Tổng quan tình hình nghiên cứu Nghiên cứu phát triển hệ thống WebGIS dự báo các chỉ số thời tiết tại Việt Nam là một chủ đề được quan tâm có tầm ảnh hưởng lớn đến hoạt động đời sống của
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 1.1 Tổng Quan Nghiên Cứu
Tổng quan tình hình nghiên cứu
Nghiên cứu phát triển hệ thống WebGIS dự báo thời tiết tại Việt Nam có ảnh hưởng lớn đến đời sống người dân, giúp giải quyết các vấn đề phức tạp trong địa lý, môi trường, kinh tế và xã hội Hệ thống này mở ra cơ hội cho các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực GIS và khoa học dữ liệu, đặc biệt khi áp dụng công nghệ mới như AI và Machine Learning Đề tài “Phát triển hệ thống WebGIS dự báo các chỉ số thời tiết tại Việt Nam” sử dụng các ngôn ngữ như HTML, CSS, JavaScript, PHP và Python để xây dựng các ứng dụng web địa lý hiệu quả.
Lý do chọn đề tài
Biến đổi khí hậu hiện nay là một vấn đề nghiêm trọng toàn cầu, gây ra sự thay đổi lớn trong mô hình thời tiết và khiến con người khó lường trước các hiện tượng thời tiết bất thường Sự phát triển của công nghệ thông tin, bao gồm máy tính, kỹ thuật khai thác dữ liệu và trí tuệ nhân tạo, đã đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện các dịch vụ dự báo thời tiết hiện đại, giúp thu thập và phân tích dữ liệu nhanh chóng, từ đó đưa ra dự báo chính xác hơn.
Mặc dù các hệ thống WebGIS dự báo thời tiết dựa trên mô hình thời tiết, độ chính xác của chúng vẫn chưa đạt yêu cầu do nhiều yếu tố tác động Việc áp dụng công nghệ GIS, AI và Machine Learning, cùng với các phương pháp thống kê, sẽ cải thiện độ chính xác và hiệu quả của dự báo thời tiết Hơn nữa, sự kết hợp này còn giúp tối ưu hóa và giảm chi phí trong quản lý tài nguyên, trong khi AI có khả năng tự động điều chỉnh các thông số trong hệ thống WebGIS để đáp ứng nhu cầu thực tế, giảm thiểu sự can thiệp của con người.
Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đề tài là phát triển một hệ thống WebGIS tích hợp trí tuệ nhân tạo nhằm dự báo các chỉ số thời tiết, bao gồm nhiệt độ và lượng mưa, cho các tỉnh thành trên toàn quốc Việt Nam.
Tích hợp công nghệ AI, bao gồm kỹ thuật học máy và mạng nơ-ron, giúp nâng cao khả năng dự đoán dữ liệu địa lý, từ đó tạo ra mô hình dự đoán chính xác cho các sự kiện hiện tại và tương lai Điều này không chỉ cải thiện độ tin cậy của thông tin trên bản đồ mà còn giảm thiểu sự can thiệp của con người vào hệ thống.
Cung cấp thông tin thời tiết chi tiết và dễ hiểu cho người dùng thông qua việc hiển thị nhiệt độ và lượng mưa bằng các biểu đồ, bản đồ và đồ thị đơn giản, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận và hiểu rõ hơn về tình hình thời tiết.
• Tăng khả năng mở rộng của hệ thống: Thiết kế hệ thống có khả năng mở rộng và tương thích với các công nghệ mới trong tương lai
Đề tài này nhằm mục đích nâng cao khả năng ra quyết định của người dùng thông qua việc sử dụng các ứng dụng thông minh với thông tin thời tiết chính xác, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay Đồng thời, nó cũng tạo cơ hội cho sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ tại Việt Nam.
Phương pháp nghiên cứu
Từ những nghiên cứu về WebGIS và để hệ thống đáp ứng mục tiêu trên, nhóm cần những phương pháp nghiên cứu phi thực nghiệm sau:
Phương pháp quan sát được sử dụng để theo dõi hoạt động của người dùng trên hệ thống WebGIS, từ đó xác định các vấn đề còn tồn tại Mục tiêu là thu thập dữ liệu cần thiết cho việc đánh giá hiệu quả của hệ thống.
Phương pháp phân tích và tổng hợp thông tin sẽ được áp dụng để đánh giá các yêu cầu chức năng và phi chức năng của hệ thống WebGIS Qua đó, xác định điểm xuất phát ban đầu cho nghiên cứu, dựa trên các tiêu chí đã được đề ra.
Phương pháp logic trong phát triển hệ thống WebGis kết hợp các công nghệ GIS, AI và Machine Learning nhằm giải quyết hiệu quả các vấn đề đã đặt ra, từ đó tạo ra công cụ dự báo thời tiết chính xác và đạt được kết quả mong muốn.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Bài viết này tập trung vào việc phát triển một hệ thống WebGIS địa lý kết hợp công nghệ AI để dự báo các chỉ số thời tiết như nhiệt độ và lượng mưa tại các tỉnh thành của Việt Nam Dữ liệu được thu thập hàng năm, không đi sâu vào cơ chế và nguyên lý của các chỉ số thời tiết.
Đề tài xây dựng trang WebGIS tập trung vào việc hiển thị thông tin từ các lớp dữ liệu khác nhau, cung cấp công cụ tương tác bản đồ cơ bản, cũng như cho phép người dùng thực hiện truy vấn và cập nhật dữ liệu thuộc tính một cách hiệu quả.
Công nghệ được áp dụng trong dự án bao gồm GeoServer, một ứng dụng mã nguồn mở, cùng với thư viện OpenLayers và JavaScript Hệ quản trị cơ sở dữ liệu PostgreSQL được kết hợp với các công nghệ mới, tạo ra một nền tảng mạnh mẽ và hiệu quả cho việc quản lý dữ liệu địa lý.
Cơ Sở Lý Thuyết
1.2.1.1 Tổng quan và Định nghĩa về WebGIS
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ Internet, GIS đã tiến hóa để tạo ra WebGIS, cho phép chia sẻ thông tin địa lý qua mạng WebGIS mang lại tiềm năng lớn trong việc cung cấp thông tin địa lý hữu ích cho một lượng lớn người dùng toàn cầu Bằng cách sử dụng bản đồ trực tuyến, khách hàng có thể dễ dàng cập nhật dữ liệu nhằm phục vụ cho công tác quản lý Nhiều giải pháp bản đồ trực tuyến như Mapbender, MapBuilder, MapGuide Open Source, MapServer, OpenLayers, và Geoserver đã được phát triển, tất cả đều là phần mềm mã nguồn mở hỗ trợ xây dựng ứng dụng bản đồ trên nền tảng web Việc kết hợp WebGIS với phần mềm mã nguồn mở không chỉ mang lại hiệu quả cao mà còn giúp giảm chi phí đầu tư.
WebGIS là hệ thống thông tin địa lý trực tuyến, cho phép người dùng truy cập và tương tác với dữ liệu địa lý qua trình duyệt Hệ thống này cung cấp các tính năng như tra cứu thông tin, tìm kiếm địa điểm, đo đạc khoảng cách, và phân tích dữ liệu trên bản đồ trực tuyến.
WebGIS là một hệ thống thông tin địa lý được phân phối qua mạng Internet, sử dụng công nghệ GIS để cung cấp thông tin không gian và thuộc tính hữu ích cho người dùng Các công nghệ xây dựng WebGIS bao gồm MapServer, GeoServer, và ArcGIS Server, cho phép người dùng truy cập ứng dụng GIS mà không cần mua phần mềm WebGIS không chỉ cung cấp thông tin mà còn tích hợp các chức năng quản lý và tra cứu trong nhiều lĩnh vực như giao thông, du lịch, hành chính, nông nghiệp và môi trường.
WebGIS là công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực như địa chính, địa lý, kinh doanh, giáo dục, y tế và môi trường, giúp hiển thị thông tin địa lý và hỗ trợ quyết định Một số ứng dụng WebGIS phổ biến hiện nay bao gồm Google Maps, OpenStreetMap, ArcGIS Online và QGIS Cloud.
Hình 1.2 Kiến trúc tổng thể của hệ thống WebGIS
Kiến trúc ba tầng (3 tier):
Tầng client là phần mềm được cài đặt trên máy tính hoặc thiết bị của người dùng, có nhiệm vụ hiển thị và xử lý dữ liệu địa lý, giúp người dùng dễ dàng tương tác với hệ thống thông qua giao diện đồ họa trực quan Các trình duyệt web như Internet Explorer, Firefox, Chrome và phần mềm GIS như MapInfo, ArcGIS cho phép mở các trang web theo URL đã được định sẵn.
Tầng giao dịch, hay còn gọi là Application Server, có nhiệm vụ xử lý yêu cầu từ client và tương tác với các nguồn dữ liệu địa lý để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả Web Server như Tomcat, Apache và Internet Information Server tiếp nhận yêu cầu từ client, truy xuất dữ liệu từ cơ sở dữ liệu, và trình bày dữ liệu theo cấu hình hoặc yêu cầu của client Trong khi đó, Map Server như ArcGIS Server, MapServer và GeoServer thực hiện các truy vấn và phân tích không gian, sau đó trả kết quả về cho client.
Tầng dữ liệu là thành phần thiết yếu của hệ thống WebGis, đảm nhiệm việc lưu trữ và quản lý dữ liệu địa lý, bảo đảm tính toàn vẹn của dữ liệu Nó cung cấp các dịch vụ truy cập và điều khiển dữ liệu địa lý, cũng như quản lý hệ thống Các hệ quản trị cơ sở dữ liệu như PostgreSQL/PostGIS, Microsoft SQL Server, MySQL và Oracle được sử dụng để lưu trữ dữ liệu GIS và phi GIS, bên cạnh đó là các tập dữ liệu rời rạc như Shapefile, XML, v.v.
1.2.1.3 Cơ chế hoạt động của hệ thống WebGis
Hình 1.3 Cơ chế hoạt động của WebGis
Cơ sở dữ liệu không gian quản lý và truy xuất dữ liệu không gian trên Data Server, trong khi Clearing House lưu trữ và duy trì siêu dữ liệu Metadata từ các Data Server khác nhau Các thành phần quản lý dữ liệu, ứng dụng Server và mô hình Server được sử dụng để tính toán thông tin không gian qua các hàm cụ thể Kết quả tính toán từ ứng dụng Server sẽ được gửi đến Web Server, được tích hợp vào các gói HTML và hiển thị trên trình duyệt web cho phía client.
Khi người dùng gửi yêu cầu thông qua giao thức HTTP, Web Server sẽ nhận và xử lý yêu cầu đó Sau khi xử lý, Web Server sẽ chuyển tiếp yêu cầu đến ứng dụng trên Server liên quan để thực hiện các tác vụ cần thiết.
Máy chủ ứng dụng (Application Server) xử lý các yêu cầu từ ứng dụng GIS bằng cách gọi các hàm liên quan để tính toán Khi có yêu cầu về dữ liệu, nó sẽ chuyển tiếp yêu cầu đó đến Trung tâm Trao đổi Dữ liệu (Data Exchange Center) Trung tâm này tiếp nhận yêu cầu, xác định vị trí dữ liệu và gửi yêu cầu đến Máy chủ Dữ liệu (Data Server) chứa thông tin cần thiết.
(e) Data Server tiến hành truy vấn dữ liệu cần thiết và trả dữ liệu này về cho Data Exchange Center
(f) Data Exchange Center nhận nhiều nguồn dữ liệu từ Data Server, sắp xếp logic dữ liệu theo yêu cầu và trả dữ liệu về cho Application Server
(g) Application Server nhận dữ liệu trả về từ các Data Exchange Center và đưa chúng đến các hàm cần sử dụng, xử lý, trả kết quả về Web Server
Web Server nhận kết quả xử lý và thêm vào các mã HTML, PHP, v.v để hiển thị trên trình duyệt, sau đó gửi trả kết quả dưới dạng các trang web.
WebGIS là công cụ quan trọng trong dự báo thời tiết, giúp tổng hợp và hiển thị các dữ liệu như áp suất không khí, độ ẩm, gió và nhiệt độ từ nhiều nguồn khác nhau một cách dễ dàng và hiệu quả Các ứng dụng của WebGIS trong dự báo thời tiết rất đa dạng và hữu ích.
Hệ thống WebGIS cung cấp khả năng hiển thị dữ liệu thời tiết trên bản đồ, giúp người dùng dễ dàng nhận biết các điểm nóng và lạnh cũng như các điều kiện khí hậu đa dạng trên toàn cầu.
Hệ thống WebGIS cung cấp công cụ dự báo và theo dõi thời tiết hiệu quả cho người dùng, cho phép hiển thị dữ liệu dự báo trên bản đồ với thông tin liên tục và chính xác Chẳng hạn, hệ thống này có thể theo dõi cơn bão, cung cấp cảnh báo cho các khu vực bị ảnh hưởng, đồng thời hiển thị thông tin về vị trí, tốc độ và hướng di chuyển của bão trên bản đồ.
Hệ thống WebGIS có khả năng đánh giá tác động của thời tiết đến các khu vực khác nhau, từ đó hỗ trợ các nhà quản lý thời tiết trong việc đưa ra quyết định ứng phó hiệu quả với các tác động này.
XÂY DỰNG VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG
Xây dựng mô hình học sâu
Các bước xây dựng mô hình học sâu dự báo các chỉ số thời tiết được thể hiện trong hình 2.1
Hình 2.1 Xây dựng mô hình dự báo 2.1.1 Thu thập thông tin
Việc thu thập thông tin từ các nguồn webgis đáng tin cậy, như các tổ chức chính phủ và địa lý, là bước quan trọng đầu tiên trong quá trình chuẩn bị dữ liệu thô cho mô hình học sâu Dữ liệu được thu thập từ các tỉnh thành của Việt Nam theo định dạng chuẩn, giúp dễ dàng xử lý và sử dụng Để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả, nhóm thực hiện thu thập thông tin từ trang World Bank Group, bao gồm dữ liệu và bảng thống kê về thời tiết và môi trường, nhằm phục vụ cho việc phân tích dữ liệu sau này.
Sau khi thu thập dữ liệu cần thiết, việc tiền xử lý dữ liệu là rất quan trọng để nâng cao chất lượng dữ liệu và tối ưu hóa hiệu quả của mô hình.
Chuẩn hóa dữ liệu là quá trình đưa các giá trị về cùng một phạm vi hoặc đơn vị đo lường, giúp đảm bảo tính nhất quán cho mô hình học sâu.
• Xử lý dữ liệu thiếu có thể bị bỏ lỡ trong quá trình thu thập
Chuyển đổi dữ liệu thô thành các đặc chưng quan trọng, bao gồm thông tin thời tiết như nhiệt độ và lượng mưa tại các tỉnh, cùng với các lớp đối tượng trên bản đồ.
Tách tập dữ liệu là bước quan trọng trong quá trình phát triển mô hình, bao gồm việc chia dữ liệu thành hai phần: tập huấn luyện và tập kiểm định Tập huấn luyện được sử dụng để đào tạo mô hình, trong khi tập kiểm định giúp đánh giá hiệu quả của mô hình sau khi huấn luyện.
Nhóm nghiên cứu đã đề xuất một mô hình mạng nơ ron LSTM mờ phức mới nhằm dự báo các chỉ số thời tiết tại Việt Nam, chú trọng đến dữ liệu chuỗi thời gian và chu kỳ thời gian Mô hình này nhận diện rõ ràng các yếu tố thời gian và chu kỳ, ví dụ như lượng mưa và nhiệt độ hàng năm thường có sự tương đồng theo chu kỳ mùa trong năm.
2.1.3.1 Xây dựng kiến trúc mạng nơ ron LSTM mờ phức
Kiến trúc mạng nơ ron LSTM mờ phức được trình bày trong hình 2.2 Kiến trúc đề xuất bao gồm có 3 lớp chính:
Dữ liệu tiền xử lý được chuyển đổi thành các giá trị mờ phức thông qua các hàm mờ như hàm mờ hình sine và hàm mờ gauss, dựa trên các chỉ số thời tiết thực tế.
Lớp ẩn: Lớp này được cấu trúc bởi các lớp ẩn LSTM mờ phức (CFLSTM) với các nút mạng được thể hiện bởi CFLSTM unit
Lớp đầu ra bao gồm việc tổng hợp thông tin từ lớp ẩn Tiếp theo, một lớp giải mờ phức tạp được áp dụng để chuyển đổi dữ liệu sang dạng số thực.
2.1.3.2 Học mạng nơ ron LSTM mờ phức
Quá trình học mạng sử dụng thuật toán lan truyền ngược, thuật toán tối ưu Adam và hàm mất mát MSE
2.1.4 Kiểm thử và đánh giá
Trong quá trình kiểm thử, nhóm sẽ kiểm tra tính năng và chức năng của hệ thống để đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định Ngoài ra, kiểm thử còn giúp phát hiện và khắc phục các lỗi cũng như vấn đề bảo mật, đảm bảo hệ thống đáp ứng đầy đủ yêu cầu của bài toán.
Sau khi hoàn thành kiểm thử, nhóm tiến hành đánh giá hiệu suất của mô hình học sâu trong hệ thống WebGIS Việc đánh giá này tập trung vào độ chính xác của dữ liệu dự báo, cùng với độ nhạy và độ đặc hiệu của mô hình Nhóm áp dụng phương pháp phân chia dữ liệu thành tập huấn luyện và tập kiểm tra, sử dụng các chỉ số đo lường như MSE và MAE để thực hiện đánh giá.
Phân tích, đặc tả và thiết kế hệ thống
Sau khi hoàn tất quá trình kiểm thử và đánh giá, nhóm đã tiến hành dự báo lượng mưa dựa trên dữ liệu đã được huấn luyện cho mô hình học máy tại ba khu vực: thành phố Hà Nội, thành phố Huế và thành phố Hồ Chí Minh.
2.2 Phân tích thiết kế hệ thống WebGIS
2.2.1 Đặc tả yêu cầu hệ thống
Hệ thống được xây dựng từ dữ liệu bản đồ, thông tin địa lý và dữ liệu thời tiết, yêu cầu thiết kế cơ sở dữ liệu để lưu trữ và quản lý thông tin Nhóm sử dụng GeoServer để kết nối đến cơ sở dữ liệu qua các giao thức như WMS, WFS và GeoJSON Sau khi kết nối, các lớp dữ liệu cần được đăng ký để hiển thị trên bản đồ, và dịch vụ WMS được cấu hình với các thông số như tên, định dạng đầu ra và quyền truy cập Ứng dụng WebGIS sử dụng API của dịch vụ WMS để lấy dữ liệu địa lý và hiển thị trên bản đồ Khi người dùng yêu cầu hiển thị dữ liệu dự báo thời tiết, hệ thống gửi yêu cầu đến Server và trả về kết quả từ Fuzzifier cho người dùng.
• Chi tiết xây dựng hệ thống WebGIS o Tạo Database trong PostgreSQL
Hình 2.4 Tạo Database trong PostgreSQL o Import dữ liệu vào PostGis
To add data to PostGIS, access the web interface at http://localhost:8080/geoserver/ne/wms Create workspaces and stores, and add layers to effectively manage your data online.
Hình 2.6 Tạo webgis trên Geoserver
2.2.1.2 Xác định các tác nhân của hệ thống
Bảng 2.1 Bảng tác nhân của hệ thống
STT Tên Tác Nhân Nhiệm Vụ
Là người giữ vai trò chính trong quản lý hệ thống WebGis
Các chức năng chính của quản trị viên là:
- Là tác nhân có quyền truy cập đầy đủ vào hệ thống
- Thêm, sửa đổi và xóa các dữ liệu địa lý, cấu hình hệ thống
- Quản trị và phân quyền truy cập cho người dùng
-Giám sát hoạt động của hệ thống và xử lý các sự cố kỹ thuật -Duy trì và quản lý hệ thống
Bao gồm các cá nhân, tổ chức sử dụng hệ thống để truy cập, sử dụng thông tin địa lý
Các chức năng chính của người dùng:
- Xem bản đồ, tìm kiếm thông tin
- Tương tác với hệ thống
- Thực hiện các tác vụ khác trên bản đồ
• Biểu đồ Use-Case tổng quát
Hình 2.7 Biểu đồ Usecase tổng quát
2.2.2 Đặc tả và phân tích chức năng của hệ thống
2.2.2.1 Use-case xem bản đồ
Bảng 2.2 Bảng đặc tả use-case xem bản đồ
Tên use-case Xem bản đồ
Chức năng cho phép người dùng xem thông tin tỉnh thành trên bản đồ web Để kích hoạt tính năng này, người dùng cần chọn tỉnh mà họ muốn xem thông tin Điều kiện tiên quyết là người dùng đã truy cập vào trang web Khi tất cả các điều kiện được đáp ứng, hệ thống sẽ hiển thị thông tin về tỉnh thành mà người dùng đã chọn.
Luồng sự kiện Tác nhân Hệ thống phản hồi
1 Tác nhân chọn tỉnh thành muốn xem thông tin tại trang web
2 Hệ thống hiển thị thông tin tỉnh tương ứng với danh mục tỉnh thành mà tác nhân chọn
2.2.2.2 Use-case truy vấn thông tin trên bản đồ
Bảng 2.3 Bảng đặc tả use-case truy vấn thông tin trên bản đồ
Tên use-case Truy vấn thông tin
Chức năng truy vấn thông tin bản đồ trên trang web cho phép tác nhân tìm kiếm và hiển thị thông tin liên quan đến tỉnh thành mà họ chọn Để kích hoạt chức năng này, tác nhân cần ấn chọn biểu tượng "Query" trên thanh công cụ trang web Trước khi thực hiện chức năng này, tác nhân cần truy cập vào trang web Khi chức năng được thực hiện thành công, hệ thống sẽ hiển thị thông tin truy vấn liên quan đến tỉnh thành mà tác nhân đã chọn.
Tác nhân Hệ thống phản hồi
1 Tác nhân chọn biểu tượng Query
2 Hiển thị bảng chứa các thông tin của tỉnh thành
3 Tác nhân chọn tỉnh thành muốn truy vấn dữ liệu trên bản đồ
4 Hiển thị highlight hình ảnh tỉnh thành được chọn
• Dữ liệu bản đồ o Dữ liệu thuộc tính
Hình 2.8 Dữ liệu thuộc tính o Dữ liệu không gian mã hóa
Hình 2.9 Dữ liệu không gian mã hóa
Hình 2.10 Lược đồ quan hệ dữ liệu
