Ứng dụng thiết bị bay không người lái trong công tác quản lý rừng tại xã đăk kơ ning, huyện kông chro, tỉnh gia lai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP TRẦN SINH TIẾN ỨNG DỤNG THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI TRONG CÔNG TÁC QUẢN LÝ RỪNG TẠI XÃ ĐĂK KƠ NING, HUYỆN KÔNG CHRO, TỈNH GIA LAI CHUYÊN NGÀNH : LÂM HỌC MÃ NGÀNH :8620201 LUẬN VĂN THẠC SĨ LÂM HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HUỲNH NHÂN TRÍ Gia Lai, 2023 i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, thực hướng dẫn TS Huỳnh Nhân Trí Các kết nghiên cứu trình bày luận văn trung thực, khách quan chưa công bố cơng trình khoa học khác Tơi xin cam đoan nội dung, số liệu kết nghiên cứu luận văn hồn tồn trung thực Thơng tin, số liệu trích dẫn từ nguồn tài liệu có ghi dẫn nguồn gốc rõ ràng Gia Lai, ngày tháng năm 2023 Tác giả luận văn Trần Sinh Tiến ii LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập hoàn thành luận văn, tác giả nhận quan tâm, giúp đỡ Khoa Đào tạo sau đại học thầy, cô giáo Trường Đại học Lâm nghiệp Gia Lai, Ban lãnh đạo Phân viện Điều tra quy hoạch rừng Nam Trung Bộ Tây Nguyên, UBND xã Đăk Kơ Ning, xin chân thành cảm ơn giúp đỡ q báu Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành tới TS Huỳnh Nhân Trí - người hướng dẫn khoa học, trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ, truyền đạt kiến thức q báu dành tình cảm tốt đẹp cho suốt thời gian thực luận văn Tôi xin cảm ơn Ban lãnh đạo Phân viện Điều tra quy hoạch rừng Nam Trung Bộ Tây Nguyên tạo điều kiện cho tơi suốt q trình học tập hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn lãnh đạo ủy ban nhân dân xã Đăk Kơ Ning, huyện Kông Chro, tỉnh Gia Lai tạo điều kiện cho tơi thu thập số liệu ngoại nghiệp hồn thành luận văn Cuối tơi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè gia đình giúp đỡ, động viên tác giả suốt thời gian học tập hoàn thành luận văn Gia Lai, ngày tháng năm 2023 Tác giả luận văn Trần Sinh Tiến iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii ĐẶT VẤN ĐỀ Chương TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan Thiết bị bay không người lái 1.2 Tổng quan công tác nghiên cứu ứng dụng thiết bị bay không người lái giới Việt Nam 1.2.1 Trên giới 1.2.2 Ở Việt Nam 1.3 Định hướng phát triển ngành lâm nghiệp Việt Nam 1.3.1 Chiến lược phát triển lâm nghiệp Việt Nam giai đoạn 2006 2020 10 1.3.2 Chiến lược phát triển lâm nghiệp Việt Nam giai đoạn 2021 – 2030, tầm nhìn đến năm 2050 10 1.4 Thực trạng công tác quản lý rừng Việt Nam ứng dụng công nghệ 11 Chương MỤC TIÊU, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC NGHIÊN CỨU 14 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 14 2.2 Phạm vi giới hạn đề tài 14 2.3 Cơ sở lý luận vấn đề nghiên cứu 14 2.3.1 Cấu tạo chung nguyên lý hoạt động UAV 14 8936020959207 iv 2.4 Nội dung nghiên cứu 22 2.4.1 Cập nhật đồ hiên trạng rừng từ kết ảnh bay chụp thiết bị UAV xã Đăk Kơ Ning, huyện Kông Chro, tỉnh Gia Lai 22 2.4.2 So sánh kết phương pháp sử dụng UAV phương pháp truyền thống 22 2.4.3 Đề xuất số giải pháp 22 2.5 Phương pháp nghiên cứu thu thập số liệu 22 2.5.1 Phương pháp chung 22 2.5.2 Phương pháp cập nhật đồ trạng thiết bị bay chụp UAV 24 2.5.3 Phương pháp đánh giá sai số (giữa số liệu theo QĐ 74 số liệu kết bay chụp UAV) 27 2.5.4 Phân tích đánh giá đề xuất giải pháp 27 2.6 Đặc điểm khu vực nghiên cứu 27 2.6.1 Điều kiện tự nhiên 27 2.6.2 Đặc điểm dân sinh, kinh tế - xã hội 33 2.6.3 Đánh giá chung điều kiện tự nhiên, phát triển kinh tế, xã hội 35 Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 37 3.1 Kết cập nhật đồ trạng rừng từ kết ảnh bay chụp thiết bị UAV xã Đăk Kơ Ning, huyện Kông Chro, tỉnh Gia Lai 37 3.2 So sánh kết phương pháp sử dụng UAV phương pháp truyền thống 49 3.2.1 Quy trình cập nhật đồ trạng theo phương pháp truyền thống 49 3.2.2 So sánh số liệu theo phương pháp truyền thống phương v pháp sử dụng ảnh bay chụp UAV 50 3.2.3 So sánh đối chiếu kết kiểm chứng thực địa số liệu phương pháp điều tra 50 3.3 Đề xuất số giải pháp 60 3.3.1 Ứng dụng theo dõi, giám sát diễn biến rừng 58 3.3.2 Hiệu kinh tế sử dụng UAV mang lại 59 3.3.3 Mơ hình phân tích SWOT ứng dụng thiết bị bay UAV60 3.3.4 Đề xuất giải pháp 61 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Digital Elevation Nghĩa Tiếng Việt Mơ hình số độ cao DEM DSM Digital Surface Model Mơ hình số bề mặt GPS Global Positioning Hệ thống định vị tồn cầu PCCCR Phịng cháy chữa cháy rừng QLBVR Quản lý bảo vệ rừng UAS UAV UBND UTM Model Unmanned Aircraft Hệ thống máy bay không System người lái Unmanned Aerial Vehicles Máy bay không người lái Ủy ban nhân dân Universal Transverse Lưới chiếu hình trụ ngang Mercator đồng góc vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Hiện trạng rừng sử dụng đất phân theo chức xã Đăk Kơ Ning theo QĐ 74 32 Bảng 2.2: Hiện trạng rừng sử dụng đất quy hoạch lâm nghiệp xã Đăk Kơ Ning từ kết ảnh bay chụp UAV 45 Bảng 3.1: So sánh trạng rừng sử dụng đất lâm nghiệp phương pháp điều tra truyền thống phương pháp sử dụng ảnh bay chụp UAV 51 Bảng 3.2: Diện tích kiểm tra tính sai số phương pháp sử dụng 52 Bảng 3.3: Bảng so sánh số liệu QĐ 74, số liệu UAV kết kiểm chứng GPS 54 Bảng 3.4 : Kết Phân tích SWOT ứng dụng thiết bị bay khơng người lái………………… 60 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: UAV Falcon-PARS Hình 1.2: RCD30 UAV TC -1235 Hình 1.3: Cảm biến phi tiêu phóng vào thân Hình 1.4: Máy bay khơng người lái AV.UAV.S1 AV.UAV.S2 Hình 1.5: Hình ảnh ứng dụng thiết bị bay không người lái điều tra, giám sát tài nguyên rừng Việt Nam Hình 2.1: Máy bay không người lái Geoscan 201 Phantom 4RTK 16 Hình 2.2: Hệ thống máy ảnh Sony gắn máy bay UAV 17 Hình 2.3: Một số thiết bị điều khiển UAV sử dụng 18 Hình 2.4: Sơ đồ tổ chức bay chụp áp dụng cho vùng đồi núi 24 Hình 2.5: Thiết kế vùng bay phần mềm Geoscan Planner 2.8 25 Hình 2.6: Cơng tác rải tiêu đo điểm kiểm tra sử dụng máy GPS Topcon Hiper V 25 Hình 2.7: Quá trình máy bay thực đường bay 26 Hình 2.8: Vị trí địa lý xã Đăk Kơ Ning 28 Hình 3.1: Đường bay vùng nghiên cứu phần mềm Geoscan Planner 2.8 38 Hình 3.2: Hình ảnh ảnh đơn thu nhận sau trình thực bay chụp 38 Hình 3.3: Import ảnh phần mềm Agisoft Metashape Professional 39 Hình 3.4: Nhập tọa độ tâm ảnh cài đặt hệ tọa độ VN2000 Gia Lai 40 Hình 3.5: Cài đặt thông số chỉnh sửa, ghép ảnh 40 Hình 3.6: Kết ảnh DEM ảnh phủ ghép hồn thiện 41 Hình 3.7: Export ảnh thành phần mềm Agisoft Metashape Professional 41 ix Hình 3.8: Import ảnh thành đồ trạng phần mềm Mapinfo 42 Hình 3.9: Cập nhật trạng thay đổi phần mềm Mapinfo 43 Hình 3.10: Cập nhật diện tích thay đổi phần mềm Mapinfo 44 Hình 3.11: Cập nhật màu sắc trạng thái phần mềm Mapinfo 45 Hình 3.12: Biên tập hoàn thiện đồ 47 Hình 3.13: Số hóa, kiểm tra vị trí có thay đổi trạng ảnh google Earth 48 Hình 3.14: Tiến hành kiểm tra, khoanh vẽ ngồi thực địa 48 Hình 3.15: Trút điểm từ máy định vị vào phần mềm Mapinfo 50 Hình 3.16: Hiện trạng loại đất, loại rừng sau cập nhật thay đổi 50 Hình 3.17: Hình ảnh máy định vị cầm tay GPS 53 Hình 3.18: Hình ảnh trút điểm GPS vị trí rà sốt, đo đạc ngồi thực địa 53 Hình 3.19: Hình ảnh thiết kế vùng bay theo dõi, tuần tra theo điểm 59 ảnh nhiệt trực giao (orthophoto) với độ phân giải 20cm/pix mặt đất với khoảng cách mẫu Hệ thống trang bị máy bay UAV Geoscan 201: Tổ hợp không người lái GEOSCAN 201 dùng cho việc thu thập ảnh tham chiếu địa lý chụp ảnh đối tượng phân bố bề mặt, bước xử lý ảnh tiếp theo, để tạo đồ ảnh trực giao theo tỷ lệ 1:500; 1: 2000, tạo mơ hình địa hình 3D, tạo đồ độ cao khu vực, tính tốn khối lượng đá mỏ khai thác số lượng sở vật chất Đặc tính kỹ thuật GEOSCAN 201 cho phép thực hoạt sau: - Giám sát video điểm tỷ lệ lớn Giám sát xác mặt đất không gian bề mặt Phát giám sát nhóm thảm họa mơi trường tự nhiên người - Video giám sát điều khiển từ xa Theo dõi ảnh nhiệt ảnh địa lý Điều khiển liên tục nhiều UAV (lên tới chiếc) từ trạm điều khiển mặt đất, bao gồm thực song song nhiệm vụ bay thiết bị bay - Máy bay không người lái (UAV) Geoscan 201: - Phần mềm lập kế hoạch Geoscan - Modern liên kết vơ tuyến - Sạc pin - Trình khởi chạy túi vận chuyển - Phụ tùng phụ kiện Thông số kỹ thuật máy bay UAV Geoscan 201: Các thông số bay Thời gian bay 180 phút Bán kính hoạt động 75 km Hành trình lớn 210 km Tốc độ nhỏ nhất/lớn Vận tốc làm việc 64-130 km/h 80 km/h Độ cao hoạt động UAV 100-4000 m Độ cao hoạt động chụp 120-800 m Diện tích chụp chuyến bay độ phân giải cm/pix - 22 km Trọng lượng Trọng lượng cất cánh/Trọng lượng UAV, lắp camera pin Trọng lượng cất cánh lớn Tải trọng tối đa 5.5 kg kg 1.5 kg Thông số kỹ thuật Sải cánh Loại động 230 cm Điện Khởi động /Hạ cánh Thời gian chuẩn bị 10 phút Các thơng số bay Phóng Hạ cánh Dàn phóng (Sân 50x50 m) Dù Điều kiện thời tiết cho hoạt động -20 đến + 40 ° C Hoạt động phạm vi nhiệt độ ( từ - 40 đến + 500 C phiên Pro) Tốc độ gió tối đa gần mặt đất Máy chụp ảnh kỹ thuật: 12 m/s Phụ lục Cơ sở toán học phương pháp đo ảnh Khái niệm ảnh đo Các ảnh chụp dùng vào mục đích đo đạc gọi ảnh đo Ảnh đo số liệu gốc trình đo đạc phương pháp đo ảnh Nó hình chiếu xun tâm khơng gian vật mặt phẳng nghiêng Tuy nhiên định nghĩa có ý nghĩa hình học đơn Trong thực tế ảnh đo kết tổng hợp trình: Quá trình hình học: Việc chụp ảnh tuân theo quy luật phép chiếu xuyên tâm, mối quan hệ điểm ảnh điểm vật tuân theo quy luật phép chiếu Do muốn hiểu rõ mối quan hệ cần hiểu rõ quy luật chiếu hình phép chiếu xuyên tâm Quá trình quang học: Hình ảnh chụp phải thơng qua hệ thống thấu kính, lăng kính máy chụp ảnh chất lượng ảnh phụ thuộc vào chất lượng hệ thống thấu kính, lăng kính máy chụp ảnh Q trình hố học: Hình ảnh chụp được ghi lại vật ảnh (phim cứng phim mềm) chất lượng ảnh cịn phụ thuộc vào độ nhạy phim, trình rửa ảnh, in ảnh Đó kết q trình hố học chụp ảnh Ảnh đo kết q trình đó, ảnh đo có tính chất sâu đây: - Nội dung ảnh phản ánh trung thực chi tiết bề mặt đối tượng đo (địa hình, địa vật mặt đất khu vực chụp) chưa thể đầy đủ theo yêu cầu nội dung đồ Đây nguồn thông tin đối tượng đo thu nhận thờ điểm chụp ảnh Chúng khai thác theo mục đích khác q trình sử dụng - Mức độ chi tiết khả đo đạc ảnh đo phụ thuộc vào điều kiện phương thức chụp ảnh như: điều kiện khí tượng, thiết bị chụp ảnh, vật liệu ảnh, kỹ thuật chụp, rửa in ảnh Khái niệm phép chiếu Định nghĩa phép chiếu Việc biểu diễn vật thể mặt phẳng theo quy luật định gọi phép chiếu Hình ảnh nhận gọi hình chiếu Có nhiều loại phép chiếu khác Phép chiếu thẳng: Trong trắc địa để nhận bình đồ khu vực nhỏ ABCD bề mặt trái đất, tất điểm người ta chiếu lên mặt phẳng ngang theo phương dây dọi Phương pháp chiếu gọi phép chiếu thẳng đứng nhận hình chiếu A0B0C0D0 hình chiếu thẳng đứng Phép chiếu xuyên tâm: Nếu điểm khơng gian chiếu hình ABCD người ta chiếu lên mặt phẳng P tia chiếu qua điểm S gọi tâm chiếu phép chiếu gọi phép chiếu xuyên tâm, vết cắt tia chiếu lên mặt phẳng chiếu abcd gọi hình chiếu xuyên tâm hay hình chiếu phối cảnh điểm Những tia nhờ để thực phép chiếu gọi tia chiếu + Như tia phân bố không gian gọi tia chiếu Những tia chiếu qua điểm chung, điểm chung gọi tâm chiếu Những yếu tố hình học ảnh đo Trong đo ảnh người ta thường khôi phục vị trí chùm tia chụp khơng gian vật, điểm ảnh thường thể yếu tố, yếu tố gọi yếu tố hình học ảnh đo Các yếu tố là: Mặt phẳng E mặt phẳng vật Thường giả thiết mặt phẳng E mặt phẳng nằm ngang Mặt phẳng P mặt phẳng ảnh Trong trường hợp chung mặt phẳng P nghiêng với mặt phẳng E góc nghiêng α Góc α gọi góc nghiêng ảnh Điểm S tâm chụp hay tâm chiếu Vị trí S với mặt phẳng P xác định theo tiêu cự máy chụp ảnh cho thoả mãn điều kiện SO = fk (fk tiêu cự máy chụp ảnh) Qua tâm chiếu S dựng mặt phẳng W thẳng góc với mặt phẳng E mặt phẳng P Mặt phẳng W gọi mặt phẳng Đối với ảnh hàng khơng: Khi góc nghiêng ảnh a = tức mặt phẳng ảnh P nằm ngang (hình a) trường hợp ảnh hàng không lý tưởng Trong trường hợp điểm ảnh O, điểm đáy ảnh n, điểm đẳng giác C trùng điểm Trên mặt phẳng ảnh điểm tụ I đường chân trời hi hi nằm vô cực Đối với mặt phẳng đất: Khi góc nghiêng ảnh a = 90o, tức mặt phẳng ảnh P thẳng đứng (hình b) trường hợp chụp ảnh mặt đất lý tưởng Trong trường hợp điểm ảnh O trùng với điểm tụ I ảnh đường nằm ngang h 0h0 trùng với đường chân trời hi hi điểm đáy ảnh n nằm vô cực a Trường hợp ảnh hàng không b Trường hợp ảnh mặt đất Những yếu tố hình học ảnh đo Định nghĩa: để xây dựng mối quan hệ chiếu hình tương ứng ảnh đo đối tượng đo (địa hình, địa vật) cần phải xác định vị trí khơng gian ảnh đo khơng gian vật vị trí tương đối tâm chụp S mặt phẳng ảnh Những yếu tố hình học dùng để xác định vị trí nói ảnh đo định nghĩa chung nguyên tố định hướng ảnh đo Chúng chia thành loại: nguyên tố định hướng nguyên tố định hướng ảnh đo Các nguyên tố định hướng ảnh đo: Các nguyên tố định hướng ảnh đo yếu tố hình học xác định vị trí khơng gian tâm chụp S mặt phẳng ảnh nhằm khôi phục lại chùm tia chụp chụp ảnh Chúng bao gồm: Toạ độ điểm ảnh O hệ toạ độ mặt phẳng ảnh, tức là: x'0 y'0 ảnh hàng khơng (hình a) x'0 z'0 ảnh mặt đất (hình b) Khoảng cách từ tâm chụp S (tiết diện sau hệ thống kính vật máy chụp ảnh) đến mặt phẳng ảnh, tiêu cự máy chụp ảnh (So = fk) Phụ lục Các phương pháp thiết kế chụp ảnh theo tuyến bay Các phương pháp thiết kế tuyến bay a) Chụp ảnh đơn Là chụp ảnh vùng nhỏ khu đo theo ảnh riêng biệt Các ảnh chụp kề khơng có liên kết hình học với nhau, ảnh đơn dùng cho điều tra khảo sát, thám quân sự, vùng tương đối nhỏ, để chụp ảnh bổ sung khu vực chụp sót b) Chụp ảnh theo tuyến Chụp ảnh theo tuyến chụp ảnh theo tuyến bố trí sẵn thẳng, gấp khúc hay uốn cong Giữa ảnh liền kề theo tuyến có độ chờm phủ lên gọi độ phủ ngang p c) Chụp ảnh theo khối Chụp ảnh theo nhiều tuyến phương thức chụp theo nhiều dải bay thẳng, song song cách Các ảnh hai dải kề độ phủ ngang dải bay cịn có độ phủ dọc Đây cách chụp thường dùng để thành lập đồ địa hình d) Chụp ảnh theo tỷ lệ Được chia làm loại: chụp ảnh tỷ lệ lớn, chụp ảnh tỷ lệ trung bình, chụp ảnh tỷ lệ nhỏ Thông thường tỷ lệ ảnh chụp lớn 1:10.000 gọi tỷ lệ lớn; từ 1:10.000 - 1:30.000 gọi tỷ lệ ảnh trung bình nhỏ 1:30.000 gọi tỷ lệ ảnh bé Tỷ lệ ảnh nhỏ ảnh dùng để lập đồ địa hình khơng nhỏ 1:70.000 - 1:80.000, với tỷ lệ ta có khả đốn đọc chi tiết nhỏ quan trọng đồ 1:100.000 Tiêu cự kính vật máy chụp ảnh hàng không (mm) đo vẽ đồ Tỷ lệ đồ cần Tỷ lệ chụp ảnh Theo phương pháp đo vẽ lập thể thành lập Vùng đồng Theo phương pháp phối hợp Vùng núi Vùng 1:2.000 1:3.000-1:8.000 88-150 150 350-500 1:5.000 1:8.000-1:20.000 88-150 150 200-350 1:10.000 1:20.000-1:35.000 88-150 150 200 1:25.000 1:35.000-1:45.000 88-150 150 100-200 1:50.000 1:45.000-1:75.000 88-150 150 Phụ lục Quy trình thực bay chụp thiết bị bay không người lái Phương pháp lập thể (“Trích Giáo trình trắc địa ảnh viễn thám”) + Phương án 1: Thích hợp với vùng núi Sơ đồ tổ chức bay chụp áp dụng cho vùng núi + Phương án 2: Thích hợp với vùng đồi núi Sơ đồ tổ chức bay chụp áp dụng cho vùng đồi núi + Phương án 3: Thích hợp với vùng đồng Sơ đồ tổ chức bay chụp áp dụng cho vùng đồng Phương pháp phối hợp (“Trích Giáo trình trắc địa ảnh viễn thám”) + Phương án 1: Thích hợp với vùng phẳng, nhà cửa thấp Sơ đồ tổ chức bay chụp áp dụng cho vùng phẳng, nhà cửa thấp + Phương án 2: Thích hợp vùng đồng có nhiều nhà cao tầng Sơ đồ tổ chức bay chụp áp dụng cho vùng đồng có nhà cao tầng + Phương án 3: Thích hợp vùng đồng bằng, nhà cao tầng kết hợp với điều vẽ nội nghiệp: Sơ đồ tổ chức bay chụp áp dụng cho vùng đồng nhà cao tầng kết hợp với điều vẽ nội nghiệp Sơ đồ tổ chức thực bay chụp Tiếp nhận thơng tin vị trí thực hiện, tiến hành thu thập chuẩn bị đầy đủ nội dung cần thiết phục vụ công tác bay chụp (xem sơ đồ thực đây) Sơ đồ tổ chức thực bay chụp xử lý số liệu Đối với cơng tác bay chụp việc lập kế hoạch, kiểm tra điều kiện bay cần thiết quan trọng, định đến cơng tác an tồn bay chất lượng ảnh bay chụp Công tác chuẩn bị bao gồm hoạch định vị trí phạm vi cần bay chụp, kiểm tra xem vị trí dự án có nằm phạm vi cấm bay hay khơng, tiếp đến kiểm tra điều kiện thời tiết có phù hợp cho công tác bay chụp hay không, xem xét địa hình vùng dự kiến bay Yếu tố ảnh hưởng đến việc bay chụp UAV Thông số thời tiết Thơng số tốc độ gió Thơng số vị trí phép bay