Chuẩn Sensor Web Enablement phục vụ chia sẻ và tích hợp dữ liệu quan trắc trong ngành tài nguyên và môi trường đáp ứng thời gian thực

Với mục tiêu hiện đại hóa công nghệ quan trắc phục vụ giám sát và quản lý tài nguyên và môi trường, các cơ quan trực thuộc Bộ TN&MT và các tỉnh thành đã và đang triển khai các hệ thống quan trắc trong mọi lĩnh vực như: quan trắc chất lượng nước, quan trắc thủy văn, quan trắc tài nguyên nước, quan trắc chất lượng không khí,…các hệ thống của địa phương và các đơn vị đã phục vụ tốt từng mục tiêu quan trắc của hệ thống. Tuy nhiên, hiện trạng ứng dụng công nghệ thông tin trong việc thu thập, lưu trữ, quản lý và khai thác dữ liệu quan trắc cũng đã cho chúng ta thấy một số vấn đề như sau:
– Các hệ thống quan trắc tự động được trang bị bởi các nhà cung cấp khác nhau và các thông tin, dữ liệu được quản lý bởi các hệ thống thông tin khác nhau về phần cứng, phần mềm quản trị CSDL, phần mềm hệ thống,…
– Mô hình dữ liệu quản lý dữ liệu quan trắc cũng khác nhau do mục tiêu thiết kế và cài đặt được phục vụ cho những yêu cầu cụ thể và ở góc nhìn có tính chuyên ngành sâu và có tính “độc lập” trong các mô hình quản lý dữ liệu của các đơn vị khác nhau.
– Nếu một thiết bị của một hãng đã được chọn thì các đầu cảm biến cũng phải mua của hãng đó cho dù có thể với tiêu chí quan trắc nào đó được đo bằng đầu cảm biến của các hãng khác tốt hơn. Như vậy chúng ta thấy được sự lệ thuộc vào công nghệ của các hãng cung cấp giải pháp rất nhiều và khó tách ra được. Điều này dễ sinh ra độc quyền, có khả năng gây ra tốn kém kinh phí đầu tư và không tận dụng được hết sức mạnh công nghệ của các nhà cung cấp khác nhau.
Trong khi đó yêu cầu về chia sẻ, tích hợp dữ liệu quan trắc từ các hệ thống khác nhau là rất cần thiết để phục vụ hiệu quả và tiết kiệm kinh phí đầu tư trong giám sát tài nguyên và môi trường trên địa bàn cả nước. Thực tế rất cần có một giải pháp tích hợp. chia sẻ dữ liệu từ các hệ thống địa phương với các hệ thống trung ương, từ các hệ thống quan trắc môi trường với hệ thống quan trắc thủy văn, giữa hệ thống quan trắc tài nguyên nước với hệ thống quan trắc thủy văn, khí tượng,…. Trong bối cảnh đa dạng về công nghệ.
Từ hiện trạng và yêu cầu chia sẻ tích hợp nói trên, những khó khăn chúng ta gặp phải như sau:
– Không thể tích hợp một cách nhanh tróng và đáp ứng thời gian thực do đa dạng về công nghệ và mô hình dữ liệu.
– Các ứng dụng khai thác sẽ rất khó phát triển vì thiếu chuẩn mực về mô hình dữ liệu chung và mô hình giao tiếp giữa các hệ thống.
– Tích hợp với các dữ liệu không gian (GIS, geospatial data) từ các hệ thống khác sẽ khó khăn vì không có chuẩn trao đổi dữ liệu và chuẩn giao tiếp.
Các công nghệ truyền thống thường chỉ tập trung vào việc xử lý ảnh, dịch vụ vị trí, xử lý dữ liệu không gian, định tuyến, quản lý hạ tầng, cơ sở dữ liệu không gian và các WebGIS. Ngày nay, khả năng giao tiếp với thông tin vị trí, dữ liệu đo đạc và các thông số khác của sensor giữa các hệ thống quản lý giám sát môi trường, tài nguyên với nhau là vấn đề bức xúc trong việc hòa nhập thông tin trong các mạng lớn như Internet, mạng xã hội , thiết bị di động. Một lãnh thổ (một tỉnh, một vùng, một quốc gia) có thể chỉ sử dụng một công nghệ giám sát môi trường nhưng vấn đề quản lý, giám sát tài nguyên rõ ràng là vấn đề liên vùng lãnh thổ và không thể có một vùng lãnh thổ nào có thể tự xử lý tốt, tận gốc các vấn đề ô nhiễm môi trường, thảm họa thiên tai của riêng mình. Chính vì thế, việc mong muốn một hệ thống thống nhất về công nghệ chắc chắn khó thực hiện được và sự đa dạng công nghệ trong thế giới hiện nay là một yếu tố khách quan không thể không đối mặt.
Để giải quyết các vấn đề nêu trên, OGC đã đề xuất mô hình chuẩn SWE nhằm đảm bảo các hệ thống quan trắc có thể nói chuyện với nhau thông qua các giao tiếp chuẩn. Cũng giống như chuẩn giao thức HTTP, HTML có khả năng trao đổi nhiều loại thông tin trên Internet, SWE hướng đến việc tạo ra các chuẩn nhằm đảm bảo khả năng các sensor và hệ thống quan trắc có thể tìm kiếm, khám phá tìm hiểu, trao đổi và xử lý, sử dụng các dữ liệu, thông tin về quan trắc phục vụ các nhu cầu quản lý và cuộc sống hàng ngày. Các chức năng chính mà OGC đưa ra cho bộ chuẩn SWE cần thực hiện là:
– Đảm bảo khả năng tìm kiếm, khám phá các hệ thống sensor, các trạm quan trắc và các tiến trình xử lý quan trắc một cách nhanh tróng và phù hợp với nhu cầu của chúng ta.
– Xác định được khả năng đáp ứng của sensor và chất lượng đo lường của sensor đó.
– Có khả năng truy cập và khai thác được các thông số của sensor và từ đó có thể xử lý, xác định được vị trí không gian của nó.
– Có khả năng lấy được các dữ liệu quan trắc theo thời gian thực hoặc theo một chuỗi thời gian và dữ liệu được trình bày theo một dạng mã hóa chuẩn.
– Giao nhiệm vụ cho sensor thực hiện quan trắc theo ý muốn.
– Đăng ký và công bố những cảnh báo về sensor hoặc các dịch vụ của sensor dựa trên các tiêu chí cụ thể nào đó.
Mô hình khái niệm của OGC Sensor Web Enablement thể hiện rõ tầm nhìn và mong muốn mà tổ chức này đề xuất, đó là:
– Tất cả các sensors đều có khả năng báo cáo về vị trí địa lý mà nó đang được vận hành.
– Tất cả sensors đều được kết nối qua môi trường Web.
– Tất cả các sensors phải được mô tả dưới dạng siêu dữ liệu.
– Tất cả các sensors đều có thể đọc được dữ liệu từ xa.
– Tất cả các sensor đều có khả năng điều khiển từ xa.
Hiện thực hóa các mong muốn nêu trên có nhiều mức độ ứng dụng trong thực tế rất khác nhau. Người ta có thể chuẩn hóa từ thiết bị sensor theo quy định của OGC SWE nhưng cũng có thể giữa hệ thống với hệ thống…Nhìn nhận tầm nhìn của OGC SWE nêu trên cần trên quan điểm rất nhiều công nghệ khác biệt liên quan nằm giữa người sử dụng (các chuyên gia kỹ thuật) với các sensors. Dưới con mắt của các chuyên gia thì các công nghệ trung gian đó đã được “ảo hóa”, “trong suốt” để đạt các yêu cầu mà mô hình đề ra.
Mô hình thử nghiệm tích hợp quan trắc đại đương của Mỹ (an Integrated Ocean Observation System Testbed, xem thêm tại http://www.ogcnetwork.net/node/346 ) với sự tham gia của hơn mười tổ chức nghiên cứu, các trung tâm, các trường đại học và các cơ quan của chính phủ nhằm tích hợp, đồng vận hành các hệ thống quan trắc đại dương của các tổ chức nói trên thành một hệ thống tích hợp duy nhất về mặt logic. Từ đó, các nhà hoạch định chính sách có thể tập hợp đầy đủ nhất các dữ liệu liên quan (như nhiệt độ nước biển, sóng, oxy hòa tan,…) của vùng cần quan tâm. Các tổ chức nói trên có những thiết bị, hệ thống thu thập và phương pháp đo lường khác nhau. Chính vì thế để có thể đạt được mục tiêu họ đã sử dụng chung bộ chuẩn về tương hợp hệ thống, trong đó có bộ chuẩn OGC SWE làm nòng cốt, bao gồm các chuẩn chinh như sau:
– Sensor Observation Service (SOS)
– SensorML
– Observation và Measurement (O&M)
– SOS Registry.
Với việc sử dụng các chuẩn OGC về hệ thống thông tin địa lý và các chuẩn SWE nêu trên, hàng ngàn sensors của các tổ chức khác nhau được thể hiện trên bản đồ duy nhất và có thể truy cập để khai thác, đánh giá các dữ liệu đó phục vụ cho các nghiên cứu chuyên biệt.
Nhờ có sự tích hợp các số liệu từ nhiều tổ chức khác nhau nên các hệ thống có thể dự báo được độ chính xác của sóng biển, độ cao mực nước,…và mô hình hóa các bài toán thủy lực trong tương lai. Chương trình thử nghiệm mô hình tích hợp quan trắc đại dương được thực hiện dưới sự tư vấn của tổ chức OOSTethys (http://www.ogcnetwork.net/node/344) , nơi quy tụ các nhà phát triển phần mềm và các nhà khoa học nghiên cứu đại dương, nghiên cứu và phát triển các công cụ tài nguyên mã mở phục vụ cho việc tích hợp các hệ thống quan trắc tài nguyên. OOSTethys cung cấp cho chương trình thử nghiệm mô hình tích hợp quan trắc đại dương một khung kiến trúc chung, các chuẩn áp dụng và các công cụ để vận hành kiến trúc đó đi vào thực tế.
Cơ quan quản trị khí quyển và đại dương của Chính phủ Mỹ là một trong những tổ chức đi đầu trong việc áp dụng các chuẩn mở quốc tế để cung cấp dữ liệu quan các dịch vụ Web cho các nhà nghiên cứu và các tổ chức khắp nơi trên thế giới. NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) có nhiệm vụ quan trắc khí quyển và đại dương nên các số liệu quan trắc tự động đóng vai trò rất quan trọng trong hoạt động của tổ chức. Trung tâm cung cấp dịch vụ và sản phẩm quan trắc đại dương của NOAA (Center for Operational Oceanographic Products and Services) đã cung cấp một cổng thông tin để cung cấp các số liệu quan trắc theo chuẩn OGC SWE như SensorML, Sensor Observation Service và các chuẩn khác như W3C WSDL (xem tại http://opendap.co-ops.nos.noaa.gov ). Nhờ nó mà các ứng dụng hoặc người sử dụng (các nhà nghiên cứu có thể dễ dàng truy cập và tiếp cận dữ liệu.
Từ việc cung cấp các dịch vụ dữ liệu theo chuẩn SWE rất nhiều ứng dụng có thể khai thác và sử dụng một cách linh hoạt. Một trong những ứng dụng đó là tích hợp các nguồn dữ liệu khác nhau để phục vụ cho hệ thống cảnh báo sóng thần cho các vùng biển, đới bờ của nước Mỹ.
Nguyên tắc của việc cảnh báo sóng thần dựa trên việc đo liên tục mực nước biển dâng qua nhiều thời kỳ và hiện nay, khả năng đo đã có thể đo trong vòng 1 phút cho đến 6 phút. Các số liệu qua nhiều thời kỳ sẽ được mô hình hóa phục vụ dự báo trong tương tai nhằm phát hiện các đột biến về vật lý trong môi trường biển, từ đó có thể cảnh báo được sóng thần hoặc giải đáp các hiện tượng thiên nhiên như biến đổi khí hậu, trái đất nóng lên, băng tan,…