Khả năng ứng dụng của công cụ Web Gis mã mở và KVWMAP trong xây dựng hệ thống thông tin Môi trường

Khả năng ứng dụng của công cụ Web GIS mã mở và KVWMAP trong xây dựng hệ thống thông tin môi trường

(Lấy ví dụ ở Thành phố Hồ Chí Minh và Đồng bằng sông Cửu Long)

Vũ Văn Mạnh¹, Peter Korduan², Stefan Rahn²,

Nguyễn Lê Nghĩa¹, Nguyễn Quốc Khánh³, Phạm Hà Anh⁴

¹ Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên – ĐHQG Hà Nội

² Đại học tổng hợp Rostock, CHLB Đức

³ Viện Khoa học Địa chất & Khoáng sản

⁴ Trung tâm Viễn thám Quốc gia

TÓM TẮT

Bài báo xem xét và thảo luận xu hướng phát triển của công nghệ web GIS, qua đó giới thiệu phương pháp tiếp cận với chương trình web GIS mã nguồn mở Kvwmap để xây dựng một số hệ thống thông tin môi trường trong nước. Bài báo trình bày một số kết quả đã đạt được trong việc ứng dụng công nghệ này cho việc xây dựng và quản lý hệ thống thông tin môi trường tại Tp. Hồ Chí Minh và Đồng bằng sông Cửu Long với các chức năng GIS cơ bản, biên tập, truy vấn, số hóa trực tuyến, nhập, xuất dữ liệu và một số chức năng nâng cao như phân tích không gian trực tuyến, theo dõi phương tiện và thiết bị quan trắc di động kết hợp với hệ thống định vị toàn cầu GPS.

Kết quả nghiên cứu đã chứng minh được tính ưu việt  của công cụ web GIS mã nguồn mở Kvwmap, giải thích được lý do tại sao công cụ này đã và đang được ứng dụng rộng rãi tại Châu Âu. Việc sử dụng chương trình kvwmap web GIS mã mở vào Việt Nam không chỉ đem lại ngay hiệu quả trong giai đoạn hiện nay mà còn giúp chúng ta tiếp cận với công nghệ mới hiện đang được phát triển và ứng dụng trên thế giới.

Từ khóa:  Internet GIS, Kvwmap, Web GIS, Hệ thống thông tin môi trường (EIS)

ABSTRACT

This paper reviews and discusses the current development of Internet-GIS as well as its future, suggested Kvwmap for the development of an Environmental Information System in Vietnam. The paper presents the results of applying this technology for the development and management of environmental information system in Hochiminh city and Mekong delta with some basis GIS functions, edit, query, digitize, import/export and  some advaced functions as online spatial analyse, realtime monitoring of mobile devices with GPS.

The results have proved the advantages of Kvwmap, an open source web GIS application, and let us know why it has been widely used in Europe. The application of Kvwmap in Vietnam is not only bring the high economical efficiency but also help us with updated cloud technology which has been developed and applied in the world.

Keywords: Internet GIS, Kvwmap, Web GIS, Environmental Information System (EIS)

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Hệ thống thông tin môi trường (EIS) là việc mở rộng hệ thống thông tin địa lý (GIS) nhằm phục vụ cho việc thu, lưu giữ, xử lý và chia sẻ dữ liệu không gian, thời gian và những nội dung liên quan tới việc mô tả hiện trạng môi trường, đặc biệt là việc nhấn mạnh tới những áp lực và tác động môi trường. Mối quan hệ chặt chẽ của EIS với các hoạt động của cộng đồng tạo ra cơ sở dữ liệu môi trường toàn cầu và khu vực.

EIS bao trùm hầu hết các lĩnh vực môi trường từ quan trắc chất lượng nước, chất thải nguy hại, v.v… đến việc kết nối, xử lý, và trình bày các nguồn dữ liệu khác nhau. Việc hỗ trợ ra quyết định cũng như việc phân tích nhân quả cũng được EIS đề cập tới

Hiện nay có rất nhiều giải pháp kỹ thuật có khả năng cung cấp dữ liệu không gian về tài nguyên và các vấn đề môi trường qua internet [3] để xây dựng nên một hệ thống thông tin môi trường với những yêu cầu trên, nhưng một vấn đề chung thường gặp phải tại các nước đang phát triển như Việt Nam là sự chia sẻ dữ liệu.

Ở nước ta hiện nay, dữ liệu tài nguyên, môi trường vẫn đang chủ yếu ở dạng đóng gói, chưa có được một cơ sở dữ liệu thống nhất cũng như các phương thức hỗ trợ trực tuyến, chia sẻ thông tin.

Các dữ liệu không gian môi trường hiện nay ở nước ta thường ở các định dạng GIS thông thường như shape, tab, Geo TIFF và có thể mở bằng các chương trình GIS thông dụng như Arc GIS, Mapinfo, v.v. Trong thực tế, dữ liệu cần phải có khả năng phục vụ việc phân tích bằng nhiều chương trình khác nhau. Người sử dụng cũng có nhu cầu tiếp cận với dữ liệu qua Internet và do đó web GIS chính là một giải pháp thích hợp nhất đáp ứng được các yêu cầu trên.

Chính vì những nguyên nhân trên, chúng tôi đã thực hiện nghiên cứu giải pháp sử dụng công nghệ web GIS mã nguồn mở nhằm xây dựng hệ thống thông tin môi trường cho Tp. Hồ Chí Minh và đồng bằng sông Cửu Long nhằm trợ giúp các nhà quản lý quy hoạch trong việc đưa ra các quyết định kịp thời, cập nhật dữ liệu trực tuyến và cung cấp thông tin môi trường cho cộng đồng.

II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trên thế giới hiện nay có rất nhiều các giải pháp xây dựng web GIS khác nhau nhưng chủ yếu được chia thành 2 nhóm phát triển chính:

Các chương trình mã nguồn đóng: là các chương trình thương mại, cung cấp dưới dạng gói chương trình có bản quyền (như Arcgis Server, MapInfo MapXtreme Java Edition,…) và được phân phối bởi các công ty phần mềm. Những chương trình này có giá thành cao và phạm vi ứng dụng bị hạn chế do không thể can thiệp vào mã nguồn để thay đổi.

- Các chương trình mã nguồn mở: là các chương trình miễn phí, cung cấp dưới dạng mã nguồn (như kvwmap, ka map,…),  người dùng có thể truy cập vào mã nguồn để hiệu chỉnh và phát triển chương trình theo mục đích sử dụng. Các chương trình này được sự hỗ trợ rất lớn của cộng đồng mã mở và có khả năng tích hợp tốt với những công nghệ mới như điện toán đám mây.

Qua so sánh trên ta có thể thấy đối với một nước đang phát triển như Việt Nam thì việc sử dụng các chương trình mã mở sẽ mang lại hiệu quả cao hơn việc sử dụng công nghệ mã đóng.

Vì thế chúng tôi khuyến nghị sử dụng công nghệ dựa trên nền tảng UMN-MapServer.

Khoa Môi trường, trường Đại học tổng hợp Rostock, CHLB Đức (đã có rất nhiều năm kinh nghiệm trong việc phát triển các giải pháp cung cấp dữ liệu không gian môi trường qua internet) và Khoa môi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội đã cùng phát triển chương trình web GIS mã mở Kvwmap, chương trình đã và đang được sử dụng rộng rãi ở CHLB Đức, các nước Bắc Âu quanh khu vực biển Baltic và một số nước châu Âu khác.

Chương trình được xây dựng theo mô hình Client/Server để phát triển phiên bản chạy trên môi trường mạng, thông qua công nghệ web GIS với các chương trình hỗ trợ mã nguồn mở như UMN-MapServer, MySQL, PostgreSQL, Kvwmap, PDF Class, Image Magick…

Các công nghệ được sử dụng để thực hiện việc nối kết Internet – GIS là: CGI, API, ASP, JSP và Java Servlet. [1]

Khái quát một số chương trình chính được sử dụng trong xây dựng chương trình:

MapServer

UMN-MapServer là chương trình mã nguồn mở (do đại học Minnesota phát triển có khả năng chạy trên tất cả các hệ điều hành hiện nay như Windows, Linux, Mac OS X,…) cho phép tạo các bản đồ động và trình bày dữ liệu không gian trên nền Web. MapServer có các đặc điểm sau:

-   Hỗ trợ định dạng dữ liệu raster và vector: TIFF/GeoTIFF, GIF, PNG, ERDAS, JPEG và EPPL7, ESRI shapefile, PostGIS, ESRI ArcSDE, Oracle Spatial …

-   Hỗ trợ các dịch vụ web GIS theo chuẩn OGC

-   Hỗ trợ các ngôn ngữ phổ biến và môi trường phát triển như .NET, PHP, Perl, Python, Java, và Ruby

-   Hỗ trợ hơn 1000 lưới chiếu khác nhau.

UMN-MapServer có thể hoạt động ở 2 chế độ CGI  và API. Ở chế độ CGI, các chức năng của nó trong môi trường WebServer là CGI MapScript. Đây là cách thức dễ dàng để khởi tạo và phát triển một ứng dụng. Ở chế độ API, có thể truy cập MapServer bằng ASP, PHP, Perl hoặc Python; chế độ này cho phép xây dựng các ứng dụng uyển chuyển, giàu các chức năng và thể truy cập các cơ sở dữ liệu khác.

Kvwmap

Chương trình Kvwmap là một ứng dụng web GIS mã nguồn mở được phát triển dựa trên nền UMN MapServer, được viết bằng PHP và Java Script  với các cơ sở dữ liệu được xây dựng và quản lý bằng MySQL và PostgreSQL. Kvwmap có khả năng cung cấp cho người sử dụng các thông tin và bản đồ chuyên đề cũng như kết nối với cơ sở dữ liệu chứa thông tin người dùng thiết lập và dữ liệu không gian.

Do sử dụng UMN-MapServer nên kvwmap có khả năng xử lý được tất cả các định dạng dữ liệu GIS được GDAL/OGR hỗ trợ.

Ngoài ra, Kvwmap còn có thể làm việc được với dữ liệu metadata tương thích với chuẩn ISO 19119:2005. Vì thế các lớp thông tin của Kvwmap được đưa ra ở các dạng theo chuẩn OGC như WMS, WFS,…

Người sử dụng có thể truy nhập vào mã nguồn của chương trình để thay đổi giao diện nguyên bản của chương trình, thiết lập nội dung cũng như xây dựng thêm các ứng dụng GIS mới tạo thêm bảng lưu trữ dữ liệu thuộc tính, dữ liệu không gian trong các hệ quản trị CSDL phục vụ cho các ứng dụng đó.[5]

Hình 1. Mô hình tương tác tổng quát của các thành phần trong chương trình Kvwmap [2]

MySQL

MySQL là hệ quản trị CSDL mã nguồn mở phổ biến nhất thế giới và được các nhà phát triển rất ưa chuộng. Vai trò của chương trình trong kvwmap là lưu trữ CSDL người dùng, thiết lập cấu hình bản đồ và lưu các phiên truy cập.

PostgreSQL

PostgreSQL là một CSDL mã mở với những khả năng mạnh về điều khiển đa nhiệm, hệ thống phục hồi dữ liệu, không gian bảng dữ liệu, tái tạo không đồng bộ, giao dịch lồng nhau, hỗ trợ các đối tượng lưu trữ dạng nhị phân…Chương trình được sử dụng để lưu trữ và xử lý CSDL không gian. Những dữ liệu vector được lưu giữ trong cơ sở dữ liệu PostgreSQL với phần mở rộng không gian là PostGIS có thể biên tập được qua của sổ Biên tập thông tin của chương trình Kvwmap.

Các tác giả đã thu thập các tài liệu liên quan, tìm hiểu cách thức vận hành của hệ thống và đã thực hiện thay đổi mã nguồn, xây dựng giao diện phù hợp, phân quyền đối tượng sử dụng và Việt hóa một phần chương trình để có thể ứng dụng vào các địa phương ở Việt Nam.

Bản đồ số về điều kiện tự nhiên, xã hội và tài nguyên môi trường của các khu vực nghiên cứu được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau, được tổng hợp và chọn lọc, sửa đổi, bổ sung, chuyển đổi định dạng cho phù hợp với mục đích nghiên cứu.

III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương trình có thể vận hành tốt trên các hệ điều hành như Windows, Linux, Mac OS với những trình duyệt thông thường như Firefox, Google Chrome và Internet Explore. [4]

Chương trình có khả năng lưu trữ, thể hiện các dữ liệu GIS dưới dạng bản đồ động và tương tác trực tuyến với người sử dụng.

Hình 2: Màn hình đăng nhập

Các dữ liệu được quản lý trong chương trình bao gồm: các dữ liệu phi không gian (người dùng, thông tin tình hình ngập lụt, chất lượng môi trường, v.v.) và dữ liệu không gian (các bản đồ). Tất cả các lớp bản đồ được chuyển về dạng Shapefile và được upload thông qua giao diện chương trình, biên tập thuộc tính, chỉnh sửa và gắn nhãn trực tiếp trên trình duyệt web. [6].

Hệ thống thông tin môi trường của đồng bằng sông Cửu Long và Tp. Hồ Chí Minh được chia thành một số nhóm lớp thông tin chính như: hành chính, địa hình, địa chất – thủy văn, mô hình số độ cao, sử dụng đất và ảnh viễn thám,… trong mỗi nhóm lại bao gồm nhiều lớp thông tin cụ thể.

Hình 3: Giao diện chính

Các dữ liệu được quản lý trong chương trình bao gồm: các dữ liệu phi không gian (người dùng, thông tin tình hình ngập lụt, chất lượng môi trường, v.v.) và dữ liệu không gian (các bản đồ). Tất cả các lớp bản đồ được chuyển về dạng Shapefile và được upload thông qua giao diện chương trình, biên tập thuộc tính, chỉnh sửa và gắn nhãn trực tiếp trên trình duyệt web. [6].

Hệ thống thông tin môi trường của đồng bằng sông Cửu Long và Tp. Hồ Chí Minh được chia thành một số nhóm lớp thông tin chính như: hành chính, địa hình, địa chất – thủy văn, mô hình số độ cao, sử dụng đất và ảnh viễn thám,… trong mỗi nhóm lại bao gồm nhiều lớp thông tin cụ thể.

Hình 4: Phân quyền cho đối tượng sử dụng

Hình 5: Giao diện của người dùng cấp 3

Người dùng cấp 2 ngoài các quyền trên có khả năng upload thông tin chuyên ngành lên cơ sở dữ liệu trực tuyến và xuất thông tin dưới các dạng shapefile, metafile, v.v.;

Hình 6: Giao diện của người dùng cấp 2

Người dùng cấp 1 đóng vai trò quản lý, điều hành hoạt động chương trình, duy trì, cập nhật hệ thống, quản lý các tác vụ, tạo và phân quyền cho các nhóm người dùng.

Hình 7: Giao diện của người dùng cấp 1

Tất cả những thiết lập cho bản đồ và người sử dụng được lưu trong cơ sở dữ liệu đều có thể thay đổi trực tiếp qua internet. Một số chức năng hay được sử dụng như thêm người dùng, thêm lớp thông tin, sao chép tác vụ, tạo menu mới, thay đổi thuộc tính, v.v. được tích hợp ngay trong giao diện đồ họa của người sử dụng (GUI). Một số chức năng khác có thể tiến hành thao tác trực tiếp trong cơ sở dữ liệu.

Hình 8: Các lớp thông tin không gian trong cơ sở dữ liệu PostgreSQL

Ngoài ra, nhằm mang lại hiệu quả cao hơn khi sử dụng ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu đã truy cập vào mã nguồn của chương trình, xây dựng tính năng hỗ trợ đã ngôn ngữ. Hiện tại chương trình cơ bản đã được Việt hóa đến 90%.

Điểm đặc biệt là chương trình hỗ trợ hiển thị cùng lúc 3 ngôn ngữ: Tiếng Đức, Tiếng Anh và Tiếng Việt tùy vào lựa chọn của người dùng ngay trong quá trình sử dụng.

Hình 9: Lựa chọn ngôn ngữ hiển thị

Một số chức năng của chương trình:

Chức năng hiển thị: Phóng to, thu nhỏ, hiển thị các lớp bản đồ tùy chọn, di chuyển, in bản đồ…

Hình 10. Thanh công cụ

Chức năng phân tích và thiết kế: không chỉ có khả năng hiển thị dữ liệu, chương trình còn cho phép biên tập dữ liệu. Nó cho phép người sử dụng sửa đổi, thêm, bớt thông tin. Nếu như được người dùng cấp 1 cho phép, người sử dụng có thể lưu lại dữ liệu đang dùng và thêm vào trong cơ sở dữ liệu của họ.

Hình 11. Truy vấn thông tin

Hình 12. Biên tập đối tượng dạng vùng

Chương trình còn cho phép truy vấn thông tin, chỉnh sửa nhãn, phân tích không gian, hiệu chỉnh hình học đối cho các đối tượngkhông gian, nhập-xuất các dạng dữ liệu khác nhau …

Hình 13. Chỉnh sửa và gắn nhãn

Ngoài ra chương trình còn cung cấp rất nhiều các chức năng sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau mà người dùng có thể tìm thấy trong danh mục menu của chương trình hoặc trao đổi thông qua cộng đồng phát triển mã nguồn của chương trình trên các diễn đàn trực tuyến như quan trắc theo thời gian thực kết hợp với định vị toàn cầu GPS, phân tích không gian, phân tích thống kê và số hóa trực tuyến, v.v.

Hình 14. Số hóa

Hình 15. Nhập dữ liệu dạng shape của ESRI

IV. KẾT LUẬN

Trong bài báo này chúng tôi đã xem xét và thảo luận các vấn đề về lý thuyết và kỹ thuật của việc ứng dụng công nghệ web GIS mã nguồn mở Kvwmap trong xây dựng và quản lý hệ thống thông tin môi trường.

Các tác giả đã sử dụng Kvwmap để xây dựng hệ thống thông tin môi trường cho Tp. Hồ Chí Minh và đồng bằng sông Cửu Long.   Chương trình có khả năng tương tác trực tuyến mạnh mẽ và có thể đáp ứng được các yêu cầu lưu trữ, bảo mật, chia sẻ và hiển thị dữ liệu không gian một cách hiệu quả, tốc độ cao. Chương trình góp phần tạo nên một hệ thống cơ sở dữ liệu tài nguyên môi trường theo không gian và thời gian có khả năng chia sẻ và xử lý thông tin trực tuyến. Đảm bảo cung cấp các thông tin cập nhật về hiện trạng và diễn biến môi trường.

Với việc sử dụng công cụ web GIS mã mở này, người sử dụng không phải mua và cài đặt các chương trình GIS trên máy tính mà có thể tiến hành phân tích, tính toán, lưu giữ, chia sẻ thông tin môi trường trực tiếp qua chương trình được xây dựng chỉ với một máy tính có nối mạng Internet và một trình duyệt web bất kỳ.

Ngoài ra, vì là chương trình mã mở nên Kvwmap có được sự hỗ trợ rất lớn của cộng đồng mã mở hiện đang sử dụng chương trình tại CHLB Đức và các nước Bắc Âu. Sau mỗi quý, nhóm phát triển chương trình tập hợp những góp ý và những sửa đổi bổ sung từ phía người sử dụng để cập nhật và nâng cấp chương trình lên các phiên bản mới hơn, nhằm đáp ứng tốt hơn yêu cầu của người sử dụng. Vì thế, nếu được áp dụng rộng rãi tại Việt Nam thì chương trình Kvwmap nói riêng và các chương trình mã mở nói chung sẽ phát huy được hết khả năng của chúng nhờ chính các đóng góp của chính cộng đồng sử dụng, từ đó chương trình sẽ được cập nhật tốt hơn và quay ngược lại phục vụ cho người sử dụng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Bill, Ralff (2007), GIS – Theory and Applications, Textbook for the DAAD Summer School, Hanoi, Vietnam, 17^th September to 5^th October 2007, Part F, pp.149 – 176.

2. Bill, Ralff; Korduan, Peter; Rahn, Stefan (2008), Kvwmap – GIS development for communities and district councils, Transfer, The Steinbeis magazine, Germany, pp.10 – 11.

3. Korduan, P. Zehner, M.L. (2008): Geoinformation im Internet. Wichman Verlag Heidelberg 2008.

4. Korduan, Peter, Vu, Van Manh and Pham, Ha Anh (2008), Developing Internet-GIS for environmental management in Mekong Delta (Vietnam). 22nd International Conference on Informatics for Environmental Protection: “International Symposium on Environmental Informatics and Industrial Ecology”, Leuphana University of Lüneburg, p.158-167, ISBN 978-3-8322-7313-2, ISSN 1616-0886, Shaker Verlag, Germany.

5. Kvwmap – Dokumentation (2010), Internet: http://kvwmap.geoinformatik.uni-rosrock.de, last access: 2010-04-22.

6. Vũ Văn Mạnh, Nguyễn Lê Nghĩa (2010), Xây dựng chương trình quản lý dữ liệu GIS trực tuyến giúp phòng chống và cảnh báo ngập lụt (lấy ví dụ ở Thành phố Hồ Chí Minh), Tạp chí Khoa học: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, ISSN 0866-8612, Hà Nội, p.816-822.

Nguồn: Trung tâm môi trường công nghiệp