BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 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 thô
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THỊ NHẬT THANH
HÀ NỘI - 2013
Trang 3MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 8
LỜI MỞ ĐẦU 9
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ẢNH VIỄN THÁM, GIS, WEBGIS VÀ SOL KHÍ QUYỂN 13
1.1.Khái niệm chung về ảnh viễn thám 13
1.1.1.Lịch sử ra đời 13
1.1.2.Định nghĩa 14
1.1.3.Nguyên lý cơ bản của viễn thám 14
1.1.4.Đặc trưng của ảnh viễn thám 15
1.1.5.Các loại ảnh viễn thám phổ biến 17
1.1.6.Xử lý, giải đoán ảnh viễn thám 20
1.2.Khái niệm chung về GIS 22
1.2.1.Lịch sử ra đời 22
1.2.2.Định nghĩa 22
1.2.3.Các thành phần của GIS 23
1.2.4.Bản đồ địa lý GIS 24
1.2.5.Cấu trúc cơ sở dữ liệu của GIS 28
1.2.6.Một số tính năng chính của GIS 30
1.3.Tổng quan về WebGIS 33
1.3.1.Định nghĩa 33
1.3.2.Kiến trúc chung của WebGIS 34
Trang 41.3.3.Các mô hình triển khai WebGIS 35
1.3.4.Các thành phần trong hệ thống WebGIS 37
1.4.Khái niệm chung về sol khí quyển 40
1.4.1.Định nghĩa 40
1.4.2.Nguồn gốc hình thành sol khí 40
1.4.3.Ảnh hưởng sol khí tới khí hậu trái đất 41
1.4.4.Độ sâu sol khí (AOT) và liên hệ với ô nhiễm không khí 41
1.4.5.Giới thiệu một số hệ thống trên thế giới cung cấp thông tin về ảnh viễn thám để nghiên cứu 42
1.4.6.Xây dựng định hướng, mục tiêu bài toán nghiên cứu về AOT 46
1.5.Kết luận 47
Chương 2.CÁC KỸ THUẬT, CÔNG NGHỆ ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEBGIS 48
2.1.Công nghệ bản đồ số trực tuyến Google Map 48
2.1.1.Một số tính năng của Google Map API 48
2.1.2.Một số biểu đồ Google Chart API 50
2.1.3.Truy vấn dữ liệu từ Google Fusion Table 51
2.2.Xử lý ảnh viễn thám khí tượng MODIS 52
2.2.1.Thông tin chung về ảnh AOT MODIS 52
2.2.2.Download ảnh AOT MOD04 Level 2 53
2.2.3.Tách band AOT ảnh MOD04 L2 định dạng HDF sang GeoTiff 54
2.2.4.Chuyển định dạng GeoTiff thành các định dạng khác 57
2.3.Truy vấn cơ sở dữ liệu không gian PostGIS 59
2.3.1.Tổ chức và lưu trữ dữ liệu không gian trong PostGIS 59
2.3.2.Lưu đường dẫn các thư mục ảnh viễn thám theo ngày vào PostGIS 60
2.3.3.Một số câu lệnh, hàm truy vấn không gian của PostGIS 61
2.3.4.Chèn dữ liệu dạng vector shapefile vào PostGIS 62
2.4.Thuật toán lấy dữ liệu AOT từ vùng chọn trên Google Map 63
2.4.1.Chuyển dữ liệu từ dạng (latitude, longtitude) sang dạng (x, y) 64
Trang 52.4.2.Thuật toán đọc giá trị AOT từ điểm thuộc đa giác vùng chọn 66
2.4.3.Thuật toán đọc giá trị AOT từ điểm thuộc đoạn thẳng được chọn 69
2.5.Kết luận 72
Chương 3.XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEBGIS 73
3.1.Mô tả bài toán 73
3.2.Các công nghệ, kỹ thuật được sử dụng để xây dựng hệ thống 74
3.3.Kiến trúc hệ thống 76
3.4.Thiết kế cơ sở dữ liệu 77
3.5.Phân tích các chức năng của hệ thống 79
3.5.1.Xác định các Actor và Use Case 79
3.5.2.Xây dựng biểu đồ Use Case của toàn hệ thống 80
3.5.3.Đặc tả danh sách các Use Case 81
3.5.3.1 Use case 01: Tạo ảnh GeoTiff từ HDF 81
3.5.3.2 Use case 02: Tạo các ảnh output từ ảnh GeoTiff 82
3.5.3.3 Use case 03: Cập nhật ảnh GeoTiff vào database 82
3.5.3.4 Use case 04: Tương tác bản đồ 83
3.5.3.5 Use case 05: Tìm kiếm ảnh viễn thám 89
3.5.3.6 Use case 06: Xem và download ảnh viễn thám 90
3.5.3.7 Use case 07: Trực quan hóa ảnh viễn thám 91
3.5.3.8 Use case 08: Thống kê gía trị AOT 96
3.5.3.9 Use case 09: Lập biểu đồ dữ liệu AOT: 100
3.6.Thiết kế một số giao diện của hệ thống 103
3.6.1.Giao diện chính của hệ thống 103
3.6.2.Giao diện phần công cụ sử tương tác với Google Map 103
3.6.3.Giao diện phần tìm kiếm, trực quan ảnh 104
3.6.4.Giao diện phần lâp biểu đồ giá trị AOT 104
3.7.Cấu hình cài đặt, triển khai hệ thống 105
3.7.1.Mô hình triển khai hệ thống 105
3.7.2.Phần mềm 105
Trang 63.7.3.Phần cứng 106
3.8.Kết luận 106
Chương 4 KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG WEBGIS QUA THƯC TẾ 107
4.1.Mục đích và cách thực hiện đánh giá chất lượng hệ thống 107
4.2.Báo cáo kết quả khảo sát đánh giá chất lượng hệ thống 108
4.2.1.Bảng danh sách các tính năng dùng để đánh giá, thử nghiệm 108
4.2.2.Danh sách người tham gia đánh giá thử nghiệm hệ thống 109
4.2.3.Kết quả đánh giá khảo sát chất lượng hệ thống 109
4.3.Kết luận 111
TÀI LIỆU THAM KHẢO 114
PHỤ LỤC 1
Trang 7BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
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
WebGIS Website Geographic
Information System
Hệ thống thông tin địa lý trên nền tảng Web WWW
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
Ngôn ngữ đánh dấu văn bản cho các đối tượng hình học cấu trúc vector trên bản đồ
MODIS Moderate Resolution Imaging
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của ảnh viễn thám 15
Hình 1.2 Ảnh viễn thám đa phổ trên các đối tượng khác nhau 17
Hình 1.3 Ảnh viễn thám khí tượng MODIS trong nghiên cứu bão 19
Hình 1.4 Thông tin metadata của ảnh vệ tinh MOD04 L2 20
Hình 1.5 Phân lớp ảnh viễn thám theo chỉ số thực vật 21
Hình 1.6 Xây dựng hệ thống GIS với các tính năng cơ bản 24
Hình 1.7 Biểu diễn bề mặt trái đất lên bản đồ phẳng (Keith Clarke, 1995) 24
Hình 1.8 Biểu diễn tọa độ địa lý của một điểm trên bề mặt trái đất 26
Hình 1.9 Lưới chiếu bản đồ Google Map theo kinh độ và vĩ độ 26
Hình 1.10 So sánh sự khác biệt về hình dạng của các hệ quy chiếu 27
Hình 1.11 Chia nhỏ bản đồ thành các mảnh trên Google Map 27
Hình 1.12 Các kiểu dữ liệu vector biểu diễn các đối tượng tự nhiên của GIS 29
Hình 1.13 Chuyển đổi kiểu đối tượng từ vector sang raster 29
Hình 1.14 Mô hình chồng xếp lớp dữ liệu vector và raster 31
Hình 1.15 Một số mối liên hệ giữa các đối tượng vector trong không gian 32
Hình 1.16 Phân lớp ảnh viễn thám Landsat theo từng đối tượng riêng biệt 33
Hình 1.17 Kiến trúc hoạt động của WebGIS qua mạng Internet 35
Hình 1.18 Mô hình triển khai WebGIS trên nền tảng Client – Server 36
Hình 1.19 Ứng dụng tra cứu tình trạng lũ lụt nền tảng Google mashup 37
Hình 1.20 Mối liên hệ giữa dữ liệu AOT và ô nhiễm PM tại Houston năm 2000 42
Hình 1.21 Một số loại ảnh AOT cung cấp của hệ thống Giovanni 43
Hình 1.22 Kết quả ảnh viễn thám MOD04 L2 từ LadsWeb NASA để download 44
Hình 1.23 Biểu đồ thể hiện sự tăng giảm AOT trong tháng 8 năm 2013 44
Hình 1.24 Bản đồ thể hiện sự phân bổ giá trị AOT theo thời gian trên toàn thế giới 45
Hình 1.25 Lấy giá trị AOT tại một điểm dùng Quantum GIS 46
Hình 2.1 Ví dụ thống kê dữ liệu AOT theo từng ảnh viễn thám trên Google Chart 51
Hình 2.2 Truy vấn dữ liệu vector từ Fusion Table và hiển thị trên Google Map 51
Hình 2.3 Sự tương quan giữa ảnh AOT MODIS 1 kilomet và 10 kilomet 52
Hình 2.4 Download ảnh MODIS 4 Level 2 từ webiste của NASA 53
Hình 2.5 Download ảnh HDF theo tham số tìm kiếm từ NASA 54
Hình 2.6 Đọc danh sách sub dataset từ file HDF và lấy ra tên dataset quan tâm 55
Hình 2.7 Đọc các điểm mốc tọa độ mặt đất GCP từ file HDF 55
Hình 2.8 Mã nguồn Python tạo ảnh GeoTiff từ ảnh MOD04 L2 HDF 56 Hình 2.9 So sánh ảnh GeoTiff chưa lọc phủ mầu đen và ảnh PNG đã lọc và overlay 57
Trang 9Hình 2.10 Ảnh AOT mầu và ảnh AOT heatmap tạo ra từ ảnh GeoTiff 58
Hình 2.11 Tách dữ liệu metadata từ GeoTiff để hỗ trợ overlay lên Google Map 59
Hình 2.12 Mối liên hệ giữa ảnh viễn thám và vùng chọn trên Google Map 62
Hình 2.13 Bản đồ shapefile Level 0 thể hiện vùng biên giới địa lý giữa các quốc gia 63 Hình 2.14 Ảnh viễn thám dạng tọa độ (x, y) và tọa độ (latitude, longtitude) 64
Hình 2.15 Đọc dữ liệu AOT trên Google Map theo công thức quy đổi điểm ảnh 66
Hình 2.16 Thuật toán Ray Casting xác đỉnh điểm thuộc đa giác 67
Hình 2.17 Các trường hợp xét điểm nằm trong hay ngoài đa giác 67
Hình 2.18 Biểu diễn đoạn thẳng AB trong đồ họa máy tính 69
Hình 2.19 Thuật toán MidPoint tìm điểm gần với đường thẳng nhất 70
Hình 3.1 Kiến trúc xây dựmg hệ thống WebGIS nguồn mở 76
Hình 3.2 Sơ đồ Use Case tổng quan hệ thống WebGIS nguồn mở 81
Hình 3.3 Giao diện chính của hệ thống WebGIS 103
Hình 3.4 Giao diện công cụ tương tác trên bản đồ Google Map 103
Hình 3.5 Giao diện phần tìm kiếm, trực quan ảnh 104
Hình 3.6 Lập biểu đồ giá trị AOT trên đoạn thẳng Polyline theo kilomet 104
Hình 3.7 Mô hình Client – Server triển khai hệ thống trên localhost 105
Hình 4.1 Biểu đồ kết quả khảo sát thể hiện % trả lời đúng đối với mỗi tác vụ 110
Hình 4.2 Biểu đồ thể hiện thời gian thực hiện khảo sát từng tác vụ 110
Hình 4.3 Biểu đồ thể hiện nhận xét phản hồi về tính năng của hệ thống 111
Trang 10DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tóm tắt sự phát triển của viễn thám theo các sự kiện 13
Bảng 1.2 Thông số về các kênh ảnh của vệ tinh Landsat TM 18
Bảng 1.3 Thông số về các kênh của vệ tinh SPOT 18
Bảng 1.4 Thông số về các kênh phổ của ảnh MODIS 20
Bảng 1.5 So sánh ưu nhược điểm của kiểu đối tượng dữ liệu vector và raster 30
Bảng 1.6 Chi tiết một số mối quan hệ giữa các đối tượng trong không gian 31
Bảng 2.1 Một số tính năng của Google Map API được sử dụng trong hệ thống 48
Bảng 3.1 Các công nghệ, kỹ thuật dùng để xây dựng hệ thống WebGIS nguồn mở 74
Bảng 3.2 Danh sách các bảng trong cơ sở dữ liệu PostGIS 78
Bảng 4.1 Danh sách các tính năng yêu cầu người sử dụng khảo sát, đánh giá 108
Bảng 4.2 Danh sách các đối tượng tham gia khảo sát đánh giá hệ thống 109
Trang 11LỜI MỞ ĐẦU
1 Đặt vấn đề, định hướng nghiên cứu
Con người đã có những bước tiến mạnh mẽ trong những thập kỷ 60 của thế kỷ 20
để đưa vệ tinh lên quỹ đạo với mục đích là chinh phục không gian và khai phá tiềm năng rộng lớn từ bề mặt trái đất Trải qua hơn nửa thế kỷ, con người đã đạt rất nhiều bước tiến đột phá trong việc tìm hiểu về vũ trụ cũng như về trái đất nhờ có những thông tin quý giá từ các tầu vụ trũ, vệ tinh gửi về theo chu kỳ thường xuyên Các lĩnh vực mà ảnh viễn thám có vai trò chủ chốt là rộng lớn [1]
Ứng dụng trong quản lý biến đổi môi trường, giám sát biến đổi về nông lâm nghiệp, cháy rừng, ô nhiễm không khí, nguồn nước…
Phân loại các địa hình đất đai, đánh giá độ che phủ, xói mòn đất và rừng, thành lập các bản đồ địa chất, bản đồ phân bổ tài nguyên, thiên nhiên
Viễn thám trong khí tượng thủy văn: cập nhật tình hình khí hậu theo từng vùng quốc gia, địa phương, hỗ trợ dự báo thời tiết: nắng, mưa, bão và lũ lụt, tác động của các hiện tượng thiên nhiên cực đoan như: bão, núi lửa, cháy rừng,…với môi trường và sức khỏe con người
Tuy nhiên, lĩnh vực khai phá, xử lý ảnh viễn thám thu được từ vệ tinh sẽ gặp rất nhiều khó khăn nếu không 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
Ở đây, rõ ràng ai cũng có thể hiểu sự kết hợp giữa 2 ngành công nghệ viễn thám và GIS có thể đem lại các lợi ích to lớn Nhưng trong lĩnh vực công nghệ phần mềm, các sản phẩm cho GIS còn rất nhiều hạn chế về sự phổ biến do rào cản chi phí thương mại hoặc các tính năng đặc thù cho từng chuyên ngành như: tài nguyên, môi trường, đất đai,…khiến việc tiếp cận là rất khó khăn Còn với ảnh viễn thám thì ngay cả khi tìm được 1 nguồn cung cấp ảnh miễn phí, việc thiếu công cụ trực quan, tương tác với ảnh
để trích xuất thông tin và khai phá dữ liệu từ ảnh là một vấn đề nan giải
Trang 12Thực tế, việc học và nghiên cứu hệ thống thông tin địa lý tại các trường Đại học chủ yếu dựa trên các phần mềm thương mại, chạy như một ứng dụng trên hệ điều hành Windows, ví dụ: ArcMap,ArcCatalog,ArcToolbox, MapInfo,…Các phần mềm này dù nhiều tính năng, dễ sử dụng nhưng có nhược điểm lớn là: bản quyền theo từng máy tính và giá bản quyền rất đắt (Phiên bản ArcGIS 10.1 for Desktop Basic giá 1500$) Ngoài ra, có nhiều tính năng cao cấp được đóng gói trong phần mềm nhưng ít được sử dụng cũng là việc lãng phí khi đầu tư mua các phần mềm để học tập, nghiên cứu Điều này hạn chế rất lớn việc phổ biến việc học và nghiên cứu GIS rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khi mà chủ yếu các cơ quan, ban ngành mới có nhu cầu dùng chuyên nghiệp Trong khi đó, với sự phát triển lớn mạnh của các phần mềm mã nguồn mở trên nhiều lĩnh vực: xử lý ảnh viễn thám, GIS, database, Web,…là nguồn tài nguyên quý giá để có thể xây dựng nhiều hệ thống WebGIS có khả năng trực quan hóa, tương tác với dữ liệu ảnh vệ tinh và dữ liệu địa lý Hệ thống sau đó sẽ được triển khai trên mạng Internet, cho phép một số lượng lớn người sử dụng có cơ hội tìm hiểu và nghiên cứu
về viễn thám, GIS miễn phí Chắc chắn để phát triển phần mềm dựa trên các nền tảng này sẽ gặp rất nhiều khó khăn về việc tìm hiểu, tích hợp các công nghệ còn đang được phát triển, nâng cấp nhưng những lợi ích thu được là rất lớn:
Miễn phí hoặc có giới hạn với lượng dùng nhất định (dùng cho thương mại)
Giảm sự phụ thuộc vào nhà cung cấp phần mềm mã nguồn đóng
Không hạn chế quyền sử dụng và thay đổi
Trao đổi, học tập kinh nghiệm, kiến thức từ các cộng đồng phát triển
Hạn chế tình trạng vi phạm bản quyền bất hợp pháp
Chính vì vậy, để có thể giải quyết tình trạng bất cập trong việc học và nghiên cứu viễn thám và GIS như trên Tôi đề xuất xây dựng một hệ thống sử dụng nền tảng mã
nguồn mở để giải quyết bài toán “kết hợp công nghệ ảnh viễn thám và GIS, giúp ích xử
lý và phân tích dữ liệu từ ảnh viễn thám” Hệ thống này sẽ giúp ích trong việc phổ cập
và tiếp cận các ngành viễn thám, GIS rộng lớn hơn
2 Mục tiêu của luận văn
Trên cơ sở về tính cấp thiết và tính thực tiễn của công nghệ trong việc kết hợp ảnh viễn thám và GIS, tôi đã nghiên cứu và tìm hiểu, chọn ra 1 đề tài hay là 1 giải pháp
phần mềm: “xây dựng hệ thống web trực quan hóa, hỗ trợ quản lý và phân tích ảnh viễn thám khí tượng dựa trên nền tảng mã nguồn mở” Đây là một vấn đề lớn
và khó khăn, tôi đã bước đầu tìm hiểu và làm chủ được kiến thức, công nghệ của các lĩnh vực này Mục đích là vừa nghiên cứu lý thuyết, vừa cài đặt các tính năng vào hệ thống, để sau khi hoàn thành luận văn, có 1 hệ thống đáp ứng được nhu cầu sử dụng
Trang 13Để đạt được điều đó, tôi kết hợp kiến thức từ ảnh viễn thám khí tượng, hệ thống thông tin địa lý GIS, điều tra, học tập các thông tin từ các hệ thống GIS và phần mềm ảnh viễn thám trong nước và trên thế giới Bước đầu, nắm được những tính năng cơ bản, thiết yếu và tri thức được áp dụng, để có thể xây dựng các công cụ vừa có thể tương tác ảnh viễn thám, vừa có thể tích hợp cả bản đồ số GIS
Từ đó, khảo sát các yêu cầu của người sử dụng, phân tích, thiết kế, cài đặt và triển khai một hệ thống GIS dựa trên nền tảng Web (WebGIS) và công nghệ mã nguồn mở, miễn phí Hệ thống sẽ cho phép người sử dụng thông qua giao diện thân thiện và các tiện ích để tìm hiểu về cách tương tác với ảnh viễn thám khí tượng và bản đồ số GIS,
dễ dàng mở rộng triển khai cho nhiều đối tượng sử dụng do tính mở về mã nguồn cũng
như giấy phép sử dụng của phần mềm
3 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu của luận văn
Đây là một đề tài mang nhiều tính áp dụng công nghệ và nâng cao khả năng lập trình trong lĩnh vực mới, 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 trên nền tảng mã nguồn mở, bao gồm:
Nghiên cứu về công nghệ viễn thám, xử lý và giải đoán ảnh Sử dụng ảnh viễn thám của vệ tinh MODIS – NASA (độ phân giải không gian 1 kilomet và 10 kilomet, khai phá dữ liệu AOT từ các loại ảnh này, áp dụng vào bản đồ số Google Map)
Tìm hiểu về hệ thống thông tin địa lý GIS, cơ sở về địa lý, cách xây dựng và tạo bản đồ số
Tìm hiểu về bộ thư viện GDAL (Geospatial Data Abstraction Library), tích hợp vào ngôn ngữ kịch bản Python để xử lý, trích xuất, chuyển đổi,…ảnh viễn thám theo yêu cầu của hệ thống
Cơ sở dữ liệu không gian PostgreSQL – PostGIS, truy vấn dựa trên mối liên hệ giữa các đối tượng dạng vector (điểm, đường, đa giác,…)
Tìm hiểu về các công nghệ mã nguồn mở để xây dựng hệ thống WebGIS: bản
đồ trực tuyến Google Map API version 3, Google Chart API, Google Visualization API – Fusion Table, ngôn ngữ lập trình kịch bản PHP – framework: CodeIgniter, thư viện Javascript: JQuery - Ajax,…
Trích lọc các tính năng, tiện ích của các hệ thống GIS và xử lý ảnh viễn thám đang phổ biến trong nước và thế giới Kết hợp với khảo sát yêu cầu của người sử dụng
để hình thành bản đặc tả yêu cầu chi tiết các tính năng của hệ thống mang tính thực tế, chính xác và tiện lợi
Trang 14 Xây dựng hệ thống WebGIS dựa trên các công nghệ mã nguồn mở, miễn phí, thiết kế giao diện thân thiện, dễ sử dụng, cài đặt các tính năng, tiện ích với người sử
dụng quan tâm đến khai thác thông tin từ ảnh viễn thám khí tượng và GIS
4 Nội dung của luận văn
Luận văn thực hiện xuyên suốt trong quá trình từ khi hình thành các khái niệm, ý tưởng nghiên cứu, cho đến khi hoàn thành sản phẩm và được người sử dụng kiểm tra,
đánh giá Nội dung chính sẽ bao gồm các phần sau:
Mở đầu: đặt ra vấn đề, mục tiêu và giải pháp cho bài toán kết hợp xử lý ảnh viễn thám và hệ thống thông tin địa lý GIS
Chương 1: giới thiệu tổng quan - các khái niệm cơ bản về công nghệ viễn thám, hệ
thống thông tin địa lý GIS, các công nghệ bản đồ số và công nghệ Web mã nguồn mở Giới thiệu một số hệ thống cho phép nghiên cứu về GIS và ảnh viễn thám 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
ảnh viễn thám, khí tượng
Chương 3: 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 (input, output, mô tả các bước)
Chương 4: triển khai, đánh giá và thực nghiệm - cài đặt hệ thống WebGIS, khảo
sát các phản hồi từ người sử dụng Lập các biểu đồ dựa trên các kết quả khảo sát và từ
đó đưa ra kết luận về các tính năng của hệ thống, khả năng áp dụng trong thực tế
Kết luận & định hướng: tổng kết lại những kiến thức đã tích lũy, kinh nghiệm
được áp dụng trong suốt quá trình thực hiện luận văn Đưa ra được các hướng phát triển trong tương lai
Trang 15Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ẢNH VIỄN THÁM, GIS,
WEBGIS VÀ SOL KHÍ QUYỂN
1.1 Khái niệm chung về ảnh viễn thám
1.1.1 Lịch sử ra đời
Viễn thám là một ngành nghiên cứu xuất hiện lâu đời từ thế kỷ 19 – năm 1858 bức ảnh đầu tiên chụp từ bề mặt trái đất do Gaspard Felix Tournachon, chụp ở độ cao 80m trên khinh khí cầu vùng Bievre, Pháp Đến những năm 1960, với sự phát triển vượt bậc của con người trong việc chinh phục vũ trụ, các vệ tinh đã được đưa lên quỹ đạo và lần đầu tiên bức ảnh chụp về trái đất từ vũ trụ, được cung cấp từ tàu Explorer-6 vào năm 1959 Theo [3], ở bảng 1.1 là quá trình hình thành và phát triển của ảnh viễn thám
từ giai đoạn khởi đầu sơ khai, đến thời kỳ công nghệ hiện đại:
Bảng 1.1 Tóm tắt sự phát triển của viễn thám theo các sự kiện
1800 Phát hiện ra tia hồng ngoại
1839 Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng
1847 Phát hiện dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy
1850-1860 Chụp ảnh từ khinh khí cầu
1873 Xây dựng học thuyết về phổ điện từ
1910-1920 Giải đoán từ không trung
1920-1930 Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không
1930-1940 Phát triển kỹ thuật radar (Đức, Mỹ, Anh)
1940 Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay
1950 Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy
1950-1960 Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự
1972 Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1
1970-1980 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số
1980-1990 Mỹ phát triển thế hệmới của vệ tinh Landsat
1986 Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo
1990 đến nay Phát triển bộ cảm thu đa phổ, tăng dải phổ và kênh phổ, tăng độ
phân giải bộ cảm Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý mới
Bên cạnh việc thu dữ liệu ảnh từ vệ tinh, ngành viễn thám còn sử dụng các phương tiện hàng không: máy bay, tầu bay, khinh khí cầu, rada,…để có thể chụp hình ảnh chi
Trang 16tiết, độ phân giải cao tại nhiều khu vực trên thế giới Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học máy tính, đưa đến việc nâng cao khả năng tính toán, xử lý số liệu ngày một nhanh và chính xác, tạo điều kiện thuận lợi để phát triển ngành khoa học viễn thám Trong đó, vai trò quan trọng nhất của viễn thám là đo đạc, giải đoán, phân tích dữ liệu từ ảnh thu được để có thể đưa ra các dự đoán, kiểm chứng, cung cấp thông tin kịp thời, chính xác trong nhiều lĩnh vực: hành chính, nông – lâm nghiệp, môi trường, xã hội, quân sự,
1.1.2 Định nghĩa
Theo [3]: “Viễn thám (Remote sensing) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật
để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện đo đạc Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu."
Ở đây, tôi liệt kê một số định nghĩa về viễn thám của các tác giả khác nhau, tuy nhiên tựu chung lại thì viễn thám là một ngành nghiên cứu mà hướng tới “thu nhận thông tin về các đối tượng, hiện tượng từ xa tại các vị trí trên trái đất”
Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải chạm vào vật đó (Ficher 1976)
Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo từ một khoảng cách cách xa vật không cần tiếp xúc với nó Năng lượng được đo trong các hệ viễn thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm (D A Land Grete, 1978)
Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng điện từ như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng (Theo Floy Sabin 1987)
1.1.3 Nguyên lý cơ bản của viễn thám
Ảnh viễn thám là ảnh được chụp từ không gian ở vị trí địa lý cách xa đối tượng chụp từ vài kilomet đến hàng nghìn kilomet Vì vậy, để thu được tín hiệu, các thiết bị thu ảnh dựa trên nguyên lý là: thu nhận sự phản xạ hoặc bức xạ từ đối tượng cần chụp ảnh dựa trên năng lượng sóng điện từ Mỗi đối tượng tùy theo bước sóng (thông thường 0.3µm đến 0.9µm: vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại phản xạ) mà các cảm biến (sensor) trên vệ tinh, máy bay, khinh khí cầu,…có thể tách lọc ra được
Trang 17Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của ảnh viễn thám
Dựa trên nguyên lý này, viễn thám phân chia chia ra 3 loại là:
Theo nguồn tín hiệu:
o Viễn thám chủ động (active remote sensing): trên các thiết bị thu tín hiệu có gắn các nguồn sáng và phát tới đối tượng cần chụp, năng lượng sẽ được phản xạ lại các cảm biến và thiết bị có thể thu được hình ảnh của đối tượng
o Viễn thám bị động (passive remote sensing): năng lượng cung cấp do nguồn sáng tự nhiên chủ yếu là mặt trời
Theo quỹ đạo bay:
o Vệ tinh địa tĩnh: có tốc độ góc quay trùng khớp với tốc độ góc quay của trái đất, vị trí gần như đứng yên
o Vệ tinh quỹ đạo: có tốc độ góc quay khác với tốc độ góc quay của trái đất, theo chu kỳ thu dữ liệu từ một vùng địa lý cố định (hàng ngày, hàng tuần,…)
Theo bước sóng:
o Dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại: chủ yếu do năng lượng mà mặt trời cung cấp, phản xạ từ đối tượng và thu được ở bộ cảm biến
o Hồng ngoại nhiệt: năng lượng chủ yếu là bức xạ của đối tượng phát ra
o Siêu cao tần: do các rada phát tín hiệu tới các đối tượng và chủ động thu nhận
sự phản xạ, tán xạ của các vật thể phản hồi lại
1.1.4 Đặc trưng của ảnh viễn thám
Ảnh thu được từ các vệ tinh và hàng không bao gồm 2 loại ảnh là ảnh tương tự dùng phim và ảnh số (ảnh raster) Ảnh raster này cũng được tạo nên từ ma trận các điểm ảnh theo hàng và cột từ trái qua phải, từ trên xuống dưới với gốc tọa độ là góc
Trang 18trên trái của ảnh Mỗi pixel của ảnh đại diện cho 1 đơn vị không gian, có dạng hình vuông Tùy theo các loại ảnh mà sẽ có số pixel khác nhau và độ bao phủ không gian của mỗi pixel là khác nhau Ảnh viễn thám nói chung có 3 đặc trưng về độ phân giải
và từ đó có thể làm cơ sở để chọn loại ảnh nghiên cứu đối tượng phù hợp:
Độ phân giải không gian: là vùng không gian tương ứng với 1 pixel mà cảm biến thu nhận được Tương tự ảnh số, tùy theo các cảm biến mà ảnh có thể thu nhận độ phân giải không cao gian từ thấp đến cao, càng cao thì càng chi tiết Ảnh được chia làm 3 loại: độ phân giải cao: 0.6 – 4 mét, độ phân giải trung bình: 4 – 30 mét, độ phân giải thấp: 30 – 1000 mét Một số vệ tinh có độ phân giải cao như SPOT – 5: 2.5 mét, IKONOS: 1 mét, WorldWiew-2: 0,45 mét,…rất thích hợp để nghiên cứu phát hiện cháy rừng, ô nhiễm, mật độ dân cư, quy hoạch đô thị, giao thông,…
Độ phân giải thời gian: tùy theo quỹ đạo và độ phân giải không gian mà vệ tinh
sẽ có chu kỳ lặp lại chụp 1 khu vực địa lý khác nhau (hàng ngày, hàng tuần,…) Ảnh được chia làm 3 loại: độ phân giải cao: < 3 ngày, độ phân giải trung bình: 4 – 16 ngày,
độ phân giải thấp: >= 16 ngày Nhờ có sự lặp lại này mà chúng ta có thể nghiên cứu sự biến động theo thời gian của 1 khu vực, quan sát, giải đoán sự thay đổi của các đối tượng trong khu vực Tùy theo mục đích nghiên cứu mà chọn loại ảnh có chu kỳ lặp lại nhanh hay chậm, ví dụ: tăng trưởng của cây trồng thì tùy theo giai đoạn sinh trưởng (8 – 16 ngày), cảnh báo cháy rừng (theo dõi hàng ngày nếu có nguy cơ), sự phân bố dân cư (theo dõi biến động qua tổng hợp ảnh theo 1 thời gian dài),…
Độ phân giải phổ: mỗi vệ tinh có khả năng thu nhận ảnh theo các kênh phổ và bề rộng phổ phản xạ từ các đối tượng khác nhau Tùy theo nhu cầu thu thập thông tin, các cảm biến sẽ thu nhận được sóng điện từ trong một số khoảng – các khoảng này gọi là các band - kênh ảnh (băng phổ) Độ phân giải phổ liên quan đến số lượng và và độ rộng của mỗi băng phổ Bộ cảm có độ phân giải phổ cao đến rất cao, tức là có nhiều băng phổ với băng thông (bandwith) rất hẹp vì vậy có khả năng thu nhận nhiều đối
phổ) và ảnh đa phổ ví dụ theo Hình 1.2 (tổng hợp nhiều kênh phổ) Tùy theo số bit trong từng kênh phổ, ví dụ: mỗi kênh lưu trữ 8 bit có 1 giá trị trong khoảng từ 0 - >
255 (0: mầu đen, 255: mầu trắng) Ở đây, ta ví dụ giá trị mỗi kênh phổ là red: 233, green: 50, blue: 133 Tổng hợp 3 kênh phổ red-green-blue này sẽ tạo nên ảnh mầu (đa phổ) Trong tương lai sẽ có các vệ tinh siêu phổ (hyperspectral), thu được nhiều kênh phổ ( > 100 kênh) tăng cường nhận biết được nhiều đối tượng chi tiết so với các loại ảnh có số kênh phổ thấp đã được sử dụng rộng rãi hiện nay (do số băng tần ít và độ rộng của mỗi băng tần là rất lớn, nên nhiều thông tin quan trọng không tách biệt được)
Trang 19Hình 1.2 Ảnh viễn thám đa phổ trên các đối tượng khác nhau 1
Kích thước của ảnh viễn thám: phụ thuộc vào độ phân giải không gian và độ phân giải phổ Ví dụ: một vùng rừng có diện tích 1 km2 thì với cảm biến có độ phân giải không gian là 10m thì sẽ tạo ra ma trận điểm ảnh với tổng số điểm ảnh là 10.000 (1 pixel ảnh ứng với 10m) Còn nếu cảm biến thu nhận được 7 kênh phổ thì mỗi điểm ảnh này lưu 7 giá trị tương ứng với từng kênh mà cảm biến thu được, tổng là 70.000 giá trị điểm ảnh Như vậy, ảnh có độ phân giải không gian và phân giải phổ càng lớn thì kích cỡ ảnh càng lớn (từ vài Megabyte - MB đến Gigabyte - GB)
1.1.5 Các loại ảnh viễn thám phổ biến
Hiện tại, các vệ tinh cung cấp các loại ảnh viễn thám tùy theo nhu cầu sử dụng khác nhau mà sẽ có độ phân giải không gian, thời gian và phổ khác nhau Trong đó 2 lĩnh vực chủ yếu là nghiên cứu khí tượng (mây, bão, nhiệt độ,…) và phân tích, thống
kê đối tượng mặt đất (cháy rừng, giao thông, đất đai, tài nguyên,…) Từ đó, có thể chọn lựa ra các nhà cung cấp ảnh phù hợp với mục đích nghiên cứu, tiết kiệm chi phí
Vệ tinh Landsat: được phóng lần đầu năm 1972, sau đó lần lượt các vệ tinh được phóng từ năm 1975 – 1999, gần đây nhất là Landsat 8 phóng năm 2013 - vệ tinh mới nhất trong hệ thống Landsat của NASA Từ Landsat 4 có thêm bộ cảm lập bản đồ chuyên đề TM (Thematic Mapper) và Landsat 7 thì nâng cấp lên thành ETM (Enhanced Thematic Mapper) Landsat TM, ETM có 6 kênh phổ trên giải sóng nhìn thấy với độ phân giải 30 mét / 1 pixel, bao gồm kênh: 1, 2, 3, 4, 5, 7 Kênh thứ 6 trên giải sóng hồng ngoại nhiệt với độ phân giải 120 mét / 1 pixel Với độ phân giải thời gian là 16 ngày, chi phí thấp, Landsat là một trong những loại ảnh vệ tinh rất quan trọng để nghiên cứu và quan trắc môi trường
1 Nguồn: Earth Observatory http://earthobservatory.nasa.gov/Experiments/ICE/ice_user_guide.php
Trang 20Bảng 1.2 Thông số về các kênh ảnh của vệ tinh Landsat TM
TM1 0,45-0,52 Xanh nước biển Nghiên cứu hệ sinh thái ngập nước,
phù du, độ sâu của nước
TM4 0,76-0,90 Cận hồng ngoại Phân loại nước và đất đai
trung
Nhận biết độ ẩm trong thực vật, đất đai và mây mỏng
Vệ tinh SPOT: là một trong những vệ tinh có độ phân giải cao nhờ hệ thống HRV (High Resolution Visible imaging system) của Pháp khởi đầu từ năm 1986 Các
vệ tinh lần lượt được phóng là SPOT-1, SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 và SPOT-5, trong
đó SPOT 1, 2, 3 có 2 dạng ảnh: toàn sắc với độ phân giải 10 mét / 1 pixel và ảnh đa phổ với độ phân giải 20 mét / 1 pixel SPOT – 4 được trang bị thêm thiết bị thu nhận hồng ngoại và SPOT – 5 nâng cao độ phân giải không gian lên mức 5 mét / 1 pixel với kênh toàn sắc, 10 mét / 1 pixel với kênh xanh lá cây, đỏ, cận hồng ngoại Mỗi ảnh có
độ phủ 60 x 60 kilomet, bay qua xích đạo với chu kỳ là 23 ngày Với khả năng cung cấp ảnh độ phân giải cao, tạo ảnh lập thể,…nên ảnh SPOT được sử dụng rộng rãi trong
việc thành lập các bản đồ về khoáng sản, thực vật, sử dụng đất,…
Bảng 1.3 Thông số về các kênh của vệ tinh SPOT
Loại ảnh Tên phổ Độ phân giải (mét) Bước sóng (µm)
Trang 21 Cảm biến (sensor) MODIS: gắn trên 2 vệ tinh là Terra và Aqua có quỹ đạo bay bao phủ gần như toàn bộ bề mặt trái đất với tầm quan sát hơn 2.330 kilomet, gồm 36 kênh phổ Mặc dù MODIS có độ phân giải không cao, tùy theo phổ có độ phân giải không gian lần lượt là: 250 mét, 500 mét và 1000 mét / 1 pixel Hình 1.3 là ảnh MODIS khí tượng cơn bão và mầu sắc thể hiện sức gió quanh tâm bão
Hình 1.3 Ảnh viễn thám khí tượng MODIS trong nghiên cứu bão 2
Tuy nhiên với độ phân giải thời gian ngắn (1-2 ngày) và đặc biệt là miễn phí nên ảnh
từ MODIS là 1 trong những nguồn ảnh quan trọng để nghiên cứu về các lĩnh vực, bao gồm: độ bao phủ của mây, sol-khí tượng, nhiệt độ bề mặt, phủ thực vật, hàm lượng chất diệp lục, nước biển,…Bảng 1.4 liệt kê các band của cảm biến MODIS
2 Nguồn: cimss.ssec.wisc.edu
Trang 22Bảng 1.4 Thông số về các kênh phổ của ảnh MODIS
Nghiên cứu về mầu nước biển, nhiệt độ mây, bề mặt đất, hơi nước và các hạt khí quyển,…
1.1.6 Xử lý, giải đoán ảnh viễn thám
Dữ liệu ảnh viễn thám thường bao gồm rất nhiều thông tin: nhiều kênh ảnh, nhiều đối tượng, dữ liệu,…vì vậy để nâng cao tính chính xác và hiệu quả khi nghiên cứu ảnh viễn thám, người ta cần nhận biết các đối tượng quan tâm qua quá trình xử lý và giải đoán ảnh Khác với ảnh số thông thường (định dạng PNG, JPEG, TIFF) chứa ma trận điểm ảnh, ảnh viễn thám có định dạng đặc biệt (GeoTiff, HDF,…) bao gồm ma trận điểm ảnh và có thể chứa các thông tin đặc thù về hệ quy chiếu, các kênh ảnh, kích cỡ ảnh,…Các dữ liệu này được gọi là metadata (siêu dữ liệu), để giúp ích cho người sử dụng nhận biết các thông số và hiệu chỉnh ảnh đúng với mục đích sử dụng Ví dụ Hình 1.3 là metadata của ảnh vệ tinh MOD04 L2 thể hiện rõ các thông tin tối cần thiết về ảnh viễn thám để người sử dụng tiến hành nghiên cứu, sử dụng
Hình 1.4 Thông tin metadata của ảnh vệ tinh MOD04 L2
Theo [3], giải đoán ảnh viễn thám là quá trình tách thông tin định tính cũng như định lượng từ ảnh dựa trên các tri thức chuyên ngành hoặc kinh nghiệm của người đoán đọc Quá trình xử lý này có thể được thực hiện bằng mắt hoặc sử dụng phần mềm máy tính chuyên nghiệp
Trang 23 Xử lý bằng mắt:
o Tận dụng tri thức chuyên gia, kinh nghiệm, dễ nhận biết đối tượng
o Tốn kém thời gian và kết quả không đồng nhất trên tập dữ liệu lớn
Xử lý tự động bằng máy tính:
o Năng suất cao, thời gian ngắn, khả năng áp dụng nhiều thuật toán
o Khó kết hợp với tri thức chuyên gia, cần mở rộng tính năng khai phá dữ liệu kết hợp với hệ chuyên gia để nâng cao chất lượng kết quả xử lý
Ví dụ giải đoán ảnh: Hình 1.5 với ảnh bên trái là ảnh mầu thật chụp toàn bộ các đối tượng trên mặt đất, gồm: nhà cửa, đường, công trình giao thông, thực vật,…Sau khi xử lý giải đoán ảnh, dựa trên kiến thức chuyên gia (nếu giải đoán bằng mắt) hoặc các thuật toán tính chỉ số thực vật (giải đoán tự động), kết quả là ảnh bên phải phủ lên các đối tượng cây cối, thực vật các đa giác mầu xanh, làm nổi bật so với các đối tượng khác Đây là 1 ví dụ đơn giản và gần gũi khi phân lớp đối tượng trên ảnh viễn thám
Hình 1.5 Phân lớp ảnh viễn thám theo chỉ số thực vật 3
Quá trình xử lý và giải đoán ảnh từ khi nhận được ảnh, đến khi trích xuất ra được các kết quả có ý nghĩa nghiên cứu và sử dụng trong thực tế được chia làm 5 giai đoạn:
Nhập dữ liệu: đầu vào của các phần mềm xử lý ảnh viễn thám là các dạng ảnh số được lưu trữ trên ổ cứng, đĩa CD, DVD, USB,…Các ảnh này có thể là ảnh mua, đặt hàng hoặc tải về (download) từ các nhà cung cấp ảnh (có phí hoặc miễn phí)
Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh: thường do các nhà cung cấp ảnh kiểm tra và xử lý
dữ liệu ảnh để nâng cao chất lượng ảnh trước khi bàn giao cho khách hàng
Biến đổi ảnh: thay đổi mầu sắc, xoay ảnh, chỉnh sửa ảnh,…có thể được thực hiện bởi người sử dụng để đạt được hiệu quả cao khi nghiên cứu ảnh
3 Nguồn: Interpert Images http://www.lvc.ele.puc-rio.br/projects/interimage/
Trang 24 Phân loại ảnh: dựa trên hai phương pháp là: học giám sát và học không giám sát Mục đích là phân loại các đối tượng trên ảnh, làm nổi bật các đối tượng quan tâm, trích xuất các dữ liệu mong muốn
Xuất kết quả: sau các quá trình xử lý và giải đoán ảnh, người sử dụng có thể đưa
ra các báo cáo, biểu đồ, phân tích – thống kê dữ liệu, tạo ra các ảnh chuyên đề, các ảnh
đã tiền xử lý để làm đầu vào cho các mục đích khác
1.2 Khái niệm chung về GIS
1.2.1 Lịch sử ra đời
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một lĩnh vực nghiên cứu về thu thập, xử lý, hiển thị và phân tích dữ liệu địa lý Nó được khởi nguồn từ xa xưa khi con người có nhu cầu tìm hiểu vùng địa lý nơi họ sinh sống, tạo ra các bản đồ để giúp ích trong việc định hướng, lao động và sinh sống Trải qua thời gian, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là với sự xuất hiện của không ảnh, ảnh vệ tinh GIS đã có cơ hội phát triển lớn mạnh và người được coi là cha đẻ của GIS là giáo sư Roger Tolinson, phát triển hệ thống thông tin địa lý quốc gia năm 1963
GIS phát triển mạnh mẽ nhất trong những thập kỷ 80 khi phần cứng máy tính và các thiết bị ngoại vi hỗ trợ nhập, xuất dữ liệu tiện ích hơn, góp phần đẩy mạnh ứng dụng GIS trong nghiên cứu và dịch vụ Còn ở Việt Nam, GIS du nhập và phát triển hơn 10 năm trở lại đây, do vai trò hết sức quan trọng về nghiên cứu tài nguyên, nước, không khí, môi trường,…GIS đã và đang được phát triển không chỉ trong các trường Đại học, viện nghiên cứu mà còn nhiều lĩnh vực đời sống xã hội không thể thiếu GIS: bản đồ giao thông, quy hoạch đô thị, dân số,…
1.2.2 Định nghĩa
GIS (Geographic Information System) tạo nên bởi: Geographic - dữ liệu không gian thể hiện vị trí, hình dạng (điểm, đường, đa giác), Information – thông tin về đối tượng, System – sự liên kết giữa các thành phần bên trong Do được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nên GIS cũng có nhiều định nghĩa tùy theo từng mục đích Dù theo định nghĩa nào GIS đều tập trung vào khả năng thu thập, tổ chức lưu trữ, phân tích, xử lý và hiển thị thông tin, dữ liệu địa lý dựa trên công cụ máy tính
Hệ thống Thông tin Địa Lý (Geographic Information System - GIS) là một hệ thống thông tin bao gồm một số hệ con (subsystem) có khả năng biến đổi các dữ liệu địa lý thành những thông tin có ích” (Calkins and Tomlinson, 1977)
GIS là một công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên trái đất Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thường (như cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích không gian.(phân tích các
Trang 25sự kiện, dự báo tác động và hoạch định chiến lược) (Theo Đại học Nông Lâm – Thành phố Hồ Chí Minh 4)
1.2.3 Các thành phần của GIS
Để xây dựng và phát triển hệ thống GIS thì cần cả nền tảng công nghệ phần cứng
và phần mềm Trong đó, tùy theo mục đích sử dụng mà vai trò của công nghệ nào sẽ quan trọng hơn, được đầu tư nhiều hơn Ngoài ra, dữ liệu, con người, và chính sách quản lý, sử dụng GIS cũng chiếm vai trò quan trọng tạo nên một hệ thống GIS
Phần cứng: là hệ thống máy tính có nhiệm vụ chạy các chương trình GIS nhằm mục đích thực hiện các yêu cầu về tính toán, xử lý, truy vấn, phân tích, thống kê,
o Thiết bị nhập: máy quét bản đồ, bảng vẽ, máy ảnh, photocopy,…
o Thiết bị xử lý: máy tính
o Thiết bị xuất: máy in, máy chiếu,…
o Thiết bị lưu trữ: đĩa từ, đĩa quang, đĩa cứng,…
Phần mềm: tùy theo từng sản phẩm và yêu cầu mà có nhiều tính năng bổ trợ lẫn nhau Các phần mềm lấy đầu vào và xuất đầu ra cho phép sử dụng nhiều phần mềm của các hãng khác để xử lý kết quả
o Giao diện đồ họa tương tác với người dùng
o Công cụ nhập và tiền xử lý dữ liệu
o Truy vấn dữ liệu, hỏi đáp, tra cứu thông tin
o Phân tích, thống kê, khai phá dữ liệu
Dữ liệu: đây là thành phần quan trọng nhất của mọi hệ thống cơ sở dữ liệu cũng như hệ thống GIS Dữ liệu này có thể thu thập từ trắc địa, viễn thám hoặc mua lại từ các nhà cung cấp để xử lý, phân tích và là cơ sở để phát triển và nghiên cứu GIS
o Dữ liệu không gian, dữ liệu thuộc tính của các đối tượng
o Dữ liệu ảnh raster và dữ liệu vector
Con người: đối tượng chính sử dụng GIS vào mục đích học tập, nghiên cứu, làm việc Cần nhiều công đoạn để xử lý dữ liệu thô, đưa vào cơ sở dữ liệu, tính toán và trích lọc các tri thức Đòi hỏi những người có chuyên môn và am hiểu từng công việc
Chính sách nghiên cứu: hướng đến phát triển và mở rộng hệ thống GIS để tận dụng tốt các tính năng các hệ thống GIS có sẵn đã cung cấp Tích hợp thêm nếu cần thiết và mở rộng nghiên cứu trên nhiều lĩnh vực
4 Nguồn: Đại học Nông Lâm Hồ Chí Minh http://ts.hcmuaf.edu.vn/print.php?ur=ts&ids=5405
Trang 26Hình 1.6 Xây dựng hệ thống GIS với các tính năng cơ bản
1.2.4 Bản đồ địa lý GIS
a) Cách tạo lập bản đồ: Theo [2], bản đồ địa lý là sự biểu thị thu nhỏ qui ước của bề
mặt trái đất lên mặt phẳng, xây dựng trên cơ sở toán học, phản ánh tự phân bổ, trạng thái và mối quan hệ tương quan của các hiện tượng thiên nhiên và xã hội được lựa chọn và khái quát hóa để phù hợp với mục đích sử dụng của bản đồ và đặc trưng cho khu vực nghiên cứu GIS sử dụng các phép chiếu bản đồ để hiện thì toàn bộ bề mặt trái đất trên bản đồ phẳng Các phép chiếu này sử dụng các phương pháp toán học, các điểm mốc để xây dựng mối quan hệ giữa điểm trên mặt đất và điểm trên mặt phẳng Tuy nhiên, việc này dẫn đến có sai số giữa một số vùng địa lý, bị biến dạng hoặc tăng, giảm diện tích vì mối tương quan không đồng nhất 100% giữa mọi điểm trên trái đất
Hình 1.7 Biểu diễn bề mặt trái đất lên bản đồ phẳng (Keith Clarke, 1995)
b) Tính chất của bản đồ: bản đồ địa lý cho phép bao quát một vùng không gian địa lý,
trực quan các đối tượng trên bản đồ, sử dụng các phép chiếu, tỷ lệ, người ta có thể đo lường, tính toán các thông tin như khoảng cách, diện tích, chu vi, phương
Trang 27hướng,…Bản đồ nói chung gồm 2 loại là: bản đồ địa lý hiển thị các yếu tố cơ bản chủ yếu là vùng lãnh thổ, khu vực hành chính, địa hình, và bản đồ chuyên đề thể hiện các đối tượng chi tiết và đầy đủ chuyên biệt theo từng ngành, nghề (ví dụ: bản đồ phân bổ động, thực vật, bản đồ dân số, tài nguyên khoáng sản,…
Tỷ lệ bản đồ: là mối tương quan giữa độ dài của khoảng cách trên mặt đất và khoảng cách trên bản đồ Thường được biểu diễn theo tỷ lệ 1: 1 khoảng cách (ví dụ: 1/10000), tương ứng 1 cm trên bản đồ ứng với 10000 cm ngoài tự nhiên
Hệ tọa độ địa lý: Theo [5], bề mặt tự nhiên của trái đất chứa 3 phần là nước, 1 phần là lục địa Do phần lục địa có dạng lồi, lõm khác nhau trong khi bề mặt đại dương lúc yên tĩnh thì thể hiện đúng được bề mặt trái đất Vì vậy, người ta lấy bề mặt nước biển ở trạng thái yên tĩnh là bề mặt trái đất Hình 1.8 mô tả một số khái niệm để
có thể xây dựng lưới tọa độ, từ đó có thể xác định 1 điểm bất kỳ trên bề mặt trái đất:
o Mặt nước gốc (mặt thủy chuẩn): là mặt nước biển trung bình ở trạng thái yên tĩnh kéo dài xuyên qua lục địa và hải đảo tạo thành một đường cong khép kín
o Mặt phẳng xích đạo: là mặt phẳng đi qua tâm quả trái đất và vuông góc với trục thẳng đứng từ cực Bắc xuống cực Nam
o Đường xích đạo: là giao tuyến giữa mặt phẳng xích đạo với mặt nước gốc
o Mặt phẳng kinh tuyến: là mặt phẳng chứa trục Bắc – Nam của trái đất Mặt phẳng kinh tuyến gốc là mặt phẳng đi qua đài thiên văn Greenwich ở nước Anh (ký hiệu là G)
o Đường kinh tuyến: là giao tuyến của mặt phẳng kinh tuyến với mặt nước gốc của trái đất
o Mặt phẳng vĩ tuyến: là mặt phẳng song song với mặt phẳng xích đạo (có vô số mặt phẳng vĩ tuyến)
o Đường vĩ tuyến: là giao tuyến giữa mặt phẳng vĩ tuyến với mặt nước gốc của trái đất
o Kinh độ (longtitude – ký hiệu ): kinh độ địa lý của một điểm là góc nhị diện tạo bởi mặt phẳng kinh tuyến đi qua điểm đó với mặt phẳng chứa kinh tuyến gốc Kinh độ này biến thiên từ 0 đến 180o về phía Đông gọi là kinh độ Đông, biến thiên
về phía Tây gọi là kinh độ Tây
o Vĩ độ (latitude – ký hiệu ): vĩ độ địa lý của một điểm là góc tạo bởi hướng đường dây dọt với mặt phẳng xích đạo (những điểm nằm trên cùng vĩ tuyến có cùng
vĩ độ) Vĩ tuyến biến thiên từ 0 đến 90o
về phía Bắc gọi là vĩ độ Bắc, về phía Nam gọi là vĩ độ Nam
Trang 28o Ví dụ: Hình 1.7 thể hiện tọa độ điểm M có kinh độ = 70o 20’ Đông và vĩ độ
= 80o 40’ Bắc
Hình 1.8 Biểu diễn tọa độ địa lý của một điểm trên bề mặt trái đất 5
o Với Google Map thì giá trị kinh độ, vĩ độ của các điểm được chuyển từ dạng (degree) độ phút giây sang dạng (decimal) thập phân Vĩ độ có giá trị trong khoảng (-90 ÷ 90), còn kinh độ có giá trị trong khoảng (-180 ÷ 180)
Hình 1.9 Lưới chiếu bản đồ Google Map theo kinh độ và vĩ độ 6
Phép chiếu bản đồ: về cơ bản trái đất có dạng hình cầu và để thuận tiện trong việc xây dựng và tạo lập bản đồ thì cần tìm cách để trải bề mặt cầu này lên một mặt phẳng sao cho có độ trùng khớp cao nhất Tuy nhiên việc này sẽ làm một vài vùng địa
5 Nguồn: [5]
6 Nguồn: Satellite internet www.satsig.net
Trang 29lý bị biến dạng và dẫn đến sai lệch địa lý (càng xa xích đạo càng sai số lớn) và các kết quả tính toán không chính xác Có rất nhiều phép chiếu khác nhau trên thế giới được
sử dụng bởi nhiều quốc gia (ví dụ: phép chiếu UTM, phép chiếu WGS84, phép chiếu Lambert, phép chiếu Mecator,…) do đó cần lưu ý hệ quy chiếu của viễn thám và GIS
Hình 1.10 So sánh sự khác biệt về hình dạng của các hệ quy chiếu 7
Phân mảnh bản đồ (map titled): đối với hệ thống GIS thì việc hiển thị bản đồ là một vấn đề cốt lõi nhất, đòi hỏi khả năng hiển thị nhanh chóng và tốn ít bộ nhớ Vì vậy, cách thức tốt nhất là cắt bản đồ thành các mảnh và mỗi khi người sử dụng di chuyển đến vùng nào thì tải các mảnh của vùng đó lên Ví dụ: Google Map chia bản
đồ theo tỷ lệ zoom thành các mảnh kích cỡ 256 x 256 pixel Việc này giảm thiểu thời gian chờ đợi và xử lý của máy tính, chỉ load các mảnh mà người dùng đang tương tác
Hình 1.11 Chia nhỏ bản đồ thành các mảnh trên Google Map 8
7 Nguồn: Đại học Sheffield
8 Nguồn: Google Map
Trang 301.2.5 Cấu trúc cơ sở dữ liệu của GIS
Cơ sở dữ liệu GIS mở rộng hơn cơ sở dữ liệu quan hệ thông thường là có thêm đối tượng dữ liệu không gian, cho phép truy vấn đối tượng dựa vào thông tin về vị trí, tọa
độ, đo lường, quan hệ giữa các đối tượng không gian với nhau Bên cạnh đó, dữ liệu thuộc tính (dữ liệu tham khảo, chỉ số địa lý,…) cũng góp vai trò quan trọng để cung cấp các thông tin liên quan đến đối tượng không gian Với hệ thống GIS thì việc xây dựng bản đồ, hiển thị, truy vấn các đối tượng phụ thuộc vào việc xây dựng cơ sở dữ liệu không gian Tùy theo mục đích sử dụng mà GIS database sẽ được thiết kế để lưu
trữ 2 kiểu dữ liệu không gian là: kiểu vector và raster
a) Dữ liệu dạng 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
Kiểu đối tượng điểm - point:
o Là một căp tọa độ (x, y) Ví dụ (1, 2) hoặc (10, 20),…
o Không cần thông tin về diện tích, chu vi
o Thích hợp thể hiện 1 vùng địa lý khi bản đồ thu nhỏ đến mức độ phù hợp để giảm diện tích hiển thị trên bản đồ khi tương tác
Kiểu đối tượng đường - polyline:
o Là một dẫy cặp các tọa độ tối thiểu là 2 cặp Ví dụ (1, 2), (3, 4),…
o Dạng đường thẳng hoặc gấp khúc tùy theo vị trí các tọa độ
o Tính được độ dài dựa trên khoảng cách của toàn bộ các cặp tọa độ
o Thích hợp thể hiện các đối tượng dài và liên tục như đường giao thông, sông, suối, dẫy phố, ngõ phố…
Kiểu đối tượng vùng – polygon:
o Gần giống đối tượng dạng đường, khác là điểm đầu và điểm cuối của dẫy các cặp tọa độ trùng nhau (đa giác khép kín) Ví dụ các tọa độ của một đa giác có dạng: (1, 2), (3, 4), (10, 20), (1, 2)
o Cho phép tính toán diện tích, chu vi của vùng
o Thích hợp với thể hiện các đối tượng vùng địa lý có kích cỡ lớn, phân tách giữa các đối tượng liền kề khi thu nhỏ đến mức độ cho phép Ví dụ: ao, hồ, khu vực hành chính, dân cư,…
Trang 31Hình 1.12 Các kiểu dữ liệu vector biểu diễn các đối tượng tự nhiên của GIS
b) Dữ liệu dạng 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 một 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 một 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 1.13 Chuyển đổi kiểu đối tượng từ vector sang raster
c) 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 cơ sở dữ liệu không
Trang 32gian 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 1.5 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 chính xác
Yêu cầu lưu trữ đòi hỏi kích cỡ lớn với ảnh độ nét cao
Phụ thuộc nhiều vào độ phân giải của ảnh, khả năng phân
tách các đối tượng thấp
1.2.6 Một số tính năng chính của GIS
GIS giống với các hệ thống thông tin khác là việc tổ chức lưu trữ, xử lý và hỗ trợ truy vấn dữ liệu để phân tích, khai phá dữ liệu Tuy nhiên, do đặc thù sử dụng dữ liệu không gian nên GIS cần có 1 số tính năng bổ trợ để mở rộng khả năng tương tác và trực quan hóa dữ liệu so với các hệ thống khác Ở đây là một số tính năng tiêu biểu
được sử dụng trong hệ thống GIS:
a) Tính năng chồng xếp lớp bản đồ (overlay): đây là tính năng cơ bản và quan trọng
nhất của GIS Tính ưu việt lớn nhất là sau khi số hóa bản đồ và tổ chức dữ liệu trên từng lớp (ví dụ: lớp đường giao thông, lớp thủy hệ, lớp nhà hàng, khách sạn,…) Người sử dụng có thể chọn các lớp này và chồng xếp lên 1 bản đồ nền mà họ muốn để tạo ra một bản đồ mới gồm đầy đủ các thông tin mà họ muốn hiển thị để tương tác Các lớp dữ liệu được chồng xếp lên nhau có 2 dạng là vector (shapefile) và raster (ảnh số), cho phép overlay các ảnh viễn thám trên các bản đồ số một cách dễ dàng
Shapefile: đây là một bộ 3 tệp (file shp: thông tin hình học, file shx: chỉ số hình học và file dbf: thông tin thuộc tính) lưu trữ các thông tin thuộc tính và thông tin hình
học của một tập hợp các đối tượng địa lý theo dạng vector (điểm, đường và đa giác)
Ngoài ra còn có dạng multipolyline (nhiều đường) và multipolygon (nhiều đa giác) là
dạng mở rộng của kiểu dữ liệu đường và đa giác, tập hợp nhiều đối tượng
Ảnh raster: cũng tương tự như đối tượng vector, ảnh raster muốn overlay lên bản
đồ thì cũng cần phải có tọa độ Đối với ảnh số bình thường (dạng JPEG, PNG,…)
Trang 33không có thông tin về tọa độ địa lý (kinh độ, vĩ độ) hoặc tọa độ Đề Các (x, y) thì người
sử dụng cần tùy chọn trên giao diện để đưa dữ liệu ảnh trùng khớp với vị trí mong muốn Với ảnh viễn thám dạng GeoTiff, thông qua dữ liệu trong metdata của ảnh, có được tọa độ 4 góc (trên trái, dưới trái, dưới phải, trên phải) và điểm trung tâm của ảnh Việc này giúp overlay ảnh raster lên bản đồ một cách chính xác và nhanh chóng (phụ thuộc vào hệ quy chiếu của bản đồ và của ảnh là phải trùng khớp nhau)
Hình 1.14 Mô hình chồng xếp lớp dữ liệu vector và raster 9
b) Tính năng truy vấn không gian (overlay): các đối tượng dữ liệu dạng vector khi
lưu trữ trong cơ sở dữ liệu GIS có thể được truy vấn dựa trên mối quan hệ không gian (sự liền kề, giao, cắt, trùng lắp,…) và từ đó giúp ích để lấy ra các đối tượng mà người
sử dụng muốn tìm kiếm Một số quan hệ trong không gian ở Bảng 1.6 được sử dụng phổ biến trong các truy vấn cơ sở dữ liệu không gian là:
Bảng 1.6 Chi tiết một số mối quan hệ giữa các đối tượng trong không gian
1 Equals – Trùng nhau Đối tượng A = đối tượng B
2 Disjoint – Khác nhau Đối tượng A∩Đối tượng B = ∅
3 Overlaps – Chồng xếp nhau Đối tượng A ∩ Đối tượng B ≠ ∅
4 Touches – Chạm vào nhau Đối tượng A∩Đối tượng B≠ ∅ chỉ giao nhau ở
đường biên, không có điểm chung bên trong
5 Within – Ở bên trong nhau Đối tượng A ∩ Đối tượng B = A
9 Nguồn: : www.e-education.psu.edu
Trang 34Ví dụ: tìm kiếm các nhà hàng nằm trên 1 con đường, việc này được thực hiện bằng việc là tìm tọa độ của con đường này (dạng đường – polyline), sau đó truy vấn tất cả các nhà hàng (dạng điểm – point) có quan hệ “Touches” với đường này, kết quả truy vấn là 1 tập các nhà hàng nằm trên con đường đang tìm kiếm
Hình 1.15 Một số mối liên hệ giữa các đối tượng vector trong không gian 10
c) Tính năng phân lớp các thuộc tính: tính năng này áp dụng chủ yếu trong việc phân
lớp, phân loại các đối tượng thuộc loại raster Với ảnh viễn thám thu được từ vệ tinh theo kênh chỉ có ảnh chứa các điểm xám (nằm trong khoảng đen – trắng), thì việc phân loại đối tượng và phủ mầu lên ảnh là vô cùng cần thiết để hiển thị dữ liệu trực quan Dựa trên sự tương quan về giá trị của điểm ảnh hoặc mối liên hệ với các vùng lân cận, cho phép xác định đối tượng này thuộc dạng nào và phủ lên mầu nào Cũng giống như việc khai phá dữ liệu thông thường, GIS hỗ trợ 2 loại phân lớp là:
Phân lớp (classification) có giám sát: cho trước 1 tập các mẫu dữ liệu và mẫu kết quả Sử dụng một số thuật toán phân lớp có giám sát (mạng Noron, cây quyết định,…) với đầu vào là 1 ảnh viễn thám Thuật toán sẽ kiểm tra các giá trị của từng điểm ảnh,
so sánh với tập mẫu và tập kết quả để ước lượng, dự đoán xem là điểm ảnh này thuộc vào lớp nào Ví dụ Hình 1.16 ảnh bên trái là ảnh chưa qua xử lý, ảnh bên phải đã xử lý qua thuật toán phân lớp, tách các đối tượng trên ảnh thành các đối tượng với mầu sắc khác nhau thể hiện lớp dữ liệu mong muốn (lớp thực vật, lớp nhà, lớp giao thông,…)
10 Nguồn: wikpedia
Trang 35 Phân cụm (clustering) không giám sát: các dữ liệu đầu vào coi là các biến ngẫu nhiên và thuật toán dựa trên sự tương quan của các dữ liệu này mà sắp xếp chúng vào thành các lớp tương ứng, ví dụ thuật toán K-Means phân cụm dữ liệu
Hình 1.16 Phân lớp ảnh viễn thám Landsat theo từng đối tượng riêng biệt 11
d) Một số tính năng tiện ích khác: các tính năng này xuất hiện tùy theo mục đích sử
dụng của các hệ thống GIS Với hệ thống bản đồ giao thông thì tính năng tìm đường đi ngắn nhất, đo khoảng cách,…là hết sức cần thiết Tuy nhiên với bản đồ địa lý thế giới thì tính năng thay đổi hệ quy chiếu bản đồ, ảnh viễn thám lại đóng vai trò quan trọng Tựu chung lại, hệ thống GIS cần các tính năng cơ bản ngoài các tính năng chồng xếp lớp, truy vấn, xử lý, trích xuất thông tin là: phóng to, thu nhỏ, dịch chuyển bản đồ, tính diện tích, chu vi, khoảng cách, hiển thị các bảng thông tin về đối tượng, vẽ biểu đồ,…
1.3 Tổng quan về WebGIS
1.3.1 Định nghĩa
WebGIS là một 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 Các định nghĩa về WebGIS tổng quát hóa là việc chia sẻ, tích hợp, phân bố tính năng GiS qua mạng Internet trên nền tảng TCP/IP
WebGIS là một hệ thống phức tạp cung cấp truy cập trên mạng với những chức năng như: bắt giữ hình ảnh (capturing), tích hợp dữ liệu (integrating), điều khiển bằng tay (manipulating), phân tích và hiền thị dữ liệu không gian (Harder 1998)
WebGIS là hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - GIS) được phân bố thông qua hệ thống mạng máy tính phục vụ cho việc hợp nhất, phồ
biến, giao tiếp với các thông tin địa lý được hiền thị trên WWW (Edward,2000)
11 Nguồn: www.cs.bilkent.edu.tr
Trang 361.3.2 Kiến trúc chung của WebGIS
Tương tự các hệ thống Web Server đã phát triển từ trước đến nay, WebGIS cũng dựa trên nền tảng kiến trúc của mô hình client – server dựa trên nền tảng TCP/IP để truyền và nhận dữ liệu giữa máy khách sử dụng trình duyệt Web và máy chủ sử dụng Web Server Mô tả cách hoạt động của hệ thống WebGIS như sau:
Người dùng sử dụng trình duyệt (Internet Explorer, Firefox, Chrome, ) hoặc 1 phần mềm GIS client có khả năng truy vấn dữ liệu qua mạng, ví dụ: MapInfo, Arc GIS,… và có nhu cầu truy vấn dữ liệu tới Web Server
Trình duyệt đóng gói dữ liệu qua giao thức HTTP và chuyển tới Web Server
Web Server nhận dữ liệu truy vấn, bóc tách các yêu cầu và xử lý trước khi chuyển tới GIS Server Web Server thường là Apache, IIS, Tomcat,…
Nếu là truy vấn không liên quan đến GIS Server thì GIS Server sẽ bỏ qua và truy vấn dữ liệu từ tầng cơ sở dữ liệu như bình thường Nếu là truy vấn về tạo lập bản đồ thì GIS Server sẽ lấy các dữ liệu shape file, dữ liệu không gian, dữ liệu thuộc tính từ tầng cơ sở dữ liệu, xử lý và trả về Web Server
Về chuẩn trao đổi dữ liệu dựa trên nhiều công nghệ GIS phát triển từ trước đến nay đã được tổ chức cộng đồng không gian địa lý mở OGC (Open Geospatial Consortium) chuẩn hóa về 2 dạng là:
o Web Map Service (WMS): dữ liệu mà client nhận được là các dữ liệu về hình ảnh, bản đồ, mô tả bản đồ,…với định dạng PNG, TIFF, GIF, JPEG,
o Web Feature Service (WFS): thay vì trả về dữ liệu dạng hình ảnh thì trả về một file XML chứa thông tin dữ liệu không gian và thuộc tính, client sẽ sử dụng dữ liệu này và hình thành nên bản đồ, ví dụ: GML (Geography Markup Language)
Web Server sau khi nhận được kết quả từ tầng dưới (dữ liệu ở đây có thể là các file ảnh bản đồ hoặc dạng vector, dữ liệu quan hệ,…), xuất kết quả dưới dạng HTML
và hiển thị trên trình duyệt của client
Với Hình 1.17 cho thấy kiến trúc WebGIS có những ưu điểm khi phát triển và sử dụng rộng rãi là:
Tận dụng tối đa khả năng của nền tảng client – server
Khả năng mở rộng và phát triển các nền tảng phần cứng, phần mềm
Tách biệt giữa các tầng và có thể thay thế các giải pháp về Web Server, GIS Server, Database Server tùy theo nhu cầu sử dụng
Khả năng sử dụng các tính năng GIS dễ dàng, tiện dụng qua Internet
Giảm thiểu chi phí khi đưa Web Server và GIS Server là nơi tập trung xử lý dữ
liệu phân tán thay vì chỉ thực thi được trên từng máy có cài phần mềm GIS
Trang 37Hình 1.17 Kiến trúc hoạt động của WebGIS qua mạng Internet 12
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 1 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
12 Nguồn: www.geosys.com.tr
Trang 38 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 một 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 một 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 1.18 Mô hình triển khai WebGIS trên nền tảng Client – Server
Bên cạnh đó, Web 2.0 đã kế thừa rất nhiều ưu điểm của việc tận dụng các nguồn tài nguyên, dữ liệu, dịch vụ,…có sẵn để tận dụng và phát triển ra thành rất nhiều tính năng mới, hữu ích với người sử dụng Thay vì phải cài đặt và sử dụng từng phần mềm trên máy tính thì các phần mềm dần dần được đưa lên mạng Internet và cho phép người dùng truy cập, lấy thông tin qua các API, Web Services,…Điều này, sản sinh ra một phương pháp phát triển Web mà dựa trên các nền tảng sẵn có để hình thành nhiều
dịch vụ mới, tiện ích mới: công nghệ Web mashup
Với hệ thống WebGIS hiện nay, đặc biệt là với các nhà cung cấp bản đồ số trực tuyến Google Map, Yahoo Map, Bing Map,…đã và đang được sử dụng để tạo ra nhiều trang web, cổng thông tin về nhiều lĩnh vực trong đời sống xã hội Tích hợp tính năng bản đồ số qua các API, kết hợp với dữ liệu sẵn có, Web GIS là một sản phẩm chất lượng được sản sinh từ công nghệ Web mashup (Javascrip, XML, DHTML,…) Một
số ví dụ phổ biến của Web mashup trong thực tế là:
Bản đồ số: cập nhật tình trạng giao thông, ô nhiễm, danh mục các khu vui chơi, nhà hàng, khách sạn,…Ví dụ: Hình 1.19 bản đồ thể hiện điểm lũ lụt đang xẩy ra
Trang 39 Video, hình ảnh: các nhà cung cấp dịch vụ chia sẻ ảnh trực tuyến như Flickr, Youtube cho phép tích hợp tính năng hiển thị hình ảnh lên bản đồ, giao diện Web
Tìm kiếm: tích hợp search engine để hỗ trợ tìm kiếm các thông tin liên quan đến các đối tượng mà trang Web không có sẵn, chia sẻ thông tin từ Internet
Tin tức: tổng hợp, cập nhật dữ liệu từ nhiều trang Web khác nhau để giúp người dùng không mất thời gian tìm kiếm Ví dụ: digg.com, rss,…
Hình 1.19 Ứng dụng tra cứu tình trạng lũ lụt nền tảng Google mashup 13
1.3.4 Các thành phần trong hệ thống WebGIS
Dựa trên các nền tảng công nghệ và phần mềm đã phát triển của GIS và cơ sở dữ liệu không gian, kết hợp với nền tảng Web 2.0 đã tạo nên sự phát triển của WebGIS thành 2 hướng là sử dụng công nghệ mã nguồn mở và mã nguồn đóng Mặc dù có nhiều phần mềm nguồn mở đã dần thay thế được các sản phẩm thương mại, tuy nhiên với độ tin cậy, đảm bảo và phát triển đồng bộ, phần mềm bản quyền vẫn có chỗ đứng lớn trong sự phát triển của GIS và WebGIS Ở đây, nêu ra các thành phần và các công
cụ cơ bản nhất được sử dụng để hình thành nên hệ thống WebGIS dựa trên nguồn mở
và cả nguồn đóng là cơ 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 Ưu điểm lớn nhất khi sử dụng ArcGIS là giảm thiểu thời gian phát triển phần mềm vì đã có một nền tảng công nghệ chuẩn cho các sản phẩm của ESRI Sử dụng công cụ ArcGis Desktop để chỉnh sửa dữ liệu, tiếp theo chia sẻ tài nguyên này như một dịch vụ trên ArcGis Server và sau đó có thể tương tác qua ArcGIS client hoặc trình duyệt Cùng với việc hỗ trợ các nền tảng
13 Nguồn: bbc.co.uk
Trang 40lập trình NET và Java, cho phép phát triển thêm nhiều tính năng và tích hợp vào nhiều
hệ thống khác, ArcGIS là một công nghệ WebGIS mạnh nhưng hạn chế về bản quyền 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 cơ sở dữ liệu 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,…Đó đều là những sản phẩm thương mại có chi phí đầu tư rất lớn, nếu kể đến việc đầu tư mua nguồn ảnh viễn thám thì hệ thống WebGIS cần rất nhiều nguồn lực đầu tư Hơn nữa vì lý do bản quyền chỉ cho phép sử dụng giới hạn một hoặc một số máy chủ, máy client nên khó phát triển rộng rãi được
trong nhiều lĩnh vực và ngành nghề rất cần nghiên cứu viễn thám và GIS
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 Ở đây, liệt kê ra các thành phần chính mà 1 hệ thống WebGIS nguồn mở đáp ứng được
Hệ điều hành máy chủ: Linux là một giải pháp tối ưu nhất về chi phí bản quyền
và được nhiều cộng đồng nguồn mở hỗ trợ phát triển qua các gói phần mềm miễn phí Bên cạnh đó tính bảo mật và tùy biến cao làm tăng tính tin cậy và sự ổn định với các WebGIS được host trên Linux Server Phổ biến là Linux Ubuntu, Mint, Fedora,
Hệ quản trị cơ sở dữ liệu: với yêu cầu về truy vấn, sử dụng và phân tích dữ liệu không gian thì PostgreSQL/PostGIS là lựa chọn tối ưu nhất PostGIS cung cấp thêm
các kiểu dữ liệu geometry (kiểu tọa độ Đề Các), geography (kiểu tọa độ địa lý) và các hàm để hỗ trợ truy vấn không gian trong cơ sở dữ liệu Ví dụ: ST_Length() tính độ dài,
ST_Area() tính diện tích, ST_Intersection() trả về vùng giao nhau của 2 vùng,…Ngoài
ra, MySQL cũng đã có phần mở rộng (extension) truy vấn không gian nhưng tính năng
vẫn chưa mạnh và ổn định như PostGIS nên tạm thời MySQL vẫn chưa có khả năng thay thế PostgreSQL/PostGIS về tốc độ, khả năng xử lý không gian
Ngôn ngữ lập trình: PHP từ lâu là sự lựa chọn tối ưu với các hệ thống Web mã nguồn mở và là ngôn ngữ kịch bản chạy trên các máy chủ nền Linux và Windows Cùng với sự ra đời của các framework miễn phí (cake PHP, CodeIgniter, Symfony,…)
đã giúp việc xây dựng và phát triển các hệ thống Web ngày một nhanh chóng và đạt tiêu chuẩn chất lượng Với client thì các thư viện Javascript mạnh như: Jquery, Dojo, Yui, Mootools,…và sự phát triển của HTML5, CSS3 đã giúp ích rất nhiều trong việc xây dựng các tính năng, tiện ích trên Web dễ nâng cấp, sửa đổi với thời gian ngắn
