Ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý gis trong quản lý lưu vực sông

bộ giáo dục đào tạo trường đại học mỏ - địa chất *** trần thị hòa ứng dụng viễn thám hệ thông tin địa lý (gis) quản lý lưu vực sông Chuyên ngành : Bản đồ, Viễn thám Hệ thống thông tin địa lý Mà số : 60.44.76 luận văn thạc sĩ kỹ thuật người hướng dÉn khoa häc: PGS TS Nguyễn Trường Xuân Hµ néi - 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố cơng trình Tác giả luận văn Trần Thị Hịa MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC Giải thích thuật ngữ ViÕt t¾t Danh mơc h×nh .8 Danh mơc b¶ng biĨu 10 MỞ ĐẦU 11 Tính cấp thiết đề tài 11 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 12 2.1 Phạm vi nghiên cứu 12 2 Đối tượng 13 Nội dung nghiên cứu 13 Phương pháp nghiên cứu đề tài 13 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 14 5.1 Ý nghĩa khoa học 14 5.2 Ý nghĩa thực tiễn 14 Cấu trúc luận văn 14 CHƯƠNG – TỔNG QUAN CHUNG 15 1.1 Tổng quan quản lý lưu vực sông 15 1.1.1 Khái niệm quản lý lưu vực sông 15 1.1.2 Một số nội dung quản lý lưu vực sơng 16 1.1.3 Tình hình nghiên cứu nước 17 1.1.4.Tình hình nghiên cứu nước 22 1.2 Tổng quan viễn thám 25 1.2.1 Những khái niệm viễn thám 25 1.2.3 Một số nội dung quản lý tổng hợp lưu vực sông áp dụng công nghệ Viễn th¸m 27 1.3 Tổng quan hệ thông tin địa lý (GIS) 31 1.3.1.Khái niệm hệ thông tin địa lý 31 1.3.2 Thành phần GIS 32 1.3.3.So sánh GIS với công nghệ khác 34 Chương - ứng dụng công nghệ Viễn thám GIS quản lí lưu vực sông 37 2.1 Mét số khái niệm loại đồ phục vụ phòng chống ngập lụt lưu vực sông 37 2.2 ng dụng mô hình số độ cao quản lý lưu vực sông 40 2.2.1 Tư liệu mô hình số SRTM 40 2.2.2 M« hình số thành lập từ đồ địa hình 42 2.3 Mét sè m« hình toán học quản lý lưu vực sông 44 2.3.1 Mô hình thuỷ văn HEC-HMS 44 2.3.2 Mô hình toán thuỷ lực mạng sông HEC-RAS 45 2.3.3 Giíi thiƯu vỊ tool Arc SWAT - ARC GIS 9.3 46 2.3.4.Giíi thiƯu vỊ hƯ thèng phÇn mỊm MIKE 46 2.4 Lùa chän m« h×nh 48 2.4.1 Lựa chọn mô hình 48 2.4.2 Giới thiệu mô hình MIKE 11 xác định thông số đầu vào 49 2.5 Quy trình chiết tách số thông số đầu vào cho mô hình thuỷ văn 55 2.6 p dụng mô hình Mike11 để tính toán chất lượng nước sông Nhuệ sông Đáy 58 2.6.1 Số liệu đầu vào cho mơ hình tính tốn chất lượng nước 59 2.6.2 Áp dụng mơ hình MIKE 11 để tính tốn chất lượng nước sơng Nhuệ 60 2.6.3 S liu u ra-Kết chất lượng n­íc 61 Ch­¬ng - ứng dụng viễn thám Gis quản l ý lưu vực sông Nhuệ - Đáy - ĐOạN CHảY QUA hà nộI 62 3.1 Đặc ®iĨm chung vỊ ®iỊu kiƯn tù nhiªn, kinh tÕ x· hội môi trường nước lưu vực sông Nhuệ - §¸y 62 3.1.1 Đặc điểm tự nhiên 62 3.1.2 Đặc điểm kinh tế, xà hội 65 3.1.3 Hiện trạng ô nhiễm lưu vực sông Nhuệ - Đáy 66 3.2 Thu thập tư liệu xây dựng sở liệu cho quản lý lưu vực sông Nhuệ Đáy 68 3.2.1 Thu thËp t­ liÖu 68 3.2.2 Các phần mềm sử dông 68 3.2.3 Xây dựng sở liệu cho quản lý lưu vực sông Nhuệ - Đáy 68 3.2.4 Sửa lỗi DEM 69 3.3 Quy tr×nh thành lập lớp thông tin phủ mặt đất 71 3.3.1 Xử lý ảnh 72 3.3.2 Điều tra khảo sát thực địa 75 3.3.3 Kết 75 3.4 ChiÕt t¸ch mét sè thông số đầu vào cho mô hình thủy văn thủy lùc 75 3.4.1 C¸c b­íc tÝnh to¸n l­u vùc trªn Arc Swat 9.3 76 3.4.2 Phân loại lớp phủ ảnh vÖ tinh SPOT5 77 3.5 p dụng tính toán thủy văn, thủy lực xây dựng đồ ngập lụt cho lưu vực sông Nhuệ - Đá 80 3.6 Tính toán chất lượng nước cho lưu vực sông Nhuệ - Đáy 90 3.7 Đánh giá khả ng dng Viễn thám hệ thông tin địa lý quản lý lưu vực sông 95 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 Phô lôc 100 Giải thích thuật ngữ Viết tắt ALOS The Advanced Land Observing Satellite Vệ tinh quan sát Trái Đất Nhật Bản BOD Nhu cầu ôxy sinh học (Biological Oxygen Demand) COD Nhu cầu ơxy hố học (Chemical Oxygen Demand) DO Lượng ơxy hồ tan BOD5 Chỉ số mức độ ô nhiễm dựa nhu cầu ôxy sinh học MIKE NAM Mơ hình thuỷ văn MIKE 11 Mơ hình thuỷ lực MIKE GIS Mơ hình MIKE kết nối GIS SWAT Mơ hình mưa dịng chảy DEM Mơ hình số độ cao SRTM Shuttle Radar Topography Mission Dữ liệu mơ hình số địa hình BĐĐH Bản đồ địa hình HEC-HMS Mơ hình thuỷ văn QLTHLVS Quản lý tổng hợp lưu vực sông GIS Hệ thống thông tin địa lý NDVI Chỉ số thực vật chuẩn PALSAR Phased Array L-band Synthetic Aperture RADAR Đầu thu radar ảnh vệ tinh ALOS HTSDĐ Hiện trạng sử dụng đất HTTT Hệ thống thông tin CSDL Cơ sở liệu LVS Lưu vực sông CNTT Công nghệ thông tin SPOT Système Pour l’Observation de la Terre Hệ thống vệ tinh quan trắc Trái Đất Pháp Danh mơc h×nh Hình 1 Các kênh phổ sử dụng viễn thám 26 Hình 2.- Nguyên lý thu nhận hình ảnh viễn thám 27 Hình Các hợp phần GIS 32 Hình Dữ liệu GIS 33 Hình Phân tích lớp thơng tin Mơ hình chồng xếp GIS 36 Hình Biên tập, chỉnh sửa, gán thông tin độ cao 43 Hỡnh 2 Mô hình số độ cao 43 Hỡnh Sơ đồ chức SWAT 46 Hình Sơ đồ xây dựng đồ chuyên đề dựa kết hợp hai mơ hình 51 Hình Trắc dọc khu vực có khả bị ngập xuất lũ lớn 53 Hình Đầu vào mơ hình MIKE 11GIS 53 Hình Đầu mơ hình MIKE 11 GIS 54 Hình Các thông tin chiết xuất từ DEM 54 Hình Quy trình chiết tách thơng sơ cho mơ hình thuỷ văn, thuỷ lực 56 Hình Bản đồ hành lưu vực sông Nhuệ - Đáy 63 Hình Cống Liên Mạc – cửa vào sống Nhuệ từ sông Hồng 65 Hình 3 Chän hƯ täa ®é cho DEM 70 Hình Sửa lỗi DEM 70 Hình Sơ đồ tự động hoá chiết tách lớp phủ thực vật từ 72 Hình lấy mẫu phân loại có kiểm định 73 Hình Tính tốn phân loại có kiểm định 74 Hình Kết phân loại có kiểm định 74 Hỡnh Mô hình số địa hình vùng lưu vực sông Nhuệ - Đáy 76 Hỡnh 10.Hệ thống thuỷ văn sau chỉnh sửa điểm outlet 77 Hỡnh 11 Bình đồ ảnh vệ tinh sau ®­ỵc xư lý 78 Hình 12 X©y dùng bé mÉu ROIS 78 Hình 13 Thực phân loại theo mẫu ROIS 79 Hình 14 KÕt phân loại 79 Hình 15 Sơ đồ quy trình cơng nghệ áp dụng MIKE11 GIS cho 81 Hỡnh 16 Sơ đồ chung thể mạng sông phục vụ tính toán 82 Hỡnh 17 Các ô chứa lưu vùc s«ng 84 Hình 18 Biểu đồ đường quan hệ F~Z VZ, chứa O1….….………………… 84 Hình 19 Biểu đồ đường quan hệ F~Z VZ, ô chứa O2………………………… 84 Hình 20 Biểu đồ đường quan hệ FZ VZ, chứa O3……………………………84 Hình 21: Biểu đồ đường quan hệ F~Z VZ, chứa O4………………………….84 Hình 22 Biểu đồ đường quan hệ F~Z VZ, ô chứa O5…………………….…84 Hình 23 Biểu đồ đường quan hệ F~Z VZ, chứa O6………………………… 84 Hình 3.24 Kết tính tốn thực đo diễn tiến trận lụt trạm Ninh Bình ….85 Hình 3.25 Sự phân bố DO, BOD nhiệt độ theo không gian sông Nhuệ …90 Hình 3.26 Hiệu chỉnh thơng số khuyếch tán mơ đun tải khuyếch tán … ….91 Hình 27 Trích cảnh hình thể đồ diễn tiến BOD sông Nhuệ 93 Hỡnh 3.28- Trích cảnh hình thể đồ diễn tiến DO sông Nhuệ.93 10 Danh mục bảng biểu Bng Các thông số đầu vào mô hình HEC-HMS 45 Bảng 2 C¸c tham sè đầu vào cho mô hình thuỷ văn NAM MIKE 57 Bảng Giá trị nồng độ thực đo vị trí khảo sát, thời điể m tháng 11/2009 sông Nhuệ 59 Bảng Hệ số nhám sông hệ thống sông Nhuệ - Đáy… ……… 86 Bảng So sánh thông số đầu vào 88 Bảng 3 Vị trí điểm khảo sát dùng mơ hình 91 Bảng Phân tích hiệu sai số hiệu chỉnhthơng số DO mơ hình 93 Bảng Phân tích hiệu sai số hiệu chỉnh thông số BOD mơ hình 93 101 Phơ lơc 1: Mét số kết tính toán với cấp mực nước kh¸c 102 Hình 1: Kết tính tốn đồ ngập lụt sông Nhuệ - Đáy ngày 20/8/1971 12:00:00 103 Hình 2: Kết tính tốn đồ ngập lụt sơng Nhuệ - Đáy ngày 22/8/1971 00:00:00 104 Hình 3: Kết tính tốn đồ ngập lụt sơng Nhuệ - Đáy, ngày 28/8/1971 06:00:00 105 Hình Kết tính tốn đồ ngập lụt lớn sơng Nhuệ - Đáy (chạy số li ệu có số thông số đầu vào chiết tách từ viễn thám) Trận lũ từ ngày 8/8/1971 đến ngày 7/9/1971 106 Hình Kết tính tốn đồ ngập lụt lớn sông Nhuệ - Đáy (chạy số liệu gốc) Trận lũ từ ngày 8/8/1971 đến ngày 7/9/1971 107 PHỤ LỤC : MỘT SỐ BẢN ĐỒ THÀNH LẬP 108 109 110 111 Phô lôc 3- KHUNG CƠ SỞ DỮ LIU PHC V quản lý lưu vực sông STT Đề mục liệu Nội dung Loại hình đồ hoạ Các thông tin thuộc tính Đường ranh giới lưu vực, đường ranh giới phân khu, đường ĐGHC Phạm vi lưu vực, phạm vi phân khu, phạm vi lÃnh thổ xà thuộc lưu vực UB xÃ, huyện Đường Mà nhận dạng; Loại đường ranh giới/ địa giới Đường đẳng cao Điểm độ cao Đường Nội dung Loại hình đồ hoạ Nguồn liệu Ranh giới lưu vực 1.1 Ranh giíi l­u vùc 1.2 Ph¹m vi l·nh thỉ 1.3 UB xÃ, huyện Vùng Điểm Bản đồ địa hình, đồ lưu vực Mà nhận dạng; Tên vùng (lưu vực sông, phân khu, xÃ); Diện tích vùng Mà nhận dạng; Tên trụ sở UB xÃ, huyện Địa hình 2.1 2.2 STT Đường đẳng cao Điểm độ cao Đề mục liệu Điểm Mà nhận dạng; Độ cao Mà nhận dạng; Độ cao Các thông tin thuộc tính Bản đồ địa hình Nguồn liệu 112 2.3 Đường bờ Đường bờ Đường 2.4 Sông, Sông, kênh, kênh, l¹ch nÐt, hå l¹ch, hå ao ao Vïng 2.5 Sông, kênh, lạch nhỏ Sông, kênh, lạch nét Đường 2.6 Biển Biển Vùng Mà nhận dạng; Loại đường bờ Mà nhận dạng (đặc tính, loại); Tên ghi chú; Chiều dài sông kênh/diện tích hồ ao Mà nhận dạng (đặc tính, loại); Tên ghi chú; Chiều dài sông, kênh Tên biển Bản đồ địa hình Cơ sở hạ tầng 3.1 Đường giao thông Đường ôtô, đường đất lớn, đường đất nhỏ, đường mòn Đường 3.2 Cầu, cống Cầu, cống lớn Điểm Mà nhận dạng (cấp, loại đường); Đặc trưng Bản đồ địa kỹ thuật hình đường; Số đường; Chiều dài loại đường Mà nhận dạng (cấp, loại); Tên đặc trưng kỹ thuật cầu 113 3.3 Đê, đập Các tuyến đê, đập Đường 3.4 Trạm thủy văn Các trạm đo đạc thuỷ văn 3.5 Cơ sở giáo dục Vị trí, tên Điểm trường học số tiêu giáo dục tính đến thời điểm năm 2002 3.6 Cơ sở y tế Vị trí, tên sở y tế số tiêu y tế tính đến thời điểm năm 2002 Điểm Điểm Tuyến đê, loại đê/đập; Đặc trưng kỹ thuật đê, đập; Cấp quản lý; Chiều dài đoạn đê, đập Mà nhận dạng: tên trạm Tên/cấp trường học; Toạ độ trường/lớp học; Tổng số học sinh/giáo viên; Tổng số phòng học (kiên cố, bán kiên cố, tạm/lớp học xà Tên/loại sở y tế; Toạ độ trạm y tế xÃ; Số trạm/số phòng bệnh/số Tài liệu thu thập địa phương Tài liệu thu thập địa phương Tài liệu thu thập địa phương 114 giường bệnh/số Y, Bác sĩ Tài nguyên đất, rừng 4.1 Hiện trạng Tình hình sử sử dụng ®Êt dơng ®Êt Vïng M· nhËn d¹ng (nhãm, lo¹i ®Êt); Cơ cấu SDĐ xà vùng đệm Tài liệu thu thập địa phương Tài liệu thu thập địa phương Bản đồ địa hình Đa dạng sinh học tài nguyên vùng bờ 5.1 Rừng ngập mặn Phân bố, loại rừng Vùng Loại rừng, phân bố 5.2 Vùng bÃi bồi, bÃi nông Các vùng bÃi bồi, b·i n«ng ven biĨn Vïng 5.3 Vïng nu«i trång thđy sản Phân bố, loại nuôi trồng Vùng Mà nhận dạng loại bÃi; Diện tích bÃi Diện tích, loại thủy sản Tài liệu thu thập địa phương Tư liệu 6.1 6.2 ảnh viễn thám Hệ thống Tư liệu ảnh viễn thám Raster Hệ thống mạng Đường sông số hoá Mà nhận dạng, loại ảnh, độ phân giải, tên cảnh ảnh ảnh vệ tinh loại Mà nhận dạng, loại đường Đầu từ mô hình thuỷ lực 115 mạng sông phần mềm thuỷ văn, thuỷ lực Dữ liệu địa lý môi trường 7.1 7.2 7.3 7.4 Khu vực môi trường nhạy cảm Mạng quan trắc nước Các điểm ô nhiễm nghiêm trọng Nguồn xả, điểm xả thải Ranh giới khu vực nhạy cảm Vùng Mà nhận dạng, tên vùng, diện tích Bản đồ địa hình Các trạm quan trắc nước Điểm Tên, toạ độ điểm quan trắc Tài liệu thu thập địa phương Vị trí, tên điểm ô nhiễm nghiêm trọng Điểm Tên, toạ độ điểm Tài liệu thu thập địa phương Vị trí, tên điểm, nguồn xả thải Điểm Tên, toạ độ Tài liệu thu thập địa phương ... quan lưu vực sông quy định hành quản lý lưu vực sông; - Nghiên cứu khả khai thác thông tin từ tư liệu ảnh viễn thám để phục vụ công tác quản lý lưu vực sông ; - Ứng dụng công nghệ GIS quản lý lưu. .. So sánh viễn thám GIS: - Giống: GIS viễn thám thơng tin địa lý, có nguyên lý đồ GIS viễn thám kết hợp mật thiết với đến mức người ta xây dựng hệ thống thông tin địa lý luôn sử dụng viễn thám liệu... khung quản lý lưu vực 1.1.4.Tình hình nghiên cứu nước Trong sù ph¸t triển công nghệ tin học, viễn thám hệ thông tin địa lý, việc xử lý thông tin tích hợp liệu từ nhiều nguồn khác nhằm quản lý tổng