CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG WEBGIS MÃ NGUỒN MỞ TRONG DẠY HỌC ĐỊA LÍ 12 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
2.3. Quy trình xây dựng WebGIS
Theo nghiên cứu của tác giả, quy trình xây dựng WebGIS trải qua 7 bước cơ bản (hình 2.1).
2.3.1. Bước 1: Xác định mục đích, yêu cầu
Đây là bước rất quan trọng, quyết định tính chất và đặc điểm của sản phẩm. Việc xác định mục đích, yêu cầu của sản phẩm phải căn cứ vào mục tiêu, nội dung chương trình Địa lí 12 THPT và của từng bài học, dự kiến hoạt động nhận thức của HS, các phương pháp giảng dạy, các phương tiện dạy học đi kèm và các hình thức tổ chức dạy học.
Sản phẩm WebGIS được xây dựng nhằm tạo một công cụ, TBDH hiện đại là các bản đồ trực tuyến, phục vụ GV giảng dạy chương trình Địa lí 12,
hỗ trợ HS có thể tương tác, khai thác tri thức từ các bản đồ. Các yêu cầu kỹ thuật tối thiểu của sản phẩm này là có các chức năng cơ bản như di chuyển, phóng to, thu nhỏ, quản lý các lớp dữ liệu, trực quan hóa dữ liệu bằng ký hiệu, đường nét, các nền màu chuyên đề, các bản đồ biểu đồ; hỗ trợ truy vấn đơn giản như tìm kiếm địa chỉ, xác định tọa độ địa điểm. Một số tính năng mở rộng và nâng cao khác cần được chú trọng như đo đạc trên bản đồ, tạo mới và chỉnh sửa dữ liệu, tải lên (upload) và tải xuống (download) dữ liệu.
Hình 2.1. Quy trình xây dựng WebGIS 2.3.2. Bước 2: Xác định các lớp bản đồ, lớp thông tin cần thiết
Từ việc nghiên cứu mục tiêu, nội dung môn học và bài học ở bước 1, tác giả đã tổng hợp được các dạng bản đồ giáo khoa hiện có sử dụng dạy học Địa lí 12 THPT, đây là căn cứ quan trọng để xác định các lớp bản đồ, lớp thông tin cần thiết trên sản phẩm WebGIS. Việc xác định này phải đảm bảo vừa kế thừa và kết hợp được với nguồn bản đồ truyền thống vừa tạo ra các lớp
bản đồ cập nhật về số liệu, nội dung hoặc các lớp mới phục vụ cho các ý tưởng dạy học.
2.3.3. Bước 3: Thiết kế và biên tập dữ liệu
Căn cứ vào ma trận các lớp bản đồ được xác định từ bước 2, tác giả đã tổ chức dữ liệu thành 2 nhóm: dữ liệu nền và dữ liệu chuyên đề. Dữ liệu nền (base map) lấy từ dịch vụ bản đồ của Google (Google Terrain, Google Streets, Google Satellite), OSM (Open Street Map), Mapbox (Streets/Satellite), Esri (Topo) và Mundialis (Topo) - đều là những dữ liệu ảnh bản đồ toàn thế giới được dùng phổ biến nhất hiện nay trên tất cả các ứng dụng WebGIS. Ngoài ra, tác giả cũng cung cấp dữ liệu nền trắng, sử dụng trong một số tình huống như tạo bản đồ câm hoặc loại bỏ sự phân tán của HS, chỉ tập trung vào dữ liệu lãnh thổ Việt Nam.
Dữ liệu chuyên đề thực chất là các nhóm lớp/lớp bản đồ được biên tập phù hợp với các chủ đề, vấn đề trong SGK Địa lí 12, dùng để giảng dạy trong một bài hoặc nhóm bài học có liên quan trong chương trình Địa lí 12 như:
Hành chính, Dân số, Giao thông, Nông nghiệp, Lâm nghiệp, Thủy sản,…
Dữ liệu chuyên đề có định dạng shapefile (một trong những định dạng dữ liệu không gian dạng vector phổ biến nhất, được phát triển bởi Esri), gồm 3 kiểu điểm (point), đường (polyline), vùng (polygon/region). Từ nguồn dữ liệu này, các bản đồ chuyên đề được biên tập bằng các phần mềm GIS mã nguồn mở. Cuối cùng, tác giả sử dụng các chuẩn giao tiếp OpenGIS(WMS, WFS) để kết nối dữ liệu từ máy chủ bản đồ tạo thành các lớp chuyên đề trên WebGIS.
Chuẩn OpenGIS là thương hiệu được đăng ký bởi OGC (The Open Geospatial Consortium), được phát triển thống nhất và duy nhất, là hệ thống khung quy định chuẩn của phần mềm cho phép truy cập và xử lý thông tin địa lí, cho phép các nhà phát triển phần mềm xây dựng các sản phẩm có sử dụng chung tài nguyên dữ liệu địa lí.
Web Map Service (WMS): dịch vụ tạo ảnh bản đồ và hiển thị bản đồ từ nhiều nguồn dữ liệu đa dạng.
Web Feature Service (WFS): dịch vụ xử lý truy vấn và cập nhật dữ liệu.
Dữ liệu không gian chủ yếu có phạm vi là lãnh thổ Việt Nam nhưng dữ liệu nền là các ảnh bản đồ thế giới do đó trong quá trình biên tập, cần chú ý lựa chọn hệ quy chiếu WGS84 (EPSG:4326) để các lớp dữ liệu hiển thị trên WebGIS khi chồng xếp (overlay) với dữ liệu nền không bị sai lệch vị trí. Mặt khác, để ưu tiên hiển thị lãnh thổ Việt Nam, cần khai báo trong mã nguồn của WebGIS các thông số sau: tọa độ các góc (extend), tọa độ trung tâm (center) và mức độ phóng đại ban đầu của WebGIS (zoom).
2.3.4. Bước 4: Lựa chọn công nghệ WebGIS
Việc lựa chọn công nghệ WebGIS là một trong những khâu hết sức quan trọng, quyết định đặc điểm, tính năng, khả năng vận hành, mở rộng của sản phẩm. Đối với WebGIS phục vụ dạy học Địa lí 12, tác giả lựa chọn kết hợp các thành phần công nghệ sau: về phía máy chủ (server) chọn Apache là máy chủ web, GeoServer là máy chủ bản đồ; về phía máy khách (client) sử dụng bộ code Heron MC để tạo giao diện. Để quản lý cơ sở dữ liệu (database) tác giả sử dụng PostgreSQL/PostGIS. Để biên tập dữ liệu tác giả chọn QGIS. Các phần mềm mã mở này được trình bày chi tiết trong phần 2.4 của chương 2.
2.3.5. Bước 5: Xây dựng cấu trúc và giao diện WebGIS
Cấu trúc WebGIS phục vụ dạy học Địa lí 12 gồm 3 tầng (tier) cơ bản như một Website thông thường (hình 2.2).
Tầng giao diện hiển thị thông qua trình duyệt web của người dùng. Tác giả sử dụng mã nguồn Heron MC để cấu hình phần giao diện này.
Đối với WebGIS, tầng máy chủ ứng dụng (Application Server) gồm 2 thành phần là máy chủ Web (Web Server) và máy chủ bản đồ (Map Server).
Web Server (trong trường hợp này tác giả dùng Apache) tiếp nhận và đáp lại những yêu cầu từ trình duyệt Web thông thường thông qua nghi thức truyền
dữ liệu trên mạng. Map Server là nơi thực hiện những truy vấn không gian, chỉ dẫn phân tích không gian, tạo và trả lại bản đồ theo yêu cầu từ máy khách thông qua Web Server. Tác giả sử dụng GeoServer làm máy chủ bản đồ trong nghiên cứu của mình.
Hình 2.2. Cấu trúc WebGIS phục vụ dạy học Địa lí 12
Tầng dữ liệu (Data Server) là nơi lưu trữ các dữ liệu bao gồm cả dữ liệu không gian và phi không gian (thuộc tính). Các dữ liệu này được tổ chức lưu trữ bởi hệ quản trị cơ sở dữ liệu PostgreSQL/PostGIS. Thông qua không gian lưu trữ (Store) trên GeoServer đã tạo ra kết nối với Data Server. Các bản đồ chuyên đề, thông tin thuộc tính của đối tượng địa lí hay các dữ liệu tải xuống từ WebGIS đều được thực thi bởi các dịch vụ WMS, WFS trên GeoServer.
Tác giả dự kiến thiết kế giao diện của sản phẩm bao gồm các thành phần chính sau (hình 2.3): banner hoặc logo WebGIS (1); phần quản trị các lớp bản đồ (2); phần hiển thị nội dung các lớp bản đồ (3); phần chú giải (4);
các thanh công cụ của WebGIS (5); phần các yếu tố mở rộng (6).
Hình 2.3. Dự kiến giao diện của WebGIS 2.3.6. Bước 6: Kiểm thử
Mục đích của bước này nhằm kiểm tra các chức năng của ứng dụng webGIS đã hoạt động chưa, các lớp dữ liệu có hiển thị đúng yêu cầu không, nếu chưa thỏa mãn, tác giả sẽ tiếp tục quay trở lại bước 3, chỉnh sửa trong mã nguồn của webGIS. Để kiểm thử trên mạng nội bộ, tác giả khởi động (start) Apache và Geoserver để khởi tạo dịch vụ web và dịch vụ bản đồ cho ứng dụng, sau đó sử dụng trình duyệt web thông dụng truy cập địa chỉ:
http://localhost/geo12.
2.3.7. Bước 7: Hoàn thiện và thực nghiệm
Ở bước này, tác giả tiếp tục giải quyết thêm những nhiệm vụ hoặc bổ sung những tính năng hữu ích khác cho sản phẩm. Ví dụ, hướng dẫn sử dụng WebGIS (phụ lục 1), bổ sung chức năng đo đạc (khoảng cách, diện tích);
cung cấp các liên kết (link) tới website hữu ích cho GV trong quá trình giảng dạy như: bản đồ hành chính Việt Nam; khí hậu, thời tiết khu vực và thế giới;
chuyển đổi hệ tọa độ, ... Tác giả công bố WebGIS trực tuyến tại địa chỉ truy cập: http://emap12.tk để tiếp tục kiểm tra các tính năng và tham khảo ý kiến các chuyên gia để bổ sung, chỉnh sửa. Mặt khác, đây là ứng dụng phục vụ dạy học, do đó cần thông qua hoạt động thực nghiệm tại các trường THPT để kiểm
tra mức độ phù hợp, tính khoa học, tính sư phạm và thẩm mỹ của sản phẩm. Từ đó, tác giả có thêm các căn cứ để hoàn thiện sản phẩm.