Nghiên cứu tích hợp hệ cảm biến và hệ thống thông tin địa lý phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường

BỘ GIÁO DỤC
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ ĐÀO TẠO
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP HỆ CẢM BIẾN VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
ĐỊA LÝ PHỤC VỤ QUẢN LÝ
TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

HÀ NỘI - 2023


BỘ GIÁODỤC
VÀĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOAHỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆTNAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ

NGUYỄN ANH TUẤN
NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP HỆ CẢM BIẾN VÀ HỆ THỐNG
THÔNG TIN ĐỊA LÝ PHỤC VỤ QUẢN LÝ
TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ TÀI NGUNVÀMƠITRƯỜNG

Mã số:9 44 02 20
Xác nhậncủaHọcviện
Người hướngdẫn1
dẫn2KhoahọcvàCơngnghệ
(Ký, ghi rõ họtên)

PGS.TS.LêTrung
Thành

Hà Nội - 2023

Người hướng
(Ký, ghi rõhọtên)

TS. NguyễnThanh
Hoàn


1

Lời cam đoan
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kếtquảnêutrongluậnánlàtrungthựcvàchưatừngđượcaicôngbốtrongbất kỳ công trình
nàokhác.
Hà Nội, ngày tháng 7 năm 2023
Tác giả luận án

Nguyễn Anh Tuấn

Lời cảm ơn
LuậnánđãđượcthựchiệnthànhcơngtạiKhoaĐịalý,HọcviệnKhoahọcvàCơngngh
ệ,ViệnHànlâmKhoahọcvàCơngnghệViệtNamdướisựhướngdẫnsátsao,tậntìnhcủaPGS.
TSLêTrungThànhvàTS.NguyễnThanhHồn.Tác giả luận án bày tỏ lịng biết ơn
sâu sắc nhất đến
cácthày,nhữngngườiđãdànhnhiềuthờigian,tâmsứcđểhướngdẫn,độngviên,hướngdẫn
chotácgiảtháogỡnhữngkhúcmắctrongqtrìnhnghiêncứuvàhồnthànhluậnánnày.Tác
giảcũngxinbàytỏlịngbiếtơntớitồnthểcánbộnghiêncứu,nhàkhoahọctại
ViệnĐịalý,cácthày,cơtạiHọcviệnKhoahọcvàCơngnghệđãhỗtrợ,độngviênvàtạomọ
iđiềukiệntốtnhấtđểtácgiảhồnthànhđượcluận
án.
Để có được kết quả nghiên cứu này, tác giả chân thành cảm ơn Ban Chủ
nhiệm đề tài cấp Nhà nước mã số: BĐKH.30/16-20 đã hỗ trợ về tư liệu, địa
bàn nghiên cứu, và phương pháp nghiên cứu. Xin cảm ơn Lãnh đạo Trường
Quốc tế và đồng nghiệp đã tạo điều kiện để tác giả có thời gian đăng ký học
nghiên cứu sinh và hoàn thành được chương trình đào tạo nghiên cứu sinh.
Cuốicùng,tácgiảcảmơngiađình,bạnbèđãđộngviên,giúpđỡcảvềvật chất và
tinh thần để tác giả có thể hồn thành được luận ánnày.
Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2023
Tác giả luận án

Nguyễn Anh Tuấn


Một số kí hiệu viết tắt
Stt

Ký hiệu

1

2

AI
API

3

4
5
6

7
8
9
10

11

Ý nghĩa

Artificial intelligence (trí tuệ nhân tạo)
Application Programming Interface (Giao diện
lập trình ứng dụng là các phương thức, giao
thứckếtnốivớicácthưviệnvàứngdụngkhác)
ARPANET
Advanced Research Projects Agency Network
làmộtđầugóichuyểnmạchmạngvàmạngđầu
tiên để thực hiện các giao thức TCP / IP
AVR
Automatic Voltage Regulator là hệ thống tự

độngđiềukhiểnđiệnápđầucựcmáyphátđiện
Bộ NN&PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn
BS
Base station: trạm gốc là thiết bị thông tin vô
tuyến và/ hoặc phụ trợ dùng tại một vị trí cố
định và được cấp điện trực tiếp hoặc gián tiếp
CH
Cluster head là node cụm trưởng trong mạng
cảm biến không dây
Cloud Server
Cloud Server là một dịch vụ lưu trữ và quản lý
máy chủ trên nền tảng đám mây
CSDL
Cơ sở dữ liệu
DARPA
Defense Advanced Research
ProjectsA g e n c y
làCơquanChỉđạocácDựánNghiêncứuQuốc
phòng Tiên tiến của Mỹ
API
ApplicationProgrammingInterface-Giaodiện
lập trình kết nối các ứng dụng


Stt

Ký hiệu

Ý nghĩa

12

Data Logger

13
14

DEM
RDBMS

15

FAO

16

FORTRAN

17

GIS

18

GPS

19

GSM

20

GUI

21
22

GW
HEC-HMS

23

HRU

24

IEEE

25
26

IoT
IWRM

27

MIKE-NAM

Data logger là một trong những công nghệ phổ
biếnhiệnnaytrongviệclưutrữvàtruyềnthơng

tin dữ liệu
Digital Elevation Model - mơ hình số độ cao
(Relational Database Management System) có
nghĩa là hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ.
Food and Agriculture Organizationo f t h e
United Nations là Tổ chức lượng thực và nơng
nghiệp Liên hợp quốc
Là một ngơn ngữ lập trình biên dịch, tĩnh, kiểu
mệnh lệnh dùng để xử lý dữ liệu
Geographic Information Systems - hệ thống
thông tin địa lý
Global Positioning System - hệ thống định vị
toàn cầu
Global System for Mobile Communications Hệ thống thơng tin di động tồn cầu
Graphical User Interface - Giao diện đồ họa
người dùng
Ground Water - Nước ngầm
Là một mơ hình tốn thuỷ văn được dùng để
tínhdịngchảytừsốliệuđolượngmưatrênlưu
vực
Hydrological Response Unit là đơn vị đồng
nhất về mặt thủy văn
Institute of Electrical and Electronics Engineers - Viện Kỹ sư điện và điện tử
Internet of Things - Internet vạn vật
Integrated Water Resources Management Quản lý tổng hợp tài ngun nước
Làmơhìnhthủyvăndạngbểchứadùngđểtính
tốn dịng chảy từ mưa


Stt

Ký hiệu

Ý nghĩa

28

MMI

29
30
31

MRR
MySQL
MZI

32

OSI

33

QUAL2E

34

RFID

35

Router

36
37
38

RS
Runoff
SCS

39

SDGs

40

SOI

41
42

SPW
SWAT

43

UAV

44

UTM

45

WEAP

MultimodeInterference-Cấutrúcgiaothoađa
mode
Microring Resonators - Bộ vi cộng hưởng
Là phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu
Mach-Zehnder interferometer - Giao thoa kế
Mach-Zehnder
Open Systems Interconnection - Mơ hình tham
chiếu kết nối các hệ thống mở
Là một mơ hình chất lượng nước sơng và dịng
chảy
Radio Frequency Identification - một cơng
nghệdùngkếtnốisóngvơtuyếnđểtựđộngxác
định và theo dõi các thẻ nhận dạng gắn vào vật
thể.
Bộ định tuyến là thiết bị mạng có chức năng
chuyểntiếpgóidữliệugiữacácmạngmáytính
Remote Sensing - Cơng nghệ viễn thám
Dòng chảy bề mặt
Soil Conservation System - phương pháp
đường cong sử dụng trong mơ hình SWAT để
đánhgiádịngchảyứngvớiloạiđấtvàtínhchất
đất
SustainableDevelopmentGoals-mụctiêuphát

triển bền vững của Liên hợp quốc
Silicon on Insulator - công nghệ silicon trên
chất cách điện
Surface plasmon wave - sóng plasmon bề mặt
Soil and Water Assessment Tool - phần mềm
công cụ đánh giá đất và nước
Unmanned Aerial Vehicle - Một loại phương
tiện bay không người lái
Universal Transverse Mercator - một phép
chiếu bản đồ ởViệtNam cịn gọi là phép chiếu
hình trụ.
Là một mơ hình tính tốn cân bằng nước


Stt

Ký hiệu

Ý nghĩa

46
47
48

Web Clients
Web Servers
WebGIS

49

WINS

50

WMO

51

WSN

52

WYLD

Máy khách của Web
Máy chủ của Web
Hệ thống thông tin địa lý hoạt động trên nền
tảng Web
Wireless Integrated Network Sensors - cảm
biến mạng khơng dây tích hợp
WorldMeteorologicalOrganization,viếttắttên
tiếngAnhWMO)làtổchứcchunmơnvềkhí
tượng của Liên Hợp quốc
Wireless Network Sensors - Mạng cảm biến
không dây
Water Yield là lượng nước từ các đơn vị đồng
nhất thủy văn (HRU) trong lưu vực được tính
trong mơ hình SWAT

Mục lục
Lời cảm ơn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
Một số kí hiệu viết tắt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iii

Danh sách hình vẽ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

x

Danh sách bảng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xiii

Mở đầu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chương1.

ii

1

Cơsởkhoahọcvàphươngphápnghiêncứutíchhợphệcảmbiến

và hệ thống thông tin địa lý phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường nước
trên lưu vực sông. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1
1.2

Chương2.

7

Tổngquanmộtsốkháiniệm.. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
Tổng quan các cơng trình nghiên cứu tích hợp hệ cảm biến
vàhệ thống thông tin địa lý phục vụ quản lý tài nguyên và
18
môitrườngnướctrênlưuvựcsông. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Trênthếgiới.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.2 ỞViệtNam.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.3 Ởkhuvựcnghiêncứu.. . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3 Phươngphápnghiêncứu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.1 Phươngphápkhảosátthựcđịa.. . . . . . . . . . . . . 30
1.3.2
PhươngphápsửdụngcơngnghệGISvàmơhìnhhóa. 30
1.3.3 Phươngphápthiếtkếhệcảmbiếnkhơngdây.. . . . . 31
1.3.4 Phươngpháplậptrìnhvàtíchhợphệthống.. . . . . . 32
1.4 Tiểukếtchương1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Ứngdụnghệthốngthơngtinđịalývàmơhìnhhóamơphỏngchế

độ dịng chảy tại lưu vực sông Nhuệ - Đáy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1

ĐặcđiểmcủalưuvựcsôngNhuệ-Đáy.. . . . . . . . . . . . .

35

35


2.2

2.3

2.4

2.5
Chương3.

Lựa chọn mơhìnhSWAT...................................................................38
2.2.1 Tổng quan về mơhìnhSWAT.................................................39
2.2.2 Mơ phỏng dịng chảytrongSWAT..........................................44
Ứng dụng GIS xử lý dữ liệu đầu vào chomơhình...........................48
2.3.1 u cầu dữ liệu đầu vào cho mơhìnhSWAT.............................48
2.3.2 Dữ liệu địa hình (mơ hình số độcao,DEM)........................50
2.3.3 Dữ liệuthổnhưỡng..............................................................52
2.3.4 Dữ liệu sửdụngđất..............................................................54
2.3.5 Dữ liệu khí tượngthủyvăn..................................................56
2.3.6 Các yêu cầu về chuẩn hóadữliệu........................................59
Thiết lập và hiệu chỉnhmơhình.......................................................59
2.4.1 Q trình thành lậpmơhình................................................59
2.4.2 Hiệu chỉnh và kiểm chứngmơhình.....................................63
2.4.3 Tính tốn lưu lượng dịng chảy và thành lập bản đồ
tàinguyên nước cho lưu vựcsôngNhuệ-Đáy.......................67
Tiểukếtchương2..............................................................................70
Nghiên cứu thiết kế hệ thống tích hợp mạng cảm biến khơng

dâyvàmơh ìn h h ó a trên n ề n tản g WebGISph ụ c v ụ q u ản lý tài n gu yê n và m
ôi
trường................................................................................................................................72

3.1

3.2

Thiết kế kiến trúc hệ thốngWebGIStích hợp dữ liệu từmạng
cảm biến khơng dây và mơhìnhhóa................................................73
3.1.1 Thiết kế kiến trúc vật lý củahệthống..................................73
3.1.2 Thiết kế kiến trúc logic củahệthống...................................74
3.1.3 Thiết kế cơ sở dữ liệu củahệthống.....................................76
3.1.4 Chuẩn hóa cơ sởdữliệu......................................................83
Thiếtkếhệcảmbiếnquantrắcmộtsốthơngsốkhítượng,thủy
văn tích hợp vào chomơhình..........................................................85
3.2.1 ThiếtkếhệcảmbiếntíchhợpsửdụngcơngnghệZigbee và bomạchArduino.......................................................85
3.2.2 Thiết kế nútđiềuphối..........................................................86
3.2.3 Thiết kế nútcảmbiến..........................................................88
3.2.4 Nguyên lý xử lý dữ liệu của hệcảmbiến.............................89


3.3

3.4
Chương4.

4.1

4.2

4.3

4.4

Thiếtkếcảmbiếnquangđođộmặncủanướcbiểndựatrêncơ
chế cộnghưởngtừ............................................................................96
3.3.1 Giới thiệu về cảmbiếnquang..............................................96
3.3.2 Cơ chế cảmbiếnquang........................................................97
3.3.3 Cấu trúc của cảmbiếnquang.............................................100
3.3.4 CấutrúccảmbiếnsửdụngMZIvớihaibộvicộnghưởng104
3.3.5
Ứngdụngcôngnghệ cảm bi ến q ua ng thiếtkếcảm
biến đo độ mặn có độnhạycao..........................................107
Tiểukếtchương3............................................................................117
Kết quả vàthửnghiệm...............................................................................118

Dữ liệu sử dụng trongluậnán.........................................................118
4.1.1 Dữ liệukhônggian.............................................................118
4.1.2 Dữ liệu theothờigian........................................................119
Tiếnhành thử nghiệm tại khu vựcnghiêncứu.................................119
4.2.1 Mơ tả địa bảnthửnghiệm..................................................119
4.2.2 Kịch bảnthửnghiệm..........................................................120
Kết quả tích hợp trên hệthốngWebGIS...........................................121
4.3.1 Tích hợp dữ liệucảmbiến.................................................121
4.3.2 Tích hợp kết quả mơ phỏng củamơhình..........................123
4.3.3 Đánh giá kết quảthửnghiệm.............................................124
Tiểukếtchương4............................................................................126

Kếtluận............................................................................................................................127

Danh sách hình vẽ
1.1
Phương pháp khơng ràng buộc [8]. . . . . . . . . . . . . . . . .81.2
Phương pháp ràng buộc [8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91.3
Phươngphápnhúng...................................................................................10
1.4 Quá trình phát triển của cơng nghệ cảmbiến[20]............................15
1.5
1.6

Kiến trúc phân tầng trong mạng cảm biến khơngdây[24]...............17
Khunghệthốngtíchhợpphụcvụgiámsátmơitrườngsửdụng
các cơng nghệ RS, GIS, WSN vàRE[29]........................................20
1.7 Kiến trúc của hệ thốngSWATShare[35].........................................22
1.8 ỨngdụngcácmơhìnhtrênnềntảngGISmơphỏnglưuvực
sơng Mekong(DHI,2015)................................................................24
1.9 Các tầng dữ liệu trong hệ thống tích hợp thơng tin liên ngành.2 9
1.10 Mơ hình mạng Zigbeehìnhsao........................................................32
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9

Địa giới hành chính của lưu vực sơng Nhuệ-Đáy..........................37

BảnđồlưuvựchồForkởđơngbắcTexasvớiphânbốsửdụng
đất và mạng lưới sơngngịi[61].......................................................40
Chia nhỏ lưu vực hồ Fork thành các tiểu lưuvực[61].....................41
Sơ đồ vòng tuần hồnthủyvăn.........................................................42
SơđồtínhtốnthủyvănvàdịngbùncáttừcácHRU/Tiểulưu
vực..................................................................................................43
Sơ đồ đường chuyển động của nước đượcSWATsửdụng...............44
Bản đồ dữ liệu DEM của lưu vực sông Nhuệ-Đáy........................51
Dữ liệu thổ nhưỡng tại lưu vựcsôngĐáy.........................................53
Dữ liệu sử dụng đất tại lưu vựcsôngĐáy.........................................55


2.10 TươngquanlượngmưavàlưulượngdịngchảytạitrạmBa
Thá từ năm 1978đến1980...............................................................56
2.11 Vị trí các trạm khí tượngthủyvăn....................................................57
2.12 Lượngmưangàytại03trạmkhítượngHàĐơng,BaThá,Như
Tân(2011-2020)...............................................................................58
2.13 Nhiệt ngày tại trạm Khí tượng HàĐơng(2011-2020).......................58
2.14 Tổng quan các tham số đầu vào và đầu ra của mơ hìnhSWAT. 60
2.15 Q trình mơ phỏng, phân chia lưu vực thành các tiểulưuvực
61
2.16 Độ dốc được phân thành 5 lớp theo quy ước của Bộ Nơngnghiệp
và Phát triểnnơngthơn.....................................................................62
2.17 LưulượngdịngchảyđượchiệuchỉnhtạitrạmBaThágiai
đoạn1978-1979...............................................................................66
2.18 Lưu lượng dòng chảy được kiểm chứng tại trạm Ba Thán ă m
1980.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
2.19 Bản đồ trữ lượng nước mặt của lưu vực sông Nhuệ-Đáyn ă m
2020.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15

Kiến trúc hệ thống thơng tin tích hợpliênngành.............................73
Luồng xử lý dữ liệu trong hệ thống tíchhợpWebGIS.......................75
Mơ hình cơ sở dữ liệu quan hệ trong hệ thốngiSFMOnline............83
Cấu trúc dữ liệu của hệ thống dữ liệu địakhơnggian.......................84
Cấu trúc của một mơ hình hệ thốnggiámsát...................................85
Cấu trúc nútđiềuphối......................................................................87
Thành phần chính của thiết bị nútđiềuphối.....................................87
Cấu trúc nút cảm biến đo nhiệt độ vàđộẩm....................................88
Cấu trúc nút cảm biến đolượngmưa...............................................89
Giản đồ xử lý dữ liệu từ thiết bịcảmbiến........................................90
Nguyên lý thiết kế của hệ thốngquantrắc.......................................91
Quá trình xử lý chuỗi dữ liệu củahệthống......................................92
Quá trình xử lý dữ liệu tại nútđiềuphối...........................................95

Cấu trúc chung của hệ thống cảmbiếnquang..................................96
Nguyên tắc chung của cảm biến quang khôngdùngnhãn................97


3.16
3.17
3.18
3.19
3.20
3.21
3.22
3.23
3.24
3.25
3.26
3.27
3.28
3.29
3.30
3.31
3.32
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7

Sơ đồ hệ thống đo độ mặn qua hệ thống cảmbiếnquang.................98

Cấu trúc cảm biếnhuỳnhquang........................................................99
Thay đổi chiết suất hiệu dụng trong ống dẫnsóngquang...............100
Cấu trúc cảmbiếnMZI...................................................................101
Ống dẫnsóngrỗng..........................................................................102
CáchtửBragg.................................................................................102
Cấu trúc khe ốngdẫnsóng..............................................................103
Cấu trúc cảm biến dựa vào bộ vicộnghưởng.................................104
Cấu trúc cảm biến sử dụng MZI với hai bộ vicộnghưởng.............105
Giá trị vi phân của hàm truyền theobướcsóng...............................106
Cấutrúccảmbiếnquang đođộmặnnướcbiểndựatrênbộ
ghép2x4MMI................................................................................109
Cấu hình cơ bản trong chế độ đơn và chệ độ dẫn sóng đa mode111
Chiết suất nơng độ NaCl trong dung dịchnướcbiển......................113
Chuyển đổi bước sóng trong thiết bịcảmbiến...............................114
Cộng hướng bước sóng tại các nồng độ NaClkhácnhau................114
Cáckếtquảmơphỏngcủaviệcchuyểnđổitínhiệuquacấu
trúccảmbiến..................................................................................115
Cấu trúc tích hợp với hệthốngIoT.................................................116
Lắp đặt thử nghiệm hệ cảm biến tại trạm khí tượng HàĐơng
và trạm thủy vănNhưTân..............................................................119
LượngmưatrungbìnhtheongàytạitrạmHàĐơngtrongtháng
12năm2022...................................................................................120
Giao diện của hệ thống thơng tintíchhợp......................................122
Chức năng theo dõi lượng mưa trung bìnhtheotháng....................123
Lưul ư ợ n g d ò n g c h ả y t ạ i m ộ t k h ú c s ô n g t r ê n l ư u v ự c s ô n g
Nhuệ-Đáy.....................................................................................124
Kết quả kiểm định nút cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm
trongphịngthínghiệm...................................................................125
Kếtquảquantrắcnhiệt độvàđộẩmtạitrạmkhítượng Hà
Đơng truyền về trung tâm và lưu trữ trênhệthống........................125

Danh sách bảng
1.1
1.2

Đặcđiểmcủamộtsốmơhìnhthủyvăncholưuvựcsơngtheo
các giai đoạn phát triển củacơngnghệ.............................................12
Tiêuchuẩn lựa chọn mơ hình theo Tổ chức khí tượng thế
giới(WMO).....................................................................................14

2.1
2.2
2.3
2.4
2.5

Bảng thơng tin dữ liệuđầuvào.........................................................49
Bảng thông tinloạiđất......................................................................52
Bảng thông tin loại sửdụngđất........................................................54
Thông số phân tích độ nhạy đối với chế độdịngchảy.....................64
Thơng số phân tích độ nhạy đối với chế độdịngchảy.....................66

3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7

3.8
3.9
3.10
3.11

Bảng thơng tintrạmmưa..................................................................76
Bảng thơng tin vềlưuvực................................................................77
Bảng thơng tin điểm thốtnước(outlet)...........................................77
Bảng thơng tin cáckhúcsơng...........................................................78
Bảng thơng tin của các tiểulưuvực.................................................79
Bảng thông tin về đơn vị đồng nhất về tác động thủy văn (HRU)80
Bảng thông tin của các loại sửdụngđất...........................................81
Bảng thông tin của các tiểulưuvực.................................................81
Bảng thông tin dữ liệu mưatheogiờ................................................82
Bảng thông tin dữ liệu mưatheongày..............................................82
Bảng thông tin quá trình chạymơhình............................................82


1

Mở đầu
1. Tính cấp thiết của đềtài

ỞViệtNamcũngnhưtrênthếgiớivấnđềquảnlýtàingunvàmơitrường ln là chủ đề
được các nhà quản lý, các cơ sở đào tạo, viện nghiên cứuquan tâm. Quản lý tài nguyên và
môi trường có vai trị rất quan trọng đối với sự phát triển kinh tế, xã hội, đảm bảo sự ổn định về sinh kế,
chính
trị,
và
anninh

quốcphịngcủamỗiquốcgia.Trongđócóvấnđềquảnlýtàingunnướcvà
mơitrườngtrêncáclưuvựcsơng.Nướclàtàingunrấtquantrọngvàkhơng
thểthiếuđốivớisựsốngtrêntráiđất.Ngàynaydướisựtácđộngcủacáchoạt động phát
triển kinh tế, xã hội đã gây ra hiện tượng biến đổi khí hậu trên quy mơ tồn cầu
dẫn đến thời tiết, khí hậu thay đổi thất thường theo
hướngcựcđoandẫnđếncáchiệntượnglũlụt,hạnhánlàmsuythối,cạnkiệttàingun
nước trên các lưu vựcsơng.
Năm 2015 Liên hợp quốc đã thông qua 17 mục tiêu phát triển bền vững,
trong đó có mục tiêu ”nước sạch và vệ sinh”. Năm 2017 Chính phủViệtNam
đã ban hành Kế hoạch hành động quốc gia thực hiện Chương trình nghị sự
2030 vì sự phát triển bền vững (Quyết định số 622/QĐ-TTg ngày 10 tháng 5
năm2017),trongđóđãđềra17mụctiêupháttriểnbềnvữngvà115mụctiêu
cụthể.BộTàingunvàMơitrườngđượcgiaonhiệmvụtriểnkhai”Giámsát hiệu quả việc
khai thác, sử dụng tài ngun nước; đảm bảo chất lượng nguồn nước sinh hoạt và cấp
đủ cho nhân dân; theo dõi, đánh giá, dự báo tình hình suy thối, cạn kiệt, xâm nhập
mặn nguồn nước; thúc đẩy chia sẻ tài nguyên nước xuyên biêngiới”.
Đểgiảiquyếtcácvấnđềvềquảnlýtàinguyênvàmôitrườngnướcđặcbiệt
làquảnlýtàinguyênnướctrêncáclưuvựcsôngcácnhàkhoahọcởViệtNam


và trên thế giới đã thực hiện nhiều nghiên cứu ứng dụng tiến bộ của các
công nghệ như công nghệ viễn thám (RS), hệ thống thông tin địa lý
(GIS),mạngcảm biến không dây (WSNs), Internet vạn vật(IoTs).Những công
nghệ này phù hợp để áp dụng cho các nghiên cứu tại những khu vực có
phạm
virộngl ớ n nhưlưuvựcsơng.Kếthợpcáccơngnghệtrêngiúpchocácnhàkhoahọc,
nhà quản lý xây dựng được các hệ thống giám sát tự động từ xa để phát hiện các
hiện tượng tai biến thiên nhiên, theo dõi các hiện tượng thời tiết cựcđoanảnhhưởngtới
mơitrường,mộtsốvấnđềđượcquantâmnhưlũlụt,hạnhán,xâmthựcmặn.Trongnhữngnămquađãcócácnghiên
cứunhưkếthợpgiữacơngnghệGISvàIoTs,GIS và mạng cảm biến khơngdây,hay GIS với

cơng
nghệviễnthámvàIoTsđểxâydựngcáchệthốngcókhảnăngthuthậpdữliệu
nhanhchóng,phântíchvàtrựcquanhóadữliệuthuthậpđượchỗtrợchocơng tác quản lý và
ra quyết định [1,2,3,4,5,6].
ViệtNam là quốc gia có hệ thống sơng ngịi dày đặc cung cấp nguồnnước
chocácnhucầudânsinh,sảnxuấtnơng,lâmngưnghiệp.Dođóviệcquảnlý,bảovệtàingunnướctạicác
lưu
vực
sơng
đóng
vai
trị
rất
quan
trọng.
Phạmvicủacáclưuvựcsơngthơngthườngnằmởcáckhuvựcliêntỉnhvàcó diện tích lớn,
do vậy quản lý tài nguyên nước ở các lưu vực vẫn là một thách thức hiệnnay.Đặc
biệt là tài nguyên nước mặt và sự thay đổi về lưu lượng dịng chảy trên sơng
là những thơng số quan trọng cần được nắm bắt thường
xun,liêntục.Trongkhiđóđểđầutưhạtầngvàduytrìhoạtđộngcủamộthệ thống quan trắc
trên lưu vực sông với mật độ điểm quan trắc đủ để phân tích, đánh giá cần chi phí rất
lớn. Dovậy,giải pháp kết hợp dữ liệu khơng gian và
thờigianvớimơhìnhhóađểmơphỏngcácthơngsốtàingunvàmơitrường trên lưu vực
sông là một giải pháp tối ưu và khả thi. Hiện nay ởViệtNam và
trênthếgiớiđãcómộtsốnghiêncứuxâydựngcáchệthốngtíchhợpgiữadữ
liệuthờigianvàdữliệukhơnggianđểphụcvụcơngtáctheodõi,đánhgiátài
ngunvàmơitrường.Tuynhiêndữliệuđượcthuthậpđểxửlý,phântíchvà
đánhgiátheothờigianthựcmớidừngởphạmvicácđiểmquantrắc,khuvựccóphạmvịh
ẹp,chẳnghạnnhưtạicácđiểmơnhiễm,haylưulượngdịngchảy tại một số mặt cắt nhất
định. Do vậy việc nghiên cứu xây dựng một hệthốngtích hợp dữ liệu không gian,

thời gian và dữ liệu thuộc tính đáp ứng đượccác


yếutốthuthậptựđộngdữliệutừhệcảmbiếnkếthợpvớiviệcứngdụngcơng nghệ GIS và
mơ hình thủy văn để thực hiện các mơ phỏng và hiển thị kếtquảtại nhiều vị trí
khác nhau theo thời gian thực là rất cầnthiết.
Dựatrêntìnhhìnhnghiêncứuvềgiảiphápxâydựnghệthốngtíchhợpliên
ngành
ởViệtNam và trên thế giới phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường nói
chung và tài nguyên nước trên các lưu vực sơng nói riêng đã đặt ra một số
hướng nghiên cứu có tính thời sự hiệnnay.Nhận được sự hướng dẫn tận
tìnhcủaPGS.TSLêTrungThành,TS.NguyễnThanhHồnvàcácthàycơtạiViệnĐịa
lý,ViệnHàn lâm khoa học và công nghệViệtNam tôi đã lựa chọn đề
tài:”Nghiên cứu tích hợp hệ cảm biến và hệ thống thông tin địa lý phục vụ quản
lýtàinguyênvàmôitrường”đểtậptrunglàmsángtỏmộtsốnộidungvềchủđềnày,đồng
thời gợi mở các hướng nghiên cứu liênquan.
2. Mục tiêu nghiêncứu
2.1. Mục tiêuchung

Đề xuất xây dựng một giải pháp công nghệ giám sát và quản lý tài nguyên
nước tự động theo thời gian thực tại lưu vực sông Nhuệ - Đáy sử dụng công
nghệ WEBGIS trên cơ sở tích hợp dữ liệu nền địa lý, mơ hình thủy văn vàhệ
cảm biến khơngdây.
2.2. Mục tiêu cụthể

+ĐánhgiáđượctìnhhìnhtàingunnướctrênlưuvựcsơngNhuệ-Đáydựa trên kết quả
mơ phỏng từ mơ hình thủyvăn;
+Làmrõđượckhảnăngkếtnốidữliệukhítượngvàomơhìnhtheothờigianthực
để
tiến hành mô phỏng tài nguyên nước trên lưu vực sông Nhuệ -Đáy;

+ Thiết kế được hệ cảm biến quan trắc khí tượng và mơi trường nước có khả
năng tích hợp lên mạng cảm biến khơng dây;
+Thiếtkế,xâydựngđượchệthốngthơngtinWebGIStíchhợptựđộngdữliệu từ mạng cảm
biến khơng dây vào mơ hình để tiến hành mơ phịng tàingunnước trên lưu vực
sơng theo thời gianthực.
3. Nội dung nghiêncứu

- Tổngquantìnhhìnhnghiêncứuứngdụngmạngcảmbiếnkhơngdâykếthợp với mơ hình
hóa và dữ liệu nền địa lý GIS trong quản lý tài nguyên nướcởViệtNam và trên
thếgiới.


- ỨngdụngcơngnghệGISvàmơhìnhthủyvănmơphỏngcácyếutốvềdịng chảy phục
vụ quản lý tài ngun nước trong lưu vựcsông
- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ cảm biến tích hợp thu thập một số thơng số
khí tượng, thủy văn làm đầu vào cho mơhình.
- Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc cảm biến quang đo độ mặn của nước phục vụ
giám sát khả năng xâm thực mặn vùng cửa biến trên lưu vực sông theo thời
gianthực.
- Nghiên cứu xây dựng hệ thống thơng tin WEBGIS tích hợp tự động dữ liệu
từ cảm biến vào mơ hình để thực hiện mơ phỏng dịng chảy và trực quan hóa
dữ liệu tài nguyên nước và môi trường trên lưu vực sông theo thời gian thực
hỗ trợ ra quyếtđịnh.
4. Đối tượng và phạm vi nghiêncứu
Đối tượng nghiên cứu:Luận án nghiên cứu các vấn đề liên quan tới khả năng

tích hợp hệ cảm biến và hệ thống thông tin địa lý (GIS) kết hợp với mơ hình
thủy văn để quản lý, giám sát tài nguyên nước và một số thông số môitrường
trênlưuvựcsông,baogồm:
- Vấn đề mơ phỏng lưu lượng dịng chảy trên lưu vực sông sử dụng hệ thống

thông tin địa lý và mô hình thủyvăn;
- Vấnđềquantrắctựđộngmộtsốthơngsốkhítượng,thủyvănsửdụngmạng cảm biến
khơngdây;
- Cấu trúc cảm biến quang đo độ mặn củanước;
- VấnđềtíchhợpdữliệuquantrắclênhệthốngWebGISlàmđầuvàochomơ hình để
mơ phỏng yếu tố lưu lượng dịng chảy trên lưu vựcsơng;
Phạm vi lãnh thổ:Lưu vực sông Nhuệ - Đáy thuộc không gian địa giới của 05
tỉnh, thành phố Hịa Bình, Hà Nội, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình.
Phạmvikhoahọc:Luận ántậptrungnghiêncứuvềmạngcảmbiếnkhơngdây,ngun lý
thiết kế cảm biến quang và giải pháp xây dựng hệ thốngWEBGIStích hợp
mơ hình, dữ liệu theo không gian và thời gian phục vụ quản lýtàinguyên
nước và môi trường trên các lưu vựcsông.
5. Điểm mới của luậnán

- XâydựngđượcmộthệthốngWEBGIStíchhợpdữliệucảmbiếnkhơngdây
vàdữliệunềnđịalývàomơhìnhthủyvănphụcvụquảnlýtàingunnước


trên lưu vực sơng theo thời gian thực;
- Nghiêncứu,thiếtkếđượcmộthệcảmbiếncóthểtíchhợpcácloạicảmbiến khơng dây
khác nhau phục vụ theo dõi, giám sát các thông số khí tượng,thủyvănvàmơitrường;
- Nghiêncứu,thiếtkếđượcmộtcấutrúccảmbiếnquangđođộmặncủanước có khả
năng tích hợp lên mạng cảm biến khôngdây.
6. Các luận điểm bảovệ

- Luận điểm 1: Hệ thống thơng tin tích hợp đầy đủ các dữ liệu về
khơnggian,thời gian và thuộc tính hình thái của một lưu vực sơng là giải
pháp khoa học cơng nghệ có khả năng hỗ trợ hiệu quả cho công tác quản lý
tài nguyên nước và môi trường ở các lưu vựcsông.
- Luậnđiểm2:Giảiphápthiếtkếcấutrúccảmbiếnquangđođộmặncủanước và hệ thống

tích hợp các cảm biến khơng dây có khả năng quan trắc dữ liệu
khítượng,thủyvănvàmơitrườngtheothờigianthựcđónggóphiệuquả,thiết thực cho cơng
tác theo dõi, giám sát và quản lý tài nguyên và môitrường.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luậnán
Ýnghĩakhoahọc:

Luận án đóng góp cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu trong việc ứng
dụnghệcảmbiếnkhơngdâykếthợpvớimơhìnhthủyvănvàhệthốngthơngtin địa lý
phục vụ quản lý tổng hợp tài nguyên nước trên lưu vựcsông.
Ý nghĩa thực tiễn:

Kếtquảnghiêncứucủaluậnánlàcơsởkhoahọcvàphươngtiệnhữuíchgiúp cho các nhà
quản lý, hoạch định chính sách tham khảo để phát triển
cácứngdụngtrongthựctiễnnhằmquảnlýhiệuquảtàinguyênvàmôitrườngnướctạicác
lưu vực sông ởViệtNam.
8. Cấu trúc của luậnán
CấutrúccủaluậnángồmcácphầnMởđầu,Kếtluậnvà4chươngtrìnhbàyphương
phápluậnđểgiảiquyếtbàitốnđặtratrongviệcnghiêncứu,thiếtkếvàxâydựnghệ

thống

WEBGIS tích hợp dữ liệu nền địa lý, mơ hình hóa và hệ cảm biến khơng dây phục vụ quản
lý tài nguyên nước và môi trường tại lưu vực sông Nhuệ -Đáy.
Chương1.Cơ sởkhoahọcvàphươngphápnghiêncứutíchhợphệcảmbiến

vàhệthốngthơngtinđịalýphụcvụquảnlýtàingunvàmơitrườngnước