Xây dựng mô hình số độ cao (DEM) phục vụ thành lập bản đồ ngập lụt cho trận lũ năm 1999 hạ lưu lưu vực sông Hương

Bài viết giới thiệu về phương pháp và kết quả xây dựng bản đồ số độ cao DEM từ bản đồ địa hình bằng phần mềm ArcGIS phục vụ xây dựng bản đồ ngập lụt cho trận lũ xảy ra vào tháng XI năm 1999 trên lưu vực sông Hương.

Nghiên cứu XÂY DỰNG MƠ HÌNH SỐ ĐỘ CAO (DEM) PHỤC VỤ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ NGẬP LỤT CHO TRẬN LŨ NĂM 1999 HẠ LƯU LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG Nguyễn Thị Bích Ngọc, Hồng Thị Nguyệt Minh, Trần Văn Tình Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Tóm tắt Sơng Hương lưu vực quan trọng tỉnh Thừa Thiên Huế Địa hình lưu vực chủ yếu đồi núi bị chia cắt mạnh, độ dốc lớn, đồng ven biển nhỏ hẹp Lưu vực thường xuyên phải chịu ảnh hưởng trận bão lũ làm cho khu vực hạ lưu gây ngập lụt nghiêm trọng Do đó, biện pháp phịng tránh thiên tai cần phải thực để hạn chế tác hại bão, lũ gây nên Bài báo giới thiệu phương pháp kết xây dựng đồ số độ cao DEM từ đồ địa hình phần mềm ArcGIS phục vụ xây dựng đồ ngập lụt cho trận lũ xảy vào tháng XI năm 1999 lưu vực sơng Hương Từ khóa: Bản đồ số độ cao, sông Hương, ngập lụt Creating a Digital Elevation Model (DEM) to conduct the map of floods 1999 in the Hương river downstream Abstract The Huong River is the most important basin of Thua Thien Hue province The topography of the basin primarily is the strong dissected hills, high slope, small and narrow coastal plains The basin often affected by typhoons and tropical depressions cause downstream areas of the Huong River often facing with extreme flooding in large area Therefore, the natural disaster prevention measures to need to be taken to reduce the harm caused by the storm and flood This paper introduces the method and result of creating digital elevation model based on large scale topography map by ArcGIS software to construct inundation mapping for flood in november 1999 for the Huong river basin Keyword: A digital elevation model (DEM), Hương river, flood Mở đầu lưu vực cửa Thuận An cửa Tư Lưu vực sơng Hương Hiền trước dịng chảy sông lưu vực sông lớn miền Hương đổ biển điều hoà qua hệ thống đầm phá ven biển Tam Trung, lưu vực nằm trọn tỉnh Giang, Thuỷ Tú Cầu Hai [2] Lưu Thừa Thiên Huế Diện tích lưu vực vực Sơng Hương vùng giao tranh sông Hương lưu vực phụ cận khối khơng khí lớn tràn đến từ 3760 km2 (hình 1), diện tích phía kết hợp với điều kiện địa hình có lưu vực sơng Hương 2830 Đèo Ngang phía Bắc, Đèo Hải Vân km2 cịn lưu vực sơng phụ cận có phía Nam, dãy Trường Sơn phía Tây tổng diện tích 900 km2 bao gồm: Biển Đông thể rõ thêm Sông Nông, sông Cầu Hai, sông Truồi, biến động của tượng: Bão, sông Phú Bài Cửa nước biển mưa lớn, gió nóng 20 Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 17 - năm 2017 Nghiên cứu Địa hình lưu vực sông Hương tương đối phức tạp chủ yếu đồi núi đặc biệt khu vực cửa sông có hệ thống đầm phá ven biển nên lũ sơng thượng nguồn có pha trùng vùng đồng hạ lưu bị ngập sâu diện rộng gây thiệt hại nghiêm trọng cho người dân thuộc khu vực đặc biệt thành phố Huế Do đó, cần có cơng cụ mang tính trực quan mô tả quy mô mức độ ảnh hưởng lũ lụt nhằm nâng cao nhận thức mức độ nguy hiểm mưa lũ lụt cho cộng đồng khu vực bị ảnh hưởng phục vụ công tác cảnh báo phòng chống lũ Tuy nhiên, đồ số độ cao sẵn có khu vực nghiên cứu chưa đáp ứng mức độ chi tiết xác để phục vụ xây dựng đồ ngập lụt, nên vấn đề xây dựng đồ số độ cao cho lưu vực cần thiết Hình 1: Lưu vực sông Hương phụ cận [4] Phương pháp thành lập đồ DEM 2.1 Khái niệm Mơ hình số độ cao (Digital Elevation Model, DEM) thể số độ cao bề mặt đất, độ cao tầng đất, mực nước ngầm,… so với độ cao mực nước biển DEM sử dụng phổ biến nhiều lĩnh vực: môi trường, địa lý, nghiên cứu tai biến thiên nhiên,… Mơ hình số độ cao địa hình phương pháp mơ hình hố biểu diễn gần địa hình bề mặt khu vực nghiên cứu thông qua bề mặt mô từ hàm số xác định không gian liên tục tập hợp giao tuyến độ cao Gọi Z số độ cao, Z hàm số ba biến Z = f(x, y, h) Trong hệ thông tin địa lý DEM biểu diễn ma trận độ cao [3] 2.2 Các phương pháp thành lập DEM Hiện có nhiều phương pháp để thành lập đồ DEM, có phương pháp như: Phương pháp chụp ảnh lập thể, phương pháp xây dựng DEM từ đồ địa hình phương pháp cơng nghệ giao thoa radar (InSAR): Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 17 - năm 2017 21 Nghiên cứu lập thể sử dụng ảnh hàng không ảnh vệ tinh, ảnh máy bay Đặc điểm ảnh kết hợp thông tin ảnh mặt đất kết hợp với mơ hình số độ cao thành lập nên đồ chiều chân thực lớp phủ Trái đất Các dạng DEM phổ biến loại DEM xây dựng từ vệ tinh ASTER DEM từ vệ tinh SPOT 2.2.2 Phương pháp xây dựng DEM từ đồ địa hình Hình 2: Vệ tinh chụp ảnh thu tín hiệu từ Trái Đất để tạo DEM 2.2.1 Phương pháp chụp ảnh lập thể Sử dụng dụng cụ chuyên chụp ảnh để thu thập liệu vùng với giá trị thuộc tính khơng gian x, y, z điểm bề mặt đất Đây phương pháp địi hỏi số điểm kiểm sốt nhiều đòi hỏi kỹ thuật cao chụp xử lý ảnh Những công cụ thường xây dựng DEM phương pháp chụp ảnh Bản đồ địa hình thể dạng đường đồng mức điểm độ cao thường xây dựng từ phương pháp quan trắc trắc địa số hóa dạng đường đồng mức, đường đồng mức thể giá trị cao độ đồ hình Sử dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System) ta xây dựng đồ mơ hình số độ cao DEM từ đồ địa hình dạng đường đồng mức điểm cao độ phần mềm GIS Mapinfo, ArcGIS Hình 3: Các điểm cao độ đường đồng mức đồ địa hình lưu vực sơng Hương 22 Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 17 - năm 2017 Nghiên cứu 2.2.3 Phương pháp xây dựng DEM sử dụng công nghệ giao thoa Radar DEM xây dựng chủ yếu dựa đường đồng mức đồ số hóa kỹ thuật quan sát lập thể ảnh hàng khơng hay từ liệu khảo sát địa hình thu trực tiếp từ việc khảo sát thực địa khu vực tương đối nhỏ Trong năm gần đây, radar độ tổng hợp SAR (Synthetic Aperture Radar) phát triển mạnh với ưu cho phép thu ảnh có độ phân giải cao từ hai ảnh thu kỹ thuật SAR, xây dựng DEM dựa việc sử dụng thông tin pha tín hiệu radar Dựa phương pháp xây dựng đồ số độ cao, khuôn khổ báo sử dụng phần mềm ArcGIS với số liệu đầu trị số độ cao địa hình đường đồng mức chiết xuất từ mảnh đồ địa hình tỉ lệ lớn 1/2.000, 1/5.000, 1/10.000 khu vực trung lưu hạ lưu lưu vực để xây dựng DEM với kích thước lưới 10 m x10 m Bản đồ số độ cao xây dựng địa hình đầu vào phục vụ tính toán xây dựng đồ ngập lụt cho lưu vực sơng Hương 2.3 Dữ liệu địa hình để xây dựng DEM cho lưu vực sơng Hương Địa hình tài liệu quan trọng định mức độ xác xây dựng đồ ngập lụt Bài báo sử dụng mảnh đồ có tỷ lệ lớn 1/10.000, 1/5.000 1/2.000 (bảng 1) để thành lập đồ số độ cao DEM cho lưu vực sông Hương Bảng 1: Thơng tin đồ địa hình sử dụng để thành lập DEM Thời gian Cơ quan Cơ quan Hệ Hệ Tỉ Lệ Dạng thành lập thành lập cung cấp tọa độ độ cao (Năm) 1/10.000; Số có Bộ Tài Công ty Đo Quốc gia Quốc gia 1/5.000; đuôi 2006 nguyên đạc Ảnh địa Hòn Dấu, VN-2000 1/2.000 *.dgn Mơi trường hình Hải Phịng 2.4 Các bước thực kết xây dựng đồ DEM cho lưu vực sông Hương Việc tạo đồ số độ cao DEM từ đồ địa hình theo đường đồng mức độ cao đồ địa hình chuyển đổi DEM dạng số liệu float theo trình gồm nhiều bước (bảng 2) Trong ArcGIS đường đồng mức độ cao dạng số có *.dgn phải chuyển thành dạng Vectơ Lưới chiếu UTM Sau đó, đường đồng mức dạng Vectơ phải gắn giá trị độ cao tương ứng Các số liệu dạng Vectơ gắn giá trị sau chuyển đổi thành dạng lưới phủ lên thuật toán nội suy Cuối cùng, giá trị độ cao ghi dạng Raster dạng liệu float có *.flt Quá trình bước thực để xây dựng đồ số độ cao phục vụ tính tốn ngập lụt bảng 2: Bảng 2: Các bước thực để xây dựng đồ số độ cao DEM từ đồ địa hình phần mềm ArcGIS Bước Nội dung bước Chuyển đổi liệu địa hình dạng số có *.dgn sang định dạng xử lý ARC GIS (dạng Personal Geodatabase có đuôi *.mdb) Gộp tất mảnh đồ thành file Chuyển lớp thích giá trị độ cao để gán vào lớp liệu điểm Lớp liệu Điểm (point); Chú thích (annotation); Đường (line) vùng (Polygon) Điểm; Chú thích; Đường Điểm; Chú thích Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 17 - năm 2017 23 Nghiên cứu Bước Nội dung bước Lọc giá trị nằm đường đồng mức (∆H = m) Gán giá trị độ cao vào đường đồng mức Kết hợp điểm độ cao đường đồng mức để nội suy thành liệu lưới Raster Chuyển đổi liệu Raster sang liệu float có *.flt Lớp liệu Điểm Chú thích, Đường Điểm; Đường Raster Kết xây dựng đồ DEM kích thước 10 m × 10 m thể hình Bản đồ DEM sử dụng làm địa hình đầu vào xây dựng đồ ngập lụt cho vùng hạ lưu lưu vực sơng Hương bước Hình : Kết DEM khu vực nghiên cứu xây dựng từ liệu địa hình ArcGIS Ứng dụng DEM để xây dựng đồ ngập lụt lưu vực sông Hương XI năm 1999 đánh giá với 18 vết lũ điều tra Về nguyên tắc cần phải tính tốn xây dựng đồ ngập lụt với nhiều trận lũ thực tế xảy lưu vực hiệu chỉnh, kiểm định q trình diễn tốn thủy lực kết hợp với số liệu điều tra vết lũ trận lũ để đánh giá mức độ xác địa hình DEM xây dựng Tuy nhiên, hạn chế số liệu đo đạc điều tra vết lũ số liệu thống kê tình hình ngập lụt lũ lưu vực, nên báo tiến hành xây dựng đồ ngập lụt cho trận lũ lịch sử xảy vào tháng Trước đây, phiên HECRAS từ 4.1 trở trước chưa có khả tự tính toán độ sâu ngập, diện ngập để xây dựng đồ ngập lụt mà cần phải thông qua modul HEC-GEORAS sử dụng để tích hợp liệu địa hình kết mô thủy lực HEC-RAS ArcGIS Bắt đầu từ phiên HEC-RAS 5.0 phần mềm có khả tự thành lập đồ ngập lụt từ kết chạy thủy lực địa hình DEM tool RAS Mapper mà khơng cần đến modul HEC-GEORAS 24 Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 17 - năm 2017 Nghiên cứu Tuy nhiên, sử dụng công cụ RAS Mapper để tính tốn liệu địa hình đưa vào phải đuôi (*.flt) Lưới độ sâu kết ngập tính tốn lưu trữ theo định dạng *.tif, liệu diện ngập định dạng Shapefile phù hợp để sử dụng phần mềm GIS thành lập đồ ngập lụt Bản đồ ngập lụt xây dựng dựa kết tính tốn thủy lực cho hệ thống sông Hương Kết hiệu chỉnh kiểm định cho kết hợp lý, việc kết hợp với đồ số độ cao DEM 10×10 m để tính tốn xây dựng đồ ngập lụt cho trận lũ năm 1999, kết hình thơng qua tool RAS Mapper phần mềm HEC-RAS 5.0.3 [4] Hình 5: Bản đồ ngập lụt lưu vực sơng Hương trận lũ lịch sử tháng XI năm 1999 Hình 6: Cao trình mực nước thực đo tính tốn điểm điều tra vết lũ Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 17 - năm 2017 25 Nghiên cứu Kiểm tra lại kết xây dựng đồ ngập lụt báo so sánh kết tính tốn với số liệu điều tra vết lũ thu thập trận lũ năm 1999 hình Kết kiểm tra cao trình mực nước ngập 18 điểm điều tra vết lũ giá trị thực đo tính tốn phù hợp Sai số mức ngập tính tốn thực đo dao động chủ yếu khoảng từ 0,03 ÷ 0,25 m Kết luận Bài báo xây dựng đồ số độ cao địa hình (DEM) 10×10 m cho lưu vực sơng Hương từ mảnh đồ địa hình tỷ lệ lớn 1/2.000, 1/5.000 1/10.000 thông qua phần mềm ArcGIS 10.1 để nâng cao mức độ chi tiết địa hình tăng cường mức độ xác cho đồ ngập lụt thành lập DEM xây dựng liệu đầu vào phục vụ thành lập đồ ngập lụt cho vùng hạ lưu lưu vực sông Hương ứng với trận lũ lịch sử xảy vào tháng XI năm 1999 Bản đồ số độ cao DEM 10×10 m kết hợp với kết tính tốn thủy lực cho mạng lưới sông Hương xây dựng đồ ngập lụt lưu vực sông Hương Kết bước đầu đánh giá với điểm điều tra vết lũ thu thập lưu vực phù hợp Bản đồ ngập lụt xây dựng đưa vào để phục vụ cảnh báo ngập lụt cho lưu vực sông Hương Tuy nhiên, hạn chế số liệu nên nghiên cứu đánh giá thông qua với 18 điểm điều tra vết lũ vị trí chủ yếu thuộc khu vực thành phố Huế Trong hướng nghiên cứu cần phải tính tốn đánh giá thêm với trận lũ khác xảy lưu vực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Văn Chiến, Trần Thục Nghiên cứu dự báo lũ lưu vực sơng Hương Viện khí tượng thủy văn : Hội thảo khoa học lần thứ [2] Trường Đại học Thủy Lợi (2000) Thuyết minh tổng hợp điều tra khảo sát lũ lịch sử hệ thống sông Hương - Tỉnh Thừa Thiên Huế, Hà Nội [3] Đặng Thanh Mai (2010) Nghiên cứu ứng dụng mơ hình WETSPA HECRAS mơ phỏng, dự báo q trình lũ hệ thống sơng Thu Bồn - Vu Gia, Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia [4] Nguyễn Thị Bích Ngọc (2016), Nghiên cứu xây dựng đồ ngập lụt phục vụ cảnh báo lũ cho lưu vực sông Hương, luận văn thạc sĩ, Trường đại học khoa học tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội [5] HEC (Hydrologic Engineering Center), (2016), HEC-RAS River Analysis System, Applications guide Hydrologic Engineering Center BBT nhận bài: Ngày 5/7/2017; Phản biện xong: Ngày 5/8/2017 26 Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 17 - năm 2017 ... xác cho đồ ngập lụt thành lập DEM xây dựng liệu đầu vào phục vụ thành lập đồ ngập lụt cho vùng hạ lưu lưu vực sông Hương ứng với trận lũ lịch sử xảy vào tháng XI năm 1999 Bản đồ số độ cao DEM... độ cao xây dựng địa hình đầu vào phục vụ tính tốn xây dựng đồ ngập lụt cho lưu vực sông Hương 2.3 Dữ liệu địa hình để xây dựng DEM cho lưu vực sơng Hương Địa hình tài liệu quan trọng định mức độ. .. Kết xây dựng đồ DEM kích thước 10 m × 10 m thể hình Bản đồ DEM sử dụng làm địa hình đầu vào xây dựng đồ ngập lụt cho vùng hạ lưu lưu vực sông Hương bước Hình : Kết DEM khu vực nghiên cứu xây dựng