Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI NGHIÊN CỨU SO SÁNH CHẤT LƯỢNG DỮ LIỆU ĐỊA HÌNH SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÍNH TOÁN NGẬP LỤT KHU VỰC BÁN ĐẢO THANH ĐA – THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Bùi Chí Nam Phân viện Khí tượng Thủy văn Môi trường phía Nam Nghiên cứu so sánh liệu DEM từ nguồn SRTM, DOST LiDAR qua tiêu thống kê. Đồng thời, nghiên cứu sử dụng nguồn liệu DEM để vẽ đồ ngập lụt bán đảo Thanh Đa. Kết so sánh đồ DEM đồ ngập lụt cho thấy liệu LiDAR có nhiều ưu điểm. Tuy nhiên, dùng liệu LiDAR để tính toán ngập lụt cần lưu ý đến phạm vi khu vực nghiên cứu. Mở đầu Công nghệ LiDAR (Light Detecting And Ranging) hay gọi công nghệ đo dài laser từ máy bay ALR (Airborne Laser Ranging) phục vụ cho công tác nghiên cứu địa hình đưa vào sử dụng vào năm thập niên 90 kỷ XX. LiDAR gồm nhiều hệ thống có kết nối với nhau, đó, thiết bị đo dài lader đặt máy bay, cho phép đo khoảng cách từ máy bay đến điểm địa vật hay địa hình. Thiết bị laser quét tuyến địa hình với độ rộng từ vài chục mét tới vài trăm mét. Tấm gương gắn phần đầu thiết bị quét bẻ chùm tia laser hướng bề mặt địa hình. Tia laser hoạt động theo nguyên lý xung điện (có loại theo nguyên lý sóng) có tần số lớn tới vài kHz phát từ nguồn sáng laser. Phần lượng phản hồi từ bề mặt địa hình hay địa vật qua hệ thống quang học ghi thu lại. Công nghệ LiDAR cung cấp liệu địa hình xác tốc độ cao. Dữ liệu có độ phân giải cao, cao độ xác. Thời gian thu thập xử lý liệu ngắn nhờ hệ thống tự động, thời tiết ánh sáng độc lập. Dữ liệu định dạng số từ lúc thu thập[1]. Việc tính toán vẽ đồ ngập lụt dựa liệu địa hình số giúp việc quản lý thiên tai, quản lý đô thị thuận lợi hơn. Tuy nhiên, việc sử dụng nhiều loại liệu địa hình cho kết có mức độ xác khác nhau. Để thực so sánh liệu DEM kết tính toán từ liệu này, nghiên cứu tiến hành sử dụng nguồn liệu. Đó nguồn liệu Shuttle Radar Topography Mission – SRTM, nguồn liệu đo đạc Sở Khoa học Công nghệ Tp. Hồ Chí Minh – DOST nguồn liệu từ công nghệ LiDAR[2] khu vực bán đảo Thanh Đa – Tp. Hồ Chí Minh. 1. Nguồn liệu Shuttle Radar Topography Mission (gọi tắt liệu DEM SRTM) dự án kết hợp NASA NGA (Cơ quan phòng vệ mặt đất, Mỹ) để vẽ bề mặt địa hình Trái đất chiều[3]. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 135 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Hình 1: Địa hình SRTM, DOST LiDAR Dữ liệu địa hình Sở Khoa học Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh (gọi tắt liệu DEM DOST) cung cấp, bao gồm điểm đo đạc trực tiếp trường thể đồ tỷ lệ 1:2000 1:5000; đồ địa hình bao gồm điểm đường bình độ số hóa thành lớp đồ dạng điểm, độ cao điểm có giá trị Z. Các điểm độ cao với mức độ chi tiết tỷ lệ 1:2000 1:5000 nội suy không gian theo phương pháp Spline. Tại Tp. Hồ Chí Minh, dự án “Ứng dụng công nghệ LiDAR xây dựng mô Hình chiều phục vụ quản lý đô thị Thành phố Hồ Chí Minh” (gọi tắt liệu DEM LiDAR) Sở Khoa học Công nghệ Tp. Hồ Chí Minh chủ quản đầu tư, Liên danh Công ty Cổ phần Đầu tư Địa Việt Tổng Công ty Tài nguyên Môi trường Việt Nam. Dự án hoàn thành vào tháng 12/2012 2. Phương pháp tính toán Nghiên cứu sử dụng mô hình MIKE 11 Mike 11 GIS phần mềm kỹ thuật chuyên dụng Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), với số liệu đầu vào sau: Hệ thống mạng lưới mặt cắt hệ tọa độ UTM (Zone 48) Hình bao gồm nhánh sông: sông Sài Gòn, sông Vàm Thuật, kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè, kênh Thanh Đa, rạch Chiếc; 59 mặt cắt. - Lưu lượng nhập bên có lưu lượng nước mưa trạm Cầu Bông[4]. Hình 2: Sơ đồ tính tính toán thủy lực - Các biên thủy lực gồm mực nước lưu lượng tính toán từ mạng lưới mô cho sông Sài Gòn – Đồng Nai[5] (đã kiểm định trạm Phú An) Kết tính toán mực nước mô hình so với số liệu thực đo mực nước trạm Cầu Bông với sai số 4,91% số Nash 0,98. 136 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI 3. Kết thảo luận Sau thực theo quy trình Hình 3. Các kết vẽ đồ ngập lụt so sánh với dựa so sánh thông số mô hình DEM trước đó. 3.1. So sánh DEM Các thông số thống kê dùng để so sánh bao gồm: số ô phân giải, phạm vi dao động, giá trị độ cao trung bình, độ biến động, độ lệch chuẩn, độ phân giải, diện tích khu vực. Số ô phân giải liệu DEM SRTM 582 ô, đó, liệu DEM Hình 3: Lưu đồ trình thực so DOST LiDAR 48.198 sánh mô hình DEM 6.029.264 ô. Trên diện tích, số ô phân giải nhiều, cho thấy mức độ chi tiết, rõ ràng DEM. Dữ liệu DEM LiDAR có số ô phân giải cao khoảng 10.000 lần so với liệu DEM SRTM cao khoảng 125 lần so với liệu DEM DOST. Như vậy, liệu DEM LiDAR có khả thể mức độ chi tiết phức tạp địa hình tốt nhiều so với nguồn lại. Ở phạm vi dao động, dao động độ cao thấp cao liệu DEM DOST nhiều (58m). Trong đó, liệu DEM SRTM LiDAR 22 m 22,7 m. Do phải qua bước trung gian nội suy không gian, vị trí liệu thay giá trị nội suy nên có vị trí có giá trị không thực tế. Ở giá trị độ cao trung bình liệu DEM SRTM 2,03m, cao so với liệu DEM DOST LiDAR (lần lượt 1,51 1,53 m). Như vậy, liệu DEM DOST LiDAR có độ cao nhau, đó, liệu DEM SRTM lại cao khoảng 0,5 m. Điều liệu DEM SRTM sử dụng theo hệ cao độ quốc tế, đó, liệu DEM DOST LiDAR sử dụng hệ cao độ Việt Nam nên độ cao trung bình gần nhau. Bảng 1: Thống kê so sánh loại liệu DEM Độ cao (m) Độ lệch Độ biến chuẩn động (Standard (Variance) Deviation) Độ phân giải (mét) Số ô phân giải Diện tích Nguồn DEM Thấp Cao Trung bình SRTM -9 13 2,03 4,69 2,17 91,44 582 486,64 DOST - 8,68 49,55 1,51 7,69 2,77 10,00 48.198 481,98 LiDAR -1,11 21,65 1,53 0,20 0,44 0,89 6.029.264 482,00 Độ biến động (Variance) mức độ phân tán giá trị độ cao quanh giá trị trung bình, độ biến động nhỏ giá trị độ cao có giá trị tập trung quanh giá trị trung bình. Như vậy, độ biến động giá trị độ cao liệu DEM LiDAR Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 137 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI thấp (0,2) so với liệu DEM SRTM DOST (lần lượt 4,69 7,69). Vì vậy, giá trị độ cao trung bình liệu DEM LiDAR phản ánh xác độ cao trung bình toàn bán đảo Thanh Đa tốt so với nguồn lại. Độ lệch tiêu chuẩn (Standard Deviation), mức độ chênh lệch giá trị độ cao ô phân giải so với độ cao trung bình. Độ lệch tiêu chuẩn cáng thấp giá trị độ cao ô phân giải có xu hướng tiến tới gần độ cao trung bình. Độ lệch tiêu chuẩn liệu DEM LiDAR thấp nhất, điều cho thấy địa hình bán đảo Thanh Đa đồng đều, phẳng so với liệu DEM SRTM DOST, nghĩa địa hình lồi lõm hơn. Về diện tích, để so sánh chất lượng liệu ảnh hưởng đến diện tích bán đảo Thanh Đa, ranh giới dạng polygon tính toán theo phương pháp hàm tọa độ điểm. Đây giá trị để so sánh. Giá trị diện tích theo phương pháp 482 ha. Các liệu nguồn cắt theo ranh giới dạng polygon (Các ô phân giải có tọa độ trung tâm nằm bên phạm vi polygon biên lấy), sau tính diện tích theo phương pháp đếm ô phân giải. Diện tích có sau tính toán liệu DEM SRTM, DOST LiDAR 486,64 ha; 481,98 ha; 482,00 ha. Như vậy, liệu DEM LiDAR có diện tích gần không sai lệch so với giá trị diện tích nền, nguồn lại liệu DEM DOST sai lệch so liệu DEM SRTM. Điều này, độ phân giải liệu dạng raster, độ phân giải thấp ô phân giải có tọa độ trung tâm nằm bên trong, lại có phần ô phân giải nằm vùng diện tích, nên dẫn đến sai lệch diện tích. Về mức độ cập nhật, nguồn liệu từ SRTM có từ năm 2000, nguồn từ DOST có từ năm 2005 nguồn từ LiDAR vừa hoàn thành năm 2012. (Các nguyên nhân làm cho liệu có nguồn gốc cũ sai lệch sụt lún, mốc độ cao bị lún, biến đổi địa hình yếu tố người, phát triển kinh tế - xã hội) 3.2. So sánh kết ngập lụt Kết từ mô thủy lực bao gồm mực nước lưu lượng truy nhập vào GIS theo điểm nhánh sông. Theo thời gian, cách 30 phút số liệu điểm lại thay đổi. Kết nội ngoại suy khu vực ngập lụt lớp đồ ngập. Thời gian chọn để mô tháng 11 tháng điển hình mùa mưa từ ngày 1/11/2009 đến 23 30 phút ngày 10/11/2009, 30 phút có lớp độ sâu mực nước. Các kết ngập lụt từ liệu DEM SRTM, DOST LiDAR, chọn thời điểm ngập cao để so sánh số thống kê bao gồm: diện tích ngập, độ sâu ngập, độ biến động, số ô phân giải. Bảng 2: Thống kê so sánh loại liệu DEM Nguồn DEM 138 Độ sâu ngập (cm) Thấp Cao Trung bình Độ biến động (Variance) Độ lệch chuẩn (Standard Deviation) Số ô phân giải Diện tích (ha) Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Nguồn DEM Độ sâu ngập (cm) Độ biến động (Variance) Độ lệch chuẩn (Standard Deviation) Số ô phân giải Diện tích (ha) Thấp Cao Trung bình SRTM 65 1.067 184 22.684 150 81 77,08 DOST 10 733 31 291 17 20.267 202,67 LiDAR 10 267 46 691 26 1.898.058 151,74 a. Về diện tích ngập: Dữ liệu DEM SRTM có diện tích ngập với diện tích khoảng 77,08 ha, liệu DEM DOST có diện tích ngập 202,67 liệu DEM LiDAR có vùng ngập chủ yếu ven sông với diện tích 151,74 ha. Điều độ cao trung bình liệu DEM SRTM cao so với loại lại. Minh họa cho vị trí ngập trình hình 4. Hình 4: Kết ngập nhiều thời điểm mực nước cao từ SRTM, DOST LiDAR b. Độ sâu ngập Về độ sâu ngập, liệu DEM SRTM cho thấy độ sâu ngập trung bình lớn (184 cm), diện tích ngập nhỏ, điều thực tế không xác. Dữ liệu DEM LiDAR có độ sâu ngập trung bình nhỉnh hơn. Phạm vi dao động độ sâu ngập thấp độ lệch chuẩn lại cao cho thấy độ sâu ngập toàn vùng ngập từ DEM LiDAR thể rõ ngập nông - sâu rõ ràng hơn. Trong đó, liệu DEM DOST cho thấy độ sâu ngập đồng đều. Do giá trị độ cao liệu DEM SRTM số nguyên, có đơn vị mét với đơn vị chênh lệch nhỏ mét, nên kết ngập liệu DEM SRTM khoảng cách độ sâu ngập cách 100 cm (61 cm, 161 cm, 216 cm,…). Độ sâu ngập phân bố nhiều mức 161 cm. Giá trị độ cao liệu DEM DOST LiDAR số thập phân, nên khoảng cách độ sâu ngập mang tính liên tục. Trong độ sâu ngập liệu DEM DOST phân bố nhiều khoảng từ – 21 cm độ sâu ngập liệu DEM LiDAR lại phân bố khoảng từ 10 – 41 cm c. Mức độ chi tiết ảnh hưởng đến vị trí vùng ngập Do có mức độ chi tiết cao, nên liệu DEM LiDAR, vị trí cao đê, đường phố, công trình khác thể DEM chướng ngại vật ngăn lan truyền ngập, mang tính hợp lý thực tế hơn. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 139 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Trong đó, liệu DEM DOST nội suy không gian, nên công trình thể DEM không chi tiết có, công trình liền lạc để ngăn lan truyền nước từ ô sang ô khác. Vì vậy, diện tích ngập nhiều hơn. Đối với liệu DEM SRTM, việc độ cao trung bình cao liệu DEM DOST SRTM việc ô phân giải lớn nên công trình liền lạc liên tục công trình có diện tích nhỏ 91,44 m x 91,44 m. Đồng thời giá trị độ cao số nguyên khoảng chênh lệch nhỏ mét, nên chênh lệch độ cao ô so với ô kế bên lớn nên khả lan truyền thấp, diện tích ngập chủ yếu ô nằm giáp ranh với điểm mô mực nước sông. d. Thời gian ngập Nghiên cứu tiến hành tính toán ngập khoảng thời gian 10 ngày. Đồng thời, mức thời gian chuẩn để tính toán Trong thời gian này, thời gian ngập liệu DEM SRTM kéo dài hơn, thời gian ngập chiếm 8% thời gian 10 ngày nghĩa khoảng 19,2 ngập. Thời gian ngập chủ yếu mực nước triều lên. Diện tích ngập thời gian ngập khoảng 77 ha, với diện tích ngập nhiều khu vực Đối với liệu DEM DOST, thời gian ngập chiếm 4% tổng thời gian 10 ngày, khoảng 9,6 giờ. Thời gian ngập vào ngày có mực nước thủy triều thuộc dạng cao. Diện tích ngập khoảng 35 giảm mức thủy triều xuống. Trong đó, liệu DEM LiDAR có thời gian ngập xảy vào ngày, thời gian có thủy triều cao 10 ngày tính toán chiếm 2% thời gian 10 ngày, khoảng 4,8 giờ. Diện tích ngập gần với liệu DEM DOST, khoảng 33 diện tích giảm nhanh thủy triều xuống. Như vậy, thời gian ngập của liệu DEM LiDAR tương ứng với thời gian thủy triều lên cao nhất, đó, liệu DEM DOST phản ứng hơn, liệu DEM SRTM phản ứng với mực nước thủy triều cao nhất. đ. Thời gian tính toán Với thời gian tính toán cho 10 ngày, 30 phút cho kết ngập theo mực nước trình tính toán có 480 bước thời gian. Thời gian tính toán ngập lụt từ liệu DEM sau: - SRTM: trung bình bước thời gian tính toán 15 giây, để tính toán xong. Lớp có diện tích ngập lụt cao thời điểm mực nước cao (F-Hmax) 15 giây. - DOST: trung bình bước tính toán 17 giây, 16 phút để tính xong. Lớp F-Hmax 20 giây kết quả. - LiDAR: trung bình bước tính 141 giây, 18 48 phút để hoàn thành tính toán. Đặc biệt lớp F-Hmax 2305 giây (38 phút 25 giây) cho kết 140 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Với thông số công cụ tính toán ngập chất lượng nội ngoại suy việc tính toán ngập lụt từ DEM LiDAR thời gian tính toán ngập lụt từ liệu DEM SRTM DOST 8,3 9,4 lần. Kết luận Nguồn liệu LiDAR có khả thể mức độ chi tiết phức tạp địa hình tốt nhiều so với nguồn từ DOST SRTM. Để tạo DEM, liệu DOST phải qua bước nội suy không gian, nên tỷ lệ đồ định có vị trí có giá trị không thực tế. Hệ cao độ liệu DEM SRTM sử dụng quốc tế nên chưa qua điều chỉnh hệ cao độ chưa phù hợp để sử dụng. Dữ liệu DEM LiDAR phản ánh xác độ cao mô hình hóa tốt so với liệu nguồn lại. Việc tính toán diện tích từ liệu DEM LiDAR cho kết xác hơn. Hơn nữa, nguồn liệu LiDAR vừa hoàn thành năm 2012 công nghệ có khả cập nhật liệu nhanh chóng. Chính chất lượng DEM từ LiDAR tốt hơn, nên kết tính toán ngập hợp lý, xác đáng tin cậy hơn. Như vậy, liệu cần đuợc sử dụng tùy vào mục đích phạm vi, liệu toàn cầu SRTM sử dụng cho quy mô vùng, mức độ liệu DOST dùng cho tỉnh thành, quận huyện, xã. Ở mức độ LiDAR, nên dùng phạm vi nhỏ hơn, dùng cho phạm vi lớn độ sai lệch ít, việc thu thập liệu tốn hơn, có số khu vực phạm vi không cần thiết, trình tính toán khả xử lý liệu đòi hỏi phải cao, cần nhiều thời gian. Khuyến nghị sử dụng liệu LiDAR để vẽ đồ lụt ngập cho khu vực mà nghiên cứu trước dừng lại mức độ xác định. Các khu vực chọn để vẽ khu vực huyện Nhà Bè, phía Nam huyện Bình Chánh, Quận 2, Quận Quận 9, khu vực ven sông giáp ranh huyện Củ Chi Hóc Môn. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Đậu Thị Dung, luận văn cao học “Nghiên cứu giải pháp chống ngập khu vực bán đảo Thanh Đa điều kiện ảnh hưởng biến đổi khí hậu”, Tp. Hồ Chí Minh, 2011 2. Farr, T. G., et al. (2007), The Shuttle Radar Topography Mission, Rev. Geophys., 45, RG2004, doi:10.1029/2005RG000183. 3. Lê Minh, Hoàng Ngọc Lâm, Nguyễn Tuấn Anh, Trung tâm Viễn thám, “Ứng dụng công nghệ Lidar Việt Nam”, 2008. 4. Phùng Chí Sỹ, đề tài cấp “Điều tra, đánh giá bổ sung nguồn gây ô nhiễm đề xuất giải pháp quản lý, khắc phục tình trạng ô nhiễm môi trường nước sông Đồng Nai”, 2010 5. Sở Khoa học Công nghệ Tp. Hồ Chí Minh, đề tài“Ứng dụng công nghệ LiDAR xây dựng mô hình chiều phục vụ quản lý đô thị Thành phố Hồ Chí Minh”, Tp. Hồ Chí Minh, 2012 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 141 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI COMPARATIVE STUDY OF DIGITAL TERRIAN DATA QUALITY AFFECTING THE CALCULATION OF FLOODING MAP IN THANH DA PENINSULA – HO CHI MINH CITY Bui Chi Nam Sub – Institute of Hydrometeorology and Environment of South Vietnam This study compares the DEM data sources through statistical indicators. Also, this study uses the data source for flood mapping of Thanh Da peninsula. Results comparing the DEM maps and flood maps show that LiDAR data have many advantages. However, when using LiDAR data for flood mapping, the user should pay attention to the scope of the study area. 142 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường . nước, Biển, Môi trường 135 NGHIÊN CỨU SO SÁNH CHẤT LƯỢNG DỮ LIỆU ĐỊA HÌNH SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÍNH TOÁN NGẬP LỤT KHU VỰC BÁN ĐẢO THANH ĐA – THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Bùi Chí Nam Phân viện Khí tượng. cho thấy địa hình của bán đảo Thanh Đa đồng đều, bằng phẳng hơn so với dữ liệu DEM SRTM và DOST, nghĩa là địa hình ít lồi lõm hơn. Về diện tích, để so sánh chất lượng dữ liệu ảnh hưởng đến diện. của bán đảo Thanh Đa. Kết quả so sánh các bản đồ DEM và bản đồ ngập lụt cho thấy dữ liệu LiDAR có nhiều ưu điểm. Tuy nhiên, khi dùng dữ liệu LiDAR để tính toán ngập lụt thì cần lưu ý đến phạm