Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WEB GIS NHẰM DỰ BÁO QUỸ ĐẠO VẬT THỂ TRÔI PHỤC VỤ TÌM KIẾM CỨU NẠN TRÊN BIỂN Đàm Duy Hùng, Dương Hồng Sơn, Trần Thùy Nhung, Lê Văn Quy Trung tâm Nghiên cứu Môi trường Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Môi trường Nghiên cứu trình bày kỹ thuật phương pháp ứng dụng công nghệ Web GIS nhằm dự báo quỹ đạo vật thể trôi phục tìm kiếm cứu nạn vùng Biển Đông Việt Nam dựa vào dự báo trường dòng chảy từ mô hình Hoàn lưu Đại dương Khu vực ROMS (Regional Ocean Model System). Kết mô dòng chảy, nhiệt độ quỹ đạo vật thể trôi hiển thị thông qua môi trường Web GIS: Google Map MapServer. Ngữ lập trình Python hệ quản trị nội dung Plone sử dụng cho mô-đun dự báo quỹ đạo vật thể trôi hoạt động môi trường Website. Hệ thống cho phép người dùng từ xa thực mô quỹ đạo vật thể trôi khu vực Biển Đông Việt Nam. Nghiên cứu đưa giả thiết dự báo cho người trôi nước (Person in water – PIW) sở vị trí (kinh, vĩ độ) thời gian ban đầu biết. Kết cho thấy việc mô quỹ đạo vật thể trôi thực hiển thị tốt đồ Web GIS. Điều cho thấy ứng dụng Web GIS tương tự hoàn toàn có tính khả thi chủ động mặt công nghệ. Mặc dù kết ban đầu, cho thấy khả hỗ trợ lực lượng tìm kiếm cứu nạn biển chạy mô dự báo quỹ đạo vật thể trôi giới hạn vùng tìm kiếm để tìm kiếm hiệu hơn. 1. Giới thiệu Hàng năm vùng biển nước ta có hàng nghìn vụ tai nạn hàng hải hiểm họa thiên nhiên bão, áp thấp nhiệt đới, gió mùa, sóng thần nguyên nhân chủ quan người. Việc tìm kiếm cứu nạn việc cần thiết giảm thiệt hại người của, cứu thoát người bị nạn việc làm có ý nghĩa cao đẹp đầy khó khăn, nguy hiểm cấp bách. Việc dự báo quỹ đạo vật thể trôi xem việc hỗ trợ khoanh vùng tìm kiếm cứu nạn sau biết thông tin vị trí ban đầu người bị nạn. Trong nghiên cứu tập trung vào việc nghiên cứu dự báo xác định vị trí người, tàu thuyền (ở ta gọi chung vật thể trôi – drift objects) sau không may có tai nạn xảy ra. Từ kết dự báo vị trí vật thể trôi sau khoảng thời gian khác ta xác định đường quỹ đạo vật thể trôi (drift object trajectory) phục vụ cho công tác tìm kiếm cứu nạn hiệu nhanh chóng. Quỹ đạo vật thể trôi tính toán dự dự báo trường gió bề mặt trường dòng chảy bề mặt từ mô hình ROMS. Kết dự báo hiển thị dạng đồ GIS trực quan sinh động nhanh chóng qua đường truyền tin Internet (WebGIS) để đưa thông tin kịp thời trường hợp khẩn cấp tìm kiếm cứu nạn. 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Cơ sở tính toán dự báo quỹ đạo vật thể trôi Mô hình đường quỹ đạo tính xấp xỉ theo công thức sau: Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 243 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Trong đó, t = it thời gian t bước thời gian mô hình. V tổng hợp thành phần theo gió thành phần theo dòng chảy. Giả sử cho thời gian ban đầu t0 tọa độ đầu vào (x0,y0) (kinh độ, vĩ độ); trường dòng chảy U(i,j), V(i,j); i=0,n; j=0,m. Sau thời gian t=t 0+Δt (ở lấy Δt=1 giờ) vị trí vật thể (xt, yt). Trường dòng chảy từ mô hình ROMS trường dòng chảy theo hệ tọa độ theo địa hình sigma (terrainfollowing σ-coordinates). Véc tơ dòng chảy sử dụng nghiên cứu độ sâu 0,3m. Từ giả thiết đơn giản hóa, tính nội suy vận tốc dòng chảy uc vị trí ban đầu x0 từ vận tốc nút lưới tọa độ kinh vĩ. Với bước thời gian ta tính khoảng cách từ vị trí tới vị trí sau từ khoảng cách ta tính tọa độ vị trí giờ. Hình1. Sơ đồ dự báo quỹ đạo vật thể trôi 2.2. Công nghệ WebGIS ứng dụng toán dự báo quỹ đạo vật thể trôi WebGIS xu hướng phố biến thông tin mạnh mẽ Internet không góc độ thông tin thuộc tính túy mà kết hợp với thông tin không gian hữu ích cho người sử dụng. a) Google Map Bản đồ Google Map cung cấp thông qua giao diện gọi API, giao diện lập trình ứng dụng hãng Google cung cấp. Giao diện cho phép người dùng sử dụng ngôn ngữ lập trình theo chuẩn Google Map, chủ yếu dạng JavaScript lập trình phía Client side, để tạo ứng dụng có nhúng đồ Google Map website mình. Google Map API hoạt động Web GIS server cung cấp công cụ để truy vấn, hiển thị nhiều lớp đồ chồng lên nhau. Thông qua giao diện lập trình này, người sử dụng tạo đồ với điểm (Marker), đường (Polyline), hay vùng (Polygon) cách dễ dàng ghép chồng lên bảng đồ Google Map. Nền đồ dạng như: Bản đồ giao thông (ROADMAP), ảnh vệ tinh (SATELLITE), đồ ghép đường giao thông ảnh vệ tinh (HYBRID), hay đồ địa hình (TERRAN). - 244 Polylines: Polylines dùng để thể đường kết nối đồ dựa vào tọa độ. Các đoạn thẳng hiển thị với tùy chọn cho màu sắc, độ đậm nhạt, độ rộng cùa đường. Phải có tối đa điểm để tạo nên đường thẳng. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI - Polygon: Cũng giống đối tượng Polylines, Polygon xây dựng dựa loạt tọa độ, nhiên thay mở hoàn toàn khép kín khu vực. Các thiết lập marker, polylines polygon cho kết đồ dạng hình bên. Với cách thức ta xuất file liệu tọa độ điểm vị trí tạo thành trajectory lưu vào file driftobject_trajectory.xml. Tiếp theo gán liệu đọc vào hàm JavaScript hiển thị Google Map hoàn toàn thực nhờ JavaScript. Với hàm thiết lập điểm (setpoint(latlng)) định nghĩa từ trước có nhiệm vụ đọc file *.xml thiết lập điểm vào đồ. b) Hình 2. Kiểu đồ dạng điểm, đường vùng Google Map Mapsever Mapserver môi trường mã nguồn mở cho phép việc xây dựng ứng dụng xử lý liệu không gian internet. Nó chạy chương trình CGI thông qua Mapscript (hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình Perl, Python …). Mapserver hệ thống có đầy đủ đặc tính hệ thống thông tin địa lý (GIS), không phát triển theo định hướng đó, mapserver tốt điểm sinh liệu không gian (bản đồ, hình ảnh, liệu vector …) Hình 3. Sơ đồ hệ thống Mapsever môi trường web. Ngoài việc giúp định vị liệu không gian, tạo đồ địa hình, mapserver định hướng người dùng đến nội dung. Ví dụ minnessota DNR (http://mapserver.gis.umn.edu/) cung cấp người dùng với 10000 trang web, đồ, báo cáo thông qua ứng dụng nhất. 3. Kết thảo luận Kết dự báo quỹ đạo vật thể trôi điều kiện thời tiết có bão Bão Mindulle Thời gian dự báo tính từ 0h, ngày 23/8/2010 đến 0h, ngày 26/8/2010. Đây thời gian xảy bão số 3, tên quốc tế Mindulle, bão gần bờ với diễn Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 245 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI biến phức tạp. Kết dự báo vật thể trôi tính đến tác động tổng cộng dòng chảy gió thể hình đây: Điểm đầu Hình 4. Quỹ đạo vật thể dự báo vùng biển Biển Đông thời gian xảy bão Mindulle dựa tác động tổng cộng dòng chảy gió Khi xác định quỹ đạo có tính đến thành phần gió nhận thấy đường vật thể biến đổi đáng kể hướng độ lớn. Sự biến đổi chịu tác động tổng hợp gió dòng chảy, phức tạp, điểm nằm vùng ảnh hưởng bão. Bão Nocten Thời gian dự báo tính từ 0h, ngày 27/7/2011 đến 0h, ngày 30/7/2011. Cơn bão có tên quốc tế Nocten, bão gần bờ với diễn biến phức tạp. Kết dự báo quỹ đạo vật thể trôi bão Nocten tính đến tác động tổng hợp gió dòng chảy thể hình dưới: Điểm đầu Hình 5. Quỹ đạo vật thể dự báo vùng biển Biển Đông (trái) Nam Biển Đông (phải) thời gian xảy bão Nocten Với kết tính toán quỹ đạo nhận thấy ảnh hưởng dòng chảy tác động làm biến đổi lớn quỹ đạo vật thể. Với trường hợp khác nhau, mà ảnh hưởng gió dòng chảy khác kết có biến đổi hướng quãng đường được. Để đưa dự báo tốt cần có nghiên cứu kiểm nghiệm thực tế để tính ảnh hưởng gió 246 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI dòng chảy đến vật thể trường hợp vật thể khác với độ khác để đưa hệ số tốt ảnh hưởng thành phần gió dòng chảy quỹ đạo vật thể. Xây dựng thành phần trang web dự báo quỹ đạo vật thể trôi Hệ thống dự yêu cầu đưa cho trang web phải đọc liệu dạng NetCDF truy xuất liệu để đưa vào mô hình tính toán quỹ đạo vật thể trôi hiển thị kết dự báo đồ GIS trang web. Dữ liệu đầu vào sản phẩm từ mô hình ROMS dạng NetCDF (Network Common Data Format) sau sử dụng công cụ đọc NetCDF từ Web, liệu đưa vào module Python để tính toán quỹ đạo vật thể trôi. Sau có tập tin hình ảnh ta cần xử lý liệu để tạo tập tin hình ảnh quỹ đạo vật thể trôi đưa lên Web GIS (google Map) hiển thị Web (Plone 4.0). Thành phần website chạy dự báo Tại trang chủ hệ thống cho phép người dùng đăng nhập vào hệ thống. Tại người dùng xác định vị trí tọa độ ban đầu vật thể. Sau có vị trí ban đầu vật thể trôi, hệ thống xác định vị trí thuộc khu vực nào, lấy sở liệu để đưa đồ phù hợp với khu vực mà người dùng xác định. Giao diện bao gồm: latitude vĩ độ ban đầu vật thể, longitude: kinh độ ban đầu vật thể. Initial date thời gian ban đầu vật thể. ROMS source nguồn số liệu dự báo dòng chảy cho dự báo quỹ đạo. Người dùng Hình 6. Giao diện trang chạy dự báo quỹ đạo dùng số liệu 24h, 48h, hay vật thể trôi 72h. Kết chạy dự báo hiển thị đồ Google Map sau: Hình 7. Kết chạy dự báo quỹ đạo vật thể trôi đồ Google Map Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hình 8. Kết mô quỹ đạo vật thể trôi dạng text 247 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Kết mô cho dạng đồ dạng text. Từ chức chạy dự báo vật thể trôi hệ thống hiển thị kết giao diện cho người dùng đồ hình ảnh quỹ đạo vật thể trôi hình ảnh đồ dự báo hải văn. Hình ảnh thực cách sử dụng biên tập viên đồ họa miễn phí phí. Ngoài ra, hệ thống hiển thị đồ yếu tố hải văn dạng hình ảnh người dùng yêu cầu. 4. Kết luận Nghiên cứu ứng dụng công nghệ WebGIS dự báo quỹ đạo vật thể trôi để đưa kết dạng đồ trực quan, sinh động. Từ kết cho thấy dùng hai công nghệ WebGIS dự báo quỹ đạo vật thể trôi dự báo hải văn là: Công nghệ WebGIS dùng đồ giao diện lập trình ứng dụng Google Map. Công nghệ WebGIS dùng MapServer mã nguồn mở Đại học Minnesota phát triển. Đây phương án thay công nghệ Google Map biện pháp cho phép chủ động công nghệ mà không lệ thuộc vào bên thứ ba Google Map. Các công nghệ WebGIS dùng Google Map kết hợp tốt với Python Plone phù hợp với không khoa học Hải dương học mà với nghiên cứu khoa học Trái đất khác. Hệ thống dự báo quỹ đạo vật thể trôi xây dựng cho phép mô quỹ đạo vật thể trôi xác định vùng tìm kiếm. Mô thời gian chạy khoảng 3-5 phút/1 trường hợp. Tuy nhiên, nghiên cứu ban đầu nghiên cứu nghiêng lý thuyết nhiều nên cần có nghiên cứu kiểm nghiệm cụ thể trường. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Abi-Zeid, Irene, Frost, John R. 2005. SARPlan: a decision support system for Canadian search and rescue operations. European Journal of Operational Research 2. Breivik, O., Allen, A. (2008). An Operational Search and Rescue Model for the Norwegian Sea and the North Sea. Journal of Marine Systems, 69(1/2), 15. 3. Dương Hồng Sơn, Nguyễn Tài Hợi, “Dự báo hạn ngắn trường dòng chảy nhiệt độ Biển Đông”, Đề tài Xây dựng mô hình dự báo trường khí tượng thuỷ văn vùng biển đông – KC.09.04. 4. Hodgins, D.O., Hodgins, S.L.M, 1998. Phase II Leeway Dynamics Program: DevelopmentandVerificationofa Mathematical Drift Model for Liferafts and Small Boats. Report, Canadian Coast Guard, Nova Scotia, Canada. Project, vol.5741. 5. http://ecco.jpl.nasa.gov/ 6. http://www.myroms.org/index.php 7. http://www.vinamarine.gov.vn/MT/Detail.aspx?id=8fa1f133-3fae-4128-b9533a3cf3f80d27&CatID=87&NextTime=11/05/2010%2014:06&PubID=100 248 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI 8. Peter C. Smith, Donald J. Lawrence, nnk. Improving the Skill of Search-andRescue Forecasts. 9. Phạm Văn Sỹ, Dương Hồng Sơn, Phạm Minh Huấn, 2010. “Thử nghiệm quy trình dự báo trường dòng chảy, độ muối, nhiệt độ khu vực Biển Đông mô hình ROMS.” 10. Shen, Y., J. R. Crouch, et al. (2007). Interactive visualization of Regional Ocean Modeling System. Proceedings of the IASTED International Conference on Graphics and Visualization in Engineering. Clearwater, Florida, ACTA Press: 7482. APPLICATION OF WEB GIS TECHNOLOGY IN DRIFT OBJECT TRAJECTORY FORECAST TO SUPPORT SEARCH AND RESCUE IN THE SEA Dam Duy Hung, Duong Hong Son, Tran Thuy Nhung, Le Van Quy Center for Environmental Research Vietnam Institute of Meteorology Hidrology and Environment This paper presents techniques and methodology to apply web GIS technology on problems of drift object forecast in order to support marine search and rescue (SAR) in Vietnam East Sea, based on ocean current forecast resulting from ROMS model (Regional Ocean Model System).As the results of simulation of current, temperature and drift object trajectory are displayed throughout the Web GIS environment: Google Map and MapServer. We also used a free programming language – Python, and a web framework, Plone, as a basement for the drift object trajectory forecast module to operate on web environment. The web system enables remote users can conduct a simulation run to forecast trajectory of floating object in the East Sea of Vietnam. This initial research we hypothesize that we only forecast for a floating object such as a person in water (PIW), the latest time and position (latitude and longitude) are known. The result shows that the simulation of drift object trajectory forecast is well performed and displayed on the Web GIS map. This shows the similar applications of Web GIS are feasible and active in aspects of technology. Although this is initial result, it shows an ability to support marine search and rescue forces can run a simulation for drift object trajectory forecast, then help them to limit the size of search area and the search is more efficient. Keywords: drift object, search and rescue, ROMS, web GIS, ocean forecast Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 249 . Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 243 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WEB GIS NHẰM DỰ BÁO QUỸ ĐẠO VẬT THỂ TRÔI PHỤC VỤ TÌM KIẾM CỨU NẠN TRÊN BIỂN Đàm Duy Hùng, Dương Hồng Sơn, Trần. giờ. Hình1. Sơ đồ dự báo quỹ đạo vật thể trôi 2.2. Công nghệ WebGIS và ứng dụng trong bài toán dự báo quỹ đạo vật thể trôi WebGIS là xu hướng phố biến thông tin mạnh mẽ trên Internet không. đã ứng dụng được công nghệ WebGIS trong dự báo quỹ đạo vật thể trôi để đưa kết quả dưới dạng bản đồ trực quan, sinh động. Từ kết quả cho thấy có thể dùng hai công nghệ WebGIS trong dự báo quỹ