BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Tiếng Việt GEOTIFF Tagged Image File Format for GIS applications Là định dạng đặc biệt dùng để lưu trữ dữ liệu ảnh số kèm theo các th
Trang 1ĐẠI 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: 60480101
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
HÀ NỘI - 2021
Trang 2BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Diễn giải Tiếng Việt
GEOTIFF Tagged Image File Format for GIS
applications
Là định dạng đặc biệt dùng để lưu trữ dữ liệu ảnh số kèm theo các thông tin định vị địa lý của tấm ảnh; dữ liệu DEM và DSM ở dạng raster DDA Digital Differential Analyzer Thuật toán vẽ đường thẳng
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 Mẫu kiến trúc phần mềm để tạo lập giao diện
người dùng trên máy tính
MXD Map Exchange Document
Một sản phẩm liên quan đến bộ ArcGIS do Esri sản xuất, chứa bản đồ, chi tiết cụ thể về dữ liệu GIS được sử dụng, thông tin hiển thị 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
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)
WKT Well-Known Text Ngôn ngữ đánh dấu văn bản cho các đối tượng
hình học cấu trúc vector trên bản đồ
WRF The Weather Research and
Trang 3MỤC LỤC
BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1
MỤC LỤC 2 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 3
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 4
LỜI MỞ ĐẦU 4
Chương 1 TỔNG QUAN 6
1.1 Thực trạng chất lượng không khí và biến đổi khí hậu tại Việt Nam 6
1.2 Các loại dữ liệu và nguồn cung cấp dữ liệu 6
1.2.1 Các định dạng dữ liệu không gian 6
1.2.2 Các loại dữ liệu 7
1.3 Tổng quan về WebGIS 7
1.4 Một số hệ thống cung cấp thông tin chất lượng không khí và khí tượng 7
1.5 Kết chương 7
Chương 2 CÁC KỸ THUẬT, CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEBGIS 7 2.1 Cơ sở dữ liệu không gian 7
2.2 Công nghệ bản đồ số 7
2.3 Các phép nội suy ảnh 7
2.4 Phương pháp chuyển đổi tọa độ giữa (longtitude, latitude) với tạo độ (x,y) trên ảnh GeoTiff 7 2.4.1 Chuyển đổi tọa độ (longtitude, latitude) trên bản đồ thành tọa độ (x,y) trên ảnh 7
2.4.2 Chuyển đổi tọa tọa độ (x,y) trên ảnh thành độ (longtitude, latitude) trên bản đồ 8
2.5 Phương pháp xác định điểm nằm trên một đoạn thẳng 8
2.6 Kết chương 9
Chương 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEBGIS 9
3.1 Mô tả bài toán 9
3.2 Dữ liệu thực nghiệm 9
3.3 Kiến trúc hệ thống 9
3.3.1 Kiến trúc hệ thống WebGIS 9
3.4 Các công nghệ sử dụng để xây dựng hệ thống 10
3.5 Phân tích các chức năng của hệ thống 10
3.5.1 Xác định các Actor và Use Case 10
3.5.2 Đặc tả danh sách các Use Case 11
Trang 43.6 Tổ chức và xử lý dữ liệu chất lượng không khí và khí tượng 11
3.6.1 Tổ chức dữ liệu 11
3.6.2 Xử lý dữ liệu 13
3.7 Các kỹ thuật lấy dữ liệu 16
3.7.1 Kỹ thuật đọc giá trị dữ liệu khí tượng từ tọa độ (longtitude, latitude) trên bản đồ 16
3.7.2 Kỹ thuật lấy các giá trị khí tượng từ đa giác vùng chọn 17
3.7.3 Kỹ thuật lấy các giá trị khí tượng từ tập các đoạn thẳng liền nhau được chọn 17
3.7.4 Kỹ thuật hiển thị dữ liệu gió 17
3.8 Thiết kế một số giao diện của hệ thống 18
3.9 Cấu hình cài đặt, triển khai hệ thống 20
3.10 Kết chương 20
Chương 4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG WEBGIS 20
4.1 Mục đích và cách thực hiện đánh giá chất lượng hệ thống 20
4.2 Báo cáo kết quả khảo sát đánh giá chất lượng hệ thống 20
4.2.1 Bảng danh sách các tính năng để đánh giá, thử nghiệm 20
4.2.2 Kết quả đánh giá chất lượng hệ thống 21
4.3 Kết chương 21
KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG 22
TÀI LIỆU THAM KHẢO 23
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Chuyển đổi tọa độ (longtitude, latitude) trên bản đồ thành tọa độ (x,y) trên ảnh GeoTiff 8
Hình 2.2 Biểu diễn đoạn thẳng AB trong đồ họa máy tính 8
Hình 3.1 Kiến trúc xây dựng hệ thống WebGIS 10
Hình 3.2 Sơ đồ Use Case tổng quan hệ thống WebGIS 11
Hình 3.3 Thông tin các cột trong bảng giá trị 12
Hình 3.4 Thông tin các cột trong bảng chỉ số 12
Hình 3.5 Quy trình thực hiện việc cập nhật dữ liệu gió 14
Hình 3.6 Quy trình thực hiện việc cập nhật dữ liệu thuộc tính 15
Hình 3.7 Quy trình thực hiện việc xuất bản dịch vụ bản đồ 15
Hình 3.8 Lấy giá trị theo các ô liên tiếp nhau 17
Hình 3.9 Các thành phần u, v, m tại 1 vị trí trên điểm ảnh và thành phần NoData bị loại bỏ 18
Hình 3.10 Dải màu hiển thị cấp độ gió trên bản đồ 18
Hình 3.11 Giao diện chính của hệ thống WebGIS 18
Hình 3.12 Màn hình xem thông tin dữ liệu tại một vị trí được chọn trên bản đồ 18
Hình 3.13 Màn hình thống kê giá trị trung bình và đưa lên bản đồ của dữ liệu theo đơn vị hành chính 19
Trang 5Hình 3.14 Màn hình lập biểu đồ giá trị trung bình của dữ liệu theo đơn vị hành chính 19 Hình 3.15 Màn hình phân tích dữ liệu nằm trong một vùng chọn được vẽ trên bản đồ 19 Hình 3.16 Màn hình phân tích dữ liệu giao với các đoạn thẳng liên tiếp nhau được vẽ trên bản đồ 20
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Lược đồ quan hệ cơ ở dữ liệu thuộc tính 13 Bảng 4.1 Danh sách các tính năng để đánh giá chất lượng hệ thống 20
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
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 Windy , aqicn.org , iqair.com , còn tại Việt Nam có thể kể đến là các cổng thông tin quan trắc môi trường về chỉ số chất lượng không khí: cem.gov.vn , moitruongthudo.vn 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,
Trang 6các 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
3 Nội dung nghiên cứu
Luận văn mang nhiều tính áp dụng công nghệ và nâng cao khả năng lập trình trong lĩnh vực GIS, kết hợp nhiều kiến thức của các ngành khác 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
Trang 74 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: góp phần xây dựng cơ sở khoa học trong việc nghiên cứu và ứng dụng WebGIS
trong lĩnh vực ô nhiễm không khí và khí tượng
Ý nghĩ 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 bày 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
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Thực trạng chất lượng không khí và biến đổi khí hậu tại Việt Nam
1.2 Các loại dữ liệu và nguồn cung cấp dữ liệu
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, vùng, gồm 2 định dạng cơ bản vectơ và dữ liệu raster
1.2.1.2 Dữ liệu thuộc tính
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
1.2.1.3 Dữ liệu thời gian
Dữ liệu thời gian là dữ liệu thuộc tính, 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
Trang 8Dữ liệu chuỗi thời gian: là một 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 một – một (một bản ghi thời gian - một đối tượng không gian)
1.2.2 Các loại dữ liệu
1.2.2.1 Tổng quan
1.2.2.2 Các loại dữ liệu khí tượng
Các thành phần dữ liệu khí tượng được nghiên cứu trong luận văn bao gồm: Áp suất không khí, Độ
ẩm tương đối, Nhiệt độ điểm sương, Nhiệt độ không khí, Gió
1.2.2.3 Các loại chất lượng không khí
Bụi mịn PM2.5: Là những hạt bụi li ti có trong không khí với kích thước 2,5 micron trở xuống, được hình thành từ các chất như nitơ, carbon và các hợp chất kim loại khác
1.2.2.4 Các nguồn cung cấp số liệu chất lượng không khí và khí tượng
Chương 2 CÁC KỸ THUẬT, CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG
WEBGIS 2.1 Cơ sở dữ liệu không gian
x = (A Longtitude – xMin) / (xMax − xMin) ∗ width (2.1)
y = (yMax − A Latitude) / (yMax − yMin) ∗ height (2.2)
Trang 9Hình 2.1 Chuyển đổi tọa độ (longtitude, latitude) trên bản đồ thành tọa độ (x,y) trên ảnh GeoTiff
2.4.2 Chuyển đổi tọa tọa độ (x,y) trên ảnh thành độ (longtitude, latitude) trên bản đồ
Chúng ta cũng cần 1 cách thức để có thể chuyển dữ liệu tọa độ dạng tọa độ (x, y) từ màn hình sang dạng (longtitude, latitude) trên bản đồ, nó chính là bài toán ngược đã mô tả trong phần 2.4.1 Mục đích chính của việc này để hỗ trợ việc hiển thị dữ liệu gió, với tọa độ (x, y) cho trước, ta cần biết nó sẽ nằm tại vị trí nào trên bản đồ, để biết được chính xác 4 điểm lân cận gần nhất, sau đó sẽ thực hiện phép nôi suy song tuyến nhằm đưa ra các giá trị thành phần của dữ liệu gió
Ta giả định cùng 1 kích thước màn hình (w, h), sẽ có những trạng thái bản đồ khác nhau Trạng thái full-extent (xmin, ymin, xmax, ymax) của bản đồ chính là khi extent được thiết lập trong ảnh tiff, còn các trạng thái extent(xmin’, ymin’, xmax’, ymax’) khác do người dùng phòng to / thu nhỏ bản đồ Công thức chuyển đổi như sau:
Longtitude = (x / w) ∗ (xmax’ − xmin’) + xmin’ (2.3) Latitude = (h − y) / h ∗ (ymax’ – ymin’) + ymin’ (2.4)
2.5 Phương pháp xác định điểm nằm trên một đoạn thẳng
Do hoàn toàn không biết được giữa 2 điểm A, B có bao nhiêu điểm và tọa độ của các điểm đó là gì nên cần có 1 thuật toán cho phép xây dựng 1 đoạn thẳng đi từ điểm A đến điểm B sao cho các điểm
trên đường đi này gần với phương trình đường thẳng nhất Thuật toán Bresenham sẽ thực hiện được
vấn đề này Khi sử dụng thuật toán này thì ta có thể liệt kê ra được các điểm nằm trên đoạn thẳng nối
từ A đến B và từ đó lấy ra được các giá trị tại từng điểm tương ứng
Hình 2.2 Biểu diễn đoạn thẳng AB trong đồ họa máy tính
Việc xác định được các điểm nằm trên một đoạn thẳng sẽ hỗ trợ tốt trong quá trình phân tích bản đồ
Trang 102.6 Kết chương
Chương này giới thiệu chi tiết về các công nghệ, kỹ thuật được sử dụng trong việc xây dựng và phát triển hệ thống WebGIS hỗ trợ trực quan hóa và phân tích dữ liệu chất lượng không khí và khí tượng theo không gian và thời Đây là các kiến thức được tổng hợp lại trong quá trình tìm hiểu và phát triển
hệ thống một cách cô đọng và cơ bản nhất Dựa trên những kiến thức này, luận văn sẽ tìm hiểu bài toán thực tế thông qua khảo sát, phân tích, đặc tả các chứng năng, xây dựng kiến trúc hệ thống trong chương sau
Chương 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEBGIS 3.1 Mô tả bài toán
Các Website về chất lượng không khí và khí tượng có cung cấp một số tính năng, tuy nhiên, các tính năng này 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 chất lượng không khí và khí tượng Nhu cầu thực tế là cần một hệ thống hoàn chỉnh, phong phú tiện ích và có khả năng triển khai rộng rãi trên nền tảng Web với những tính năng, yêu cầu chủ yếu là:
− Là hệ thống WebGIS: cho phép nhiều người sử dụng, nghiên cứu có thể truy cập và xử lý cùng lúc
− Xử lý dữ liệu (người quản trị đảm nhiệm):
o Cung cấp giải pháp để đưa dữ liệu thuộc tính của ảnh vào CSDL
o Cung cấp giải pháp để các dịch vụ bản đồ được tạo 1 cách tự động
− Trực quan hóa (người dùng thực hiện): hiển thị dữ liệu khí tượng theo không gian và thời gian
− Tìm kiếm, phân tích (người dùng thực hiện): tìm kiếm các ảnh phù hợp và chồng lớp lên trên bản
đồ, lấy dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí PM2.5 tại các vị trí latitude, longtitude một cách dễ dàng Thống kê được dữ liệu tại các vùng được chọn, các đường liên tiếp nhau được chọn
Dựa trên những yêu cầu thực tiễn và tổng thể như vậy, bài toán cần đặt ra là “nghiên cứu và xây dựng hệ thống WebGIS trực quan hóa và phân tích bản đồ chất lượng không khí và khí tượng tại Việt Nam”
3.2 Dữ liệu thực nghiệm
Dữ liệu khí tượng: thu thập từ kho dữ liệu khí hậu toàn cầu C3S Climate Data Store (CDS), tháng 1 năm 2020, định dạng GRIB, giới hạn khu vực địa lý trong khu vực Việt Nam, sau đó sẽ được tiền xử lý chạy qua hệ thống mô hình WRF, đầu ra là các ảnh định dạng GeoTiff có kích cỡ 468x768 pixel
Dữ liệu bản đồ PM2.5 sử dụng mô hình thống kê Mixed Effect Model để ước tính từ ảnh sol khí vệ tinh, được giới hạn khu vực địa lý trong khu vực Việt Nam, độ phân giải không gian là 3km, đầu ra là các ảnh định dạng GeoTiff có kích cỡ 468x768 pixel
3.3 Kiến trúc hệ thống
3.3.1 Kiến trúc hệ thống WebGIS
Các thành phần của kiến trúc hệ thống WebGIS bao gồm: Controller, Local Services, Model, Database & EF, View
Trang 11Hình 3.1 Kiến trúc xây dựng hệ thống WebGIS
3.4 Các công nghệ sử dụng để xây dựng hệ thống
Công nghệ GIS Server: ArcGIS Server, công nghệ GIS Client: ArcGIS API JavaScript
Framework: ASP.NET MVC
Ngôn ngữ lập trình: C#, Python
Các thư viện hỗ trợ: ArcPy, GDAL, Dojo, JQuery, Highchart, …
3.5 Phân tích các chức năng của hệ thống
3.5.1 Xác định các Actor và Use Case
3.5.1.1 Danh sách các Actor
Người quản trị: đưa dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí PM2.5 được thu thập mới nhất vào GeoTiffStore để hệ thống cật nhật dữ liệu thuộc tính vào CSDL và xuất thành các dịch vụ bản đồ mới nhất để hiển thị lên hệ thống
Người sử dụng: truy vấn, tìm kiếm, phân tích, thống kê dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí PM2.5
3.5.1.2 Danh sách các Use Case
Use Case đối với người quản trị:
− Cập nhật dữ liệu thuộc tính vào CSDL
− Xuất thành các dịch vụ bản đồ
Use Case đối với người sử dụng:
− Tương tác với bản đồ, bao gồm: Phóng to/thu nhỏ bản đồ bản đồ, Giữ phạm vi bản đồ trong lần vào trang web tiếp theo, Bật/tắt các lớp bản đồ, Hiển thị thông tin tọa độ khi di chuyển con trỏ trên bản đồ, Vẽ khu vực để phân tích, thống kê dữ liệu
− Trực quan hóa dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí PM2.5, bao gồm: Overlay ảnh khí tượng và chất lượng không khí lên trên bản đồ, Hiển thị được loại dữ liệu được cấu hình từ CSDL, Hiển thị được dữ liệu mới nhất lên trên bản đồ, Biểu diễn dữ liệu gió lên bản đồ theo hướng và tốc độ gió, Biểu diễn dữ liệu theo thời gian
− Phân tích dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí PM2.5, bao gồm: Xem thông tin dữ liệu tại một vị trí được kích trên bản đồ, Xác định tập giá trị dữ liệu nằm trong một vùng được chọn được vẽ trên bản đồ, Xác định tập giá trị dữ liệu giao với các đoạn thẳng liên tiếp nhau được vẽ trên bản đồ, Thống kê giá trị trung bình của dữ liệu theo tỉnh thành được chọn
Trang 12− Lập biểu đồ theo thời gian dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí PM2.5
Hình 3.2 Sơ đồ Use Case tổng quan hệ thống WebGIS
3.5.2 Đặc tả danh sách các Use Case
3.6 Tổ chức và xử lý dữ liệu chất lượng không khí và khí tượng
3.6.1 Tổ chức dữ liệu
Dữ liệu là dạng ảnh tiff, có dạng ma trận mhàng x ncột, trong đó mỗi ô sẽ có 1 giá trị hoặc không có giá trị (quy ước gọi những giá trị này là NoData), hệ thống sẽ phân tích, đọc và lưu vào CSDL thông qua
bộ thư viện GDAL Để lưu vào CSDL, theo truyền thống sẽ có 2 phương pháp sau:
- Phương pháp 1: lưu toàn bộ giá trị thuộc tính (kể cả giá trị NoData) vào bảng dữ liệu, tức là lưu giá trị thuộc tính toàn bộ các ô của ảnh GeoTiff vào CSDL
Phương pháp 2: không lưu toàn bộ giá trị thuộc tính mà chỉ lưu những giá trị khác NoData của ảnh GeoTiff vào CSDL
Với phương pháp 1, nếu lưu toàn bộ vào CSDL ta sẽ cần m x n bản ghi, điều này gây nên sự lãng phí bộ nhớ do có rất nhiều giá trị NoData Với phương pháp 2, đã giảm thiểu đáng kể do loại bỏ giá trị NoData, tuy nhiên, số lượng bản ghi vẫn khá lớn sẽ gây nên vấn đề truy vấn bị chậm theo thời gian do toàn bộ dữ liệu chỉ được lưu vào 1 địa chỉ Từ những lý do trên, cần phải có một giải pháp vừa chỉ lưu những dữ liệu có ý nghĩa và vừa không bị chậm khi truy vấn
3.6.1.1 Dữ liệu thuộc tính
Dữ liệu gió
Cần phải đọc đồng thời dữ liệu của hướng và tốc độ gió, sau đó đưa chúng vào 1 mảng và lưu trữ chúng dưới dạng tệp được kết xuất ra các thành phần [u,v], được tải lên FTP server nhằm mục đích chia
sẻ trên môi trường Internet Cấu trúc tệp sẽ được lưu trữ sao cho vừa đảm bảo toàn vẹn dữ liệu, vừa phải
có dung lượng nhỏ Để ý thấy số lượng giá trị -1 liên tiếp nhau trên dữ liệu ma trận là rất lớn, nên chúng
ta sẽ không cần liệt kê toàn bộ mà sẽ thực hiện đếm số lần xuất hiện liên tiếp của -1 và lưu trữ vào, làm vậy sẽ làm giảm đáng kể được dung lượng (xuống còn khoảng 1MB) mà vẫn đảm bảo tính toàn vẹn của
dữ liệu Ví dụ thành phần u như trên giờ sẽ như sau: [-1, 5, 3.4, 3.5, 5.6, -1, 2, 4.5, 6.5,…] Định dạng cấu trúc gồm 3 thành phần như sau, cho cả 2 thành phần u,v:
header: lưu trữ thông tin về loại thành phần, thời gian dữ liệu, thông số chiều dài – rộng của ảnh
tiff, resolution, extent của ảnh tiff trên bản đồ, …
