Xây dựng cơ sở dữ liệu gis phục vụ quản lý tài nguyên môi trường thành phố hải phòng

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT NGUYỄN HỮU TÀI XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS PHỤC VỤ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa Mã số : 60.52.85 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Công Khải HÀ NỘI - NĂM 2012 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các số liệu, kết trình bày luận văn thật chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Hữu Tài Lời cảm ơn Lời tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới TS Phạm Công Khải, thầy người đưa định hướng tận tình hướng dẫn mặt khoa học cho tơi suốt q trình nghiên cứu hồn nh luận văn Tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến cán Chi cục bảo vệ Môi trường, Sở Tài nguyên Môi trường thành phố Hải Phịng giúp đỡ tơi trình thu thập số liệu cho luận văn Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè thườ ng xuyên động viên, giúp đỡ để tơi hồn thành luận văn Hà Nội, tháng 04 năm 2012 Tác giả luận văn Nguyễn Hữu Tài MỤC LỤC Nội dung Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ biểu đồ đồ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH QUẢN LÝ TÀI NGUN MƠI TRƯỜNG TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI 1.1 Mơ hình quản lý tài nguyên môi trường theo đơn vị hành số nước 10 14 14 Thế giới 1.1.1 Các ứng dụng sở liệu GIS phục vụ quản lý tài nguyên môi trường 14 giới 1.1.2 Các ứng dụng sở liệu GIS phục vụ quản lý tài ngun mơi trường 17 Việt Nam 1.2 Tình hình quản lý tài ngun mơi trường thành phố Hải P hịng 1.2.1 Tài ngun mơi trường đất 1.2.2 Tài ngun mơi trường nước 1.2.3 Tài ngun mơi trường khống sản 1.2.4 Tài nguyên môi trường rừng đa dạng sinh học 1.2.5 Mơi trường khơng khí tiếng ồn 1.2.6 Môi trường đô thị khu công nghiệp 18 18 19 19 19 21 21 1.2.7 Thiên tai cố môi trường 23 1.2.8 Định hướng quản lý tài ngun mơi trường thành phố Hải Phịng 1.3 Hiện trạng quản lý tài nguyên môi trường Việt Nam 23 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP LUẬN XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU PHỤC VỤ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG 2.1 Giới thiệu chung GIS 2.1.1 Khái niệm GIS 24 26 26 26 2.1.2 Các thành phần GIS 2.1.3 Nguyên lý GIS 2.1.4 Các nhiệm vụ GIS 27 2.1.5 Mơ hình liệu GIS: 2.1.6 Cấu trúc liệu GIS 2.2 Tổng quan sở liệu GIS 31 2.2.1 Khái niệm sở liệu GIS 2.2.2 Ngôn ngữ xây dựng sở liệu GIS 33 2.2.3 Cấu trúc sở liệu GIS 2.2.4 Tổ chức sở liệu GIS 28 29 32 33 35 36 44 2.2.5 Chuẩn sở liệu GIS 2.3 Nghiên cứu lựa chọn giải pháp xây dựng sở liệu GIS phục vụ quản lý tài nguyên môi trường 45 2.3.1 Các giải pháp cơng nghệ GIS 47 49 2.3.2 Tích hợp tư liệu viễn thám xây dựng sở liệu GIS 46 2.3.3 Nguyên tắc gắn kết liệu không gian thuộc tính phân tích liệu 2.3.4 Qui trình xây dựng sở liệu GIS 50 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS PHỤC VỤ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG 54 3.1 Đặc điểm khu vực nghiên cứu 54 3.1.1 Vị trí địa lý 54 3.1.2 Đặc điểm tự nhiên 3.1.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội 55 3.2 Xây dựng sở liệu GIS phục vụ quản lý tài ngun mơi trường thành phố Hải Phịng 3.2.1 Xây dựng sở liệu địa lý 3.2.2 Kết xây dựng sở liệu địa lý 50 58 61 62 74 3.2.3 Cơ sở liệu GIS phục vụ quản lý tài nguyên môi trường Vai trò sở liệu GIS phục vụ quản lý tài nguyên môi trường 78 Căn phân chia nhóm chun đề tài ngun mơi trường 79 Các nhóm liệu chuyên đề tài nguyên môi trường 3.2.4 Xây dựng sở liệu GIS chun đề tài ngun mơi trường 80 Nhóm chuyên đề 1: môi trường tài nguyên đất 81 78 80 Nhóm chun đề 2: mơi trường tài ngun nước Nhóm chun đề 3: mơi trường khơng khí Nhóm chun đề 4: tài ngun rừng 3.2.5 Kết xây dựng sở liệu GIS phục vụ quản lý tài nguyên môi trường 3.3 Phát triển ứng dụng GIS KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 86 87 88 90 99 101 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BĐĐH: Bản đồ địa hình BVMT: Bảo vệ mơi trường CSDL: Cơ sở liệu HTTĐL: Hệ thông tin địa lý KCN: Khu công nghiệp TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam TNTN: Tài nguyên thiên nhiên TNMT: Tài nguyên môi trường DBMS (Database Management System): Hệ quản trị sở li ệu ESRI (Enviromental System Reseach Institute): Viện Nghiên cứu hệ thống Môi trường GDP: Tổng sản phẩm Quốc nội GIS (Geographic Information System): Hệ thống thông tin địa lý GEMS (Global environmental monitoring system): Hệ thống quan trắc toàn cầu GML (Geography Markup Language): Ngôn ngữ đánh dấu địa lý mở rộng GFM (General Feature Model): Mơ hình đối tượng địa lý tổng quát UML (Unifield modeling language): Ngôn ngữ mô hình hóa thống XML (eXtensible Markup Language): Ngơn ngữ đánh dấu mở rộng WRI (World Resources Institute): Viện Tài nguyên Thế giới ISO (International Organization for Standardization): Tổ chức Quốc tế tiêu chuẩn hoá DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Nội dung TT Trang Bảng 2.1 Các định nghĩa kiểu đối tượng sở liệu GIS 34 Bảng 2.2 Bảng phân lớp đối tượng địa lý 38 Bảng 2.3 Các nguyên tắc topology 40 Bảng 2.4 Một số chức thường dùng GIS 48 Bảng 3.1 Phiên hiệu mảnh đồ xây dựng liệu 63 Bảng 3.2 Gộp nhóm liệu 64 Bảng 3.3 Các lớp liệu địa lý 67 Bảng 3.4 Chi tiết topology với đối tượng nhóm lớp 68 Bảng 3.5 Dữ liệu thuộc tính đối tượng địa lý 70 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ VÀ BẢN ĐỒ TT Nội dung Hình 1.1 Tuyên truyền trồng bảo vệ rừng lãnh đạo TP Hải Trang 20 Phòng Hình 1.2: Thanh niên tình nguyện tích cực trồng gây rừng 21 Hình 2.1 Sơ đồ tổ chức hệ thống GIS 27 Hình 2.2 Hệ thơng tin địa lý đưa định 29 Hình 2.3 Mơ hình lớp liệu vector 31 Hình 2.4 Cấu trúc liệu raster vector 32 Hình 2.5 Biểu diễn thơng tin dạng điểm, đường, vùng theo cấu trúc 37 vector Hình 2.6 Minh họa thơng tin raster 38 Hình 2.7 Minh họa quan hệ topology 41 10 Hình 2.8 Liên kết liệu khơng gian thuộc tính 43 11 Hình 2.9 Tổ chức sở liệu - GeoDatabase 44 12 Hình 2.10 Tổ chức sở liệu Shape files 45 13 Hình 2.11 Qui trình xây dựng sở liệu GIS 52 14 Hình 2.12 Mơ hình tổ chức sở liệu GIS quản lý tài nguyên mơi 53 trườ ng 15 Hình 3.1 Bản đồ hành thành phố Hải Phịng 54 16 Hình 3.2 Sự đa dạng phong phú nguồn tài nguyên thiên nhiên TP Hải 55 Phịng 17 Hình3.3 Phát triển cảng biển Hải Phịng 60 18 Hình 3.4 Phối cảnh quy hoạch khu cơng nghiệp Đình Vũ 60 19 Hình 3.5 Hải phòng hướng đến thành phố xanh đẹp 60 20 Hình 3.6 Mơ hình tổ chức liệu sở liệu GIS tài nguyên 62 môi trường thành phố Hải Phịng 21 Hình 3.7 Mơ hình sở liệu địa lý 66 22 Hình 3.8 Thiết kế Geodatabase chuẩn 74 23 Hình 3.8 Nội dung liệu Thủy hệ 75 24 Hình 3.9 Nội dung liệu Phủ bề mặt 75 10 25 Hình 3.10 Nội dung liệu Tim đường giao thông 76 26 Hình 3.11 Nội dung liệu Giao thơng 76 27 Hình 3.12 Nội dung liệu Địa hình 77 28 Hình 3.13 Nội dung liệu Dân cư sở hạ tầng 77 29 Hình 3.14 Nội dung liệu Biên giới địa giới 78 30 Hình 3.15 Nội dung liệu chuyên đề tài nguyên môi trường Đất 88 31 Hình 3.16 Nội dung liệu chuyên đề tài ngun mơi trường Nước 88 32 Hình 3.17 Nội dung liệu chun đề mơi trường Khơng khí 89 33 Hình 3.18 Nội dung liệu chuyên đề tài nguyên rừng 89 88 BUI Double Hàm lượng bụi TIENGON Double Tiếng ồn Nhóm chuyên đề 4: HAIPHONG_TaiNguyenRung (TNR) * Phân lớp gồm nhóm lớp TNTNMT_TNR_RUNG Tên lớp HAIPHONG_TNR_RUNG Dạng Loại đối tượng biểu thị Vùng Các loại rừng * Các ràng buộc toàn vẹn liệu không gian (quan hệ topology) Tên lớp đối tượng Tên lớp đối tượng Topology Rule HAIPHONG_TNR_RUNG - Must Not Overlap HAIPHONG_TNR_RUNG - Must Not Overlap With * Thông tin thuộc tính nhóm chun đề Bảng thuộc tính đối tượng dạng vùng Tên trường liệu Độ rộng trường Kiểu liệu Nội dung thông tin nhập liệu (byte) HAIPHONG_TNR_RUNG MADOITUONG 10 Text Mã nhận dạng vùng LOAIRUNG 50 Text Loại rừng SHAPE_LEIGHT 20 Double Chiều dài SHAPE_AREA 20 Double Diện tích 89 3.2.5 Kết xây dựng sở liệu GIS phục vụ quản lý tài nguyên môi trường - Dữ liệu chuyên đề tài nguyên mơi trường Đất: Hình 3.15 Nội dung liệu chuyên đề tài nguyên môi trường Đất - Dữ liệu chun đề tài ngun mơi trường Nước: Hình 3.16 Nội dung liệu chuyên đề tài nguyên - môi trường Nước 90 - Dữ liệu chuyên đề môi trường Không khí: Hình 3.17 Nội dung liệu chun đề mơi trường Khơng khí - Dữ liệu chun đề tài ngun Rừng: Hình 3.18 Nội dung liệu chuyên đề tài nguyên Rừng 91 3.3 Phát triển ứng dụng GIS Một phát triển ứng dụng GIS phân tích liệu, chức quan trọng mang đặc điểm khác biệt ưu điểm hẳn so với hệ thống thơng tin khác Phân tích liệu không gian bao gồm việc sử dụng phép tốn để sếp liệu liệu thuộc tính có liên quan Các phép tốn khơng gian sử dụng liên tiếp để giải vấn đề Trong GIS, việc phân tích hay khai thác liệu thực mức độ khác sau: - Dữ liệu thuộc tính bảng xếp lại để trình bày báo cáo hay sử dụng hệ máy tính khác - Các thao tác thực liệu hình học hay chế độ tìm kiếm hay mục đích tính tốn - Các thao tác logic, số học thống kê thực bảng thuộc tính - Hình học thuộc tính dùng chung để lập liệu dựa thuộc tính gốc phát sinh; hay lập liệu dựa mối quan hệ địa lý Nói cách khác, phân tích liệu GIS xếp thành nhóm: hỏi đáp sở liệu, lập đồ phát sinh mơ hình hóa q trình Hỏi đáp đơn tìm kiếm thơng tin có sẵn sở liệu Lập đồ phát sinh trình tạo lớp liệu từ lớp liệu cũ Ví dụ sở liệu có lớp trạng sử dụng đất hai thời điểm, ta chồng xếp để có lớp đồ phát sinh lớp biến động trạng sử dụng đất Hỏi đáp: Phép hỏi đáp bao gồm việc nhận biết đối tượng thỏa mãn hay nhiều ều kiện hay tiêu chí Các đối tượng lựa chọn ghi lại lớp liệu liệu hình học hay thuộc tính chúng lưu lại theo vài cách khác Có nhiều phép lựa chọn tùy thuộc vào nhu cầu khai thác liệu người sử dụng, hình 3.1 sau mơ số lựa chọn đối tượng theo thuộc tính Chồng ghép: Chồng ghép lớp thông tin công cụ phân tích khơng gian lợi yếu tố quan trọng đứng phía sau phát triển công nghệ GIS Chồng 92 ghép gộp chung liệu khơng gian liệu thuộc tính hai hay nhiều lớp liệu Với sở liệu thành phố Hải Phịng, ta chồng ghép để có lớp thơng tin phát sinh tùy thuộc vào yêu cầu người khai thác liệu Chẳng hạn ghép hai lớp thông tin hàm lượng sắt (Fe) thời điểm quan trắc, ta có lớp thơng tin biến động thời kỳ sắt Với khả phân tích khơng gian mạnh GIS, nhiều ứng dụng khai thác từ sở liệu GIS thành phố Hải Phòng, nhằm phục vụ cho việc quản lý tài nguyên môi trường thành phố Với phạm vi luận văn thạc sĩ, học viên nêu số khả phân tích Lập đồ chuyên đề tài nguyên - môi trường: Từ sở liệu GIS xây dựng, đồ chuyên đề tài nguyên - môi trường thành lập Nội dung đồ chuyên đề trình bày thơng qua phần mềm ArcMap Đây phần mềm có thư viện ký hiệu, chữ màu sắc phong phú Đảm bảo việc thành lập đồ chuyên đề nhanh chón g, tiện dụng chất lượng Các đồ chuyên đề v ề tài nguyên môi trường lập dựa sở liệu GIS tài nguyên môi trường thành phố Hải Phịng Các bước chung xây dựng lớp thơng tin chun đề:  Thiết kế khung chuẩn khung, Tạo lưới grid cho tờ đồ 93 Sử dụng công cụ phân tích 3D Analyst, kết hợp với số liệu quan trắc xây dựng trên, chất bị ô nhiễm hiển thị lớp đồ chuyên đề Lớp thông tin chuyên đề xây dựng sau : Nội suy khoảng cách Phần mềm chạy vùng hàm lượng chất khác dạng raster 94 Chuyển liệu dạng raster sang liệu dạng shapefile (vùng) Dùng lệnh clip Arctoolbox để cắt phần thừa để lấy chọn phần liệu tạo Như ta tạo đồ thể hàm lượng chất có tài ngun mơi trường Sau ta biên tập khung ngồi giải cần thiết 95 96 97 98 99 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGH Ị Quá trình thực luận văn với đề tài “Xây dựng sở liệu GIS phục vụ quản lý tài ngun mơi trường thành phố Hải Phịng ” với lý thuyết thực nghiệm, tác giả rút số kết luận kiến nghị sau: Kết luận Cơ sở liệu GIS đ ược nhiều nước Thế giới Việt Nam ứng dụng quản lý tài nguyên môi trường, ứng dụng dự báo, khắc phục cố thảm họa thiên nhiên môi trường Phần thực nghiệm luận văn thiết lập quy trình xây dựng sở liệu GIS thành phố Hải Phòng , xây dựng mơ hình tổ chức sở liệu GIS phục vụ công tác n lý tài nguyên mơi trường thành phố , lấy làm sở để xây dựng hệ thống sở liệu quản lý tài ngun mơi trường thống tồn thành phố Kết xây dựng sở liệu địa lý sở liệu chuyên đề tài nguyên môi t rường thành phố Hải Phòng Việc xây dựng sở liệu GIS thực dựa thao tác chuyển đổi liệu gốc từ khuôn dạng DGN sang ArcGIS Kết trình chuyển đổi tổ chức theo Geodatabase, hệ tổ chức liệu khoa học chu ẩn Thế giới theo phương pháp tổ chức liệu GIS Cơ sở liệu địa lý sở liệu chuyên đề tài nguyên - môi trường xây dựng với chuẩn: chuẩn định dạng liệu, chuẩn project, chuẩn topology chuẩn liệu thuộc tính Cơ sở liệu GIS tài nguyên môi trường xây dựng, với số chức như: chiết xuất, hỏi đáp, trình bày liệu, lập đồ chuyên đề tài nguyên môi trường cung cấp thông tin quan trọng số lĩnh vực trạng tài ngun mơi trư ờng thành phố Hải Phịng , góp phần thiết thực phục vụ cơng tác quản lý tài nguyên môi trường thành phố cách hiệu quả, hướng tới mục tiêu phát triển bền vững 101 Kiến nghị Do thời gian có hạn thơng tin khu vực nghiên cứu cịn hạn chế, n ên đề tài dừng việc xây dựng sở liệu GIS chuyên đề tài ngun mơi trường mang tính chất tổng quan với nhóm lớp, chưa tích hợp sở liệu GIS tài ngun mơi trường đầy đủ để đưa phân tích, đánh giá tồn diện Do cần tiếp tục nghiên cứu để xây dựng sở liệu GIS tài nguyên môi trường thành phố với mức độ chi tiết, đầy đủ Cần nghiên cứu tích hợp tư liệu viễn thám với ưu không gian thời gian để xây dựng sở liệu GIS v ề tài ngun mơi trường cho hồn chỉnh đồng phục vụ công tác quản lý tài ngun mơi trường thành phố Hải Phịng 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Tài Nguyên Môi Trường (2008), Quyết định 06/07/QĐ -BTNMT việc ban hành Quy định áp dụng chuẩn thông tin địa lý sở quốc gia , Hà Nội Cục Đo đạc Bản đồ Việt Nam - Bộ Tài ngun Mơi trường (2009), Hướng dẫn số hóa biên tập đồ địa hình tỷ lệ 1:2 000, Hà Nội Cục Công nghệ thông tin - Bộ Tài nguyên Môi trường (2009), Hướng dẫn sử dụng phần mềm Arcgis, Hà Nội Cục Đo đạc Bản đồ Việt Nam - Bộ Tài nguyên Môi trường (200 9), Mơ hình cấu trúc nội dung liệu địa lý 2000, Hà Nội Nguyễn Ngọc Dung (2008), Quản lý tài nguyên môi trường , NXB Xây Dựng, Hà Nội Nguyễn Văn Đài (2002), Hệ thơng tin địa lý (GIS), Giáo trình trường đại học khoa học tự nhiên - Hà Nội Võ Chí Mỹ (2005), Kỹ thuật mơi trường ¸ Giáo trình Cao học Trắc địa, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Hà Nội Vo Chi My (2010), Geomatics Engineering for Environmental and Natural resources research, Leture Note for post graduate, Hanoi University of Mining and Geology, Ha Noi Võ Chí Mỹ (2010), Xây dựng sở liệu GIS môi trường, Bài giảng Sau đại học cho ngành Kỹ thuật trắc địa, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Hà Nội 10 Sở Tài nguyên Môi trường thành phố Hải Phịng , http://www.haiphong.gov.vn 11 Tổng cơng ty Tài nguyên Môi trường Việt Nam - Bộ Tài nguyên Môi trường (2009 - 2010), Dự án: “ Thành lập sở liệu địa lý 1/ 2000 gắn với mơ hình số độ cao phủ trùm thành phố Hải Phò ng” 12 Keith C.Clarke - Bradley O.Parks - Michael P.Crane (2006), Geographic Infomation Systems and Environmental Modeling, Published by Prentice Hall of India, New Delhi ... lý tài nguyên môi trường - Xây dựng sở liệu địa lý thành phố Hải Phòng - Xác định chuyên đề tài nguyên môi trường - Xây dựng sở liệu GIS phục vụ quản lý tài nguyên môi trường thành phố Hải Phòng. .. vụ quản lý tài nguyên môi trường Đề tài ? ?Xây dựng sở liệu GIS phục vụ quản lý tài nguyên môi trường thành phố Hải Phòng? ?? xuất phát từ ý nghĩa khoa học thực tế Cơ sở liệu GIS thành phố Hải Phòng. .. nguyên môi trường thành phố Hải Phòng 3.2.1 Xây dựng sở liệu địa lý 3.2.2 Kết xây dựng sở liệu địa lý 50 58 61 62 74 3.2.3 Cơ sở liệu GIS phục vụ quản lý tài ngun mơi trường Vai trị sở liệu GIS phục