Nghiên cứu công nghệ 3D xây dựng mô hình ngập trên nền webGIS khu vực Tp. Hồ Chí Minh

SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No K4-2016 Nghiên cứu cơng nghệ 3D xây dựng mơ hình ngập webGIS khu vực Tp Hồ Chí Minh  Đỗ Thành Long  Trần Thái Bình  Trần Đình Trung Trung tâm Viễn thám Hệ thông tin Địa lý, Viện Địa lý Tài nguyên Tp Hồ Chí Minh (Bản thảo nhận ngày 28 tháng 06 năm 2016, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 22 tháng 08 năm 2016) TÓM TẮT Các kịch biến đổi khí hậu, nước biển vùng ảnh hưởng theo mức nước dâng khác dâng cho Việt Nam Bộ Tài nguyên Nghiên cứu không sâu vào phân Môi trường xây dựng cơng bố vào năm 2012 tích khía cạnh biến đổi khí hậu mà Theo với kịch mực nước dâng 1m, kế thừa kết “Kịch biến đổi khí hậu, 20% diện tích thành phố Hồ Chí Minh có nguy nước biển dâng cho Việt Nam” năm 2012 ngập, gây ảnh hưởng cho nửa triệu Bộ Tài nguyên Môi trường, kết hợp với công người (7% dân số thành phố) Vấn đề cấp bách nghệ 3D WebGIS để xây dựng ứng ảnh hưởng đến nhiều người dụng Kết không công cụ giúp người khả tiếp cận thông tin người dân tiếp cận dễ dàng mang tính trực quan với dân cịn hạn chế Do vậy, mục đích thơng tin mực nước dâng mà nghiên cứu ứng dụng công nghệ hiển thị nguồn tài liệu cho nghiên cứu ứng dụng mơ hình 3D WebGIS giúp hiển thị trực có liên quan quan mơ hình độ cao nước dâng, vị trí ngập, Từ khóa: WebGIS, Mơ hình, 3D, ngập, biến đổi khí hậu, thành phố Hồ Chí Minh ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm qua, vấn đề mực nước biển dâng đề cập nhiều thông qua báo, tạp chí, nghiên cứu khoa học Nguyên nhân vấn đề nhiều tranh cãi nhiên mực nước biển dâng lên xu phủ nhận thông qua số liệu theo dõi quan trắc nhiều năm Trước tình hình đó, Bộ Tài ngun Mơi trường xây dựng kịch Biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam Đây xem tài liệu thức đánh Trang 82 giá, dự báo ảnh hưởng kịch mực nước biển dâng đến lĩnh vực kinh tế - xã hội nước Theo đó, thành phố Hồ Chí Minh địa phương chịu ảnh hưởng nặng nề tình trạng nước biển dâng Cũng theo tài liệu này, theo kịch nước biển dâng 65 cm, thành phố bị ngập 63% diện tích, nước biển dâng đến 1m diện tích ngập 473 km2, tương đương 23% diện tích thành phố [1] gây ảnh hưởng cho nửa triệu người, TAÏP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K4-2016 kéo theo hàng loạt vấn đề kinh tế, xã hội, dân sinh, môi trường bị ảnh hưởng nghiêm trọng Tình trạng nước biển dâng gây tác hại nghiêm trọng trên, mà trực tiếp chịu ảnh hưởng người dân sống khu vực trũng, thấp Tuy nhiên tài liệu Bộ tiếp cận đa số người dân tài liệu chuyên môn, phần lớn tài liệu giải thích nguyên nhân nước biển dâng, sở tính toán mức dâng từ phát thải CO2, gia tăng nhiệt độ , với nhiều từ ngữ chun mơn gây khó hiểu cho phần đơng người lao động Hình thức thể hiện, xuất dạng giấy, phát hành số nhà sách lớn, giá hành cao gây khó khăn mặt tiếp cận Từ dẫn đến tình trạng cộng đồng chưa hình dung mức độ nghiêm trọng ảnh hưởng tượng sống thường ngày họ Do người dân chưa có thay đổi cách sống, cách đối xử với thiên nhiên, chưa nghĩ đến việc thực biện pháp hạn chế ảnh hưởng nước biển dâng, bảo vệ tài sản, bảo vệ môi trường hạn chế hậu biến đổi khí hậu Theo đó, thấy nhu cầu phương tiện truyền thơng, cho phép nhiều người tiếp cận dễ dàng, công bố thông tin biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho thành phố hình thức khác cần thiết Vì vậy, nhóm tác giả nghiên cơng nghệ 3D để thể mơ hình ngập WebGIS, giúp nâng cao tiếp cận, nhận thức người dân vấn đề cấp bách NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Mơ hình mơ chiều (3D) Mơ hình 3D sản phẩm mơ lại đối tượng thật bên thực tế cách sử dụng tập hợp điểm không gian để dựng lại bề mặt đối tượng khơng gian ba chiều Giúp người xem quan sát vật thể góc độ khác Mơ hình 3D xây dựng tay, thuật tốn máy tính kỹ thuật qt [2] Mơ hình 3D sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống y tế, giáo dục, xây dựng, nghiên cứu cảnh quan, phát triển đô thị,… Trong thập kỷ gần đây, cộng đồng khoa học Trái Đất bắt đầu ứng dụng mơ hình 3D để nghiên cứu địa chất, bề mặt đất, lũ qt,… 2.2 Cơng nghệ hiển thị mơ hình 3D Việc hiển thị mơ hình 3D thuật tốn máy tính địi hỏi máy tính phải xử lý nhiều để mô đối tượng, thường u cầu cao cấu hình máy tính Với cơng nghệ phát triển nhanh chóng nay, có nhiều công nghệ xử lý, hiển thị 3D đời nhằm giảm tải cho cấu hình máy đồng thời nâng cao hiệu suất trải nghiệm, dễ dàng tiếp cận với người dùng hơn, có cơng nghệ OpenGL (Open Graphics Library) [3][4] 2.2.1 Open Graphics Library (OpenGL) Được phát triển Silicon Graphic, Inc., phần mềm hướng thủ tục theo chuẩn công nghiệp hộ trợ đồ họa chiều Cung cấp khoảng 250 hàm [3][5] để vẽ cảnh từ đơn giản đến phức tạp Với OpenGL, ta tạo ảnh ba chiều tĩnh động với chất lượng cao Không gian OpenGL mô qua tập hợp điểm, điểm khơng gian có tất bốn tọa độ Cách thể điểm không gian bốn tọa độ cho phép xử lý điểm vơ tận cách tổng qt Vì mã nguồn ứng dụng đơn giản hóa nhiều Trang 83 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No K4-2016 Hình Địa hình thể WebGL 2.2.2 WebGL WEBGL thư viện đồ họa web, phiên browers chrome, firefox có hỗ trợ Về kết hợp đồ hoạ 3D (thông qua thư viện OpenGL ES) ngơn ngữ lập trình web HTML5 JavaScript (JS) Do WebGL khơng cần đến plug-in chạy ngồi Adobe Flash hay MS SilverLight Người dùng cần trình duyệt có hỗ trợ HTML5 JS trải nghiệm ứng dụng 2.3 Công nghệ WebGIS Ứng dụng xây dựng theo mơ hình WebGIS, theo hệ thống gồm tầng kiến trúc Client – Server – Database Client: Chính người dùng mà đại diện trình duyệt Web, người dùng truy cập vào ứng dụng, trình duyệt Web tải trang Web kèm theo đoạn Javascript ứng dụng, việc hiển thị mơ hình 3D thơng qua thư viện WebGL trình duyệt web đảm nhận WebGIS hiểu ứng dụng GIS chạy Web (Web-based)[6], ứng dụng GIS có chức thể đồ, truy vấn thông tin, phân tích khơng gian Ưu điểm WebGIS kế thừa ưu điểm hai tảng tiện lợi, khả truy cập thuận tiện, dễ dàng phân phối, chia sẻ, Web lẫn khả thể khơng gian, thuộc tính, phân tích, truy vấn, trực quan GIS Để thực nghiên cứu, viết sử dụng công nghệ nguồn mở MapServer với hệ quản trị sở liệu PostgreSQL để xây dựng ứng dụng WebGIS thể đồ khu vực thành phố Hồ Chí Minh XÂY DỰNG ỨNG DỤNG 3.1 Mơ hình hoạt động Trang 84 Hình Mơ hình hoạt động ứng dụng Server: Bao gồm phần mềm Web Server Apache, phần mềm cung cấp dịch vụ đồ MapServer TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K4-2016 Database: Là nơi lưu trữ liệu cho ứng dụng mà đại diện phần mềm quản trị sở liệu nguồn mở PostgreSQL với phần mở rộng PostGIS hỗ trợ liệu không gian nhận để xây dựng chức cho chương trình Các liệu hành thành phố Hồ Chí Minh xây dựng, thu thập từ nguồn OpenStreetMap với hệ tọa độ WGS-84 Theo đó, người dùng gửi yêu cầu đến cho trang web thông qua trình duyệt web, Server tiếp nhận yêu cầu, tùy theo loại yêu cầu mà phần mềm Server xử lý trả kết khác Nếu u cầu khơng liên quan đến đồ phần mềm Apache đảm nhiệm chức xử lý, giao tiếp với sở liệu để trả kết cho trình duyệt web, cịn u cầu liên quan đến đồ phần mềm MapServer xử lý Sau trình duyệt Web nhận kết trình duyệt hiển thị, phát âm video cho người dùng 3.2 Quy trình xử lý liệu 3.2.2 Xử lý liệu 3.2.1 Nguồn liệu Dữ liệu mơ hình độ cao thành phố sử dụng nghiên cứu liệu định dạng *.dem, tải từ ARSTER GDEM[7] có độ phân giải khơng gian arc second Qua khảo sát nguồn liệu khơng xác, sơng có độ cao bất thường Để thể mơ hình độ cao thành phố Hồ Chí Minh lên Web công nghệ WebGL, liệu cần chuyển từ định dạng *.dem dạng mảng Javascript thư viện “Parse 3d files” để thư viện WebGL đọc Kết xử lý mảng ba chiều, bao gồm cặp tọa độ định vị giá trị độ cao điểm Riêng bề mặt mơ hình ảnh vệ tinh lấy từ google map, sau xử lý đưa dạng mã hóa “base 64 image” để javascript hiểu Bên cạnh đó, liệu hành thành phố Hồ Chí Minh cần chuyển vào PostgreSQL để Mapserver truy xuất, cung cấp dịch vụ dạng Web Map Services cho ứng dụng 3.3 Xây dựng ứng dụng Ứng dụng xây dựng theo mơ hình sau: Mapserver: Đảm nhận việc cấp dịch vụ WMS để hiển thị đồ khu vực thành phố Hồ Chí Minh Openlayers: Gọi dịch vụ WMS, tạo chức tương tác với người đồ di chuyển, phóng to, thu nhỏ đồ, PostgreSQL: Lưu trữ liệu cung cấp cho Mapserver WebGL: Hiển thị mơ hình 3D thành phố, xây dựng chức tương tác với mô nắm, xoay, hiển thị mức nước, cụ thể gồm bước: Hình Dữ liệu *.dem từ ARSTER GDEM với độ  Khởi tạo trang HTML: Đây trang chứa nội dung mơ hình  Nhúng thư viện Threejs: Thư viện tương tác với WebGL cao sông bất thường Tuy nhiên, mục tiêu viết nghiên cứu mặt công nghệ, khn khổ hội thảo, liệu chấp Trang 85 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No K4-2016  Tạo Scene: Khung nơi mơ hình xây dựng  Tạo Renderer: Có nhiều phương pháp như: SVG, canvas renderers, WebGL renderer, chọn WebGL renderer;  Tạo Camera: Đây nơi khởi tạo góc nhìn cho mơ hình;  Thêm Lighting: Thêm ánh sáng, hướng chiếu cho mơ hình;  Thêm Geometry: Thêm hình học mơ hình, mảng javascript xử lý trước đó;  Thêm Control: Thêm công cụ tương tác nắm, xoay, phóng to, thu nhỏ, mức ngập cho mơ hình, 3.3 Kết nghiên cứu chuột vào khu vực (quận) mà quan tâm để xem mơ hình 3D mực nước theo kịch với địa hình khu vực Một cửa sổ bao gồm ba thẻ mơ hình, thơng tin, hình ảnh giúp khai thác tối đa lợi tảng Web, cung cấp cho người dùng thông tin đầy đủ trạng nước biển dâng Mực nước hiển thị mơ hình 3D giá trị ngập mức 65cm, 75cm 100cm theo kịch Bộ Bên cạnh đó, người dùng dịch chuyển mức ngập sang giá trị để theo dõi thay đổi diện tích ngập, khu vực ngập mực nước thay đổi Đối với mơ hình 3D, người dùng tương tác để thay đổi góc nhìn cách trực quan cách xoay, dịch chuyển mơ hình Hình Giao diện ứng dụng Việc thể tác động mực nước biển dâng dạng mơ hình 3D cách trực quan, tương tác giúp người dùng dễ dàng xác định vùng chịu ảnh hưởng tượng Từ cảm nhận tính chất cấp bách vấn đề để có biện pháp hạn chế tác động tiêu cực nước biển dâng đến sống hàng ngày Đồng thời, với thông tin cung cấp thêm thẻ “Thơng tin”, “Hình ảnh”, ứng dụng góp phần tun truyền, cung cấp thêm thơng tin để nâng cao hiểu biết người dân tình trạng biến đổi khí hậu, nhiễm mơi trường, từ người dân có hành động tích cực việc bảo vệ mơi trường sống, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực tình trạng biến đổi khí hậu, nước biển dâng KẾT LUẬN Ứng dụng bao gồm ba lớp đồ tương ứng với ba kịch nước biển dâng 65 cm, 75 cm 100 cm theo “Kịch biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam” Bộ Tài nguyên Môi trường Người dùng muốn xem kịch nhấp chọn thể kịch bên panel điều hướng Sau người dùng nhấp Về mặt kỹ thuật, báo nghiên cứu xây dựng thành cơng mơ hình ngập 3D tảng WebGIS thành phố Hồ Chí Minh với chức tương tác với đồ, xem thơng tin, thể mơ hình 3D cho phép người dùng tương tác với mơ hình với góc nhìn khác Với mục tiêu ban đầu đề tiêu đề báo, nghiên cứu xây dựng ứng dụng mô lại kịch nước biển dâng WebGIS với giao diện sau: Trang 86 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K4-2016 Hình Tương tác với mơ hình 3D Bên cạnh đó, độ xác ứng dụng phụ thuộc lớn vào liệu đầu vào, tốc độ hiển thị xử lý yêu cầu từ người dùng phụ thuộc lớn vào đường truyền mạng cấu hình máy chủ, để triển khai ứng dụng vào thực tế, ứng dụng cần tìm nguồn liệu mơ hình số độ cao xác Máy chủ dịch vụ ngồi việc cài đặt WebServer phải cài đặt phần mềm đồ hệ quản trị sở liệu phù hợp Việc thể kịch kết kịch biến đổi khí hậu nước biển dâng khu vực thành phố Hồ Chí Minh tảng WebGIS giúp khai thác tối đa lợi tảng Web, cho phép nhiều người truy cập, thể thơng tin nhanh chóng, trực quan Kết hợp với cơng nghệ GIS mơ hình 3D, giúp người dùng tiếp nhận thơng tin theo cách chủ động, thơng tin tham chiếu vị trí địa lý ngồi thực tế cách xác Từ góp phần nâng cao hiểu biết người dân, giúp người có nhìn xác, thực tế ảnh hưởng biến đổi khí hậu nước biển dâng gây để có biện pháp phịng tránh phù hợp Tồn thành phần để triển khai ứng dụng sử dụng sản phẩm mã nguồn mở từ Web Server, Map Server, Database, đến thư viện hỗ trợ hiển thị Openlayers, WebGL, Điều cho thấy sản phẩm mã nguồn mở ngày phát triển sử dụng để phát triển ứng dụng độc lập, việc nghiên cứu ứng dụng sản phẩm mã nguồn mở cần thiết phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ chủ trương Nhà nước Trang 87 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No K4-2016 Research on 3D technology to build a flood model based on webGIS at Ho Chi Minh city  Do Thanh Long  Tran Thai Binh  Tran Dinh Trung GIS and Remote sensing Research Center, HCM Institute of Resources Geography, Vietnam ABSTRACT Climate change and sea level rise scenarios for Vietnam was published by the Ministry of Natural Resources and Environment in 2012 According to the scenarios, when sea level rise by 1m, over 20% of Ho Chi Minh City will become flood risk area affecting more than half million people (7% of the city’s population) This urgent problem affecting so many people like that but accessing to this information of the inhabitants is very limited Therefore, the research Using the 3D technology to build flood model on WebGIS helps to show visually water level, flood position and the risk area affected in different water level The research did not analyze the aspects of climate change, just used the results of the scenarios combining with 3D model technology on WebGIS to build an application The result is not only the tool to help local people to access easily with the visual information about water level but also the reference for relating research and applications Keywords: WebGIS, Models, 3D, flooding, climate change, Ho Chi Minh city TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Tài nguyên Môi trường, “Kịch biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam,” 2009 [2] G Mathews, “Intro to 3D Modeling: The Complete Guide.” [3] Boston University, “OpenGL Basics : TechWeb : Boston University,” Boston University [Online] Available: http://www.bu.edu/tech/support/research/sof tware-and-programming/software-andapplications/rcs-software-packages/opengl/ [Accessed: 17-Sep-2015] [4] Dave Shreiner, Graham Sellers, John Kessenich, OpenGL Programming Guide, 8th ed [5] International Computer Institute, “OpenGL Trang 88 Programming Guide (Addison-Wesley Publishing Company),” International Computer Institute [Online] Available: http://ube.ege.edu.tr/~ozturk/graphics/openg l_book/ [Accessed: 28-Sep-2015] [6] Đỗ Thành Long, Trần Thái Bình, Trần Đình Trung, “Ứng dụng cơng nghệ mã nguồn mở xây dựng WebGIS phục vụ công bố thông tin Khí tượng - Thủy văn,” Tuyển tập báo cáo Hội thảo Khoa học thường niên 2014 - Phân viện Khí tượng Thủy văn Biến đổi Khí Hậu, p 192, 2014 [7] ASTER GDEM, “ASTER GDEM.” [Accessed: 29-Sep-2015] Available: http://gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp/