Ứng dụng hệ thống thông tin đỊa lý viễn thám trong nông nghiệp và phát triển nông thôN 04/2006

Do đặc tính thay đổi theo không gian và thời gian của nguồn nước, công nghệ GIS đã được minh chứng là một công cụ hữu ích cho việc quản lý, dự báo và qui hoạch nguồn nước. Dưới đây sẽ tóm tắt lại các ứng dụng chính của GIS trong lĩnh vực thuỷ lợi.

Việc phân tích và quy hoạch nguồn nước trước kia rất mất nhiều thời gian và công sức, nhưng ngày nay công nghệ GIS đã giúp khắc phục các nhược điểm đó. Khái niệm quy hoạch nguồn nước đã được mở rộng không chỉ là quy hoạch mà còn dự báo, quản lý hiệu quả và đáp ứng nhanh với sự thay đổi nhu cầu của các ngành dùng nước cũng như sự biến đổi của nguồn tự nhiên này.

Viện Quy hoạch Thuỷ lợi Việt Nam đã ứng dụng công nghệ GIS trong rất nhiều dự án quy hoạch. Ứng dụng gần đây nhất là sử dụng mô hình thuỷ động lực học kênh hở MIKE 11 trong dự án quy hoạch sông Hồng. Ở Việt Nam, mô hình thuỷ động lực học kênh hở đã được đầu tư nghiên cứu hàng thập kỷ trước. Nhiều mô hình toán đã được xây dựng hoàn chỉnh  và đưa vào tính toán thực tế. Tuy nhiên, mô hình MIKE 11 có ưu điển nổi trội so với các mô hình khác là liên kết với GIS. Đây là loại mô hình toán sử dụng phương trình St. Venant, mô phỏng dòng chảy trong sông liên kết với vùng ngập lũ. Vì vậy nó có thể giúp các nhà quy hoạch hiển thị nhanh, rõ ràng các hoạt cảnh sử dụng nguồn nước trong tương lai.

Hơn thế nữa với sự trợ giúp của GIS, sự tham gia của các bên liên quan trong quá trình quy hoạch sẽ rất thuận lợi. GIS sẽ giúp các nhà quy hoạch hiển thị các ý kiến đóng góp một cách rõ ràng trên bản đồ.

Ứng dụng mô hình này, hệ thống lưu vực sông Hồng – sông Thái Bình được mô phỏng thành mạng sông tính toán, được số hoá trên cơ sở ảnh vệ tinh lưu vực sông Hồng theo hệ toạ độ UTM WGS 84 vùng 48 N. Đầu vào của mô hình là các số liệu về đặc tính hệ thống cùng với sô liệu của nguồn nước vào ra trên toàn hệ thống. Kết quả mô hình giúp các nhà quy hoạch định lượng hiệu quả của các phương án phát triển nguồn nước trong các giai đoạn phát triển 2010, 2020 và 2040.

2. Dự báo xói lở, biến đổi lòng dẫn trong sông

Công nghệ viễn thám - GIS đã được ứng dụng nhiều trong dự báo sạt lở bờ sông biển hiện nay ở Việt Nam. Như công nghệ GIS - Viễn thám  được ứng dụng để đánh giá tình hình biến động lòng dẫn hạ lưu sông Thu Bồn do trường Đại học thuỷ lợi thực hiện. Thông qua phần mền xử lý ảnh và hệ thống thông tin địa lý GIS, ảnh máy bay, ảnh vệ tinh, bản đồ địa hình và các tài liệu liên quan khác được giải đoán thông tin. Bản đồ địa hình,  ảnh vệ tinh chụp hiện trạng đoạn hạ lưu sông Thu Bồn ở những thời gian khác nhau 1965, 1981, 1988, 1996 được giải mã bằng các công cụ GIS và viễn thám. Dựa trên kết quả này, tình hình diễn biến lòng sông qua các giai đoạn được phân tích, so sánh. Từ đó, có thể đưa ra một số định hướng nhằm hạn chế xói lở và biến đổi lòng dẫn.

Mới đây, công nghệ GIS và Viễn thám đã giúp người Mỹ chủ động phòng chống và đối phó khá hiệu quả với cơn bão thế kỷ Katrina. Nhờ các công nghệ này, tất cả chúng ta đều có thể gần như tận mắt theo dõi quá trình hình thành và đường đi của các cơn bão trên truyền hình. Công nghệ GIS và Viễn thám không chỉ được ứng dụng để mô tả bản chất, dự báo đường đi, phạm vi ảnh hưởng của bão, mà nhờ một vài công cụ bản đồ trực tuyến, internet và hệ thống định vị toàn cầu (GPS),  chúng ta có thể quan sát toàn bộ địa cầu một cách dễ dàng; đồng thời có thể dẫn đường cho các phương tiện giao thông có thể đến bất kỳ nơi nào  trên trái đất.

Lũ là hiện tượng thiên tai gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến rất nhiều vùng, nhiều quốc gia từ năm này đến năm khác. Lũ gây thiệt hại về người, về của cũng như suy giảm môi trường sinh thái. Lũ không thể tránh được hoàn toàn nhưng thiệt hại do lũ có thể giảm thiểu. Hầu hết trong các vùng và quốc gia có nhiều lũ xuất hiện thì công tác giảm thiệt hại được xác định là nhiệm vụ quan trọng hàng đầu. Các biện pháp thực hiện bao gồm cả biện pháp công trình và phi công trình. Cảnh báo lũ là một biện pháp phi công trình quan trọng nhằm giảm thiệt hạt về người, mùa màng và tài sản khi lũ xuất hiện. Ứng dụng GIS trong cảnh báo lũ được thực hiện ở khắp các vùng, các quốc gia trên thế giới.

 Một loạt các bản đồ ngập lụt ứng với các kịch bản mực nước khác nhau được xây dựng. Áp dụng phân tích không gian, và 3D trong GIS ta có thể phân tích, tính toán những ảnh hưởng của lũ lụt theo từng kịch bản mực nước để có thể cảnh báo lũ cho dân.

Bangladesh là một trong những quốc gia phải chịu thiệt hại rất nhiều do lũ gây ra, cũng đã sử  dụng công nghệ này để xây dựng hệ thống cảnh báo lũ sớm. Mô hình MIKE do Viện Thuỷ lực Đan Mạch phát triển đã được ứng dụng trong hệ thống này. Các kỹ thuật đã được sử dụng để dự báo mức nước lũ tại các địa phương và lưu lượng dòng chảy trong sông. Dự báo này có thể được sử dụng để xây dựng chiến lược điều hành cho hoạt động hồ chứa – công trình điều hành giảm lũ cho hạ lưu. Hơn thế nữa, nó tạo nền tảng để cảnh báo lũ cho chính quyền địa phương và nhân dân trong vùng.

Để cảnh báo, bản đồ ngập lụt đã được xây dựng từ kết quả mực nước dự báo trong mô hình. Sự giao cắt giữa bản đồ ngập lụt và các bản đồ định cư, bản đồ sử dụng đất sẽ vạch ra được biên giới các vùng ngập lụt. Kết quả của mô hình đã tạo ra được hệ thống cảnh báo lũ sớm, ví dụ như cảnh báo lũ trước 72, 48 và 24 giờ. Hơn thế nữa, nó còn giúp các nhà quản lý có thể quyết định tìm ra phương án tốt nhất để đối phó với lũ. Chẳng hạn như vấn đề di dân khi lũ đến, các nhà phân tích có thể tìm được con đường thuận tiện nhất khi di dân từ vị trí này đến vị trí khác. Hoặc khi người dân gặp nạn, có thể tìm ra con đường nhanh nhất để đưa nạn nhân tới bệnh viện.

Ứng dụng khác của GIS là cảnh báo lũ quét trên các vùng núi. Một bản đồ GIS được lập tại các vùng núi sẽ xác định được các yếu tố như mức độ rừng bị phá, độ dốc, diện tích của các sườn núi... Từ các thông tin này, máy tính có thể tính toán, dự đoán ra những khu vực có nguy cơ sạt lở đất, bị lũ quét cao, ước tính được với lưu lượng mưa bao nhiêu, thời gian bao lâu thì có nguy cơ xảy ra lũ quét. Từ các dự đoán đó, địa phương sẽ có thể di dời các khu dân cư ra khỏi vùng nguy hiểm, hoặc dự báo sớm về các khả năng thiên tai xảy ra.

5. Phòng chống hạn

Viễn thám và GIS đã được coi là một công cụ phổ biến trong xây dựng các thông tin về vùng bị hạn và sự xuất hiện của hạn. Ví dụ, trường đại học Khon Kaen, Thái Lan đã ứng dụng công nghệ GIS và Viễn thám để mô hình hoá các khu vực hạn thuộc vùng Đông Bắc của nước này. Vùng Đông Bắc Thái Lan có tổng diện tích tự nhiên vào khoảng 170,000 km², chiếm 1/3 diện tích lãnh thổ. Mô hình này đã được phát triển để xây dựng bản đồ hạn.

GIS đã được sử dụng để xây dựng các lớp bản đồ hạn ứng với các nguyên nhân gây hạn khác nhau. Hạn được coi là hàm của lượng mưa, chế độ thuỷ văn và đặc điểm địa hình trong vùng, 3 lớp bản đồ tương ứng với 3 nguyên nhân gây hạn đã được xây dựng. Mỗi lớp bao gồm các đặc điểm địa lý và thuộc tính của nó được dùng làm các dữ liệu đầu vào để phân tích. Ví dụ, thiếu nước do điều kiện khí tượng được phân tích dựa vào lượng mưa trung bình năm của 15 năm nhỏ nhất tại 264 trạm đo. Thiếu nước do chế độ thuỷ văn được phân tích dựa vào chu trình nước mặt, vùng được tưới, mật độ của sông suối, chất lượng và khối lượng nước ngầm. Thiếu nước do đặc điểm địa hình được xây dựng kết hợp từ các thông tin không gian về loại đất, điều kiện tiêu thoát và sử dụng đất. Các thông tin này được thu thập thực tế và ảnh Landsat TM,  bao gồm lượng nước mặt, sử dụng đất, loại đất và tình trạng tiêu thoát. Một phần khác là từ các bản đồ của cơ quan Chính phủ.

6. Cơ sở dữ liệu phục vụ quản lý:

Trong công tác quản lý công trình thuỷ lợi, GIS đã được sử dụng để xây dựng cơ sở dữ liệu. Bản chất của cơ sở dữ liệu GIS là một nhóm xác định các dữ liệu được tổ chức trong một cấu trúc của phần mềm quản lý, trong đó bao gồm các dữ liệu không gian và phi không gian. Số liệu không gian dùng để diễn tả bản đồ trong khuôn dạng hiểu được của máy tính. Đây là những thông tin mô tả đặc tính hình học của đối tượng địa lý trong thế giới thực như vị trí, kích thước. Số liệu phi không gian là những mô tả về đặc điểm, đặc tính và các hiện tượng xảy ra tại một vị trí địa lý xác định.

Ứng dụng GIS, Viện Khoa học thuỷ lợi miền Nan đã xây dựng CSDL phục vụ công tác quản lý và khai thác nguồn nước vùng đồng bằng sông Cửu Long. Số liệu không gian ở đây là hệ thống bản đồ 1/50.000, trong đó hiển thị các điểm cao độ, đường giao thông, sông suối, mạng lưới các trạm khí tượng - thuỷ văn, vị trí các công trình thuỷ lợi. Số liệu thuộc tính là các thông tin như độ cao, thông số kỹ thuật của sông kênh, số liệu đo đạc của các trạm khí tượng thuỷ văn, tài liệu liên quan đến công trình thuỷ lợi, các dự án thuỷ lợi.

Với cơ sở dữ liệu này, các nhà quản lý có thể truy cập số liệu cả theo không gian và theo thuộc tính. Theo không gian, người dùng có thể chọn lớp thông tin truy cập bằng cách nhấp chuột vào các đối tượng trên màn hình, chương trình sẽ tự liên kết đến cơ sở dữ liệu chứa các thông tin liên quan và tạo ra một báo cáo về kết quả cần tìm. Bằng phương pháp truy cập theo thuộc tính, người dùng thay vì chọn các đối tượng trên màn hình thì sẽ chọn đối tượng theo danh sách được thống kê trên màn hình.

Cục Quản lý đê điều và Phòng chống lụt bão đã chỉ đạo xây dựng chương trình quản lý dữ liệu cơ bản hệ thống đê điều trên máy tính với công nghệ GIS. Trong chương trình này, số liệu nền là các lớp bản đồ cơ bản được số hoá. Các số liệu quản lý bao gồm: (1) các công trình đê điều hiện có như đê, kè, cống, kho vật tư phòng chống lụt bão, trụ sở đội quản lý đê, trạm thuỷ văn. Các công trình này được số hoá trực tiếp bằng các phần mềm chuyên dụng. (2) Các số liệu mặt cắt địa hình, địa chất (mặt cắt dọc và mặt cắt ngang) được nhập vào chương trình và chương trình sẽ tự động vẽ các mặt cắt. (3) Các dữ liệu sự cố, diễn biến lòng sông, đoạn đê đã được trồng tre chống sóng, đoạn đê đã được khoan phụt vữa, đoạn đê két hợp giao thông... được nhập theo dạng bảng dữ liệu và chương trình tự động tìm đến vị trí xác định trên bản đồ.

Với ứng dụng này chương trình đã được ứng dụng tốt trong công tác phòng chống và giảm nhẹ thiên tai. Chẳng hạn như các nhà quản lý có thể theo dõi các công trình sự cố, các công trình được tu bổ hàng năm, các mặt cắt địa hình địa chất để hỗ trợ cho việc tu bổ và nâng cấp đê. 

Nhìn chung, ngành Nông nghiệp và phát triển nông thôn  đang theo kịp tiến trình phát triển kinh tế của đất nước. Những thiên tai hiểm hoạ là hiện tượng phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới cũng như Việt Nam. Trong hoàn cảnh hiện nay, việc xây dựng kế hoạch phát triển nông nghiệp và phát triển nông thôn cho tương lai cần phải tính đến điều kiện cơ bản, các điều kiện đó có thể cần phải được xử lý phân tích dựa vào công nghệ hiện đại. Ứng dụng GIS và viễn thám để quy hoạch quản lý sản xuất nông, lâm nghiệp, phòng chống thiên tai, sâu bệnh đáp ứng yêu cầu thực tế có thể giúp phát triển nông nghiệp bền vững trong tương lai. Mặc dù có nhiều khó khăn trong thiết  lập hệ thống Viễn thám và GIS, hệ thống này vẫn là công cụ ưu việt hỗ trợ quản lý và ra quyết định.

Ở Việt Nam, công nghệ GIS và Viễn thám cũng được ứng dụng ở các mức độ khác nhau từ khá sớm, và đến nay đã được ứng dụng trong khá nhiều lĩnh vực Quốc phòng,  An ninh , Kinh tế như quy hoạch nông, lâm nghiệp, quản lý rừng, lưu trữ tư liệu địa chất, đo đạc bản đồ, địa chính, quản lý đô thị... Tuy nhiên các ứng dụng có hiệu quả nhất mới giới hạn ở các lĩnh vực lưu trữ, in ấn các tư liệu bản đồ. Các ứng dụng GIS thuộc lĩnh vực quản lý, điều hành, trợ giúp quyết định đa phần mới dừng ở mức thử nghiệm, còn cần thời gian và đầu tư mới có thể đưa vào ứng dụng chính thức.

Như phần trên đã trình bày, các lĩnh vực nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy lợi đã ứng dụng GIS và Viễn thám khá hiệu quả. Nhưng các ứng dụng này thường chỉ áp dụng trong từng ngành, ít có sự trao đổi dữ liệu. Do nhiều nguồn mà các dữ liệu không gian chưa  thống nhất về khuôn dạng, hệ chiếu, có khi  trùng lắp.  Ngoài ra tình trạng “độc quyền” thông tin khá phổ biến. Nên có những dữ liệu cơ quan này đã làm, cơ quan khác không biết lại xin kinh phí làm.  Mà dữ liệu không gian của GIS và Viễn thám thường rất đắt. Điều này gây nên sự lãng phí không cần thiết.

Chưa kể việc các phần mềm về GIS và Viễn thám thường rất đắt, muốn phát huy hết phải có sự đào tạo công phu. Việc sử dụng các phần mềm “crack”, không có bản quyền khá phổ biến.  Điều này đã gây khó khăn khi muốn làm việc với các đối tác nước ngoài.

Ứng dụng công nghệ thông tin nói chung và GIS – Viễn thám nói riêng ngày càng được Đảng và Nhà nước quan tâm. Dự án “Hệ thống Giám sát Tài nguyên thiên nhiên và Môi trường tại Việt Nam”  đã được Thủ tướng Chính phủ giao cho Bộ Tài nguyên và Môi trường chủ trì thông qua Trung tâm Viễn thám, có sự tham gia của nhiều Bộ ngành khác, trông đó có Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Trong 15 đầu mối của Dự án này, có 3 cơ quan của Bộ  Nông nghiệp và Phát triển nông thôn là: Viện Quy hoạch và Thiết kế nông nghiệp, Viện Điều tra Quy hoạch rừng, Viện Khoa học Thủy lợi. Dự án này được tài trợ của Chính phủ Pháp thông qua nguồn vốn ODA. Chức năng của Dự án này là:

- Đảm bảo việc thu nhận, xử lý, cung cấp ảnh vệ tinh và phát triển ứng dụng cho các ngành ở Việt Nam;

- Vận hành hệ thống giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường bằng ảnh vệ tinh ở Việt Nam.

Các ảnh viễn thám thu được sẽ được xử lý trên một nền địa hình số thống nhất toàn quốc. Các đầu mối tham gia Dự án, sẽ được cấp miễn phí ảnh vệ tinh. Kết quả ứng dụng ảnh này sẽ được giao lại cho Trung tâm Viễn thám, và các đơn vị khác có thể sử dụng chung kết quả này. Điều này sẽ tiết kiệm đáng kể cho ngân sách nhà nước.

Trong phạm vi ngành, Dự án “Ứng dụng công nghệ thông tin phục vụ công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp và phát triển nông thôn (giai đoạn I)”, dự kiến Trung tâm Tích hợp dữ liệu sẽ tích hợp CSDL GIS của các cơ quan trong ngành.

 

Phụ lục 1: MỘT SỐ LOẠI ẢNH VỆ TINH ĐỘ PHÂN GIẢI CAO

 Trong những năm gần đây, công nghệ thu nhận ảnh viễn thám đã đạt được những bước tiến đáng kể. Những tấm ảnh vệ tinh thu được có độ phân giải ngày càng cao, đạt được từ 5m đến 1m. Với độ phân giải ngày càng cao, ảnh vệ tinh hoàn toàn có thể thay thế ảnh hàng không trong việc cập nhật bản đồ hiện trạng, xây dựng các bản đồ chuyên đề. Ngoài ra ảnh vệ tinh độ phân giải cao có một ưu điểm nổi bật so với ảnh hàng không là thời gian đặt chụp ảnh nhanh, kho tư liệu ảnh lịch sử phong phú…

Hiện tại các loại ảnh vệ tinh có độ phân giải cao bao gồm:

• Ảnh Ikonos độ phân giải 1^m

• Ảnh QuickBird độ phân giải 1^m

• Ảnh SPOT độ phân giải 5^m hay 2.5^m

Trong năm 2006 sẽ có thêm một số loại ảnh Rarda SAR độ phân giải cao từ 1-3^m sẽ đưa vào sử dụng (ảnh Terra-X của châu Âu và ảnh ALOS của Nhật). Điều này sẽ mở ra khả năng ứng dụng ảnh SAR cho bản đồ tỷ lệ lớn và các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao.

 1. Ảnh Ikonos

Một trong số các loại ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao được ưa chuộng nhất hiện nay là ảnh vệ tinh Ikonos của hãng Space Imaging. Ảnh Ikonos thực sự mới được đưa vào thương mại hoá vào năm 2000, quá trình chụp và xử lý ảnh được ứng dụng những công nghệ hiện đại nhất. Độ phân giải của ảnh có ở nhiều mức độ khác nhau: 1^m, 4^m, 5^m... tuỳ vào từng mục đích sử dụng ảnh khác nhau. Có thể chọn ảnh Ikonos ở chế độ ảnh màu hay ảnh đen trắng.

Trên ảnh Ikonos độ phân giải 1m, có thể nhìn thấy rõ từng con đường, ngôi nhà, đặc biệt ở các khu vực dân cư không quá dày đặc như ở vùng ngoại thành. Các đối tượng có kích thước bề ngang nhỏ nhưng là địa vật hình tuyến như bờ vùng, bờ thửa, hàng rào... được nhìn thấy rất rõ trên ảnh. Ngoài ra, nếu sử dụng ảnh Ikonos màu thì việc biểu diễn các đối tượng trên ảnh càng sống động, sát với thực tế, người sử dụng càng dễ nhận biết các đối tượng. Đây là một ưu điểm so với ảnh chụp từ máy bay vì các camera chụp ảnh từ máy bay ở nước ta hiện nay hầu hết là các camera chụp ảnh đen trắng.

Vệ tinh IKONOS được phóng lên quỹ đọa thành công vào ngày 24-9-1999. Đây là vệ tính đầu tiên thế hệ mới có khả năng chụp các ảnh với độ phân giải cao. IKONOS có các ảnh toàn sắc độ phân giải 1^m và ảnh đa phổ độ phân giải là  4^m. Người sử dụng có thể đặt hàng các bức ảnh theo từng khu vực.