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 SÁT CHÁY

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 SÁT CHÁY

RỪNG SỬ DỤNG DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH

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 HOÀNG SƠN

HÀ NỘI – 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm nghiên cứu, tìm hiểu của riêng cá nhân tôi Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân tôi hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất

cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình

Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2015

Người cam đoan

Nguyễn Quốc 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 là nh ững cán bộ giảng viên của Đại học Công Nghệ và Đại học Khoa Học Tự Nhiên , trực thuô ̣c Đa ̣i ho ̣c Quốc Gia Hà Nô ̣i

đã tận tình giúp đỡ tôi về cả chuyên môn, nghiên cứu và định hướng phát triển trong suốt quá trình làm luận văn Tôi đã học hỏi được rất nhiều khi tham gia vào dự án “Field Monitoring – FIMO” do nhà trường tổ chức về nghiên cứu, ứng dụng,

xử lý thông tin từ ảnh viễn thám

Tôi cũng xin gửi lời cám ơn tới các Thầy, Cô giáo của Khoa Công nghệ thông tin vì đã truyền dạy những kiến thức bổ ích, hiện đại về lĩnh vực Công nghệ phần mềm

Với bạn bè cùng khóa và các bạn sinh viên tham gia vào các dự án của trung tâm FIMO, cám ơn mọi người vì đã cho tôi cơ hội trao đổi, chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm thực tế, giúp tôi hiểu thêm những vấn đề mà tôi không có điều kiện tìm hiểu, chỉ cho tôi những thứ tôi chưa làm được Tôi có thể tiếp thu được thêm nhiều vấn đề mới và biết được giá trị của việc không ngừng cố gắng học tập, nghiên cứu

Cuối cùng, với gia đình, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc vì gia đình đã luôn ở bên và ủng hộ tôi trên con đường học tập và nghiên cứu khó khăn, vất vả Tôi mong rằng với sự cố gắng học tập nâng cao kiến thức, sau này sẽ có thể lĩnh hội nhiều công nghệ, tạo ra nhiều sản phẩm phần mềm có giá trị sử dụng cao, giúp ích được trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống

Nguyễn Quốc Huy

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Viê ̣t Nam có diê ̣n tích đất khoảng 33 triê ̣u hecta, trong đó có 13.9 triê ̣u hecta được phân loa ̣i là rừng (với 10.4 triê ̣u hecta là rừng tự nhiên và 3.5 triê ̣u hecta là rừng trồng) [1] Rừng là lá phổi xanh giúp điều hòa khí hâ ̣u , cân bằng sinh thái của môi trường, đồng thời bổ sung oxy cho không khí giúp môi trường sống của trở nên trong lành hơn Những năm gần đây, cháy rừng là một trong những tác nhân chính gây ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển củ a rừng, môi trường thiên nhiên và cuô ̣c sống của con người Nguyên nhân của cháy rừng ta ̣i Viê ̣t Nam bao gồm: (i) 20% do đốt nương để làm rẫy; (ii) 55% do người dân đi ̣a phương sử du ̣ng lửa để săn bắt thú rừng, đă ̣c biê ̣t là viê ̣c sử dụng lửa hun khói để thu hoạch mật ong; (iii) 15% do khai thác rừng để lấy gỗ, củi, nấu ăn, hun khói; (iv) 10% còn lại là do xung đột giữa các bên liên quan trong viê ̣c khai thác tài nguyên rừng [2] Việc theo dõi và giám sát cháy rừng trở thành một nhu cầu cấp thiết trong hỗ trợ giảm thiểu rủi ro và phòng chống nguy cơ cháy rừng

Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ viễn thám, ảnh vệ tinh là một trong những nguồn dữ liệu quan trọng trong việc phát hiện cháy rừng với 2 vệ tinh chính được sử dụng là AVHRR [3,4], MODIS [5,6,7,8] và một số vệ tinh khác như LANDSAT8 [9,10,11], VIIRS [12,13] Tại Đại Học Công Nghệ – Đại Ho ̣c Quốc Gia Hà Nô ̣i, Trung tâm Công nghệ tích hợp liên ngành (FIMO) đã triển khai thành công việc lắp đặt, chuyển giao công nghệ và vận hành trạm thu dữ liệu ảnh từ 3 loại

vệ tinh quan sát trái đất của Cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ (National Aeronautics and Space Administration – NASA) và Cơ quan quản lý khí quyển và đại dương quốc gia Hoa Kỳ (National Oceanic and Atmospheric Administration – NOAA) cho phép thu nhận ảnh vệ tinh MODIS được cập nhật thường xuyên mỗi ngày Đây là mô ̣t nguồn dữ liê ̣u lớn, hữu ích và cần được sử du ̣ng hiê ̣u quả , tránh lãng phí

Bên ca ̣nh đó, sự ra đời và phát triển mạnh mẽ của Internet và công nghệ thông tin tích hợp công nghệ viễn thám và dữ liệu địa lý giúp cho việc xây dựng các hệ thống giám sát cháy rừng trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết Hiện nay có rất nhiều hệ thống thông tin địa lý về cháy rừng được xây dựng trên thế giới như hệ thống giám sát cháy rừng toàn cầu (Global Fire Watch) của WRI (World Resources Institute)

[20], hệ thống quản lý tài nguyên thông tin cháy rừng (FIRMS) của NASA (National Aeronautics and Space Administration) [21], v.v Tại Việt Nam, cục kiểm lâm cũng đã xây dựng hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến VN FireWatch [22] Tuy nhiên, các hệ thống này vẫn còn tồn tại những nhược điểm khác nhau như chỉ hiển thị các thông tin chung , khái quát hóa vị t rí không gian của thông tin điểm cháy mà không thể hiê ̣n được các thông tin thuô ̣c tính , không thể hiện được

xu thế của cháy rừng qua các giai đoạn thời gian, thiếu báo cáo thống kê tổng hợp, v.v chưa thể đáp ứng được nhu cầu của người dùng Trong ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà Nội đã có 2 đề tài xây dựng hệ thống hỗ trợ giám sát cháy rừng nhưng chỉ dừng lại ở mức cài đặt, việt hóa dựa trên hệ thống có sẵn của NASA [34] hoặc được xây dựng nhưng lấy nguồn dữ liệu cháy từ bên thứ 3 chưa được kiểm chứng để lưu trữ, hiển thị lên trên bản đồ để phục vụ mục đích tra cứu [35] mà chưa cung cấp các chức năng giám sát, cảnh báo cháy rừng đúng nghĩa cho người dùng

Do đó, việc xây dựng một hệ thống hỗ trợ và cung cấp các thông tin giám sát về cháy rừng, tích hợp được đầy đủ các chức năng, khắc phục được nhược điểm của các hệ thống đang tồn tại là vô cùng cần thiết

Với những lí do trên, mục tiêu của đề tài là nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin giám sát cháy rừng sử du ̣ng nguồn dữ liê ̣u ảnh vệ tinh được tận dụng, cung cấp bởi tra ̣m thu dữ liê ̣u ảnh của Đa ̣i Ho ̣c Công Nghê ̣ Đề tài nằm trong định hướng nghiên cứu về cháy rừng của Trung tâm Tích hợp liên ngành giám sát hiện trường Một số nội dung của hướng nghiên cứu này bao gồm:

- Xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo cháy rừng thông qua dữ liệu ảnh vệ tinh, thiết bị cảm biến, thiết bị di động, v.v

- Cải thiện và nâng cao độ chính xác của thuật toán trích xuất thông tin cháy rừng từ dữ liệu ảnh vệ tinh

- Mô phỏng và dự báo cháy rừng dựa trên các nhân tố khác nhau

Tại thời điểm hiện tại, đã có 3 luận văn cao học và 2 luận văn đại học được xây dựng dựa trên hướng nghiên cứu trên Tuy nhiên, các luận văn này vẫn còn có những nhược điểm chưa được khắc phục và hoàn thiện Dưới đây là bảng mô tả nội dung chính và nhược điểm của luận văn đã được thực hiện trước đây:

1 Đỗ Gia Hiếu – “Nghiên - Luận văn được xây dựng chủ yếu tập trung

cứu thuật toán trích xuất

điểm nóng điểm cháy từ

ảnh vệ tinh và ứng dụng

trong hệ thống cháy rừng”

vào việc cài đặt, cấu hình và việt hóa lại hệ thống giám sát cháy rừng FIRMS được chuyển giao từ NASA cho Trung tâm công nghệ tích hợp liên ngành giám sát hiện trường

- Hệ thống chưa hỗ trợ cho việc cảnh báo và hiển thị dữ liệu thời gian thực cho người dùng

- Hệ thống chưa tận dụng được nguồn dữ liệu

từ trạm thu ảnh vệ tinh của Đại học Công nghệ - ĐH QGHN

- Ngoài các thông tin liên quan đến điểm cháy chưa bao gồm các thông tin về các yếu tố khí tượng hỗ trợ cho việc cảnh báo cháy

- Nguồn dữ liệu không gian về ranh giới hành chính, lớp phủ rừng được sử dụng trong hệ thống đã cũ, chưa được chuẩn hóa và cập nhật có thể gây sai lệch thông tin về vị trí địa lý khi cung cấp cho người dùng

- Các dữ liệu cháy được trích xuất chưa được kiểm chứng thực tế thông qua các đơn vị chức năng

- Không có công cụ hỗ trợ báo cáo thống kê, chia sẻ dữ liệu cho người dùng

- Không hỗ trợ cho người dùng xem xu hướng cháy rừng

2 Đặng Quýnh Anh –

“Nghiên cứu, tìm hiểu và

cài đặt thử nghiệm một vài

chỉ số cảnh báo cháy

rừng”

- Luận văn tập trung vào việc cài đặt thử nghiệm một số chỉ số cảnh báo cháy rừng phục vụ cho việc mô phỏng

- Không có hệ thống được xây dựng để phục

vụ giám sát và cảnh báo cháy rừng

- Các dữ liệu được sử dụng trong hệ thống

được lấy từ hệ thống FIRMS của NASA

- Do tập trung vào việc mô phỏng nên các số liệu chưa thể sử dụng cho thực tế được

3 Phạm Thanh Tùng – “Xây

dựng hệ thống thông tin hỗ

trợ giám sát cháy rừng”

- Hệ thống được xây dựng với các chức năng thu thập dữ liệu cháy tự động và hiển thị lên trên bản đồ kết hợp với các thông tin về khí tượng với các số liệu được lấy từ các trạm Tuy nhiên nguồn dữ liệu được sử dụng được lấy hệ thống FIRMS của NASA Vì vậy, hệ thống chưa tận dụng được nguồn dữ liệu từ trạm thu ảnh vệ tinh của Đại học Công nghệ

- ĐH QGHN

- Hệ thống chưa hỗ trợ cho việc cảnh báo và hiển thị dữ liệu thời gian thực cho người dùng Người dùng cần tải lại Website mới

có thể xem được dữ liệu mới

- Ngoài các thông tin liên quan đến điểm cháy chưa bao gồm các thông tin về các yếu tố khí tượng hỗ trợ cho việc cảnh báo cháy Tuy nhiên các thông tin này chỉ được sử dụng cho việc tìm kiếm mà không cung cấp cho người dùng lúc hiển thị

- Nguồn dữ liệu không gian về ranh giới hành chính, lớp phủ rừng được sử dụng trong hệ thống đã cũ, chưa được chuẩn hóa và cập nhật có thể gây sai lệch thông tin về vị trí địa lý khi cung cấp cho người dùng

- Các dữ liệu cháy được trích xuất chưa được kiểm chứng thực tế thông qua các đơn vị chức năng

- Không có công cụ hỗ trợ chia sẻ dữ liệu cho người dùng

- Không hỗ trợ cho người dùng xem xu hướng cháy rừng

4 Hồ Văn Phú - “Hệ thống

cảnh báo nguy cơ cháy

rừng”

- Luận văn được xây dựng chủ yếu tập trung vào việc hiển thị thông tin cảnh báo cháy rừng theo vùng trên bản đồ

- Hệ thống chưa cung cấp được vị trí địa lý cụ thể của khu vực cháy mà chỉ khái quát chung theo ranh giới hành chính

- Nguồn dữ liệu được sử dụng được lấy hệ thống FIRMS của NASA Vì vậy, hệ thống chưa tận dụng được nguồn dữ liệu từ trạm thu ảnh vệ tinh của Đại học Công nghệ - ĐH QGHN

- Hệ thống chưa hỗ trợ cho việc cảnh báo và hiển thị dữ liệu thời gian thực cho người dùng Người dùng cần tải lại Website mới

có thể xem được dữ liệu mới

- Ngoài các thông tin liên quan đến điểm cháy chưa bao gồm các thông tin về các yếu tố khí tượng hỗ trợ cho việc cảnh báo cháy chưa cung cấp cho người dùng

- Nguồn dữ liệu không gian về ranh giới hành chính, lớp phủ rừng được sử dụng trong hệ thống đã cũ, chưa được chuẩn hóa và cập nhật có thể gây sai lệch thông tin về vị trí địa lý khi cung cấp cho người dùng

- Không có công cụ hỗ trợ chia sẻ dữ liệu cho người dùng

5 Vũ Xuân Lai – “Ứng dụng

cảnh báo cháy rừng trên

thiết bị di động”

- Luận văn được xây dựng chủ yếu tập trung vào việc hiển thị dữ liệu cháy rừng trên thiết

bị di động

- Hệ thống chưa hỗ trợ cho việc cảnh báo và

hiển thị dữ liệu thời gian thực cho người dùng

- Nguồn dữ liệu được sử dụng được lấy hệ thống FIRMS của NASA Vì vậy, hệ thống chưa tận dụng được nguồn dữ liệu từ trạm thu ảnh vệ tinh của Đại học Công nghệ - ĐH QGHN

- Ngoài các thông tin liên quan đến điểm cháy chưa bao gồm các thông tin về các yếu tố khí tượng hỗ trợ cho việc cảnh báo cháy

- Nguồn dữ liệu không gian về ranh giới hành chính, lớp phủ rừng được sử dụng trong hệ thống đã cũ, chưa được chuẩn hóa và cập nhật có thể gây sai lệch thông tin về vị trí địa lý khi cung cấp cho người dùng

- Các dữ liệu cháy được trích xuất chưa được kiểm chứng thực tế thông qua các đơn vị chức năng

- Không có công cụ hỗ trợ báo cáo thống kê, chia sẻ dữ liệu cho người dùng

- Không hỗ trợ cho người dùng xem xu hướng cháy rừng

Hê ̣ thống được xây dựng trong đề tài này sẽ khắc phục những nhược điểm với các nội dung bao gồm:

- Cài đặt module trích xuất điểm cháy từ ảnh vệ tinh được thu thập trực tiếp thông qua trạm thu của Đại học Công nghệ - ĐH Quốc Gia Hà Nội

- Cung cấp các thông tin về các điểm nguy cơ cháy rừng cùng với các dữ liệu khí tượng (tốc độ gió, hướng gió, nhiệt độ, độ ẩm, v.v) gần thời gian thực trực tiếp tại điểm cháy thay vì sử dụng số liệu từ các trạm đo khí tượng không thường xuyên Cho phép người dùng tải ảnh vệ tinh MODIS MOD14 và LANDSAT8 tại khu vực chứa điểm nguy cơ cháy để phục vụ công tác kiểm chứng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Ha C T “Vietnam National Forest Status of 2012”, Annually report of

Ministry of Agriculture and Rural Development, 2013

[2] 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

[3] M D Flannigan, T H Vonder Haar “Forest Fire Monitoring using NOAA

Satellite AVHRR” Canadian Journal of Forest Research, 1986

[4] S P Flasse, P Ceccato “A Contextual Algorithm for AVHRR Fire

Detection” International Journal of Remote Sensing, Volume 17, Issue 2,

1996

[5] 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

[6] 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

[7] 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

[8] 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

[9] 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

[10] Jay D Miller, Stephen R Yool “Mapping Forest Post-Fire Canopy