1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG NGUYỄN VĂN LÂM KỸ THUẬT ĐÁNH GIÁ ĐA CHỈ TIÊU MCE TRONG GIS Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2014 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ BẢN CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Kỹ thuật đánh giá đa chỉ tiêu MCE trong GIS” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép. Các số liệu và kết quả trong luận văn hoàn toàn trung thực, chính xác, không trùng lặp với bất kỳ công trình nghiên cứu nào đã được công bố trước đây. Thái Nguyên, ngày tháng 9 năm 2014 Học viên Nguyễn Văn Lâm 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Lời cảm ơn! Lời đầu tiên cho em gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt quá trình em theo học tại trường. Đặc biệt em gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Đặng Văn Đức, trong suốt thời gian thực hiện luận văn, mặc dù rất bận rộn trong công việc nhưng Thầy vẫn giành rất nhiều thời gian, tâm huyết hướng dẫn và định hướng giúp em hoàn thành luận văn . Tiếp nữa là tập thể lớp CK11H đã gắn bó với em trong suốt quá trình học tập cũng như thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Cuối cùng cho em gửi lời cảm ơn tới UBND Tp. Bắc Giang, Sở tài nguyên môi trường Tp. Bắc Giang, và bà con nhân dân xã Song Mai, Đa Mai, Tân Mỹ đã tạo điều kiện cho em trong quá trình thu thập dữ liệu. Trong quá trình thực hiện Luận văn mặc dù có cố gắng, song chắc chắn luận văn của em vẫn còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo vào đóng góp tận tình của các thầy cô để luận văn của em được hoản chỉnh. Thái Nguyên , Tháng Năm 2014 Tác Giả Nguyễn Văn Lâm 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC Danh sách bảng biểu: 6 Danh sách hình ảnh: 8 MỞ ĐẦU 9 1. Đặt vấn đề 9 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10 3. Hướng nghiên cứu của đề tài 10 4. Những nội dung nghiên cứu chính 10 5. Phương pháp nghiên cứu: 11 6. Ý nghĩa khoa học của đề tài 11 Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 13 1.1. Các khái niệm về GIS 13 1.2. Mô hình dữ liệu: 27 1.3. Các phép tính phân tích không gian trong hệ thống thông tin địa lý: 29 1.4. Khả năng ứng dụng của GIS: 31 Chƣơng 2: ĐÁNH GIÁ ĐA CHỈ TIÊU ỨNG DỤNG TRONG GIS 33 2.1. Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu (MCE) 33 2.2. Thuật toán xác định trọng số các chỉ tiêu AHP 39 2.3. Ứng dụng kỹ thuật đánh giá đa chỉ tiêu trong GIS (kết hợp MCE và GIS) 47 Chương 3: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG THỰC NGHIỆM 52 3.1. Giới thiệu bài toán: 52 3.2. Công nghệ sử dụng: 53 3.3. Thu thập dữ liệu địa lý của vùng nghiên cứu 55 3.4. Xác định các tiêu chí để đánh giá 63 3.5. Kết quả xây dựng chương trình thử nghiệm 66 KẾT LUẬN 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Danh mục viết tắt ESRI : Economic and Social Research Institute GIS (Geographic Information Systems): Hệ thống thông tin địa lý MIS (Management Information System): Hệ thống thông tin quản lý GPS (Global Positioning System) : Hệ thống định vị toàn cầu MCA (Multi-Criteria Analysis) Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu MCE (Multiple Criteria Evaluation) Đánh giá đa chỉ tiêu HTSDĐ: Hiện trạng sử dụng đất 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Danh sách bảng biểu: Bảng 2.1. Giá trị RI ứng với từng số lượng chỉ tiêu Bảng 3.1. Kết quả phân tích môi trường nước mặt Tp. Bắc Giang năm 2010 Bảng 3.2. Kết quả phân tích hiện trạng môi trường nước ngầm Tp. Bắc Giang 2009 Bảng 3.3. Các khu di tích lịch sử, văn hóa của Tp. Bắc Giang Bảng 3.4. Thống kê hiện trạng sử dụng đất Tp. Bắc Giang Bảng 3.5. Các lớp dữ liệu đầu vào Bảng 3.6. Các tiêu chí lựa chọn bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt Tp. Bắc Giang Bảng 3.7. Ma trận mức độ ưu tiên và trọng số của 3 nhớm chỉ tiêu Bảng 3.8. Mức độ ưu tiên và trọng số của các tiêu chí nhớm“ Môi trường” Bảng 3.9. Mức độ ưu tiên và trọng số của các tiêu chí nhớm“ Kinh tế” Bảng 3.10. Mức độ ưu tiên và trọng số của các tiêu chí nhớm“ Xã hội” Bảng 3.11. Trọng số chung các chỉ tiêu Bảng 3.12. Các chỉ tiêu được sử dụng để đánh giá sơ bộ Bảng 3.13. So sánh các địa điểm sau khi tìm kiếm sơ bộ Bảng 3.14. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến khu dân cư đô thị Bảng 3.15. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến cụm dân cư nông thôn Bảng 3.16. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến nguồn cung cấp nước ngầm Bảng 3.17. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến nguồn nước mặt Bảng 3.18. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến khu di tích, văn hoá Bảng 3.19. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu thổ nhưỡng Bảng 3.20. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến đường giao thông chính Bảng 3.21. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến đường giao thông thường Bảng 3.22. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu hiện trạng sử dụng đất Bảng 3.23. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến khu công nghiệp Bảng 3.24. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến điểm thu gom Bảng 3.25. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến trạm cung cấp điện 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Bảng 3.26. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu địa chất Bảng 3.27. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu hướng gió Bảng 3.28. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu địa hình Bảng 3.29. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu sự chấp thuận của cộng đồng Bảng 3.30. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu sự chấp thuận của chính quyền Bảng 3.31. Kết quả điểm chung của 3 vị trí tiềm năng 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Danh sách hình ảnh: Hình 1.1. Hệ thống thông tin địa lý Hình 1.2. Tầng bản đồ Hình 1.3. Các hoạt động chính của GIS Hình 1.4. Các thành phần của GIS Hình 1.5. Quản lý dự án GIS Hình 1.6. Quy trình dữ liệu Hình 1.7. Phần mềm của GIS Hình 1.8. Sơ đồ tổ chức một hệ “ Phần cứng” Hình 1.9. Các nhóm chức năng trong Hình 1.10. Mô hình dữ liệu địa lý Hình 2.1. Sơ đồ các bước Hình 2.2. Cây phân cấp dữ liệu trong mô hình đanh giá Hình 2.3. Thang điểm so sánh các chỉ tiêu Hình 2.4. Mức độ quan trọng của các chỉ tiêu và tính trọng số Hình 2.5. Sơ đồ thuật toán AHP để định trọng số Hình 2.6. Sơ đồ tổng quát MCE và GIS Lựa chọn khu vực tối ưu Hình 3.1. Sơ đồ khái quát mục tiêu bài toán Hình 3.2. Tính điểm cho chỉ tiêu "Dân cư", (các khu vực dân cư có màu xanh lá cây) màu càng sẫm điểm càng cao. Hình 3.3. Tính điểm cho chỉ tiêu "Nguồn nước mặt" (khu vực nguồn nước có màu xanh dương) Hình 3.4. Tính điểm cho chỉ tiêu "Đường giao thông chính" (đường giao thông chính được thể hiện bằng màu hồng) Hinh 3.5. Tính điểm cho nhóm chỉ tiêu "Trường học, bệnh viện, cơ quan, khu di tích " (thể hiện bằng các chấm trắng) Hình 3.6. Các khu vực tiềm năng (các khu vực có màu sẫm) 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Ngày nay cùng với sự phát triển của nền kinh tế và sự phát triển không ngừng của ngành công nghệ thông tin, việc ứng dụng công nghệ thông tin vào các ngành nghề khác nhau đã trở nên phổ biến. Trong nhiều lĩnh vực của việc áp dụng công nghệ thông tin đã đem lại hiệu quả ngoài sự mong đợi, chính vì lẽ đó việc ứng dụng công nghệ thông tin vào việc nghiên cứu và phát triển ngành nghề đã trở thành một xu thế tất yếu. Nó đem lại những thành tựu lớn lao trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, như: Kinh tế, giao thông vận tải, xây dựng, địa chất, khai khoáng, quân sự, Trong quá khứ và hiện tại việc sử dụng công nghệ thông tin và các ứng dụng của nó vào nghiên cứu đất đai, không gian địa lý cũng đạt được những thành tựu và hiệu quả cao trong công tác quản lý và sử dụng đất. Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information Systems – GIS) là sự kết hợp giữa tin học và thông tin địa lý, nó được xem như là hệ thống hỗ trợ ra quyết định. Với một hệ thống GIS hoàn chỉnh và những kỹ thuật đánh giá đa chỉ tiêu trong GIS người dùng sẽ có được các thông tin chi tiết, cần thiết về mức độ ảnh hưởng của môi trường đến một vùng đất cụ thể, để từ đó chúng ta dựa vào các kết quả đánh giá mà có thể đưa ra những quyết định lựa chọn hay không lựa chọn vùng đất đó. Với những tính năng ưu việt của GIS nó được ứng dụng rộng rãi trong các ngành nghề khác nhau như: Giao thông vận tải, quản lý đô thị, quân sự, thủy lợi, môi trường Chọn vị trí chôn lấp rác thải sinh hoạt cho một Thành phố nào đó là một bài toán phân tích không gian phức tạp nhằm mục đích quy hoạch sử dụng đất, quy hoạch đô thị. Nó đòi hỏi phải đánh giá trên nhiều tiêu chí khác nhau, vậy làm thế nào để có thể chọn lựa vị trí chôn lấp rác thải sinh hoạt đó phù hợp nhất, giảm thiểu tối đa các tác động tiêu cực tới môi trường, kinh tế, xã hội? Đây chính là câu hỏi mà đề tài muốn tìm lời giải. 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Mục tiêu của nghiên cứu nhằm ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) và kỹ thuật đánh giá đa chỉ tiêu trong GIS hỗ trợ xác định một vùng đất phù hợp để xây dựng bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt cho Thành phố Bắc Giang. 2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2.1. Đối tượng nghiên cứu: GIS, Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu MCE, kỹ thuật đánh giá phân cấp AHP, đánh giá các điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội để lựa trọn vị trí xây dựng 2.2. Phạm vi nghiên cứu: Đề tài dừng ở mức sử dụng công nghệ GIS để hỗ trợ đánh giá một khu vực như thị xã, thành phố, quận, huyện để tìm ra vùng đất thích hợp nhất trên cơ sở các kết quả tổng hợp của nghiên cứu đánh giá các chỉ tiêu khác nhau như điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội,…. 3. Hƣớng nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu hệ thống thông tin địa lý, ứng dụng thông tin địa lý trong quản lý tài nguyên và môi trường; - Nghiên cứu tổng quan về quy trình lựa chọn vị trí chôn lấp bãi rác thải sinh hoạt; - Nghiên cứu quy trình ứng dụng GIS và phương pháp phân tích đa chỉ tiêu trong việc tìm địa điểm xây dựng bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt hợp lý; - Ứng dụng quy trình trên để xây dựng chương trình tìm địa điểm chôn lấp bãi rác thải sinh hoạt cho Thành phố Bắc Giang. 4. Những nội dung nghiên cứu chính Ngoài phần mở đầu nêu lý do chọn đề tài, bố cục luận văn và phần kết luận tóm tắt các kết quả đạt được và các hướng phát triển tiếp theo, nội dung luận văn được trình bày trong ba chương như sau: Chương 1: Trình bày khái quát về hệ thống thông tin địa lý, bao gồm: Các khái niệm về GIS, mô hình dữ liệu, các phép tính phân tích không gian trong hệ thống thông tin địa lý và khả năng ứng dụng GIS. [...]... Chương 2: Trình bày phương pháp đánh giá đa chỉ tiêu ứng dụng trong GIS, bao gồm: Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu (MCE) , thuật toán xác định trọng số các chỉ tiêu AHP và ứng dụng kỹ thuật đánh giá đa chỉ tiêu trong GIS (kết hợp MCE và GIS) Chương 3: Trình bày xây dựng ứng dụng thử nghiệm, bao gồm: Giới thiệu bài toán, công nghệ sử dụng, xác định các tiêu chí để đánh giá, thu thập dữ liệu địa lý của... đề tài - Đưa ra được quy trình sử dụng hệ thống thông tin địa lý GIS và các phương pháp đánh giá đa chỉ tiêu vào việc đánh giá các tác động của môi trường đối với các vùng đất khác nhau, từ đó lựa chọn các vùng đất phù hợp cho từng dự án - Xác lập cơ sở khoa học đề xuất phương án sử dụng GIS kết hợp với kỹ thuật đánh giá đa chỉ tiêu MCE để giải các bài toán về giao thông vận tải, môi trường, xây dựng…... nghiệm của cá nhân Trong đánh giá đất đai thường sử dụng nhiều tiêu chuẩn khác nhau để phân tích khả năng thích nghi, kỹ thuật tổ hợp các tiêu chuẩn khác nhau để cho ra kết quả cuối cùng được sử dụng như là công cụ hỗ trợ ra quyết định Trong vấn đề ra quyết định đa tiêu chuẩn, bước một quan trọng nhất định chỉ tiêu là việc xác định bài toán đặt ra có bao nhiêu chỉ tiêu cần đem ra để đánh giá Bước hai, phân... Phƣơng pháp phân tích đa chỉ tiêu (MCE) Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu – MCA /MCE (Multi-Criteria Analysis) là một phép phân tích tổ hợp các chỉ tiêu khác nhau để cho ra một kết quả cuối cùng Phân tích đa chỉ tiêu cung cấp cho người ra quyết định các mức độ quan trọng khác nhau, của các tiêu chuẩn khác nhau hay là trọng số của các tiêu chuẩn liên quan Để xác định trọng số của các tiêu chuẩn, người ta... đồ phân vùng thích nghi Hình 2.1 Sơ đồ các bước MCE Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 35 2.1.1 Định chỉ tiêu - Bước đầu tiên trong phân tích đa chỉ tiêu là định ra các chỉ tiêu khác nhau được tính đến Là xác định bài toán có bao nhiêu chỉ tiêu, các chỉ tiêu này phải tham khảo ý kiến của các chuyên gia Đa số các trường hợp một chỉ tiêu không phải là một biến đơn giản mà là tổ hợp... (X,Y) + Vùng: Là một đối tượng hình học 2 chiều Vùng có thể là một đa giác đơn giản hay hợp của nhiều đa giác đơn giản Mục tiêu của cấu trúc dữ liệu đa giác là biểu diễn cho vùng Do một vùng được cấu tạo từ các đa giác nên cấu trúc dữ liệu của đa giác phải ghi lại được sự hiện diện của các thành phần này và các phần tử cấu tạo nên đa giác Mô hình dữ liệu raster sử dụng một tập hợp các ô Cấu trúc đơn... GIS, chúng ta sẽ có các thông tin cần thiết hay là bản đồ chiết xuất - Việc xác định chỉ tiêu luôn phải đảm bảo các yếu tố sau: + Bộ tiêu chí hoàn chỉnh (không có chỉ tiêu quan trọng nào bị bỏ sót); + Không có tiêu chí dư thừa (có thể là tiêu chí không quan trọng hoặc tiêu mà ở đó các phương án thay thế đều bình đẳng); + Các tiêu chí phải độc lập với nhau (không lặp lại) 2.1.2 Phân khoảng các chỉ tiêu. .. hơn địa điểm B, trong trường hợp này địa điểm B được chọn Với một bài toán như vậy ta cần phải đánh giá trên nhiều chỉ tiêu khác nhau, xem xét tác động tổng hợp của các chỉ tiêu để từ đó đưa ra quyết định cuối cùng Vì vậy việc lựa chọn phương pháp phân tích đã chỉ tiêu vào đánh giá các tác động của dự án đến môi trường, kinh tế và xã hội là giải pháp hiệu quả cho các bài toán quản lý đất đai ngày nay... cho một mục đích xác định,… Trong luận văn này sẽ trình bày việc ứng dụng MCE vào việc lựa chọn bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt cho thành phố Bắc Giang Các bước cơ bản của ứng dụng MCE được thể hiện như hình 2.1 dưới đây [7]: Định chỉ tiêu Phân khoảng các chỉ tiêu Tổng hợp dữ liệu đầu vào theo tiêu chuẩn ( Đó là các ma trận trọng số đầu vào) Xác định trọng số Tích hợp các chỉ tiêu Bản đồ phân vùng thích... về vị trí ranh giới của đất đai, nhà cửa - Khoa đo đạc: Nguồn cung cấp các vị trí cần quản lý có độ chính xác cao cho GIS - Ngành thống kê: Rất nhiều kỹ thuật thống kê được sử dụng để phân tích dữ liệu GIS Ngành thống kê đặc biệt quan trọng trong việc hiểu các lỗi hoặc tính không chắc chắn trong dữ liệu GIS - Khoa học tính toán: Thiết kế trợ giúp bằng máy tính cung cấp kỹ thuật nhập, hiển thị, biểu . TRONG GIS 33 2.1. Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu (MCE) 33 2.2. Thuật toán xác định trọng số các chỉ tiêu AHP 39 2.3. Ứng dụng kỹ thuật đánh giá đa chỉ tiêu trong GIS (kết hợp MCE và GIS) . Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu (MCE) , thuật toán xác định trọng số các chỉ tiêu AHP và ứng dụng kỹ thuật đánh giá đa chỉ tiêu trong GIS (kết hợp MCE và GIS) . Chương 3: Trình bày xây dựng. 3.27. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu hướng gió Bảng 3.28. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu địa hình Bảng 3.29. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu sự chấp thuận của cộng đồng Bảng 3.30. Đánh giá