Xây dựng mô hình số độ cao (DEM) phục vụ thành lập bản đồ ngập lụt cho trận lũ năm 1999 hạ lưu lưu vực sông Hương

Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 17 - năm 201720 XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ ĐỘ CAO (DEM) PHỤC VỤ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ NGẬP LỤT CHO TRẬN LŨ NĂM 1999 HẠ LƯU LƯU VỰC SÔNG HƯƠNG Nguyễn Thị Bích Ngọc, Hoàng Thị Nguyệt Minh, Trần Văn Tình Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội Tóm tắt Sông Hương là lưu vực quan trọng nhất của tỉnh Thừa Thiên Huế. Địa hình lưu vực chủ yếu là đồi núi bị chia cắt mạnh, độ dốc lớn, đồng bằng ven biển nhỏ hẹp. Lưu vực thường xuyên phải chịu ảnh hưởng bởi các trận bão lũ làm cho khu vực hạ lưu gây ngập lụt nghiêm trọng. Do đó, các biện pháp phòng tránh thiên tai cần phải được thực hiện để hạn chế tác hại do bão, lũ gây nên. Bài báo giới thiệu về phương pháp và kết quả xây dựng bản đồ số độ cao DEM từ bản đồ địa hình bằng phần mềm ArcGIS phục vụ xây dựng bản đồ ngập lụt cho trận lũ xảy ra vào tháng XI năm 1999 trên lưu vực sông Hương. Từ khóa: Bản đồ số độ cao, sông Hương, ngập lụt. Creating a Digital Elevation Model (DEM) to conduct the map of fl oods 1999 in the Hương river downstream Abstract The Huong River is the most important basin of Thua Thien Hue province. The topography of the basin primarily is the strong dissected hills, high slope, small and narrow coastal plains. The basin often aff ected by typhoons and tropical depressions cause downstream areas of the Huong River often facing with extreme fl ooding in large area. Therefore, the natural disaster prevention measures to need to be taken to reduce the harm caused by the storm and fl ood. This paper introduces the method and result of creating digital elevation model based on large scale topography map by ArcGIS software to construct inundation mapping for fl ood in november 1999 for the Huong river basin. Keyword: A digital elevation model (DEM), Hương river, fl ood. 1. Mở đầu Lưu vực sông Hương là một trong những lưu vực sông lớn của miền Trung, lưu vực nằm trọn trong tỉnh Thừa Thiên Huế. Diện tích lưu vự c sông Hương và cá c lưu vự c phụ cậ n là 3760 km2 (hình 1), trong đó diện tích lưu vự c chí nh củ a sông Hương 2830 km2 còn các lưu vực sông phụ cậ n có tổng diện tích hơn 900 km2 bao gồm: Sông Nông, sông Cầ u Hai, sông Truồ i, sông Phú Bà i. Cửa thoát nước ra biển c ủa lưu vực là cửa Thuận An và cửa Tư Hiền nhưng trước khi dòng chảy sông Hương đổ ra biển đã được điều hoà qua hệ thống đầm phá ven biển là Tam Giang, Thuỷ Tú và Cầu Hai [2]. Lưu vực Sông Hương là vùng giao tranh của các khối không khí lớn tràn đến từ các phía kết hợp với điều kiện địa hình có Đèo Ngang ở phía Bắc, Đèo Hải Vân ở phía Nam, dãy Trường Sơn ở phía Tây và Biển Đông càng thể hiện rõ thêm sự biến động của của các hiện tượng: Bão, mưa lớn, gió nóng. Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 17 - năm 2017 21 Địa hình trên lưu vực sông Hương tương đối phức tạp chủ yếu là đồi núi và đặc biệt ở khu vực cửa sông có hệ thống đầm phá ven biển nên nếu lũ trên các sông thượng nguồn có pha trùng nhau thì vùng đồng bằng hạ lưu bị ngập sâu trên diện rộng gây thiệt hại nghiêm trọng cho người dân thuộc khu vực đó và đặc biệt là ở thành phố Huế. Do đó, cần có công cụ mang tính trực quan mô tả quy mô và mức độ ảnh hưởng của lũ lụt nhằm nâng cao nhận thức về mức độ nguy hiểm của mưa lũ lụt cho cộng đồng khu vực bị ảnh hưởng và phục vụ công tác cảnh báo phòng chống lũ. Tuy nhiên, các bản đồ số độ cao sẵn có ở khu vực nghiên cứu chưa đáp ứng về mức độ chi tiết và chính xác để phục vụ xây dựng bản đồ ngập lụt, nên vấn đề xây dựng bản đồ số độ cao cho lưu vực là rất cần thiết. Hình 1: Lưu vực sông Hương và phụ cận [4] 2. Phương pháp thành lập bản đồ DEM 2.1. Khái niệm Mô hình số độ cao (Digital Elevation Model, DEM) là sự thể hiện bằng số độ cao của bề mặt đất, độ cao của tầng đất, của mực nước ngầm, so với độ cao của mực nước biển. DEM được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực: môi trường, địa lý, nghiên cứu tai biến thiên nhiên, Mô hình số độ cao địa hình là phương pháp mô hình hoá và biểu diễn gần đúng địa hình bề mặt của khu vực nghiên cứu thông qua một bề mặt mô phỏng từ một hàm số xác định trên một không gian liên tục bởi tập hợp các giao tuyến độ cao. Gọi Z là hằng số độ cao, Z sẽ là một hàm số ba biến Z = f(x, y, h). Trong hệ thông tin địa lý DEM được biểu diễn như một ma trận độ cao [3]. 2.2. Các phương pháp thành lập DEM Hiện nay có rất nhiều phương pháp để thành lập bản đồ DEM, trong đó có những phương pháp chính như: Phương pháp chụp ảnh lập thể, phương pháp xây dựng DEM từ bản đồ địa hình và phương pháp công nghệ giao thoa radar (InSAR): Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 17 - năm 201722 Hình 2: Vệ tinh chụp ảnh thu tín hiệu từ Trái Đất để tạo DEM 2.2.1. Phương pháp chụp ảnh lập thể Sử dụng các dụng cụ chuyên chụp ảnh để thu thập dữ liệu của một vùng với các giá trị thuộc tính không gian x, y, z của các điểm trên bề mặt quả đất. Đây là phương pháp đòi hỏi số điểm kiểm soát nhiều và đòi hỏi kỹ thuật cao trong chụp và xử lý ảnh. Những công cụ thường xây dựng DEM bằng phương pháp chụp ảnh lập thể sử dụng ảnh hàng không như ảnh vệ tinh, ảnh máy bay. Đặc điểm của ảnh này là có thể kết hợp thông tin ảnh của mặt đất kết hợp với mô hình số độ cao thành lập nên bản đồ 3 chiều chân thực về lớp phủ Trái đất. Các dạng DEM phổ biến loại này là DEM xây dựng từ vệ tinh ASTER và DEM từ vệ tinh SPOT. 2.2.2. Phương pháp xây dựng DEM từ bản đồ địa hình Bản đồ địa hình được thể hiện dưới dạng đường đồng mức và các điểm độ cao thường được xây dựng từ các phương pháp quan trắc trắc địa được số hóa dưới dạng đường đồng mức, mỗi đường đồng mức thể hiện một giá trị cao độ trên bản đồ như trong hình 3. Sử dụng công nghệ của hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System) ta có thể xây dựng bản đồ mô hình số độ cao DEM từ các bản đồ địa hình dạng đường đồng mức và các điểm cao độ này bằng các phần mềm GIS như Mapinfo, ArcGIS. Hình 3: Các điểm cao độ và đường đồng mức của bản đồ địa hình lưu vực sông Hương Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 17 - năm 2017 23 2.2.3. Phương pháp xây dựng DEM sử dụng công nghệ giao thoa Radar DEM được xây dựng chủ yếu dựa trên đường đồng mức của các bản đồ đã được số hóa hoặc các kỹ thuật quan sát lập thể của ảnh hàng không hay từ dữ liệu khảo sát địa hình thu trực tiếp từ việc khảo sát thực địa của khu vực tương đối nhỏ. Trong những năm gần đây, radar khẩu độ tổng hợp SAR (Synthetic Aperture Radar) đã được phát triển khá mạnh với ưu thế cho phép thu ảnh có độ phân giải cao và từ hai ảnh thu được bởi kỹ thuật SAR, có thể xây dựng được DEM dựa trên việc sử dụng thông tin pha của tín hiệu radar. Dựa trên các phương pháp xây dựng bản đồ số độ cao, trong khuôn khổ bài báo sử dụng phần mềm ArcGIS với số liệu đầu là các trị số độ cao địa hình và đường đồng mức được chiết xuất từ các mảnh bản đồ địa hình tỉ lệ lớn 1/2.000, 1/5.000, 1/10.000 ở khu vực trung lưu và hạ lưu lưu vực để xây dựng DEM với kích thước ô lưới là 10 m x10 m. Bản đồ số độ cao xây dựng được sẽ là địa hình đầu vào phục vụ tính toán xây dựng bản đồ ngập lụt cho lưu vực sông Hương. 2.3. Dữ liệu địa hình để xây dựng DEM cho lưu vực sông Hương Địa hình là tài liệu quan trọng quyết định mức độ chính xác khi xây dựng bản đồ ngập lụt. Bài báo sử dụng các mảnh bản đồ có tỷ lệ lớn là 1/10.000, 1/5.000 và 1/2.000 (bảng 1) để thành lập bản đồ số độ cao DEM cho lưu vực sông Hương. Bảng 1: Thông tin về bản đồ địa hình sử dụng để thành lập DEM Tỉ Lệ Dạng Thời gian thành lập (Năm) Cơ quan thành lập Cơ quan cung cấp Hệ tọa độ Hệ độ cao Lưới chiếu 1/10.000; 1/5.000; 1/2.000 Số có đuôi *.dgn 2006 Bộ Tài nguyên và Môi trường Công ty Đo đạc Ảnh địa hình Quốc gia VN-2000 Quốc gia Hòn Dấu, Hải Phòng UTM 2.4. Các bước thực hiện và kết quả xây dựng bản đồ DEM cho lưu vực sông Hương Việc tạo ra một bản đồ số độ cao DEM từ một bản đồ địa hình theo các đường đồng mức độ cao trên bản đồ địa hình được chuyển đổi ra DEM dạng số liệu fl oat theo một quá trình gồm nhiều bước (bảng 2). Trong ArcGIS các đường đồng mức độ cao dạng số có đuôi *.dgn đầu tiên phải chuyển thành dạng Vectơ. Sau đó, các đường đồng mức dạng Vectơ phải được gắn các giá trị độ cao tương ứng. Các số liệu dạng Vectơ đã được gắn các giá trị sau đó được chuyển đổi thành dạng lưới được phủ lên trên bởi một thuật toán nội suy. Cuối cùng, các giá trị độ cao được ghi ra dưới dạng Raster dưới dạng dữ liệu fl oat có đuôi *.fl t. Quá trình các bước thực hiện để xây dựng bản đồ số độ cao phục vụ tính toán ngập lụt trong bảng 2: Bảng 2: Các bước thực hiện để xây dựng bản đồ số độ cao DEM từ bản đồ địa hình trong phần mềm ArcGIS Bước Nội dung các bước Lớp dữ liệu 1 Chuyển đổi dữ liệu địa hình dạng số có đuôi *.dgn sang định dạng xử lý được trong ARC GIS (dạng Personal Geodatabase có đuôi *.mdb) Điểm (point); Chú thích (annotation); Đường (line) và vùng (Polygon) 2 Gộp tất cả các mảnh bản đồ thành 1 fi le Điểm; Chú thích; Đường 3 Chuyển lớp chú thích về các giá trị độ cao để gán vào lớp dữ liệu điểm Điểm; Chú thích Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 17 - năm 201724 Bước Nội dung các bước Lớp dữ liệu 4 Lọc các giá trị nằm trên đường đồng mức (∆H = 5 m) Điểm 5 Gán các giá trị độ cao vào đường đồng mức Chú thích, Đường 6 Kết hợp các điểm độ cao và đường đồng mức để nội suy thành dữ liệu lưới Raster Điểm; Đường 7 Chuyển đổi dữ liệu Raster sang dữ liệu fl oat có đuôi *.fl t Raster Kết quả xây dựng bản đồ DEM kích thước 10 m × 10 m được thể hiện ở hình 4. Bản đồ DEM này được sử dụng làm địa hình đầu vào xây dựng bản đồ ngập lụt cho vùng hạ lưu lưu vực sông Hương ở bước tiếp theo. Hình 4 : Kết quả DEM khu vực nghiên cứu xây dựng từ dữ liệu địa hình trong ArcGIS 3. Ứng dụng DEM để xây dựng bản đồ ngập lụt lưu vực sông Hương Về nguyên tắc cần phải tính toán xây dựng bản đồ ngập lụt với nhiều trận lũ thực tế xảy ra trên lưu vực đã được hiệu chỉnh, kiểm định trong quá trình diễn toán thủy lực kết hợp với các số liệu điều tra vết lũ của các trận lũ đó để đánh giá mức độ chính xác của địa hình DEM đã xây dựng được. Tuy nhiên, do hạn chế về số liệu đo đạc điều tra vết lũ cũng như số liệu thống kê tình hình ngập lụt về lũ trên lưu vực, nên trong bài báo chỉ tiến hành xây dựng bản đồ ngập lụt cho trận lũ lịch sử xảy ra vào tháng XI năm 1999 và đánh giá với 18 vết lũ điều tra. Trước đây, các phiên bản HEC- RAS từ 4.1 trở về trước chưa có khả năng tự tính toán độ sâu ngập, diện ngập để xây dựng bản đồ ngập lụt mà cần phải thông qua modul HEC-GEORAS sử dụng để tích hợp giữa dữ liệu địa hình và kết quả mô phỏng thủy lực bằng HEC-RAS trên nền ArcGIS. Bắt đầu từ phiên bản HEC-RAS 5.0 thì phần mềm đã có khả năng tự thành lập bản đồ ngập lụt từ kết quả chạy thủy lực và địa hình DEM bằng tool RAS Mapper mà không cần đến modul HEC-GEORAS. Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 17 - năm 2017 25 Tuy nhiên, khi sử dụng công cụ RAS Mapper để tính toán thì dữ liệu địa hình đưa vào phải ở đuôi (*.fl t). Lưới độ sâu kết quả ngập tính toán ra được lưu trữ theo định dạng *.tif, dữ liệu diện ngập ở định dạng Shapefi le rất phù hợp để khi sử dụng phần mềm GIS thành lập bản đồ ngập lụt. Bản đồ ngập lụt được xây dựng dựa trên kết quả tính toán thủy lực cho hệ thống sông Hương. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định và cho kết quả hợp lý, việc kết hợp với bản đồ số độ cao DEM 10×10 m để tính toán xây dựng bản đồ ngập lụt cho trận lũ năm 1999, được kết quả như hình 5 thông qua tool RAS Mapper trong phần mềm HEC-RAS 5.0.3 [4]. Hình 5: Bản đồ ngập lụt lưu vực sông Hương trận lũ lịch sử tháng XI năm 1999 Hình 6: Cao trình mực nước thực đo và tính toán tại các điểm điều tra vết lũ Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 17 - năm 201726 Kiểm tra lại kết quả xây dựng bản đồ ngập lụt bài báo so sánh kết quả tính toán với số liệu điều tra vết lũ thu thập được của trận lũ năm 1999 như trong hình 6. Kết quả kiểm tra về cao trình mực nước ngập tại 18 điểm điều tra vết lũ thì giá trị giữa thực đo và tính toán là khá phù hợp. Sai số về mức ngập giữa tính toán và thực đo dao động chủ yếu trong khoảng từ 0,03 ÷ 0,25 m. 4. Kết luận Bài báo đã xây dựng bản đồ số độ cao địa hình (DEM) 10×10 m cho lưu vực sông Hương từ các mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ lớn 1/2.000, 1/5.000 và 1/10.000 thông qua phần mềm ArcGIS 10.1 để nâng cao mức độ chi tiết của địa hình và tăng cường mức độ chính xác cho bản đồ ngập lụt được thành lập. DEM xây dựng được là dữ liệu đầu vào phục vụ thành lập bản đồ ngập lụt cho vùng hạ lưu lưu vực sông Hương ứng với trận lũ lịch sử xảy ra vào tháng XI năm 1999. Bản đồ số độ cao DEM 10×10 m kết hợp với kết quả tính toán thủy lực cho mạng lưới sông Hương xây dựng bản đồ ngập lụt lưu vực sông Hương. Kết quả bước đầu đánh giá với các điểm điều tra vết lũ thu thập được trên lưu vực là khá phù hợp. Bản đồ ngập lụt xây dựng được có thể đưa vào để phục vụ cảnh báo ngập lụt cho lưu vực sông Hương. Tuy nhiên, do hạn chế về số liệu nên nghiên cứu này cũng chỉ đánh giá thông qua với 18 điểm điều tra vết lũ vị trí chủ yếu thuộc khu vực thành phố Huế. Trong hướng nghiên cứu tiếp theo cần phải tính toán đánh giá thêm với các trận lũ khác xảy ra trên lưu vực. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phạm Văn Chiến, Trần Thục. Nghiên cứu dự báo lũ lưu vực sông Hương. Viện khí tượng thủy văn : Hội thảo khoa học lần thứ 9. [2]. Trường Đại học Thủy Lợi (2000) Thuyết minh tổng hợp điều tra khảo sát lũ lịch sử hệ thống sông Hương - Tỉnh Thừa Thiên Huế, Hà Nội. [3]. Đặng Thanh Mai (2010). Nghiên cứu ứng dụng mô hình WETSPA và HECRAS mô phỏng, dự báo quá trình lũ trên hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia, Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia. [4]. Nguyễn Thị Bích Ngọc (2016), Nghiên cứu xây dựng bản đồ ngập lụt phục vụ cảnh báo lũ cho lưu vực sông Hương, luận văn thạc sĩ, Trường đại học khoa học tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội. [5]. HEC (Hydrologic Engineering Center), (2016), HEC-RAS River Analysis System, Applications guide. Hydrologic Engineering Center. BBT nhận bài: Ngày 5/7/2017; Phản biện xong: Ngày 5/8/2017