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 Ơ NHIỄM KHƠNG 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 KHƠNG KHÍ Ngành: Cơng nghệ thơng tin Chun 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 chun mơn thực luận văn cách nghiêm túc trung thực Trong toàn nội dung luận văn, tơi có sử dụng tài liệu tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau, nêu đầy đủ cuối luận văn Tôi xin cam đoan chịu trách nhiệm nội dung viết luận văn tốt nghiệp Hà Nội, tháng 11 năm 2015 Học viên Lê Xuân Thành LỜI CẢM ƠN Những kiến thức sản phẩm đạt luận văn kết năm (2013-2015) có may mắn học tập nghiên cứu trường Đại Học Công Nghệ Để đạt kết tiến vượt bậc ngày hôm nay, không kể đến hướng dẫn, giúp đơn tận tình từ thầy cơ, bạn bè Tơi xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Nhật Thanh, thầy Lê Thanh Hà, Thầy Bùi Quang Hưng giảng viên công tác trường Đại Học Công Nghệ giúp đỡ, dẫn, định hướng cho nhiều q trình học tập, nghiên cứu để hồn thành khóa học cuối luận văn Tơi 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 nhiều anh/chị/em Trung tâm Cơng nghệ tích hợp Liên ngành Giám sát trường (FIMO) - Trường Đại học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội giúp đỡ hỗ trợ nhiều trình thực luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy/cơ khoa Cơng Nghệ Thơng Tin trường giảng dạy cho suốt thời gian theo học Trường Đại học Công Nghệ Hà Nội, tháng 12 năm 2015 Lê Xuân Thành MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC MỞ ĐẦU DANH MỤC THUẬT NGỮ DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM, HỆ THỐNG THƠNG TIN ĐỊA LÝ, CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ 10 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VIỄN THÁM 10 1.1.1 Lịch sử phát triển viễn thám 10 1.1.2 Định nghĩa viễn thám 11 1.1.3 Nguyên lý 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 liệu GIS 13 1.2.3 Cấu trúc liệu GIS 14 1.3 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ 15 1.3.1 Khái niệm 15 1.3.2 Quy chuẩn chất lượng khơng khí 15 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ 18 2.1 Giải pháp dịch vụ đồ 18 2.1.1 Dịch vụ đồ hệ thống GIS 18 2.1.2 Một số máy chủ đồ phổ biến 19 2.1.3 Tại nên sử dụng ArcGIS Server 25 2.2 Flex – Công nghệ Rich Internet Application 27 2.2.1 Giới thiệu Flex 27 2.2.2 Thành phần Flex .27 2.2.3 Ưu nhược điểm Flex 28 2.3 Arcgis API cho Flex dịch vụ web RESTful 29 2.3.1 Arcgis API cho Flex 29 2.3.2 Dịch vụ web RESTful .31 CHƯƠNG XÂY DỰNG ỨNG DỤNG CHIA SẺ THÔNG TIN CẢNH BÁO Ô NHIỄM KHƠNG KHÍ 34 3.1 Bài toán xây dựng hệ thống cảnh báo nhiễm khơng khí 34 3.2 Tổng quan hệ thống cảnh báo nhiễm khơng khí – Air Pollution Management (APOM) 36 3.2.1 Hệ thống chia sẻ thông tin cảnh báo nhiễm khơng khí sử dụng ảnh vệ tinh (phần client) 39 3.2.2 Nguyên tắc thiết kế 41 3.2.3 Mục tiêu thiết kế ràng buộc 42 3.2.4 Môi trường phát triển thực thi 44 3.3 Use-case view 46 3.3.1 Nhóm chức hiển thị đồ chất lượng khơng khí cảnh báo nhiễm khơng khí tự động .47 3.3.2 Nhóm chức tìm kiếm liệu nhiễm khơng khí 49 3.3.3 Nhóm chức thống kê, báo cáo liệu nhiễm khơng khí .51 3.4 Logical View 55 3.4.1 Các lớp logic 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 sở liệu 67 3.8.1 Nguyên tắc thiết kế sở liệu 67 3.8.2 Sơ đồ thực thể quan hệ - Entity Relation Diagram 68 3.9 Một số giao diện hệ thống 72 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 MỞ ĐẦU Q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước, bùng nổ dân số q trình thị hóa nơng thơn diễn nhanh Tăng trưởng cơng nghiệp dân số dẫn đến mức tiêu thụ lượng hàng năm tăng cao chóng mặt kèm theo lượng khí phát thải gây hiệu ứng nhà kính từ hoạt động công nghiệp sinh hoạt, giao thông tăng cao Chất lượng khơng khí Việt Nam có xu hướng xấu đi, gây tác hại không nhỏ cho sức khỏe người dân môi trường Trung tâm nghiên cứu môi trường thuộc đại học Yale đại học Columbia Mỹ cho Việt Nam nằm 10 nước có mơi trường khơng khí nhiễm giới 170/178 theo số liệu năm 2014 [13] Báo cáo môi trường quốc gia hàng năm chất lượng khơng khí lượng bụi tổng (Total Suspended Particles - TSP) hạt bụi lơ lửng khơng khí (Particulate Matter concentration - PM) vượt chuẩn quốc gia nhiều thành phố, khu công nghiệp trục đường giao thông đặc biệt hai đô thị lớn Hà Nội thành phố Hồ Chí Minh Ví dụ Hà Nội, chất lượng khơng khí giai đoạn từ 20102013 mức kém, số ngày có chất lượng khơng khí AQI (Air Quality Index) = 101 ÷ 200 chiếm từ 40-60% tổng số ngày quan trắc năm [1] Cho đến thời điểm tại, hệ thống cung cấp thông tin ô nhiễm không khí Việt Nam sử dụng thông tin từ trạm quan trắc mặt đất, liệu đảm bảo với độ xác cao Tuy nhiên số lượng hạn chế, có trạm quan trắc thành phố: Hà Nội, Phú Thọ, Hạ Long, Huế, Đà Nẵng, Khánh Hòa Trung tâm quan trắc môi trường – Tổng cục môi trường quản lý Mặc dù thông tin số liệu thu xác, chi tiết, tần số liệu thu cao (theo giờ) thơng tin số liệu đại diện cho khu vực đặt trạm quan trắc mà cung cấp thông tin tổng quan diện rộng, khu vực chẳng hạn quận/huyện thành phố Hà Nội, diễn biến nồng độ bụi, nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa khác Trong giới Việt Nam, cơng nghệ viễn thám có bước phát triển vượt bậc giúp nhà khoa học quan sát trái đất, thu thập thông tin qua ảnh vệ tinh Từ giải tốn lớn dự báo thiên tai, biến đổi khí hậu, giám sát lớp phủ mặt đất, giám sát chất lượng khơng khí…Ưu điểm việc ứng dụng viễn thám giám sát trường tính bao quát rộng lớn Đối với tốn giám sát chất lượng khơng khí, ảnh vệ tinh cung cấp tham số quan trọng để tính tốn đưa đánh giá chất lượng khơng khí theo tiêu chuẩn nước tiêu chuẩn quốc tế Việc sử dụng ảnh vệ tinh để tính tốn, giám sát chất lượng khơng khí hướng mới, giải khó khăn số lượng trạm quan trắc kinh phí lắp đặt trạm quan trắc lớn Với mục tiêu nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System – GIS) thu thập, xử lý, lưu trữ cung cấp thông tin giám sát chia sẻ chất lượng khơng khí Hệ thống kênh cung cấp thông tin cho người dân, nhà quản lý, tổ chức y tế…đáp ứng tính dễ sử dụng, khả linh hoạt, giàu tương tác Các chức hệ thống mà luận văn sâu vào bao gồm: đồ chất lượng khơng khí, chức tìm kiếm, xem chuỗi ảnh, xem thơng tin chi tiết ảnh, thống kêu báo cáo số liệu chất lượng khơng khí khoảng thời gian Về phương pháp phạm vi nghiên cứu, luận văn nghiên cứu về: - Công nghệ viễn thám ảnh vệ tinh viễn thám - Hệ thống thông tin địa lý, sở liệu không gian truy vấn không gian với liệu vector, raster - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Rich Internet Application máy chủ đồ xây dựng hệ thống web GIS Cấu trúc luận văn chia chương: Chương 1: Giới thiệu chung viễn thám, hệ thống thơng tin địa lý (GIS) ảnh sol khí Chương 2: Trình bày phương tảng cơng nghệ xây dựng hệ thống web GIS Chương 3: Trình bày hệ thống chia sẻ thông tin cảnh báo ô nhiễm khơng khí DANH MỤC THUẬT NGỮ Viêt tắt API Tiếng Anh Application Program Interface TSP AQI AQI TCVN Total Suspended Particles Air Quality Index AQI TCQT PM Sol khí Particulate Matter Aerosol GIS WS XML SOAP Geographic Information System Web service eXtensible Markup Language Simple Object Access Protocol REST OGC RIA AOT /AOD Met Data DEM CSDL Representational State Transfer Open Geospatial Consortium Rich Internet Application Aerosol optical thinkness Digital Elevation Model Database Tiếng Việt Định nghĩa giao diện chuẩn để gọi tập chức Bụi lơ lửng Chỉ số chất lượng khơng khí Chỉ số chất lượng khơng khí theo tiêu chuẩn Việt Nam Chỉ số chất lượng khơng khí theo tiêu chuẩn Quốc tế Các hạt bụi rắn khơng khí Chất lơ lửng phân tán khơng khí Hệ thống thơng tin địa lý Dịch vụ web Ngôn ngữ Đánh dấu Mở rộng Giao thức truy cập đối tượng đơn giản Truyền trạng thái đại diện Tổ chức Không Gian Địa lý Ứng dụng web giàu tính Độ dày quang học Dữ liệu quan trắc mặt đất Mơ hình độ cao số Cơ sở liệu DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Nguyên lý hoạt động viễn thám 11 Hình 2: Mơ hình lớp liệu GIS 13 Hình 3: Mơ hình liệu Vector Raster 14 Hình 4: Kiến trúc GeoServer 20 Hình 5: Kiến trúc MapServer 22 Hình 6: Kiến trúc hệ thống ArcGIS Server 24 Hình 7: Cách đặt lớp đồ lên đồ 30 Hình 8: Sơ đồ tổng thể hệ thống cảnh báo ô nhiễm không khí 36 Hình 9: Quy trình xử lý liệu mơ hình hóa 38 Hình 10: Các chức hệ thống chia sẻ thông tin cảnh báo nhiễm khơng khí 39 Hình 11: Mơ hình kiến trúc 4+1 .41 Hình 12: Sơ đồ xác thực hệ thống 43 Hình 13: Biểu đồ ca sử dụng tổng quát hệ thống 47 Hình 14: Biểu đồ ca sử dụng nhóm chức hiển thị đồ chất lượng khơng khí cảnh báo nhiễm khơng khí tự động .48 Hình 15: Biểu đồ ca sử dụng nhóm chức tìm kiếm liệu nhiễm khơng khí 50 Hình 16: Biểu đồ ca sử dụng thống kê báo cáo 52 Hình 17: Khung nhìn logic hệ thống phần mềm 55 Hình 18: Sơ đồ phần mềm hệ thống .58 Hình 19: Các luồng xử lý thành phần hệ thống 60 Hình 20: Mơ hình triển khai hệ thống 61 Hình 21: Biểu đồ Implementation hệ thống APOM 65 Hình 22: Schema prodaot 69 Hình 23: Schema prodpm 70 Hình 24: Schema prodaqi 71 Hình 25: Giao diện hệ thống 72 Hình 26: Giao diện kết tìm kiếm ảnh PM2.5 vệ tinh Modis Terra 72 Hình 27: Giao diện xem metadata 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 khơng khí [2] Nguyễn Khắc Thời cộng (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 Chiến lược Phát triển Nông nghiệp Nông thôn - IPSARD (4/2006), Ứng dụng hệ thống thông tin địa lý viễn thám nông nghiệp phát triển nông thôn [6] Đại Học Hàng Hải, Giáo trình hệ thống thơng tin số [7] Trung tâm quan trắc môi trường - Bộ tài ngun mơi trường (6/2011), Phương pháp tính tốn số chất lượng khơng 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 76 [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 77 ... 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 Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ Ngành: Cơng nghệ thơng tin Chuyên ngành: Kỹ thuật... tốn xây dựng hệ thống cảnh báo nhiễm khơng khí 34 3.2 Tổng quan hệ thống cảnh báo nhiễm khơng khí – Air Pollution Management (APOM) 36 3.2.1 Hệ thống chia sẻ thơng tin cảnh báo nhiễm. .. luận văn nghiên cứu về: - Công nghệ viễn thám ảnh vệ tinh viễn thám - Hệ thống thông tin địa lý, sở liệu không gian truy vấn không gian với liệu vector, raster - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Rich