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

ĐẠ TRƯ KHOA MÔI TRƯ GIS VÀ RS H NGẬP LỤT ẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN GIS VÀ RS HỖ TRỢ TÍNH TOÁN T Ở CÁC LƯU VỰC SÔNG GVHD Th S Lưu Đình Hiệp Nhóm 2 Võ Thị Xuân Đào 1811832 Lê Ngọc Nhật Quỳnh 1813771 Trần Tường Vy 1814857 TP HCM, 2020 NG VÀ TÀI NGUYÊN TÍNH TOÁN C SÔNG p 1811832 1813771 1814857 MỤC LỤC I TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ĐỐI VỚI HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA BÀI THUYẾT TRÌNH 3 1 Đề tài nghiên cứu 3 2 Thực trạng 3 3 Tổng.

ĐẠ TRƯ KHOA MÔI TRƯ

GIS VÀ RS H

NGẬP LỤT

ẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN GIS VÀ RS HỖ TRỢ TÍNH TOÁN T Ở CÁC LƯU VỰC SÔNG GVHD: Th.S Lưu Đình Hiệp Nhóm 2: Võ Thị Xuân Đào 1811832

Lê Ngọc Nhật Quỳnh 1813771 Trần Tường Vy 1814857

TP.HCM, 2020

NG VÀ TÀI NGUYÊN

TÍNH TOÁN

C SÔNG

p

1811832

1813771

1814857

MỤC LỤC

I TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

ĐỐI VỚI HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA BÀI THUYẾT TRÌNH: 3

1 Đề tài nghiên cứu 3

2 Thực trạng 3

3 Tổng quan nghiên cứu 3

II KỸ THUẬT GIS, RS ĐƯỢC ÁP DỤNG: 4

1 Các lớp dữ liệu liên quan: 4

2 Các kỹ thuật GIS/kỹ thuật xử lý dữ liệu không gian được sử dụng: 6

3 Xác định lưu vực sông 10

4 Các phần mềm kết hợp với ứng dụng GIS tính toán ngập lục ở các lưu vực sông 15

III KẾT LUẬN 19

IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

I TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ĐỐI VỚI HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA BÀI THUYẾT TRÌNH:

1 Đề tài nghiên cứu

- Hiện tượng ngập lụt xảy ra thưòng xuyên

- Mưa lớn, bão làm tăng nguy cơ ngập lụt

- Biến đổi khí hậu làm mực nước biển dâng cao

- Địa hình sông rất dốc nên lũ lên xuống nhanh

=> Gây hậu quả nghiêm trọng về người và tài sản

3 Tổng quan nghiên cứu

 Tình hình nghiên cứu GIS trên thế giới

- Shafaie, M., Ghodosi, H., Mostofi, K.H (2015), River sediment monitoring using remote sensing and GIS Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Shahid Chamran

- Alvarez, C.R., Ruiz, R.I (2008), Assessment Monitoring of Suspended Sediment

of Alpine Glaciers, using Remote Sensing Techniques Department of Geology, University of Puerto Rico

- Zhang, M., Dong, Q., Cui, T., Xue, C., Zhang, S (2014), Suspended sediment monitoring and assessment for Yellow River estuary from Landsat TM and ETM+ imagery Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

 Tình hình nghiên cứu GIS trên thế giới

- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong tính toán diện tích ngập lụt lưu vực sông ba thuộc tỉnh gia lai bằng giải đoán ảnh LANDSAT - Phan Sỹ Đồng (2018)

- Nghiên cứu nhận dạng lũ lớn, phân vùng nguy cơ lũ lớn và xây dựng bản đồ ngập lụt phục vụ cảnh báo lũ lớn lưu vực sông Lam Trần Duy Kiều (2015)

- Nghiên cứu xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu lưu vực sông Ba - Bùi Minh Hòa (2012)

II KỸ THUẬT GIS, RS ĐƯỢC ÁP DỤNG:

1 Các lớp dữ liệu liên quan:

 Nguyên nhân

- Biến đổi khí hậu

- Lượng mưa lớn : trung bình 2000mm/năm Trận mưa ngày 21/7/2009 kéo dài 4 tiếng gây ngập lụt trầm trọng Tại trạm khí tượng Mạc Đỉnh Chi (Q.1 Sài Gòn) lượng mưa đo được từ 13 giờ 30 đến 15 giờ là 82 mm, nếu tính mưa cả ngày tổng cộng 100 mm

- Triều cường cao : đỉnh triều đo tại sông Sài Gòn năm 2014 là 1,68 m, cao

kỹ lục trong 50 năm Đợt triều cường ngày 7/11/2010 kéo dài trong 3 ngày, đỉnh triều đo tại trạm Phú An là 1,56 m, cao kỹ lục trong 50 năm, gây ngập lụt nặng bao gồm quận 8, quận Bình Thạnh, một phần của quận Thủ Đức, quận 12, huyện Hóc Môn

- Qui hoạch đô thị kém

- Công tác thống kê, dự báo chưa được quan tâm

- Các dự án thoát nước thi công không đồng bộ, chồng chéo , làm tắc nghẽn dòng chảy, gây ngập

- Hệ thống đê bao chống ngập lụt không hữu hiệu

- Hệ thống thoát nước chưa tốt

 Cần thu thập và giải quyết các vấn đề sau

 ĐIỂM NGẬP DO MƯA

- Mã số điểm ngập

- Phạm vi ngập

- Tên đường, quận

- Đặc điểm của điểm ngập (hiện hữu hay phát sinh)

 ĐIỂM NGẬP DO TRIỀU CƯỜNG

- Tên trạm đo vũ lượng

 SỐ LIỆU ĐO TẠI CÁC ĐIỂM NGẬP

 SỐ LIỆU ĐO NGẬP DO MƯA

Các số liệu được phân thành nhiều nhóm dữ liệu để quản lý, các số liệu này được xác định trong một ngày cụ thể:

Trận mưa:

- Thông tin ngày mưa gây ra ngập

- Mức triều cường ngày hôm đó

Vũ lượng:

- Thông tin trạm đo

- Thời gian bắt đầu mưa

- Thời gian kết thúc mưa

- Vũ lượng đo được

Mực nước tại cửa xã:

- Thông tin tên cửa xả

- Thời điểm đo bắt đầu mưa

- Cao độ lúc bắt đầu mưa

- Thời điểm đo mưa lớn nhất

- Cao độ mưa lớn nhất

- Thời điểm đo sau mưa

- Cao độ sau mưa

2 Các kỹ thuật GIS/kỹ thuật xử lý dữ liệu không gian được sử dụng:

Chuyển đổi dữ liệu CAD (Computer Aided Design) hệ thống thoát nước đang quản lý, đo vẽ bổ sung vị trí hố ga, điều tra và xây dựng tuyến thoát nước

Nắn chuyển dữ liệu CAD sang GIS của tuyến thoát nước

Hình 1: Sơ đồ tuyến thoát nước

 Để chuyển nguồn dữ liệu CAD này sang GIS áp dụng quy trình qua 6 bước sau:

Bước Tiến trình thực hiện

1 Phân tích các đối tượng theo lớp dữ liệu

2 Chuyển đổi định dạng dữ liệu CAD sang GIS

3 Nắn dữ liệu GIS chuyển đổi theo dữ liệu nền GIS

4 Kiểm tra, hiệu chỉnh dữ liệu không gian và tạo topology

5 Kiểm tra, xử lý, liên kết dữ liệu thuộc tính

6 Kết nạp dữ liệu GIS vào Geodatabase

 Trong quá trình chuyển đổi, dữ liệu GIS sau khi chuyển từ CAD bị sai lệch so với bản đồ nền tham chiếu Qua tìm hiểu, đã xác định các nguyên nhân sai lệch

– Dữ liệu CAD được vẽ tham chiếu trên nền không cùng hệ tọa độ với bản đồ

Hình 2: Sai lệch dữ liệu GIS tuyến thoát nước so với dữ liệu nền GIS

Do đó, quy trình chuyển đổi dữ liệu CAD sang GIS (theo Bảng 1), bước thứ 3 là mục đích tăng độ chính xác dữ liệu không gian Đây là công đoạn quan trọng nhằm góp phần tăng chất lượng dữ liệu GIS tuyến thoát nước

Để nắn chỉnh nguồn dữ liệu GIS hệ thống thoát nước, sử dụng công cụ nắn chỉnh dữ liệu không gian (Spatial Adjustment) phần mềm ArcGIS 10 của hãng ESRI, Hoa Kỳ thực hiện

Phương pháp thực hiện nắn chuyển là dịch chuyển tịnh tiến (Transformation Affine) Quy định về lập bản đồ địa chính thì giá trị RMS (Root Mean Square) < 20mm + 4.D

mm (D khoảng cách sai lệch trung bình, tính bằng km), áp dụng cho bản đồ địa chính tỷ

lệ đến 1:10.000 Quy trình thực hiện nắn chuyển như Hình 3

Hình 3: Quy trình nắn chuyển dữ liệu GIS tuyến thoát nước về dữ liệu nền

b Phương pháp xây dựng mô hình hệ thống

Hình 4: Mô hình tổng thể hệ thống GIS quản lí hệ thống thoát nước

Trong các mô hình hệ thống quản lý đối tượng di động theo thời gian thực, tích hợp công nghệ GIS, GPS & GPRS áp dụng hầu hết trong nước và trên thế giới là sử dụng bản đồ tham chiếu của Google Map hoặc Bing Map…Hệ tọa độ áp dụng là hệ tọa độc quốc tế (WGS-84) Để chuyển về hệ tọa độ VN2000, sử dụng công cụ chuyển đổi DatumTransform của DotSpatial và lập trình thành bộ công cụ chuyển đổi hệ tọa độ từ hệ tọa độ quốc tế WGS-84 sang hệ tọa độ VN-2000 theo phương trình chuyển đổi bảy tham

số

c Phương pháp thiết kế và xây dựng phần mềm ứng dụng

Hình 5 Mô hình phát triển ứng dụng của hệ thống

- Giải pháp xây dựng giao diện phần mềm phục vụ dựa trên môi trường Winform Phần mềm chạy trên nền hệ điều hành Window XP trở lên Giao diện tiếng Việt theo chuẩn Unicode TCVN 6909:2001

d Kết quả

Hình 6 Giao diện chính phần mềm GIS quản lý hạ tầng hệ thống thoát nước đô thị

Kết quả của đề tài đã thay đổi phương thức quản lý hạ tầng hệ thống thoát nước trước đây trên giấy và họa đồ sang một phương thức mới, bằng phần mềm GIS Với phương thức quản lý mới, thông tin quản lý tập trung, thống nhất, nhanh hơn và chính xác hơn

3 Xác định lưu vực sông

 Có 2 phương pháp

- Phương pháp cổ điển: Sử dụng bản đồ địa hình được in trên giấy

- Phương pháp kỹ thuật số: sử dụng công cụ hổ trợ của hệ thống thông tin địa lý GIS với bản đồ kỹ thuật số

 Các bước cơ bản để xác định lưu vực sông

 Bước 1: Tạo DEM

- DEM: mô hình số độ cao

- Download dữ liệu

- Chuẩn bị số liệu cao độ số DEM

- Hình 7: Vị trí các điểm dự kiến xác định lưu vực

 Bước 2: Xử lý số liệu cao độ số ( Xử lý số liệu cao độ - FILL DEM)

- Mô hình DEM nếu chưa hiệu chỉnh có thể có một số lỗi về những điểm lồi hoặc lõm không mong muốn

- Vì vậy, cần hiệu chỉnh dữ liệu này, bằng việc sử dụng hàm “Fill” trong công cụ

“Hydrology” của ArcGIS

- Trong Arc Toolboxs > chọn hộp công cụ Spatial Analyst Tools > chon vào công

cụ Hydrology > chọn Fill > dữ liệu đầu vào là DEM> chọn nơi save output > OK

Hình 8: Bản đồ cao độ số LVS Đồng Nai đã được xử lý (Filled DEM)

 Bước 3: Tính toán xác định hướng dòng chảy theo mô hình 8 hướng trên (Flow Direction)

- Hướng dòng chảy cho một pixel bấtkỳ được xác định trên cơ sở so sánhđộ chênh cao giữa điểm đó với 8 điểm xung quanh

- ∆hi = (H – Hi)/ Di

- Trong đó, ∆hi là độ chênh cao, H là độ cao tại pixel cần xác định hướng dòng chảy, Hi là độ cao của pixel lân cận, Di là khoảng cách giữa 2 pixel trên

- Hướng dòng chảy được xác định là hướng tới điểm có độ chênh cao là lớn nhất

- Chọn vào công cụ Hydrology > chọn Flow Direction > dữ liệu đầu vào là Fill DEM> chọn nơi save output > OK

 Bước 4: Xác định liên kết hướng dòng chảy giữa các ô lưới (Flow Accumulation)

- Flow Accumulation: Lưu lượng tích luỹ

- Được xác định bằng cách tính tổng số ô lưới tập trung nước về ô đó theo hướng dòng chảy

- Chọn vào công cụ Hydrology > chọn Flow Accumulation > dữ liệu đầu vào là Flow Direction > chọn nơi save output > OK

-

Hình 9: Kết quả xác định hướng dòng chảy

 Bước 5:Xác định lưu vực sông và tính toán các đặc trưng của nó

Hình 10: Kết quả xác định lưu vực sông tại 7 vị trí trên lưu vực sông Đồng Nai

4 Các phần mềm kết hợp với ứng dụng GIS tính toán ngập lục ở các lưu vực sông

 MIKE 11

- Là một gói phần mềm kỹ thuật chuyên môn để mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các vật thể nước khác

- Là công cụ lập mô hình động lực 1 chiều nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp

- Cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu

- Gồm nhiều modul:modul mưa dòng chảy (RR), modul tải – khuếch tán (AD), modul sinh thái (Ecolab), Modul thủy động lực(HD)

- Mục tiêu tính toán: mực nước và lưu lượng

- Số liệu đầu vào: Mạng lưới sông, Số liệu biên trên và biên dưới theo thời gian, Số liệu mực nước tại các trạm kiểm tra

 Ứng dụng thực tế trên thành phố Hồ Chí Minh

Kết quả từ mô phỏng thủy lực bao gồm mực nước và lưu lượng được truy nhập vào GIS theo các điểm trên các nhánh sông với khoảng cách 1000 mét theo không gian Theo thời gian, cách 1 giờ là số liệu ở các điểm này lại thay đổi Các điểm mô phỏng mực nước và lưu lượng được thể hiện trên hình

 MIKE FLOOD

- Mike flood được nghiên cứu xây dựng từ các mô hình mưa rào-dòng chảy,

mô hình thủy lực một chiều (1D) và hai chiều (2D), tích hợp kỹ thuật hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System, GIS) của Viện nghiên cứu các Hệ thống Môi trường Mỹ (Environmental Systems Research Institute, ESRI) giúp mô phỏng hệ thống phân phối nước, hệ thống thoát nước mưa, hệ thống cống thu gom và thoát nước một cách thuận tiện MIKE FLOOD gồm các mô đun mưa dòng chảy, MIKE MOUSE cho dòng chảy trong kênh hở và cống ngầm, MIKE21 mô phỏng dòng chảy tràn trên bề mặt và các mô đun chất lượng nước mô phỏng chất lượng nước mưa chảy tràn và nước trong kênh Các mô đun được kết nối với nhau thông qua các liên kết trong mô hình MIKE FLOOD

- Nền tảng GIS cho phép mô hình MIKE FLOOD mô phỏng hệ thống thoát nước và ngập lụt chi tiết và rất thuận tiện

III KẾT LUẬN

- Công nghệ viễn thám - GIS là một trong những công nghệ đang được ứng dụng phổ biến nhờ khả năng phát hiện những thay đổi của bề mặt trái đất trên phạm vi lớn theo không gian và thời gian Việc ứng dụng công nghệ này cho phép xử lý, chiết tách thông tin, kết nối và quản lý những dữ liệu cần thiết phục vụ cho các giai đoạn của công tác phòng chống và giảm nhẹ thiên tai Đồng thời, công nghệ viễn thám - GIS còn đặc biệt hữu ích khi kết hợp với hệ thống định vị toàn cầu trong các hoạt động tìm kiếm và cứu

hộ tức thời cho những khu vực bị ảnh hưởng bởi thiên tai

- Ứng dụng GIS và RS để hổ trợ trong việc tính toán ngập lụt ở các lưu vực sông góp phần giúp công tác cảnh báo ngập lục ở các lưu vực sông được thực hiện một cách kịp thời, chính xác và nhanh chống hơn

IV TÀI LIỆU THAM KHẢO

- Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32,

Số 3S (2016) 34-42

- Viện Quy hoạch Thủy lợi, NCS Ths Nguyễn Xuân Phùng, Ứng dụng Mô hình MIKE 11 trong tính toán thủy văn, thủy lực mùa lũ lưu vực sông Ba

- Viện quy hoạch thủy lợi miền Nam, NCS Ths Đỗ Đức Dũng, Phương pháp xác định lưu vực sông, https://siwrp.org.vn/tin-tuc/phuong-phap-xac-dinh-luu- vuc-song_400.html

- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong tính toán diện tích ngập lụt lưu vực sông ba thuộc tỉnh gia lai bằng giải đoán ảnh LANDSAT - Phan Sỹ Đồng (2018)

- Nghiên cứu nhận dạng lũ lớn, phân vùng nguy cơ lũ lớn và xây dựng bản đồ ngập lụt phục vụ cảnh báo lũ lớn lưu vực sông Lam Trần Duy Kiều (2015)

- Nghiên cứu xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu lưu vực sông Ba - Bùi Minh Hòa (2012)