Tài liệu Xây dựng hệ thống Web trực quan hóa, hỗ trợ quản lý và phân tích ảnh viễn thám dựa trên nền tảng mã nguồn mở

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM HỮU BẰNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEB TRỰC QUAN HÓA, HỖ TRỢ QUẢN LÝ VÀ PHÂN TÍCH ẢNH VIỄN THÁM DỰA TRÊN NỀN TẢNG MÃ NGUỒN MỞ LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI - 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM HỮU BẰNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEB TRỰC QUAN HÓA, HỖ TRỢ QUẢN LÝ VÀ PHÂN TÍCH ẢNH VIỄN THÁM DỰA TRÊN NỀN TẢNG MÃ NGUỒN MỞ Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Công nghệ phần mềm Mã số: 60.48.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THỊ NHẬT THANH TS. BÙI QUANG HƯNG HÀ NỘI - 2013 1 MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................. 1 BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................... 6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................... 8 LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 9 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ẢNH VIỄN THÁM, GIS, WEBGIS VÀ SOL KHÍ QUYỂN ....................................................................................................... 13 1.1.Khái niệm chung về ảnh viễn thám ............................................................... 13 1.1.1.Lịch sử ra đời ...................................................................................................13 1.1.2.Định nghĩa ........................................................................................................14 1.1.3.Nguyên lý cơ bản của viễn thám ......................................................................14 1.1.4.Đặc trưng của ảnh viễn thám ...........................................................................15 1.1.5.Các loại ảnh viễn thám phổ biến ......................................................................17 1.1.6.Xử lý, giải đoán ảnh viễn thám ........................................................................20 1.2.Khái niệm chung về GIS ............................................................................... 22 1.2.1.Lịch sử ra đời ...................................................................................................22 1.2.2.Định nghĩa ........................................................................................................22 1.2.3.Các thành phần của GIS ...................................................................................23 1.2.4.Bản đồ địa lý GIS ............................................................................................. 24 1.2.5.Cấu trúc cơ sở dữ liệu của GIS ........................................................................28 1.2.6.Một số tính năng chính của GIS.......................................................................30 1.3.Tổng quan về WebGIS .................................................................................. 33 1.3.1.Định nghĩa ........................................................................................................33 1.3.2.Kiến trúc chung của WebGIS ..........................................................................34 2 1.3.3.Các mô hình triển khai WebGIS ......................................................................35 1.3.4.Các thành phần trong hệ thống WebGIS ......................................................... 37 1.4.Khái niệm chung về sol khí quyển ................................................................ 40 1.4.1.Định nghĩa ........................................................................................................40 1.4.2.Nguồn gốc hình thành sol khí ..........................................................................40 1.4.3.Ảnh hưởng sol khí tới khí hậu trái đất ............................................................. 41 1.4.4.Độ sâu sol khí (AOT) và liên hệ với ô nhiễm không khí .................................41 1.4.5.Giới thiệu một số hệ thống trên thế giới cung cấp thông tin về ảnh viễn thám để nghiên cứu ...................................................................................................42 1.4.6.Xây dựng định hướng, mục tiêu bài toán nghiên cứu về AOT ........................ 46 1.5.Kết luận ......................................................................................................... 47 Chương 2.CÁC KỸ THUẬT, CÔNG NGHỆ ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEBGIS ........................................................................... 48 2.1.Công nghệ bản đồ số trực tuyến Google Map .............................................. 48 2.1.1.Một số tính năng của Google Map API ........................................................... 48 2.1.2.Một số biểu đồ Google Chart API ...................................................................50 2.1.3.Truy vấn dữ liệu từ Google Fusion Table ........................................................ 51 2.2.Xử lý ảnh viễn thám khí tượng MODIS ....................................................... 52 2.2.1.Thông tin chung về ảnh AOT MODIS............................................................. 52 2.2.2.Download ảnh AOT MOD04 Level 2.............................................................. 53 2.2.3.Tách band AOT ảnh MOD04 L2 định dạng HDF sang GeoTiff .....................54 2.2.4.Chuyển định dạng GeoTiff thành các định dạng khác .....................................57 2.3.Truy vấn cơ sở dữ liệu không gian PostGIS ................................................. 59 2.3.1.Tổ chức và lưu trữ dữ liệu không gian trong PostGIS .....................................59 2.3.2.Lưu đường dẫn các thư mục ảnh viễn thám theo ngày vào PostGIS ...............60 2.3.3.Một số câu lệnh, hàm truy vấn không gian của PostGIS .................................61 2.3.4.Chèn dữ liệu dạng vector shapefile vào PostGIS .............................................62 2.4.Thuật toán lấy dữ liệu AOT từ vùng chọn trên Google Map........................ 63 2.4.1.Chuyển dữ liệu từ dạng (latitude, longtitude) sang dạng (x, y) ....................... 64 3 2.4.2.Thuật toán đọc giá trị AOT từ điểm thuộc đa giác vùng chọn......................... 66 2.4.3.Thuật toán đọc giá trị AOT từ điểm thuộc đoạn thẳng được chọn ..................69 2.5.Kết luận ......................................................................................................... 72 Chương 3.XÂY DỰNG HỆ THỐNG WEBGIS................................................. 73 3.1.Mô tả bài toán ................................................................................................ 73 3.2.Các công nghệ, kỹ thuật được sử dụng để xây dựng hệ thống ..................... 74 3.3.Kiến trúc hệ thống ......................................................................................... 76 3.4.Thiết kế cơ sở dữ liệu .................................................................................... 77 3.5.Phân tích các chức năng của hệ thống .......................................................... 79 3.5.1.Xác định các Actor và Use Case ......................................................................79 3.5.2.Xây dựng biểu đồ Use Case của toàn hệ thống................................................80 3.5.3.Đặc tả danh sách các Use Case ........................................................................81 3.5.3.1. Use case 01: Tạo ảnh GeoTiff từ HDF..................................................81 3.5.3.2. Use case 02: Tạo các ảnh output từ ảnh GeoTiff ..................................82 3.5.3.3. Use case 03: Cập nhật ảnh GeoTiff vào database .................................82 3.5.3.4. Use case 04: Tương tác bản đồ..............................................................83 3.5.3.5. Use case 05: Tìm kiếm ảnh viễn thám ..................................................89 3.5.3.6. Use case 06: Xem và download ảnh viễn thám .....................................90 3.5.3.7. Use case 07: Trực quan hóa ảnh viễn thám ...........................................91 3.5.3.8. Use case 08: Thống kê gía trị AOT .......................................................96 3.5.3.9. Use case 09: Lập biểu đồ dữ liệu AOT: ..............................................100 3.6.Thiết kế một số giao diện của hệ thống ...................................................... 103 3.6.1.Giao diện chính của hệ thống .........................................................................103 3.6.2.Giao diện phần công cụ sử tương tác với Google Map .................................103 3.6.3.Giao diện phần tìm kiếm, trực quan ảnh ........................................................104 3.6.4.Giao diện phần lâp biểu đồ giá trị AOT .........................................................104 3.7.Cấu hình cài đặt, triển khai hệ thống .......................................................... 105 3.7.1.Mô hình triển khai hệ thống ...........................................................................105 3.7.2.Phần mềm .......................................................................................................105 4 3.7.3.Phần cứng .......................................................................................................106 3.8.Kết luận ....................................................................................................... 106 Chương 4. KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG WEBGIS QUA THƯC TẾ ................................................................................................ 107 4.1.Mục đích và cách thực hiện đánh giá chất lượng hệ thống......................... 107 4.2.Báo cáo kết quả khảo sát đánh giá chất lượng hệ thống ............................. 108 4.2.1.Bảng danh sách các tính năng dùng để đánh giá, thử nghiệm .......................108 4.2.2.Danh sách người tham gia đánh giá thử nghiệm hệ thống .............................109 4.2.3.Kết quả đánh giá khảo sát chất lượng hệ thống .............................................109 4.3.Kết luận ....................................................................................................... 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 114 PHỤ LỤC .............................................................................................................. 1 5 BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Tiếng Việt Aerosol Of Thickness Độ trong của khí quyển Geospatial Data Abstraction Thư viện lập trình dữ liệu không gian Library địa lý, viễn thám nguồn mở Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý Website Geographic Hệ thống thông tin địa lý trên nền tảng Information System Web WWW MVC Model-View-Controller Kiến trúc phần mềm MVC 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 KML Keyhole Markup Language 1 dạng XML sử dụng để lưu trữ dữ liệu không gian AOT GDAL GIS WebGIS Ngôn ngữ đánh dấu văn bản cho các WKT MODIS MEEO NASA CSDL Well-Known Text đối tượng hình học cấu trúc vector trên bản đồ Moderate Resolution Imaging Cảm biến chụp ảnh trái đất từ hai vệ Spectroradiomete tinh Terra & Aqua của NASA Meteorological Envinronmental Earth Observation Trung tâm nghiên cứu môi trường và khí tượng tại Ý cung cấp ảnh MODIS 1 km National Aeronautics and Space Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ cung Administration cấp ảnh MODIS 10 km Database System Cơ sở dữ liệu của hệ thống 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Nguyên lý hoạt động của ảnh viễn thám .......................................................15 Hình 1.2. Ảnh viễn thám đa phổ trên các đối tượng khác nhau ....................................17 Hình 1.3. Ảnh viễn thám khí tượng MODIS trong nghiên cứu bão ..............................19 Hình 1.4. Thông tin metadata của ảnh vệ tinh MOD04 L2 ...........................................20 Hình 1.5. Phân lớp ảnh viễn thám theo chỉ số thực vật .................................................21 Hình 1.6. Xây dựng hệ thống GIS với các tính năng cơ bản .........................................24 Hình 1.7. Biểu diễn bề mặt trái đất lên bản đồ phẳng (Keith Clarke, 1995) .................24 Hình 1.8. Biểu diễn tọa độ địa lý của một điểm trên bề mặt trái đất .............................26 Hình 1.9. Lưới chiếu bản đồ Google Map theo kinh độ và vĩ độ ..................................26 Hình 1.10. So sánh sự khác biệt về hình dạng của các hệ quy chiếu ...........................27 Hình 1.11. Chia nhỏ bản đồ thành các mảnh trên Google Map ....................................27 Hình 1.12. Các kiểu dữ liệu vector biểu diễn các đối tượng tự nhiên của GIS .............29 Hình 1.13. Chuyển đổi kiểu đối tượng từ vector sang raster.........................................29 Hình 1.14. Mô hình chồng xếp lớp dữ liệu vector và raster .........................................31 Hình 1.15. Một số mối liên hệ giữa các đối tượng vector trong không gian ...............32 Hình 1.16. Phân lớp ảnh viễn thám Landsat theo từng đối tượng riêng biệt ................33 Hình 1.17. Kiến trúc hoạt động của WebGIS qua mạng Internet ................................35 Hình 1.18. Mô hình triển khai WebGIS trên nền tảng Client – Server .........................36 Hình 1.19. Ứng dụng tra cứu tình trạng lũ lụt nền tảng Google mashup .....................37 Hình 1.20. Mối liên hệ giữa dữ liệu AOT và ô nhiễm PM tại Houston năm 2000 .......42 Hình 1.21. Một số loại ảnh AOT cung cấp của hệ thống Giovanni ..............................43 Hình 1.22. Kết quả ảnh viễn thám MOD04 L2 từ LadsWeb NASA để download .......44 Hình 1.23. Biểu đồ thể hiện sự tăng giảm AOT trong tháng 8 năm 2013.....................44 Hình 1.24. Bản đồ thể hiện sự phân bổ giá trị AOT theo thời gian trên toàn thế giới ..45 Hình 1.25. Lấy giá trị AOT tại một điểm dùng Quantum GIS......................................46 Hình 2.1. Ví dụ thống kê dữ liệu AOT theo từng ảnh viễn thám trên Google Chart ....51 Hình 2.2. Truy vấn dữ liệu vector từ Fusion Table và hiển thị trên Google Map .........51 Hình 2.3. Sự tương quan giữa ảnh AOT MODIS 1 kilomet và 10 kilomet ..................52 Hình 2.4. Download ảnh MODIS 4 Level 2 từ webiste của NASA ..............................53 Hình 2.5. Download ảnh HDF theo tham số tìm kiếm từ NASA ..................................54 Hình 2.6. Đọc danh sách sub dataset từ file HDF và lấy ra tên dataset quan tâm.........55 Hình 2.7. Đọc các điểm mốc tọa độ mặt đất GCP từ file HDF .....................................55 Hình 2.8. Mã nguồn Python tạo ảnh GeoTiff từ ảnh MOD04 L2 HDF ........................56 Hình 2.9. So sánh ảnh GeoTiff chưa lọc phủ mầu đen và ảnh PNG đã lọc và overlay 57 7 Hình 2.10. Ảnh AOT mầu và ảnh AOT heatmap tạo ra từ ảnh GeoTiff .......................58 Hình 2.11 Tách dữ liệu metadata từ GeoTiff để hỗ trợ overlay lên Google Map .........59 Hình 2.12. Mối liên hệ giữa ảnh viễn thám và vùng chọn trên Google Map ................62 Hình 2.13. Bản đồ shapefile Level 0 thể hiện vùng biên giới địa lý giữa các quốc gia 63 Hình 2.14. Ảnh viễn thám dạng tọa độ (x, y) và tọa độ (latitude, longtitude) ..............64 Hình 2.15. Đọc dữ liệu AOT trên Google Map theo công thức quy đổi điểm ảnh .......66 Hình 2.16. Thuật toán Ray Casting xác đỉnh điểm thuộc đa giác .................................67 Hình 2.17. Các trường hợp xét điểm nằm trong hay ngoài đa giác ...............................67 Hình 2.18. Biểu diễn đoạn thẳng AB trong đồ họa máy tính ........................................69 Hình 2.19. Thuật toán MidPoint tìm điểm gần với đường thẳng nhất ..........................70 Hình 3.1. Kiến trúc xây dựmg hệ thống WebGIS nguồn mở ........................................76 Hình 3.2. Sơ đồ Use Case tổng quan hệ thống WebGIS nguồn mở ..............................81 Hình 3.3. Giao diện chính của hệ thống WebGIS .......................................................103 Hình 3.4. Giao diện công cụ tương tác trên bản đồ Google Map ................................103 Hình 3.5. Giao diện phần tìm kiếm, trực quan ảnh .....................................................104 Hình 3.6. Lập biểu đồ giá trị AOT trên đoạn thẳng Polyline theo kilomet .................104 Hình 3.7. Mô hình Client – Server triển khai hệ thống trên localhost ........................105 Hình 4.1. Biểu đồ kết quả khảo sát thể hiện % trả lời đúng đối với mỗi tác vụ ..........110 Hình 4.2. Biểu đồ thể hiện thời gian thực hiện khảo sát từng tác vụ ..........................110 Hình 4.3. Biểu đồ thể hiện nhận xét phản hồi về tính năng của hệ thống ...................111 8 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Tóm tắt sự phát triển của viễn thám theo các sự kiện ...................................13 Bảng 1.2. Thông số về các kênh ảnh của vệ tinh Landsat TM ......................................18 Bảng 1.3. Thông số về các kênh của vệ tinh SPOT ......................................................18 Bảng 1.4. Thông số về các kênh phổ của ảnh MODIS .................................................20 Bảng 1.5. So sánh ưu nhược điểm của kiểu đối tượng dữ liệu vector và raster ............30 Bảng 1.6. Chi tiết một số mối quan hệ giữa các đối tượng trong không gian ...............31 Bảng 2.1. Một số tính năng của Google Map API được sử dụng trong hệ thống .........48 Bảng 3.1. Các công nghệ, kỹ thuật dùng để xây dựng hệ thống WebGIS nguồn mở ...74 Bảng 3.2. Danh sách các bảng trong cơ sở dữ liệu PostGIS .........................................78 Bảng 4.1. Danh sách các tính năng yêu cầu người sử dụng khảo sát, đánh giá ..........108 Bảng 4.2. Danh sách các đối tượng tham gia khảo sát đánh giá hệ thống ..................109 9 LỜI MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề, định hướng nghiên cứu Con người đã có những bước tiến mạnh mẽ trong những thập kỷ 60 của thế kỷ 20 để đưa vệ tinh lên quỹ đạo với mục đích là chinh phục không gian và khai phá tiềm năng rộng lớn từ bề mặt trái đất. Trải qua hơn nửa thế kỷ, con người đã đạt rất nhiều bước tiến đột phá trong việc tìm hiểu về vũ trụ cũng như về trái đất nhờ có những thông tin quý giá từ các tầu vụ trũ, vệ tinh gửi về theo chu kỳ thường xuyên. Các lĩnh vực mà ảnh viễn thám có vai trò chủ chốt là rộng lớn. [1]  Ứng dụng trong quản lý biến đổi môi trường, giám sát biến đổi về nông lâm nghiệp, cháy rừng, ô nhiễm không khí, nguồn nước…  Phân loại các địa hình đất đai, đánh giá độ che phủ, xói mòn đất và rừng, thành lập các bản đồ địa chất, bản đồ phân bổ tài nguyên, thiên nhiên.  Viễn thám trong khí tượng thủy văn: cập nhật tình hình khí hậu theo từng vùng quốc gia, địa phương, hỗ trợ dự báo thời tiết: nắng, mưa, bão và lũ lụt, tác động của các hiện tượng thiên nhiên cực đoan như: bão, núi lửa, cháy rừng,…với môi trường và sức khỏe con người. Tuy nhiên, lĩnh vực khai phá, xử lý ảnh viễn thám thu được từ vệ tinh sẽ gặp rất nhiều khó khăn nếu không 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. Ở đây, rõ ràng ai cũng có thể hiểu sự kết hợp giữa 2 ngành công nghệ viễn thám và GIS có thể đem lại các lợi ích to lớn. Nhưng trong lĩnh vực công nghệ phần mềm, các sản phẩm cho GIS còn rất nhiều hạn chế về sự phổ biến do rào cản chi phí thương mại hoặc các tính năng đặc thù cho từng chuyên ngành như: tài nguyên, môi trường, đất đai,…khiến việc tiếp cận là rất khó khăn. Còn với ảnh viễn thám thì ngay cả khi tìm được 1 nguồn cung cấp ảnh miễn phí, việc thiếu công cụ trực quan, tương tác với ảnh để trích xuất thông tin và khai phá dữ liệu từ ảnh là một vấn đề nan giải. 10 Thực tế, việc học và nghiên cứu hệ thống thông tin địa lý tại các trường Đại học chủ yếu dựa trên các phần mềm thương mại, chạy như một ứng dụng trên hệ điều hành Windows, ví dụ: ArcMap,ArcCatalog,ArcToolbox, MapInfo,…Các phần mềm này dù nhiều tính năng, dễ sử dụng nhưng có nhược điểm lớn là: bản quyền theo từng máy tính và giá bản quyền rất đắt (Phiên bản ArcGIS 10.1 for Desktop Basic giá 1500$). Ngoài ra, có nhiều tính năng cao cấp được đóng gói trong phần mềm nhưng ít được sử dụng cũng là việc lãng phí khi đầu tư mua các phần mềm để học tập, nghiên cứu. Điều này hạn chế rất lớn việc phổ biến việc học và nghiên cứu GIS rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khi mà chủ yếu các cơ quan, ban ngành mới có nhu cầu dùng chuyên nghiệp. Trong khi đó, với sự phát triển lớn mạnh của các phần mềm mã nguồn mở trên nhiều lĩnh vực: xử lý ảnh viễn thám, GIS, database, Web,…là nguồn tài nguyên quý giá để có thể xây dựng nhiều hệ thống WebGIS có khả năng trực quan hóa, tương tác với dữ liệu ảnh vệ tinh và dữ liệu địa lý. Hệ thống sau đó sẽ được triển khai trên mạng Internet, cho phép một số lượng lớn người sử dụng có cơ hội tìm hiểu và nghiên cứu về viễn thám, GIS miễn phí. Chắc chắn để phát triển phần mềm dựa trên các nền tảng này sẽ gặp rất nhiều khó khăn về việc tìm hiểu, tích hợp các công nghệ còn đang được phát triển, nâng cấp nhưng những lợi ích thu được là rất lớn:  Miễn phí hoặc có giới hạn với lượng dùng nhất định (dùng cho thương mại)  Giảm sự phụ thuộc vào nhà cung cấp phần mềm mã nguồn đóng  Không hạn chế quyền sử dụng và thay đổi  Trao đổi, học tập kinh nghiệm, kiến thức từ các cộng đồng phát triển  Hạn chế tình trạng vi phạm bản quyền bất hợp pháp Chính vì vậy, để có thể giải quyết tình trạng bất cập trong việc học và nghiên cứu viễn thám và GIS như trên. Tôi đề xuất xây dựng một hệ thống sử dụng nền tảng mã nguồn mở để giải quyết bài toán “kết hợp công nghệ ảnh viễn thám và GIS, giúp ích xử lý và phân tích dữ liệu từ ảnh viễn thám”. Hệ thống này sẽ giúp ích trong việc phổ cập và tiếp cận các ngành viễn thám, GIS rộng lớn hơn. 2. Mục tiêu của luận văn Trên cơ sở về tính cấp thiết và tính thực tiễn của công nghệ trong việc kết hợp ảnh viễn thám và GIS, tôi đã nghiên cứu và tìm hiểu, chọn ra 1 đề tài hay là 1 giải pháp phần mềm: “xây dựng hệ thống web trực quan hóa, hỗ trợ quản lý và phân tích ảnh viễn thám khí tượng dựa trên nền tảng mã nguồn mở”. Đây là một vấn đề lớn và khó khăn, tôi đã bước đầu tìm hiểu và làm chủ được kiến thức, công nghệ của các lĩnh vực này. Mục đích là vừa nghiên cứu lý thuyết, vừa cài đặt các tính năng vào hệ thống, để sau khi hoàn thành luận văn, có 1 hệ thống đáp ứng được nhu cầu sử dụng. 11 Để đạt được điều đó, tôi kết hợp kiến thức từ ảnh viễn thám khí tượng, hệ thống thông tin địa lý GIS, điều tra, học tập các thông tin từ các hệ thống GIS và phần mềm ảnh viễn thám trong nước và trên thế giới. Bước đầu, nắm được những tính năng cơ bản, thiết yếu và tri thức được áp dụng, để có thể xây dựng các công cụ vừa có thể tương tác ảnh viễn thám, vừa có thể tích hợp cả bản đồ số GIS. Từ đó, khảo sát các yêu cầu của người sử dụng, phân tích, thiết kế, cài đặt và triển khai một hệ thống GIS dựa trên nền tảng Web (WebGIS) và công nghệ mã nguồn mở, miễn phí. Hệ thống sẽ cho phép người sử dụng thông qua giao diện thân thiện và các tiện ích để tìm hiểu về cách tương tác với ảnh viễn thám khí tượng và bản đồ số GIS, dễ dàng mở rộng triển khai cho nhiều đối tượng sử dụng do tính mở về mã nguồn cũng như giấy phép sử dụng của phần mềm. 3. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu của luận văn Đây là một đề tài mang nhiều tính áp dụng công nghệ và nâng cao khả năng lập trình trong lĩnh vực mới, kết hợp nhiều kiến thức của các ngành khác. 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 trên nền tảng mã nguồn mở, bao gồm:  Nghiên cứu về công nghệ viễn thám, xử lý và giải đoán ảnh. Sử dụng ảnh viễn thám của vệ tinh MODIS – NASA (độ phân giải không gian 1 kilomet và 10 kilomet, khai phá dữ liệu AOT từ các loại ảnh này, áp dụng vào bản đồ số Google Map).  Tìm hiểu về hệ thống thông tin địa lý GIS, cơ sở về địa lý, cách xây dựng và tạo bản đồ số.  Tìm hiểu về bộ thư viện GDAL (Geospatial Data Abstraction Library), tích hợp vào ngôn ngữ kịch bản Python để xử lý, trích xuất, chuyển đổi,…ảnh viễn thám theo yêu cầu của hệ thống.  Cơ sở dữ liệu không gian PostgreSQL – PostGIS, truy vấn dựa trên mối liên hệ giữa các đối tượng dạng vector (điểm, đường, đa giác,…)  Tìm hiểu về các công nghệ mã nguồn mở để xây dựng hệ thống WebGIS: bản đồ trực tuyến Google Map API version 3, Google Chart API, Google Visualization API – Fusion Table, ngôn ngữ lập trình kịch bản PHP – framework: CodeIgniter, thư viện Javascript: JQuery - Ajax,…  Trích lọc các tính năng, tiện ích của các hệ thống GIS và xử lý ảnh viễn thám đang phổ biến trong nước và thế giới. Kết hợp với khảo sát yêu cầu của người sử dụng để hình thành bản đặc tả yêu cầu chi tiết các tính năng của hệ thống mang tính thực tế, chính xác và tiện lợi 12  Xây dựng hệ thống WebGIS dựa trên các công nghệ mã nguồn mở, miễn phí, thiết kế giao diện thân thiện, dễ sử dụng, cài đặt các tính năng, tiện ích với người sử dụng quan tâm đến khai thác thông tin từ ảnh viễn thám khí tượng và GIS 4. Nội dung của luận văn Luận văn thực hiện xuyên suốt trong quá trình từ khi hình thành các khái niệm, ý tưởng nghiên cứu, cho đến khi hoàn thành sản phẩm và được người sử dụng kiểm tra, đánh giá. Nội dung chính sẽ bao gồm các phần sau:  Mở đầu: đặt ra vấn đề, mục tiêu và giải pháp cho bài toán kết hợp xử lý ảnh viễn thám và hệ thống thông tin địa lý GIS.  Chương 1: giới thiệu tổng quan - các khái niệm cơ bản về công nghệ viễn thám, hệ thống thông tin địa lý GIS, các công nghệ bản đồ số và công nghệ Web mã nguồn mở. Giới thiệu một số hệ thống cho phép nghiên cứu về GIS và ảnh viễn thám 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 ảnh viễn thám, khí tượng.  Chương 3: 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 (input, output, mô tả các bước)  Chương 4: triển khai, đánh giá và thực nghiệm - cài đặt hệ thống WebGIS, khảo sát các phản hồi từ người sử dụng. Lập các biểu đồ dựa trên các kết quả khảo sát và từ đó đưa ra kết luận về các tính năng của hệ thống, khả năng áp dụng trong thực tế.  Kết luận & định hướng: tổng kết lại những kiến thức đã tích lũy, kinh nghiệm được áp dụng trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Đưa ra được các hướng phát triển trong tương lai. 13 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ẢNH VIỄN THÁM, GIS, WEBGIS VÀ SOL KHÍ QUYỂN 1.1. Khái niệm chung về ảnh viễn thám 1.1.1. Lịch sử ra đời Viễn thám là một ngành nghiên cứu xuất hiện lâu đời từ thế kỷ 19 – năm 1858 bức ảnh đầu tiên chụp từ bề mặt trái đất do Gaspard Felix Tournachon, chụp ở độ cao 80m trên khinh khí cầu vùng Bievre, Pháp. Đến những năm 1960, với sự phát triển vượt bậc của con người trong việc chinh phục vũ trụ, các vệ tinh đã được đưa lên quỹ đạo và lần đầu tiên bức ảnh chụp về trái đất từ vũ trụ, được cung cấp từ tàu Explorer-6 vào năm 1959. Theo [3], ở bảng 1.1 là quá trình hình thành và phát triển của ảnh viễn thám từ giai đoạn khởi đầu sơ khai, đến thời kỳ công nghệ hiện đại: Bảng 1.1. Tóm tắt sự phát triển của viễn thám theo các sự kiện Thời gian (năm) Sự kiện 1800 Phát hiện ra tia hồng ngoại 1839 Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng 1847 Phát hiện dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy 1850-1860 Chụp ảnh từ khinh khí cầu 1873 Xây dựng học thuyết về phổ điện từ 1909 Chụp ảnh từ máy bay 1910-1920 Giải đoán từ không trung 1920-1930 Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không 1930-1940 Phát triển kỹ thuật radar (Đức, Mỹ, Anh) 1940 Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay 1950 Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy 1950-1960 1972 Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1 1970-1980 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số 1980-1990 Mỹ phát triển thế hệmới của vệ tinh Landsat 1986 1990 đến nay 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 dữ liệu ảnh từ vệ tinh, ngành viễn thám còn sử dụng các phương tiện hàng không: máy bay, tầu bay, khinh khí cầu, rada,…để có thể chụp hình ảnh chi 14 tiết, độ phân giải cao tại nhiều khu vực trên thế giới. Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học máy tính, đưa đến việc nâng cao khả năng tính toán, xử lý số liệu ngày một nhanh và chính xác, tạo điều kiện thuận lợi để phát triển ngành khoa học viễn thám. Trong đó, vai trò quan trọng nhất của viễn thám là đo đạc, giải đoán, phân tích dữ liệu từ ảnh thu được để có thể đưa ra các dự đoán, kiểm chứng, cung cấp thông tin kịp thời, chính xác trong nhiều lĩnh vực: hành chính, nông – lâm nghiệp, môi trường, xã hội, quân sự,.. 1.1.2. Định nghĩa Theo [3]: “Viễn thám (Remote sensing) 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 đo đạc. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu." Ở đây, tôi liệt kê một số định nghĩa về viễn thám của các tác giả khác nhau, tuy nhiên tựu chung lại thì viễn thám là một ngành nghiên cứu mà hướng tới “thu nhận thông tin về các đối tượng, hiện tượng từ xa tại các vị trí trên trái đất”.  Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải chạm vào vật đó (Ficher 1976).  Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo từ một khoảng cách cách xa vật không cần tiếp xúc với nó. Năng lượng được đo trong các hệ viễn thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm... (D. A. Land Grete, 1978).  Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng điện từ như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng (Theo Floy Sabin 1987). 1.1.3. Nguyên lý cơ bản của viễn thám Ảnh viễn thám là ảnh được chụp từ không gian ở vị trí địa lý cách xa đối tượng chụp từ vài kilomet đến hàng nghìn kilomet. Vì vậy, để thu được tín hiệu, các thiết bị thu ảnh dựa trên nguyên lý là: thu nhận sự phản xạ hoặc bức xạ từ đối tượng cần chụp ảnh dựa trên năng lượng sóng điện từ. Mỗi đối tượng tùy theo bước sóng (thông thường 0.3µm đến 0.9µm: vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại phản xạ) mà các cảm biến (sensor) trên vệ tinh, máy bay, khinh khí cầu,…có thể tách lọc ra được. 15 Hình 1.1. Nguyên lý hoạt động của ảnh viễn thám Dựa trên nguyên lý này, viễn thám phân chia chia ra 3 loại là:  Theo nguồn tín hiệu: o Viễn thám chủ động (active remote sensing): trên các thiết bị thu tín hiệu có gắn các nguồn sáng và phát tới đối tượng cần chụp, năng lượng sẽ được phản xạ lại các cảm biến và thiết bị có thể thu được hình ảnh của đối tượng. o Viễn thám bị động (passive remote sensing): năng lượng cung cấp do nguồn sáng tự nhiên chủ yếu là mặt trời.  Theo quỹ đạo bay: o Vệ tinh địa tĩnh: có tốc độ góc quay trùng khớp với tốc độ góc quay của trái đất, vị trí gần như đứng yên. o Vệ tinh quỹ đạo: có tốc độ góc quay khác với tốc độ góc quay của trái đất, theo chu kỳ thu dữ liệu từ một vùng địa lý cố định (hàng ngày, hàng tuần,…).  Theo bước sóng: o Dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại: chủ yếu do năng lượng mà mặt trời cung cấp, phản xạ từ đối tượng và thu được ở bộ cảm biến. o Hồng ngoại nhiệt: năng lượng chủ yếu là bức xạ của đối tượng phát ra. o Siêu cao tần: do các rada phát tín hiệu tới các đối tượng và chủ động thu nhận sự phản xạ, tán xạ của các vật thể phản hồi lại. 1.1.4. Đặc trưng của ảnh viễn thám Ảnh thu được từ các vệ tinh và hàng không bao gồm 2 loại ảnh là ảnh tương tự dùng phim và ảnh số (ảnh raster). Ảnh raster này cũng được tạo nên từ ma trận các điểm ảnh theo hàng và cột từ trái qua phải, từ trên xuống dưới với gốc tọa độ là góc 16 trên trái của ảnh. Mỗi pixel của ảnh đại diện cho 1 đơn vị không gian, có dạng hình vuông. Tùy theo các loại ảnh mà sẽ có số pixel khác nhau và độ bao phủ không gian của mỗi pixel là khác nhau. Ảnh viễn thám nói chung có 3 đặc trưng về độ phân giải và từ đó có thể làm cơ sở để chọn loại ảnh nghiên cứu đối tượng phù hợp:  Độ phân giải không gian: là vùng không gian tương ứng với 1 pixel mà cảm biến thu nhận được. Tương tự ảnh số, tùy theo các cảm biến mà ảnh có thể thu nhận độ phân giải không cao gian từ thấp đến cao, càng cao thì càng chi tiết. Ảnh được chia làm 3 loại: độ phân giải cao: 0.6 – 4 mét, độ phân giải trung bình: 4 – 30 mét, độ phân giải thấp: 30 – 1000 mét. Một số vệ tinh có độ phân giải cao như SPOT – 5: 2.5 mét, IKONOS: 1 mét, WorldWiew-2: 0,45 mét,…rất thích hợp để nghiên cứu phát hiện cháy rừng, ô nhiễm, mật độ dân cư, quy hoạch đô thị, giao thông,…  Độ phân giải thời gian: tùy theo quỹ đạo và độ phân giải không gian mà vệ tinh sẽ có chu kỳ lặp lại chụp 1 khu vực địa lý khác nhau (hàng ngày, hàng tuần,…). Ảnh được chia làm 3 loại: độ phân giải cao: < 3 ngày, độ phân giải trung bình: 4 – 16 ngày, độ phân giải thấp: >= 16 ngày. Nhờ có sự lặp lại này mà chúng ta có thể nghiên cứu sự biến động theo thời gian của 1 khu vực, quan sát, giải đoán sự thay đổi của các đối tượng trong khu vực. Tùy theo mục đích nghiên cứu mà chọn loại ảnh có chu kỳ lặp lại nhanh hay chậm, ví dụ: tăng trưởng của cây trồng thì tùy theo giai đoạn sinh trưởng (8 – 16 ngày), cảnh báo cháy rừng (theo dõi hàng ngày nếu có nguy cơ), sự phân bố dân cư (theo dõi biến động qua tổng hợp ảnh theo 1 thời gian dài),…  Độ phân giải phổ: mỗi vệ tinh có khả năng thu nhận ảnh theo các kênh phổ và bề rộng phổ phản xạ từ các đối tượng khác nhau. Tùy theo nhu cầu thu thập thông tin, các cảm biến sẽ thu nhận được sóng điện từ trong một số khoảng – các khoảng này gọi là các band - kênh ảnh (băng phổ). Độ phân giải phổ liên quan đến số lượng và và độ rộng của mỗi băng phổ. Bộ cảm có độ phân giải phổ cao đến rất cao, tức là có nhiều băng phổ với băng thông (bandwith) rất hẹp vì vậy có khả năng thu nhận nhiều đối tượng để nghiên cứu. Theo phổ của ảnh thì có ảnh toàn sắc (chỉ bao gồm một kênh phổ) và ảnh đa phổ ví dụ theo Hình 1.2. (tổng hợp nhiều kênh phổ). Tùy theo số bit trong từng kênh phổ, ví dụ: mỗi kênh lưu trữ 8 bit có 1 giá trị trong khoảng từ 0 - > 255 (0: mầu đen, 255: mầu trắng). Ở đây, ta ví dụ giá trị mỗi kênh phổ là red: 233, green: 50, blue: 133. Tổng hợp 3 kênh phổ red-green-blue này sẽ tạo nên ảnh mầu (đa phổ). Trong tương lai sẽ có các vệ tinh siêu phổ (hyperspectral), thu được nhiều kênh phổ ( > 100 kênh) tăng cường nhận biết được nhiều đối tượng chi tiết so với các loại ảnh có số kênh phổ thấp đã được sử dụng rộng rãi hiện nay (do số băng tần ít và độ rộng của mỗi băng tần là rất lớn, nên nhiều thông tin quan trọng không tách biệt được). 17 Hình 1.2. Ảnh viễn thám đa phổ trên các đối tượng khác nhau1  Kích thước của ảnh viễn thám: phụ thuộc vào độ phân giải không gian và độ phân giải phổ. Ví dụ: một vùng rừng có diện tích 1 km2 thì với cảm biến có độ phân giải không gian là 10m thì sẽ tạo ra ma trận điểm ảnh với tổng số điểm ảnh là 10.000 (1 pixel ảnh ứng với 10m). Còn nếu cảm biến thu nhận được 7 kênh phổ thì mỗi điểm ảnh này lưu 7 giá trị tương ứng với từng kênh mà cảm biến thu được, tổng là 70.000 giá trị điểm ảnh. Như vậy, ảnh có độ phân giải không gian và phân giải phổ càng lớn thì kích cỡ ảnh càng lớn (từ vài Megabyte - MB đến Gigabyte - GB). 1.1.5. Các loại ảnh viễn thám phổ biến Hiện tại, các vệ tinh cung cấp các loại ảnh viễn thám tùy theo nhu cầu sử dụng khác nhau mà sẽ có độ phân giải không gian, thời gian và phổ khác nhau. Trong đó 2 lĩnh vực chủ yếu là nghiên cứu khí tượng (mây, bão, nhiệt độ,…) và phân tích, thống kê đối tượng mặt đất (cháy rừng, giao thông, đất đai, tài nguyên,…). Từ đó, có thể chọn lựa ra các nhà cung cấp ảnh phù hợp với mục đích nghiên cứu, tiết kiệm chi phí.  Vệ tinh Landsat: được phóng lần đầu năm 1972, sau đó lần lượt các vệ tinh được phóng từ năm 1975 – 1999, gần đây nhất là Landsat 8 phóng năm 2013 - vệ tinh mới nhất trong hệ thống Landsat của NASA. Từ Landsat 4 có thêm bộ cảm lập bản đồ chuyên đề TM (Thematic Mapper) và Landsat 7 thì nâng cấp lên thành ETM (Enhanced Thematic Mapper). Landsat TM, ETM có 6 kênh phổ trên giải sóng nhìn thấy với độ phân giải 30 mét / 1 pixel, bao gồm kênh: 1, 2, 3, 4, 5, 7. Kênh thứ 6 trên giải sóng hồng ngoại nhiệt với độ phân giải 120 mét / 1 pixel. Với độ phân giải thời gian là 16 ngày, chi phí thấp, Landsat là một trong những loại ảnh vệ tinh rất quan trọng để nghiên cứu và quan trắc môi trường. 1 Nguồn: Earth Observatory http://earthobservatory.nasa.gov/Experiments/ICE/ice_user_guide.php 18 Bảng 1.2. Thông số về các kênh ảnh của vệ tinh Landsat TM Kênh Bước sóng (µm) Tên phổ TM1 0,45-0,52 Xanh nước biển Nghiên cứu hệ sinh thái ngập nước, phù du, độ sâu của nước TM2 0,52-0,60 Xanh lá cây Nghiên cứu thảm thực vật TM3 0,63-0,69 Đỏ Phân loại thực vật và đất đai TM4 0,76-0,90 Cận hồng ngoại Phân loại nước và đất đai TM5 1,55-1,75 Hồng ngoại trung Nhận biết độ ẩm trong thực vật, đất đai và mây mỏng TM6 10,4-12,5 Hồng ngoại Nghiên cứu nhiệt độ và quá trình hấp nhiệt thu nhiệt của mặt đất, thực vật Hồng ngoại Xác định độ ẩm của đất, thực vật, trung nghiên cứu về mức độ khoáng sản TM7 2,08-2,35 Mục đích sử dụng  Vệ tinh SPOT: là một trong những vệ tinh có độ phân giải cao nhờ hệ thống HRV (High Resolution Visible imaging system) của Pháp khởi đầu từ năm 1986. Các vệ tinh lần lượt được phóng là SPOT-1, SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 và SPOT-5, trong đó SPOT 1, 2, 3 có 2 dạng ảnh: toàn sắc với độ phân giải 10 mét / 1 pixel và ảnh đa phổ với độ phân giải 20 mét / 1 pixel. SPOT – 4 được trang bị thêm thiết bị thu nhận hồng ngoại và SPOT – 5 nâng cao độ phân giải không gian lên mức 5 mét / 1 pixel với kênh toàn sắc, 10 mét / 1 pixel với kênh xanh lá cây, đỏ, cận hồng ngoại. Mỗi ảnh có độ phủ 60 x 60 kilomet, bay qua xích đạo với chu kỳ là 23 ngày. Với khả năng cung cấp ảnh độ phân giải cao, tạo ảnh lập thể,…nên ảnh SPOT được sử dụng rộng rãi trong việc thành lập các bản đồ về khoáng sản, thực vật, sử dụng đất,… Bảng 1.3. Thông số về các kênh của vệ tinh SPOT Loại ảnh SPOT 1 SPOT 2 SPOT 3 SPOT 4 Độ phân giải (mét) Bước sóng (µm) Toàn sắc Xanh lá cây Đỏ Cận hồng ngoại 10 20 20 20 0.50 - 0.73 0.50 - 0.59 0.61 - 0.68 0.78 - 0.89 Kênh phổ đơn Xanh lá cây 10 20 0.61 - 0.68 0.50 - 0.59 Đỏ Cận hồng ngoại 20 20 0.61 - 0.68 0.78 - 0.89 Tên phổ