CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Lý do chọn đề tài Hiện nay, trong quá trình hội nhập phát triển, tiến đến công nghệ 4.0, đặc thù của sinh viên ngành lâm nghiệp nói riêng và về các lĩnh vực viễn thám, tài nguyên môi trường cần khai thác rất nhiều dữ liệu về địa lý không gian, dữ liệu vệ tinh dùng trong các hoạt động nghiên cứu đánh giá. Thông qua các trao đổi và khảo sát thực tế từ các khóa sinh viên và qua ý kiến của các thầy cô trường Đại học Lâm nghiệp thì em nhận thấy nền tảng Google Earth Engine là nền tảng rất mạnh mẽ và có thể ứng dụng trong rất nhiều các hoạt động nghiên cứu. Tuy nhiên, các sinh viên không thuộc ngành công nghệ thông tin sẽ có các khó khăn nhất định về các kĩ năng lập tạo ra các ứng dụng hoặc khai thác các nguồn dữ liệu này để phục vụ học tập. Vì những lý do trên, cùng với mong muốn hỗ trợ các sinh viên trường Đại học Lâm nghiệp có thể dễ dàng hơn trong việc nghiên cứu, dưới sự hướng dẫn của thầy Trần Xuân Hòa em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu nền tảng công nghệ Google Earth Engine, ứng dụng xây dụng phần mềm phân tích, khai thác sữ liệu từ ảnh vệ tinh dành cho sinh viên học viên Đại học Lâm Nghiệp” để làm đề tài nghiên cứu khóa luận tốt nghiệp.1 Mục đích chọn đề tài Em mong muốn có thể làm chủ công nghệ mới, tạo ra công cụ giúp sinh viên trường Đại học Lâm nghiệp có thể tiếp cận, thao tác, nghiên cứu với nguồn dữ liệu khổng lồ của nền tảng Google Earth Engine.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Qua đề tài trên, em muốn hiểu rõ, nắm bắt phương thức hoạt động, thành phần ưu, cách thao tác với nền tảng Google Earth Engine.
Giúp sinh viên có thể dễ dàng thu thập, đánh giá các chỉ số tự nhiên thông qua dữ liệu mà nền tảng mang lại.3 Ý nghĩa khoa học của đề tài Trực quan hóa bộ dữ liệu vệ tinh, từ đó đưa ra các giải pháp giải quyết các vấn đề liên quan tới môi trường, kinh tế và xã hội… 1 Mục tiêu 1.1 Mục tiêu chung Sử dụng nền tảng công nghệ Google Earth Engine để tạo ra ứng dụng giúp sinh viên Lâm Nghiệp có thể tiếp cận, khai thác dữ liệu ảnh vệ tinh 1.2 Mục tiêu cụ thể Để có thể đi tới mục tiêu chung, những mục tiêu cụ thể sau cần đạt được: Hiểu về nền tảng công nghệ Google Earth Engine Thử nghiệm được ứng dụng Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu trên, đề tìa tiến hành nghiên cứu các nội dung sau: Nội dung 1: khảo sát thực trạng - Sau khi khảo sát ở trường Đại học Lâm Nghiệp, em thấy một sản phẩm có thể quan sát sự biến đổi của diện tích rừng là rất hữu ích và cần thiết. Nội dung 2: nghiên cứu công nghệ: - Nghiên cứu nền tảng công nghệ Google Earth Engine. - Nghiên cứu công nghệ web phát triển backend: Python, Django, Restfull API… - Nghiên cứu các công nghệ web phát triển front-end: HTML, CSS, Javascript, Bootstrap. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu - Đối tượng về mặt công nghệ: nền tảng Google Earth Engine - Đối tượng về mặt dữ liệu: Dữ liệu ảnh vệ tinh - Đối tượng về mặt con người: Sinh viên Trường Đại học Lâm nghiệp.
Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi công nghệ: nghiên cứu các công cụ công nghệ phát triển ứng dụng Web và công nghệ Google Earth Engine - Phạm vi về không gian và thời gian: Từ ngày 15 tháng 02 năm 2022 đến ngày 20 tháng 07 năm 2022 - Phạm vi về con người: nghiên cứu khảo sát mong muốn của sinh viên về một trang ứng dụng có thể thu thập dữ liệu từ ảnh vệ tinh. 2 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thu thập dữ liệu - Thu thập dữ liệu nhu cầu của người dùng qua bảng khảo sát câu hỏi và phỏng vấn. Phương pháp xử lý số liệu - Thông tin số liệu xử lý bằng các công cụ lập trình và phần mềm máy tính. Phương pháp phân tích số liệu: - Phương pháp so sánh đối chiếu: được sử dụng để kiểm tra độ chính xác thông tin dữ liệu.
Các phương pháp khác: - Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến của thầy hướng dẫn Trần Xuân Hòa và các thầy cô ngành Hệ thống thông tin. - Phương pháp kế thừa: Kế thừa kết quả nghiên cứu, các ứng dụng thông tin dữ liệu trên các bài viết về Google Earth Engine 3 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khảo sát thực trạng Hiện nay nhu cầu dữ liệu địa lí của sinh viên Đại học Lâm nghiệp để phục vụ cho mục đích nghiên cứu, đánh giá là rất lớn. Tuy nhiên, những sinh viên không thuộc ngành công nghệ thông tin sẽ có những khó khăn nhất định trong việc khai tạo ra các ứng dụng để khai thác nguồn dữ liệu trực tuyến sẵn có. Đặc tả yêu cầu bài toán Sinh viên cần một công cụ có thể giải quyết các vấn đề sau: Tiện dụng: có thể cung cấp dữ liệu được update thường xuyên mà không cần phải tồn nguồn lực khảo sát thực địa.
Đa dạng: nguồn dữ liệu được cung cấp trải toàn hành tinh. Miễn phí Lựa chọn giải pháp lập trình, công nghệ nền tảng phát triển Giải pháp lập trình và công nghệ nền tảng phát triển phần mềm lựa chọn cần phải đáp ứng được các yêu cầu chung về phát triển phần mềm, tuân thủ các nguyên tắc xây dựng phần mềm, và các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật được áp dụng. Em đã đánh giá và xây dựng các tiêu chí lựa chọn đảm bảo phù hợp: Giải pháp lập trình - Ngôn ngữ lập trình mạnh, linh hoạt - Khung phát triển ứng dụng nhanh, bảo mật - Làm việc với đa dạng cơ sở dữ liệu - Hỗ trợ nhiều công nghệ mới, thuận lợi cho xử lý dữ liệu lớn, AI. Giải pháp công nghệ nền tảng - Nguồn dữ liệu cung cấp đa dạng.
- Có thể truy cập dữ liệu linh hoạt - Miễn phí Giải pháp cơ sở dữ liệu - Hoạt động ổn đinh, an toàn, miễn phí và nhiều tính năng. - Phù hợp với yêu cầu phát triển website - Có cơ chế lưu trữ dạng dữ liệu địa lí Giải pháp thiết kế giao diện - Thiết kế giao diện phẳng, trực quan 4 - Tương tích tốt với các trình duyệt web: Chrome, Firefox, Edge…vv - Hiển thị thích ứng trên mọi loại thiết bị - Hỗ trợ các chuẩn mới Giải pháp hạ tầng triển khai vận hành - Máy chủ: Linux (Ubuntu…) (nguồn mở, miễn phí) - Webserver: Nginx Dựa trên các tiêu chí đã xác nhóm nghiên cứu lựa chọn các giải pháp sau đây: Ngôn ngữ lập trình: Python Khung phát triển: Django framework Phát triển giao diện: HTML5, CSS3, Bootstrap4, JS (JQuery, VueJS) Cơ sở dữ liệu: PostgreSQL Nền tảng công nghệ Google Earth Engine Tiêu chuẩn dịch vụ: Restful API Máy chủ: Linux (Ubuntu…) (nguồn mở, miễn phí) Webserver: Nginx Lựa chọn kiến trúc hệ thống, mô hình phát triển Mô hình kiến trúc tổng thể: Hình 1: Mô hình kiến trúc tổng thể 5 Mô hình triển khai phần mềm Hình 2: Mô hình triển khai phần mềm 6 Tìm hiểu nền tảng Google Earth Engine 2.1 Khái niệm Google Earth Engine (GEE) là một nền tảng web mạnh mẽ để xử lý dữ liệu viễn thám dựa trên đám mây trên quy mô lớn. Nó tập hợp hình ảnh vệ tinh của thế giới - hàng nghìn tỷ số đo khoa học có từ gần 40 năm - và nó có sẵn, trực tuyến với các công cụ dành cho các nhà Hình 1:Figure Earth 3 11Engine là gì? Hình 2 Hình 3: Google Earth Engine khoa học, các nhà nghiên cứu và các quốc gia để khai thác kho dữ liệu khổng lồ này nhằm phát hiện các thay đổi và định lượng sự khác biệt trên bề mặt của Trái Đất. Các ứng dụng bao gồm: phát hiện nạn phá rừng, phân loại đất, hạn hán, thảm họa, bệnh tật, an ninh lương thực, giám sát khí hậu, bảo vệ môi trường, ước tính sinh khối rừng và carbon, và lập bản đồ khu vực không đường bộ trên thế giới.
Ưu điểm nằm ở tốc độ tính toán của nó, vì việc xử lý được thực hiện bởi các máy chủ của Google nên việc tính toán được thực hiện rất nhanh. Nền tảng cung cấp nhiều bộ dữ liệu được cập nhật liên tục, do đó, không cần tải xuống hình ảnh chưa qua xử lí. Một trong những công cụ làm việc trực tuyến của GEE là Earth Engine Code Editor, là môi trường phát triển tích hợp dựa trên web tạo điều kiện phát triển các quy trình định vị địa lý phức tạp.2 Google Earth Engine hoạt động như thế nào Sử dụng Code Editor, người dùng sẽ viết các lệnh được gửi dưới dạng một đối tượng tới Google để xử lý song song trong cloud(Server-side) của Google. Người dùng có thể nhận được kết quả từ Earth Engine trong trình duyệt của người dùng (Client-side), bao gồm các đối tượng như Bản đồ, biểu đồ hoặc kết quả thống kê, ….
Thông qua việc sử dụng các API, người dùng có thể lọc các bộ sưu tập hình ảnh khổng lồ theo các mốc thời gian và các khu vực họ quan tâm, thuật toán bản đồ trên các bộ sưu tập hình ảnh, áp dụng thuật toán cho từng hình ảnh hoặc bộ sưu tập và tính thống 7 kê tổng hợp thông qua thời gian và không gian mà không cần tải xuống máy tính của họ. Hình 4: Earth Engine hoạt động như thế nào 2.3 Google Earth Engine và viễn thám Viễn thám (Remote Sensing - RS) được hiểu là lĩnh vực khoa học thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tư liệu thu nhận đuợc bằng các phương tiện. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu. Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám.
Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh “Viễn thám là lĩnh vực khoa học công nghệ cho phép nghiên cứu, thu nhận từ xa các thông tin về đối tượng, hiện tượng trên bề mặt Trái Đất mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng”. 8 Cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám dựa trên bản chất vật lý trong tự nhiên là các vật thể (đối tượng) trong những điều kiện khác nhau thì khả năng phản xạ hoặc bức xạ của sóng điện từ sẽ có những đặc trưng riêng.