DSpace at VNU: Nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin giám sát cháy rừng sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh

DSpace at VNU: Nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin giám sát cháy rừng sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh tài l...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN QUỐC HUY NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN GIÁM SÁ T CHÁ Y RỪNG SỬ DỤNG DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN QUỐC HUY NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN GIÁM SÁ T CHÁ Y RỪNG SỬ DỤNG DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH Ngành: Công Nghệ Thông Tin Chuyên ngành: Kỹ Thuật Phần Mềm Mã số: 60.48.01.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN HẢI CHÂU TS LÊ HOÀ NG SƠN HÀ NỘI – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đạt luận văn sản phẩm nghiên cứu, tìm hiểu riêng cá nhân tơi Trong tồn nội dung luận văn, điều trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2015 Người cam đoan Nguyễn Quố c Huy LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Hải Châu , TS Lê Hoàng Sơn , TS Bùi Quang Hưng và TS Lê Thanh Hà nh ững cán giảng viên Đại học Công Nghệ Đại học Khoa Học Tự Nhiên , trực thuô ̣c Đa ̣i ho ̣c Q́ c Gia Hà Nơ ̣i tận tình giúp đỡ chuyên môn, nghiên cứu định hướng phát triển suốt trình làm luận văn Tôi học hỏi nhiều tham gia vào dự án “Field Monitoring – FIMO” nhà trường tổ chức nghiên cứu, ứng dụng, xử lý thông tin từ ảnh viễn thám Tôi xin gửi lời cám ơn tới Thầy, Cô giáo Khoa Cơng nghệ thơng tin truyền dạy kiến thức bổ ích, đại lĩnh vực Cơng nghệ phần mềm Với bạn bè khóa bạn sinh viên tham gia vào dự án trung tâm FIMO, cám ơn người cho hội trao đổi, chia sẻ kiến thức kinh nghiệm thực tế, giúp hiểu thêm vấn đề mà tơi khơng có điều kiện tìm hiểu, cho tơi thứ tơi chưa làm Tơi tiếp thu thêm nhiều vấn đề biết giá trị việc không ngừng cố gắng học tập, nghiên cứu Cuối cùng, với gia đình, tơi xin gửi lời biết ơn sâu sắc gia đình bên ủng hộ đường học tập nghiên cứu khó khăn, vất vả Tôi mong với sự cố gắng học tập nâng cao kiến thức, sau lĩnh hội nhiều công nghệ, tạo nhiều sản phẩm phần mềm có giá trị sử dụng cao, giúp ích nhiều lĩnh vực sống Nguyễn Quố c Huy MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Viê ̣t Nam có diê ̣n tić h đấ t khoảng 33 triê ̣u hecta, đó có 13.9 triê ̣u hecta đươ ̣c phân loa ̣i là rừng (với 10.4 triê ̣u hecta là rừng tự nhiên và 3.5 triê ̣u hecta là rừng trồ ng) [1] Rừng là lá phổ i xanh giúp điề u hòa khí hâ ̣u , cân bằ ng sinh thái của môi trường, đồ ng thời bổ sung oxy cho không khí giúp môi trường số ng của trở nên lành Những năm gầ n đây, cháy rừng tác nhân gây ảnh hưởng tiêu cực đế n sự phát triể n củ a rừng, môi trường thiên nhiên và cuô ̣c số ng của người Nguyên nhân của cháy rừng ta ̣i Viê ̣t Nam bao gồ m : (i) 20% đốt nương để làm rẫy; (ii) 55% người dân điạ phương sử du ̣ng lửa để săn bắ t thú rừng, đă ̣c biê ̣t là viê ̣c sử dụng lửa hun khói để thu hoạch mật ong; (iii) 15% khai thác rừng để lấy gỗ , củi, nấ u ăn, hun khói; (iv) 10% còn lại xung đột bên liên quan viê ̣c khai thác tài nguyên rừng [2] Việc theo dõi giám sát cháy rừng trở thành nhu cầu cấp thiết hỗ trợ giảm thiểu rủi ro phòng chống nguy cháy rừng Ngày nay, với sự phát triển công nghệ viễn thám, ảnh vệ tinh nguồn liệu quan trọng việc phát cháy rừng với vệ tinh sử dụng AVHRR [3,4], MODIS [5,6,7,8] số vệ tinh khác LANDSAT8 [9,10,11], VIIRS [12,13] Tại Đại Học Công Nghệ – Đa ̣i Ho ̣c Quố c Gia Hà Nô ̣i, Trung tâm Công nghệ tích hợp liên ngành (FIMO) triển khai thành công việc lắp đặt, chuyển giao công nghệ vận hành trạm thu liệu ảnh từ loại vệ tinh quan sát trái đất Cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ (National Aeronautics and Space Administration – NASA) Cơ quan quản lý khí đại dương quốc gia Hoa Kỳ (National Oceanic and Atmospheric Administration – NOAA) cho phép thu nhận ảnh vệ tinh MODIS cập nhật thường xuyên mỗi ngày Đây là mô ̣t nguồ n dữ liê ̣u lớn, hữu ích và cầ n đươ ̣c sử du ̣ng hiê ̣u quả , tránh lãng phí Bên ca ̣nh đó , sự đời và phát triển mạnh mẽ Internet cơng nghệ thơng tin tích hợp cơng nghệ viễn thám liệu địa lý giúp cho việc xây dựng hệ thống giám sát cháy rừng trở nên dễ dàng bao giờ hế t Hiện có nhiều hệ thống thông tin địa lý cháy rừng xây dựng giới hệ thống giám sát cháy rừng toàn cầu (Global Fire Watch) WRI (World Resources Institute) 1 [20], ̣ thố ng quản lý tài nguyên thông tin cháy rừng (FIRMS) NASA (National Aeronautics and Space Administration) [21], v.v Tại Việt Nam, cục kiểm lâm xây dựng hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến VN FireWatch [22] Tuy nhiên, hệ thống còn tồn nhược điểm khác hiển thị thơng tin chung , khái qt hóa vị t rí không gian thông tin điể m cháy mà không thể hiê ̣n đươ ̣c các thông tin thuô ̣c tiń h , xu cháy rừng qua giai đoạn thời gian, thiếu báo cáo thống kê tổng hợp, v.v chưa thể đáp ứng nhu cầu người dùng Trong ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà Nội có đề tài xây dựng hệ thống hỗ trợ giám sát cháy rừng dừng lại mức cài đặt, việt hóa dựa hệ thống có sẵn NASA [34] xây dựng lấy nguồn liệu cháy từ bên thứ chưa kiểm chứng để lưu trữ, hiển thị lên đồ để phục vụ mục đích tra cứu [35] mà chưa cung cấp chức giám sát, cảnh báo cháy rừng nghĩa cho người dùng Do đó, việc xây dựng hệ thống hỗ trợ cung cấp thông tin giám sát cháy rừng, tích hợp đầy đủ chức năng, khắc phục nhược điểm hệ thống tồn vô cần thiết Với lí trên, mục tiêu đề tài nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin giám sát cháy rừng sử du ̣ng nguồ n dữ liê ̣u ảnh vê ̣ tinh đươ ̣c tận dụng, cung cấ p bởi tra ̣m thu dữ liê ̣u ảnh của Đa ̣i Ho ̣c Công Nghê ̣ Đề tài nằm định hướng nghiên cứu cháy rừng Trung tâm Tích hợp liên ngành giám sát trường Một số nội dung hướng nghiên cứu bao gồm: - Xây dựng hệ thống giám sát cảnh báo cháy rừng thông qua liệu ảnh vệ tinh, thiết bị cảm biến, thiết bị di động, v.v - Cải thiện nâng cao độ xác thuật tốn trích xuất thơng tin cháy rừng từ liệu ảnh vệ tinh - Mô dự báo cháy rừng dựa nhân tố khác Tại thời điểm tại, có luận văn cao học luận văn đại học xây dựng dựa hướng nghiên cứu Tuy nhiên, luận văn còn có nhược điểm chưa khắc phục hồn thiện Dưới bảng mơ tả nội dung nhược điểm luận văn thực trước đây: STT Tên Luận Văn Nhược Điểm Đỗ Gia Hiếu – “Nghiên - Luận văn xây dựng chủ yếu tập trung cứu thuật tốn trích xuất điểm nóng điểm cháy từ ảnh vệ tinh ứng dụng hệ thống cháy rừng” - - - - - vào việc cài đặt, cấu hình việt hóa lại hệ thống giám sát cháy rừng FIRMS chuyển giao từ NASA cho Trung tâm cơng nghệ tích hợp liên ngành giám sát trường Hệ thống chưa hỗ trợ cho việc cảnh báo hiển thị liệu thời gian thực cho người dùng Hệ thống chưa tận dụng nguồn liệu từ trạm thu ảnh vệ tinh Đại học Công nghệ - ĐH QGHN Ngồi thơng tin liên quan đến điểm cháy chưa bao gồm thông tin yếu tố khí tượng hỡ trợ cho việc cảnh báo cháy Nguồn liệu không gian ranh giới hành chính, lớp phủ rừng sử dụng hệ thống cũ, chưa chuẩn hóa cập nhật gây sai lệch thơng tin vị trí địa lý cung cấp cho người dùng Các liệu cháy trích xuất chưa kiểm chứng thực tế thơng qua đơn vị chức Khơng có cơng cụ hỗ trợ báo cáo thống kê, chia sẻ liệu cho người dùng Không hỗ trợ cho người dùng xem xu hướng cháy rừng Đặng Quýnh Anh – - Luận văn tập trung vào việc cài đặt thử “Nghiên cứu, tìm hiểu nghiệm số số cảnh báo cháy rừng cài đặt thử nghiệm vài phục vụ cho việc mô số cảnh báo cháy - Khơng có hệ thống xây dựng để phục rừng” vụ giám sát cảnh báo cháy rừng - Các liệu sử dụng hệ thống lấy từ hệ thống FIRMS NASA - Do tập trung vào việc mô nên số liệu chưa thể sử dụng cho thực tế Phạm Thanh Tùng – “Xây - Hệ thống xây dựng với chức dựng hệ thống thông tin hỗ thu thập liệu cháy tự động hiển thị lên trợ giám sát cháy rừng” đồ kết hợp với thơng tin khí tượng với số liệu lấy từ trạm Tuy nhiên nguồn liệu sử dụng lấy hệ thống FIRMS NASA Vì vậy, hệ thống chưa tận dụng nguồn liệu từ trạm thu ảnh vệ tinh Đại học Công nghệ - ĐH QGHN - Hệ thống chưa hỗ trợ cho việc cảnh báo hiển thị liệu thời gian thực cho người dùng Người dùng cần tải lại Website xem liệu - Ngồi thơng tin liên quan đến điểm cháy chưa bao gồm thông tin yếu tố khí tượng hỡ trợ cho việc cảnh báo cháy Tuy nhiên thông tin sử dụng cho việc tìm kiếm mà khơng cung cấp cho người dùng lúc hiển thị - Nguồn liệu không gian ranh giới hành chính, lớp phủ rừng sử dụng hệ thống cũ, chưa chuẩn hóa cập nhật gây sai lệch thơng tin vị trí địa lý cung cấp cho người dùng - Các liệu cháy trích xuất chưa kiểm chứng thực tế thông qua đơn vị chức - Khơng có cơng cụ hỡ trợ chia sẻ liệu cho người dùng - Không hỗ trợ cho người dùng xem xu hướng cháy rừng Hồ Văn Phú - “Hệ thống - Luận văn xây dựng chủ yếu tập trung cảnh báo nguy cháy vào việc hiển thị thông tin cảnh báo cháy rừng” rừng theo vùng đồ - Hệ thống chưa cung cấp vị trí địa lý cụ thể khu vực cháy mà khái quát chung theo ranh giới hành - Nguồn liệu sử dụng lấy hệ thống FIRMS NASA Vì vậy, hệ thống chưa tận dụng nguồn liệu từ trạm thu ảnh vệ tinh Đại học Công nghệ - ĐH QGHN - Hệ thống chưa hỗ trợ cho việc cảnh báo hiển thị liệu thời gian thực cho người dùng Người dùng cần tải lại Website xem liệu - Ngồi thơng tin liên quan đến điểm cháy chưa bao gồm thơng tin yếu tố khí tượng hỗ trợ cho việc cảnh báo cháy chưa cung cấp cho người dùng - Nguồn liệu không gian ranh giới hành chính, lớp phủ rừng sử dụng hệ thống cũ, chưa chuẩn hóa cập nhật gây sai lệch thơng tin vị trí địa lý cung cấp cho người dùng - Khơng có cơng cụ hỡ trợ chia sẻ liệu cho người dùng Vũ Xuân Lai – “Ứng dụng - Luận văn xây dựng chủ yếu tập trung cảnh báo cháy rừng vào việc hiển thị liệu cháy rừng thiết thiết bị di động” bị di động - Hệ thống chưa hỗ trợ cho việc cảnh báo - - - - - hiển thị liệu thời gian thực cho người dùng Nguồn liệu sử dụng lấy hệ thống FIRMS NASA Vì vậy, hệ thống chưa tận dụng nguồn liệu từ trạm thu ảnh vệ tinh Đại học Cơng nghệ - ĐH QGHN Ngồi thông tin liên quan đến điểm cháy chưa bao gồm thơng tin yếu tố khí tượng hỗ trợ cho việc cảnh báo cháy Nguồn liệu khơng gian ranh giới hành chính, lớp phủ rừng sử dụng hệ thống cũ, chưa chuẩn hóa cập nhật gây sai lệch thơng tin vị trí địa lý cung cấp cho người dùng Các liệu cháy trích xuất chưa kiểm chứng thực tế thông qua đơn vị chức Khơng có cơng cụ hỡ trợ báo cáo thống kê, chia sẻ liệu cho người dùng Không hỗ trợ cho người dùng xem xu hướng cháy rừng Hê ̣ thố ng xây dựng đề tài khắc phục nhược điểm với nội dung bao gồm: - Cài đặt module trích xuất điểm cháy từ ảnh vệ tinh thu thập trực tiếp thông qua trạm thu Đại học Công nghệ - ĐH Quốc Gia Hà Nội - Cung cấ p các thông tin về các điể m nguy cháy rừng với liệu khí tượng (tốc độ gió, hướng gió, nhiệt độ, độ ẩm, v.v) gần thời gian thực trực tiếp điểm cháy thay sử dụng số liệu từ trạm đo khí tượng khơng thường xuyên Cho phép người dùng tải ảnh vệ tinh MODIS MOD14 LANDSAT8 khu vực chứa điểm nguy cháy để phục vụ công tác kiểm chứng [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] TÀI LIỆU THAM KHẢO Ha C T “Vietnam National Forest Status of 2012”, Annually report of Ministry of Agriculture and Rural Development, 2013 Hoang M H., “Status Of Forest Fire Management and Control In Vietnam”, GEOSS AP Symposium Integrated Observation for Sustainable Development in the Asia-Pacific Region, Tokyo, Japan, 2007 M D Flannigan, T H Vonder Haar “Forest Fire Monitoring using NOAA Satellite AVHRR” Canadian Journal of Forest Research, 1986 S P Flasse, P Ceccato “A Contextual Algorithm for AVHRR Fire Detection” International Journal of Remote Sensing, Volume 17, Issue 2, 1996 Lingli Wang, John J Qu, Xianjun Hao “Forest Fire Detection using The Normalized Multi-band drought NMDI Index with Satellite Measurements” Agricultural and Forest Meteorology, Volume 148, Issue 11, October 2008, Pages 1767–1776 K Nakau, M Fukuda, K Kushida, H Hayasaka, K Kimura, and H Tani, “Forest Fire Detection Based on MODIS Satellite Imagery, and Comparison of NOAA Satellite Imagery with Fire Fighters Information” IARC/JAXA Terrestrial Team Workshop-February, Vol 22, 2006 Louis Giglio, Jacques Descloitresa, Christopher O Justicec, Yoram J Kaufman “An Enhanced Contextual Fire Detection Algorithm for MODIS” Remote Sensing of Environment, Volume 87, Issues 2–3, 15 October 2003, Pages 273–282 Nakau, Koji, Masami Fukuda, Keiji Kushida, Hiroshi Hayasaka, Keiji Kimura, and Hiroshi Tani "Forest fire detection based on MODIS satellite imagery, and Comparison of NOAA satellite imagery with fire fighters' Information" IARC/JAXA Terrestrial Team Workshop-February Vol 22 2006 Wilfrid Schroedera, Patricia Olivaa, Louis Giglioa, Brad Quayleb, Eckehard Lorenzc, Fabiano Morelli “Active fire detection using Landsat-8/OLI data” Remote Sensing of Environment, In Press, Steptember 2015 Jay D Miller, Stephen R Yool “Mapping Forest Post-Fire Canopy [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] Consumption in Several Overstory Types using Multi-Temporal Landsat TM and ETM Data” Remote Sensing of Environment, Volume 82, Issues 2–3, October 2002, Pages 481–496 C Böhme, P Bouwer, MJ Prinsloo “Real-Time Stream Processing for Active Fire Monitoring on Landsat Direct Reception Data” International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing & Spatial Information Sciences, April 2015, Vol 40-7/W3, Pages 765-770 W Schroeder, P Oliva, L Giglio, I Csiszar “The New VIIRS 375m Active Fire Detection Data Product: Algorithm Description and Initial Assessment” Remote Sensing of Environment, 143 (2014), pp 85–96 Csiszar, Ivan, Wilfrid Schroeder, Louis Giglio, Evan Ellicott, Krishna P Vadrevu, Christopher O Justice, and Brad Wind "Active Fires From The Suomi NPP Visible Infrared Imaging Radiometer Suite: Product Status and First Evaluation Results" Journal of Geophysical Research: Atmospheres 119, no (2014): 803-816 Jeffrey Winesett “Web Application Development with Yii2 and PHP” Packt Publishing, November 2012 Jesus Garcia, Grgur Grisogono “ExtJS in Action” Packt Publishing, February 2014 Ken Doman “Mastering ArcGIS Server Development with Javascript” Packt Publishing, September 2015 Leon Shklar, Rich Rosen “Web Application Architecture: Principles, Protocols and Practices” April 2009 Rene Rubalcava “ArcGIS Web Development” Manning Publishing, November 2014, ISBN 9781617291616, 248 pages http://www.freshfromflorida.com/Divisions-Offices/Florida-ForestService/Wildland-Fire/Resources/Fire-Tools-and-Downloads/FireManagement-Information-System-FMIS-Mapping-Tool/FMIS-DataviewerMap http://fires.globalforestwatch.org/#v=map&x=115&y=0&l=5&lyrs=Active _Fires https://firms.modaps.eosdis.nasa.gov/firemap/ [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] http://forest.jrc.ec.europa.eu/effis/applications/global-viewer/ http://activefiremaps.fs.fed.us/ http://apps.geoportal.icimod.org/NepalForestFire/index.html http://cwfis.cfs.nrcan.gc.ca/interactive-map http://www.nwtfire.com/nwt-fire-map https://www.ontario.ca/law-and-safety/forest-fires http://afsmaps.blm.gov/imf_fire/imf.jsp?site=fire http://www.kiemlam.org.vn/firewatchvn/Bandodiemchaygannhat.aspx http://www.yiiframework.com/ Christopher Justice, Louis Giglio, Luigi Boschetti, David Roy, Ivan Csiszar, Jeffrey Morisette, and Yoram Kaufman “Algorithm Technical Background Document: MODIS Fire Products” MODIS ATBD Fires, October 2006 J I Kudoh, K Hosoi “Two dimensional forest fire detection method by using NOAA AVHRR images” IGARSS 2003, IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings, 4, Pages 24942495 http://earthobservatory.nasa.gov/Features/GlobalFire/ Đỡ Gia Hiếu “Nghiên cứu thuật tốn trích xuất điểm nóng điểm cháy từ ảnh vệ tinh ứng dụng hệ thống cháy rừng” Luận văn Thạc Sỹ ĐH Công Nghệ, ĐH Quốc Gia Hà Nội Đặng Quỳnh Anh “Nghiên cứu, tìm hiểu cài đặt thử nghiệm vài số cảnh báo cháy rừng” Luận văn Thạc Sỹ ĐH Công Nghệ, ĐH Quốc Gia Hà Nội Phạm Thanh Tùng “Xây dựng hệ thống thông tin hỗ trợ giám sát cháy rừng” Luận văn Thạc Sỹ ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà Nội Hồ Văn Phú “Hệ thống cảnh báo nguy cháy rừng” Luận văn Đại Học, ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà Nội Vũ Xuân Lai “Ứng dụng cảnh báo cháy rừng thiết bị di động” Luận văn Đại Học, ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà Nội ... ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN QUỐC HUY NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN GIÁM SÁ T CHÁ Y RỪNG SỬ DỤNG DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH Ngành: Công Nghệ Thông Tin Chuyên ngành: Kỹ Thuật Phần Mềm... thông tin giám sát cháy rừng sử du ̣ng nguồ n dữ liê ̣u ảnh vê ̣ tinh đươ ̣c tận dụng, cung cấ p bởi tra ̣m thu dữ liê ̣u ảnh của Đa ̣i Ho ̣c Công Nghê ̣ Đề tài nằm định hướng nghiên. .. tế Phạm Thanh Tùng – Xây - Hệ thống xây dựng với chức dựng hệ thống thông tin hỗ thu thập liệu cháy tự động hiển thị lên trợ giám sát cháy rừng” đồ kết hợp với thông tin khí tượng với số