Ứng dụng công nghệ GIS xây dựng hệ thống quản lý chất thải sinh hoạt tại thành phố Quảng Ngãi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÙI TẤN NGỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ CHẤT THẢI SINH HOẠT TẠI THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI Chuyên ngành: Khoa học Máy tính Mã s

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

BÙI TẤN NGỌC

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ CHẤT THẢI SINH HOẠT

TẠI THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI

Chuyên ngành: Khoa học Máy tính

Mã số: 60.48.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Tấn Khôi

Đà Nẵng - Năm 2013

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TẤN KHÔI

Phản biện 1: PGS TS Lê Văn Sơn

Phản biện 2: TS Hoàng Thị Lan Giao

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Thạc sĩ Kỹ thuật, họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày

16 tháng 11 năm 2003

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Quảng Ngãi là một tỉnh có nhiều tiềm năng, lợi thế phát triển kinh

tế theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa Quá trình phát triển của thành phố mang lại nhiều lợi ích kinh tế, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho người dân, nhưng đồng thời kéo theo là vấn đề môi trường, đặc biệt là lượng chất thải rắn (CTR) gia tăng một cách nhanh chóng Quản lý lượng CTR này là một thách thức và là một trong những dịch vụ môi trường đặc biệt quan trọng, không chỉ chi phí cho hoạt động này rất lớn mà còn vì những lợi ích, tiềm tàng đối với sức khỏe cộng đồng và đời sống của người dân

Một đô thị mới và hiện đại thì không thể thiếu một kiến trúc quy hoạch tổng thể về cơ sở hạ tầng, bao gồm xây dựng các công trình công cộng, hệ thống quản lý và xử lý rác thải… Vì vậy, việc áp dụng các phương pháp và công nghệ hiện đại sẽ đem lại rất nhiều tiện ích Quản lý chất thải rắn là một trong những ưu tiên của công tác bảo

vệ môi trường, góp phần kiểm soát ô nhiễm, hướng tới phát triển bền vững đất nước Đây là một công tác phức tạp, liên quan đến nhiều cơ quan, đơn vị tham gia vào công tác này Để hệ thống hoá lại một cách hợp lý và khoa học, đề tài luận văn cao học: “Ứng dụng công nghệ

GIS xây dựng hệ thống quản lý chất thải sinh hoạt tại thành phố Quảng Ngãi” là cần thiết, có tính thực tiễn

2 Mục tiêu của đề tài

Biến GIS thành công cụ hỗ trợ ra quyết định đầu tư vào cơ sở hạ tầng một cách thuận lợi để quản lý tổng hợp và thống nhất hệ thống nguồn phát thải, điểm tập trung rác, vị trí đặt thùng rác trên các tuyến

đường nội thành một cách khoa học; Thiết lập CSDL về CTR sinh hoạt giúp cho các nhà quản lý có cái nhìn trực quan hơn nhờ vào việc xác định vị trí, lộ trình di chuyển của các phương tiện vận chuyển rác được hiển thị trên bản đố số GIS

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết về hệ thống thông tin địa lý, bản đồ số, công nghệ

GPS và thiết kế CSDL địa không gian

Các mô hình toán học trong bài toán quản lý CTR; Các công cụ và

phần mềm mã nguồn mở hỗ trợ xây dựng ứng dụng bằng GIS

Nghiên cứu khả năng ứng dụng của GIS vào quản lý CTR sinh hoạt phù hợp với các yêu cầu thực tiễn tại TP Quảng Ngãi

4 Phương pháp nghiên cứu

1 Phương pháp phân tích tổng hợp từ tài liệu

2 Phương pháp thống kê, điều tra

3 Phương pháp phân tích và thiết kế

4 Phương pháp thực nghiệm

5 Bố cục của luận văn

Mở đầu

Chương 1 Nghiên cứu tổng quan

Chương 2 Hệ thống thông tin địa lý quản lý chất thải rắn sinh hoạt Chương 3 Phân tích, thiết kế và triển khai hệ thống

Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ

1.1.1 Khái niệm chung

1.1.2 Khái niệm hệ thống thông tin địa lý

Hệ thống máy tính ngay từ đầu đã nhanh chóng được sử dụng hữu hiệu vào các công việc liên quan tới địa lý và phân tích địa lý Cùng với

sự ứng dụng máy tính ngày càng tăng, khái niệm GIS phát triển từ những năm 1960 Đến nay nhiều định nghĩa GIS đã ra đời:

− Burrough, 1986: GIS là những công cụ mạnh để tập hợp, lưu trữ,

truy cập, khôi phục, biểu diễn dữ liệu không gian từ thế giới thực, đáp ứng những yêu cầu đặc biệt [2]

− Lord Chorley, 1987: GIS là hệ thống thu nạp, lưu trữ, kiểm tra,

tích hợp, vận dụng, phân tích và biểu diễn dữ liệu tham chiếu tới mặt đất Những dữ liệu này thông thường là cơ sở dữ liệu tham chiếu không gian dựa trên những phần mềm ứng dụng [2]

− Michael Zeiler: GIS là sự kết hợp giữa con người thành thạo công

việc, dữ liệu mô tả không gian, phương pháp phân tích, phần mềm

và phần cứng máy tính – tất cả được tổ chức quản lý và cung cấp thông tin thông qua sự trình diễn địa lý [2]

− David Cowen, NCGIA, Mỹ: GIS là hệ thống phần cứng, phần mềm

và các thủ tục được thiết kế để thu thập, quản lý, xử lý, phân tích,

mô hình hóa và hiển thị các dữ liệu quy chiếu không gian để giải quyết các vấn đề quản lý và lập kế hoạch phức tạp [2]

1.1.3 Các lĩnh vực khoa học liên quan đến GIS

1.1.4 Các thành phần của GIS

1.1.5 Các chức năng của GIS

1.1.6 Hệ tọa độ địa lý và hệ tọa độ quy chiếu

1.1.7 Tổ chức các lớp bản đồ trong GIS

Các đối tượng tự nhiên được thể hiện như một tập hợp các lớp thông tin riêng rẽ, tách biệt chồng ghép lên nhau để tạo thành một bản

đồ mới Đối tượng địa lý có thể là: đường giao thông, khu dân cư …

1.1.8 Cấu trúc dữ liệu GIS

a Mô hình dữ liệu Vector

Với mô hình vector toàn bộ thế giới thực hay các đối tượng địa lý

có thể được biểu diễn bằng ba loại thực thể không gian cơ sở sau:

Kiểu đối tượng điểm: Điểm là thành phần sơ cấp của dữ liệu địa lý

ở mô hình này Điểm được thể hiện bằng một cặp tọa độ (x, y)

Kiểu đối tượng đường: Đường được biểu diễn bằng danh sách các

cặp tọa độ nối tiếp nhau

Hình 1.2 Hệ thống thông tin địa lý

Kiểu đối tượng vùng: Vùng được biểu diễn bằng một danh sách

các cặp tọa độ nối tiếp nhau và khép kín hay danh sách các đường nối tiếp nhau và khép kín

b Mô hình dữ liệu Raster

Raster được hiểu là ô hình vuông có kích thước nhất định gọi pixel, cấu trúc raster là cấu trúc hình ảnh Mỗi ô vuông có chứa thông tin về một đối tượng [1]

Vị trí của đối tượng được xác định bởi vị trí của các ô vuông theo trật tự hàng và cột Cấu trúc dữ liệu Raster đơn giản nhất là cấu trúc dạng bảng, ở đó có chứa các thông tin về tọa độ và thuộc tính phi không gian Thông tin về vị trí được thể hiện ở tọa độ theo hàng và cột, tính theo trật tự sắp xếp của dữ liệu Trường hợp có nhiều tính chất thì

có thể gọi là thông tin nhiều chiều

1.1.9 Các phép toán phân tích không gian trên mô hình Vector 1.1.10 Cơ sở dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý

a Cơ sở dữ liệu không gian

b Cơ sở dữ liệu thuộc tính

1.1.11 Tìm kiếm và phân tích dữ liệu không gian

Hình 1.13 Biểu diễn Raster và vector tương ứng đối tượng điểm, đường, vùng

1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRÊN WEB VÀ CHUẨN MÃ NGUỒN MỞ OPENGIS

1.2.1 Kiến trúc hệ thống thông tin địa lý trên Web

a Kiến trúc chung

WebGIS được xây dựng để cung cấp các dịch vụ về thông tin địa lý theo công nghệ web service Vì vậy WebGIS phải thỏa mãn kiến trúc ba tầng thông dụng của một ứng dụng Web Kiến chung 3 tầng của WebGIS bao gồm tầng trình bày, tầng giao dịch và tầng dữ liệu

b Các hình thức triển khai

+ Client side: Được dùng để hiển thị kết quả đến cho người

dùng, nhận các điều khiển trực tiếp từ người dùng và tương tác với web server thông qua trình duyệt web Các trình duyệt web sử dụng chủ yếu HTML để định dạng trang web Thêm vào đó một vài plug-in, ActiveX

và các mã Applet được nhúng vào trình duyệt để tăng tính tương tác với người dùng

+ Server side: Gồm có Web server, Application server, Data

server và Clearing house Server side có nhiệm vụ lưu trữ dữ liệu không gian, xử lý tính toán và trả về kết quả cho client side

1.2.2 Công nghệ WebGIS và chuẩn mã nguồn mở OpenGIS

a Các công nghệ WebGIS

− Web Map Service (WMS): Là một kỹ thuật phân bố thông tin địa

lý dưới dạng bản đồ tĩnh trên mạng

− Web Feature Service (WFS): Là một kỹ thuật phân bố thông tin

địa lý dưới dạng bản đồ động trên mạng

b Giải pháp nguồn mở OpenGIS

1.3 HIỆN TRẠNG QUẢN LÝ CTR TẠI TP QUẢNG NGÃI 1.3.1 Hệ thống thông tin quản lý môi trường

1.3.2 Thông tin địa lý thành phố Quảng Ngãi

Thành phố Quảng Ngãi trực thuộc tỉnh Quảng Ngãi, có diện tích

tự nhiên 3.712 hecta, dân số gần 134.400 người, thành phố có 8 phường

và 2 xã Tổng số cơ sở sản xuất công nghiệp – tiểu thủ công nghiệp trên địa bàn thành phố là 1.632 cơ sở [12]

Hiện nay, TP Quảng Ngãi đang được mở rộng địa giới hành chính với tổng diện tích tự nhiên khoảng 14.200ha, đến năm 2020 hoàn thiện đầy đủ các tiêu chí của đô thị loại II Do đó, các vấn đề về giao thông, khu dân cư … và hệ thống quản lý chất thải đô thị sẽ được quy hoạch, xây dựng lại cho phù hợp

a Đơn vị quản lý môi trường

b Cơ sở xử lý chất thải

c Khối lượng thu gom

d Quy trình thu gom, vận chuyển

1.3.3 Đề xuất ứng dụng công nghệ GIS vào quản lý CTR sinh hoạt tại TP Quảng Ngãi

a Hiện trạng ứng dụng CNTT vào quản lý CTR sinh hoạt

Việc quản lý dữ liệu môi trường tại tỉnh Quảng Ngãi vẫn chưa được tin học hóa theo kịp yêu cầu của công tác quản lý môi trường trong giai đoạn hiện nay Chưa có hệ thống quản lý CSDL ngành môi trường hoàn thiện

Chưa ứng dụng CNTT vào công tác quy hoạch, giám sát, thanh tra quản lý môi trường, cụ thể là chưa sử dụng phần mềm chuyên dụng để quản lý, giám sát, thanh tra chất thải rắn đô thị để ngày càng hiệu quả

Sự tham gia của các cấp chính quyền vào quá trình quản lý môi trường còn nhiều hạn chế do việc tổng hợp số liệu chưa được thực hiện một cách khoa học Chưa triển khai hệ thống quản lý, giám sát, thanh tra quản lý môi trường bằng CNTT, để tăng cường trao đổi CSDL về quản lý tài nguyên, môi trường … giữa các ban ngành liên quan trong tỉnh và các Bộ ngành ở Trung ương

Sự tham gia của bản thân người dân vào công cuộc bảo vệ môi trường còn hạn chế Lý do chính ở đây là bản thân người dân rất khó tiếp cận với các thông tin môi trường

b Đề xuất ứng dụng GIS xây dựng hệ thống quản lý CTR sinh hoạt tại TP Quảng Ngãi

Sự phát triển của CNTT trong thời gian qua, đã cho ra đời những

mô hình quản lý và xử lý dữ liệu không gian mới có nhiều ưu việt như: bản đồ số, CSDL bản đồ và hệ thống thông tin địa lý Công nghệ GIS kết nối thông tin môi trường sẽ tạo ra một công cụ hỗ trợ bảo vệ môi trường rất mạnh

1.3.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ GIS vào quản lý chất thải trong và ngoài nước

1.4 KẾT CHƯƠNG

Trong chương này trình bày tổng quan về GIS và hiện trạng quản

lý CTR sinh hoạt ở TP Quảng Ngãi, từ đó đề xuất xây dựng hệ thống mới đảm bảo các tiêu chí: Đầy đủ các thành phần tham gia một cách khoa học; quản lý một cách trực quan bằng công nghệ GIS

2.2.1 Phân tích mô hình dữ liệu

Đầu vào của hệ thống: Là các dữ liệu liên quan đến CTR sinh hoạt

và các dữ liệu khác phục vụ cho công tác quản lý như: Nguồn phát thải, lượng chất thải, phương tiện và nhân lực thu gom, số liệu về dân số và mật độ gia tăng dân số hàng năm… để xây dựng các lớp bản đồ chuyên ngành; Bản đồ nền (giao thông, hành chính, thủy văn …)

Đầu ra của hệ thống: CSDL GIS về mạng lưới nguồn phát thải,

tuyến thu gom, vận chuyển, các dự báo và chương trình quản lý cơ

sở vật chất, trang thiết bị và nhân lực cho Công ty Môi trường Đô thị Quảng Ngãi bằng công nghệ GIS

2.2.2 Thiết kế cơ sở dữ liệu GIS

a Thiết kế dữ liệu không gian

CSDL không gian của QN-GIS được thiết kế như sơ đồ hình 2.5

− Lớp phường/xã: Lưu thông tin dữ liệu của các đơn vị hành chính

− Lớp giao thông: Lưu thông tin các tuyến đường trong nội thành

− Lớp khu dân cư: Lưu thông tin các khu dân cư, số hộ gia đình …

− Lớp thủy văn: Lưu thông tin các ao, hồ, sông trong nội thành

− Lớp công ty môi trường: Lưu thông tin về công ty môi trường

− Lớp điểm thu gom: Lưu thông tin chi tiết về các điểm thu gom

− Lớp điểm tập trung rác: Lưu thông tin về điểm tập kết rác

− Lớp thùng rác công cộng: Lưu thông tin thùng rác công cộng dọc.

− Lớp tuyến quét rác: Lưu thông tin về các lộ trình quét rác

− Lớp tuyến thu gom: Lưu thông tin về các lộ trình thu gom bằng xe

đẩy tay trên các tuyến đường nhỏ, hẻm

− Lớp tuyến vận chuyển: Lưu thông tin chi tiết về các lộ trình vận

chuyển rác từ điểm thu gom, điểm tập trung rác về bãi xử lý

− Lớp bãi xử lý: Lưu thông tin về các bãi xử lý, chôn lấp CTR

b Thiết kế dữ liệu thuộc tính

c Xây dựng bản đồ nền

Bản đồ là thành phần quan trọng trong một hệ GIS Trong luận văn, để xây dựng hệ thống QN-GIS, bước đầu tiên là số hóa bản đồ hành chính TP Quảng Ngãi với tỷ lệ 1:10000

Dựa trên bản đồ hành chính hình 2.7, chúng tôi xây dựng lớp bản đồ nền TP Quảng Ngãi như hình 2.6 và lớp bản đồ giao thông như hình 2.8 có cấu trúc dữ liệu vector

Hình 2.5 Mô hình tổ chức dữ liệu trong CSDL GIS quản lý CTR sinh hoạt

Hình 2.7 Bản đồ hành chính TP Quảng Ngãi trên giấy số hóa thành dạng raster

Hình 2.8 Bản đồ giao thông TP Quảng Ngãi được số hóa vector từ bản đồ giấy hình 2.7

d Xây dựng bản đồ chuyên ngành

Xây dựng bản đồ chuyên ngành quản lý chất thải sinh hoạt gồm:

− Bản đồ mạng lưới nguồn phát sinh CTR sinh hoạt

− Bản đồ mạng lưới điểm tập trung và trạm trung chuyển rác

− Bản đồ mạng lưới tuyến quét, thu gom, vận chuyển rác

Tiến hành xây dựng bản đồ mạng lưới các điểm tập trung rác: Dùng máy GPS cầm tay xác định thông tin tọa độ của các điểm tập trung rác ghi vào bảng 2.2

Bảng 2.2 Tọa độ của một số điểm tập trung rác đo được bằng máy GPS

ID Điểm tập trung rác Kinh độ Vĩ độ

1 Truong Dinh 1 108.781449 15.128258

2 Hai Bà Trung 01 108.799857 15.133380

3 An Duong Vuong 01 108.796365 15.133343

4 Hai Ba Trung 02 108.793471 15.131320

5 Phan Boi Chau 01 108.794827 15.130483

6 Phan Boi Chau 02 108.798026 15.124293

Chúng tôi dùng dữ liệu tọa độ trong bảng 2.2, chuyển vào phần mềm MapInfo xây dựng bản đồ mạng lưới các điểm tập trung rác như hình 2.10 và lớp bản đồ nguồn phát sinh rác như hình 2.11

Hình 2.10 Bản đồ mạng lưới điểm tập kết rác trên các tuyến đường số hóa dạng vector

Hình 2.11 Bản đồ mạng lưới điểm thu gom rác ở TP Quảng Ngãi dạng vector

2.3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN XÂY DỰNG CÁC DỰ BÁO TRONG BÀI TOÁN QUẢN LÝ CTR ĐÔ THỊ

2.2.1 Mô hình tính toán dự báo sự gia tăng dân số

Phương pháp ước tính dân số: Giả sử tốc độ gia tăng dân số theo thời gian tỉ lệ thuận với dân số hiện tại [7]

Đặt: k là hằng số tốc độ gia tăng dân số; P là dân số (người); t là thời gian (năm)

Phương trình tốc độ gia tăng dân số của 1 khu vực trong trường hợp này được biểu diễn như sau:

kdt P

dP hay kP dt

= -

= -

dP

0 0 0

ln ln

Đặt x = t – t0 ; y = lnPt ; a = k ; b = lnP0

Phương trình: ln Pt = k ( t - t0) + ln P0 viết lại: y = ax + b

Các bước dự báo sự gia tăng dân số:

− Bước 1: Thu thập dữ liệu về dân số

Bảng 2.3 Dân số của thành phố Quảng Ngãi qua các năm

(Số liệu dân số theo niên giám thống kê tỉnh Quảng Ngãi năm 2007)

− Bước 2: Tính toán các hệ số a, b Từ dữ liệu đã thu thập ở bước 1,

tiến hành xác định hệ số a, b của phương trình y = ax + b theo phương pháp bình phương tối thiểu Với 2 giá trị a, b ta có thể ước tính dân số ở

năm thứ t bất kỳ trong tương lai

Xác định hệ số a, b của y = ax + b theo phương pháp bình phương tối thiểu như sau: