26/10/2020
1. Giới thiệu
Khái niệm “Thành phố thông minh” được hình thành bởi một số yếu tố. Nhưng về cơ bản, theo Ủy ban Châu Âu, có 6 lĩnh vực quan trọng cần có là: Chính quyền điện tử, kinh tế thông minh, đi lại thông minh, môi trường thông minh, cư dân thông minh và cuộc sống thông minh. Nhìn chung khái niệm này có thể được hiểu là tập hợp các giải pháp thông minh dựa trên công nghệ thông tin và truyền thông để phát triển kinh tế bền vững, nâng cao hiệu quả hoạt động và chất lượng cuộc sống ở đô thị, cải thiện sự tương tác giữa chính quyền thành phố, doanh nghiệp và người dân, đồng thời quản lý sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên, giảm thiểu tác động đến môi trường.
Theo dự báo của Liên hợp quốc, đến năm 2030, hơn 80% dân số thế giới sẽ sống ở các thành phố. Điều này sẽ dẫn đến sự thiếu hụt các nguồn tài nguyên khác nhau, gia tăng chất thải rắn đô thị và ô nhiễm môi trường chung, từ đó các vấn đề kinh tế - xã hội sẽ trở nên trầm trọng hơn. Do đó cần nâng cao chất lượng cuộc sống và môi trường đô thị. Để đáp ứng được các yêu cầu đó, yêu cầu sử dụng các giải pháp kỹ thuật và các biện pháp tổ chức hiệu quả nhằm hỗ trợ cho công tác quản lý, cải thiện điều kiện sống của dân cư dựa trên các mục tiêu quy hoạch lãnh thổ của từng địa phương.
Năm 1992, Liên hợp quốc đã tổ chức một Hội nghị tại Rio de Janeiro từ ngày 3 - 14 6 năm 1992, trong đó có 172 Chính phủ tham gia với 116 quốc gia gửi tới Hội nghị người đứng đầu Nhà nước hay Chính phủ (tức là gần như tất cả các quốc gia trên thế giới đều tham gia Hội nghị). Hội nghị tuyên bố sự cần thiết phải chuyển đổi sang “Phát triển bền vững”. Việt Nam tham dự Hội nghị này và các hội nghị khác như Hội nghị Thượng đỉnh thế giới về Phát triển bền vững ở Jahannesburg, Nam Phi năm 2002 và đã ký Tuyên ngôn Rio về môi trường và phát triển, Chương trình nghị sự 21 toàn cầu… cam kết thực hiện phát triển bền vững (PTBV).
Khái niệm “Thành phố thông minh” có nghĩa là PTBV các quần thể đô thị, điều kiện tiên quyết là giám sát liên tục các cơ sở hạ tầng chính sử dụng công nghệ thông tin và truyền thông.
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) dựa trên nguyên tắc tích hợp dữ liệu không gian - thời gian có thể được sử dụng làm công nghệ như vậy.
Kiến trúc thành phố thông minh nên bao gồm một số yếu tố để đảm bảo quá trình chuyển đổi số đáp ứng mục đích quản lý đô thị hiệu quả. Các yếu tố đó bao gồm: Chất lượng quản lý tài nguyên đô thị, chất lượng dịch vụ và sự tham gia của người dân vào quá trình quản lý thành phố, môi trường sinh thái và an toàn, cơ sở hạ tầng đổi mới và hệ thống điều phối và kiểm soát hiệu quả của hệ thống thành phố thông minh.
Nhiệm vụ thực tế của hệ thống quản lý cho “Thành phố thông minh” đưa ra là giám sát toàn bộ chất lượng môi trường của thành phố. Mục đích của bài báo này chia sẻ kinh nghiệm các giải pháp ứng dụng tại Liên Bang Nga đã thực hiện, nhằm giám sát môi trường dựa trên ứng dụng công nghệ thông tin địa lý (GIS). Các dự án giám sát môi trường cụ thể được đánh giá về chức năng, tính linh hoạt và khả năng thích ứng với các nhiệm vụ chuyên đề khác nhau.
2. Phương pháp và kỹ thuật
Một trong những yếu tố quan trọng trong việc quản lý “Thành phố thông minh” đó là việc đảm bảo an toàn môi trường, việc này cần được xây dựng dựa trên việc thực hiện các quy trình giám sát hiệu quả.
Công nghệ giám sát và quan trắc trạng thái môi trường bao gồm các giai đoạn sau:
- Đo lường các chỉ số giám sát;
- Thu nhập thông tin và hợp nhất dữ liệu;
- Xử lý kết quả đo bằng phương pháp nội suy và ngoại suy các dữ liệu;
- Đánh giá hiện trạng tức thời của các chỉ tiêu giám sát;
- Xác định các khu vực của thành phố có giá trị nền vượt quá nồng độ cho phép;
- So sánh các biểu hiện giới hạn của các quá trình, hiện tượng hoặc các sự kiện với các chỉ số giám sát khác; xác định sự lặp lại trong việc phát triển các quá trình hay hiện tượng;
- Đưa ra các dự báo về những thay đổi có thể có;
- Lập báo cáo và đưa ra các ghi chú phân tích cụ thể.
GIS cho phép theo dõi tính toán số lượng, cấu trúc và sự phân bố dân cư trong khu vực được nghiên cứu với sự kết hợp đính tính của các yếu tố địa lý, khí hậu, thủy văn và sinh học ở một số khu vực nhất định trên bề mặt trái đất. Phần mềm này được xây dựng trên cơ sở mở, nghĩa là các chức năng của nó sẽ được cập nhật và điều chỉnh cho phù hợp với người dùng.
Hiện nay tại Nga, nền tảng thương mại phổ biến nhất là bản GIS “Bản đồ 2011” (Карта 2011). Ở Bảng 1 cho thấy, các phương tiện thực hiện công nghệ giám sát môi trường với sự hỗ trợ thông qua phần mềm GIS. Hệ thống cho phép thực hiện các cơ chế kết nối các công cụ địa lý bên ngoài với việc tích lũy tự động các lớp dữ liệu đã có trong bộ nhớ. Nếu không có kết nối internet, chương trình vẫn có thể sử dụng dữ liệu đã lưu trong bộ nhớ để tạo ra ảnh bản đồ mô tả.
Ngoài ra trong hệ thống này có thể thực hiện việc tích hợp dữ liệu trong các hệ thống tọa độ khu vực và địa phương khác nhau, bao gồm cả nền tảng của các cơ quan địa lý bên ngoài được kết nối. Chương trình có thể cung cấp việc xây dựng các mô hình nội suy và dụ đoán về sự phân bố các chỉ số môi trường.
Bảng 1: Các giải pháp giải quyết các yêu cầu về quan trắc môi trường với phần mềm GIS “Bản đồ 2011”
|
STT |
Yêu cầu |
Giải pháp |
|
1 |
Tải các tọa độ từ tệp văn bản |
Tệp văn bản với tọa độ các điểm được thể hệ trên bản đồ đầu ra. |
|
2 |
Kết nối bộ thu GPS |
Thiết lập kết nối với bộ thu, hiển thị vị trí của vệ tinh trên bầu trời, làm việc với tọa độ điểm. |
|
3 |
Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu |
Tạo bảng, nhập và chỉnh sửa thông tin trong các trường của biểu mẫu chuẩn hoặc tùy chỉnh, cũng như các chế độ khác nhau để cập nhật bản đồ với dữ liệu từ các bảng cơ sở dữ liệu. |
|
4 |
Xây dựng các đường đồng mức bằng các đối tượng điểm |
Xây dựng các đường có giá trị bằng nhau của đặc tính bằng một tập hợp các điểm chọn. |
|
5 |
Tạo ma trận các đặc tính chất lượng |
Xây dựng ma trận, các phương pháp trung bình có trọng số, logarit và nội suy tuyến tính trên một lưới tam giác được sử dụng. |
|
6 |
Xây dựng các vùng tương ứng theo kết quả tính toán |
Các phép toán với dữ liệu ma trận của nhiều loại khác nhau (DEM, lớp,...); hiển thị các kết quả thu được bằng đồ thị trên bản đồ. |
|
7 |
Hoạt ảnh dữ liệu |
Thực hiện các phép đo theo chu kỳ. |
Đối với các mô hình nội suy cho phép hình thành các ma trận và các bản đồ đồng mức ở những địa điểm được cung cấp dữ liệu đang tin cậy, còn đối với mô hình dự báo cho phép thực hiện trong giới hạn toàn bộ lãnh thổ được phân tích.
Các ma trận về đặc điểm trạng thái sinh thái của các thành phần riêng lẻ trong môi trường có thể được sử dụng để phân tích và đánh giá mức độ ô nhiễm tiếp theo.
Ví dụ: Để xác định mức độ ô nhiễm đất sử dụng giá trị tổng chỉ số ô nhiễm Zc, giá trị này được xác định theo công thức sau:
(1) 
Trong đó: n – số lượng nguyên tố hóa học được tính; Kci – hệ số nồng độ chất ô nhiễm i, lớn hơn 1;
Hệ số nồng độ (Kci) được xác định theo công thức sau:
(2)
Trong đó: Ci – nồng độ thực tế của chất ô nhiễm; Cf – hàm lượng trung bình của chất ô nhiễm.
Việc xác định mức độ ô nhiễm đất có thể thực hiện dựa trên số liệu trong Bảng 2.
Bảng 2: Thang đánh giá mức độ ô nhiễm của đất bởi kim loại nặng theo chỉ số ô nhiễm tổng (Zc)
|
STT |
Mức độ ô nhiễm |
Chỉ số ô nhiễm tổng (Zc) |
|
1 |
Cho phép |
Dưới 16 |
|
2 |
Nguy hiểm ít |
16-32 |
|
3 |
Nguy hiểm |
32-128 |
|
4 |
Cực kỳ nguy hiểm |
Lớn hơn 128 |
Tổ chức Y tế thế giới (WHO) coi việc đất nhiễm chì, thủy ngân và cadimi là nguy hiểm nhất. Tuy nhiên, với nồng độ cao của các chất ô nhiễm khác cũng có tác hại nguy hiểm không kém.
Bộ công cụ GIS cho phép vận hành linh hoạt các phép biến đổi ma trận: Ma trận đặc trưng của từng thành phần chất ô nhiễm, sau đó tính toán ma trận Kci đối với từng thành phần chất ô nhiễm và ở giai đoạn cuối tính toán ma trận ước tính của chỉ số ô nhiễm tổng Zc.
Kinh nghiệm thực tế cho thấy, việc áp dụng GIS “Bản đồ 2011” để nghiên cứu mức độ ô nhiễm môi trường đất tại thành phố Novosibirsk, Liên Bang Nga đã mang lại kết quả tốt, chứng minh tính nhất quán và hiệu quả của việc ứng dụng công nghệ thông tin trong việc giải quyết các vấn đề về giám sát môi trường. Các công cụ GIS giúp tính toán các hệ số của tổng các chỉ số ô nhiễm và đánh giá các nguồn chính gây ô nhiễm cường độ cao với kim loại nặng, cũng như phân tích động lực của sự thay đổi các chỉ số ô nhiễm trong thành phần của đất, thảm thực vật và tuyết phủ.
Ngoài ra, theo kinh nghiệm thực tế áp dụng tại thành phố Voronezh - Liên Bang Nga, thành phố đã triển khai hệ thống (GIS) giám sát môi trường có tích hợp với giám sát mức độ rủi ro đối với sức khỏe cộng đồng trong khu vực đô thị. Sử dụng phương pháp hiệu quả để tổng hợp dữ liệu không gian không đồng nhất là bản đồ kết hợp tự động hóa tất cả các khâu làm việc với thông tin. Các hệ thống thông tin địa lý tích hợp sử dụng là: ArcGIS, MapInfo Professional, GIS "Bản đồ". Khả năng xử lý và hiển thị bản đồ của một khối lượng lớn dữ liệu môi trường trong lãnh thổ các khu vực đô thị hóa lớn đều sử dụng công cụ GIS, công cụ giúp theo dõi thuận tiện việc giám sát sức khỏe cộng đồng, có tính đến các tác động của các yếu tố rủi ro môi trường đối với đô thị. Cấu trúc của GIS được tạo trong môi trường MapInfo áp dụng đối với thành phố Voronezh, tập trung vào việc tích hợp các cơ sở dữ liệu về các thông số của nguồn ô nhiễm, các chỉ số về trạng thái của môi trường tính và động khác nhau (không khí, nước, đất), đặc điểm sinh học, tiêu chí về tình trạng sức khỏe của dân cư ("MED-ECOGIS of Voronezh").
|
|
Hình. Bản đồ đánh giá tổng thể về rủi ro môi trường đối với sức khỏe của người dân thành phố Voronezh, Liên Bang Nga ứng dụng công nghệ GIS |
3. Thực trạng và bài học cho Việt Nam
Hiện nay, tại Việt Nam GIS đã được áp dụng trong các lĩnh vực như quản lý môi trường, khí tượng thủy văn, nông nghiệp và phát triển nông thôn. Tuy nhiên, việc áp dụng GIS của các ngành và các địa phương còn chưa đồng bộ. Đặc biệt trong việc giám sát môi trường phát triển đô thị thì việc áp dụng công nghệ để nâng cao khả năng quản lý còn rất yếu. Thực tế còn nhận thấy rằng, tại một số địa phương đã đầu tư thực hiện phần nào các bản đồ số hóa cho đô thị nhưng hệ thống thông tin cập nhật chỉ mang tính tạm thời, không thường xuyên và không được duy trì vì gặp khó khăn do điều kiện nâng cấp phần cứng và phần mềm, trình độ nhân lực và kinh phí,… từ đó dẫn đến việc đầu tư không hiệu quả.
Đối với “Thành phố thông minh” yêu cầu đề cao việc PTBV trong đô thị, nghĩa là không chỉ chú trọng đến việc quản lý chất lượng môi trường sống, mà còn phải quan tâm đến yếu tố rủi ro, từ đó tạo ra một cuộc sống an toàn cho dân cư của đô thị. Vì vậy cần từng bước tạo ra các chuyên đề GIS như: "Ô nhiễm không khí và nền âm"; "Chất lượng nước cấp"; "Ô nhiễm nước mặt"; "Ô nhiễm đất"; "Hệ sinh vật đô thị"; "Hạ tầng kinh tế - xã hội"; "Sức khỏe cộng đồng"… GIS bao gồm các hệ thống con để lưu trữ các dữ liệu từng chuyên đề, từ đó tích hợp và hỗ trợ các thuật toán để đánh giá rủi ro môi trường. Trên cơ sở kết quả đó, các nhà phân tích và quản lý có thể đưa ra các quyết sách phù hợp để xây dựng hệ thống “Thành phố thông minh”.
Do đó yêu cầu đặt ra là để áp dụng GIS hiệu quả khi xây dựng “Thành phố thông minh”, cần thiết phải có tính hệ thống và đồng bộ trong việc cập nhật và tích hợp dữ liệu, nâng cao cơ sở vật chất, đầu tư nâng cao năng lực đồng bộ từ Trung ương đến địa phương; duy trì cơ chế đầu tư, ngoài ra việc áp dụng phải có những thể chế và quy định thống nhất. Vì thế, cần xây dựng đề án cụ thể, quy định về việc quản lý giám sát môi trường trong công tác quy hoạch và quản lý đô thị từ các cơ quan nhà nước nhằm đưa ra những chế tài và hướng dẫn cụ thể cho việc áp dụng GIS đồng bộ và hiệu quả.
4. Kết luận
Khi thiết kế hệ thống “Thành phố thông minh”, điều quan trọng là phải tích hợp quan trắc môi trường vào đó.Sự phức tạp của nó sẽ phụ thuộc vào mức độ chi tiết của hệ thống, số lượng tài liệu và nguồn lực được phân bổ phù hợp với quy mô của Thành phố. Tích hợp các khía cạnh môi trường với hệ thống quản lý chung có thể góp phần thực hiện hiệu quả giám sát môi trường, cũng như nâng cao độ tin cậy của các dự báo.
TS. Nguyễn Phương Ngọc
Khoa Xây dựng, Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường số Chuyên đề Tiếng Việt III/2020)
