Ứng dụng GIS xây dựng cơ sở dữ liệu và bản đồ phông phóng xạ môi trường TP HCM

TÓM TẮT Trong môi trường hiện nay luôn hiện diện các đồng vị phóng xạ tự nhiên có nguồn gốc từ vũ trụ và từ vỏ trái đất và nhân tạo do các vụ thử vũ khí hạt nhân, chôn cất thải phóng xạ

-

NGÔ XUÂN TRƯỜNG

ỨNG DỤNG GIS XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU

-

NGÔ XUÂN TRƯỜNG

ỨNG DỤNG GIS XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS ĐẶNG QUỐC DŨNG

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày … tháng 05 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

5 TS Nguyễn Hoài Hương Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Ngô Xuân Trường Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 15-11-1977 Nơi sinh: Ninh Bình Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường MSHV: 1541810020

và hỗ trợ phát triển mạnh và bền vững KT - XH của TP HCM

 Nội dung:

- Cơ sở lý thuyết và tổng quan tư liệu lĩnh vực nghiên cứu

- Xây dựng được CSDL về PXMT của TP HCM phù hợp với và các điều kiện cụ thể của TP HCM

- Thành lập các bản đồ chuyên đề phông PXMT

III- Ngày giao nhiệm vụ: 30/08/2016

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: …./03/2017

V- Cán bộ hướng dẫn: TS Đặng Quốc Dũng

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TS Đặng Quốc Dũng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Dưới sự hướng dẫn của TS Đặng Quốc Dũng Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực

và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Ngô Xuân Trường

đi lấy số liệu đầu vào để thực hiện luận văn, trợ giúp chuyên môn lý thuyết phông phóng xạ môi trường

Cảm ơn sự giúp đỡ của các cá nhân lập trình viên GIS của Trung tâm ứng dụng

hệ thống thông tin địa lý Tp.HCM đã gắn bó trợ giúp về chuyên môn lập trình GIS và thông tin bản đồ nền địa lý Tp.HCM

Ngô Xuân Trường

TÓM TẮT

Trong môi trường hiện nay luôn hiện diện các đồng vị phóng xạ tự nhiên (có nguồn gốc từ vũ trụ và từ vỏ trái đất) và nhân tạo (do các vụ thử vũ khí hạt nhân, chôn cất thải phóng xạ dưới đáy đại dương, các sự cố hạt nhân, hoạt động thăm dò, khai thác dầu khí, sản xuất công nghiệp … Xây dựng cơ sở dữ liệu (CSDL) và bản

đồ phông phóng xạ môi trường (PXMT) nhằm tăng cường đảm bảo an toàn, an ninh bức xạ và hỗ trợ phát triển bền vững môi trường phục vụ phát triển kinh tế - xã hội (KT – XH) của đất nước là xu thế tất yếu đối với mỗi quốc gia và địa phương Vì vậy, luận văn này thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng GIS xây dựng CSDL và bản đồ phông phóng xạ môi trường TP.HCM”

Đề tài nhằm thiết lập CSDL về PXMT và xây dựng bản đồ phông PXMT để phục

vụ công tác cảnh báo PXMT, xử lý, khắc phục ô nhiễm môi trường, góp phần bảo

vệ sức khỏe cộng đồng và hỗ trợ phát triển mạnh và bền vững KT - XH của TP HCM Trong đó, mục tiêu cụ thể là (1) Xây dựng được CSDL về PXMT của TP HCM phù hợp với các điều kiện cụ thể của TP HCM; và (2) Thành lập các bản đồ chuyên đề phông PXMT

Trong đó, CSDL được xây dựng dựa trên các phương pháp phân tích và tổng hợp các nghiên cứu có liên quan đến xây dựng CSDL PXMT nhằm phân tích những nội dung cần thiết của một CSDL PXMT; Phối hợp với Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân (Viện NCHN) thu thập dữ liệu và xử lý liệu thứ cấp về các kết quả điều tra, khảo sát, quan trắc PXMT hiện có trên địa bàn TP.HCM phục vụ cho việc xây dựng CSDL theo mô hình CSDL My SQL CSDL gồm các đối tượng không gian và thông tin thuộc tính kèm theo, cụ thể là 2247 đối tượng suất liều gamma, 120 đối tượng đất bề mặt, 25 đối tượng thực vật, 20 đối tượng nước bề mặt, 16 đối tượng nước ngầm và 3 đối tượng son khí và rơi lắng Trong đó, phần dữ liệu không gian được tác giả thu thập bằng GPS và đưa vào CSDL theo hệ quy chiếu và Hệ toạ độ quốc gia VN-2000; và dữ liệu thuộc tính được thu thập từ Viện NCHN

Từ CSDL đã xây dựng, các bản đồ phông PXMT được thành lập dựa trên

phương pháp nội suy bản đồ sử dụng thuật toán IDW trên phần mềm Arcgis 10.3 Kết quả gồm 27 bản đồ phông PXMT từ CSDL quan trắc, gồm 8 bản đồ suất liều gamma môi trường (bản đồ suất liệu gamma môi trường và suất liều gamma trong đất, thực vật, nước mặt, nước ngầm) và 19 bản đồ hoạt độ các ĐVPX (Cs137, Th232, K40 và U238) trong các thành phần môi trường (trừ môi trường không khí,

vì dữ liệu quá ít, không đủ để nội suy)

Như vậy, đề tài đã thiết lập CSDL về PXMT và xây dựng bản đồ phông PXMT Để sản phẩm của đề tài phục vụ công tác tốt công tác cảnh báo PXMT, xử

lý, khắc phục ô nhiễm môi trường, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và hỗ trợ phát triển bền vững KT – XH của TP HCM, cần có kế hoạch cập nhật CSDL để kịp thời phát hiện các dị thường về PXMT cũng như những nghiên cứu tiếp theo phân tích nồng độ phân bố của phông PXMT dựa trên các tiêu chuẩn/ quy chuẩn Việt Nam có liên quan ảnh hưởng đến người dân trên địa bàn TP HCM

ABSTRACT

Natural and man-made radioisotopes always exist in the environment The natural radioisotopes come from universe and the earth’s crust Man-made ones come from the nuclear weapon tests, radioactive waste dumps under the ocean floor, nuclear incidents, exploration and exploitation of oil and gas, industrial production…Radioactive database development and radioactive sources mapping for strengthening the safety and security of radiation, supporting sustainable development is a need, especially in big cities Therefore, this thesis is titled “GIS application for radioactive database development and radioactive sources mapping

in HCMC”

The thesis aims at building a radioactive database and making maps of radioactive sources in HCM for the purposes of warning, handling and recovering from radioactive pollution The GIS database is designed by open-source software – MySQL with object-oriented model The database includes features of sampled sites

of environmental gamma dose rates (2247 features); and radioisotopes in different environmental components including surface soil (120 features), plants (25 features), surface water (20 features), ground water (16 features) and air (3 features) In the database, spatial data are point features which are primary data acquired from GPS with the datum of VN-2000 The attribute data are collected from Nuclear Research Institute From the database, maps of radioactive sources are made by IDW interpolation in ARCGIS 10.3 There are 8 maps of environmental gamma dose rates and 19 maps of radioisotopes (Cs137, Th232, K40 and U238)

In general, the thesis has achieved the expected results However, to better use of these results for warning, handling and recovering from radioactive pollution,

it is necessary to update this database for timely detection of environmental

radioactivity

MỤC LỤC\

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CÁM ƠN iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do chọn đề tài và đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Nội dung nghiên cứu 3

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

1.6 Ý nghĩa khoa học và phạm vi áp dụng thực tiễn của đề tài 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TỔNG QUAN TƯ LIỆU 4

2.1 Phóng xạ 4

2.2 Phông phóng xạ 5

2.3 Các đơn vị phóng xạ tự nhiên 5

2.4 Các đơn vị phóng xạ nhân tạo 8

2.5 Hàm lượng phóng xạ tự nhiên trong môi trường 10

2.5.1 Các đơn vị đo liều bức xạ có liên quan: 10

2.6 Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 12

2.6.1 Định nghĩa 12

2.6.2 Thành phần của GIS 13

2.6.3 Các phép nội suy GIS 14

2.6.4 Các ứng dụng của GIS 21

2.7 Cơ sở dữ liệu GIS ((geographic information system) 22

2.7.1 Dữ liệu địa lý 22

2.7.2 Thể hiện dữ liệu địa lý 22

2.8 Cơ sở dữ liệu (CSDL) 26

2.8.1 Khái niệm CSDL 26

2.8.2 Các mô hình CSDL 27

2.9 Tình hình nghiên cứu 30

2.9.1 Ngoài nước 30

2.9.2 Ở quy mô quốc tế: 30

2.9.3 Ở các nước 31

2.9.4 Trong nước 32

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN KHU VỰC NGHIÊN CỨU 37

3.1 Điều kiện tự nhiên Tp.HCM 37

3.1.1 Vị trí địa lý 37

3.1.2 Địa chất thổ nhưỡng 38

3.1.3 Thủy văn 41

3.1.4 Thời tiết – khí hậu 41

3.2 Điều kiện KT - XH TP HCM 42

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 45

4.1 Xây dựng CSDL PXMT và bản đồ phông phóng xạ môi trường 45

4.1.1 Thiết kế CSDL PXMT 45

4.1.2 Bảng Phóng xạ (tên bảng phong_xa) 46

4.1.3 Bảng suất liều (tên bảng suat_lieu) 48

4.1.4 Bảng quận huyện (tên bảng quan_huyen) 48

4.1.5 Bảng không khi rơi lắng (tên bảng khongkhi_roilang) 49

4.1.6 Bảng danh mục phân loại phóng xạ (tên bảng dm_loaipx) 49

4.1.7 Bảng danh mục đồng vị phóng xạ (tên bảng dm_dongvipx) 50

4.1.8 Bảng người dùng (tên bảng auth_user) 50

4.1.9 Bảng lưu danh mục quyên truy cập( tên bảng auth_item) 50

4.1.10 Bảng lưu dữ liệu phân quyền cho người dùng (tên bảng auth_assignment) 51

4.1.11 Truy vấn giúp tìm kiểm hông tin ký hiệu (tên bảngVsearchpx) 51

4.1.12 Truy vấn không khí rơi lắng (tên bảng Vkhongkhiroilang) 52

4.1.13 Truy vấn tra cứu thông tin các đồng vị phóng xạ (tên bảng Vphongxa) 52

4.2 Thu thập dữ liệu 52

4.2.1 Dữ liệu nền: 52

4.2.2 Dữ liệu chuyên đề: 52

4.3 Kết quả xây dựng CSDL và bản đồ phông PXMT Tp.HCM 63

4.3.1 Kết quả xây dựng Csdl PXMT 63

4.3.2 Phần thể hiện bản đồ trêm web 66

4.3.3 Thành lập bản đồ chuyên đề 69

4.3.4 Thiết kế chung 69

4.3.5 Kết quả thành lập bản đồ phông phóng xạ môi trường Tp.HCM 72

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 95

1 KẾT LUẬN 95

2 KIẾN NGHỊ 95

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Các đơn vị đo

Gy : Gray – Đơn vị đo liều hấp thụ trong hệ thống đo lường quốc tế

SI, 1Gy = 1 J/kg

Sv : Sievert - Đơn vị đo liều tương đương hiệu dụng

1 Bq (Becquerel) = 1 phân rã/giây

Ký hiệu phân rã và hạt nhân

GIS: Hệ thống thông tin địa lý HQT CSDL: hệ quản trị CSDL

KT – XH: kinh tế – xã hội NLNT: năng lượng nguyên tử

PXMT: phóng xạ môi trường

TP HCM: Thành phố Hồ Chí Minh Viện NCHN: Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Chương trình quan trắc PXMT TP.HCM 35

Bảng 4.1 Bảng Phóng xạ (tên bảng phong_xa) 47

Bảng 4.2 Bảng suat_lieu 48

Bảng 4.3 Bảng quan_huyen 48

Bảng 4.4 Bảng khongkhi_roilang 49

Bảng 4.5 Bảng dm_loaipx 49

Bảng 4.6 Bảng dm_dongvipx 50

Bảng 4.7 Bảng auth_user 50

Bảng 4.8 Bảng auth_item 51

Bảng 4.9 Bảng auth_assignment 51

Bảng 4 10 Nội dung, phương pháp và hình thức thể hiện của các bản đồ PXMT 71

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ phân rã của 40K 6

Hình 2.2 Sơ đồ chuỗi phân rã của238U, 235U và 232Th 7

Hình 2.3 Sơ đồ phân rã để tạo thành 90Sr 9

Hình2.4 Sơ đồ tạo thành và phân rã của 137Cs 9

Hình 2.5 Sơ đồ tạo thành và phân rã của 238 U 9

Hình 2.6 Sơ đồ tạo thành và phân rã của 3H 10

Hình 2.7 Thành phần của GIS 13

Hình 2.8 (a) Xác định vị trí điểm gốc (b) Xác định địa bàn phục vụ 15

Hình 2.9 Nội suy Kriging 17

Hình 2.10 Mô tả các giá trị của Kriging 18

Hình 2.11 Nội suy Inverse Distance Weighted 19

Hình 2.12 Nội suy Spline 20

Hình 2.13 Sơ đồ ứng dụng GIS trong các lĩnh vực 22

Hình 2.14 Mô hình dữ liệu raster và vector 23

Hình 2.15 Cấu trúc dữ liệu topology 24

Hình 2.16 Bảng dữ liệu thuộc tính 25

Hình 2.17 Liên kết giữa không gian và thuộc tính 25

Hình 2.18 Sự phân lớp của dữ liệu địa lý 26

Hình 2.19 Cấu trúc CSDL 27

Hình 2.20 Mô hình dữ liệu phân cấp (trái) và mô hình dữ liệu mạng (phải) 28

Hình 2.21 Mô hình quan hệ 29

Hình 2.22 Mô hình hướng đối tượng 30

Hình 3.1 Bản đồ hành chính Tp.HCM 38

Hình 3.2 Bản đồ Thổ Nhưỡng Tp.HCM 40

Hình 3.3 Bản đồ dân số và cơ cấu lao động 44

Hình 4.1 Các bước xây dựng CSDL 45

Hình 4.2 Mô hình quan hệ CSDL PXMT 46

Hình 4.3 Sơ đồ 120 các vị trí đo suất liều gamma 57

Hình 4.4 Sơ đồ 120 vị trí lấy mẫu đất 58

Hình 4.5 Sơ đồ 25 vị trí lấy mẫu thực vật 59

Hình 4.6 Sơ đồ 20 vị trí lấy mẫu nước mặt 60

Hình 4.7 Sơ đồ 16 vị trí lấy mẫu nước ngầm 61

Hình 4.8 Sơ đồ 3 vị trí lấy mẫu son khí và rơi lắng 62

Hình 4.9 : Csdl 120 điểm lấy mẫu bề mặt đất 63

Hình 4.10 : Csdl 20 vị trí lấy mẫu nước bề mặt 63

Hình 4.11 : Csdl 18 vị trí lấy mẫu nước ngầm 64

Hình 4.12 : Csdl 3 điểm lấy mẫu son khí 64

Hình4.13 : Csdl 3 điểm lây mẫu rơi lắng 65

Hình4.14: Csdl 25 điểm lấy mẫu thực vật 65

Hình4.15 : Csdl 24 điểm lấy mẫu Gamma Quận, Huyện 66

Hình 4.16 : Bản đồ Gamma môi trường Tp.HCM 66

Hinh 4.17 : Bản đồ hoạt độ K40 Tp.HCM 67

Hình4.18 : Bản đồ hoạt độ CS-137 Tp.HCM 67

Hình4.19 : Bản đồ hoạt độ TH-232 Tp.HCM 68

Hình4.20 : Bản đồ hoạt độ U-238 Tp.HCM 68

Hình 4.21 Nội suy bản đồ theo thuật toán IDW với phần mềm ArcGis 10.3 như đã trình bày ở phần phương pháp nội suy 70

PHỤ LỤC

1 Vị trí các điểm đo lấy mẫu gamma

2 Vị trí các điểm đo lấy mẫu thực vật

3 Vị trí các điểm đo lấy mẫu không khí rơi lắng

4 Vị trí các điểm đo lấy mẫu son khí

5 Vị trí các điểm đo lấy mẫu nước ngầm và nước mặt

6 Vị trí các điểm đo lấy mẫu đất

MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài và đặt vấn đề

Trong môi trường hiện nay luôn hiện diện các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo Các đồng vị phóng xạ tự nhiên có nguồn gốc từ vũ trụ và từ vỏ trái đất,

mà chủ yếu là 3

H, 7Be, 40K, các đồng vị thuộc chuỗi 232

Th, 235U và 238U Các đồng vị phóng xạ nhân tạo xuất hiện do các vụ thử vũ khí hạt nhân, đặc biệt là các vụ thử trong khí quyển và thủy quyển, chôn cất thải phóng xạ dưới đáy đại dương, các sự

cố hạt nhân và phóng thích thông lệ mức thấp có kiểm soát của các cơ sở hạt nhân, đặc biệt là của các nhà máy điện hạt nhân (ĐHN) và các cơ sở xử lý lại nhiên liệu

và sử dụng các chất phóng xạ trong y học và nghiên cứu Phông các đồng vị phóng

xạ cũng có thể bị tăng cao do các công nghệ phi hạt nhân như thăm dò, khai thác dầu khí, sản xuất công nghiệp và sử dụng phân bón phốt phát, sản xuất nhiệt điện dùng than, vận chuyển các đồng vị phóng xạ tự nhiên bởi các dòng sông chảy qua các vùng mỏ khai thác…Do đó, xây dựng CSDL và bản đồ phông PXMT nhằm phục vụ yêu cầu tăng cường đảm bảo an toàn, an ninh bức xạ và hỗ trợ phát triển bền vững môi trường phục vụ phát triển KT – XH của đất nước là xu thế tất yếu đối với mỗi quốc gia Trong đó, Việt Nam cũng đã có đã có những chiến lược, quy hoạch phát triển, ứng dụng năng lượng nguyên tử (NLNT) phục vụ phát triển đất nước

Khi con người bị tác động bởi các bức xạ ion ở mức thấp thì việc gây tác hại không thể nhận biết ngay được, nên phải sau một thời gian chứng bệnh mới biểu hiện Tuy nhiên nếu chiếu lên cơ thể một liều lượng quá lớn so với giới hạn tối đa cho phép thì chỉ sau 7 đến 10 ngày, bệnh trạng đã xuất hiện rõ Nguy hiểm nhất đối với những người thường xuyên tiếp xúc với các bức xạ ion là dẫn đến ung thư

Cụ thể, các bệnh thường gặp nhất gồm có: rụng tóc, ung thư da; đục thủy tinh thể; cường giáp, ung thư tuyến giáp; ung thư phổi; máu dễ bị nhiễm trùng; buồn nôn, ói mửa, tiêu chảy; bức xạ giết chết các tế bào thần kinh và mạch máu nhỏ, có thể gây

co giật và chết ngay lập tức; làm hủy hoại trực tiếp đến các mạch máu nhỏ, có thể gây suy tim và tử vong; suy thoái tiền liệt tuyến, tinh hoàn, buồng trứng, ung thư

vú; ảnh hưởng trực tiếp tới tủy xương nơi sản xuất ra các tế bào máu dẫn tới nguy

cơ mắc các bệnh như máu trắng, ung thư máu

Các nghiên cứu xây dựng CSDL và bản đồ phông PXMT cũng được đã bắt đầu thực hiện trên một số địa phương trong cả nước Tuy nhiên, còn tồn tại những hạn chế so với CSDL chuẩn TP HCM – trung tâm kinh tế – văn văn hóa – chính trị

và khoa học của cả nước cũng nằm trong tình cảnh này Cụ thể, CSDL của TP HCM còn thiếu những đối tượng môi trường cần được nghiên cứu xác định nền phông phóng xạ như bản đồ nền phông γ chiếu ngoài; số liệu về phóng xạ trong môi trường biển của TP HCM; môi trường nước mặt bao gồm nước mưa, nước ở các nguồn cấp nước sinh hoạt cho TP.HCM; những thành phần ĐVPX quan trọng trong nhiều đối tượng môi trường cần được xác định sớm mức nền để tạo cơ sở đánh giá tác động môi trường (ĐTM) của việc đưa ĐHN vào Việt Nam

Với những bất cập, khiếm khuyết về CSDL và bản đồ phông PXMT, tác giả

chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng GIS xây dựng CSDL và bản đồ phông phóng xạ

môi trường TP.HCM”

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài nhằm thiết lập CSDL về PXMT và xây dựng bản đồ phông PXMT để phục

vụ công tác cảnh báo PXMT, xử lý, khắc phục ô nhiễm môi trường, góp phần bảo

vệ sức khỏe cộng đồng và hỗ trợ phát triển mạnh và bền vững KT - XH của TP HCM Trong đó, mục tiêu cụ thể như sau:

+ Xây dựng được CSDL về PXMT của TP HCM phù hợp với và các điều kiện cụ thể của TP HCM

+ Thành lập các bản đồ chuyên đề phông PXM

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu: suất liều gamma môi trường, hoạt độ các ĐVPX tự nhiên và nhân tạo chính trong không khí, rơi lắng, đất bề mặt, nước mặt, nước ngầm

và thực vật

+ Phạm vi nghiên cứu: 19 quận và 5 huyện của TP HCM với tổng diện tích 2.095,01 km2

1.4 Nội dung nghiên cứu

- Cơ sở lý thuyết và tổng quan tư liệu lĩnh vực nghiên cứu

- Xây dựng được CSDL về PXMT của TP HCM phù hợp với và các điều kiện cụ thể của TP HCM

- Thành lập các bản đồ chuyên đề phông PXMT

1.5 Phương pháp nghiên cứu

a Phương pháp khảo sát thực địa

Thu thập, phân tích và tổng hợp các nghiên cứu có liên quan đến xây dựng CSDL PXMT nhằm phân tích những nội dung cần thiết của một CSDL PXMT

b Phương pháp kế thừa số liệu

Phối hợp với Viện NCHN thu thập dữ liệu và xử lý liệu thứ cấp về các kết quả điều tra, khảo sát, quan trắc PXMT hiện có trên địa bàn TP.HCM phục vụ cho việc xây dựng CSDL theo mô hình CSDL My SQL Trong đó, tác giả đã sử dụng GPS thu thập vị trí (tọa độ) của các điểm lấy mẫu

c Phương pháp bản đồ

Phương pháp bản đồ - GIS được sử dụng để xây dựng bản đồ phông PXMT, cụ thể là sử dụng phương pháp nội suy bản đồ và phương pháp trực quan hóa bản đồ, sử dụng phần mềm Arcgis 10.3

1.6 Ý nghĩa khoa học và phạm vi áp dụng thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Bổ sung và hoàn thiện phương pháp luận xây dựng CSDL trên địa bàn cụ thể

- Ý nghĩa và khả năng áp dụng thực tiễn: Cung cấp CSDL và bản đồ phông PXMT, giúp cho các nhà chuyên môn có cái nhìn tổng quát về PXMT của TP.HCM, hỗ trợ ra quyết định

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TỔNG QUAN TƯ

LIỆU 2.1 Phóng xạ

 Sự phóng xạ

Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng một hạt nhân không bền tự động phân rã phóng

ra những bức xạ gọi là tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác Đây là một quá trình biến đổi hạt nhân mang tính tự phát, ngẫu nhiên và không điều khiển được Tia phóng xạ có thể là chùm các hạt mang điện dương (hạt alpha, hạt proton), mang điện âm như chùm electron (phóng xạ beta), không mang điện (hạt nơtron, tia gamma ) Các tia phóng xạ không nhìn thấy được nhưng có những tác dụng lý hóa như là ion hóa không khí, làm phát quang một số chất, gây ra ra phản ứng quang hóa… Dưới tác dụng của điện trường, tia phóng xạ được chia làm 3 loại tia chính là tia alpha (ký hiệu là α), tia beta (kí hiệu là β), tia gamma (kí hiệu là γ):

+ Tia α thực chất hạt nhân của nguyên tử Heli Trong không khí, tia α chuyển động với vận tốc khoảng 107 m/s Tia này có thể đi được vài cm trong không khí, vài μm trong vật rắn, và không xuyên qua được tấm bìa dày 1 mm

+ Tia β (gồm β+ và β–) là các hạt phóng xạ với tốc độ lớn (xấp xỉ tốc độ ánh sáng), cũng làm ion hóa không khí nhưng yếu hơn tia α Tia β có thể đi được vài mét trong không khí và vài mm trong kim loại

+ Tia γ là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn, cũng là hạt photôn có năng lượng cao, thường đi kèm trong cách phóng xạ β+ và β– Tia γ có khả năng xuyên thấu lớn hơn nhiều so với tia α và β

Các nguyên tử có tính phóng xạ gọi là các đồng vị phóng xạ (ĐVPX) Các nguyên

tử không có tính phóng xạ gọi là các đồng vị bền ĐVPX là đồng vị mà các hạt nhân của nó có thể phóng ra các hạt của tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân nguyên

tử của nguyên tố khác Các ĐVPX của một nguyên tố hóa học có cùng tính chất hóa học như đồng vị bền của nguyên tố đó Có 2 loại ĐVPX:

+ ĐVPX tự nhiên: thường có sẳn trong tự nhiên

+ ĐVPX nhân tạo: thường thuộc phân rã β và γ

2.2 Phông phóng xạ

Nguồn phóng xạ hay còn gọi là phông phóng xạ, bao gồm phông phóng xạ tự nhiên

và phong phóng xạ nhân tạo Trong môi trường luôn hiện diện các ĐVPX tự nhiên

và nhân tạo

Phông phóng xạ tự nhiên là những bức xạ có nguồn gốc tự nhiên như bức xạ từ vũ trụ, từ các hạt nhân phóng xạ tự nhiên có trong đất đá, không khí, nước, cơ thể con người và sinh vật, vật liệu … Các ĐVPX tự nhiên có nguồn gốc từ vũ trụ và từ vỏ Trái đất, mà chủ yếu là 3H, 7Be, 40K, các đồng vị thuộc chuỗi 232Th, 235U và 238U Ngoài ra, phông các ĐVPX tự nhiên cũng có thể bị tăng cao do các công nghệ phi hạt nhân như thăm dò, khai thác dầu khí, sản xuất và sử dụng phân bón phốt phát, sản xuất nhiệt điện dùng than, vận chuyển các ĐVPX tự nhiên bởi các dòng sông chảy qua các vùng mỏ khai thác…

Nguồn phóng xạ nhân tạo do con người chế tạo ra bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay các máy gia tốc Các ĐVPX nhân tạo xuất hiện do các vụ thử vũ khí hạt nhân, đặc biệt là các vụ thử trong khí quyển và thủy quyển; chôn cất thải phóng xạ dưới đáy đại dương; các sự cố hạt nhân và phóng thích thông lệ mức thấp có kiểm soát của các cơ sở hạt nhân, đặc biệt là của các nhà máy ĐHN và các

cơ sở xử lý lại nhiên liệu

2.3 Các đơn vị phóng xạ tự nhiên

Các ĐVPX có nguồn gốc tự nhiên là những bức xạ đến từ vũ trụ và từ vỏ trái đất Các ĐVPX có nguồn gốc từ vũ trụ chủ yếu là từ ngoài hệ mặt trời Đó có thể là chùm hạt photon năng lượng cao, hạt muon, hay chùm hạt nặng mang điện Các bức

xạ này tương tác với các hạt nhân nitơ và oxy trong tầng cao của khí quyển và tạo ra các hạt nhân phóng xạ như 3

H, 7Be, 14C, 22Na… Các hạt nhân này được vận chuyển đến bề mặt trái đất, xâm nhập vào hệ sinh thái và địa chất Trong số các hạt nhân phóng xạ do bức xạ vũ trụ tạo ra, có hai hạt nhân phổ biến nhất là Tritium

(3H) và

Beryllium-7 (7Be):

+ 3H có trên trái đất là do bức xạ vũ trụ tương tác với các hạt nhân Nitơ, ví

dụ như phản ứng giữa neutron nhanh với 14

N: n+14N → 12

C+3H 3H phát bức xạ β mềm, có chu kì bán rã là 12,33 năm và tồn tại phần lớn trong môi trường nước, tham gia vào chu trình hydro toàn cầu

+ 7Be được tạo ra khi bức xạ vũ trụ tương tác với các hạt nhân Nitơ và Oxy của khí quyển, có chu kì bán rã là 53,28 ngày; và phát bức xạ 

Các ĐVPX có nguồn gốc từ vỏ trái đất còn gọi là các ĐVPX nguyên thủy, có chu

kỳ bán rã dài, phổ biến nhất là 40K và các nhân tạo thành chuỗi là 238

U, 235U và 232Th như sau:

Hình 2.1 Sơ đồ phân rã của 40K

Hình 2.2 Sơ đồ chuỗi phân rã của238U, 235U và 232Th

Theo nguồn gốc phát sinh, ĐVPX tự nhiên được chia chúng thành 3 nhóm:

+ Nhóm thứ nhất: các đồng vị thuộc nhóm này liên quan đến sự tổng hợp

chung khi hình thành thái dương hệ Chu kỳ bán rã của chúng vào cỡ tuổi trái đất (khoảng 5 x 109 năm) Nhóm này bao gồm các nguyên tố U-238, U-235, Th-232, K-

40, Rb-87, Sn-124, La-138, Sm-147, Lu-176 và một số hạt nhân rất hiếm khác

+ Nhóm thứ hai: sinh ra do sự phân rã và phân chia tự phát của nhóm thứ nhất

Số lượng các đồng vị thuộc nhóm này có thể lên đến vài chục, chu kỳ bán rã từ nhỏ hơn 1s đến 104 - 105 năm

+ Nhóm thứ ba: các hạt nhân phóng xạ tự nhiên còn lại Chúng sinh ra do

tương tác của các tia vũ trụ năng lượng cao với khí quyển, như H-3, Be-7, Be-10,

C-14, Cl-17 và một số đồng vị khác sinh ra do sự bắt neuron hay có nguồn gốc từ các thiên thạch trong vũ trụ đi vào trái đất

Ảnh hưởng của bức xạ tự nhiên đối với sức khoẻ con người giữ vai trò rất lớn không thể bỏ qua được Việc hiểu biết và kiểm soát ảnh hưởng của nó đến chất lượng cuộc sống là rất cần thiết Ở các nước có nền kinh tế phát triển như Hoa Kỳ, Liên Xô (cũ), Anh, Pháp, Nhật… việc nghiên cứu xác định phông phóng xạ tự nhiên đã được tiến hành từ những năm 80 của thập kỷ 20

2.4 Các đơn vị phóng xạ nhân tạo

Trong một trăm năm trở lại đây, việc sử dụng ĐVPX nhân tạo trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, y học, quốc phòng… đã làm tăng lượng chất phóng xạ nhân tạo xâm nhập vào môi trường Các nguồn phóng xạ nhân tạo có thể kể đến là các vụ thử vũ khí hạt nhân, đặc biệt là các vụ thử trong khí quyển và thủy quyển; sự chôn cất thải phóng xạ dưới đáy đại dương; các sự cố hạt nhân và phóng thích thông

lệ mức thấp có kiểm soát của các cơ sở hạt nhân, đặc biệt là của các nhà máy ĐHN

và các cơ sở xử lý lại nhiên liệu Ở Việt Nam, hai nguồn tác động chính đến tình trạng PXMT là các vụ thử hạt nhân và các sự cố hạt nhân

Sự phóng thích trực tiếp các chất phóng xạ vào môi trường lúc đầu sẽ dẫn đến quá trình lan truyền và tích lũy các đồng vị, đặc biệt là các ĐVPX nhân tạo sóng dài,

độc tính sinh học cao như Strontium-90 (90

Sr), Caesium-137 (137Cs), Plutonium-239

(239Pu) và Tritium-3 (3H):

+ 90Sr là suất phân hạch của 90

Sr khi phân chia 235U do nơtrôn nhiệt là 3,5%,

90Sr là đồng vị phát thuần bêta với năng lượng cực đại 0,6 MeV, biến đổi thành 90Y với chu kỳ bán rã T1/2  28,82 năm. 90Y cũng phát thuần bêta với năng lượng cực đại

2,2 MeV để chuyển thành Zr bền với chu kỳ bán rã T1/2  64,1 giờ Sơ đồ phân hạch

để tạo thành 90Sr như sau:

Hình 2.3 Sơ đồ phân rã để tạo thành 90Sr

+ 137Cs là một trong những ĐVPX nhân tạo đáng quan tâm, được tạo thành khi 235U phân hạch bởi nơtron nhiệt với suất phân hạch là 5,57% Sự phân hạch của 235U sinh

ra chuỗi các đồng vị có số khối là 137, bắt đầu bằng đồng vị ngắn 137I và kết thúc bằng đồng vị 137

Ba 137Cs có chu kỳ bán rã T1/2  30 năm, phát bức xạ  với năng lượng 0,661 MeV Sơ đồ tạo thành và phân rã của 137Cs như sau:

Hình2.4 Sơ đồ tạo thành và phân rã của 137Cs

+ 239Pu là ĐVPX nhân tạo phát bức xạ  với chu kỳ bán rã T1/2  24.000 năm, được tạo ra trong các lò phản ứng hạt nhân dùng nhiên liệu 235U theo quá trình sau:

Hình 2.5 Sơ đồ tạo thành và phân rã của 238U

+ 3H sinh ra từ hoạt động của các lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu, nhà máy ĐHN, từ các cơ sở xử lý lại nhiên liệu 3H được sinh ra trong các lò phản ứng hạt

nhân do kích hoạt Lithium-6, Lithium-7 và Boron-10 bởi neutron theo các phản ứng:

Hình 2.6 Sơ đồ tạo thành và phân rã của 3H 2.5 Hàm lượng phóng xạ tự nhiên trong môi trường

2.5.1 Các đơn vị đo liều bức xạ có liên quan:

 Hoạt độ phóng xạ:

Hoạt động phóng xạ của một nguồn phóng xạ hay một lượng chất phóng xạ là số hạt nhân phân rã phóng xạ trong một đơn vị thời gian Nếu trong một lượng chất phóng xạ có N hạt nhân phóng xạ, thì hoạt độ phóng xạ của nó được tính theo công thức sau:

(1.1) Trong đó: A là hoạt độ phóng xạ

λ là hằng số phân rã phóng xạ

N là số hạt nhân phóng xạ hiện có

Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Becquerel, viết tắt là Bq Một Becquerel tương ứng với một phân rã trong 1 giây Trước kia, đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Curie, viết tắt là Ci Curie là hoạt độ phóng xạ của 1 gam 226Ra, tương ứng với 3,7.1010

phân rã trong một giây Theo định nghĩa, Becquerel và Curie có mối liên hệ như sau:

1Ci = 3,7.1010Bq

 Liều chiếu và suất liều chiếu:

+ Liều chiếu:

Liều chiếu chỉ áp dụng cho bức xạ gamma hoặc tia X với môi trường chiếu xạ là không khí Liều chiếu ký hiệu là X, được xác định theo công thức:

(1.2) Trong đó: dm là khối lượng không khí tại đó chùm tia X hoặc chùm bức xạ gamma

bị hấp thụ hoàn toàn, kết quả tạo ra trên dm tổng các điện tích cùng dấu là dQ Trong hệ đo SI1, đơn vị đo liều chiếu là Coulomb trên kilôgam, viết tắt là C/kg Theo đó, “1 C/kg là liều bức xạ gamma hoặc tia X khi bị dừng lại toàn bộ trong 1

kg không khí ở điều kiện tiêu chuẩn sẽ tạo ra trong đó 1 Coulomb ion cùng dấu” Ngoài đơn vị C/kg, trong kỹ thuật người ta còn dùng đơn vị đo liều chiếu là Rơnghen, viết tắt là R Rơnghen là một lượng bức xạ gamma hoặc tia X khi bị dừng lại toàn bộ trong 1kg không khí ở điều kiện tiêu chuẩn sẽ tạo ra trong đó tổng điện tích của các ion cùng dấu là 2,58.10-4C Ta có thể chuyển đổi từ Coulomb/ kilogam sang Rơnghen theo tỷ lệ như sau:

1R = 2,58.10-4 C/kg

+ Suất liều chiếu:

Suất liều chiếu là liều chiếu trong một đơn vị thời gian Suất liều chiếu, ký hiệu là

*

X được xác định theo công thức:

(1.3) Trong đó X là liều chiếu trong thời gian t

Trong hệ SI, đơn vị đo suất liều chiếu là C/kg.s Tuy nhiên trong thực nghiệm, đơn

vị đo suất liều chiếu thường dùng là Rơnghen/giờ (R/h) và µR/h

1

Hệ đo lường quốc tế

Các số liệu ghi đo về hàm lượng

Các số liệu ghi đo hữu dụng bao gồm khoảng và giá trị trung bình của các chất trong đá, đất/ trầm tích nước và các biểu hiện từng phần về sự biến đổi thạch học, một số số liệu về nguyên tố phóng xạ tự nhiên Các số liệu này giúp chúng ta so sánh sự khác nhau giữa các loại đá và các hoàn cảnh địa chất Các nguyên tố phóng

xạ tự nhiên cần cân nhắc ở đây bao gồm U, Th, K, Ra và Rn Một số số liệu của các nguyên tố khác cần được quan tâm là Rb, Cs, Cu, Sn

2.6 Hệ thống thông tin địa lý (GIS)

2.6.1 Định nghĩa

Theo Vũ Xuân Cường (2016), có nhiều định nghĩa về hệ thông tin địa lý như: GIS là “một tổ hợp của ba hợp phần có quan hệ thống nhất, liên quan chặt chẽ với nhau là phần cứng máy tính và thiết bị liên quan, phần mềm và tổ chức con người được hoạt động đồng bộ nhằm thu thập, lưu trữ, quản lý, thao tác, phân tích

và mô hình hóa và hiện thị các dữ liệu không gian có định vị theo tọa độ dùng cho Trái Đất và các dữ liệu thuộc tính nhằm thỏa mãn các nhu cầu thực tế” (Nguyễn Văn Đài, 1994)

GIS là “một hệ thống máy tính có chức năng lưu trữ và liên kế các dữ liệu địa lý với các đặc tính của bản đồ dạng đồ họa, từ đó cho một khả năng rộng lớn về việc xử lý thông tin, hiển thị thông tin và cho ra các sản phẩm bản đồ, các kết quả

xử lý cùng các mô hình” (Antenucci 1991)

“GIS là một tổ chức tổng thể của bốn hợp phần: Phần cứng máy tính, phần mềm, tư liệu địa lý và con người điều hành được thiết bị hoạt động một cách có hiệu quả nhằm tiếp nhận, lưu trữ, điều khiển, phân tích và hiển thị toàn bộ các dạng

dữ liệu địa lý GIS có mục tiêu đầu tiên là xử lý hệ thống dữ liệu trong môi trường không gian địa lý” (Viện nghiên cứu môi trường Mỹ, 1994)

Hai định nghĩa phia dưới là 2 định nghĩa được học viên sử dụng trong luận văn của mình vì nó liên quan trực tiếp đến việc xây dựng CSDL và bản đồ về môi trường

2.6.2 Thành phần của GIS

Có nhiều quan điểm khác nhau về các thành phần của GIS, bao gồm quan điểm 3 thành phần, 4 thành phần và 5 thành phần Theo quan điểm 5 thành GIS bao gồm Phần cứng, phần mềm, dữ liệu, con người và phương pháp

Hình 2.7 Thành phần của GIS

+ Phần cứng: Bao gồm máy tính do các hãng khác nhau sản xuất với nhiều kích cỡ, cấu hình; và các thiết bị ngoại vi cũng hết sức đa dạng về kích cỡ, kiểu dáng, tốc độ như bàn số hóa, máy quét, máy in…

+ Phần mềm: Có rấnh nhiều phần mềm GIS khác nhau Các phần mềm có thể giống nhau về chức năng, song khác nhau về tên gọi, hệ điều hành, môi trường hoạt động, giao diện, khuôn dạng dữ liệu không gian và hệ quản trị cơ sở dữ liệu Theo thời gian phần mềm GIS ngày càng được hoàn thiện nên có khả năng quản lý

và quản trị dữ liệu hiệu quả hơn Phần mềm GIS chia làm 3 nhóm:

- Nhóm phần mềm thành lập bản đồ số (Microstion, Autocad, ) là nhóm các phần mềm được ứng dụng để thành lập bản đồ, quản lý, cập nhật và hiệu chỉnh các loại bản đồ dạng số

- Nhóm phần mềm quản trị bản đồ (Mapinfo, ArcGIS, Mage…) là những phần mềm mà ngoài chức năng thành lập bản đồ số, nắn chỉnh hình học, chuyển đổi tọa độ chúng có thêm khả năng quản trị các thông tin bản đồ và thông tin thuộc tính của chúng

- Nhóm phần mềm quản trị và phân tích không gian (QGIS, ArcGIS, MGE, softdesk) là nhóm các phần mềm mà ngoài khả năng cập nhật và quản lý thông tin chúng còn có thêm chức năng phân tích dữ liệu không gian

+ Con người: Đây là thành phần quan trọng nhất của GIS Công nghệ GIS sẽ

bị hạn chế nếu không có con người tham gia quản lý hệ thống và phát triển những ứng dụng GIS trong thực tế Người sử dụng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống, hoặc những người dùng GIS để giải quyết các vấn đề trong công việc

+ Quy trình: Quy trình vận hành GIS, đưa ra các quy định trong toàn bộ hệ thống GIS bao gồm cả các ngữ cảnh xã hội của thông tin

2.6.3 Các phép nội suy GIS

GIS có chức năng cơ bản nhập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, điều khiển dữ liệu, hiển thị

dữ liệu theo cơ sở địa lý và đưa ra những quyết định (decision making) (Calkins và Tomlinson 1997) GIS cung cấp công cụ mạnh trong các quá trình thu thập, quản lý

và xử lý số liệu, tích hợp thông tin và dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau để đưa ra những phân tích không gian hiệu quả phục vụ cho việc lập kế hoạch và ra quyết định Trong các phân tích không gian phải kể đến các phép nội suy, cụ thể là các nội suy sau:

+ Vùng Thiesen (Nội suy theo điểm gần nhất)

Ý tưởng của phương pháp nội suy này là thông tin tốt nhất về tính chất của một điểm có thể để đươc rút ra từ điểm được quan sát gần nhất Hơn nữa vùng ảnh hưởng (vùng Thiesen) được giới hạn xung quanh mỗi điểm quan sát Mỗi điểm rơi vào bên trong vùng ảnh hưởng có cùng giá trị với vùng này Vùng Thiesen được xây dựng theo cách mà những đường bao của vùng cách đều nhau từ điểm lân cận sao cho mỗi vị trí nội dung trong một vùng gắn với điểm quan sát nó chứa hơn bất

kỳ điểm nào khác

Hình 2.8 (a) Xác định vị trí điểm gốc (b) Xác định địa bàn phục vụ

+ Nội suy tuyến tính

Một trong những phương pháp đơn giản để ước tính giá trị chưa biết là nội suy tuyến tính Giả thiết cơ bản của phương pháp này là có mối quan hệ tuyến tính giữa

sự chênh lệch giá trị của hai điểm và khoảng cách giữa chúng (Memers 1997)

+ Trọng số trung bình

Một phương pháp mà thường được sử dụng là phương pháp trọng số trung bình Giá trị dự đoán được rút ra từ tập hợp các điểm quan sát năm trong khoảng bán kính cho trước kể từ một điểm chưa biết, trọng số trung bình của các giá trị được lựa chọn để tính toán Các trọng số được gắn cho từng điểm dựa theo mức độ ảnh hưởng được thừa nhận có ở mỗi điểm trong tính toán điểm chưa biết Giá trị được tính theo biểu thức sau:

Trong đó: Z(ᵪ ) là giá trị dự đoán tại điểm ᵪ

Z(xi) là Giá trị quan sát tại điểm xi

hi: Trọng số cho Xi

Khi khoảng cách được dùng để xác đinh trọng số, phương pháp này gọi là phương pháp trọng số trung bình động Tùy thuộc vào khoảng cách một giá trị có sự ảnh hưởng ít nhiều đến việc dự đoán điểm chưa biết Trọng số tỷ lệ nghịch với khoảng cách nên điểm quan sát gần với điểm chưa biết sẽ có nhiều khả năng nhận được giá trị tương tự hơn so với một điểm quan sát khác ở xa điểm chưa biết (Jones 1997) Biểu thức chung dùng để tính giá trị trung bình này như sau:

Trong đó: Z(ᵪ ) là giá trị dự đoán tại điểm ᵪ

Z(xi) là Giá trị quan sát tại điểm xi

di: Khoảng cách từ điểm xi đến x

+ Nội suy toàn cầu

Một tập hợp điểm được dùng để tìm biểu thước toán học diễn tả một bề mặt hoàn chỉnh (về mặt tính chất) có khả năng thực hiện tốt ý tưởng ở đây là thỏa mãn một bề mặt đa thức thông qua các dữ liệu điểm đã biết khi sử dụng phương pháp “bình thường nhỏ nhất” Kết quả cho ra một phương trình toán học có thể dùng để dự đoán các giá trị chưa biết Sự phân tích dùng cho việc tìm ra phương trình trên gọi

là phân tích hồi quy (Burough, 1986)

+ Kriging

Kriging là phương pháp nội suy dựa trên phương pháp phân tích bề mặt và trọng số trung bình Phân tích bề mặt tìm ra một phương trình toán học diễn tả xu hướng tổng quát của bề mặt nhưng không tính đến các tính bất quy luật cục bộ Nội suy cục bộ dùng để tính độ lệch xu hướng toàn cầu do không theo quy luật của khu vực Phương pháp trọng số trung bình dùng để tính sự biến thiên này Trọng số được xác định bởi xu hướng của những độ lệch đường cong bề mặt toàn cầu và các điểm quan sát (Burough 1986) Trong Kriging, một giá trị chưa biết Z(x) có thể được biểu diễn như tổng của hai hợp phần là xu hướng toàn cầu m(x) của dữ liệu và sự biến

thiên cục bộ e’x) Biến thiên cục bộ này phụ thuộc vào các giá trị dữ liệu xung quanh Còn một sai số phi không gian cần được xem xét gọi là e’’ theo công thức:

Z(x) = m(x) + e’(x) + e’’ (Jones 1997)

Hình 2.9 Nội suy Kriging

Kriging nội suy giá trị cho các điểm xung quanh một điểm giá trị Những điểm gần điểm gốc sẽ ảnh hưởng nhiều hơn những điểm ở xa Quá trình hai bước của Kriging bắt đầu với ước tính mức độ tương quan và sau đó thực hiện phép nội suy

Một số ưu điểm của phương pháp này là giá trị của các điểm được gán không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách mà còn phụ thuộc vào sự phân bố không gian các điểm Điều này làm cho các giá trị nội suy mang tính tương quan không gian nhiều hơn

Một bất lợi là nó đòi hỏi nhiều thời gian tính toán và mô hình hóa, và đòi hỏi nhiều dữ liệu đầu vào

Hình 2.10 Mô tả các giá trị của Kriging

+ IDW (Inverse Distance Weighted)

Phương pháp IDW xác định giá trị của các điểm chưa biết bằng cách tính trung bình trọng số khoảng cách các giá trị của các điểm đã biết giá trị trong vùng lân cận của mỗi pixel Những điểm càng cách xa điểm cần tính giá trị càng ít ảnh hưởng đến giá trị tính toán

Công thức nội suy của phương pháp này

Hình 2.11 Nội suy Inverse Distance Weighted

Một số ưu điểm của IDW

 IDW nên được sử dụng khi có một tập hợp các điểm dày đặc, phân bố rộng khắp trên bề mặt tính toán

 Phương pháp này nhanh chóng, dễ thực hiện

+ Spline

Spline sử dụng một hàm toán học giảm thiểu độ cong tổng thể của bề mặt Điều này dẫn đến kết quả là một bề mặt nhẵn mà chính xác thông qua các điểm đầu vào

Hình 2.12 Nội suy Spline

Phương pháp nội suy Spline là phương pháp nội suy tổng quát, phương pháp này hiệu chỉnh bề mặt đường cong

Một số ưu điểm của Spline:

 Các thuật toán được sử dụng để làm mịn bề mặt kết quả, đảm bảo kết quả hiển thị mô hình không dao động nhiều ở giữa các điểm quan trắc

 Splines: là một phương pháp phù hợp để nội suy các yếu tố khí hậu theo khoảng thời gian hàng tháng hoặc hàng năm nhưng ít phù hợp với khoảng thời gian hàng ngày và hàng giờ

+ Nhận xét chung về 3 thuật toán

IDW và Spline hai phương pháp tạo ra các bề mặt từ các mẫu dựa trên mức

độ tương đồng hoặc mức độ làm mịn Tuy nhiên, trong khi bề mặt spline đi chính xác qua từng điểm mẫu, IDW sẽ không đi qua bất kỳ điểm nào Kriging là phương pháp thống kê địa lý sử dụng kỹ thuật thống kê mạnh mẽ dự đoán các giá trị dựa trên mối quan hệ giữa các điểm đã biết giá trị và kỹ thuật trung bình trọng số phức tạp

2.6.4 Các ứng dụng của GIS

GIS có thể ứng dụng trong rất nhiều ngành khoa học khác nhau từ quản lý cho tới nghiên cứu Trong quản lý tài nguyên môi trường, GIS được sử dụng để cung cấp thông tin nhanh và hiệu quả hơn cho các nhà hoạch định chính sách Các cơ quan chính phủ dùng GIS trong quá trình quản lý, phân bổ nguồn tài nguyên, kiểm kê đánh giá trữ lượng tài nguyên tài nguyên thiên nhiên, đánh giá các sự cố môi trường thông qua chức năng xử lý, phân tích dữ liệu Cụ thể, GIS có thể ứng dụng trong:

+ Điều tra và quản lý môi trường: Bảo tồn đất ướt; Xây dựng bản đồ và thống kê chất lượng thổ nhưỡng; Đánh giá sử dụng đất; Quản lý tài nguyên rừng, đất, nước…

+ Hỗ trợ quy hoạch và quản lý các vùng bảo tồn

+ Phân tích theo dõi ô nhiễm: thu gom rác thải, hoạt động SX gây ô nhiễm… + Đánh giá, dự báo các sự cố môi trường

+ Bảo vệ Môi trường

+ Sinh thái và đa dạng sinh học

+ Quy hoạch và Kiến Trúc…

Hình 2.13 Sơ đồ ứng dụng GIS trong các lĩnh vực 2.7 Cơ sở dữ liệu GIS ((geographic information system)

Khái niệm cơ sở dữ liệu: là tập hợp các thông tin được thu thập theo mục đích sử dụng nào đó, được lưu trữ trong máy tính theo những quy tắc nhất định Đó là tập hợp dữ liệu mà ta có thể điều khiển, lưu trữ một số lượng lớn dữ liệu và dữ liệu có thể chia sẻ và cập nhật giữa các ứng dụng khác nhau

Trong phần này ta lần lượt tìm hiểu về cơ sở dữ liệu GIS hay dữ liệu địa lý, CDSL

và hệ quản trị CSDL (HQT CSDL)

2.7.1 Dữ liệu địa lý

Dữ liệu GIS – tức dữ liệu địa lý có thể lấy từ nhiều nguồn khác nhau như anh hàng không, bản đồ trực ảnh (orthophotomap), bản đồ nền địa hình lập từ ảnh hàng không, bản đồ địa hình lập từ số liệu đo đạc mặt đất, bản đồ địa chính, bản đồ địa lý tổng hợp từ các loại bản đồ địa hình, báo cáo, thống kê có tham chiếu địa lý… Dữ liệu địa lý bao gồm phần không gian và phần thuộc tính

2.7.2 Thể hiện dữ liệu địa lý

 Phần không gian:

Trong mô hình dữ liệu địa lý, thế giới thực được quy về các loại đối tượng điểm, đường, vùng và bề mặt liên tục (miền) Các đối tượng này được lưu trữ trong máy tính theo mô hình vector hoặc raster Trong mô hình raster, không gian thực được xem như ma trận lưới các ô (cell, pixel) liên tục cạnh nhau Mỗi ô mang một vị trí

và giá trị nhất định để thể hiện và phản ánh không gian thực Trong khi đó, mô hình vector dựa trên cơ sở là các điểm có tạo độ để biễu diễn các đối tượng thông qua điểm đường vùng Theo đó, điểm được biểu diễn bằng 1 cặp tọa độ (x,y) Đường là

tập hợp của các điểm thành hướng, được biểu diễn thành X1, Y1; X2 , Y2 ; ; Xn , Yn Vùng là phần bên trong của một đường khép kín X1 , Y1 ; X2 , Y2 ; ; Xn ,

Yn, X1 , Y1 MÔ HÌNH DỮ LIỆU RASTER & VECTOR

A Thế giớ thực

R R

R R R R R

R R R R

P P P P

P H

S S S

200 300 400 500 600

River

House P

S

X-AXIS

B Sự biểu diển Raster C Sự biểu diển Vector

Hình 2.14 Mơ hình dữ liệu raster và vector

Trong mơ hình vector, đối tượng địa lý được biểu diễn theo cấu trúc spaghetti và topology Đối với cấu trúc spaghetti, mỗi đối tượng địa lý được mơ tả sử dụng các hình thực thể hình học độc lập, được xác định bởi tọa độ các điểm thành phần Vì vậy, ranh giới chung giữa 2 polygon liền kề nhau được ghi 2 lần và mối quan hệ khơng gian giữa các đối tượng khơng được mã hĩa Do đĩ, cấu trúc này khơng hữu hiệu khi cần phân tích khơng gian Trong khi đĩ, topology là một phương pháp tốn học được dùng để định nghĩa các quan hệ khơng gian Cấu trúc topology cho phép ghi nhận và xây dựng mối quan hệ giữa các đối tượng địa lý Trong cấu trúc này, cĩ các khái niệm node, arc, polygon Node (điểm nút) cĩ thể 1 điểm riêng biệt, hoặc là điểm giao nhau của 2 hay nhiều arc, hoặc là điểm kết thúc của 1 arc Arc (cung) là chuỗi với các điểm bắt đầu và kết thúc tại node Polygon là chuỗi khép kín của arc