7. Bố cục của luận văn
1.4. NGUỒN SỐ LIỆU THỰC TẾ VÀ TÍNH TOÁN SỐ LIỆU
1.4.1. Nguồn số liệu thực tế
Số liệu thực tế là số liệu mực nƣớc giờ và trung bình ngày ở phƣờng Hòa Hải. Với số liệu đo chi tiết theo từng giờ trong ngày và tất cả các ngày trong tháng. Tính tổng, trung bình, cao nhất, thấp nhất theo ngày. Luận văn đã có số liệu đo đƣợc ghi trên file Excel qua các năm từ 2012 đến 2015. Với các số
liệu này đƣợc thu thập tại các trạm quan trắc thông qua đơn vị Trung tâm Khí tƣợng Thủy văn miền Trung.
Hình 1.6. Số liệu mực nước giờ và trung bình ngày ở Hòa Hải
1.4.2. Xử lí và tính toán số liệu
Mực nƣớc cao của các giờ trong ngày và những ngày có mực nƣớc cao mới làm đất ngập nƣớc, còn mực nƣớc thấp thì sẽ không làm đất ngập nƣớc. Luận văn mục đích là mô phỏng nƣớc biển dâng chạy theo từng tháng. Nên luận văn đã xử lí bằng cách:
Từ số liệu mực nƣớc giờ và trung bình ngày, trích xuất và tính toán các số liệu đặc trƣng theo từng tháng.
+ Trích xuất các giá trị Max ngày trong từng tháng (chuỗi A) + Từ chuỗi A tiếp tục tính:
Chọn Max của chuỗi Chọn Min của chuỗi
Tính giá trị trung bình của chuỗi [3].
+ Tính toán nhƣ trên cho các tháng còn lại của năm và cho toàn bộ bảng số liệu. Kết quả đƣợc ghi lại theo bảng (Hình 1.7)
+ Dùng các số liệu theo bảng đã tính toán để làm số liệu đầu vào cho mô hình, trong đó:
+ Cột Min_water dùng mô phỏng độ ngập ở mức thấp
+ Cột Avg_water dùng mô phỏng độ ngập ở mức trung bình + Cột Max_water dùng mô phỏng độ ngập ở mức cao
+ Kiểm tra tính toán cho mô hình
Hình 1.7. Số liệu đã được chuẩn hóa
Các số liệu từ nay đến tƣơng lai:
Tính trung bình cho từng tháng của số liệu mô phỏng cho mức thấp ở phần tính toán trên, rồi lấy số liệu của 12 tháng đó cộng thêm số liệu mực nƣớc biển dâng thêm trong bảng Nước biển dâng theo kịch bản phát thải mức thấp từ tài liệu [1]. Nƣớc biển dâng theo kịch bản phát thải thấp (cm) từ dữ liệu đã có, ta sẽ tính đƣợc cho các năm tiếp theo, đây là số liệu mô phỏng cho mức thấp (Min_water).
Tính trung bình cho từng tháng của số liệu mô phỏng cho mức trung bình ở phần tính toán trên, rồi lấy số liệu của 12 tháng đó cộng thêm số liệu
mực nƣớc biển dâng thêm trong bảng dữ liệu Nước biển dâng theo kịch bản phát thải mức trung bình từ tài liệu [1]. Nƣớc biển dâng theo kịch bản phát thải trung bình (cm) từ tài liệu đã có ta sẽ tính đƣợc cho các năm tiếp theo, đây là số liệu mô phỏng cho mức trung bình(Avg_water).
Tính trung bình cho từng tháng của số liệu mô phỏng cho mức cao ở phần tính toán trên, rồi lấy số liệu của 12 tháng đó cộng thêm số liệu mực nƣớc biển dâng thêm trong bảng Nước biển dâng theo kịch bản phát thải mức cao từ tài liệu [2]. Nƣớc biển dâng theo kịch bản phát thải cao (cm) từ tài liệu đã có, ta sẽ tính đƣợc cho các năm tiếp theo, đây là số liệu mô phỏng cho mức cao (Max_water) [3].
Hình 1.8. Số liệu tính toán cho các năm sau
1.5. ĐỘ CAO VÀ ĐỘ THẤM ĐỊA HÌNH 1.5.1. Độ cao địa hình 1.5.1. Độ cao địa hình
Hiện nay, với việc đô thị hóa nhanh chóng tại khu vực phƣờng Hòa Hải nên địa hình đất đai tại nơi đây tƣơng đối bằng phẳng, độ cao trung bình giữa
đất liền từ 1m đến 2m, độ dốc có xu hƣớng từ biển vào đất liền theo hƣớng Tây Nam về Đông Bắc.
Với việc xây dựng các khu dân cƣ dày đặc đi kèm với đó là việc xây dựng các kênh mƣơng thoát nƣớc làm cho địa hình kênh mƣơng của địa phƣơng này trở nên phức tạp hơn trong quá trình thực hiện mô phỏng.
1.5.2. Độ thấm địa hình
Khi nƣớc biển dâng cao (hay thủy triều dâng lên) theo các sông nhỏ và kênh mƣơng tiến vào sâu trong đất liền nƣớc sẽ thấm vào đất sẽ làm lƣợng nƣớc giảm dần dần ta xem đây là độ thấm địa hình.
Khi nƣớc biển dâng cao theo các sông và kênh tiến vào sâu trong đất liền nƣớc sẽ thấm vào đất sẽ làm lƣợng nƣớc giảm dần dần ta xem đây là độ thấm địa hình.
Địa hình và sông, kênh, mƣơng đƣợc chia ra cứ khoảng 1km thực tế sẽ có một giá trị độ thấm địa hình, vùng gần sát biển có một độ thấp địa hình và giá trị này sẽ cao dần khi đi vào sâu trong đất liền. Khu vực gần sông hoặc kênh, mƣơng có hệ số thấp, còn khu vực xa sông hoặc kênh sẽ có giá trị cao hơn. Độ thấm 1 km Độ thấm Hình 1.9. Xây dựng độ thấm địa hình 10 9 8 1 km 1 10 9 8 1
1.6. XÂY DỰNG PHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CHO MÔ HÌNH NƢỚC BIỂN DÂNG
Từ thực tế nƣớc biển dâng chịu ảnh hƣởng của các yếu tố chính nhƣ: mực nƣớc biển, độ cao địa hình, độ thấm địa hình. Trong quá trình làm luận văn đã tham khảo phƣơng trình toán cho mô hình nƣớc biển dâng của đề tài nghiên cứu khoa học ứng dụng công cụ Gama để mô phỏng nƣớc biển dâng tại Tỉnh Bạc Liêu [3]. Sau đó áp dụng phƣơng trình đó vào mô phỏng cho nƣớc biển dâng trong quá khứ bằng cách thực nghiệm và kiểm thử cho các năm trong tƣơng lai.
Hình 1.10. Sơ đồ xây dựng phương trình
Đây là mô hình chỉ giải quyết từ những yếu tố cơ bản để xây dựng cho ra mô hình cơ bản mô phỏng nƣớc biển dâng. Trong mô hình tính toán mức độ nƣớc biển dâng cho từng tháng trong năm nên chỉ quan tâm tới các yếu tố tác động đến độ ngập nƣớc. Xây dựng phƣơng trình tính toán cho mô hình nƣớc biển dâng có các thông số đầu vào là:
+ Mực nƣớc biển w (cm): Số liệu đã tính toán (mục 1.3.2.) + Độ cao địa hình h (cm): Đã tính toán (mục 1.5.1.)
+ Độ thấm địa hình f (cm) : Đã tính toán (mục 1.5.2.)
Ngoài ra còn các yếu tố khác do không có số liệu nên coi nhƣ không tác động đến quá trình nƣớc biển dâng (giá trị bằng 0) nhƣ: vận tốc, độ
Sai Mô phỏng cho năm nƣớc biển Đúng Mô phỏng cho năm nƣớc biển Đúng Mô phỏng cho năm tiếp theo và tƣơng lai
Sai
sâu, khí hậu, nhiệt độ, sức gió,…Những giá trị này nếu có số liệu đầy đủ sẽ làm cho mô hình trở nên chính xác hơn.
Xây dựng một hàm y cho mô hình nƣớc biển dâng [3].
f h w
y
Nhƣ vậy, phƣơng trình đƣợc tính cho độ ngập địa hình với mức độ ngập tính bằng đơn vị cm. Điểm nổi bật của phƣơng trình đề xuất cho mô hình nƣớc biển dâng ở đây là phƣơng trình vẫn áp dụng đƣợc cho dù không đủ số liệu của tất cả các yếu tố mà vẫn cho ra kết quả chấp nhận đƣợc từ các yếu tố có số liệu.
1.7. KẾT CHƢƠNG
Trong chƣơng này, ngƣời viết luận văn đã tìm hiểu và trình bày cơ sở lý thuyết về mô phỏng đa tác tử, hệ nền Gama, giới thiệu tổng quan bản đồ thông tin địa lý GIS cũng nhƣ tìm hiểu cách xây dựng và trích xuất dữ liệu từ GIS, nêu khái niệm về nƣớc biển dâng, độ thấm địa hình, độ cao địa hình, đồng thời ngƣời viết luận văn giới thiệu về nguồn số liệu mực nƣớc biển dâng thực tế qua các năm trong quá khứ cũng nhƣ cách xử lý và tính toán số liệu cho tƣơng lai theo các kịch bản .
CHƢƠNG 2
ỨNG DỤNG GIS VÀ LẬP TRÌNH TRONG GAMA
2.1. ỨNG DỤNG GIS
Trong ứng dụng xây dựng bản đồ địa lý cho Phƣờng Hòa Hải, Ngũ Hành Sơn, thành phố Đà Nẵng đƣợc xây dựng trên nền tảng phần mềm Openjump, đây là phần mềm nguồn mở, có khả năng biên tập dữ liệu vector khá mạnh, nhƣng lại hỗ trợ cho các hệ tọa độ không tốt. Với phần mềm này có thể chỉnh sửa đơn giản hình ảnh và dữ liệu thuộc tính của bản đồ.
Xây dựng và thiết kế các tác tử sông, kênh, mƣơng cho tất cả các con sông, kênh, mƣơng trên địa bàn Phƣờng Hòa Hải. Trong hình bên dƣới thể hiện việc xây dựng hệ thống kênh, mƣơng cho Phƣờng Hòa Hải.
Xây dựng và thiết kế các tác tử gán cho các cell (bản đồ đƣợc chia thành các cell nhỏ). Trong cơ sở dữ liệu GIS có độ thấm địa hình, chia vùng khác nhau, đơn vị Tổ đƣợc gán cho tác tử cell và đƣợc lƣu trữ.
Hình bên dƣới thể hiện dữ liệu cho các cell đã đƣợc gán, các dữ liệu này sẽ đƣợc áp dụng vào việc tính toán và hiển thị kết quả ngập trong phần mô phỏng tiếp theo sau:
Hình 2.2. Độ thấm địa hình của cell
2.2. TÍNH TOÁN VÀ ÁP DỤNG GIẢI THUẬT CHO MÔ HÌNH 2.2.1 Giải thuật mô phỏng 2.2.1 Giải thuật mô phỏng
Việc mô phỏng cho mô hình nƣớc biển dâng trên nền mô phỏng GAMA. Cần các yếu tố đầu vào:
+ Database: mực nƣớc biển (mức thấp, mức trung bình, mức cao) + GIS: bản đồ địa hình (đã chia cell), bản đồ sông ngòi.
+ DataGIS: độ thấm địa hình, độ cao địa hình, các vùng ranh giới giữa các Tổ dân phố.
Hình 2.3. Lưu đồ thuật toán thực hiện xử lý mô phỏng
Bắt đầu
Nhập dữ liệu đầu vào gồm + Bàn đồ địa hình
+ Dữ liệu nƣớc biển dâng các năm từ 2013 đến 2050
Xác định mốc thời gian vẽ biểu đồ mực nƣớc Thực hiện chạy vòng lặp tính bắt đầu cho năm đầu tiên
Tính toán giá trị mức ngập nƣớc theo phƣơng trình nƣớc biển dâng
Tô màu các khoảng giá trị mức nƣớc ngập Cho ra bản đồ ngập, thống kê diện tích ngập
Kiểm tra đã đến năm cuối
cùng
Tăng năm lên 1
Sai
2.2.2 Công cụ lập trình GAMA
Quá trình mô phỏng đƣợc thực hiện trên nền công cụ GAMA với bƣớc đầu tiên là nạp dữ liệu bản đồ phƣờng Hòa Hải (địa lý, hệ thống sông ngòi, kênh mƣơng, hệ thống cống) đƣợc xây dựng từGIS.
Thực hiện lấy dữ liệu từ các file dữ liệu GIS đã đƣợc thực hiện, trong đó gồm 4 file đƣợc lƣu trong thƣ mục /gis/. Các file này bao gồm:
+ bounds_map.shp + sluices_province.shp + HoaHai_map_cell.shp +HoaHai_rivers2.shp.
<!-- Shapefile -->
<var type="string"
name="shape_file_bounds_map"
init="'../gis/bounds_map.shp'"parameter="
Shapefile bounds:" category="Map" />
<var type="string"
name="shape_file_sluices_salt"
init="'../gis/sluices_province.shp'"param
eter="Sluices to prevent salt:"
category="Map"/>
<var type="string"
name="shape_file_land_scenario"
init="'../gis/HoaHai_map_cell.shp'"parame
ter="Shapefile province land:"
category="Map"/>
<var type="string"
name="shape_file_river_scenario"
init="'../gis/HoaHai_rivers2.shp'"paramet
er="Shapefile province river:"
Tiếp theo phải khai báo lấy các trƣờng từ dữ liệu GIS (DataGIS):
Tập tin có các số liệu về thông tin ban đầu: Cơ sở dữ liệu đầu vào (Database) là mực nƣớc biển đã tính toán ở mục 1.4.2. đƣợc nạp vào. Sau đó khai báo các trƣờng từ cơ sở dữ liệu GIS đã đƣợc xử lý tƣơng ứng với các biến để tính toán. <create species="text_scenario"/> <create species="text_chart"/> <create species="sluices_salt" from="shape_file_sluices_salt" with="[ID_open1:: read 'ID_open1',ID_open2:: read
'ID_open2',ID_open3:: read 'ID_open3']" return="sluices_salts"/> <!-- land_scenario --> <create species="land_scenario" from="shape_file_land_scenario" with="[ID_region:: read 'ID_region',Rugosity1:: read 'Rugosity1',Rugosity2:: read 'Rugosity2',Rugosity3:: read
'Rugosity3',District:: read 'District']"
return="land_scenarios"/> <!-- river_scenario --> <create species="river_scenario" from="shape_file_river_scenario" with="[ID_region:: read 'ID_region',Rugosity1:: read 'Rugosity1',Rugosity2:: read 'Rugosity2']" return="river_scenarios"/>
Lấy dữ liệu mực nƣớc ở các mức trung bình, thấp và cao đƣa vào tính toán và cho hiển thị với các giá trị tƣơng ứng.
Định nghĩa các biến tƣơng ứng và các tác tử tham gia vào hệ thống đã đƣợc đƣa vào và sử dụng từ các trƣờng từ dữ liệu DataGIS và cơ sở dữ liệu đầu vào là các giá trị lƣợng nƣớc ở mức thấp, trung bình và mức cao.
<!-- Shapefiledatabase-->
<var type="matrix"
name="init_data_scenario"
init="file'../data/data.csv'"
parameter="Shapefiledata:"
category="Data"/>
<init>
<loop from="1" to="(rows_number
init_data_scenario) - 1" var="i">
<create species="data"number="1">
<set name="ID_year"
value="init_data_scenario at
{0,i}"/>
<set name="ID_month"
value="init_data_scenario at
{1,i}"/>
<set
name="Avg_water"value="init_dat
a_scenario at {2,i}"/>
<set
name="Max_water"value="init_dat
a_scenario at {3,i}"/>
<set
name="Min_water"value="init_dat
a_scenario at {4,i}"/>
</create> </loop> </init>
Môi trƣờng và các tác tử là những thành phần chính của hệ thống đƣợc xây dựng trong hệ thống mô phỏng của luận văn. Từ những thành phần này ta xác định các hành vi, các hoạt động giao tiếp giữa chúng. Trong hệ thống mô phỏng này ngƣời viết luận văn định nghĩa các tác tử nhƣ:
+ “sluices_salt”: Với hành động là geometry vẽ ra hình với 2 đối số đƣợc thực hiện là: color và size. Tác tử này thể hiện cho việc đóng mở các cổng trên các kênh mƣơng trong hệ thống thông tin địa lý GIS, với 3 trƣờng chính
<entities> <species
name="data"skills="situated,visible">
<vartype="int"name="ID_year" />
<vartype="int"name="ID_month" />
<vartype="float"name="Avg_water" />
<vartype="float"name="Max_water" />
<vartype="float"name="Min_water" />
</species>
<species name="land_scenario"
skills="situated">
<var type="rgb"
name="color"value="rgb'#967117'"/>
<var type="rgb"
name="color2"value="rgb '#967117'"/>
<var type="rgb"
name="color3"value="rgb '#967117'"/>
<var
type="string"name="ID_region"/>
<var
type="string"name="Rugosity1"/>
<var
type="string"name="Rugosity2"/>
<var
type="string"name="Rugosity3"/>
<var
type="string"name="District"/>
<var
type="string"name="count_color_max
"/> <var
type="string"name="count_color_avg
"/> <var
type="string"name="count_color_min
"/> </species>
<species name="river_scenario"
skills="situated">
<var type="rgb" name="color"
value="rgb 'blue'"/>
</species> </entities>
là ID_open1, ID_open2, ID_open3 với 2 giá trị đƣợc nhập vào là 0 và 1. Mặc định các cổng trên hệ thống sông sẽ đƣợc gán màu đen “black”, khi mô phỏng quá trình hoạt động, hệ thống cổng này sẽ đƣợc tô màu cho biết tại vị trí đó việc ngập bao nhiêu cm, và gán giá trị màu tƣơng ứng.
+ “data”: Đây là tác tử đƣợc định nghĩa thông qua dữ liệu nƣớc biển dâng đã đƣợc tính toán trƣớc, tác tử này có các trƣờng : ID_year, ID_month, Avg_water, Max_water, Min_water, Avg_rain, Max_rain, Min_rain. Các trƣờng này đƣợc lƣu trong file data.csv. Thực hiện việc tính toán theo phƣơng trình nƣớc biển dâng cho ra các thống kê ngập, cũng nhƣ bản đồ ngập.
+ “land_scenario”: Tác tử này cũng có các biến đã có trong dữ liệu GIS, gồm các trƣờng đƣợc định nghĩa nhƣ: Rugosity1, Rugosity2, Rugosity3, District… Với các hành động là: setcolor1, setcolor, setcolor1_2, setcolor2_2, setcolor_2, setcolor1_3, setcolor_3. Với hành động setcolor1 thực hiện gán màu cho các Tổ dân phố nhƣ màu đỏ, xanh dƣơng, xanh lá cây, vàng, hồng… Với hành động setcolor nếu ID_region = '2' thực hiện tô màu theo setcolor1, nếu ID_region = '0' thì thực hiện tính toán lại và tô màu. Với setcolor thực hiện việc tô màu cho các cổng đóng mở của hệ thống cống, với giá trị các cổng của hệ thống cống là “true” thì thực hiện hành động tô màu “setcolor1”, ngƣợc lại sẽ thực hiện tô màu theo “setcolor2”. Với hành động “setcolor1_2” và “setcolor2_2” thực hiện tô màu cho kịch bản ngập địa hình ở mức trung bình. Và tƣơng tự cho việc tô màu trên các cổng của hệ thống cống với giá trị là “true” sẽ thực hiện tô màu theo hành động “setcolor_2”. Tô màu cho kịch bản ngập ở mức thấp cũng tƣơng tự nhƣ trên với các hành động “setcolor1_3” và “setcolor2_3”, “setcolor_3” tô màu cho các cổng của hệ thống thống cống với kịch bản ngập ở mức thấp.
+ “river_scenario”: Tác tử sông, kênh này có các trƣờng nhƣ: ID_region, Rugosity1, Rugosity2. Đây là các trƣờng đã đƣợc khai báo trong cơ sở dữ liệu
GIS. Với việc mặc định ban đâu khi chƣa thực hiện chạy mô phỏng sẽ đƣợc tô màu đen.
Chuyển phƣơng trình mô hình nƣớc biển dâng đã tính thành giải thuật Chuyển phƣơng trình cụ thể của lập trình với các thông số là các biến đƣợc lấy từ DataGIS và Database để cho ra kết quả là giá trị của mức ngập nƣớc.
Tính toán và gán màu bằng cách tạo hành động tô màu khi giải thuật của phƣơng trình đã tính toán cho ra giá trị cho mức ngập nƣớc, tiến hành gán giá trị màu cho khoảng giá trị của mức ngập nƣớc.
Đầu ra khi hiển thị là xuất các kết quả đầu ra cho mô phỏng nƣớc biển dâng.
<reflex>
<loop over="land_scenario"var="rs">
<loop over="data"var="da">