Xây dựng hệ thống thông tin hỗ trợ cảnh báo sạt lở cho tỉnh quảng bình

i
..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ HOÀNG

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN HỖ TRỢ
CẢNH BÁO SẠT LỞ CHO TỈNH QUẢNG BÌNH

Chun ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 8480101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN TẤN KHÔI

Đà Nẵng - Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:
Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng
dẫn trực tiếp của PGS. TS. Nguyễn Tấn Khôi.
Mọi tham khảo dùng trong luận văn được trích dẫn rõ ràng và trung
thực về tên tác giả, tên cơng trình, thời gian và địa điểm công bố.
Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, tơi xin chịu hồn
tồn trách nhiệm.

Tác giả luận văn

Lê Hoàng


TRANG TĨM TẮT LUẬN VĂN
XÂY DỰNG HỆ THỐNG THƠNG TIN HỖ TRỢ CẢNH BÁO
SẠT LỞ CHO TỈNH QUẢNG BÌNH
Học viên: Lê Hồng
Mã số: 8480101 - Khóa: 34

Chun ngành: Khoa học máy tính
Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Quảng Bình ln phải chịu ảnh hưởng của các loại thiên tai thường xảy ra ở Việt
Nam với tần suất cao, mức độ ác liệt hơn như bão, Áp thấp nhiệt đới, lũ lụt, lũ quét, sạt lở...
trong đó nhiều nhất là bão, lũ lụt, lốc xoáy, sạt lở. Tỷ lệ mưa do bão và áp thấp nhiệt đới gây
ra chiếm tới 40-50% tổng lượng mưa hàng năm. Thiên tai đã làm ngưng trệ các hoạt động xã
hội, gây nhiều thiệt hại đến con người, tài sản của nhân dân và Nhà nước. Những năm gần,
đây thiên tai càng ngày càng gia tăng về số lượng và cường độ, càng ngày mức độ càng khốc
liệt và khó lường. Xuất phát từ những lý do trên tôi chọn đề tài để nghiên cứu "Xây dựng hệ
thống thông tin hỗ trợ cảnh báo sạt lở cho tỉnh Quảng Bình". Nội dung nghiên cứu gồm:
(1) Giới thiệu về GIS, khái quát các nội dung liên quan, các vấn đề tồn tại. Khái niệm về lũ và
sạt lở các nhân tố ảnh hưởng lũ, tình hình nghiên cứu lũ trong và ngồi nước, giới thiệu một
số ứng dụng, công nghệ GIS trong đánh giá thiên tai và đáng giá thực trạng tại địa bàn tỉnh
Quảng Bình. (2) GIS và chồng lớp bản đồ, xây dựng bản đồ, số hoá bản đồ thiết lập các thuộc
tính của các lớp bằng phần mềm QGIS, kết nối và liên kết dữ liệu bản đồ. (3) Phân tích thiết
kế hướng đối tượng. Trình bày các bước phân tích thiết kế hệ thống hỗ trợ hệ thống mô phỏng
cảnh báo và kết quả thực nghiệm.
Từ khóa: Lũ lụt, lũ quét, trượt lở, sạt lở đất.

BUILDING INFORMATION SUPPORT SYSTEM WARNING
SUCCESS TO QUANG BINH PROVINCE
Abstract - Quang Binh is always affected by natural disasters that often occur in
Vietnam with high frequency, such as typhoons, tropical depression, floods, flash floods,
landslides... in which many especially storms, floods, cyclones, landslides. Storms and
tropical depression cause up to 40-50% of annual rainfall. Disasters have stalled social
activities, caused much damage to the people and property of the people and the State. In
recent years, natural disasters have increased in number and intensity. Starting from the above
reasons, I chose to study the topic of "Building an information system supporting landslide
warnings for Quang Binh province". The research contents include: (1) Introduction to GIS,
overview of related issues, existing issues. The concept of floods and floods, the situation of
flood research in and outside the country, introduction of some applications, GIS technology
in disaster assessment and real situation in Quang Binh province. . (2) GIS and map overlays,
mapping, digitizing maps set up properties of layers by QGIS software, connecting and
linking map data. (3) Object-oriented design analysis. Describe the system design analysis
steps that support the system for simulating warnings and experimental results.
Key words: Flood, flash flood, slipping, landslide


MỤC LỤC
TRANG BÌA
LỜI CAM ĐOAN
TRANG TĨM TẮT LUẬN VĂN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................1

2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................3
4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................3
5. Cấu trúc luận văn..................................................................................5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ........................................................6
1.1. GIỚI THIỆU .............................................................................................6
1.1.1. Các thành phần của GIS .................................................................7
1.1.2. Chức năng của GIS.........................................................................9
1.1.3. Ứng dụng của hệ thông tin địa lý GIS ..........................................10
1.1.4. Mơ hình dữ liệu địa lý của hệ thống GIS......................................12
1.2. LŨ QUÉT ................................................................................................15
1.2.1. Các dạng lũ quét ...........................................................................15
1.2.2. Đặc tính của lũ quét ......................................................................15
1.2.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến lũ quét ..............................................17
1.2.4. Sự thích nghi và lợi ích của lũ quét ..............................................17
1.3. ỨNG DỤNG GIS TRONG ĐÁNH GIÁ THIÊN TAI.............................20
1.3.1. Công nghệ WebGIS......................................................................23
1.3.2. Kiến trúc của hệ thống WebGIS ...................................................25
1.3.3. Mơ hình triển khai WebGIS .........................................................26
1.3.4. Dữ liệu WebGIS ...........................................................................26
1.3.5. Chuẩn dịch vụ xây dựng bản đồ WebGIS ....................................30
1.4. PHẦN MỀM MÃ NGUỒN MỞ QGIS ...................................................35
1.4.1. Giới thiệu......................................................................................35
1.4.2. Các chức năng chính của QGIS ....................................................36


1.5. ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN CỦA TỈNH QUẢNG BÌNH............................36
1.5.1. Vị trí địa lý ...................................................................................36
1.5.2. Địa hình: .......................................................................................37
1.5.3. Địa mạo ........................................................................................43

1.5.4. Đặc điểm khi tượng thủy văn: ......................................................45
1.5.5. Nhiệt độ bình quân .......................................................................47
1.6. KẾT CHƯƠNG .......................................................................................47
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG LỚP BẢN ĐỒ VÀ QGIS ...................................48
2.1. CHỒNG LỚP BẢN ĐỒ ..........................................................................48
2.2. XÂY DỰNG BẢN ĐỒ SỐ BẰNG QGIS ...............................................49
2.2.1. Lớp bản đồ rừng có nguy cơ lũ quét và sạt lở ..............................49
2.2.2. Lớp bản đồ sử dụng đất ................................................................49
2.2.3. Lớp bản đồ độ dốc ........................................................................49
2.3. KỸ THUẬT CHỒNG LỚP BẢN ĐỒ .....................................................49
2.3.1. Thuật tốn xử lý chồng lớp...........................................................49
2.3.2. Q trình số hóa bản đồ ................................................................50
2.3.3. Các lớp dữ liệu bản đồ..................................................................52
2.3.4. Mô hình dữ liệu giữa các lớp dữ liệu bản đồ ................................53
2.3.5. Kết nối dữ liệu bản đồ và đưa dữ liệu lên Geoserver....................54
2.4. THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG DNGIS.......................................57
2.5. KẾT CHƯƠNG .......................................................................................61
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP THƠNG TIN62
3.1. MƠ HÌNH HỆ THỐNG ..........................................................................62
3.2. CƠNG CỤ VÀ MƠI TRƯỜNG LẬP TRÌNH ........................................63
3.3. KẾT QUẢ CHƯƠNG TRÌNH ................................................................64
3.3.1. Xây dựng bản đồ số QGIS............................................................64
3.3.2. Kết quả thực hiện chương trình ....................................................66
3.3.3. Nhận xét đánh giá kết quả ............................................................70
3.4. KẾT CHƯƠNG .......................................................................................71
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .....................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................73
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)
BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC
PHẢN BIỆN

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ý nghĩa

Từ viết tắt
CAD

Computer Aided Design

CSDL

Cơ Sở Dữ Liệu

CVS

Concurrent Versions System

DBMS

Database Management System

DMU

Disaster Management Unit

ESRI

Enviromental Systems Research Institute

GIS

Geographic Information System

GML

Geography Markup Language

GNU

GNU's Not Unix

GPL

General Public License

ISO

International Organization for Standardization

NXB

Nhà Xuất Bản

OGC

Open GIS Consortium

TBNN

Trung Bình Nhiều Năm

UML

Unified Modeling Language

USLE

Universal Soil Loss Equation

WMS

Web Map Service

XML

Extensible Markup Language


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Bảng mô tả cách thể hiện của Raster và Vector .................................13
Bảng 1.2. Thống kê diện tích phân bố các phân cấp độ cao ...............................39
Bảng 1.3. Thống kê diện tích phân bố các phân cấp độ dốc ...............................40
Bảng 1.4. Thống kê diện tích phân bố các phân cấp độ dốc ...............................41
Bảng 1.5. Đặc điểm phân bố mậtTđộ phân cắt sâu. ...........................................42
Bảng 1.6. Đặc điểm phân bố mật độ phân cắt ngang..........................................43
Bảng 1.7. Đặc điểm hình thái sơng ngịi tỉnh Quảng Bình. ................................46
Bảng 1.8. Nhiệt độ bình quân trong năm tỉnh Quảng Bình ................................47
Bảng 2.1. Phân khoảng bản đồ kết quả...............................................................50
Bảng 2.2. Dữ liệu bản đồ ranh giới ....................................................................52

Bảng 2.3. Dữ liệu bản đồ đường giao thông .......................................................53
Bảng 2.4. Dữ liệu bản đồ thủy hệ .......................................................................53
Bảng 2.5. Bảng các lớp trong hệ thống ..............................................................57
Bảng 2.6. Bảng thông tin tỉnh.............................................................................57
Bảng 2.7. Bảng thơng tin loại khí tượng thủy văn ..............................................58
Bảng 2.8. Bảng thông tin huyện. ........................................................................58
Bảng 2.9. Bảng thông tin xã ...............................................................................58
Bảng 2.10. Bảng thông tin trạm .........................................................................59
Bảng 2.11. Bảng thơng tin khí tượng thủy văn ...................................................59
Bảng 2.12. Bảng thông tin các loại thiên tai .......................................................60
Bảng 3.1. Kết quả liệt kê các điểm ngập lụt và sạt lở năm 2016, 2017 ..............68


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Mơ hình các thành phần GIS ................................................................8
Hình 1.2. Các lớp ứng dụng của GIS trong mơi trường .....................................11
Hình 1.3. Các lớp ứng dụng của GIS trong thủy văn..........................................11
Hình 1.4. Các lớp ứng dụng của GIS trong giao thơng ......................................12
Hình 1.5. Lũ qt tại huyện Minh Hóa ...............................................................16
Hình 1.6. Trượt lở, trên tuyến đường Hồ Chí Minh nhánh đơng ........................16
Hình 1.7. Các nhân tố ảnh hưởng lũ qt ...........................................................17
Hình 1.8. Các nhân tố chính ảnh hưởng đến lũ ..................................................18
Hình 1.9. Lớp phủ thực vật rừng .......................................................................19
Hình 1.10. Ảnh hưởng của đất đến lũ .................................................................19
Hình 1.11. Tác động của con người ...................................................................20
Hình 1.12. Ứng dụng GIS trực tiếp tính tốn lũ .................................................21
Hình 1.13. Các nhóm chức năng của GIS ..........................................................23
Hình 1.14. Mơ hình 3 lớp trong kiến trúc WebGIS ............................................25
Hình 1.15. Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm. ...................................28
Hình 1.16. Số liệu vector được biểu thị dưới dạng đường ..................................28

Hình 1.17. Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng ....................................29
Hình 1.18. Khó khăn trong việc chia sẽ dữ liệu .................................................30
Hình 1.19. Giải pháp của OGC ..........................................................................31
Hình 1.20. Sơ đồ phân bố các phân cấp độ cao địa hình.......................................39
Hình 1.21. Sơ đồ phân bố các phân cấp độ dốc địa hình........................................40
Hình 1.22. Sơ đồ phân bố các hướng phơi sườn.................................................41
Hình 1.23. Sơ đồ phân bố mật độ phân cắt sâu và cắt ngang. ............................42
Hình 1.24. Bản đồ tỉnh Quảng Bình ...................................................................47
Hình 2.1. Các lớp dữ liệu đầu vào ......................................................................50
Hình 2.2. Quy trình số hóa dữ liệu bản đồ..........................................................51
Hình 2.3. Chuẩn hóa dữ liệu bản đồ bằng ArcMap 10. ......................................51
Hình 2.4. Cấu trúc dữ liệu khơng gian và dữ liệu thuộc tính ..............................52


Hình 2.5. Mơ hình quan hệ các lớp dữ liệu bản đồ .............................................53
Hình 2.6. Kết nối tới dữ liệu bản đồ ...................................................................54
Hình 2.7. Cơng bố dữ liệu bản đồ trên Geoserver .............................................55
Hình 2.8. Sơ đồ thực thể các lớp ........................................................................60
Hình 3.1. Mơ hình hệ thống cảnh báo nguy cơ lũ qt .......................................62
Hình 3.2. Giao diện chính của QGIS ..................................................................65
Hình 3.3. Thanh cơng cụ số hóa .........................................................................65
Hình 3.4. Chọn 3 điểm tọa độ cho hình ảnh cần số hóa .....................................66
Hình 3.5. Xem thơng tin trên bản đồ chính ........................................................67
Hình 3.6. Tra cứu thông tin thiên tai và các điểm sạt lở .....................................67
Hình 3.7. Giao diện WebGIS quản lý thơng tin .................................................68
Hình 3.8. Đường HCM đoạn Khe Cát, xã Trường Sơn, H.Quảng Ninh .............69
Hình 3.9. Tuyến đường sắt Bắc nam tại Ga lạc sơn-Châu Hóa-Tun hóa ........69
Hình 3.10. Đường Hồ Chí Minh đoạn qua xã Thượng Hóa ...............................70
Hình 3.11. Trượt lở, trên tuyến đường HCM tại xã Hố Thanh, Tun Hố .....70
Hình 3.12. Đường Quốc lộ 15 ...........................................................................71

Hình 3.13. Đường Quốc lộ 15 ...........................................................................70


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Quảng Bình là vùng hẹp nhất của Việt Nam, Quảng Bình chịu ảnh hưởng
của hầu hết các loại thiên tai thường xảy ra ở Việt Nam nhưng với tần suất cao
hơn, mức độ ác liệt hơn như bão, Áp thấp nhiệt đới (ATNĐ), lũ lụt, lũ quét, sạt
lở bờ sông, bờ biển, hạn hán, cát bay lấp, rét đậm, rét hại, lốc tố, xâm nhập mặn,
triều cường,... trong đó nhiều nhất là bão, lũ lụt, lốc xốy, sạt lở bờ sơng, bờ
biển, cát bay lấp. Hàng năm, thường hứng chịu những đợt mưa bão lớn. Tuy
nhiên do địa hình, các trận lũ thường gây hại nghiệm trọng đối với các khu vực
miền núi và trung du, đặc biệt là lũ quét. Nguyên nhân gây những trận lụt, lũ
qt do điều kiện địa hình, phía tây là sườn tây núi Trường Sơn thường mưa rất
lớn khi có bão đổ bộ vào khu vực Miền Trung. Thời gian tập trung lũ ngắn, độ
dốc lưu vực lớn và nhiều rừng đầu nguồn bị chặt phá không theo qui hoạch là
những nguyên nhân quan trong gây ra những trận lũ và lũ quét lớn.
Từ năm 1989 đến nay Quảng Bình phải gánh chịu nhiều thiệt hại về người
và tài sản do các cơn bão và lũ lụt gây ra ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển
kinh tế xã hội và ổn định cuộc sống dân cư trên địa bàn toàn tỉnh. Từ năm 1999
đến nay, thống kê trên toàn tỉnh về mức độ thiệt hại lớn nhất do bão lũ tại các
huyện được xếp theo thứ tự như sau: Huyện Lệ thủy, Quảng Ninh, Quảng Trạch,
Bố Trạch, Tuyên Hóa, Minh Hóa, TP Đồng Hới. Tuy nhiên trong vịng hai năm
lại đây thì huyện chịu nhiều thiệt hại nhất là các huyện Tuyên Hóa, Minh Hóa
do bị lũ qt, xói lở bờ sơng [6].
Mùa bão ở Quảng Bình diễn ra từ tháng 7 đến tháng 11, trong đó từ tháng 9-10
nhiều bão nhất. Theo số liệu thống kê từ 2000 đến năm 2017 có 13 cơn bão đổ
bộ trực tiếp vào Quảng Bình, có năm khơng có bão, nhưng lại có năm liên tiếp

2-3 cơn bão đổ bộ trực tiếp. Ảnh hưởng nặng nề nhất là bão gây ra gió xốy giật
kèm theo mưa to dài ngày (2-5 ngày) gây ra lũ lụt nghiêm trọng. Tỷ lệ mưa do
bão và áp thấp nhiệt đới gây ra chiếm tới 40-50% tổng lượng mưa trong các


2

tháng 9-11. Lượng mưa do một cơn bão gây ra trung bình khoảng 300-600 mm.
Ngồi ra, các đợt áp thấp nhiệt đới cũng làm ngưng trệ các hoạt động xã hội, gây
nhiều thiệt hại đến con người, tài sản của nhân dân và Nhà nước. Xu hướng
những năm gần đây bão càng ngày càng gia tăng về số lượng và cường độ, càng
ngày mức độ càng khốc liệt và khó lường.
Xuất phát từ những lý do trên tôi chọn đề tài luận văn cao học:
“Xây dựng hệ thống thông tin hỗ trợ cảnh báo sạt lở cho tỉnh Quảng Bình”

2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
2.1. Mục tiêu:
Ứng dụng cơng nghệ GIS xây dựng bản đồ có nguy cơ sạt lở và nguy cơ lũ,
sạt lở dọc trên tuyến đường Hồ Chí Minh nhánh đơng đi qua các huyện của tỉnh
Quảng Bình để phát hiện cảnh báo những điểm vùng có nguy cơ phát sinh lũ và
sạt lở.
Xây dựng hệ thống hỗ trợ cảnh báo nguy cơ lũ và cảnh báo sạt lở dựa trên
bản đồ kết quả đã xây dựng được.
2.2. Nhiệm vụ:
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về công nghệ thông tin địa lý GIS và quyết
định GIS sẽ được xây dựng theo mơ hình, lộ trình và phương thức tổ chức thực
hiện như thế nào trong quá trình xây dựng bản đồ;
- Tìm hiểu về cơ sở dữ liệu bản đồ, khả năng kết nối làm việc với các hệ
quản trị cơ sở dữ liệu. Phân tích cấu trúc các bảng biểu và các số liệu về bản đồ
số sẽ được lưu trữ;

- Thu thập số liệu khí tượng thủy văn, nghiên cứu đặc điểm tự nhiên có
liên quan đến lũ và sạt lở dọc trên tuyến đường Hồ Chí Minh nhánh đơng đi qua
các huyện của tỉnh Quảng Bình để thực nghiệm.


3

2.3. Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu
- Về ý nghĩa khoa học: Luận văn ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS)
để hỗ trợ đánh giá và cảnh báo sạt lở qua việc phân tích khơng gian và mối quan
hệ của các nhân tố địa hình, thủy văn, thổ nhưỡng, thực vật và đặc biệt là vấn đề
cảnh báo an tồn giao thơng dọc trên tuyến đường Hồ Chí Minh nhánh đơng đi
qua các huyện của tỉnh Quảng Bình.
- Về ý nghĩa thực tiễn: Đánh giá mức độ thiệt hại do lũ và sạt lở gây ra đối
với tài sản và tính mạng về người; về phát triển kinh tế xã hội của các vùng bị
ảnh hưởng; về môi trường sinh thái và đặc biệt là vấn đề an tồn giao thơng trên
tuyến đường Hồ Chí Minh nhánh đơng đi qua các huyện của tỉnh Quảng Bình,
từ đó xây dựng giải pháp cảnh báo lũ trên địa bàn, nghiên cứu làm cơ sở đề xuất
một số giải pháp phòng chống, hỗ trợ cảnh báo nhằm khắc phục kịp thời.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu của đề tài
- Công nghệ thông tin địa lý GIS.
- Các loại bản đồ số.
- Dữ liệu khí tượng thủy văn.
- Các loại hình thiên tai.
3.2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
- Tình hình sạt lở và thủy văn ở tỉnh Quảng Bình.
- Các khu vực có nguy cơ sạt lở dọc tuyến đường mịn Hồ Chí Minh
nhánh đơng, đi qua các huyện của tỉnh Quảng Bình.

3.3. Môi trường và công cụ hỗ trợ:
- Microsoft Visual Studio.Net 2010
- Microsoft SQL Server 2008

4. Phương pháp nghiên cứu
4.1. Nghiên cứu lý thuyết


4

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về cơng nghệ thơng tin đại lý GIS.
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về sạt lở và khí tượng thủy văn.
- Các mơ hình bản đồ số.
- Các phương pháp xây dựng bản đồ số.
4.2. Nghiên cứu thực nghiệm
Phân tích, thu thập thơng tin dữ liệu về khí tượng thủy văn ở các huyện có
tuyến đường Hồ Chí Minh, nhánh đơng đi qua tỉnh Quảng Bình.
Phân tích, thu thập thơng tin dữ liệu bản đồ địa lý. Số hoá bản đồ: hiện
nay được thực hiện là những phần mềm chuyên dụng có giá thành cao, là phần
mềm đóng gói nên chỉ sử dụng mà khơng phát triển được. Vì vậy khi lựa chọn
phần mềm QGIS có nhiều chức năng xử lý như các phần mềm có bản quyền và
đây là sản phẩm mã nguồn mở nên rất thuận lợi trong việc phát triển cho phù
hợp với nhu cầu của người dùng.
Thiết kế cơ sở dữ liệu: dữ liệu kết quả phân tích mẫu bổ sung, kết quả
quan trắc môi trường hàng năm được nhập theo bảng dữ liệu.
Tổng hợp dữ liệu GIS gồm có 4 bước:
Xác định các yếu tố sẽ được đưa vào phân tích.
Liệt kê bản đồ cho từng yếu tố đã xác định.
Chồng xếp và phân tích các bản đồ thành phần và xây dựng các bản đồ
tổng hợp.

Phân tích bản đồ tổng hợp để xác định khả năng sử dụng.
4.3. Phân tích thiết kế hệ thống
- Phân tích thiết kế xây dựng chương trình.
- Triển khai chương trình
- Thực thi bản đồ trên hệ thống cảnh báo cùng với các số liệu đã thu thập
được.
- Triển khai cài đặt và kiểm tra kết quả đạt được.


5

5. Cấu trúc luận văn
Luận văn được tổ chức thành các chương với nội dung chính như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống GIS, các chức năng, thành
phần, ứng dụng và mơ hình địa lý của GIS. Các dạng lũ quét, đặc tính, các nhân tố
và sự thích nghi của lũ quét. Ứng dụng GIS trong đánh giá thiên tai và phần mềm
mã nguồn mở QGIS. Đồng thời giới thiệu về vị trí địa lý ở tỉnh Quảng Bình.
.Chương 2: Trình bày ứng dụng cơng nghệ GIS để đánh giá thiên tai, kiến
trúc WebGIS để khai thác dữ liệu, kỹ thuật chồng lớp bản đồ. Tìm hiểu nội dung
của bài toán được đặt ra, các bước phân tích thiết kế, xây dựng các lớp dữ liệu
bằng phần mềm Quantum QGIS.
Chương 3: Trình bày mơ hình hệ thống, cơng cụ và mơi trường lập trình
liên kết dữ liệu, xây dựng bản đồ số. Kết quả xây dựng hệ thống hỗ trợ hệ thống
mô phỏng cảnh báo và kết quả thực nghiệm.


6

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Chương 1 giới thiệu tổng quan về hệ thống GIS, các chức năng, thành

phần, ứng dụng và mơ hình địa lý của GIS. Các dạng lũ quét, đặc tính, các nhân
tố và sự thích nghi của lũ quét. Ứng dụng GIS trong đánh giá thiên tai và phần
mềm mã nguồn mở QGIS. Đồng thời giới thiệu về vị trí địa lý ở tỉnh Quảng Bình.

1.1. GIỚI THIỆU
Hệ thống thơng tin địa lý - Geographic Information System (GIS) là một
phần mềm tập hợp những công cụ để xây dựng một quy trình dựa trên máy tính
để lập bản đồ, lưu trữ và thao tác dữ liệu địa lý, phân tích các sự vật hiện tượng
thực trên trái đất, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược.
GIS được ứng dụng ngày càng rộng rãi và phát triển mạnh mẻ trong các
lĩnh vực kinh tế, xã hội, từ năm 1992, các nhà khoa học Mỹ đã xác lập một
ngành khoa học mới: Khoa học thông tin địa lý (Geographic Information
Science). Khoa học thông tin địa lý đã từng bước hồn thiện các mơ hình biểu
diễn đối tượng, hoạt động, sự kiện và các quan hệ của chúng trong thế giới thực,
đồng thời nghiên cứu phát triển các thuật toán lưu trữ, xử lý số liệu theo khơng
gian và thời gian [3].
Có nhiều phần mềm GIS, để phù hợp với điều kiện tài chính và bản
quyền, đề tài chọn phần mềm Mapinfo và Arcview là hai công cụ chính để lập
bản đồ, chồng xếp và phân tích bản đồ, quản lí dữ liệu, xử lý và truy xuất thông
tin.
Khái niệm thông tin, tức là dữ liệu được quản lý bởi GIS. Đó là các dữ
liệu về thuộc tính và khơng gian của đối tượng. GIS có tính hệ thống có nghĩa là
hệ thống GIS được tạo nên từ nhiều mô-đun. Việc sử dụng các mô-đun giúp
thuận lợi trong việc quản lý bởi vì GIS là một hệ thống có ứng dụng rất lớn. Từ
năm 1980 đến nay đa có rất nhiều các định nghĩa được nêu nhưng chưa có định
nghĩa nào khái qt và đầy đủ vì ứng dụng của GIS được ứng ngày càng nhiều


7

trong các lĩnh vực và ứng với mỗi lĩnh vực lại có những khía cạnh, đa dạng khác
nhau.
Mặt khác, từ những chức năng, tính năng hiện có mà một số nhà khoa học
đã định nghĩa hệ thống GIS như sau [9]:
“Hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu trên máy tính để thu thập, lưu trữ, truy
cập, phân tích và thể hiện dữ liệu không gian. Chứa hàng loạt các chức năng
phức tạp dựa vào khả năng của máy tính và các tốn tử xử lý thơng tin khơng
gian bao gồm bốn khả năng xử lý dữ liệu địa lý sau: (1) nhập dữ liệu, (2) quản
lý dữ liệu (bao gồm lưu trữ và truy xuất), (3) gia công và phân tích dữ liệu, (4)
xuất dữ liệu. Tự động thu thập, lưu trữ, truy vấn, phân tích và hiển thị dữ liệu
không gian”.
“Hệ thống thông tin đặc biệt với cơ sở dữ liệu gồm những đối tượng,
những hoạt động hay những sự kiện phân bố trong không gian được biểu diễn
như những điểm, đường, vùng trong hệ thống máy tính. Hệ thống thông tin địa
lý xử lý, truy vấn dữ liệu theo điểm, đường, vùng phục vụ cho những hỏi đáp và
phân tích đặc biệt, bao gồm một số phụ hệ (subsystems) có khả năng biến đổi
các dữ liệu địa lý thành những thơng tin có ích”
Với những định nghĩa trên cho thấy hệ thống GIS là một hệ thống máy
tính (phần cứng, phần mềm và các thiết bị ngoại vi) dùng để nhập, lưu trữ, truy
vấn, xử lý, phân tích và hiển thị hoặc xuất dữ liệu. Trong đó, cơ sở dữ liệu của
hệ thống là những dữ liệu về các đối tượng, các hoạt động, các sự kiện kinh tế,
xã hội, nhân văn phân bố theo không gian [3], [6].

1.1.1. Các thành phần của GIS
Hình 1 mơ tả các thành phần của một hệ thống GIS, bao gồm 5 thành
phần:


8

Hình 1.1. Mơ hình các thành phần GIS
a. Con người
Con người là thành phần quan trọng nhất, là nhân tố thực hiện các thao tác
điều hành sự hoạt động của hệ thống GIS.
Người dùng GIS là những người sử dụng các phần mềm GIS để giải quyết
các bài tốn khơng gian theo mục đích của họ. Họ thường là những người được
đào tạo tốt về lĩnh vực GIS hay là các chuyên gia.
Người xây dựng bản đồ: sử dụng các lớp bản đồ được lấy từ nhiều nguồn
khác nhau, chỉnh sửa dữ liệu để tạo ra các bản đồ theo yêu cầu.
Người xuất bản: sử dụng phần mềm GIS để kết xuất ra bản đồ dưới nhiều
định dạng xuất khác nhau.
Người phân tích: giải quyết các vấn đề như tìm kiếm, xác định vị trí…
Người xây dựng dữ liệu: là những người chuyên nhập dữ liệu bản đồ bằng
các cách khác nhau: vẽ, chuyển đổi từ định dạng khác, truy nhập CSDL…
Người quản trị CSDL: quản lý CSDL GIS và đảm bảo hệ thống vận hành
tốt.
Người thiết kế CSDL: xây dựng các mơ hình dữ liệu logic và hợp lý.
Người phát triển: xây dựng hoặc cải tạo các phần mềm GIS để đáp ứng
các nhu cầu cụ thể.
b. Phần mềm: Hệ thống phần mềm GIS rất đa dạng. Mỗi công ty xây
dựng GIS đều có hệ phần mềm riêng của mình. Tuy nhiên, có một dạng phần
mềm mà các cơng ty phải xây dựng là hệ quản trị CSDL địa lý. Dạng phần mềm


9

này nhằm mục đích nâng cao khả năng cho các phần mềm CSDL thương mại
trong việc: sao lưu dữ liệu, định nghĩa bảng, quản lý các giao dịch do đó ta có
thể lưu các dữ liệu bản đồ địa lý dưới dạng các đối tượng hình học trực tiếp
trong các cột của bảng quan hệ và nhiều công việc khác.

c. Dữ liệu: chia dữ liệu trong GIS thành hai loại:
Dữ liệu khơng gian (spatial) cho ta biết kích thước vật lý và vị trí địa lý
của các đối tượng trên đề mặt trái đất.
Dữ liệu thuộc tính (non-spatial) là các dữ liệu ở dạng văn bản cho ta biết
thêm thông tin thuộc tính của đối tượng.
d. Phương pháp: Một hệ GIS được mô phỏng và thực thi duy nhất cho
mỗi tổ chức. Cho nên, đối với các ứng dụng và các yêu cầu khác nhau của các tổ
chức, mỗi hệ GIS sẽ được xây dựng theo những phương pháp nhất định.
e. Phần cứng: Bao gồm tập hợp các thiết bị máy tính điện tử như: PC,
mini Computer, MainFrame, thiết bị mạng… là các thiết bị cần thiết khi triển
khai GIS trên mơi trường mạng. GIS cũng địi hỏi các thiết bị ngoại vi đặc biệt
cho việc nhập và xuất dữ liệu như: máy số hóa (digitizer), máy vẽ (plotter), máy
quét (scanner)…

1.1.2. Chức năng của GIS
GIS có 5 chức năng chủ yếu:
- Thu thập dữ liệu: là cơng việc khó khăn và nặng nề nhất trong quá trình
xây dựng một ứng dụng GIS. Các dữ liệu được thu thập từ nhiều nguồn khác
nhau như dữ liệu đo đạc từ thực địa, dữ liệu từ các loại bản đồ, dữ liệu thống
kê…
- Thao tác dữ liệu: vì các dữ liệu được thu thập từ nhiều nguồn có định
dạng khác nhau và có những trường hợp các dạng dữ liệu đòi hỏi được chuyển
dạng và thao tác theo một số cách để tương thích với hệ thống. Ví dụ: các thơng
tin địa lý có giá trị biểu diễn khác nhau tại các tỷ lệ khác nhau (lớp dân cư trên
bản đồ địa chính được thể hiện chi tiết hơn trong bản đồ địa hình). Trước khi các


10

thơng tin này được tích hợp với nhau thì chúng phải được chuyển về cùng một

tỷ lệ (cùng mức độ chi tiết hoặc mức độ chính xác). Đây có thể chỉ là sự chuyển
dạng tạm thời cho mục đích hiển thị hoặc cố định cho yêu cầu phân tích.
- Quản lý dữ liệu: là một chức năng quan trọng của tất cả các hệ thông tin
địa lý. Hệ thống thông tin địa lý phải có khả năng điều khiển các dạng khác nhau
của dữ liệu đồng thời quản lý hiệu quả một khối lượng lớn dữ liệu với một trật
tự rõ ràng. Một yếu tố quan trọng của GIS là khả năng liên kết hệ thống giữa
việc tự động hóa bản đồ và quản lý cơ sở dữ liệu (sự liên kết giữa dữ liệu khơng
gian và thuộc tính của đối tượng). Các dữ liệu thông tin mô tả cho một đối tượng
bất kỳ có thể liên hệ một cách hệ thống với vị trí khơng gian của chúng. Sự liên
kết đó là một ưu thế nổi bật của việc vận hành GIS.
- Hỏi đáp và phân tích dữ liệu: Khi đã xây dựng được một hệ thống cơ sở
dữ liệu GIS thì người dùng có thể hỏi các câu hỏi đơn giản như:
+ Thơng tin về vị trí sạt lở
+ Tìm đường đi ngắn nhất giữa hai vị trí A và B?
+ Thống kê tai biến thiên nhiên
+ Hay xác định được mật độ dân cư trong khu vực đơ thị?…
GIS cung cấp khả năng hỏi đáp, tìm kiếm, truy vấn đơn giản “chỉ nhấn và
nhấn” và các công cụ phân tích dữ liệu khơng gian mạnh mẽ để cung cấp thơng
tin một cách nhanh chóng, kịp thời, chính xác, hỗ trợ ra quyết định cho những
nhà quản lý và quy hoạch.
- Hiển thị dữ liệu: GIS cho phép hiển thị dữ liệu tốt nhất dưới dạng bản đồ
hoặc biểu đồ. Ngồi ra cịn có thể xuất dữ liệu thuộc tính ra các bảng excel, tạo
các bản báo cáo thống kê, hay tạo mơ hình 3D, và nhiều dữ liệu khác.

1.1.3. Ứng dụng của hệ thông tin địa lý GIS
a) Mơi trường
Ở mức đơn giản nhất là có thể dùng hệ thông tin địa lý GIS để đánh giá
môi trường dựa vào vị trí và thuộc tính. Ứng dụng rộng hơn là chúng ta có thể

11

sử dụng GIS để mơ hình hóa các tiến trình xói mịn đất cũng như sự ơ nhiễm
mơi trường dựa vào khả năng phân tích của GIS

Hình 1.2. Các lớp ứng dụng của GIS trong mơi trường
b) Khí tượng thủy văn
Hệ thơng tin địa lý GIS có thể nhanh chóng đáp ứng phục vụ cho các công
tác dự báo thiên tai lũ lụt cũng như các công tác dự báo vị trí của bão và các
dịng chảy…

Hình 1.3. Các lớp ứng dụng của GIS trong thủy văn
c) Nơng nghiệp
GIS có thể phục vụ cho các công tác quản lý sử dụng đất, nghiên cứu về
đất trồng, có thể kiểm tra được nguồn nước


12

d) Dịch vụ tài chính
GIS được ứng dụng trong việc xác định các chi nhánh mới của ngân hàng.

e) Y tế
GIS ứng dụng để có thể dẫn đường và đưa ra được lộ trình giữa xe cấp
cứu với bệnh nhân cần cấp cứu qua đó giúp xe cấp cứu có thể nhanh nhất đến
với vị trí của bệnh nhân làm tăng cơ hội sống sót của người bện, ngồi ra nó cịn
được dùng trong nghiên cứu các dịch bệnh nó có thể phân tích ngun nhân
bùng phát và lan truyền của bệnh dịch
f) Giao thông
Hệ thông tin địa lý GIS có thể được ứng dụng trong định vị trong vận tải

hàng hóa, cũng như việc xác định lộ trình đường đi ngắn nhất, cũng như việc
quy hoạch giao thơng.

Hình 1.4. Các lớp ứng dụng của GIS trong giao thông

1.1.4. Mô hình dữ liệu địa lý của hệ thống GIS


13

GIS lưu giữ thông tin về thế giới thực dưới dạng tập hợp các lớp chuyên
đề có thể liên kết với nhau nhờ các đặc điểm địa lý. Là một cơng cụ đa năng có
giá trị trong việc giải quyết nhiều vấn đề thực tế như: thiết lập tuyến đường phân
phối của các chuyến xe, lập báo cáo chi tiết cho các ứng dụng quy hoạch, mô
phỏng sự lưu thông khí quyển tồn cầu,…
Các thơng tin địa lý hoặc chứa những tham khảo địa lý hiện (chẳng hạn
như kinh độ, vĩ độ hoặc tọa độ lưới quốc gia), hoặc chứa những tham khảo địa lý
ẩn (như địa chỉ, mã bưu điện, tên vùng điều tra dân số, bộ định danh các khu vực
rừng hoặc tên đường). Mã hóa địa lý là quá trình tự động thường được dùng để
tạo ra các tham khảo địa lý hiện (vị trí) từ các tham khảo địa lý ẩn (là những mô
tả, như địa chỉ). Các tham khảo địa lý cho phép định vị đối tượng (như khu vực
rừng hay địa điểm thương mại) và sự kiện (như động đất) trên bề mặt quả đất
phục vụ mục đích phân tích.
a. Mơ hình Vector
Hệ thống thông tin địa lý làm việc với hai dạng mô hình dữ liệu địa lý
khác nhau về cơ bản là mơ hình vector và mơ hình raster. Trong mơ hình vector,
thơng tin về điểm, đường và vùng được mã hóa và lưu dưới dạng tập hợp các tọa
độ x,y. Vị trí của đối tượng điểm, như lỗ khoan, có thể được biểu diễn bởi một
tọa độ đơn x,y. Đối tượng dạng đường, như đường giao thơng, sơng suối, có thể
được lưu dưới dạng tập hợp các tọa độ điểm. Đối tượng dạng vùng, như khu vực

buôn bán hay vùng lưu vực sơng, được lưu như một vịng khép kín của các điểm
tọa độ.
Bảng 1.1. Bảng mô tả cách thể hiện của Raster và Vector
Dạng thể hiện Raster

Thực tế

Điểm: khách sạn

Dạng thể hiện Vector


14

Dạng thể hiện Raster

Thực tế

Dạng thể hiện Vector

Đường: đường dây điện

Vùng: khu rừng

Mạng lưới: đường

Độ cao: đồi núi

b. Mơ hình Raster
Mơ hình vector rất hữu ích đối với việc mơ tả các đối tượng riêng biệt,

nhưng kém hiệu quả hơn trong miêu tả các đối tượng có sự chuyển đổi liên tục
kiểu như đất hoặc chi phí ước tính cho các bệnh viện. Mơ hình raster được phát
triển cho mơ phỏng các đối tượng liên lục như vậy. Một ảnh raster là một tập
hợp các ơ lưới. Cả mơ hình vector và raster đều được dùng để lưu dữ liệu địa lý
với những ưu điểm, nhược điểm riêng. Các hệ GIS hiện đại có khả năng quản lý
cả hai mơ hình này.


15

1.2. LŨ QUÉT
1.2.1. Các dạng lũ quét
Dựa vào hình thức, quy mô phát triển và các vật chất mang theo trong
dòng chảy lũ mà lũ quét được phân ra các loại chính sau [7,8,11]:
Lũ quét sườn dốc: lũ xảy ra với tốc độ lớn và ngắn, quét đi mọi
chướng ngại trên đường nó đi qua.
Lũ bùn đá: lũ có mang nhiều bùn, đá trong dòng lũ.
Lũ nghẽn dòng: Lũ mang nhiều rác, cành cây, đất đá, sỏi, các vật có
được trong q trình lũ cuốn trơi.
Lũ qt do sự cố vỡ hồ chứa nước nhân tạo, hình thành một lượng
nước tích do vỡ đập chắn hay các đập giữ nước, các đập băng...

1.2.2. Đặc tính của lũ qt
Vì lũ qt là hiện tượng di chuyển của một khối nước khổng lồ từ cao
xuống thấp với tốc độ ngày càng tăng cũng như sức tàn phá ngày càng lớn tùy
thuộc vào độ dài, dốc cũng như sự "trơn láng" của quãng đường mà nó đi
(những nơi như núi và đồi khơng có cây lũ qt sẽ xuất hiện thường xun do
khơng có gì để chặn dịng nước), nó sẽ gây ra thiệt hại cực kỳ nghiêm trọng cho
những nơi mà nó đi qua. Với tốc độ cao và khối lượng lớn nó có thể cuốn trơi
nhà cửa, cây cối... gần như mọi thứ trên đường đi. Hiện tượng lũ quét thường

thấy ở những nơi gần nơi có độ dốc như dưới chân đồi núi, hay ở trong thung
lũng.


16

Hình 1.5. Lũ qt tại huyện Minh Hóa
Khi đường thốt nước của lũ quét bị chặn (do đê hay các cơng trình lớn
dù nó khơng bịt hết dịng chảy) nên khối lượng nước khổng lồ với tốc độ cao bị
dội ngược lại thành một vịng trước khi có thể chảy tiếp cũng làm cho mực nước
dâng nhanh hơn và nguy hiểm hơn.
Đi cùng lũ quét có thể có nhiều trận lở đất, trượt bùn cùng những thứ mà
nó cuốn theo khiến cho lũ quét càng trở nên nguy hiểm khi mà khối lượng di
chuyển khơng chỉ có nước.

Hình 1.6. Trượt lở, trên tuyến đường Hồ Chí Minh nhánh đơng
Lũ qt có thể xuất hiện trên diện rộng nhưng diện tích lũ quét càng rộng
thì mức tàn phá sẽ càng kém do khối lượng nước bị phân tán ra chứ không tập
trung gây thiệt hại.