Ứng dụng địa tin học trong nghiên cứu sự thay đổi địa hình và đô thị hóa thủ đô hà nội bằng mô hình 3 chiều

HéI TH¶O KHOA HäC QC TÕ Kû NIƯM 1000 N¡M THĂNG LONG Hà NộI PHáT TRIểN BềN VữNG THủ ĐÔ Hà NộI VĂN HIếN, ANH HùNG, Vì HOà BìNH ứng dụng địa tin học nGHIÊN CứU Sự THAY ĐổI ĐịA HìNH Và ĐÔ THị HOá thủ đô Hà NộI BằNG MÔ HìNH CHIềU TS Go Yonezawa*, PGS TS Trương Xuân Luận**, GS TS Mamoru Shibayama***, PGS TS Venkatesh Raghavan**** Mở đầu H| Nội, Thủ đô Việt Nam, l| th|nh phố ph{t triển nhanh c{c nước Đông Nam Á Trước kỷ XIX, H| Nội gồm nhiều ao hồ, hình th|nh từ biến động sông Hồng Trong năm đầu kỷ XX, phần lớn chúng khơng cịn c{c đồ Liên quan đến vấn đề thay đổi đô thị n|y Sukurai v| Shibayama *2007+, Yonezawa v| Shibayama *2007+ số t{c giả kh{c đề cập sử dụng công nghệ hệ thông tin địa lý (GIS) v| viễn th{m (RS) Hai tiêu điểm quan trọng có ảnh hưởng đến biến đổi diện mạo H| Nội Thứ nhất, kế hoạch v| ph{t triển thị Chính phủ Ph{p cuối kỷ XIX Thứ hai, địa hình v| mơi trường tự nhiên H| Nội H| Nội vùng có nhiều ngập lụt thuộc đồng sông Hồng, độ cao trung bình 10m H| Nội hứng chịu nhiều đợt lụt v| lặp lại nhiều năm Dựa c{c đồ th|nh lập người Ph{p, cuối kỷ XIX, H| Nội có hệ thống đê bao lớn Đ}y l| vấn đề quan trọng để miêu tả thay đổi địa hình H| Nội, nhiên khơng dễ sử dụng mơ hình chiều Yonezawa *2008+ đề xuất công nghệ chiều cho nghiên cứu đô thị, với loại liệu: bề mặt địa, địa hình v| địa hình khu vực nhỏ Bằng c{ch tương tự, {p dụng nghiên cứu cho c{c vùng kh{c B|i b{o tập trung giới thiệu thay đổi địa hình H| Nội c{c kỷ XIX v| XX công nghệ nêu Viện Nghiên cứu Con người v| Thiên nhiên, Nhật Bản Trường Đại học Mỏ - Địa chất H| Nội, Việt Nam *** Trung t}m Nghiên cứu Đông Nam Á, Nhật Bản **** Đại học Tổng hợp Th|nh phố Osaka, Nhật Bản * ** Sự thay đổi đô thị Hà Nội Theo nghiên cứu Haruyama [2004], hệ thống đê H| Nội l| yếu tố lớn để nhận thức diện mạo H| Nội H| Nội x}y dựng vùng có độ cao trung bình 10m, nhiều lần bị ngập lụt g}y sông Hồng Đê kè ngo|i việc bảo vệ th|nh phố khỏi bị ngập lụt cịn góp phần tạo nên c{c hồ, kênh rạch nơi uốn cong sông Hồng Hồ T}y v| hồ Ho|n Kiếm l| ví dụ điển hình th|nh tạo Đê bị vỡ v| tr|n số lần lụt lịch sử v| sau lần đó, đê lại cải tạo cao Những chứng x}y dựng sở hạ tầng cho điều tiết lũ lụt tìm thấy từ sớm H| Nội Bằng t|i liệu lịch sử, GS Sakurai, GS Shibayama *2007+, thay đổi H| Nội thời kỳ nh| Nguyễn (c{c năm 1802 - 1945) Những thay đổi liên quan đến kế hoạch ph{t triển đô thị Chính phủ Ph{p hộ Việt Nam (trong c{c năm 1887 1954) Cơ quan huy qu}n đội Ph{p đặt vị trí chiến lược Cấm Th|nh xưa (thuộc trung t}m H| Nội ng|y nay) Đầu tiên, người Ph{p cho x}y dựng nhiều đơn vị qu}n Cấm Th|nh v| ng|y c|ng ph{t triển rộng Sự ph{t triển n|y trì năm 1930 Cùng với ph{t triển đó, nhiều hồ ao bị san lấp Vấn đề n|y c{c nhóm m| đại diện Yonezawa, Shibayama [2007+ v| Duan, Shibayama *2008+ nghiên cứu c{c phương ph{p kh{c lịch sử, thông tin khu vực học, công nghệ thông tin, GIS v| RS Tuy nhiên, khó để nhận thức hồ ao bị lấp v| hệ thống đê ảnh hưởng đến mơi trường H| Nội mơ hình chiều Vậy ph}n tích thay đổi địa mạo chiều l| cần thiết Do đó, DEM l| giải ph{p tốt cho ph}n tích biến đổi thị DEM độ phân giải cao Với số liệu có, khó x}y dựng DEM độ ph}n giải cao Việt Nam Tuy nhiên, để nghiên cứu, chúng tơi đưa DEM có độ ph}n giải cao dựa liệu kh{c nhau: từ SRTM (Shuttle Radar Topographi Mission), c{c liệu đo thực địa v| đồ địa hình có (a) Dữ liệu độ cao xung quanh Hà Nội xây dựng SRTM-3 (b) Dữ liệu độ cao Hà Nội xây dựng SRTM-3 Hình Hướng đối tượng liệu SRTM-3 Sử dụng SRTM Dữ liệu số độ cao SRTM l| công nghệ DEM, quỹ đạo bao phủ to|n Tr{i Đất SRTM l| dự {n quốc tế quản lý Cơ quan Địa khơng gian Trí thức Quốc gia (National Geospatial-Intelligence Agency-NGA) v| Cơ quan Quản lý H|ng không Vũ trụ Quốc gia (National Aeronautics and Space Administration - NASA) Hoa Kỳ Theo độ ph}n giải, liệu DEM bao gồm mơ hình: độ ph}n giải SRTM-3 khoảng 90m, SRTM-30 l| 900m SRTM-3 có DEM bao phủ to|n bề mặt Tr{i Đất Như SRTM-3 thích hợp cho ph}n tích mơi trường tự nhiên v| ph{t triển dự {n khu vực m| c{c liệu tạo DEM khó thu thập Dữ liệu SRTM-3 cho vùng rộng lớn bao quanh H| Nội thể hình 1a, ghép nối từ ảnh Những liệu n|y tải miễn phí từ trang Web NASA Hình 1b l| khu vực trung t}m H| Nội Tuy nhiên, khơng thể nhìn thấy thay đổi nhỏ trường hợp địa hình phẳng Bởi độ ph}n giải ảnh n|y qu{ thấp, cần thiết phải sử dụng DEM có độ ph}n giải cao Sử dụng liệu khảo sát C{c kết khảo s{t thực địa thực Trường Đại học Mỏ - Địa chất H| Nội Hình 2a l| ví dụ thể khảo s{t độ cao đưa lên đồ Khu vực khảo s{t có diện tích 25km2 (5 x 5km) với 8.015 điểm độ cao (hình 2b) (a) Khu vực khảo sát độ cao (b) Thể trực quan số điểm khảo sát (8015 điểm) Hình Khảo sát liệu độ cao Hà Nội (a) Những điểm khảo sát khu phố cổ (b) Ví dụ thành lập DEM với đường đồng mức cách 0,5m Hình Thành lập DEM cho khu phố cổ Các bước thành lập DEM: (1) Dữ liệu đầu v|o l| c{c điểm với (x, y, z) dạng số (x, y) l| vị trí c{c điểm ảnh, z l| độ cao vị trí (tính mét), chuyển đổi toạ độ phù hợp (2) Ước lượng bề mặt địa hình ph{t triển phần mềm Bề mặt địa hình ước lượng từ (x, y, z) dựa phương ph{p ước lượng bề mặt l| BS-Horizon, sử dụng h|m Cub-B-Spline *Nonogaki v| nnk, 2008+ (3) Dữ liệu đầu bề mặt địa hình (DEM) (a) Bản đồ DEM đồng mức (b) DEM với khoảng cách đường 0,5m Hình Bản đồ DEM vùng nghiên cứu Kết th|nh lập DEM khu phố cổ dẫn hình 3b với độ ph}n giải 2m, khoảng c{ch c{c đường đồng mức 0,5m Ở hình n|y thấy rõ hồ Ho|n Kiếm v| đê tương ứng với c{c đường đồng mức thấp v| cao Hình 4a thể DEM cho diện tích 25km2 với t|i liệu năm 2005 Hình 4b l| đồ đường đồng mức địa hình với c{c đường c{ch 0,5m Kết n|y khắc phục tốt bất cập sử dụng liệu SRTM v| viễn th{m Một ví dụ kết mơ hình chiều DEM thể hình chúng tơi sử dụng cơng cụ trực quan NVIZ phầm mềm GRASS GIS Hình Mơ hình 3D mơ tả dạng DEM Hình Bản đồ địa hình năm 1950 Hình Kết thành lập DEM phương pháp STRIPE Sử dụng nhiều đồ địa hình Bản đồ địa hình giấy năm 1950, tỷ lệ 1:4000; thu thập từ Bảo t|ng Quốc gia Cộng ho| Ph{p Từ đồ n|y th|nh lập DEM với độ ph}n giải 2m phương ph{p STRIPE (hình 7) *Noumi, 2003+ Phương ph{p STRIPE có hiệu suất trung bình cho th|nh lập DEM từ đồ địa hình có Độ cao thể h|m f (xp, yp) v| điểm (x, y) không gian hai đường đồng mức h v| H phải thoả mãn: h < (xp, yp) < H Dựa sở n|y, nhanh chóng x}y dựng DEM c{ch đưa kh{c độ cao điểm không gian c{c đường đồng mức biết Rất tiếc l| sử dụng hai đồ năm 1950 v| 2005 để nghiên cứu Tuy nhiên kết DEM hai đồ n|y l| kh{ tốt cho ph}n tích thị ho{ H| Nội Phân tích DEM Sự kh{c DEM năm 2005 v| DEM năm 1950 dẫn hình 8a Nơi có m|u tối l| khu vực có độ cao năm 2005 lớn so với năm 1950 Hai điểm nhấn hình 8a l| thứ độ cao đê hai năm 2005 v| 1950 chênh 2m Chiều cao trung bình đê năm 2005 l| 12m, chiều cao trung bình đê năm 1950 l| 10m Với c{c dẫn liệu lịch sử, Haruyama [2004] đưa giả thiết chiều cao đê năm 1809 l| 3,5m Qua thời gian, đê không ngừng tôn cao Điểm nhấn thứ hai l| có sụt lún khu phố cổ Hình 8b l| đồ chồng ghép từ đồ kh{c với đồ hình 8a Nơi có m|u tối l| khu vực thấp so với năm 1950 Độ cao trung bình khu phố cổ l| 9m thời điểm 2005; có cao độ thấp 0,5m so với năm 1950 Số liệu n|y minh chứng cho sụt lún xảy khu phố cổ (a) DEM khác năm 2005 năm 1950 (b) Bản đồ (tỷ lệ 1:2000) chồng ghép DEM khác Hình Các DEM khác năm 2005 1950 Kết luận Trong nghiên cứu n|y, DEM th|nh lập từ c{c kết khảo s{t thực địa v| đồ địa hình Thơng tin độ cao kh{c khơng thể có từ ảnh vệ tinh m| thu thập tốt từ thông tin DEM Những DEM có độ ph}n giải cao khơng phù hợp cho ph}n tích biến đổi thị H| Nội m| phục vụ cho nghiên cứu ph{t triển bền vững cải thiện v| phịng ngừa thiên tai DEM khơng cung cấp c{c thông tin chi tiết bề mặt đất H| Nội m| cịn cung cấp thơng tin thay đổi khoảng gian định (ví dụ khoảng 50 năm, theo số liệu có để nghiên cứu chúng tơi) Có hai thay đổi đ{ng kể: (1) Sự tôn tạo tuyến đê; (2) Sự thay đổi địa hình khu phố cổ v| kề cận Trong tương lai, nghiên cứu tương quan lụt v| tuyến đê l| vấn đề cần thiết cho H| Nội Con đê bảo vệ H| Nội khỏi bị ngập lụt sông Hồng thời gian d|i Thêm v|o đó, nghiên cứu n|y bước đầu vết tích sông cổ, vùng bị san (bồi) lấp DEM Đồng thời, kết đề t|i l| minh chứng tương quan ph{t triển đô thị v| thay đổi bề mặt địa hình TÀI LIỆU THAM KHẢO Haruyama, S., Natural Environmental Study Applied for Agriculture in Northern Vietnam, Natural Hazard and Their Defense Policy against Disaster, the Red River Delta p.131 Tokyo: Kokon Shoin, 2004 Ho Dinh Duan and Shibayama, M., Studies on Hanoi Urban Transition in 20th Century Based on GIS/RS Kyoto Working Papers on Area Studies No3 (G-COE Series 1), 2008, p.20 Nonogaki, S., Masumoto, S and Shiono, K., Optimal Determination of Geologic Boundary Surface Using Cubic B-Spline, 2008.Geoinformatics 19(2): 61 - 77 Noumi, Y., Generation of DEM Using Inter-Contour Height Information on Topographic Map Journal of Geosciences 46(14): 217-230 Osaka City University, 2003 Sakurai, Y and Shibayama, M., GIS4D Analysis of the Distribution of Thăng Long-Hanoi Relics and Inscriptions Symposium “Area Studies and Informatics: Opening a New Horizon” Lecture Series, pp 37-53 Center for Southeast Asian Studies, Kyoto University, 2007 Shibayama, M., Area Informatics Approach for Exploring Thang Long - Hanoi Historical Heritage In Proceedings of International Symposium on Area Informatics and Historical Studies in Thang Long - Hanoi, 2005, pp.1 - Yonezawa, G., Developing of 3D Urban Modeling of Hanoi Intriguing ASIA 113: 168-174 Tokyo: Bensei Shuppan, 2008 Yonezawa, G and Shibayama, M., Clarification of Historical Changes and Urban Transfiguration in Hanoi, Vietnam Using GIS, 2007 IPSJ Symposium Series 2007(15): 139 -146  ... năm, theo số liệu có để nghiên cứu chúng tơi) Có hai thay đổi đ{ng kể: (1) Sự tơn tạo tuyến đê; (2) Sự thay đổi địa hình khu phố cổ v| kề cận Trong tương lai, nghiên cứu tương quan lụt v| tuyến... dụng liệu SRTM v| viễn th{m Một ví dụ kết mơ hình chiều DEM thể hình chúng tơi sử dụng cơng cụ trực quan NVIZ phầm mềm GRASS GIS Hình Mơ hình 3D mơ tả dạng DEM Hình Bản đồ địa hình năm 1950 Hình. . .Sự thay đổi đô thị Hà Nội Theo nghiên cứu Haruyama [2004], hệ thống đê H| Nội l| yếu tố lớn để nhận thức diện mạo H| Nội H| Nội x}y dựng vùng có độ cao trung