Địa hình là gì? Các nghiên cứu khoa học về Địa hình

Định nghĩa địa hình

Địa hình (topography) là tập hợp các đặc trưng bề mặt Trái Đất, bao gồm độ cao, độ dốc và hình thái của các đơn vị địa mạo như đỉnh núi, thung lũng, bình nguyên và sườn dốc. Những đặc trưng này hình thành nên cấu trúc không gian ba chiều của bề mặt, phản ánh quá trình kiến tạo, phong hóa và bào mòn qua thời gian địa chất.

Địa hình khác với khái niệm địa mạo (geomorphology) ở chỗ tập trung vào mô tả và phân loại hình dạng bề mặt, trong khi địa mạo nghiên cứu cơ chế và quá trình hình thành. Địa hình được đo đạc và biểu thị trên bản đồ địa hình (topographic map) với đường đồng mức (contour lines), lưới tọa độ kinh vĩ và các ký hiệu minh họa độ cao so với mực nước biển.

Việc hiểu rõ địa hình là tiền đề quan trọng trong quy hoạch sử dụng đất, thiết kế hạ tầng, quản lý tài nguyên nước và đánh giá rủi ro thiên tai. Dữ liệu địa hình còn là nền tảng cho các phân tích môi trường, mô phỏng thủy văn và dự báo nguy cơ sạt lở, lũ quét.

Các yếu tố cấu thành địa hình

Độ cao (elevation) là khoảng cách theo phương thẳng đứng từ mực nước biển trung bình đến điểm trên bề mặt; yếu tố này quyết định điều kiện khí hậu cục bộ và phân bố thực vật. Độ cao thường được xác định bằng các công nghệ đo đạc truyền thống hoặc hệ thống đo cao độ số (Digital Elevation Model – DEM).

Độ dốc (slope) mô tả mức độ nghiêng của bề mặt, xác định bằng góc θ giữa mặt nghiêng và phương ngang. Độ dốc ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ dòng chảy bề mặt, nguy cơ xói mòn và khả năng sử dụng đất. Công thức tính đơn giản:
$\tan\theta = \frac{\Delta h}{\Delta x}$

Hình thái bề mặt (landform) bao gồm cấu trúc như đỉnh, sườn, khe suối, bình nguyên và thung lũng. Mỗi hình thái mang đặc trưng hình học riêng và gắn với cơ chế hình thành đặc thù, ví dụ thung lũng sông do bào mòn dòng chảy tạo thành, bình nguyên do bồi tụ vật liệu.

Yếu tố	Định nghĩa	Ảnh hưởng
Độ cao	Khoảng cách thẳng đứng so với mực nước biển	Quy định khí hậu, sinh cảnh
Độ dốc	Góc nghiêng so với phương ngang	Quyết định tốc độ dòng chảy, xói mòn
Hình thái bề mặt	Cấu trúc địa mạo như đỉnh, thung lũng	Ảnh hưởng tới phân bố đất đai và sử dụng

Phân loại địa hình

Địa hình núi cao (montane) là khu vực có độ cao lớn hơn 1.500 m, thường có dãy núi ghồ ghề, độ dốc lớn và thời tiết khắc nghiệt. Ví dụ: dãy Himalaya, dãy Andes.

Địa hình đồi núi thấp (hills) có độ cao từ 200 đến 600 m, độ dốc trung bình, thuận lợi cho canh tác bậc thang và chăn nuôi. Ở nhiều vùng nhiệt đới, đồi thấp còn được trồng cây công nghiệp như chè, cà phê.

Địa hình đồng bằng (plain) là khu vực có độ cao thấp, độ dốc nhỏ, vật liệu bề mặt thường là phù sa hoặc cát kết; dễ dàng xây dựng đô thị, hệ thống giao thông và phát triển nông nghiệp intensive.

• Ven biển: đồng bằng ven biển hình thành do bồi tụ cửa sông và sóng biển.
• Sa mạc: khu vực có độ ẩm thấp, vật liệu chủ yếu là cát và sỏi, địa hình bằng phẳng hoặc gò đồi thấp.
• Bình nguyên cao: vùng cao bằng phẳng, thường nằm trên cao nguyên đá vôi hoặc bazan.

Quá trình hình thành

Yếu tố nội sinh đến từ hoạt động kiến tạo mảng (plate tectonics), nâng lên hoặc hạ xuống các khối vỏ Trái Đất. Vùng mảng va chạm tạo núi trẻ, trong khi vùng mảng giãn nở hình thành thung lũng và bồn trũng. Theo Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), kiến tạo mảng chi phối cấu trúc địa hình quy mô lớn.

Yếu tố ngoại sinh bao gồm phong hóa (hóa học và cơ học) và bào mòn, do nước, gió, băng hà và trọng lực tác động. Sông suối khoét sâu thung lũng, băng hà mài mòn tạo landscape điển hình vùng núi cao, gió thổi hình thành địa hình đụn cát.

Quá trình tương tác liên tục giữa hai quần thể yếu tố nội sinh và ngoại sinh tạo nên địa hình động, thay đổi theo thời gian địa chất. Hình ảnh vệ tinh từ NASA Earth Observatory mô tả rõ sự biến động địa hình do băng tan và lũ lụt (NASA EO).

Phương pháp đo đạc và bản đồ hóa

Khảo sát địa hình truyền thống sử dụng các thiết bị cơ bản như máy toàn đạc (theodolite), máy đo khoảng cách (total station) và máy đo cao độ (leveling instrument) để thu thập tọa độ X, Y, Z tại các điểm kiểm tra. Quy trình bao gồm đo góc ngang, góc cao và khoảng cách đến điểm cần đo, sau đó tính toán tọa độ qua tam giác góc và sai phân độ cao.

Viễn thám và công nghệ LiDAR (Light Detection and Ranging) đã làm thay đổi cách thu thập dữ liệu địa hình. LiDAR sử dụng chùm tia laser phát từ máy bay hoặc UAV để đo khoảng cách đến bề mặt, thu thập hàng triệu điểm cao độ với độ chính xác cm. Ảnh vệ tinh đa quang phổ và radar như Sentinel-1/2 (Copernicus) hoặc SRTM (NASA) cung cấp dữ liệu phủ rộng, phù hợp khảo sát quy mô vùng lớn.

• Toàn đạc cơ học: Độ chính xác cao nhưng tốn thời gian và nhân công.
• LiDAR: Độ phân giải cao, thu thập nhanh, chi phí trung bình.
• Ảnh vệ tinh: Phủ rộng, chi phí thấp, độ phân giải phụ thuộc vệ tinh.

Phương pháp	Độ chính xác	Quy mô	Chi phí
Kỹ thuật thủ công	±1–5 cm	Điểm	Thấp–Trung bình
LiDAR	±5–15 cm	Hàng triệu điểm/km²	Trung bình–Cao
Ảnh vệ tinh	±1–30 m	Toàn cầu	Thấp

Mô hình địa hình số (Digital Terrain Model)

Mô hình địa hình số (Digital Terrain Model – DTM) là bản đồ số biễu diễn bề mặt đất trần, loại bỏ cây cối, công trình và vật cản. Mô hình số độ cao (Digital Elevation Model – DEM) thường chỉ chung cho DTM và DSM (Digital Surface Model – bao gồm mọi vật thể trên bề mặt).

Dữ liệu DEM phổ biến bao gồm SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) của NASA, ASTER GDEM của METI/NASA và TanDEM-X của DLR. Các giá trị cao độ được lưu trữ dưới dạng ma trận lưới, mỗi ô (pixel) có giá trị Z đại diện độ cao trung bình hoặc điểm cao nhất trong ô.

• SRTM: độ phân giải 30 m, phủ 60°N–56°S (NASA JPL).
• ASTER GDEM: độ phân giải 30 m, phủ toàn cầu (ASTER).
• TanDEM-X: độ phân giải 12 m, độ chính xác cao (DLR).

Phân tích DTM trong GIS (ArcGIS, QGIS) bao gồm trích xuất đường đồng mức, phân vùng độ dốc, hướng dốc và tạo bản đồ 3D. Các công cụ plugin như ‘Processing → Terrain Analysis’ hỗ trợ tính toán watershed, hillshade và viewshed.

Tầm quan trọng trong nghiên cứu môi trường

Địa hình đóng vai trò then chốt trong mô hình thủy văn, xác định hướng dòng chảy, tốc độ thoát nước và khu vực ngập lụt tiềm năng. Bản đồ độ dốc và hướng dốc giúp dự báo xói mòn đất, từ đó xây dựng biện pháp bảo tồn đất nông nghiệp và rừng đầu nguồn.

Trong nghiên cứu khí hậu, độ cao ảnh hưởng đến nhiệt độ và lượng mưa, dẫn đến phân bố sinh cảnh và đa dạng sinh học. Phân tích địa hình kết hợp dữ liệu sinh thái, vệ tinh và khí tượng hỗ trợ đánh giá tác động biến đổi khí hậu lên hệ sinh thái núi cao.

• Quản lý nước: xác định lưu vực, vị trí xây dựng hồ chứa và đập nhỏ.
• Bảo tồn đất: quy hoạch vườn ươm, thiết kế rãnh cạn và bờ kè.
• Đa dạng sinh học: mô phỏng vùng phân bố loài theo độ cao và độ dốc.

Ứng dụng thực tiễn

Quy hoạch đô thị và xây dựng hạ tầng giao thông dựa trên phân tích địa hình để xác định vị trí an toàn, tối ưu hóa đường xá, hệ thống thoát nước và móng công trình. Bản đồ đất trượt và thung lũng dễ ngập là căn cứ trong thiết kế công trình chống lũ và lở đất.

Trong nông nghiệp, địa hình hướng dẫn thiết kế ruộng bậc thang, hệ thống tưới tiêu và phân chia vùng canh tác theo độ dốc để hạn chế xói mòn. Ví dụ, tại các vùng đồi chè hoặc cà phê, địa hình số hỗ trợ tính toán khối lượng đất cần san ủi hoặc bù nền.

Khảo sát địa chất và tìm kiếm khoáng sản ứng dụng địa hình số để xác định cấu trúc đứt gãy, chỗ lộ đá mẹ và mô phỏng luồng dung dịch khoáng. Bộ Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ cung cấp cơ sở dữ liệu khoáng sản gắn kết với DEM để hướng dẫn khai thác (USGS).

Thách thức và xu hướng tương lai

Độ phân giải DEM càng cao thì yêu cầu lưu trữ và xử lý dữ liệu càng lớn. Vấn đề cân bằng giữa độ chính xác và hiệu suất tính toán là thách thức lớn khi áp dụng DEM độ phân giải dưới 1 m trong quy mô vùng rộng.

Công nghệ AI và máy học (machine learning) ngày càng được ứng dụng để tự động hóa phân tích địa hình, nhận dạng đặc trưng cảnh quan và dự báo thay đổi địa hình do biến đổi khí hậu. Mạng nơ-ron sâu (deep neural networks) có thể trích xuất mô hình đứt gãy và sạt lở từ dữ liệu viễn thám đa tầng.

• WebGIS & AR: tích hợp bản đồ 3D tương tác trên trình duyệt và thiết bị di động.
• DEM thời gian thực: cập nhật tự động từ UAV và cấu hình mạng IoT.
• Điều phối xã hội: huy động cộng đồng đo đạc qua ứng dụng di động để làm giàu dữ liệu DEM.

Tài liệu tham khảo

• U.S. Geological Survey. (2021). Geomorphology and Terrain Analysis. Truy cập tại usgs.gov
• NASA Earth Observatory. (2020). How Terrain Shapes Earth’s Surface. Truy cập tại earthobservatory.nasa.gov
• Copernicus Programme. (n.d.). Sentinel Satellite Data. Truy cập tại copernicus.eu
• Li, Z., Zhu, Q., & Gold, C. (2005). Digital Terrain Modeling: Principles and Methodology. CRC Press.
• Tarboton, D. G. (1997). Fractal analysis of digital elevation models. Computers & Geosciences, 23(8), 809–818.