Ứng dụng GIS và viễn thám trong quản lý tài nguyên và môi trường

Tiểu luận Ứng dụng GIS và viễn thám trong quản lý tài nguyên và môi trường Họ và Tên: Lê Vũ Yến Thanh 1 GVHD: PGS.TS. Lê Văn Trung HVTH: Lê Vũ Yến Thanh MSHV: 11260572 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LỚP CAO HỌC QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG TIỂU LUẬN MÔN HỌC ỨNG DỤNG GIS VÀ VIỄN THÁM TRONG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM, THÁNG 12/2012 Tiểu luận Ứng dụng GIS và viễn thám trong quản lý tài nguyên và môi trường Họ và Tên: Lê Vũ Yến Thanh 2 MỤC LỤC I.Giới thiệu . 3 II.Các dữ liệu được sử dụng 4 2.1. Các nghiên cứu hiện hành về môi trường nước trên lưu vực sông dựa trên GIS trên thế giới và Trung Quốc . 4 2.1.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài . 4 2.1.2. Tình hình nghiên cứu ở Trung Quốc 5 2.2.Các nghiên cứu ứng dụng của công tác phòng chống và kiểm soát ô nhiễm nguồn nước trong lưu vực sông dựa trên GIS 6 III. Phương pháp thực hiện . 8 3.1. Thiết kế hệ thống tổng thể . 8 3.2. Xác định đơn vị kiểm soát ô nhiễm nước 9 3.3 Việc thành lập cơ sở dữ liệu cơ bản 10 IV. Kết quả và dự báo . 11 4.1. Kết quả thu được . 11 4.2. Khả năng tính toán và mô phỏng chất lượng nước . 12 4.3 .Việc thành lập chương trình kiểm soát ô nhiễm nước 12 V.Kết luận 13 Tiểu luận Ứng dụng GIS và viễn thám trong quản lý tài nguyên và môi trường Họ và Tên: Lê Vũ Yến Thanh 3 NGHIÊN CỨU VỀ PHÒNG CHỐNG VÀ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM NƯỚC TRÊN LƯU VỰC SÔNG DỰA TRÊN GIS Bài viết này giới thiệu các nghiên cứu về phòng, chống và kiểm soát ô nhiễm nguồn nước trong lưu vực sông dựa trên GIS trong và ngoài nước. GIS, như là một nền tảng dữ liệu cơ bản, có thể được sử dụng để quản lý dữ liệu không gian, chẳng hạn như bản đồ kỹ thuật số và dữ liệu thuộc tính, thông tin thủy văn. Sau đó, bài viết sẽ giới thiệu các nghiên cứu ứng dụng công nghệ GIS về phòng, chống và kiểm soát ô nhiễm nguồn nước trong lưu vực sông. I.Giới thiệu Hệ thống thông tin địa lý (GIS), là một nhánh nghiên cứu mới của khoa học, một bộ sưu tập kỷ luật bao gồm cả khoa học máy tính, tin học, địa lý…. Công nghệ GIS quản lý và phân tích toàn diện dữ liệu địa lý của ý nghĩa không gian, bằng cách sử dụng hệ thống kỹ thuật và lý thuyết khoa học thông tin, được hỗ trợ bởi phần mềm và phần cứng trên máy tính. Đó là một không gian nghiên cứu hệ thống thông tin, cung cấp thông tin cho việc lập kế hoạch, quản lý và ra quyết định. Hệ thống thông tin địa lý CGIs đầu tiên trên toàn thế giới được sản xuất vào những năm 1960 ở Canada, và sau đó Đại học Harvard phát triển hệ thống SY-MAP, GRID….Bắc Mỹ, Tây Âu, Nhật Bản và các quốc gia phát triển khác chuyển lĩnh vực nghiên cứu của họ sang tất cả các khía cạnh của kinh tế xã hội. Hiện tại, công nghệ GIS đã trở thành phương tiện và kỹ thuật hỗ trợ quan trọng trong hợp tác quốc tế giữa các học giả, doanh nghiệp và các quận, huyện.Sự phát triển và ứng dụng của GIS tại Trung Quốc bắt đầu vào năm 1980 và phát triển nhanh bắt đầu từ các sản phẩm GIS chuyên nghiệp cho đến các lĩnh vực tự nhiên, xã hội, kinh tế, chính trị, quản lý và các lĩnh vực khác. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GIS trong lưu vực sông bắt đầu trong những năm 1990. Tiểu luận Ứng dụng GIS và viễn thám trong quản lý tài nguyên và môi trường Họ và Tên: Lê Vũ Yến Thanh 4 II.Các dữ liệu được sử dụng 2.1. Các nghiên cứu hiện hành về môi trường nước trên lưu vực sông dựa trên GIS trên thế giới và Trung Quốc 2.1.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Từ những năm 1970, các thung lũng Tennessee sử dụng kỹ thuật GIS để xử lý và phân tích dữ liệu trên các lưu vực sông khác nhau, để cung cấp dịch vụ quyết định cho việc quản lý và lập kế hoạch. Từ đó về sau GIS bắt đầu được sử dụng trong quản lý thủy văn và tài nguyên nước. Sau những năm 1980 với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính, GIS, thủy văn và khoa học tài nguyên nước được kết hợp một cách rộng rãi. Ở Colorado, một số tổ chức hợp tác phát triển hệ thống hỗ trợ quyết định sông Colorado và GIS đã được sử dụng để lưu trữ, truy xuất, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian thung lũng. Hoa Kỳ đã phát triển chương trình quản lý lưu vực sông cho quốc gia, cơ quan bảo vệ môi trường và các phòng ban kiểm soát ô nhiễm. Chương trình lưu vực đã sử dụng đầy đủ sự phát triển của các phần mềm, công nghệ cơ sở dữ liệu, chức năng máy tính. Trong những năm gần đây, bằng cách sử dụng Arc-View như là một phần mềm GIS tích hợp. Nó tích hợp toàn bộ dữ liệu các lưu vực sông ở Mỹ, phân tích phần mềm và phân tích chất lượng nước lưu vực sông, cung cấp cho khách hàng hiểu một cách dễ dàng công cụ quản lý lưu vực sông, trong đó tập trung vào nguồn điểm và nguồn không điểm. Năm 1977, Gupta et al. đã thành công trong việc thực hiện lưới các công cụ GIS quản lý dữ liệu, quy hoạch lưu vực sông. Sau đó, một số nước phát triển ở châu Âu hợp tác phát triển tổ chức hệ thống lập kế hoạch hỗ trợ quyết định "WATERWARE", trong đó có các chức năng mô phỏng các quá trình thủy văn, kiểm soát ô nhiễm nước, quy hoạch tài nguyên nước . Kỹ thuật này hoàn toàn sử dụng GIS, cơ sở dữ liệu, công nghệ mô phỏng,tối ưu hóa chương trình và đội ngũ chuyên gia…GIS chủ yếu được sử dụng để lưu trữ các thông tin không gian lưu vực, cung cấp dữ liệu cho các hệ thống mô phỏng, hiển thị các kết quả của phân tích và mô phỏng. Trên cơ sở này, Bhuyan et al. hoàn toàn sử dụng GIS và các mô hình ô nhiễm môi trường không điểm AGNPS trong nông nghiệp Tiểu luận Ứng dụng GIS và viễn thám trong quản lý tài nguyên và môi trường Họ và Tên: Lê Vũ Yến Thanh 5 được phát triển bởi Bộ Nông Nghiệp Hoa Kỳ và có thể được sử dụng trong quy mô nhỏ vào nguồn nước và đánh giá môi trường nước. 2.1.2. Tình hình nghiên cứu ở Trung Quốc Ở Trung Quốc, nghiên cứu và ứng dụng trên GIS bắt đầu vào những năm 1980 và sau đó công nghệ GIS có được sự phát triển nhanh chóng. Trong những năm gần đây, tầm quan trọng của công nghệ GIS đã được chấp nhận rộng rãi bởi các chính phủ ở tất cả các cấp và tất cả các khu vực của các chuyên gia và các học giả, và nền tảng hoạt động của GIS được phổ biến một cách nhanh chóng, chẳng hạn như GEOSTAR,MAPGIS. Một số lượng lớn của các hệ thống ứng dụng thông tin địa lý cũng nhanh chóng phát triển. Về việc phát triển và sử dụng tài nguyên nước, GIS có thể được sử dụng để xác định ảnh hưởng của các yếu tố phát triển tài nguyên tiềm năng, đánh giá sử dụng tài nguyên nước bền vững nguồn tài nguyên nước đã được xây dựng, và cấu trúc hệ thống thông tin chu trình nước, hệ thống cảnh báo an ninh, mô phỏng phân phối, mô hình xây dựng tài nguyên nước, mô hình cân bằng nước, mô hình phân bố không gian, mô hình chất lượng nước lưu vực sông. Đồng thời, trên sông, hệ thống nước và thủy văn, GIS có thể được sử dụng để trích xuất thông tin, quan trắc nước và phân tích tính năng và thay đổi thủy văn, thủy văn cảnh quan sinh thái và mô hình thủy văn phân phối, xây dựng các mô hình cân bằng nước (bao gồm cả mô hình phi tuyến thủy văn, mô phỏng quá trình thủy văn,…), xây dựng hệ thống thông tin thủy văn (chẳng hạn như hệ thống nước thông tin thủy văn, môi trường, hệ thống nước và tham vấn với các hệ thống thông tin dự báo thủy văn), và cũng có thể trích xuất các thông tin của những thay đổi của nghiên cứu, hồ trên không gian và thời gian biến đổi các yếu tố khí tượng thủy văn, vẽ lượng mưa tự động.Ngoài ra, GIS còn có thể thực hiện phân tích môi trường các lưu vực sông và thông tin của hệ thống nước ngầm. Vào cuối những năm 1980, bộ phận quản lý môi trường Thượng Hải đã bắt đầu ứng dụng GIS, và sử dụng GIS cho môi trường nước lưu vực sông Hoàng Phố. Hệ thống này có giám sát hiển thị tự động, có chức năng mô phỏng quá trình nước bị ô nhiễm và nước đầu Tiểu luận Ứng dụng GIS và viễn thám trong quản lý tài nguyên và môi trường Họ và Tên: Lê Vũ Yến Thanh 6 vào và quản lý môi trường nước,nó có thể được sử dụng để phân tích chất lượng nước và dự báo nhanh chóng. Một số cơ quan nghiên cứu khoa học và các cơ quan quản lý lưu vực sông cũng sẽ tiếp tục sử dụng công nghệ GIS trong sự phát triển của hệ thống hỗ trợ ra quyết định kiểm soát lũ lụt và thiên tai lũ lụt. Liu et al.thảo luận về các cấu trúc lưu trữ các thông tin không gian lưu vực sông, được phân phối, và có nhiều lớp, và thiết lập hệ thống thông tin kỹ thuật số đầu nguồn không gian như ArcSDE / ArcInfo cho GIS, áp dụng nó ở lưu v75c sông Qingjiang trong quản lý tài nguyên nước. Guo et al.sử dụng GIS để thiết lập mô hình tính toán, đánh giá tài nguyên nước, theo sự hình thành của khối lượng nước, và phân phối bởi thảm thực vật, địa hình, địa mạo và các yếu tố bề mặt cơ bản và ảnh hưởng của các đặc điểm lượng mưa ở lưu vực sông. 2.2.Các nghiên cứu ứng dụng của công tác phòng chống và kiểm soát ô nhiễm nguồn nước trong lưu vực sông dựa trên GIS Mục đích của chương trình kiểm soát ô nhiễm nước sông là để có hiệu quả trong việc bảo vệ và cải thiện chất lượng nước, tìm kiếm kế hoạch xử lý nước thải. Các bước chung bao gồm (Hình 1): Cuộc điều tra và thu thập các tài liệu cơ bản, đánh giá chất lượng môi trường nước; điều tra ô nhiễm nguồn, đánh giá và dự báo môi trường nước, các dự báo xu hướng thay đổi của môi trường nước. Việc phân chia chức năng, lập kế hoạch và quản lý môi trường nước nhằm mục tiêu thiết lập các khu chức năng, tính toán công suất môi trường nước, kiểm soát ô nhiễm nước, lập kế hoạch xây dựng và lựa chọn. Tiểu luận Ứng dụng GIS và viễn thám trong quản lý tài nguyên và môi trường Họ và Tên: Lê Vũ Yến Thanh 7 Hình 1 Tiêu chuẩn đánh giá chức năng Kiểm tra kiểm sóat từng phần Đánh giá chất lượng nước Phân chia khu vực tiêu chuẩn/không tiêu chuẩn Phân chia chức năng mội trường nước Nghiên cứu và đánh giá nguồn công nghiệp Nghiên cứu và đánh giá nguồn sinh hoạt Nghiên cứu và đánh giá nguồn hàng không Nghiên cứu đầu vào và đầu ra của hệ thống thoát nước Các mô hình kỹ thuật số độ cao Chia đơn vị kiểm soát Vẽ diện tích khu vực Hệ thống thoát nước tổng quát Thiết kế thủy văn Mô hình chất lượng nước Xác định các thông số chất lượng nước Tính toán công suất môi trường nước Đầu ra hệ thống thoát nước tổng quát Tính toán lượng cho phép thải ra Khu vực tiêu chuẩn: tổng giá trị phân bổ Khu vực không tiêu chuẩn: tổng giá trị phân b63 và cắt Kế hoạch kiểm soát ô nhiễm nước Phân tích tính khả thi Tiểu luận Ứng dụng GIS và viễn thám trong quản lý tài nguyên và môi trường Họ và Tên: Lê Vũ Yến Thanh 8 Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là hệ thống công nghệ máy tính được sử dụng để thu thập, lưu trữ, quản lý và hiển thị các dữ liệu địa lý. Nước lưu vực được lập kế hoạch kiểm soát ô nhiễm liên quan đến quy mô lớn của không gian và thời gian và liên quan đến rất nhiều thông tin, chẳng hạn như điều kiện thủy văn các thông số, các thông số chất lượng nước, các thông số nguồn ô nhiễm, tải lượng ô nhiễm, năng lực môi trường, và như vậy, và hầu hết đólà những thông tin cụ thể, chẳng hạn như vị trí sông, vị trí đoạn sông, chiều cao nước, phía dưới dốc, điều kiện hỗn hợp thủy lực, nồng độ các chất ô nhiễm phân phối. Như vậy, cơ sở dữ liệu truyền thống là thiếu khả năng định nghĩa thực thể không gian và khả năng tìm kiếm mối quan hệ không gian. Chức năng quản lý dữ liệu không gian của GIS và chức năng hiển thị 3D sẽ làm cho quy hoạch kiểm soát ô nhiễm nước trở nên thuận tiện hơn, trực tiếp và rõ ràng. GIS được đưa vào khu vực lập kế hoạch kiểm soát ô nhiễm nước, sẽ làm cho mức độ lập kế hoạch ở mức cao mới. GIS có thể được tích hợp với quy hoạch kiểm soát ô nhiễm nước vì khái niệm không gian chung. GIS cung cấp nền tảng làm việc hiệu quả và hỗ trợ kỹ thuật đáng tin cậy cho việc hoạch định kiểm soát ô nhiễm nước ở lưu vực sông thông qua việc mua lại thông tin thời gian thực, không gian thể hiện đồ họa và phân tích quyết định không gian. III. Phương pháp thực hiện 3.1. Thiết kế hệ thống tổng thể Theo một số thống kê dữ liệu, dữ liệu theo dõi và bảng xếp hạng cho việc lập kế hoạch kiểm soát ô nhiễm nước là đơn giản. Làm thế nào để xử lý và quản lý các dữ liệu thô và dữ liệu được tạo mới trong máy tính được chặt chẽ, để làm cho thông tin dữ liệu được chia sẻ toàn bộ giữa các bước lập kế hoạch, hướng nghiên cứu quan trọng về quy hoạch kiểm soát ô nhiễm nước. Nói chung, kế hoạch kiểm soát ô nhiễm nước dựa trên trên GIS như thể hiện trong hình. 2. Tiểu luận Ứng dụng GIS và viễn thám trong quản lý tài nguyên và môi trường Họ và Tên: Lê Vũ Yến Thanh 9 Hình 2 3.2. Xác định đơn vị kiểm soát ô nhiễm nước Nói chung mục tiêu của lập kế hoạch kiểm soát ô nhiễm môi trường nước lưu vực sông là phân vùng vùng chức năng môi trường nước và bảo vệ chất lượng nước, với điều kiện của việc xác định công suất môi trường nước và mục tiêu chất lượng nước, cuối cùng để thực hiện các chương trình kiểm soát tổng số lượng nước phân bổ. Việc kiểm soát các đơn vị, bao gồm chức năng khu vực môi trường nước và diện tích đất của mình, là những đơn vị cơ bản mà có thể đạt được việc thực hiện các đầu vào của đất và nước, tiến hành mô phỏng chất lượng và phê duyệt chất lượng môi trường nước. Sông thoát nước lưu vực sông là lưu vực sông bao quanh bởi rừng đầu nguồn.Các tính năng chính bao gồm khu vực lưu vực sông, mật độ sông, hình dạng lưu vực, chiều cao thung lũng, hướng lưu vực hoặc hướng chủ đạo.Vì vậy, để đơn vị kiểm soát xác định, trước hết chúng ta nên khái quát hệ thống nước, có thể sử dụng phần mềm GIS tương ứng để hoàn thành. Để trích xuất các đặc tính lưu vực dựa trên DEM (Digital Elevation Model), chúng ta có thể sử dụng bộ công cụ để nghiên cứu bề mặt các nguồn tài nguyên Đối tượng Các gói dữ liệu Cơ sở dữ liệu và hệ thống điều hành quản lý Mô hình ngân hàng Người sử dụng hệ thống thông tin đã được định hướng Thông tin như là dữ liệu, các cuộc trò chuyện . Tiểu luận Ứng dụng GIS và viễn thám trong quản lý tài nguyên và môi trường Họ và Tên: Lê Vũ Yến Thanh 10 nước trên các phần mềm GIS. Phạm vi tổng quát của hệ thống nước bao gồm dòng chính, lớp học và các nhánh đầu tiên chi nhánh thứ cấp, và những nhánh sông nằm các nguồn ô nhiễm chính, thị trấn. Sau đó, trên cơ sở tổng quát của hệ thống nước, theo điều tra thực địa, xem xét các khu vực chức năng môi trường nước và tham khảo ý kiến các chuyên gia thủy văn địa phương, cuối cùng chúng ta có thể xác nhận được các đơn vị lưu vực. Sau đó, trên cơ sở của các bộ phận chức năng môi trường nước và các đơn vị lưu vực, chúng ta có thể đánh giá chất lượng nước đầu nguồn, và sau đó đánh giá tiêu chuẩn chất lượng nước ở cấp lưu vực nước và các đơn vị lưu vực nước bằng cách sử dụng khả năng thị giác không gian của GIS. 3.3 Việc thành lập cơ sở dữ liệu cơ bản Lập kế hoạch kiểm soát ô nhiễm nước liên quan đến nhiều trong dữ liệu cơ bản (Bảng 1).Chúng ta có thể sử dụng ARCGIS 8,1 để xây dựng cơ sở dữ liệu không gian, truy cập cơ sở dữ liệu để thiết lập cơ sở dữ liệu thuộc tính và tham gia với mã số riêng. Trên cơ sở của các bản đồ cơ bản, chúng ta có thể hình thành các bản đồ cơ sở thông qua việc chuyển đổi chiếu và lớp ghép với nhau. Và sau đó chúng ta có thể trích xuất các hệ thống nước, cơ thể nước phân khúc, phân ranh giới các khu chức năng. Bước tiếp theo là hình thành các vùng chức năng môi trường nước và điểm kiểm soát chất lượng nước không gian lớp. Các lớp không gian chính bao gồm phần theo dõi, nguồn gây ô nhiễm và đầu ra hệ thống thoát nước,…Các tọa độ kinh độ và vĩ độ của các phần thủy văn được cung cấp bởi phòng thuỷ lợi, các địa điểm mặt cắt của hầu hết chất lượng nước (bao gồm cả điểm kiểm soát quốc gia, điểm kiểm soát tỉnh, điểm kiểm soát thành phố) được định vị với GPS, và các địa điểm của các mặt cắt khác được định vị theo các dữ liệu có liên quan trên các bản đồ, doanh nghiệp, công nghiệp, chủ yếu các nguồn ô nhiễm môi trường từ dữ liệu thống kê, và vị trí không gian là nằm trong bản đồ điện tử. Hầu hết các doanh nghiệp công nghiệp ở cấp thị trấn, và một vài trong số đó là ở cấp quận, các vị trí ô nhiễm nguồn được đặt với GPS ngay tại chỗ. Chiều dài của sông được đo trực tiếp trên bản đồ với ARCGIS. Ngoài ra, mô phỏng chất lượng nước của các đồ án quy hoạch sẽ được thực