Ứng dụng mô phỏng đa tác tử để mô phỏng ngập địa hình do nước biển dâng tại thành phố đà nẵng

CNTT Công nghệ thông tin GAMA Một công cụ lập trình nền tảng mô phỏng - Hệ thống thông tin địa lý và Mô hình hóa kiến trúc dựa trên tác tử Gis & Agent- based ModellingArchitecture GAML N

LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Trần Quốc Vinh

ĐÀ NẴNG, NĂM 2016

Tôi xin cam đoan:

Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy TS Nguyễn Trần Quốc Vinh

Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng và trung thực tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố

Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả luận văn

Lê Tự Việt Thắng

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Tổng quan về lịch sử nghiên cứu đề tài 2

3 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 3

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

5 Phương pháp nghiên cứu 5

6 Mục đích và ý nghĩa của luận văn 6

7 Bố cục của luận văn 7

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH HÓA NƯỚC BIỂN DÂNG 8

1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ GAMA VÀ GIS 8

1.1.1 Giới thiệu về GAMA 8

1.1.2 Giới thiệu về GIS 9

1.2 MÔ PHỎNG ĐA TÁC TỬ 10

1.2.1 Mô hình hóa 11

1.2.2 Mô phỏng 14

1.2.3 Hệ nền GAMA 17

1.3 NƯỚC BIỂN DÂNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC BIỂN DÂNG 19

1.3.1 Nước biển dâng 19

1.3.2 Kịch bản biến đổi khí hậu 19

1.3.3 Ảnh hưởng của nước biển dâng 20

1.4 NGUỒN SỐ LIỆU THỰC TẾ VÀ TÍNH TOÁN SỐ LIỆU 21

1.4.1 Nguồn số liệu thực tế 21

1.4.2 Xử lí và tính toán số liệu 22

1.5 ĐỘ CAO VÀ ĐỘ THẤM ĐỊA HÌNH 24

1.6 XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CHO MÔ HÌNH NƯỚC

BIỂN DÂNG 26

1.7 KẾT CHƯƠNG 27

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG GIS VÀ LẬP TRÌNH TRONG GAMA 28

2.1 ỨNG DỤNG GIS 28

2.2 TÍNH TOÁN VÀ ÁP DỤNG GIẢI THUẬT CHO MÔ HÌNH 29

2.2.1 Giải thuật mô phỏng 29

2.2.2 Công cụ lập trình GAMA 31

2.3 KẾT CHƯƠNG 38

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG 39

3.1 HIỂN THỊ KẾT QUẢ 39

3.2 HIỆN TRẠNG NƯỚC BIỂN DÂNG TRONG MỘT NĂM 41

3.2.1 Kết quả mô phỏng bản đồ ngập (mức cao) 41

3.2.2 Thống kê kết quả 41

3.3 HIỆN TRẠNG NƯỚC BIỂN DÂNG TỪ NĂM 2013 ĐẾN NAY 43

3.3.1 Kết quả mô phỏng bản đồ ngập (mức cao) theo mốc thời gian 43

3.3.2 Thống kê kết quả 46

3.4 KỊCH BẢN NƯỚC BIỂN DÂNG TỪ NAY ĐẾN 2050 48

3.4.1 Kết quả mô phỏng bản đồ nguy cơ ngập theo kịch bản mức (thấp – trung bình - cao) 48

3.4.2 Thống kê kết quả của các kịch bản 51

3.5 KẾT CHƯƠNG 53

KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

CNTT Công nghệ thông tin

GAMA

Một công cụ lập trình nền tảng mô phỏng - Hệ thống thông tin địa lý và Mô hình hóa kiến trúc dựa trên tác tử (Gis & Agent- based ModellingArchitecture)

GAML Ngôn ngữ sử dụng trong GAMA

GDP Tổng sản phẩm quốc nội (Gross Domestic Product)

GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographical Information

System) MSI Mô hình hóa mô phỏng máy tính (Modélisation Simulation

Informatique)

IFI Viện Pháp ngữ Khoa học máy tính (Institut de la

Francophonie pour l'Informatique)

IPCC Ban Liên Chính phủ về biến đổi khí hậu (Intergovernmental

Panel on Climate Change)

IRD Viện Nghiên cứu Phát triển (L’Institut de Recherche pour le

Développement)

RIVF – IEEE

Hội nghị quốc tế về máy tính và truyền thông công nghệ (International Conference on Computing and Communication Technologies)

UMMISCO

Đơn vị nghiên cứu quốc tế Toán học và mô hình hóa máy tính của hệ thống phức tạp (Unité de Modélisation Mathématique et Informatique de Systèmes Complexes)

XML Một ngôn ngữ lập trình mở rộng đánh dấu (Extensible

Markup Language)

Số hiệu

3.1 Diện tích ngập cho mốc thời gian 2013 và 2015 (%) 46

Số hiệu

1.2 Hệ thống sông, mương được xây dựng từ GIS 10

1.6 Số liệu mực nước giờ và trung bình ngày ở Hòa Hải 22

1.8 Số liệu tính toán cho các năm sau 24

2.1 Hệ thống sông, kênh, mương tại phường Hòa Hải 28

2.3 Sơ đồ thực hiện xử lý mô phỏng 30 3.1 Bản đồ nguy cơ ngập theo tháng 39 3.2 Thống kê diện tích ngập qua các tháng và qua các năm 40 3.3 Thống kê diện tích ngập của Tổ qua các tháng và qua

các năm

40

3.4 Bản đồ ngập (mức cao) cho tháng cao nhất năm 2015 41 3.5 Thống kê diện tích bị ngập(cao –trung bình –thấp) năm 2015 42 3.6 Thống kê diện tích ngập(mức cao) của các Tổ năm 2015 43 3.7 Bản đồ ngập (mức cao) cho tháng cao nhất năm 2013 44

3.9 Thống kê diện tích ngập từ năm 2013 - 2015( thấp- trung

- cao)

47

3.10 Thống kê diện tích ngập của các Tổ từ năm 2013 đến 2015 48 3.11 Bản đồ nguy cơ ngập theo mức cao năm 2020 49 3.12 Bản đồ nguy cơ ngập theo mức cao năm 2030 50 3.13 Bản đồ nguy cơ ngập theo mức cao năm 2040 50 3.14 Bản đồ nguy cơ ngập theo mức cao năm 2050 51 3.15 Thống kê diện tích ngập đến năm 2050 52 3.16 Thống kê diện tích ngập theo đơn vị Tổ đến năm 2050 53

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Thế giới bước vào thế kỷ 21 với sự phát triển nhanh và đạt được nhiều thành tựu lớn trong tất cả các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật, văn hoá, xã hội, … Cùng với sự phát triển này, ngành công nghệ thông tin đóng một vai trò vô cùng to lớn, hỗ trợ hiệu quả trong các lĩnh vực kinh tế, chính trị, xã hội … cho đến việc dự báo các hiện tượng thiên nhiên Vì vậy mọi ngành, mọi tầng lớp trong xã hội đã dành nhiều thời gian vào việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ thông tin vào lao động sản xuất hướng đến nhiều mục đích khác nhau Trong đó việc ứng dụng công nghệ thông tin để đưa ra các giải pháp, cảnh báo của các hiểm họa do thiên tai gây ra làm ảnh hưởng đến quá trình sản xuất của người dân là việc làm cấp thiết Như chúng ta đã biết biến đổi khí hậu là hiện tượng trái đất nóng dần lên do hiệu ứng nhà kính làm cho nhiệt độ

ở các đại dương tăng dần lên, làm tan băng ở các vùng cực đới, dẫn tới khí hậu của trái đất biến đổi, hạn hán bão lũ xảy ra ngày càng nhiều hơn, nước biển ngày một dâng cao Hiện nay, tình trạng nước biển dâng đang là mối hiểm họa toàn cầu, nước biển dâng đang tác động và ảnh hưởng mạnh mẽ tới tài nguyên thiên nhiên, con người, kinh tế - xã hội, vv…ở nhiều quốc gia trên thế giới nhất các quốc gia có biển và các vùng ven biển Các quốc gia trên thế giới đang cùng nhau chung sức nghiên cứu đưa ra các biện pháp, xây dựng các mô hình nhằm giảm thiệt hại của nước biển dâng

Nước biển dâng dẫn đến tình trạng nước mặn xâm nhập, diện tích đất bị thu hẹp ngày càng ảnh hưởng đến đời sống, định cư, sinh hoạt, kinh tế, sản xuất,… của con người Biến đổi khí hậu làm cho những diễn biến thời tiết ngày càng xấu đi đã và đang tác động ngày càng nặng nề đời sống sinh hoạt sản xuất của người dân Những yếu tố của biến đổi khí hậu sẽ làm cho nước

biển càng dâng cao Khắc phục những vấn đề này chính là giải quyết được một phần rất lớn ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đối với đời sống của người dân tại thành phố Đà Nẵng nói chung và của Phường Hòa Hải nói riêng

Hiện nay các cấp chính quyền và các nhà khoa học đang tìm nhiều giải pháp nhằm hạn chế các nguy cơ biến đổi khí hậu vì vậy việc chủ động xây dựng mô hình hóa và mô phỏng trong công nghệ thông tin (CNTT) góp phần giảm nhẹ tác động của biến đổi khí hậu là việc nên thực hiện Mô hình hóa và

mô phỏng để xây dựng thiết lập được hệ thống thông tin về những thách thức của biến đổi khí hậu về sự thay đổi của quá trình nước biển dâng Đưa ra những quyết định hỗ trợ phù hợp nhằm giảm thiệt hại của nước biển dâng vùng ven biển đến đời sống con người ở các vùng này Tiếp cận vấn đề biến đổi khí hậu từ góc độ CNTT có thể là một trong những giải pháp thiết thực nhất do tác động sâu rộng của nó đối với vấn đề bảo vệ môi trường và tiến bộ

xã hội

2 Tổng quan về lịch sử nghiên cứu đề tài

Có lẽ cũng chính vì các nguy cơ biến đổi khí hậu mà việc nghiên cứu đưa ra các dự báo sớm ảnh hưởng của nó đóng vai trò quang trọng quyết định đến các chiến lược phát triển lâu dài của nền kinh tế cũng như quy hoạch đô thị nên nó là đề tài được khá nhiều đối tượng, các nhà khoa học cũng như các chuyên gia của nhiều lĩnh vực nghiên cứu ở các cấp đội khác nhau Những công trình này đã đóng góp tích cực trong việc xây dựng các nền tảng lý luận

về biến đổi khí hậu, dự báo thiên tai và các giải pháp tổ chức thực hiện trong thực tiễn Tuy nhiên việc nghiên cứu trong lĩnh vực này rất rộng, liên quan đến nhiều lĩnh vực hoạt động khác nhau Vì vậy, các công trình nghiên cứu trước đây chưa bao quát hết các vấn đề cũng như việc mô phỏng cho các hiện tượng trong tương lai chỉ ở mức cho ra các bản đồ tĩnh, thống kê tương đối

chung chung cho các vùng rộng lớn Nhìn chung trong phạm vi tài liệu mà tác giả tiếp cận được cho đến nay thì vấn đề các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng huy động vốn cũng được đề cập đến trên các tạp chí hay các bài nghiên

cứu khoa học Điển hình như: Mô phỏng nước biển dâng tại vùng đồng bằng sông Cửu Long, Đại học Bạc Liêu của nhóm tác giả Hoàng Ngọc Hiển, Triệu

Yến Yến, Phan Văn Sa, Huỳnh Xuân Hiệp đã làm sáng tỏ những cơ sở ban đầu để tác giả có cơ sở hoàn thành luận văn này, ngoài ra tác giả còn có cơ hội học hỏi cũng như trao đổi các khía cạnh xung quanh các vấn đề về nước biển dâng Cũng bản về các vấn đề biến đổi khí hậu, thường niên Bộ Tài

nguyên và Môi trường tổ chức các buổi hội thảo về biến đổi khí hậu: Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam vào các năm 2012, 2009

Xem xét một cách tổng quát, những vấn đề về biến đổi khí hậu đã có nhiều tác giả, các nhà khoa học nghiêm túc nghiên cứu trong các công trình nghiên cứu khoa học Tuy nhiên do thời gian ngắn, phạm vi đề tài rộng nên các tác giả chưa đề cập một cách đầy đủ các giải pháp Với đề tài này tác giả tập trung tìm hiểu cách thức mô phỏng ngập địa hình do nước biển dâng dựa trên công cụ mô phỏng nguồn mở Gama

3 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

3.1 Mục tiêu

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu mô phỏng đa tác tử và ứng dụng mô phỏng quá trình ngập địa hình do nước biển dâng Xây dựng và đề xuất các kịch bản về nước biển dâng:

Mô phỏng quá trình nước biển dâng qua các giai đoạn trong quá khứ (khoảng 5 năm đến 10 năm)

Đưa ra kịch bản mô phỏng quá trình nước biển dâng trong tương lai (khoảng 20 năm hoặc lâu hơn)

Sự thành công của đề tài với quy mô 1 phường có thể mở rộng sau này với toàn thành phố Đà Nẵng cũng như các địa phương khác từ đó có thể góp phần giúp cơ quan chức năng có cái nhìn thực tế và đề ra những phương án làm giảm thiệt hại do nước biển dâng Làm tăng hiệu quả chống chịu và thích ứng của con người khi biến đổi khí hậu

3.2 Nhiệm vụ

Để đạt được mục tiêu trên, nhiệm vụ của luận văn là

+ Phải thu thập số liệu từ thực tế ở các trạm quan trắc và đưa vào mô phỏng cho thực tế

+ Xây dựng mô hình toán cho mô phỏng

+ Ứng dụng GAMA để mô phỏng tình trạng nước biển dâng

 Về lý thuyết:

+ Tìm hiểu về mô hình hóa và mô phỏng đa tác tử

+ Nghiên cứu phần mềm mô phỏng GAMA

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu về lý thuyết mô hình hóa và mô phỏng hướng đa tác tử kết hợp hệ thống thông tin địa lý Nghiên cứu các thông tin liên quan đến

nước biển dâng và ảnh hưởng của nó đến con người tại thành phố Đà Nẵng

+ Phần mềm nguồn mở mô phỏng đa tác tử GAMA

+ Các số liệu thu thập được qua các ngày, các tháng của nước biển dâng + Bản đồ GIS Thành phố Đà Nẵng

+ Các mô hình triển khai hệ thống

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Trong khuôn khổ của một luận văn thực nghiệm, luận văn chỉ gói gọn việc mô phỏng hiện tượng ngập địa hình do nước biển dâng từ đó cho ra các bản đồ ngập và bản đồ nguy cơ ngập, thống kê diện tích ngập và phân tích đánh giá thực nghiệm đưa ra những quyết định hỗ trợ phù hợp nhằm giảm thiệt hại của nước biển dâng tại phường Hòa Hải, Quận Ngũ Hành Sơn, Thành phố Đà Nẵng

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu, luận văn đã sử dụng hai phương pháp chính là nghiên cứu tài liệu, nghiên cứu thực nghiệm

+ Nghiên cứu tài liệu: Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết về gama và cơ sở dữ liệu bản đồ GIS Kết hợp với đó là tìm hiểu các mô hình, kịch bản về nước biển dâng đã được Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố qua các hội thảo hàng năm, cùng với đó là tham khảo kinh nghiệm của các chuyên gia có liên quan đến các vấn đề về biến đổi khí hậu và nước biển dâng

+ Nghiên cứu thực nghiệm: Kết hợp kết quả nghiên cứu lý thuyết và khảo sát thực tế từ đó cho ra giải pháp xây dựng phương trình cũng như thuật toán cho các kịch bản để áp dụng vào việc mô phỏng hệ thống ngập địa hình

do nước biển dâng tại thành phố Đà Nẵng giải quyết các yêu cầu đã được đặt

ra lúc ban đầu

5.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu

+ Các tài liệu về cơ sở lý thuyết: ngôn ngữ GAML, lý thuyết mô hình hóa và mô phỏng đa tác tử,

+ Các tài liệu mô tả công cụ GAMA

+ Các tài liệu liên quan đến một số nghiên cứu, các kịch bản về nước biển dâng được công bố qua các năm của Bộ Tài nguyên và Môi trường

5.2 Phương pháp thực nghiệm

+ Thực hiện tìm hiểu, thu thập số liệu mực nước theo từng giờ trong ngày và trong tháng Từ đó xử lý và tính toán số liệu để áp dụng vào việc xây dựng hệ thống mô phỏng nước biển dâng chạy theo từng tháng

+ Phân tích yêu cầu và phạm vi của luận văn để từ đó xác định các kịch bản nước biển dâng cũng như thống kê, cho ra các biểu đồ ngập, nguy cơ ngập trong các tháng của quá khứ cũng như tương lai

+ Phân tích và mô hình hóa hệ thống thực theo hướng tác tử và đưa ra các kết quả đạt được

6 Mục đích và ý nghĩa của luận văn

6.1 Mục đích

Xây dựng hệ thống mô phỏng ngập địa hình do nước biển dâng Từ đó phân tích đánh giá thực nghiệm đưa ra những quyết định hỗ trợ phù hợp nhằm giảm thiệt hại của nước biển dâng cho ngành nông nghiệp và các ngành khác tại địa phương Đặt biệt định hướng quy hoạch xây dựng cũng như đưa ra các giải pháp nhằm giảm thiểu thiệt hại do nước biển dâng cao

Từ các số liệu thu thập được người viết luận văn ứng dụng công cụ gama vào việc mô phỏng chi tiết cho từng mức ngập (tính bằng cm) và thời gian chi tiết (chạy theo từng tháng) cho từng đơn vị hành chính Hiện nay đã có nhiều

đề tài cũng như phần mềm mô phỏng về lĩnh vực này của các Viện, Đại học trong cả nước tuy nhiên kết quả cho ra thường là các bản đồ, thống kê chung cho các vùng rộng lớn

6.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn luận văn

Về khoa học: Nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa và mô phỏng đa tác tử

từ đó có thể ứng dụng vào việc xây dựng các hệ thống mô phỏng lại các hiện

tượng tự nhiên cho kết quả đạt được để thực hiện việc đầu tư xây dựng hoặc cải tạo tránh các rủi ro về việc đầu tư trong tương lai

Về thực tiễn: Luận văn sẽ góp phần vào việc định hướng ra quyết định cho các kế hoạch trong tương lai nhằm giảm thiểu các nguy cơ thiệt hại do nước biển dâng cao, ảnh hưởng lớn đến đời sống và sản xuất của các địa phương giáp biển

7 Bố cục của luận văn

Luận văn được trình bày bao gồm các nội dung như sau :

Chương 1: Trong chương này, người viết luận văn 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 và nêu khái niệm về nước biển dâng, độ thấm địa hình,

độ cao địa hình, đồng thời người viết luận văn giới thiệu về nguồn số liệu mực nước biển dâng thực tế qua các năm trong quá khứ cũng như cách xử lý

và tính toán số liệu cho tương lai theo các kịch bản

Chương 2: Chương này người viết luận văn tìm hiểu phương pháp xây dựng và thiết kế các tác tử trên bản đồ thông tin địa lý GIS tại phường Hòa Hải,cũng như tính toán và áp dụng giải thuật cho mô hình Đồng thời ứng dụng công cụ lập trình Gama, nạp dữ liệu nước biển dâng đã tính toán và dữ liệu bản đồ Gis là cơ sở dữ liệu đầu vào cho việc mô phỏng ngập địa hình do nước biển dâng

Chương 3: Dựa trên những nghiên cứu, tìm hiểu ở chương 1 và chương

2, người viết luận văn tiến hành mô phỏng cho hiển thị thông tin các bản đồ nguy cơ ngập của quá trình nước biển dâng và thống kê diện tích ngập theo từng tháng với các kịch bản ở mức thấp, trung bình, cao trong quá khứ cũng như dự đoán cho tương lai

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH HÓA NƯỚC BIỂN DÂNG 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ GAMA VÀ GIS

1.1.1 Giới thiệu về GAMA

GAMA là một nền tảng mô phỏng, nhằm mục đích cung cấp cho các chuyên gia, nhà mô hình, và các nhà khoa học máy tính với một mô hình hoàn chỉnh và mô phỏng môi trường phát triển để cho phép xây dựng không gian mô phỏng đa tác tử Nó đã được phát triển bởi nhóm nghiên cứu MSI (nằm ở IFI, Hà Nội, và một phần của IRD / UPMC đơn vị nghiên cứu quốc tế UMMISCO) từ năm 2007

Các yêu cầu quan trọng nhất cho phép không gian mô phỏng đa tác tử GAMA đáp ứng:

+ Khả năng sử dụng dữ liệu GIS phức tạp như một môi trường cho các tác tử

+ Khả năng để xử lý một số lượng lớn (có thể không đồng nhất) tác tử + Khả năng cung cấp một nền tảng cho các thí nghiệm điều khiển tự động (bằng cách tự động thay đổi các thông số, ghi lại thống kê , vv )

+ Các khả năng cho máy tính giúp các nhà khoa học thiết kế mô hình và tương tác với các tác tử trong mô phỏng

Ngoài các tính năng trên, GAMA cũng cung cấp:

+ Một ngôn ngữ mô hình hóa, GAML, cho các mô hình tác tử và môi trường

+ Một thư viện lớn và mở rộng có sẵn (chuyển động của đại lý, truyền thông, các chức năng toán học, đồ họa, )

+ Một khả năng tái lập lại nền tảng của mô phỏng

+ Một hệ thống vẽ mạnh mẽ và linh hoạt

+ Một giao diện người sử dụng dựa trên nền Eclipse

+ Một bộ hoàn chỉnh hàng loạt các công cụ, cho phép thăm dò có hệ thống hoặc "thông minh" của mô hình các thông số không gian [8]

Hình 1.1 Nền tảng công cụ GAMA

GAMA đã trở thành một nền độc lập với khả năng truy vấn và xử lý dữ liệu không gian một cách mạnh mẽ bằng việc nhúng gói phần mềm mở GeoTools Ngôn ngữ sử dụng trong GAMA là GAML (GAMA Modelling Language) dự trên cấu trúc của ngôn ngữ XML [5,6]

1.1.2 Giới thiệu về GIS

Hệ thống thông tin địa lý - GIS (Geographical Information System) là một công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên trái đất Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thường (như cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích địa lý, trong

đó phép phân tích địa lý và hình ảnh được cung cấp duy nhất từ các bản đồ

GIS là công cụ máy tính cho phép tạo lập bản đồ, phối hợp thông tin, khái quát các viễn cảnh, quản lý, phân tích, và hiển thị tất cả các hình thức, giải quyết các vấn đề phức tạp trong nhiều lĩnh vực thực tế [3]

GIS đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong đó có mô phỏng Trong

mô phỏng sử dụng loại dữ liệu GIS cho phép để làm cho các mô phỏng gần gũi hơn với tình hình thực tế, hầu hết các dữ liệu tác tử thực tế là những dữ liệu vector Cho phép sử dụng công cụ GIS để biểu diễn (phức tạp) phân tích không gian và chuyển đổi hình học đƣa ra một dạng hình học cho các tác tử,

để quản lý những dữ liệu này [4]

Hình 1.2 Hệ thống sông, mương được xây dựng từ GIS

1.2.1 Mô hình hóa

a Phân loại mô hình

Mô hình được phân loại theo sơ đồ sau:

Hình 1.3 Sơ đồ phân loại mô hình

Mô hình toán học: Thuộc loại mô hình trừu tượng, các thuộc tính của đối tượng được phản ánh bằng các biểu thức, phương trình toán học Mô hình toán được chia thành mô hình giải tích và mô hình số Mô hình giải tích được xây dựng bởi các biểu thức giải tích Cụ thể những thuộc tính đại diện, những hành vi được ước lượng trung bình hóa và được thể hiện bằng biểu thức, các biểu thức này nối với nhau bằng các luật Điểm lợi của mô hình giải tích là sự chắc chắn và mang tính đặc trưng chung, cho kết quả rõ ràng, tổng quát (vì nó ước lượng hóa trên các tham số quan trọng ) Mà chủ yếu là có thể giải quyết

Mô phỏng

vấn đề theo cách tuần tự Tuy nhiên, sự đồng nhất này cũng làm cho hệ thống đơn giản hơn và độ chính xác cũng không cao so với hệ thống thực, vì vậy kết quả giải quyết vấn đề có thể không gần với thực tế

Mô hình số: Được xây dựng theo phương pháp số tức là bằng các chương trình chạy trên máy tính số Ngày nay, nhờ sự phát triển của khoa học

kỹ thuật, người ta đã xây dựng được các mô hình số có thể mô phỏng quá trình hoạt động của các đối tượng Những mô hình này gọi là mô hình mô phỏng

Ưu điểm của mô hình mô phỏng là có thể mô tả các yếu tố ngẫu nhiên và tính phi tuyến của đối tượng thực do đó mô hình càng gần với đối tượng thực

b Mô hình và mô hình hóa

Định nghĩa về mô hình: Mô hình là một cấu trúc trừu tượng nó cho phép hiểu về một hệ thống tham chiếu hay gọi là hệ thống thực thông qua việc trả lời một vài câu hỏi liên quan đến hệ thống Mô hình là sự biểu diễn lại một cách đơn giản hóa của hệ thống tham chiếu, được xây dựng dựa trên một lý thuyết chung và được viết trong một ngôn ngữ khoa học và ngôn ngữ này được gọi là ngôn ngữ mô hình hóa Lý thuyết và ngôn ngữ mô hình hóa được

mô tả trong siêu mô hình (meta-model)

Mô hình hóa: Là hoạt động xây dựng mô hình của những nhà khoa học Việc xây dựng mô hình này là một trong hai thành phần chính của phương pháp khoa học, thành phần thứ hai đó là phần thực nghiệm, các nhà khoa học trải qua một thời gian dài cho việc xây dựng, thử nghiệm, so sánh và điều chỉnh những mô hình

Hệ thống thực: Là một phần thế giới thực được chọn bởi các nhà khoa học Phần thế giới thực này được biết đến thông qua việc đo lường, quan sát hoặc qua thực nghiệm mà nó sản sinh ra dữ liệu Các dữ liệu này có thể khác nhau về số lượng, chất lượng và có thể đến từ nhiều cấp độ tổ chức khác nhau của hệ thống thực

Ngôn ngữ mô hình hóa: Mỗi mô hình được diễn tả bằng một ngôn ngữ

mô hình hóa Ngôn ngữ này được chọn dựa vào nhiều yếu tố: Truyền thống, chúng ta đang quan tâm đến cái gì, sự vật gì (phân tích, tổng quát…)

Cùng một hệ thống tham chiếu, có thể biểu diễn bằng nhiều mô hình khác nhau và được viết trong nhiều ngôn ngữ mô hình hóa khác nhau

Ngữ nghĩa và cú pháp của nó được xây dựng dựa trên những sự trừu tượng hóa và mối quan hệ giữa những sự trừu tượng này, nó được diễn tả trong một meta-model

Meta-model: Ngôn ngữ mô tả mô hình Ngôn ngữ này biểu diễn những

mô hình động mà một bộ mô phỏng có thể thông dịch Meta-model định nghĩa những khái niệm thành phần trong việc mô hình hóa hệ thống tham chiếu, các đặc điểm, các mối quan hệ tồn tại giữa những khái niệm độc lập của các kỹ thuật cài đặt trong tin học được sử dụng bởi mô phỏng

Có nhiều meta-model được sử dụng trong mô phỏng Để minh họa rõ ràng hơn, chúng ta tham khảo hình sau là sự biểu diễn một cách đơn giản meta-model hướng tác tử bằng UML

Hình 1.4 Meta-model hướng tác tử

Mô hình minh họa cho một lý thuyết nhưng nó không là một lý thuyết thuần túy Tuy nhiên trong thực tế hai khái niệm này thường dùng với cùng một ý nghĩa Mối quan hệ giữa lý thuyết và mô hình là mối quan hệ giữa cái chung và cái riêng Một lý thuyết thì biểu diễn những thuộc tính chung của một tập các hệ thống tham chiếu và mô hình là một thể hiện của một lý thuyết cho một hệ thống cụ thể

Một mô hình được gọi là tĩnh khi mô hình đó biểu diễn lại một hệ thống tham chiếu mà không có sự biến đổi theo thời gian Ngược lại, một mô hình được gọi là động khi nó có thể hiện sự thay đổi theo thời gian trong sự biểu diễn của nó thông qua một vài giả thuyết hoặc một vài luật

Mô phỏng được xây dựng trên mô hình động

1.2.2 Mô phỏng

a Khái niệm về mô phỏng

Mô phỏng là một khái niệm được sử dụng từ khá lâu trong đời sống, khoa học kỹ thuật trước khi các thế hệ máy tính đầu tiên ra đời, ý nghĩa chung

là mô tả lại một tiến trình bằng một tiến trình khác có sự điều kiển và tác động Ngày nay, nhờ có sự phát triển mạnh về công nghệ thông tin mà việc

mô phỏng trở nên dễ dàng hơn

Mô phỏng là một hoạt động theo một phương pháp và có một mục đích xác định, với sự trợ giúp của một phương pháp thực nghiệm được gọi là bộ

mô phỏng, người ta thực hiện một sự xáo trộn những dữ liệu đầu vào của một

mô hình động, thực thi nó và nhận những dữ liệu đầu ra để hiểu được những chức năng, đặc tính của mô hình Tất cả những mô hình được viết phải tôn trọng meta-model được liên kết với bộ mô phỏng và phải có ít nhất một tham

số đầu vào để sẵn sàng thực hiện quá trình mô phỏng [7]

Mục đích của mô phỏng:

+ Hợp thức hóa, đánh giá, kiểm chứng: Mô phỏng để kiểm tra một giả

thuyết của mô hình của hệ thống thực, kiểm chứng cũng như chứng minh lý thuyết đã dùng xây dựng mô hình

+ Mô phỏng cũng có mục đích chỉ ra sự giao tiếp, sự tập huấn, sự minh họa rõ ràng: Nghĩa là mô phỏng làm cho thấy rõ và chia sẽ mô hình động của

hệ thống thực

+Hiểu biết, khám phá: Mô phỏng cho phép hiểu chức năng của hệ thống thực bằng cách xem mô hình như một bản sao thu nhỏ mà chúng ta có thể nghiên cứu một cách dễ dàng

+ Hỗ trợ quyết định hay là một sự điều khiển mà nó tác động đến trạng thái thực của hệ thống tham chiếu

+ Tiên đoán, dự báo những sự phát triển (thay đổi) có thể của hệ thống thực (ứng dụng trong các trò chơi, dự báo thời tiết…)

Bộ mô phỏng (Simulator): là một chương trình tin học hay còn gọi là một hệ nền (platform) có khả năng thông dịch những mô hình động và được

sử dụng để sinh ra những sự thay đổi (xáo trộn) mong muốn trên những mô hình này

Mô hình thực thi: Là mô hình động được mô tả trong một ngôn ngữ tuân theo meta-model kết hợp với bộ mô phỏng và ngôn ngữ này có thể được thông dịch trực tiếp hoặc thực thi bởi bộ mô phỏng [2]

b Mô trường

Môi trường là nơi chứa các tác tử, các tài nguyên, là một phần thiết yếu của hệ tác tử Môi trường phục vụ cho nhiều chức năng như nhận thức, di chuyển, định vị… và cung cấp một cấu trúc không gian đa hình

Môi trường có thể được định nghĩa như là tập hợp những thông tin mà các tác tử không mang được Môi trường có trường hợp được xem như một tập hợp các cấu trúc ràng buộc, hay có trường hợp môi trường được xem như nơi hỗ trợ nhận thức cho tác tử hay là nơi điều khiển các hành động, cũng có khi môi trường là tác tử độc lập

c Tác tử

Tác tử là một chương trình, nằm trong một môi trường, nó có khả năng nhận thức, giao tiếp, và vận hành một cách độc lập để đạt được mục tiêu của mình

d Mô phỏng hướng đa tác tử

Mô hình đa tác tử là một hệ thống bao gồm nhiều thực thể (tác tử) cùng vận hành nên một môi trường cụ thể nào đó mà nó được nhúng bên trong Các tác tử này có các thuộc tính, hành vi, các khả năng về nhận thức và giao tiếp Tập hợp các giá trị thuộc tính của một thực thể tại một thời điểm nào đó gọi là trạng thái của thực thể và tập hợp các tập trạng thái của các thực thể hình thành nên trạng thái cấp vi mô – hay nói đơn giản – trạng thái của hệ thống [2]

Hình 1.5 Mô hình tác tử

Hành vi là những luật điều khiển sự thay đổi trạng thái thông qua việc can thiệp vào các trạng thái của các tác tử mang những hành vi này, cũng như những trạng thái của những tác tử khác xuất hiện trong các sự kiện, hành động, giao tiếp hay tương tác được mô tả trong các hành vi

1.2.3 Hệ nền GAMA

a Giới thiệu về GAMA

Dự án GAMA hiện nay đang được phát triển tại phòng nghiên cứu MSI (Modelisation et Simulation Informatique de systemes complexes) và được tài trợ bởi IRD (Institut de Rechere pour le Developpement) Dự án được sự hợp tác của nhiều đối tác LITFI, TIRD, CIRAD, TEDF, UMMISCO Mục tiêu của

dự án là thiết kế một hệ nền chung cho mô hình hóa và mô phỏng hướng tác

tử đối với những hệ thống phức tạp

Một trong những mục tiêu của phần mềm là xây dựng mô hình phức cho phép tích hợp nhiều dữ liệu để lồng ghép các hành vi của các tác tử và quan sát các mô hình thực tế

Việc tích hợp các dữ liệu địa lý và phương pháp phát triển mô hình đa cấp độ khá đơn giản, mỗi cấp độ ứng với các tác tử và các thực tế gắn với các hành vi Gama cho phép quản lý một cách đơn giản và dễ dàng tương tác qua lại giữa các cấp độ

Phiên bản Gama đầu tiên được phát triển năm 2008-2009 với đặc điểm là ngôn ngữ lập trình được cấu trúc cao và ít cảm tính Hệ thống thông tin địa lý được lồng ghép vào năm 2009-2010, phương pháp tiếp cận đa cấp độ và các ngôn ngữ mô hình hóa được ra đời vào năm 2011

Mục tiêu của GAMA là kết hợp những điểm mạnh của các hệ nền mô phỏng đã có hiện nay:

+ Kế thừa và mở rộng Repast J trong việc sử dụng meta-model mạnh và một ngôn ngữ mô hình hóa

+ Dễ sử dụng như Netlogo, nhưng vẫn giữ tính mở của Repast (GIS, tính

kế thừa, sử dụng lại)

+ Hiệu quả như Mason: Hàng trăm ngàn tác tử trên cùng một máy tính + Cho phép sử dụng đồng thời nhiều môi trường và nhiều cấu trúc điều khiển

Những yêu cầu chính mà GAMA có thể thực hiện được là:

+ Có khả năng thực hiện với một số lượng lớn tác tử đồng nhất

+ Có khả năng sử dụng những dữ liệu phức tạp GIS để làm môi trường cho các tác tử

+ Đưa ra được một hệ nền cho những thực nghiệm điều khiển một cách

tự động

+ Những người không chuyên tin học cũng có thể thiết kế một mô hình

và giao tiếp các tác tử trong mô hình đó

Bên cạnh những đặc điểm trên GAMA cũng đưa ra:

+ Một ngôn ngữ hoàn chỉnh dựa trên XML, đó là ngôn ngữ GAML, phục

vụ cho việc mô hình hóa những tác tử và môi trường

+ Cung cấp một thư viện căn bản: Như hành động di chuyển của những tác tử, những sự giao tiếp, hình ảnh đồ họa… và thư viện này có thể mở rộng được

+ Một hệ thống đồ thị mạnh và linh hoạt

+ Một giao diện người dùng dựa trên hệ nền Eclipse

+ Một tập hợp các công cụ hoàn chỉnh cho phép khám phá hệ thống và

sự thông minh của các tham số trong mô hình

Trong GAML, các hành động (action) và những hành vi (behaviour) được viết thành những câu lệnh tuần tự Những câu lệnh này sử dụng các biểu

thức để định nghĩa các điều kiện, tính toán, chỉnh sửa dữ liệu… biểu thức chứa những biến thì thuộc về một kiểu Tập tin của GAML hiện nay có cấu trúc như tập tin XML

<global>

…Mô tả những thuộc tính và hành vi cục bộ </global>

các tầng là cực chậm [3]

1.3.2 Kịch bản biến đổi khí hậu

Là giả định có cơ sở khoa học và tính tin cậy về sự tiến triển trong tương

lai của các mối quan hệ giữa kinh tế - xã hội, GDP, phát thải khí nhà kính, biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng Lưu ý rằng, kịch bản biến đổi khí hậu khác với dự báo thời tiết và dự báo khí hậu là nó đưa ra quan điểm về mối ràng buộc giữa phát triển và hành động [3]

1.3.3 Ảnh hưởng của nước biển dâng

Sự dâng lên của mực nước biển do thay đổi khí hậu là mối đe doạ nghiêm trọng toàn cầu Đối với những nước có mật độ dân cư dày đặc ở những vùng thấp và ven biển như Việt Nam thì hậu quả do nước biển dâng thực sự là một thảm họa Nguy cơ của nó có thể đến từ 3 nguồn chính: sự gia tăng phát thải các khí gây hiệu ứng nhà kính kéo theo sự ấm dần lên của Trái đất; hiện tượng tan băng ở hai cực; và việc khai thác cạn kiệt các nguồn nước ngầm khiến mặt đất dễ bị sụt lún

Hậu quả của nước biển dâng ở Việt Nam: Những hậu quả của nước biển dâng không phải chỉ có ngập tĩnh mà còn động lực biển vùng ven bờ và cửa sông, sóng vỗ khi tiếp cận bờ sẽ tác động mạnh hơn lên đường bờ, bãi triều

Bờ biển bị xâm thực và cơ sở hạ tầng ven biển bị đe dọa lớn hơn Do tính không ổn định của địa mạo hơn những địa bàn khác, ở vùng duyên hải miền trung tác động về mặt tự nhiên và kinh tế - xã hội gắn chặt và trực tiếp với nhau, từ phía đồi núi phía tây cũng như từ phía biển Ðông Vì vậy, những địa

bàn bị ảnh hưởng mạnh nhất do nước biển dâng là các đồng bằng ven biển và

ở cuối các con sông, nơi mật độ dân số cao và phải chịu sức ép từ hai phía biển và núi Sa cấu, độ phì của đất, xâm nhập bởi nước biển thay đổi sẽ ảnh hưởng đến năng suất và sản lượng cây trồng, định hình dân cư và du lịch Kết cấu hạ tầng kinh tế kỹ thuật, văn hóa xã hội và du lịch tập trung phần lớn ở vùng đồng bằng và ven biển, các cảng biển đã xây dựng sẽ chịu sự uy hiếp mạnh mẽ từ mực nước biển dâng Tổng thể, kinh tế - xã hội sẽ chịu sự tác động trên các mặt: Biến động về mặt tự nhiên tác động lên kết cấu hạ tầng, lên kinh tế biển và du lịch Sức hút đầu tư có thể bị ảnh hưởng; xây dựng và bảo vệ kết cấu hạ tầng tốn kém hơn Ðặc biệt, có thể diễn ra sự dịch chuyển dân cư, lao động, các đô thị và cơ sở kinh tế trong nội vùng từ vùng thấp lên vùng cao và ra ngoài vùng Từ vài thập kỷ gần đây, rừng đầu nguồn phía tây

bị tàn phá nhiều, địa mạo ngày càng không ổn định, thể hiện rõ nhất là lở núi, lòng các hồ đập bị lấp dần, các cơn lũ tràn và lũ quét đổ ra biển Ðông Lòng sông, địa mạo các cửa sông thay đổi nhiều sau mỗi mùa lũ Hậu quả của các cơn bão, các trận lũ quét đối với hạ tầng cơ sở là khá nặng nề Với mực nước biển dâng, sự không ổn định của địa mạo còn đến từ phía biển Ðông

Như vậy với các tác nhân đã được phân tích ở trên, có thể cho thấy nguy

cơ một số vùng đất có thể sẽ bị ngập trong tương lai, ảnh hưởng nghiêm trọng đến quy hoạch kinh tế, chính trị, xã hội của cả vùng

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 nước giờ và trung bình ngày ở phường 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 được ghi trên file Excel qua các năm từ 2012 đến 2015 Với các số

liệu này được thu thập tại các trạm quan trắc thông qua đơn vị Trung tâm Khí tượng 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 nước cao của các giờ trong ngày và những ngày có mực nước cao mới làm đất ngập nước, còn mực nước thấp thì sẽ không làm đất ngập nước Luận văn mục đích là mô phỏng nước biển dâng chạy theo từng tháng Nên luận văn đã xử lí bằng cách:

Từ số liệu mực nước giờ và trung bình ngày, trích xuất và tính toán các

số liệu đặc trưng 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 như trên cho các tháng còn lại của năm và cho toàn bộ bảng

số liệu Kết quả được 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 tương 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

nước biển dâng thêm trong bảng Nước biển dâng theo kịch bản phát thải mức thấp từ tài liệu [1] Nước biển dâng theo kịch bản phát thải thấp (cm) từ dữ

liệu đã có, ta sẽ tính được 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