Xây dựng cơ sở dữ liệu và thành lập bản đồ đặc điểm hải văn khu vực vịnh bắc bộ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Hoa Thúy Quỳnh XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐẶC ĐIỂM HẢI VĂN KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Hoa Thúy Quỳnh XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐẶC ĐIỂM HẢI VĂN KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ Chuyên ngành: Bản đồ viễn thám GIS Mã số: 60442014 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch Hà Nội – Năm 2013 LỜI CẢM ƠN Để có kết này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, tận tình hướng dẫn em suốt trình thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Khoa Địa lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên nhiệt tình giảng dạy tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập làm luận văn Do thời gian trình độ cịn hạn chế nên luận văn em tránh khỏi nhiều thiếu sót, kính mong thầy bạn đóng góp ý kiến để luận văn kiến thức chuyên mơn em hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 11 năm 2013 Học viên thực Hoa Thúy Quỳnh PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài Nội dung nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Tài liệu sử dụng Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Bố cục luận văn Chƣơng TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ CHUẨN CƠ SỞ DỮ LIỆU 1.1 Hệ thông tin địa lý (GIS) 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Chức củ 1.1.3 Cơ sở liệu (CSDL 1.1.4 Các kiểu liệu 1.1.5 Các kiểu đối tượng k 1.2 Chuẩn CSDL quốc gia GIS 1.2.1 Khái niệm chuẩn CSD 1.2.2 Thực trạng xây dựng Chƣơng PHƢƠNG PHÁP LUẬN XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM HẢI VĂN TRÊN BIỂN 2.1 Thực trạng nhu cầu quản lý, khai thác thông tin đặc điểm hải văn biển 2.1.1Thực trạng quản lý khai thác thô 2.1.2Nhu cầu quản lý khai thác thông 2.2 Đề xuất phương pháp luận tối ưu xây dựng CSDL phục vụ nghiên cứu đặc điểm hải văn biển 2.2.1 Đề xuất phương pháp xây dựng CSDL 26 2.2.2 Lựa chọn phần mềm ứng dụng 27 2.2.3 Quy trình cơng nghệ xây dựng CSDL 29 2.2.4 Thiết kế nội dung cấu trúc sở liệu 32 2.2.4.1 Ranh giới 34 2.2.4.2 Dữ liệu 35 2.2.4.3 Nhóm liệu nhiệt độ nước biển, độ mặn nước biển, sóng biển mực nước biển 35 Chƣơng ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ BẢN ĐỒ ĐẶC ĐIỂM HẢI VĂN VỊNH BẮC BỘ 37 3.1 Giới thiệu chung vịnh Bắc Bộ 37 3.1.1 Lịch sử nghiên cứu 37 3.1.2 Khái quát điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên khu vực vịnh Bắc Bộ 38 3.2 Cơ sở liệu đồ số phục vụ nghiên cứu đặc điểm hải văn Vịnh Bắc Bộ 46 3.2.1 Hệ quy chiếu 46 3.2.2 Thiết kế cấu trúc trường thông tin 47 3.2.2.1 Ranh giới 47 3.2.2.2 Dữ liệu 47 3.2.2.3 Dữ liệu nhiệt độ nước biển, độ mặn nước biển, sóng biển mực nước biển 50 3.3 Kết xây dựng sở liệu phần mềm Arcgis 51 3.3.1 Lớp thông tin 52 3.3.2 Lớp thông tin ranh giới 54 3.3.3 Lớp thông tin nhiệt độ nước biển, độ mặn nước biển, sóng biển mực nước biển 59 3.3.4 Thành lập đồ số nhiệt độ nước biển, độ mặn nước biển, sóng biển mực nước biển khu vực thử nghiệm 59 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các thành phần GIS Hình 1.2 Cấu trúc raster 13 Hình 1.3 Cấu trúc vector 14 Hình 1.4 Chuyển liệu từ vector sang raster 15 Hình 1.5 Chuyển liệu từ raster sang vector 15 Hình 1.6 Sự khác biệt cấu trúc liệu raster vector việc thể đối tượng không gian dạng đường 17 Hình 1.7 Minh hoạ đối tượng vùng dạng Raster Vector 18 Hình 2.1 Cấu trúc GeoDatabase 29 Hình 3.1 Hệ thống CSDL xây dựng theo cấu trúc Personal Geodatabase .52 Hình 3.2 Tổ chức lớp liệu lớp thông tin 52 Hình 3.3 Thơng tin đồ họa lớp thơng tin giao thơng 53 Hình 3.4 Thơng tin thuộc tính lớp giao thơng 53 Hình 3.5 Thơng tin thuộc tính lớp thủy văn 54 Hình 3.6 Tổ chức lớp liệu lớp thông tin ranh giới 54 Hình 3.7 Ví dụ lớp thơng tin ranh giới tỉnh khu vực nghiên cứu 55 Hình 3.8 Thơng tin thuộc tính ranh giới tỉnh khu vực nghiên cứu 55 Hình 3.9 Tổ chức lớp liệu lớp thông tin đặc điểm hải văn 56 Hình 3.10 Ví dụ lớp thơng tin nhiệt độ trung bình nước biển tầng mặt mùa đơng 56 Hình 3.11 Thơng tin thuộc tính lớp nhiệt độ bề mặt nước biển .57 Hình 3.12 Ví dụ lớp thơng tin độ mặn nước biển 57 Hình 3.12 Thơng tin thuộc tính lớp độ mặn nước biển 58 Hình 3.13 Ví dụ lớp thơng tin mực nước biển 58 Hình 3.14 Thơng tin thuộc tính lớp mực nước biển Hình 3.15 Bản đồ nhiệt độ trung bình nước biển tầng mặt vịnh Bắc Bộ mùa đông 62 Hình 3.16 Bản đồ nhiệt độ nước biển tầng mặt vịnh Bắc Bộ ngày 15- - 2008 Hình 3.17 Bản đồ nhiệt độ nước biển tầng mặt vịnh Bắc Bộ tính từ ảnh Modis ngày 15 -5 -2008 Hình 3.18 Bản đồ độ muối trung bình mùa đơng tầng mặt vịnh Bắc Bộ Hình 3.19 Bản đồ độ muối tầng mặt vịnh Bắc Bộ tháng Hình 3.20 NDSI xây dựng tr Hình 3.21 Bản đồ sóng cực đ Hình 3.22 Bản đồ đặc trưng Hình 3.23 Đồ thị đặc trưng m Dấu Sầm Sơn DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các cấu trúc Geodatabase 30 Bảng 2.2 Lớp thông tin ranh giới 35 Bảng 2.3 Các lớp thông tin 35 Bảng 2.4 Các lớp thông tin đặc điểm hải văn 36 Bảng 3.1 Cấu trúc thông tin lớp ranh giới quốc gia 47 Bảng 3.2 Cấu trúc thông tin lớp ranh giới tỉnh 47 Bảng 3.3 Cấu trúc thông tin lớp đường bờ biển 48 Bảng 3.4 Cấu trúc thông tin lớp đường sở 48 Bảng 3.5 Cấu trúc thông tin lớp thủy hệ 49 Bảng 3.6 Cấu trúc lớp thông tin giao thông 50 Bảng 3.7 Cấu trúc thông tin lớp nhiệt độ nước biển tầng mặt 50 Bảng 3.8 Cấu trúc thông tin lớp độ muối 50 Bảng 3.9 Cấu trúc thơng tin lớp sóng biển 51 Bảng 3.10 Cấu trúc lớp thông tin mực nước biển 51 Bảng 3.11 Kết tính tốn SST từ ảnh MODIS 65 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ATNĐ CSDL DBMS DGIWG FGDC GIS PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vịnh Bắc Bộ vịnh lớn Đông Nam Á giới, vịnh có diện tích khoảng 126.250 km (36.000 hải lý vuông), chiều ngang nơi rộng khoảng 310 km (176 hải lý), nơi hẹp cửa vịnh rộng khoảng 220 km (119 hải lý), cửa ngõ giao lưu lớn lâu đời Việt Nam giới, có Trung Quốc, có tầm quan trọng đặc biệt phát triển, thương mại quốc tế quốc phòng bảo vệ an ninh, chủ quyền nước ta Vịnh nơi chứa tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt hải sản dầu khí Về hải sản, đại phận ngư trường nằm gần bờ biển Việt Nam Tây Nam đảo Bạch Long Vĩ, Vịnh Bắc Bộ ngư trường nguồn cung cấp hải sản quan trọng cho hai nước Việt Nam Trung Quốc Khu vực cửa vịnh có bồn trũng sơng Hồng có khả chứa dầu khí Hoạt động điều tra, khảo sát nghiên cứu biển vịnh Bắc Bộ tiến hành từ năm 20 kỷ XX Ngay từ năm 1922 tàu Nghiên cứu biển De Lanessan số tàu Hải quân Pháp tiến hành điều tra khảo sát vịnh Bắc Bộ với mặt cắt định kỳ để thu thập yếu tố khí tượng, thủy văn, địa chất, sinh vật sinh vật đáy vịnh Trải qua nhiều giai đoạn gắn liền với lịch sử phát triển đất nước, công điều tra nghiên cứu biển vịnh Bắc Bộ liên tục thực phát triển với quy mơ ngày mở rộng, trình độ ngày nâng cao Tuy nhiên tài liệu điều tra điều kiện tự nhiên, tài nguyên môi trường Vịnh Bắc Bộ cịn thiếu tính liên tục đa ngành, chủ yếu phục vụ riêng cho nhiệm vụ ngành Các nghiên cứu tổng hợp đánh giá biến động tài nguyên môi trường biển Vịnh Bắc Bộ chưa tiến hành cách đồng Chính vậy, yêu cầu cần phải có sẵn hệ thống sở liệu để tập hợp tài liệu, số Hình 3.17 Bản đồ nhiệt độ nước biển tầng mặt vịnh Bắc Bộ tính từ ảnh Modis ngày 15 -5 -2008 64 Nhiệt độ bề mặt biển tính từ ảnh MODIS ngày 15-5-2008 xây dựng ngôn ngữ IDL tích hợp chương trình ENVI cho thấy nhiệt độ bề mặt nước biển phân bố khoảng 26 0C- 27,750C Nhiệt độ nước biển tăng dần từ Bắc xuống Nam Vùng ven bờ nhiệt độ nước biển cao nhiệt độ khơi 20C ảnh hưởng lục địa Bảng 3.11 Kết tính tốn SST từ ảnh MODIS Kinh độ 106.8 107.43 106.48 Bảng cho kết so sánh giá trị thực đo kết tính tốn SST từ ảnh MODIS Từ bảng nhận thấy kết tính tốn SST từ ảnh MODIS cho kết sai số (= 0,54 0C) nhỏ 10C Nhược điểm lớn phương pháp tính trường nhiệt độ mặt nước biển từ ảnh MODIS cho kết khơng xác có có mặt mây pixel tính tốn Vì vậy, để tính tốn đánh giá phân bố nhiệt độ mặt nước biển đạt độ xác cao cần tích hợp kết tính tốn SST với số liệu quan trắc bề mặt 3.3.4.2 Bản đồ độ muối tầng mặt Vịnh Bắc Bộ 65 Hình 3.18 Bản đồ độ muối trung bình mùa đơng tầng mặt vịnh Bắc Bộ 66 Bản đồ độ muối trung bình mùa đơng tầng mặt vịnh Bắc Bộ (hình 3.18) thành lập với tỉ lệ 1: 3,000,000 sử dụng hệ quy chiếu Mercator, elipsoid WGS84 Bản đồ độ muối trung bình mùa đơng vùng vịnh Bắc Bộ thể phân bố theo không gian độ muối nước biển tầng mặt khu vực nghiên cứu thang màu Sắc màu (độ đậm nhạt màu) đồ thể biến đổi theo không gian độ muối nước biển bề mặt ( sắc đậm độ muối cao) Kết tính đưa đồ độ muối thu phản ánh chế độ muối vịnh Bắc Bộ với nồng độ khoảng 31 - 33 0/00 tương đối thấp so với biển Đông, cửa vịnh độ muối đạt giá trị lớn nhất, phía tây độ muối nhỏ ảnh hưởng sông đổ Bản đồ độ muối tầng mặt vịnh Bắc Bộ tháng ( hình 3.19) thể giá trị độ muối khoảng 330/00 Phân bố độ muối mùa hè thấy rõ ảnh hưởng mạnh mẽ mùa mưa nước lục địa tới biến đổi độ mặn nước biển khu vực ven bờ vịnh Bắc Bộ 67 Hình 3.19 Bản đồ độ muối tầng mặt vịnh Bắc Bộ tháng 68 Hình 3.20 NDSI xây dựng ảnh Landsat 2000 69 Chỉ số NDSI ( số mặn hóa) nhiều người sử dụng để nghiên cứu xâm nhập mặn số nơi giới Đặc biệt nghiên cứu bang Faisalabad, Pakistan Nasir M.Khan Yohei Sato dựa việc phân tích số NDSI từ ảnh LISS-II với liệu đa thời gian vào tháng năm 1993 kết hợp với điều tra đo đạc kiểm chứng thực địa phần mềm xử lý ảnh phân tích không gian không mạnh IDRISI ông thành lập đồ xâm nhập mặn cho mùa năm khu vực nghiên cứu Bên cạnh số NDSI ơng cịn tiến hành tạo số WATER = COMP124 / B4_STR phương pháp phân tích thành phần (PCA) Kết ông dừng lại việc thành lập đồ xâm nhập mặn mà chưa ý phân tích nguyên nhân dẫn đến tượng NDSI RED NIR RED NIR Đối với ảnh SPOT: NDSI B2 B3 B2 B3 Đối với ảnh Landsat TM: NDSI B3 B4 B3 B4 Chỉ số NDSI khu vực nghiên cứu luận văn thực công cụ Bandmath thuộc phần mềm ENVI 4.7 Bản đồ ảnh xâm nhập mặn xây dựng từ ảnh Landsat tháng năm 2000 cho thấy giá trị độ muối khu vực vịnh Bắc Bộ vào khoảng 31 0/00, khu vực ven biển có độ muối cao ngồi khơi Độ muối có giá trị giảm dần đến cửa vịnh Độ xác số NDSI tính từ ảnh vệ tinh chịu ảnh hưởng điều kiện thời tiết Các khu vực thông tin bị nhiễu mây phủ cho kết khơng xác 3.3.4.3 Bản đồ sóng cực đại Vịnh Bắc Bộ 70 Hình 3.21 Bản đồ sóng cực đại trung bình tháng vịnh Bắc Bộ Bản đồ sóng cực đại trung bình tháng vịnh Bắc Bộ (hình 3.21) thành lập với tỉ lệ 1: 3,000,000 sử dụng hệ quy chiếu Mercator, elipsoid WGS- 84 71 Bản đồ sóng cực đại trung bình tháng vùng vịnh Bắc Bộ thể phân bố theo khơng gian độ cao sóng cực đại khu vực nghiên cứu đường cong Hướng sóng thể mũi tên có hướng Chế độ sóng phụ thuộc chặt chẽ vào chế độ gió, vậy, tháng 7, hướng sóng thịnh hành chủ yếu Nam Tây Nam Độ cao sóng cực đại nằm khoảng 4-8,5m Tại trạm xa bờ (Bạch Long Vĩ, Cồn Cỏ) độ cao sóng cực đại thường cao trạm gần bờ từ -4m Điều lý giải tác động gió mùa sóng ngồi biển Đơng truyền vào 3.3.4.4 Bản độ mực nước biển nhiều năm Vịnh Bắc Bộ Bản đồ đặc trưng mực nước biển nhiều năm vịnh Bắc Bộ (hình 3.22) thành lập với tỉ lệ 1: 3,000,000 sử dụng hệ quy chiếu Mercator, elipsoid WGS84 Bản đồ đặc trưng mực nước biển thể giá trị mực nước biển trung bình cao thấp điểm đo từ trạm quan trắc số liệu khảo sát Mực nước biển quan trắc thực tế hàng ngày trạm khí tượng hải văn mực nước tổng cộng, gồm dao động tuần hồn khơng tuần hồn Mực nước biển biến động mạnh tác động điều kiện khí tượng thủy văn, đặc biệt gió mùa bão (a) 72 (b) (c) Hình 3.23 Đồ thị đặc trưng mực nước biển nhiều năm khu vực Bạch Long Vĩ (a), Hòn Dấu (b) Sầm Sơn (c) Mực nước biển có giá trị lớn đỉnh Vịnh giảm dần đến cửa Vịnh Ngoài khơi vịnh Bắc Bộ mực nước thường nhỏ ven bờ Tại Bạch Long Vĩ mực nước biển đo lớn 359cm Hòn Dấu 399cm, Sầm Sơn 402cm Ở vùng phía Bắc vịnh mực nước biển có xu hướng tăng dần theo thời gian Tại đảo Bạch Long Vĩ mực nước tăng từ 325cm (năm 2000) đến 359cm ( năm 2007), Hòn Dấu mực nước tăng từ 379cm (năm 2000) đến 399cm (năm 2007) Đây hậu khí hậu tồn cầu nóng lên 73 Hình 3.22 Bản đồ đặc trưng mực nước biển nhiều năm vịnh Bắc Bộ 74 KẾT LUẬN Hệ thông tin địa lý với tính đa dạng ngày phát huy vai trị hoạt động đời sống xã hội Công nghệ GIS cung cấp giải pháp cho lưu trữ, tra cứu, cập nhật, phân tích, xử lý phân phối tích hợp dạng liệu địa lý với dạng liệu thuộc tính Hệ thơng tin địa lý có khả chuẩn hóa ngân hàng liệu để đưa vào hệ thống xử lý khác nên khả khai thác liệu lớn Việc ứng dụng GIS nghiên cứu quản lý liệu hải văn đề tài có tính ứng dụng cao thực tế Tuy nhiên đề rộng phức tạp khối lượng liệu lớn, thu thập qua nhiều năm thiếu tính liên tục đa ngành Các nghiên cứu tổng hợp đánh giá biến động tài nguyên môi trường biển Vịnh Bắc Bộ chưa tiến hành cách đồng Chính để xây dựng CSDL GIS hoàn chỉnh cho nghiên cứu quản lý liệu hải văn khu vực Vịnh Bắc Bộ cơng việc địi hỏi nhiều thời gian kinh nghiệm Kết luận văn đạt được: Đề tài nghiên cứu cách tương đối toàn diện vấn đề xây dựng sở liệu địa lý như: GIS, sở liệu nền, sở liệu lớp chuyên đề nhiệt độ nước biển, độ mặn nước biển, sóng biển mực nước biển khu vực thử nghiệm Đề tài bước đầu xây dựng mơ hình cấu trúc liệu đặc điểm hải văn khu vực Vịnh Bắc Bộ theo “ Quyết định số 06/2007QĐ-BTNMT ngày 27 tháng 02 năm 2007“ Bộ Tài nguyên Môi trường - Thành lập đồ số nhiệt độ nước biển, độ mặn nước biển, sóng biển mực nước biển khu vực thử nghiệm 75 Kiến nghị Cần mở rộng thu thập xử lý số liệu điều tra khảo sát qua năm kết hợp với liệu thu thập từ ảnh vệ tinh, mở rộng nghiên cứu công nghệ xây dựng sở liệu đặc điểm hải văn để nâng cao độ xác CSDL cần thiết kế theo hướng mở, có khả chia sẻ cập nhật liệu, đặc biệt liệu trực tuyến 76 TÀI LIỆU THAM KHO Ting Vit Bộ Tài nguyên Môi tr-ờng (2005), Dự án chuẩn hoá hệ thống thông tin địa lý sở quốc gia, Kèm theo định phê duyệt Bộ tr-ởng Bộ Tài nguyên Môi tr-ờng Hà Nội Cục đo đạc đồ Bộ Tài nguyên môi tr-ờng, Quy chuẩn danh mục đối t-ợng địa lý sở quốc gia.(Bản dự thảo lần thứ 6) Nguyễn Ngọc Thạch (2003), Giáo trình Hệ thống thông tin địa lý, Tr-ờng ĐH Khoa học tự nhiên Hà Nội Dự Nguyễn Ngọc Thạch, Báo váo xây dựng CSDL GIS phục vụ quản lý thuỷ sản, án SUMMA, Bộ NN&PTNT Nguyn Th Tng v nnk (2006), Báo cáo tổng kết đề tài,” Điều tra tổng hợp điều kiện tự nhiên, tài nguyên môi trường biển Vịnh Bắc Bộ, mã số KC.09 – 17” Trung tâm hải văn (2012), Báo cáo,” Điều tra tài nguyên – môi trường biển – trạng mạng lưới quan trắc số giải pháp nhằm tăng cường hiệu quả” Tiếng Anh Burrough P.A (1986) Principles of Geographical Information Systems for Land Resources assessment, Clarendon Press Oxford ESRI Using ArcMap, ArcGIS Manual C¸c trang Web: - http://icdc.zmaw.de/ - http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/ 77 ... quan sở liệu cấu trúc sở liệu Thu thập đánh giá nguồn số liệu điều tra bản, điều tra khảo sát khu vực vịnh Bắc đặc điểm hải văn - Xây dựng sở liệu đặc điểm hải văn khu vực vịnh Bắc Bộ Thành lập đồ. .. tài xác lập sở khoa học và phương pháp luận xây dựng CSDL phục vụ nghiên cứu liệu hải văn khu vực Vịnh Bắc Bộ Bước đầu xây dựng mơ hình CSDL Gis đặc điểm hải văn khu vực Vịnh Bắc Bộ phù hợp với... - Hoa Thúy Quỳnh XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐẶC ĐIỂM HẢI VĂN KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ Chuyên ngành: Bản đồ viễn thám GIS Mã số: 60442014 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG