Xây dựng hệ thống thông tin hỗ trợ cảnh báo sạt lở cho tỉnh quảng bình

i ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ HỒNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG THƠNG TIN HỖ TRỢ CẢNH BÁO SẠT LỞ CHO TỈNH QUẢNG BÌNH Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8480101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN TẤN KHÔI Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những nội dung luận văn thực hướng dẫn trực tiếp PGS TS Nguyễn Tấn Khôi Mọi tham khảo dùng luận văn trích dẫn rõ ràng trung thực tên tác giả, tên cơng trình, thời gian địa điểm công bố Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Tác giả luận văn Lê Hồng TRANG TĨM TẮT LUẬN VĂN XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN HỖ TRỢ CẢNH BÁO SẠT LỞ CHO TỈNH QUẢNG BÌNH Học viên: Lê Hồng Mã số: 8480101 - Khóa: 34 Chun ngành: Khoa học máy tính Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Quảng Bình ln phải chịu ảnh hưởng loại thiên tai thường xảy Việt Nam với tần suất cao, mức độ ác liệt bão, Áp thấp nhiệt đới, lũ lụt, lũ quét, sạt lở nhiều bão, lũ lụt, lốc xốy, sạt lở Tỷ lệ mưa bão áp thấp nhiệt đới gây chiếm tới 40-50% tổng lượng mưa hàng năm Thiên tai làm ngưng trệ hoạt động xã hội, gây nhiều thiệt hại đến người, tài sản nhân dân Nhà nước Những năm gần, thiên tai ngày gia tăng số lượng cường độ, ngày mức độ khốc liệt khó lường Xuất phát từ lý chọn đề tài để nghiên cứu "Xây dựng hệ thống thông tin hỗ trợ cảnh báo sạt lở cho tỉnh Quảng Bình" Nội dung nghiên cứu gồm: (1) Giới thiệu GIS, khái quát nội dung liên quan, vấn đề tồn Khái niệm lũ sạt lở nhân tố ảnh hưởng lũ, tình hình nghiên cứu lũ ngồi nước, giới thiệu số ứng dụng, công nghệ GIS đánh giá thiên tai đáng giá thực trạng địa bàn tỉnh Quảng Bình (2) GIS chồng lớp đồ, xây dựng đồ, số hoá đồ thiết lập thuộc tính lớp phần mềm QGIS, kết nối liên kết liệu đồ (3) Phân tích thiết kế hướng đối tượng Trình bày bước phân tích thiết kế hệ thống hỗ trợ hệ thống mô cảnh báo kết thực nghiệm Từ khóa: Lũ lụt, lũ quét, trượt lở, sạt lở đất BUILDING INFORMATION SUPPORT SYSTEM WARNING SUCCESS TO QUANG BINH PROVINCE Abstract - Quang Binh is always affected by natural disasters that often occur in Vietnam with high frequency, such as typhoons, tropical depression, floods, flash floods, landslides in which many especially storms, floods, cyclones, landslides Storms and tropical depression cause up to 40-50% of annual rainfall Disasters have stalled social activities, caused much damage to the people and property of the people and the State In recent years, natural disasters have increased in number and intensity Starting from the above reasons, I chose to study the topic of "Building an information system supporting landslide warnings for Quang Binh province" The research contents include: (1) Introduction to GIS, overview of related issues, existing issues The concept of floods and floods, the situation of flood research in and outside the country, introduction of some applications, GIS technology in disaster assessment and real situation in Quang Binh province (2) GIS and map overlays, mapping, digitizing maps set up properties of layers by QGIS software, connecting and linking map data (3) Object-oriented design analysis Describe the system design analysis steps that support the system for simulating warnings and experimental results Key words: Flood, flash flood, slipping, landslide MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 GIỚI THIỆU .6 1.1.1 Các thành phần GIS 1.1.2 Chức GIS .9 1.1.3 Ứng dụng hệ thông tin địa lý GIS 10 1.1.4 Mơ hình liệu địa lý hệ thống GIS 12 1.2 LŨ QUÉT 15 1.2.1 Các dạng lũ quét 15 1.2.2 Đặc tính lũ quét 15 1.2.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến lũ quét 17 1.2.4 Sự thích nghi lợi ích lũ quét 17 1.3 ỨNG DỤNG GIS TRONG ĐÁNH GIÁ THIÊN TAI 20 1.3.1 Công nghệ WebGIS 23 1.3.2 Kiến trúc hệ thống WebGIS 25 1.3.3 Mơ hình triển khai WebGIS 26 1.3.4 Dữ liệu WebGIS 26 1.3.5 Chuẩn dịch vụ xây dựng đồ WebGIS 30 1.4 PHẦN MỀM MÃ NGUỒN MỞ QGIS 35 1.4.1 Giới thiệu 35 1.4.2 Các chức QGIS 36 1.5 ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN CỦA TỈNH QUẢNG BÌNH 36 1.5.1 Vị trí địa lý 36 1.5.2 Địa hình: .37 1.5.3 Địa mạo 43 1.5.4 Đặc điểm tượng thủy văn: 45 1.5.5 Nhiệt độ bình quân .47 1.6 KẾT CHƯƠNG .47 CHƯƠNG XÂY DỰNG LỚP BẢN ĐỒ VÀ QGIS 48 2.1 CHỒNG LỚP BẢN ĐỒ 48 2.2 XÂY DỰNG BẢN ĐỒ SỐ BẰNG QGIS .49 2.2.1 Lớp đồ rừng có nguy lũ quét sạt lở 49 2.2.2 Lớp đồ sử dụng đất 49 2.2.3 Lớp đồ độ dốc 49 2.3 KỸ THUẬT CHỒNG LỚP BẢN ĐỒ .49 2.3.1 Thuật toán xử lý chồng lớp 49 2.3.2 Q trình số hóa đồ 50 2.3.3 Các lớp liệu đồ 52 2.3.4 Mơ hình liệu lớp liệu đồ 53 2.3.5 Kết nối liệu đồ đưa liệu lên Geoserver 54 2.4 THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG DNGIS .57 2.5 KẾT CHƯƠNG .61 CHƯƠNG PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP THƠNG TIN62 3.1 MƠ HÌNH HỆ THỐNG 62 3.2 CƠNG CỤ VÀ MƠI TRƯỜNG LẬP TRÌNH 63 3.3 KẾT QUẢ CHƯƠNG TRÌNH 64 3.3.1 Xây dựng đồ số QGIS 64 3.3.2 Kết thực chương trình 66 3.3.3 Nhận xét đánh giá kết 70 3.4 KẾT CHƯƠNG .71 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ý nghĩa Từ viết tắt CAD Computer Aided Design CSDL Cơ Sở Dữ Liệu CVS Concurrent Versions System DBMS Database Management System DMU Disaster Management Unit ESRI Enviromental Systems Research Institute GIS Geographic Information System GML Geography Markup Language GNU GNU's Not Unix GPL General Public License ISO International Organization for Standardization NXB Nhà Xuất Bản OGC Open GIS Consortium TBNN Trung Bình Nhiều Năm UML Unified Modeling Language USLE Universal Soil Loss Equation WMS Web Map Service XML Extensible Markup Language DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bảng mô tả cách thể Raster Vector 13 Bảng 1.2 Thống kê diện tích phân bố phân cấp độ cao .39 Bảng 1.3 Thống kê diện tích phân bố phân cấp độ dốc .40 Bảng 1.4 Thống kê diện tích phân bố phân cấp độ dốc .41 Bảng 1.5 Đặc điểm phân bố mậtTđộ phân cắt sâu .42 Bảng 1.6 Đặc điểm phân bố mật độ phân cắt ngang 43 Bảng 1.7 Đặc điểm hình thái sơng ngịi tỉnh Quảng Bình 46 Bảng 1.8 Nhiệt độ bình quân năm tỉnh Quảng Bình 47 Bảng 2.1 Phân khoảng đồ kết .50 Bảng 2.2 Dữ liệu đồ ranh giới 52 Bảng 2.3 Dữ liệu đồ đường giao thông .53 Bảng 2.4 Dữ liệu đồ thủy hệ .53 Bảng 2.5 Bảng lớp hệ thống 57 Bảng 2.6 Bảng thông tin tỉnh 57 Bảng 2.7 Bảng thơng tin loại khí tượng thủy văn 58 Bảng 2.8 Bảng thông tin huyện 58 Bảng 2.9 Bảng thông tin xã .58 Bảng 2.10 Bảng thông tin trạm 59 Bảng 2.11 Bảng thơng tin khí tượng thủy văn 59 Bảng 2.12 Bảng thông tin loại thiên tai .60 Bảng 3.1 Kết liệt kê điểm ngập lụt sạt lở năm 2016, 2017 68 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Mơ hình thành phần GIS Hình 1.2 Các lớp ứng dụng GIS môi trường .11 Hình 1.3 Các lớp ứng dụng GIS thủy văn 11 Hình 1.4 Các lớp ứng dụng GIS giao thơng 12 Hình 1.5 Lũ quét huyện Minh Hóa .16 Hình 1.6 Trượt lở, tuyến đường Hồ Chí Minh nhánh đơng 16 Hình 1.7 Các nhân tố ảnh hưởng lũ quét 17 Hình 1.8 Các nhân tố ảnh hưởng đến lũ 18 Hình 1.9 Lớp phủ thực vật rừng .19 Hình 1.10 Ảnh hưởng đất đến lũ 19 Hình 1.11 Tác động người 20 Hình 1.12 Ứng dụng GIS trực tiếp tính tốn lũ 21 Hình 1.13 Các nhóm chức GIS 23 Hình 1.14 Mơ hình lớp kiến trúc WebGIS 25 Hình 1.15 Số liệu vector biểu thị dạng điểm .28 Hình 1.16 Số liệu vector biểu thị dạng đường 28 Hình 1.17 Số liệu vector biểu thị dạng vùng 29 Hình 1.18 Khó khăn việc chia liệu 30 Hình 1.19 Giải pháp OGC 31 Hình 1.20 Sơ đồ phân bố phân cấp độ cao địa hình .39 Hình 1.21 Sơ đồ phân bố phân cấp độ dốc địa hình 40 Hình 1.22 Sơ đồ phân bố hướng phơi sườn .41 Hình 1.23 Sơ đồ phân bố mật độ phân cắt sâu cắt ngang 42 Hình 1.24 Bản đồ tỉnh Quảng Bình 47 Hình 2.1 Các lớp liệu đầu vào 50 Hình 2.2 Quy trình số hóa liệu đồ 51 Hình 2.3 Chuẩn hóa liệu đồ ArcMap 10 51 Hình 2.4 Cấu trúc liệu khơng gian liệu thuộc tính 52 Hình 2.5 Mơ hình quan hệ lớp liệu đồ .53 Hình 2.6 Kết nối tới liệu đồ 54 Hình 2.7 Cơng bố liệu đồ Geoserver .55 Hình 2.8 Sơ đồ thực thể lớp 60 Hình 3.1 Mơ hình hệ thống cảnh báo nguy lũ qt .62 Hình 3.2 Giao diện QGIS 65 Hình 3.3 Thanh cơng cụ số hóa 65 Hình 3.4 Chọn điểm tọa độ cho hình ảnh cần số hóa .66 Hình 3.5 Xem thơng tin đồ 67 Hình 3.6 Tra cứu thơng tin thiên tai điểm sạt lở .67 Hình 3.7 Giao diện WebGIS quản lý thơng tin 68 Hình 3.8 Đường HCM đoạn Khe Cát, xã Trường Sơn, H.Quảng Ninh .69 Hình 3.9 Tuyến đường sắt Bắc nam Ga lạc sơn-Châu Hóa-Tun hóa 69 Hình 3.10 Đường Hồ Chí Minh đoạn qua xã Thượng Hóa .70 Hình 3.11 Trượt lở, tuyến đường HCM xã Hố Thanh, Tun Hố .70 Hình 3.12 Đường Quốc lộ 15 71 Hình 3.13 Đường Quốc lộ 15 70 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Quảng Bình vùng hẹp Việt Nam, Quảng Bình chịu ảnh hưởng hầu hết loại thiên tai thường xảy Việt Nam với tần suất cao hơn, mức độ ác liệt bão, Áp thấp nhiệt đới (ATNĐ), lũ lụt, lũ quét, sạt lở bờ sông, bờ biển, hạn hán, cát bay lấp, rét đậm, rét hại, lốc tố, xâm nhập mặn, triều cường, nhiều bão, lũ lụt, lốc xốy, sạt lở bờ sông, bờ biển, cát bay lấp Hàng năm, thường hứng chịu đợt mưa bão lớn Tuy nhiên địa hình, trận lũ thường gây hại nghiệm trọng khu vực miền núi trung du, đặc biệt lũ quét Nguyên nhân gây trận lụt, lũ qt điều kiện địa hình, phía tây sườn tây núi Trường Sơn thường mưa lớn có bão đổ vào khu vực Miền Trung Thời gian tập trung lũ ngắn, độ dốc lưu vực lớn nhiều rừng đầu nguồn bị chặt phá không theo qui hoạch nguyên nhân quan gây trận lũ lũ quét lớn Từ năm 1989 đến Quảng Bình phải gánh chịu nhiều thiệt hại người tài sản bão lũ lụt gây ảnh hưởng lớn đến phát triển kinh tế xã hội ổn định sống dân cư địa bàn toàn tỉnh Từ năm 1999 đến nay, thống kê toàn tỉnh mức độ thiệt hại lớn bão lũ huyện xếp theo thứ tự sau: Huyện Lệ thủy, Quảng Ninh, Quảng Trạch, Bố Trạch, Tuyên Hóa, Minh Hóa, TP Đồng Hới Tuy nhiên vịng hai năm lại huyện chịu nhiều thiệt hại huyện Tuyên Hóa, Minh Hóa bị lũ qt, xói lở bờ sơng [6] Mùa bão Quảng Bình diễn từ tháng đến tháng 11, từ tháng 9-10 nhiều bão Theo số liệu thống kê từ 2000 đến năm 2017 có 13 bão đổ trực tiếp vào Quảng Bình, có năm khơng có bão, lại có năm liên tiếp 2-3 bão đổ trực tiếp Ảnh hưởng nặng nề bão gây gió xốy giật kèm theo mưa to dài ngày (2-5 ngày) gây lũ lụt nghiêm trọng Tỷ lệ mưa bão áp thấp nhiệt đới gây chiếm tới 40-50% tổng lượng mưa 70 Hình 3.10 Đường Hồ Chí Minh Hình 3.11 Trượt lở, tuyến đoạn qua xã Thượng Hóa đường HCM xã Hố Thanh, Tun Hố Hình 3.12 Đường Quốc lộ 15 Hình 3.13 Đường Quốc lộ 15 3.3.3 Nhận xét đánh giá kết Nguồn liệu đồ ban đầu biên tập thông qua phần mềm QGIS, sau sử dụng làm đồ phần mềm DNGIS, dùng để thể thơng tin thiên tai, khí tượng thủy văn theo vị trí địa lý đồ Chương trình thể thơng tin khí tượng như: nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, … Ngồi ra, chương trình cịn lưu trữ thơng tin thiên tai thời gian qua cho phép tra cứu bão, lũ, động đất Chương trình kết hợp liệu đồ hệ quản trị sở liệu SQL Server cho phép lưu trữ lượng thông tin lớn Áp dụng công nghệ GIS để giải vấn đề đặt ra, tận dụng ưu điểm việc mô số 71 liệu Đã biên dịch thành công mã nguồn QGIS, sử dụng liệu đồ biên tập để thể cách trực quan cho số liệu tai biến thiên nhiên 3.4 KẾT CHƯƠNG Dựa thông số đo từ trạm khí tượng thủy văn thu thập Phần kết thực nghiệm cho phép tra cứu, khai thác thông tin điểm, vùng ứng dụng thử nghiệm so với thực tế 72 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết đạt Với mục tiêu ứng dụng WebGIS để hỗ trợ công tác quản lý cảnh báo sạt lở ngập lũ, đề tài đạt kết cụ thể sau: Đề tài đạt yêu cầu đặt mặt lý thuyết nghiên cứu để ứng dụng vào thực tiển Về mặt lý thuyết, đề tài nghiên cứu tổng quan hệ thông tin địa lý cấu trúc hệ thống thông tin địa lý QGIS, công nghệ WebGIS kiến trúc triển khai ứng dụng WebGIS Về mặt thực tiển, đề tài thử ứng dụng lĩnh vực nghiên cứu từ xây dựng hệ thống WebGIS mơ quản lý thông tin thiên tai địa bàn tỉnh Quảng Bình Từng bước tạo mơ hình ứng dụng, quản lý nhằm nắm bắt thực trạng hỗ trợ phòng chống thiên tai để có hướng xử lý, khắc phục Hạn chế Tuy nhiên, đề tài tồn số hạn chế như: Tốc độ tải đồ cịn tương đối chậm liệu có số liệu lớn Dữ liệu thiên tai số hóa chồng lớp đồ chuyển vào hệ quản trị liệu điểm cịn có vài sai lệch so với vị trí ban đầu Chưa thực thống kê, phân tích liệu khơng gian thuộc tính Hệ thống WebGIS xây dựng mức thử nghiệm chưa tìm hiểu sâu vấn đề bảo mật WebGIS chưa xác thực Geoserver thêm cập nhật liệu đồ Hướng phát triển Cần tiếp tục nghiên cứu công tác quản lý lũ lụt, lũ quét, trượt lở đất ứng dụng QGIS mức độ sâu để đồng trình phân tích đánh giá, đồng thời lựa chọn phương pháp mang tính tổng hợp hệ thống Với hệ thống WebGIS xây dựng mở rộng thêm quản lý nhiều lĩnh vực ngành nghề khác như: Giới thiệu điểm du lịch tảng GIS Nghiên cứu thêm nhiều kỹ thuật nhằm tăng tốc độ xử lý hiển thị đồ hệ thống, cho phép nhúng tích hợp lên Website khác Nghiên cứu thêm vấn đề bảo mật hệ thống WebGIS triển khai ứng dụng thực tế hạn chế xâm nhập trái phép 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Viện sinh thái tài nguyên sinh vật, “Hướng dẫn sử dụng phần mềm QGIS, EASSYGT, GPSYNC định vị ảnh giám sát đa dạng sinh học”, 2009 [2] Ths Nguyễn Đức Bình, ThS Hồng Hữu Cải, KS Nguyễn Quốc Bình, “Ứng dụng MapInfo xây dựng đồ”, 2003 [3] Kevin Koy, “Hướng dẫn sử dụng Quantum GIS” AMNH, 2007 [4] Nguyễn Trọng Tư, “Công nghệ GIS” Báo cáo khoa học Đại học sư phạm Hà Nội, 2008 [5] “Dự án UNDP: VIE/97/002” Đơn vị quản lý thiên tai [6] Viện Khoa học địa chất khoáng sản “Báo cáo kết điều tra thành lập đồ trạng trượt lở đất, đá tỷ lệ 1:50.000 khu vực miền núi tỉnh Quảng Bình” 2017 Tiếng Anh [7] David J.Buckley, Inc “The GIS Primer” Pacific Meridian Resources [8] CartONG, “GIS Training Google Earth QGIS 0.11.1 Linking Data from Sphinx” 2008, 65 tr [9] “Quantum GIS User Guide” 207tr QGIS [10] MapInfo Corporation, “MapInfo Professional Reference Guide” New York, 2000 [11] MapInfo Corporation Troy, “MapInfo Professional 7.5 User Guide”, New York, 2003 [12] MapInfo Corporation Troy, “MapXtreme 2005 v6.5 Developer Guide”, NewYork, 2005 [13] MapInfo Corporation Troy, “MapXtreme 2005 v6.5 Developer Refenrence Guide”, NewYork, 2005 [14] MapInfo Corporation Troy, “MapXtreme 2005 v6.5 Realease Notes”, 2005 74 [15] MapInfo Corporation Troy, “MapXtreme 2005 v6.5 Object Model Overview”, 2005 [16] John F Long, David R Rain, Michael R Ratcliffe, “Population Density vs.Urban Population: Comparative GIS Studies in China, India, and the United States”, 2001 Website [17] http://www.sotnmt-bentre.gov.vn [18] http://vi.wikipedia.org [19] http://www.wattpad.com/wap/259361 [20] http://www.automation-drive.com [21] http://www.dmc.gov.vn [22] http://www.qgis.org [23] http://www.opengeospatial.org/standards/is [24] http://en.wikipedia.org/wiki/Open_Geospatial_Consortium [25] http://docs.geoserver.org/stable/en/user/ [26] http://www.postgresql.org/ [27] http://postgis.net/ ... học: ? ?Xây dựng hệ thống thông tin hỗ trợ cảnh báo sạt lở cho tỉnh Quảng Bình? ?? Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 2.1 Mục tiêu: Ứng dụng công nghệ GIS xây dựng đồ có nguy sạt lở nguy lũ, sạt lở dọc... Minh nhánh đông qua huyện tỉnh Quảng Bình để phát cảnh báo điểm vùng có nguy phát sinh lũ sạt lở Xây dựng hệ thống hỗ trợ cảnh báo nguy lũ cảnh báo sạt lở dựa đồ kết xây dựng 2.2 Nhiệm vụ: - Tìm... nghiên cứu "Xây dựng hệ thống thông tin hỗ trợ cảnh báo sạt lở cho tỉnh Quảng Bình" Nội dung nghiên cứu gồm: (1) Giới thiệu GIS, khái quát nội dung liên quan, vấn đề tồn Khái niệm lũ sạt lở nhân