Nghiên cứu và xây dựng hệ thống WebGIS trực quan hóa và phân tích bản đồ chất lượng không khí và khí tượng ở việt nam

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT GEOTIFF Tagged Image File Format for HPBL High Planetary Boundary Layer Chiều cao lớp biên hành tinh PM2.5 Particulate Matter 2.5 Nồng độ bụi mịn có tro

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HOÀNG TUẤN

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEBGIS TRỰC QUAN HÓA VÀ PHÂN TÍCH BẢN ĐỒ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ VÀ KHÍ TƯỢNG Ở VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HÀ NỘI - 2021

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HOÀNG TUẤN

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEBGIS TRỰC QUAN HÓA VÀ PHÂN TÍCH BẢN ĐỒ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ VÀ KHÍ TƯỢNG Ở VIỆT NAM

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 19025035

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN THỊ NHẬT THANH

HÀ NỘI - 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm nghiên cứu, tìm hiểu của riêng cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS TS Nguyễn Thị Nhật Thanh Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân tôi hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ thông tin - Trường ĐH Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành chương trình đào tạo này

Đặc biệt, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS TS Nguyễn Thị Nhật Thanh,

là cán bộ giảng viên của Đại học Công Nghệ đã tận tình giúp đỡ tôi về cả chuyên môn, nghiên cứu và định hướng phát triển trong suốt quá trình làm luận văn Đồng thời, trân trọng cảm ơn đến anh Phạm Văn Hà và các thành viên trong trung tâm FIMO đã giúp

đỡ, đóng góp và cung cấp những tri thức vô cùng quý báu cũng như những ý kiến xác đáng cho tôi trong suốt thời gian qua

Với bạn bè cùng khóa K26 và các bạn sinh viên tham gia vào dự án FIMO, xin cám ơn vì đã cho tôi cơ hội trao đổi, chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm thực tế qua các môn học Mọi người đã giúp tôi hiểu thêm những vấn đề mà tôi không có điều kiện tìm hiểu, chỉ cho tôi những thứ tôi chưa làm được Tôi có thể tiếp thu được thêm nhiều vấn

đề mới và biết được giá trị của việc không ngừng cố gắng học tập, nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin gửi niềm biết ơn vô hạn tới gia đình và những người bạn thân

đã luôn ở bên và ủng hộ tôi trên con đường học tập và nghiên cứu khó khăn, vất vả Tôi mong rằng với sự cố gắng học tập nâng cao kiến thức, sau này sẽ có thể lĩnh hội nhiều công nghệ, tạo ra nhiều sản phẩm phần mềm có giá trị sử dụng cao, giúp ích được trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống

Hà Nội, Tháng 11 – Năm 2021

Học viên

Nguyễn Hoàng Tuấn

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

GEOTIFF Tagged Image File Format for

HPBL High Planetary Boundary Layer Chiều cao lớp biên hành tinh

PM2.5 Particulate Matter 2.5

Nồng độ bụi mịn có trong không khí với loại bụi mịn có đường kính nhỏ hơn 2.5 micron

GDAL Geospatial Data Abstraction

Library

Thư viện lập trình dữ liệu không gian địa lý, viễn thám nguồn mở

GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý

MVC Model-View-Controller Là một mẫu kiến trúc phần mềm để tạo

lập giao diện người dùng trên máy tính

Là 1 sản phẩm liên quan đến bộ ArcGIS

do Esri sản xuất, chứa bản đồ, chi tiết cụ thể về dữ liệu GIS được sử, thông tin hiển thị (ký hiệu và ghi nhãn) và các yếu

tố khác được sử dụng trong ArcMap HTML HyperText Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản

HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản

XML eXtensible Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng

KML Keyhole Markup Language 1 dạng XML sử dụng để lưu trữ dữ liệu

không gian

OGC Open Geospatial Consortium Một tổ chức xây dựng các chuẩn mở

trên cơ sở vị trí và không gian địa lý

WebGIS Website Geographic

Information System

Hệ thống thông tin địa lý trên nền tảng Web WWW

WMS Web Map Service

Là một dịch vụ cung cấp bản đồ số trên Web theo chuẩn mở của hiệp hội OpenGIS

WFS Web Featrue Service Là một tiêu chuẩn giao tiếp về địa lý của

OGC (Open Geospatial Consortium)

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 3

MỤC LỤC 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 1

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 3

LỜI MỞ ĐẦU 4

Chương 1 TỔNG QUAN 8

1.1 Thực trạng ô nhiễm không khí và biến đổi khí hậu tại Việt Nam 8

1.1.1 Thực trạng ô nhiễm không khí 8

1.1.2 Thực trạng biến đổi khí hậu 9

1.2 Các loại dữ liệu và nguồn cung cấp dữ liệu 11

1.2.1 Các định dạng dữ liệu không gian 11

1.2.2 Các loại dữ liệu 14

1.2.3 Các nguồn cung cấp số liệu chất lượng không khí và khí tượng 18

1.3 Tổng quan về WebGIS 20

1.3.1 Định nghĩa 20

1.3.2 Kiến trúc chung của WebGIS 20

1.3.3 Các mô hình triển khai WebGIS 21

1.3.4 Các thành phần trong hệ thống WebGIS 22

1.4 Một số hệ thống cung cấp thông tin chất lượng không khí và khí tượng 23 1.4.1 Một số hệ thống trên thế giới 23

1.4.2 Một số hệ thống tại Việt Nam 25

1.4.3 Đánh giá và định hướng xây dựng bài toán 26

1.5 Kết chương 27

Chương 2 CÁC KỸ THUẬT, CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEBGIS 27

2.1 Cơ sở dữ liệu không gian 28

2.1.1 Microsoft SQL Server 28

2.1.2 Oracle 28

2.1.3 PostgreSQL 29

2.2 Công nghệ bản đồ số 30

2.2.1 Máy chủ GIS 30

2.2.2 Công cụ phát triển lập trình GIS 31

2.3 Các phép nội suy ảnh 32

2.3.1 Nội suy ảnh 32

2.3.2 Phương pháp nội suy ảnh 33

2.4 Phương pháp chuyển đổi tọa độ bản đồ (longtitude, latitude) với tọa độ (x,y) trên ảnh GeoTiff 35

2.4.1 Chuyển đổi tọa độ bản đồ trên bản đồ thành tọa độ (x,y) trên ảnh 35

2.4.2 Chuyển đổi tọa tọa độ (x,y) trên màn hình thành độ trên bản đồ 37

2.5 Phương pháp xác định điểm nằm trên 1 đoạn thẳng 38

2.6 Kết chương 39

Chương 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEBGIS 40

3.1 Mô tả bài toán 40

3.2 Dữ liệu thực nghiệm 40

3.3 Kiến trúc hệ thống 42

3.3.1 Kiến trúc hệ thống WebGIS 42

3.4 Lựa chọn công nghệ 42

3.4.1 Cơ sở dữ liệu không gian PostgreSQL/PostGIS 42

3.4.2 Công nghệ bản đồ ArcGIS 43

3.4.3 Ngôn ngữ lập trình 47

3.4.4 Thư viện khác hỗ trợ khi xây dựng WebGIS 47

3.4.5 Bảng liệt kê danh sách các công nghệ được sử dụng 48

3.5 Phân tích, thiết kế, đặc tả yêu cầu của hệ thống WebGIS 50

3.5.1 Xác định các Actor và Use Case 50

3.5.2 Đặc tả danh sách các Use Case 51

3.6 Tổ chức và xử lý dữ liệu chất lượng không khí và khí tượng 61

3.6.1 Tổ chức dữ liệu 61

3.6.2 Xử lý dữ liệu 70

3.7 Các kỹ thuật lấy dữ liệu 76

3.7.1 Kỹ thuật đọc giá trị dữ liệu khí tượng từ tọa độ trên bản đồ 76

3.7.2 Kỹ thuật lấy các giá trị từ đa giác vùng chọn 78

3.7.3 Kỹ thuật lấy các giá trị từ tập các đoạn thẳng liền nhau được chọn 81

3.7.4 Kỹ thuật hiển thị dữ liệu gió 81

3.8 Thiết kế một số giao diện của hệ thống 82

3.9 Cấu hình cài đặt, triển khai hệ thống 85

3.9.1 Mô hình triển khai 85

3.9.2 Phần mềm 85

3.9.3 Phần cứng 86

3.10 Kết chương 86

Chương 4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG WEBGIS 87

4.1 Mục đích và cách thực hiện đánh giá chất lượng hệ thống 87

4.2 Báo cáo kết quả khảo sát đánh giá chất lượng hệ thống 87

4.2.1 Bảng danh sách các tính năng để đánh giá, thử nghiệm 87

4.2.2 Kết quả đánh giá chất lượng hệ thống 88

4.3 Kết chương 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

PHỤ LỤC 99

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bản đồ toàn cầu về phơi nhiễm PM2.5 ước tính theo quốc gia/vùng lãnh

thổ2019 8

Hình 1.2 Biểu đồ so sánh AIQ trong 1 năm qua ở Hà Nội 9

Hình 1.3 Quy trình tổng quan xây dựng hệ thống GIS 11

Hình 1.4 Các kiểu dữ liệu vector biểu diễn các đối tượng tự nhiên của GIS 12

Hình 1.5 Ví dụ về dữ liệu raster 12

Hình 1.6 Ví dụ về dữ liệu chuỗi thời gian cho kiểu dữ liệu raster 14

Hình 1.7 Trực quan hóa dữ liệu chuỗi thời gian cho kiểu dữ liệu raster trong ArcMap 14

Hình 1.8 Cách xác định [u,v] 17

Hình 1.9 Kích thước tượng trưng của một số loại bụi so với tóc người và hạt cát 18

Hình 1.10 Kiến trúc hoạt động của WebGIS qua mạng Internet 20

Hình 1.11 Mô hình triển khai WebGIS trên nền tảng Client – Server 22

Hình 2.1 Các toành phần cơ bản của 1 ứng dụng WebGIS 28

Hình 2.2 Nội suy ảnh 32

Hình 2.3 Ảnh viễn thám dạng tọa độ (x, y) và tọa độ (latitude, longtitude) 35

Hình 2.4 Ảnh viễn thám dạng tọa độ (xMin, yMin) và tọa độ (xMax, yMax) 36

Hình 2.5 Extent của bản đồ ((xMin’, yMin’),(xMax’, yMax’)) 36

Hình 2.6 Chuyển đổi tọa độ (longtitude, latitude) bản đồ thành tọa độ (x,y) trên ảnh 37 Hình 2.7 Chuyển đổi tọa độ (x,y) trên màn hình thành tọa độ (longtitude, latitude) trên bản đồ 37

Hình 2.8 Biểu diễn đoạn thẳng AB trong đồ họa máy tính 38

Hình 3.1 Giá trị NoData trong ảnh GeoTiff 41

Hình 3.2 Kiến trúc xây dựng hệ thống WebGIS 42

Hình 3.3 Sơ đồ Use Case tổng quan hệ thống WebGIS 51

Hình 3.4 Ví dụ về định dạng tệp json cho dữ liệu gió 64

Hình 3.5 Thông tin các cột trong bảng giá trị 64

Hình 3.6 Thông tin các cột trong bảng chỉ số 64

Hình 3.7 Hiển thị dữ liệu raster với các tỷ lệ khác nhau theo pyramids 67

Hình 3.8 Các lớp trong 1 mosaic dataset 68

Hình 3.9 Bảng dữ liệu thuộc tính trong 1 mosaic dataset có bổ sung trường thời gian 68

Hình 3.10 Quy trình thực hiện việc cập nhật dữ liệu gió 71

Hình 3.11 Quy trình thực hiện việc cập nhật dữ liệu thuộc tính 72

Hình 3.12 Danh sách các mẫu được thiết lập sẵn symbology 73

Hình 3.13 Quy trình thực hiện việc xuất bản dịch vụ bản đồ 74

Hình 3.14 Ví dụ các dịch vụ bản đồ 76

Hình 3.15 Chương trình thực thi xuất bản tự động các dịch vụ bản đồ 76

Hình 3.16 Extent của đa giác được vẽ trên bản đồ 79

Hình 3.17 Lấy giá trị theo các ô liên tiếp nhau 80

Hình 3.18 Các thành phần u, v, m tại 1 vị trí trên điểm ảnh 81

Hình 3.19 Dải màu hiển thị cấp độ gió trên bản đồ 82

Hình 3.20 Quá trình thực hiện việc xử lý dữ liệu khí tượng hỗ trợ hệ thống WebGIS 83 Hình 3.21 Giao diện chính của hệ thống WebGIS 83

Hình 3.22 Màn hình xem thông tin dữ liệu tại một vị trí được chọn trên bản đồ 84

Hình 3.23 Màn hình thống kê giá trị trung bình và đưa lên bản đồ của dữ liệu theo đơn vị hành chính 84

Hình 3.24 Màn hình lập biểu đồ giá trị trung bình của dữ liệu theo đơn vị hành chính 84

Hình 3.25 Màn hình phân tích dữ liệu nằm trong một polygon được vẽ trên bản đồ 85

Hình 3.26 Màn hình phân tích dữ liệu giao với polyline được vẽ trên bản đồ 85

Hình 3.27 Mô hình Web Client – Server triển khai hệ thống 85

Hình 4.1 Công cụ kiểm thử với số lần kiểm thử là 100 lần, độ chính xác là 100% 92

Hình 4.2 Đa giác overlay lên lưới tọa độ trong ArcMap 92

Hình 4.3 Ô mà ArcMap lấy nhưng hệ thống WebGIS không lấy 93

Hình 4.4 Dải màu hiển thị cập độ gió trên bản đồ 107

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thay đổi nhiệt độ trung bình năm (°C) so với giai đoạn 1980-1999, Kịch bản

trung bình (B2) 11

Bảng 1.2 So sánh ưu nhược điểm của kiểu đối tượng dữ liệu vector và raster 12

Bảng 3.1 Một số tính năng của ArcGIS API JavaScript được sử dụng trong hệ thống 44 Bảng 3.2 Các công nghệ, kỹ thuật để xây dựng hệ thống WebGIS nguồn mở 48

Bảng 3.3 Cấu trúc bảng dữ liệu của Phương pháp 1 & 2 62

Bảng 3.4 Danh mục các bảng dữ liệu 69

Bảng 3.5 Lược đồ quan hệ cơ ở dữ liệu thuộc tính 70

Bảng 4.1 Danh sách các tính năng để đánh giá chất lượng hệ thống 87

Bảng 4.2 Bảng thống kê lưu trữ dữ liệu của 3 phương pháp 89

Bảng 4.3 Bảng thống kê tốc độ thực thi tác vụ b.1 với dữ liệu thu thập là 1 và 17 ngày 90

Bảng 4.4 Bảng thống kê tốc độ thực thi tác vụ b.2 với dữ liệu thu thập là 1 và 17 ngày và diện tích đa giác khoảng 5000km2 90

Bảng 4.5 Bảng thống kê tốc độ thực thi tác vụ b.2 với dữ liệu thu thập là 17 ngày và diện tích đa giác khoảng 10000km2 90

Bảng 4.6 Bảng thống kê tốc độ thực thi tác vụ b.3 với dữ liệu thu thập là 17 ngày và chiều dài của đoạn thằng khoảng 100km 91

Bảng 4.7 Thang bảng màu cho chỉ số Áp suất ở độ cao 2m 105

Bảng 4.8 Thang bảng màu cho chỉ số Chiều cao lớp biên hành tinh 105

Bảng 4.9 Thang bảng màu cho chỉ số Độ ẩm tương đối 106

Bảng 4.10 Thang bảng màu cho chỉ số Nhiệt độ điểm sương 106

Bảng 4.11 Thang bảng màu cho chỉ số PM2.5 106

Bảng 4.12 Thang bảng màu cho chỉ số Nhiệt độ 107

LỜI MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề, định hướng nghiên cứu

Việt Nam là một nước nhiệt đới gió mùa ẩm, có lãnh thổ trải dài với nhiều dạng địa hình khác nhau Đặc trưng khí hậu 4 mùa rõ rệt đã tạo cho chúng ta rất nhiều điều kiện thuận lợi để phát triển kinh tế Bên cạnh đó, nước ta cũng gặp phải không ít khó khăn

do hạn hán, bão, lũ lụt, sâu bệnh, ô nhiễm môi trường… gây ra và để lại những hậu quả

vô cùng nghiêm trọng, sự phát triển kinh tế xã hội của từng vùng bị kìm hãm Với những thuận lợi và khó khăn đó, chúng ta cần phải thấy được tầm quan trọng trong việc phân tích sự thay đổi các yếu tố chất lượng không khí và khí tượng theo không gian và thời gian, từ đó phát hiện ra vùng nào, khu vực nào bị ô nhiễm, nhiệt độ từng vùng trong 1 khoảng thời gian là như thế nào…

Nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ viễn thám, đặc biệt trong lĩnh vực khí tượng thủy văn và môi trường, chúng ta đã có được tư liệu dữ liệu quý giá được thu thập hàng ngày, hàng giờ Tuy nhiên, để có thể tận dụng triệt để nhằm khai phá, xử lý, phân tích ảnh viễn thám thu được từ vệ tinh thì cần phải có sự giúp sức của ngành khoa học chuyên nghiên cứu về hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information Systems – GIS) Từ những vấn đề mang tầm vĩ mô như: biến đổi khí hậu, khí tượng thủy văn, dự báo thiên tai,…đến những vấn đề gần gũi trong cuộc sống như: tắc đường, ô nhiễm sông

hồ, không khí trong đô thị,…vai trò của GIS trong các lĩnh vực này là hết sức quan trọng Nhờ có sự phát triển không ngừng của GIS mà việc phân tích, giải đoán, khai thác thông tin từ ảnh viễn thám ngày càng trở nên chính xác và thuận lợi GIS cung cấp cho người sử dụng các bản đồ số, bản đồ chuyên đề theo từng lĩnh vực mà áp dụng ảnh viễn thám để nghiên cứu, khai phá tri thức [1]

Hiện nay, đã có một số hệ thống có thể trực quan hóa dữ liệu không gian – thời gian một cách sinh động đem đến hiệu quả về mặt quản lý, cũng như hỗ trợ quá trình ra quyết định liên quan đến hoạch định chính sách Trên thế giới có thể kể đến các hệ thống như ứng dụng dự báo và radar thời tiết Windy1, aqicn.org2, iqair.com3, còn tại Việt Nam có thể kể đến là các cổng thông tin quan trắc môi trường về chỉ số chất lượng không khí:

1 Windyty SE (windy.com)

2 Dự án Chỉ số Chất lượng Không khí Thế giới (aqicn.org)

3 Tổ chức IQAir AirVisual (iqair.com)

cem.gov.vn4, moitruongthudo.vn5 Tuy nhiên các hệ thống trên có một số tồn tại Chẳng hạn như hệ thống cem.gov.vn không phải là hệ thống WebGIS mà dữ liệu được lấy từ các trạm đo và biểu diễn dưới dạng bảng biểu, báo cáo Các hệ thống moitruongthudo,vn, aqicn.org, iqair.com thì lại chuyên đi sâu vào chất lượng không khí chứ không phát triển cho dữ liệu khí tượng, trong đó với moitruongthudo,vn chỉ hiển thị dữ liệu đo được từ các trạm và đưa chỉ số lên bản đồ chứ không xem được toàn thể các khu vực xung quanh

Hệ thống trên Windy người dùng có thể xem thông tin tại 1 vị trí nhưng nếu muốn xem tập dữ liệu trong một vùng chọn (ví dụ trong 1 tuyến đường, 1 khu vực) thì lại chưa có Ngoài ra, việc tổ chức và xử lý dữ liệu được thu thập hàng ngày như nào thì đó vẫn là những những kỹ thuật, phương pháp riêng của từng hệ thống Nhìn chung, các tính năng chưa được kết hợp trong một hệ thống hoàn chỉnh mà phụ thuộc nhiều vào các hệ thống khác nhau, phân tán khả năng và phức tạp trong việc sử dụng đối với người dùng mới bắt đầu tìm hiểu, nghiên cứu về ảnh viễn thám khí tượng và chất lượng không khí

Với thực tế nêu trên, học viên thực hiện đề tài “Nghiên cứu và xây dựng hệ thống WebGIS trực quan hóa và phân tích bản đồ chất lượng không khí và khí tượng Việt Nam” Đề tài này nhằm mục đích sẽ khắc phục các tồn tại từ các hệ thống đã nêu ở trên,

xây dựng hệ thống WebGIS cho phép nhiều người sử dụng, nghiên cứu về dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí có thể truy cập và xử lý cùng lúc, cung cấp giải pháp xử

lý dữ liệu được thu thập hàng ngày, hiển thị dữ liệu khí tượng theo không gian và thời gian, phân tích thống kê dữ liệu tại các vùng chọn (nằm trong đa giác, các đường thẳng), giúp ích trong việc phổ cập và tiếp cận các ngành viễn thám, GIS rộng lớn hơn

2 Mục đích của nghiên cứu

Mục đích của nghiên cứu là đề xuất 1 kênh thông tin bản đồ nhằm trực quan hóa và

có khả năng phân tích, thống kê dữ liệu chất lượng không khí và khí tượng trên bản đồ, tạo điều kiện thuận lợi cho người dân có thể theo dõi, tra cứu thông tin về chất lượng không khí, khí tượng hàng ngày và lịch sử, các chuyên gia có thể dễ dàng phân tích dữ liệu, thu thập dữ liệu nhằm sư dụng cho các nghiên cứu khác, các nhà quản lý có thể theo dõi được hiện trạng chất lượng không khí, khí tượng qua bản đồ, biểu đồ, thống kê

dữ liệu để từ đó có thể lấy đó làm cơ sở nhằm hỗ trợ cho công tác nghiệp vụ, đưa ra các quyết định, điều chỉnh chính sách

4 VEA (cem.gov.vn)

5 Hanoi EPA (moitruongthudo.vn)

3 Nội dung nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu trên khu vực Việt Nam, với các loại dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí Để đảm bảo chất lượng và trong khả năng cho phép, đề tài giới hạn lại vào những phần cốt lõi và cơ bản nhất của ảnh viễn thám, GIS, và Web, bao gồm:

− Nghiên cứu, tìm hiểu về công nghệ viễn thám, các loại dữ liệu khí tượng bao gồm

áp suất, độ ẩm tương đối, nhiệt độ điểm sương, nhiệt độ không khí và gió, nồng độ bụi PM2.5 trong chất lượng không khí tại Việt Nam sau khi được tiền xử lý dữ liệu qua hệ thống mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết WRF

− Nghiên cứu các công nghệ phục vụ cho việc nghiên cứu và triển khai ứng dụng, bao gồm: các công nghệ về bản đồ (ArcGIS Server, ArcGIS Desktop, ArcGIS API JavaScript, GDAL), các công nghệ về máy chủ lưu trữ (IIS Server, FTP Server, PostgreSQL/PostGIS), các công nghệ triển khai ứng dụng (ArcPy, GDAL, NET MVC, Web API, Window Application, Window Service)

− Thiết kế và xây dựng hệ thống WebGIS trực quan hóa và phân tích thống kê dữ

liệu khí tượng và chất lượng không khí tại Việt Nam, với các nội dung sau:

o Cài đặt các phương pháp, thuật toán: chuyển đổi tọa độ của bản đồ với màn hình và ngược lại, phương pháp xác định các ô nào trên ảnh raster nằm trong 1

đa giác, thuật toán Brenham để xác định các ô nào giao với 1 đoạn thẳng trên bản đồ, phép nội suy song tuyến để tính toán ra được các thành phần hướng và

vận tốc gió

o Tổ chức cấu trúc dữ liệu phù hợp, đảm bảo khả năng lưu trữ, hiệu năng và độ chính xác khi thực hiện hiển thị, phân tích, thống kê dữ liệu trên bản đồ

o Hiển thị, phân tích, thống kê dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí

o Xử lý tự động được dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí được thu thập

hàng ngày vào hệ thống

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: đề tài nghiên cứu giúp học viên nắm chắc được kiến thức cơ bản

ứng dụng GIS nghiên cứu vấn đề về chất lượng không khí và môi trường, góp phần nhận biết hiện trạng ô nhiễm không khí và biến đổi khí hậu nước ta

Ý nghĩa thục tiễn: hệ thống WebGIS trực quan hóa và phân tích dữ liệu chất lượng

không khí và khí tượng tại Việt Nam có ý nghĩa quan trọng trong đơi sống hàng ngày Với vai trò là người dân, có thể theo dõi, tra cứu thông tin về khí tượng, chất lượng không khí hàng ngày và lịch sử Với vai trò là các chuyên gia (môi trường, khí hậu – khí tượng, y tế…): có thể dễ dàng phân tích dữ liệu, thu thập dữ liệu nhằm sử dụng cho các nghiên cứu khác Với vai trò là nhà quản lý: theo dõi được hiện trạng chất lượng không khí, khí tượng qua bản đồ, biểu đồ, thống kê dữ liệu để từ đó có thể lấy đó làm cơ sở

nhằm hỗ trợ cho công tác nghiệp vụ, đưa ra các quyết định, điều chỉnh chính sách Ngoài

ra, hệ thống có thể ứng dụng được trong các Trung tâm quan trắc môi trường, chi cục TNMT, cục Viễn thám Quốc gia, Tổng cục KTTV, tổ chức NGO về môi trường, hoặc

có thể đưa vào trong các trường học nhằm hỗ trợ trực quan đối với các môn học, nghành học về địa lý, khí tượng thủy văn…

5 Kết cấu của luận văn

Ngoài 2 phần MỞ ĐẦU và KẾT LUẬN, kết cấu của luận văn bao gồm các chương sau:

− Chương 1: Giới thiệu tổng quan – thực trạng khí hậu và chất lượng không khí tại

Việt Nam, các khái niệm cơ bản về hệ thống thông tin địa lý GIS, dữ liệu không gian và thời gian, các thành phần của dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí, một số kho dữ liệu khí tượng trên thế giới để hỗ trợ về mặt dữ liệu trong quá trình nghiên cứu Ngoài

ra, giới thiệu một số hệ thống cho phép nghiên cứu về GIS và ảnh viễn thám khí tượng,

chất lượng không khí ở Việt Nam và trên thế giới

− Chương 2: Cơ sở lý thuyết - mục đích là trình bầy chi tiết về các kiến thức được sử

dụng trong việc xây dựng hệ thống WebGIS trực quan hóa, hỗ trợ quản lý và phân tích

dữ liệu khí tượng theo không gian và thời gian

− Chương 3: Mô tả bài toán, phân tích, thiết kế hệ thống WebGIS theo sơ đồ Use case,

đặc tả cách thức hoạt động của từng chức năng của hệ thống (đầu vào, đầu ra, mô tả các

bước)

− Chương 4: Triển khai, đánh giá và thực nghiệm - cài đặt hệ thống WebGIS Lập các

bảng kết quả dựa trên các kết quả từ việc kiểm thử và từ đó đưa ra kết luận về các tính

năng của hệ thống, khả năng áp dụng trong thực tế

Hình 1.1 Bản đồ toàn cầu về phơi nhiễm PM2.5 ước tính theo quốc gia/vùng lãnh

thổ2019

Cũng theo báo cáo Chất lượng không khí thế giới năm 2019, Việt Nam nằm trong top 15 nước có chỉ số nồng độ PM2.5 cao nhất trên thế giới (34.1 μg/m3), tình trạng ô nhiễm không khí đang có xu hướng ngày càng gia tăng [1] Theo số liệu thống kê năm

2016 thì Việt Nam trung bình 1 năm có đến khoảng 60 nghìn người chết do các căn bệnh liên quan đến ô nhiễm không khí [5]

Trong giai đoạn từ năm 2018 – 2019, nồng độ bụi PM2.5 có xu hướng tăng hơn so với giai đoạn từ năm 2010 đến năm 2017, chỉ số chất lượng không khí tại một số đô thị như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh có nhiều thời điểm ở mức xấu với chỉ số AQI từ

150 đến 200, có khi vượt 200 tương đương mức rất xấu Trong giai đoạn từ 01/01/2020 đến ngày 10/4/2020 có xu hướng được cải thiện hơn so với cùng kỳ của những năm trước, đặc biệt, từ thời gian nửa cuối tháng 3/2020 đến nay, trong đó có giai đoạn cả nước thực hiện cách ly xã hội để phòng ngừa dịch bệnh Covid 19, giá trị thông số PM2.5

và CO thấp hơn hẳn thời gian cùng kỳ những năm trước đó [5]

Hình 1.2 Biểu đồ so sánh AIQ trong 1 năm qua ở Hà Nội

1.1.2 Thực trạng biến đổi khí hậu

Biến đổi khí hậu (BĐKH) là sự thay đổi của khí hậu và của những thành phần liên quan gồm đại dương, đất đai, bề mặt Trái đất, và băng quyển như tăng nhiệt độ, băng tan, và nước biển dâng Trước đây BĐKH diễn ra trong 1 khoảng thời gian dài do tác động của các điều kiện tự nhiên, tuy nhiên thời gian gần đây, BĐKH xảy ra do tác động của các hoạt động của con người như việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong giao thông vận tải và sản xuất công nghiệp, thải ra môi trường khí nhà kính (ví dụ như khí CO2) Theo báo cáo của "Chương trình mục tiêu Quốc gia ứng phó với BĐKH" [6], thực trạng biến đổi khí hậu ở Việt Nam được đánh giá như sau:

- Nhiệt độ: trong khoảng 50 năm qua (1951-2000), nhiệt độ trung bình năm ở Việt Nam đã tăng lên 0,7oC Nhiệt độ trung bình năm của 4 thập kỷ gần đây (1961-2000) cao hơn trung bình năm của 3 thập kỷ trước đó (1931-1960) Nhiệt độ trung

bình năm của thập kỷ 1991-2000 ở Hà Nội, Đà Nẵng, thành phố Hồ Chí Minh đều cao hơn trung bình của thập kỷ 1931-1940 lần lượt là 0,8; 0,4 và 0,6oC Năm 2007, nhiệt độ trung bình năm ở cả 3 nơi trên đều cao hơn trung bình của thập kỷ 1931-

1940 là 0,8-1,3oC và cao hơn thập kỷ 1991-2000: 0,4-0,5oC

- Lượng mưa: trên từng địa điểm, xu thế biến đổi của lượng mưa trung bình năm trong 9 thập kỷ vừa qua (1911-2000) không rõ rệt theo các thời kỳ và trên các vùng khác nhau: có giai đoạn tăng lên và có giai đoạn giảm xuống

- Mực nước biển: theo số liệu quan trắc trong khoảng 50 năm qua ở các trạm Cửa Ông và Hòn Dấu, mực nước biển trung bình đã tăng lên khoảng 20cm, phù hợp với xu thế chung của toàn cầu

- Số đợt không khí lạnh ảnh hưởng tới Việt Nam giảm đi rõ rệt trong hai thập kỷ gần đây (cuối thế kỷ XX đầu thế kỷ XXI) Năm 1994 và năm 2007 chỉ có 15-16 đợt không khí lạnh bằng 56% trung bình nhiều năm 6/7 trường hợp có số đợt không khí lạnh trong mỗi tháng mùa đông (11-3) thấp dị thường (0-1 đợt) cũng rơi vào 2 thập kỷ gần đây (3/1990, 1/1993, 2/1994, 12/1994, 2/1997, 11/1997) Một biểu hiện dị thường gần đây nhất về khí hậu trong bối cảnh BĐKH toàn cầu

là đợt không khí lạnh gây rét đậm, rét hại kéo dài 38 ngày trong tháng 1 và tháng

2 năm 2008 gây thiệt hại lớn cho sản xuất nông nghiệp

- Bão: vào những năm gần đây, số cơn bão có cường độ mạnh nhiều hơn, quỹ đạo bão dịch chuyển dần về các vĩ độ phía nam và mùa bão kết thúc muộn hơn, nhiều cơn bão có quỹ đạo di chuyển dị thường hơn

- Số ngày mưa phùn trung bình năm ở Hà Nội giảm dần trong thập kỷ 1981 - 1990

và chỉ còn gần 1 nửa (15 ngày/năm) trong 10 năm gần đây

Theo đó, nhận định xu thế BĐKH ở Việt Nam:

- Nhiệt độ trung bình ở Việt Nam có thể tăng lên 30C vào năm 2100

- Lượng mưa có xu thế biến đổi không đồng đều giữa các vùng, có thể tăng (từ 0% đến 10%) vào mùa mưa và giảm (từ 0% đến 5%) vào mùa khô Tính biến động của mưa tăng lên

- Mực nước biển trung bình trên toàn dải bờ biển Việt Nam có thể dâng lên 1m vào năm 2100

Bảng 1.1 Thay đổi nhiệt độ trung bình năm (°C) so với giai đoạn 1980-1999, Kịch bản

trung bình (B2)

1.2 Các loại dữ liệu và nguồn cung cấp dữ liệu

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là 1 lĩnh vực nghiên cứu về thu thập, xử lý, hiển thị

và phân tích dữ liệu địa lý GIS tạo nên bởi: Geographic - dữ liệu không gian thể hiện

vị trí, hình dạng (điểm, đường, đa giác), Information – thông tin thuộc tính về đối tượng, System – sự liên kết giữa các thành phần bên trong

Hình 1.3 Quy trình tổng quan xây dựng hệ thống GIS

1.2.1 Các định dạng dữ liệu không gian

1.2.1.1 Dữ liệu không gian

Dữ liệu không gian bao gồm các điểm, đường, đa giác hoặc các nguyên thủy dữ liệu địa lý và hình học khác mà chúng ta có thể ánh xạ theo vị trí Có thể duy trì dữ liệu không gian dưới dạng dữ liệu vectơ hoặc dữ liệu raster Mỗi loại cung cấp thông tin kết nối với vị trí địa lý [7]

Dữ liệu vector: sử dụng các kiểu dữ liệu dạng điểm (point), đường (polyline), vùng

(polygon) thể hiện, lưu trữ thông tin về các đối tượng 2D (mặt phẳng 2 chiều) riêng biệt

trong không gian dưới dạng tọa độ Đề các (x, y) Mục đích là cho phép tìm kiếm các quan hệ không gian trên bản đồ và tìm ra các đối tượng thỏa mãn tìm kiếm

Hình 1.4 Các kiểu dữ liệu vector biểu diễn các đối tượng tự nhiên của GIS

Dữ liệu raster: thể hiện 1 vùng địa lý, bản đồ trên 1 ma trận các điểm ảnh dạng lưới

với gốc là điểm trên cùng bên trái và lần lượt các điểm lấy theo chiều từ trên xuống dưới, từ trái qua phải Trong đó mỗi điểm ảnh là tập hợp của 1 hoặc 1 vài đối tượng chồng lớp lên nhau Có thể truy xuất thông tin của từng điểm ảnh khi biết vị trí (x, y) của nó trong ma trận điểm ảnh Bởi vì vậy, dữ liệu raster khó thể hiện các đối tượng 1 cách chi tiết và rõ ràng như dữ liệu vector, cho nên phù hợp với việc thể hiện các đối tượng trên diện tích lớn, quan sát ở phạm vi rộng như: độ che phủ của rừng, tăng trưởng của nông – lâm nghiệp, khí hậu, khí tượng thủy văn,…

Hình 1.5 Ví dụ về dữ liệu raster

So sánh ưu, nhược điểm của kiểu đối tượng vector và raster: cả vector và raster đều

đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và xây dựng CSDL không gian GIS, tuy nhiên chúng không có khả năng thay thế cho nhau do đặc trưng riêng, cách tốt nhất là kết hợp 2 loại dữ liệu này để đáp ứng được truy vấn dữ liệu hiệu quả

Bảng 1.2 So sánh ưu nhược điểm của kiểu đối tượng dữ liệu vector và raster

Dữ liệu dạng vector Dữ liệu dạng raster

Ưu điểm − Lưu trữ thông tin hiệu quả

− Phân lớp, tách biệt các đối tượng rõ ràng

− Độ phân giải giữ nguyên khi phóng to, thu nhỏ bản đồ

− Tạo ma trận ảnh, dễ truy xuất

− Tính toán dữ liệu đơn giản hơn

so với dạng vector

− Nguồn dữ liệu phong phú, đa

dạng để lưu trữ, xử lý Nhược điểm − Các thuật toán truy vấn không

gian phức tạp so với truy vấn pixel trên ảnh raster

− Tốn nhiều thời gian để tạo lập

Dữ liệu thuộc tính là các mô tả hoặc đo lường các đặc điểm địa lý trong bản đồ Nó

đề cập đến dữ liệu chi tiết kết hợp với dữ liệu không gian Dữ liệu thuộc tính giúp thu được thông tin có ý nghĩa của bản đồ Mỗi tính năng có đặc điểm mà chúng ta có thể

mô tả Ví dụ, giả sử 1 tòa nhà Nó có 1 năm xây dựng, số tầng, vv Đó là những thuộc tính Các thuộc tính là những sự thật chúng ta biết, nhưng không thể nhìn thấy như năm xây dựng Nó cũng có thể đại diện cho sự vắng mặt của 1 tính năng

Một trong các chức năng đặc biệt của công nghệ GIS là khả năng của nó trong việc liên kết và xử lý đồng thời giữa dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính Thông thường GIS có 4 loại số liệu thuộc tính:

- Đặc tính của đối tượng: liên kết chặt chẽ với các thông tin không gian có thể thực hiện SQL (Structure Query Language) và phân tích

- Số liệu hiện tượng, tham khảo địa lý: miêu tả những thông tin, các hoạt động thuộc

1.2.1.3 Dữ liệu thời gian

Dữ liệu thuộc bao gồm thời gian theo từng thời điểm nhất định (ngày, tháng, năm, ) được mô tả trong bảng biểu (lưu trữ trong Access, Excel, ) Dữ liệu thời gian được thu thập trên cơ sở thực tế (hoạt động thu thập trực tiếp), ở các trạm quan trắc, đo lường ở các con sông, ở các trạm khí tượng, thủy văn

Dữ liệu chuỗi thời gian: là 1 tập hợp các giá trị thuộc tính gắn liền với từng thời điểm khác nhau Chuỗi thời gian không trực tiếp tham chiếu dữ liệu địa lý, nhưng vẫn có thể được tham chiếu địa lý gián tiếp thông qua các mối quan hệ 1 – 1 (1 bản ghi thời gian liên quan đến 1 đối tượng không gian)

Hình 1.6 Ví dụ về dữ liệu chuỗi thời gian cho kiểu dữ liệu raster

Sự liên kết giữa dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính đã tạo nên hệ thống GIS hoàn chỉnh và trực quan hóa dữ liệu không – thời gian đã được quan tâm nghiên cứu qua nhiều thế kỉ, có liên quan chặt chẽ với các bản đồ thời hạn, đó là 1 đại diện thực thể hay trừu tượng thay đổi liên tục trong môi trường thực tế địa lý: 1 công cụ hiển thị thông tin địa lý về vị trí, thuộc tính hay tính chất thay đổi theo thời gian

Hình 1.7 Trực quan hóa dữ liệu chuỗi thời gian cho kiểu dữ liệu raster trong ArcMap

1.2.2 Các loại dữ liệu

1.2.2.1 Tổng quan

Khí tượng học là nghiên cứu về bầu khí quyển và các chuyển động bên trong khí quyển trên quy mô thời gian ngắn Thường được gọi là "thời tiết", khí tượng học tập trung vào các biến khí quyển liên quan đến các điều kiện hiện tại hoặc tương lai gần Một số yếu tố thời tiết mô tả bầu khí quyển như nhiệt độ, độ ẩm, lượng và loại mưa, hướng và cường độ gió, áp suất khí quyển và mây bao phủ Khí tượng học đã phát triển

thành 1 ngành học dựa trên vật lý mạnh mẽ với nhiều lĩnh vực chuyên môn hóa và trình

độ chuyên môn ngày càng khắt khe [8]

AQI (Air Quality Index) là 1 thước đo đơn giản hóa mức độ ô nhiễm không khí, cho biết không khí xung quanh ta là sạch hay ô nhiễm, ô nhiễm đến mức độ nào Theo EPA (The U.S Environmental Protection Agency – Cơ Quan Bảo Vệ Môi Trường Hoa Kỳ) tính toán chỉ số AQI với 5 thông số ô nhiễm không khí chủ yếu, trong đó PM2.5 – thành phần dữ liệu chất lượng không khí được biểu diễn, phân tích trong đề tài nằm trong thông số ô nhiễm phân tử hay còn gọi là hạt lơ lửng, là các hạt bụi đi vào đường hô hấp khi con người hít thở

1.2.2.2 Các loại dữ liệu khí tượng

Áp suất không khí – PRES

Một đặc tính quan trọng của khí quyển Trái đất là áp suất không khí của nó, quyết định các kiểu gió và thời tiết trên toàn cầu Lực hấp dẫn tác động lên bầu khí quyển của hành tinh cũng giống như nó giữ chúng ta dính chặt vào bề mặt của nó Lực hấp dẫn này khiến bầu khí quyển đẩy lên mọi thứ xung quanh, áp suất tăng và giảm khi Trái đất quay Theo định nghĩa, áp suất khí quyển hoặc không khí là lực trên 1 đơn vị diện tích tác dụng lên bề mặt Trái đất bằng trọng lượng của không khí trên bề mặt Lực tác dụng bởi

1 khối không khí được tạo ra bởi các phân tử tạo nên nó và kích thước, chuyển động và

số lượng của chúng có trong không khí Những yếu tố này rất quan trọng vì chúng quyết định nhiệt độ và mật độ của không khí và do đó, quyết định áp suất của nó

Số lượng phân tử không khí trên bề mặt xác định áp suất không khí Khi số lượng phân tử tăng lên, chúng tạo ra nhiều áp suất hơn trên bề mặt và tổng áp suất khí quyển tăng lên Ngược lại, nếu số lượng phân tử giảm thì áp suất không khí cũng giảm theo

Hệ thống áp suất thấp, còn được gọi là áp thấp, là 1 khu vực có áp suất khí quyển thấp hơn áp suất của khu vực xung quanh nó, thường liên quan đến gió lớn, không khí

ấm áp và khí quyển nâng lên Trong những điều kiện này, nhiệt độ thấp thường tạo ra mây, lượng mưa và thời tiết hỗn loạn khác, chẳng hạn như bão nhiệt đới và xoáy thuận Các khu vực dễ bị áp suất thấp không có nhiệt độ ban ngày (ngày so với ban đêm) cũng như nhiệt độ theo mùa cực đoan vì các đám mây hiện diện trên các khu vực đó phản xạ bức xạ mặt trời tới bầu khí quyển Do đó, chúng không thể sưởi ấm nhiều vào ban ngày (hoặc vào mùa hè), và vào ban đêm, chúng hoạt động như 1 tấm chăn, giữ nhiệt bên dưới

Hệ thống áp suất cao là 1 khu vực có áp suất khí quyển lớn hơn áp suất của khu vực xung quanh Các hệ thống này di chuyển theo chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu và

ngược chiều kim đồng hồ ở Nam bán cầu do Hiệu ứng Coriolis Các khu vực áp suất cao thường được gây ra bởi 1 hiện tượng gọi là lún, có nghĩa là khi không khí ở các tầng cao nguội đi, nó trở nên đặc hơn và di chuyển về phía mặt đất Ở đây áp suất tăng lên vì nhiều không khí lấp đầy không gian còn lại từ mức thấp Sự sụt lún cũng làm bốc hơi phần lớn hơi nước của khí quyển, vì vậy các hệ thống áp suất cao thường gắn liền với bầu trời quang đãng và thời tiết tĩnh lặng

Độ ẩm tương đối - RH

Độ ẩm tương đối (RH - Relative Humidity hoặc là ϕ) hay còn gọi là độ ẩm tỉ đối [9]

có khái niệm là tỉ số của áp suất hơi nước hiện tại của 1 hỗn hợp khí bất kỳ với lượng hơi nước so với áp suất hơi nước bão hoà, có đơn vị tính là % Ngoài ra, độ ẩm tương đối còn là tỉ số khối lượng nước có trọng 1 đơn vị thể tích hiện tại so với khối lượng nước trên cùng thể tích đó khi bão hoà Trong trường hợp hơi nước bão hoà, hỗn hợp khí và hơi nước đạt đến 1 giới hạn, người ta gọi đó là “điểm sương”

Điểm sương là điểm mà ở đó độ ẩm tương đối của khối không khí đạt đến mức bão hoà là 100% Tức là tại 1 mức áp suất khí quyển nào đó, nhiệt độ làm cho thành phần hơi nước trong không khí ngưng tụ và tạo thành nước Khi điểm sương thấp hơn điểm đóng băng thì gọi là điểm băng giá Khi đó, trong không khí sẽ có hiện tượng sương muối hay sương giá do sự ngưng đọng gây ra

Điểm sương được xác định bởi độ ẩm không khí Khi độ ẩm không khí càng cao, điểm sương sẽ càng gần với nhiệt độ hiện tại trong không khí Nếu độ ẩm tương đối đạt đến 100%, điểm sương sẽ bằng hoặc cao hơn nhiệt độ không khí tại thời điểm đó

Nhiệt độ điểm sương - DPT

Nhiệt độ điểm sương (Dewpoint Temperature – 0C) là nhiệt độ khí bão hòa với hơi nước khiến hơi nước hóa lỏng Nói cách khác nhiệt độ điểm sương là nhiệt độ mà độ ẩm tương đối của khối không khí đạt đến 100%

Nhiệt độ không khí - TMP

Nhiệt độ không khí là hiện tượng khi các tia bức xạ của mặt trời đi qua khí quyển, lúc này mặt đất sẽ hấp thụ năng lượng nhiệt của mặt trời Sau đó bức xạ lại vào không khí, khiến cho không khí nóng lên Nhiệt độ của không khí còn được coi là thước đo mức độ nóng lạnh của không khí

Gió - WIND

Góc phương vị của 1 đoạn thẳng là góc theo chiều kim đồng hồ hợp với hướng bắc của hệ trục tọa độ (hoặc đường thẳng song song với nó) và đoạn thẳng đang xét

Đặc trưng của dữ liệu gió bao gồm 2 thành phần: hướng gió và tốc độ gió Chúng được hiển thị dưới dạng vector gió [u, v, magnitude], trong đó:

- u: vận tốc địa đới (zonal velocity), hướng gió ngang từ tây -> đông

- v: vận tốc kinh tuyến (merdional velocity) , hướng gió ngang theo nam -> bắc

- magnitude: hiển thị về giá trị độ lớn vận tốc của gió

Hướng gió tăng theo chiều kim đồng hồ sao cho gió bắc là 0 °, gió đông bắc là 90 °, gió nam là 180 ° và gió tây là 270 ° Việc tính [u,v] sẽ liên quan đến tộc độ, và hướng gió (được coi là góc phương vị) như sau [10]:

Bụi là danh từ chỉ 1 hỗn hợp phức tạp chứa các hạt vô cơ và hữu cơ ở dạng lỏng hoặc rắn, có khả năng bay lơ lửng trong không khí Bụi hay hợp chất có trong bụi được gọi chung là Particulate Matter, ký hiệu pm Khi những hạt bụi li ti có trong không khí với kích thước 2,5 micron trở xuống (so với sợi tóc con người thì nó nhỏ hơn khoảng 30 lần) thì ta gọi đó là bụi mịn pm 2.5 Bụi mịn pm2.5 được hình thành từ các chất như nitơ, carbon và các hợp chất kim loại khác

Hình 1.9 Kích thước tượng trưng của một số loại bụi so với tóc người và hạt cát

1.2.3 Các nguồn cung cấp số liệu chất lượng không khí và khí tượng 1.2.3.1 Dữ liệu khí tượng

WorldClim

WorldClim là 1 CSDL về dữ liệu thời tiết và khí hậu được lưới hóa toàn cầu có độ phân giải không gian cao, có địa chỉ tại https://www.worldclim.org/, bao gồm nhiệt độ (trung bình, tối đa, tối thiểu), lượng mưa, bức xạ mặt trời, tốc độ gió và áp suất hơi nước Những dữ liệu này có thể được sử dụng để lập bản đồ và mô hình hóa không gian, bao gồm dữ liệu khí hậu lịch sử, dữ liệu thời tiết lịch sử hàng tháng, các bộ dữ liệu này có thể tải về từ trang chủ của WorldClim

Với bộ dữ liệu khí hậu lịch sử, hiện tại đang có phiên bản 2.1 chứa mức trung bình hàng tháng trong khoảng thời gian từ năm 1970 đến năm 2000 Phiên bản này được phát hành vào tháng 1 năm 2020 Bộ dữ liệu này cung cấp 4 độ phân giải không gian khác nhau, từ 30 giây (~ 1km2) cho đến 10 phút (~ 340km2) Mỗi 1 loại dữ liệu của 1 độ phân giải là 1 tệp định dạng kiểu ”zip”, chứa 12 tệp GeoTiff tương ứng với 12 tháng

Dữ liệu thời tiết lịch sử hàng tháng là bộ dữ liệu trong khoảng thời gian từ năm 1960 đến năm 2018, bao gồm nhiệt độ tối thiểu trung bình (° C), nhiệt độ tối đa trung bình (° C) và tổng lượng mưa (mm) Bộ dữ liệu này có độ phân giải không gian là 2.5 phút (~

21 km2) Bộ dữ liệu này được chia thành 6 bộ dữ liệu con, mỗi bộ sẽ chứa dữ liệu của

10 năm liên tiếp nhau Mỗi 1 loại dữ liệu của 1 bộ con là 1 tệp định dạng kiểu ”zip”, chứa 120 tệp GeoTiff tương ứng với 120 tháng (10 năm)

C3S Climate Data Store (CDS)

Hệ thống được cung cấp dữ liệu ảnh khí tượng từ kho dữ liệu khí hậu toàn cầu C3S

liệu được cung cấp miễn phí nhằm khám phá dữ liệu về khí hậu, gọi là tập dữ liệu ERA5 Nguồn dữ liệu ERA5 hoàn chỉnh được phát hành cho đến nay bao gồm khoảng thời gian

từ năm 1979 và tiếp tục được mở rộng về phía trước trong thời gian gần thực tế ERA5 được cập nhật hàng ngày với độ trễ khoảng 5 ngày Để thu thập dữ liệu, chúng ta sẽ truy cập vào địa chỉ https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-

dữ liệu gì, như nhiệt độ điểm sương, áp suất, gió, hồ, sóng biển , mục chọn thời gian nào để thu thập dữ liệu (năm, tháng, ngày, giờ), mục chọn khu vực địa lý nhằm giới hạn lại phạm vi của dữ liệu, mục chọn định dạng dữ liệu: GRIB hoặc NetCDF

NASA Power Data Access Viewer

Đây không phải là 1 kho dữ liệu mà là 1 WebGIS nhưng cho phép lấy được dữ liệu khí hậu từ giao diện web, có địa chỉ tại https://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer Các dữ liệu WebGIS cung cấp để tải về bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, gió, áp suất, Để lấy dữ liệu, người dùng cần chọn kiểu thu thập là gì (hàng giờ, hàng ngày, hàng tháng), thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc, loại tệp dữ liệu được tải về (ASCII, CSV,

GEOJSON, NetCDF), sau đó chọn 3 cách để lấy dữ liệu từ giao diện web: lấy dữ liệu tại vị trí 1 điểm trên bản đồ, dữ liệu nằm trong 1 vùng đa giác hình chữ nhật hoặc tải với phạm vi toàn cầu

1.2.3.2 Với nồng độ bụi PM2.5

Dữ liệu quan trắc mặt đất bao gồm các loại dữ liệu ô nhiễm không khí (bụi PM2.5),

dữ liệu khí tượng và dữ liệu độ sâu quang học của sol khí (Aerosol Optical Depth) Với

dữ liệu bụi PM2.5, được thu thập từ 6 trạm thuộc Tổng cục Môi trường (Vietnam Environmental Administrator - VEA) đặt tại Hà Nội, Phú Thọ, Quảng Ninh, Huế, Đà Nẵng, Khánh Hòa; 2 trạm Đại sứ quán Mỹ tại Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh; 10 trạm thuộc Chi cục Bảo vệ môi trường Hà Nội (HaNoi Environmental Protection Agency - HN EPA) nằm tại nội thành Hà Nội Dữ liệu bụi PM2.5 tại các trạm VEA, HN EPA (chỉ lấy trạm Trung Yên, loại các trạm sensor, giao thông), Đại sứ quán Mỹ được

sử dụng để xây dựng mô hình ước tính bụi PM2.5 trên Việt Nam Dữ liệu PM2.5 tại các trạm này được thu thập với tần suất trung bình hàng ngày, thông qua việc sử dụng mô hình thống kê MEM (Mixed Effect Model) để ước tính Đây là một tệp ảnh định dạng GeoTifff, tên tệp theo định dạng PM25_YYYYMMHH_3km.tif, kích thước ảnh là

468x768 pixels (điểm ảnh), sử dụng hệ tọa độ WGS84 Mỗi điểm ảnh sẽ chứa giá trị nồng độ PM2.5 với độ phân giải là 0.025 degree, tương đương đại diện cho vùng 3x3km

1.3 Tổng quan về WebGIS

1.3.1 Định nghĩa

WebGIS là 1 bước tiến mới của ngành hệ thống thông tin địa lý GIS trong những năm gần đây, khi mà mạng Internet tốc độ cao phát triển cùng với sự sẵn sàng của các phần mềm thương mại và mã nguồn mở cho phép thực thi trên máy chủ thay vì chỉ thực

thi được trên từng máy khách

Theo định nghĩa do tổ chức bản đồ thế giới (Cartophy) đưa ra thì WebGIS được xem như là 1 hệ thống thông tin địa lý được phân bố qua môi trường mạng máy tính để tích hợp, phân phối và truyền tải thông tin địa lý trực tiếp trên Internet

1.3.2 Kiến trúc chung của WebGIS

WebGIS hoạt động theo mô hình client – server giống như hoạt động của 1 Website thông thường, vì thế hệ thống WebGIS cũng có kiến trúc ba tầng (3 tier) điển hình của

1 ứng dụng Web thông dụng Kiến trúc 3 tier gồm có ba thành phần cơ bản đại diện cho ba tầng: Client, Application Server và DataServer

Hình 1.10 Kiến trúc hoạt động của WebGIS qua mạng Internet 6

Client: thường là 1 trình duyệt Web browser như Internet Explorer, Fire Fox,

Chrome, … để mở các trang web theo URL (Uniform Resource Location – địa chỉ định vị tài nguyên thống nhất) định sẵn Các client đôi khi cũng là 1 ứng dụng desktop tương tự như phần mềm MapInfo, ArcGIS…

Application Server: thường được tích hợp trong 1 Web Server nào đó (Tomcat, Apache, Internet Information Server) Nhiệm vụ chính của tầng dịch vụ thường là tiếp

6 Nguồn: www.geosys.com.tr

nhận các yêu cầu từ client, lấy dữ liệu từ cơ sở dữ liệu theo yêu cầu client, trình bày dữ liệu theo cấu hình có sẵn hoặc theo yêu cầu của client và trả kết quả về theo yêu cầu Data Server: là nơi lưu trữ các dữ liệu bao gồm cả dữ liệu không gian và phi không gian Các dữ liệu này được tổ chức lưu trữ bởi các hệ quản trị cơ sở dữ liệu như

PostgreSQL/PostGIS, Microsoft SQL Server, MySQL, Oracle,…hoặc có thể lưu trữ ở

dạng các tập tin dữ liệu như shapfile, XML,…

1.3.3 Các mô hình triển khai WebGIS

Hiện nay, với sự phát triển lớn mạnh của mạng Internet và nền tảng phần cứng ngày càng phát triển nhanh và chi phí thấp, cho phép việc xử lý dữ liệu trên WebGIS có thể dần dần kết hợp cả 2 phương pháp là tính toán trên Web Server và trên cả Web Client Trong đó vai trò của Web GIS Server là quan trọng nhất vì nó chịu trách nhiêm: tạo lâp bản đồ thông tin và hình ảnh, xử lý các truy vấn liên quan đến GIS, tạo các dịch vụ cho các ứng dụng khác truy cập, Từ đó các Web Map Client có thể tạo các truy vấn tương tác với bản đồ, lấy dữ liệu không gian và sử dụng các dịch vụ mà được Web GIS Server cung cấp

Nói chung, hiện tại phổ biến có 3 mô hình được áp dụng trong mô hình triển khai thực tế WebGIS có những ưu, nhược điểm khác nhau:

− Server side: xử lý tập trung mọi truy vấn từ phía client, tính toán, truy xuất các thành phần trong hệ thống, trả về kết quả cho client Tận dụng khả năng phần cứng mạnh của máy chủ để xử lý thay vì chạy trên máy khách Tuy nhiên, hệ thống sẽ bị ngưng trệ nếu máy chủ bị quá tải khi có quá nhiều truy cập hoặc bị tấn công mạng

− Client side: phân tải xử lý, tính toán với máy chủ nhờ việc chia sẻ bớt công việc Máy khách sẽ được bổ sung thêm một số tính năng mở rộng như applet, plug-in,…để có thể có các tính năng tương tự như thực thi ở Server Rất hữu ích khi sử dụng trong việc giảm thiểu tải cho máy chủ, tận dụng khả năng phần cứng còn thừa từ máy khách Tuy nhiên, việc chia sẻ dữ liệu lớn qua mạng có thể gây chậm trễ khả năng xử lý, máy khách không đủ khả năng tính toán quá phức tạp, thích hợp với mô hình WebGIS nhỏ

− Hybrid side: rõ ràng việc đẩy công việc tính toán và xử lý dữ liệu cho Server hoặc Client đều có những ưu, nhược điểm riêng Cần có 1 giải pháp để có thể tận dụng tài nguyên của cả Client và Server về phần cứng, phần mềm, băng thông,…Giải phap hybrid lai giữa Server side và Client side là 1 cách thức để giải quyết vấn đề trong tương lai Bản thân các Server sẽ vẫn thực thi các yêu cầu về truy vấn, xử lý dữ liệu Tuy nhiên, với các tính toán đơn giản, thao tác với bản đồ thì có thể đưa về trình duyệt của Client

xử lý riêng Ngoài ra, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của điện toán đám mây (cloud

computing), các máy Client cũng có thể trở thành các Web GIS Server mini và phân tải với hệ thống Web GIS lớn, cồng kềnh hiện tại

Hình 1.11 Mô hình triển khai WebGIS trên nền tảng Client – Server

sở để tìm hiểu và nắm được cách phát triển WebGIS

a) Phần mềm nguồn đóng: tiêu biểu nhất là bộ công cụ ArcGis Server của hãng ESRI

cho phép sử dụng tài nguyên chung, đa người sử dụng, các tính năng về tương tác với bản đồ, các công cụ GIS,…qua mạng Internet Ngoài ra, có thể kể đến một số phần mềm, công cụ mã nguồn đóng mà được sử dụng trong các thành phần của hệ thống WebGIS như: hệ quản trị CSDL không gian (Microsoft SQL Server, Oracle Spatial), bộ công cụ phát triển Web Visual Studio trên nền tảng NET, hệ điều hành Windows cài đặt máy chủ Web Server IIS, công cụ xử lý, phân tích ảnh viễn thám ENVI,…

b) Phần mềm nguồn mở: không nhất quán và tiện ích nhiều như các phần mềm thương

mại, việc kết hợp và phát triển WebGIS từ các phần mềm nguồn mở, miễn phí đòi hỏi nhiều thời gian và tính sáng tạo, áp dụng công nghệ của người phát triển Các công nghệ máy chủ GIS phổ biến hiện nay có thể kể đến là MapServer, GeoServer Ngoài ra, còn

có các thành phần liên quan như hệ điều hành máy chủ Linux, Centos, hệ quản trị CSDL PostgreSQL/PostGIS, MySQL, thư viện xử lý ảnh raster GDAL, các ngôn ngữ lập trình như Java, PHP,…

1.4 Một số hệ thống cung cấp thông tin chất lượng không khí và khí tượng

Trên thế giới và ở Việt Nam đã có các hệ thống WebGIS cho từng khu vực, địa bàn hành chính, từng quốc gia (nhất là các nước phát triển) về các vấn đề: giao thông, dân

số, du lịch, giải trí, tài nguyên, Tuy nhiên, hệ thống WebGIS có sử dụng ảnh khí tượng

và nghiên cứu chuyên sâu về dữ liệu khí tượng, chất lượng không khí thì chưa nhiều, hoặc nếu có thì cũng có những mặt hạn chế nhất định Trong pham vi của luận văn, học viên sẽ giới thiệu 1 sô hệ thống WebGIS cho phép hiển thị, theo dõi, tìm kiếm dữ liệu chất lượng không khí, khí tượng được sử dụng trên thế giới và trong Việt Nam

− Theo dõi tổng hợp thời tiết toàn cầu theo từng yếu tố: nhiệt độ, gió, độ ẩm,

− Theo dõi chất lượng không khí của từng khu vực

− Dự báo thời tiết cụ thể, chi tiết cho từng khu vực trong 7 ngày: dự báo và Radar thời tiết nổi bật với tính năng cung cấp các thông tin thời tiết cụ thể như: Tốc độc gió; Nhiệt độ; Tình trạng mưa, sét; Độ cao của sóng biển

− Cung cấp mô hình dự báo thời tiết chuẩn hàng đầu theo thời gian thực của NOAA: ECMWF, GFS Đây là mô hình được công nhận độ chính xác cao nhất hiện nay

− Cảnh báo thời tiết

− Tìm kiếm địa điểm, xem hình ảnh thực của 1 khu vực dễ dàng ngay trên bản đồ

− Theo dõi thời tiết một số khu vực có các hoạt động ngoài trời, khu vực xảy ra đám cháy

− Thêm các khu vực yêu thích, dễ dàng theo dõi thời tiết

Về công nghệ trên bản đồ, dự án sử dụng bộ thư viện Leaflet làm nền tảng, là thư viện JavaScript mã nguồn mở hàng đầu dành cho các bản đồ, hoạt động hiệu quả trên tất cả các nền tảng máy tính để bàn và di động, có thể được mở rộng với nhiều plugin, kết hợp với các API có trả phí do dự án tự phát triển để trực quan hóa bản đồ, phân tích,

dự báo cho dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí Hệ thống có khả năng tích hợp với GoogleMap và ESRIMap, 2 công nghệ bản đồ lớn nhất hiện nay Để truy cập vào các dịch vụ bản đồ mà Windy.com cung cấp, chúng ta cần có môt API key và truy xuất vào lớp bản đồ mong muốn với định dạng như sau:

https://tiles.windy.com/tiles/v10.0/darkmap-retina/{z}/{x}/{y}.png?appid={API key}

Hệ thống WebGIS Chỉ số Chất lượng không khí thế giới aqicn.org

Đây là một dự án phi lợi nhuận được bắt đầu từ năm 2007 Nhiệm vụ của dự án là nâng cao nhận thức về ô nhiễm không khí cho người dân và cung cấp thông tin thống nhất về chất lượng không khí trên toàn thế giới Dự án đang cung cấp thông tin minh bạch về chất lượng không khí cho hơn 130 quốc gia, phủ sóng hơn 30.000 trạm tại 2000 thành phố lớn Các tính năng nổi bật của dự án:

− Theo dõi, tra cứu các chỉ số về chất lượng không khí như PM2.5, PM10, O3, NO2, SO2, CO…

− Đưa ra các dự báo trong vòng 7 ngày tới về hướng và tốc độ gió, chỉ số PM2.5, Ô-zôn

− Xem được dữ liệu lịch sử hàng ngày của các chỉ số: PM2.5, PM10, O3, NO2, SO2, CO

− Thống kê và đưa ra bảng xếp hạng không khí cho các quốc gia

Về công nghệ trên bản đồ, dự án sử dụng bộ thư viện Leaflet làm nền tảng, là thư viện JavaScript mã nguồn mở hàng đầu dành cho các bản đồ, hoạt động hiệu quả trên tất cả các nền tảng máy tính để bàn và di động, có thể được mở rộng với nhiều plugin

Hệ thống khám phá chất lượng không khí iqair.com

Tổ chức IQAir AirVisual được thành lập vào năm 2015, có trụ sở tại Mỹ, Trung Quốc

và Thụy Sĩ Đây là tổ chức sở hữu lượng dữ liệu tổng hợp rất lớn về chất lượng không khí Thông tin quan trọng nhất trong dữ liệu của IQAir AirVisual là chỉ số bụi mịn PM2.5 trong không khí

Dữ liệu của IQAir AirVisual được thu thập từ các trạm quan trắc không khí của nhiều chính phủ và tổ chức phi chính phủ trên toàn cầu, cung cấp cho mọi người quyền truy cập miễn phí vào CSDL chất lượng không khí lớn nhất thế giới, trải dài hơn 10000 địa điểm trên toàn cầu, và ngày 1 tăng lên [11] Tại Hà Nội, IQAir AirVisual thu thập dữ liệu từ 14 trạm kiểm soát không khí, gồm có 10 trạm thuộc chính phủ, tại TP HCM, IQAir AirVisual có dữ liệu từ 7 trạm Ngoài dữ liệu thu thập từ các trạm, AirVisual còn

thu thập số liệu thông qua ảnh vệ tinh, các dữ liệu viễn thám này sau khi được đưa vào

mô hình tính toán sẽ cho ra kết quả là các chỉ số chất lượng môi trường không khí, lấy

số liệu từ người dân thông qua các thiết bị mà bên AirVisual cung cấp

Hệ thống bao gồm một số tính năng nổi bật sau:

− Cung cấp chất lượng không khí theo chỉ số AQI (Mỹ)

− Bảng xếp hạng chất lượng không khí theo AQI

− Đưa ra cảnh báo và lời khuyên theo từng mốc

− Dự báo chất lượng không khí trong 1 tuần

− Bản đồ chất lượng không khí trên toàn thế giới

− Tra cứu nồng bộ một số tác nhân nguy hiểm như: PM2.5, PM10, ozone, nitơ dioxide, sulfur dioxide và carbon monoxide

1.4.2 Một số hệ thống tại Việt Nam

Cổng thông tin quan trắc môi trường cem.gov.vn

Cổng thông tin quan trắc môi trường của Tổng cục Môi trường về chỉ số chất lượng không khí cả nước theo công thức tính chỉ số VN_AQI theo HƯỚNG DẪN KỸ THUẬT TÍNH TOÁN VÀ CÔNG BỐ CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ VIỆT NAM (VN_AQI) của Bộ Tài nguyên Môi trường Việt Nam [12] Ngoài chỉ số VN_AQI còn

có thể theo dõi các thông số về nước, khí thải (số liệu hiện đang được cập nhật, chưa hiển thị chi tiết)

Cổng thông tin quan trắc môi trường moitruongthudo.vn

Một hệ thống theo dõi mạng lưới quan trắc về chỉ số chất lượng không khí cho Hà Nội theo công thức tính chỉ số VN_AQI theo HƯỚNG DẪN KỸ THUẬT TÍNH TOÁN

VÀ CÔNG BỐ CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ VIỆT NAM (VN_AQI) của Bộ Tài nguyên Môi trường Việt Nam [12] Ngoài bản đồ hiển tihj chỉ số quan trắc tại các trạm đo, hệ thống còn hiển thị biểu đồ nồng độ các chỉ tiêu quan trắc (PM2.5, PM10, NO2 và CO) theo thời gian

Về mặt công nghệ, hệ thống sử dụng công nghệ từ MapTiler Server với các API được nhà sản xuất cung cấp Hiện nay, công ty này cung cấp đầy đủ các sản phẩm từ công nghệ máy chủ cho đến dữ liệu, dịch vụ bản đồ

1.4.3 Đánh giá và định hướng xây dựng bài toán

Với những hệ thống được khảo sát ở trên, học viên thấy được rất nhiều ưu điểm và tiềm năng khi có thể áp dụng nghiên cứu bài toàn biểu diễn, phân tích dữ liệu chất lượng không khí và khí tượng vào trong đời sống hàng ngày Tuy nhiên, cũng có một số hạn chế nhất định với những hệ thống đó Điểm chung là các hệ thống mới chỉ hỗ trợ người dùng xem dữ liệu tại 1 vị trí, còn khi xem dữ liệu trong một vùng chọn (phạm vi 1 đa giác hay trên các đoạn thẳng) chưa được hỗ trợ Tính năng này có ý nghĩa quan trọng khi người dùng muốn phân tích sự phân bố dữ liệu như nào trong một tuyến đường, một khu vực hành chính (ví dụ: tỉnh/thành phố) hay một đa giác bất kỳ được vẽ trên bản đồ Chẳng hạn có thể biết được giá trị cụ thể về nồng độ bụi PM2.5 tại 1 khu vực Hà Nội chỗ nào tập trung nồng độ bụi lớn nhất, nhỏ nhất, Với tập dữ liệu thu được từ kết quả phân tích, người nghiên cứu, nhà phân tích có thể xuất ra để sử dụng cho các mục đích nghiên cứu, phân tích của mình, các nhà quản trị, lãnh đạo có thể đưa ra được các quyết định, điều chỉnh chính sách hợp lý hơn Ngoài ra, tính năng này cũng sẽ hỗ trợ cho việc tiền xử lý dữ liệu, hỗ trợ cho việc thống kê dữ liệu theo đơn vị hành chính được đơn giản hóa hơn Việc tổ chức và xử lý dữ liệu được thu thập hàng ngày như nào là đặc thù riêng của từng hệ thống, chưa được mô tả, công bố Ngoài ra, mỗi hệ thống riêng biệt cũng còn tồn tại những vấn đề sau:

- windy: Mặc dù có khá nhiều tính năng, nhưng việc sử dụng chủ yếu là từ API của dự án sẽ không giúp cho chúng ta làm chủ được công nghệ khi muốn nghiên cứu, phát triển hệ thống

- aqicn.org: hệ thống chỉ cung cấp việc xem chỉ số chất lượng không khí tại những nơi có đặt trạm quan trắc, không xem được các vị trí khác

- iqair.com: Tuy có nhiều tính năng và ngày càng phổ biến rộng rãi trên thế giới nhưng cũng có nhiều thông tin trái chiều về độ chính xác của AirVisual, chưa có

ai đưa ra được kết luận cuối cùng về độ tin cậy từ đơn vị này Nhiều chuyên gia tại Việt Nam đã lên tiếng đề nghị người dân chỉ lấy thông tin từ ứng dụng này để tham khảo

- cem.gov.vn: Hệ thống này không phải là 1 hệ thống WebGIS, các chỉ số quan trắc được đưa lên website theo dạng danh sách và biểu đồ theo thời gian

- moitruongthido.vn: Cổng thông tin quan trắc môi trường Hà Nội có tốc độ cập nhật dữ liệu chậm Các chỉ số nhìn thấy tại Cổng thông tin này thường không phải là dữ liệu thời gian thực Người dùng chỉ xem được dữ liệu chất lượng không khí tại vị trí của các trạm đo, còn các khu vực xung quanh thì chưa biểu diễn được trên bản đồ

Do đó, việc đề xuất nghiên cứu và xây dựng hệ thống WebGIS kết hợp các tính năng trên là 1 điểm nhấn quan trọng nhằm tạo nên 1 bộ công cụ tương đối đầy đủ các tính năng Hệ thống cũng có khả năng trở thành 1 công cụ trực quan có nhiều ý nghĩa

và giá trị nghiên cứu trong các cơ sở đào tạo với những tính năng được cung cấp và tính thân thiện với người sử dụng

ưu, nhược điểm của các hệ thống WebGIS chuyên về dữ liệu khí tượng phổ biến trên thế giới, từ đó rút ra được cần bổ sung, cải tiến các tính năng để xây dựng một hệ thống WebGIS hoàn chỉnh

Chương 2 CÁC KỸ THUẬT, CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG

TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEBGIS

WebGIS là 1 giải pháp client – server cho phép quản lý, phân tích, cập nhật, phân phối thông tin bản đồ và GIS trên mạng Internet, giảm thiểu chi phí đầu tư phần mềm, phần cứng cho người dùng cuối; giao diện thân thiện, đơn giản phù hợp với nhiều người dùng WebGIS thích hợp với các CSDL bản đồ, GIS từ rất bé cho đến rất lớn, có khả năng tuỳ biến cao, phù hợp với nhiều loại hình tổ chức

Thành phần cơ bản của 1 ứng dụng WebGIS bao gồm 3 thành phần chính: CSDL hỗ trợ dữ liệu không gian địa lý, máy chủ GIS cung cấp các dịch vụ bản đồ, máy chủ Web Server được xây dựng dựa trên 1 công nghệ bản đồ số được máy chủ GIS hỗ trợ cho việc thiết lập bản đồ số

Hình 2.1 Các toành phần cơ bản của 1 ứng dụng WebGIS

2.1 Cơ sở dữ liệu không gian

Thành phần đầu tiên của hệ thống WebGIS chính là CSDL Hiện nay có một số hệ quản trị CSDL có hỗ trợ kiểu dữ liệu không gian địa lý như PostgreSQL, Microsoft SQL Server, Oracle

Trong phiên bản Microsoft SQL Server 2008 trở lên bắt đầu hỗ trợ kiểu dữ liệu không

gian đó là kiểu dữ liệu hình học (geometry) và dữ liệu địa lý (geography) Các đối tượng

hình học trên bản đồ được mô tả bởi Well-Know Text (WKT) hoặc Well-Know Binary (WKB) Với sự hỗ trợ làm việc với các đối tượng không gian, người sử dụng SQL Server

có thể thực hiện việc lưu trữ dữ liệu không gian cũng như thực hiện truy vấn không gian

mà các hệ quả trị CSDL truyền thống (không chứa thành phần không gian) không thể thực hiện được

Tuy nhiên, đây là 1 sản phẩm thương mại có bản quyền từ Microsoft và nhược điểm lớn nhất chính là chỉ cài đặt và chạy được trên môi trường Window

2.1.2 Oracle

Giống như Microsoft SQL Server, Oracle cũng là hệ thống quản trị CSDL quan hệ, với độ ổn định cao, bảo mật tốt và nhưng lại có khả năng hoạt động được trên đa nền tảng Oracle truy vấn CSDL qua việc sử dụng ngôn ngữ Procedural Language/SQL (PL/SQL) có khả năng nhóm thành gói từ các thủ tục Oracle sử dụng Schema để tập hợp toàn bộ những đối tượng CSDL Trong đó tất cả người dùng và Schema sẽ được chia sẻ các đối tượng CSDL

Oracle Spatial and Graph, trước đây là Oracle Spatial là 1 thành phần không gian cho CSDL Oracle Các tính năng không gian trong Oracle Spatial and Graph hỗ trợ người dùng quản lý dữ liệu địa lý và vị trí theo kiểu gốc trong CSDL Oracle, có khả năng hỗ trợ nhiều loại ứng dụng - từ lập bản đồ tự động, quản lý cơ sở vật chất và hệ thống thông tin địa lý (AM / FM / GIS), đến các dịch vụ định vị không dây và kinh doanh điện tử hỗ trợ vị trí Các tính năng đồ thị trong Oracle Spatial and Graph bao gồm đồ thị Mô hình

Dữ liệu Mạng Oracle (NDM) được sử dụng trong các ứng dụng mạng truyền thống trong giao thông vận tải lớn, các tổ chức viễn thông, tiện ích và năng lượng và đồ thị ngữ nghĩa RDF được sử dụng trong mạng xã hội và các tương tác xã hội và trong việc liên kết các tập dữ liệu khác nhau để giải quyết các yêu cầu từ cộng đồng nghiên cứu, khoa học sức khỏe, tài chính, truyền thông và trí tuệ

Tính năng không gian địa lý của Oracle Spatial and Graph cung cấp 1 lược đồ SQL

và các chức năng tạo điều kiện thuận lợi cho việc lưu trữ, truy xuất, cập nhật và truy vấn các bộ sưu tập các tính năng không gian trong CSDL Oracle

Tuy nhiên, Oracle Spatial and Graph là 1 tùy chọn chỉ có trong Oracle Enterprise Edition, không có trong Oracle Standard Edition hoặc Oracle Standard Edition One Ngoài ra, để triển khai được Oracle cần có 1 chi phí bản quyền cũng như quản trị khá lớn, ngôn ngữ sử dụng là Java nên cũng khó khăn trong việc tiếp cận các công cụ thiết

kế, lập trình

2.1.3 PostgreSQL

PostgreSQL là 1 hệ quản trị CSDL nguồn mở, chạy trên đa nền tảng, hỗ trợ đa dạng các kiểu dữ liệu, đặc biệt là kiểu geometry cho dữ liệu hình học PostGIS được Refraction Research Inc phát triển như 1 dự án nghiên cứu công nghệ CSDL không gian PostGIS hỗ trợ đối tượng địa lý cho CSDL đối tượng quan hệ PostgreSQL, tích hợp tool import dữ liệu không gian trực tiếp từ Shapefile PostGIS kích hoạt khả năng không gian cho PostgreSQL, cho phép PostgreSQL sử dụng như 1 CSDL không gian phụ trợ cho các hệ thống thông tin địa lý (GIS), truy vấn, thống kê hoặc xử lý dữ liệu không gian Với rất nhiều tính năng hỗ trợ truy vấn không gian mạnh cả 2D lẫn 3D trên kiểu dữ

liệu hình học (geometry) và dữ liệu địa lý (geography) PostGIS là 1 phần mở rộng

không thể thiếu được của hệ quản trị CSDL PostgreSQL khi xây dựng hệ thống GIS Các kỹ thuật được nêu ở đây là các kỹ thuật cơ bản nhất và từ đó người sử dụng có thể nghiên cứu các hàm khác của PostGIS để tạo nên các câu truy vấn phức tạp và khó hơn Công cụ giúp việc kết nối và trực quan hóa tạo lập truy vấn, dữ liệu tới PostgreSQL tên là PgAdmin phiên bản IV Là 1 công cụ miễn phí và dễ dàng cài đặt trên nhiều hệ điều hành: Windows, Linux, Mac OS, Thay vì phải nhập từng dòng lệnh SQL trên

Linux Shell thì có thể dùng giao diện đồ họa tạo lập database, các bảng, các trường dữ liệu, rất nhanh chóng Việc này giúp giảm nhiều thời gian khi mà chỉ cần tập trung vào việc tìm hiểu cách tổ chức và truy vấn dữ liệu không gian, các hàm PostGIS và khả năng

Map Server: là sản phẩm được phát triển qua nhiều năm của Đại học Minosita – Hoa

Kỳ trên nền tảng ngôn ngữ C, hỗ trợ đa dạng các ngôn ngữ lập trình như PHP, Python, Java, C#, Ruby,…Map Server phát triển theo chuẩn của tổ chức OGC về trao đổi dữ liệu, thông tin, sẵn sàng kết nối với nhiều hệ quản trị CSDL không gian: PostGIS, Oracle Spatial,…Ngoài ra, nó còn hỗ trợ đa hệ điều hành: Windows, Linux, Unix, MacOS,…và

là 1 công nghệ phát triển đã khẳng định vị thế từ khi WebGIS mới phát triển cho đến hiện nay, có nhiều ứng dụng, API được cung cấp

Geo Server: ra đời muộn từ 1 dự án cộng đồng bắt đầu từ năm 2001, phát triển bởi

ngôn ngữ Java, tuân theo các chuẩn về bản đồ của OGC Geo Server hỗ trợ nhập, xuất nhiều định dạng dữ liệu raster và vector, dư liệu hình ảnh, kết nối nhiều hệ quản trị CSDL,…Geo Server có ưu điểm so với Map Server là có giao diện tùy biến, cấu hình thân thiện và đơn giản hơn so với thiết lập các thông số trên mapfile của Map Server

Nó ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống WebGIS nguồn mở và được cộng đồng phát triển mở rộng các tính năng

ArcGIS Server:

− Là nền tảng để xây dựng hệ thống thông tin địa lý (GIS) có quy mô lớn, trong đó các ứng dụng GIS được quản lý tập trung, hỗ trợ đa người dùng, tích hợp nhiều chức năng GIS mạnh và được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn công nghiệp ArcGIS Server quản lý các nguồn dữ liệu địa lý như bản đồ, số liệu không gian cho phép tạo, quản lý và phân phối các dịch vụ GIS trên nền Web để hỗ trợ cho các máy tính để bàn, thiết bị di động và cả các ứng dụng bản đồ Web

− ArcGIS Server có sẵn cho Microsoft Windows NET Framework và Java Platform ArcGIS Server có ba phiên bản chức năng: Basic, Standard và

Advanced, với phiên bản Nâng cao cung cấp nhiều chức năng nhất Phiên bản ArcGIS Server Basic được sử dụng chủ yếu để quản lý CSDL địa lý đa người dùng và dịch vụ dữ liệu địa lý Cả phiên bản ArcGIS Server Standard và Advanced đều hỗ trợ các loại dịch vụ Web sau: Feature (để chỉnh sửa Web), GeoData (để sao chép CSDL địa lý), GeoCode (để tìm và hiển thị địa chỉ / vị trí trên bản đồ), Geometry (để tính toán hình học như tính toán diện tích và độ dài), Geoprocessing (để lập mô hình khoa học và phân tích dữ liệu không gian), Quả địa cầu (để kết xuất 3D và toàn cầu), Image (để cung cấp dữ liệu raster và cung cấp quyền kiểm soát việc phân phối hình ảnh, chẳng hạn như hình ảnh vệ tinh hoặc chỉnh hình), Ngôn ngữ đánh dấu lỗ khóa (KML), Map (cho các dịch vụ bản

đồ được lưu trong bộ nhớ cache và được tối ưu hóa), Mobile (để chạy các dịch

vụ trên thiết bị hiện trường), Network Analyst (để định tuyến, vị trí cơ sở gần nhất hoặc phân tích khu vực dịch vụ), Search (để tìm kiếm nội dung GIS của doanh nghiệp), Web Coverage Service (WCS), Web Feature (WFS) và Transactional Web Feature Service (WFS-T) và Web Map Service (WMS)

2.2.2 Công cụ phát triển lập trình GIS

Thành phần quan trọng thứ 3 chính là bộ thư viện tương tác với các dịch vụ bản đồ được gọi từ phía client Hiện nay, có một số thư viện được xây dựng để hỗ trợ các lập trình viên khi lập trình GIS như: ArcGIS API JavaScript, Leaflet, Openlayer

ArcGIS API JavaScript: Với nền tảng là ArcGIS Server, hãng ESRI đã cung cấp bộ

thư viện với các API được cung cấp sẵn và sẽ gọi đến ArcGIS Server để thực thi, gọi là ArcGIS API JavaScript Do ảnh viễn thám khí tượng thường có kích cỡ lớn và độ phân giải thấp nên tầm nhìn thích hợp ở mức tối đa là quận, huyện của 1 quốc gia Trong bộ thư viện ArcGIS API cũng có cung cấp cho người dùng một số bản đồ nền rất hữu ích như OpenStreetMap, đại dương, địa hình, bản đồ giản lược Vì vậy, hệ thống WebGIS

đã sử dụng bản đồ đường phố nhằm thể hiện rõ sự thay đổi về không gian, về đường phố trong 1 khu vực, ngoài ra hệ thống cũng sử dụng 1 lớp hành chính Việt Nam nhằm phân định rõ hơn về các đường ranh giới giữa các tỉnh/thành phố Ở đây, bản đồ nền sử dụng hệ quy chiếu thế giới WGS84, mỗi điểm có tọa độ dạng (latitude có giá tri từ -90 đến 90, longtitude có giá trị từ -180 đến 180)

Leaflet: là 1 thư viện JavaScript mã nguồn mở cho việc xây dựng 1 ứng dụng map

có tính tương tác Đây là 1 thư viện khá nhẹ, chỉ khoảng 38KB cho phần script nhưng lại có đầy đủ tất cả các tính năng mà hầu hết các developer cần, có thể được mở rộng với rất nhiều plugin