ứng dụng GIS và viễn thám trong quản lý tài nguyên và môi trường

ĐẠ TRƯ KHOA MÔI TRƯ GIS VÀ RS H NGẬP LỤT ẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN GIS VÀ RS HỖ TRỢ TÍNH TOÁN T Ở CÁC LƯU VỰC SÔNG GVHD Th S Lưu Đình Hiệp Nhóm 2 Võ Thị Xuân Đào 1811832 Lê Ngọc Nhật Quỳnh 1813771 Trần Tường Vy 1814857 TP HCM, 2020 NG VÀ TÀI NGUYÊN TÍNH TOÁN C SÔNG p 1811832 1813771 1814857 MỤC LỤC I TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ĐỐI VỚI HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA BÀI THUYẾT TRÌNH 3 1 Đề tài nghiên cứu 3 2 Thực trạng 3 3 Tổng.

ĐẠ ẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG TRƯ NG VÀ TÀI NGUYÊN GIS VÀ RS HỖ H TRỢ TÍNH TỐN NGẬP LỤT T Ở CÁC LƯU VỰC C SÔNG GVHD: Th.S Lưu Đình Hiệp p Nhóm 2: Võ Thị Xn Đào 1811832 Lê Ngọc Nhật Quỳnh 1813771 Trần Tường Vy 1814857 TP.HCM, 2020 MỤC LỤC I TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ĐỐI VỚI HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA BÀI THUYẾT TRÌNH: .3 Đề tài nghiên cứu Thực trạng 3 Tổng quan nghiên cứu II KỸ THUẬT GIS, RS ĐƯỢC ÁP DỤNG: Các lớp liệu liên quan: Các kỹ thuật GIS/kỹ thuật xử lý liệu không gian sử dụng: Xác định lưu vực sông 10 Các phần mềm kết hợp với ứng dụng GIS tính tốn ngập lục lưu vực sông 15 III KẾT LUẬN .19 IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 19 I TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ĐỐI VỚI HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA BÀI THUYẾT TRÌNH: Đề tài nghiên cứu  Lưu vực sơng gì? - Lưu vực sơng vùng đất mà phạm vi nước mặt, nước đất chảy tự nhiên vào sơng cửa chung biển - Lưu vực sơng gồm có lưu vực sơng liên tỉnh lưu vực sơng nội tỉnh  Tìm hiểu ứng dụng GIS RS? - Thông tin liệu lưu trữ quản lí đồ giấy vẽ kĩ thuật, CAD - Biết thông tin vị trí đối tượng, đồng thời biết thêm thơng tin thuộc tính - Quản lí chặt chẽ thông tin, hiển thị thông tin dạng đồ báo cáo dễ hiểu - Kết hợp liệu nhiều nguồn khác nhau, tổng hợp thông tin Thực trạng - Hiện tượng ngập lụt xảy thưòng xuyên - Mưa lớn, bão làm tăng nguy ngập lụt - Biến đổi khí hậu làm mực nước biển dâng cao - Địa hình sơng dốc nên lũ lên xuống nhanh => Gây hậu nghiêm trọng người tài sản Tổng quan nghiên cứu  Tình hình nghiên cứu GIS giới - Shafaie, M., Ghodosi, H., Mostofi, K.H (2015), River sediment monitoring using remote sensing and GIS Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Shahid Chamran - Alvarez, C.R., Ruiz, R.I (2008), Assessment Monitoring of Suspended Sediment of Alpine Glaciers, using Remote Sensing Techniques Department of Geology, University of Puerto Rico - Zhang, M., Dong, Q., Cui, T., Xue, C., Zhang, S (2014), Suspended sediment monitoring and assessment for Yellow River estuary from Landsat TM and ETM+ imagery Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China  Tình hình nghiên cứu GIS giới - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám GIS tính tốn diện tích ngập lụt lưu vực sơng ba thuộc tỉnh gia lai giải đoán ảnh LANDSAT - Phan Sỹ Đồng (2018) - Nghiên cứu nhận dạng lũ lớn, phân vùng nguy lũ lớn xây dựng đồ ngập lụt phục vụ cảnh báo lũ lớn lưu vực sông Lam Trần Duy Kiều (2015) - Nghiên cứu xây dựng đồ ngập lụt hạ lưu lưu vực sơng Ba - Bùi Minh Hịa (2012) II KỸ THUẬT GIS, RS ĐƯỢC ÁP DỤNG: Các lớp liệu liên quan:  Nguyên nhân - - - Biến đổi khí hậu Lượng mưa lớn : trung bình 2000mm/năm Trận mưa ngày 21/7/2009 kéo dài tiếng gây ngập lụt trầm trọng Tại trạm khí tượng Mạc Đỉnh Chi (Q.1 Sài Gòn) lượng mưa đo từ 13 30 đến 15 82 mm, tính mưa ngày tổng cộng 100 mm Triều cường cao : đỉnh triều đo sơng Sài Gịn năm 2014 1,68 m, cao kỹ lục 50 năm Đợt triều cường ngày 7/11/2010 kéo dài ngày, đỉnh triều đo trạm Phú An 1,56 m, cao kỹ lục 50 năm, gây ngập lụt nặng bao gồm quận 8, quận Bình Thạnh, phần quận Thủ Đức, quận 12, huyện Hóc Mơn Qui hoạch thị Công tác thống kê, dự báo chưa quan tâm Các dự án nước thi cơng khơng đồng bộ, chồng chéo , làm tắc nghẽn dòng chảy, gây ngập Hệ thống đê bao chống ngập lụt không hữu hiệu Hệ thống thoát nước chưa tốt  Cần thu thập giải vấn đề sau  ĐIỂM NGẬP DO MƯA - Mã số điểm ngập - Phạm vi ngập - Tên đường, quận - Đặc điểm điểm ngập (hiện hữu hay phát sinh)  ĐIỂM NGẬP DO TRIỀU CƯỜNG - Mã số - Tên đường, tên quận - Vị trí bắt đầu điểm ngập - Vị trí kết thúc ngập  ĐỢT TRIỀU - Ngày triều cường - Cao độ dự báo - Thời gian dự báo  TRẠM ĐO VŨ LƯỢNG - Mã trạm - Tên trạm  CỬA XẢ - Mã số - Tên cửa xả - Tên quận - Tên trạm đo vũ lượng  SỐ LIỆU ĐO TẠI CÁC ĐIỂM NGẬP - Điểm ngập - Độ sâu ngập H (m) - Diện tích ngập S (m2) - Thời gian nước rút T (phút) - Mức độ ngập  SỐ LIỆU ĐO NGẬP DO MƯA Các số liệu phân thành nhiều nhóm liệu để quản lý, số liệu xác định ngày cụ thể: Trận mưa: - Thông tin ngày mưa gây ngập - Mức triều cường ngày hơm Vũ lượng: - Thơng tin trạm đo - Thời gian bắt đầu mưa - Thời gian kết thúc mưa - Vũ lượng đo Mực nước cửa xã: - Thông tin tên cửa xả - Thời điểm đo bắt đầu mưa - Cao độ lúc bắt đầu mưa - Thời điểm đo mưa lớn - Cao độ mưa lớn - Thời điểm đo sau mưa - Cao độ sau mưa Các kỹ thuật GIS/kỹ thuật xử lý liệu không gian sử dụng: a Phương pháp xây dựng liệu GIS Chuyển đổi liệu CAD (Computer Aided Design) hệ thống thoát nước quản lý, đo vẽ bổ sung vị trí hố ga, điều tra xây dựng tuyến thoát nước Nắn chuyển liệu CAD sang GIS tuyến nước Hình 1: Sơ đồ tuyến nước  Để chuyển nguồn liệu CAD sang GIS áp dụng quy trình qua bước sau: Bước Tiến trình thực Phân tích đối tượng theo lớp liệu Chuyển đổi định dạng liệu CAD sang GIS Nắn liệu GIS chuyển đổi theo liệu GIS Kiểm tra, hiệu chỉnh liệu không gian tạo topology Kiểm tra, xử lý, liên kết liệu thuộc tính Kết nạp liệu GIS vào Geodatabase  Trong trình chuyển đổi, liệu GIS sau chuyển từ CAD bị sai lệch so với đồ tham chiếu Qua tìm hiểu, xác định nguyên nhân sai lệch liệu GIS do: – Dữ liệu CAD vẽ tham chiếu không hệ tọa độ với đồ GIS; – Tỷ lệ áp dụng vẽ CAD không giống với tỷ lệ đồ tham chiếu GIS; – Tham chiếu vẽ CAD khơng có nguồn gốc từ đồ nền; – Sai số trình thao tác người vẽ CAD… Hình 2: Sai lệch liệu GIS tuyến thoát nước so với liệu GIS Do đó, quy trình chuyển đổi liệu CAD sang GIS (theo Bảng 1), bước thứ mục đích tăng độ xác liệu khơng gian Đây cơng đoạn quan trọng nhằm góp phần tăng chất lượng liệu GIS tuyến thoát nước Để nắn chỉnh nguồn liệu GIS hệ thống nước, sử dụng cơng cụ nắn chỉnh liệu không gian (Spatial Adjustment) phần mềm ArcGIS 10 hãng ESRI, Hoa Kỳ thực Phương pháp thực nắn chuyển dịch chuyển tịnh tiến (Transformation Affine) Quy định lập đồ địa giá trị RMS (Root Mean Square) < 20mm + 4.D mm (D khoảng cách sai lệch trung bình, tính km), áp dụng cho đồ địa tỷ lệ đến 1:10.000 Quy trình thực nắn chuyển Hình Hình 3: Quy trình nắn chuyển liệu GIS tuyến thoát nước liệu b Phương pháp xây dựng mơ hình hệ thống Hình 4: Mơ hình tổng thể hệ thống GIS quản lí hệ thống nước Trong mơ hình hệ thống quản lý đối tượng di động theo thời gian thực, tích hợp công nghệ GIS, GPS & GPRS áp dụng hầu hết nước giới sử dụng đồ tham chiếu Google Map Bing Map…Hệ tọa độ áp dụng hệ tọa độc quốc tế (WGS-84) Để chuyển hệ tọa độ VN2000, sử dụng cơng cụ chuyển đổi DatumTransform DotSpatial lập trình thành công cụ chuyển đổi hệ tọa độ từ hệ tọa độ quốc tế WGS-84 sang hệ tọa độ VN-2000 theo phương trình chuyển đổi bảy tham số c Phương pháp thiết kế xây dựng phần mềm ứng dụng Hình Mơ hình phát triển ứng dụng hệ thống -  Tầng sở liệu: Hệ thống sở liệu (CSDL) GIS thiết kế cài đặt hệ quản trị liệu Microsoft SQL Server Express phiên 2005 trở lên;  Tầng ứng dụng: - Tầng ứng dụng phát triển theo giải pháp: phần mềm ứng dụng theo mơ hình Client/Server; - Giải pháp phần mềm ứng dụng khao thác CSDL GIS hệ thống phát triển dựa công cụ mã nguồn mở DotSpatial tổ chức OSGeo Ngôn ngữ lập trình C#, Net Framework 4.0, cơng cụ lập trình Microsoft Visual Studio 2010 Express  Tầng giao diện: - Phần mềm GIS quản lý hệ thống thoát nước phục vụ tác nghiệp HEPCO, liên quan đến phòng, xí nghiệp sau: (1) Phịng Tổ chức – Hành chính; (2) Phịng Kỹ thuật; (3) Xí nghiệp Thốt nước; - Giải pháp xây dựng giao diện phần mềm phục vụ dựa môi trường Winform Phần mềm chạy hệ điều hành Window XP trở lên Giao diện tiếng Việt theo chuẩn Unicode TCVN 6909:2001 d Kết Hình Giao diện phần mềm GIS quản lý hạ tầng hệ thống nước thị Kết đề tài thay đổi phương thức quản lý hạ tầng hệ thống thoát nước trước giấy họa đồ sang phương thức mới, phần mềm GIS Với phương thức quản lý mới, thông tin quản lý tập trung, thống nhất, nhanh xác Xác định lưu vực sơng  Có phương pháp - Phương pháp cổ điển: Sử dụng đồ địa hình in giấy - Phương pháp kỹ thuật số: sử dụng công cụ hổ trợ hệ thống thông tin địa lý GIS với đồ kỹ thuật số  Các bước để xác định lưu vực sông  Bước 1: Tạo DEM - DEM: mơ hình số độ cao - Download liệu - Chuẩn bị số liệu cao độ số DEM - - Hình 7: Vị trí điểm dự kiến xác định lưu vực  Bước 2: Xử lý số liệu cao độ số ( Xử lý số liệu cao độ - FILL DEM) Mơ hình DEM chưa hiệu chỉnh có số lỗi điểm lồi lõm khơng mong muốn Vì vậy, cần hiệu chỉnh liệu này, việc sử dụng hàm “Fill” công cụ “Hydrology” ArcGIS Trong Arc Toolboxs > chọn hộp công cụ Spatial Analyst Tools > chon vào công cụ Hydrology > chọn Fill > liệu đầu vào DEM> chọn nơi save output > OK Hình 8: Bản đồ cao độ số LVS Đồng Nai xử lý (Filled DEM) - -  Bước 3: Tính tốn xác định hướng dịng chảy theo mơ hình hướng (Flow Direction) Hướng dòng chảy cho pixel bấtkỳ xác định sở so sánhđộ chênh cao điểm với điểm xung quanh ∆hi = (H – Hi)/ Di Trong đó, ∆hi độ chênh cao, H độ cao pixel cần xác định hướng dòng chảy, Hi độ cao pixel lân cận, Di khoảng cách pixel Hướng dòng chảy xác định hướng tới điểm có độ chênh cao lớn Chọn vào công cụ Hydrology > chọn Flow Direction > liệu đầu vào Fill DEM> chọn nơi save output > OK -  Bước 4: Xác định liên kết hướng dịng chảy lưới (Flow Accumulation) Flow Accumulation: Lưu lượng tích luỹ Được xác định cách tính tổng số lưới tập trung nước theo hướng dịng chảy Chọn vào cơng cụ Hydrology > chọn Flow Accumulation > liệu đầu vào Flow Direction > chọn nơi save output > OK - Hình 9: Kết xác định hướng dòng chảy  Bước 5:Xác định lưu vực sơng tính tốn đặc trưng Hình 10: Kết xác định lưu vực sơng vị trí lưu vực sơng Đồng Nai Các phần mềm kết hợp với ứng dụng GIS tính tốn ngập lục lưu vực sơng  MIKE 11 - Là gói phần mềm kỹ thuật chuyên môn để mô lưu lượng, chất lượng nước vận chuyển bùn cát cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn vật thể nước khác - Là cơng cụ lập mơ hình động lực chiều nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý vận hành cho hệ thống kênh dẫn đơn giản phức tạp Cung cấp môi trường thiết kế hữu hiệu Gồm nhiều modul:modul mưa dòng chảy (RR), modul tải – khuếch tán (AD), modul sinh thái (Ecolab), Modul thủy động lực(HD) Mục tiêu tính tốn: mực nước lưu lượng Số liệu đầu vào: Mạng lưới sông, Số liệu biên biên theo thời gian, Số liệu mực nước trạm kiểm tra  Ứng dụng thực tế thành phố Hồ Chí Minh Kết từ mơ thủy lực bao gồm mực nước lưu lượng truy nhập vào GIS theo điểm nhánh sông với khoảng cách 1000 mét theo không gian Theo thời gian, cách số liệu điểm lại thay đổi Các điểm mô mực nước lưu lượng thể hình  MIKE FLOOD - Mike flood nghiên cứu xây dựng từ mơ hình mưa rào-dịng chảy, mơ hình thủy lực chiều (1D) hai chiều (2D), tích hợp kỹ thuật hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System, GIS) Viện nghiên cứu Hệ thống Môi trường Mỹ (Environmental Systems Research Institute, ESRI) giúp mô hệ thống phân phối nước, hệ thống thoát nước mưa, hệ thống cống thu gom thoát nước cách thuận tiện MIKE FLOOD gồm mơ đun mưa dịng chảy, MIKE MOUSE cho dòng chảy kênh hở cống ngầm, MIKE21 mơ dịng chảy tràn bề mặt mô đun chất lượng nước mô chất lượng nước mưa chảy tràn nước kênh Các mô đun kết nối với thông qua liên kết mơ hình MIKE FLOOD - Nền tảng GIS cho phép mơ hình MIKE FLOOD mơ hệ thống thoát nước ngập lụt chi tiết thuận tiện III KẾT LUẬN - Công nghệ viễn thám - GIS công nghệ ứng dụng phổ biến nhờ khả phát thay đổi bề mặt trái đất phạm vi lớn theo không gian thời gian Việc ứng dụng công nghệ cho phép xử lý, chiết tách thông tin, kết nối quản lý liệu cần thiết phục vụ cho giai đoạn cơng tác phịng chống giảm nhẹ thiên tai Đồng thời, công nghệ viễn thám - GIS cịn đặc biệt hữu ích kết hợp với hệ thống định vị toàn cầu hoạt động tìm kiếm cứu hộ tức thời cho khu vực bị ảnh hưởng thiên tai - Ứng dụng GIS RS để hổ trợ việc tính tốn ngập lụt lưu vực sơng góp phần giúp cơng tác cảnh báo ngập lục lưu vực sông thực cách kịp thời, xác nhanh chống IV TÀI LIỆU THAM KHẢO - Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 34-42 - Viện Quy hoạch Thủy lợi, NCS Ths Nguyễn Xn Phùng, Ứng dụng Mơ hình MIKE 11 tính tốn thủy văn, thủy lực mùa lũ lưu vực sông Ba - Viện quy hoạch thủy lợi miền Nam, NCS Ths Đỗ Đức Dũng, Phương pháp xác định lưu vực sông, https://siwrp.org.vn/tin-tuc/phuong-phap-xac-dinh-luuvuc-song_400.html - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám GIS tính tốn diện tích ngập lụt lưu vực sông ba thuộc tỉnh gia lai giải đoán ảnh LANDSAT Phan Sỹ Đồng (2018) - Nghiên cứu nhận dạng lũ lớn, phân vùng nguy lũ lớn xây dựng đồ ngập lụt phục vụ cảnh báo lũ lớn lưu vực sông Lam Trần Duy Kiều (2015) - Nghiên cứu xây dựng đồ ngập lụt hạ lưu lưu vực sông Ba - Bùi Minh Hịa (2012) BẢNG PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC STT Họ tên Nhiệm vụ Võ Thị Xuân Đào Phần I,III Lê Ngọc Nhật Quỳnh Phần II mục 1,2 Trần Tường Vy Phần III, II mục 3,4 ... tổng thể hệ thống GIS quản lí hệ thống nước Trong mơ hình hệ thống quản lý đối tượng di động theo thời gian thực, tích hợp công nghệ GIS, GPS & GPRS áp dụng hầu hết nước giới sử dụng đồ tham chiếu... 2005 trở lên;  Tầng ứng dụng: - Tầng ứng dụng phát triển theo giải pháp: phần mềm ứng dụng theo mơ hình Client/Server; - Giải pháp phần mềm ứng dụng khao thác CSDL GIS hệ thống phát triển dựa... nước thị Kết đề tài thay đổi phương thức quản lý hạ tầng hệ thống thoát nước trước giấy họa đồ sang phương thức mới, phần mềm GIS Với phương thức quản lý mới, thông tin quản lý tập trung, thống