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

DSpace at VNU: Nghiên cứu và xây dựng hệ thống web GIS phục vụ chia sẻ thông tin cảnh báo ô nhiễm không khí tài liệu, gi...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ XUÂN THÀNH

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEB GIS PHỤC VỤ CHIA SẺ THÔNG TIN CẢNH BÁO

Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT PHẦN MỀM

Hà Nội – 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ XUÂN THÀNH

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEB GIS PHỤC VỤ CHIA SẺ THÔNG TIN CẢNH BÁO

Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Kỹ thuật phần mềm

Mã số: 60 48 01 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ

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

Viêt tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

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 AQI TCVN Chỉ số chất lượng không khí theo

tiêu chuẩn Việt Nam AQI TCQT Chỉ số chất lượng không khí theo

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

WS Web service Dịch vụ web

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

Met Data Dữ liệu quan trắc mặt đất

DEM Digital Elevation Model Mô hình độ cao số

CSDL Database Cơ sở dữ liệu

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

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1] Trung tâm quan trắc môi trường - Bộ tài nguyên môi trường (2013), Báo cáo môi trường quốc gia 2013 – Chương 3: Môi trường không khí

[2] Nguyễn Khắc Thời và cộng sự (2011), Giáo trình viễn thám, tr.3-7, Hà Nội

[3] Phạm Vọng Thành, Nguyễn Trường Xuân (2001), Công nghệ viễn thám, tr.8-11, ĐH

Mỏ Địa chất

[4] Viện Chính sách và Chiến lược Phát triển Nông nghiệp Nông thôn - IPSARD (4/2006), Ứng dụng hệ thống thông tin địa lý viễn thám trong nông nghiệp và phát triển nông thôn

[6] Đại Học Hàng Hải, Giáo trình các hệ thống thông tin số

[7] Trung tâm quan trắc môi trường - Bộ tài nguyên môi trường (6/2011), Phương pháp tính toán chỉ số chất lượng không khí, Hà Nội

Tiếng Anh

[7] Gregory Giuliani, AlanDubois, and PierreLacroix (4/2013), Testing OGC WebFeature and Coverage Service performance: Towards efficient delivery of geospatial data

[8] Philippe Kruchten (11/1995), Architectural Blueprints - the "4+1" View Model of Software Architecture, Rational Software Corp

[9] Jennifer R Bauer (6/2012), Assessing the Robustness of Web Feature Services Necessary to Satisfy the Requirements of Coastal Management Applications, Master of Science

Geography Program

[10] World Bank (2011), Natural resources managementJoint, Development Partner Report to the Vietnam Consultative Group Meeting Hanoi

Internet

[11] http://airnow.gov/index.cfm?action=aqibasics.aqi

[12] http://mallit.fr.umn.edu/fr1001/gis_gps/gisdoc.html

[13] http://epi.yale.edu/epi/issue-ranking/air-quality

[14] http://docs.geoserver.org/

[15] http://mapserver.org/documentation.html

[16] http://server.arcgis.com/en/documentation/

[17] http://www.adobe.com/devnet/flex/documentation.html

[18] https://developers.arcgis.com/flex/guide/mxml-and-actionscript.htm [19] https://www.ibm.com/developerworks/vn/library/ws-restful/

[20] http://epi.yale.edu/epi/issue-ranking/air-quality