Luận án Tiến sĩ: Tích hợp hệ cảm biến và GIS phục vụ quản lý tài nguyên, môi trường - Nguyễn Anh Tuấn

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN ANH TUẤN NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP HỆ CẢM BIẾN VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ PHỤC VỤ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI - 2023 BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN ANH TUẤN NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP HỆ CẢM BIẾN VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ PHỤC VỤ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG Mã số: 9 44 02 20 Xác nhận của Học viện Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 Khoa học và Công nghệ (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) PGS. Lê Trung TS. Nguyễn Thanh Thành Hoàn Hà Nội - 2023 i Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày tháng 7 năm 2023 Tác giả luận án Nguyễn Anh Tuấn ii Lời cảm 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 của PGS.TS Lê Trung Thành và TS. Nguyễn Thanh Hoàn. Tác giả luận án bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến các thày, những người đã dành nhiều thời gian, tâm sức để hướng dẫn, động viên, hướng dẫn cho tác giả tháo gỡ những khúc mắc trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới toàn thể cán bộ nghiên cứu, 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 tốt nhất để tác giả hoàn thành được luận án.

Để có được kết quả nghiên cứu này, tác giả chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm đề tài cấp Nhà nước mã số: BĐKH.30/16-20 đã hỗ trợ về tư liệu, địa bàn nghiên cứu, và phương pháp nghiên cứu. Xin cảm ơn Lãnh đạo Trường Quốc tế và đồng nghiệp đã tạo điều kiện để tác giả có thời gian đăng ký học nghiên cứu sinh và hoàn thành được chương trình đào tạo nghiên cứu sinh. Cuối cùng, tác giả cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ cả về vật chất và tinh thần để tác giả có thể hoàn thành được luận án này. Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2023 Tác giả luận án Nguyễn Anh Tuấn iii Một số kí hiệu viết tắt Stt Ký hiệu Ý nghĩa 1 AI Artificial intelligence (trí tuệ nhân tạo) 2 API Application Programming Interface (Giao diện lập trình ứng dụng là các phương thức, giao thức kết nối với các thư viện và ứng dụng khác) 3 ARPANET Advanced Research Projects Agency Network là một đầu gói chuyển mạch mạng và mạng đầu tiên để thực hiện các giao thức TCP / IP 4 AVR Automatic Voltage Regulator là hệ thống 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 gốc là thiết bị thông tin vô tuyến và/ hoặc phụ trợ dùng tại một vị trí cố định và được cấp điện trực tiếp hoặc gián tiếp 7 CH Cluster head là node cụm trưởng trong mạng cảm biến không dây 8 Cloud Server Cloud Server là một dịch vụ lưu trữ và quản lý máy chủ trên nền tảng đám mây 9 CSDL Cơ sở dữ liệu 10 DARPA Defense Advanced Research Projects Agency là Cơ quan Chỉ đạo các Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến của Mỹ 11 API Application Programming Interface - Giao diện lập trình kết nối các ứng dụng iv Stt Ký hiệu 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 số độ cao 14 RDBMS (Relational Database Management System) có nghĩa là hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ.

15 FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations là Tổ chức lượng thực và nông nghiệp Liên hợp quốc 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 thống thông tin địa lý 18 GPS Global Positioning System - hệ thống định vị toàn cầu 19 GSM Global System for Mobile Communications - Hệ thống thông tin di động toàn cầu 20 GUI Graphical User Interface - Giao diện đồ họa người dùng 21 GW Ground Water - Nước ngầm 22 HEC-HMS Là một mô hình toán thuỷ văn được dùng để tính dòng chảy từ số liệu đo lượng mưa trên lưu vực 23 HRU Hydrological Response Unit là đơn vị đồng nhất về mặt thủy 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 - Quản lý tổng hợp tài nguyên nước 27 MIKE-NAM Là mô hình thủy văn dạng bể chứa dùng để tính toán dòng chảy từ mưa v Stt Ký hiệu Ý nghĩa 28 MMI Multimode Interference - Cấu trúc giao thoa đa mode 29 MRR Microring Resonators - Bộ vi cộng hưởng 30 MySQL Là phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu 31 MZI Mach-Zehnder interferometer - Giao thoa kế Mach-Zehnder 32 OSI Open Systems Interconnection - Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở 33 QUAL2E Là một mô hình chất lượng nước sông và dòng chảy 34 RFID Radio Frequency Identification - một công nghệ dùng kết nối 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 chức năng chuyển tiếp gói dữ liệu giữa các mạng máy tính 36 RS Remote Sensing - Công nghệ viễn thám 37 Runoff Dòng chảy bề mặt 38 SCS Soil Conservation System - phương pháp đường cong sử dụng trong mô hình SWAT để đánh giá dòng chảy ứng với loại đất và tính chất đất 39 SDGs Sustainable Development Goals - mục tiêu phát triển bền vững của Liên hợp quốc 40 SOI Silicon on Insulator - công nghệ silicon trên chất cách điện 41 SPW Surface plasmon wave - sóng plasmon bề mặt 42 SWAT Soil and Water Assessment Tool - phần mềm công cụ đánh giá đất và nước 43 UAV Unmanned Aerial Vehicle - Một loại phương tiện bay không người lái vi 44 UTM Universal Transverse Mercator - một phép chiếu bản đồ ở Việt Nam còn gọi là phép chiếu hình trụ. 45 WEAP Là một mô hình tính toán cân bằng nước vii Stt Ký hiệu Ý nghĩa 46 Web Clients Máy khách của Web 47 Web Servers Máy chủ của Web 48 WebGIS Hệ thống thông tin địa lý hoạt động trên nền tảng Web 49 WINS Wireless Integrated Network Sensors - cảm biến mạng không dây tích hợp 50 WMO World Meteorological Organization, viết tắt tên tiếng Anh WMO) là tổ chức chuyên môn về khí tượng của Liên Hợp quốc 51 WSN Wireless Network Sensors - Mạng cảm biến không dây 52 WYLD Water Yield là lượng nước từ các đơn vị đồng nhất thủy văn (HRU) trong lưu vực được tính trong mô hình SWAT viii Mục lục Lời cảm ơn. ii Một số kí hiệu viết tắt.

iii Danh sách hình vẽ. x Danh sách bảng. xiii Mở đầu. Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu tích hợp hệ cảm biến và hệ thống thông tin địa lý phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường nước trên lưu vực sông .1 Tổng quan một số khái niệm .2 Tổng quan các công trình nghiên cứu tích hợp hệ cảm biến và hệ thống thông tin địa lý phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường nước trên lưu vực sông .1 Trên thế giới .3 Ở khu vực nghiên cứu .3 Phương pháp nghiên cứu .1 Phương pháp khảo sát thực địa .2 PhươngphápsửdụngcôngnghệGISvàmôhìnhhóa .3 Phương pháp thiết kế hệ cảm biến không dây .4 Phương pháp lập trình và tích hợp hệ thống .4 Tiểu kết chương 1.

Ứng dụng hệ thống thông tin địa lý và mô hình hóa mô phỏng chế độ dòng chảy tại lưu vực sông Nhuệ - Đáy .1 Đặc điểm của lưu vực sông Nhuệ - Đáy .2 Lựa chọn mô hình SWAT.1 Tổng quan về mô hình SWAT.2 Mô phỏng dòng chảy trong SWAT.3 Ứng dụng 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 số độ cao, DEM).3 Dữ liệu thổ nhưỡng.4 Dữ liệu sử dụng đất.5 Dữ liệu khí tượng thủy 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 chứng mô hình.3 Tính toán lưu lượng dòng chảy và thành lập bản đồ tài nguyên nước cho lưu vực sông Nhuệ-Đáy.5 Tiểu kết chương 2. Nghiên cứu thiết kế hệ thống tích hợp mạng cảm biến không dây và mô hình hóa trên nền tảng WebGIS phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường.1 Thiết kế kiến trúc hệ thống WebGIS tích hợp dữ liệu từ mạng cảm biến không dây và mô hình hóa.1 Thiết kế kiến trúc vật lý của hệ thống.2 Thiết kế kiến trúc logic của hệ thống.3 Thiết kế cơ sở dữ liệu của hệ thống.4 Chuẩn hóa cơ sở dữ liệu.2 Thiết kế hệ cảm biến quan trắc một số thông số khí tượng, thủy văn tích hợp vào cho mô hình.1 Thiết kế hệ cảm biến tích hợp sử dụng công nghệ Zig- bee và bo mạch Arduino.2 Thiết kế nút điều phối.3 Thiết kế nút cảm biến.4 Nguyên lý xử lý dữ liệu của hệ cảm biến.3 Thiết kế cảm biến quang đo độ mặn của nước biển dựa trên cơ chế cộng hưởng từ.1 Giới thiệu về cảm biến quang.2 Cơ chế cảm biến quang.3 Cấu trúc của cảm biến quang.4 Cấu trúc cảm biến sử dụng MZI với hai bộ vi cộng hưởng104 3.5 Ứng dụng công nghệ cảm biến quang thiết kế cảm biến đo độ mặn có độ nhạy cao.4 Tiểu kết chương 3. Kết quả và thử nghiệm.1 Dữ liệu sử dụng trong luận án.1 Dữ liệu không gian.2 Dữ liệu theo thời gian.2 Tiến hành thử nghiệm tại khu vực nghiên cứu.1 Mô tả địa bản thử nghiệm.2 Kịch bản thử nghiệm.3 Kết quả tích hợp trên hệ thống WebGIS.1 Tích hợp dữ liệu cảm biến.2 Tích hợp kết quả mô phỏng của mô hình.3 Đánh giá kết quả thử nghiệm.4 Tiểu kết chương 4.127 xi Danh sách hình vẽ 1.1 Phương pháp không ràng buộc [8] .2 Phương pháp ràng buộc [8] .3 Phương pháp nhúng.4 Quá trình phát triển của công nghệ cảm biến [20].5 Kiến trúc phân tầng trong mạng cảm biến không dây [24].