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

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

1


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

2


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
3


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

4


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 20102013 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
5


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.

6


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

7

Tiếng Việt
Định nghĩa một giao diện chuẩn
để gọi một tập các chức năng.
Bụi lơ lửng
Chỉ số chất lượng không khí
Chỉ số chất lượng không khí theo
tiêu chuẩn Việt Nam
Chỉ số chất lượng không khí theo
tiêu chuẩn Quốc tế.
Các hạt bụi rắn trong không khí
Chất lơ lửng phân tán trong không
khí
Hệ thống thông 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 năng
Độ dày quang học
Dữ liệu quan trắc mặt đất
Mô hình độ cao số
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

8


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện .......................................10
Bảng 2: Mô tả dữ liệu vector ......................................................................................... 14
Bảng 3: Chỉ số AQI tiêu chuẩn quốc tế .........................................................................16
Bảng 4: Chỉ số AQI tiêu chuẩn Việt Nam. ....................................................................17
Bảng 5: So sánh tính năng của một số hệ thống cung cấp dịch vụ bản đồ trên thế giới
.......................................................................................................................................25
Bảng 6: Các nhóm chức năng của giao diện chia sẻ thông tin cảnh báo ô nhiễm không
khí ..................................................................................................................................40
Bảng 7: Môi trường phần cứng, phần mềm được sử dụng để phát triển hệ thống ........44
Bảng 8: Môi trường thực thi hệ thống ...........................................................................45
Bảng 9: Yêu cầu hạ tầng phần cứng hệ thống APOM ..................................................62

9


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM, HỆ THỐNG

THÔNG TIN ĐỊA LÝ, CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ.
1.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VIỄN THÁM
1.1.1. Lịch sử phát triển của viễn thám
Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu dài từ đầu thế kỉ 19, bắt
đầu bằng việc chụp ảnh sử dụng phim và giấy trên khinh khí cầu. Viễn thám thực sự
phát triển mạnh mẽ vào những năm 1960 của thế kỉ 20 khi công nghệ phóng vệ tinh đạt
được những bước tiến vượt bậc. Bảng 1 tóm tắt quá trình hình thành và phát triển của
ảnh viễn thám từ thời kì đầu đến nay [3].
Bảng 1: Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện
Thời gian (năm)
1800
1839
1847
1850-1860
1873
1909
1910-1920
1920-1930
1930-1940
1940
1950
1950-1960
1972
1970-1980
1980-1990
1986
1990 đến nay

Sự kiện
Phát hiện ra tia hồng ngoại

Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng
Phát hiện dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy
Chụp ảnh từ khinh khí cầu
Xây dựng học thuyết về phổ điện từ
Chụp ảnh từ máy bay
Giải đoán từ không trung
Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không
Phát triển kỹ thuật radar (Đức, Mỹ, Anh)
Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay
Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy
Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự
Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1
Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số
Mỹ phát triển thế hệmới của vệ tinh Landsat
Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo
Phát triển bộ cảm thu đa phổ, tăng dải phổ và kênh phổ,
tăng độ phân giải bộ cảm. Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý
mới.

Bên cạnh việc thu ảnh từ vệ tinh, viễn thám cũng sử dụng các phương tiện hàng
không khác như máy bay, khinh khí cầu, rada… để chụp ảnh chi tiết với độ phân giải
cao ở nhiều nơi trên thế giới. Viễn thám đóng vai trò quan trọng trong đo đạc, giải đoán
ảnh, phân tích tín toán dữ liệu ảnh để phục vụ các lĩnh vực khác như nông - lâm – ngư
nghiệp, môi trường, quân sự… Cùng với sự phát triển không ngừng của máy tính, các
10


máy tính ngày càng mạnh hơn, cho khả năng tính toán, xử lý dữ liệu lớn nhanh chóng,
chính xác.
1.1.2. Định nghĩa viễn thám

“Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật
để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua
việc phân tích tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những phương tiện này
không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên
cứu” [2].
1.1.3. Nguyên lý cơ bản của viễn thám
Như chúng ta đã biết, sóng điện từ từ một vật là do phản xạ năng lượng của mặt
trời hoặc do vật đó phát xạ. Các cảm biến đặt trên vật mang (máy bay, khinh khí cầu, vệ
tinh…) có thể thu nhận được năng lượng điện từ này. Kỹ thuật viễn thám sử dụng dải
phổ điện từ từ 0.3 μm (tia cực tím) đến 30cm (vô tuyến) để thu nhận ảnh viễn thám.
Hình 1 mô tả nguyên lý hỏa động của viễn thám trong thực tế [2].

Hình 1: Nguyên lý hoạt động của viễn thám
1.1.4. Ảnh viễn thám
Ảnh viễn thám được chia thành ba loại dựa theo nguồn năng lượng và chiều dài
bước sóng:

Ảnh quang học: được tạo bởi việc thu nhận các bước sóng ánh sáng nhìn
thấy (bước sóng 0.4 – 0.76 μm). Nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời.

Ảnh hồng ngoại: thu được từ bức xạ nhiệt của vật thể phát ra, thấy (bước
sóng 0.77 – 22 μm).

Ảnh rada: được tạo ra bằng cách thu nhận các bước sóng cao tần (1mm –
30cm). Nguồn năng lượng chính là sóng rada phản xạ từ các vật thể do vệ
11


tinh phát ra. Ảnh rada không bị ảnh hưởng bởi mây, sương mù, cho phép thu
nhận năng lượng cả ngày lẫn đêm.

1.1.5. Các vệ tinh viễn thám phổ biến
Vệ tinh SPOT:
Là vệ tinh có độ phân giải cao, được Pháp phóng vào năm 1986, hệ thống vệ tinh
SPOT đến nay đã có 4 vệ tinh được đưa lên quỹ đạo.
- Độ bay cao 830 km.
- Góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98.70
- Bay qua xích đạo lúc 10h30 sáng.
- Chu kỳ lặp lại 26 ngày.
Vệ tinh MODIS:
Bao gồm 2 loại: MODIS Terra (phóng năm 1999) và MODIS Aqua (phóng năm
2002). Các vệ tinh này được phóng bởi cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ - NASA và
được quản lý bởi cơ quản quản lý khí quyển và đại dương quốc gia Hoa Kỳ. Các vệ tinh
có khả năng thu thập thông tin về nhiệt độ, đất đai, đại dương, khí quyển… phục vụ các
công tác nghiên cứu viễn thám.
MODIS Terra:
- Độ bay cao 710.6 km.
- Góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98.20
- Chu kỳ lặp lại 98.8 phút.
MODIS Aqua:
- Độ bay cao 710.9 km.
- Góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98,20
- Chu kỳ lặp lại 98.8 phút.
Vệ tinh Suomi National Polar-orbiting Partnership (NPP)
Được phóng vào năm 2011, sử dụng chủ yếu để giám sát bề mặt mặt đất, các thảm
họa thiên nhiên như núi lửa phun trào, cháy rừng, lũ lụt, hạn hán, bão…NPP quan sát
trái đất 2 lần/24 giờ.
- Độ bay cao 834 km.
- Góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98.680
- Chu kỳ lặp lại 101.44 phút.
1.2. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ - GIS

1.2.1. Khái niệm
Hệ thống thông tin địa lý - GIS bao gồm các dữ liệu bề mặt trái đất và các thông
tin phụ trợ nhằm diễn giải cho người sử dụng dễ hiểu. GIS vốn là một nhánh của công
nghệ thông tin hình thành từ thập kỉ 60 của thế kỉ trước và đang rất phát triển trong
những năm gần đây. GIS thu thập thông tin từ bản đồ hoặc thông qua các đo đạc viễn
12


thám, điều tra, phân tích mô phỏng. Thông tin địa lý bao gồm 2 loại dữ liệu: dữ liệu
không gian và dữ liệu phi không gian.
Hiện nay có rất nhiều định nghĩa về GIS nhưng đã thống nhất quan niệm trung lại
là: GIS là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các thiết bị
ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý để phục vụ một mục
đích nghiên cứu, quản lý nhất định [4].
1.2.2. Cơ sở dữ liệu GIS
Cơ sở dữ liệu là thành phần quan trọng nhất của hệ thống GIS, nó là tập hợp của 2
loại dữ liệu, đó là dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian.
Dữ liệu không gian: là những mô tả hình ảnh bản đồ đã được số hóa, bao gồm tọa
độ của đối tượng, các quy luật, các kí hiệu để xác định một đối tượng cụ thể trên bản đồ.
Dữ liệu phi không gian: diễn tả đặc tính, số lượng, mối quan hệ giữa các hình ảnh
đại diện cho đối tượng trên bản đồ đối với vị trí địa lý của chúng.
Dữ liệu bản đồ trong hệ thống GIS được chia thành nhiều lớp bản đồ khác nhau
được gọi là bản đồ chuyên đề. Mỗi bản đồ chuyên đề bao phủ một lĩnh vực. Các bản đồ
chuyên đề được xếp chồng lên nhau tạo thành một bản đồ hoàn chỉnh chứa thông tin các
đối tượng địa lý.

Địa giới hành chính
Sông rạch
Mạng lưới trạm quan trắc

Hình 2: Mô hình các lớp dữ liệu trong GIS

13


1.2.3. Cấu trúc dữ liệu trong GIS
Hệ thống thông tin địa lý có một đặc điểm quan trọng trong tổ chức là: dữ liệu
không gian và dữ liệu thuộc tính được lưu trữ trong cùng một cơ sở dữ liệu. Hai loại dữ
liệu này có liên hệ chặt chẽ với nhau, xem hình 3 [7].

Hình 3: Mô hình dữ liệu Vector và Raster
a.

Cấu trúc Raster

Đây là ảnh chứa thông tin về một bản đồ chuyên đề nào đó. Cấu trúc raster mô
phỏng các đối tượng trên bề mặt trái đất bằng một lưới với các hàng và cột. Các ô nhỏ
trong lưới gọi là pixel, giá trị của pixel là thuộc tính của đối tượng. Độ phân giải của dữ
liệu raster phụ thuộc vào kích thước của các pixel. Kích thước của pixcel càng nhỏ thì
đối tượng được biểu diễn càng chính xác.
Cấu trúc dữ liệu raster thường được sử dụng trong việc lưu trữ thông tin dạng ảnh
như ảnh vệ tinh hoặc một số mô hình biểu diễn bề mặt như mô hình độ cao số DEM
(Digital Elevation Model). Cấu trúc dữ liệu dạng raster có ưu điểm là dễ thực hiện các
chức năng xử lý, phân tích hoặc các yêu cầu tính toán tốc độ cao, dễ dàng liên kết dữ
liệu viễn thám, tuy nhiên dữ liệu raster có nhược điểm là khi độ phân giải càng thấp, thì
vị trí không gian của các đối tượng càng có sự sai lệch lớn.
b.

Cấu trúc Vector

Cấu trúc dữ liệu Vector biểu diễn các đặc trưng địa lý, vị trí, phạm vi của các đối
tượng không gian bằng các thành phần đồ họa như điểm, đường, đa giác… Điểm (Point)
được xác định trên bản đồ là tọa độ x, y. Đường (Line) là chuỗi các cặp x, y liên tục.
Vùng (Polygon) là khoảng không gian được giới hạn bởi các cặp tọa độ x, y, trong đó
điểm đầu và điểm cuối trùng nhau.
Bảng 2: Mô tả dữ liệu vector

14


Điểm

. +

(x,y) trong 2D
(x, y, z) trong 3D

x

Bao gồm danh sách các điểm
Đường

Đường là tập hợp các điểm
có điểm đầu và cuối trùng
nhau

Vùng

Cấu trúc lưu trữ vector có ưu điểm là định vị chính xác vị trí của đối tượng trên
bản đồ, nhất là các đối tượng có dạng point, line và polygon. Cấu trúc này cho phép

người sử dụng dễ dàng biên tập bản đồ, tuy nhiên nó lại gây ra sự phức tạp khi thực hiện
chồng xếp các bản đồ.
1.3. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ
1.3.1. Khái niệm
Chỉ số chất lượng không khí AQI là chỉ số đại diện cho nồng độ của một nhóm các
chất ô nhiễm gồm CO, NOx, SO2, O3 và bụi, nhằm cho biết tình trạng chất lượng không
khí và mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe con người [7].
1.3.2. Quy chuẩn về chất lượng không khí
Chỉ số AQI cho biết chất lượng không khí tại một điểm hoặc một khu vực nào đó
trong một khoảng thời gian nhất định. Từ giá trị AQI, chúng ta có thể đưa ra các mức
cảnh báo về chất lượng không khí thích hợp tùy vào mục đích. Trên thế giới có nhiều
quy chuẩn đưa ra để tính AQI từ tập thông số ô nhiễm, luận văn sẽ nêu ra quy chuẩn do
cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (U.S. Environmental Protection Agency – EPA) đưa ra
và chuẩn thứ hai là do tổng cục môi trường thuộc Bộ Tài Nguyên và Môi Trường Việt
Nam quy định mới nhất (năm 2013).
Màu sắc cho các khoảng AQI cũng đã được quy định bởi EPA bao gồm 7 mức với
màu sắc tương thay đổi theo khoảng giá trị AQI từ 0-500 [7][11].

15


Bảng 3: Chỉ số AQI tiêu chuẩn quốc tế
Khoảng giá trị AQI

Mức độ ảnh hưởng đến sử khỏe

0-50

Tốt

51 - 100

Trung bình

101 - 150

Không tốt cho người nhạy cảm

151 - 200

Không tốt

201 - 300

Có hại

301 - 400

Độc hại

401 - 500

Độc hại

Màu sắc

Ý nghĩa của các mức như sau:
Tốt

0 đến 50

Chất lượng không khí được cho là thoả đáng- ô
nhiễm không khí đem lại rất ít hoặc không có rủi
ro nào

Trung bình

51 đến 100

Chất lượng không khí chấp nhận được; tuy nhiên,
đối với một số chất gây ô nhiễm, có thể gây lo ngại
cho 1 nhóm rất nhỏ những người đặc biệt nhạy
cảm với ô nhiễm không khí.

Không lành
mạnh cho
các nhóm
nhạy cảm
Không lành
mạnh

101 đến
150

Những người thuộc nhóm nhạy cảm có thể bị ảnh
hưởng về sức khoẻ. Công chúng nói chung có thể
không bị ảnh hưởng.

151 đến
200

Mọi người bắt đầu bị tác động về sức khoẻ; những
người thuộc nhóm nhạy cảm có thể gặp phải
những tác động sức khoẻ nghiêm trọng hơn.

Rất không
lành mạnh

201 đến
300

Cảnh báo về tình trạng khẩn cấp liên quan tới sức
khoẻ. Tất cả mọi người đều có thể bị ảnh hưởng.

Nguy hiểm

301 đến
500

Báo động về sức khoẻ: Tất cả mọi người đều có
thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng về sức khoẻ

16


Chỉ số chất lượng không khí ở Việt Nam do tổng cục môi trường tính toán và đề
xuất theo quyết định số 78/QĐ-TCMT ngày 1 tháng 7 năm 2011. Theo đó, các thông số
được sử dụng để tính toán chỉ số AQI bao gồm: O2, CO, NOx, O3, PM10, TSP. Chất
lượng không khí theo tiêu chuẩn Việt Nam sau khi tính toán bao gồm có 5 mức được
mô tả ở bảng 4.

Bảng 4: Chỉ số AQI tiêu chuẩn Việt Nam
Khoảng giá trị AQI

Mức độ ảnh hưởng đến sử khỏe

0-50

Tốt

51 - 100

Trung bình

101 - 200

Kém

201 - 300

Xấu

Trên 300

Nguy hại

17

Màu sắc

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ
2.1. Giải pháp dịch vụ bản đồ
2.1.1. Dịch vụ bản đồ trong hệ thống GIS
Đối với các hệ thống thông tin địa lý (GIS), việc thao tác với dữ liệu không gian
diễn ra thường xuyên nên dịch vụ bản đồ đóng vai trò rất quan trọng. Dịch vụ bản đồ
cho phép người dùng tương tác với hệ thống. Hệ thống thông tin địa lý bao gồm hai
phần chính là máy chủ tạo bản đồ (Web Map Server) và giao diện bản đồ phía người
dùng (Web Map Client).
Web Map Server cung cấp cho người sử dụng các công cụ phục vụ:
 Tạo dựng bản đồ
 Sinh các dịch vụ bản đồ
 Xử lý các truy vấn liên quan đến dữ liệu bản đồ và trả về thông tin thông
qua dịch vụ bản đồ.
Web Map Client có thể là trình duyệt web, ứng dụng desktop hoặc mobile. Khi
truy vấn thông tin về thuộc tính bản đồ, hiển thị bản đồ, Web Map Client sẽ gửi yêu cầu
đến Web Map Server, Web Map Server sẽ xử lý và trả về thông tin dưới dạng một dịch
vụ web (Web Service). Nội dung của dịch vụ web tùy thuộc vào các tham số đầu vào
mà client cung cấp:
 Nếu yêu cầu hiển thị bản đồ, client phải cung cấp tọa độ bốn góc, hệ quy
chiếu…
 Nếu yêu cầu truy vấn thông tin đối tượng trên bản đồ, client cần phải chỉ rõ
ra lớp thông tin bản đồ cần truy vấn (layer), tạo độ của điểm, đường, khu
vực cần truy vấn thông tin.
Giống như các dịch vụ web, dịch vụ web GIS được xây dựng tập trung vào các
chức năng GIS, sử dụng các giao thức web mở như XML (eXtensible Markup
Language), SOAP (Simple Object Access Protocol) và REST (Representational State
Transfer) Web service. Có các loại dịch vụ GIS sau:
 Map service: đây là dịch vụ cơ bản nhất của GIS service. Các layer (lớp) của
dịch vụ bản đồ cung cấp các thành phần sau:
- Layer bản đồ nền, nơi chúng ta có thể đặt lên các layer khác và thao tác với

thông tin.
- Layer trình diễn thông tin sau khi phân tích các mô hình.
- Truy cập thông tin bản đồ sử dụng các câu lệnh, biểu đồ, báo cáo.
- Image Service: sử dụng như một map layer để tạo ra bản đồ được tích hợp
từ nhiều nguồn ảnh, có thể truy vấn các giá trị trên các pixel trên ảnh và tập
dữ liệu raster (raster datasets)
 Geoprocessing services: được sử dụng để chạy các mô hình phân tích và tự động
hóa các nhiệm vụ.
18


 Geodatabase services: được sử dụng để hỗ trợ truy vấn và chỉnh sửa cơ sở dữ
liệu tập trung hoặc nhiều người dùng.
 Locator services: được sử dụng để mã hóa địa lý địa danh, địa chỉ và thông tin
địa điểm khác.
Dịch vụ web GIS có một số đặc điểm quan trọng có ảnh hưởng đến cách sử dụng,
nhưng đặc điểm quan trọng nhất có lẽ là tham chiếu không gian. Có nghĩa là ta có thể
gộp nhiều dịch vụ GIS từ các server khác nhau trên nền web.
Có 3 loại web map server phổ biến nhất đó là MapServer (version 7.0.0),
GeoServer (version 2.7.x), và ArcGIS Server (10.x) trong đó có MapServer và
GeoServer là mã nguồn mở và ArcGIS là độc quyền. Các web map server này được sử
dụng phổ biến và hoạt động trên hầu hết các hệ điều hành phổ biến hiện nay, hỗ trợ
nhiều kiểu định dạng vector.
2.1.2. Một số máy chủ bản đồ phổ biến
2.1.2.1. GeoServer
 GeoServer là một máy chủ mã nguồn mở được viết bằng ngôn ngữ Java, cho
phép người sử dụng chia sẻ, biên tập dữ liệu không gian. Được thiết kế cho các
nhiệm vụ tương tác, GeoServer có thể xuất bản dữ liệu từ nhiều nguồn dữ liệu
không gian sử dụng các tiêu chuẩn mở.
 Là dự án dựa vào sự đóng góp của cộng đồng, GeoServer được phát triển, kiểm

thử và hỗ trợ bởi một nhóm đang dạng từ các cá nhân cho đến tổ chức trên toàn
thế giới. GeoServer áp dụng nhiều tiêu chuẩn của Open Geospatial Consortium
(OGC) như Web Feature Service (WFS) và Web Coverage Service (WCS).
GeoServer là phần khung cốt lõi của một hệ thống thông tin địa lý.
Tính năng của GeoServer

a.

GeoServer là một map server mạnh mẽ phục vụ chia sẻ, phân tích, biên tập dữ liệu
từ các nguồn dữ liệu không gian, sử dụng các chuẩn mở OGC. Các dịch vụ có thể được
tích hợp với các ứng dụng doanh nghiệp để tạo các ứng dụng bản đồ, tích hợp các bản
đồ vào các ứng dụng GIS trên nền web, mobile, hay desktop.
Các đặc trưng của GeoServer:
-

Hỗ trợ nhiều định dạng dữ liệu bao gồm: ArcSDE, Oracle Spatial, DB2,
Microsoft SQL Server, Shapefile, GeoTIFF …
Hỗ trợ xuất dữ liệu ra nhiều định dạng như Esri Shapefiles, KML, GML,
GeoJSON, PNG, JPEG, TIFF, SVG, PDF, GeoRSS
Có đầy đủ các tính năng của một giao diện quản lý web và REST API dễ dàng
cấu hình.
GeoServer được viết bằng ngôn ngữ Java nên nó làm việc cùng với các web
server Jetty, Tomcat, Jboss…
19


b.

Kiến trúc của GeoServer

GeoServer đóng gói các tập tin bản đồ trong mã nguồn và cung cấp các biến thông
qua một công thức web đơn giản. GeoServer sử dụng một máy chủ Java, các gói của nó
cũng là các servlet độc lập sử dụng trên các ứng dụng servlet container có sẵn như
Apache Tomcat hay Jetty.
Vector data
Shapefile, GML2, GML3,
GeoRSS, GeoJSON, CSV/
XLS

Vector files
- Shapefile
DBMS
WFS 1.0
WFS 1.1
WFS 2.0

PostGIS, Oracle,
Microsoft SQL
Server...

WMS 1.1.1
WMS 1.3

Styled maps
PNG, GIF, JPEG, TIFF,
GeoTIFF, SVG, PDF, KML/
KMZ

WCS 1.0
WCS 1.1

WCS 2.0

Servers
WFS, ArcSDE

GeoServer

Raster Data
KML

Raster Data

GeoTIFF, ArcGrid,
GTopo30, Img+world

GeoTIFF, ArcGrid,
ECW,GTOPO30,
NIRF,WorldImage,
JPEG2000

Google
KML superoverlayer,
Goolge Maps tiles

Hình 4: Kiến trúc của GeoServer
Đầu vào của dữ liệu:





Shapefile
Dữ liệu từ các hệ quản trị cơ sở dữ liệu: Postgres, Oracle, SQL Server,
Dữ liệu Raster: GeoTiff, JPEG…
Các dịch vụ bản đồ

Đầu ra của GeoServer là các dịch vụ WFS theo chuẩn REST, cung cấp các định
dạng dữ liệu như JSON, XML, CSV, KML, GML…
2.1.2.2. MapServer
MapServer là máy chủ mã nguồn mở, chuyên dùng để tạo dữ liệu địa lý, nó được
xây dựng bằng ngôn ngữ C. Ngoài việc trình diễn dữ liệu GIS, MapServer cũng cho
phép bạn tạo dựng bản đồ ảnh địa lý để người dùng có thể truy cập trực tiếp.
MapServer khởi đầu được phát triển bởi đại học Minnesota, trong dự án ForNet
hợp tác với NASA và sở tài nguyên thiên nhiên Minnesota. Sau đó nó nằm trong dự án
20


TerraSIP, một dự án được hổ trợ bởi NASA. Hiện tại, MapServer là một dự án của
OSGeo, và được phát triển bởi 1 nhóm khoảng 20 người đến từ khắp nơi trên thế giới.
a.

Tính năng của MapServer
MapServer cho phép xuất ra các bản đồ chi tiết:















Tỉ lệ bản đồ phụ thuộc vào việc vẽ và thực hiện ứng dụng
Cho phép ghi các nhãn
Có khả năng tùy biến đầy đủ, có các template cho đầu ra
Hỗ trợ font chữ TrueType
Tự động tạo các thành phần của bản đồ (tỉ lệ, bản đồ tham khảo, chú thích).
Lập bản đồ chuyên đề sử dụng các công thức logic hoặc biểu thức chính
quy.
Hỗ trợ các các ngôn ngữ script và môi trường phát triển phổ biến (PHP,
Perl, Python, Ruby, Java, và C#).
Hỗ trợ đa nền tảng (Linux, Windows, Mac OS X, Solaris …).
Hỗ trợ nhiều dạng raster và vector.
o TIFF/ Geo TIFF, EPPL7 và nhiều định dạng khác thông qua GDAL.
o ESRI shapefiles, PostGis, ESRI ArcSDE, Oracle Spatial, My SQL…
thông qua ORG.
Hỗ trợ một số chuẩn Open GeoSpatial Consortium (OGC): WMS
(client/server), WFS (client/server), WMC, WCS, Filter Encoding, SLD,
GML, SOS.
Hỗ trợ phép chiếu bản đồ: hỗ trợ hơn 1000 hệ chiếu thông qua thư viện
proj.4

21

b.

Kiến trúc của MapServer
WMS

Vecter Data

WFS

Tiles

Raster Data
Data Stores

Web Services

Mapfile configuration
MapServer CGI Application

MapScript Application

Apache/IIS

SWF
SVG
PDF

SWF
HTML +
Image

Image

SVG
PDF

Hình 5: Kiến trúc của MapServer
Một ứng dụng MapServer đơn giản gồm:
 Map File: Một tập tin cấu hình có cấu trúc cho ứng dụng MapServer. Nó xác định
các khu vực bản đồ, nơi hiển thị dữ liệu và đâu là đầu ra của ảnh. Nó cũng định
nghĩa các layer của bản đồ, nguồn dữ liệu, phép chiếu và các biểu tượng. Nó phải
có phần mở rộng là .map, nếu không MapServer sẽ không thể nhận diện được.
 Dữ liệu địa lý: MapServer có thể sử dụng nhiều loại nguồn dữ liệu địa lý, định
dạng mặc định là ESRI Shape format. Có nhiều kiểu định dạng khác được hỗ trợ
như Vector, Raster, Projections…
 Các trang HTML: đây là giao diện giữa người dùng và MapServer. Bao gồm một
bản đồ, có thể tương tác với các đối tượng trên bản đồ.
 MapServer CGI: Các tập tin nhị phân hoặc tập tin thực thi nhận các yêu cầu và
trả về các ảnh, dữ liệu…
 Web/HTTP Server: Máy chủ chứa các trang HTML để người dùng truy cập. Ta
cần phải cài đặt một Web (HTTP) server như Apache, IIS (Microsoft Internet
Information Server) trên máy chủ cài đặt MapServer.
2.1.2.3. ArcGIS Server
Arcgis là một máy chủ GIS cung cấp các dịch vụ và ứng dụng Web GIS nâng cao.
Nó có khả năng quản lý dữ liệu địa lý ở quy mô lớn. Các ứng dụng GIS được quản lý
22


tập trung, hỗ trợ đa người dùng, tích hợp nhiều chức năng liên quan đến biên tập, xử lý
bản đồ rất mạnh và được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn công nghiệp.

a.

Tính năng của ArcgisServer
 Bộ công cụ trong ArcgisServer cho phép tạo mới, chia sẻ, và quản lý dữ liệu địa
lý, bản đồ, các mô hình phân tích sử dụng các ứng dụng trên desktop và server.
ArcgisServer giúp triển khai các ứng dụng GIS trên các nền tảng khác nhau từ
desktop cho đến nền web và mobile.
 ArcGIS Server và các extention của nó có thể thực hiện đầy đủ các chức năng
liên quan đến dữ liệu không gian. Nó cho phép tạo và quản lý các dịch vụ web,
phân tích GIS, biên tập web, phân tích mạng, phân tích cơ sở dữ liệu và quản lý
dữ liệu địa lý.
 Arcgis Server hỗ trợ xây dựng các ứng dụng GIS thời gian thực. Nó kết nối đến
bất kì nguồn dữ liệu nào, thông qua cơ chế streaming. Có thể tự động cảnh báo
khi có điều kiên quy định nào đó xảy ra. ArcGIS for Server (với ArcGIS
GeoEvent Extension cho Server) sẽ khởi động các kết nối đến các thiết bị như
sensor, GPS, hay mobile. Thông qua đó, có thể xử lý và lọc dữ liệu thời gian
thực. Giúp cho việc theo dõi tài sản, cập nhật và gửi dữ liệu bản đồ thông qua
email, văn bản, hay tin nhắn tức thời.
 Arcgis Server làm việc với dữ liệu không gian trong các hệ cơ sở dữ liệu như:
o BM DB2 và IBM Informix Dynamic Server
o Microsoft SQL Server, Microsoft SQL Server Express, và Microsoft SQL
Azure
o Netezza
o Oracle
o PostgreSQL
 Arcgis Server cũng có một geodatabase dùng để lưu trữ dữ liệu chung và quản lý
framework cho Arcgis.
 Hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau để phát triển các ứng dụng và dịch vụ
web như Java hay .NET. Lập trình viên cũng có thể sử dụng COM, .NET, Java
hay C++ để xây dựng các ứng dụng desktop client. Điều này giúp việc xây dựng

hệ thống đơn giản hơn, lập trình viên chỉ cần biết một ngôn ngữ.
 Hỗ trợ đa nền tảng: Windows, Sun Solaris và Red Hat Linux…

Arcgis Server có thể triển khai theo nhiều kiểu: triển khai tại chỗ, triển khai trên
máy chủ đám mây, máy chủ ảo. Có thể sử dụng Arcgis Online để triển khai hoặc sử
dụng Arcgis Server độc lập.

23