XỬ LÝ SỐ VÀ ĐỒNG BỘ HÓA SỐ LIỆU ĐỊA HÌNH, SỐ LIỆU BIÊN MÔ HÌNH MIKE 21

Thu thập và xử lý dữ liệu là một giai đoạn có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với bất kỳ một quá trình nghiên cứu nào. Đối với mô hình toán cũng vậy, mức độ đầy đủ, chi tiết của dữ liệu hay độ chính xác của dữ liệu quyết định một phần rất lớn đến việc phản ánh kết quả của một mô hình tính toán. Trên thực tế việc thu thập dữ liệu và xử lý nó thường tiêu tốn khá nhiều thời gian, vì không chỉ việc thu thập dữ liệu với những dữ liệu tản mạn nằm rải rác gây ra khó khăn rất lớn mà còn một thực tế khác gây cản trở cho điều này. Đó là các dữ liệu nằm ở rất nhiều dạng khác nhau, thể hiện có sự đặc thù cho mỗi công việc, mỗi ngành đều khác có sự khác nhau nhất định. Yếu tố đầu tiên và quan trọng nhất đối với mô hình thủy động lực Mike 21 FM hay bất kỳ một mô hình nào với tính năng tương tự đó là mức độ chính xác của địa hình. Vì vậy số liệu địa hình cần thiết mức độ chính xác cao, địa hình càng gần với thực tế bao nhiêu thì sự phản ánh chế độ thủy động lực càng rõ ràng và sát thực tế bấy nhiêu. Về nguyên tắc, việc tính toán cho thời gian nào thì địa hình và các dữ liệu phải đồng bộ cho khoảng thời gian đó. Mô hình được thiết lập trong thời gian gần nhất nhằm đưa lên bức tranh tổng thể về sóng, triều….cho thời gian hiện tại và có điều kiện để so sánh với thực tế. Trên thực tế, thông thường sự biến đổi địa hình do các yếu tố sóng, dòng chảy, tải trọng ven bờ….chủ yếu xảy ra ở khu vực gần bờ. Khu vực nước sâu xa bờ, địa hình đáy biển tương đối ổn định. Vì vậy số liệu địa hình sử dụng ở đây là sự kết hợp, chồng lớp giữa số liệu mới nhất cho khu vực cửa sông gần bờ và số liệu lưu trữ cho khu vực ngoài khơi. Tương tự như địa hình, điều kiện biên cũng có vai trò quan trọng ảnh hưởng đến kết quả tính toán. Các điều kiện biên đầu vào có thể là dữ liệu về mực nước, dữ liệu về sóng, dòng chảy, mưa, lũ…Mỗi mô hình tính toán có yêu cầu khác nhau về biên đầu vào và tùy vào mục tiêu tính toán. Các dữ liệu biên thông thường cũng tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như dữ liệu số hóa, dữ liệu thống kê dạng word hoặc excel, thậm chí là dữ liệu kết quả của một mô hình mô phỏng khác. Như vậy cần đồng bộ hóa tất cả các dữ liệu về một định dạng phù hợp với mô hình sử dụng, đồng thời tiện lợi cho quản lý cơ sở dữ liệu sau này.

CHUYÊN ĐỀ XỬ LÝ SỐ VÀ ĐỒNG BỘ HÓA SỐ LIỆU ĐỊA HÌNH, SỐ LIỆU BIÊN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Tổng quan

Thu thập và xử lý dữ liệu là một giai đoạn có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với bất kỳ một quá trình nghiên cứu nào Đối với mô hình toán cũng vậy, mức độ đầy đủ, chi tiết của dữ liệu hay độ chính xác của dữ liệu quyết định một phần rất lớn đến việc phản ánh kết quả của một mô hình tính toán

Trên thực tế việc thu thập dữ liệu và xử lý nó thường tiêu tốn khá nhiều thời gian,

vì không chỉ việc thu thập dữ liệu với những dữ liệu tản mạn nằm rải rác gây ra khó khăn rất lớn mà còn một thực tế khác gây cản trở cho điều này Đó là các dữ liệu nằm

ở rất nhiều dạng khác nhau, thể hiện có sự đặc thù cho mỗi công việc, mỗi ngành đều khác có sự khác nhau nhất định

Yếu tố đầu tiên và quan trọng nhất đối với mô hình thủy động lực Mike 21 FM hay bất kỳ một mô hình nào với tính năng tương tự đó là mức độ chính xác của địa hình Vì vậy số liệu địa hình cần thiết mức độ chính xác cao, địa hình càng gần với thực tế bao nhiêu thì sự phản ánh chế độ thủy động lực càng rõ ràng và sát thực tế bấy nhiêu

Về nguyên tắc, việc tính toán cho thời gian nào thì địa hình và các dữ liệu phải đồng bộ cho khoảng thời gian đó Mô hình được thiết lập trong thời gian gần nhất nhằm đưa lên bức tranh tổng thể về sóng, triều….cho thời gian hiện tại và có điều kiện

để so sánh với thực tế

Trên thực tế, thông thường sự biến đổi địa hình do các yếu tố sóng, dòng chảy, tải trọng ven bờ….chủ yếu xảy ra ở khu vực gần bờ Khu vực nước sâu xa bờ, địa hình đáy biển tương đối ổn định Vì vậy số liệu địa hình sử dụng ở đây là sự kết hợp, chồng lớp giữa số liệu mới nhất cho khu vực cửa sông gần bờ và số liệu lưu trữ cho khu vực ngoài khơi

Tương tự như địa hình, điều kiện biên cũng có vai trò quan trọng ảnh hưởng đến kết quả tính toán Các điều kiện biên đầu vào có thể là dữ liệu về mực nước, dữ liệu về sóng, dòng chảy, mưa, lũ…Mỗi mô hình tính toán có yêu cầu khác nhau về biên đầu vào và tùy vào mục tiêu tính toán Các dữ liệu biên thông thường cũng tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như dữ liệu số hóa, dữ liệu thống kê dạng word hoặc excel, thậm chí

là dữ liệu kết quả của một mô hình mô phỏng khác Như vậy cần đồng bộ hóa tất cả các dữ liệu về một định dạng phù hợp với mô hình sử dụng, đồng thời tiện lợi cho quản lý cơ sở dữ liệu sau này

1 Đồng bộ hóa số liệu địa hình

Dữ liệu thu thập và phân tích thuộc đề tài bao gồm nhiều dữ liệu về bản đồ và bản

vẽ, trong đó có những dữ liệu được lưu lại từ thời gian dài trong quá khứ khi mà công nghệ thông tin còn chưa phát triển, thời gian đó các dữ liệu bản đồ được lưu lại cho đến ngày nay phần nhiều là các bản đồ giấy và bản đồ dạng ảnh Từ yêu cầu thực tế cần thiết chuyển những dữ liệu về dạng số nhằm phụ vụ công tác tính toán và phân tích các nội dung trong đề tài, công tác số hóa đóng vai trò đặc biệt quan trọng

Qua thực tế sử dụng và sự phổ cập của các chương trình xử lý địa hình Có thể biết được rằng có nhiều chương trình có thể đáp ứng được các yêu cầu khác nhau về xử lý địa hình từ các đầu vào khác nhau Các chương trình thông dụng như Mapinfo, ArcGis, Microstation, AutoCad, Topo, Civil 3D…đều là những chương trình rất mạnh

có thể ứng dụng để xử lý địa hình từ các dạng đầu vào đơn giản đến phức tạp như các bản đồ số, bản đồ giấy, bình đồ, dữ liệu địa hình chuyển giao qua lại giữa các chương trình cũng được thực hiện giữa các chương trình rất thuận tiện

Trong khuôn khổ chuyên đề không đề cập đến hướng dẫn sử dụng phần mềm để xử

lý địa hình, các vấn đề cần quan tâm khi xử lý được trình bày như trong phần dưới đây tại mục 2

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát quá trình số hóa biên tập bản đồ

Thiết kế dữ liệu

Khi thành lập bản đồ số, người ta phải chuẩn bị các dữ liệu liên quan tới công việc dựa vào mục đích thành lập bản đồ như: thu thập tài liệu, xác định tỷ lệ, thiết kế nội dung, ký hiệu…Đối với bản đồ số thành lập bằng hệ thống phần mềm của Intergraph, ngoài các công việc thường trên, cần thiết phải thiết kế các phần chính sau:

- Quét bản đồ: Bản đồ sau khi thu thập được quét trên các máy quét khổ lớn dưới dạng ảnh nhị phân (binary) với độ phân giải thích hợp, thường là 300DPI, ảnh quét được lưu dưới dạng TIF hoặc RLE

- Tạo file design chuẩn: Thực chất là một dạng file không chứa dữ liệu mà nó chứa các thông số quy định chế độ làm việc với Microstation, đặc biệt với dữ liệu là bản đồ số Đảm bảo tính thống nhất về cơ sở toán học giữa các file dữ liệu trên cùng một khu vực thì phải tạo một seedfile chứa tham số về hệ tọa độ, phép chiếuđúng với cơ sở toán học của các mảnh bản đồ giấy Sau đó các file bản đồ có cùng cơ sở toán học sẽ được tạo dựa trên nền seed file này Vì vậy, những mảnh bản đồ có cơ sở toán học khác nhau sẽ có những seed file khác nhau tương ứng

- Tạo bảng file đối tượng

- Thiết kế ký hiệu

MicroStation không cung cấp đầy đủ các kí hiệu bản đồ, font chữ tiếng Việt và bảng màu phù hợp Để đảm bảo bản đồ làm ra có đầy đủ các kí hiệu và kiểu chữ yêu cầu, người ta phải thiết kế các kí hiệu, bộ font và bảng màu Bao gồm:

Ký hiệu dạng điểm và pattern

Ký hiệu dạng đường

Sử dụng các font chữ trong MicroStation

Thiết kế bảng màu riêng

Nắn bản đồ

Mục đích của quá trình nắn ảnh bản đồ là chuyển đổi các pixel của ảnh quét từ tọa độ hàng, cột của các pixel về hệ tọa độ phẳng Ðây là bước quan trọng trong quá trình thành lập bản đồ số vì nó ảnh hưởng tới độ chính xác của các đối tượng bản đồ được vec-tơ hoá từ nền ảnh Quá trình này được thực hiện bằng cách chọn các cặp điểm tương ứng trên ảnh và bản đồ sau đó nội suy giá trị tọa độ của các pixel theo mô hình chuyển đổi hệ tọa độ cho trước Ðối với các ảnh quét từ bản đồ giấy, các điểm

khống chế được chọn để nắn ảnh thường là các điểm góc khung, điểm giao nhau của lưới Km và các điểm giao giữa lưới Km với khung bản đồ

Quá trình nắn bản đồ bao gồm hai quá trình:

- Tạo khung, lưới Km cho các mảnh bản đồ

- Nắn bản đồ trên IRASB

Vecto hóa đối tượng

Mục đích của quá trình là biển đổi dữ liệu Raster thành dữ liệu Vector Quá trình này được thực hiện dựa trên việc kết hớp các chương trình bổ trợ đi theo bộ phần mềm Sauk hi có file ảnh bản đồ đã được định vị chính xác làm nền, file bảng đối tượng được tạo với đầy đủ các lớp thông tin trên ảnh bản đồ cần vector hóa, người thao tác đã có thể sẵn sang dựa trên nền ảnh bản đồ để tạo ra dữ liệu vector trong file DGN Đối với mỗi kiểu dữ liệu khác nhau người thực hiện sẽ chọn công cụ thích hợp

Hoàn thiện và chuẩn hóa dữ liệu

Sau quá trình vector hóa, dữ liệu nhận được chưa phải đã hoàn thiện, các dữ liệu lúc này là dữ liệu thô, cần thiết quá trình kiểm tra, chỉnh sửa là làm hợp lý các dữ liệu Quá trình này bao gồm

- Kiểm tra và sửa chữa các lỗi thuộc tính đồ họa

- Sửa các lỗi riêng của dữ liệu dạng đường như làm trơn, lọc bỏ điểm thừa, đối tượng trùng nhau…

- Sửa các lỗi riêng của dữ liệu dạng điểm và dạng text

Biên tập và trình bày bản đồ

Các đối tượng bản đồ khi được thể hiện phải đảm bảo được tính tương quan về

vị trí địa lý và thẩm mỹ của bản đồ

Tạo vùng, tô màu, trải ký hiệu: Các đối tượng dạng vùng cần tô màu hoặc trải

ký hiệu Các đối tượng đó phải tồn tại dưới dạng shape hoặc complex shape Vì vậy qua bước tạo vùng để đóng kín các đối tượng này

Biên tập các ký hiệu dạng đường: Đối với các đối tượng dạng đường, khi tồn tại

ở dạng dữ liệu thì gặp nhau tại điểm nút và nó là một đối tượng đường duy nhất Để thể hiện nó dạng ký hiệu bản đồ thì có thể phải thể hiện bằng hai hoặc ba kiểu đường

1.1 Đồng bộ dữ liệu địa hình phục vụ mô hình 1 chiều

Địa hình phục vụ cho các kịch bản tính toán một chiều là các mặt cắt ngang đoạn sông nghiên cứu Từ các dữ liệu địa hình tồn tại ở các dạng khác nhau như bản đồ giấy, bản đồ số, hoặc dữ liệu địa hình từ các mô hình khác…cần thiết quy về một định dạng chung đồng bộ với mô hình sử dụng trong nghiên cứu Cụ thể, trong nghiên cứu thuộc phạm vi đề tài, dựa trên những phân tích về chọn lựa mô hình đã chọn mô hình như sau:

- Tính toán dòng chảy mưa rào: Mô hình NAM

- Tính toán ngập lụt: MIKE FLOOD

- Tính toán dòng chảy triều: MIKE 21 HD/ FM

- Tính toán chế độ sóng: MIKE 21 SW

Như vậy có thể thấy rằng, các dữ liệu địa hình ở các dạng khác nhau cần thiết được chuyển về định dạng mặt cắt ngang (Hình 2.2, Hình 2.3) phù hợp với định dạng đồng

bộ với mô hình 1 chiều Mike 11

Hình 2.2 Các mặt cắt trên mạng sông thể hiện bởi mô hình Mike 11.

Định dạng dữ liệu đồng bộ được thể hiện tại Bảng 2.1 Trong đó có 3 điều quan tâm chính đối với 1 mặt cắt để phục vụ lập địa hình cho mô phỏng 1 chiều

Cột 1: Khoảng cách ngang cộng dồn

Cột 2: Cao độ điểm tương ứng trên mặt cắt ngang với khoảng cách cộng dồn ở cột 1

Cột 3: Số tự nhiên tương ứng với quy ước bờ trái, bờ phải, lòng dẫn [1]

Bảng 2.1 Định dạng dữ liệu mặt cắt đồng bộ mô hình 1 chiều

(1) (2) (3)

Dữ liệu địa hình 1 chiều sau khi đồng bộ, chuẩn hóa được chuyển về mô hình Mike 11 có dạng như Hình 2.2 Phạm vi bên trái thể hiện dữ liệu sau khi đồng bộ được chuyển vào, phạm vi bên phải là hình dạng mặt cắt với dữ liệu tương ứng

Hình 2.3 Kết quả mặt cắt ngang sau khi đồng bộ để thực hiện các mô phỏng 1

chiều

1.2 Đồng bộ dữ liệu địa hình phục vụ mô hình 2 chiều

Tầm quan trọng của địa hình trong các tính toán có thể được xếp vào bậc nhất Dữ liệu địa hình đòi hỏi mức độ chi tiết khác nhau, tùy theo vấn đề cần nghiên cứu mà có yêu cầu khác nhau Tuy nhiên dữ liệu địa hình càng chi tiết thì càng tốt Như đã trình bày trong phần trên về địa hình 1 D, tương tự đó thì dữ liệu địa hình 2D cũng được thu

thập từ nhiều nguồn khác nhau, nhiều định dạng khác nhau và cần thiết đồng bộ về một loại dữ liệu phù hợp với mô hình Cụ thể trong mục này sẽ trình bày về địa hình phục vụ cho mô hình 2 chiều (Mike 21)

Bảng 2.2 Dữ liệu địa hình 2 chiều

Kinh độ hoặc tọa độ X Vĩ độ hoặc tọa độ Y Cao độ

Các giá trị ở cột 1, cột 2, cột 3 thể hiện thông tin điểm có dữ liệu cao độ và lưu dưới dạng file *xyz

Hình 2.4 Dữ liệu địa hình đồng bộ hóa và chuyển vào công cụ thiết lập lưới hai

chiều Mike 21.

Như vậy, việc đồng bộ hóa dữ liệu địa hình cho mô hình 2 chiều thực chất là quá trình số hóa các dạng bản đồ khác nhau với các đối tượng chủ yếu được quan tâm

là các đối tượng chứa dữ liệu độ sâu như các đường đồng mức, điểm đo Các dữ liệu sau khi số hóa chứa đựng thông tin về tọa độ và độ sâu được chuyển về cùng một định dạng file *xyz để phục vụ công tác thiết lập lưới tính toán và nội suy địa hình 2 chiều

Công tác biên tập và số hóa bản đồ không được trình bày chi tiết trong chuyên

đề, tuy nhiên những bước quan trọng đã được thể hiện tại mục 2 Kết quả số hóa và đồng bộ địa hình thể hiện trên Hình 2.4

2 Đồng bộ hóa dữ liệu biên

Một trong những công tác đồng bộ hóa dữ liệu nhằm phục vụ thiết lập đầu vào cho các tính toán mô hình một chiều, hai chiều có bao gồm đồng bộ hóa dữ liệu biên Biên mô hình được hiểu là ranh giới xa nhất trên phạm vi mô hình nghiên cứu Trong đó chia ra các loại biên cứng, biên lỏng Biên cứng chính là phần địa hình đã được đề cập tại các chỉ mục thuộc mục 2 Biên lỏng có thể bao gồm mực nước, lưu lượng, lượng mưa, chất lượng nước, nhiệt độ, độ muối….tùy từng bài toán mô phỏng

mà dùng các dữ liệu biên khác nhau Trong chuyên đề, quan tâm đến các tính toán thủy động lực, bởi vậy biên lưu lượng, mực nước, lượng mưa được quan tâm chính Các dữ liệu biên lỏng thông thường được lưu dưới dạng bảng và được chuyển về dạng chuỗi để chuyển vào công cụ tạo file*dfs0

Dữ liệu biên lưu lượng

Hình 3.1 và Hình 3.2 thể hiện kết quả sau khi đồng bộ hóa dữ liệu để chuyển vể định dạng phù hợp cho mô hình mô phỏng Dữ liệu lưu lượng được lưu dưới dạng file

*dfs0, Type: Discharge (Hình 3.2)

Hình 3.1 Đường quá trình lưu lượng và dữ liệu sau khi đồng bộ hóa được thể

hiện tương ứng

Hình 3.2 Định dạng dữ liệu biên lưu lượng.

Dữ liệu biên mực nước

Hình 3.3 và Hình 3.4 thể hiện kết quả sau khi đồng bộ hóa dữ liệu để chuyển vể định dạng phù hợp cho mô hình mô phỏng Dữ liệu mực nước được lưu dưới dạng file

*dfs0, Type: WaterLevel (Hình 3.4)

Hình 3.3 Đường quá trình mực nước và dữ liệu sau khi đồng bộ hóa được thể

hiện tương ứng

Dữ liệu biên lượng mưa

Hình 3.5 Đường quá trình mực nước và dữ liệu sau khi đồng bộ hóa được thể

hiện tương ứng

Hình 3.6 Định dạng dữ liệu biên mực nước.

Hình 3.5 và Hình 3.6 thể hiện kết quả sau khi đồng bộ hóa dữ liệu để chuyển vể định dạng phù hợp cho mô hình mô phỏng Dữ liệu lượng mưa và bốc hơi được lưu dưới dạng file *dfs0, Type: Evaporation, Rainfall (Hình 3.2)

3 Kết luận

Các chỉ dẫn và kết quả trong chuyên đề này thể hiện chủ yếu về phương pháp đồng

bộ dữ liệu đầu vào cho mô hình 1 chiều, 2 chiều Các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau tồn tại dưới nhiều định dạng khác nhau cần thiết được chuyển về cùng một loại

để sử dụng cho mô hình

Điều quan trọng nhất đối với đồng bộ dữ liệu, các dữ liệu sau khi chuyển về dạng

số phải phù hợp về định dạng về file, phù hợp định dạng dữ liệu:

+ Dữ liệu địa hình 1D: dạng file*xns11, dữ liệu gồm cao độ - khoảng cách ngang cộng dồn và định nghĩa vị trí đặc biệt (bờ trái, bờ phải, lòng dẫn…)

+ Dữ liệu địa hình 2D: dạng file *Mesh, *dfsu (sau khi nội suy và xuất kết quả địa hình), dữ liệu gồm Kinh độ- vĩ độ- độ sâu (với hệ tọa độ Long/Lat) hoặc X-Y-độ sâu (với hệ tọa độ phẳng) Lưu file dưới dạng *xyz

+ Dữ liệu biên: Dạng cột với dữ liệu theo thời gian (một cột thời gian, một cột dữ liệu tương ứng) Quan trọng nhất là định dạng dữ liệu để mô hình nhận diện

Mực nước: Type là WaterLevel

Lưu lượng: Type là Discharge

Bốc hơi: Envaporation

Lượng mưa: Rainfall

Tài liệu tham khảo

1 Mike 11 User Guide A modeling system for river and chanels DHI Software