Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu gis phục vụ quản lý môi trường khu vực hạ lưu sông cầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT PHẠM THỊ THANH HÒA NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS PHỤC VỤ QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG KHU VỰC HẠ LƯU SÔNG CẦU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT PHẠM THỊ THANH HÒA NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS PHỤC VỤ QUẢN LÝ MÔI TRNG KHU VC H LU SễNG CU Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa Mà số: 60.52.85 LUN VN THC S KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS Võ Chí Mỹ HÀ NỘI - 2013 LỜI CAM ðOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các số liệu, kết trình bày luận văn ñúng thật chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Phạm Thị Thanh Hòa MỤC LỤC Lời cam ñoan Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục bảng biểu, sơ ñồ .6 Danh mục hình vẽ, biểu ñồ ñồ .7 MỞ ðẦU Chương - TỔNG QUAN VỀ ðẶC ðIỂM TỰ NHIÊN, KINH TẾ - Xà HỘI VÀ MÔI TRƯỜNG KHU VỰC HẠ LƯU SÔNG CẦU 13 1.1 ðặc ñiểm tự nhiên khu vực 13 1.1.1 Vị trí địa lý 13 1.1.2 ðặc điểm khí hậu .14 1.1.3 ðặc điểm địa hình, ñịa mạo .15 1.1.4 ðặc ñiểm ñịa chất 16 1.1.5 ðặc ñiểm thủy văn .16 1.1.6 ðặc ñiểm tài nguyên, thiên nhiên 17 1.2 ðặc ñiểm kinh tế - xã hội khu vực .18 1.2.1 Dân số 18 1.2.2 Hiện trạng kinh tế - xã hội 19 1.3 Hiện trạng chất lượng môi trường hạ lưu sông Cầu 22 1.3.1 Hiện trạng môi trường nước hạ lưu sông Cầu .22 1.3.2 Hiện trạng mơi trường khơng khí khu vực hạ lưu sơng Cầu .27 1.4 Các nguồn gây ô nhiễm môi trường hạ lưu sông Cầu 29 1.4.1 Hoạt động cơng nghiệp 29 1.4.2 Hoạt ñộng làng nghề 31 1.4.3 Hoạt ñộng y tế 31 1.4.4 Hoạt động nơng nghiệp 32 Chương - NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP LUẬN 33 XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU PHỤC VỤ QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG 33 2.1 Tổng quan GIS 33 2.1.1 Khái niệm GIS 33 2.1.2 Các thành phần GIS 34 2.1.3 Các nhiệm vụ GIS 36 2.1.4 Mơ hình liệu GIS 38 2.2 Tổng quan sở liệu GIS .39 2.2.1 Khái niệm sở liệu GIS 39 2.2.2 Ngôn ngữ xây dựng sở liệu GIS 45 2.2.3 Cấu trúc sở liệu GIS 46 2.2.4 Tổ chức sở liệu GIS 54 2.2.5 Chuẩn sở liệu GIS 57 2.3 Mơ hình tổ chức sở liệu GIS môi trường 60 2.3.1 Mơ hình tổ chức sở liệu môi trường 60 2.3.2 Yêu cầu liệu phục vụ quản lý tài nguyên - môi trường: 62 Chương - XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU PHỤC VỤ QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG 63 KHU VỰC HẠ LƯU SÔNG CẦU 63 3.1 Tình hình quản lý mơi trường khu vực 63 3.1.1 Khái quát quản lý môi trường 63 3.1.2 Tình hình quản lý môi trường khu vực 64 3.2 Sự cần thiết quản lý môi trường khu vực hạ lưu sông Cầu hệ thống thơng tin địa lý .65 3.3 Xây dựng sở liệu GIS phục vụ quản lý môi trường khu vực hạ lưu sông Cầu 67 3.3.1 Quy trình xây dựng sở liệu GIS phục vụ quản lý môi trường 67 3.3.2 Mơ hình tổ chức sở liệu GIS môi trường hạ lưu sông Cầu 70 3.3.3 Xây dựng sở liệu ñịa lý .72 3.3.4 Xây dựng sở liệu môi trường .86 3.3.5 Kết xây dựng sở liệu 89 3.4 Khả ứng dụng GIS .98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .100 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BððH: Bản ñồ ñịa hình CSDL: Cơ sở liệu TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam TNMT: Tài nguyên môi trường DBMS (Database Management System): Hệ quản trị sở liệu ESRI (Enviromental System Reseach Institute): Viện Nghiên cứu hệ thống Môi trường GIS (Geographic Information System) - HTTTðL: Hệ thống thơng tin địa lý GML (Geography Markup Language): Ngơn ngữ đánh dấu địa lý UML (Unifield modeling language): Ngơn ngữ mơ hình hóa thống XML (eXtensible Markup Language): Ngơn ngữ đánh dấu mở rộng ISO (International Organization for Standardization): Tổ chức Quốc tế tiêu chuẩn hoá DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, SƠ ðỒ Bảng Ví dụ ñịnh nghĩa kiểu ñối tượng sở liệu GIS 45 Bảng 2 So sánh liệu raster vector .49 Bảng 3.1 Gộp nhóm liệu .75 Bảng 3.2 Chi tiết topology với ñối tượng nhóm lớp 79 Bảng 3 Nhập thuộc tính cho đối tượng 82 Bảng Nhập liệu thuộc tính chun đề mơi trường .87 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ðỒ VÀ BẢN ðỒ Hình 1 Lưu vực sơng Cầu 13 Hình Sơng Cầu - đoạn chảy qua Bắc Ninh .22 Hình Ô nhiễm rác thải sông Cầu 24 Hình Diễn biến DO qua năm sơng Cầu đoạn Hạ lưu 25 Hình Diễn biến BOD5 đoạn sơng Cầu qua Bắc Giang, Bắc Ninh năm 2004 2005 .27 Hình Diễn biến COD sông Ngũ Huyện Khê qua năm 2004 2005 27 Hình 1.7 Ơ nhiễm nội thành phố khu vực sơng Cầu 28 Hình Diễn biến chất lượng khơng khí ngã thị trấn Từ Sơn – Bắc Ninh 29 Hình Tỷ lệ xả thải công nghiệp tỉnh 30 Hình Các thành phần GIS 34 Hình 2 Phân tích liền kề .37 Hình Phân tích chồng xếp 38 Hình Mơ hình lớp liệu 39 Hình Mơ hình phân cấp .42 Hình Mơ hình mạng 43 Hình Mơ hình quan hệ .44 Hình Cấu trúc liệu raster vector 47 Hình Biểu diễn thơng tin dạng điểm, đường, vùng theo cấu trúc vector 48 Hình 10 Minh họa thông tin raster .48 Hình 11 Các nguyên tắc topology 52 Hình 12 Liên kết liệu khơng gian thuộc tính 54 Hình 13 Tổ chức sở liệu – GeoDatabase 54 Hình 14 Các cấu trúc Geodatabase .56 Hình 15 Tổ chức sở liệu Shape files 57 Hình 16 Mơ hình tổ chức liệu sở liệu GIS môi trường 61 Hình Quy trình xây dựng sở liệu GIS .67 Hình 3.2 Mơ hình tổ chức liệu GIS mơi trường hạ lưu sơng Cầu 71 Hình 3.Thực chạy clean sửa lỗi .73 Hình 4.Lựa chọn thông số chạy clean 73 Hình Lựa chọn chức xóa trùng 73 Hình Sai số chạy lỗi CLEAN 74 Hình Hiển thị lỗi Microstation 74 Hình Export liệu địa hình sang 3D 75 Hình Các lớp liệu ñịa lý 77 Hình 10 Nhập liệu vào Geodatabase .79 Hình 11 Tạo topology 81 Hình 3.12 Hiện lỗi topology lớp biên giới ñịa giới 82 Hình 13 Mơ tả sở liệu 89 Hình 14 Mơ tả liệu biên giới ñịa giới 90 Hình 15 Mơ tả liệu thủy hệ .90 Hình 16 Mơ tả liệu giao thông 91 Hình 17 Mơ tả liệu phủ bề mặt .91 Hình 18 Mơ tả liệu địa hình 92 Hình 19 Mô tả liệu dân cư sở hạ tầng 92 Hình 20 Vị trí điểm quan trắc nước mặt 93 Hình 21 Vị trí điểm quan trắc khơng khí .93 Hình 22 Bản đồ hàm lượng pH mơi trường nước mặt 94 Hình 3.23 Bản đồ hàm lượng NO2- NO3- môi trường nước mặt .94 Hình 3.24 Bản đồ trạng nhiễm BOD nước mặt 95 Hình 25 Bản đồ trạng nhiễm COD nước mặt 95 Hình 26 Bản ñồ trạng ô nhiễm NH4 nguồn nước thải 96 Hình 3.27 Bản đồ trạng ô nhiễm Coliform nguồn nước thải 96 Hình 28 Bản đồ trạng nhiễm NO2 97 Hình 29 Bản đồ trạng nhiễm SO2 .97 Hình 3.30 Ví dụ lựa chọn đối tượng CSDL mơi trường 99 89 Coliform Double Hàm lượng vi khuẩn QT_KHONGKHI MaDoiTuong Text 10 Mã nhận dạng ñiểm ToaDoX Double Tọa ñộ x ToaDoY Double Tọa ñộ y ViTri Text 50 Tên ñiểm quan trắc NhietDo Double Nhiệt ñộ DoAm Double ðộ ẩm NO2 Double Hàm lượng Nitrit SO2 Double Hàm lượng Lưu huỳnh dioxit CO Double Hàm lượng Carbon monoxide BuiLoLung Double Hàm lượng bụi TiengOn Double Tiếng ồn 3.3.5 Kết xây dựng sở liệu Xây dựng sở liệu địa lý Hình 13 Mô tả sở liệu 90 Hình 14 Mơ tả liệu biên giới địa giới Hình 15 Mơ tả liệu thủy hệ 91 Hình 16 Mơ tả liệu giao thơng Hình 17 Mơ tả liệu phủ bề mặt 92 Hình 18 Mơ tả liệu địa hình Hình 19 Mơ tả liệu dân cư sở hạ tầng Xây dựng sở liệu chuyên ñề Kết xây dựng liệu chuyên ñề bao gồm liệu môi trường nước không khí 93 Hình 20 Vị trí điểm quan trắc nước mặt Hình 21 Vị trí điểm quan trắc khơng khí Thành lập đồ chun đề mơi trường Bản đồ chun đề thành lập từ sở liệu GIS ñã xây dựng Trên ArcMap, ta sử dụng thư viện, kí hiệu, phép tốn phân tích để thành lập ñồ chuyên ñề môi trường khu vực hạ lưu sông Cầu Dưới ñây số ñồ chuyên ñề: 94 Hình 22 Bản đồ hàm lượng pH mơi trường nước mặt Hình 3.23 Bản đồ hàm lượng NO2- NO3- mơi trường nước mặt 95 Hình 3.24 Bản đồ trạng nhiễm BOD nước mặt Hình 25 Bản đồ trạng nhiễm COD nước mặt 96 Hình 26 Bản đồ trạng nhiễm NH4 nguồn nước thải Hình 3.27 Bản đồ trạng ô nhiễm Coliform nguồn nước thải 97 Hình 28 Bản đồ trạng nhiễm NO2 Hình 29 Bản đồ trạng nhiễm SO2 98 3.4 Khả ứng dụng GIS Một ứng dụng GIS truy vấn phân tích liệu, chức quan trọng mang ñặc ñiểm khác biệt ưu ñiểm hẳn so với hệ thống thông tin khác Truy vấn liệu: GIS cung cấp tiện ích để tìm kiếm thống kê đối tượng riêng biệt dựa vị trí giá trị thuộc tính chúng Phân tích liệu: Là khả trả lời câu hỏi tác ñộng lẫn mối quan hệ khơng gian thuộc tính nhiều tập liệu Tùy vào mục tiêu liệu cụ thể mà ta chọn phương pháp khác nhau: + Phân tích lớp liệu (Single layer operation) thủ tục ñược thực lớp liệu để truy vấn thuộc tính, truy vấn khơng gian tạo tập liệu + Phân tích nhiều lớp liệu (Multiple layer operation) thao tác nhiều lớp liệu khơng gian để thực tốn phân tích: chồng xếp, phân tích gần kề, phân tích tương quan khơng gian Việc mở rộng ứng dụng GIS thể ở: Việc chồng lớp ñồ khả ưu việt GIS việc phân tích số liệu thuộc khơng gian, xây dựng đồ mang đặc tính hồn tồn khác với ñồ trước ñây Với sở liệu xây dựng, ta chồng ghép để có lớp thông tin phát sinh tùy thuộc vào yêu cầu người khai thác liệu Chẳng hạn có hai lớp thông tin hàm lượng DO thời điểm quan trắc, ta có lớp thơng tin biến ñộng thời kỳ Truy vấn: Hỏi đáp đơn tìm kiếm thơng tin có sẵn sở liệu Phép hỏi ñáp bao gồm việc nhận biết ñối tượng thỏa mãn hay nhiều điều 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 99 Ví dụ: ta tìm điểm quan trắc có giá trị DO ñạt chuẩn QCVN 08:2008 loại A2 [2], tức giá trị DO ≥ Hình 3.30 Ví dụ lựa chọn ñối tượng CSDL môi trường Với việc hỏi ñáp vây, ta dễ dàng tìm vị trí điểm quan trắc khơng đạt tiêu chuẩn QCVN 08:2008 rút kết luận chất lượng nước mặt khu vực Tạo ñồ chuyên ñề từ sở liệu: Các ñồ chuyên ñề môi trường khu vực hạ lưu sông Cầu ñược trình bày phần 3.3.5 Nội suy khơng gian Nội suy q trình dự đốn giá trị thuộc tính cho vị trí khơng đo đạc, vào giá trị ño ñược vị trí khác khu vực Nội suy ñược dùng ñể chuyển ñỗi liệu ñiểm sang liệu bề mặt liên tục, qua xác định giá trị vùng Trong luận văn, tác giả ñã sử dụng phương pháp nội suy để thành lập đồ nhiễm trình bày phần 3.3.5 Với khả phân tích khơng gian mạnh GIS, nhiều ứng dụng khai thác ñược từ sở liệu GIS khu vực hạ lưu sông Cầu, nhằm phục vụ cho việc quản lý môi trường khu vực Với phạm vi luận văn thạc sĩ, học viên nêu số khả phân tích 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trên sở trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm luận văn“Nghiên cứu xây dựng sở liệu GIS phục vụ quản lý tài môi trường khu vực hạ lưu sông Cầu”, tác giả rút số kết luận kiến nghị sau: Kết luận Hiện trạng môi trường lưu vực sơng Cầu diễn biến phức tạp ngày xấu Ở đoạn sơng chạy qua khu công nghiệp, làng nghề… nước sông bị ô nhiễm cách trầm trọng, tài nguyên ñất, tài nguyên rừng…ñang ngày suy thối Trước vấn đề nhiễm mơi trường ñã ñang hữu, vấn ñề quản lý mơi trường trở nên cấp bách cần phải quan tâm cập nhật thường xuyên Hệ thông tin địa lý GIS có ý nghĩa vai trị lớn việc quản lý môi trường, ứng dụng dự báo, khắc phục cố thảm họa thiên nhiên mơi trường Cơ sở liệu GIS ñược nước Thế giới Việt Nam ứng dụng rộng rãi lĩnh vực quy hoạch môi trường quản lý môi trường Quản lý môi trường lưu vực sơng có đặc thù riêng, vậy, cần nghiên cứu để thiết lập quy trình xây dựng sở liệu hợp lý, phục vụ quản lý lưu vực sơng nói chung lưu vực sơng Cầu nói riêng Kết xây dựng ñược sở liệu ñịa lý sở liệu chun đề mơi trường khu vực, ñược lưu dạng liệu chuẩn GIS GeoDatabase sở áp dụng chuẩn xây dựng sở liệu: chuẩn ñịnh dạng liệu, chuẩn project, chuẩn topology chuẩn liệu thuộc tính ðề tài góp phần cung cấp thông tin quan trọng số lĩnh vực trạng môi trường khu vực hạ lưu sông Cầu, góp phần thiết thực phục vụ cơng tác quản lý môi trường 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, nên đề tài dừng việc xây dựng sở liệu GIS chun đề mơi trường mang tính chất tổng quan với nhóm lớp, chưa tích hợp sở liệu mơi trường đầy đủ để đưa phân tích, đánh giá tồn diện Cần nghiên cứu tích hợp tư liệu viễn thám để xây dựng sở liệu GIS môi trường hồn chỉnh đồng 102 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Nguyễn Văn Hùng, Hồng Văn Nghiệp, Nethnapha Phouangsomthong, Phạm Thị Thanh Hịa (2013) "Tích hợp tư liệu viễn thám GIS nghiên cứu biến ñộng ñới bờ ảnh hưởng trình khai thác mỏ", Tạp chí Cơng nghiệp mỏ Nguyễn Văn Hùng, Hồng Văn Nghiệp, Nethnapha Phouangsomthong, Phạm Thị Thanh Hịa (2013) “Nghiên cứu tác động q trình khai thác mỏ ñối với ñới bờ khu vực bể than Quảng Ninh tư liệu địa tin học”, Tạp chí khoa học ñồ 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Tài nguyên môi trường, Cục quản lý tài ngun nước (2006), “Dự án điều tra tình hình khai thác, sử dụng tài nguyên nước xả thải vào nguồn nước lưu vực sông Cầu” Bộ Tài Nguyên Môi Trường (2008), Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước mặt QCVN 08:2008/BTTNMT, Hà Nội Bộ Tài Ngun Mơi Trường (2008), Quyết định 06/07/Qð-BTNMT việc ban hành Quy ñịnh áp dụng chuẩn thơng tin địa lý sở quốc gia, Hà Nội Cục Công nghệ thông tin - Bộ Tài nguyên Môi trường (2009), Hướng dẫn sử dụng phần mềm Arcgis, Hà Nội Võ Chí Mỹ (2005), Kỹ thuật mơi trường¸ Giáo trình Cao học Trắc địa, Trường ðại học Mỏ - ðịa Chất, Hà Nội Vo Chi My (2010), Geomatics Engineering for Environmental and Natural resources research, Lecture 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 ñại học cho ngành Kỹ thuật trắc ñịa, Trường ðại học Mỏ - ðịa Chất, Hà Nội Nguyễn Trường Xn (2005), Giáo trình hệ thơng tin địa lý, Trường ðại học Mỏ - ðịa chất, Hà Nội Trung tâm Quan trắc Thông tin Môi trường - Cục Bảo vệ Môi trường (2007), Quan trắc môi trường nước lưu vực sơng Cầu 10 Trung tâm Tư vấn khí tượng Thủy văn Mơi trường (2006), “Tính tốn chất lượng nước cho lưu vực sông Cầu, Nhuệ - ðáy Sài Gòn – ðồng Nai” 11 Viện Quy hoạch Thủy lợi (2007), Báo cáo tổng hợp dự án “Rà soát, cập nhật bổ sung quy hoạch thủy lợi lưu vực sông Cầu – sông Thương” 12 http://vea.gov.vn 13 http://quantracmoitruong.gov.vn 14 http://www.climategis.com ... cứu lựa chọn giải pháp xây dựng sở liệu phục vụ quản lý tài nguyên - môi trường - Nghiên cứu xây dựng sở liệu GIS phục vụ quản lý môi trường khu vực hạ lưu sơng Cầu + ðặt vấn đề lý thuyết + Xây. .. tổ chức sở liệu môi trường 60 2.3.2 Yêu cầu liệu phục vụ quản lý tài nguyên - môi trường: 62 Chương - XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU PHỤC VỤ QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG 63 KHU VỰC HẠ LƯU SÔNG CẦU ... phục vụ hiệu công tác quản lý tổng hợp lưu vực sơng nói chung lưu vực sơng Cầu nói riêng Việc lựa chọn đề tài ? ?Nghiên cứu xây dựng sở liệu GIS phục vụ quản lý môi trường khu vực hạ lưu sông Cầu? ??