Ứng dụng GIS xây dựng cơ sở dữ liệu cấp nước phục vụ công tác quản lý
(Khảo sát tại phường Hàng Bài, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội)
ThS. Vũ Lê Ánh*
TS. Lê Minh Huyền*
*Khoa Kỹ thuật hạ tầng và MTĐT, ĐH Kiến trúc Hà Nội
Tóm tắt
Tại Việt Nam, công tác quản lý trong các cơ quan cấp nước rất cần những tài liệu về không gian và phi không gian của các nhà máy nước, hệ thống cấp mạng lưới cấp nước, van, đồng hồ khách hàng... Tuy nhiên, dữ liệu hệ thống cấp nước hiện nay còn nhiều nơi dùng phương pháp thủ công lưu trữ dưới dạng giấy hoặc trong phần mềm Autocad, thiếu các dữ liệu không gian và thuộc tính của các đối tượng thuộc hệ thống cấp nước, nên gặp rất nhiều khó khăn trong công tác quy hoạch và quản lý. Hệ thống cơ sở dữ liệu thông tin địa lý GIS cấp nước có khả năng hỗ trợ công tác quản lý của các cấp chính quyền cũng như các cơ quan cấp nước. Bài báo này giới thiệu cách xây dựng cơ sở dữ liệu cấp nước trên phần mềm ArcGIS cho phường Hàng Bài, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội ứng dụng công nghệ GIS. Sử dụng công nghệ này đã tạo ra bộ cơ sở dữ liệu nhanh chóng, hiệu quả kinh tế và có độ chính xác cao. Đây là tài liệu hỗ trợ cho các nhà quản lý phường Hàng Bài cũng như các nhà nghiên cứu ứng dụng GIS trong quản lý cấp nước.
Abstract
In Vietnam, the management of water supply agencies needs spatial and non-spatial documents of water plants, water supply network systems, valves, and customer meters. However, this data system was recently built mainly by manual method or Autocad sortware, so it encountered many difficulties in management and planning. A geographic information system-GIS is capable of supporting effective planning and management. This article will introduce how to build a water supply database for Hang Bai Ward, Hoan Kiem district, Hanoi using GIS technology. This technology created a database quickly, economically, and with high accuracy. This article is also a supporting document for Hang Bai ward and researchers applying GIS in water supply management..
Key words: GIS, Water Supply, Network, Database, ArcGIS.
Từ khóa: GIS, hệ thống cấp nước, cơ sở dữ liệu, ArcGIS
1. Đặt vấn đề
Trong thời đại cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 phát triển mạnh mẽ, việc ứng dụng các công nghệ hiện đại vào quản lý là tất yếu, giúp các nhà lãnh đạo quản lý hiệu quả và tiết kiệm công sức. Hiện tượng biến đổi khí hậu đang là mối đe dọa lớn đối với cuộc sống con người, tàn phá các nguồn tài nguyên, ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn tài nguyên nước, do đó công tác quản lý trong lĩnh vực quản lý tài nguyên nước nói chung và quản lý mạng lưới cấp nước sạch nói riêng càng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết.
Trên thực tế tại Việt Nam, các công ty cấp nước quản lý lĩnh vực mạng lưới nước vẫn còn rất thủ công và chưa hiệu quả. Dữ liệu chủ yếu vẫn được quản lý trên phần mềm Autocad, ở dạng bản vẽ không có hệ tọa độ và chưa được tích hợp dữ liệu thuộc tính như các chỉ số về chất lượng nước, vùng cấp nước, tỉ lệ cấp nước, thông tin các van, thông tin đồng hồ của khách hàng. Dữ liệu về không gian và phi không gian của mạng lưới cấp nước có lượng thông tin vô cùng lớn, các thông tin luôn phải được cập nhật liên tục với khối lượng lớn, việc tổng hợp số liệu để theo dõi, quản lý thường mất thời gian do phải tổng hợp từ nhiều nguồn, cho nên cách quản lý hiện nay chưa hỗ trợ được trong công tác quản lý cũng như vận hành bảo dưỡng một cách thường xuyên. Để quản lý hiệu quả tránh thất thoát nước.... các công ty cấp nước cần có một công cụ hỗ trợ quản lý hiệu qủa hơn [8],[9].
Hệ thống thông tin địa lý GIS được hình thành vào những năm 1960, GIS được thiết kế như một hệ thống chung để quản lý dữ liệu không gian. GIS có rất nhiều ứng dụng trong việc phát triển đô thị và đang được ứng dụng trong quản lý hạ tầng đô thị nói chung, ngành cấp nước nói riêng, là xu hướng tất yếu, đã được nhiều quốc gia tiên tiến trên thế giới áp dụng. Trong khi đó, tại Việt Nam, ứng dụng GIS trong ngành cấp nước còn thiếu và chưa đồng đều giữa các đơn vị. Trong công tác quản lý cấp nước, GIS có khả năng hỗ trợ hiệu quả và điều này đã và đang được minh chứng trong các nghiên cứu gần đây. Việc ứng dụng GIS trong công tác quản lý cấp nước đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới [6],[7] và một số thành phố ở Việt Nam như TP. Hồ Chí Minh, Cần Thơ, Đồng Hới... đạt được những kết quả nhất định [8], [9].
Hệ thống thông tin địa lý GIS là hợp phần gồm 5 thành phần: Chuyên gia, cơ sở dữ liệu, phần cứng, phần mềm, quy trình. Trong đó, phần mềm GIS là một trong những thành phần quan trọng của GIS, vì phần mềm GIS khác các phần mềm quản lý thông tin khác. Phần mềm GIS phải có chức năng lưu trữ, cập nhật quản lý được ở rất nhiều định dạng dữ liệu khác nhau: Không gian, phi không gian, hình ảnh, âm thanh, ảnh vệ tinh... Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều phần mềm GIS khác nhau: ArcGIS, Mapinfor, QGIS... Trong bài báo này, nhóm nghiên cứu lựa chọn phần mềm ArcGIS là phần mềm ứng dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý của Viện nghiên cứu hệ thống môi trường ESRI của Mỹ. Bộ phần mềm ArcGIS của ESRI có khả năng khai thác hết các chức năng GIS trên các ứng dụng khác như Desktop. Máy chủ (bao gồm Web), hoặc các hệ thống thiết bị di động [5],[6]
Hệ phần mềm ArcGIS cung cấp những công cụ rất mạnh, có thể lưu trữ, cập nhật các định dạng dữ liệu khác nhau: Ảnh vệ tinh, viễn thám, hình ảnh, âm thanh, dữ liệu đo được từ GPS... tạo nên một hệ thống thông tin địa lý hoàn chỉnh. Phần mềm này có thế mạnh về quản trị cơ sơ dữ liệu ở định dạng.gdb mà các phần mềm GIS khác không có được. Trong các văn bản của Chính phủ đã ban hành cũng yêu cầu cơ sở dữ liệu được xây dựng trên phần mềm ArcGIS[2]. GeoDatabase: Là một CSDL được chứa trong một file có đuôi *.mdb/*.gdb. Khác với shapefile (.shp), Geodatabase cho phép lưu giữ topology của các đối tượng [1].
Mặt khác, trong bài báo này, nhóm nghiên cứu sử dụng các phương pháp phân tích hệ thống kết hợp với điều tra thu thập dữ liệu như công nghệ GPS(GNSS), thu thập thông tin, nhóm nghiên cứu đã xây dựng cơ sở dữ liệu GIS cho hệ thống cấp thoát nước phường Hàng Bài quận Hoàn Kiếm, thành phố Hà Nội. Kết quả này hỗ trợ cho các nhà quản lý tại phường Hàng Bài, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội ứng dụng để quản lý cấp nước. Ngoài ra, bài báo cũng sẽ là tài liệu tham khảo cho các đồng nghiệp quan tâm đến công tác quản lý cấp nước dựa trên ứng dụng GIS.
2. Dữ liệu và phương pháp nghiên cứu
2.1. Dữ liệu
Phường Hàng Bài là một trong những phường đông dân cư của thuộc quận Hoàn Kiếm, thành phố Hà Nội, Việt Nam (hình 1), có diện tích 0,27 km², dân số năm 2021 là 5.775 người, mật độ dân số đạt 21.388 người/km².
Sơ đồ vị trí phường Hàng Bài trong quận Hoàn Kiếm-Hà Nội
Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 của phường Hàng Bài được lựa chọn để làm cơ sở dữ liệu nền cho bộ cơ sở dữ liệu cấp nước.
Bản đồ/bản vẽ các trạm cấp nước, các đường ống nối, trạm cấp nước... tỷ lệ 1:2.000
Tọa độ các điểm đồng hồ được lắp đặt tại các hộ dân, điểm đấu nối, đồng hồ tổng, vị trí các van, nhà máy nước, trạm bơm, trụ cứu hỏa để phục vụ cho công tác quản lý cấp nước được hiệu quả được khảo sát thu thập thông qua hệ thống GPS.
Thông tin thuộc tính của các đối tượng không gian trong hệ thống cấp nước tại phường Hàng Bài, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội cũng được thu thập bổ sung trên dữ liệu đã có sẵn thông qua điều tra khảo sát.
2.2. Phương pháp thực hiện
· Lựa chọn phần mềm
Trong bài báo này, nhóm nghiên cứu sẽ sử dụng phần mềm ArcGIS của công ty ESRI ( Mỹ). Phần mềm này đáp ứng được các yêu cầu của một bộ cơ sở dữ liệu, đặc biệt nó cũng có khả năng kết nối liên kết với các bộ cơ sở dữ liệu liên ngành.
· Xử lý số liệu
Quá trình xử lý dữ liệu được thể hiện theo sơ đồ tại hình 2, trong đó bước xử lý dữ liệu ( xử lý dữ liệu không gian và xử lý dữ liệu phi không gian) đóng vai trò quan trọng và mất nhiều công sức nhất trong quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu.
Sơ đồ xử lý dữ liệu cấp nước trong môi trường GIS
· Xử lý dữ liệu không gian:
Các dữ liệu bản đồ, bản vẽ thu thập có các hệ tọa độ khác nhau, hoặc đang ở hệ tọa độ giả định với các định dạng file khác nhau (hình 3.)
Vì vậy, để thống nhất theo Hệ tọa độ VN2000 và đưa về cùng 1 định dạng file của phần mềm ArcGIS, đòi hỏi dữ liệu phải được chuyển đổi để chuẩn hóa hệ tọa độ. Cụ thể, trong nghiên cứu này, dữ liệu được chuyển đổi về Hệ VN2000: múi chiếu 48, kinh tuyến trục 1050. Đây là một công việc khó và đòi hỏi tính chuyên nghiệp do phải sử dụng nhiều phần mềm khác nhau như chuyển dữ liệu từ AutoCAD, Microstation sang định dạng shapefile (.shp), chọn dữ liệu chuẩn cụ thể ở đây là dữ liệu của bản đồ địa hình để nắn chỉnh đưa toàn bộ dữ liệu về cùng hệ tọa độ VN2000. Sau khi chuẩn hóa hệ tọa độ, nhóm nghiên cứu đã tiến hành bóc tách những dữ liệu cần thiết liên quan đến cấp nước như đường ống phân phối, ống khách hàng... chạy topology để chuẩn hóa dữ liệu.
Bên cạnh đó, dữ liệu GPS (GNSS) thu thập thêm là dữ liệu trong hệ tọa độ trắc địa thế giới WGS84 (hình 4), vì vậy nhóm nghiên cứu áp dụng Quyết định 05/2007/QĐ-BTNMT về việc sử dụng hệ thống tham số tính chuyển giữa Hệ tọa độ quốc tế WGS-84 và Hệ tọa độ quốc gia VN-2000 do Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành ngày 27/2/2007 để chuẩn hóa [3].
Bản vẽ các đường ống nước ở định dạng Autocad
Kết quả của dữ liệu không gian sau khi được phân tách các dữ liệu cần thiết (hình 5), đã biên tập các lỗi topology, hệ tọa độ đã được chuẩn hóa chuyển về hệ VN2000, múi 48. Các tọa độ đo đạc bổ sung như van, đồng hồ khách hàng, nhà máy nước... đã được chuyển vào môi trường GIS.
Dữ liệu không gian sau khi được chuẩn hóa
· Xử lý dữ liệu thuộc tính
- Để có thể kết nối giữa dữ liệu thuộc tính và dữ liệu không gian, nhóm nghiên cứu sau khi thu thập được thông tin thì sẽ tiến hành chuẩn hóa các dữ liệu thông tin thuộc tính ở định dạng excel (hình 6) , sau đó sẽ tiến hành kết nối với dữ liệu không gian (hình 7), (hình 8).
Dữ liệu thuộc tính ở định dạng.xls (Excel) được chuẩn hóa
để kết nối vào môi trường GIS
Dữ liệu thuộc tính khi được kết nối từ file excel vào môi trường GIS
Dữ liệu Không gian và Dữ liệu thuộc tính được kết nối
Sau khi, dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính đã được hiệu chỉnh và chuẩn hóa ở định dạng .shp , nhóm nghiên cứu đã đưa cơ sở dữ liệu này về định dạng geodatabase .gdb để quản lý.
Ở định dạng geodatabse, cơ sở dữ liệu được chia thành 2 nhóm chính: Dữ liệu nền (bao gồm các dữ liệu về thủy hệ, dân cư, ranh giới hành chính, gai thông..) và Dữ liệu mạng lưới (bao gồm các dữ liệu về: Đồng hồ khách hàng, đồng hồ tổng, van, trạm cứu hỏa, ống truyền dẫn, ống phân phối, ống dịch vụ, nhà máy nước....) như hình 9.
Dữ liệu cấp nước được lưu trữ ở định dạng .gdb
Dữ liệu sau khi được đưa vào định dạng .gdb sẽ giúp nhà quản lý quản lý dễ dàng thao tác và cập nhật dữ liệu sau này.
Bộ cơ sở dữ liệu cấp nước phường Hàng Bài, quận Hoàn Kiếm
Hình. 10 là hiển thị của toàn bộ cơ sở dữ liệu cấp nước sau khi đã được biên tập hoàn chỉnh về cả mặt dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian. Việc quản lý và chỉnh sửa bổ sung sau này sẽ rất đơn giản, dễ dàng do sự thống nhất về hệ tọa độ và sự chuẩn hóa của cơ sở dữ liệu. Từ bộ cơ sơ dữ liệu, các nhà quản lý có thể xuất ra được cacS dạng bản đồ, các báo cáo khác nhau theo yêu cầu. Ngoài ra, ở dạng dữ liệu này, các nhà quản lý có thể đưa lên webgis để phục vụ liên kết cộng đồng.
3. Kết luận
Ứng dụng GIS để xây dựng được bộ cơ sở dữ liệu cấp nước là một phương pháp rất hiệu quả làm tang khả năng quản lý của các công ty cấp nước.
Các cấp lãnh đạo phường xã có được bộ cơ sở dữ liệu để khai thác thông tin kịp thời chính xác. Cơ sở dữ liệu này nếu được đưa lên webgis sẽ giúp cho việc chuẩn hóa và cải thiện các quy trình hàng ngày giữa văn phòng và thực địa. Đồng thời, công tác này sẽ giúp dữ liệu được chia sẻ thông tin với mọi người và ở bất kì nơi nào. Cụ thể là chia sẻ chi tiết các bản đồ, báo cáo trong tổ chức và các bên liên quan. Chuyển tiếp thông tin về các cuộc họp, trao đổi và gắn kết cộng đồng trên các ứng dụng tương tác.
Kết quả nghiên cứu này hỗ trợ cho các chính quyền, cơ quan chức năng liên quan có thể ứng dụng quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu trong công tác xây dựng và quản lý dữ liệu. Đây là 1 một phương pháp nhanh, chính xác, hiệu quả cao có tính liên kết cộng đồng, kết nối dữ liệu với cơ quan quản lý cấp trên tạo thành cơ sở dữ liệu lớn(big data).
Bài báo cũng đã cung cấp một phương pháp quản lý hiện đại mới đáp ứng yêu cầu của Chính phủ Việt Nam trong tiến tình hoàn thiện công tác quản lý đô thị thông minh.
1. Nguyễn Viết Thịnh, Kiều Văn Hoan, Trần Xuân Duy, Đỗ Văn Thanh , Ứng dụng ArcGIS trong nghiên cứu và giảng dạy địa lý (2017), Nhà xuất bản Đại học Sư Phạm
2. Công văn 5746/BKHĐT-QLQH về hướng dẫn kỹ thuật khung QH tỉnh ngày 30/8/2021
3. Quyết định 05/2007/QĐ-BTNMT về việc sử dụng hệ thống tham số tính chuyển giữa Hệ tọa độ quốc tế WGS-84 và Hệ tọa độ quốc gia VN-2000 ngày 27/2/2007
4. Lê Thị Minh Phương, Vũ Lê Ánh, Nguyễn Thành Len ,Giáo trình Bản đồ và Hệ thống thông tin địa lý (2018)- Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội.
5.Lê Thị Minh Phương, Hệ thống thông tin địa lý trong quản lý đô thị (2018), Nhà xuất bản Xây Dựng.
6.https://www.academia.edu/13188364/APPLICATION_OF_GIS_IN_WATER_SUPPLY_MANAGEMENT_NETWORK
7. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S037837749800122X
8. http://capnuoccantho2.com.vn/View.aspx?wc=47&wp=213
9. https://stnmt.quangbinh.gov.vn/3cms/ung-dung-cong-nghe-thong-tin-trong-quan-ly-cap-nuoc-sinh-hoat.htm