ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WEB GIS NHẰM DỰ BÁO QUỸ ĐẠO VẬT THỂ TRÔI PHỤC VỤ TÌM KIẾM CỨU NẠN TRÊN BIỂN Đàm Duy Hùng, Dương Hồng Sơn, Trần Thùy Nhung, Lê Văn Quy Trung tâm Nghiên cứu Môi trường
Trang 1ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WEB GIS NHẰM DỰ BÁO QUỸ ĐẠO VẬT
THỂ TRÔI PHỤC VỤ TÌM KIẾM CỨU NẠN TRÊN BIỂN
Đàm Duy Hùng, Dương Hồng Sơn, Trần Thùy Nhung, Lê Văn Quy
Trung tâm Nghiên cứu Môi trường Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường
Nghiên cứu này trình bày các kỹ thuật và phương pháp ứng dụng công nghệ Web GIS nhằm dự báo quỹ đạo vật thể trôi phục tìm kiếm cứu nạn trên vùng Biển Đông Việt Nam dựa vào dự báo trường dòng chảy từ mô hình Hoàn lưu Đại dương Khu vực ROMS (Regional Ocean Model System) Kết quả mô phỏng dòng chảy, nhiệt độ và quỹ đạo vật thể trôi được hiển thị thông qua môi trường Web GIS: Google Map và MapServer
Ngữ lập trình Python và một hệ quản trị nội dung Plone được sử dụng cho mô-đun dự báo quỹ đạo vật thể trôi hoạt động trên môi trường Website Hệ thống này cho phép người dùng từ xa có thể thực hiện một mô phỏng quỹ đạo vật thể trôi trên khu vực Biển Đông của Việt Nam Nghiên cứu đưa ra giả thiết dự báo cho người trôi trong nước (Person in water – PIW) trên cơ sở vị trí (kinh, vĩ độ) và thời gian ban đầu đã biết
Kết quả cho thấy việc mô phỏng quỹ đạo vật thể trôi đã được thực hiện và hiển thị khá tốt trên bản đồ Web GIS Điều này cho thấy các ứng dụng Web GIS tương tự là hoàn toàn có tính khả thi và chủ động về mặt công nghệ Mặc dù đây là kết quả ban đầu, nhưng nó cho thấy khả năng hỗ trợ lực lượng tìm kiếm cứu nạn trên biển có thể chạy một mô phỏng dự báo quỹ đạo vật thể trôi và giới hạn được vùng tìm kiếm để tìm kiếm hiệu quả hơn.
1 Giới thiệu
Hàng năm trên vùng biển nước ta có hàng nghìn vụ tai nạn hàng hải do các hiểm họa thiên nhiên như bão, áp thấp nhiệt đới, gió mùa, sóng thần và do các nguyên nhân chủ quan của con người Việc tìm kiếm cứu nạn là một việc cực kỳ cần thiết giảm những thiệt hại về người và của, cứu thoát những người bị nạn là một việc làm
có ý nghĩa cao đẹp những cũng đầy khó khăn, nguy hiểm và cấp bách
Việc dự báo quỹ đạo vật thể trôi được xem như là một việc hỗ trợ khoanh vùng tìm kiếm cứu nạn sau khi biết thông tin vị trí ban đầu người bị nạn
Trong nghiên cứu này tập trung vào việc nghiên cứu dự báo xác định vị trí của
người, tàu thuyền (ở đây ta gọi chung là vật thể trôi – drift objects) sau khi không may
có tai nạn xảy ra Từ kết quả dự báo vị trí của vật thể trôi này sau những khoảng thời
gian khác nhau ta có thể xác định được đường quỹ đạo vật thể trôi (drift object
trajectory) phục vụ cho công tác tìm kiếm cứu nạn được hiệu quả và nhanh chóng
Quỹ đạo vật thể trôi được tính toán dự trên các dự báo về trường gió bề mặt và trường dòng chảy bề mặt từ mô hình ROMS
Kết quả dự báo sẽ được hiển thị dưới dạng bản đồ GIS trực quan sinh động và nhanh chóng qua đường truyền tin Internet (WebGIS) để đưa thông tin kịp thời trong những trường hợp khẩn cấp như tìm kiếm cứu nạn
2 Phương pháp nghiên cứu
2.1 Cơ sở tính toán dự báo quỹ đạo vật thể trôi
Mô hình đường quỹ đạo được tính xấp xỉ theo công thức sau:
Trang 2Trong đó, t = i t là thời gian và t là bước thời gian của mô hình V ở đây là tổng hợp của thành phần theo gió và thành phần theo dòng chảy
giờ) vị trí của vật thể sẽ là (xt, yt)
Trường dòng chảy từ mô hình
ROMS là trường dòng chảy theo hệ
tọa độ theo địa hình sigma
(terrain-following σ-coordinates) Véc tơ dòng
chảy được sử dụng trong nghiên cứu
này là ở độ sâu 0,3m
Từ những giả thiết đơn giản
hóa, chúng tôi tính nội suy vận tốc
dòng chảy uc tại vị trí ban đầu x0 từ
vận tốc các tại các nút lưới tọa độ
kinh vĩ Với bước thời gian 1 giờ ta
tính được khoảng cách từ vị trí đó tới
vị trí sau 1 giờ và từ khoảng cách này
2.2 Công nghệ WebGIS và ứng dụng trong bài toán dự báo quỹ đạo vật thể trôi
WebGIS là xu hướng phố biến thông tin mạnh mẽ trên Internet không chỉ dưới góc độ thông tin thuộc tính thuần túy mà nó kết hợp được với thông tin không gian hữu ích cho người sử dụng
Bản đồ Google Map được cung cấp thông qua một giao diện gọi là API, là một giao diện lập trình ứng dụng do hãng Google cung cấp Giao diện này cho phép người dùng sử dụng ngôn ngữ lập trình theo chuẩn của Google Map, chủ yếu là dạng JavaScript lập trình ở phía Client side, để tạo các ứng dụng có nhúng bản đồ Google Map trong website của mình Google Map API này hoạt động như một Web GIS server cung cấp các công cụ để truy vấn, hiển thị một hoặc nhiều lớp bản đồ chồng lên nhau
Thông qua giao diện lập trình này, người sử dụng có thể tạo các bản đồ với các điểm (Marker), đường (Polyline), hay vùng (Polygon) một cách dễ dàng và ghép chồng lên nền bảng đồ Google Map Nền bản đồ này có thể ở các dạng như: Bản đồ giao thông (ROADMAP), ảnh vệ tinh (SATELLITE), bản đồ ghép đường giao thông
và ảnh vệ tinh (HYBRID), hay bản đồ địa hình (TERRAN)
- Polylines: Polylines dùng để thể hiện đường kết nối trên bản đồ dựa vào các
tọa độ Các đoạn thẳng được hiển thị với các tùy chọn cho nó như màu sắc, độ đậm nhạt, độ rộng cùa đường Phải có tối đa 2 điểm để tạo nên 1 đường thẳng
Trang 3- Polygon: Cũng giống như đối tượng Polylines, Polygon xây dựng dựa trên một
loạt các tọa độ, tuy nhiên thay vì mở thì nó hoàn toàn khép kín trong một khu vực
Các thiết lập marker, polylines
và polygon sẽ cho kết quả sẽ được bản
đồ dạng như hình bên
Với cách thức đó ta có thể xuất
ra file dữ liệu tọa độ các điểm vị trí và
tạo thành một trajectory và lưu vào file
driftobject_trajectory.xml Tiếp theo là
gán dữ liệu đọc được vào hàm
JavaScript bởi vì hiển thị Google Map
hoàn toàn được thực hiện nhờ
JavaScript
Với hàm thiết lập điểm
(setpoint(latlng)) được định nghĩa từ
trước có nhiệm vụ đọc file *.xml như
vùng trên Google Map
Mapserver là một môi trường
mã nguồn mở cho phép việc xây
dựng những ứng dụng xử lý dữ liệu
không gian trên internet Nó có thể
được chạy như 1 chương trình CGI
hoặc thông qua Mapscript (hỗ trợ
nhiều ngôn ngữ lập trình như Perl,
Python …) Mapserver không phải là
1 hệ thống có đầy đủ các đặc tính của
hệ thống thông tin địa lý (GIS), và
cũng không phát triển theo định
hướng đó, mapserver tốt nhất ở điểm
sinh ra dữ liệu không gian như (bản
đồ, hình ảnh, dữ liệu vector …) trên
môi trường web Ngoài việc giúp định
vị dữ liệu không gian, tạo bản đồ địa hình, mapserver có thể định hướng người dùng đến nội dung Ví dụ minnessota DNR (http://mapserver.gis.umn.edu/) cung cấp người dùng với hơn 10000 trang web, bản đồ, báo cáo thông qua một ứng dụng duy nhất
3 Kết quả và thảo luận
Kết quả dự báo quỹ đạo vật thể trôi trong điều kiện thời tiết có bão
Bão Mindulle
Thời gian dự báo được tính từ 0h, ngày 23/8/2010 đến 0h, ngày 26/8/2010 Đây
là thời gian xảy ra cơn bão số 3, tên quốc tế là Mindulle, là cơn bão gần bờ với diễn
Hình 3 Sơ đồ hệ thống Mapsever
Trang 4biến hết sức phức tạp Kết quả dự báo vật thể trôi tính đến tác động tổng cộng của dòng chảy và gió được thể hiện như hình dưới đây:
Hình 4 Quỹ đạo vật thể được dự báo tại vùng biển Biển Đông trong thời gian xảy ra
cơn bão Mindulle dựa trên tác động tổng cộng của dòng chảy và gió
Khi xác định quỹ đạo có tính đến cả thành phần của gió nhận thấy đường đi của vật thể đã biến đổi đáng kể cả về hướng và độ lớn Sự biến đổi bây giờ chịu tác động tổng hợp của cả gió và dòng chảy, vì vậy nó là rất phức tạp, nhất là đối với các điểm nằm trong vùng ảnh hưởng của bão
Bão Nocten
Thời gian dự báo được tính từ 0h, ngày 27/7/2011 đến 0h, ngày 30/7/2011 Cơn bão này có tên quốc tế là Nocten, là cơn bão gần bờ với diễn biến hết sức phức tạp Kết quả dự báo quỹ đạo vật thể trôi trong cơn bão Nocten tính đến tác động tổng hợp của gió và dòng chảy được thể hiện trong hình dưới:
Hình 5 Quỹ đạo vật thể được dự báo tại vùng biển Biển Đông (trái) và Nam Biển
Đông (phải) trong thời gian xảy ra cơn bão Nocten
Với các kết quả tính toán quỹ đạo như trên nhận thấy rằng những ảnh hưởng của dòng chảy tác động làm biến đổi rất lớn quỹ đạo của vật thể Với các trường hợp khác nhau, khi mà ảnh hưởng của gió và dòng chảy là khác nhau thì kết quả có sự biến đổi về cả hướng và quãng đường đi được Để có thể đưa ra những dự báo tốt cần có những nghiên cứu và kiểm nghiệm thực tế để tính được những ảnh hưởng của gió và
Điểm đầu
Điểm đầu
Trang 5dòng chảy đến vật thể trong từng trường hợp vật thể khác nhau với độ nổi khác nhau
để có thể đưa ra những hệ số tốt về ảnh hưởng của thành phần gió và dòng chảy đối với quỹ đạo vật thể
Xây dựng thành phần trang web dự báo quỹ đạo vật thể trôi
Hệ thống dự yêu cầu đưa ra cho trang web là phải đọc được dữ liệu dạng NetCDF và truy xuất dữ liệu để đưa vào mô hình tính toán quỹ đạo vật thể trôi và hiển thị kết quả dự báo trên nền bản đồ GIS trên trang web
Dữ liệu đầu vào là sản phẩm từ mô hình ROMS dưới dạng NetCDF (Network Common Data Format) sau khi sử dụng công cụ đọc NetCDF từ trên Web, dữ liệu sẽ đưa vào module của Python để tính toán quỹ đạo vật thể trôi Sau khi có các tập tin hình ảnh ta cần xử lý dữ liệu đó để tạo ra các tập tin hình ảnh là quỹ đạo vật thể trôi
đưa lên Web GIS (google Map) và hiển thị trên Web (Plone 4.0)
Thành phần website chạy dự báo
Tại trang chủ của hệ thống cho phép người dùng đăng nhập vào hệ thống Tại đây người dùng xác định vị trí tọa độ ban đầu của vật thể
Sau khi có được vị trí ban
đầu của vật thể trôi, hệ thống sẽ
xác định vị trí đó thuộc khu vực
nào, và lấy trong cơ sở dữ liệu để
đưa ra bản đồ phù hợp với khu
vực mà người dùng xác định
Giao diện này bao gồm:
latitude là vĩ độ ban đầu của vật
thể, longitude: là kinh độ ban đầu
của vật thể Initial date là thời gian
ban đầu của vật thể ROMS source
là nguồn số liệu dự báo dòng chảy
cho dự báo quỹ đạo Người dùng
có thể dùng số liệu 24h, 48h, hay
72h
Hình 6 Giao diện của trang chạy dự báo quỹ đạo
vật thể trôi
Kết quả chạy dự báo sẽ được hiển thị trên bản đồ Google Map như sau:
Hình 7 Kết quả chạy dự báo quỹ đạo vật
thể trôi trên bản đồ Google Map
Hình 8 Kết quả mô phỏng quỹ đạo vật thể
trôi dưới dạng text
Trang 6Kết quả mô phỏng được cho dưới 2 dạng là bản đồ và dạng text
Từ chức năng chạy dự báo vật thể trôi hệ thống sẽ hiển thị kết quả trên giao diện cho người dùng là các bản đồ hình ảnh quỹ đạo vật thể trôi và hình ảnh các bản
đồ dự báo hải văn Hình ảnh này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các biên tập viên đồ họa miễn phí hoặc mất phí
Ngoài ra, hệ thống còn có thể hiển thị các bản đồ yếu tố hải văn dưới dạng hình
ảnh khi người dùng yêu cầu
4 Kết luận
Nghiên cứu này đã ứng dụng được công nghệ WebGIS trong dự báo quỹ đạo vật thể trôi để đưa kết quả dưới dạng bản đồ trực quan, sinh động
Từ kết quả cho thấy có thể dùng hai công nghệ WebGIS trong dự báo quỹ đạo vật thể trôi và dự báo hải văn đó là:
Công nghệ WebGIS dùng bản đồ nền và giao diện lập trình ứng dụng của Google Map
Công nghệ WebGIS dùng MapServer mã nguồn mở do Đại học Minnesota phát triển Đây là một phương án thay thế công nghệ của Google Map và nó là một biện pháp cho phép chủ động về công nghệ mà không lệ thuộc vào bên thứ ba như Google Map
Các công nghệ WebGIS dùng Google Map kết hợp tốt với Python và Plone và phù hợp với không chỉ khoa học Hải dương học mà còn với các nghiên cứu khoa học Trái đất khác
Hệ thống dự báo quỹ đạo vật thể trôi đã xây dựng được cho phép mô phỏng quỹ đạo vật thể trôi và như vậy xác định được vùng tìm kiếm Mô phỏng trong thời gian chạy khoảng 3-5 phút/1 trường hợp
Tuy nhiên, đây là nghiên cứu ban đầu và là nghiên cứu nghiêng về lý thuyết nhiều hơn nên cần có những nghiên cứu kiểm nghiệm cụ thể ngoài hiện trường
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Abi-Zeid, Irene, Frost, John R 2005 SARPlan: a decision support system for Canadian search and rescue operations European Journal of Operational Research
2 Breivik, O., Allen, A (2008) An Operational Search and Rescue Model for the Norwegian Sea and the North Sea Journal of Marine Systems, 69(1/2), 15
3 Dương Hồng Sơn, Nguyễn Tài Hợi, “Dự báo hạn ngắn trường dòng chảy và nhiệt
độ Biển Đông”, Đề tài Xây dựng mô hình dự báo các trường khí tượng thuỷ văn vùng biển đông – KC.09.04
4 Hodgins, D.O., Hodgins, S.L.M, 1998 Phase II Leeway Dynamics Program: DevelopmentandVerificationofa Mathematical Drift Model for Liferafts and Small Boats Report, Canadian Coast Guard, Nova Scotia, Canada Project, vol.5741
5 http://ecco.jpl.nasa.gov/
6 http://www.myroms.org/index.php
7 http://www.vinamarine.gov.vn/MT/Detail.aspx?id=8fa1f133-3fae-4128-b953-3a3cf3f80d27&CatID=87&NextTime=11/05/2010%2014:06&PubID=100
Trang 78 Peter C Smith, Donald J Lawrence, và nnk Improving the Skill of Search-and-Rescue Forecasts
9 Phạm Văn Sỹ, Dương Hồng Sơn, Phạm Minh Huấn, 2010 “Thử nghiệm quy trình
dự báo trường dòng chảy, độ muối, nhiệt độ khu vực Biển Đông bằng mô hình ROMS.”
10 Shen, Y., J R Crouch, et al (2007) Interactive visualization of Regional Ocean Modeling System Proceedings of the IASTED International Conference on Graphics and Visualization in Engineering Clearwater, Florida, ACTA Press:
74-82
APPLICATION OF WEB GIS TECHNOLOGY IN DRIFT OBJECT
TRAJECTORY FORECAST TO SUPPORT SEARCH AND RESCUE
IN THE SEA Dam Duy Hung, Duong Hong Son, Tran Thuy Nhung, Le Van Quy
Center for Environmental Research Vietnam Institute of Meteorology Hidrology and Environment
This paper presents techniques and methodology to apply web GIS technology on problems of drift object forecast in order to support marine search and rescue (SAR) in Vietnam East Sea, based on ocean current forecast resulting from ROMS model (Regional Ocean Model System).As the results of simulation of current, temperature and drift object trajectory are displayed throughout the Web GIS environment: Google Map and MapServer
We also used a free programming language – Python, and a web framework, Plone, as
a basement for the drift object trajectory forecast module to operate on web environment The web system enables remote users can conduct a simulation run to forecast trajectory of floating object in the East Sea of Vietnam This initial research we hypothesize that we only forecast for a floating object such as a person in water (PIW), the latest time and position (latitude and longitude) are known
The result shows that the simulation of drift object trajectory forecast is well performed and displayed on the Web GIS map This shows the similar applications of Web GIS are feasible and active in aspects of technology Although this is initial result, it shows an ability to support marine search and rescue forces can run a simulation for drift object trajectory forecast, then help them to limit the size of search area and the search is more efficient
Keywords: drift object, search and rescue, ROMS, web GIS, ocean forecast
