Bài viết giới thiệu về phương pháp và kết quả xây dựng bản đồ số độ cao DEM từ bản đồ địa hình bằng phần mềm ArcGIS phục vụ xây dựng bản đồ ngập lụt cho trận lũ xảy ra vào tháng XI năm 1999 trên lưu vực sông Hương.
Trang 1XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO (DEM) PHỤC VỤ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ NGẬP LỤT CHO TRẬN LŨ NĂM 1999
HẠ LƯU LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG
Nguyễn Thị Bích Ngọc, Hoàng Thị Nguyệt Minh, Trần Văn Tình
Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội
Tóm tắt
Sông Hương là lưu vực quan trọng nhất của tỉnh Thừa Thiên Huế Địa hình lưu vực chủ yếu là đồi núi bị chia cắt mạnh, độ dốc lớn, đồng bằng ven biển nhỏ hẹp Lưu vực thường xuyên phải chịu ảnh hưởng bởi các trận bão lũ làm cho khu vực hạ lưu gây ngập lụt nghiêm trọng Do đó, các biện pháp phòng tránh thiên tai cần phải được thực hiện để hạn chế tác hại do bão, lũ gây nên Bài báo giới thiệu
về phương pháp và kết quả xây dựng bản đồ số độ cao DEM từ bản đồ địa hình bằng phần mềm ArcGIS phục vụ xây dựng bản đồ ngập lụt cho trận lũ xảy ra vào tháng XI năm 1999 trên lưu vực sông Hương.
Từ khóa: Bản đồ số độ cao, sông Hương, ngập lụt.
Creating a Digital Elevation Model (DEM) to conduct the map of fl oods 1999 in
the Hương river downstream
Abstract
The Huong River is the most important basin of Thua Thien Hue province The topography of the basin primarily is the strong dissected hills, high slope, small and narrow coastal plains The basin often aff ected by typhoons and tropical depressions cause downstream areas of the Huong River often facing with extreme fl ooding in large area Therefore, the natural disaster prevention measures to need to be taken
to reduce the harm caused by the storm and fl ood This paper introduces the method and result of creating digital elevation model based on large scale topography map
by ArcGIS software to construct inundation mapping for fl ood in november 1999 for the Huong river basin.
Keyword: A digital elevation model (DEM), Hương river, fl ood
1 Mở đầu
Lưu vực sông Hương là một trong
những lưu vực sông lớn của miền
Trung, lưu vực nằm trọn trong tỉnh
Thừa Thiên Huế Diện tích lưu vự c
sông Hương và cá c lưu vự c phụ cậ n là
3760 km2 (hình 1), trong đó diện tích
lưu vự c chí nh củ a sông Hương 2830
km2 còn các lưu vực sông phụ cậ n có
tổng diện tích hơn 900 km2 bao gồm:
Sông Nông, sông Cầ u Hai, sông Truồ i,
sông Phú Bà i Cửa thoát nước ra biển
c ủa lưu vực là cửa Thuận An và cửa Tư Hiền nhưng trước khi dòng chảy sông Hương đổ ra biển đã được điều hoà qua hệ thống đầm phá ven biển là Tam Giang, Thuỷ Tú và Cầu Hai [2] Lưu vực Sông Hương là vùng giao tranh của các khối không khí lớn tràn đến từ các phía kết hợp với điều kiện địa hình có Đèo Ngang ở phía Bắc, Đèo Hải Vân ở phía Nam, dãy Trường Sơn ở phía Tây
và Biển Đông càng thể hiện rõ thêm sự biến động của của các hiện tượng: Bão, mưa lớn, gió nóng
Trang 2Địa hình trên lưu vực sông Hương
tương đối phức tạp chủ yếu là đồi núi
và đặc biệt ở khu vực cửa sông có hệ
thống đầm phá ven biển nên nếu lũ trên
các sông thượng nguồn có pha trùng
nhau thì vùng đồng bằng hạ lưu bị ngập
sâu trên diện rộng gây thiệt hại nghiêm
trọng cho người dân thuộc khu vực đó
và đặc biệt là ở thành phố Huế Do đó,
cần có công cụ mang tính trực quan mô
tả quy mô và mức độ ảnh hưởng của lũ
lụt nhằm nâng cao nhận thức về mức
độ nguy hiểm của mưa lũ lụt cho cộng đồng khu vực bị ảnh hưởng và phục vụ công tác cảnh báo phòng chống lũ Tuy nhiên, các bản đồ số độ cao sẵn có ở khu vực nghiên cứu chưa đáp ứng về mức
độ chi tiết và chính xác để phục vụ xây dựng bản đồ ngập lụt, nên vấn đề xây dựng bản đồ số độ cao cho lưu vực là rất cần thiết
Hình 1: Lưu vực sông Hương và phụ cận [4]
2 Phương pháp thành lập bản
đồ DEM
2.1 Khái niệm
Mô hình số độ cao (Digital
Elevation Model, DEM) là sự thể hiện
bằng số độ cao của bề mặt đất, độ cao
của tầng đất, của mực nước ngầm,… so
với độ cao của mực nước biển DEM
được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh
vực: môi trường, địa lý, nghiên cứu tai
biến thiên nhiên,… Mô hình số độ cao
địa hình là phương pháp mô hình hoá
và biểu diễn gần đúng địa hình bề mặt
của khu vực nghiên cứu thông qua một
bề mặt mô phỏng từ một hàm số xác
định trên một không gian liên tục bởi tập hợp các giao tuyến độ cao Gọi Z là hằng số độ cao, Z sẽ là một hàm số ba biến Z = f(x, y, h) Trong hệ thông tin địa lý DEM được biểu diễn như một ma trận độ cao [3]
2.2 Các phương pháp thành lập DEM
Hiện nay có rất nhiều phương pháp
để thành lập bản đồ DEM, trong đó có những phương pháp chính như: Phương pháp chụp ảnh lập thể, phương pháp xây dựng DEM từ bản đồ địa hình và phương pháp công nghệ giao thoa radar (InSAR):
Trang 3Hình 2: Vệ tinh chụp ảnh thu tín hiệu từ
Trái Đất để tạo DEM
2.2.1 Phương pháp chụp ảnh
lập thể
Sử dụng các dụng cụ chuyên chụp
ảnh để thu thập dữ liệu của một vùng với
các giá trị thuộc tính không gian x, y, z
của các điểm trên bề mặt quả đất Đây là
phương pháp đòi hỏi số điểm kiểm soát
nhiều và đòi hỏi kỹ thuật cao trong chụp
và xử lý ảnh Những công cụ thường xây
dựng DEM bằng phương pháp chụp ảnh
lập thể sử dụng ảnh hàng không như ảnh
vệ tinh, ảnh máy bay Đặc điểm của ảnh này là có thể kết hợp thông tin ảnh của mặt đất kết hợp với mô hình số độ cao thành lập nên bản đồ 3 chiều chân thực
về lớp phủ Trái đất Các dạng DEM phổ biến loại này là DEM xây dựng từ vệ tinh ASTER và DEM từ vệ tinh SPOT
2.2.2 Phương pháp xây dựng DEM
từ bản đồ địa hình
Bản đồ địa hình được thể hiện dưới dạng đường đồng mức và các điểm
độ cao thường được xây dựng từ các phương pháp quan trắc trắc địa được
số hóa dưới dạng đường đồng mức, mỗi đường đồng mức thể hiện một giá trị cao độ trên bản đồ như trong hình 3
Sử dụng công nghệ của hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System) ta có thể xây dựng bản đồ mô hình số độ cao DEM từ các bản đồ địa hình dạng đường đồng mức và các điểm cao độ này bằng các phần mềm GIS như Mapinfo, ArcGIS
Hình 3: Các điểm cao độ và đường đồng mức của bản đồ địa hình lưu vực sông Hương
Trang 42.2.3 Phương pháp xây dựng DEM
sử dụng công nghệ giao thoa Radar
DEM được xây dựng chủ yếu dựa
trên đường đồng mức của các bản đồ đã
được số hóa hoặc các kỹ thuật quan sát
lập thể của ảnh hàng không hay từ dữ
liệu khảo sát địa hình thu trực tiếp từ
việc khảo sát thực địa của khu vực tương
đối nhỏ Trong những năm gần đây,
radar khẩu độ tổng hợp SAR (Synthetic
Aperture Radar) đã được phát triển khá
mạnh với ưu thế cho phép thu ảnh có
độ phân giải cao và từ hai ảnh thu được
bởi kỹ thuật SAR, có thể xây dựng được
DEM dựa trên việc sử dụng thông tin
pha của tín hiệu radar
Dựa trên các phương pháp xây dựng
bản đồ số độ cao, trong khuôn khổ bài
báo sử dụng phần mềm ArcGIS với số liệu đầu là các trị số độ cao địa hình và đường đồng mức được chiết xuất từ các mảnh bản đồ địa hình tỉ lệ lớn 1/2.000, 1/5.000, 1/10.000 ở khu vực trung lưu
và hạ lưu lưu vực để xây dựng DEM với kích thước ô lưới là 10 m x10 m Bản đồ
số độ cao xây dựng được sẽ là địa hình đầu vào phục vụ tính toán xây dựng bản
đồ ngập lụt cho lưu vực sông Hương
2.3 Dữ liệu địa hình để xây dựng DEM cho lưu vực sông Hương
Địa hình là tài liệu quan trọng quyết định mức độ chính xác khi xây dựng bản
đồ ngập lụt Bài báo sử dụng các mảnh bản đồ có tỷ lệ lớn là 1/10.000, 1/5.000
và 1/2.000 (bảng 1) để thành lập bản đồ
số độ cao DEM cho lưu vực sông Hương
Bảng 1: Thông tin về bản đồ địa hình sử dụng để thành lập DEM
Tỉ Lệ Dạng
Thời gian thành lập (Năm)
Cơ quan thành lập
Cơ quan cung cấp
Hệ tọa độ
Hệ
độ cao
Lưới chiếu
1/10.000;
1/5.000;
1/2.000
Số có
đuôi
*.dgn
2006
Bộ Tài nguyên và Môi trường
Công ty Đo đạc Ảnh địa hình
Quốc gia VN-2000
Quốc gia Hòn Dấu, Hải Phòng
UTM
2.4 Các bước thực hiện và kết quả
xây dựng bản đồ DEM cho lưu vực
sông Hương
Việc tạo ra một bản đồ số độ cao
DEM từ một bản đồ địa hình theo các
đường đồng mức độ cao trên bản đồ địa
hình được chuyển đổi ra DEM dạng số
liệu fl oat theo một quá trình gồm nhiều
bước (bảng 2) Trong ArcGIS các đường
đồng mức độ cao dạng số có đuôi *.dgn
đầu tiên phải chuyển thành dạng Vectơ
Sau đó, các đường đồng mức dạng Vectơ phải được gắn các giá trị độ cao tương ứng Các số liệu dạng Vectơ đã được gắn các giá trị sau đó được chuyển đổi thành dạng lưới được phủ lên trên bởi một thuật toán nội suy Cuối cùng, các giá trị độ cao được ghi ra dưới dạng Raster dưới dạng
dữ liệu fl oat có đuôi *.fl t
Quá trình các bước thực hiện để xây dựng bản đồ số độ cao phục vụ tính toán ngập lụt trong bảng 2:
Bảng 2: Các bước thực hiện để xây dựng bản đồ số độ cao DEM từ bản đồ địa hình
trong phần mềm ArcGIS
Bước Nội dung các bước Lớp dữ liệu
1 Chuyển đổi dữ liệu địa hình dạng số có đuôi *.dgn sang định dạng xử lý được trong ARC GIS (dạng Personal
Geodatabase có đuôi *.mdb)
Điểm (point); Chú thích (annotation); Đường (line)
và vùng (Polygon)
2 Gộp tất cả các mảnh bản đồ thành 1 fi le Điểm; Chú thích; Đường
3 Chuyển lớp chú thích về các giá trị độ cao để gán vào lớp dữ liệu điểm Điểm; Chú thích
Trang 5Bước Nội dung các bước Lớp dữ liệu
4 Lọc các giá trị nằm trên đường đồng mức (∆H = 5 m) Điểm
5 Gán các giá trị độ cao vào đường đồng mức Chú thích, Đường
6 Kết hợp các điểm độ cao và đường đồng mức để nội suy thành dữ liệu lưới Raster Điểm; Đường
7 Chuyển đổi dữ liệu Raster sang dữ liệu fl oat có đuôi *.fl t Raster
Kết quả xây dựng bản đồ DEM kích thước 10 m × 10 m được thể hiện ở hình
4 Bản đồ DEM này được sử dụng làm địa hình đầu vào xây dựng bản đồ ngập lụt cho vùng hạ lưu lưu vực sông Hương ở bước tiếp theo
Hình 4 : Kết quả DEM khu vực nghiên cứu xây dựng từ dữ liệu địa hình trong ArcGIS
3 Ứng dụng DEM để xây dựng
bản đồ ngập lụt lưu vực sông Hương
Về nguyên tắc cần phải tính toán
xây dựng bản đồ ngập lụt với nhiều trận
lũ thực tế xảy ra trên lưu vực đã được
hiệu chỉnh, kiểm định trong quá trình
diễn toán thủy lực kết hợp với các số
liệu điều tra vết lũ của các trận lũ đó để
đánh giá mức độ chính xác của địa hình
DEM đã xây dựng được Tuy nhiên, do
hạn chế về số liệu đo đạc điều tra vết
lũ cũng như số liệu thống kê tình hình
ngập lụt về lũ trên lưu vực, nên trong bài
báo chỉ tiến hành xây dựng bản đồ ngập
lụt cho trận lũ lịch sử xảy ra vào tháng
XI năm 1999 và đánh giá với 18 vết lũ điều tra
Trước đây, các phiên bản HEC-RAS từ 4.1 trở về trước chưa có khả năng tự tính toán độ sâu ngập, diện ngập
để xây dựng bản đồ ngập lụt mà cần phải thông qua modul HEC-GEORAS
sử dụng để tích hợp giữa dữ liệu địa hình và kết quả mô phỏng thủy lực bằng HEC-RAS trên nền ArcGIS Bắt đầu từ phiên bản HEC-RAS 5.0 thì phần mềm
đã có khả năng tự thành lập bản đồ ngập lụt từ kết quả chạy thủy lực và địa hình DEM bằng tool RAS Mapper mà không cần đến modul HEC-GEORAS
Trang 6Tuy nhiên, khi sử dụng công cụ RAS
Mapper để tính toán thì dữ liệu địa hình
đưa vào phải ở đuôi (*.fl t) Lưới độ sâu
kết quả ngập tính toán ra được lưu trữ
theo định dạng *.tif, dữ liệu diện ngập ở
định dạng Shapefi le rất phù hợp để khi
sử dụng phần mềm GIS thành lập bản
đồ ngập lụt
Bản đồ ngập lụt được xây dựng dựa trên kết quả tính toán thủy lực cho hệ thống sông Hương Kết quả hiệu chỉnh
và kiểm định và cho kết quả hợp lý, việc kết hợp với bản đồ số độ cao DEM 10×10
m để tính toán xây dựng bản đồ ngập lụt cho trận lũ năm 1999, được kết quả như hình 5 thông qua tool RAS Mapper trong phần mềm HEC-RAS 5.0.3 [4]
Hình 5: Bản đồ ngập lụt lưu vực sông Hương trận lũ lịch sử tháng XI năm 1999
Hình 6: Cao trình mực nước thực đo và tính toán tại các điểm điều tra vết lũ
Trang 7Kiểm tra lại kết quả xây dựng bản
đồ ngập lụt bài báo so sánh kết quả tính
toán với số liệu điều tra vết lũ thu thập
được của trận lũ năm 1999 như trong
hình 6 Kết quả kiểm tra về cao trình
mực nước ngập tại 18 điểm điều tra vết
lũ thì giá trị giữa thực đo và tính toán là
khá phù hợp Sai số về mức ngập giữa
tính toán và thực đo dao động chủ yếu
trong khoảng từ 0,03 ÷ 0,25 m
4 Kết luận
Bài báo đã xây dựng bản đồ số độ
cao địa hình (DEM) 10×10 m cho lưu vực
sông Hương từ các mảnh bản đồ địa hình
tỷ lệ lớn 1/2.000, 1/5.000 và 1/10.000
thông qua phần mềm ArcGIS 10.1 để
nâng cao mức độ chi tiết của địa hình và
tăng cường mức độ chính xác cho bản đồ
ngập lụt được thành lập DEM xây dựng
được là dữ liệu đầu vào phục vụ thành
lập bản đồ ngập lụt cho vùng hạ lưu lưu
vực sông Hương ứng với trận lũ lịch sử
xảy ra vào tháng XI năm 1999
Bản đồ số độ cao DEM 10×10 m
kết hợp với kết quả tính toán thủy lực
cho mạng lưới sông Hương xây dựng
bản đồ ngập lụt lưu vực sông Hương
Kết quả bước đầu đánh giá với các điểm
điều tra vết lũ thu thập được trên lưu
vực là khá phù hợp Bản đồ ngập lụt
xây dựng được có thể đưa vào để phục
vụ cảnh báo ngập lụt cho lưu vực sông Hương Tuy nhiên, do hạn chế về số liệu nên nghiên cứu này cũng chỉ đánh giá thông qua với 18 điểm điều tra vết lũ
vị trí chủ yếu thuộc khu vực thành phố Huế Trong hướng nghiên cứu tiếp theo cần phải tính toán đánh giá thêm với các trận lũ khác xảy ra trên lưu vực
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phạm Văn Chiến, Trần Thục
Nghiên cứu dự báo lũ lưu vực sông Hương
Viện khí tượng thủy văn : Hội thảo khoa học lần thứ 9.
[2] Trường Đại học Thủy Lợi (2000)
Thuyết minh tổng hợp điều tra khảo sát lũ lịch sử hệ thống sông Hương - Tỉnh Thừa Thiên Huế, Hà Nội.
[3] Đặng Thanh Mai (2010) Nghiên
cứu ứng dụng mô hình WETSPA và HECRAS mô phỏng, dự báo quá trình lũ trên hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia, Trung
tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia.
[4] Nguyễn Thị Bích Ngọc (2016),
Nghiên cứu xây dựng bản đồ ngập lụt phục
vụ cảnh báo lũ cho lưu vực sông Hương,
luận văn thạc sĩ, Trường đại học khoa học
tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội.
[5] HEC (Hydrologic Engineering
Center), (2016), HEC-RAS River Analysis
System, Applications guide Hydrologic
Engineering Center.
BBT nhận bài: Ngày 5/7/2017; Phản biện xong: Ngày 5/8/2017