Xây dựng bản đồ độ dốc huyện Hương Trà, tỉnh Thừa Thiên Huế tỷ lệ 1/50.000 dưới sự trợ giúp của công nghệ gis

111 TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011 XÂY DỰNG BẢN ðỒ ðỘ DỐC HUYỆN HƯƠNG TRÀ, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ TỶ LỆ 1/50.000 DƯỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA CÔNG NGHỆ GIS ðỗ Thị Việt Hương Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế TÓM TẮT Bản ñồ ñộ dốc là một trong những công cụ ñóng vai trò quan trọng trong việc trợ giúp ra quyết ñịnh phương hướng quy hoạch các loại hình sử dụng ñất, góp phần sử dụng hợp lý lãnh thổ. Tuy nhiên, công tác thành lập bản ñồ ñộ dốc từ trước ñến nay chủ yếu bằng phương pháp thủ công dựa vào bản ñồ ñịa hình giấy nên tốn nhiều thời gian và mức ñộ chính xác không cao. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ tin học hiện nay, hệ thống thông tin ñịa lý (GIS) ñã cho ra ñời nhiều phần mềm chuyên dụng có khả năng tích hợp thông tin và phân tích không gian, trợ giúp cho công tác thành lập bản ñồ ñộ dốc nhanh chóng và chính xác. Hương Trà là một huyện có ñịa hình tương ñối phức tạp mà diện tích ñồi, núi chiếm tương ñối nhiều. Do ñó, việc thành lập bản ñồ ñộ dốc lãnh thổ theo phương pháp truyền thống sẽ rất phức tạp và tốn nhiều thời gian. Trong khuôn khổ bài báo này, chúng tôi ñã ñưa ra quy trình và phương pháp thành lập bản ñồ ñộ dốc huyện Hương Trà tỷ lệ 1/50.000 dưới sự trợ giúp của phần mềm ArcGIS 9.2. 1. ðặt vấn ñề Bản ñồ ñộ dốc là một trong những công cụ ñóng vai trò quan trọng trong việc trợ giúp ra quyết ñịnh phương hướng quy hoạch các loại hình sử dụng ñất, góp phần sử dụng hợp lý lãnh thổ. ðây là một trong những bản ñồ làm nền tảng cho việc thành lập các bản ñồ chuyên ñề như bản ñồ ñịa mạo, bản ñồ thổ nhưỡng, bản ñồ cảnh quan,... Ngoài ra qua các thông tin thu ñược trên bản ñồ ñộ dốc như cấp ñộ dốc, diện tích phân bố sẽ giúp chúng ta giải quyết các bài toán phân tích không gian như mở ñường, bài toán vận chuyển, quy hoạch vùng chuyên canh... Tuy nhiên, công tác thành lập bản ñồ ñộ dốc từ trước ñến nay chủ yếu bằng phương pháp thủ công dựa vào bản ñồ ñịa hình giấy. Công tác này ñòi hỏi nhiều thời gian và công sức nhưng mức ñộ chính xác không cao và khó áp dụng trên phạm vi rộng. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, hệ thống thông tin ñịa lý (Geographic Information System - GIS) ñã ñược ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Với khả năng phân tích không gian, mô hình hóa cao với các thuật toán nội suy chính xác, GIS sẽ trợ giúp cho công tác thành lập bản ñồ ñộ dốc một cách nhanh chóng và chính xác. 112 Là một huyện nằm ở phía Bắc của thành phố Huế, Hương Trà có ñịa hình tương ñối phức tạp, trong ñó diện tích ñồi, núi chiếm tương ñối nhiều. Do ñó, việc ứng dụng bộ phần mềm ArcGIS vào thành lập bản ñồ ñộ dốc thay cho phương pháp truyền thống trước ñây sẽ có ý nghĩa thực tiễn lớn lao. 2. Khu vực nghiên cứu Hương Trà nằm ở vị trí trung ñộ của tỉnh Thừa Thiên Huế, với tổng diện tích ñất tự nhiên là 52.090,88 ha, chiếm 10,31% so với tổng diện tích ñất tự nhiên của tỉnh Thừa Thiên Huế. Toàn huyện có 15 xã và 1 thị trấn, trong ñó có 2 xã thuộc vùng ñầm phá ven biển, 5 xã vùng núi, còn lại 8 xã và 1 thị trấn thuộc vùng ñồng bằng và bán sơn ñịa. ðịa hình của Hương Trà bị chia cắt mạnh bởi hệ thống sông suối và ñồi núi, có hướng thấp dần từ Tây sang ðông. Lãnh thổ nghiên cứu có ñầy ñủ các dạng ñịa hình từ vùng ñồi núi, ñồng bằng ñến ñầm phá ven biển với nhiều lợi thế về ñiều kiện tự nhiên, ñất ñai, mặt nước ñể phát triển nền sản xuất nông lâm nghiệp ña dạng và phong phú. Trong những năm vừa qua, nhờ những chính sách ñổi mới của ðảng và Nhà nước cùng với sự ổn ñịnh về chính trị và những thành tựu trong cải cách kinh tế ñã làm thay ñổi ñáng kể bộ mặt kinh tế - xã hội của huyện Hương Trà. Nền kinh tế tăng trưởng với tốc ñộ khá, cơ cấu kinh tế chuyển dịch ñúng hướng, ñầu tư có trọng ñiểm, tạo chuyển biến mới về kết cấu hạ tầng kinh tế - xã hội. Hình 1. ðịa ñiểm nghiên cứu 3. Quy trình thành lập và phương pháp tính toán ñộ dốc 3.1. Quy trình thành lập ðể thành lập bản ñồ ñộ dốc, chúng tôi ñã thực hiện theo các bước sau: 113 3.2. Phương pháp tính toán Với sự trợ giúp của các phần mềm chuyên dụng ArcGIS, MapInfo cùng với cơ sở dữ liệu là bản ñồ ñịa hình lãnh thổ nghiên cứu, tiến hành biên tập, hiệu chỉnh, ño vẽ bổ sung trên thực ñịa và sau ñó tiến hành phân tích không gian và thành lập bản ñồ ñộ dốc. Giá trị ñộ dốc sẽ ñược tính toán dựa trên cơ sở tập dữ liệu ñộ cao (elevation dataset), tức là từ hệ thống ñường bình ñộ, qua quá trình xử lý, tính toán bằng các thuật toán nội suy sẽ tạo nên một bản ñồ ñộ cao dạng Raster. ðiều này có nghĩa chúng ta phải thành lập một mô hình số ñộ cao (Digital Elevation Model - DEM) khu vực nghiên cứu, sau ñó dựa trên ñó ta mới thực hiện phép phân tích không gian ñể tính toán giá trị ñộ dốc. Chúng tôi ñã thu thập hệ thống các tư liệu liên quan: - Bản ñồ ñịa hình huyện Hương Trà 1/ 25.000 ñược thành lập năm 2004 theo hệ quy chiếu VN 2000 do Bộ Tài nguyên Môi trường và Nhà xuất bản Bản ñồ ban hành. 114 - Bản ñồ ñịa hình số các xã của huyện Hương Trà, bao gồm 15 xã, 1 thị trấn với 32 mảnh bản ñồ tỉ lệ 1/10.000, khoảng cao ñều 10m ở vùng ñồi núi và 5m ở ñồng bằng. Tất cả các tư liệu bản ñồ thu thập ñược ñều ở dạng vector chúng tôi thống nhất về một hệ tọa ñộ là VN-2000, kinh tuyến trục 107000'. Tiến hành hiệu chỉnh các dữ liệu vector, tách lọc các lớp thông tin cần thiết ñể làm lớp bản ñồ nền (“yếu tố cơ sở ñịa lý”) như các lớp giao thông, thủy văn, ñịa hình (ñiểm ñộ cao, ñường bình ñộ), ranh giới hành chính, ñịa danh… Trong ñó, các ñiểm ñộ cao và ñường bình ñộ có ý nghĩa quan trọng nhất, là yếu tố cơ bản ñể tính toán ñộ dốc của lãnh thổ. Số lượng ñiểm ñộ cao và giá trị ñường bình ñộ càng chi tiết thì giá trị ñộ dốc càng chính xác. 4. Các yếu tố nội dung trên bản ñồ ñộ dốc 4.1. Cơ sở toán học của bản ñồ Dựa trên cơ sở dữ liệu bản ñồ nền ñịa hình có sẵn với hệ quy chiếu VN2000, bản ñồ ñộ dốc thành lập cũng ñược thành lập theo hệ quy chiếu này. Các tham số của hệ quy chiếu VN-2000 ñược hiển thị trong phần mềm ArcGIS như sau: Projection: Hệ thống lưới chiếu hình trụ ngang ñồng góc UTM False - easting: Khoảng cách dịch chuyển theo hướng ðông: 500000.000000 False-northing: Khoảng cách dịch chuyển theo hướng Bắc: 0.000000 Central-meridian: Giá trị kinh tuyến trục: 107.000000 Scale-factor: Hệ số tỷ lệ sai số K : 0,999900 Latitude - of - origin: Giá trị vĩ tuyến gốc: 0,00000 Bản ñồ ñộ dốc huyện Hương Trà ñược thành lập ở tỷ lệ 1:50.000. 4.2. Nội dung của bản ñồ Trên bản ñồ ñộ dốc sẽ thể hiện hai nội dung chính, ñó là yếu tố cơ sở ñịa lý chung và yếu tố chuyên ñề. - Yếu tố cơ sở ñịa lý chung: + Thủy hệ: Thể hiện các con sông, suối và khe chính trên lãnh thổ, trên ñó có ghi chú ñịa danh. + Giao thông: Thể hiện sự phân bố các tuyến ñường giao thông chính, bao gồm ñường sắt, quốc lộ, tỉnh lộ. + Ranh giới hành chính: Thể hiện ñịa giới hành chính của lãnh thổ, trong ñó bao gồm hai loại: ranh giới huyện và ranh giới xã + ðịa danh: Thể hiện ñịa danh xã, ñịa danh núi... 115 - Yếu tố chuyên ñề: Thể hiện nội dung chuyên ñề về ñộ dốc, bao gồm các bậc ñộ dốc ñược phân chia theo quy ñịnh của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, bao gồm 6 cấp như sau: Cấp I: < 30, cấp II: 3-80, cấp III: 8-150, cấp IV: 15-200, cấp V: 20- 250, cấp VI: >250. Ngoài hai yếu tố cơ sở ñịa lý và chuyên ñề, trên bản ñồ còn có yếu tố phụ của bản ñồ, ñây chính là hệ thống các ký hiệu bản ñồ ñược sử dụng có kèm theo giải thích cần thiết. 5. Kết quả thành lập bản ñồ ñộ dốc huyện Hương Trà, tỉnh Thừa Thiên Huế 5.1. Nội suy mô hình số ñộ cao (DEM) khu vực nghiên cứu * Chuyển ñường thành ñiểm ðể nội suy mô hình số ñộ cao (DEM) khu vực nghiên cứu, trước hết ta phải chuyển các ñường bình ñộ với giá trị ñộ cao thành các ñiểm ñộ cao. Dữ liệu ñường bình ñộ ñược chuyển thành dạng ñiểm với sự trợ giúp của extension Xtool pro 2.0 chạy trên nền ArcGIS. * Nội suy DEM Hình 2. Kết quả xây dựng mô hình số ñộ cao từ tập hợp ñiểm ñộ cao Trong ArcGIS có rất nhiều phương pháp ñể nội suy mô hình số ñộ cao như phương pháp Spline, Inverse Distance Weigth, Kriging,... Trong nghiên cứu này, chúng tôi chọn lựa phương pháp nội suy Kriging vì ñây là một phương pháp nội suy chính xác giúp cho việc ño ñạc ñúng những giá trị ñộ cao bị mất, nó còn có ưu thế là tính chính xác cao. Ngoài ra Kriging có ưu ñiểm hơn so với các phương pháp nội suy khác là nó 116 không chỉ nội suy các giá trị nội suy mà còn xác ñịnh ñược tổng số những lỗi trong kết quả. Trong bài toán này sử dụng phép nội suy Kriging với ñộ phân giải (hiển thị) là 10m. 5.2. Nội suy bản ñồ ñộ dốc Dựa trên mô hình số ñộ cao ñã xây dựng, tiến hành nội suy bản ñồ ñộ dốc. Lúc này, ñộ phân giải của DEM quyết ñịnh ñến sự chính xác và chi tiết của bản ñồ ñộ dốc. Sử dụng bài toán phân tích không gian Raster (Raster surface) ñể nội suy bản ñồ ñộ dốc. 5.3. Phân loại lại kết quả nội suy - Do phần mềm ArcGIS nội suy và gán khoảng cách giá trị ñộ dốc tự ñộng và phụ thuộc vào giá trị của các Pixel trong bản ñồ. Vì vậy, giá trị của các ngưỡng ñộ dốc chưa phù hợp với thang ñộ dốc chuẩn nên ta phải tiến hành phân loại lại (Reclassify) cho phù hợp với yêu cầu ñặt ra của bài toán bằng thuật toán Reclassify gồm 6 cấp như ñã trình bày ở trên. Hình 3. Kết quả xây dựng bản ñồ ñộ dốc (trước và sau khi reclassify) 5.4. Kết quả thành lập bản ñồ ñộ dốc Bản ñồ ñộ dốc huyện Hương Trà ñược thành lập bao gồm 6 cấp ñộ dốc, ứng với một màu trên ô picxel tương ứng sẽ có một giá trị ñộ dốc riêng. Muốn biết giá trị ñộ dốc bao nhiêu, ta sử dụng công cụ Identify click vào vị trí cần xác ñịnh ñộ dốc sẽ cho ra một bảng thông tin thuộc tính của ô picxel ñó. Dựa theo giá trị các ô màu picxel trên bản ñồ sẽ giúp chúng ta xác ñịnh ñược các cấp ñộ dốc của một vị trí bất kỳ. 117 + Ô màu picxel có giá trị Value = 1 sẽ tương ứng với ñộ dốc cấp I (0-30); + Giá trị Value = 2 sẽ tương ứng với ñộ dốc cấp II (3-80); + Giá trị Value = 3 sẽ tương ứng với ñộ dốc cấp III (8-150); + Giá trị Value = 4 sẽ tương ứng với ñộ dốc cấp IV (15-200); + Giá trị Value = 5 sẽ tương ứng với ñộ dốc cấp V (20-250); + Giá trị Value = 6 sẽ tương ứng với ñộ dốc cấp VI (>250). Hình 4. Khai thác thông tin bản ñồ ñộ dốc bằng công cụ Identify Bản ñồ ñộ dốc ñược quản lý thành một file Project với tên là Ban do.mxd. Trong ñó có một Data frame là Do doc Huong Tra bao gồm các lớp dữ liệu ñược quản lý bao gồm các thông tin: UBND huyện; Ranh giới huyện; Ranh giới xã; Ðường sắt; Quốc lộ; Tỉnh lộ; Suối; Sông; Cấp ñộ dốc. Sau khi biên tập hoàn thiện bản ñồ ñộ dốc, ta tiến hành tính toán thống kê diện tích theo các cấp ñộ dốc trên lãnh thổ nghiên cứu. Sử dụng thuật toán Calculate Area ñể tính toán diện tích cho mỗi vùng ñộ dốc riêng biệt. 118 CẤP ðỘ DỐC DIỆN TÍCH (ha) TỶ LỆ (%) Tổng diện tích 52090,88 100,00 I (< 30) 18348,68 25,22 II (3 - 80) 12375,98 23,76 III (8 - 150) 11200,37 21,50 IV (15 - 200) 4072,48 7,82 V (20 - 250) 1788,06 3,43 VI (> 250) 915,61 1,76 Sông, suối 3389,70 6,51 6. Kết luận Qua nghiên cứu và xây dựng bản ñồ ñộ dốc huyện Hương Trà, tỉnh Thừa Thiên Huế dưới sự trợ giúp của công nghệ GIS, có thể rút ra một số kết luận sau: - Ứng dụng các bài toán phân tích của GIS là một trong những phương pháp hiện ñại cho hiệu quả cao khi thành lập bản ñồ, ñặc biệt là bản ñồ chuyên ñề ñòi hỏi lượng thông tin lớn. - Xây dựng bản ñồ ñộ dốc dưới sự trợ giúp của công nghệ GIS cho hiệu quả công việc cao, tiết kiệm thời gian, quy trình thành lập ñơn giản, kết quả chính xác. - ArcGIS là một trong những phần mềm GIS cho khả năng phân tích không gian mạnh và hiệu quả. Với nhiều thuật toán nội suy giúp ta chọn lựa phương pháp hợp lý ñề giải quyết bài toán xây dựng bản ñồ ñộ dốc. Phương pháp nội suy Kriging là phương pháp nội suy bề mặt ñịa hình hiệu quả, với thiết lập ñộ phân giải 20m/picxel cho kết quả mô hình số ñộ cao (DEM) tương ñối chính xác và ñẹp. DEM là dữ liệu ñầu vào quan trọng ñể xây dựng nên bản ñồ ñộ dốc. - Kết quả thành lập bản ñồ ñộ dốc cho thấy lãnh thổ huyện ñược phân ra 6 vùng ñộ dốc, trong ñó vùng có ñộ dốc cấp I chiếm diện tích tương ñối nhiều, gần 23,22% diện tích lãnh thổ, phân bố chủ yếu ở các xã vùng ñồng bằng và ven biển. Vùng có ñộ dốc cấp II, III tập trung ở các khu vực giáp ranh giữa các xã ñồng bằng và vùng ñồi núi. Vùng có ñộ dốc cấp IV, V và V phân bố ở các xã vùng ñồi núi, có ñịa hình phức tạp. 119 Hình 5. Bản ñồ ñộ dốc huyện Hương Trà tỉnh Thừa Thiên Huế 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Tác An, Tống Phước Hoàng Sơn, Sử dụng hệ thông tin ñịa lý GIS trong quản lý tổng hợp vùng ven bờ, NXB ðại học Quốc gia TP HCM. [2]. Trần Quốc Bình, Bài giảng ESRI ArcGIS 8.3, (Dùng cho sinh viên ngành ðịa lý - ðịa chính), ðại học Khoa học Tự nhiên, ðại học Quốc gia Hà Nội, 2004. [3]. Lưu Thế Vinh, ðánh giá ảnh hưởng của mật ñộ các ñiểm ño ñộ cao tự ñộng tới ñộ chính xác của mô hình số ñộ cao ñược thành lập bằng công nghệ ảnh số, Luận văn Thạc sĩ Khoa học, Chuyên ngành ðịa chính, Mã số: 01.07.15, Hà Nội, 2006. [4]. Colin Child, Interpolating Surfaces in ArcGIS Spatial Analyst. ESRI Education Services. [5]. ESRI, ArcGIS Desktop help, ArcGIS 9.1 edition. Canada. ESTABLISHMENT OF SLOPE MAP IN HUONG TRA DISTRICT, THUA THIEN HUE PROVINCE ON SCALE OF 1/50.000 USING GIS TECHNOLOGY Do Thi Viet Huong College of Sciences, Hue University SUMMARY Slope map is one of the important tools in facilitating deciding and planning reasonable territory-using policy. However, slope map has mainly been established by handmade method basing on analoge topograhy map, taking much time and yeilding low accuracy. Nowadays, with the development of computer technology, Geographic Information System (GIS) has created many specialized software with integrated information and space analysis capabilities, facilitating the establishment of slope map in a fast and exact manner. Huong Tra district is a territorry having relatively complex terrain, where hills and mountains make up a high proportion. Therefore, establishing slope map by handmade method will be very complicated and take much time. In the framework of this article, we bring out the process and the calculating method of establishing slope map in Huong Tra district on a scale of 1/50.000 by ArcGIS 9.2 software.