Luận án: Tích hợp hệ cảm biến và GIS phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HÞC VIàN KHOA HÞC VÀ CÔNG NGHà NGUYÞN ANH TUẤN NGHIÊN CĀU TÍCH HỢP Hà CẢM BIẾN VÀ Hà THÞNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ PHỤC VỤ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TR¯àNG LUÀN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TR¯àNG HÀ NÞI - 2023 BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HÞC VIàN KHOA HÞC VÀ CÔNG NGHà NGUYÞN ANH TUẤN NGHIÊN CĀU TÍCH HỢP Hà CẢM BIẾN VÀ Hà THÞNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ PHỤC VỤ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TR¯àNG LUÀN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TR¯àNG Mã sß: 9 44 02 20 Xác nhÁn cÿa Hßc vián Ng°ái h°ßng d¿n 1 Ng°ái h°ßng d¿n 2 Khoa hßc và Công nghá (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) PGS. Lê Trung TS. Nguyßn Thanh Thành Hoàn Hà Nßi - 2023 i Lái cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cău cāa riêng tôi. Các sá liệu, kết qu¿ nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bá trong bÁt kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày tháng 7 năm 2023 Tác giÁ luÁn án Nguyßn Anh Tuấn ii Lái cÁm ơn Luận án đã được thực hiện thành công tại Khoa Địa lý, Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn sát sao, tận tình cāa PGS.TS Lê Trung Thành và TS. Nguyễn Thanh Hoàn. Tác gi¿ luận án bày tß lòng biết ơn sâu sắc nhÁt đến các thày, những ngưßi đã dành nhiều thßi gian, tâm săc để hướng dẫn, động viên, hướng dẫn cho tác gi¿ tháo gỡ những khúc mắc trong quá trình nghiên cău và hoàn thành luận án này. Tác gi¿ cũng xin bày tß lòng biết ơn tới toàn thể cán bộ nghiên cău, nhà khoa học tại Viện Địa lý, các thày, cô tại Học viện Khoa học và Công nghệ đã hỗ trợ, động viên và tạo mọi điều kiện tát nhÁt để tác gi¿ hoàn thành được luận án.

Để có được kết qu¿ nghiên cău này, tác gi¿ chân thành c¿m ơn Ban Chā nhiệm đề tài cÁp Nhà nước mã sá: BĐKH.30/16-20 đã hỗ trợ về tư liệu, địa bàn nghiên cău, và phương pháp nghiên cău. Xin c¿m ơn Lãnh đạo Trưßng Quác tế và đồng nghiệp đã tạo điều kiện để tác gi¿ có thßi gian đăng ký học nghiên cău sinh và hoàn thành được chương trình đào tạo nghiên cău sinh. Cuái cùng, tác gi¿ c¿m ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ c¿ về vật chÁt và tinh thần để tác gi¿ có thể hoàn thành được luận án này. Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2023 Tác giÁ luÁn án Nguyßn Anh Tuấn iii Một sá kí hiáu viÁt tắt Stt Ký hiáu Ý nghĩa 1 AI Artificial intelligence (trí tuệ nhân tạo) 2 API Application Programming Interface (Giao diện lập trình ăng dÿng là các phương thăc, giao thăc kết nái với các thư viện và ăng dÿng khác) 3 ARPANET Advanced Research Projects Agency Network là một đầu gói chuyển mạch mạng và mạng đầu tiên để thực hiện các giao thăc TCP / IP 4 AVR Automatic Voltage Regulator là hệ tháng tự động điều khiển điện áp đầu cực máy phát điện 5 Bộ NN&PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn 6 BS Base station: trạm gác là thiết bị thông tin vô tuyến và/ hoặc phÿ trợ dùng tại một vị trí cá định và được cÁp điện trực tiếp hoặc gián tiếp 7 CH Cluster head là node cÿm trưáng trong mạng c¿m biến không dây 8 Cloud Server Cloud Server là một dịch vÿ lưu trữ và qu¿n lý máy chā trên nền t¿ng đám mây 9 CSDL Cơ sá dữ liệu 10 DARPA Defense Advanced Research Projects Agency là Cơ quan Chỉ đạo các Dự án Nghiên cău Quác phòng Tiên tiến cāa Mỹ 11 API Application Programming Interface - Giao diện lập trình kết nái các ăng dÿng iv Stt Ký hiáu Ý nghĩa 12 Data Logger Data logger là một trong những công nghệ phổ biến hiện nay trong việc lưu trữ và truyền thông tin dữ liệu 13 DEM Digital Elevation Model - mô hình sá độ cao 14 RDBMS (Relational Database Management System) có nghĩa là hệ qu¿n trị cơ sá dữ liệu quan hệ.

15 FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations là Tổ chăc lượng thực và nông nghiệp Liên hợp quác 16 FORTRAN Là một ngôn ngữ lập trình biên dịch, tĩnh, kiểu mệnh lệnh dùng để xử lý dữ liệu 17 GIS Geographic Information Systems - hệ tháng thông tin địa lý 18 GPS Global Positioning System - hệ tháng định vị toàn cầu 19 GSM Global System for Mobile Communications - Hệ tháng thông tin di động toàn cầu 20 GUI Graphical User Interface - Giao diện đồ họa ngưßi dùng 21 GW Ground Water - Nước ngầm 22 HEC-HMS Là một mô hình toán thuỷ văn được dùng để tính dòng ch¿y từ sá liệu đo lượng mưa trên lưu vực 23 HRU Hydrological Response Unit là đơn vị đồng nhÁt về mặt thāy văn 24 IEEE Institute of Electrical and Electronics Engi- neers - Viện Kỹ sư điện và điện tử 25 IoT Internet of Things - Internet vạn vật 26 IWRM Integrated Water Resources Management - Qu¿n lý tổng hợp tài nguyên nước 27 MIKE-NAM Là mô hình thāy văn dạng bể chăa dùng để tính toán dòng ch¿y từ mưa v Stt Ký hiáu Ý nghĩa 28 MMI Multimode Interference - CÁu trúc giao thoa đa mode 29 MRR Microring Resonators - Bộ vi cộng hưáng 30 MySQL Là phần mềm qu¿n trị cơ sá dữ liệu 31 MZI Mach-Zehnder interferometer - Giao thoa kế Mach-Zehnder 32 OSI Open Systems Interconnection - Mô hình tham chiếu kết nái các hệ tháng má 33 QUAL2E Là một mô hình chÁt lượng nước sông và dòng ch¿y 34 RFID Radio Frequency Identification - một công nghệ dùng kết nái sóng vô tuyến để tự động xác định và theo dõi các thẻ nhận dạng gắn vào vật thể. 35 Router Bộ định tuyến là thiết bị mạng có chăc năng chuyển tiếp gói dữ liệu giữa các mạng máy tính 36 RS Remote Sensing - Công nghệ viễn thám 37 Runoff Dòng ch¿y bề mặt 38 SCS Soil Conservation System - phương pháp đưßng cong sử dÿng trong mô hình SWAT để đánh giá dòng ch¿y ăng với loại đÁt và tính chÁt đÁt 39 SDGs Sustainable Development Goals - mÿc tiêu phát triển bền vững cāa Liên hợp quác 40 SOI Silicon on Insulator - công nghệ silicon trên chÁt cách điện 41 SPW Surface plasmon wave - sóng plasmon bề mặt 42 SWAT Soil and Water Assessment Tool - phần mềm công cÿ đánh giá đÁt và nước 43 UAV Unmanned Aerial Vehicle - Một loại phương tiện bay không ngưßi lái 44 UTM Universal Transverse Mercator - một phép chiếu b¿n đồ á Việt Nam còn gọi là phép chiếu hình trÿ. 45 WEAP Là một mô hình tính toán cân bằng nước vi Stt Ký hiáu Ý nghĩa 46 Web Clients Máy khách cāa Web 47 Web Servers Máy chā cāa Web 48 WebGIS Hệ tháng thông tin địa lý hoạt động trên nền t¿ng Web 49 WINS Wireless Integrated Network Sensors - c¿m biến mạng không dây tích hợp 50 WMO World Meteorological Organization, viết tắt tên tiếng Anh WMO) là tổ chăc chuyên môn về khí tượng cāa Liên Hợp quác 51 WSN Wireless Network Sensors - Mạng c¿m biến không dây 52 WYLD Water Yield là lượng nước từ các đơn vị đồng nhÁt thāy văn (HRU) trong lưu vực được tính trong mô hình SWAT vii Măc lăc Lái cÁm ơn. ii Một sá kí hiáu viÁt tắt.

iii Danh sách hình v¿. x Danh sách bÁng. Cơ sã khoa hãc và phương pháp nghiên cāu tích hāp há cÁm biÁn và há tháng thông tin đáa lý phăc vă quÁn lý tài nguyên và môi trưáng nưßc trên lưu vực sông .1 Tổng quan một sá khái niệm .2 Tổng quan các công trình nghiên cău tích hợp hệ c¿m biến và hệ tháng thông tin địa lý phÿc vÿ qu¿n lý tài nguyên và môi trưßng nước trên lưu vực sông .1 Trên thế giới .3 à khu vực nghiên cău .3 Phương pháp nghiên cău .1 Phương pháp kh¿o sát thực địa .2 Phương pháp sử dÿng công nghệ GIS và mô hình hóa .3 Phương pháp thiết kế hệ c¿m biến không dây .4 Phương pháp lập trình và tích hợp hệ tháng .4 Tiểu kết chương 1. Āng dăng há tháng thông tin đáa lý và mô hình hóa mô phßng chÁ độ dòng chÁy t¿i lưu vực sông Nhuá - Đáy .1 Đặc điểm cāa lưu vực sông Nhuệ - Đáy .2 Lựa chọn mô hình SWAT .1 Tổng quan về mô hình SWAT .2 Mô phßng dòng ch¿y trong SWAT .3 Ăng dÿng GIS xử lý dữ liệu đầu vào cho mô hình .1 Yêu cầu dữ liệu đầu vào cho mô hình SWAT .2 Dữ liệu địa hình (mô hình sá độ cao, DEM) .3 Dữ liệu thổ nhưỡng .4 Dữ liệu sử dÿng đÁt .5 Dữ liệu khí tượng thāy văn .6 Các yêu cầu về chuẩn hóa dữ liệu .4 Thiết lập và hiệu chỉnh mô hình .1 Quá trình thành lập mô hình .2 Hiệu chỉnh và kiểm chăng mô hình .3 Tính toán lưu lượng dòng ch¿y và thành lập b¿n đồ tài nguyên nước cho lưu vực sông Nhuệ-Đáy .5 Tiểu kết chương 2.

Nghiên cāu thiÁt kÁ há tháng tích hāp m¿ng cÁm biÁn không dây và mô hình hóa trên nền tÁng WebGIS phăc vă quÁn lý tài nguyên và môi trưáng .1 Thiết kế kiến trúc hệ tháng WebGIS tích hợp dữ liệu từ mạng c¿m biến không dây và mô hình hóa .1 Thiết kế kiến trúc vật lý cāa hệ tháng .2 Thiết kế kiến trúc logic cāa hệ tháng .3 Thiết kế cơ sá dữ liệu cāa hệ tháng .4 Chuẩn hóa cơ sá dữ liệu .2 Thiết kế hệ c¿m biến quan trắc một sá thông sá khí tượng, thāy văn tích hợp vào cho mô hình .1 Thiết kế hệ c¿m biến tích hợp sử dÿng công nghệ Zig- bee và bo mạch Arduino .2 Thiết kế nút điều phái .3 Thiết kế nút c¿m biến .4 Nguyên lý xử lý dữ liệu cāa hệ c¿m biến .3 Thiết kế c¿m biến quang đo độ mặn cāa nước biển dựa trên cơ chế cộng hưáng từ .1 Giới thiệu về c¿m biến quang .2 Cơ chế c¿m biến quang .3 CÁu trúc cāa c¿m biến quang .4 CÁu trúc c¿m biến sử dÿng MZI với hai bộ vi cộng hưáng104 3.5 Ăng dÿng công nghệ c¿m biến quang thiết kế c¿m biến đo độ mặn có độ nhạy cao .4 Tiểu kết chương 3. KÁt quÁ và thử nghiám .1 Dữ liệu sử dÿng trong luận án .1 Dữ liệu không gian .2 Dữ liệu theo thßi gian .2 Tiến hành thử nghiệm tại khu vực nghiên cău .1 Mô t¿ địa b¿n thử nghiệm .2 Kịch b¿n thử nghiệm .3 Kết qu¿ tích hợp trên hệ tháng WebGIS .1 Tích hợp dữ liệu c¿m biến .2 Tích hợp kết qu¿ mô phßng cāa mô hình .3 Đánh giá kết qu¿ thử nghiệm .