Luận án Tiến sĩ Địa lý tài nguyên và Môi trường: Nghiên cứu tích hợp hệ cảm biến và hệ thống thông tin địa lý phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:158

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Địa lý tài nguyên và Môi trường "Nghiên cứu tích hợp hệ cảm biến và hệ thống thông tin địa lý phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường" trình bày các nội dung chính sau: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu tích hợp hệ cảm biến và hệ thống thông tin địa lý phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường nước trên lưu vực sông; Nghiên cứu thiết kế hệ thống tích hợp mạng cảm biến không dây và mô hình hóa trên nền tảng WebGIS phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Địa lý tài nguyên và Môi trường: 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 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 Mã số: 9 44 02 20 Xác nhận của Học viện Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 Khoa học và Công nghệ (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) PGS.TS. Lê Trung TS. Nguyễn Thanh Thành Hoàn Hà Nội - 2023
i Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng 7 năm 2023 Tác giả luận án Nguyễn Anh Tuấn
ii Lời cảm ơn Luận án đã được thực hiện thành công tại Khoa Địa lý, Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn sát sao, tận tình của PGS.TS Lê Trung Thành và TS. Nguyễn Thanh Hoàn. Tác giả luận án bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến các thày, những người đã dành nhiều thời gian, tâm sức để hướng dẫn, động viên, hướng dẫn cho tác giả tháo gỡ những khúc mắc trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới toàn thể cán bộ nghiên cứu, nhà khoa học tại Viện Địa lý, các thày, cô tại Học viện Khoa học và Công nghệ đã hỗ trợ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành được luận 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. Cuối cùng, tác giả cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ cả về vật chất và tinh thần để tác giả có thể hoàn thành được luận án này. Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2023 Tác giả luận án Nguyễn Anh Tuấn
iii Một số kí hiệu viết tắt Stt Ký hiệu Ý nghĩa 1 AI Artificial intelligence (trí tuệ nhân tạo) 2 API Application Programming Interface (Giao diện lập trình ứng dụng là các phương thức, giao thức kết nối với các thư viện và ứng dụng khác) 3 ARPANET Advanced Research Projects Agency Network là một đầu gói chuyển mạch mạng và mạng đầu tiên để thực hiện các giao thức TCP / IP 4 AVR Automatic Voltage Regulator là hệ thống tự động điều khiển điện áp đầu cực máy phát điện 5 Bộ NN&PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn 6 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 7 CH Cluster head là node cụm trưởng trong mạng cảm biến không dây 8 Cloud Server Cloud Server là một dịch vụ lưu trữ và quản lý máy chủ trên nền tảng đám mây 9 CSDL Cơ sở dữ liệu 10 DARPA Defense Advanced Research Projects Agency là Cơ quan Chỉ đạo các Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến của Mỹ 11 API Application Programming Interface - Giao diện lập trình kết nối các ứng dụng
iv Stt Ký hiệu Ý nghĩa 12 Data Logger Data logger là một trong những công nghệ phổ biến hiện nay trong việc lưu trữ và truyền thông tin dữ liệu 13 DEM Digital Elevation Model - mô hình số độ cao 14 RDBMS (Relational Database Management System) có nghĩa là hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ. 15 FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations là Tổ chức lượng thực và nông nghiệp Liên hợp quốc 16 FORTRAN Là một ngôn ngữ lập trình biên dịch, tĩnh, kiểu mệnh lệnh dùng để xử lý dữ liệu 17 GIS Geographic Information Systems - hệ thống thông tin địa lý 18 GPS Global Positioning System - hệ thống định vị toàn cầu 19 GSM Global System for Mobile Communications - Hệ thống thông tin di động toàn cầu 20 GUI Graphical User Interface - Giao diện đồ họa người dùng 21 GW Ground Water - Nước ngầm 22 HEC-HMS Là một mô hình toán thuỷ văn được dùng để tính dòng chảy từ số liệu đo lượng mưa trên lưu vực 23 HRU Hydrological Response Unit là đơn vị đồng nhất về mặt thủy văn 24 IEEE Institute of Electrical and Electronics Engi- neers - Viện Kỹ sư điện và điện tử 25 IoT Internet of Things - Internet vạn vật 26 IWRM Integrated Water Resources Management - Quản lý tổng hợp tài nguyên nước 27 MIKE-NAM Là mô hình thủy văn dạng bể chứa dùng để tính toán dòng chảy từ mưa
v Stt Ký hiệu Ý nghĩa 28 MMI Multimode Interference - Cấu trúc giao thoa đa mode 29 MRR Microring Resonators - Bộ vi cộng hưởng 30 MySQL Là phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu 31 MZI Mach-Zehnder interferometer - Giao thoa kế Mach-Zehnder 32 OSI Open Systems Interconnection - Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở 33 QUAL2E Là một mô hình chất lượng nước sông và dòng chảy 34 RFID Radio Frequency Identification - một công nghệ dùng kết nối sóng vô tuyến để tự động xác định và theo dõi các thẻ nhận dạng gắn vào vật thể. 35 Router Bộ định tuyến là thiết bị mạng có chức năng chuyển tiếp gói dữ liệu giữa các mạng máy tính 36 RS Remote Sensing - Công nghệ viễn thám 37 Runoff Dòng chảy bề mặt 38 SCS Soil Conservation System - phương pháp đường cong sử dụng trong mô hình SWAT để đánh giá dòng chảy ứng với loại đất và tính chất đất 39 SDGs Sustainable Development Goals - mục tiêu phát triển bền vững của Liên hợp quốc 40 SOI Silicon on Insulator - công nghệ silicon trên chất cách điện 41 SPW Surface plasmon wave - sóng plasmon bề mặt 42 SWAT Soil and Water Assessment Tool - phần mềm công cụ đánh giá đất và nước 43 UAV Unmanned Aerial Vehicle - Một loại phương tiện bay không người lái 44 UTM Universal Transverse Mercator - một phép chiếu bản đồ ở Việt Nam còn gọi là phép chiếu hình trụ. 45 WEAP Là một mô hình tính toán cân bằng nước
vi Stt Ký hiệu Ý nghĩa 46 Web Clients Máy khách của Web 47 Web Servers Máy chủ của Web 48 WebGIS Hệ thống thông tin địa lý hoạt động trên nền tảng Web 49 WINS Wireless Integrated Network Sensors - cảm biến mạng không dây tích hợp 50 WMO World Meteorological Organization, viết tắt tên tiếng Anh WMO) là tổ chức chuyên môn về khí tượng của Liên Hợp quốc 51 WSN Wireless Network Sensors - Mạng cảm biến không dây 52 WYLD Water Yield là lượng nước từ các đơn vị đồng nhất thủy văn (HRU) trong lưu vực được tính trong mô hình SWAT
vii Mục lục Lời cảm ơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii Một số kí hiệu viết tắt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii Danh sách hình vẽ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x Danh sách bảng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii Mở đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chương 1. Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu tích hợp hệ cảm biến và hệ thống thông tin địa lý phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường nước trên lưu vực sông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1 Tổng quan một số khái niệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu tích hợp hệ cảm biến và hệ thống thông tin địa lý phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường nước trên lưu vực sông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2.1 Trên thế giới . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2.2 Ở Việt Nam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.3 Ở khu vực nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.3 Phương pháp nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.3.1 Phương pháp khảo sát thực địa . . . . . . . . . . . . . . 30 1.3.2 Phương pháp sử dụng công nghệ GIS và mô hình hóa . 30 1.3.3 Phương pháp thiết kế hệ cảm biến không dây . . . . . . 31 1.3.4 Phương pháp lập trình và tích hợp hệ thống . . . . . . . 32 1.4 Tiểu kết chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Chương 2. Ứng dụng hệ thống thông tin địa lý và mô hình hóa mô phỏng chế độ dòng chảy tại lưu vực sông Nhuệ - Đáy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.1 Đặc điểm của lưu vực sông Nhuệ - Đáy . . . . . . . . . . . . . . 35
viii 2.2 Lựa chọn mô hình SWAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.1 Tổng quan về mô hình SWAT . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.2.2 Mô phỏng dòng chảy trong SWAT . . . . . . . . . . . . 44 2.3 Ứng dụng GIS xử lý dữ liệu đầu vào cho mô hình . . . . . . . . 48 2.3.1 Yêu cầu dữ liệu đầu vào cho mô hình SWAT . . . . . . 48 2.3.2 Dữ liệu địa hình (mô hình số độ cao, DEM) . . . . . . 50 2.3.3 Dữ liệu thổ nhưỡng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.3.4 Dữ liệu sử dụng đất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.3.5 Dữ liệu khí tượng thủy văn . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.3.6 Các yêu cầu về chuẩn hóa dữ liệu . . . . . . . . . . . . 59 2.4 Thiết lập và hiệu chỉnh mô hình . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.4.1 Quá trình thành lập mô hình . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.4.2 Hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình . . . . . . . . . . . 63 2.4.3 Tính toán lưu lượng dòng chảy và thành lập bản đồ tài nguyên nước cho lưu vực sông Nhuệ-Đáy . . . . . . . 67 2.5 Tiểu kết chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Chương 3. Nghiên cứu thiết kế hệ thống tích hợp mạng cảm biến không dây và mô hình hóa trên nền tảng WebGIS phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.1 Thiết kế kiến trúc hệ thống WebGIS tích hợp dữ liệu từ mạng cảm biến không dây và mô hình hóa . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.1.1 Thiết kế kiến trúc vật lý của hệ thống . . . . . . . . . . 73 3.1.2 Thiết kế kiến trúc logic của hệ thống . . . . . . . . . . . 74 3.1.3 Thiết kế cơ sở dữ liệu của hệ thống . . . . . . . . . . . 76 3.1.4 Chuẩn hóa cơ sở dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.2 Thiết kế hệ cảm biến quan trắc một số thông số khí tượng, thủy văn tích hợp vào cho mô hình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.2.1 Thiết kế hệ cảm biến tích hợp sử dụng công nghệ Zig- bee và bo mạch Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.2.2 Thiết kế nút điều phối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.2.3 Thiết kế nút cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.2.4 Nguyên lý xử lý dữ liệu của hệ cảm biến . . . . . . . . 89
ix 3.3 Thiết kế cảm biến quang đo độ mặn của nước biển dựa trên cơ chế cộng hưởng từ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.3.1 Giới thiệu về cảm biến quang . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.3.2 Cơ chế cảm biến quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.3.3 Cấu trúc của cảm biến quang . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.3.4 Cấu trúc cảm biến sử dụng MZI với hai bộ vi cộng hưởng104 3.3.5 Ứng dụng công nghệ cảm biến quang thiết kế cảm biến đo độ mặn có độ nhạy cao . . . . . . . . . . . . . . 107 3.4 Tiểu kết chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Chương 4. Kết quả và thử nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.1 Dữ liệu sử dụng trong luận án . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.1.1 Dữ liệu không gian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.1.2 Dữ liệu theo thời gian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.2 Tiến hành thử nghiệm tại khu vực nghiên cứu . . . . . . . . . . 119 4.2.1 Mô tả địa bản thử nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.2.2 Kịch bản thử nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.3 Kết quả tích hợp trên hệ thống WebGIS . . . . . . . . . . . . . . 121 4.3.1 Tích hợp dữ liệu cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.3.2 Tích hợp kết quả mô phỏng của mô hình . . . . . . . . 123 4.3.3 Đánh giá kết quả thử nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.4 Tiểu kết chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
x Danh sách hình vẽ 1.1 Phương pháp không ràng buộc [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2 Phương pháp ràng buộc [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 Phương pháp nhúng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4 Quá trình phát triển của công nghệ cảm biến [20] . . . . . . . . 15 1.5 Kiến trúc phân tầng trong mạng cảm biến không dây [24] . . . 17 1.6 Khung hệ thống tích hợp phục vụ giám sát môi trường sử dụng các công nghệ RS, GIS, WSN và RE [29] . . . . . . . . . . . . 20 1.7 Kiến trúc của hệ thống SWATShare [35] . . . . . . . . . . . . . 22 1.8 Ứng dụng các mô hình trên nền tảng GIS mô phỏng lưu vực sông Mekong (DHI, 2015) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.9 Các tầng dữ liệu trong hệ thống tích hợp thông tin liên ngành . 29 1.10 Mô hình mạng Zigbee hình sao . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.1 Địa giới hành chính của lưu vực sông Nhuệ - Đáy . . . . . . . . 37 2.2 Bản đồ lưu vực hồ Fork ở đông bắc Texas với phân bố sử dụng đất và mạng lưới sông ngòi [61] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.3 Chia nhỏ lưu vực hồ Fork thành các tiểu lưu vực [61] . . . . . 41 2.4 Sơ đồ vòng tuần hoàn thủy văn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.5 Sơ đồ tính toán thủy văn và dòng bùn cát từ các HRU/Tiểu lưu vực. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.6 Sơ đồ đường chuyển động của nước được SWAT sử dụng . . . 44 2.7 Bản đồ dữ liệu DEM của lưu vực sông Nhuệ - Đáy . . . . . . . 51 2.8 Dữ liệu thổ nhưỡng tại lưu vực sông Đáy . . . . . . . . . . . . . 53 2.9 Dữ liệu sử dụng đất tại lưu vực sông Đáy . . . . . . . . . . . . . 55
xi 2.10 Tương quan lượng mưa và lưu lượng dòng chảy tại trạm Ba Thá từ năm 1978 đến 1980 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.11 Vị trí các trạm khí tượng thủy văn . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.12 Lượng mưa ngày tại 03 trạm khí tượng Hà Đông, Ba Thá, Như Tân (2011-2020) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.13 Nhiệt ngày tại trạm Khí tượng Hà Đông (2011-2020) . . . . . . 58 2.14 Tổng quan các tham số đầu vào và đầu ra của mô hình SWAT . 60 2.15 Quá trình mô phỏng, phân chia lưu vực thành các tiểu lưu vực 61 2.16 Độ dốc được phân thành 5 lớp theo quy ước của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.17 Lưu lượng dòng chảy được hiệu chỉnh tại trạm Ba Thá giai đoạn 1978-1979 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.18 Lưu lượng dòng chảy được kiểm chứng tại trạm Ba Thá năm 1980 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.19 Bản đồ trữ lượng nước mặt của lưu vực sông Nhuệ-Đáy năm 2020 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.1 Kiến trúc hệ thống thông tin tích hợp liên ngành . . . . . . . . 73 3.2 Luồng xử lý dữ liệu trong hệ thống tích hợp WebGIS . . . . . . 75 3.3 Mô hình cơ sở dữ liệu quan hệ trong hệ thống iSFM Online . . 83 3.4 Cấu trúc dữ liệu của hệ thống dữ liệu địa không gian . . . . . . 84 3.5 Cấu trúc của một mô hình hệ thống giám sát . . . . . . . . . . . 85 3.6 Cấu trúc nút điều phối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.7 Thành phần chính của thiết bị nút điều phối . . . . . . . . . . . 87 3.8 Cấu trúc nút cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm . . . . . . . . . . . 88 3.9 Cấu trúc nút cảm biến đo lượng mưa . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.10 Giản đồ xử lý dữ liệu từ thiết bị cảm biến . . . . . . . . . . . . 90 3.11 Nguyên lý thiết kế của hệ thống quan trắc . . . . . . . . . . . . 91 3.12 Quá trình xử lý chuỗi dữ liệu của hệ thống . . . . . . . . . . . . 92 3.13 Quá trình xử lý dữ liệu tại nút điều phối . . . . . . . . . . . . . 95 3.14 Cấu trúc chung của hệ thống cảm biến quang . . . . . . . . . . 96 3.15 Nguyên tắc chung của cảm biến quang không dùng nhãn . . . 97
xii 3.16 Sơ đồ hệ thống đo độ mặn qua hệ thống cảm biến quang . . . . 98 3.17 Cấu trúc cảm biến huỳnh quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.18 Thay đổi chiết suất hiệu dụng trong ống dẫn sóng quang . . . . 100 3.19 Cấu trúc cảm biến MZI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.20 Ống dẫn sóng rỗng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.21 Cách tử Bragg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.22 Cấu trúc khe ống dẫn sóng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.23 Cấu trúc cảm biến dựa vào bộ vi cộng hưởng . . . . . . . . . . 104 3.24 Cấu trúc cảm biến sử dụng MZI với hai bộ vi cộng hưởng . . . 105 3.25 Giá trị vi phân của hàm truyền theo bước sóng . . . . . . . . . 106 3.26 Cấu trúc cảm biến quang đo độ mặn nước biển dựa trên bộ ghép 2x4 MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.27 Cấu hình cơ bản trong chế độ đơn và chệ độ dẫn sóng đa mode 111 3.28 Chiết suất nông độ NaCl trong dung dịch nước biển . . . . . . 113 3.29 Chuyển đổi bước sóng trong thiết bị cảm biến . . . . . . . . . . 114 3.30 Cộng hướng bước sóng tại các nồng độ NaCl khác nhau . . . . 114 3.31 Các kết quả mô phỏng của việc chuyển đổi tín hiệu qua cấu trúc cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 3.32 Cấu trúc tích hợp với hệ thống IoT . . . . . . . . . . . . . . . . 116 4.1 Lắp đặt thử nghiệm hệ cảm biến tại trạm khí tượng Hà Đông và trạm thủy văn Như Tân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.2 Lượng mưa trung bình theo ngày tại trạm Hà Đông trong tháng 12 năm 2022 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.3 Giao diện của hệ thống thông tin tích hợp . . . . . . . . . . . . 122 4.4 Chức năng theo dõi lượng mưa trung bình theo tháng . . . . . 123 4.5 Lưu lượng dòng chảy tại một khúc sông trên lưu vực sông Nhuệ-Đáy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.6 Kết quả kiểm định nút cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm trong phòng thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 4.7 Kết quả quan trắc nhiệt độ và độ ẩm tại trạm khí tượng Hà Đông truyền về trung tâm và lưu trữ trên hệ thống . . . . . . . 125
xiii Danh sách bảng 1.1 Đặc điểm của một số mô hình thủy văn cho lưu vực sông theo các giai đoạn phát triển của công nghệ . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2 Tiêu chuẩn lựa chọn mô hình theo Tổ chức khí tượng thế giới (WMO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1 Bảng thông tin dữ liệu đầu vào . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.2 Bảng thông tin loại đất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.3 Bảng thông tin loại sử dụng đất . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.4 Thông số phân tích độ nhạy đối với chế độ dòng chảy . . . . . 64 2.5 Thông số phân tích độ nhạy đối với chế độ dòng chảy . . . . . 66 3.1 Bảng thông tin trạm mưa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.2 Bảng thông tin về lưu vực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.3 Bảng thông tin điểm thoát nước (outlet) . . . . . . . . . . . . . 77 3.4 Bảng thông tin các khúc sông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.5 Bảng thông tin của các tiểu lưu vực . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.6 Bảng thông tin về đơn vị đồng nhất về tác động thủy văn (HRU) 80 3.7 Bảng thông tin của các loại sử dụng đất . . . . . . . . . . . . . . 81 3.8 Bảng thông tin của các tiểu lưu vực . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.9 Bảng thông tin dữ liệu mưa theo giờ . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.10 Bảng thông tin dữ liệu mưa theo ngày . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.11 Bảng thông tin quá trình chạy mô hình . . . . . . . . . . . . . . 82
1 Mở đầu 1. Tính cấp thiết của đề tài Ở Việt Nam cũng như trên thế giới vấn đề quản lý tài nguyên và môi trường luôn là chủ đề được các nhà quản lý, các cơ sở đào tạo, viện nghiên cứu quan tâm. Quản lý tài nguyên và môi trường có vai trò rất quan trọng đối với sự phát triển kinh tế, xã hội, đảm bảo sự ổn định về sinh kế, chính trị, và an ninh quốc phòng của mỗi quốc gia. Trong đó có vấn đề quản lý tài nguyên nước và môi trường trên các lưu vực sông. Nước là tài nguyên rất quan trọng và không thể thiếu đối với sự sống trên trái đất. Ngày nay dưới sự tác động của các hoạt động phát triển kinh tế, xã hội đã gây ra hiện tượng biến đổi khí hậu trên quy mô toàn cầu dẫn đến thời tiết, khí hậu thay đổi thất thường theo hướng cực đoan dẫn đến các hiện tượng lũ lụt, hạn hán làm suy thoái, cạn kiệt tài nguyên nước trên các lưu vực sông. 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 phủ Việt Nam 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 năm 2017), trong đó đã đề ra 17 mục tiêu phát triển bền vững và 115 mục tiêu cụ thể. Bộ Tài nguyên và Môi trường được giao nhiệm vụ triển khai ”Giám sát hiệu quả việc khai thác, sử dụng tài nguyên nước; đảm bảo chất lượng nguồn nước sinh hoạt và cấp đủ cho nhân dân; theo dõi, đánh giá, dự báo tình hình suy thoái, cạn kiệt, xâm nhập mặn nguồn nước; thúc đẩy chia sẻ tài nguyên nước xuyên biên giới”. Để giải quyết các vấn đề về quản lý tài nguyên và môi trường nước đặc biệt là quản lý tài nguyên nước trên các lưu vực sông các nhà khoa học ở Việt Nam
2 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), mạng cảm 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 vi rộng lớn như lưu vực sông. Kết hợp các công nghệ trên giúp cho các nhà khoa học, 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 cực đoan ảnh hưởng tới môi trường, một số vấn đề được quan tâm như lũ lụt, hạn hán, xâm thực mặn. Trong những năm qua đã có các nghiên cứu như kết hợp giữa công nghệ GIS và IoTs, GIS và mạng cảm biến không dây, hay GIS với công nghệ viễn thám và IoTs để xây dựng các hệ thống có khả năng thu thập dữ liệu nhanh chóng, phân tích và trực quan hóa dữ liệu thu thập được hỗ trợ cho công tác quản lý và ra quyết định [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Việt Nam là quốc gia có hệ thống sông ngòi dày đặc cung cấp nguồn nước cho các nhu cầu dân sinh, sản xuất nông, lâm ngư nghiệp. Do đó việc quản lý, bảo vệ tài nguyên nước tại các lưu vực sông đóng vai trò rất quan trọng. Phạm vi của các lưu vực sông thông thường nằm ở các khu vực liên tỉnh và có diện tích lớn, do vậy quản lý tài nguyên nước ở các lưu vực vẫn là một thách thức hiện nay. Đặc biệt là tài nguyên nước mặt và sự thay đổi về lưu lượng dòng chảy trên sông là những thông số quan trọng cần được nắm bắt thường xuyên, liên tục. Trong khi đó để đầu tư hạ tầng và duy trì hoạt động của một hệ thống quan trắc trên lưu vực sông với mật độ điểm quan trắc đủ để phân tích, đánh giá cần chi phí rất lớn. Do vậy, giải pháp kết hợp dữ liệu không gian và thời gian với mô hình hóa để mô phỏng các thông số tài nguyên và môi trường trên lưu vực sông là một giải pháp tối ưu và khả thi. Hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới đã có một số nghiên cứu xây dựng các hệ thống tích hợp giữa dữ liệu thời gian và dữ liệu không gian để phục vụ công tác theo dõi, đánh giá tài nguyên và môi trường. Tuy nhiên dữ liệu được thu thập để xử lý, phân tích và đánh giá theo thời gian thực mới dừng ở phạm vi các điểm quan trắc, khu vực có phạm vị hẹp, chẳng hạn như tại các điểm ô nhiễm, hay lưu lượng dòng chảy tại một số mặt cắt nhất định. Do vậy việc nghiên cứu xây dựng một hệ thống tích hợp dữ liệu không gian, thời gian và dữ liệu thuộc tính đáp ứng được các
3 yếu tố thu thập tự động dữ liệu từ hệ cảm biến kết hợp với việc ứng dụng công nghệ GIS và mô hình thủy văn để thực hiện các mô phỏng và hiển thị kết quả tại nhiều vị trí khác nhau theo thời gian thực là rất cần thiết. Dựa trên tình hình nghiên cứu về giải pháp xây dựng hệ thống tích hợp liên ngành ở Việt Nam và trên thế giới phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường nói chung và tài nguyên nước trên các lưu vực sông nói riêng đã đặt ra một số hướng nghiên cứu có tính thời sự hiện nay. Nhận được sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Lê Trung Thành, TS. Nguyễn Thanh Hoàn và các thày cô tại Viện Địa lý, Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam tôi đã lựa chọn đề tài: ”Nghiên cứu tích hợp hệ cảm biến và hệ thống thông tin địa lý phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường” để tập trung làm sáng tỏ một số nội dung về chủ đề này, đồng thời gợi mở các hướng nghiên cứu liên quan. 2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục tiêu chung 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, mô hình thủy văn và hệ cảm biến không dây. 2.2. Mục tiêu cụ thể + Đánh giá được tình hình tài nguyên nước trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy dựa trên kết quả mô phỏng từ mô hình thủy văn; + Làm rõ được khả năng kết nối dữ liệu khí tượng vào mô hình theo thời gian thực 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 môi trường nước có khả năng tích hợp lên mạng cảm biến không dây; + Thiết kế, xây dựng được hệ thống thông tin WebGIS tích hợp tự động dữ liệu từ mạng cảm biến không dây vào mô hình để tiến hành mô phòng tài nguyên nước trên lưu vực sông theo thời gian thực. 3. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến không dây kết hợp với mô hình hóa và dữ liệu nền địa lý GIS trong quản lý tài nguyên nước ở Việt Nam và trên thế giới.
4 - Ứng dụng công nghệ GIS và mô hình thủy văn mô phỏng các yếu tố về dòng chảy phục vụ quản lý tài nguyên nước trong lưu vực sông - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ cảm biến tích hợp thu thập một số thông số khí tượng, thủy văn làm đầu vào cho mô hình. - 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 gian thực. - Nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin WEBGIS tích hợp tự động dữ liệu từ cảm biến vào mô hình để thực hiện mô phỏng dòng chảy và trực quan hóa dữ liệu tài nguyên nước và môi trường trên lưu vực sông theo thời gian thực hỗ trợ ra quyết định. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 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 mô hình thủy văn để quản lý, giám sát tài nguyên nước và một số thông số môi trường trên lưu vực sông, bao gồm: - Vấn đề mô phỏng lưu lượng dòng chảy trên lưu vực sông sử dụng hệ thống thông tin địa lý và mô hình thủy văn; - Vấn đề quan trắc tự động một số thông số khí tượng, thủy văn sử dụng mạng cảm biến không dây; - Cấu trúc cảm biến quang đo độ mặn của nước; - Vấn đề tích hợp dữ liệu quan trắc lên hệ thống WebGIS làm đầu vào cho mô hình để mô phỏng yếu tố lưu lượng dòng chảy trên lưu vực sông; Phạm vi lãnh thổ: Lưu vực sông Nhuệ - Đáy thuộc không gian địa giới của 05 tỉnh, thành phố Hòa Bình, Hà Nội, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình. Phạm vi khoa học: Luận án tập trung nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, nguyên lý thiết kế cảm biến quang và giải pháp xây dựng hệ thống WEBGIS tích hợp mô hình, dữ liệu theo không gian và thời gian phục vụ quản lý tài nguyên nước và môi trường trên các lưu vực sông. 5. Điểm mới của luận án - Xây dựng được một hệ thống WEBGIS tích hợp dữ liệu cảm biến không dây và dữ liệu nền địa lý vào mô hình thủy văn phục vụ quản lý tài nguyên nước
5 trên lưu vực sông theo thời gian thực; - Nghiên cứu, thiết kế được một hệ cảm biến có thể tích hợp các loại cảm biến không dây khác nhau phục vụ theo dõi, giám sát các thông số khí tượng, thủy văn và môi trường; - Nghiên cứu, thiết kế được một cấu trúc cảm biến quang đo độ mặn của nước có khả năng tích hợp lên mạng cảm biến không dây. 6. Các luận điểm bảo vệ - Luận điểm 1: Hệ thống thông tin tích hợp đầy đủ các dữ liệu về không gian, thời gian và thuộc tính hình thái của một lưu vực sông là giải pháp khoa học công nghệ có khả năng hỗ trợ hiệu quả cho công tác quản lý tài nguyên nước và môi trường ở các lưu vực sông. - Luận điểm 2: Giải pháp thiết kế cấu trúc cảm biến quang đo độ mặn của nước và hệ thống tích hợp các cảm biến không dây có khả năng quan trắc dữ liệu khí tượng, thủy văn và môi trường theo thời gian thực đóng góp hiệu quả, thiết thực cho công tác theo dõi, giám sát và quản lý tài nguyên và môi trường. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Luận án đóng góp cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu trong việc ứng dụng hệ cảm biến không dây kết hợp với mô hình thủy văn và hệ thống thông tin địa lý phục vụ quản lý tổng hợp tài nguyên nước trên lưu vực sông. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học và phương tiện hữu ích giúp cho các nhà quản lý, hoạch định chính sách tham khảo để phát triển các ứng dụng trong thực tiễn nhằm quản lý hiệu quả tài nguyên và môi trường nước tại các lưu vực sông ở Việt Nam. 8. Cấu trúc của luận án Cấu trúc của luận án gồm các phần Mở đầu, Kết luận và 4 chương trình bày phương pháp luận để giải quyết bài toán đặt ra trong việc nghiên cứu, thiết kế và xây dựng hệ thống WEBGIS tích hợp dữ liệu nền địa lý, mô hình hóa và hệ cảm biến không dây phục vụ quản lý tài nguyên nước và môi trường tại lưu vực sông Nhuệ - Đáy. Chương 1. Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu tích hợp hệ cảm biến và hệ thống thông tin địa lý phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường nước