ A ” trong khi thực tế lại không phải là “ A ” gọi là sự cho là sai (Wrong assignment).
Địa chất ảnh gắn liền với việc nghiên cứu, đoán đọc trên ảnh máy bay và ảnh vệ tinh giúp cho việc thành lập các loại bản đồ địa chất. Một bản đồ địa chất ảnh có thể cung cấp các thông tin sau:
- Sự phân bố các kiểu đá và các nhóm nham thạch học trong một khu vực. Tuổi của đất đá khó có thể xác định được từ ảnh máy bay;
- Cho phép xác định các góc cắm của các lớp đá, hay của vỉa, được phân loại góc cắm thoải, trung bình và lớn. Sau một số lần thực hành, nhà địa chất ảnh có thể ước đoán giá trị thực góc cắm của lớp hay vỉa một cách chính xác.
- Tính liên tục của lớp, vỉa, phức hệ cũng như sự đứt đoạn, sự đổi hướng, sự nghiêng, hay ngắt quãng của lớp, vỉa, đường phương của đá cũng được xác định trên ảnh.
- Các đứt gãy cũng như bất chỉnh hợp địa tầng cũng có thể nhận ra trên ảnh máy bay một cách chắc chắn. Trong thực tế nhiều đứt gãy được phát hiện dễ dàng trên ảnh vệ tinh và ảnh máy bay hơn là điều tra trên mặt đất, đôi lúc cũng cho phép biết được độ xê dịch của các đứt gãy và đặc điểm của nó.
- Cho biết tính liên tục của địa hình bề mặt như các thềm, đồng bằng tích tụ aluvi, đồng bằng tích tụ biển v.v... và ranh giới giữa chúng cũng như thành phần vật liệu cấu tạo nên địa hình đó (cát thô, bột, sét, sỏi cuội).
- Xác định các giếng nước, hệ thống kênh mương chưa hoàn chỉnh, các diện tích tụ nước;
- Cho biết vị trí các mạch nước ngầm, những chỗ thấm rỉ trên sườn, diện tích trượt đất bao gồm các trượt đất cũ, mới và những nơi sắp xẩy ra trượt, diện tích bị mặn hoá;
- Cho biết lớp phủ thực vật tự nhiên và hiện trạng;
- Một bản đồ địa chất ảnh cũng chỉ ra các đặc điểm văn hoá xã hội như đường giao thông, thành phố, khu dân cư, khu vực canh tác v.v...Những đặc điểm này giúp cho việc định hướng.
Ngoài những điều nêu trên, có hai điểm quan trọng trong nghiên cứu địa chất ảnh là:
- Đoán đọc địa chất trên ảnh không thể thay thế cho công tác khảo sát thực địa, cần kết hợp cả hai phương pháp;
- Không nhất thiết rằng mỗi đoán đọc trên ảnh đều cần phải kiểm tra ngoài thực tế trước khi vẽ chúng trên bản đồ. Kiểm tra ngoài thực địa được tiến hành ở các mặt cắt đã chọn trước mà có sự nghi nghờ, công việc này giúp cho chúng ta hiểu được sự thể hiện thạch học của các loại đá khác nhau trên ảnh, đường phương đá, đo lại góc cắm của lớp và xác định lại cấu trúc địa chất còn nghi ngờ.
4.5.3 Kỹ thuật giải đoán ảnh trong địa chất a) Cơ sở giải đoán địa chất ảnh
Giải đoán địa chất trên ảnh vệ tinh và ảnh máy bay dựa trên cơ sở số lượng các nhân tố nhận biết cơ bản (fundamental recognition elements):
+ Nhân tố ảnh: chẳng hạn sự tương phản về nền trên ảnh;
+ Các nhân tố địa kỹ thuật, chẳng hạn như địa hình;
+ Liên kết các đặc điểm và tập hợp tất cả các dự kiện bao gồm sử dụng các nhân tố ảnh, các nhân tố địa kỹ thuật cho phép xác định đối tượng một cách chính xác.
Tỷ lệ ảnh và độ phóng đại đứng trên cặp ảnh máy bay nhìn nổi cũng là yếu tố nhận biết giúp cho ước đoán các góc cắm của lớp và phóng đại các dạng địa hình giúp cho việc nhận biết dễ dàng. Đối với việc phân tích đứt gẫy (lineament) cho mục đích kiến tạo, ảnh vệ tinh tỷ lệ nhỏ rất cần thiết.
Số lượng thông tin địa chất có thể thu được từ ảnh máy bay và ảnh vệ tinh phụ thuộc đối tượng cần giải đoán (đá trầm tích cho nhiều thông tin nhất, đá biến chất cho ít thông tin nhất) và môi trường khí hậu. ở vùng khí hậu khô hạn, các vết lộ thể hiện nhiều hơn ở vùng điều kiện khí hậu nhiệt đới, do đó việc tiến hành lập bản đồ địa chất ảnh cũng như phân biệt các kiểu đá ở vùng khí hậu khô hạn dễ dàng hơn.
b) Các nhân tố đoán đọc của ảnh máy bay và ảnh vệ tinh
1. Tông màu. Được hiểu là tổng lượng ánh sáng được phản xạ bởi đối tượng và được nhận biết bởi các cấp độ xám tối khác nhau được ghi lại trên ảnh máy bay và ảnh vệ tinh.
Tông màu tối: Biểu hiện bề mặt giáp khô, khu vực rất ướt không thấm nước hay có mực nước ngầm, khu vực có thực vật rậm rạp, các hồ chứa nước.
Tông màu sáng: Biểu hiện bề mặt địa hình nhẵn, dạng địa hình băng, tuyết, các đá xâm thực.
Tông màu dạng vết đốm: Biểu hiên sự thay đổi thạch học hay đá có độ rỗng.
Tông màu dạng lớp: Biểu hiện sự khác nhau của các đá. Tông màu trên ảnh còn phụ thuộc vào hướng sườn dốc đối với góc chiếu của tia sáng mặt trời tại thờì điểm chụp ảnh. Sườn dốc bị che bóng biểu hiện tông màu tối, ngược lại sườn dốc được chiếu sáng tông màu sáng.
2. Kiến trúc ảnh. Được định nghĩa như là tần số sự thay đổi tôn màu trên ảnh gây ra bởi tập hợp của nhiều đặc điểm từ rất nhỏ tới rõ ràng của các cá thể riêng biệt. Kiến trúc ảnh được mô tả như kiến trúc hạt mịn, hạt thô, kiến trúc vết đốm, kiến trúc khối v.v...
3. Kiểu: Là một nhân tố nhận biết quan trọng, nó thể hiện sự sắp xếp các đối tượng như địa hình, lớp phủ thực vật v.v... trên ảnh máy bay và ảnh vệ tinh theo không gian một cách có thứ tự, giúp cho việc nhận biết các đối tượng. Kiểu có thể do con người hay tự nhiên tạo ra. Kiểu có thể là các đường kẻ thẳng, đường vạch, đường cong, thực vật kiểu lớp, mảng thực vật dạng khối.
4. Hình dáng: Hình dáng của một đối tượng, chẳng hạn như toà nhà, miệng núi lửa, một thế đai v.v... có thể được nhận biết dễ dàng trên ảnh. Hình dáng do con người tạo ra thường dễ nhận biết hơn. Các đụn cát, thềm sông, nón phóng vật, sống núi được nhận biết dễ dàng khi nhìn qua ảnh lập thể.
5. Kích thước: Kích thước của đối tượng đôi khi có thể nhận biết bởi mối liên hệ của nó với đối tượng đã biết trên ảnh hay qua nghiên cứu vết bóng của đối tượng. Hình dáng và kích thước rất cần thiết trong việc nhận biết đặc điểm địa hình, địa vật, chẳng hạn như hố sụt, sông, hồ, v.v...
Mối quan hệ của đối tượng này với đối tượng khác trên ảnh cũng giúp cho việc nhận biết, chẳng hạn các thung lũng lòng chảo biểu hiện cho địa hình sông băng, đặc điểm dạng đường bờ biển thẳng biểu hiện của một đứt gãy chạy qua.
4.5.4 Các nhân tố địa kỹ thuật sử dụng trong giải đoán ảnh
Sau khi đã nghiên cứu sơ bộ trên ảnh vệ tinh và ảnh máy bay, cần sử dụng các nhân tố địa kỹ thuật phục vụ cho công tác giải đoán, các nhân tố đó bao gồm:
1. Địa hình
Cho phép nhận biết các loại đất đá khác nhau trên ảnh, chẳng hạn các hố sụt, các giếng, phin castơ tiêu biểu cho sự có mặt của đá vôi. Các dạng sườn dốc, vách thung lũng địa hình chỉ ra mức độ cứng, mềm của đá. Sự có mặt của địa hình thềm, bãi bồi biểu hiện sự tích tụ sản phẩm của sông v.v...
2. Thực vật
Kiểu thực vật cũng như mật độ của nó chỉ rõ độ ẩm của đất nằm dưới. Một loại thực vật nhất định như cây liễu (được biết như là loại thực vật chỉ thị) chỉ mọc ở nơi có độ ẩm cao. Các loại cây xoài, cây me, cây đa v.v... chỉ ra khu vực nước nông và nước ngầm sạch. Thực vật có thể nhận biết bởi kiểu của chúng và tông màu trên ảnh.
3. Các kiểu mạng lưới sông suối và mật độ
Là nhân tố rất quan trọng cho việc đoán đọc. Các kiểu mạng lưới sông suối và sự thay đổi của chúng là những đặc điểm cho biết kiểu đất đá hay tập hợp các vật liệu khác nhau, đồng thời chúng cũng biểu thị cho các cấu trúc địa chất. Có sáu kiểu mạng lưới sông suối cơ bản:
a) Kiểu cành cây (trông giống cành cây): phát triển trên các đá (Dendritic) đồng nhất, nằm ngang và biểu hiện đồng đều ở tất cả các hướng. Sự phát triển của nó còn phụ thuộc vào các kiểu đá, thí dụ trên đá granit cứng nó biểu hiện đơn giản hơn trên các đá phiến sét ở các vùng đá vôi biêủ hiện của nó dưới dạng hố sụt hay tập hợp mạng lưới hố nhỏ liên kết với nhau.
b) Kiểu ô mạng (trellis pattern) Kiểu này thường phát triển trên các nếp uốn hay trên các loại đá có độ cứng hoặc mềm mà đường phương song song hoặc trùng với thung lũng mà
chính chúng là các đứt gãy song song. Các nhánh ban đầu thường dài, thẳng song song với nhau và là các suối chính. Các nhánh thứ hai thường ngắn, nhỏ và nối với nhánh chính một góc vuông.
Những nhánh phát triển trên sườn dốc cùng hướng với góc cắm của lớp thường dài hơn so với nhánh phát triển ở sườn ngược hướng với góc cắm của lớp.
c) Kiểu toả tia (Radial drainage) Bao gồm các mạng lưới khe suối chảy toả tia từ vùng trung tâm (miệng núi lửa, hay vòm nâng) ra ngoài hoặc chảy vào phần trung tâm (là các lưu vực, hố trũng).
d) Kiểu song song (Parallel drainage) Các nhánh gần như chảy song song với nhau.
Kiểu này thường phát triển trên các đá kém đồng nhất, trên các trầm tích lớt hay ở các thung lũng bị lấp đầy, trên các sườn dốc.
e) Kiểu hình khuyên (Anmler drainage) Các nhánh nối chính có dạng toả tia và chảy theo đường cong tạo thành các thung lũng hình khuyên ôm lấy một vòm nâng hay một nếp uốn đảo ngược.
f) Kiểu vuông góc (Rectangular drainage) Các nhánh phụ nối với các nhánh nối chính làm thành một góc vuông. Kiểu mạng sông suối này cho biết đặc điểm đứt gãy hay các thế chi của đá.
Cộng với các kiểu mạng lưới sông suối, mật độ mạng lưới sông suối cũng rất quan trọng và là dấu hiệu cho giải đoán.
Nếu các nhánh nối phát triển với mật độ cao, cho biết đất đá gốc ở đó bền vững với quá trình xói mòn và có độ thấm thấp. Loại này thường là sét, phiến sét, bột và cát sét.
Nếu các nhánh nối phát triển với mật độ thấp, cho biết đất đá gốc ở đó bền vững với quá trình xói mòn. Loại này thường biểu hiện cho các đá cát kết granit và các loại đá cứng khác.
Các dạng mạng lưới thủy văn cơ bản có thể xem trong hình 3-2.
Trong việc phân tích mật độ mạng lưới sông suối, địa hình, tổng lượng mưa, cường độ mưa của khu vực đó cần được tính tới kết hợp với lớp phủ thực vật và khả năng xói mòn của đá.
ở vùng khí hậu khô hạn, tổng lượng mưa thấp, song cường độ mưa lớn, chỉ cần diễn ra trong thời gian ngắn đã đủ gây ra xói mòn làm phát triển các khe rãnh.
4. Các kiểu xói mòn (Erosion pattern)
Đặc điểm xói mòn cũng được xác định như một nhân tố giải đoán quan trọng, cụ thể chúng có thể thấy như sau:
- Mặt cắt ngang của khe rãnh không giống nhau ở các loại đất khác nhau. Khe rãnh phát triển trên loại đất có cấu tạo hạt thô (như đất cát) thường ngắn và dốc.
- Trong các loại đất bột, đất tốt khe rãnh thường dốc ở phần đỉnh và bằng phẳng ở phần thân.
- Trong đất sét, khe rãnh thường dài và bằng phẳng.
Hệ thống khe rãnh còn phát triển trên các dạng địa hình đất đang hoạt động.
5. Hiện trạng sử dụng đất (land use)
Hiện trạng sử dụng đất cho ta thông tin về điều kiện đất của khu vực. Đất phát triển trên đá bột kết-sét kết và trên đá vôi thường là diện tích canh tác. ở diện tích đồng bằng ngập theo mùa của lưu vực sông, thường là diện tích cho trồng trọt và điểm quần cư bởi điều kiện địa hình