Nghiên cứu và xây dựng hệ thống web GIS phục vụ chia sẻ thông tin cảnh báo ô nhiễm không khí

Cho đến thời điểm hiện tại, các hệ thống cung cấp thông tin ô nhiễm không khí tại Việt Nam mới chỉ sử dụng thông tin từ các trạm quan trắc mặt đất, dữ liệu đảm bảo với độ chính xác cao..

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Thị Nhật Thanh

NGƯỜI ĐỒNG HƯỚNG DẪN: TS Lê Thanh Hà

Hà Nội - 2015

LỜI CAM ĐOAN

Với mục đích nghiên cứu, nâng cao kiến thức và chuyên môn tôi đã thực hiện luận văn này một cách nghiêm túc và trung thực

Trong toàn bộ nội dung của luận văn, tôi có sử dụng tài liệu tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau, tôi đã nêu đầy đủ ở cuối luận văn

Tôi xin cam đoan và chịu trách nhiệm về nội dung đã viết trong luận văn tốt nghiệp của mình

Hà Nội, tháng 11 năm 2015 Học viên

Lê Xuân Thành

LỜI CẢM ƠN

Những kiến thức và sản phẩm đạt được trong luận văn này là kết quả của 2 năm (2013-2015) khi tôi đã có may mắn được học tập và nghiên cứu tại trường Đại Học Công Nghệ Để đạt được những kết quả và tiến bộ vượt bậc như ngày hôm nay, không thể không kể đến sự hướng dẫn, giúp đơn tận tình từ thầy cô, bạn bè

Tôi xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Nhật Thanh, thầy Lê Thanh Hà, Thầy Bùi Quang Hưng là những giảng viên đang công tác tại trường Đại Học Công Nghệ đã giúp đỡ, chỉ dẫn, định hướng cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành khóa học và cuối cùng là luận văn

Tôi xin cảm ơn đến anh Bùi Sỹ Nguyên, anh Đào Ngọc Thành, anh Nguyễn Quốc Huy, anh Phan Văn Trọng, anh Phạm Văn Hà, anh Phạm Hữu Bằng, em Lưu Việt Hưng,

em Mẫn Đức Chức, em Phan Văn Thanh, em Đỗ Văn Tú và rất nhiều các anh/chị/em tại Trung tâm Công nghệ tích hợp Liên ngành Giám sát hiện trường (FIMO) - Trường Đại học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ và hỗ trợ rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy/cô của khoa Công Nghệ Thông Tin của trường vì đã giảng dạy cho tôi trong suốt thời gian theo học tại Trường Đại học Công Nghệ

Hà Nội, tháng 12 năm 2015

Lê Xuân Thành

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

MỞ ĐẦU 5

DANH MỤC THUẬT NGỮ 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM, HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ, CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ 10 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VIỄN THÁM 10

1.1.1 Lịch sử phát triển của viễn thám 10

1.1.2 Định nghĩa viễn thám 11

1.1.3 Nguyên lý cơ bản của viễn thám 11

1.1.4 Ảnh viễn thám 11

1.1.5 Các vệ tinh viễn thám phổ biến 12

1.2 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ - GIS 12

1.2.1 Khái niệm 12

1.2.2 Cơ sở dữ liệu GIS 13

1.2.3 Cấu trúc dữ liệu trong GIS 14

1.3 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ 15

1.3.1 Khái niệm 15

1.3.2 Quy chuẩn về chất lượng không khí 15

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ 18

2.1 Giải pháp dịch vụ bản đồ 18

2.1.1 Dịch vụ bản đồ trong hệ thống GIS 18

2.1.2 Một số máy chủ bản đồ phổ biến 19

2.1.3 Tại sao nên sử dụng ArcGIS Server 25

2.2 Flex – Công nghệ Rich Internet Application 27

2.2.1 Giới thiệu về Flex 27

2.2.2 Thành phần chính của Flex 27

2.2.3 Ưu và nhược điểm của Flex 28

2.3 Arcgis API cho Flex và dịch vụ web RESTful 29

2.3.1 Arcgis API cho Flex 29

2.3.2 Dịch vụ web RESTful 31

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG CHIA SẺ THÔNG TIN CẢNH BÁO Ô

NHIỄM KHÔNG KHÍ 34

3.1 Bài toán xây dựng hệ thống cảnh báo ô nhiễm không khí 34

3.2 Tổng quan về hệ thống cảnh báo ô nhiễm không khí – Air Pollution Management (APOM) 36

3.2.1 Hệ thống chia sẻ thông tin cảnh báo ô nhiễm không khí sử dụng ảnh vệ tinh (phần client) 39

3.2.2 Nguyên tắc thiết kế 41

3.2.3 Mục tiêu thiết kế và các ràng buộc 42

3.2.4 Môi trường phát triển và thực thi 44

3.3 Use-case view 46

3.3.1 Nhóm chức năng hiển thị bản đồ chất lượng không khí cảnh báo ô nhiễm không khí tự động 47

3.3.2 Nhóm chức năng tìm kiếm dữ liệu ô nhiễm không khí 49

3.3.3 Nhóm chức năng thống kê, báo cáo dữ liệu ô nhiễm không khí 51

3.4 Logical View 55

3.4.1 Các lớp logic của hệ thống 55

3.4.2 Nền tảng công nghệ 56

3.5 Process view 59

3.6 Deployment View 61

3.7 Implementation View 65

3.8 Thiết kế cơ sở dữ liệu 67

3.8.1 Nguyên tắc thiết kế cơ sở dữ liệu 67

3.8.2 Sơ đồ thực thể quan hệ - Entity Relation Diagram 68

3.9 Một số giao diện của hệ thống 72

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

MỞ ĐẦU

Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, sự bùng nổ dân số và quá trình

đô thị hóa nông thôn diễn ra nhanh Tăng trưởng công nghiệp và dân số dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng hàng năm tăng cao chóng mặt kèm theo đó là lượng khí phát thải gây hiệu ứng nhà kính từ hoạt động công nghiệp và sinh hoạt, giao thông tăng cao Chất lượng không khí ở Việt Nam đang có xu hướng xấu đi, gây ra những tác hại không nhỏ cho sức khỏe người dân và môi trường Trung tâm nghiên cứu môi trường thuộc đại học Yale và đại học Columbia của Mỹ cho rằng Việt Nam nằm trong 10 nước có môi trường không khí ô nhiễm nhất thế giới 170/178 theo số liệu năm 2014 [13]

Báo cáo môi trường quốc gia hàng năm về chất lượng không khí chỉ ra rằng lượng bụi tổng (Total Suspended Particles - TSP) và các hạt bụi lơ lửng trong không khí (Particulate Matter concentration - PM) vượt quá chuẩn quốc gia ở nhiều thành phố, khu công nghiệp và các trục đường giao thông đặc biệt tại hai đô thị lớn là Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh Ví dụ như tại Hà Nội, chất lượng không khí trong giai đoạn từ 2010-

2013 ở mức kém, số ngày có chất lượng không khí AQI (Air Quality Index) = 101 ÷ 200 chiếm từ 40-60% tổng số ngày quan trắc trong năm [1]

Cho đến thời điểm hiện tại, các hệ thống cung cấp thông tin ô nhiễm không khí tại Việt Nam mới chỉ sử dụng thông tin từ các trạm quan trắc mặt đất, dữ liệu đảm bảo với

độ chính xác cao Tuy nhiên số lượng rất hạn chế, chỉ có 6 trạm quan trắc tại các thành phố: Hà Nội, Phú Thọ, Hạ Long, Huế, Đà Nẵng, Khánh Hòa do Trung tâm quan trắc môi trường – Tổng cục môi trường quản lý Mặc dù thông tin số liệu thu được hết sức chính xác, chi tiết, tần số dữ liệu thu được cao (theo giờ) nhưng thông tin số liệu đó chỉ đại diện cho khu vực đặt trạm quan trắc mà không thể cung cấp thông tin tổng quan trên diện rộng, vì trong các khu vực chẳng hạn như các quận/huyện của thành phố Hà Nội, diễn biến về nồng độ bụi, nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa đã rất khác nhau

Trong khi đó trên thế giới và tại Việt Nam, công nghệ viễn thám đã có những bước phát triển vượt bậc giúp các nhà khoa học quan sát trái đất, thu thập thông tin qua ảnh

vệ tinh Từ đó giải quyết các bài toán lớn như dự báo thiên tai, biến đổi khí hậu, giám sát các lớp phủ mặt đất, giám sát chất lượng không khí…Ưu điểm của việc ứng dụng viễn thám trong giám sát hiện trường là tính bao quát rộng lớn Đối với bài toán giám sát chất lượng không khí, ảnh vệ tinh cung cấp các tham số quan trọng để tính toán và đưa ra đánh giá về chất lượng không khí theo tiêu chuẩn trong nước và tiêu chuẩn quốc

tế Việc sử dụng ảnh vệ tinh để tính toán, giám sát chất lượng không khí đang là hướng

đi mới, giải quyết khó khăn khi số lượng các trạm quan trắc ít và kinh phí lắp đặt các trạm quan trắc lớn

Với mục tiêu nghiên cứu và xây dựng một hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System – GIS) thu thập, xử lý, lưu trữ cung cấp thông tin giám sát và chia

sẻ về chất lượng không khí Hệ thống sẽ là kênh cung cấp thông tin cho người dân, các nhà quản lý, các tổ chức y tế…đáp ứng tính dễ sử dụng, khả năng linh hoạt, giàu tương tác Các chức năng trong hệ thống mà luận văn đi sâu vào bao gồm: bản đồ chất lượng

không khí, chức năng tìm kiếm, xem chuỗi ảnh, xem thông tin chi tiết của ảnh, thống kêu báo cáo về số liệu chất lượng không khí trong một khoảng thời gian

Về phương pháp và phạm vi nghiên cứu, luận văn sẽ đi nghiên cứu về:

- Công nghệ viễn thám và ảnh vệ tinh viễn thám

- Hệ thống thông tin địa lý, cơ sở dữ liệu không gian và truy vấn không gian với dữ liệu vector, raster

- Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ Rich Internet Application và các máy chủ bản đồ trong xây dựng hệ thống web GIS

Cấu trúc luận văn chia là 3 chương:

Chương 1: Giới thiệu chung về viễn thám, hệ thống thông tin địa lý (GIS) và ảnh sol khí

Chương 2: Trình bày về phương nền tảng công nghệ xây dựng hệ thống web GIS

Chương 3: Trình bày về hệ thống chia sẻ thông tin cảnh báo ô nhiễm không khí

DANH MỤC THUẬT NGỮ

API Application Program Interface Định nghĩa một giao diện chuẩn

để gọi một tập các chức năng TSP Total Suspended Particles Bụi lơ lửng

AQI Air Quality Index Chỉ số chất lượng không khí

tiêu chuẩn Việt Nam

tiêu chuẩn Quốc tế

PM Particulate Matter Các hạt bụi rắn trong không khí Sol khí Aerosol Chất lơ lửng phân tán trong không

khí GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý

XML eXtensible Markup Language Ngôn ngữ Đánh dấu Mở rộng SOAP Simple Object Access Protocol Giao thức truy cập đối tượng đơn

giản REST Representational State Transfer Truyền trạng thái đại diện

OGC Open Geospatial Consortium Tổ chức Không Gian Địa lý RIA Rich Internet Application Ứng dụng web giàu tính năng AOT /AOD Aerosol optical thinkness Độ dày quang học

DEM Digital Elevation Model Mô hình độ cao số

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Nguyên lý hoạt động của viễn thám 11

Hình 2: Mô hình các lớp dữ liệu trong GIS 13

Hình 3: Mô hình dữ liệu Vector và Raster 14

Hình 4: Kiến trúc của GeoServer 20

Hình 5: Kiến trúc của MapServer 22

Hình 6: Kiến trúc của một hệ thống ArcGIS Server 24

Hình 7: Cách đặt các lớp bản đồ lên bản đồ nền 30

Hình 8: Sơ đồ tổng thể hệ thống cảnh báo ô nhiễm không khí 36

Hình 9: Quy trình xử lý dữ liệu và mô hình hóa 38

Hình 10: Các chức năng của hệ thống chia sẻ thông tin cảnh báo ô nhiễm không khí 39 Hình 11: Mô hình kiến trúc 4+1 41

Hình 12: Sơ đồ xác thực của hệ thống 43

Hình 13: Biểu đồ ca sử dụng tổng quát của hệ thống 47

Hình 14: Biểu đồ ca sử dụng nhóm chức năng hiển thị bản đồ chất lượng không khí cảnh báo ô nhiễm không khí tự động 48

Hình 15: Biểu đồ ca sử dụng nhóm chức năng tìm kiếm dữ liệu ô nhiễm không khí 50

Hình 16: Biểu đồ ca sử dụng thống kê báo cáo 52

Hình 17: Khung nhìn logic của hệ thống phần mềm 55

Hình 18: Sơ đồ phần mềm của hệ thống 58

Hình 19: Các luồng xử lý của các thành phần hệ thống 60

Hình 20: Mô hình triển khai hệ thống 61

Hình 21: Biểu đồ Implementation của hệ thống APOM 65

Hình 22: Schema prodaot 69

Hình 23: Schema prodpm 70

Hình 24: Schema prodaqi 71

Hình 25: Giao diện chính của hệ thống 72

Hình 26: Giao diện kết quả tìm kiếm ảnh PM2.5 của vệ tinh Modis Terra 72

Hình 27: Giao diện xem metadata của ảnh 73

Hình 28: Giao diện thống kê báo cáo dạng bảng 73

Hình 29: Giao diện thống kê báo cáo dạng biểu đồ cột 74

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện 10

Bảng 2: Mô tả dữ liệu vector 14

Bảng 3: Chỉ số AQI tiêu chuẩn quốc tế 16

Bảng 4: Chỉ số AQI tiêu chuẩn Việt Nam 17

Bảng 5: So sánh tính năng của một số hệ thống cung cấp dịch vụ bản đồ trên thế giới 25

Bảng 6: Các nhóm chức năng của giao diện chia sẻ thông tin cảnh báo ô nhiễm không khí 40

Bảng 7: Môi trường phần cứng, phần mềm được sử dụng để phát triển hệ thống 44

Bảng 8: Môi trường thực thi hệ thống 45

Bảng 9: Yêu cầu hạ tầng phần cứng hệ thống APOM 62

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM, HỆ THỐNG

THÔNG TIN ĐỊA LÝ, CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VIỄN THÁM

1.1.1 Lịch sử phát triển của viễn thám

Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu dài từ đầu thế kỉ 19, bắt đầu bằng việc chụp ảnh sử dụng phim và giấy trên khinh khí cầu Viễn thám thực sự phát triển mạnh mẽ vào những năm 1960 của thế kỉ 20 khi công nghệ phóng vệ tinh đạt được những bước tiến vượt bậc Bảng 1 tóm tắt quá trình hình thành và phát triển của ảnh viễn thám từ thời kì đầu đến nay [3]

Bảng 1: Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện Thời gian (năm) 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

1909 Chụp ảnh từ máy bay

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 ảnh từ vệ tinh, viễn thám cũng sử dụng các phương tiện hàng không khác như máy bay, khinh khí cầu, rada… để chụp ảnh chi tiết với độ phân giải cao ở nhiều nơi trên thế giới Viễn thám đóng vai trò quan trọng trong đo đạc, giải đoán ảnh, phân tích tín toán dữ liệu ảnh để phục vụ các lĩnh vực khác như nông - lâm – ngư nghiệp, môi trường, quân sự… Cùng với sự phát triển không ngừng của máy tính, các

máy tính ngày càng mạnh hơn, cho khả năng tính toán, xử lý dữ liệu lớn nhanh chóng, chính xác

1.1.2 Định nghĩa viễn thám

“Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) 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 Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu” [2]

1.1.3 Nguyên lý cơ bản của viễn thám

Như chúng ta đã biết, sóng điện từ từ một vật là do phản xạ năng lượng của mặt trời hoặc do vật đó phát xạ Các cảm biến đặt trên vật mang (máy bay, khinh khí cầu, vệ tinh…) có thể thu nhận được năng lượng điện từ này Kỹ thuật viễn thám sử dụng dải phổ điện từ từ 0.3 μm (tia cực tím) đến 30cm (vô tuyến) để thu nhận ảnh viễn thám Hình 1 mô tả nguyên lý hỏa động của viễn thám trong thực tế [2]

Hình 1: Nguyên lý hoạt động của viễn thám

 Ảnh rada: được tạo ra bằng cách thu nhận các bước sóng cao tần (1mm –

30cm) Nguồn năng lượng chính là sóng rada phản xạ từ các vật thể do vệ

tinh phát ra Ảnh rada không bị ảnh hưởng bởi mây, sương mù, cho phép thu

nhận năng lượng cả ngày lẫn đêm

1.1.5 Các vệ tinh viễn thám phổ biến

Vệ tinh SPOT:

Là vệ tinh có độ phân giải cao, được Pháp phóng vào năm 1986, hệ thống vệ tinh SPOT đến nay đã có 4 vệ tinh được đưa lên quỹ đạo

- Độ bay cao 830 km

- Góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98.70

- Bay qua xích đạo lúc 10h30 sáng

- Chu kỳ lặp lại 26 ngày

Vệ tinh MODIS:

Bao gồm 2 loại: MODIS Terra (phóng năm 1999) và MODIS Aqua (phóng năm 2002) Các vệ tinh này được phóng bởi cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ - NASA và được quản lý bởi cơ quản quản lý khí quyển và đại dương quốc gia Hoa Kỳ Các vệ tinh

có khả năng thu thập thông tin về nhiệt độ, đất đai, đại dương, khí quyển… phục vụ các công tác nghiên cứu viễn thám

Vệ tinh Suomi National Polar-orbiting Partnership (NPP)

Được phóng vào năm 2011, sử dụng chủ yếu để giám sát bề mặt mặt đất, các thảm họa thiên nhiên như núi lửa phun trào, cháy rừng, lũ lụt, hạn hán, bão…NPP quan sát trái đất 2 lần/24 giờ

thám, điều tra, phân tích mô phỏng Thông tin địa lý bao gồm 2 loại dữ liệu: dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian

Hiện nay có rất nhiều định nghĩa về GIS nhưng đã thống nhất quan niệm trung lại

là: GIS là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các thiết bị

ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý để phục vụ một mục đích nghiên cứu, quản lý nhất định [4]

1.2.2 Cơ sở dữ liệu GIS

Cơ sở dữ liệu là thành phần quan trọng nhất của hệ thống GIS, nó là tập hợp của 2 loại dữ liệu, đó là dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian

Dữ liệu không gian: là những mô tả hình ảnh bản đồ đã được số hóa, bao gồm tọa

độ của đối tượng, các quy luật, các kí hiệu để xác định một đối tượng cụ thể trên bản đồ

Dữ liệu phi không gian: diễn tả đặc tính, số lượng, mối quan hệ giữa các hình ảnh đại diện cho đối tượng trên bản đồ đối với vị trí địa lý của chúng

Dữ liệu bản đồ trong hệ thống GIS được chia thành nhiều lớp bản đồ khác nhau được gọi là bản đồ chuyên đề Mỗi bản đồ chuyên đề bao phủ một lĩnh vực Các bản đồ chuyên đề được xếp chồng lên nhau tạo thành một bản đồ hoàn chỉnh chứa thông tin các đối tượng địa lý

Hình 2: Mô hình các lớp dữ liệu trong GIS Mạng lưới trạm quan trắc

Sông rạch

Địa giới hành chính

1.2.3 Cấu trúc dữ liệu trong GIS

Hệ thống thông tin địa lý có một đặc điểm quan trọng trong tổ chức là: dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính được lưu trữ trong cùng một cơ sở dữ liệu Hai loại dữ liệu này có liên hệ chặt chẽ với nhau, xem hình 3 [7]

Hình 3: Mô hình dữ liệu Vector và Raster

a Cấu trúc Raster

Đây là ảnh chứa thông tin về một bản đồ chuyên đề nào đó Cấu trúc raster mô phỏng các đối tượng trên bề mặt trái đất bằng một lưới với các hàng và cột Các ô nhỏ trong lưới gọi là pixel, giá trị của pixel là thuộc tính của đối tượng Độ phân giải của dữ liệu raster phụ thuộc vào kích thước của các pixel Kích thước của pixcel càng nhỏ thì đối tượng được biểu diễn càng chính xác

Cấu trúc dữ liệu raster thường được sử dụng trong việc lưu trữ thông tin dạng ảnh như ảnh vệ tinh hoặc một số mô hình biểu diễn bề mặt như mô hình độ cao số DEM (Digital Elevation Model) Cấu trúc dữ liệu dạng raster có ưu điểm là dễ thực hiện các chức năng xử lý, phân tích hoặc các yêu cầu tính toán tốc độ cao, dễ dàng liên kết dữ liệu viễn thám, tuy nhiên dữ liệu raster có nhược điểm là khi độ phân giải càng thấp, thì

vị trí không gian của các đối tượng càng có sự sai lệch lớn

b Cấu trúc Vector

Cấu trúc dữ liệu Vector biểu diễn các đặc trưng địa lý, vị trí, phạm vi của các đối tượng không gian bằng các thành phần đồ họa như điểm, đường, đa giác… Điểm (Point) được xác định trên bản đồ là tọa độ x, y Đường (Line) là chuỗi các cặp x, y liên tục Vùng (Polygon) là khoảng không gian được giới hạn bởi các cặp tọa độ x, y, trong đó điểm đầu và điểm cuối trùng nhau

Bảng 2: Mô tả dữ liệu vector

Điểm + x

(x,y) trong 2D (x, y, z) trong 3D

1.3 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ

1.3.1 Khái niệm

Chỉ số chất lượng không khí AQI là chỉ số đại diện cho nồng độ của một nhóm các chất ô nhiễm gồm CO, NOx, SO2, O3 và bụi, nhằm cho biết tình trạng chất lượng không khí và mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe con người [7]

1.3.2 Quy chuẩn về chất lượng không khí

Chỉ số AQI cho biết chất lượng không khí tại một điểm hoặc một khu vực nào đó trong một khoảng thời gian nhất định Từ giá trị AQI, chúng ta có thể đưa ra các mức cảnh báo về chất lượng không khí thích hợp tùy vào mục đích Trên thế giới có nhiều quy chuẩn đưa ra để tính AQI từ tập thông số ô nhiễm, luận văn sẽ nêu ra quy chuẩn do

cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (U.S Environmental Protection Agency – EPA) đưa ra

và chuẩn thứ hai là do tổng cục môi trường thuộc Bộ Tài Nguyên và Môi Trường Việt Nam quy định mới nhất (năm 2013)

Màu sắc cho các khoảng AQI cũng đã được quy định bởi EPA bao gồm 7 mức với màu sắc tương thay đổi theo khoảng giá trị AQI từ 0-500 [7][11]

Bảng 3: Chỉ số AQI tiêu chuẩn quốc tế Khoảng giá trị AQI Mức độ ảnh hưởng đến sử khỏe Màu sắc

Ý nghĩa của các mức như sau:

Tốt 0 đến 50 Chất lượng không khí được cho là thoả đáng- ô

nhiễm không khí đem lại rất ít hoặc không có rủi

ro nào

Trung bình 51 đến 100 Chất lượng không khí chấp nhận được; tuy nhiên,

đối với một số chất gây ô nhiễm, có thể gây lo ngại cho 1 nhóm rất nhỏ những người đặc biệt nhạy cảm với ô nhiễm không khí

500

Báo động về sức khoẻ: Tất cả mọi người đều có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng về sức khoẻ

Chỉ số chất lượng không khí ở Việt Nam do tổng cục môi trường tính toán và đề xuất theo quyết định số 78/QĐ-TCMT ngày 1 tháng 7 năm 2011 Theo đó, các thông số được sử dụng để tính toán chỉ số AQI bao gồm: O2, CO, NOx, O3, PM10, TSP Chất lượng không khí theo tiêu chuẩn Việt Nam sau khi tính toán bao gồm có 5 mức được

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ

2.1 Giải pháp dịch vụ bản đồ

2.1.1 Dịch vụ bản đồ trong hệ thống GIS

Đối với các hệ thống thông tin địa lý (GIS), việc thao tác với dữ liệu không gian diễn ra thường xuyên nên dịch vụ bản đồ đóng vai trò rất quan trọng Dịch vụ bản đồ cho phép người dùng tương tác với hệ thống Hệ thống thông tin địa lý bao gồm hai phần chính là máy chủ tạo bản đồ (Web Map Server) và giao diện bản đồ phía người dùng (Web Map Client)

Web Map Server cung cấp cho người sử dụng các công cụ phục vụ:

vụ web (Web Service) Nội dung của dịch vụ web tùy thuộc vào các tham số đầu vào

mà client cung cấp:

 Nếu yêu cầu hiển thị bản đồ, client phải cung cấp tọa độ bốn góc, hệ quy chiếu…

 Nếu yêu cầu truy vấn thông tin đối tượng trên bản đồ, client cần phải chỉ rõ

ra lớp thông tin bản đồ cần truy vấn (layer), tạo độ của điểm, đường, khu vực cần truy vấn thông tin

Giống như các dịch vụ web, dịch vụ web GIS được xây dựng tập trung vào các chức năng GIS, sử dụng các giao thức web mở như XML (eXtensible Markup Language), SOAP (Simple Object Access Protocol) và REST (Representational State Transfer) Web service Có các loại dịch vụ GIS sau:

 Map service: đây là dịch vụ cơ bản nhất của GIS service Các layer (lớp) của

dịch vụ bản đồ cung cấp các thành phần sau:

- Layer bản đồ nền, nơi chúng ta có thể đặt lên các layer khác và thao tác với thông tin

- Layer trình diễn thông tin sau khi phân tích các mô hình

- Truy cập thông tin bản đồ sử dụng các câu lệnh, biểu đồ, báo cáo

- Image Service: sử dụng như một map layer để tạo ra bản đồ được tích hợp

từ nhiều nguồn ảnh, có thể truy vấn các giá trị trên các pixel trên ảnh và tập

dữ liệu raster (raster datasets)

 Geoprocessing services: được sử dụng để chạy các mô hình phân tích và tự động hóa các nhiệm vụ

 Geodatabase services: được sử dụng để hỗ trợ truy vấn và chỉnh sửa cơ sở dữ liệu tập trung hoặc nhiều người dùng

 Locator services: được sử dụng để mã hóa địa lý địa danh, địa chỉ và thông tin địa điểm khác

Dịch vụ web GIS có một số đặc điểm quan trọng có ảnh hưởng đến cách sử dụng, nhưng đặc điểm quan trọng nhất có lẽ là tham chiếu không gian Có nghĩa là ta có thể gộp nhiều dịch vụ GIS từ các server khác nhau trên nền web

Có 3 loại web map server phổ biến nhất đó là MapServer (version 7.0.0), GeoServer (version 2.7.x), và ArcGIS Server (10.x) trong đó có MapServer và GeoServer là mã nguồn mở và ArcGIS là độc quyền Các web map server này được sử dụng phổ biến và hoạt động trên hầu hết các hệ điều hành phổ biến hiện nay, hỗ trợ nhiều kiểu định dạng vector

2.1.2 Một số máy chủ bản đồ phổ biến

2.1.2.1 GeoServer

 GeoServer là một máy chủ mã nguồn mở được viết bằng ngôn ngữ Java, cho phép người sử dụng chia sẻ, biên tập dữ liệu không gian Được thiết kế cho các nhiệm vụ tương tác, GeoServer có thể xuất bản dữ liệu từ nhiều nguồn dữ liệu không gian sử dụng các tiêu chuẩn mở

 Là dự án dựa vào sự đóng góp của cộng đồng, GeoServer được phát triển, kiểm thử và hỗ trợ bởi một nhóm đang dạng từ các cá nhân cho đến tổ chức trên toàn thế giới GeoServer áp dụng nhiều tiêu chuẩn của Open Geospatial Consortium (OGC) như Web Feature Service (WFS) và Web Coverage Service (WCS) GeoServer là phần khung cốt lõi của một hệ thống thông tin địa lý

a Tính năng của GeoServer

GeoServer là một map server mạnh mẽ phục vụ chia sẻ, phân tích, biên tập dữ liệu

từ các nguồn dữ liệu không gian, sử dụng các chuẩn mở OGC Các dịch vụ có thể được tích hợp với các ứng dụng doanh nghiệp để tạo các ứng dụng bản đồ, tích hợp các bản

đồ vào các ứng dụng GIS trên nền web, mobile, hay desktop

Các đặc trưng của GeoServer:

- Hỗ trợ nhiều định dạng dữ liệu bao gồm: ArcSDE, Oracle Spatial, DB2,

Microsoft SQL Server, Shapefile, GeoTIFF …

- Hỗ trợ xuất dữ liệu ra nhiều định dạng như Esri Shapefiles, KML, GML,

GeoJSON, PNG, JPEG, TIFF, SVG, PDF, GeoRSS

- Có đầy đủ các tính năng của một giao diện quản lý web và REST API dễ dàng cấu hình

- GeoServer được viết bằng ngôn ngữ Java nên nó làm việc cùng với các web server Jetty, Tomcat, Jboss…

b Kiến trúc của GeoServer

GeoServer đóng gói các tập tin bản đồ trong mã nguồn và cung cấp các biến thông qua một công thức web đơn giản GeoServer sử dụng một máy chủ Java, các gói của nó cũng là các servlet độc lập sử dụng trên các ứng dụng servlet container có sẵn như Apache Tomcat hay Jetty

XLS

Styled maps

PNG, GIF, JPEG, TIFF, GeoTIFF, SVG, PDF, KML/ KMZ

Raster Data

GeoTIFF, ArcGrid, GTopo30, Img+world

Google

KML superoverlayer, Goolge Maps tiles

WFS 1.0 WFS 1.1 WFS 2.0 WMS 1.1.1 WMS 1.3

WCS 1.0 WCS 1.1 WCS 2.0

KML

Hình 4: Kiến trúc của GeoServer Đầu vào của dữ liệu:

 Shapefile

 Dữ liệu từ các hệ quản trị cơ sở dữ liệu: Postgres, Oracle, SQL Server,

 Dữ liệu Raster: GeoTiff, JPEG…

MapServer khởi đầu được phát triển bởi đại học Minnesota, trong dự án ForNet hợp tác với NASA và sở tài nguyên thiên nhiên Minnesota Sau đó nó nằm trong dự án

TerraSIP, một dự án được hổ trợ bởi NASA Hiện tại, MapServer là một dự án của OSGeo, và được phát triển bởi 1 nhóm khoảng 20 người đến từ khắp nơi trên thế giới

a Tính năng của MapServer

MapServer cho phép xuất ra các bản đồ chi tiết:

 Tỉ lệ bản đồ phụ thuộc vào việc vẽ và thực hiện ứng dụng

 Cho phép ghi các nhãn

 Có khả năng tùy biến đầy đủ, có các template cho đầu ra

 Hỗ trợ font chữ TrueType

 Tự động tạo các thành phần của bản đồ (tỉ lệ, bản đồ tham khảo, chú thích)

 Lập bản đồ chuyên đề sử dụng các công thức logic hoặc biểu thức chính quy

 Hỗ trợ các các ngôn ngữ script và môi trường phát triển phổ biến (PHP, Perl, Python, Ruby, Java, và C#)

 Hỗ trợ đa nền tảng (Linux, Windows, Mac OS X, Solaris …)

 Hỗ trợ nhiều dạng raster và vector

o TIFF/ Geo TIFF, EPPL7 và nhiều định dạng khác thông qua GDAL

o ESRI shapefiles, PostGis, ESRI ArcSDE, Oracle Spatial, My SQL… thông qua ORG

 Hỗ trợ một số chuẩn Open GeoSpatial Consortium (OGC): WMS

(client/server), WFS (client/server), WMC, WCS, Filter Encoding, SLD, GML, SOS

 Hỗ trợ phép chiếu bản đồ: hỗ trợ hơn 1000 hệ chiếu thông qua thư viện proj.4

b Kiến trúc của MapServer

Vecter Data Raster Data

Mapfile configuration

Apache/IIS MapServer CGI Application MapScript Application

PDF SVG SWF

HTML + Image Image

PDF SVG SWF

Hình 5: Kiến trúc của MapServer Một ứng dụng MapServer đơn giản gồm:

 Map File: Một tập tin cấu hình có cấu trúc cho ứng dụng MapServer Nó xác định các khu vực bản đồ, nơi hiển thị dữ liệu và đâu là đầu ra của ảnh Nó cũng định nghĩa các layer của bản đồ, nguồn dữ liệu, phép chiếu và các biểu tượng Nó phải

có phần mở rộng là map, nếu không MapServer sẽ không thể nhận diện được

 Dữ liệu địa lý: MapServer có thể sử dụng nhiều loại nguồn dữ liệu địa lý, định dạng mặc định là ESRI Shape format Có nhiều kiểu định dạng khác được hỗ trợ như Vector, Raster, Projections…

 Các trang HTML: đây là giao diện giữa người dùng và MapServer Bao gồm một bản đồ, có thể tương tác với các đối tượng trên bản đồ

 MapServer CGI: Các tập tin nhị phân hoặc tập tin thực thi nhận các yêu cầu và trả về các ảnh, dữ liệu…

 Web/HTTP Server: Máy chủ chứa các trang HTML để người dùng truy cập Ta cần phải cài đặt một Web (HTTP) server như Apache, IIS (Microsoft Internet Information Server) trên máy chủ cài đặt MapServer

2.1.2.3 ArcGIS Server

Arcgis là một máy chủ GIS cung cấp các dịch vụ và ứng dụng Web GIS nâng cao

Nó có khả năng quản lý dữ liệu địa lý ở quy mô lớn Các ứng dụng GIS được quản lý

tập trung, hỗ trợ đa người dùng, tích hợp nhiều chức năng liên quan đến biên tập, xử lý bản đồ rất mạnh và được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn công nghiệp

a Tính năng của ArcgisServer

 Bộ công cụ trong ArcgisServer cho phép tạo mới, chia sẻ, và quản lý dữ liệu địa

lý, bản đồ, các mô hình phân tích sử dụng các ứng dụng trên desktop và server ArcgisServer giúp triển khai các ứng dụng GIS trên các nền tảng khác nhau từ desktop cho đến nền web và mobile

 ArcGIS Server và các extention của nó có thể thực hiện đầy đủ các chức năng liên quan đến dữ liệu không gian Nó cho phép tạo và quản lý các dịch vụ web, phân tích GIS, biên tập web, phân tích mạng, phân tích cơ sở dữ liệu và quản lý

dữ liệu địa lý

 Arcgis Server hỗ trợ xây dựng các ứng dụng GIS thời gian thực Nó kết nối đến bất kì nguồn dữ liệu nào, thông qua cơ chế streaming Có thể tự động cảnh báo khi có điều kiên quy định nào đó xảy ra ArcGIS for Server (với ArcGIS GeoEvent Extension cho Server) sẽ khởi động các kết nối đến các thiết bị như sensor, GPS, hay mobile Thông qua đó, có thể xử lý và lọc dữ liệu thời gian thực Giúp cho việc theo dõi tài sản, cập nhật và gửi dữ liệu bản đồ thông qua email, văn bản, hay tin nhắn tức thời

 Arcgis Server làm việc với dữ liệu không gian trong các hệ cơ sở dữ liệu như:

o BM DB2 và IBM Informix Dynamic Server

o Microsoft SQL Server, Microsoft SQL Server Express, và Microsoft SQL Azure

hệ thống đơn giản hơn, lập trình viên chỉ cần biết một ngôn ngữ

 Hỗ trợ đa nền tảng: Windows, Sun Solaris và Red Hat Linux…

Arcgis Server có thể triển khai theo nhiều kiểu: triển khai tại chỗ, triển khai trên máy chủ đám mây, máy chủ ảo Có thể sử dụng Arcgis Online để triển khai hoặc sử dụng Arcgis Server độc lập

b Kiến trúc của ArcGIS Server

Thiết bị di động Trình duyệt web

Desktop Client (ArcGIS Explorer, Arcgis Desktop, Arcgis Engine)

Internet

Web GIS ArcGIS Server

Hình 6: Kiến trúc của một hệ thống ArcGIS Server

 ArcGIS Server làm việc dựa trên khái niệm về phân tán, có nghĩa là ta có thể tăng thêm sức mạnh của máy chủ bằng cách thêm các máy vật lý ArcGIS Server là một hệ thống bao gồm nhiều thành phần Mỗi thành phần này nắm giữ một vai trò cụ thể trong quá trình quản lý, cân bằng nguồn tài nguyên cung cấp cho một hay nhiều server Các thành phần của ArcGIS Server bao gồm:

 Máy chủ GIS (GIS Server): Lưu trữ và chạy các ứng dụng server Máy chủ GIS bao gồm một máy chủ SOM (Server Object Manager) và một hoặc nhiều máy chủ SOC khác (Server Object Containers)

 Máy chủ Web (Web Server): Lưu trữ các ứng dụng web và dịch vụ sử dụng tài nguyên chạy trên ArcgisServer

 Clients: là web, mobile hoặc ứng dụng desktop kết nối đến các dịch vụ của ArcGIS Server thông qua môi trường mạng LAN hay WAN

 Máy chủ dữ liệu (Data Server): chứa tài nguyên GIS dùng để tạo ra các dịch vụ trên ArcGIS Server Tài nguyên có thể là các tài liệu bản đồ, vị trí định vị, tài nguyên…

 Manager and ArcCatalog administrators: Người quản lý ArcGIS Server có thể sử dụng các công cụ quản lý để tạo ra các dịch vụ bản đồ

 ArcGIS Desktop content authors: Để tạo ra tài nguyên GIS như bản đồ, các công

cụ xử lý dữ liệu địa lý…sẽ được tạo ra từ server

2.1.3 Tại sao nên sử dụng ArcGIS Server

Bảng 5: So sánh tính năng của một số hệ thống cung cấp dịch vụ bản đồ trên thế giới

Website http://www.mapserver.org/ http://geoserver.org/ http://www.esri.com

Giao diện đồ họa Giao diện đồ họa

Hỗ trợ đầu

vào

- Vector: shapefile, TIGER,

- Raster: TIFF, GeoTIFF, JPEG, GIF, PNG,

- Databases: Microsoft SQL, Oracle,

PostGIS/PostgreSQL, etc

- Vector: shapefile, TIGER,

- Raster: TIFF, GeoTIFF, JPEG, GIF, PNG, etc…

- Databases:

Microsoft SQL, Oracle, PostGIS/PostgreSQL, etc…

- Vector: shapefile, TIGER,

- Raster: TIFF, GeoTIFF, JPEG, GIF, PNG, etc…

- Databases:

Microsoft SQL, Oracle, PostGIS/PostgreSQL

Android, ArcObjects, Flex, iOS, Java,

JavaScript, Python, SharePoint,

Silverlight, SOAP, Windows Mobile

Nền tảng Web base, mobile, desktop

application

Web base, mobile, desktop application

Web base, Windows,Flex, Silverlight, iOS, Android, and Windows Phone

Với Arcgis Server, việc lập trình, thiết kế và triển khai hệ thống GIS có thể được quản lý tập trung Điều này giúp giảm giá thành khi tiết kiệm giá thành khi không cần thiết phải cài đặt phần mềm trên từng máy Arcgis Server có thể tích hợp với nhiều hệ quản trị cơ sở dữ liệu, với khả năng hỗ trợ dịch vụ web cùng với việc có thể hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình phía client, nó sẽ giúp cho việc phát triển các hệ thống đa nền tảng trở nên nhanh chóng Về khía cạnh phân tích dữ liệu, truy vấn dữ liệu ảnh dựa trên các pixel, các đối tượng dạng polygon, point, raster thì arcgis hỗ trợ mạnh mẽ hơn các api còn lại

2.2 Flex – Công nghệ Rich Internet Application

2.2.1 Giới thiệu về Flex

Flex hay còn gọi là Adobe Flex, là một bộ công cụ phát triển phần mềm phục vụ phát triển, triển khai các hệ thống đa nền tảng giàu tính năng (RIA) dựa trên nền tảng Adobe Flash Phiên bản mới nhất của Flex là Flex SDK 4.12.0, cung cấp cho người sử dụng rất nhiều các control được xây dựng sẵn, thuận lợi cho việc phát triển nhanh một ứng dụng đa nền tảng

Adobe Flex bao gồm:

 ActionScript 3.0

 MXML (Macromedia XML)

 CSS

Các công nghệ/công cụ liên quan:

 Flex SDK: cung cấp các control cơ bản như các nút, combox, datetime picker… cho ứng dụng Flex

 Flex Builder: Công cụ phát triển ứng dụng Flex, dựa trên nền của Eclipse

 Flex Chartting

Sản phẩm của Flex có thể chạy như một ứng dụng Flash hoặc như một ứng dụng desktop trên nền AIR của Adobe Với lợi thế 95% các máy tính trên thế giớ có cài Flash Player, đây là điều kiện thuận lợi để triển khai các ứng dụng trên nền tảng Flex

2.2.2 Thành phần chính của Flex

a Mxml và ActionScript

Flex cung cấp cho người sử dụng nhiều các thức khác nhau để xây dựng một ứng dụng Đầu tiên, chúng ta phải nói đến MXML, đây là ngôn ngữ đánh dấu đặc biệt, được thiết kế để xây dựng các thành phần giao diện của ứng dụng Flex, nó có cấu trúc giống như các thẻ XML

Chúng ta có thể thấy rằng, thuộc tính Button được đặt ở bên phải của thẻ, tên của button là “Tìm kiếm” và id của đối tượng là btnSearch Với id trên, chúng ta có thể tham chiếu button ở mọi nơi trong chương trình Các thuộc thành phần gian diện như màu sắc, skins, event của các control trong Flex cũng được cài đặt với cách tương tự như trên

ActionScript là ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng được thiết kế chủ yếu cho các trang web sử dụng nhiều hoạt cảnh (animation) ActionScript được coi như là ngôn ngữ kịch bản cho ứng dụng flash, nó là ngôn ngữ dựa trên các sự kiện, các hành động được kích hoạt bởi các sự kiện Cú pháp cơ bản có nguồn gốc từ ECMAScript Ví dụ như khi

ta muốn chương trình lắng nghe sự kiện click vào nút nào đó, ta có thể viết một function

sử dụng ActionScript bên trong thẻ <Script>, event đó tham chiếu đến id của button

<mx:Button id ="btnSearch" label ="Tìm kiếm" click="this.search();"/>

cần sinh sự kiện Function trong ActionScrip sẽ đón sự kiện đó, việc còn lại là viết mã nguồn xử lý nghiệp vụ trong thân hàm

Khi function search() được gọi, hàm sẽ kiểm tra khoảng thời gian nhập vào từ DateTimePicker, lấy mã tỉnh từ tinhDropdown, mã tỉnh sau đó tiến hành in dữ liệu ra một danh sách kết quản tìm kiếm

b Event trong Flex

Flex sử dụng một khái niệm đó là event để chuyển dữ liệu từ một đối tượng đến một thành phần phụ thuộc khác dựa trên trạng thái hoặc sự tương tác của người sử dụng ActionScript được thiết kế với một lớp Event tổng quát bao gồm nhiều hàm chứa các event riêng cho từng trường hợp Một event có 3 thuộc tính chính đó là:

 type: là trạng thái mỗi khi phát sinh event, nó có thể là click, initialize,

mouseover, change…Các trạng thái được biểu diễn bởi các hằng ví dụ như:

MouseEvent.CLICK

 target: thuộc tính target của một Event là đối tượng tham chiếu đến thành phần

đã sinh ra ra event Ví dụ như khi click vào button với id là tinhDropdown, thì

đó là target của event

 currentTarget: là thành phần sẽ đón nhận sự kiện đã phát sinh để xử lý, nó thường là một function với thân là các đoạn mã ActionScript

2.2.3 Ưu và nhược điểm của Flex

id_tinh = tinhDropdown.selectedItem.id;

timeBegin = ngayBatDauDateField.selectedDate;

timeEnd = new Date(

ngayKetThucDataField.selectedDate.fullYear,

ngayKetThucDataField.selectedDate.month,

ngayKetThucDataField.selectedDate.date + );

dựng bởi Flex có thể chạy trên trên nhiều nền tảng khác nhau như Android, BlackBerry, iOS, ngoài ra nó cũng có thể chạy trên trình duyệt web hoặc như một ứng dụng desktop Flex không phụ thuộc vào nền tảng, nó có thể tương tác với server sử dụng các công nghệ phổ biến như Java, Spring, Hibernate, PHP, Ruby, NET… sử dụng dịch vụ web với các chuẩn như REST, SOAP, JSON, JMS, AMF

Thiết kế của Flex là Single Page, có nghĩa là ứng dụng chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác ngay trên một trang mà không cần phải tại lại trình duyệt hoặc hoặc lấy một trang mới từ Server Với thiết kế này, ứng dụng Flex sẽ giảm thiểu việc tải lại ứng dụng từ Server do ứng dụng chỉ cần tải ứng dụng một lần thay vì tải các trang mới mỗi khi người sử dụng chuyển khung nhìn

Ứng dụng Flex là single thread (đơn luồng) nhưng Flex cung cấp mô hình lập trình asynchronous (bất đồng bộ) để khắc phục phần nào nhược điểm này Flex dựa trên ActionScript and XML, do đó để phát triển ứng dụng Flex, chúng ta cần phải làm quen với 2 loại ngôn ngữ này

2.3 Arcgis API cho Flex và dịch vụ web RESTful

2.3.1 Arcgis API cho Flex

a Giới thiệu

Arcgis API hỗ trợ mạnh mẽ việc tạo web map sử dụng các dịch vụ bản đồ do Arcgis Server biên tập Arcgis API cũng hỗ trợ đa ngôn ngữ, đa nền tảng như Javascript, flex, Silverlight, iOS, và Android Arcgis API được thiết kế với nhiệm vụ chính là để làm việc các web service được xuất bản bởi ArcgisOnline, ArcGIS Portal hoặc ArcGIS for Server Sử dụng Arcgis API, ứng dụng web map có thể hiển thị các layer bản đồ từ ArcGIS Server, các image service hoặc feature service, OGC webservice và các tài liệu KML Ta cũng có thể thêm các dữ liệu được lưu trữ trong các tập tin txt, csv hay các tập tin GPS có định dạng gpx, xuất dữ liệu trong vùng/điểm không gian lựa chọn trên bản đồ dưới các định dạng csv,txt,kml Khi khởi tạo bản đồ, ta cũng có thể định nghĩa nội dung cho các đối tượng hiển thị trên bản đồ, thiết lập bản đồ nền và xác định khung khoảng rộng ban đầu (extent)

Rất nhiều các lập trình viên sử dụng Javascipt, flex API để phát triển ứng dụng bản

đồ Lập trình viên có thể sử dụng Javascipt để tạo ứng dụng bản đồ và các tương tác trên bản đồ chỉ với công cụ notepad Tuy nhiên với Javascript, một ngôn ngữ không strong-type thì khi lập trình viên thiếu kinh nghiệm, rất khó để có thể xây dựng được một kiến trúc sáng sủa Dẫn đế việc khi hệ thống ngày càng mở rộng, mã càng rối, rất khó khăn cho việc bảo trình, mở rộng Trái lại, với các lập trình viên thích làm việc với các các design pattern, các nghiệp vụ sâu hơn và đặc biệt là strong-type thì Arcgis cho Flex là lựa chọn phù hợp ERSI cung cấp Arcgis API for Flex cho phép người sử dụng tạo các

ứng dụng ứng dụng bản đồ tận dụng những thành phần RIA của Flex như lưới dữ liệu, biểu đồ, menu cây…và các tính năng hiển thị bản đồ chứa dữ liệu, truy xuất thành phần GIS từ server, hiển thị dữ liệu trên các bản đồ nền được ESRI cung cấp sẵn, tìm kiếm các thuộc tính của dữ liệu, chỉnh sửa dữ liệu từ Arcgis Server…

b Hiển thị bản đồ sử dụng Arcgis API for Flex

Tính năng cơ bản và quan trọng nhất mà Arcgis API cung cấp là hiển thị bản đồ Arcgis API cung cấp giao diện bản đồ với các thành phần giúp người dùng hiển thị, truy vấn nội dung, làm việc với các lớp bản đồ chuyên đề thông qua giao diện Các dịch vụ bản đồ thường được sử dụng là Open Street Map, Bing Maps, OGC WMS hoặc các dịch

vụ bản đồ cung cấp bởi Arcgis Online

Để sử dụng Arcgis API for Flex, đầu tiên người sử dụng phải tham chiếu đến thư viện của API trong tập tin MXML bằng cách sử dụng ESRI namespace

Một bản đồ thường có nhiều các layer (lớp), mỗi layer biểu diễn một loại dữ liệu(còn gọi là bản đồ chuyên đề) như địa giới hành chính, dân cư, giao thông, địa hình…khi xếp chồng các layer này lên với nhau thì ta được bản đồ đầy đủ Các lớp bản

đồ phải có cùng hệ quy chiếu Hệ quy chiếu của bản đồ được thiết lập theo lớp bản đồ đầu tiên gọi là bản đồ nền Sử dụng sai hệ quy chiếu sẽ khiến bản đồ không hiển thị được hoặc hiển thị sai vị trí của các đối tượng Các bản đồ số thường sử dụng hệ quy chiếu 4326 hoặc 3857

Địa giới

hành chính

Bản đồ nền

Bản đồ chuyên đề

2.3.2 Dịch vụ web RESTful

a Dịch vụ web là gì?

Dịch vụ web (Web Service) là công nghệ cho phép máy khách của thể truy vấn dữ liệu từ một máy chủ bất kì, không phụ thuộc vào nền tảng Bản chất, một dịch vụ web dựa trên XML sử dụng giao thức HTTP để chuyển tải dữ liệu Dịch vụ web bao gồm url

để có thể dễ dàng truy cập và yêu cầu thông tin từ các dịch vụ web khác

Dịch vụ web cho phép client và server có thể giao tiếp với nhau ngay cả khi chúng được triển khai ở các môi trường khác nhau, mã nguồn khác nhau, không cần yêu cầu đặc biệt gì đòi hỏi tương thích

Dịch vụ web được thiết kế dựa trên các chuẩn mở ví dụ như JSON, XML, dễ dàng xây dựng và triển khai và cung cấp ra bên ngoài

nghĩa ra các quy tắc về kiến trúc trong thiết kế dịch vụ web tập trung vào tài nguyên của

hệ thống

REST tuân thủ 4 nguyên tắc thiết kế cơ bản sau[trích dẫn]

 Sử dụng các phương thức HTTP một cách rõ ràng

 Phi trạng thái

 Hiển thị cấu trúc thư mục như URIs

 Chuyển đổi JavaScript Object Notation (JSON) và XML hoặc cả hai

Đặc tính quan trọng của dịch vụ web RESTful là yêu cầu người phát triển sử dụng các phương thức HTTP một cách rõ ràng Nguyên lý thiết kế của REST thiết lập ánh xạ 1-1 giữa các hành động thêm, xem, sửa, xóa (CRUD) do đó:

 Để tạo một tài nguyên ta sử dụng phương thức POST

 Để truy xuất tài nguyên, ta sử dụng phương thức GET

 Để cập nhật dữ liệu của tài nguyên, ta sử dụng phương thức PUT

 Để xóa tài nguyên, ta sử dụng DELETE

Nếu như trước đây, có một số dịch vụ web được thiết kế sử dụng phương thức GET cho mục đích tạo tài nguyên trên máy chủ Như vậy phương thức GET không được

sử dụng đúng với mục đích Ví dụ:

Web Server được thiết kế để phản hồi các phương thức dựa trên HTTP GET bằng cách truy vấn tài nguyên dựa trên các tham số trên đường dẫn và trả về thông tin chứ

GET /register?email=thanhlx@gmail.com HTTP/1.1

không phải để thực hiện việc thêm mới một tài nguyên RESTful giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng đúng phương thức HTTP POST

Với thiết kế này, dịch vụ web sử dụng REST tường minh hơn trong các truy vấn tài nguyên REST không sử dụng các động từ trong URIs như /add-users hoặc /update-users, do vậy dễ dàng chuyển trạng thái CRUD

Với RESTful, máy khách có thể yêu cầu chuẩn đầu ra phù hợp, được chấp nhận bởi HTTP, ta có thể lựa chọn chuẩn đầu ra bằng cách thay đổi giá trị MINE tại HTTP header Một số loại MINE phổ biến được sử dụng bởi dịch vụ web RESTful

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG CHIA SẺ THÔNG TIN CẢNH BÁO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

3.1 Bài toán xây dựng hệ thống cảnh báo ô nhiễm không khí

Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước và sự bùng nổ dân số đã đẩy nhanh quá trình đô thị hóa, dẫn đến hệ quả là môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng Trong đó, ô nhiễm không khí do giao thông chiếm khoảng 60-70%, ngoài ra các nguồn khí thải khác như hoạt động sản xuất nông nghiệp (đốt rơm rạ), khai thác khoảng sản, xây dựng, khí thải do các ngành khác và hoạt động dân sinh cũng chiếm một tỉ lệ tương đối Chính sự ô nhiễm khí thải phát sinh từ những hoạt động này đã và đang gây nên những tác động hết sức tiêu cực đến sức khỏe của người dân, nhất là những người sinh sống tại các thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh Trung tâm nghiên cứu môi trường thuộc đại học Yale và đại học Columbia của Mỹ cho rằng Việt Nam nằm trong

10 nước có môi trường không khí ô nhiễm nhất thế giới (170/178 theo số liệu năm 2014) [20]

Báo cáo môi trường quốc gia về chất lượng không khí chỉ ra rằng lượng bụi TPS

và bụi lơ lửng PM vượt quá chuẩn quốc gia ở nhiều thành phố, khu công nghiệp và các trục đường giao thông Ví dụ như tại Hà Nội, chất lượng không khí trong giai đoạn từ 2010-2013 ở mức kém, số ngày có chất lượng không khí AQI = 101 ÷ 200 chiếm từ 40-60% tổng số ngày quan trắc trong năm [3]

Chính vì những lý do nêu trên, nhu cầu cấp thiết là cần phải có một hệ thống cảnh báo ô nhiễm không khí có khả năng cung cấp và hỗ trợ thông tin ô nhiễm không khí một các đầy đủ, cập nhật và rộng rãi nhất

Cho đến thời điểm hiện tại, các hệ thống cung cấp thông tin ô nhiễm không khí tại Việt Nam mới chỉ sử dụng thông tin từ các trạm quan trắc mặt đất, dữ liệu đảm bảo với

độ chính xác cao Tuy nhiên số lượng rất hạn chế, chỉ có 6 trạm quan trắc tại các thành phố: Hà Nội, Phú Thọ, Hạ Long, Huế, Đà Nẵng, Khánh Hòa do Trung tâm quan trắc môi trường – Tổng cục môi trường quản lý Mặc dù thông tin số liệu thu được hết sức chính xác, chi tiết, tần số dữ liệu thu được cao (theo giờ) nhưng thông tin số liệu đó chỉ đại diện cho khu vực đặt trạm quan trắc mà không thể cung cấp thông tin tổng quan trên diện rộng, vì trong các khu vực chẳng hạn như các quận/huyện của thành phố Hà Nội, diễn biến về nồng độ bụi, nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa đã rất khác nhau Trái ngược với hình thức lấy dữ liệu từ các trạm quan trắc mặt đất, dữ liệu được tính toán thông qua ảnh

vệ tinh chỉ có chất lượng trung bình do phải tính toán gián tiếp và tần xuất thu được ảnh cũng không cao (theo ngày) Tuy nhiên, ảnh vệ tinh lại có một ưu điểm vượt trội so với hình thức lấy dữ liệu từ các trạm quan trắc mặt đất đó là có độ bao quát rộng lớn, có khả năng bao phủ toàn bộ lãnh thổ Việt Nam

Dựa trên thực tế đó và xét các nhu cầu hiện tại ở Việt Nam, nhu cầu cấp thiết là cần phải có một hệ thống đơn giản, đầy đủ chức năng, có khả năng cung cấp thông tin

về chất lượng không khí trên toàn lãnh thổ Việt Nam nhanh chóng và cập nhật liên tục, được triển khai trên nhiều nền tảng web, di động và đảm bảo các yêu cầu sau:

Có phạm vi bao quát rộng lớn: hệ thống cần phải có khả năng cung cấp thông

tin về chất lượng không khí trên toàn lãnh thổ Việt Nam Cho phép người dân có thể truy cập thông tin về chất lượng không khí tại nơi họ sống hoặc khu vực họ quan tâm

Giao diện trực quan, thân thiện với người dùng: hệ thống có giao diện thân

thiện, dễ sử dụng, cung cấp cái nhìn trực quan về chất lượng không trên lãnh thổ Việt Nam mà không đòi hỏi phải có bất cứ kiến thức chuyên môn về địa lý hay kiến thức trong nghiên cứu chất lượng không khí Nói cách khác, một người không có kiến thức chuyên môn cũng có thể dễ dàng sử dụng và hiểu được các thông tin hệ thống cung cấp

Cung cấp các chức năng giàu tính tương tác: hệ thống cần cung cấp cho người

dùng một giao diện giàu tính tương tác, đặc biệt là các tương tác với bản đồ Giao diện bản đồ có khả năng cung cấp thông tin về chất lượng không khí cho người dùng, cho phép người dùng tìm khu vực mình sinh sống hoặc quan tâm một cách đơn giản, nhanh chóng

Cung cấp khả năng cảnh báo nhanh chóng: hệ thống được xây dựng phải có

khả năng gửi thông tin cảnh báo kịp thời qua hệ thống sms hoặc email đến người dùng khi chất lượng không khí tại khu vực họ quan tâm có có biến đổi tăng hoặc giảm dựa theo định mức mà người dùng đã đăng kí Với khả năng cảnh báo này, người sử dụng

có thể nhận được các thông tin về chất lượng không khí theo định kì, nhanh chóng, chính xác nhất

Các tính năng phân tích thống kê: ngoài việc cung cấp thông tin về chất lượng

cho đại đa số người dân không có kiến thức chuyên sâu về chất lượng không khí, hệ thống còn cung cấp các chức năng tìm kiếm, thống kê, lập bảng biểu, biểu đồ phân tích

số liệu Qua đó giúp các nhà quản lý, nghiên cứu có thể sử dụng các số liệu được cung cấp từ hệ thống phục vụ công tác nghiên cứu, quản lý, báo cáo chuyên môn Đối với ngành y tế, số liệu bụi và chất lượng không khí được thống kê theo ngày, tháng, năm liên tục là nguồn dữ liệu quý giá cho các tổ chức y tế sử dụng để phân tích số liệu, đánh giá nguy cơ phát sinh dịch bệnh, lên kế hoạch phòng tránh mỗi khi nguy cơ bung phát dịch bệnh do môi trường tăng lên

Với những yêu cầu đã nêu ra bên trên, bài toán được đặt ra là “Xây dựng hệ thống web GIS phục vụ chia sẻ thông tin cảnh báo ô nhiễm không khí sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh”

3.2 Tổng quan về hệ thống cảnh báo ô nhiễm không khí – Air Pollution

- Mô hình độ cao số(Digital Elevation Model- DEM)

Ước tính Sol khí

Tạo cảnh báo ô nhiễm

Ước tính chất lượng không khí

Ước tính nồng độ bụi (Particulate Master-PM)

GIAO DIỆN HỆ THỐNG CHIA SẺ THÔNG TIN CẢNH BÁO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

Bản đồ chất

lượng không khí

Tìm kiếm dữ liệu

Hình 8: Sơ đồ tổng thể hệ thống cảnh báo ô nhiễm không khí

Sơ đồ tổng thể của hệ thống cảnh báo ô nhiễm không khí được chia làm 3 tầng (hình…) bao gồm:

 Tầng quản lý dữ liệu

 Tầng xử lý dữ liệu và mô hình hóa

 Tầng giao diện người dùng

Tầng quản lý dữ liệu: thực hiện các nhiệm vụ liên quan đến lưu trữ, truy xuất dữ

liệu của ứng dụng Tầng này sẽ sử dụng các giải pháp dịch vụ của cơ sở dữ liệu không gian để thực hiện các nhiệm vụ lưu trữ và truy xuất dữ liệu Dữ liệu được sử dụng trong

hệ thống chia làm 3 phần chính đó là:

 Dữ liệu thu được từ vệ tinh bao gồm các vệ tinh: MODIS TERRA, MODIS AQUA, SUOMI NPP, LANSAT-8, SPOT-4

 Dữ liệu từ các trạm quan trắc chất lượng không khí mặt đất

 Dữ liệu địa giới hành chính GIS, dữ liệu các lớp phủ mặt đất, dữ liệu mô hình độ cao số (DEM)

Dữ liệu thu được từ vệ tinh bao gồm các sản phẩm:

 Ảnh sol khí từ vệ tinh MODIS là MOD04/MYD04

 Ảnh sản phẩm sol khí từ vệ tinh Suomi NPP là VIIRS AOT EDR

 Ảnh phổ LandSat 8 hoặc SPOT4

Dữ liệu ảnh vệ tinh được thu thập từ nguồn miễn phí trên Internet như USGS (http://landsat.usgs.gov/), trạm thu vệ tinh của Đại Học Công Nghệ hoặc được thu thập

từ các nguồn thương mại Dữ liệu từ các trạm quan trắc mặt đất bao gồm các dữ liệu sol khí được mạng lưới AERONET toàn cầu của NASA cung cấp miễn phí hoặc dữ liệu thu thập được qua các đối tác như trung tâm quan trắc môi trường (CEM) hoặc Trung tâm quan trắc và phân tích tài nguyên môi trường Hà Nội (CENMA)

Dữ liệu thu được sẽ được từ các nguồn trên sẽ được tổ chức lại theo một cấu trúc thư mục nhất định trên hệ thống storage và lưu thông tin vào cơ sở dữ liệu không gian Mỗi khi cần truy xuất dữ liệu, hệ thống sẽ lấy dữ liệu dạng text từ cơ sở dữ liệu không gian, dữ liệu dạng ảnh lấy từ storage

Tầng xử lý dữ liệu và mô hình hóa: thực hiện các nghiệp vụ liên quan đến xử lý

các thuật toán trên dữ của hệ thống Nó sử dụng dữ liệu truy xuất từ tầng quản lý dữ liệu

và cung cấp dữ liệu cho người dùng thông qua các dịch vụ web Ở tầng xử lý dữ liệu và

mô hình hóa, các mô đun phần mềm sẽ chạy các thuật toán liên quan đến tiền xử lý dữ liệu ảnh viễn thám, xử lý dữ liệu quan trắc không khí, tính toán mô hình ước lượng chỉ

số ô nhiễm bụi PM dựa trên chỉ số sol khí AOT Tiếp đó, ảnh PM2.5 sẽ được chuyển đổi sang dữ liệu về ô nhiễm không khí theo chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Quốc tế Thông tin chất lượng không khí hàng ngày trên lãnh thổ Việt Nam được cắt theo mức tỉnh nhằm cung cấp thông tin cảnh báo mức tỉnh thành Kết quả là các ảnh sản phẩm về AOT, ảnh sản phẩm PM2.5 và ảnh sản phẩm AQI của các loại vệ tinh trên, phục vụ cho các tính năng hiển thị bản đồ chất lượng không khí, tìm kiếm dữ liệu chất lượng không khí trong quá khứ, lập báo cáo thống kê về dữ liệu chất lượng không khí, dữ liệu bụi và đăng ký cảnh báo để nhận thông tin mới nhất về tình trạng ô nhiễm không khí tại khu vực quan tâm

Quy trình tạo bản đồ chát lượng không khí được thể hiện ở hình…