Ứng dụng hệ thống ArcGIS để thành lập bản đồ hiện trạng môi trường đất, thí điểm ở tỉnh Hoà Bình

Nghiên cứu khoa học và ñổi mới nội dung, phương pháp giảng dạy ñịa lý 383 ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ARCGIS ðỂ THÀNH LẬP BẢN ðỒ HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG ðẤT, THÍ ðIỂM Ở TỈNH HOÀ BÌNH NGUYỄN NGỌC ÁNH Khoa ðịa lý, Trường ðHSP Hà Nội I. ðẶT VẤN ðỀ Vấn ñề nghiên cứu môi trường hiện nay ñang ñược nhiều nhà khoa học quan tâm, việc ứng dụng công nghệ tin học vào quá trình nghiên cứu ấy ñang dần ñược cải thiện ở Việt Nam. ðối với việc thành lập bản ñồ hiện trạng môi trường, ứng dụng công nghệ GIS là một yêu cầu cần thiết ñể khẳng ñịnh kết quả nghiên cứu của mỗi công trình. Trong quá trình tham gia ñề tài "Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng bản ñồ hiện trạng môi trường thành phần và ứng dụng ñể xây dựng bản ñồ hiện trạng môi trường ñất, nước tỉnh Hòa Bình" chúng tôi ñã nghiên cứu và lựa chọn hệ thống phần mềm ArcGIS ñể xây dựng bản ñồ hiện trạng môi trường ñất tỉnh Hòa Bình. Sự lựa chọn các phần mềm này có nhiều ưu ñiểm và thực sự hiệu quả khi biên tập bản ñồ hiện trạng môi trường các ñịa phương trong phạm vi toàn quốc. Sau ñây chúng tôi xin ñược trình bày sâu hơn về việc ứng dụng hệ thống phần mềm ArcGIS trong xây dựng bản ñồ hiện trạng môi trường ñất. II. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ARC GIS ArcGIS là một hệ thống các phần mềm hoàn thiện nhất của công nghệ GIS hiện nay, ñược cung cấp bởi tập ñoàn Esri (Hoa Kỳ), nó phục vụ cho nghiên cứu, ứng dụng trong nhiều ngành, nhiều nghề với khả năng cập nhật nhanh và chính xác. ArcGIS ñặc biệt thích hợp khi nghiên cứu về ñịa lý, môi trường với những ñặc ñiểm nổi trội như: khả năng tích hợp thông tin từ nhiều nguồn, lưu trữ, phân tích và xử lý thông tin rất mạnh, chính xác, khả năng xuất thông tin cũng tốt, xuất ra nhiều nguồn khác nhau và ñặc biệt có khả năng chạy kết hợp, tương thích với nhiều phần mềm khác. Có thể nhận ñịnh toàn bộ hệ thống ArcGIS thông qua sơ ñồ sau: Sơ ñồ hệ thống ArcGIS Khoa ðịa lý - 50 năm xây dựng và phát triển 384 Căn cứ vào sơ ñồ trên chúng ta thấy môi trường làm việc chính của hệ thống ArcGIS là ArcView với các modul chạy ñồng thời như: ArcMap, ArcCatalog, ArcToobox... với nhiều công cụ tiện ích nằm trong mục Extensions trực thuộc trong chương trình ñiều hành của ArcView, các tiện ích này là phần rất mở, có thể cập nhật chạy các công cụ ñược lập trình trên nhiều môi trường khác nhau cho những mục ñích ứng dụng khác nhau ví dụ như: nắn ảnh (Imagewarp), phân tích không gian 3 chiều (3D Analyst), Geoprocessing... Sau ñây chúng ta sẽ ñi sâu tìm hiểu môi trường làm việc của phần mềm ArcView. 1. Về chức năng Chức năng của hệ thống phần mềm ArcGIS có thể khái quát thành sơ ñồ cấu trúc sau: 2. Về dữ liệu a. Dữ liệu không gian Dữ liệu không gian ñóng vai trò then chốt trong mọi ứng dụng của ArcView, nó lưu trữ vị trí và ñặc ñiểm hình học của các ñối tượng không gian. ArcViewGis 3.2 hỗ trợ các ñịnh dạng dữ liệu không gian sau: + ArcView shapefiles; + ARC/INFO coverages; + ARC/INFO GRID data; + Image data; + CAD drawings ( computer aided design); + SDE data (If Database Access is installed); + StreetMap data (If StreetMap is installed); + TINs (If 3D Analyst is installed): triangular irregulated network; + VPF data b. Dữ liệu ảnh. Dữ liệu ảnh dùng trong ArcView 3.2 có thể là ảnh vệ tinh (Remote sensing Image), ảnh máy bay, ảnh quét... ArcView có thể sử dụng rất nhiều các file ảnh với ñịnh dạng dữ liệu khác nhau như: *.bmp, *.tiff, *.Jpeg, *.dat, *.lan.... c. Dữ liệu dạng bảng ghi. ArcView 3.2 cho phép liên kết dữ liệu bảng ghi này với các phần mềm quản trị dữ liệu như: Fox, Oracle, InfoMix... d. Dữ liệu không gian dạng shapefile. ðể mô tả ñầy ñủ các thông tin về ñối tượng, cấu trúc shape file gồm 5 file với phần mở rộng khác nhau và có thể lưu vào cùng một project workspace. Thu thập dữ liệu (Capture) Lưu trữ (Store) Thực hiện các lệnh hỏi ñáp (Query) Phân tích (Analyze) Hiển thị (Display) Xuất dữ liệu (Output) Các chức năng của ArGIS (ArcGIS functions) Nghiên cứu khoa học và ñổi mới nội dung, phương pháp giảng dạy ñịa lý 385 + shp: mô tả ñặc ñiểm hình học của ñối tượng + shx: lưu trữ chỉ sô (index) của ñối tượng + dbf: lưu trữ thông tin thuộc tính về ñối tượng + sbn .sbx: lưu chỉ số không gian của các ñối tượng. Các file này chỉ xuất hiện khi ta thực hiện 1 số lệnh như "select by theme", "joint and link data"... + apr: lưu trữ trạng thái làm việc 3. Công cụ của ArcView *Số hóa trong ArcView. Các công cụ số hóa (draw point) sẽ gồm: 4. Một số phép toán xử lý bằng ArcView Các phép toán xử lý không gian trong ArcView giữa các lớp dữ liệu với Geo Processing Wizard. ðây là một trong những chức năng chính ñể xử lý các lớp dữ liệu theo yêu cầu nghiên cứu. Các phép toán gồm: +) Disolve features based on an attribute, cho phép gộp các ñối tượng (features) theo một trường dữ liệu nào ñó; +) Merge themes together ñể thực hiện ghép các ñối tượng thuộc hai hay nhiều theme khác nhau thành một theme. Các theme có ñối tượng có cùng dạng hình học (point, line hay polygone) ñược gộp thành một theme, các trường thuộc tính sẽ ñược giữ lại nếu chúng có tên trường giống nhau, nếu tên trường khác nhau các trường rỗng sẽ ñược tạo ra; +) Clip one theme base on anothem. Tiến hành sử dụng một theme (clip theme) ñể cắt theme khác (input theme) theo ñường biên của clip theme. Theme kết quả sẽ có cấu trúc và ñặc ñiểm hình học cũng như trường thuộc tính giống input theme, biên ngoài lấy theo clip theme. +) Intersect two themes. ðây cũng là lệnh cắt tương tự như clip theme chỉ khác là theme kết quả sẽ chưa có các ñối tượng mang ñặc tính hình học của cả theme ñầu vào và theme dùng ñể cắt (trong lệnh này gọi là overlay theme). Chức năng này cho phép tạo ra một theme mới có ñặc tính hình học của cả theme ñầu vào và overlay theme. Bảng thuộc tính của theme kết quả bao gồm các trường thuộc tính của cả input theme và overlay theme. +) Kết nối dữ liệu theo vị trí - (assigning data by location). Lệnh này cho phép kết nối dữ liệu của bảng thuộc tính theo vị trí không gian của các ñối tượng trên các theme khác nhau. Các tiện ích trên cho phép chúng ta chồng xếp các lớp bản ñồ ñược thành lập từ các chỉ tiêu riêng lẻ và cho ra một bản ñồ hiện trạng môi trường ñất tổng hợp. Vẽ ñiểm Vẽ ñường thẳng Vẽ ñường gấp khúc Vẽ polygon vuông, chữ nhật Vẽ polygon tròn Vẽ ña giác bất kỳ Cắtñường Cắt polygon Thêm 1 polygon Khoa ðịa lý - 50 năm xây dựng và phát triển 386 III. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH, ðÁNH GIÁ MÔI TRƯỜNG NHẰM THÀNH LẬP BẢN ðỒ HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG ðẤT 1. Phương pháp ñánh giá chất lượng môi trường Phương pháp ñánh giá chất lượng môi trường ñất theo chỉ tiêu riêng lẻ ñối với từng thông số (từng chất Ci) ñược chia thành ba mức sau: • Hệ số quy ñổi q > 1: ứng với mức nghèo - không ñáp ứng ñầy ñủ của cây trồng. • Hệ số quy ñổi q = 1: ứng với mức trung bình - ñáp ứng ñủ nhu cầu cho cây trồng. • Hệ số quy ñổi q < 1: ứng với mức tốt ñáp ứng ñầy ñủ cho sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Dựa trên hệ số quy ñổi của từng thông số có thể xây dựng ñược các bản ñồ về mức ñộ phù hợp của từng yếu tố ñối với cây trồng theo chỉ tiêu riêng lẻ. ðể ñánh giá tác ñộng tổng hợp của nhiều yếu tố ñến chất lượng ñất ảnh hưởng trực tiếp ñến cây trồng, ta cần sử dụng chỉ tiêu tổng hợp ñược xác ñịnh bởi công thức sau: ∑ = = n i iqP 1 (1) ∑ = = m i iqP 1 ,* (2) Trong ñó P - là giá trị trung bình của nhóm chất qi ≤ 1 Và *P - là giá trị trung bình của nhóm chất qi > 1; n + m = k, k - là tổng số các thông số khảo sát. Sử dụng (1) và (2) có thể tiến hành thành lập các bản ñồ hiện trạng môi trường theo chỉ tiêu riêng lẻ, sau ñó tiến hành chồng xếp chúng ñể nội suy bản ñồ tổng hợp về hiện trạng chất lượng ñất. Bảng 1. Các chỉ tiêu ñánh giá chất lượng môi trường ñất về mặt hóa học (ñược dùng ở nhiều nước và ở Việt Nam). ðánh giá Nội dung Nghèo Trung bình Khá giàu Giàu Rất giàu Mùn trong ñất <1% 1 - 2% 2 - 4% x 4 - 8% Nitơ tổng số (PP Kjeldahl) x <0,08% 0,08 - 0,15% 0,15 - 0,2% > 0,2% Photpho tổng số: x 0,1% Kali tổng số x 2% Nitơ thủy phân (PP Kjeldahl): x < 4 mg/100g 4 - 6 mg/100g x > 6 mg/100g Nghiên cứu khoa học và ñổi mới nội dung, phương pháp giảng dạy ñịa lý 387 ðánh giá Nội dung Nghèo Trung bình Khá giàu Giàu Rất giàu pHKCL Không chua >5,5 Chua ít 5,0 - 5,5 Chua 4,5 - 5,0 Chua nhiều 4,0 - 4,5 Rất chua <4,0 Photpho dễ tiêu (PP oniani) x < 10 mg P2O5/100g 10 - 15 mg P2O5/100g x > 15 mg P2O5/100g Kali dễ tiêu (PP Kiecxanop) < 4 mg K2O/100g 4 - 8 K2O/100g 8 - 14 K2O/100g x > 14 mg K2O/100g Ghi chú: (vị trí x là không ñánh giá) 2. Nội dung bản ñồ hiện trạng môi trường ñất Chúng ta biết rằng bản ñồ hiện trạng môi trường thành phần là bản ñồ biểu diễn chất lượng môi trường của thành phần ñó trên cơ sở ñánh giá các yếu tố riêng lẻ Ci và so sánh với tiêu chuẩn cho phép trên một phạm vi không gian khảo sát ở thời ñiểm nhất ñịnh. Căn cứ vào nguồn dữ liệu khảo sát, phân tích thông qua các mẫu nghiên cứu ñể xác ñịnh ñược ñặc ñiểm chất lượng môi trường của không gian khảo sát, từ ñó lập mô hình nội suy ñể xác ñịnh sự phân biệt ranh giới nhận ñịnh chất lượng môi trường. Thành lập bản ñồ hiện trạng môi trường thành phần cần ñảm bảo ñược tính khoa học, tính ñúng ñắn của việc ñánh giá chất lượng môi trường. Dưới ñây là thang ñánh giá về mặt hóa học ñối với chất lượng ñất ñược sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam. Dựa trên số liệu quan trắc tại 67 ñiểm và phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm, ñã tính toán các trị số trung bình P (theo các hệ số quy ñổi) của nhóm yếu tố OM, N, P, K; Kết quả trình bày ở bảng 2. Bảng 2. Bảng các giá trị P và ∗P Loại ñất OM Nitơ Photpho Kali P < 1 P = 1 ∗P > 1 ðất thường xuyên ñược bồi, trung tính 1 0,83 1 1,99 0,83 1 1,99 ðất feralit trên ñá sét, phiến sét 1 1 1,19 1,6 1 1,40 ðất feralit trên ñá vôi 1 1,14 1 2,27 1 1,71 ðất feralit trên ñá biến chất 1 1 6,45 0,86 0,86 1 6,45 ðất feralit trên ñá cát 1,23 1 2,66 2,7 1 2,20 ðất feralit trên phù sa cổ 1,09 1 1 4,9 1 3,00 ðất feralit biến ñổi do trồng lúa 0,94 2 0,52 1,5 0,73 1,75 ðất ñen trên sản phẩm phong hóa ñá vôi 1 1 1 4,47 1 4,47 ðất dốc tụ 1,2 0,83 2,92 8,1 0,83 4,07 ðất phù sa sông suối 1 1 2,36 3,83 1 3,10 Thổ cư 1 1 2,07 2,6 1 2,34 Núi ñá vôi có lớp phủ rừng 1 1 1,91 1,23 1 1,57 ðất thường xuyên ñược bồi, glây 1 0,94 1,24 1,3 0,94 1 1,27 ðất feralit mùn trên ñá sét xen ñá vôi 1 1 2,09 2,38 1 2,24 ðất feralit mùn trên ñá macma, bazơ 1 1 4,83 1 1 4,83 Khoa ðịa lý - 50 năm xây dựng và phát triển 388 3.3. Quy trình thành lập bản ñồ hiện trạng môi trường ñất Sử dụng quy trình công nghệ thành lập bản ñồ môi trường (gồm 9 bước) này năm 2003 nhóm tác giả ñã tiến hành xây dựng bản ñồ hiện trạng môi trường ñất tỉnh Hòa Bình. Kết quả thí ñiểm ñược thể hiện trong bản ñồ hiện trạng môi trường ñất tỉnh Hòa Bình này ñược ñánh giá theo bốn yếu tố: OM, N, P, K như trang sau. Công cụ ArcGIS là một phương tiện ña năng, tạo nhiều thuận lợi cho việc nghiên cứu thành lập bản ñồ nói chung và bản ñồ hiện trạng môi trường ñất nói riêng, với môi trường làm việc chính là ArcView. Thu thập dữ liệu Nội, ngoại suy các yếu tố Ci theo không gian và thời gian ðồng nhất chuỗi số liệu Xây dựng ngân hàng dữ liệu trên máy Xác ñịnh giá trị P và ∗P Sử dụng công cụ GIS ñể số hoá và nội suy và biên tập bản ñồ hiện trạng môi trường thành phần Chồng xếp các bản ñồ thành phần Sử dụng công cụ GIS biên tập bản ñồ hiện trạng môi trường Kiểm tra, duyệt in bản ñồ Nghiên cứu khoa học và ñổi mới nội dung, phương pháp giảng dạy ñịa lý 389 Hiện nay, công tác nghiên cứu và quản lý môi trường ở Việt Nam là rất quan trọng và cần thiết. Việc ứng dụng phương pháp ñánh giá chất lượng ñất theo các chỉ tiêu riêng lẻ, từ ñó tổng hợp ñể tiến hành ñánh giá chất lượng môi trường ñất thông qua chỉ số trung bình P và ∗P . ðây cũng chính là chỉ số cơ bản ñể biên tập nội dung bản ñồ hiện trạng môi trường ñất. Bằng công cụ ArcGIS, bản ñồ hiện trạng môi trường ñất ñược biên tập, thành lập và in ra với chất lượng cao và ñúng về mặt khoa học phục vụ tốt cho việc nghiên cứu và quản lý môi trường. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Tài liệu hướng dẫn sử dụng ArcGIS. Công ty VIDA-GIS, 2003. [2]. Phạm Ngọc Hồ và nnk. Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng bản ñồ hiện trạng môi trường thành phần và ứng dụng ñể xây dựmg bản ñồ hiện trạng môi trường ñất, nước tỉnh Hòa Bình. ðề tài khoa học mã số QGTð.02.03. [3]. Lưu ðức Hải. Cơ sở khoa học môi trường. NXB ðHQG HN, 2001. [4]. Phạm Ngọc Hồ, Hoàng Xuân Cơ. ðánh giá tác ñộng môi trường. NXB ðHQG HN, 2000. Khoa ðịa lý - 50 năm xây dựng và phát triển 390 [5]. David Briggs, Peter Smithson, Kenneth Addison and Ken Atkinon. Fundamentals of The Physical Environment. London and New York. [6]. Bộ hướng dẫn trực thuộc trong phần mềm ArcGIS (help). Thuộc phần mềm ArcGIS có bản quyền của hãng ESRI. SUMMARY APPLING ARCGIS SYSTEM FOR ESTABLISHMENT MAPS OF SOIL ENVIRONMENTAL STATUS. PILOT STUDY IN HOA BINH PROVINCE NGUYEN NGOC ANH The software Arc GIS is multipurpose intrument, it creates a lot of advantage for establishment maps of soil enviromental status. Quality of soil environment is firstly assessed with specific criterion, and synthesized, basinged on which quality of evironmental soil will be evaluated by P and ∗P . The results can serve as basic data on which actual status of environmental soil can be mapped. The new application has helped to map the present status of Hoa Binh province in the scale of 1:100.000 which has productively met the real need of research and soil environment management.