Luận án tiến sĩ nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy mặt phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai

Luận án tiến sĩ nghiên cứu ứng dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy mặt, hỗ trợ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai.

• Tác giả: Bùi Tuấn Hải
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Quang Vinh
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Tài Nguyên Nước
• Đề tài: Nghiên Cứu Dữ Liệu Viễn Thám Trong Mô Phỏng Dòng Chảy Mặt Cho Quy Hoạch Thủy Lợi Và Phòng Chống Thiên Tai
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG QUY HOẠCH THỦY LỢI VÀ PHÒNG CHỐNG THIÊN TAI
• 1.1. Tổng quan về công nghệ viễn thám
• 1.2. Tổng quan các công trình khoa học trên thế giới đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan đến đề tài luận án
• 1.2.1. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong quy hoạch thủy lợi, quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai trên thế giới
• 1.2.2. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy
• 1.2.3. Đánh giá chung về các kết quả nghiên cứu trên thế giới
• 1.3. Tổng quan các công trình khoa học ở trong nước đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan đến đề tài luận án
• 1.3.1. Khái quát chung
• 1.3.2. Nghiên cứu về quản lý tài nguyên nước, quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai
• 1.3.3. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy
• 1.3.4. Đánh giá chung về các nghiên cứu ở trong nước
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU
• 2.1. Luận giải các phương pháp và công cụ nghiên cứu
• 2.1.1. Cách tiếp cận khoa học
• 2.1.2. Phương pháp nghiên cứu khoa học
• 2.1.3. Công cụ nghiên cứu
• 2.2. Địa điểm nghiên cứu
• 2.3. Quy trình nghiên cứu
• 2.4. Nghiên cứu lựa chọn mô hình toán mô phỏng dòng chảy lưu vực sông Cả
• 2.4.1. Các mô hình toán đang được áp dụng trong tính toán thủy văn, thủy lực
• 2.4.2. Phân tích, lựa chọn bộ mô hình toán áp dụng cho tính toán mưa, bốc hơi và diễn toán chế độ dòng chảy trên lưu vực
• 2.5. Nghiên cứu công cụ phân tích, xử lý dữ liệu viễn thám
• 2.5.1. Kết hợp giữa viễn thám và GIS
• 2.5.2. Đánh giá các phần mềm mã nguồn mở GIS trong việc phân tích, xử lý dữ liệu viễn thám
• 2.5.3. Phân tích và lựa chọn phần mềm phục vụ công tác xây dựng và quản lý dữ liệu
• 2.6. Nghiên cứu lựa chọn dữ liệu viễn thám
• 2.6.1. Nghiên cứu lựa chọn dữ liệu mưa vệ tính độ phân giải cao
• 2.6.2. Nghiên cứu phân tích, lựa chọn dữ liệu địa hình từ nguồn dữ liệu mô hình số hóa độ cao (DEM)
• 2.6.3. Kết luận về phân tích, lựa chọn dữ liệu viễn thám cho lưu vực sông Cả
• 2.7. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG CẢ
• 3.1. Nghiên cứu kết hợp mưa vệ tinh và mưa thực đo trong tính toán mưa – dòng chảy từ mô hình NAM
• 3.1.1. Sự cần thiết phải kết hợp mưa vệ tinh với mưa thực đo
• 3.1.2. Thiết lập mô hình NAM với trạm mưa thực đo hiện có
• 3.1.3. Bố trí các trạm mưa giả định
• 3.1.4. Kết quả nghiên cứu mô hình NAM
• 3.1.5. Nhận xét chung về kết quả nghiên cứu mục 3.2
• 3.2. Nghiên cứu kết hợp dữ liệu viễn thám và mô hình toán IFAS trong mô phỏng dòng chảy lũ lưu vực sông Cả
• 3.2.1. Phạm vi nghiên cứu
• 3.2.2. Thiết lập mô hình IFAS
• 3.2.3. Mô phỏng, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình IFAS
• 3.2.4. Kết luận về kết quả nghiên cứu mô hình IFAS
• 3.3. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về dữ liệu viễn thám

Nghiên cứu dữ liệu viễn thám đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc mô phỏng dòng chảy và quản lý tài nguyên nước. Công nghệ này cho phép thu thập thông tin về các yếu tố tự nhiên và xã hội trên diện rộng, giúp cải thiện độ chính xác trong quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai. Việc sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu dòng chảy mặt không chỉ cung cấp dữ liệu về lượng mưa mà còn về các yếu tố khác như thảm phủ bề mặt và địa hình. Theo một nghiên cứu gần đây, việc áp dụng dữ liệu viễn thám đã giúp nâng cao khả năng dự đoán dòng chảy và giảm thiểu rủi ro thiên tai. "Công nghệ viễn thám cung cấp cái nhìn tổng thể về các biến động môi trường, từ đó hỗ trợ cho việc ra quyết định trong quản lý tài nguyên nước".

1.1. Ứng dụng công nghệ viễn thám

Công nghệ viễn thám đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong quản lý nước và phòng chống thiên tai. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng dữ liệu viễn thám có thể cải thiện đáng kể độ chính xác của các mô hình dự báo dòng chảy. Một nghiên cứu tại lưu vực sông Cả đã chỉ ra rằng, việc kết hợp dữ liệu viễn thám với các mô hình toán học đã giúp xác định chính xác hơn các khu vực có nguy cơ lũ lụt. "Việc sử dụng dữ liệu viễn thám không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí trong việc thu thập dữ liệu thực địa".

II. Phương pháp nghiên cứu và dữ liệu sử dụng

Phương pháp nghiên cứu trong luận án này bao gồm việc phân tích và lựa chọn dữ liệu viễn thám phù hợp cho mô phỏng dòng chảy. Các công cụ nghiên cứu như GIS và các phần mềm mã nguồn mở được sử dụng để xử lý và phân tích dữ liệu viễn thám. Việc lựa chọn mô hình toán phù hợp cho mô phỏng dòng chảy là rất quan trọng. Mô hình NAM và IFAS được áp dụng để tính toán dòng chảy, với sự kết hợp giữa dữ liệu mưa vệ tinh và dữ liệu thực đo. "Sự kết hợp này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác của mô hình mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy".

2.1. Lựa chọn mô hình toán

Mô hình NAM được lựa chọn để mô phỏng dòng chảy mặt, trong khi mô hình IFAS được sử dụng để phân tích lũ. Việc lựa chọn mô hình dựa trên khả năng của chúng trong việc xử lý dữ liệu viễn thám và khả năng dự đoán chính xác dòng chảy. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng mô hình IFAS có khả năng mô phỏng tốt các tình huống lũ lụt. "Mô hình IFAS cho phép phân tích chi tiết các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy, từ đó đưa ra các giải pháp hiệu quả cho quy hoạch thủy lợi".

III. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy đã mang lại nhiều lợi ích cho quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai. Các mô hình NAM và IFAS đã cho kết quả chính xác trong việc dự đoán dòng chảy, đặc biệt là trong các tình huống lũ lụt. Việc áp dụng công nghệ viễn thám đã giúp cải thiện khả năng quản lý nước và giảm thiểu thiệt hại do thiên tai. "Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc tích hợp dữ liệu viễn thám vào quy trình quản lý nước là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho cộng đồng".

3.1. Đánh giá hiệu quả mô hình

Mô hình NAM đã cho thấy khả năng dự đoán chính xác lượng mưa và dòng chảy, trong khi mô hình IFAS đã giúp phân tích các tình huống lũ lụt một cách hiệu quả. Việc kết hợp giữa dữ liệu viễn thám và các mô hình toán học đã tạo ra một công cụ mạnh mẽ trong việc quản lý tài nguyên nước. "Sự kết hợp này không chỉ giúp nâng cao độ chính xác mà còn tạo ra các giải pháp bền vững cho quản lý nước và phòng chống thiên tai".

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG QUY HOẠCH THỦY LỢI VÀ PHÒNG CHỐNG THIÊN TAI 1.1 Tổng quan về công nghệ viễn thám Ngày 4/10/1957 vệ tinh nhân tạo “Sputnik” đầu tiên của loài người được Liên Xô phóng lên quỹ đạo trái đất. Mặc dù chỉ có 3 tháng tồn tại trong không gian nhưng vệ tinh này đã chuyển về cho con người rất nhiều thông tin bề mặt trái đất bằng tín hiệu radio đã được mã hóa. Những năm tiếp theo sự kiện lịch sử này, hàng loạt các vệ tinh nhân tạo khác đã được nhiều cường quốc vũ trụ phóng lên quỹ đạo xung quanh trái đất với các mục tiêu và nhiệm vụ khác nhau. Sau ngày 20/7/1969 cuộc tranh đua giữa hai cường quốc vũ trụ là Liên Xô và Mỹ đưa người đầu tiên lên mặt trăng ngã ngũ, cùng với công nghệ chế tạo và khai thác vệ tinh nhân tạo không ngừng tiến bộ, các cường quốc vũ trụ và các nhà khoa học bắt đầu đầu tư nghiên cứu chế tạo vệ tinh viễn thám phục vụ riêng cho các mục đích phát triển kinh tế - xã hội.

Năm 1972, lần đầu tiên vệ tinh viễn thám Landsat đã cung cấp các bức ảnh rõ nét về bề mặt trái đất. Năm 2011, Đại hội đồng Liên Hiệp Quốc (LHQ) đã thông qua Nghị quyết lấy ngày 12/4 hằng năm là Ngày quốc tế con người bay vào vũ trụ. Nghị quyết do Nga đề xuất nhằm kỷ niệm 50 năm nhà du hành vũ trụ Yuri Gagarin thực hiện chuyến bay đầu tiên của con người vào vũ trụ (12- 4-1961). Viễn thám là khoa học nghiên cứu thu thập thông tin về các sự vật và hiện tượng trên bề mặt trái đất từ khoảng cách xa thông qua các thiết bị công nghệ đo đạc đặc biệt lắp đặt trên các vệ tinh quan sát bề mặt trái đất.

Sabins (2007) [1] , viễn thám là môn khoa học nghiên cứu đo đạc, thu thập thông tin về một đối tượng hoặc hiện tượng bằng cách sử dụng thiết bị đo qua tác động một cách gián tiếp giữa các bức xạ điện từ (các loại tia sáng) với đối tượng hoặc hiện tượng nghiên cứu. Trong hơn 60 năm qua, công nghệ viễn thám không ngừng tiến bộ, số lượng vệ tinh viễn thám ngày càng tăng về số lượng, đa dạng về chủng loại (đa phổ, siêu phổ, radar, quang học), đa dạng về kích thước (micro, vệ tinh nhỏ, vệ tinh), đa dạng về quỹ đạo (quỹ đạo thấp, quỹ đạo cực, quỹ đạo đồng bộ mặt trời) và đang có xu hướng phát triển thành các chùm vệ tinh … Phạm vi ứng dụng của công nghệ viễn thám cũng không ngừng được 6 luan an mở rộng. Đến thời điểm hiện nay, công nghệ viễn thám được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực chính sau đây: - Dự báo thời tiết và dự báo thiên tai thông qua sự biến đổi nhiệt độ bề mặt trái đất, sự di chuyển, nhiễu động của các đám mây và các khối khí quyển bao phủ bề mặt trái đất. - Quản lý tài nguyên nước và chất lượng các nguồn nước trên các vùng lãnh thổ, đặc biệt trên các lưu vực sông thông qua quá trình biến đổi của các yếu tố khí tượng, thời tiết và thảm phủ và các nguồn chất thải trên bề mặt lưu vực.

- Quản lý đất đai thông qua giám sát quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa, quá trình sa mạc hóa, quá trình sạt lở và bồi tụ đất trên các lưu vực sông, quá trình bồi lấn hoặc xâm thực bờ sông, bờ biển, … - Xây dựng các loại bản đồ phục vụ yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội. Viễn thám có thể quan sát được các khu vực rộng lớn trên bề mặt trái đất, một mặt nó cung cấp nhiều số liệu hơn so với các trạm quan trắc số liệu riêng lẻ, ví dụ như đánh giá lưu lượng và trữ lượng trên phạm vi lưu vực, và mặt khác có thể thu được cơ sở dữ liệu chung của thông tin so sánh liên quốc gia. Do quá trình lặp lại của các quan sát cho phép tạo ra một chuỗi thời gian của các thông số quan sát được và kết quả là tăng cường khả năng trong phân tích, giám sát và dự báo sự phát triển của hiện tượng, tạo thuận lợi cho quản lý tài nguyên nước.2 Tổng quan các công trình khoa học trên thế giới đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan đến đề tài luận án 1.1 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong quy hoạch thủy lợi, quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai trên thế giới 1.1 Khái quát chung Theo Engman và cộng sự (2000) [2] các dữ liệu liên quan đến thủy văn và địa chất trên bề mặt trái đất được quan sát bằng viễn thám khi sử dụng cùng với các dữ liệu đo đạc tại chỗ có thể tạo ra các kho dữ liệu quan trọng để nghiên cứu các nguồn nước mặt và nước ngầm, cung cấp các số liệu đầu vào quan trọng cho các mô hình (thảm phủ, địa hình, địa mạo, .) hoặc cho việc thu nhận các thông số sinh học, địa vật lý (chất lượng nước và nhiệt độ, độ ẩm đất,. Theo Bastiaanssen và cộng sự (1998) [3] công nghệ viễn thám đã và đang được ứng dụng trong tính toán lượng mưa, bốc thoát hơi tiềm 7 luan an năng, nhu cầu nước của cây trồng, theo dõi độ ẩm đất, ước lượng diện tích, thành lập bản đồ khu tưới… Công nghệ viễn thám cũng được ứng dụng nhiều trong nghiên cứu quá trình hình thành dòng chảy, lũ lụt và hạn hán trên các lưu vực sông.

Quá trình xử lý dữ liệu viễn thám thường được thực hiện trong các phần mềm GIS. Bastiaanssen và Prathapar (2000) [4] chỉ ra lợi ích sử dụng dữ liệu viễn thám trong quản lý tài nguyên nước đối với các sông quốc tế. Thông tin viễn thám có sẵn cho tất cả các bên có thể giúp tạo sự đồng thuận về các điều kiện lưu vực - từ thượng nguồn đến hạ nguồn các lưu vực sông. Thông tin về lưu vực và việc xây dựng cơ sở dữ liệu dùng chung sẽ kích thích cho sự hợp tác quốc tế giữa các quốc gia cùng chia sẻ một lưu vực sông quốc tế.2 Một số công trình nghiên cứu đã triển khai ứng dụng tại Châu Phi Năm 2002 Ủy ban Vệ tinh Quan sát Trái đất (CEOS) bắt đầu triển khai Sáng kiến TIGER như là một hành động cụ thể thực hiện Nghị quyết của Hội nghị thượng đỉnh thế giới về phát triển bền vững tổ chức tại Johannesburg (Nam Phi).

Sáng kiến này nhằm hỗ trợ các nước châu Phi khắc phục các vấn đề phải đối mặt trong thu thập, phân tích và phổ biến các thông tin địa lý liên quan đến tài nguyên nước bằng cách khai thác những lợi thế của công nghệ viễn thám. Theo Diego and Francesco (2007) [5], giai đoạn đầu triển khai sáng kiến TIGER đã thực hiện thành công 50 dự án, tập trung chủ yếu vào tình trạng tài nguyên nước ở Châu Phi và quản lý tài nguyên nước tổng hợp (IWRM) khai thác dữ liệu quan sát trái đất do ESA cung cấp. Dưới đây là một số dự án điển hình đã được thực hiện thành công ở Châu Phi theo sáng kiến TIGER: - Dự án AQUIFER quan sát trái đất trong việc hỗ trợ quản lý tài nguyên nước ngầm chia sẻ giữa các quốc gia ở Châu Phi. - Triển khai hệ thống tổng hợp hỗ trợ ra quyết định (IDSS) cho lưu vực Souss-Massa (Ma-rốc).

- Mô phỏng dòng chảy và quản lý hồ chứa cho lưu vực Souss-Massa (Ma-rốc). - Đóng góp của dữ liệu quan sát trái đất trong việc xác định và quản lý những nguy cơ liên quan đến địa chất thủy văn ở hồ Nyos (Tây Cameroon). - Xây dựng bản đồ sử dụng đất (độ bao phủ đất) cho lưu vực sông Kuils- Eerste (Phía Tây Cape) thông qua cách tiếp cận sử dụng công nghệ viễn thám và GIS. - Dự án WADE ESA TIGER: sử dụng dữ liệu SAR xác định phần diện tích nước mặt và các thông số liên quan lưu vực sông Niger (Niamey Area).

8 luan an - Sử dụng hình ảnh ENVISAT ASAR và SPOT khu vực phía Đông của Ghana để giám sát các hồ chứa nhỏ. - Sử dụng ảnh ENVISAT ASAR để nhận dạng lũ lụt ở đồng bằng sông Okavango. - Xác định độ ẩm đất từ Synthetic Aperture Radar (SAR) cho các ứng dụng khí tượng thủy văn ở Cộng đồng Phát triển miền Nam châu Phi.3 Một số công trình nghiên cứu đã được triển khai ứng dụng tại Ấn độ Số liệu đầu vào từ viễn thám đã góp phần quan trọng trong quản lý, quy hoạch và quản lý tài nguyên nước tại Ấn Độ. Các lĩnh vực chính được ứng dụng gồm giám sát cơ sở hạ tầng thủy lợi, dự báo dòng chảy do tuyết tan, đánh giá tài nguyên nước theo lưu vực, dự báo lũ và mô hình ngập lụt, giám sát diện tích mặt nước ao hồ, nghiên cứu lũ gây ra bởi hồ băng (GLOF), đánh giá hoạt động công trình thủy lợi, tổn thất dung tích hồ chứa, quy hoạch phát triển lưu vực sông và nghiên cứu các mô hình thủy văn.

Có thể kể đến một số ứng dụng của viễn thám và GIS trong quản lý tài nguyên nước ở Ấn Độ như sau: - Công nghệ tự động xác định, trích xuất dữ liệu mặt nước từ dữ liệu viễn thám lấy từ các vệ tinh Resourcesat-1 / Resourcesat-2 AWiFS / Liss III và tính toán thông qua một thuật toán. Từ các đặc tính quang phổ, thuật toán giúp chuyển đổi sang các mối quan hệ toán học giữa tỷ lệ và ngưỡng các lớp quang phổ nhìn thấy cùng các kết hợp khác trong mối quan hệ giữa bốn lớp dữ liệu quang phổ Green, Red, NIR và SWIR. - Dự án sử dụng dữ liệu vệ tinh CARTOSAT để đánh giá hiện trạng và tiềm năng phát triển thủy lợi. Dữ liệu viễn thám từ các vệ tinh CARTOSAT 1 và CARTOSAT 2 tạo cơ sở dữ liệu mạng lưới kênh rạch và cơ sở hạ tầng thủy lợi khác, giúp đánh giá khách quan tình trạng vật lý của các hệ thống này tại thời điểm nhất định (như trên ngày thu thập dữ liệu vệ tinh).

Các dữ liệu vệ tinh cũng được sử dụng để chuẩn bị tiến độ xây dựng các hệ thống thủy lợi, xác định khoảng trống chưa có cơ sở hạ tầng thủy lợi, giúp phát hiện và xử lý các tắc nghẽn trong quá trình triển khai dự án.4 Một số công trình nghiên cứu đã được triển khai ứng dụng trên lưu vực sông Mê Công và Ủy hội sông Mê Công quốc tế Ủy hội sông Mê Công quốc tế (MRC) là cơ quan liên chính phủ gồm 4 thành viên là các nước nằm ở khu vực hạ lưu sông Mê Công gồm Việt Nam, Campuchia, Lào và Thái Lan.