Giáo trình Ứng dụng phân tích đa chỉ tiêu (MCA) và viễn thám trong việc hỗ trợ mở tuyến giao thông - Trần Văn Anh

Nội dung text: Giáo trình Ứng dụng phân tích đa chỉ tiêu (MCA) và viễn thám trong việc hỗ trợ mở tuyến giao thông - Trần Văn Anh

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 44, 10-2013, tr.17-22 TRẮC ĐỊA – ĐỊA CHÍNH – BẢN ĐỒ (trang 17- 65) ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH ĐA CHỈ TIÊU (MCA) VÀ VIỄN THÁM TRONG VIỆC HỖ TRỢ MỞ TUYẾN GIAO THÔNG TRẦN VÂN ANH, Trường Đại học Mỏ - Địa chất NGUYỄN THỊ THU NGA, NGUYỄN NHƯ HÙNG, Đại học Kỹ Thuật Lê Quý Đôn Tóm tắt: Trên cơ sở nghiên cứu những nguyên tắc cơ bản của công tác vạch một tuyến đường mới để đảm bảo phù hợp quy hoạch cũng như đạt được những tiêu chuẩn kỹ thuật của một tuyến đường. Chúng tôi đã nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích đa chỉ tiêu (MCA) kết hợp với dữ liệu ảnh vệ tinh và DEM để vạch ra tuyến đường tối ưu nhất khi xác định tọa độ của điểm bắt đầu và điểm đến. Việc không giới hạn các chỉ tiêu đầu vào cộng với sự cập nhật thông tin nhanh từ công nghệ viễn thám sẽ giúp các nhà hoạch định có căn cứ khoa học chính xác, nhanh chóng để ra quyết định. Từ đấy hỗ trợ cho việc chuyển tuyến lên trên bản đồ và chuyển tuyến ra thực địa. 1. Đặt vấn đề trong việc hỗ trợ ra quyết định mở tuyến giao Giao thông được ví như huyết mạch của thông mới. một quốc gia. Một mạng lưới giao thông mạnh, Dựa vào các ưu điểm rất lớn của dữ liệu thông suốt góp phần quan trọng vào việc thúc ảnh vệ tinh như: độ phủ rộng, tính cập nhật mới đẩy sự phát triển kinh tế - xã hội, văn hóa - cao, có nhiều dạng dữ liệu khác nhau, khả năng chính trị. tự động hóa khi ứng dụng công nghệ thông tin Việt Nam là một đất nước đang phát triển, để tiến hành phân loại và thành lập các bản đồ vì việc quy hoạch cũng như mở mới các tuyến chuyên đề phù hợp với mục đích sử dụng. Kết đường là một vấn đề cấp thiết. Nhất là các khu hợp với DEM và chức năng phân tích đa chỉ vực miền núi với địa hình địa vật phức tạp như tiêu (MCA) để vạch ra tuyến đường tối ưu nhất độ dốc cao và chịu nhiều ảnh hưởng của các khi xác định tọa độ của điểm bắt đầu và điểm dạng tai biến nhiên: trượt lở đất, lũ lụt, lũ bùn đến. Việc không giới hạn các chỉ tiêu đầu vào đá, lở đá, xói mòn Tuy nhiên việc mở mới các cộng với sự cập nhập thông tin nhanh từ công tuyến đường cần đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, phù nghệ viễn thám sẽ giúp các nhà hoạch định có hợp với quy hoạch và tạo đà phát triển cho khu căn cứ khoa học chính xác, nhanh chóng để ra vực. quyết định. Từ đấy hỗ trợ cho việc chuyển Trong công tác mở đường truyền thống vẫn tuyến lên trên bản đồ, chuyển tuyến ra thực địa sử dụng cơ sở dữ liệu bản đồ địa hình dạng giấy nhanh và chính xác. hoặc dạng số, với các dạng dữ liệu này thường 2. Phương pháp nghiên cứu không được thường xuyên cập nhật những thay Phân tích đa chỉ tiêu (Multi-Criteria đổi của địa hình địa vật ngoài thực địa. Mặt Analysis, viết tắt là: MCA) được sử dụng từ rất khác, việc mở đường còn dựa trên kinh nghiệm lâu trong các phân tích địa lý. Đánh giá tác của người kỹ sư và mất rất nhiều thời gian công động hoặc phân tích vùng thích hợp thường tính sức. đến việc lấy nhiều tiêu chuẩn khác nhau để Để việc hỗ trợ ra quyết định mở đường phân tích các vấn đề và câu hỏi phức tạp. Kỹ nhanh, chính xác, kịp thời và đạt hiệu quả cao, thuật tổ hợp các nhân tố khác nhau để cho ra chúng tôi tiến hành nghiên cứu: ứng dụng phân một kết quả cuối cùng. Đặc tính làm cho MCA tích đa chỉ tiêu (MCA) và công nghệ viễn thám đặc biệt là nó tạo ra cho người quyết định định Formatted: Left Field Code Changed 222222 19 2217 1919 22 2222
2. ra các mức độ quan trọng khác nhau cho các Phương pháp chọn trọng số của Saaty Formatted: French (France) nhân tố khác nhau. Quy trình phân tích đa chỉ (Saaty’s Analytical Hiearchy Process (AHP)) là tiêu gồm các bước sau: quá trình phân tích cấp bậc. Phương pháp này Bước 1: Định các lớp chỉ tiêu phù hợp với dựa trên việc xây dựng ma trận của các cặp so bài toán. Các chỉ tiêu được chiết suất từ bản đồ sánh tối ưu giữa các tiêu chuẩn. Mỗi một tổ hợp gốc bằng việc sử dụng các chức năng phân tích hai tiêu chuẩn, mức độ quan trọng tương đối không gian của GIS như: chức năng nội suy một tiêu chuẩn này so với tiêu chuẩn kia được DEM, chức năng lan truyền, chức năng phân tính theo tỉ lệ là 1/ n. tích tầm nhìn, chức năng hướng Đánh giá thang tỉ lệ theo Saaty cho cặp so Bước 2: Làm cho các chỉ tiêu có thể so sánh tối ưu của các tiêu chuẩn được nhìn nhận sánh được với nhau. như bảng sau: - Để làm cho các chỉ tiêu có thể so sánh Bảng 1: Ví dụ về so sánh mức độ quan được với nhau đầu tiên ta phải phân hạng dữ trọng giữa các chỉ tiêu liệu trong từng chỉ tiêu. 1/7 1/5 1/3 1 3 5 7 Trong mỗi một tiêu chuẩn lại có bảng dữ Vô Rất Ít Quan Quan Quan Quan liệu thuộc tính riêng. Để so sánh các chỉ tiêu cùng ít vừa trọng trọng trọng trọng được với nhau, trước tiên ta phải so sánh, phân ít bằng hơn vừa hơn hơn rất nhau vừa nhiều nhiều hạng các đặc trưng thuộc tính ngay trong một Từ ma trận này, vector nguyên lý eigen tiêu chuẩn. được tính để thu được tập hợp trọng số phù hợp Có hai cách tiếp cận để hiện thực hóa sự nhất. Trọng số các chỉ tiêu được tự động chồng phân hạng trong một chỉ tiêu: lớp sau khi sử dụng công cụ AHP. Nhân tố Cách tiếp cận Boolean: vạch những vùng ra trọng số được tổ hợp trong phân tích, công thức làm hai nhóm: vùng thích hợp cho một vài tiêu trên được thể hiện như sau: chuẩn và vùng không thích hợp. Chồng ghép n m Boolean có thể được thực hiện bằng cách sử S(W  xX )xCiij  dụng tổ hợp giao (logic AND) hoặc hợp (logic i1 j1 OR). trong đó: Nhân tố phân loại hoặc liên tục: Tùy vào S = chỉ số thích hợp giá trị dữ liệu đầu vào mà được chia theo thang Wi = trọng số gắn cho tiêu chuẩn i (hoặc phân loại hay thang liên tục. Đối với thang liên nhấn tố i) tục ta có thể xác lập theo kiểu tuyến tính và có Xi = điểm của tiêu chuẩn công thức là: Cj = giá trị (0 hoặc 1) của mức độ chế ngự Xi = (xi - xmin)/(xmaxi - xmini) , Bước 3: Chức năng Cost distance, Cost trong đó : path được sử dụng để vạch một tuyến tối ưu nhất dựa trên bản đồ kết quả chồng ghép. Xi : Định lại điểm số của nhân tố i 3. Dữ liệu và khu vực thực nghiệm x : Điểm gốc i - Khu vực nghiên cứu thuộc mảnh bản đồ x : Điểm nhỏ nhất mini F-48-54-d nằm giữa hai tỉnh Yên Bái và Phú xmaxi : Điểm lớn nhất Thọ, khu vực này có các yếu tố địa hình tương Đối với thang phân loại, các khoảng chia đối đa dạng rất phù hợp với việc thực nghiệm được theo các quy định địa lý (độ cao, độ dốc, bài toán. nhiệt độ ) hoặc theo ý kiến chuyên gia. - Ảnh vệ tinh Landsat là dữ liệu được sử - Định trọng số cho các chỉ tiêu. dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Gồm các vệ Trọng số của các tiêu chuẩn có thể được cố tinh từ Landsat-(17). Công nghệ ghi ảnh trên định bằng các kỹ nghệ thống kê khác nhau hoặc các thế hệ vệ tinh Landsat đã lần lượt sử dụng bằng các phép đo, người quyết định chọn trọng các bộ cảm ngày càng hoàn thiện và tốt hơn, từ số một cách chủ quan dựa trên những kinh phân giải thấp đến phân giải cao, theo trật tự là nghiệm và hiểu biết nào đó. RBV (Return Beam Vidicon), đa phổ MSS, Formatted: Font color: White 181821 182121 218
3. chuyên đề TM, chuyên đề nâng cao ETM, yêu cầu độ chính xác của công tác vạch tuyến chuyên đề nâng cao ETM+. ảnh đa phổ chúng ta sử dụng ảnh vệ tinh có độ phân giải (Multispectral) Landsat là ảnh chuyên đề gồm 7 khác nhau để thành lập bản đồ hiện trạng phù kênh phổ nằm trên dải bước sóng 0,45 12,5 hợp. Trong khuôn khổ của bài báo chúng tôi sử m, gồm phổ nhìn thấy (VIS), cận hồng ngoại dụng ảnh vệ tinh Landsat TM và ETM có độ (NIR), hồng ngoại sóng ngắn (SWIR) và hồng phân giải không gian 30m để thành lập bản đồ ngoại nhiệt TIR. ảnh đa phổ Landsat cho độ hiện trạng sử dụng đất tỷ lệ 1/100000. phân giải không gian 30 x30 m trên các kênh - DEM được được xây dựng từ bản đồ địa phổ, ngoại trừ kênh phổ hồng ngoại nhiệt có độ hình 1/50000 danh pháp F -48-54-d phân giải 120x120 m hoặc 60x60m. Tùy theo Hình 1. Ảnh Landsat khu vực nghiên cứu Hình 2. Mô hình DEM khu vực nghiên cứu 4. Kết quả thực nghiệm Trên cơ sở nghiên cứu phương pháp phân tích đa chỉ tiêu (MCA) và nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố ảnh hưởng tới công tác mở mới tuyến đường cơ bản, chúng tôi đưa ra Formatted: English (United States) quy trình phân tích dữ liệu trong GIS phục vụ công tác mở tuyến và kết quả thực nghiệm như sau: - Quy trình phân tích GIS : Hình 3. Sơ đồ quy trình phân tích dữ liệu trong GIS phục vụ mở tuyến Formatted: Left Field Code Changed 222222 19 2219 1919 22 2222
4. - Bản đồ chỉ tiêu được chiết suất từ DEM, Formatted: Font: Italic, Portuguese (Brazil) ảnh Landsat: Formatted: Font: (Default) .VnTime, Font color: Red Hình 6. Bản đồ độ cao tuyệt đối - Phân hạng dữ liệu trong từng chỉ tiêu tác giả sử dụng phương pháp nhân tố phân loại. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất được phân loại Hình 4. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất Formatted: Vietnamese và phân hạng theo các mức như sau: tỷ lệ 1/100000 được chiết xuất từ ảnh Formatted: Vietnamese Tuy nhiên tùy vào đặc thù của mỗi loại rừng mà mức độ ảnh hưởng đến mở tuyến đường sẽ khác nhau. Độ dốc sườn là yếu tố địa hình có ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình xói mòn đất. Độ dốc làm tăng cường độ dòng chảy và do đó đẩy nhanh quá trình rửa trôi, xói mòn đất, gây nên xói mòn nặng hơn. Độ dốc tăng 2 lần, xói mòn đất tăng 2 đến 4 lần. Hiện tượng xói mòn đất làm mất ổn đinh và có thể dẫn đến hiện tượng sạt lở. + Địa hình đồng bằng là loại địa hình thuận tiện nhất cho việc vạch tuyến đường. Vùng địa Hình 5. Bản đồ độ dốc hình đồng bằng có độ dốc ngang địa hình < 10%. 20
5. + Địa hình đồi, đồi thoải là địa hình có mức - Khi quá trình so sánh giữa các tiêu chuẩn kết Formatted: Vietnamese độ khó khăn trung bình đối với mở tuyến thúc, giá trị tỉ số của chúng được ghi nhận theo ma đường, độ dốc 10-25%. trận n dòng và n cột (n: số các tiêu chuẩn). + Địa hình đồi cao có độ dốc 25-30% và Bảng 5:. So sánh mức độ quan trọng giữa 3 Formatted: Font: Italic núi với độ dốc >30% là địa hình có nhiều vấn chỉ tiêu độ dốc, hiện trạng sử dụng đất, độ cao Formatted: Centered đề khó khăn cho việc mở tuyến đường. tuyệt đối đến khả năng mở tuyến. Bản đồ độc dốc sau khi được nội suy được Độ dốc HTSDĐ ĐCTĐ phân thành 4 cấp: 25%, được tham khảo các nguồn tài liệu và ý HTSDĐ 1/3 1 3 kiến chuyên môn và được cho điểm như sau: ĐCTĐ 1/5 1/3 1 Bảng 2. Ảnh hưởng của độ dốc đến khả năng Formatted: Vietnamese mở tuyến - Sau khi thành lập ma trận so sánh giữa các chỉ tiêu. Trọng số của các chỉ tiêu được tính Formatted: Vietnamese toán dựa trên công cụ AHP kết quả như sau: Điểm 6 Bảng 6:. Trọng số của các chỉ tiêu độ dốc, Formatted: Font: Italic 8 hiện trạng sử dụng đất, độ cao tuyệt đối đến Formatted: Centered, Indent: First line: 0" 9 khả năng mở tuyến Formatted: Font: Italic 3 Tiêu chuẩn Trọng số thu được Độ cao tuyệt đối cũng ảnh hưởng lớn đến Độ dốc 0.637 quá trình di chuyển của phương tiện giao thông. HTSDĐ 0.2583 Càng lên cao quá trình di chuyển các khó. Sự ĐCTĐ 0.1047 thay đổi độ cao địa hình thường kéo theo sự - Từ trọng số thu được ta có bản đồ đánh thay đổi về nhiệt độ, mưa, độ ẩm ảnh hưởng giá khả năng mở tuyến như sau: đến vận tốc. Sự phân loại địa hình theo độ cao: + Vùng núi cao ở độ cao > 2000m so với mặt biển. + Vùng núi trung bình ở độ cao 1000 – 2000m. + Vùng núi thấp hay vùng thượng du ở độ cao > 500m đến 1000m. + Vùng đồi gò hay trung du ở độ cao 50 -500m. + Vùng đồng bằng ở độ cao >>>> Hình 7. Bản đồ đánh giá khả năng mở tuyến Formatted: Vietnamese (Những khu vực màu càng tối khả năng mở Ít quan Quan trọng Quan Quan trọng tuyến càng ít) trọng bằng nhau trọng hơn hơn nhiều Một tuyến quy hoạch tối ưu được vạch khi 1/3 1 3 5 ta nhập tọa độ điểm bắt đầu và điểm đến vào. Formatted: Font color: White 181821 182121 218
6. Formatted: Font: .VnTime, Font color: Red Formatted: Font: .VnTime, Font color: Red Hình 8. Tuyến tối ưu được vạch trên nền ảnh viễn thám và trên nền bản đồ khả năng mở tuyến Một tuyến quy hoạch tối ưu được vạch khi ta - MCA là một phương pháp đánh giá rõ nhập tọa độ điểm bắt đầu và điểm đến vào. ràng và minh bạch (Ghi lại điểm số và tầm quan Quá trình vạch tuyến tối ưu sử dụng bộ công trọng), dễ kiểm tra. Formatted: Vietnamese cụ Cost distance và Path distance của Arcgis. - MCA kết hợp với kỹ thuật viễn thám cho Trong quá trình vạch tuyến, khoảng cách và ra kết quả nhanh và độ chính xác cao. hướng di chuyển sao cho khoảng cách di chuyển - MCA có thể hỗ trợ việc ra quyết định cho là ngắn nhất, đoạn đường di chuyển ít gồ ghề các nhà lãnh đạo, hoạch dịnh chính sách và đôi nhất mà vẫn đảm bảo các điều kiện về độ cao khi cả với cộng đồng rộng lớn hơn. tuyệt đối, độ dốc và hiện trạng sử dụng đất. TÀI LIỆU THAM KHẢO Kết quả được là bản đồ các khả năng mở [1]. Nguyễn Trường Xuân, Phạm Vọng Thành. tuyến giữa hai điểm trong đó có một tuyến tối Công nghệ viễn thám. Bài giảng cho cao học ưu nhất. Các tuyến được vạch ra được chuyển ngành trắc địa, Đại học Mỏ Địa Chất, Hà Nội. sang dạng vector, xác định được tọa độ. Định [2]. Thomas M. Lillesand và Ralph W.Kiefer. dạng dữ liệu có thể phù hợp với hệ thống GPS Remote sensing and image. cầm tay để sử dụng phục vụ cho quá trình thi [3]. William K. Pratt , 2003. Digital image công, dẫn tuyến ngoài thực địa. processing, PixelSoft, Inc- Los Altos - 5. Kết luận California - USA. - MCA cân nhắc các tiêu chí khác nhau tại [4]. Isah O. Anavberokhai, August 2008. cùng một thời điểm, điều này không thể thực Introducing GIS and Multi-criteria analysis in hiện được bằng các quá trình ra quyết định road path planning process in Nigeria. A case thông thường dựa trên một tiêu chí đơn lẻ. study of Lokoja, Kogi State. SUMMARY Application of Multi-Criteria Analysis (MCA) and remote sensing in support of roads creation Tran Van Anh, Hanoi University of Mining and Geology Formatted: Font: Italic Nguyen Thi Thu Nga, Nguyen Nhu Hung, Technical University of Le Quy Don In order to ensure that the route match the planning and technical criteria, the research was Formatted: Justified, Indent: First line: 0.5" established basing on the fundamental principles of mapping out a new route. We have studied the use of multi-criteria analysis (MCA) in combination with satellite imagery data and DEM to map out the most optimal route when determining the coordinates of the starting point and destination. Thanks to the unlimited input criteria and remote sensing technologies’s fast information update, the decision makers may make quick decision basing on accurate scientific data, therefore, supporting accurate route information on map and field work. Formatted: Left Field Code Changed 222222 19 221 1919 22 2222