Xây dựng hệ thống thông tin hỗ trợ giám sát cháy rừng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM THANH TÙNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN HỖ TRỢ GIÁM SÁT CHÁY RỪNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội -2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM THANH TÙNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN HỖ TRỢ GIÁM SÁT CHÁY RỪNG Ngành: Công nghệ Thông tin Chuyên ngành: Kỹ thuật Phần mềm Mã số:60480103 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ THANH HÀ TS. NGUYỄN THỊ NHẬT THANH Hà Nội -2014 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Lê Thanh Hà và Tiến sĩ Nguyễn Thị Nhật Thanh. Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Học viên Phạm Thanh Tùng 2 MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 4 DANH SÁCH CÁCHÌNH 5 DANH SÁCH CÁCBẢNG 6 LỜI CẢM ƠN 7 MỞ ĐẦU 8 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 10 1.1. Các vấn đề liên quan đến rừng và cháy rừng 10 1.1.1. Đặc điểm chung 10 1.1.2. Phân chia kiểu trạng thái rừng 11 1.1.3. Phân loại cháy rừng 12 1.1.4. Các điều kiện tự nhiên ảnh hưởng đến cháy rừng 13 1.2. Dữ liệu sử dụng 14 1.2.1. Dữ liệu điểm cháy vệ tinh 14 1.2.2. Dữ liệu khí tượng trạm quan trắc 18 1.2.3. Dữ liệu lượng mưa vệ tinh 20 1.2.4. Dữ liệu lớp phủ rừng 21 1.3. Các hệ thống giám sát cháy rừng đang đƣợc sử dụng tại Việt Nam 21 1.3.1. Cảm biến không dây cảnh báo cháy rừng 21 1.3.2. Hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến tại cục Kiểm lâm Việt Nam 22 1.4. Cơ sở lý thuyết xây dựng hệ thống hỗ trợ giám sát cháy rừng 24 1.4.1. Khái niệm hệ thống thông tin địa lý GIS 24 1.4.2. Giới thiệu Web GIS 24 1.4.3. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu PostgreSQL và PostGIS 27 1.4.4. Google Maps API 29 CHƢƠNG 2. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 33 2.1. Đặc tả yêu cầu ngƣời sử dụng 33 2.1.1. Bài toán 33 2.1.2. Mô hình tổng quát hệ thống 33 2.1.3. Mô hình triển khai 34 2.1.4. Mô hình vai trò người dùng trong hệ thống 35 2.1.5. Mô tả quy trình nghiệp vụ 35 2.1.6. Các yêu cầu chung về chức năng 39 2.2. Thiết kế cấu trúc cơ sở dữ liệu 41 2.2.1. Các loại dữ liệu sử dụng trong hệ thống 41 2.2.2. Dữ liệu lớp phủ rừng 42 2.2.3. Dữ liệu điểm cháy 42 2.2.4. Dữ liệu khí tượng theo các trạm quan trắc khí tượng thủy văn 42 2.2.5. Dữ liệu lượng mưa theo vệ tinh 43 2.3. Đặc tả ca sử dụng 43 3 2.3.1. Biểu đồ ca sử dụng tổng quát 43 2.3.2. Đặc tả ca sử dụng 43 CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ GIÁM SÁT CHÁY RỪNG 52 3.1. Giới thiệu tổng thể hệ thống hỗ trợ giám sát cháy rừng 52 3.1.1. Kết quả xây dựng hệ thống 52 3.1.2. Giao diện trang Web hỗ trợ giám sát cháy rừng 52 3.2. Các chức năng cơ bản của hệ thống 54 3.2.1. Theo dõi cập nhật điểm cháy 54 3.2.2. Thống kê điểm cháy theo các tiêu chí 55 3.2.3. Xem cảnh báo nguy cơ cháy rừng 55 3.3. Phân tích ảnh hƣởng của lƣợng mƣa đến cháy rừng 56 3.3.1. Mối liên hệ giữa lượng mưa theo vệ tinh với cháy rừng 56 3.3.2. Phân tích lượng mưa trung bình điểm cháy theo phân loại rừng 62 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 4 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT EOS Hệ thống quan sát trái đất PCCCR Phòng cháy chữa cháy rừng Terra Một loại vệ tinh mang theo cảm biến MODIS Aqua Một loại vệ tinh mang theo cảm biến MODIS MODIS Một loại cảm biến có độ phân giải trung bình. NASA Cơ quan hàng khu vũ trụ quốc gia Mỹ GLCF Cơ sở nghiên cứu lớp phủ toàn cầu IMAPP Gói xử lý MODIS/AIS quốc tế PNG Một loại định dạng ảnh JPG Một loại định dạng ảnh GEOTIFF Một loại định dạng ảnh MOD QTHT Tiền tố tên file sản phẩm của cảm biến MODIS được gắn trên vệ tinh Terra Quản trị hệ thống 5 DANH SÁCH CÁCHÌNH Chƣơng 1 Hình 1.1. Bản đồ lớp phủ rừng khu vực miền Bắc năm 2006 11 Hình 1.2. Bản đồ lớp phủ rừng khu vực Bắc Trung Bộ năm 2006 11 Hình 1.3. Cháy dưới tán với ngọn lửa cháy lan trên bề mặt đất 12 Hình 1.4. Cháy tán diễn ra với ngọn lửa lan nhanh trên tán rừng 12 Hình 1.5. Cháy ngầm trong lớp than bùn và thảm mục sâu dưới mặt đất rừng 12 Hình 1.6. Tổng quan về hệ thống FireWatch 22 Hình 1.7. Sơ đồ thu nhận, xử lý dữ liệu và thông tin điểm cháy từ dữ liệu MODIS 23 Hình 1.8. Các điểm cháy ngày 29/09/2014 23 Hình 1.9. Mô hình WebGIS Server 25 Hình 1.10. Mô hình WebGIS Client 26 Hình 1.11. Mô hình tương tác giữa WebGIS Server và WebGIS Client 27 Chƣơng 2 Hình 2.1. Mô hình tổng quát hệ thống 34 Hình 2.2. Mô hình triển khai hệ thống 34 Hình 2.3. Biểu đồ ca tổng quát 43 Chƣơng 3 Hình 3.1. Giao diện tổng quát hệ thống 53 Hình 3.2. Hiển thị điểm cháy và các trạm khí tượng 53 Hình 3.3. Vị trí điểm cháy và trạm quan trắc khí tượng thủy văn 54 Hình 3.4. Các điểm cháy ngày 2, 3 tháng 3/2013 miền Nam trung Bộ 54 Hình 3.5. Lọc tạo báo cáo thống kê 55 Hình 3.6. Bản đồ tô màu mức nguy hiểm cháy 55 Hình 3.7. Điểm cháy và lượng mưa trong năm 2008 56 Hình 3.7. Điểm cháy rừng và lượng mưa trong năm 2009 57 Hình 3.8. Lượng mưa trước khi cháy 58 Hình 3.9. Quan hệ giữa lượng mưa và số điểm cháy năm 2008 59 Hình 3.10. Quan hệ giữa lượng mưa và số điểm cháy năm 2009 59 Hình 3.11. Quan hệ giữa lượng mưa và số điểm cháy năm 2010 60 Hình 3 12. Quan hệ giữa lượng mưa và số điểm cháy năm 2011 60 Hình 3.13. Quan hệ giữa lượng mưa và số điểm cháy năm 2012 61 Hình 3.14. Quan hệ giữa lượng mưa và số điểm cháy năm 2013 61 6 DANH SÁCH CÁCBẢNG Chƣơng 1 Bảng 1.1. Tình hình cháy rừng 2008-2012 10 Bảng 1.2. Một số thông số về các kênh phổ của ảnh MODIS 15 Bảng 1.3. Cấu trúc dữ liệu các điểm nhiệt 17 Bảng 1.4. Các điểm nhiệt tại khu vực Đông Nam Á ngày 10/6/2013 17 Bảng 1.5. Các trạm quan trắc khí tượng 18 Bảng 1.6. Cấu trúc dữ liệu lượng mưa TRMM 20 Chƣơng 2 Bảng 2.1. Các module cập nhật dữ liệu 33 Bảng 2.2. Các loại dữ liệu sử dụng trong hệ thống 41 Bảng 2.3. Nguồn các loại dữ liệu dùng trong hệ thống 41 Chƣơng 3 Bảng 3.1. Số lượng điểm cháy theo từng loại rừng 62 Bảng 3.2. Tổng lượng mưa 20 ngày trước khi cháy đối với từng loại rừng 62 7 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến TS. Lê Thanh Hà, TS. Nguyễn Thị Nhật Thanh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện tốt cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô cùng các thành viên Trung tâm Công nghệ tích hợp liên ngành Giám sát hiện trường (FIMO center), trường Đại học Công nghệ đặc biệt là nhóm nghiên cứu về cháy rừng đã giúp đỡ, góp ý, chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm cho tôi trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn ban Giám hiệu Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, các quý thầy cô đã tận tình truyền dạy kiến thức cho tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại trường. Cuối cùng, con vô cùng biết ơn sự giúp đỡ, động viên của gia đình giúp con hoàn thành khóa luận. 8 MỞ ĐẦU Theo thống kê năm 2006, Việt Nam có trên 11,8 triệu ha rừng (độ che phủ tương ứng là 35,8%), với 9,8 triệu ha rừng tự nhiên và 2 triệu ha rừng trồng [4]. Trong những năm gần đây diện tích rừng tăng lên, nhưng chất lượng rừng lại có chiều hướng suy giảm, rừng nguyên sinh chỉ còn khoảng 7%, trong khi rừng thứ sinh nghèo kiệt chiếm gần 70% tổng diện tích rừng trong cả nước, đây là loại rừng rất dễ xảy ra cháy, hiện nay, Việt Nam có khoảng 6 triệu ha rừng dễ cháy, bao gồm rừng thông, rừng tràm, rừng tre nứa, rừng bạch đàn, rừng khộp, rừng non khoanh nuôi tái sinh tự nhiên và rừng đặc sản cùng với diện tích rừng dễ xảy ra cháy tăng thêm hàng năm, thì tình hình diễn biến thời tiết ngày càng phức tạp và khó lường ở Việt Nam đang làm nguy cơ tiềm ẩn về cháy rừng và cháy lớn ngày càng nghiêm trọng. Việc phát hiện cháy dựa trên dữ liệu vệ tinh có ý nghĩa quan trọng trong công tác phòng cháy chữa cháy rừng nhằm phát hiện cháy sớm, chữa cháy kịp thời nhằm giảm thiểu thiệt hại do cháy gây ra. Hiện nay, có một số hệ thống giám sát cháy rừng như hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến của cục Kiểm lâm, hệ thống giám sát cháy rừng toàn cầu Global Forest Watch Fires [6]. Các hệ thống trên thực hiện chức năng chính là theo dõi phát hiện các điểm cháy dựa trên dữ liệu vệ tinh MODIS nhưng chỉ dừng ở hiển thị các điểm cháy mà chưa kết hợp với dữ liệu liên quan khác như loại rừng, độ ẩm, nhiệt độ, mưa. Các công cụ đi kèm nhằm hỗ trợ thống kê báo cáo còn thiếu và yếu. Từ thực tế trên, cần thiết xây dựng một hệ thống tự động cập nhật dữ liệu điểm cháy rừng và các dữ liệu khác phục vụ công việc giám sát, phát hiện cháy sớm đồng thời cung cấp thông số địa lý điểm cháy, đặc tính nguy hiểm cháy theo loại rừng, điều kiện thời tiết giúp cho phương án chữa cháy hiệu quả hơn. Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể phát triển để phục vụ công tác nghiên cứu, phân tích, thống kê về thực trạng cháy rừng cũng như ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết từ đó có thể đưa ra các mức cảnh báo nguy cơ cháy rừng ngắn hạn và dài hạn. 1) Mục tiêu:Luận văn nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát cháy rừng dựa trên dữ liệu vệ tinh nhằm cập nhật, hiển thị dữ liệu điểm cháy và một số dữ liệu khác có liên quan phục vụ cho việc giám sát, cảnh báo cháy rừng cũng như công tác thống kê, nghiên cứu khoa học. 2) Nhiệm vụ nghiên cứu: - Nghiên cứu, phân tích cấu trúc dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS và một số dữ liệu sản phẩm liên quan đến cháy rừng, dữ liệu khí tượng; - Xây dựng công cụ cập nhật dữ liệu tự động; - Xây dựng ứng dụng WebGIS cung cấp thông tin giám sát cháy rừng. 3) Dữ liệu và phạm vi nghiên cứu: - Dữ liệu nghiên cứu: Dữ liệu điểm cháy vệ tinh MODIS, dữ liệu khí tượng thủy văn, dữ liệu thảm thực vật, bản đồ nền Google Maps. [...]... tảng thông tin địa lý, kỹ thuật WebGIS, hệ quản trị cơ sở dữ liệu PostgreSQL/PostGIS được dùng để xây dựng hệ thống giám sát cháy rừng Chương 2 Phân tích thiết kế hệ thống: Phân tích hệ thống về chức năng và đặc tả yêu cầu người dùng, thiết kế dữ liệu và các use case Chương 3 Ứng dụng trong cảnh báo cháy rừng: trình bày các ứng dụng của hệ thống hỗ trợ giám sát cháy rừng theo 3 khía cạnh: theo dõi cháy. .. thống hỗ trợ giám sát cháy rừng Hệ thống hỗ trợ giám sát cháy rừng nhằm cập nhật, hiển thị dữ liệu điểm cháy và một số dữ liệu khác Qua tìm hiểu các giải pháp công nghệ, tác giả lựa chọn xây dựng hệ thống theo công nghệ WebGIS hiển thị các lớp dữ liệu trên bản đồ nền có sẵn của Google Maps bằng các hàm Google Maps API V.3 cơ sở dữ liệu địa lý PostgreSQL có kèm hỗ trợ mở rộng PostGIS 1.4.1 Khái niệm hệ thống. .. cũng đã tìm hiểu về dữ liệu điểm cháy theo vệ tinh MODIS và các hệ thống giám sát cháy rừng hiện tại đang sử dụng dữ liệu vệ tinh, phân tích các ưu và nhược điểm của các hệ thống này Từ những kết quả trên luận văn đề xuất xây dựng một hệ thống hỗ trợ giám sát cháy rừng dựa trên công nghệ WebGIS, bản đồ nền Google Maps 1.1 Các vấn đề liên quan đến rừng và cháy rừng 1.1.1 Đặc điểm chung Trong vài thập kỷ... nghiên cứu: - Hệ thống hỗ trợ giám sát cháy rừng; - Báo cáo luận văn; - Một số kết quả phân tích mối tương quan giữa cháy rừng và lượng mưa 5) Nội dung báo cáo luận văn Ngoài phần mở đầu, lời cám ơn, các phụ lục và tài liệu tham khảo, luận văn bao gồm 3 chương như sau: Chương 1 Tổng quan: giới thiệu chung về vấn đề cháy rừng, các loại dữ liệu sử dụng trong hệ thống, các hệ thống giám sát cháy rừng đang... Điều này cần xem xét khi tính toán dự báo nguy cơ cháy rừng và xây dựng phương án phòng cháy chữa cháy Hình 1.1 Bản đồ lớp phủ rừng khu vực miền Bắc năm 2006 Hình 1.2 Bản đồ lớp phủ rừng khu vực Bắc Trung Bộ năm 2006 11 1.1.3 Phân loại cháy rừng  Cháy dƣới tán rừng (cháy trên bề mặt đất rừng) : Cháy dưới tán rừng (hình 1.3) là những đám cháy mà ngọn lửa cháy lan tràn trên mặt đất làm tiêu hủy một phần... nhu cầu theo dõi, thống kê, nghiên cứu Hệ thống xây dựng đáp ứng các yêu cầu sau:  Cập nhật dữ liệu tự động: - Kết nối và tải các dữ liệu từ các nguồn dữ liệu; Truy xuất, phân tích, cập nhật dữ liệu nguồn vào cơ sở dữ liệu của hệ thống  Quản lý và chia sẻ thông tin: - Quản lý thông tin về điểm cháy và các thông tin khí tượng liên quan; Chia sẻ thông tin qua trình diễn webGIS  Hỗ trợ nghiệp vụ: -... tái sinh cháy sém vỏ và một phần nào đó ở gốc cây, rễ cây nổi lên trên bề mặt đất và ở sát với mặt đất Hình 1.3 Cháy dưới tán với ngọn lửa cháy lan trên bề mặt đất  Cháy tán rừng (cháy trên ngọn): Cháy tán rừng (hình 1.4) là hình thức cháy được phát triển từ cháy dưới tán cháy lên tán rừng Khi cháy dưới tán ngọn lửa sẽ đốt nóng và sấy khô tán rừng sau đó cháy qua các cây tái sinh, cây bụi rồi cháy lên... cánh rừng; Trong cơ sở dữ liệu của luận văn, dữ liệu lớp phủ rừng năm 2006 được cập nhật một lần vào cơ sở dữ liệu, không cập nhật sự biến động diện tích rừng, hay sự thay đổi về tính chất rừng 1.3 Các hệ thống giám sát cháy rừng đang đƣợc sử dụng tại Việt Nam 1.3.1 Cảm biến không dây cảnh báo cháy rừng Hệ thống cảm biến không dây phát hiện cháy rừng (Fire Watch) được lắp thử nghiệm ở 3 khu vực Vườn Quốc... trong hệ thống nhằm xử lý các thao tác của người sử dụng: Bấm vào điểm cháy để xem thông tin, hiển thị các cửa sổ Infowindows Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, tác giả không xây dựng máy chủ bản đồ riêng do không đủ thời gian cũng như kinh phí, mà sử dụng bản đồ nền của Google cùng các hàm Google Maps API để chèn, thao tác, xử lý các lớp đối tượng của hệ thống giám sát cháy rừng. Ưu điểm là hệ thống. .. thành lắp đặt ban đầu cũng như trong quá trình vận hành sử dụng (hệ thống Fire Watch) hay lượng dữ liệu chưa đa dạng phong phú, các chức năng mở rộng cho thống kê báo cáo còn thiếu Từ những thực tế trên, đề tài đi sâu nghiên cứu xây dựng một hệ thống thông tin địa lýtheo mô hình WebGIS trên nền bản đồ số Google Maps nhằm hỗ trợ giám sát cháy rừng phục vụ công tác PCCCR cũng như phục vụ công việc nghiên . DỤNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ GIÁM SÁT CHÁY RỪNG 52 3.1. Giới thiệu tổng thể hệ thống hỗ trợ giám sát cháy rừng 52 3.1.1. Kết quả xây dựng hệ thống 52 3.1.2. Giao diện trang Web hỗ trợ giám sát cháy rừng. báo cháy rừng 21 1.3.2. Hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến tại cục Kiểm lâm Việt Nam 22 1.4. Cơ sở lý thuyết xây dựng hệ thống hỗ trợ giám sát cháy rừng 24 1.4.1. Khái niệm hệ thống thông. giảm thiểu thiệt hại do cháy gây ra. Hiện nay, có một số hệ thống giám sát cháy rừng như hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến của cục Kiểm lâm, hệ thống giám sát cháy rừng toàn cầu Global Forest