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

ĐẠ
ẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯ
TRƯỜNG
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA MÔI TRƯỜNG
TRƯ NG VÀ TÀI NGUN

GIS VÀ RS HỖ
H TRỢ TÍNH TỐN
NGẬP LỤT
T Ở CÁC LƯU VỰC
C SƠNG

GVHD: Th.S Lưu Đình Hiệp
p
Nhóm 2:
Võ Thị Xuân Đào

1811832

Lê Ngọc Nhật Quỳnh

1813771

Trần Tường Vy

1814857

TP.HCM, 2020

MỤC LỤC
I.

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI 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 tốn 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 NGỒI NƯỚC
ĐỐI VỚI HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA BÀI THUYẾT TRÌNH:
1. Đề tài nghiên cứu
 Lưu vực sơng là gì?
-

Lưu vực sơng là vùng đất mà trong phạm vi đó nước mặt, nước dưới đất chảy tự
nhiên vào sơng và thốt ra một cửa chung hoặc thốt ra biển.

-

Lưu vực sơng gồm có lưu vực sơng liên tỉnh và lưu vực sơng nội tỉnh

 Tìm hiểu về ứng dụng GIS và RS?
-

Thông tin và dữ liệu được lưu trữ và quản lí trên bản đồ giấy hoặc bản vẽ kĩ
thuật, trên CAD

-

Biết được thơng tin về vị trí của đối tượng, đồng thời cũng biết thêm thơng tin
về thuộc tính

-

Quản lí chặt chẽ thông tin, hiển thị thông tin dưới dạng các bản đồ báo cáo dễ
hiểu

-

Kết hợp dữ liệu nhiều nguồn khác nhau, tổng hợp thông tin

2. Thực trạng
-

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 sơng 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 tốn 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 Gịn) 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 Mơn.
Qui hoạch đơ thị kém
Công tác thống kê, dự báo chưa được quan tâm.
Các dự án thốt nước thi cơng khơng đồng bộ, chồng chéo , làm tắc nghẽn
dòng chảy, gây ngập.
Hệ thống đê bao chống ngập lụt khơng hữu hiệu.
Hệ thống thốt 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
- Mã số
- Tên đường, tên quận
- Vị trí bắt đầu điểm ngập
- Vị trí kết thúc ngập
 ĐỢT TRIỀU
- Ngày triều cường
- Cao độ dự báo
- Thời gian dự báo

 TRẠM ĐO VŨ LƯỢNG
- Mã trạm
- Tên trạm
 CỬA XẢ
- Mã số
- Tên cửa xả
- Tên quận
- Tên trạm đo vũ lượng
 SỐ LIỆU ĐO TẠI CÁC ĐIỂM NGẬP
- Điểm ngập
- Độ sâu ngập H (m)
- Diện tích ngập S (m2)
- Thời gian nước rút T (phút)
- Mức độ 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 hơm đó
Vũ lượng:
- Thơng 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:
a. Phương pháp xây dựng dữ liệu GIS
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 thốt nước

Hình 1: Sơ đồ tuyến thốt nước
 Để chuyển nguồn dữ liệu CAD này sang GIS áp dụng quy trình qua 6 bước
sau:
Bước
1
2
3
4
5
6

Tiến trình thực hiện
Phân tích các đối tượng theo lớp dữ liệu
Chuyển đổi định dạng dữ liệu CAD sang GIS
Nắn dữ liệu GIS chuyển đổi theo dữ liệu nền GIS
Kiểm tra, hiệu chỉnh dữ liệu không gian và tạo topology
Kiểm tra, xử lý, liên kết dữ liệu thuộc tính

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
GIS
này
do:
– Dữ liệu CAD được vẽ tham chiếu trên nền không cùng hệ tọa độ với bản đồ
nền
GIS;
– Tỷ lệ áp dụng khi vẽ trên CAD không giống với tỷ lệ bản đồ nền tham chiếu
GIS;
– Tham chiếu nền trên bản vẽ CAD khơng có nguồn gốc từ bản đồ nền;
– Sai số trong quá trình thao tác của người vẽ CAD…

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 khơng gian. Đây là cơng đoạn quan trọng nhằm góp phần
tăng chất lượng dữ liệu GIS tuyến thoát nước.
Để nắn chỉnh nguồn dữ liệu GIS hệ thống thốt nước, sử dụng cơng 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 mơ hình hệ thống

Hình 4: Mơ hình tổng thể hệ thống GIS quản lí hệ thống thốt nước


Trong các mơ hình hệ thống quản lý đối tượng di động theo thời gian thực, tích hợp cơng
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 cơng 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 Mơ hình phát triển ứng dụng của hệ thống

-

 Tầng cơ sở dữ liệu:
Hệ thống cơ sở dữ liệu (CSDL) GIS thiết kế và cài đặt trên hệ quản trị dữ liệu
Microsoft SQL Server Express phiên bản 2005 trở lên;

 Tầng ứng dụng:
- Tầng ứng dụng phát triển theo giải pháp: phần mềm ứng dụng theo mơ hình
Client/Server;
- Giải pháp phần mềm ứng dụng khao thác CSDL GIS của hệ thống phát triển dựa
trên bộ công cụ mã nguồn mở DotSpatial của tổ chức OSGeo. Ngôn ngữ lập trình

C#, Net Framework 4.0, bộ cơng cụ lập trình Microsoft Visual Studio 2010
Express.
 Tầng giao diện:
- Phần mềm GIS quản lý hệ thống thoát nước phục vụ tác nghiệp tại HEPCO, liên
quan đến các phịng, xí nghiệp sau: (1) Phịng Tổ chức – Hành chính; (2) Phịng
Kỹ thuật; (3) Xí nghiệp Thoát nước;


-

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 sơng
 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 sơng .
 Bước 1: Tạo DEM
- DEM: mơ 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)
Mơ 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 tốn xác định hướng dịng chảy theo mơ hình 8 hướng trên
(Flow Direction)
Hướng dịng 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 ơ lưới (Flow
Accumulation)
Flow Accumulation: Lưu lượng tích luỹ.
Được xác định bằng cách tính tổng số ơ lưới tập trung nước về ơ đó theo hướng
dịng chảy.
Chọn vào cơng 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 sơng và tính tốn các đặc trưng của nó.

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

4. Các phần mềm kết hợp với ứng dụng GIS tính tốn ngập lục ở các lưu vực
sơng.
 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 cơng cụ lập mơ 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 mơ hình mưa rào-dịng chảy,
mơ 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 mơ đun mưa dịng chảy, MIKE
MOUSE cho dịng chảy trong kênh hở và cống ngầm, MIKE21 mơ phỏng
dịng 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 mơ hình MIKE FLOOD.
-

Nền tảng GIS cho phép mơ hình MIKE FLOOD mơ 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 phịng chống và giảm nhẹ
thiên tai. Đồng thời, cơng nghệ viễn thám - GIS cịn 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 tốn ngập lụt ở các lưu vực
sơng góp phần giúp cơng 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 Mơ hình
MIKE 11 trong tính tốn 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, .

-

Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ viễn thám và GIS trong tính tốn diện tích
ngập lụt lưu vực sơng 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 sơng Ba - Bùi Minh Hịa
(2012)

BẢNG PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC
STT

Họ và tên

Nhiệm vụ

1

Võ Thị Xuân Đào

Phần I,III

2

Lê Ngọc Nhật Quỳnh

Phần II mục 1,2

3

Trần Tường Vy

Phần III, II mục 3,4