Tổng quan nghiên cứu

Việc ứng dụng phần mềm mã nguồn mở đang là xu hướng tất yếu trên toàn cầu với hơn 356 sản phẩm phần mềm thông tin địa lý và trên 300.000 dự án mã nguồn mở ghi nhận hơn 4 triệu lượt tải mỗi ngày. Tại Việt Nam, nhiều tổ chức đã đạt hiệu quả kinh tế lớn khi chuyển dịch sang mã nguồn mở, tiêu biểu như Ngân hàng Thương mại Cổ phần Sài Gòn Thương Tín tiết kiệm hơn 1 triệu USD chi phí bản quyền trên 4.000 máy tính, hay Tập đoàn Viễn thông Quân đội Viettel triển khai hệ điều hành mở trên 37,76% máy trạm. Trong giáo dục đại học, công tác giảng dạy hệ thống thông tin địa lý và bản đồ học vẫn phụ thuộc lớn vào các phần mềm thương mại đắt đỏ như ArcGIS, MapInfo hoặc ArcView, tạo ra gánh nặng ngân sách và nguy cơ vi phạm bản quyền phần mềm theo Luật Sở hữu trí tuệ.

Nghiên cứu này giải quyết bài toán cấp thiết về việc tìm kiếm giải pháp thay thế khả thi và hợp pháp trong đào tạo chuyên ngành Bản đồ, Viễn thám và Hệ thống thông tin địa lý. Mục tiêu cụ thể của luận văn là khảo sát, đánh giá năng lực thể hiện nội dung bản đồ chuyên đề của 4 phần mềm máy tính nguồn mở phổ biến gồm QGIS phiên bản 2.1, MapWindow GIS phiên bản 4.6, gvSIG phiên bản 1.12 và uDig phiên bản 1.0; từ đó lựa chọn công cụ tối ưu để thiết kế khung bài giảng thực hành chuẩn hóa 45 tiết.

Nghiên cứu được triển khai trong giai đoạn 2013-2014 tại Trường Đại học Bách Khoa thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Ý nghĩa then chốt của đề tài thể hiện ở việc cắt giảm 100% chi phí bản quyền phần mềm giáo dục, đồng thời cụ thể hóa Thông tư 08/2010/TT-BGDĐT của Bộ Giáo dục và Đào tạo về quy định sử dụng phần mềm tự do mã nguồn mở trong các cơ sở giáo dục.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết bản đồ học chuyên đề và lý thuyết phát triển phần mềm mã nguồn mở. Về mặt bản đồ học, luận văn tích hợp hai trường phái học thuật lớn: trường phái Nga - Đông Âu phân loại phương pháp thể hiện dựa trên đặc điểm phân bố không gian và đặc tính dữ liệu; trường phái Mỹ - Tây Âu phân loại theo hình thức trực quan hóa. Luận văn chuẩn hóa hệ thống 10 phương pháp thể hiện nội dung bản đồ chuyên đề gồm: phương pháp ký hiệu theo điểm, phương pháp biểu đồ định vị, phương pháp ký hiệu theo tuyến, phương pháp đường chuyển động, phương pháp đường đẳng trị, phương pháp chấm điểm, phương pháp khoanh vùng, phương pháp nền chất lượng và nền số lượng, phương pháp biểu đồ bản đồ và phương pháp đồ giải.

Về mặt công nghệ thông tin, nghiên cứu dựa trên khung pháp lý giấy phép mã nguồn mở được định nghĩa bởi Tổ chức Sáng kiến Nguồn mở (OSI), trọng tâm là Giấy phép Công cộng GNU (GPL phiên bản 3 mang tính chất Copyleft), Giấy phép Phân phối Phần mềm Berkeley (BSD), Giấy phép Apache, Giấy phép LGPL và Giấy phép Công cộng Eclipse (EPL). Các khái niệm cốt lõi bao gồm: bản đồ chuyên đề (loại bản đồ phản ánh chuyên sâu một hoặc nhiều yếu tố địa lý tự nhiên, kinh tế - xã hội), giải pháp thể hiện nội dung bản đồ, phần mềm GIS máy tính để bàn (Desktop GIS) và khả năng tùy biến ký hiệu đồ họa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm bộ tài liệu kỹ thuật, mã nguồn và hệ thống công cụ đồ họa của 4 phần mềm GIS nguồn mở được lựa chọn từ quần thể 356 phần mềm thông tin địa lý toàn cầu. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 4 phần mềm đại diện tiêu biểu (QGIS 2.1, MapWindow GIS 4.6, gvSIG 1.12, uDig 1.0) và 10 phương pháp thể hiện bản đồ chuyên đề với hơn 30 tiêu chí đánh giá thành phần.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích (purposive sampling) được áp dụng nhằm chọn lọc các phần mềm có tính năng biên tập bản đồ chuyên nghiệp, cộng đồng người dùng đông đảo và độ tương thích cao với môi trường giáo dục đại học. Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm chức năng trực tiếp trên từng phần mềm, kết hợp phương pháp phân tích so sánh đa tiêu chí và phương pháp tham vấn chuyên gia thuộc Bộ môn Địa tin học. Lý do lựa chọn tổ hợp phương pháp này nhằm bảo đảm tính khách quan, đo lường chính xác khả năng xử lý số liệu, năng lực phân nhóm thuộc tính và mức độ linh hoạt khi biên tập bảng chú giải (Legend). Timeline nghiên cứu được thực hiện xuyên suốt từ tháng 11 năm 2013 đến tháng 01 năm 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, qua quá trình kiểm thử thực nghiệm trên 10 phương pháp thể hiện bản đồ chuyên đề, phần mềm gvSIG 1.12 thể hiện khả năng đáp ứng vượt trội và toàn diện nhất đối với các yêu cầu sư phạm, hỗ trợ đầy đủ các phương pháp thể hiện phức tạp như biểu đồ bản đồ, biểu đồ định vị, đường chuyển động và phân vùng định lượng.

Thứ hai, kết quả so sánh khả năng tùy biến đồ họa cho thấy sự phân hóa rõ rệt: gvSIG và QGIS hỗ trợ hơn 80% các thuật toán phân nhóm dữ liệu (Equal Interval, Quantiles, Natural Breaks) và bảng màu đa dạng, trong khi MapWindow GIS 4.6 và uDig 1.0 bộc lộ hạn chế lớn khi không hỗ trợ đầy đủ phương pháp biểu đồ định vị và khả năng biên tập đường chuyển động dạng vector phân cấp.

Thứ ba, về chỉ số phổ biến và độ ổn định, QGIS 2.1 dẫn đầu toàn cầu với hơn 100.000 người sử dụng ước tính, hơn 35.000 địa chỉ IP tải plugin chỉ trong khoảng thời gian 2 tháng cuối năm 2011, hỗ trợ dịch thuật sang 40 ngôn ngữ (trong đó bản tiếng Việt hoàn thành 32%). Tuy nhiên, gvSIG 1.12 lại sở hữu cấu trúc giao diện quản lý đối tượng (View, Table, Map Layout) tương đồng chặt chẽ với logic tư duy của môn học Bản đồ chuyên đề.

Thứ tư, nghiên cứu đã xây dựng thành công bộ giáo trình bài giảng và hướng dẫn thực hành hoàn chỉnh gồm 4 chương, phân bổ trong 45 tiết học với các bài thực hành biên tập trực quan hóa dữ liệu không gian trên nền phần mềm gvSIG.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân gvSIG đạt hiệu quả cao nhất trong việc giảng dạy bản đồ chuyên đề bắt nguồn từ kiến trúc phần mềm hướng đến người dùng phân tích không gian chuyên sâu, cung cấp mô-đun biên tập bảng chú giải (Legend) cực kỳ chi tiết, cho phép thay đổi thứ tự lớp, chỉnh sửa kích thước khung, cỡ chữ và bổ sung thang định lượng đo đạc khi xuất bản đồ in ấn.

Dữ liệu khảo sát thực nghiệm có thể được tổng hợp trực quan thông qua bảng ma trận so sánh đa tiêu chí hoặc biểu đồ mạng nhện (radar chart) thể hiện 4 trục năng lực chính: mức độ hỗ trợ phương pháp thể hiện (gvSIG đạt 90%, QGIS đạt 80%, MapWindow đạt 50%, uDig đạt 40%), khả năng tùy biến ký hiệu, tính thân thiện giao diện và năng lực xuất bản bản đồ.

So với các công trình trước đây của Stefan Steiniger và Erwan Bocher (2008) hay nghiên cứu của Trần Quốc Bình (2010) tại Đại học Quốc gia Hà Nội vốn chỉ đánh giá tổng quan tính năng phần mềm máy tính để bàn hoặc ứng dụng trong quản lý đất đai, luận văn này là công trình đầu tiên đi sâu lượng hóa chi tiết từng công cụ thể hiện chuyên đề, mở ra hướng ứng dụng thực tế và chuẩn hóa tài liệu giảng dạy cho các trường đại học tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuyển đổi chính thức phần mềm giảng dạy bằng cách tích hợp gvSIG và QGIS vào khung chương trình môn học Bản đồ chuyên đề và các môn học GIS liên quan, hướng tới mục tiêu 100% sinh viên chuyên ngành Trắc địa - Bản đồ, Địa tin học và Quản lý Đất đai được tiếp cận phần mềm mở; thời gian triển khai trong vòng 12 tháng do Ban Chủ nhiệm Khoa và các Bộ môn chuyên ngành chủ trì thực hiện.

Thứ hai, chuẩn hóa và số hóa tài liệu giảng dạy thông qua việc hoàn thiện bộ giáo trình thực hành 45 tiết trên phần mềm gvSIG, bổ sung các bộ dữ liệu mẫu thực tế tại Thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh lân cận; mục tiêu hoàn thành 1 bộ cẩm nang hướng dẫn tiếng Việt chi tiết trong thời hạn 6 tháng do giảng viên phụ trách môn học thực hiện.

Thứ ba, đầu tư đồng bộ hạ tầng phòng máy tính thực hành mã nguồn mở tại các trường đại học, đặt mục tiêu tiết kiệm 100% kinh phí trang bị bản quyền thương mại (ước tính tiết kiệm từ vài chục nghìn đến hàng trăm nghìn USD mỗi năm cho mỗi cơ sở đào tạo); thời gian thực hiện liên tục từ năm 2014 do Trung tâm Công nghệ Thông tin và Phòng Quản trị Thiết bị phối hợp triển khai.

Thứ tư, thiết lập mạng lưới liên kết học thuật và chia sẻ dữ liệu không gian mở với các tổ chức như Câu lạc bộ Phần mềm Tự do Nguồn mở Việt Nam (VFOSSA) và Trung tâm Ứng dụng Hệ thống Thông tin Địa lý (HCMGIS), đặt mục tiêu thu hút trên 500 thành viên học tập và trao đổi kỹ thuật thường niên; do Hội Tin học và các viện nghiên cứu chủ quản.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là giảng viên, nghiên cứu viên tại các trường đại học, cao đẳng đào tạo ngành Trắc địa, Bản đồ, Địa tin học, Địa lý và Quản lý Tài nguyên Môi trường; tài liệu cung cấp khung bài giảng 45 tiết và phương pháp luận sư phạm đã được kiểm chứng thực tế.

Nhóm thứ hai là sinh viên đại học, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Khoa học Trái đất; tài liệu đóng vai trò cẩm nang hướng dẫn tự học, nâng cao kỹ năng xử lý dữ liệu và trực quan hóa bản đồ trên các phần mềm miễn phí không lo ngại rủi ro bản quyền.

Nhóm thứ ba là cán bộ kỹ thuật tại các cơ quan quản lý nhà nước như Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Quy hoạch - Kiến trúc, Viện Quy hoạch Xây dựng; giúp lựa chọn công cụ GIS máy tính để bàn phù hợp cho việc thành lập bản đồ chuyên đề quản lý đất đai, quy hoạch vùng.

Nhóm thứ tư là các chuyên gia phát triển phần mềm và thành viên cộng đồng FOSS4G (Free and Open Source Software for Geospatial); tài liệu cung cấp bảng tiêu chí phân tích chức năng chi tiết làm cơ sở nâng cấp, việt hóa các mô-đun biên tập ký hiệu bản đồ.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao gvSIG lại được đánh giá phù hợp cho giảng dạy hơn QGIS dù QGIS có lượng người dùng lớn hơn? gvSIG được thiết kế với cấu trúc phân tầng dữ liệu rõ ràng, mô phỏng chuẩn xác các bước biên tập bản đồ theo giáo trình truyền thống, đặc biệt là khả năng phân loại dữ liệu chuyên sâu và xuất bản bảng chú giải chi tiết, giúp sinh viên nắm bắt bản chất phương pháp luận tốt hơn so với giao diện đa nhiệm nhưng phức tạp của QGIS.

Phần mềm mã nguồn mở có đáp ứng đầy đủ các phương pháp thể hiện bản đồ của trường phái Nga - Đông Âu không? Có, kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng phần mềm gvSIG hỗ trợ toàn diện các phương pháp đặc thù như biểu đồ định vị, đường chuyển động, nền chất lượng và phân vùng định lượng. Sự tương đồng về mặt biểu diễn trực quan giữa hai trường phái cho phép sử dụng công cụ phương Tây để truyền tải trọn vẹn kiến thức bản đồ học kinh điển.

Sử dụng phần mềm mã nguồn mở giúp nhà trường và sinh viên tiết kiệm được bao nhiêu chi phí? Việc sử dụng các phần mềm như gvSIG hay QGIS giúp cắt giảm 100% phí bản quyền định kỳ, vốn có thể lên tới từ 1.500 USD đến 5.000 USD cho một giấy phép thương mại mỗi năm. Điển hình như Sacombank đã tiết kiệm hơn 1 triệu USD trên 4.000 máy tính khi chuyển sang giải pháp nguồn mở.

Những khó khăn lớn nhất khi triển khai phần mềm mã nguồn mở trong đào tạo là gì? Khó khăn chính nằm ở sự thiếu hụt tài liệu giáo trình chuẩn hóa bằng tiếng Việt (khi đó QGIS mới chỉ được dịch khoảng 32%), giao diện người dùng thay đổi theo từng phiên bản cập nhật và sự phụ thuộc vào thói quen sử dụng phần mềm thương mại đã hình thành từ trước của người học.

Luận văn đã đề xuất quy trình thực hành gồm những bước cụ thể nào? Luận văn thiết kế quy trình 4 bước chuẩn hóa gồm: thu thập và tiền xử lý dữ liệu thuộc tính, lựa chọn phương pháp thể hiện chuyên đề phù hợp với bản chất dữ liệu, cấu hình tham số ký hiệu/màu sắc/phân nhóm trên gvSIG, và hoàn thiện biên tập kỹ thuật bảng chú giải trên bản đồ in ấn.

Kết luận

  • Luận văn đã hệ thống hóa cơ sở lý luận về 10 phương pháp thể hiện nội dung bản đồ chuyên đề theo hai trường phái bản đồ học lớn trên thế giới.
  • Nghiên cứu đã xây dựng bộ tiêu chí khoa học gồm tiêu chí chung và tiêu chí chuyên đề để kiểm thử, đánh giá thực nghiệm 4 phần mềm GIS nguồn mở phổ biến.
  • Đề tài chứng minh gvSIG 1.12 là phần mềm tối ưu nhất cho công tác đào tạo bản đồ chuyên đề, đồng thời thiết kế bộ bài giảng thực hành chuẩn mực 45 tiết.
  • Kết quả nghiên cứu trực tiếp thúc đẩy việc thực thi Thông tư 08/2010/TT-BGDĐT, giúp các cơ sở giáo dục tiết kiệm 100% kinh phí mua sắm bản quyền phần mềm.
  • Lộ trình tiếp theo cần tập trung mở rộng thử nghiệm bài giảng tại các trường đại học trong giai đoạn 2014-2016; các đơn vị đào tạo hãy chủ động chuyển đổi sang nền tảng GIS nguồn mở để tối ưu hóa nguồn lực giáo dục.