hệ thống thông tin địa lý GIS

GVHD:TH.S Trần Hậu Vương Nhóm 05- 07MT112
Chương I: TỔNG QUAN
1. Khái niệm GIS:
Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic
Ifomation System) là hệ thống quản lý thông tin
không gian được phát triển dựa trên cơ sở công nghệ
máy tính với mục đích lưu trữ hợp nhất, mô hình
hóa, phân tích và miêu tả được nhiều loại dữ liệu, đã
kịp ra đời để đáp ứng được những yêu cầu trên
GIS được sử dụng để cung cấp thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn
cho các nhà hoạch định chính sách. Các cơ quan chính phủ dùng GIS trong
quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên, trong các hoạt động quy hoạch
mô hình hóa và quan trắc.
Thông tin địa lý là những thông tin quan trọng để đưa ra những quyết
định một cách nhanh chóng. Các phân tích GIS phụ thuộc vào chất lượng,
giá trị và tính tương thích của các dữ liệu địa lý dạng số. việc chia sẽ dữ liệu
sẽ kích thích sự phát triển các nhu cầu về sản phẩm và dịch vụ GIS. Các
nguồn dữ liệu tăng thêm nhờ sự kết hợp của GIS với GPS (hệ thống định cị
toàn cầu) và công nghệ viễn thám, dã cung cấp các công cụ thu nhập dữ liệu
hiệu quả hơn. GIS đã được công nhận là một hệ thống với nhiều lợi ích
không chỉ trong các công tác thu thập đo đạc địa lý mà còn trong công nghệ
điều tra tài nguyên thiên nhiên, phân tích hiện trạng và dự báo xu hướng
diễn biến tài nguyên môi trường.
Lập bản đồ và phân tích địa lý không phải là kỹ thuật mới, nhưng GIS
thực thi các công việc này tốt hơn và nhanh hơn các phương pháp thủ công
cũ. Trước công nghệ GIS, chỉ có một số ít người có những kỹ năng cần thiết
để sử dụng thông tin địa lý giúp ích cho việc giải quyết vấn đề và đưa ra các
quyết định.
Ngày nay, GIS là một ngành công nghiệp hàng tỷ đô la với sự tham
gia của hàng trăm nghìn người trên toàn thế giới. GIS được dạy trong các
trường phổ thông, trường đại học trên toàn thế giới. Các chuyên gia của mọi

lĩnh vực đều nhận thức được những ưu điểm của sự kết hợp công việc của
họ và GIS.
Ứng dụng GIS trong xây dựng mạng lưới quan trắc nước. 1
GVHD:TH.S Trần Hậu Vương Nhóm 05- 07MT112
2. Tài nguyên nước mặt và giới thiệu GIS trong quản lý nước mặt.
2.1 Tài nguyên nước mặt
Nước là nguồn tài nguyên quan trọng bậc nhất không chỉ đối với các
sinh vật sống trên trái đất, mà nó còn là yếu tố sống còn đối với vấn đề phát
triển kinh tế xã hội và sự tồn vong của mỗi quốc gia. Nước được sử dụng
trong tất cả các lĩnh vực, trong công nghiệp, nông nghiệp (trồng trọt, tưới
tiêu, chăn nuôi), năng lượng (thuỷ điện, làm mát các thiết bị,…), cấp nước
cho sinh hoạt và công cộng. Lượng nước sử dụng trong các lĩnh vực chính là
thước đo nhu cầu dùng nước và mức độ phát triển của các ngành nghề, các
lĩnh vực trong sự phát triển chung của nền kinh tế xã hội.
Tài nguyên nước mặt (dòng chảy sông ngòi) của một vùng lãnh thổ
hay một quốc gia là tổng của lượng dòng chảy sông ngòi từ ngoài vùng chảy
vào và lượng dòng chảy được sinh ra trong vùng (dòng chảy nội địa).
Tổng lượng dòng chảy sông ngòi trung bình hàng năm của nước ta
bằng khoảng 847 km3, trong đó tổng lượng ngoài vùng chảy vào là 507 km3
chiếm 60% và dòng chảy nội địa là 340 km3, chiếm 40%.
Nếu xét chung cho cả nước, thì tài nguyên nước mặt của nước ta
tương đối phong phú, chiếm khoảng 2% tổng lượng dòng chảy của các sông
trên thế giới, trong khi đó diện tích đất liền nước ta chỉ chiếm khoảng 1,35%
của thế giới. Tuy nhiên, một đặc điểm quan trọng của tài nguyên nước mặt
là những biến đổi mạnh mẽ theo thời gian (dao động giữa các năm và phân
phối không đều trong năm) và còn phân bố rất không đều giữa các hệ thống
sông và các vùng.
Ứng dụng GIS trong xây dựng mạng lưới quan trắc nước. 2
GVHD:TH.S Trần Hậu Vương Nhóm 05- 07MT112
Tổng lượng dòng chảy năm của sông Mê Kông bằng khoảng 500

km3, chiếm tới 59% tổng lượng dòng chảy năm của các sông trong cả nước,
sau đó đến hệ thống sông Hồng 126,5 km3 (14,9%), hệ thống sông Đồng
Nai 36,3 km3 (4,3%), sông Mã, Cả, Thu Bồn có tổng lượng dòng chảy xấp
xỉ nhau, khoảng trên dưới 20 km3 (2,3 - 2,6%), các hệ thống sông Kỳ Cùng,
Thái Bình và sông Ba cũng xấp xỉ nhau, khoảng 9 km3 (1%), các sông còn
lại là 94,5 km3 (11,1%).
Một đặc điểm quan trọng nữa của tài nguyên nước sông của nước ta là
phần lớn nước sông (khoảng 60%) lại được hình thành trên phần lưu vực
nằm ở nước ngoài, trong đó hệ thống sông Mê Kông chiếm nhiều nhất (447
km3, 88%). Nếu chỉ xét thành phần lượng nước sông được hình thành trong
lãnh thổ nước ta, thì hệ thống sông Hồng có tổng lượng dòng chảy lớn nhất
(81,3 km3) chiếm 23,9%, sau đó đến hệ thống sông Mê Kông (53 km3,
15,6%), hệ thống sông Đồng Nai (32,8 km3, 9,6%).
Khan hiếm và thiếu nước là mối đe doạ rất nghiêm trọng đối với sự
tồn tại của con người trong tương lai. Vì lẽ đó, cần có các giải pháp quản lý,
khai thác và bảo vệ tốt tài nguyên nước. Trước hết, cần phải củng cố, bổ
sung mạng lưới điều tra quan trắc tài nguyên nước, bao gồm cả nước mặt và
nước dưới đất, cả lượng và chất, hình thành mạng lưới quan trắc điều tra tài
nguyên nước thống nhất trong phạm vi cả nước, tiến hành kiểm kê đánh giá
tài nguyên nước trong các lưu vực sông, các vùng và toàn lãnh thổ. Trên cơ
sở kiểm kê đánh giá tài nguyên nước và cân bằng kinh tế nước mà xây dựng
chiến lược, chính sách phát triển bền vững tài nguyên nước quốc gia nói
chung và cho các lưu vực nói riêng. Cần thực hiện nghiêm chỉnh Luật Tài
nguyên Nước và đẩy mạnh hoạt động của Hội đồng Tài nguyên Nước Quốc
gia và Ban quản lý lưu vực các sông.
Ứng dụng GIS trong xây dựng mạng lưới quan trắc nước. 3
GVHD:TH.S Trần Hậu Vương Nhóm 05- 07MT112
Biểu đồ 6.1: Tổng hợp nhu cầu sử dụng nước trong các lĩnh vực theo xu h-
ướng thời gian (triệu m
3

/năm)

Nguồn: Tổng hợp từ Đề tài KC 12.07
2.2 Giới thiệu GIS trong quản lý nước mặt.
Nước là tài nguyên có thể tái tạo được
Nước tự nhiên được coi là nguồn tài nguyên vô giá đối với con người.
Với các quốc gia phát triển, tài nguyên nước đóng vai trò vô cùng quan
trọng và được đặt lên hàng đầu trong việc khai thác, sử dụng và quản lý với
quy mô lớn. Ngược lại, đối với những quốc gia chậm phát triển hoặc các
Ứng dụng GIS trong xây dựng mạng lưới quan trắc nước. 4
GVHD:TH.S Trần Hậu Vương Nhóm 05- 07MT112
nước đang phát triển, vai trò của nước vẫn chưa được nhận thức rõ ràng,
song hành với điều đó là việc sử dụng lãng phí và ít có động thái để bảo tồn
và sử dụng hiệu quả nguồn khoáng sản quý báu này.
Do đó, một số dự án hợp tác quốc tế đã kết hợp với các quốc gia này để
thực hiện và triển khai nhận thức về vai trò của nước, hỗ trợ khai thác, sử
dụng và quản lý tổng hợp nguồn tài nguyên nước một cách hợp lý, bền vững
và hiệu quả.
Công tác nghiên cứu, quản lý và quy hoạch sử dụng tài nguyên nước
phải sử dụng một khối lượng dữ liệu rất lớn, đa lãnh mực, với nhiều cấp độ
chi tiết khác nhau, ngoài ra rất nhiều phân tích mang tính không gian được
sử dụng. Ở nhiều nơi trên thế giới, GIS được sử dụng rất hiệu quả cho công
tác qui hoạch và quản lý tài nguyên nước vì GIS hỗ trợ rất nhiều công cụ
mạnh để thu thập, xử lý, lưu trữ và phân tích dữ liệu không gian. Do đó,
việc xây dựng một hệ thốngthông tin địa lý nhằm phục vụ cho công tác quản
lý tài nguyên nước cho vùng là hệt sức cần thiết.
Theo những chuyên gia GIS kinh nghiệm nhất thì có rất nhiều ứng dụng
đã phát triển trong những tổ chức quan tâm đến môi trường. Với mức đơn
giản nhất thì người dùng sử dụng GIS để đánh giá môi trường, ví dụ như vị
trí và thuộc tính của cây rừng. Ứng dụng GIS với mức phức tạp hơn là dùng

khả năng phân tích của GIS để mô hình hóa các tiến trình xói mòn đất sư lan
truyền ô nhiễm trong môi trường khí hay nước, hoặc sự phản ứng của một
lưu vực sông dưới sự ảnh hưởng của một trận mưa lớn. Nếu những dữ liệu
thu thập gắn liền với đối tượng vùng và ứng dụng sử dụng các chức năng
phân tích phức tạp thì mô hình dữ liệu dạng ảnh (raster) có khuynh hướng
chiếm ưu thế.
Chương II: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN GIS TRONG QUẢN
LÝ NƯỚC MẶT
1. Quan trắc lưu vực sông.
Việc xây dựng chương trình quan trắc cho
từng LVS đòi hỏi phải tuân theo các bước
trong hướng dẫn đảm bảo chất lượng và kiểm
soát chất lượng (QA/QC) trong quan trắc môi
trường, bao gồm các nội dung sau:
a) Lựa chọn phương án quan trắc phù hợp với
từng LVS
- Xác định các nguồn gây tác động, dạng chất gây ô nhiễm chủ yếu đối với
các khúc sông và trong cả lưu vực. Điều này sẽ giúp bố trí các điểm quan
trắc cho phù hợp;
Ứng dụng GIS trong xây dựng mạng lưới quan trắc nước. 5
GVHD:TH.S Trần Hậu Vương Nhóm 05- 07MT112
- Xác định ranh giới khu vực quan trắc;
- Xác định các vấn đề, đối tượng rủi ro tiềm năng trong khu vực quan trắc:
các LVS rất rộng, cần đánh giá trước các khó khăn cũng như đối tượng rủi
ro nhằm xây dựng các kế hoạch phù hợp.
b) Thiết kế phương án lấy mẫu đại diện: xác định tuyến, điểm lấy mẫu trên
sơ đồ, mô tả vị trí địa lý, tọa độ điểm lấy mẫu trong bảng, quy định ký hiệu
tuyến, điểm mẫu trên sơ đồ và trong bảng (có thể xác định điểm lấy mẫu
chính và phụ).
c) Xác định và lập bảng các thành phần môi trường cần quan trắc.

d) Xác định và lập danh mục các thông số quan trắc theo các thành phần
môi trường: các thông số đo đạc tại hiện trường, các thông số phân tích
trong phòng thí nghiệm.
e) Xác định tần suất, thời gian, phương pháp lấy mẫu vŕ phương pháp phân
tích trong phòng thí nghiệm: cần khảo sát, nghiên cứu kỹ các điều kiện tự
nhiên của lưu vực, điều kiện địa hình, quy luật dòng chảy, các yếu tố thủy
văn,... để xác định tần suất, thời gian và phương pháp lấy mẫu phù hợp
nhằm phản ánh đúng hiện trạng chất lượng nước mặt của lưu vực.
f) Lập danh mục và kế hoạch bảo dưỡng, kiểm chuẩn thiết bị lấy mẫu hiện
trường và trong phòng thí nghiệm, bao gồm cả phương tiện bảo đảm an toàn
lao động.
g) Kế hoạch bố trí nhân lực thực hiện quan trắc.
h) Dự toán kinh phí hàng năm cho việc thực hiện chương trình quan trắc
môi trường.
i) Phân tích, báo cáo số liệu.
Các thông số thông tin cần quan trắc, thu thập sẽ được lựa chọn cho từng
LVS, bao gồm:
- Quan trắc thủy hóa: pH, Nhiệt độ, Độ đục, Độ dẫn điện, TDS (Tổng chất
rắn hňa tan), BOD5, COD, DO, SS, Amôniac, Nitrat, Nitrit, PO4---, Clorua,
Sắt, Chì, Cadimi, Tổng Coliform, Dầu mỡ, Tổng hóa chất bảo vệ thực vật;
- Quan trắc thủy sinh: trong thời gian trước mắt, quan trắc 3 thông số chỉ thị
sinh học là động vật nổi, thực vật nổi, động vật đáy;
- Xác định tồn lưu tác nhân ô nhiễm đặc biệt trong trầm tích (kim loại nặng,
dầu mỡ, thuốc bảo vệ thực vật);
Ứng dụng GIS trong xây dựng mạng lưới quan trắc nước. 6
GVHD:TH.S Trần Hậu Vương Nhóm 05- 07MT112
- Đo đạc tính toán khí tượng, thủy văn;
- Danh mục và số liệu quan trắc các nguồn ô nhiễm chính trong lưu vực
như các cơ sở sản xuất, khu dân cư, khu công nghiệp, cảng...
2. Cơ sở dữ liệu nguồn tài nguyên nước

Ngoại trừ ở các quốc gia phát triển, sự phát triển của cơ sử dữ liệu nguồn
tài nguyên nước và sử dụng số liệu này vẫn còn chậm so với đất và địa hình.
Cơ sở dữ liệu này đòi hỏi phân tích các số liệu liên quan của các trạm khí
tượng, sự đo lường lập lại nhiều lần về dòng chảy, đánh giá tiềm năng tồn
trử nước ngầm thông qua việc phân tích các lổ giếng khoan, và số lượng
cũng như loại sử dụng thật sự của các nguồn tài nguyên nước. WMO,
UNESCO, FAO, và UNDP đang tích cực hoạt động trong việc hỗ trợ cho
thu thập các số liệu về tài nguyên nước ở cấp quốc gia, cấp vùng và cấp thế
giới. Các số liệu thu thập được hiện nay FAO đang dùng phần mềm
AQUASTAT chạy trong chương trình xây dựng tài liệu thủy sản nội địa.
Các số liệu thu thập được từ hoạt động quan trắc một lưu vực sông nào
đó rất cần thiết để đánh giá mức độ ô nhiễm nhằm đưa ra những quyết định
kịp thời. Sẽ rất lăng phí nếu những số liệu này không được sử dụng và phân
tích. Một số điểm cần chú ý đối với số liệu quan trắc là : Phải được thu thập
thường xuyên và được phân tích kịp thời đồng thời được cung cấp cho các
cơ quan quản lý Trung ương, địa phương và cộng đồng.
Cơ sở dữ liệu này là công cụ để thu thập, chia sẻ và phân tích tự động,
đưa ra được những luận cứ vững chắc cho các quyết định, chính sách bảo vệ
chất lượng nước. Việc sử dụng các mô hình toán học mô phỏng chất lượng
nước LVS kết hợp GIS sẽ đưa ra những phương án, những kịch bản cụ thể
khác nhau cho các nhà ra quyết định cân nhắc cũng là việc cần thiết.
3. Một số phần mềm GIS ứng dụng trong quản lý nước mặt.
MapInfo, , ArcView ArcInfo, ArcEditor và các extensions như ArcGIS Spatial
Analyst, ArcGIS 3D Analyst, ArcGIS Maplex, ArcGIS Publisher, ArcHydro.
4. Truy vấn và phân tích dữ liệu:
Truy vấn dữ liệu: Gis cung cấp những tận ích để tìm kiếm hoăc thống kê
những đối tượng riêng biệt dựa trên vị trí và các giá trị thuộc tính của chúng.
Phân tích dữ liệu: là khả năng trả lời những câu hỏi về sự tác động lẫn
nhau của những mối quan hệ không gian và thuộc tính giữa nhiều tập dữ
liệu.Tùy vào nguồn mục tiêu và nguồn dữ liệu cụ thể mà ta có thể chọn các

phương pháp khác nhau như:
 Phân tích trên một lớp dữ liệu (Single layer operation) là thủ tục được
thực hiện trên một lớp dữ liệu để truy vấn thuộc tính,truy vấn không gian và
tạo những tập dữ liệu mới.
 Phân tích trên nhiều lớp dữ liệu (Multiple layer operation) là những
thao tác trên nhiều lớp dữ liệu không gian để thưc hiện các bài toán phân
tích: chồng lớp,phân tích sự gần kề,phân tích sự tương quan không gian…
Ứng dụng GIS trong xây dựng mạng lưới quan trắc nước. 7
GVHD:TH.S Trần Hậu Vương Nhóm 05- 07MT112
 Mô hình hóa không gian (Spatial modeling) bao gồm xây dựng những
mô hình để giải thích và dự đoán không gian hay mô phỏng không gian…
 Phân tich mẫu điểm (point patterns analysis) là thao tác phân tích mối
quan hệ giữa các đối tượng trong mẫu điểm.
 Phân tích mạng (Network analysis) ứng dụng vào các dạng đường
hoặc tổ chức trong mang liên kết.
 Phân tích bề mặt (Surface analysis) liên quan đến sự phân bố không
gian của đối tượng trên bề mặt trong những điều kiện có cấu trúc không
gian 3 chiều.
a.Chồng lớp bản đồ trong GIS
Việc chồng lắp các bản đồ trong kỹ thuật GIS là một khả năng ưu việt
của GIS trong việc phân tích các số liệu thuộc về không gian, để có thể xây
dựng thành một bản đồ mới mang các đặc tính hoàn toàn khác với bản đồ
trước đây.
- Nguyên lý khi chồng lắp các bản đồ
- Việc chồng
lắp các bản
đồ theo
phương pháp
cộng
b. Sự lan truyền các chất ô nhiễm:

Sự lan truyền các chất ô nhiễm trong môi trường cũng được GIS xử
lý,xây dựng các bản đồ lan truyền theo thời gian và không gian bằng cách sử
Ứng dụng GIS trong xây dựng mạng lưới quan trắc nước. 8
GVHD:TH.S Trần Hậu Vương Nhóm 05- 07MT112
dụng chức năng mô hình hóa không gian.Với bản đồ kết quả,nhà quản lý
phải cho ra các quyết định nhanh chóng và chính xác về công tác cải tạo
vùng ô nhiễm,di dời các sinh vật sống và con người ra khỏi vùng chịu ảnh
hưởng,và có biện pháp ngăn chặn sự lan truyền rộng thêm của các chất ô
nhiễm…Đây là chức năng quan trọng của gis trong lĩnh vực quản lý môi
trường.
 Lan truyền chất lỏng một khúc sông Hương.
Xét bài toán không dừng lan truyền chất lỏng trong mặt phẳng
Oxy ( mặt phẳng nằm
ngang).
Miền khảo sát được giới hạn trong hình
chữ nhật có kích thước chiều dài là 4500 m, chiều rộng là
3500
m.
Trong đó ta khảo sát một khúc sông dài 4700 m, rộng 400
m.
Hình 1. Dữ liệu GIS thể hiện khúc sông Hương được chọn
xem
xét
Hình 2. Dữ liệu GIS được mã hoá để đưa vào phần mềm
ANSYS
Tọa độ của tám cống xả là S1(1968,13 ; 601,325), S2(2273,62 ;
731,694), S3(2553,66 ;
910,605),
S4(2819,93 ; 1109,59), S5(2489,38
Ứng dụng GIS trong xây dựng mạng lưới quan trắc nước. 9