BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÙI TẤN NGỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ CHẤT THẢI SINH HOẠT TẠI THÀNH PHỐ QUẢNG NGÃI Chuyên ngành: Khoa học Máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Tấn Khôi Đà Nẵng - Năm 2013 Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN TẤN KHÔI Phản biện 1: PGS. TS. Lê Văn Sơn Phản biện 2: TS. Hoàng Thị Lan Giao Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Thạc sĩ Kỹ thuật, họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 16 tháng 11 năm 2003. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Quảng Ngãi là một tỉnh có nhiều tiềm năng, lợi thế phát triển kinh tế theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Quá trình phát triển của thành phố mang lại nhiều lợi ích kinh tế, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho người dân, nhưng đồng thời kéo theo là vấn đề môi trường, đặc biệt là lượng chất thải rắn (CTR) gia tăng một cách nhanh chóng. Quản lý lượng CTR này là một thách thức và là một trong những dịch vụ môi trường đặc biệt quan trọng, không chỉ chi phí cho hoạt động này rất lớn mà còn vì những lợi ích, tiềm tàng đối với sức khỏe cộng đồng và đời sống của người dân. Một đô thị mới và hiện đại thì không thể thiếu một kiến trúc quy hoạch tổng thể về cơ sở hạ tầng, bao gồm xây dựng các công trình công cộng, hệ thống quản lý và xử lý rác thải… Vì vậy, việc áp dụng các phương pháp và công nghệ hiện đại sẽ đem lại rất nhiều tiện ích. Quản lý chất thải rắn là một trong những ưu tiên của công tác bảo vệ môi trường, góp phần kiểm soát ô nhiễm, hướng tới phát triển bền vững đất nước. Đây là một công tác phức tạp, liên quan đến nhiều cơ quan, đơn vị tham gia vào công tác này. Để hệ thống hoá lại một cách hợp lý và khoa học, đề tài luận văn cao học: “Ứng dụng công nghệ GIS xây dựng hệ thống quản lý chất thải sinh hoạt tại thành phố Quảng Ngãi” là cần thiết, có tính thực tiễn. 2. Mục tiêu của đề tài Biến GIS thành công cụ hỗ trợ ra quyết định đầu tư vào cơ sở hạ tầng một cách thuận lợi để quản lý tổng hợp và thống nhất hệ thống nguồn phát thải, điểm tập trung rác, vị trí đặt thùng rác trên các tuyến 2 đường nội thành một cách khoa học; Thiết lập CSDL về CTR sinh hoạt giúp cho các nhà quản lý có cái nhìn trực quan hơn nhờ vào việc xác định vị trí, lộ trình di chuyển của các phương tiện vận chuyển rác được hiển thị trên bản đố số GIS. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Cơ sở lý thuyết về hệ thống thông tin địa lý, bản đồ số, công nghệ GPS và thiết kế CSDL địa không gian. Các mô hình toán học trong bài toán quản lý CTR; Các công cụ và phần mềm mã nguồn mở hỗ trợ xây dựng ứng dụng bằng GIS. Nghiên cứu khả năng ứng dụng của GIS vào quản lý CTR sinh hoạt phù hợp với các yêu cầu thực tiễn tại TP Quảng Ngãi. 4. Phương pháp nghiên cứu 1. Phương pháp phân tích tổng hợp từ tài liệu. 2. Phương pháp thống kê, điều tra. 3. Phương pháp phân tích và thiết kế. 4. Phương pháp thực nghiệm. 5. Bố cục của luận văn Mở đầu. Chương 1. Nghiên cứu tổng quan. Chương 2. Hệ thống thông tin địa lý quản lý chất thải rắn sinh hoạt. Chương 3. Phân tích, thiết kế và triển khai hệ thống. Kết luận và hướng phát triển. 3 CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1. HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 1.1.1. Khái niệm chung 1.1.2. Khái niệm hệ thống thông tin địa lý Hệ thống máy tính ngay từ đầu đã nhanh chóng được sử dụng hữu hiệu vào các công việc liên quan tới địa lý và phân tích địa lý. Cùng với sự ứng dụng máy tính ngày càng tăng, khái niệm GIS phát triển từ những năm 1960. Đến nay nhiều định nghĩa GIS đã ra đời: − Burrough, 1986: GIS là những công cụ mạnh để tập hợp, lưu trữ, truy cập, khôi phục, biểu diễn dữ liệu không gian từ thế giới thực, đáp ứng những yêu cầu đặc biệt [2]. − Lord Chorley, 1987: GIS là hệ thống thu nạp, lưu trữ, kiểm tra, tích hợp, vận dụng, phân tích và biểu diễn dữ liệu tham chiếu tới mặt đất. Những dữ liệu này thông thường là cơ sở dữ liệu tham chiếu không gian dựa trên những phần mềm ứng dụng [2]. − Michael Zeiler: GIS là sự kết hợp giữa con người thành thạo công việc, dữ liệu mô tả không gian, phương pháp phân tích, phần mềm và phần cứng máy tính – tất cả được tổ chức quản lý và cung cấp thông tin thông qua sự trình diễn địa lý [2]. − David Cowen, NCGIA, Mỹ: GIS là hệ thống phần cứng, phần mềm và các thủ tục được thiết kế để thu thập, quản lý, xử lý, phân tích, mô hình hóa và hiển thị các dữ liệu quy chiếu không gian để giải quyết các vấn đề quản lý và lập kế hoạch phức tạp [2]. 4 1.1.3. Các lĩnh vực khoa học liên quan đến GIS 1.1.4. Các thành phần của GIS 1.1.5. Các chức năng của GIS 1.1.6. Hệ tọa độ địa lý và hệ tọa độ quy chiếu 1.1.7. Tổ chức các lớp bản đồ trong GIS Các đối tượng tự nhiên được thể hiện như một tập hợp các lớp thông tin riêng rẽ, tách biệt chồng ghép lên nhau để tạo thành một bản đồ mới. Đối tượng địa lý có thể là: đường giao thông, khu dân cư … 1.1.8. Cấu trúc dữ liệu GIS a. Mô hình dữ liệu Vector Với mô hình vector toàn bộ thế giới thực hay các đối tượng địa lý có thể được biểu diễn bằng ba loại thực thể không gian cơ sở sau: Kiểu đối tượng điểm: Điểm là thành phần sơ cấp của dữ liệu địa lý ở mô hình này. Điểm được thể hiện bằng một cặp tọa độ (x, y). Kiểu đối tượng đường: Đường được biểu diễn bằng danh sách các cặp tọa độ nối tiếp nhau. Hình 1.2. Hệ thống thông tin địa lý 5 Kiểu đối tượng vùng: Vùng được biểu diễn bằng một danh sách các cặp tọa độ nối tiếp nhau và khép kín hay danh sách các đường nối tiếp nhau và khép kín. b. Mô hình dữ liệu Raster Raster được hiểu là ô hình vuông có kích thước nhất định gọi pixel, cấu trúc raster là cấu trúc hình ảnh. Mỗi ô vuông có chứa thông tin về một đối tượng. [1] Vị trí của đối tượng được xác định bởi vị trí của các ô vuông theo trật tự hàng và cột. Cấu trúc dữ liệu Raster đơn giản nhất là cấu trúc dạng bảng, ở đó có chứa các thông tin về tọa độ và thuộc tính phi không gian. Thông tin về vị trí được thể hiện ở tọa độ theo hàng và cột, tính theo trật tự sắp xếp của dữ liệu. Trường hợp có nhiều tính chất thì có thể gọi là thông tin nhiều chiều. 1.1.9. Các phép toán phân tích không gian trên mô hình Vector 1.1.10. Cơ sở dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý a. Cơ sở dữ liệu không gian b. Cơ sở dữ liệu thuộc tính 1.1.11. Tìm kiếm và phân tích dữ liệu không gian Hình 1.13. Biểu diễn Raster và vector tương ứng đối tượng điểm, đường, vùng 6 1.2. HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRÊN WEB VÀ CHUẨN MÃ NGUỒN MỞ OPENGIS 1.2.1. Kiến trúc hệ thống thông tin địa lý trên Web a. Kiến trúc chung WebGIS được xây dựng để cung cấp các dịch vụ về thông tin địa lý theo công nghệ web service. Vì vậy WebGIS phải thỏa mãn kiến trúc ba tầng thông dụng của một ứng dụng Web. Kiến chung 3 tầng của WebGIS bao gồm tầng trình bày, tầng giao dịch và tầng dữ liệu b. Các hình thức triển khai + Client side: Được dùng để hiển thị kết quả đến cho người dùng, nhận các điều khiển trực tiếp từ người dùng và tương tác với web server thông qua trình duyệt web. Các trình duyệt web sử dụng chủ yếu HTML để định dạng trang web. Thêm vào đó một vài plug-in, ActiveX và các mã Applet được nhúng vào trình duyệt để tăng tính tương tác với người dùng + Server side: Gồm có Web server, Application server, Data server và Clearing house. Server side có nhiệm vụ lưu trữ dữ liệu không gian, xử lý tính toán và trả về kết quả cho client side 1.2.2. Công nghệ WebGIS và chuẩn mã nguồn mở OpenGIS a. Các công nghệ WebGIS − Web Map Service (WMS): Là một kỹ thuật phân bố thông tin địa lý dưới dạng bản đồ tĩnh trên mạng. − Web Feature Service (WFS): Là một kỹ thuật phân bố thông tin địa lý dưới dạng bản đồ động trên mạng. b. Giải pháp nguồn mở OpenGIS 7 1.3. HIỆN TRẠNG QUẢN LÝ CTR TẠI TP QUẢNG NGÃI 1.3.1. Hệ thống thông tin quản lý môi trường 1.3.2. Thông tin địa lý thành phố Quảng Ngãi Thành phố Quảng Ngãi trực thuộc tỉnh Quảng Ngãi, có diện tích tự nhiên 3.712 hecta, dân số gần 134.400 người, thành phố có 8 phường và 2 xã. Tổng số cơ sở sản xuất công nghiệp – tiểu thủ công nghiệp trên địa bàn thành phố là 1.632 cơ sở [12]. Hiện nay, TP Quảng Ngãi đang được mở rộng địa giới hành chính với tổng diện tích tự nhiên khoảng 14.200ha, đến năm 2020 hoàn thiện đầy đủ các tiêu chí của đô thị loại II. Do đó, các vấn đề về giao thông, khu dân cư … và hệ thống quản lý chất thải đô thị sẽ được quy hoạch, xây dựng lại cho phù hợp. a. Đơn vị quản lý môi trường b. Cơ sở xử lý chất thải c. Khối lượng thu gom d. Quy trình thu gom, vận chuyển 1.3.3. Đề xuất ứng dụng công nghệ GIS vào quản lý CTR sinh hoạt tại TP Quảng Ngãi a. Hiện trạng ứng dụng CNTT vào quản lý CTR sinh hoạt Việc quản lý dữ liệu môi trường tại tỉnh Quảng Ngãi vẫn chưa được tin học hóa theo kịp yêu cầu của công tác quản lý môi trường trong giai đoạn hiện nay. Chưa có hệ thống quản lý CSDL ngành môi trường hoàn thiện Chưa ứng dụng CNTT vào công tác quy hoạch, giám sát, thanh tra quản lý môi trường, cụ thể là chưa sử dụng phần mềm chuyên dụng để quản lý, giám sát, thanh tra chất thải rắn đô thị để ngày càng hiệu quả. 8 Sự tham gia của các cấp chính quyền vào quá trình quản lý môi trường còn nhiều hạn chế do việc tổng hợp số liệu chưa được thực hiện một cách khoa học. Chưa triển khai hệ thống quản lý, giám sát, thanh tra quản lý môi trường bằng CNTT, để tăng cường trao đổi CSDL về quản lý tài nguyên, môi trường … giữa các ban ngành liên quan trong tỉnh và các Bộ ngành ở Trung ương. Sự tham gia của bản thân người dân vào công cuộc bảo vệ môi trường còn hạn chế. Lý do chính ở đây là bản thân người dân rất khó tiếp cận với các thông tin môi trường. b. Đề xuất ứng dụng GIS xây dựng hệ thống quản lý CTR sinh hoạt tại TP Quảng Ngãi Sự phát triển của CNTT trong thời gian qua, đã cho ra đời những mô hình quản lý và xử lý dữ liệu không gian mới có nhiều ưu việt như: bản đồ số, CSDL bản đồ và hệ thống thông tin địa lý. Công nghệ GIS kết nối thông tin môi trường sẽ tạo ra một công cụ hỗ trợ bảo vệ môi trường rất mạnh. 1.3.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ GIS vào quản lý chất thải trong và ngoài nước 1.4. KẾT CHƯƠNG Trong chương này trình bày tổng quan về GIS và hiện trạng quản lý CTR sinh hoạt ở TP Quảng Ngãi, từ đó đề xuất xây dựng hệ thống mới đảm bảo các tiêu chí: Đầy đủ các thành phần tham gia một cách khoa học; quản lý một cách trực quan bằng công nghệ GIS. [...]...9 CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ QUẢN LÝ CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT 2.1 ĐẶC TẢ HỆ THỐNG 2.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỮ LIỆU GIS QUẢN LÝ CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT 2.2.1 Phân tích mô hình dữ liệu Đầu vào của hệ thống: Là các dữ liệu liên quan đến CTR sinh hoạt và các dữ liệu khác phục vụ cho công tác quản lý như: Nguồn phát thải, lượng chất thải, phương tiện và nhân lực thu gom, số... THỐNG 3.1 MÔ TẢ BÀI TOÁN − Xây dựng ứng dụng DesktopGIS nhằm: § Đọc và xếp chồng các lớp bản đồ đã xây dựng ở chương 2, tạo thành một bản đồ số hoàn chỉnh phục vụ cho công tác quản lý CTR tại TP Quảng Ngãi § Bộ công cụ hỗ trợ quản lý, cập nhật dữ liệu không gian trực tiếp trên bản đồ số Quản lý, giám sát phương tiện tham gia thu gom, vận chuyển CTR bằng công nghệ GPS … § Ứng dụng các mô hình toán học... tính c Xây dựng bản đồ nền Bản đồ là thành phần quan trọng trong một hệ GIS Trong luận văn, để xây dựng hệ thống QN -GIS, bước đầu tiên là số hóa bản đồ hành chính TP Quảng Ngãi với tỷ lệ 1:10000 Dựa trên bản đồ hành chính hình 2.7, chúng tôi xây dựng lớp bản đồ nền TP Quảng Ngãi như hình 2.6 và lớp bản đồ giao thông như hình 2.8 có cấu trúc dữ liệu vector 11 Hình 2.7 Bản đồ hành chính TP Quảng Ngãi trên... tạo bản đồ thành một bản đồ hoàn chỉnh phục vụ cho công tác quản lý CTR tại TP Quảng Ngãi như hình 3.15 23 Hình 3.15 Bản đồ số phục vụ công tác quản lý CTR được tạo ra từ hệ thống QN -GIS b Chức năng tính toán các dự báo c Chức năng quản lý thiết bị, nhân sự tham gia thu gom, vận chuyển CTR d Quản lý trang thiết bị - xe cơ giới e Chức năng chia sẻ thông tin môi trường về rác thải thông qua WebGIS 3.3.3... sau: § Về mặt lý thuyết − Tìm hiểu và nghiên cứu hệ thống thông tin địa lý GIS, thiết bị GPS, phương pháp thiết kế, xây dựng CSDL GIS − Đánh giá được hiện trạng của hệ thống thu gom, vận chuyển để từ đó đề xuất giải pháp mới ứng dụng GIS thay thế 24 − Nghiên cứu và ứng dụng các mô hình toán học đưa các dự báo trong bài toán quản lý CTR đô thị § Về mặt thực tiễn − Xây dựng được CSDL GIS bao gồm các... để xây dựng các lớp bản đồ chuyên ngành; Bản đồ nền (giao thông, hành chính, thủy văn …) Đầu ra của hệ thống: CSDL GIS về mạng lưới nguồn phát thải, tuyến thu gom, vận chuyển, các dự báo và chương trình quản lý cơ sở vật chất, trang thiết bị và nhân lực cho Công ty Môi trường Đô thị Quảng Ngãi bằng công nghệ GIS 2.2.2 Thiết kế cơ sở dữ liệu GIS a Thiết kế dữ liệu không gian CSDL không gian của QN -GIS. .. trên giấy số hóa thành dạng raster Hình 2.8 Bản đồ giao thông TP Quảng Ngãi được số hóa vector từ bản đồ giấy hình 2.7 d Xây dựng bản đồ chuyên ngành Xây dựng bản đồ chuyên ngành quản lý chất thải sinh hoạt gồm: − Bản đồ mạng lưới nguồn phát sinh CTR sinh hoạt − Bản đồ mạng lưới điểm tập trung và trạm trung chuyển rác − Bản đồ mạng lưới tuyến quét, thu gom, vận chuyển rác 12 Tiến hành xây dựng bản đồ mạng... tiếp với WebGIS Server lấy thông tin và hiển thị hình ảnh bản đồ, cho phép người dùng tương tác và hiệu chỉnh dữ liệu địa lý 2.6 KẾT CHƯƠNG Chương này giới thiệu tổng quan về hệ thống QN -GIS, xây dựng mô hình dữ liệu GIS cho hệ thống Tìm hiểu các mô hình toán học tính toán dự báo và ứng dụng công nghệ GPS quản lý các phương tiện vận chuyển rác 19 CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG 3.1... trị hệ thống QN -GIS b Chức năng 2 Cập nhật dữ liệu không gian và thuộc tính c Chức năng 3 Quản lý phương tiện thu gom, vận chuyển rác bằng công nghệ GPS d Chức năng 4 Đưa ra các dự báo trong bài toán quản lý CTR e Chức năng 5 Phân tích, tổng hợp, thống kê và báo cáo f Chức năng 6 Quản lý và khai thác thông tin trên bản đồ 3.1.2 Đối tượng sử dụng 20 3.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG QN -GIS 3.2.1 Các ca sử dụng. .. vào hệ thống Các phương tiện vận chuyển được lắp đặt thiết bị định vị vệ tinh GPS PT302 Dữ liệu về vị trí phương tiện và thông tin hỗ trợ được truyền về trung tâm quản lý thông qua mạng vô tuyến GSM sử dụng kỹ thuật GPRS hay 3G 17 Hình 2.13 Mô hình tích hợp GPS vào hệ thống QN -GIS Hoạt động của hệ thống GIS tích hợp GPS vào quản lý các phương tiện vận chuyển rác hình 2.13: − Tại trung tâm quản lý sử dụng . 1.3.3. Đề xuất ứng dụng công nghệ GIS vào quản lý CTR sinh hoạt tại TP Quảng Ngãi a. Hiện trạng ứng dụng CNTT vào quản lý CTR sinh hoạt Việc quản lý dữ liệu môi trường tại tỉnh Quảng Ngãi vẫn chưa. công tác này. Để hệ thống hoá lại một cách hợp lý và khoa học, đề tài luận văn cao học: Ứng dụng công nghệ GIS xây dựng hệ thống quản lý chất thải sinh hoạt tại thành phố Quảng Ngãi là cần thiết,. 1.3. HIỆN TRẠNG QUẢN LÝ CTR TẠI TP QUẢNG NGÃI 1.3.1. Hệ thống thông tin quản lý môi trường 1.3.2. Thông tin địa lý thành phố Quảng Ngãi Thành phố Quảng Ngãi trực thuộc tỉnh Quảng Ngãi, có diện