ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

LÊ THỊ OANH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG QUẢN LÝ
TÀI NGUYÊN NƢỚC NGẦM BẰNG CÔNG NGHỆ GIS
VÀ ỨNG DỤNG TẠI TỈNH BẮC NINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

THÁI NGUYÊN - 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

LÊ THỊ OANH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG QUẢN LÝ
TÀI NGUYÊN NƢỚC NGẦM BẰNG CÔNG NGHỆ GIS
VÀ ỨNG DỤNG TẠI TỈNH BẮC NINH
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60.48.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1.TS. TRƢƠNG HÀ HẢI
2.TS. HOÀNG THANH VÂN

THÁI NGUYÊN - 2017

Ninh”.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Cô giáo hƣớng dẫn TS. Trƣơng Hà Hải và cô giáo TS. Hoàng Thanh Vân
đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Khoa Sau đại học Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông đã
giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng nhƣ thực hiện luận văn.
Trƣờng Đại học Y Dƣợc Thái nguyên nơi tôi công tác đã tạo điều kiện tối đa
cho tôi thực hiện khóa học này.
Trung tâm Quan trắc tài nguyên và môi trƣờng, Sở Tài nguyên và Môi
trƣờng tỉnh Bắc Ninh.
Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và các anh chị đồng nghiệp đã
động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện
và hoàn thành luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 05 năm 2017
Tác giả luận văn

Lê Thị Oanh


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... vi
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ ỨNG DỤNG............................................3

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO


iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Các thành phần của GIS ............................................................................. 6
Hình 1.2. Chức năng của GIS ....................................................................................7
Hình 1.3. Xử lý dữ liệu thô ........................................................................................8
Hình 1.4. Lƣu trữ và truy vấn dữ liệu không gian .....................................................9
Hình 1.5. Định dạng dữ liệu Vector và Raster ..........................................................12
Hình 1.6. Ví dụ về Buffer .........................................................................................13
Hình 1.7. Buffer bên trong một hình có bán kính xác định ......................................14
Hình 1.8. Kết quả tìm kiếm theo địa chỉ ...................................................................16
Hình 1.9. Kết quả tìm kiếm trên mạng giao thông ....................................................17
Hình 1.10. Phép hợp ..................................................................................................18
Hình 1.11. Phép giao .................................................................................................18
Hình 1.12. Phép đồng nhất ........................................................................................19
Hình 1.13. Hiển thị lớp dữ liệu với một ký hiệu ......................................................20
Hình 1.14. Hiển thị lớp dữ liệu giao thông theo loại đƣờng .................................... 21
Hình 1.15. Hiển thị lớp dữ liệu phƣờng xã theo tên phƣờng ...................................22
Hình 1.16. Hiển thị số lƣợng dân số theo giải màu ..................................................23
Hình 1.17. Hiển thị số lƣợng dân số theo kích thƣớc ký hiệu ................................. 23
Hình 1.18. Hiển thị dân số theo mật độ ................................................................... 24
Hình 1.19. Hiển thị biểu đồ các độ tuổi dân số khác nhau theo biểu đồ hình tròn ..24
Hình 1.20. Hiển thị dữ liệu dân số và phƣờng xã ....................................................25
Hình 2.1. Phƣơng thức nội suy theo IDW ................................................................32
Hình 2.2. Phƣơng thức nội suy theo Spline .............................................................34
Hình 2.3. Phƣơng thức nội suy theo Kriging ...........................................................35

Bảng 9: Kết quả-hiện trạng phân tích chất lƣợng môi trƣờng nƣớc ngầm Đợt 2-2014(G6-G10) ......51
Bảng 10: Kết quả-hiện trạng phân tích chất lƣợng môi trƣờng nƣớc ngầm Đợt 2-2014(G11-G15) .51
Bảng 11: Kết quả-hiện trạng phân tích chất lƣợng môi trƣờng nƣớc ngầm Đợt 2-2014(G15-G20) .52
Bảng 12: Giá trị giới hạn chất lƣợng nƣớc theo QCVN 09:2008/BTNMT ..........................................52


vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ hoặc

Từ tiếng Anh

cụm từ

Cơ sở dữ liệu

CSDL
ESRI
CGIS
GIS
PMIS
LIS
ILWIS
DBMS
TIN
IDW
QCVN

Từ tiếng Việt

văn tổng hợp

Database Management System

Hệ quản trị cơ sở dữ liệu

Triangulated Irregular

Mô hình tuyến tính trong không

Networks

gian 3 chiều

Inverse Distance Weighting

Nội suy khoảng cách nghịch đảo
có trọng số
Quy chuẩn Việt Nam


1

MỞ ĐẦU
Đối với một tỉnh có mật độ dân số cao và nhiều khu công nghiệp nhƣ tỉnh Bắc
Ninh thì việc quản lý tài nguyên, đặc biệt tài nguyên nƣớc là rất quan trọng. Nếu
không có sự quản lý chặt chẽ thì chất lƣợng nƣớc ngầm sẽ nhanh chóng bị suy giảm
và kéo theo đó là sự ô nhiễm của các môi trƣờng khác nhƣ môi trƣờng đất, hiện
tƣợng sụt lún đất. Trong những năm qua, việc quản lý tài nguyên nƣớc nói chung và
nƣớc ngầm nói riêng đã đƣợc tiến hành từ rất sớm. Công tác quản lý bao gồm quản

dễ dàng cập nhật, chỉnh sửa thông tin, in ấn nhanh; tạo ra những giá trị mới (bản đồ
chuyên đề); có thể tích hợp với viễn thám, cơ sở dữ liệu, công cụ mô hình.
Với sự hợp tác của Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Đại học Thái Nguyên và Trung tâm GIS.FCU của Trƣờng Đại học Phùng Giáp Đài Loan. Đƣợc sự đồng ý của TS. Trƣơng Hà Hải và TS. Hoàng Thanh Vân, em
chọn đề tài: “Nghiên cứu phát triển hệ thống quản lý tài nguyên nƣớc ngầm
bằng công nghệ GIS và ứng dụng tại tỉnh Bắc Ninh”.
Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu triển khai ứng dụng công nghệ
GIS trong bài toán xây dựng hệ thống quản lý, xử lý, lƣu trữ kết xuất thông tin trên
mô hình dữ liệu không gian, dữ liệu thuộc tính phục vụ công tác quản lý.
Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là GIS và ứng dụng GIS trong các bài toán
quản lý tài nguyên nƣớc ngầm.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài đƣợc giới hạn trong dữ liệu không gian là các
các điểm quan trắc nƣớc ngầm, cùng với các chỉ số quan trắc đánh giá chất lƣợng
nƣớc trong năm 2014 trên địa bàn tỉnh Bắc Ninh. Với chƣơng trình thử nghiệm
đƣợc cài đặt cho phép: Tổng hợp, xử lý, trình diễn, truy vấn dữ liệu; đánh giá về tài
nguyên nƣớc ngầm tỉnh Bắc Ninh.
Mục tiêu của đề tài:
- Nghiên cứu về GIS
- Khả năng ứng dụng của GIS trong quản lý tài nguyên nƣớc ngầm.
- Ứng dụng GIS và phƣơng pháp nội suy để biểu diễn mức độ ô nhiễm nƣớc
ngầm trong khu vực tỉnh Bắc Ninh.


3

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ ỨNG DỤNG
1.1. Lý thuyết cơ bản về hệ thống thông tin địa lý (GIS)[2]
Hệ thống thông tin địa lý còn gọi là GIS (viết tắt của Geographic Information
Systems) ra đời trên cơ sở sự phát triển của khoa học máy tính (Computer Science).
Ngày nay GIS đƣợc ứng dụng trong nhiều ngành khoa học có liên quan đến dữ liệu
không gian, từ ngành khoa học tự nhiên đến những ngành khoa học xã hội. Sự phát

gian này đã xuất hiện một tình trạng mà R.F.Tomlinson (1991) gọi là loạn khuôn
dạng (digital chaos), đòi hỏi trong những năm sau này phải nghiên cứu khả năng
giao diện, trao đổi khuôn dạng thông qua một số khuôn dạng chuẩn và đƣợc chấp
nhận rộng rãi nhất. Những năm 80 đƣợc đánh dấu bởi các nhu cầu ngày càng cao về
điều tra, khai thác, quản lý tài nguyên cùng việc bảo vệ môi trƣờng v.v...với các quy
mô lãnh thổ khác nhau. Ngoài việc vẫn tiếp tục nghiên cứu giải quyết một số vấn đề
còn tồn tại từ những năm trƣớc đây, một hƣớng đƣợc phát triển tƣơng đối mạnh, đó
là xây dựng các hệ GIS chuyên dụng cho một số lĩnh vực quan trọng trong sử dụng,
quản lý tài nguyên, môi trƣờng: LIS (Land Information System), LRIS (Land
Resource Information System), PMIS (Port Management Information System),
ILWIS (Intergreted Land and Water Information System). Nhìn chung đây là một
thời kỳ bùng nổ các ứng dụng của GIS.
Trong khung cảnh hiện tại, thế giới đã biết đến ít nhất vài trăm phần mềm
GIS đƣợc thƣơng mại hoá, giá giao động từ vài trăm đến vài trăm ngàn đô la Mỹ.
Với sự tích luỹ về dữ liệu thông qua các ứng dụng riêng lẻ trong từng chuyên ngành
đã vƣợt quá khả năng quản lý của các hệ GIS riêng lẻ.
Một đặc điểm khác của sự phát triển ứng dụng trong giai đoạn hiện nay là sự
gia tăng sử dụng thông tin viễn thám nhƣ một đầu vào thông tin quan trọng của các
hệ GIS. Rất nhiều nỗ lực đã đƣợc giành cho nghiên cứu các phƣơng pháp tích hợp
thông tin ảnh viễn thám với các thông tin bản đồ trên GIS. Các ứng dụng GIS trong
quản lý tài nguyên tự nhiên trên thế giới rất đa đạng và phong phú.
1.1.1. Định nghĩa [2]
Định nghĩa GIS:
GIS là một trƣờng hợp đặc biệt của hệ thống thông tin ở đó cơ sở dữ liệu bao
gồm các quan sát trên đặc trƣng phân tán không gian, các hoạt động hoặc sự kiện
mà có thể định rõ trong không gian nhƣ điểm, đƣờng hoặc vùng. Một hệ thống


5


Phần mềm bao gồm hai loại: phần mềm hệ thống và phần mềm ứng
dụng, hiện nay trên thị trƣờng tồn tại nhiều hệ mềm khác nhau trong lĩnh vực
GIS nhƣ: ArcInfo, Mapinfo, GeoMedia, GeoConcept, CardCorp,... Mỗi phần
mềm này đều đƣợc trang bị các công cụ hữu hiệu để thực hiện các chức năng
của GIS .
Cơ sở dữ liệu là nơi tổ chức và lƣu trữ dữ liệu (cả dữ liệu không gian và
dữ liệu thuộc tính) nhằm cung cấp một cách hiệu quả các thông tin từ nó cho
các truy vấn từ phía ngƣời sử dụng. Việc tổ chức và xây dựng cơ sở dữ liệu đòi
hỏi sự thống nhất cao từ khâu thiết kế đến các ứng dụng thực tế và tuân thủ
các chuẩn trong việc tổ chức và xây dựng cơ sở dữ liệu.

Hình 1.1. Các thành phần của GIS
Cơ sở tri thức chuyên gia là tập hợp các tri thức của lãnh đạo, nhà
quản lý, các kiến thức chuyên ngành và kiến thức công nghệ thông tin. Tập
hợp các tri thức chuyên gia này sẽ quyết định mô hình ứng dụng của GIS, xác
định đƣợc các chức năng hỗ trợ quyết định của GIS, xác định đƣợc nội dung,
cấu trúc các hợp phần còn lại của hệ thống, các bƣớc và phƣơng thức cũng
nhƣ mức đầu tƣ xây dựng và vận hành hệ thống.


7

1.1.2. Chức năng của GIS
GIS có 5 nhóm chức năng cơ bản sau đây:
-

Thu thập dữ liệu

-



Đặt tên cho các đặc trƣng để hệ thống có thể nhận danh

 Xử lý dữ liệu thô
-

Tạo lập cấu trúc topo cho dữ liệu


8

-

Phân lớp ảnh viễn thám

-

Raster hóa nếu cần

-

Véctơ hóa nếu cần

-

Nội suy lƣới tế bào

-

Tam giác hóa

-

Tổ hợp các tờ bản đồ để tạo lập CSDL lớn hơn, khớp các cạnh của các tờ bản
đồ láng giềng

Hình 1.4: Lưu trữ và truy vấn dữ liệu không gian
 Truy vấn và phân tích dữ liệu
- Query
 Chọn các đặc trƣng theo các thuộc tinh: “Hãy tìm các tỉnh có tỷ lệ đỗ tốt
nghiệp phổ thông > 90%”
 Chọn các đặc trƣng theo quan hệ địa lý: “Hãy tìm các trƣờng học đạt
chuẩn Quốc gia trong Tỉnh A”
 Truy vấn tổ hợp thuộc tính/địa lý: “Hãy tìm tất cả các xã trong vòng 10
km từ bệnh viện tỉnh mà có số trẻ con tử vong cao”


10

- Buffering: tìm mọi khu dân cƣ trong vòng 10 km từ bệnh viện
- Point-in-polygon: tìm ra các làng trong đó có thảm thực vật
- Polygon overlay: tổ hợp các bản ghi hành chính với dữ liệu y tế của huyện
 Geocoding/address matching: khớp danh sách địa chỉ với bản đồ đƣờng
phố
- Network : tìm con đƣờng ngắn nhất từ làng tới bệnh viện
 Mô hình hóa: nhận biết hay dự đoán tiến trình đƣợc hình thành hay sẽ hình
thành mẫu (pattern)
- Diffusion: tình hình dịch tả đang lan truyền trong tỉnh nhƣ thế nào?
- Interaction: dân di cƣ đến đâu?
- What-if scenarios: nếu xây dựng đập nƣớc ở đây thì có bao nhiêu dân phải di cƣ?
 Hiển thị và xuất dữ liệu:

ArcGIS lƣu dữ liệu vector trong các lớp đối tƣợng (feature classes) và trong tập hợp
của các lớp đối tƣợng quan hệ topo. Các thuộc tính của đối tƣợng đƣợc lƣu trong
bảng. ArcGIS sử dụng 3 mô hình vector để biểu diễn dữ liệu đặc trƣng là:
coverages, shapefiles, và geodatabases.
1.1.3.2. Mô hình Raster
Trong raster model, thế giới đƣợc biểu diễn nhƣ một bề mặt đƣợc chia thành
những ô lƣới bằng nhau. Raster model đƣợc dùng để lƣu trữ và phân tích dữ liệu
liên tục trên một vùng nào đấy. Mỗi ô ảnh chứa một giá trị có thể biểu diễn cho một
giá trị đo đƣợc. Dữ liệu raster gồm các loại ảnh (ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh
quét dùng để số hóa, làm nền) và grid (dùng để phân tích và lập mô hình).
Grid có thể đƣợc tạo từ dữ liệu vector. Grids có thể chứa các dữ liệu liên tục, nhƣ
một lớp bề mặt. Chúng có thể lƣu giữ các thông tin thuộc chủ đề và thuộc tính của
chủ đề. Ví dụ, ảnh grid về kiểu phân bố thực vật lƣu giữ số hiệu mã hóa cho từng
loại thực vật, tên loại thực vật... Kích thƣớc ô ảnh càng nhỏ, thì bản đồ có độ chính
xác càng cao và càng chi tiết. Tuy nhiên, sẽ làm tăng kích thƣớc file ảnh.
1.1.3.3. Mô hình TIN
Trong một mô hình mạng các tam giác bất thƣờng, thế giới đƣợc biểu diễn
dƣới dạng một mạng các tam giác kết nối với nhau qua các điểm với giá trị x, y, và
z. TINs là cách lƣu trữ và phân tích bề mặt rất hiệu quả. Cũng nhƣ ảnh rasters, có
thể bổ sung các tập dữ liệu TIN vào bản đồ trong ArcMap và quản lý chúng bằng
ArcCatalog.
Dữ liệu dạng bảng
Có thể xem GIS nhƣ là một CSDL hình học. Cũng giống nhƣ các CSDL khác,
ArcGIS cho phép kết nối các bảng dữ liệu với nhau.
1.1.3.4. Phân tích các yếu tố
Có hai phƣơng pháp chính để lƣu trữ thông tin bản đồ: GIS lƣu các đối
tƣợng bản đồ trong định dạng vector và trong định dạng raster.
Trong định dạng vector, các đối tƣợng bản đồ đƣợc biểu diễn bởi các đối
tƣợng hình học cơ bản point(điểm), line(đƣờng), polygon(vùng). Point dùng xác


số phƣơng pháp đƣợc dùng phổ biến nhất:
1.1.4.1. Buffer (Tìm kiếm dữ liệu trong vùng không gian)
Buffer hay còn gọi là truy vấn không gian trên cơ sở các quan hệ không gian
giữa các đối tƣợng. Các quan hệ này thông thƣờng nói lên vị trí tƣơng đối của đối
tƣợng này với đối tƣợng kia. Phƣơng pháp buffer đƣợc chia làm nhiều loại (phép
toán) khác nhau, nhƣng cách thức xử lý thì luôn tuân theo các bƣớc cơ bản sau đây:
-

Chọn ra một hay nhiều đối tƣợng trên bản đồ, gọi là các đối tƣợng gốc.

-

Áp dụng một quan hệ không gian để tìm ra các đối tƣợng khác mà có quan

hệ đặc biệt với các đối tƣợng gốc.
-

Hiển thị tập đối tƣợng tìm thấy cả trên dữ liệu không gian và thuộc tính

-

Hình 1.6: Ví dụ về Buffer
Một số phép toán buffer thông dụng
- Tìm các đối tƣợng nằm bên trong các đối tƣợng khác. Phép toán này xác
định quan hệ “bao kín” giữa các đối tƣợng không gian. Đƣờng thẳng bao gồm nhiều
điểm, một đa giác (polygon) có thể bao gồm nhiều đƣờng thẳng hoặc gồm các đa
giác con khác.
- Tìm các đối tƣợng cắt các đối tƣợng khác. Phép toán này xác định các đối
tƣợng có giao điểm hay nằm chồng lên các đối tƣợng khác. Hai đa giác giao nhau
nếu chúng có một miền chung. Hai đƣờng thẳng cắt nhau nếu chúng có một điểm

Một đối tƣợng trên bản đồ bao giờ cũng đƣợc biểu diễn bằng một kiểu dữ
liệu đồ hoạ. Phần đồ hoạ này có thể thu đƣợc bằng cách số hoá hay quét ảnh bản đồ.
Tuy nhiên, khi ta đã có bản đồ (bản đồ số), chúng ta cũng có thể xác định đƣợc
phần đồ hoạ biểu diễn đối tƣợng hay là vị trí, hình dạng của đối tƣợng thông qua
các dữ liệu mô tả vị trí của nó ví dụ: số nhà, tên đƣờng, tên quận…
Geocoding (hay address matching) là một tiến trình nhằm xác định các đối
tƣợng trên cơ sở mô tả vị trí của chúng. Đây là một kỹ thuật rất nổi tiếng, có mặt
trong rất nhiều ứng dụng của GIS.
Ngƣời ta gọi một geocoding service là quá trình chuyển đổi toàn bộ mô tả
thuộc tính về vị trí sang mô tả không gian. Để tìm đƣợc vị trí thông qua địa chỉ,
geocoding service phải tham chiếu đến ít nhất một nguồn dữ liệu bao gồm cả thông
tin về địa chỉ (thuộc tính) và thông tin không gian (vị trí, hình dạng). Dữ liệu này
đƣợc gọi là dữ liệu tham chiếu. Các gocoding service có thể thao tác trên nhiều kiểu
dữ liệu tham chiếu khác nhau.
Sau khi đã geocoding dữ liệu tham chiếu (tức là ánh xạ mô tả thuộc tính vào
mô tả không gian). Ta có thể nhập địa chỉ của đối tƣợng cần tìm. Quy trình xử lý
trải qua các bƣớc sau:
- Chuẩn hoá giá trị địa chỉ vừa nhập vào bằng cách tách nó thành các thành
phần địa chỉ nhỏ.
-

Geocoding service sau đó sẽ tìm trong nguồn dữ liệu tham chiếu để xác định

các đối tƣợng có các thành phần địa chỉ tƣơng ứng với dữ liệu nhập vào.
Mỗi kiểu geocoding service sẽ quy định các định dạng của các thành phần
địa chỉ này.
- Tập kết quả trả về sẽ đƣợc gán các trọng số (điểm) để tìm ra kết quả gần
đúng nhất.



tích hợp dữ liệu bản đồ từ hai nguồn dữ liệu khác nhau. Ngƣời ta định nghĩa:
“Overlay là quá trình chồng khít hai lớp dữ liệu bản đồ với nhau để tạo ra một lớp
bản đồ mới”. Điều này tƣơng tự nhƣ việc nhân hai ma trận để tạo ra một ma trận mới,
truy vấn hai bảng cơ sở dữ liệu để tạo ra bảng mới, với overlay là gộp hai lớp trên bản
đồ để tạo ra bản đồ mới. Overlay thực hiện điều này bằng cách kết hợp thông tin một
lớp này với một lớp khác để lấy ra dữ liệu thuộc tính từ một trong hai lớp.
Ngƣời ta chia overlay thành ba dạng phân tích khác nhau:
-

Point-in-polygon: chồng khít hai lớp point và polygon, đầu ra là lớp point

-

Line-in-polygon: chồng khít hai lớp line và polygon, đầu ra là lớp line

-

Polygon-in-polygon: chồng khít hai lớp polygon và polygon, đầu ra là lớp

polygon.
Một bài toán rất điển hình cho kỹ thuật này là bài toán về kiểm tra tình hình
ngập lụt của các thửa đất trong một vùng có thiên tai. Ở đây chúng ta thấy có hai
lớp: một lớp cho biết tình trạng lũ lụt trong vùng, một lớp thuộc về đất đai. Thông
thƣờng hai lớp này sẽ nằm trên hai bản đồ khác nhau vì mục đích sử dụng của
chúng khác nhau. Khi cần biết tình trạng ngập lụt của từng thửa đất, ngƣời ta tiến