Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin: Nghiên cứu và xây dựng hệ thống WebGIS trực quan hóa và phân tích bản đồ chất lượng không khí và khí tượng Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:116

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của nghiên cứu là đề xuất 1 kênh thông tin bản đồ nhằm trực quan hóa và có khả năng phân tích, thống kê dữ liệu chất lượng không khí và khí tượng trên bản đồ, tạo điều kiện thuận lợi cho người dân có thể theo dõi, tra cứu thông tin về chất lượng không khí, khí tượng hàng ngày và lịch sử, các chuyên gia có thể dễ dàng phân tích dữ liệu, thu thập dữ liệu nhằm sư dụng cho các nghiên cứu khác, các nhà quản lý có thể theo dõi được hiện trạng chất lượng không khí, khí tượng qua bản đồ, biểu đồ, thống kê dữ liệu để từ đó có thể lấy đó làm cơ sở nhằm hỗ trợ cho công tác nghiệp vụ, đưa ra các quyết định, điều chỉnh chính sách.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin: Nghiên cứu và xây dựng hệ thống WebGIS trực quan hóa và phân tích bản đồ chất lượng không khí và khí tượng Việt Nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HOÀNG TUẤN NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEBGIS TRỰC QUAN HÓA VÀ PHÂN TÍCH BẢN ĐỒ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ VÀ KHÍ TƯỢNG Ở VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI - 2021
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HOÀNG TUẤN NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEBGIS TRỰC QUAN HÓA VÀ PHÂN TÍCH BẢN ĐỒ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ VÀ KHÍ TƯỢNG Ở VIỆT NAM Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 19025035 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN THỊ NHẬT THANH HÀ NỘI - 2021
1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm nghiên cứu, tìm hiểu của riêng cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Thị Nhật Thanh. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân tôi hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày 29 tháng 11 năm 2021 Học viên Nguyễn Hoàng Tuấn
2 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ thông tin - Trường ĐH Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành chương trình đào tạo này. Đặc biệt, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS. TS. Nguyễn Thị Nhật Thanh, là cán bộ giảng viên của Đại học Công Nghệ đã tận tình giúp đỡ tôi về cả chuyên môn, nghiên cứu và định hướng phát triển trong suốt quá trình làm luận văn. Đồng thời, trân trọng cảm ơn đến anh Phạm Văn Hà và các thành viên trong trung tâm FIMO đã giúp đỡ, đóng góp và cung cấp những tri thức vô cùng quý báu cũng như những ý kiến xác đáng cho tôi trong suốt thời gian qua. Với bạn bè cùng khóa K26 và các bạn sinh viên tham gia vào dự án FIMO, xin cám ơn vì đã cho tôi cơ hội trao đổi, chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm thực tế qua các môn học. Mọi người đã giúp tôi hiểu thêm những vấn đề mà tôi không có điều kiện tìm hiểu, chỉ cho tôi những thứ tôi chưa làm được. Tôi có thể tiếp thu được thêm nhiều vấn đề mới và biết được giá trị của việc không ngừng cố gắng học tập, nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin gửi niềm biết ơn vô hạn tới gia đình và những người bạn thân đã luôn ở bên và ủng hộ tôi trên con đường học tập và nghiên cứu khó khăn, vất vả. Tôi mong rằng với sự cố gắng học tập nâng cao kiến thức, sau này sẽ có thể lĩnh hội nhiều công nghệ, tạo ra nhiều sản phẩm phần mềm có giá trị sử dụng cao, giúp ích được trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Hà Nội, Tháng 11 – Năm 2021 Học viên Nguyễn Hoàng Tuấn
3 BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Tiếng Việt CSDL Database System Cơ sở dữ liệu của hệ thống Là định dạng đặc biệt dùng để lưu trữ Tagged Image File Format for dữ liệu ảnh số kèm theo các thông tin GEOTIFF GIS applications định vị địa lý của tấm ảnh; dữ liệu DEM và DSM ở dạng raster DDA Digital Differential Analyzer Thuật toán vẽ đường thẳng DPT Dewpoint Temperature Nhiệt độ điểm sương HPBL High Planetary Boundary Layer Chiều cao lớp biên hành tinh Nồng độ bụi mịn có trong không khí với PM2.5 Particulate Matter 2.5 loại bụi mịn có đường kính nhỏ hơn 2.5 micron PRES2M Pressure 2M Áp suất ở độ cao 2m RH Relative Humidity Độ ẩm tương đối TMP Temperature Nhiệt độ không khí Geospatial Data Abstraction Thư viện lập trình dữ liệu không gian GDAL Library địa lý, viễn thám nguồn mở GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý Là một mẫu kiến trúc phần mềm để tạo MVC Model-View-Controller lập giao diện người dùng trên máy tính Là 1 sản phẩm liên quan đến bộ ArcGIS do Esri sản xuất, chứa bản đồ, chi tiết cụ MXD Map Exchange Document thể về dữ liệu GIS được sử, thông tin hiển thị (ký hiệu và ghi nhãn) và các yếu tố khác được sử dụng trong ArcMap. HTML HyperText Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản XML eXtensible Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng 1 dạng XML sử dụng để lưu trữ dữ liệu KML Keyhole Markup Language không gian Một tổ chức xây dựng các chuẩn mở OGC Open Geospatial Consortium trên cơ sở vị trí và không gian địa lý Website Geographic Hệ thống thông tin địa lý trên nền tảng WebGIS Information System Web WWW
4 Là một dịch vụ cung cấp bản đồ số trên WMS Web Map Service Web theo chuẩn mở của hiệp hội OpenGIS Là một tiêu chuẩn giao tiếp về địa lý của WFS Web Featrue Service OGC (Open Geospatial Consortium) Ngôn ngữ đánh dấu văn bản cho các đối WKT Well-Known Text tượng hình học cấu trúc vector trên bản đồ The Weather Research and Hệ thống mô hình nghiên cứu và dự báo WRF Forecasting Model thời tiết Là địa chỉ của một tài nguyên duy nhất URL Uniform Resource Locator trên Web
5 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2 BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...........................................................3 MỤC LỤC ...................................................................................................................5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................1 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...............................................................................3 LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................4 Chương 1. TỔNG QUAN ................................................................................... 8 1.1. Thực trạng ô nhiễm không khí và biến đổi khí hậu tại Việt Nam ..... 8 1.1.1. Thực trạng ô nhiễm không khí ...................................................................8 1.1.2. Thực trạng biến đổi khí hậu........................................................................9 1.2. Các loại dữ liệu và nguồn cung cấp dữ liệu .................................... 11 1.2.1. Các định dạng dữ liệu không gian ............................................................11 1.2.2. Các loại dữ liệu .........................................................................................14 1.2.3. Các nguồn cung cấp số liệu chất lượng không khí và khí tượng .............18 1.3. Tổng quan về WebGIS .................................................................... 20 1.3.1. Định nghĩa ................................................................................................20 1.3.2. Kiến trúc chung của WebGIS ...................................................................20 1.3.3. Các mô hình triển khai WebGIS ..............................................................21 1.3.4. Các thành phần trong hệ thống WebGIS ..................................................22 1.4. Một số hệ thống cung cấp thông tin chất lượng không khí và khí tượng 23 1.4.1. Một số hệ thống trên thế giới....................................................................23 1.4.2. Một số hệ thống tại Việt Nam ..................................................................25 1.4.3. Đánh giá và định hướng xây dựng bài toán..............................................26 1.5. Kết chương....................................................................................... 27 Chương 2. CÁC KỸ THUẬT, CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEBGIS ........................................................................... 27
6 2.1. Cơ sở dữ liệu không gian ................................................................. 28 2.1.1. Microsoft SQL Server ..............................................................................28 2.1.2. Oracle........................................................................................................28 2.1.3. PostgreSQL ...............................................................................................29 2.2. Công nghệ bản đồ số........................................................................ 30 2.2.1. Máy chủ GIS .............................................................................................30 2.2.2. Công cụ phát triển lập trình GIS...............................................................31 2.3. Các phép nội suy ảnh ....................................................................... 32 2.3.1. Nội suy ảnh ...............................................................................................32 2.3.2. Phương pháp nội suy ảnh .........................................................................33 2.4. Phương pháp chuyển đổi tọa độ bản đồ (longtitude, latitude) với tọa độ (x,y) trên ảnh GeoTiff .................................................................................... 35 2.4.1. Chuyển đổi tọa độ bản đồ trên bản đồ thành tọa độ (x,y) trên ảnh ..........35 2.4.2. Chuyển đổi tọa tọa độ (x,y) trên màn hình thành độ trên bản đồ .............37 2.5. Phương pháp xác định điểm nằm trên 1 đoạn thẳng ....................... 38 2.6. Kết chương....................................................................................... 39 Chương 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEBGIS ............................................. 40 3.1. Mô tả bài toán .................................................................................. 40 3.2. Dữ liệu thực nghiệm ........................................................................ 40 3.3. Kiến trúc hệ thống ........................................................................... 42 3.3.1. Kiến trúc hệ thống WebGIS ............................................................................42 3.4. Lựa chọn công nghệ......................................................................... 42 3.4.1. Cơ sở dữ liệu không gian PostgreSQL/PostGIS.......................................42 3.4.2. Công nghệ bản đồ ArcGIS .......................................................................43 3.4.3. Ngôn ngữ lập trình ....................................................................................47 3.4.4. Thư viện khác hỗ trợ khi xây dựng WebGIS ...........................................47 3.4.5. Bảng liệt kê danh sách các công nghệ được sử dụng ...............................48 3.5. Phân tích, thiết kế, đặc tả yêu cầu của hệ thống WebGIS ............... 50 3.5.1. Xác định các Actor và Use Case ..............................................................50
7 3.5.2. Đặc tả danh sách các Use Case.................................................................51 3.6. Tổ chức và xử lý dữ liệu chất lượng không khí và khí tượng ......... 61 3.6.1. Tổ chức dữ liệu .........................................................................................61 3.6.2. Xử lý dữ liệu .............................................................................................70 3.7. Các kỹ thuật lấy dữ liệu ................................................................... 76 3.7.1. Kỹ thuật đọc giá trị dữ liệu khí tượng từ tọa độ trên bản đồ ...................76 3.7.2. Kỹ thuật lấy các giá trị từ đa giác vùng chọn ...........................................78 3.7.3. Kỹ thuật lấy các giá trị từ tập các đoạn thẳng liền nhau được chọn .........81 3.7.4. Kỹ thuật hiển thị dữ liệu gió .....................................................................81 3.8. Thiết kế một số giao diện của hệ thống ........................................... 82 3.9. Cấu hình cài đặt, triển khai hệ thống ............................................... 85 3.9.1. Mô hình triển khai ....................................................................................85 3.9.2. Phần mềm .................................................................................................85 3.9.3. Phần cứng .................................................................................................86 3.10. Kết chương....................................................................................... 86 Chương 4. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG WEBGIS .................... 87 4.1. Mục đích và cách thực hiện đánh giá chất lượng hệ thống ............. 87 4.2. Báo cáo kết quả khảo sát đánh giá chất lượng hệ thống.................. 87 4.2.1. Bảng danh sách các tính năng để đánh giá, thử nghiệm ...........................87 4.2.2. Kết quả đánh giá chất lượng hệ thống ......................................................88 4.3. Kết chương....................................................................................... 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................97 PHỤ LỤC ..................................................................................................................99
1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Bản đồ toàn cầu về phơi nhiễm PM2.5 ước tính theo quốc gia/vùng lãnh thổ2019 ...........................................................................................................8 Hình 1.2. Biểu đồ so sánh AIQ trong 1 năm qua ở Hà Nội.............................................9 Hình 1.3 Quy trình tổng quan xây dựng hệ thống GIS .................................................11 Hình 1.4 Các kiểu dữ liệu vector biểu diễn các đối tượng tự nhiên của GIS ................12 Hình 1.5. Ví dụ về dữ liệu raster ...................................................................................12 Hình 1.6. Ví dụ về dữ liệu chuỗi thời gian cho kiểu dữ liệu raster ...............................14 Hình 1.7 Trực quan hóa dữ liệu chuỗi thời gian cho kiểu dữ liệu raster trong ArcMap .......................................................................................................................14 Hình 1.8. Cách xác định [u,v]........................................................................................17 Hình 1.9 Kích thước tượng trưng của một số loại bụi so với tóc người và hạt cát .......18 Hình 1.10 Kiến trúc hoạt động của WebGIS qua mạng Internet .................................20 Hình 1.11 Mô hình triển khai WebGIS trên nền tảng Client – Server ..........................22 Hình 2.1 Các toành phần cơ bản của 1 ứng dụng WebGIS ...........................................28 Hình 2.2 Nội suy ảnh .....................................................................................................32 Hình 2.3 Ảnh viễn thám dạng tọa độ (x, y) và tọa độ (latitude, longtitude) .................35 Hình 2.4. Ảnh viễn thám dạng tọa độ (xMin, yMin) và tọa độ (xMax, yMax) ............36 Hình 2.5. Extent của bản đồ ((xMin’, yMin’),(xMax’, yMax’)) ...................................36 Hình 2.6. Chuyển đổi tọa độ (longtitude, latitude) bản đồ thành tọa độ (x,y) trên ảnh 37 Hình 2.7. Chuyển đổi tọa độ (x,y) trên màn hình thành tọa độ (longtitude, latitude) trên bản đồ ............................................................................................................37 Hình 2.8 Biểu diễn đoạn thẳng AB trong đồ họa máy tính ...........................................38 Hình 3.1 Giá trị NoData trong ảnh GeoTiff ..................................................................41 Hình 3.2. Kiến trúc xây dựng hệ thống WebGIS ..........................................................42 Hình 3.3 Sơ đồ Use Case tổng quan hệ thống WebGIS ................................................51 Hình 3.4. Ví dụ về định dạng tệp json cho dữ liệu gió ..................................................64 Hình 3.5 Thông tin các cột trong bảng giá trị ...............................................................64 Hình 3.6 Thông tin các cột trong bảng chỉ số ...............................................................64 Hình 3.7. Hiển thị dữ liệu raster với các tỷ lệ khác nhau theo pyramids ......................67 Hình 3.8 Các lớp trong 1 mosaic dataset .......................................................................68 Hình 3.9. Bảng dữ liệu thuộc tính trong 1 mosaic dataset có bổ sung trường thời gian .......................................................................................................................68 Hình 3.10 Quy trình thực hiện việc cập nhật dữ liệu gió ..............................................71 Hình 3.11 Quy trình thực hiện việc cập nhật dữ liệu thuộc tính ...................................72
2 Hình 3.12 Danh sách các mẫu được thiết lập sẵn symbology .......................................73 Hình 3.13. Quy trình thực hiện việc xuất bản dịch vụ bản đồ .......................................74 Hình 3.14. Ví dụ các dịch vụ bản đồ .............................................................................76 Hình 3.15 Chương trình thực thi xuất bản tự động các dịch vụ bản đồ ........................76 Hình 3.16 Extent của đa giác được vẽ trên bản đồ ........................................................79 Hình 3.17. Lấy giá trị theo các ô liên tiếp nhau ............................................................80 Hình 3.18. Các thành phần u, v, m tại 1 vị trí trên điểm ảnh ........................................81 Hình 3.19 Dải màu hiển thị cấp độ gió trên bản đồ.......................................................82 Hình 3.20 Quá trình thực hiện việc xử lý dữ liệu khí tượng hỗ trợ hệ thống WebGIS .83 Hình 3.21 Giao diện chính của hệ thống WebGIS ........................................................83 Hình 3.22 Màn hình xem thông tin dữ liệu tại một vị trí được chọn trên bản đồ .........84 Hình 3.23 Màn hình thống kê giá trị trung bình và đưa lên bản đồ của dữ liệu theo đơn vị hành chính .................................................................................................84 Hình 3.24 Màn hình lập biểu đồ giá trị trung bình của dữ liệu theo đơn vị hành chính .......................................................................................................................84 Hình 3.25 Màn hình phân tích dữ liệu nằm trong một polygon được vẽ trên bản đồ ...85 Hình 3.26 Màn hình phân tích dữ liệu giao với polyline được vẽ trên bản đồ .............85 Hình 3.27 Mô hình Web Client – Server triển khai hệ thống .......................................85 Hình 4.1 Công cụ kiểm thử với số lần kiểm thử là 100 lần, độ chính xác là 100% ......92 Hình 4.2 Đa giác overlay lên lưới tọa độ trong ArcMap ...............................................92 Hình 4.3 Ô mà ArcMap lấy nhưng hệ thống WebGIS không lấy .................................93 Hình 4.4 Dải màu hiển thị cập độ gió trên bản đồ.......................................................107
3 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thay đổi nhiệt độ trung bình năm (°C) so với giai đoạn 1980-1999, Kịch bản trung bình (B2) ..............................................................................................11 Bảng 1.2 So sánh ưu nhược điểm của kiểu đối tượng dữ liệu vector và raster .............12 Bảng 3.1 Một số tính năng của ArcGIS API JavaScript được sử dụng trong hệ thống 44 Bảng 3.2 Các công nghệ, kỹ thuật để xây dựng hệ thống WebGIS nguồn mở .............48 Bảng 3.3 Cấu trúc bảng dữ liệu của Phương pháp 1 & 2 ..............................................62 Bảng 3.4 Danh mục các bảng dữ liệu ............................................................................69 Bảng 3.5 Lược đồ quan hệ cơ ở dữ liệu thuộc tính .......................................................70 Bảng 4.1 Danh sách các tính năng để đánh giá chất lượng hệ thống ............................87 Bảng 4.2 Bảng thống kê lưu trữ dữ liệu của 3 phương pháp .........................................89 Bảng 4.3 Bảng thống kê tốc độ thực thi tác vụ b.1 với dữ liệu thu thập là 1 và 17 ngày .......................................................................................................................90 Bảng 4.4 Bảng thống kê tốc độ thực thi tác vụ b.2 với dữ liệu thu thập là 1 và 17 ngày và diện tích đa giác khoảng 5000km2 ...........................................................90 Bảng 4.5 Bảng thống kê tốc độ thực thi tác vụ b.2 với dữ liệu thu thập là 17 ngày và diện tích đa giác khoảng 10000km2 ..............................................................90 Bảng 4.6 Bảng thống kê tốc độ thực thi tác vụ b.3 với dữ liệu thu thập là 17 ngày và chiều dài của đoạn thằng khoảng 100km ......................................................91 Bảng 4.7 Thang bảng màu cho chỉ số Áp suất ở độ cao 2m .......................................105 Bảng 4.8 Thang bảng màu cho chỉ số Chiều cao lớp biên hành tinh ..........................105 Bảng 4.9 Thang bảng màu cho chỉ số Độ ẩm tương đối .............................................106 Bảng 4.10 Thang bảng màu cho chỉ số Nhiệt độ điểm sương .....................................106 Bảng 4.11 Thang bảng màu cho chỉ số PM2.5 ............................................................106 Bảng 4.12 Thang bảng màu cho chỉ số Nhiệt độ.........................................................107
4 LỜI MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề, định hướng nghiên cứu Việt Nam là một nước nhiệt đới gió mùa ẩm, có lãnh thổ trải dài với nhiều dạng địa hình khác nhau. Đặc trưng khí hậu 4 mùa rõ rệt đã tạo cho chúng ta rất nhiều điều kiện thuận lợi để phát triển kinh tế. Bên cạnh đó, nước ta cũng gặp phải không ít khó khăn do hạn hán, bão, lũ lụt, sâu bệnh, ô nhiễm môi trường… gây ra và để lại những hậu quả vô cùng nghiêm trọng, sự phát triển kinh tế xã hội của từng vùng bị kìm hãm. Với những thuận lợi và khó khăn đó, chúng ta cần phải thấy được tầm quan trọng trong việc phân tích sự thay đổi các yếu tố chất lượng không khí và khí tượng theo không gian và thời gian, từ đó phát hiện ra vùng nào, khu vực nào bị ô nhiễm, nhiệt độ từng vùng trong 1 khoảng thời gian là như thế nào…. Nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ viễn thám, đặc biệt trong lĩnh vực khí tượng thủy văn và môi trường, chúng ta đã có được tư liệu dữ liệu quý giá được thu thập hàng ngày, hàng giờ. Tuy nhiên, để có thể tận dụng triệt để nhằm khai phá, xử lý, phân tích ảnh viễn thám thu được từ vệ tinh thì cần phải có sự giúp sức của ngành khoa học chuyên nghiên cứu về hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information Systems – GIS). Từ những vấn đề mang tầm vĩ mô như: biến đổi khí hậu, khí tượng thủy văn, dự báo thiên tai,…đến những vấn đề gần gũi trong cuộc sống như: tắc đường, ô nhiễm sông hồ, không khí trong đô thị,…vai trò của GIS trong các lĩnh vực này là hết sức quan trọng. Nhờ có sự phát triển không ngừng của GIS mà việc phân tích, giải đoán, khai thác thông tin từ ảnh viễn thám ngày càng trở nên chính xác và thuận lợi. GIS cung cấp cho người sử dụng các bản đồ số, bản đồ chuyên đề theo từng lĩnh vực mà áp dụng ảnh viễn thám để nghiên cứu, khai phá tri thức [1]. Hiện nay, đã có một số hệ thống có thể trực quan hóa dữ liệu không gian – thời gian một cách sinh động đem đến hiệu quả về mặt quản lý, cũng như hỗ trợ quá trình ra quyết định liên quan đến hoạch định chính sách. Trên thế giới có thể kể đến các hệ thống như ứng dụng dự báo và radar thời tiết Windy1, aqicn.org2, iqair.com3, còn tại Việt Nam có thể kể đến là các cổng thông tin quan trắc môi trường về chỉ số chất lượng không khí: 1 Windyty SE (windy.com) 2 Dự án Chỉ số Chất lượng Không khí Thế giới (aqicn.org) 3 Tổ chức IQAir AirVisual (iqair.com)
5 cem.gov.vn4, moitruongthudo.vn5. Tuy nhiên các hệ thống trên có một số tồn tại. Chẳng hạn như hệ thống cem.gov.vn không phải là hệ thống WebGIS mà dữ liệu được lấy từ các trạm đo và biểu diễn dưới dạng bảng biểu, báo cáo. Các hệ thống moitruongthudo,vn, aqicn.org, iqair.com thì lại chuyên đi sâu vào chất lượng không khí chứ không phát triển cho dữ liệu khí tượng, trong đó với moitruongthudo,vn chỉ hiển thị dữ liệu đo được từ các trạm và đưa chỉ số lên bản đồ chứ không xem được toàn thể các khu vực xung quanh. Hệ thống trên Windy người dùng có thể xem thông tin tại 1 vị trí nhưng nếu muốn xem tập dữ liệu trong một vùng chọn (ví dụ trong 1 tuyến đường, 1 khu vực) thì lại chưa có. Ngoài ra, việc tổ chức và xử lý dữ liệu được thu thập hàng ngày như nào thì đó vẫn là những những kỹ thuật, phương pháp riêng của từng hệ thống. Nhìn chung, các tính năng chưa được kết hợp trong một hệ thống hoàn chỉnh mà phụ thuộc nhiều vào các hệ thống khác nhau, phân tán khả năng và phức tạp trong việc sử dụng đối với người dùng mới bắt đầu tìm hiểu, nghiên cứu về ảnh viễn thám khí tượng và chất lượng không khí. Với thực tế nêu trên, học viên thực hiện đề tài “Nghiên cứu và xây dựng hệ thống WebGIS trực quan hóa và phân tích bản đồ chất lượng không khí và khí tượng Việt Nam”. Đề tài này nhằm mục đích sẽ khắc phục các tồn tại từ các hệ thống đã nêu ở trên, xây dựng hệ thống WebGIS cho phép nhiều người sử dụng, nghiên cứu về dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí có thể truy cập và xử lý cùng lúc, cung cấp giải pháp xử lý dữ liệu được thu thập hàng ngày, hiển thị dữ liệu khí tượng theo không gian và thời gian, phân tích thống kê dữ liệu tại các vùng chọn (nằm trong đa giác, các đường thẳng), giúp ích trong việc phổ cập và tiếp cận các ngành viễn thám, GIS rộng lớn hơn. 2. Mục đích của nghiên cứu Mục đích của nghiên cứu là đề xuất 1 kênh thông tin bản đồ nhằm trực quan hóa và có khả năng phân tích, thống kê dữ liệu chất lượng không khí và khí tượng trên bản đồ, tạo điều kiện thuận lợi cho người dân có thể theo dõi, tra cứu thông tin về chất lượng không khí, khí tượng hàng ngày và lịch sử, các chuyên gia có thể dễ dàng phân tích dữ liệu, thu thập dữ liệu nhằm sư dụng cho các nghiên cứu khác, các nhà quản lý có thể theo dõi được hiện trạng chất lượng không khí, khí tượng qua bản đồ, biểu đồ, thống kê dữ liệu để từ đó có thể lấy đó làm cơ sở nhằm hỗ trợ cho công tác nghiệp vụ, đưa ra các quyết định, điều chỉnh chính sách. 4 VEA (cem.gov.vn) 5 Hanoi EPA (moitruongthudo.vn)
6 3. Nội dung nghiên cứu Luận văn nghiên cứu trên khu vực Việt Nam, với các loại dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí. Để đảm bảo chất lượng và trong khả năng cho phép, đề tài giới hạn lại vào những phần cốt lõi và cơ bản nhất của ảnh viễn thám, GIS, và Web, bao gồm: − Nghiên cứu, tìm hiểu về công nghệ viễn thám, các loại dữ liệu khí tượng bao gồm áp suất, độ ẩm tương đối, nhiệt độ điểm sương, nhiệt độ không khí và gió, nồng độ bụi PM2.5 trong chất lượng không khí tại Việt Nam sau khi được tiền xử lý dữ liệu qua hệ thống mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết WRF. − Nghiên cứu các công nghệ phục vụ cho việc nghiên cứu và triển khai ứng dụng, bao gồm: các công nghệ về bản đồ (ArcGIS Server, ArcGIS Desktop, ArcGIS API JavaScript, GDAL), các công nghệ về máy chủ lưu trữ (IIS Server, FTP Server, PostgreSQL/PostGIS), các công nghệ triển khai ứng dụng (ArcPy, GDAL, .NET MVC, Web API, Window Application, Window Service) − Thiết kế và xây dựng hệ thống WebGIS trực quan hóa và phân tích thống kê dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí tại Việt Nam, với các nội dung sau: o Cài đặt các phương pháp, thuật toán: chuyển đổi tọa độ của bản đồ với màn hình và ngược lại, phương pháp xác định các ô nào trên ảnh raster nằm trong 1 đa giác, thuật toán Brenham để xác định các ô nào giao với 1 đoạn thẳng trên bản đồ, phép nội suy song tuyến để tính toán ra được các thành phần hướng và vận tốc gió o Tổ chức cấu trúc dữ liệu phù hợp, đảm bảo khả năng lưu trữ, hiệu năng và độ chính xác khi thực hiện hiển thị, phân tích, thống kê dữ liệu trên bản đồ o Hiển thị, phân tích, thống kê dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí o Xử lý tự động được dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí được thu thập hàng ngày vào hệ thống 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: đề tài nghiên cứu giúp học viên nắm chắc được kiến thức cơ bản ứng dụng GIS nghiên cứu vấn đề về chất lượng không khí và môi trường, góp phần nhận biết hiện trạng ô nhiễm không khí và biến đổi khí hậu nước ta. Ý nghĩa thục tiễn: hệ thống WebGIS trực quan hóa và phân tích dữ liệu chất lượng không khí và khí tượng tại Việt Nam có ý nghĩa quan trọng trong đơi sống hàng ngày. Với vai trò là người dân, có thể theo dõi, tra cứu thông tin về khí tượng, chất lượng không khí hàng ngày và lịch sử. Với vai trò là các chuyên gia (môi trường, khí hậu – khí tượng, y tế…): có thể dễ dàng phân tích dữ liệu, thu thập dữ liệu nhằm sử dụng cho các nghiên cứu khác. Với vai trò là nhà quản lý: theo dõi được hiện trạng chất lượng không khí, khí tượng qua bản đồ, biểu đồ, thống kê dữ liệu để từ đó có thể lấy đó làm cơ sở
7 nhằm hỗ trợ cho công tác nghiệp vụ, đưa ra các quyết định, điều chỉnh chính sách. Ngoài ra, hệ thống có thể ứng dụng được trong các Trung tâm quan trắc môi trường, chi cục TNMT, cục Viễn thám Quốc gia, Tổng cục KTTV, tổ chức NGO về môi trường, hoặc có thể đưa vào trong các trường học nhằm hỗ trợ trực quan đối với các môn học, nghành học về địa lý, khí tượng thủy văn… 5. Kết cấu của luận văn Ngoài 2 phần MỞ ĐẦU và KẾT LUẬN, kết cấu của luận văn bao gồm các chương sau: − Chương 1: Giới thiệu tổng quan – thực trạng khí hậu và chất lượng không khí tại Việt Nam, các khái niệm cơ bản về hệ thống thông tin địa lý GIS, dữ liệu không gian và thời gian, các thành phần của dữ liệu khí tượng và chất lượng không khí, một số kho dữ liệu khí tượng trên thế giới để hỗ trợ về mặt dữ liệu trong quá trình nghiên cứu. Ngoài ra, giới thiệu một số hệ thống cho phép nghiên cứu về GIS và ảnh viễn thám khí tượng, chất lượng không khí ở Việt Nam và trên thế giới. − Chương 2: Cơ sở lý thuyết - mục đích là trình 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 dữ liệu khí tượng theo không gian và thời gian. − Chương 3: Mô tả bài toán, phân tích, thiết kế hệ thống WebGIS theo sơ đồ Use case, đặc tả cách thức hoạt động của từng chức năng của hệ thống (đầu vào, đầu ra, mô tả các bước) − Chương 4: Triển khai, đánh giá và thực nghiệm - cài đặt hệ thống WebGIS. Lập các bảng kết quả dựa trên các kết quả từ việc kiểm thử và từ đó đưa ra kết luận về các tính năng của hệ thống, khả năng áp dụng trong thực tế.
8 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Thực trạng ô nhiễm không khí và biến đổi khí hậu tại Việt Nam 1.1.1. Thực trạng ô nhiễm không khí Ô nhiễm không khí là tình trạng nồng độ một số chất trong không khí vượt ngưỡng giới hạn, gây ra những biến đổi về vật lý, hóa học, sinh học làm ảnh hưởng xấu trực tiếp và gián tiếp đến sức khỏe con người, sinh vật cũng như các hệ sinh thái. Ô nhiễm không khí hiện là 1 trong những mối đe dọa lớn nhất đối với tính mạng con người. Theo báo cáo Chất lượng không khí thế giới năm 2019, mỗi năm, việc tiếp xúc với không khí ô nhiễm ước tính khiến 7 triệu người chết sớm, trong khí có tới 92% dân số thế giới phải hít thở bầu không khí độc hại (WHO, 2016) [2]. Còn ở các nước kém phát triển, có 98% trẻ em dưới năm tuổi phải hít thở bầu không khí độc hại. Do đó, ô nhiễm không khí là nguyên nhân chính gây tử vong cho trẻ em dưới 15 tuổi, cướp đi 600.000 sinh mạng mỗi năm (WHO, 2018). Về mặt tài chính, những cái chết sớm do ô nhiễm không khí gây thiệt hại khoảng 5 nghìn tỷ đô la Mỹ vì tổn thất phúc lợi trên toàn thế giới (Ngân hàng Thế giới, 2016). Trong đó, các quốc gia và vùng lãnh thổ ở Đông Á, Đông Nam Á và Nam Á phải chịu nồng độ PM2,5 trung bình hàng năm cao nhất theo dân số [3] [4] Hình 1.1 Bản đồ toàn cầu về phơi nhiễm PM2.5 ước tính theo quốc gia/vùng lãnh thổ2019 Cũng theo báo cáo Chất lượng không khí thế giới năm 2019, Việt Nam nằm trong top 15 nước có chỉ số nồng độ PM2.5 cao nhất trên thế giới (34.1 μg/m3), tình trạng ô nhiễm không khí đang có xu hướng ngày càng gia tăng [1]. Theo số liệu thống kê năm
9 2016 thì Việt Nam trung bình 1 năm có đến khoảng 60 nghìn người chết do các căn bệnh liên quan đến ô nhiễm không khí [5]. Trong giai đoạn từ năm 2018 – 2019, nồng độ bụi PM2.5 có xu hướng tăng hơn so với giai đoạn từ năm 2010 đến năm 2017, chỉ số chất lượng không khí tại một số đô thị như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh có nhiều thời điểm ở mức xấu với chỉ số AQI từ 150 đến 200, có khi vượt 200 tương đương mức rất xấu. Trong giai đoạn từ 01/01/2020 đến ngày 10/4/2020 có xu hướng được cải thiện hơn so với cùng kỳ của những năm trước, đặc biệt, từ thời gian nửa cuối tháng 3/2020 đến nay, trong đó có giai đoạn cả nước thực hiện cách ly xã hội để phòng ngừa dịch bệnh Covid 19, giá trị thông số PM2.5 và CO thấp hơn hẳn thời gian cùng kỳ những năm trước đó [5]. Hình 1.2. Biểu đồ so sánh AIQ trong 1 năm qua ở Hà Nội 1.1.2. Thực trạng biến đổi khí hậu Biến đổi khí hậu (BĐKH) là sự thay đổi của khí hậu và của những thành phần liên quan gồm đại dương, đất đai, bề mặt Trái đất, và băng quyển như tăng nhiệt độ, băng tan, và nước biển dâng. Trước đây BĐKH diễn ra trong 1 khoảng thời gian dài do tác động của các điều kiện tự nhiên, tuy nhiên thời gian gần đây, BĐKH xảy ra do tác động của các hoạt động của con người như việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong giao thông vận tải và sản xuất công nghiệp, thải ra môi trường khí nhà kính (ví dụ như khí CO2). Theo báo cáo của "Chương trình mục tiêu Quốc gia ứng phó với BĐKH" [6], thực trạng biến đổi khí hậu ở Việt Nam được đánh giá như sau: - Nhiệt độ: trong khoảng 50 năm qua (1951-2000), nhiệt độ trung bình năm ở Việt Nam đã tăng lên 0,7oC. Nhiệt độ trung bình năm của 4 thập kỷ gần đây (1961- 2000) cao hơn trung bình năm của 3 thập kỷ trước đó (1931-1960). Nhiệt độ trung
10 bình năm của thập kỷ 1991-2000 ở Hà Nội, Đà Nẵng, thành phố Hồ Chí Minh đều cao hơn trung bình của thập kỷ 1931-1940 lần lượt là 0,8; 0,4 và 0,6oC. Năm 2007, nhiệt độ trung bình năm ở cả 3 nơi trên đều cao hơn trung bình của thập kỷ 1931- 1940 là 0,8-1,3oC và cao hơn thập kỷ 1991-2000: 0,4-0,5oC. - Lượng mưa: trên từng địa điểm, xu thế biến đổi của lượng mưa trung bình năm trong 9 thập kỷ vừa qua (1911-2000) không rõ rệt theo các thời kỳ và trên các vùng khác nhau: có giai đoạn tăng lên và có giai đoạn giảm xuống. - Mực nước biển: theo số liệu quan trắc trong khoảng 50 năm qua ở các trạm Cửa Ông và Hòn Dấu, mực nước biển trung bình đã tăng lên khoảng 20cm, phù hợp với xu thế chung của toàn cầu. - Số đợt không khí lạnh ảnh hưởng tới Việt Nam giảm đi rõ rệt trong hai thập kỷ gần đây (cuối thế kỷ XX đầu thế kỷ XXI). Năm 1994 và năm 2007 chỉ có 15-16 đợt không khí lạnh bằng 56% trung bình nhiều năm. 6/7 trường hợp có số đợt không khí lạnh trong mỗi tháng mùa đông (11-3) thấp dị thường (0-1 đợt) cũng rơi vào 2 thập kỷ gần đây (3/1990, 1/1993, 2/1994, 12/1994, 2/1997, 11/1997). Một biểu hiện dị thường gần đây nhất về khí hậu trong bối cảnh BĐKH toàn cầu là đợt không khí lạnh gây rét đậm, rét hại kéo dài 38 ngày trong tháng 1 và tháng 2 năm 2008 gây thiệt hại lớn cho sản xuất nông nghiệp. - Bão: vào những năm gần đây, số cơn bão có cường độ mạnh nhiều hơn, quỹ đạo bão dịch chuyển dần về các vĩ độ phía nam và mùa bão kết thúc muộn hơn, nhiều cơn bão có quỹ đạo di chuyển dị thường hơn. - Số ngày mưa phùn trung bình năm ở Hà Nội giảm dần trong thập kỷ 1981 - 1990 và chỉ còn gần 1 nửa (15 ngày/năm) trong 10 năm gần đây. Theo đó, nhận định xu thế BĐKH ở Việt Nam: - Nhiệt độ trung bình ở Việt Nam có thể tăng lên 30C vào năm 2100. - Lượng mưa có xu thế biến đổi không đồng đều giữa các vùng, có thể tăng (từ 0% đến 10%) vào mùa mưa và giảm (từ 0% đến 5%) vào mùa khô. Tính biến động của mưa tăng lên. - Mực nước biển trung bình trên toàn dải bờ biển Việt Nam có thể dâng lên 1m vào năm 2100.
11 Bảng 1.1 Thay đổi nhiệt độ trung bình năm (°C) so với giai đoạn 1980-1999, Kịch bản trung bình (B2) 1.2. Các loại dữ liệu và nguồn cung cấp dữ liệu Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là 1 lĩnh vực nghiên cứu về thu thập, xử lý, hiển thị và phân tích dữ liệu địa lý. GIS tạo nên bởi: Geographic - dữ liệu không gian thể hiện vị trí, hình dạng (điểm, đường, đa giác), Information – thông tin thuộc tính về đối tượng, System – sự liên kết giữa các thành phần bên trong. Hình 1.3 Quy trình tổng quan xây dựng hệ thống GIS 1.2.1. Các định dạng dữ liệu không gian 1.2.1.1. Dữ liệu không gian Dữ liệu không gian bao gồm các điểm, đường, đa giác hoặc các nguyên thủy dữ liệu địa lý và hình học khác mà chúng ta có thể ánh xạ theo vị trí. Có thể duy trì dữ liệu không gian dưới dạng dữ liệu vectơ hoặc dữ liệu raster. Mỗi loại cung cấp thông tin kết nối với vị trí địa lý [7]. Dữ liệu 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