CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
2.3. Mô hình chồng lớp độ ẩm
2.3.3. Mô hình WebGIS
WebGIS là tích hợp công nghệ GIS trên nền tảng web. Đây là một hệ thống sử dụng GIS hỗ trợ để xây dựng các ứng dụng Web tương tác với dữ liệu địa lý, chia
sẻ thông tin địa lý qua mạng Internet [17]. WebGIS có tiềm năng lớn trong công việc làm cho thông tin địa lý trở nên hữu dụng và sẵn sàng với số lượng lớn người sử dụng trên thế giới. Thành phần của một hệ thống WebGIS bao gồm một máy chủ GIS (phần mềm xử lý: Map server, cơ sở dữ liệu địa lý: Geodatabase) và các máy khách thông qua trình duyệt.
Hình 2. 11. Hoạt động của WebGIS
Map server: là một chương trình cung cấp chức năng vẽ, mô hình hóa, định nghĩa chức năng của các lớp bản đồ từ dữ liệu phù hợp được cung cấp. Một số Map server được sử dụng phổ biến hiện nay là ArcGIS Server, Geoserver, Mapserver [13], …
Map client: là các chương trình sử dụng các dịch vụ bản đồ được cung cấp từ Map server. Các chương trình này có thể hiện thị bản đồ, cung cấp các chức năng của dịch vụ bản đồ cho người sử dụng như: tìm kiếm, tra cứu thông tin, chỉnh sửa bản đồ, … Nhìn chung, người sử dụng thường không tương tác trực tiếp với các dịch vụ bản đồ. Các nhà phát triển là người sẽ quy định các tương tác này thông qua việc xây dựng ứng dụng của mình [13].
Hệ thống thông tin địa lý (Geographical Information System (GIS)) cho phép làm việc với các dữ liệu địa lý trên máy tính. GIS hỗ trợ mở các bản đồ số, tạo và thay đổi các thông tin địa lý, tùy chỉnh theo nhu cầu và phân tích dữ liệu [15]. GIS đã được dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau một cách tổ hợp như địa lý, địa chất, nông nghiệp, đô thị, giao thông, ngân hàng, nghiên cứu thực vật, địa chính, kinh tế, toán học, môi trường…. Một hệ thống thông tin địa lý bao gồm:
• Dữ liệu dạng số hóa
• Phần cứng (máy tính)
• Phần mềm: các chương trình cho phép đọc và xử lý dữ liệu 2.3.3.2. Mô hình kiến trúc biên tập các lớp thông tin GIS
Map server và geodatabase là hai thành phần chủ chốt để xây dựng, duy trì và cung cấp công năng cho các dịch vụ bản đồ chuyên đề. Để có được một hệ thống hoàn chỉnh xuất bản dịch vụ bản đồ yêu cầu thêm thành phần máy Publish và cách thức liên kết [18].
Máy publish: là máy tính có thể truy cập để quản lý Map server thực hiện quá trình xuất bản dịch vụ: định vị dữ liệu, thay đổi tùy chọn và tiến hành xuất bản.
Máy publish có thể thực hiện trên phần mềm (ví dự: sử dụng Arcmap với ArcGIS server) hoặc thực hiện thông qua webclient tương thích với Map server. Có thể sử dụng nhiều máy publish quản lý một Map server [16].
Một số mô hình hạ tầng của một hệ thống cung cấp dịch vụ bản đồ chuyên đề.
Các mô hình này hiện đang được hỗ trợ bởi ArcGIS server (version10.x) và được miêu tả với 1 máy publish.
Hình 2. 4. Map server liên kết với máy publish thông qua thư mục chung Map server liên kết với máy publish và 1 cơ sở dữ liệu dưới dạng tệp tin: mô hình này thiết lập một sự chia sẻ thư mục cho phép Map server và máy publish sử dụng
chung thư mục chứa các tệp dữ liệu địa lý. Khi máy publish yêu cầu xuất bản dịch vụ, Map server sẽ nhận được thông tin về tệp dữ liệu và sử dụng tệp đó trong thư mục chung để xây dựng dịch vụ bản đồ.
Hình 2. 13. Map server liên kết với máy publish thông qua đồng bộ thư mục
Map server liên kết với máy publish và 2 cơ sơ dữ liệu dưới dạng tệp tin: mô hình này thiết lập một cơ chế đồng độ tự động giữa 2 thư mục đặt trên 2 máy Map server và máy publish [18].
Hình 2. 14. Map server liên kết với máy publish thông qua cơ sở dữ liệu Map server liên kết với máy publish và 1 cơ sở dữ liệu: mô hình này thay thế kho dữ liệu tệp trên mô hình đầu tiên bằng 1 cơ sở dữ liệu. Map server và máy publish cùng thiết lập kết nối cơ sở dữ liệu và đồng bộ dữ liệu.
Map server liên kết với máy publish và 2 cơ sở dữ liệu: mô hình thiết lập 1 cơ sở dữ liệu trên mỗi máy Map server và máy publish. Các cơ sở dữ liệu được đồng bộ tự động khi có thay đổi.
Hình 2. 15. Map server liên kết với máy publish thông qua đồng bộ 2 cơ sở dữ liệu
Xây dựng CSDL là kết quả tổng hợp của nhiều lĩnh vực liên quan đến nhau. Do vậy giải pháp công nghệ xây dựng CSDL phải bao hàm nhiều lĩnh vực liên quan đến nhau. Đó là: Hiện chỉnh bản đồ, số hóa bổ sung; Tích hợp và chia cắt dữ liệu theo đơn vị hành chính; Chuyển đổi dữ liệu; Nhập thông tin thuộc tính cho các đối tượng, lưu trữ, phân tích, xử lý thông tin.
ArcGIS là một bộ phần mềm của hãng ESRI. Là một bộ tích hợp các sản phẩm phẩm mềm – một bộ bao gồm nhiều phần mềm với mục tiêu xây dựng một hệ thống thông tin địa lý (GIS) hoàn chỉnh. Bộ phần mềm này có thể thực hiện các chức năng về GIS trên máy trạm, server, dịch vụ web hay thiết bị di động. Với các kỹ thuật này cho phép người dùng có được các công cụ quản lý một hệ thống GIS phức tạp.
CHƯƠNG 3: TÍCH HỢP DỮ LIỆU ĐA NGUỒN TRONG XÂY DỰNG BẢN ĐỒ ĐỘ ẨM ĐẤT
3.1. Thu thập dữ liệu thực địa
Khu vực vùng bay đo là vùng thuộc thị xã Duy Tiên, tỉnh Hà Nam nhằm mục đích phục vụ nghiên cứu đề tài:
Bay chụp thử nghiệm phổ kế siêu cao tần band L, đánh giá đối tượng bay chụp.
Phân loại đối tượng, thu thập dữ liệu độ ẩm.
Các thông số kỹ thuật của thiết bị bay cụ thể như sau:
1. Thiết bị bay: 01 mẫu thiết bị bay (thông số kỹ thuật của phương tiện bay trình bày trong Phụ lục 1).
2. Phạm vi bay: Khu vực thuộc thị xã Duy Tiên, tỉnh Hà Nam có tọa độ địa lý:
- Từ 105057'50.63" đến 105058'39.18" kinh độ Đông.
- Từ 20038'47.51" đến 20039'47.87" vĩ độ Bắc.
- Loại phương tiện bay, tên gọi: DF-04 Hình 3. 1. Thiết bị bay DF-04
- Nhà sản xuất: Viện vật lý ứng dụng và thiết bị khoa học - Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam
- Số xuất xưởng: DF041701
- Trọng lượng cất cánh tối đa (MTOW): 6 kg - Năm sản xuất: 2017
- Số lượng và kiểu loại động cơ: Electric brusless.
- Trang thiết bị thông tin hàng không, thiết bị dẫn đường, giám sát bay, thiết bị chụp ảnh: GPS Navigation, Camera Gopro 3+.
- Thuyết minh tính năng kỹ thuật hàng không, kích thước (rộng, dài, cao), độ cao bay tối đa, tốc độ bay tối đa, bán kính hoạt động, phương pháp điều khiển bay, thời gian hoạt động trên không, khả năng mang, treo:
+ Kích thước: (900 x 900 x 520) mm + Độ cao bay tối đa: 200m
+ Tốc độ bay tối đa: 36km/h + Bán kính hoạt động: 5km
+ Phương pháp điều khiển bay: Tự động + Thời gian hoạt động trên không: 40 phút
- Các thông tin và tính năng kỹ thuật khác, trang bị khác: Không
3. Mục đích thực hiện bay: Bay chụp thử nghiệm phổ kế siêu cao tần band L, đánh giá đối tượng bay chụp. Đánh giá, phân loại đối tượng, thu thập dữ liệu độ ẩm.
4. Kích thước khu vực vùng trời tổ chức bay: 100 ha
5. Sân bay (hoặc tên khu vực mặt đất, mặt nước) bảo đảm cho việc cất cánh, hạ cánh của tàu bay, phương tiện bay: 10 x 10m
Hình 3. 2. Giới hạn khu vực cấp phép bay
Dữ liệu thu được trên thiết bị phổ kế siêu cao tần băng L được tính ra độ ẩm đất
Hình 3. 3. File dữ liệu dạng excel
File dạng excel sau khi xử lý bao gồm các giá trị về thời gian, góc nghiêng máy bay, vị trí GPS, tốc độ bay, Và giá trị Phổ kế siêu cao tần đo được.
3.2. Dữ liệu độ ẩm đất thu được từ vệ tinh
3.2.1. Dữ liệu độ ẩm đất thu được từ ảnh vệ tinh SMOS - Hệ tọa độ :GCS_WGS_1984
- Datum : D_WGS_1984
- Độ ẩm đất toàn cầu của NASA-USDA và dữ liệu độ ẩm đất toàn cầu của NASA-USDA SMAP
- Cung cấp thông tin độ ẩm đất trên toàn cầu ở độ phân giải không gian 0,25
° x0,25 °
- Những bộ dữ liệu này bao gồm độ ẩm đất bề mặt và dưới bề mặt (mm), hồ sơ độ ẩm đất (%), và dị thường độ ẩm đất bề mặt và dưới bề mặt. Dị thường độ ẩm đất là đơn vị và đại diện cho dị thường tiêu chuẩn được tính toán bằng cách sử dụng cửa sổ di chuyển 31 ngày. Các giá trị xung quanh 0 biểu thị các điều kiện độ ẩm điển hình, trong khi các giá trị rất dương và rất âm cho thấy độ ẩm cực cao (điều kiện độ ẩm của đất là trên trung bình) và sấy khô (điều kiện độ ẩm của đất là dưới mức trung bình), tương ứng. Bộ dữ liệu này được tạo ra bằng cách tích hợp các quan sát độ ẩm đất cấp 2 của Soil Moisture Ocean Salality (SMOS) vào mô hình Palmer hai lớp đã được sửa đổi bằng cách sử dụng phương pháp đồng hóa dữ liệu Bộ lọc Kalman Bộ lọc 1-D (EnKF). Sự đồng hóa của các quan sát độ ẩm đất SMOS đã giúp cải thiện dự đoán độ ẩm đất dựa trên mô hình, đặc biệt là ở các khu vực nghèo nàn (ví dụ, Nam Phi, Trung Đông) trên thế giới thiếu dữ liệu lượng mưa chất lượng tốt.
-Nguồn down ảnh:https://nsidc.org/search-results.html?q=soil%20moisture - Ảnh SMOS độ phân giải 36km x 36 km
Hình 3.4. Ảnh SMOS độ phân giải 36km x 36 km
3.2.2. Dữ liệu độ ẩm đất thu được từ ảnh vệ tinh SMAP - Hệ tọa độ :GCS_WGS_1984
- Datum : D_WGS_1984
- Độ ẩm đất toàn cầu của NASA-USDA và dữ liệu độ ẩm đất toàn cầu của NASA-USDA SMAP. Cung cấp thông tin độ ẩm đất trên toàn cầu ở độ phân giải không gian 0,25 ° x0,25 °.
- Những bộ dữ liệu này bao gồm độ ẩm đất bề mặt và dưới bề mặt (mm), hồ sơ độ ẩm đất (%), và dị thường độ ẩm đất bề mặt và dưới bề mặt.
Dị thường độ ẩm đất là đơn vị và đại diện cho dị thường tiêu chuẩn được tính toán bằng cách sử dụng cửa sổ di chuyển 31 ngày. Các giá trị xung quanh 0 biểu thị các điều kiện độ ẩm điển hình, trong khi các giá trị rất dương và rất âm cho thấy độ ẩm cực cao (điều kiện độ ẩm của đất là trên trung bình) và sấy khô (điều kiện độ ẩm của đất là dưới mức trung bình), tương ứng. Bộ dữ liệu này được tạo bằng cách tích hợp các quan sát độ ẩm đất cấp 3 của Soil Moisture Active thụ động (SMAP) vào mô hình Palmer hai lớp đã được sửa đổi bằng cách sử dụng phương pháp đồng hóa dữ liệu Bộ lọc Kalman 1-D (EnKF). Sự đồng hóa của các quan sát độ ẩm đất SMAP đã giúp cải thiện dự đoán độ ẩm đất dựa trên mô hình, đặc biệt là ở các khu
vực nghèo nàn trên thế giới thiếu dữ liệu lượng mưa chất lượng tốt.
Nguồn down ảnh: https://nsidc.org/search-
results.html?q=soil%20moisture
- Ảnh vệ tinh SMAP độ phân giải 25km x 25km
Hình 3.5. Ảnh SMAP độ phân giải 25km x 25 km
3.2.3. Dữ liệu độ ẩm đất thu được từ ảnh sentinel 1A - Hệ tọa độ :wgs_1984_ease_grid_2_0_global - Datum : D_WGS_1984
- Sản phẩm độ ẩm đất cấp 2 (L2) này cung cấp các ước tính về điều kiện bề mặt đất được lấy bằng cả máy đo phóng xạ Soil Moisture Active thụ động (SMAP) trong suốt 6:00 sáng giảm dần và 6:00 tối. tăng dần nửa quỹ đạo và radar Sentinel-1A và -1B. Nhiệt độ độ sáng dải L của SMAP và hệ số tán xạ ngược dải C của Copernicus Sentinel-1 được sử dụng để lấy dữ liệu độ ẩm của đất, sau đó được ghép lại thành Lưới Trái đất có thể mở rộng 3 km hình trụ cố định trên Trái đất, Phiên bản 2.0 (EASE-Grid 2.0).
- Mô hình thuật toán ANN tính toán độ ẩm đất từ ảnh Sentinel
Hình 3.6. Lưu đồ của thuật toán ANN
Mã nguồn đã được tích hợp sẵn với bộ tool. Khi có khu vực yêu cầu ta sẽ thu được bộ dữ liệu độ ẩm từ sentinel 1A có độ phân giải 3km
Link mã nguồ mở:
https://pysmm.readthedocs.io/en/latest/?fbclid=IwAR3lF-moNV-
VqOqioqpquECE3RDdbPkUnGA-OHUgdFABYQOS-kFHeeKMC_c#api- documentation
Hình 3. 7. Ảnh Sentinel 1A có độ phân giải 3km x 3 km 3.3. Xây dựng WebGIS chồng lớp dữ liệu độ ẩm
3.3.1. Quy trình tích hợp các lớp thông tin GIS vào hệ thống cơ sở dữ liệu Sau khi dữ liệu được biên tập chuẩn hóa và phân tích, dữ liệu sẽ được tiếp tục xử lý để tích hợp vào hệ thống thông tin địa lý. Hệ thống thông tin địa lý được xây dựng trên nền tảng web (WebGIS) với mục tiêu cung cấp cách thức truy cập và chia sẻ dữ liệu dễ dàng, nhanh chóng cho người sử dụng. Hệ thống được được phân tích, thiết kế và xây dựng với kiến trúc gồm năm thành phần: (i) máy chủ bản đồ (Map server), (ii) cơ sở dữ liệu địa lý (geodatabase), (iii) cơ sở dữ liệu không quan hệ (nosql), (iv) máy chủ web (web server), (v) giao diện bản đồ (web client).
Hình 3.8. Kiến trúc hệ thống
(i) Máy chủ bản đồ (web server) là một chương trình cung cấp chức năng tạo, vẽ, mô hình hóa thông qua dịch vụ bản đồ từ các dữ liệu địa lý đã được xử lý. Trong hệ thống này, nhóm phát triển đã đánh giá, lựa chọn và sử dụng Arcgis Server là giải pháp máy chủ bản đồ hiệu quả cao.
(ii) Cơ sở dữ liệu địa lý (geodatabase) là nơi lưu trữ toàn bộ dữ liệu của bản đồ số bao gồm dữ liệu địa lý và dữ liệu phi địa lý. Cơ sở dữ liệu địa lý có 2 dạng lưu trữ:
a. Dữ liệu lưu trữ dưới dạng tệp tin: dữ liệu được mô hình dưới dạng bảng và lưu trữ dưới dạng các tệp tin trên ổ cứng. Đối với ArcGIS server, định dạng .dbf được hỗ trợ cho dạng lưu trữ này.
b. Dữ liệu lưu trữ trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu: dữ liệu được mô hình dưới dạng bảng và lưu trữ trong các cơ sở dữ liệu. Đối với các Map server khác nhau sẽ hỗ trợ các cơ sở dữ liệu khác nhau, đi cùng với các yêu cầu kỹ thuật tích hợp chuyên biệt. Trong hệ thống này, hệ quản trị cơ sở dữ liệu PostgreSQL được lựa chọn sử dụng do đây là một phần mềm mã nguồn mở có cộng đồng phát triển đông đảo.
(iii) Cơ sở dữ liệu không quan hệ (nosql) cung cấp khả năng lưu trữ dữ liệu với lượng cực lớn, truy vấn dữ liệu với tốc độ cao mà không đòi hỏi nhiều về tài nguyên phần cứng và tăng khả năng chịu lỗi. Ưu điểm lớn nhất của việc sử dụng NoSQL thay vì các cơ sở dữ liệu quan hệ là khả năng mở rộng cao.
Trong hệ thống, cơ sở dữ liệu không quan hệ MongoDB được sử dụng để lưu
trữ dữ liệu cho (iv) máy chủ web. MongoDB là một cơ sở dữ liệu tài liệu (document database), không quan hệ, mã nguồn mở, cung cấp hiệu năng cao, khả năng sẵn sàng cao và tự động mở rộng. Một bản ghi trong MongoDB là document, là một cấu trúc dữ liệu bao gồm các cặp trường và giá trị. Các document MongoDB tương tự như các đối tượng JSON. Các giá trị của trường có thể bao gồm các document, mảng và mảng các document khác.
Trong MongoDB tập hợp các Document được gọi là Collection.
(iv) Máy chủ web (web server) là phần mềm có nhiệm vụ cung cấp dịch vụ web để người dùng có thể truy cập hệ thống thông qua (v) giao diện bản đồ. Trong hệ thống, máy chủ web được xây dựng trên nền tảng công nghệ Meteor.
Meteor là một phần mềm mã nguồn mở của nền tảng JavaScript đầy đủ để phát triển các ứng dụng web và di động hiện đại. Meteor bao gồm một số công nghệ để xây dựng các ứng dụng thời gian thực, cho phép sử dụng tất cả thư viện của Node.js.
(v) Giao diện bản đồ (web client) là thành phần tương tác trực tiếp với người sử dụng. Thành phần này được xây dựng dựa trên: Arcgis apis được hỗ trợ trực tiếp bởi Arcgis server cung cấp khả năng sử dụng các dịch vụ bản đồ và xây dựng cách thức tương tác với người dùng.
Hình 3.9. Quy trình tích hợp các lớp thông tin GIS vào hệ thống cơ sở dữ liệu
3.3.2. Giới thiệu về hệ thống
Hình 3. 10. Ảnh hiển thị dữ liệu độ ẩm thu được từ phổ kế và vệ tinh SMAP
Hình 3. 11. Ảnh hiển thị dữ liệu độ ẩm thu được từ phổ kế và vệ tinh SMOS
Hình 3.12. Ảnh hiển thị dữ liệu độ ẩm thu được từ phổ kế với Sentinel 1A
Hình 3.13. Ảnh nhiệt độ bề mặt