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

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

1


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.

2


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.

3


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:

4


-

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
5

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

6


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.

7


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)
0
14
37
55
58
67

25
9.79
9.93
9.18

7.13
5.52

8

(3)
<#1>
<#0>
<#0>
<#0>
<#0>
<#0>


(1)

(2)
74
87
98
109
116
121
151
173

4.7
3.7
4.27
4.75

5.52
6.43
6.86
25

(3)
<#0>
<#2>
<#0>
<#0>
<#0>
<#0>
<#0>
<#4>

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
9

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
(1)

(2)
Kinh độ hoặc tọa độ X

(3)
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
cho miền tính toán.
10


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).

11


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

12


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).

13


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

Hình 3.4. Định dạng dữ liệu biên mực nước.
14


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.
15


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
2007.
16