ứng dụng mô hình toán và GIS

PHƯƠNG PHÁP LIÊN KẾT MÔ HÌNH TOÁN
VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRONG NGHIÊN CỨU TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG


NỘI DUNG TRÌNH BÀY

Mô hình toán

Hệ thông tin địa lý (GIS)

Liên kết mô hình toán và GIS trong nghiên cứu TNMT

Một số mô hình toán liên kết với GIS trong nghiên cứu địa lý

Kết luận


MÔ HÌNH TOÁN LÀ GÌ?



Mô hình toán học là một mô hình trừu tượng sử dụng ngôn ngữ toán để mô tả về một hệ
thống.



Một mô hình toán học thông thường mô tả một hệ thống bằng cách sử dụng một tập các
biến và các hàm nhằm thiết lập mối quan hệ giữa các biến đó, các biến này sẽ đại diện
cho một vài thuộc tính nào đó của hệ thống.



Các mối quan hệ giữa các hiện tượng, hay các yếu tố của môi trường bao giờ cũng có
thể biểu diễn bằng các quan hệ, hay (phương trình) toán học. Bằng cách nghiên cứu
hoặc giải các phương trình toán đó ta có thể hiểu được tính chất của các hiện tượng cần
xem xét.


PHÂN LOẠI CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC
Chỉ tiêu phân loại

Loại mô hình

Cơ sở lý thuyết

Mô hình dựa trên cơ sở lý thuyết
Mô hình phát sinh lý thuyết

Mức độ đặc trưng

Mô hình hợp phần
Mô hình chung

Tính mô tả hay quy chuẩn của mô hình

Mô hình mô tả
Mô hình quy chuẩn

Mối quan hệ giữa mô hình với thời gian

Mô hình tĩnh

Mô hình động

Tính ngẫu nhiên của các mô hình

Mô hình tất định
Mô hình ngẫu nhiên

Quy trình giải pháp của các mô hình

Mô hình phân tích
Mô hình mô phỏng
( Yan Liu - Modelling Urban Development with Geographical Information Systems and Cellular Automata)


MÔ HÌNH TOÁN

Đầu vào

Quy trình xử lý

f(I)

I

O=f(I)
Chức năng
- Củng cố sự hiểu biết về các quá trình/ hệ thống
- Cung cấp thông tin bản đồ qua các phép biểu diễn
- Cung cấp các dự đoán về quá khứ / tương lai từ những quan sát hiện tại (ngoại suy)
- Nội suy dựa trên mẫu giới hạn quan sát

Đầu ra

O


ƯU ĐIỂM CỦA MÔ HÌNH TOÁN






Là công cụ không thể thiếu trong khảo sát hệ sinh thái phức tạp
Sử dụng mô hình có thể khám phá ra tính chất của hệ thống
Nhờ mô hình có thể hoàn thiện sự hiểu biết về môi trường sinh thái
Mô hình là công cụ để thử nghiệm các giả thuyết về khoa học và so sánh giữa bức tranh thực và bức tranh của môi trường đã được đơn giản hóa

1. Xác định vấn đề

3. Xây dựng mô hình

2. Thiết lập mô hình

QUY TRÌNH XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC
5. Chuẩn hóa sản phẩm đầu

4. Vận hành mô hình

ra của mô hình

trên máy

No

Yes
Thỏa mãn

6. Quy trình mô hình hóa
hình thành


HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ

Hệ thông tin địa lý (HTTĐL) - Geographic information system (GIS): một tổ chức tổng thể của các hợp phần: phần cứng máy tính,
phần mềm, tư liệu địa lý và người điều hành được thiết kế hoạt động một cách có hiệu quả nhằm tiếp nhận, lưu trữ, điều khiển, phân
tích và hiển thị toàn bộ các dạng dữ liệu địa lý. HTTĐL có mục tiêu đầu tiên là xử lý hệ thống dữ liệu trong môi trường không gian địa
lý. (Viện nghiên cứu môi trường Mỹ - 1994)


CẤU TRÚC GIS

Con người

Phần mềm

Dữ liệu
GIS

Quy trình

Phần cứng


CÁC THÀNH PHẦN CỦA CƠ SỞ DỮ LIỆU



Dữ liệu vector (điểm, đường, vùng)



Dữ liệu raster (DEM, ảnh…)



Dữ liệu dạng mạng lưới (đường giao thông, đường điện….)



Tập hợp các dữ liệu địa hình 3 chiều



Dữ liệu đo đạc



Dữ liệu dạng địa chỉ



Bảng dữ liệu

BẢN ĐỒ VIỄN THÁM VÀ HTTĐL


LIÊN KẾT MÔ HÌNH TOÁN VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRONG NGHIÊN CỨU TNMT

Sự liên kết mô hình toán và GIS trong nghiên cứu TNMT có thể được thể hiện bởi sự liên kết của 3 khối:




Khối Mô hình toán: chịu trách nhiệm tính toán, mô phỏng các hiện tượng thực tế bằng các phương trình, các hàm…
Khối GIS: là môi trường để thể hiện các dữ liệu của khối Mô hình toán. Khối GIS có chức năng vẽ các lớp bản đồ đồng

thời hỗ trợ các thao tác để làm việc trên bản đồ…



Khối TNMT: các tài nguyên, các hiện tượng môi trường hay các đối tượng có ảnh hưởng trực tiếp đến tài nguyên môi

trường.


LIÊN KẾT MÔ HÌNH TOÁN VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRONG NGHIÊN CỨU TNMT

Ba khối này có mối liên hệ với nhau:



Khối GIS không chỉ là công cụ vẽ các lớp bản đồ địa lý mà còn vẽ các lớp đối tượng môi trường từ dữ liệu của khối tài



Khối Môi trường sẽ cung cấp dữ liệu để khối mô hình tạo ra các kịch bản và có dữ liệu để tính toán theo mô hình.

nguyên môi trường. Nhờ đó chúng ta có thể mô phỏng các đối tượng môi trường một cách trực quan và sát thực tế.

Sau khi tính toán xong, để hiển thị kết quả, khối Mô hình cần liên kết khối GIS để hiện thị kết quả một cách trực quan lên
bản đồ.


MỘT SỐ MÔ HÌNH TOÁN LIÊN KẾT VỚI GIS TRONG NGHIÊN CỨU ĐỊA LÝ

Mô hình USLE trong nghiên cứu xói mòn
đất

•

A = R x K x LS x C x P

BẢN ĐỒ VIỄN THÁM VÀ HTTĐL

Mô hình HEC-HMS trong tính toán lũ


MÔ HÌNH USLE
Soil Loss Equation (phương trình mất đất tổng quát) là một mô hình toán học dùng
•Universal

để miêu tả quá trình xói mòn đất
phát triển từ các thí nghiệm mô phỏng liên quan đến xói mòn và lượng mưa gồm 6
•Được
thông số nhằm dự đoán lượng đất mất đi theo trung bình năm trong thời gian dài (A).
Phương trình:
A=R.K.L.S.C.P
Trong đó:
A: Lượng đất mất bình quân trong năm (tấn/ha/năm)
R: Hệ số xói mòn do mưa (J/m2.mm/ha)
K: Hệ số bào mòn của đất (tấn/ha/đơn vị chỉ số xói mòn)
L: Chiều dài sườn dốc (m)
S: Độ dốc (o)
C: Hệ số lớp phủ thực vật
P: Hệ số canh tác bảo vệ đất


MÔ HÌNH USLE

Bản đồ lượng mưa

Hệ số R

Bản đồ địa hình

Hệ số LS

Bản đồ xói mòn tiềm
năng

Hệ số K

Bản đồ thổ nhưỡng

Hệ số C
Bản đồ xói mòn thực

Bản đồ lớp phủ thực vật

tế
Hệ số P

CSDL đầu vào

Bản đồ hệ số

Bản đồ kết quả

GIS


MÔ HÌNH USLE

Ta cần xây dựng:

•
•
•
•
•




Bản đồ hệ số R
Bản đồ hệ số K
Bản đồ hệ số LS
Bản đồ hệ số C
Bản đồ hệ số P
Bản đồ xói mòn tiềm năng: X= R*K*LS
Bản đồ hiện trạng xói mòn: A= X*C*P

BẢN ĐỒ VIỄN THÁM VÀ HTTĐL


Bản đồ hệ số R

•

•

Công thức áp dụng đối với miền Bắc Việt Nam (theo nghiên cứu của Nguyễn Trọng Hà)

R= 0.548257* P - 59.98

Với R: Hệ số xói mòn mưa trung bình năm (J/m2)
P- lượng mưa trung bình hàng năm (mm/năm)

Quy trình tính toán và bản đồ hệ
số mưa (R) từ số liệu đo đạc

Bản đồ hệ số K

•
•
•
•
•
•
•
•

Hệ số kháng xói đất (K) được xây dựng từ bản đồ thổ nhưỡng, thể hiện khả năng chống xói mòn của đất theo không
gian.
Được tính bằng nhiều phương pháp. Ví dụ dựa vào công thức và toán đồ của Wischmeier và Smith (1978). Công thức:
100*K = 2,1.10 – 4*M*1,14*(12-a) + 3,25*(b-2) + 2,5*(c-3)

Trong đó:
K

là

hệ

số

kháng

xói

của

đất (tấn/Mj.h/mm)

M: trọng lượng cấp hạt. M được tính theo công thức:

(%) M = (%limon + % cát mịn)*(100% - %sét)
a: hàm lượng chất hữu cơ trong đất (%)
b: hệ số phụ thuộc vào hình dạng, sắp xếp và loại kết cấu đất
c: hệ số phụ thuộc khả năng tiêu thấm của đất.

Quy

trình

thành lập và
bản đồ hệ số K
thành
bản

lập
đồ

nhưỡng

từ
thổ


Bản đồ hệ số LS

•

Theo công thức của Bruch (1986)

n
1,3
LS = (([Flow Accumulation]*Cellsize/22,13) )*((Sin([slope]*0,01745))/0,0896)

Quy
thành

Trong đó:

•
•
•
•
•




•

LS: Hệ số thể hiện sự ảnh hưởng của địa hình đến xói mòn.
Flow Accumulation: Giá trị dòng tích lũy.

Slope: Bản đồ độc dốc theo phần trăm.
n: Thông số thực nghiệm;
n = 0,2 khi S < 1% ;

n = 0,3 khi 1% < S < 3.5%;
n = 0,4 khi 3.5% < S < 4.5% ;
n = 0,5 khi S > 5%
S: độ dốc của sườn

lập

và bản đồ
hệ số LS từ
mô hình số
độ cao

Cellsize: Kích thước pixel của DEM.

trình


Bản đồ hệ số C

Bản đồ hệ số che phủ đất (C) có thể được xây dựng dựa vào chỉ số thực vật (NDVI) theo công
• thức
của De Jong (1994) như sau:
C = 0,431- 0,805 x NDVI.

• NDVI = (NIR-RED)/(RED+NIR)
Trong đó:

 NIR là cường độ phản xạ của các đối tượng trên mặt đất đối với bước sóng cận hồng ngoại
 RED là cường độ phản xạ của các đối tượng trên mặt đất đối với bước sóng đỏ.

Bản đồ hệ số P

•

Đối với điều kiện canh tác chủ yếu theo đường đồng mức giá trị P được tính theo công thức của
Wischmeier và Smith (1978). Quy trình thành lập bản đồ hệ số P.

Từ bản đồ độ dốc tính toán giá trị P theo bảng của
Wischmeier

và

Smith

(1978)

bằng

phần

mềm ArcGIS 9.3, ta xây dựng được bản đồ hệ số P


Bản đồ xói mòn tiềm năng

X= R*K*LS
X: Lượng đất xói mòn tiềm năng
R: Hệ số xói mòn do mưa
K: Hệ số kháng xói của đất

LS: Hệ số xói mòn địa hình
Bản đồ xói mòn tiềm năng nhằm thể hiện mức độ xói mòn với giả sử không có lớp phủ thực vật và các biện pháp chống xói mòn.
Bản đồ này nhằm thể hiện ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên (lượng mưa, loại đất, độ dốc, độ dài sườn dốc) đến xói mòn đất.
Sau khi xây dựng được các bản đồ hệ số R, K, LS và sử dụng chức năng chồng xếp bản đồ hệ số của GIS, thu được bản đồ xói mòn
tiềm năng huyện Tam Nông tỉnh Phú Thọ .


Bản đồ hiện trạng xói mòn
A= X*C*P
Cách thành lập tương tự như bản đồ xói mòn tiềm năng. Nhưng bản đồ hiện trạng xói mòn tính đến ảnh hưởng của lớp
phủ và các biện pháp chống xói mòn.
Từ kết quả xử lý dữ liệu bản đồ, thống kê diện tích theo mức độ xói mòn đất theo tiêu chuẩn Việt Nam như bảng sau.


KẾT LUẬN



Phương pháp mô hình toán và GIS có nhiều ưu điểm, bên cạnh đó, phương pháp này cũng vẫn tồn tại những hạn chế,
mặc dù những điểm mạnh vượt trội hơn.



Mỗi loại mô hình đều có những điểm mạnh và hạn chế riêng, cần xem xét yêu cầu của bài toán, điều kiện xây dựng mô
hình để lựa chọn mô hình thích hợp.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

PGS.

TS.
ỨNG

Lê
DỤNG

Văn
MÔ

Nghinh,
HÌNH

ThS.

Phạm

HEC-HMS

Xuân
TÍNH

Hòa,

KS.

TOÁN

LŨ

Nguyễn
TRÊN

Đức
CÁC

Hạnh.
SÔNG

TỈNH QUẢNG TRỊ & BÌNH ĐỊNH.
2. Trần Quốc Vinh, Đặng Hùng Võ, Đào Châu Thu. ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT ĐỒI
GÒ HUYỆN TAM NÔNG TỈNH PHÚ THỌ. Tạp chí Khoa học và Phát triển 2011: Tập 9, số 5: 823 – 833.
3. PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch, TS. Dương Văn Khảm. Địa thông tin ứng dụng. NXB Khoa học và kĩ thuật, 2012.
Website:

1.

/>
2.

/>
3.

/>
4.

/>

Thank you for your attention!