(Luận văn) xây dựng hệ thống quản lý và cảnh báo ô nhiễm khu công nghiệp đồng văn sử dụng gis

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐINH THỊ THU HIỀN lu an va XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ CẢNH BÁO Ô n NHIỄM KHU CÔNG NGHIỆP ĐỒNG VĂN SỬ DỤNG GIS p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH oi m z at nh z m co l gm @ an Lu THÁI NGUYÊN, 2018 n va ac th si ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐINH THỊ THU HIỀN lu an n va p ie gh tn to XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM KHU CÔNG NGHIỆP ĐỒNG VĂN SỬ DỤNG GIS d oa nl w Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 48 01 01 an lu ll u nf va LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH oi m z at nh Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐẶNG VĂN ĐỨC z m co l gm @ an Lu THÁI NGUYÊN, 2018 n va ac th si i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Xây dựng hệ thống quản lý cảnh báo ô nhiễm khu công nghiệp Đồng Văn sử dụng Gis” cơng trình nghiên cứu tơi, hướng dẫn khoa học PGS.TS Đặng Văn Đức, tham khảo nguồn tài liệu rõ trích dẫn danh mục tài liệu tham khảo Các nội dung cơng bố kết trình bày luận văn trung thực chưa công bố cơng trình lu an Thái Nguyên, tháng năm 2018 va n Đinh Thị Thu Hiền p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si ii LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Đặng Văn Đức, Thầy tận tình bảo giúp đỡ em suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cơ Phịng Đào tạo, Trường Đại học Cơng nghệ thông tin Truyền thông, Đại học Thái Nguyên nhiệt tình giảng dạy, trang bị cho tơi kiến thức quý báu suốt thời gian học tập trường Xin cảm ơn bạn lớp đồng nghiệp nơi công tác tạo điều lu an kiện cho tơi hồn thành luận văn va n Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tơi động viên tơi suốt q trình học p ie gh tn to tập hoàn thành luận văn d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ v PHẦN I: MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ BÀI TỐN QUẢN LÝ MƠI TRƯỜNG lu an 1.1 Các khái niệm GIS: n va 1.1.1 Một số định nghĩa hệ thông tin địa lý tn to 1.1.2 Các thành phần hệ thông tin địa lý gh 1.2 Biểu diễn liệu địa lý p ie 1.2.1 Các thành phần liệu địa lý w 1.2.2 Mơ hình biểu diễn liệu không gian[3] 13 oa nl 1.2.3 Phân tích xử lý liệu không gian 18 d 1.3 Ứng dụng GIS toán quản lý cảnh báo ô nhiễm 24 lu va an 1.3.1 Các lĩnh vực liên quan với hệ thông tin địa lý 24 u nf 1.3.2 Những toán GIS 25 ll 1.3.3 Bài toán GIS quản lý cảnh báo ô nhiễm mơi trường: 25 m oi CHƯƠNG II PHÂN TÍCH KHƠNG GIAN HỖ TRỢ VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM z at nh MÔI TRƯỜNG 27 z 2.1 Kỹ thuật xây dựng vùng đệm GIS 27 gm @ 2.1.1 Giới thiệu xây dựng vùng đệm GIS 27 l 2.1.2 Vùng đệm điểm liệu 27 m co 2.1.3 Vùng đệm xâu đoạn thẳng 28 an Lu 2.1.4 Vùng đệm vùng xác định đa giác 32 2.2 Kỹ thuật xếp chồng đồ 35 n va ac th si iv 2.2.1 Khái quát xếp chồng đồ 35 2.2.2 Các phương pháp xếp chồng đồ 37 2.2.3 Thuật toán Bently – Ottmann 38 2.3 Kỹ thuật nội suy không gian 43 2.3.1 Nội suy trọng số không gian (IDW) 43 2.3.2 Kỹ thuật Kriging 43 2.4 Kết luận chương 46 CHUƠNG III XÂY DỰNG CHUƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM 47 lu an 3.1 Mô tả tốn cảnh báo nhiễm khu cơng nghiệp Đồng văn GIS 47 n va 3.2 Mô hình hệ thống thử nghiệm 47 tn to 3.3 Lựa chọn công cụ phát triển môi trường thử nghiệm 48 gh 3.4 Đánh giá kết thử nghiệm 49 p ie KẾT LUẬN VÀ HUỚNG PHÁT TRIỂN 60 d oa nl w TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Thành tố GIS Hình 1.2: Mối quan hệ thành phần GIS Hình Ví dụ biểu diễn vị trí nước bị nhiễm 10 Hình 1.4 Ví dụ biểu diễn đường 11 Hình 1.5 Ví dụ biểu diễn khu vực hành 12 Hình 1.6 Biểu diễn giới mơ hình raster 17 Hình 1.7: Xếp chồng đa giác 21 lu an Hình 1.8 Tiến trình xếp chồng đa giác 22 n va Hình 2.1 Vùng đệm xâu đoạn thẳng 28 tn to Hình 2.2 Tìm vùng đệm 29 gh Hình 2.3 Trường hợp góc tù 30 p ie Hình 2.4 Trường hợp góc bẹt 30 w Hình 2.5 Minh họa đồ đệm GIS 34 oa nl Hình 2.6 Nguyên lý xếp chồng đồ 36 d Hình 2.7 Việc xếp chồng đồ theo phương pháp cộng 36 lu va an Hình 2.8 Một thí dụ việc xếp chồng đồ 36 u nf Hình 2.9 Xếp chồng lớp đồ 37 ll Hình 2.10 Xếp chồng điểm đa giác 38 m oi Hình 2.11 Xếp chồng đoạn đa giác 38 z at nh Hình 3.1: Giao diện chương trình Hmap với cửa sổ hiển thị đồ, lớp z đồ cửa sổ chức phân tích nội suy IDW 48 @ gm Hình 3.2 Bản đồ chuyên đề nội suy tiêu Asen nước ngầm điểm l quan trắc sử dụng thuật toán nội suy IDW 49 m co Hình 3.3 Bản đồ chuyên đề Tổng lượng chất rắn hòa tan nước ngầm 51 an Lu Hình 3.4 Chỉ tiêu lượng vi khuẩn nước ngầm 52 Hình 3.5 Chỉ tiêu Chì (Pb) nước ngầm 53 n va ac th si vi Hình 3.6 Chỉ tiêu Asen nước mặt 54 Hình 3.7 Chỉ tiêu vi khuẩn Coliform nước mặt 55 Hình 3.8 Hàm lượng Chì (Pb) nước mặt 56 Hình 3.9 Chỉ tiêu vi khuẩn Coliform nước thải 57 Hình 3.10 Hàm lượng CO (Các-bon xít) khơng khí 58 Hình 3.11 Tổng bụi lơ lửng khơng khí 59 lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si PHẦN I: MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cùng với phát triển xã hội, người sử dụng nhiều cơng cụ để tìm hiểu, khai thác giải đáp thắc mắc tự nhiên; Trong đó, kỹ thuật “Thơng tin địa lý” (GIS – Geographic Information System) kỹ thuật ưu việt sử dụng rộng rãi từ năm 60 trở lại Kỹ thuật GIS kỹ thuật ứng dụng hệ thống vi tính, số hóa để thu thập, phân tích, xử lý liệu khơng gian Từ đó, GIS trở thành công cụ hỗ trợ định hầu hết lĩnh vực nghiên cứu quản lý, đặc biệt quản lý, quy hoạch nguồn tài nguyên môi trường lu an Thông tin địa lý thông tin vị trí bề mặt trái đất, bao gồm tri n va thức đó? Ở đâu? Hoặc tri thức vị trí biết trước? Đặc trưng tn to thông tin địa lý chi tiết như: thơng tin ngơi nhà thành gh phố thô như: Thời tiết, mật độ dân số quốc gia… p ie Một vấn đề nóng bỏng, gây xúc dư luận xã hội nước tình w trạng ô nhiễm môi trường sinh thái hoạt động sản xuất sinh hoạt oa nl người gây Vấn đề ngày trầm trọng, đe doạ trực tiếp phát triển kinh d tế - xã hội bền vững, tồn tại, phát triển hệ tương lai Giải lu va an vấn đề ô nhiễm môi trường thời kỳ đẩy mạnh CNH, HĐH u nf khơng địi hỏi cấp thiết cấp quản lí, doanh nghiệp mà cịn ll trách nhiệm hệ thống trị tồn xã hội m oi Việc theo dõi mức độ ô nhiễm công ty khu cơng nghiệp để có z at nh xử lý kịp thời cho cơng ty phịng tránh có giải pháp z thích hợp mức độ ô nhiễm tăng cao gây nguy hại tới mơi trường đất, nước gm @ khơng khí làm ảnh hưởng đến môi trường sống người xung quanh l Chính thực trạng khiến tơi mạnh dạn đưa ý tưởng cho đề tài nghiên cứu:” m co Xây dựng hệ thống quản lý cảnh báo ô nhiễm khu công nghiệp” Để thực an Lu ý tưởng cần đến trợ giúp công nghệ thông tin, thông qua cơng nghệ GIS Bên cạnh cần phải nghiên cứu thử nghiệm môi trường cụ n va ac th si thể, chọn khu công nghiệp Đồng Văn - Hà Nam Đề tài thực thành công trợ giúp công tác quản lý cảnh báo kịp thời mức độ ô nhiễm địa phương, hạn chế đến mức thấp tác hại gây ô nhiễm chúng Sau thử nghiệm hồn thiện, đề tài triển khai ứng dụng cho vùng, khu công nghiệp khác Các liệu mức độ ô nhiễm môi trường công ty thu thập, chúng thường gắn với phạm vi quản lý công ty, địa phương, sở Tài nguyên môi trường Tài nguyên môi trường với dân cư điều kiện tự nhiên không gian địa bàn quản lý Việc theo dõi mức độ ô nhiễm mơi trường địi hỏi lu an phải tổng hợp từ lên, cần phân tích, đánh giá tình hình, tiến hành n va dự báo để thông báo lại cho công ty khu Công nghiệp Đồng Văn tn to biết có giải pháp đề phòng, ngăn chặn mức độ tiến triển gây ô nhiễm gh kịp thời, nơi, đối tượng p ie Chính lý đó, khn khổ luận văn, học viên thực nghiên cứu: w “Xây dựng hệ thống quản lý cảnh báo ô nhiễm khu công nghiệp Đồng Văn oa nl sử dụng Gis” d Mục tiêu đề tài lu va an Sử dụng công nghệ GIS để tổ chức thu thập liệu chuyển tải u nf biểu diễn thông tin web Các thông tin nhận kịp thời ll xử lý, đưa định đắn, đáp ứng yêu cầu quản lý cảnh báo m oi mức độ ô nhiễm, hạn chế thiệt hại khơng đáng có z at nh Phạm vi phương pháp nghiên cứu z a Phạm vi nghiên cứu gm @ - Hồn thiện quy trình theo dõi, tổng hợp phân tích nhiễm từ sở đến l toàn khu vực sở tổ chức cách làm có sử dụng cơng cụ m co công nghệ để triển khai hệ thống thông tin quản lý cảnh báo xử lý ô nhiễm an Lu web phục vụ thường xuyên cho công tác xử lý ô nhiễm n va ac th si 47 CHUƠNG III XÂY DỰNG CHUƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM VÀ CẢNH BÁO Ơ NHIỄM 3.1 Mơ tả tốn cảnh báo nhiễm khu cơng nghiệp Đồng văn GIS Bài tốn: Xây dựng phần mềm tổng hợp phân tích liệu ô nhiễm môi trường từ cụm quan trắc khu công nghiệp Đồng Văn, đưa thông báo trạng, nêu giải pháp biện pháp đạo để ngăn ngừa gia tăng ô nhiễm tác hại ô nhiễm đến môi trường lu an Tổ chức sở liệu phân tán dạng GIS, tổng hợp phân tích liệu, n va tiến hành dự báo theo phương pháp khoa học khác Dữ liệu đầu vào chương trình bao gồm lớp liệu không gian như: gh tn to 3.2 Mơ hình hệ thống thử nghiệm p ie đồ hành chính, giao thơng, vị trí quan trắc môi trường Khu công nghiệp w Đồng Văn I liệu thuộc tính đồ, bao gồm liệu tiêu oa nl quan trắc nước mặt, nước ngầm, đất, khơng khí đo Khu công nghiệp Các d liệu phân tích phần mềm HMap học viên tự xây dựng lu va an ngôn ngữ lập trình C# dựa thư viện ArcGIS Engine 9.3 hãng ESRI phát u nf triển, kết đầu chương trình đồ chuyên đề đánh giá thể ll tiêu môi trường màu sắc số liệu m oi Các chức chương trình: z at nh - Hiển thị đồ số liệu thuộc tính gm @ -Trượt đồ z - Phóng to, thu nhỏ đồ l - Tính tốn nội suy tiêu vị trí quan trắc môi trường, tạo m co đồ chuyên đề dạng raster Sử dụng công cụ nội suy Interpolation cơng an Lu cụ phân tích khơng gian Spatial Analys ArcGIS với phép nội suy IDW, n va ac th si 48 Kriging, Spline để phân tích, đánh giá so sánh tiêu nguồn nước ngầm 26 điểm quan trắc Khu Công nghiệp Đồng Văn II lu an n va p ie gh tn to oa nl w Hình 3.1: Giao diện chương trình Hmap với cửa sổ hiển thị đồ, lớp d đồ cửa sổ chức phân tích nội suy IDW an lu 3.3 Lựa chọn công cụ phát triển môi trường thử nghiệm u nf va Học viên sử dụng thư viện lập trình GIS hãng ESRI công ty tiếng hàng đầu giới nghiên cứu chuyên sâu GIS, cung cấp sản phẩm ll oi m phần mềm công cụ phát triển phần mềm GIS Học viên sử dụng thư viện z at nh ArcGIS Engine 9.3 ESRI để xây dựng chức xử lý liệu GIS chương trình thư viện đầy đủ, hỗ trợ nhiều định dạng đồ z gm @ nhiều ngơn ngữ lập trình Học viên xây dựng chương trình ngơn ngữ lập trình C# DotNet l m co ngơn ngữ lập trình đại, nhiều lập trình viên giới sử dụng ngơn ngữ lập trình Microsoft phát triển hệ IDE với nhiều tính an Lu hỗ trợ, quản lý lập trình tiên tiến ngơn ngữ có cộng đồng lập trình viên n va ac th si 49 lớn giới sử dụng đóng góp nhiều thư viện, mã nguồn công cụ phong phú 3.4 Đánh giá kết thử nghiệm Dưới đồ chuyên đề kết thực chạy chương trình với liệu môi trường Khu Công nghiệp Đồng Văn II, thuộc huyện Duy Tiên, tỉnh Hà Nam lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z l gm @ m co Hình 3.2 Bản đồ chuyên đề nội suy tiêu Asen nước ngầm điểm an Lu quan trắc sử dụng thuật toán nội suy IDW( hiển thị kiểu phân lớp (Classify): n va ac th si 50 màu đậm hàm lượng Asen cao Hàm lượng Asen nước ngầm nhà máy KCN cao nước khu dân cư lân cận) lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si 51 lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z gm @ l Hình 3.3 Bản đồ chuyên đề Tổng lượng chất rắn hòa tan nước ngầm m co (Màu đậm giá trị cao) an Lu n va ac th si 52 lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ Hình 3.4 Chỉ tiêu lượng vi khuẩn nước ngầm an Lu n va ac th si 53 lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ Hình 3.5 Chỉ tiêu Chì (Pb) nước ngầm an Lu n va ac th si 54 lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ Hình 3.6 Chỉ tiêu Asen nước mặt an Lu n va ac th si 55 lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ Hình 3.7 Chỉ tiêu vi khuẩn Coliform nước mặt an Lu n va ac th si 56 lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ Hình 3.8 Hàm lượng Chì (Pb) nước mặt an Lu n va ac th si 57 lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z gm @ m co l Hình 3.9 Chỉ tiêu vi khuẩn Coliform nước thải ( nước thải chưa qua xử lý an Lu n va ac th si 58 có hàm lượng vi khuẩn cao mức cho phép theo tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT Bộ Tài Nguyên môi trường) lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ bị ô nhiễm CO khu vực khác) an Lu Hình 3.10 Hàm lượng CO (Các-bon xít) khơng khí ( Khu vực cổng vào n va ac th si 59 lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z gm @ m co khu vực khác) l Hình 3.11 Tổng bụi lơ lửng khơng khí (Khu vực cổng KCN nhiều bụi an Lu n va ac th si 60 KẾT LUẬN VÀ HUỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Để giải toán “Xây dựng hệ thống quản lý cảnh báo ô nhiễm khu công nghiệp Đồng Văn sử dụng Gis” Gis công cụ phổ biến, ưu việt để giải vấn đề đặt GIS xem công nghệ nhất, có nhiều ứng dụng & giải tốn Từ việc phân tích liệu đầu vào phần mềm HMap học viên tự xây dựng ngơn ngữ lập trình C# dựa thư viện ArcGIS Engine 9.3 hãng ESRI phát triển, kết đầu chương trình đồ chuyên đề lu an đánh giá thể tiêu môi trường màu sắc số liệu Qua hiển n va thị đồ số liệu thuộc tính; phóng to, thu nhỏ đồ; trượt đồ tn to Sử dụng phuơng pháp tính tốn nội suy tiêu vị trí quan gh trắc mơi trường, tạo đồ chun đề dạng raster Sử dụng công cụ nội suy p ie Interpolation cơng cụ phân tích khơng gian Spatial Analys ArcGIS w với phép nội suy IDW, Kriging, Spline để phân tích, đánh giá so sánh oa nl tiêu nguồn nước ngầm 26 điểm quan trắc Khu Công nghiệp Đồng Văn II d Hướng phát triển lu va an Những hướng phát triển luận văn tương lai dự kiến sau: ll công nghệ Gis khắp nơi u nf  Xây dựng hệ thống quản lý cảnh báo ô nhiễm môi truờng sử dụng m oi  Tiếp tục cài đặt thuật toán cịn lại trình bày luận văn z at nh Mặc dù cố gắng, thời gian trình độ cịn hạn chế định z nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Trong tương lai học viên cố gắng hoàn @ gm thiện phát triển vấn đề nêu trên, nhằm mang lại vấn đề khả an Lu n va TÀI LIỆU THAM KHẢO m co bạn để luận văn ngày hoàn thiện l quan Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô ac th si 61 Tiếng Việt Đặng Văn Đức (2001), Hệ thông tin địa lý GIS, Nhà xuất Khoa [1] học Kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh [2] Hans W Guesgen, Joachim Hertzberg, Algorithms for Buffering Fuzzy Raster Maps, FLAIRS-01 Proceedings, 2001 lu an [3] Hans W Guesgen, Joachim Hertzberg, Richard Lobb, Andrea va n Mantler Buffering Fuzzy Maps in GIS, Department of Computer to gh tn Science, University of Auckland, New Zealand, 2003 Jingxiong p ie [4] Zhang, Michael F Goodchild, Uncertainty in Tahsin A Yanar, Zuhal Akyurek, The Enhancement of ArcGIS with d oa [5] nl w Geographical Information, The Taylor & Francis e-Library, 2003 Wolfgang Kainz, The Mathematics of GIS, University of Vienna, Austria 2010 ll u nf va [6] an lu Fuzzy Set Theory, ESRI International User Conference, 2004 oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si