Xây dựng hệ thống quản lý và cảnh báo ô nhiễm khu công nghiệp đồng văn sử dụng GIS

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐINH THỊ THU HIỀN XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM KHU CÔNG NGHIỆP ĐỒNG VĂN SỬ DỤNG GIS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN, 2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐINH THỊ THU HIỀN XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM KHU CÔNG NGHIỆP ĐỒNG VĂN SỬ DỤNG GIS Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐẶNG VĂN ĐỨC THÁI NGUYÊN, 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Xây dựng hệ thống quản lý cảnh báo ô nhiễm khu công nghiệp Đồng Văn sử dụng Gis” cơng trình nghiên cứu tơi, hướng dẫn khoa học PGS.TS Đặng Văn Đức, tham khảo nguồn tài liệu rõ trích dẫn danh mục tài liệu tham khảo Các nội dung cơng bố kết trình bày luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình Thái Nguyên, tháng năm 2018 Đinh Thị Thu Hiền ii LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Đặng Văn Đức, Thầy tận tình bảo giúp đỡ em suốt trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn q Thầy Cơ Phịng Đào tạo, Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông, Đại học Thái Nguyên nhiệt tình giảng dạy, trang bị cho kiến thức quý báu suốt thời gian học tập trường Xin cảm ơn bạn lớp đồng nghiệp nơi công tác tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tơi động viên tơi suốt q trình học tập hồn thành luận văn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ v PHẦN I: MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ BÀI TOÁN QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG 1.1 Các khái niệm GIS: 1.1.1 Một số định nghĩa hệ thông tin địa lý 1.1.2 Các thành phần hệ thông tin địa lý 1.2 Biểu diễn liệu địa lý 1.2.1 Các thành phần liệu địa lý 1.2.2 Mô hình biểu diễn liệu khơng gian[3] 13 1.2.3 Phân tích xử lý liệu không gian 18 1.3 Ứng dụng GIS toán quản lý cảnh báo ô nhiễm 24 1.3.1 Các lĩnh vực liên quan với hệ thông tin địa lý 24 1.3.2 Những toán GIS 25 1.3.3 Bài toán GIS quản lý cảnh báo ô nhiễm môi trường: 25 CHƯƠNG II PHÂN TÍCH KHƠNG GIAN HỖ TRỢ VÀ CẢNH BÁO Ơ NHIỄM MÔI TRƯỜNG 27 2.1 Kỹ thuật xây dựng vùng đệm GIS 27 2.1.1 Giới thiệu xây dựng vùng đệm GIS 27 2.1.2 Vùng đệm điểm liệu 27 2.1.3 Vùng đệm xâu đoạn thẳng 28 2.1.4 Vùng đệm vùng xác định đa giác 32 2.2 Kỹ thuật xếp chồng đồ 35 iv 2.2.1 Khái quát xếp chồng đồ 35 2.2.2 Các phương pháp xếp chồng đồ 37 2.2.3 Thuật toán Bently – Ottmann 38 2.3 Kỹ thuật nội suy không gian 43 2.3.1 Nội suy trọng số không gian (IDW) 43 2.3.2 Kỹ thuật Kriging 43 2.4 Kết luận chương 46 CHUƠNG III XÂY DỰNG CHUƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM VÀ CẢNH BÁO Ơ NHIỄM 47 3.1 Mơ tả tốn cảnh báo nhiễm khu công nghiệp Đồng văn GIS 47 3.2 Mơ hình hệ thống thử nghiệm 47 3.3 Lựa chọn công cụ phát triển môi trường thử nghiệm 48 3.4 Đánh giá kết thử nghiệm 49 KẾT LUẬN VÀ HUỚNG PHÁT TRIỂN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Thành tố GIS Hình 1.2: Mối quan hệ thành phần GIS Hình Ví dụ biểu diễn vị trí nước bị nhiễm 10 Hình 1.4 Ví dụ biểu diễn đường 11 Hình 1.5 Ví dụ biểu diễn khu vực hành 12 Hình 1.6 Biểu diễn giới mơ hình raster 17 Hình 1.7: Xếp chồng đa giác 21 Hình 1.8 Tiến trình xếp chồng đa giác 22 Hình 2.1 Vùng đệm xâu đoạn thẳng 28 Hình 2.2 Tìm vùng đệm 29 Hình 2.3 Trường hợp góc tù 30 Hình 2.4 Trường hợp góc bẹt 30 Hình 2.5 Minh họa đồ đệm GIS 34 Hình 2.6 Nguyên lý xếp chồng đồ 36 Hình 2.7 Việc xếp chồng đồ theo phương pháp cộng 36 Hình 2.8 Một thí dụ việc xếp chồng đồ 36 Hình 2.9 Xếp chồng lớp đồ 37 Hình 2.10 Xếp chồng điểm đa giác 38 Hình 2.11 Xếp chồng đoạn đa giác 38 Hình 3.1: Giao diện chương trình Hmap với cửa sổ hiển thị đồ, lớp đồ cửa sổ chức phân tích nội suy IDW 48 Hình 3.2 Bản đồ chuyên đề nội suy tiêu Asen nước ngầm điểm quan trắc sử dụng thuật toán nội suy IDW 49 Hình 3.3 Bản đồ chuyên đề Tổng lượng chất rắn hòa tan nước ngầm 51 Hình 3.4 Chỉ tiêu lượng vi khuẩn nước ngầm 52 Hình 3.5 Chỉ tiêu Chì (Pb) nước ngầm 53 vi Hình 3.6 Chỉ tiêu Asen nước mặt 54 Hình 3.7 Chỉ tiêu vi khuẩn Coliform nước mặt 55 Hình 3.8 Hàm lượng Chì (Pb) nước mặt 56 Hình 3.9 Chỉ tiêu vi khuẩn Coliform nước thải 57 Hình 3.10 Hàm lượng CO (Các-bon xít) khơng khí 58 Hình 3.11 Tổng bụi lơ lửng khơng khí 59 PHẦN I: MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cùng với phát triển xã hội, người sử dụng nhiều cơng cụ để tìm hiểu, khai thác giải đáp thắc mắc tự nhiên; Trong đó, kỹ thuật “Thông tin địa lý” (GIS – Geographic Information System) kỹ thuật ưu việt sử dụng rộng rãi từ năm 60 trở lại Kỹ thuật GIS kỹ thuật ứng dụng hệ thống vi tính, số hóa để thu thập, phân tích, xử lý liệu khơng gian Từ đó, GIS trở thành cơng cụ hỗ trợ định hầu hết lĩnh vực nghiên cứu quản lý, đặc biệt quản lý, quy hoạch nguồn tài nguyên môi trường Thông tin địa lý thơng tin vị trí bề mặt trái đất, bao gồm tri thức đó? Ở đâu? Hoặc tri thức vị trí biết trước? Đặc trưng thơng tin địa lý chi tiết như: thông tin nhà thành phố thơ như: Thời tiết, mật độ dân số quốc gia… Một vấn đề nóng bỏng, gây xúc dư luận xã hội nước tình trạng ô nhiễm môi trường sinh thái hoạt động sản xuất sinh hoạt người gây Vấn đề ngày trầm trọng, đe doạ trực tiếp phát triển kinh tế - xã hội bền vững, tồn tại, phát triển hệ tương lai Giải vấn đề ô nhiễm môi trường thời kỳ đẩy mạnh CNH, HĐH khơng địi hỏi cấp thiết cấp quản lí, doanh nghiệp mà cịn trách nhiệm hệ thống trị toàn xã hội Việc theo dõi mức độ ô nhiễm công ty khu công nghiệp để có xử lý kịp thời cho cơng ty phịng tránh có giải pháp thích hợp mức độ nhiễm tăng cao gây nguy hại tới mơi trường đất, nước khơng khí làm ảnh hưởng đến môi trường sống người xung quanh Chính thực trạng khiến tơi mạnh dạn đưa ý tưởng cho đề tài nghiên cứu:” Xây dựng hệ thống quản lý cảnh báo ô nhiễm khu công nghiệp” Để thực ý tưởng cần đến trợ giúp công nghệ thông tin, thông qua công nghệ GIS Bên cạnh cần phải nghiên cứu thử nghiệm mơi trường cụ thể, chọn khu công nghiệp Đồng Văn - Hà Nam Đề tài thực thành công trợ giúp công tác quản lý cảnh báo kịp thời mức độ ô nhiễm địa phương, hạn chế đến mức thấp tác hại gây ô nhiễm chúng Sau thử nghiệm hồn thiện, đề tài triển khai ứng dụng cho vùng, khu công nghiệp khác Các liệu mức độ ô nhiễm môi trường công ty thu thập, chúng thường gắn với phạm vi quản lý công ty, địa phương, sở Tài nguyên môi trường Tài nguyên môi trường với dân cư điều kiện tự nhiên không gian địa bàn quản lý Việc theo dõi mức độ ô nhiễm mơi trường địi hỏi phải tổng hợp từ lên, cần phân tích, đánh giá tình hình, tiến hành dự báo để thông báo lại cho công ty khu Công nghiệp Đồng Văn biết có giải pháp đề phịng, ngăn chặn mức độ tiến triển gây ô nhiễm kịp thời, nơi, đối tượng Chính lý đó, khn khổ luận văn, học viên thực nghiên cứu: “Xây dựng hệ thống quản lý cảnh báo ô nhiễm khu công nghiệp Đồng Văn sử dụng Gis” Mục tiêu đề tài Sử dụng công nghệ GIS để tổ chức thu thập liệu chuyển tải biểu diễn thông tin web Các thông tin nhận kịp thời xử lý, đưa định đắn, đáp ứng yêu cầu quản lý cảnh báo mức độ ô nhiễm, hạn chế thiệt hại không đáng có Phạm vi phương pháp nghiên cứu a Phạm vi nghiên cứu - Hồn thiện quy trình theo dõi, tổng hợp phân tích nhiễm từ sở đến toàn khu vực sở tổ chức cách làm có sử dụng cơng cụ công nghệ để triển khai hệ thống thông tin quản lý cảnh báo xử lý ô nhiễm web phục vụ thường xuyên cho công tác xử lý ô nhiễm 47 CHUƠNG III XÂY DỰNG CHUƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM VÀ CẢNH BÁO Ơ NHIỄM 3.1 Mơ tả tốn cảnh báo nhiễm khu cơng nghiệp Đồng văn GIS Bài tốn: Xây dựng phần mềm tổng hợp phân tích liệu ô nhiễm môi trường từ cụm quan trắc khu công nghiệp Đồng Văn, đưa thông báo trạng, nêu giải pháp biện pháp đạo để ngăn ngừa gia tăng ô nhiễm tác hại ô nhiễm đến môi trường Tổ chức sở liệu phân tán dạng GIS, tổng hợp phân tích liệu, tiến hành dự báo theo phương pháp khoa học khác 3.2 Mơ hình hệ thống thử nghiệm Dữ liệu đầu vào chương trình bao gồm lớp liệu khơng gian như: đồ hành chính, giao thơng, vị trí quan trắc mơi trường Khu cơng nghiệp Đồng Văn I liệu thuộc tính đồ, bao gồm liệu tiêu quan trắc nước mặt, nước ngầm, đất, khơng khí đo Khu công nghiệp Các liệu phân tích phần mềm HMap học viên tự xây dựng ngơn ngữ lập trình C# dựa thư viện ArcGIS Engine 9.3 hãng ESRI phát triển, kết đầu chương trình đồ chuyên đề đánh giá thể tiêu môi trường màu sắc số liệu Các chức chương trình: - Hiển thị đồ số liệu thuộc tính - Phóng to, thu nhỏ đồ -Trượt đồ - Tính tốn nội suy tiêu vị trí quan trắc môi trường, tạo đồ chuyên đề dạng raster Sử dụng công cụ nội suy Interpolation cơng cụ phân tích khơng gian Spatial Analys ArcGIS với phép nội suy IDW, 48 Kriging, Spline để phân tích, đánh giá so sánh tiêu nguồn nước ngầm 26 điểm quan trắc Khu Công nghiệp Đồng Văn II Hình 3.1: Giao diện chương trình Hmap với cửa sổ hiển thị đồ, lớp đồ cửa sổ chức phân tích nội suy IDW 3.3 Lựa chọn công cụ phát triển môi trường thử nghiệm Học viên sử dụng thư viện lập trình GIS hãng ESRI cơng ty tiếng hàng đầu giới nghiên cứu chuyên sâu GIS, cung cấp sản phẩm phần mềm công cụ phát triển phần mềm GIS Học viên sử dụng thư viện ArcGIS Engine 9.3 ESRI để xây dựng chức xử lý liệu GIS chương trình thư viện đầy đủ, hỗ trợ nhiều định dạng đồ nhiều ngơn ngữ lập trình Học viên xây dựng chương trình ngơn ngữ lập trình C# DotNet ngơn ngữ lập trình đại, nhiều lập trình viên giới sử dụng ngơn ngữ lập trình Microsoft phát triển hệ IDE với nhiều tính hỗ trợ, quản lý lập trình tiên tiến ngơn ngữ có cộng đồng lập trình viên 49 lớn giới sử dụng đóng góp nhiều thư viện, mã nguồn công cụ phong phú 3.4 Đánh giá kết thử nghiệm Dưới đồ chuyên đề kết thực chạy chương trình với liệu môi trường Khu Công nghiệp Đồng Văn II, thuộc huyện Duy Tiên, tỉnh Hà Nam Hình 3.2 Bản đồ chuyên đề nội suy tiêu Asen nước ngầm điểm quan trắc sử dụng thuật toán nội suy IDW( hiển thị kiểu phân lớp (Classify): 50 màu đậm hàm lượng Asen cao Hàm lượng Asen nước ngầm nhà máy KCN cao nước khu dân cư lân cận) 51 Hình 3.3 Bản đồ chuyên đề Tổng lượng chất rắn hòa tan nước ngầm (Màu đậm giá trị cao) 52 Hình 3.4 Chỉ tiêu lượng vi khuẩn nước ngầm 53 Hình 3.5 Chỉ tiêu Chì (Pb) nước ngầm 54 Hình 3.6 Chỉ tiêu Asen nước mặt 55 Hình 3.7 Chỉ tiêu vi khuẩn Coliform nước mặt 56 Hình 3.8 Hàm lượng Chì (Pb) nước mặt 57 Hình 3.9 Chỉ tiêu vi khuẩn Coliform nước thải ( nước thải chưa qua xử lý 58 có hàm lượng vi khuẩn cao mức cho phép theo tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT Bộ Tài Ngun mơi trường) Hình 3.10 Hàm lượng CO (Các-bon xít) khơng khí ( Khu vực cổng vào bị ô nhiễm CO khu vực khác) 59 Hình 3.11 Tổng bụi lơ lửng khơng khí (Khu vực cổng KCN nhiều bụi khu vực khác) 60 KẾT LUẬN VÀ HUỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Để giải toán “Xây dựng hệ thống quản lý cảnh báo ô nhiễm khu công nghiệp Đồng Văn sử dụng Gis” Gis công cụ phổ biến, ưu việt để giải vấn đề đặt GIS xem cơng nghệ nhất, có nhiều ứng dụng & giải tốn Từ việc phân tích liệu đầu vào phần mềm HMap học viên tự xây dựng ngơn ngữ lập trình C# dựa thư viện ArcGIS Engine 9.3 hãng ESRI phát triển, kết đầu chương trình đồ chuyên đề đánh giá thể tiêu môi trường màu sắc số liệu Qua hiển thị đồ số liệu thuộc tính; phóng to, thu nhỏ đồ; trượt đồ Sử dụng phuơng pháp tính tốn nội suy tiêu vị trí quan trắc môi trường, tạo đồ chuyên đề dạng raster Sử dụng công cụ nội suy Interpolation cơng cụ phân tích khơng gian Spatial Analys ArcGIS với phép nội suy IDW, Kriging, Spline để phân tích, đánh giá so sánh tiêu nguồn nước ngầm 26 điểm quan trắc Khu Công nghiệp Đồng Văn II Hướng phát triển Những hướng phát triển luận văn tương lai dự kiến sau:  Xây dựng hệ thống quản lý cảnh báo ô nhiễm môi truờng sử dụng công nghệ Gis khắp nơi  Tiếp tục cài đặt thuật tốn cịn lại trình bày luận văn Mặc dù cố gắng, thời gian trình độ cịn hạn chế định nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Trong tương lai học viên cố gắng hoàn thiện phát triển vấn đề nêu trên, nhằm mang lại vấn đề khả quan Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn để luận văn ngày hoàn thiện TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 Tiếng Việt [1] Đặng Văn Đức (2001), Hệ thông tin địa lý GIS, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh [2] Hans W Guesgen, Joachim Hertzberg, Algorithms for Buffering Fuzzy Raster Maps, FLAIRS-01 Proceedings, 2001 [3] Hans W Guesgen, Joachim Hertzberg, Richard Lobb, Andrea Mantler Buffering Fuzzy Maps in GIS, Department of Computer Science, University of Auckland, New Zealand, 2003 [4] Jingxiong Zhang, Michael F Goodchild, Uncertainty in Geographical Information, The Taylor & Francis e-Library, 2003 [5] Tahsin A Yanar, Zuhal Akyurek, The Enhancement of ArcGIS with Fuzzy Set Theory, ESRI International User Conference, 2004 [6] Wolfgang Kainz, The Mathematics of GIS, University of Vienna, Austria 2010 ... CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐINH THỊ THU HIỀN XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM KHU CÔNG NGHIỆP ĐỒNG VĂN SỬ DỤNG GIS Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 48 01 01 LUẬN VĂN... khoa học: PGS.TS ĐẶNG VĂN ĐỨC THÁI NGUYÊN, 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn ? ?Xây dựng hệ thống quản lý cảnh báo ô nhiễm khu công nghiệp Đồng Văn sử dụng Gis? ?? công trình nghiên cứu... cứu:” Xây dựng hệ thống quản lý cảnh báo ô nhiễm khu công nghiệp? ?? Để thực ý tưởng cần đến trợ giúp công nghệ thông tin, thông qua cơng nghệ GIS Bên cạnh cần phải nghiên cứu thử nghiệm môi trường