Untitled TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K2 2015 Trang 89 Đề xuất thuật toán giảm tích lũy dòng chảy ứng dụng trong công tác giảm ngập Khưu Minh Cảnh Lê Trung Chơn Trần Văn Hoài Trường[.]
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K2- 2015 Đề xuất thuật tốn giảm tích lũy dịng chảy ứng dụng công tác giảm ngập Khưu Minh Cảnh Lê Trung Chơn Trần Văn Hoài Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM (Bài nhận ngày 02 tháng 04 năm 2015, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 08 tháng 05 năm 2015) TÓM TẮT Ngập lụt vấn đề nghiêm trọng thành phố, đặc biệt thành phố Hồ Chí Minh năm gần Về ngập địa hình, nghiên cứu giới nhiều phương pháp tính tốn tích lũy dịng chảy Theo đó, dịng chảy tính tích lũy theo ô lưới kênh để giảm ngập Tuy việc gây ảnh hưởng tác động tồn cục hay cục vấn đề cần xem xét Trong báo này, tác giả đề xuất hướng giải thuật toán gần phân tích khơng gian tích hợp lý thuyết đồ thị với mục đích định hướng dịng chảy phân chia Theo đó, nơi có dịng chảy tích lũy lớn nơi bị ngập nhiều Vấn đề đô thị thường nâng đường đào để đạt mục tiêu tích lũy dịng địa hình phải nhỏ giá trị ngưỡng ngập lụt xác định Từ khóa: GIS, phân tích khơng gian, lý thuyết đồ thị, thuật tốn tích lũy dịng chảy GIỚI THIỆU Trong bối cảnh biến đổi khí hậu thời tiết bất thường, vấn đề ngập, đặc biệt ngập đô thị mưa triều cường vấn đề lớn Hiện tại, giải pháp chống ngập, kỹ thuật liên Từ vấn đề trên, nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất phương pháp giải vấn đề giảm thiểu tích lũy dịng chảy bề mặt địa hình thuật tốn đồ thị Thuật tốn tiếp cận với quan đến địa hình, đề xuất như: nâng đường, đào kênh, khai thơng dịng chảy, giảm lượng rác,… Tựu chung lại, giải pháp đề hướng đến việc khơi thơng dịng chảy thay đổi độ cao địa hình nhằm đến định hướng giảm ngập Tuy vậy, việc nâng đường hay đào kênh tác động đến cục hay tồn cục địa hình, nghĩa việc giảm ngập giả định định hình ngưỡng ngập xác định Khi đó, thuật tốn nhóm tác giả tiếp cận đề xuất thay đổi địa hình nhằm giảm tích lũy dịng chảy để tích lũy khơng vượt q ngưỡng ngập Theo đó, thuật tốn gần mơ tả minh họa tính tốn địa hình đơn giản với phương pháp tích lũy hết hay chuyển từ nơi sang nơi khác vấn đề cần nghiên cứu dòng chảy đơn (D8) Trang 89 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K2 - 2015 (a) (b) Hình Các định nghĩa sơ dịng chảy tích lũy Hình (a): hướng dịng chảy ghi địa hình (1: hướng đơng,…); Hình (b): Minh họa phân tích dịng chảy tích lũy địa hình (được sử dụng thuật tốn viết) với: DEM: mơ hình độ cao số (địa hình giả định), Flow path: dịng chảy, Flowdirection: hướng dịng chảy, Flowaccumlation: giá trị tích lũy dịng chảy địa hình; PHÂN TÍCH VÀ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Bao gồm nội dung: sơ lược thuật tốn tính tích lũy dịng chảy, lý thuyết đồ thị, mơ tả thuật tốn 2.1 Thuật tốn tích lũy dịng chảy Với địa hình cho sẵn Việc tính tích lũy dịng chảy địa hình ngày có nhiều nhóm thuật tốn khác Cụ thể là: thuật tốn tính tốn dịng đơn (single flow) thuật tốn tính tốn đa dịng (multi flows) Theo đó, thuật tốn tính tốn dịng đơn nghĩa địa hình có hướng dịng (nước) chảy sang Trang 90 ô liền kề Nổi bật lâu đời thuật toán D8 cài đặt nhiều phần mềm tính tốn Tương tự thuật tốn đa dịng chảy địa hình có nhiều hướng dịng chảy sang lân cận Tùy vào thuật tốn, việc tính tốn chảy sang lân cận phần trăm theo độ cao địa hình Và thuật tốn khác định nghĩa ô lân cận khác Hiện thuật toán biết đến bao gồm: thuật toán MFD, D16,… 2.2 Lý thuyết đồ thị Lý thuyết đồ thị (graph theory) lý thuyết tương quan đỉnh cạnh (mối liên hệ TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K2- 2015 kết nối “đỉnh”) Theo đó, đồ thị gồm tập đỉnh tập “cạnh” kết nối Ngày nay, nhiều ứng dụng sử dụng lý thuyết đồ thị như: tìm đường ngắn nhất, tính đồ thị đặc trưng… Các thuật tốn tính dịng chảy tích lũy xây dựng đồ thị đặc biệt (gọi cây, tree) Các tích lũy với nốt mang giá trị dịng tích lũy Trong đồ thị, định nghĩa sau thiết lập: Trong bảng trên, có 16 đỉnh đồ thị (cây) tương ứng với kết nối dòng chảy (flow path) địa hình trên, theo đó: - - - Giá trị khoảng cách (distance) hai nốt tổng vị trí cịn lại định hình đường ngắn hai nốt đồ thị, kí hiệu d(u,v) - Giá trị lệch tâm (eccentricity) đỉnh giá trị xa từ đỉnh v đến đỉnh khác, kí hiệu ecc(v) - Bán kính đồ thị G giá trị ecc nhỏ nhất, kí hiệu rad(G) - Đường kính đồ thị giá trị ecc lớn nhất, kí hiệu diam(G) - Tâm (center) đồ thị tập đỉnh v cho giá trị lệch tâm chúng bán kính đồ thị, nghĩa là: ecc(v) = rad(G) - Chu vi (periphery) đồ thị tập đỉnh thỏa ecc(v) = diam(G) Giá trị độ lệch tâm thấp nhất: đỉnh J (bằng ecc(J) = 3) Tại đỉnh J, giá trị tích lũy dòng chảy hướng dòng chảy từ đỉnh J sang đỉnh K Giá trị độ lệch tâm cao nhất: đỉnh O L (bằng 6) Theo bảng này, giả định đỉnh P nơi rút nước (kênh), đó, tích lũy nước đỉnh 2.3 Bài tốn thuật tốn đề xuất Với địa hình giả định ngưỡng ngập giá trị số Khi đó, ta phải điều chỉnh địa hình (giá trị DEM) để dịng chảy tích lũy khơng vượt q Thuật toán đề xuất thực việc lặp lại tiến trình tích lũy dịng chưa đạt giá trị thấp ngưỡng sau: Với đỉnh tâm đồ thị: - Giảm độ lệch tâm cho láng giềng có độ lệch tâm cao nhất, - (Bằng cách) Giảm dịng tích lũy dịng cho láng giềng có tích lũy dịng cao Trang 91 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K2 - 2015 Bảng Bảng dịng chảy tích lũy, bảng độ lệch tâm từ nốt đồ thị (cây) với thứ tự đỉnh Dịng chảy tích lũy hướng dịng chảy* *: giá trị ngoặc đơn Giá trị độ lệch tâm Tên đỉnh đồ thị (cây) (ecc) đỉnh đồ thị (1) (4) (8) (16) 4 A B C D (1) (4) (4) (8) 4 5 E F G H (1) (1) 12 (2) (4) 4 I J K L (128) (64) (1) 15 4 M N O P Bảng Bảng dịng chảy tích lũy, bảng độ lệch tâm từ nốt đồ thị (cây) với thứ tự đỉnh Dịng chảy tích lũy hướng dòng chảy* *: giá trị ngoặc đơn Giá trị độ lệch tâm (ecc) đỉnh đồ Tên đỉnh đồ thị (cây) thị (1) (4) (8) (16) 4 A B C D (1) (4) (4) (8) E F G H (1) (2) (2) (4) 5 I J K L (128) (64) 10 (1) 15 5 M N O P Bảng Bảng dịng chảy tích lũy, bảng độ lệch tâm từ nốt đồ thị (cây) với thứ tự đỉnh Dịng chảy tích lũy hướng dòng chảy* (*: giá trị ngoặc đơn) Giá trị độ lệch tâm (ecc) đỉnh đồ Tên đỉnh đồ thị (cây) thị (1) (4) (8) (16) 7 A B C D (1) (1) (4) (8) 5 E F G H (1) (2) (2) (4) I J K L (128) (64) (1) 15 8 M N O P Giả định ngưỡng ngập lụt có giá trị Khi đó, đó, bảng 1, ta có đỉnh J đỉnh trọng Trang 92 tâm (có giá trị ecc nhỏ nhất) lân cận đỉnh N (làm cho N trở nên trọng tâm hơn) đồng thời TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K2- 2015 điểm K điểm có tích lũy dịng cao xung quanh điểm J Do đó, ta chọn hướng dịng chảy từ J sang N thay từ J sang K Sau tính tốn, ta giá trị bảng Trong bảng 2, ta có: - Giá trị tích lũy dịng J - Giá trị tích lũy dịng N 10 - Và giá trị tích lũy dịng K (đã giảm) Theo đó, đồ thị lập với giá trị độ lệch tâm Thực lặp lần nữa, ta thay đổi hướng dòng chảy từ F sang G thay từ F sang J Khi đó, ta kết bảng với giá trị dịng chảy tích lũy nhỏ giá trị ngưỡng (là 8) Khi đó, ta dừng thuật toán Tuy nhiên, trường hợp dịng đơn (single flow), điều kiện đồ hình dịng chảy phải xét đến, khơng có dịng chảy chéo Điều có nghĩa có điểm I(x,y), J(x+1,y), M(x, y+1) N(x+1, y+1) khơng thể có dịng chảy đơn đồng thời từ I sang N J sang M vi phạm luật dịng chảy, nghĩa khơng thể lúc có hai bất đẳng thức dịng Do đó, thuật toán phải thêm bước kiểm tra để loại bỏ trường hợp tiếp tục tìm kiếm vị trí có giá trị ecc nhỏ để điều chỉnh dịng Và thuật tốn khơng tìm vị trí đảo dịng thuật tốn trả giá trị khơng thể tìm cách thức đảo dịng đề nghị thêm điểm hút, nghĩa phải đào kênh địa hình Khi đó, hình thành “rừng” (gồm nhiều riêng lẻ) địa hình thay “cây” (tree) NHẬN XÉT VỀ THUẬT TỐN ĐỀ XUẤT Thuật tốn đề xuất sau thực bước lặp tạo đồ thị (cây) có giá trị độ lệch tâm tăng Thật vậy, giá trị độ lệch tâm tăng nghĩa kết nối phân cụm so với kết nối đỉnh (cạnh) tập trung vào số tâm Vì tập trung tâm đồ thị nơi có giá trị tích lũy dịng lớn có khả vượt ngưỡng ngập Thuật tốn đề nghị phương pháp tính tốn đơn giản so với việc tạo tổ hợp tính tốn thay đổi dịng mạng thuật tốn có sử dụng thơng tin khơng gian lân cận đồng thời thuật toán sử dụng thơng tin tồn cục dựa (đồ thị) KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ KẾT LUẬN Thuật toán cần thử nghiệm nhiều địa hình khác Trong thuật tốn trên, thơng tin địa hình sử dụng nhằm phục vụ trình xây dựng dịng chảy tích lũy Theo đó, thuật tốn sử dụng phương pháp hướng heuristics thay tổ hợp thay đổi hướng dòng chảy làm phức tạp tổ hợp tính tốn Tuy nhiên, để thuật tốn ứng dụng thực tiễn, việc chuẩn bị liệu địa hình, phân tích địa hình (ánh xạ địa hình) chọn phương pháp tính tích lũy dịng chảy vấn đề cần giải thực tiễn Vì ứng với phương pháp tính tích lũy dịng chảy, việc đổi hướng thay đổi tỉ lệ dòng chảy ảnh hưởng đến tiêu chí thay đổi địa hình, cụ thể vấn đề thực thực tiễn như: đào kênh nâng cao đường LỜI CẢM ƠN: Nghiên cứu tài trợ ĐHQG-HCM khuôn khổ đề tài mã số C201448-01 Trang 93 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K2 - 2015 Proposed an algorithm to reducing flow accumulation in terrain for flooding avoidance Khưu Minh Cảnh Lê Trung Chơn Trần Văn Hoài Ho Chi Minh City University of Technology, VNU-HCM ABSTRACT Flooding is a serious urban problem, especially in HoChiMinh city in recent years Many researches for flow accumulation by terrain have been proposed Accordingly, terrains are splitted to grids Single or multiflow algorithms will theoretically show the accumulated water trend So that, to reduce flooding, increasing road or extending drainage system is common work However, the consider things is what will be influence and impact: locally or globally on the whole calculated areas In this paper, the authors propose the firstly heuristics graph-theoretical spatial analysis algorithm to redirecting the flow for archiving the accumulation beyond one determined threshold value Key words: GIS, spatial analysis, graph theory, flow accumulation algorithm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chaudhry, M.H., Open-Channel Flow, Second Edition, Springer, New York, NY, 2007, 523 pp [2] Hiep-Thuan Do, S´ebastien Limet, Emmanuel Melin, “Parallel Computing Flow Accumulation in Large Elevation Models”, ICCS 2011 Digital [3] O’Callaghan & Mark, Thuật toán D8 tích lũy dịng chảy, 1984 [4] Croos, sách “Theory and algorithms for linear optimization” Trang 94 [5] Wikipedia Centered tree: http://en.wikipedia.org/wiki/Centered_tree [6] ESRI, Phần mềm ArcHydro môi trường ArcMap [7] Phan Quốc Khánh, Trần Huệ Nương, sách “Quy hoạch tuyến tính”, Nhà xuất Đại học Quốc Gia, 2000 [8] Nguyễn Duy Tiến, giáo trình “Các mơ hình xác suất ứng dụng – Phần 1: Xích Markov ứng dụng”, Đại học Quốc Gia Hà Nội ... lược thuật tốn tính tích lũy dịng chảy, lý thuyết đồ thị, mơ tả thuật tốn 2.1 Thuật tốn tích lũy dịng chảy Với địa hình cho sẵn Việc tính tích lũy dịng chảy địa hình ngày có nhiều nhóm thuật. .. 2015 (a) (b) Hình Các định nghĩa sơ dịng chảy tích lũy Hình (a): hướng dịng chảy ghi địa hình (1: hướng đơng,…); Hình (b): Minh họa phân tích dịng chảy tích lũy địa hình (được sử dụng thuật tốn... đỉnh 2.3 Bài tốn thuật tốn đề xuất Với địa hình giả định ngưỡng ngập giá trị số Khi đó, ta phải điều chỉnh địa hình (giá trị DEM) để dịng chảy tích lũy khơng vượt q Thuật toán đề xuất thực việc