Nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa ứng dụng trong hệ thông tin địa lý luận văn ths công nghệ thông tin 60 48 01 04 pdf

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ THỊ CHIÊM NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP TỐI ƢU HĨA ỨNG DỤNG TRONG HỆ THƠNG TIN ĐỊA LÝ LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ THỊ CHIÊM NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP TỐI ƢU HĨA ỨNG DỤNG TRONG HỆ THƠNG TIN ĐỊA LÝ Ngành Chuyên ngành Mã số : Công nghệ thông tin : Hệ thống thông tin : 60480104 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS, TS ĐẶNG VĂN ĐỨC Hà Nội – 2015 Lời cảm ơn Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành kính trọng tới quý thầy cô Khoa Công Nghệ Thông Tin – Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội, người trang bị cho em kiến thức quý báu năm học vừa qua Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS, TS Đặng Văn Đức - người thầy đáng kính Thầy tận tình bảo, hướng dẫn em suốt trình nghiên cứu giúp em hồn thành luận văn Con xin chân thành cảm ơn bố mẹ, anh chị em, người thân gia đình ni dạy, tạo điều kiện tốt để học tập, động viên khuyến khích thời gian làm khóa luận Đồng thời xin gửi lời cảm ơn tới tất bè bạn, người sát cánh bên tôi, ủng hộ, động viên suốt năm học vừa qua Em xin gửi lời cảm ơn đến UBND TP Nam Định, Sở Tài Nguyên & Môi Trường Tỉnh Nam Định, bà xã Lộc Hòa, Lộc An tạo điều kiện cho em trình thu thập liệu Hà nội, ngày 10 tháng 05năm 2015 Học viên Vũ Thị Chiêm LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu phƣơng pháp tối ƣu hóa ứng dụng hệ thơng tin địa lý” cơng trình nghiên cứu riêng tơi, khơng chép Các số liệu kết luận văn hồn tồn trung thực, xác, khơng trùng lặp với cơng trình nghiên cứu đƣợc công bố trƣớc Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2015 Học viên Vũ Thị Chiêm MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Mục đích đề tài Phƣơng pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu CHƢƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 10 1.1 Các khái niệm GIS 10 1.1.1 Định nghĩa GIS .10 1.1.2 Các chức GIS 10 1.2 Mơ hình liệu 13 1.2.1 Các khái niệm 13 1.2.2 Mơ hình liệu khơng gian 14 1.2.3 Mô hình liệu thuộc tính 15 1.3 Các phép tính phân tích khơng gian GIS 16 1.3.1 Truy vấn, phân loại, đo lƣờng .16 1.3.2 Chồng lớp liệu 17 1.3.3 Nội suy 17 1.3.4 Phân tích lân cận 18 1.4 Khả ứng dụng GIS 18 CHƢƠNG II: PHƢƠNG PHÁP TỐI ƢU HÓA 20 2.1 Phƣơng pháp phân tích đa tiêu (MCA) 20 2.1.1 Định tiêu 21 2.1.2 Phân khoảng tiêu 22 2.1.3 Tổng hợp liệu đầu vào .23 2.1.4 Xác định số 24 2.1.5 Tích hợp tiêu .25 2.2 Thuật toán xác định trọng số tiêu AHP 25 2.2.1 Lập ma trận đánh giá 27 2.2.2 Tính tốn tổng hợp kết để chọn tiêu có mức độ quan trọng cao thông qua bƣớc 28 2.3 Ứng dụng kỹ thuật đánh giá đa tiêu GIS (kết hợp MCA GIS) 32 CHƢƠNG III: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG THỰC NGHIỆM 36 3.1 Giới thiệu toán 36 3.2 Công nghệ sử dụng 37 3.2.1 Giới thiệu ArcView GIS .37 3.2.2 Chức ArcGIS 37 3.3 Thu thập liệu địa lý vùng nghiên cứu 38 3.3.1 Vị trí địa lý 38 3.3.2 Địa hình .38 3.3.3 Giao thông 39 3.3.4 Khí hậu 40 3.3.5 Thủy văn .41 3.3.6 Tài nguyên đất 42 3.3.7 Tài nguyên nƣớc 42 3.3.8 Dân cƣ 44 3.3.9 Tình hình Kinh tế 44 3.3.10 Cơ sở hạ tầng 44 3.3.11 Tình hình sử dụng đất 45 3.3.12 Hiện trạng số bãi rác Thành phố Nam Định .47 3.4 Xác định tiêu chí để đánh giá 48 3.4.1 Căn xác định vị trí bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt địa bàn Thành phố Nam Định 48 3.4.2 Chuẩn bị liệu đầu vào 49 3.4.3 Xác định tiêu chí lựa chọn bãi chơn lấp rác thải sinh hoạt .50 3.5 Kết xây dựng chƣơng trình thử nghiệm 52 3.5.1 Đánh giá sơ 54 3.5.2 Lựa chọn xác .61 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ESRI : Economic and Social Research Institute GIS (Geographic Information Systems): Hệ thống thông tin địa lý MIS (Management Information System): Hệ thống thông tin quản lý GPS (Global Positioning System) : Hệ thống định vị toàn cầu MCA (Multi-Criteria Analysis) Phƣơng pháp phân tích đa tiêu MCE (Multiple Criteria Evaluation) Đánh giá đa tiêu AHP (Analytic Hierarchy Process): Phân tích phân cấp HTSDĐ: Hiện trạng sử dụng đất CTR: Chất thải rắn DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Giá trị RI ứng với số lƣợng tiêu n 30 Bảng 2.2 Mức độ quan trọng tiêu cách tính trọng số 30 Bảng 3.1 Các thơng số dịng chảy: .43 Bảng 3.2 Kết phân tích chất lƣợng nƣớc thô sông Đào 43 Bảng 3.3 Hiện trạng sử dụng đất thành phố Nam Định năm 2010 45 Bảng 3.4 Các lớp liệu đầu vào 49 Bảng 3.5 Các tiêu lựa chọn địa điểm bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt Thành phố Nam Định 50 Bảng 3.6 Ma trận mức độ ƣu tiên trọng số nhóm tiêu .52 Bảng 3.7 Mức độ ƣu tiên trọng số tiêu nhóm “Mơi trƣờng” .52 Bảng 3.8 Mức độ ƣu tiên trọng số tiêu nhóm “Kinh tế” .53 Bảng 3.9 Mức độ ƣu tiên trọng số tiêu nhóm “Xã hội” 53 Bảng 3.10 Trọng số chung tiêu 54 Bảng 3.11 Các tiêu đƣợc sử dụng để đánh giá sơ 54 Bảng 3.12 So sánh địa điểm sau tìm kiếm sơ .61 Bảng 3.13 Đánh giá vị trí theo tiêu khoảng cách đến khu dân cƣ đô thị .62 Bảng 3.14 Đánh giá vị trí theo tiêu khoảng cách đến cụm dân cƣ nông thôn .62 Bảng 3.15 Đánh giá vị trí theo tiêu khoảng cách đến nguồn cung cấp nƣớc ngầm .62 Bảng 3.16 Đánh giá vị trí theo tiêu khoảng cách đến nguồn nƣớc mặt 63 Bảng 3.17 Đánh giá vị trí theo tiêu khoảng cách đến khu di tích, văn hố 63 Bảng 3.18 Đánh giá vị trí theo tiêu thổ nhƣỡng 63 Bảng 3.19 Đánh giá vị trí theo tiêu khoảng cách đến đƣờng giao thơng 63 Bảng 3.20 Đánh giá vị trí theo tiêu khoảng cách đến đƣờng giao thơng thƣờng 63 Bảng 3.21 Đánh giá vị trí theo tiêu trạng sử dụng đất 64 Bảng 3.22 Đánh giá vị trí theo tiêu khoảng cách đến khu công nghiệp 64 Bảng 3.23 Đánh giá vị trí theo tiêu khoảng cách đến điểm thu gom 64 Bảng 3.24 Đánh giá vị trí theo tiêu khoảng cách đến trạm cung cấp điện 64 Bảng 3.25 Đánh giá vị trí theo tiêu địa chất 65 Bảng 3.26 Đánh giá vị trí theo tiêu hƣớng gió 65 Bảng 3.27 Đánh giá vị trí theo tiêu địa hình 65 Bảng 3.28 Đánh giá vị trí theo tiêu chấp thuận cộng đồng 66 Bảng 3.29 Đánh giá vị trí theo tiêu chấp thuận quyền 66 Bảng 3.30 Kết điểm chung vị trí tiềm 67 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các nhóm chức GIS 11 Hình 2.1 Sơ đồ bƣớc MCA 21 Hình 2.2 Cây phân cấp liệu mơ hình đanh giá MCA 24 Hình 2.3 Thang điểm so sánh tiêu 28 Hình 2.4 Sơ đồ thuật toán AHP để định trọng số 31 Hình 2.5 Sơ đồ tổng quát MCA GIS Lựa chọn khu vực tối ƣu .33 Hình 3.1 Sơ đồ khái quát mục tiêu toán 36 Hình 3.2 Tính điểm cho tiêu "Dân cƣ" 56 Hình 3.3 Tính điểm cho tiêu "Nguồn nƣớc mặt" 57 Hình 3.4 Tính điểm cho tiêu "Đƣờng giao thơng chính" .58 Hình 3.5 Tính điểm cho nhóm tiêu "Trƣờng học, bệnh viện, quan, khu di tích " 59 Hình 3.6 Các khu vực tiềm 60 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Ngày với phát triển kinh tế phát triển không ngừng ngành công nghệ thông tin, việc ứng dụng công nghệ thông tin vào ngành nghề khác trở nên phổ biến Trong nhiều lĩnh vực việc áp dụng công nghệ thông tin đem lại hiệu ngồi mong đợi, lẽ việc ứng dụng cơng nghệ thơng tin vào việc nghiên cứu phát triển ngành nghề trở thành xu tất yếu Nó đem lại thành tựu lớn lao nhiều lĩnh vực sống, nhƣ: Kinh tế, giao thông vận tải, xây dựng, địa chất, khai khoáng, quân sự, Trong khứ việc sử dụng công nghệ thông tin ứng dụng vào nghiên cứu đất đai, không gian địa lý đạt đƣợc thành tựu hiệu cao công tác quản lý sử dụng đất Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information Systems – GIS) kết hợp tin học thơng tin địa lý, đƣợc xem nhƣ hệ thống hỗ trợ định Với hệ thống GIS hoàn chỉnh kỹ thuật đánh giá đa tiêu GIS ngƣời dùng có đƣợc thơng tin chi tiết, cần thiết mức độ ảnh hƣởng môi trƣờng đến vùng đất cụ thể, để từ dựa vào kết đánh đƣa định lựa chọn hay không lựa chọn vùng đất Với tính ƣu việt GIS đƣợc ứng dụng rộng rãi ngành nghề khác nhƣ: Giao thông vận tải, quản lý đô thị, quân sự, thủy lợi, môi trƣờng Chọn vị trí chơn lấp rác thải sinh hoạt cho Thành phố tốn phân tích khơng gian phức tạp nhằm mục đích quy hoạch sử dụng đất, quy hoạch thị Nó địi hỏi phải đánh giá nhiều tiêu chí khác nhau, làm để chọn lựa vị trí chơn lấp rác thải sinh hoạt phù hợp nhất, giảm thiểu tối đa tác động tiêu cực tới môi trƣờng, kinh tế, xã hội? Đây câu hỏi mà đề tài muốn tìm lời giải Mục tiêu nghiên cứu nhằm ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) kỹ thuật đánh giá đa tiêu GIS hỗ trợ xác định vùng đất phù hợp để xây dựng bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt cho Thành phố Nam Định Mục đích đề tài Nghiên cứu tổng quan GIS, phƣơng pháp MCA kết hợp với thuật tốn AHP Xây dựng mơ hình tìm bãi chơn lấp rác thải sinh hoạt cho Thành Phố Nam Định Hƣớng nghiên cứu đề tài: -Nghiên cứu hệ thống thông tin địa lý, ứng dụng thông tin địa lý quản lý tài nguyên mơi trƣờng -Nghiên cứu tổng quan quy trình lựa chọn vị trí chơn lấp bãi rác thải sinh hoạt -Nghiên cứu quy trình ứng dụng GIS phƣơng pháp phân tích đa tiêu việc tìm địa điểm xây dựng bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt hợp lý 56 12 Khoảng cách đến trạm cung cấp điện – 1000 m 1000 – 3000 m > 3000 m b Tạo lớp raster khoảng cách Để thực phân tích khoảng cách theo tiêu trên, lớp liệu đầu vào đƣợc phân tích phần mềm ArcGIS, sử dụng công cụ Euclidean Distance công cụ Spatial Analyst Sau tiến hành phân khoảng, gán điểm cho lớp kết công cụ Reclassify [15] Kết điểm số tiêu đƣợc thể hình dƣới đây: Hình 3.2 Tính điểm cho tiêu "Dân cƣ" Các khu vực dân cƣ có màu hồng nâu: màu sẫm điểm cao 57 Hình 3.3 Tính điểm cho tiêu "Nguồn nƣớc mặt" Khu vực nguồn nƣớc mặt có màu xanh dƣơng 58 Hình 3.4 Tính điểm cho tiêu "Đƣờng giao thơng chính" Đƣờng giao thơng đƣợc thể màu hồng 59 Hình 3.5 Tính điểm cho nhóm tiêu "Trƣờng học, bệnh viện, quan, khu di tích " Trƣờng học, bệnh viện, quan, khu di tích " : đƣợc thể chấm đỏ 60 c Xác định khu vực tiềm Từ trọng số tính đƣợc lớp raster điểm thành phần tiêu, sử dụng công cụ Weighted Sum công cụ Overlay ArcGIS, ta tạo lớp raster tổng kết chồng phủ lớp raster Kết quả, thu đƣợc vùng tiềm (các vùng sẫm màu) khu vực: điểm xã Lộc Hòa điểm xã Lộc An nhƣ thể đồ dƣới: Hình 3.6 Các khu vực tiềm Các khu vực có tiềm năng: khu vực có màu sẫm 61 3.5.2 Lựa chọn xác a Chọn lọc vị trí tiềm Theo kết tìm kiếm sơ bộ, phạm vi khu vực tiềm nhiều, cần phải đƣợc thu giảm dựa tiêu dùng để đánh giá xác là: hƣớng gió, địa hình, địa chất, chấp thuận cộng đồng, chấp thuận quyền địa phƣơng Sau điều tra, khảo sát thực địa kết hợp với tài liệu thu thập đƣợc, thơng tin tóm tắt địa điểm tiềm đƣợc thể bảng sau: Bảng 3.12 So sánh địa điểm sau tìm kiếm sơ Địa điểm HTSDĐ Hƣớng gió Địa hình Mức độ Đứt Đặc (xã, thuận gãy điểm phƣờng) tiện khác giao thông Nam Đất nông nghiệp hiệu Đầu hƣớng Thấp dần Gần Cách Phong thấp (2 vụ gió Đơng phía đơng, đƣờng vị trí lúa/năm, suất Nam độ cao 10 - quốc lộ đứt ~1.8 tạ/sào) 12m 1A, gãy ~ đƣờng km tỉnh lộ Nam Vân Đất nông nghiệp hiệu Nằm Bằng Gần Cách Khả cao (2 vụ khu vực gió phẳng, độ đƣờng vị trí lúa/năm, có trồng Đơng Nam, cao – 6m Quốc lộ, đứt úng lụt màu, suất ~ cuối gió Bắc tỉnh lộ, gãy ~ tạ/sào) giao km thơng thuận tiện Lộc Hịa Đất nơng nghiệp hiệu Cuối hƣớng Địa hình Đƣờng thấp (2 vụ gió Đơng phằng, tỉnh lộ lúa/năm, có trồng Nam độ cao ~ – huyện màu, suất ~1.5 7m phía bắc tạ/sào) Lộc An - Bãi rác đƣợc Cuối hƣớng Địa hình Gần sử dụng gió Đơng thấp đƣờng - Xung quanh đất Nam, Đông tỉnh lộ, nông nghiệp hiệu Bắc thuận tiện thấp (2 vụ lúa/ năm, suất ~1.5 tạ/sào) 62 Từ kết so sánh trên, địa điểm phƣờng Nam Phong, Nam Vân bị loại bỏ bị ảnh hƣởng úng lụt đầu hƣớng gió Do đó, khu vực tìm kiếm giới hạn lại khu vực: Xã Lộc Hòa xã Lộc An b Đánh giá lại vị trí tiềm theo 12 tiêu sơ Ở ta so sánh vị trí tiềm theo 12 tiêu sử dụng bƣớc đánh giá sơ Khác với đánh giá sơ bộ, ta so sánh trực tiếp vị trí tiềm với mức độ phù hợp tiêu Cơ sở để so sánh giá trị tính tốn đƣợc bƣớc đánh giá sơ Bảng 3.13 Đánh giá vị trí theo tiêu khoảng cách đến khu dân cƣ thị Lộc An Lộc An Lộc Hịa Lộc Hòa 1/3 1/3 Lộc Hòa 1 Lộc Hòa 1 Giá trị (m) 9000 4900 4700 CR Điểm 0.0