NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHÔNG GIAN ĐỊA LÝ (VIỄN THÁM, GIS, GPS) TRONG PHÁT HIỆN CHÁY RỪNG Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ LÂM NGHIỆP

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - LÊ NGỌC HỒN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ KHÔNG GIAN ĐỊA LÝ (VIỄN THÁM, GIS, GPS) TRONG PHÁT HIỆN CHÁY RỪNG Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ LÂM NGHIỆP HÀ NỘI - 2018 BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP LÊ NGỌC HOÀN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHÔNG GIAN ĐỊA LÝ (VIỄN THÁM, GIS, GPS) TRONG PHÁT HIỆN CHÁY RỪNG Ở VIỆT NAM Ngành: Lâm sinh Mã số: 9.62.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ LÂM NGHIỆP Người hướng dẫn: PGS TS TRẦN QUANG BẢO HÀ NỘI - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu, thực nghiệm trình bày Luận án thực hướng dẫn PGS.TS Trần Quang Bảo Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu Luận án hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác hình thức Tơi xin cam đoan tất tham khảo từ nghiên cứu liên quan nêu nguồn gốc cách rõ ràng từ danh mục tài liệu tham khảo luận án Trong luận án, việc chép tài liệu, cơng trình nghiên cứu người khác mà không rõ tài liệu tham khảo Tôi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng bảo vệ luận án tiến sĩ lời cam đoan thân Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2018 Tác giả luận án Lê Ngọc Hoàn i LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ không gian địa lý (Viễn thám, GIS, GPS) phát cháy rừng Việt Nam” thuộc chuyên ngành Lâm sinh, mã số 9.62.02.05 cơng trình nghiên cứu thuộc lĩnh vực địa không gian sở ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS), Viễn thám (RS), hệ thống định vị toàn cầu (GPS) công nghệ thông tin (IT) để nâng cao hiệu công tác bảo vệ phát triển rừng Trong trình thực hiện, với nỗ lực thân giúp đỡ tận tình nhà khoa học, đồng nghiệp gia đình, đến luận án hồn thành Nhân dịp này, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn Luận án PGS Trần Quang Bảo; chuyên gia GS Vương Văn Quỳnh, (Đại học Lâm nghiệp), PGS Nguyễn Ngọc Thạch (Đại học QG Hà Nội), TS Đoàn Hoài Nam, TS Đỗ Xuân Lân (Bộ NN&PTNT) tận tình hướng dẫn đóng góp nhiều ý kiến q báu để tơi hồn thành Luận án Xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu, đơn vị Trường Đại học Lâm nghiệp, Đặc biệt Phòng Đào tạo Sau đại học, Bộ môn Lâm sinh, Viện Sinh thái rừng Môi trường…đã tạo điệu kiện giúp đỡ tơi q trình thực Luận án Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Cục Kiểm lâm, Ban Giám đốc CBVC Vườn Quốc gia U Minh Thượng, Vườn Quốc gia Ba Vì, Ban QLR Phòng hộ Đặc dụng Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình triển khai thử nghiệm mơ hình nghiên cứu Cuối cùng, xin bày tỏ lịng biết ơn tới tồn thể gia đình người thân động viên, tạo điều kiện thuận lợi vật chất, tình thần suốt q trình tơi thực luận án./ Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2018 Tác giả luận án Lê Ngọc Hoàn ii MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 Sự cần thiết luận án Mục tiêu nghiên cứu 2.1 Mục tiêu tổng quát 2.2 Mục tiêu cụ thể 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu 4 Những đóng góp luận án 4.1 Về phương pháp nghiên cứu 4.2 Về sở lý luận khoa học 4.2 Về thực tiễn Kết cấu luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Công nghệ địa không gian (RS, GIS GPS) 1.1.1 Công nghệ địa không gian 1.1.2 Công nghệ viễn thám (RS) 1.1.3 Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 1.1.4 Hệ thống định vị toàn cầu 10 1.2 Tổng quan nghiên cứu dự báo cháy rừng 11 1.2.1 Nghiên cứu dự báo cháy rừng giới 11 1.2.2 Các nghiên cứu dự báo cháy rừng Việt Nam 12 1.3 Nghiên cứu biện pháp phòng chữa cháy rừng 15 1.3.1 Nghiên cứu biện pháp phòng chữa cháy rừng giới 15 1.3.2 Nghiên cứu biện pháp phòng cháy chữa cháy rừng Việt Nam 16 1.4 Tổng quan phương pháp phát cháy rừng 17 1.4.1 Phương pháp phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh 17 1.4.1.1 Phương pháp phát điểm cháy/điểm nóng 17 iii 1.4.1.2 Các phương pháp phát vùng rừng bị cháy 19 1.4.2 Phương pháp phát cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất 21 1.5 Tổng quan mơ hình phát cháy rừng 25 1.5.1 Mơ hình phát cháy rừng ảnh vệ tinh 25 1.5.2 Mơ hình phát cháy rừng thiết bị giám sát mặt đất 29 1.6 Nhận xét đánh giá định hướng nghiên cứu 33 1.6.1 Hệ thống giám sát ảnh vệ tinh 33 1.6.2 Hệ thống giám sát máy ảnh cảm biến quang học 35 1.6.3 Đối với hệ thống giám sát mạng cảm biến không dây 35 1.6.4 Đề xuất hướng nghiên cứu cho luận án 36 CHƯƠNG 37 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38 2.1 Nội dung nghiên cứu 38 2.1.1 Nghiên cứu khả phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh 38 2.1.2 Nghiên cứu khả phát cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất 38 2.1.3 Đề xuất giải pháp kỹ thuật phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh thiết bị giám sát mặt đất 38 2.2 Phương pháp nghiên cứu 38 2.2.1 Phương pháp luận 38 2.2.2 Phương pháp nghiên cứu cụ thể 40 2.2.2.1 Phương pháp nghiên cứu khả phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh 40 2.2.2.2 Phương pháp phát cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất 48 CHƯƠNG 57 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 57 3.1 Nghiên cứu khả phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh 57 3.1.1 Kết lựa chọn tư liệu ảnh viễn thám thích hợp 57 3.1.2 Kết ứng dụng thuật tốn để trích xuất điểm dị thường nhiệt 69 3.1.3 Mối quan hệ giá trị cấp độ sáng với độ tin cậy 79 3.1.4 Kết kiểm chứng khả phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh MODIS 81 3.1.4.1 Kiểm chứng khả phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh MODIS 82 3.1.4.2 Kết xác định ngưỡng cấp độ sáng (Brightness_T4) giá trị ∆T theo vụ cháy rừng khứ 85 iv 3.1.5 Kết loại trừ điểm dị thường nhiệt không nằm rừng 87 3.1.6 Giải pháp kỹ thuật phát truyền tin cảnh báo cháy rừng từ ảnh vệ tinh 96 3.1.6.1 Giải pháp kỹ thuật phát cháy rừng 96 3.1.6.3 Giải pháp cấu trúc hệ thống 99 3.1.6.4 Giải pháp sở liệu 100 3.1.6.5 Ưu nhược điểm điều kiện áp dụng 100 3.2 Kết khả phát cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất 101 3.2.1 Thử nghiệm thuật toán với khung hình Video 101 3.2.2 Kết thử nghiệm thuật tốn khung hình từ máy ảnh kỹ thuật số 104 3.2.3 Kết đốt thử nghiệm mơ hình phát cháy rừng thiết bị quan sát mặt đất 106 3.2.3.1 Kết đốt thử VQG U Minh Thượng .106 3.2.3.2 Kết đốt thử Ban Quản lý rừng Phòng hộ - Đặc dụng Hà Nội 109 3.2.3.3 Kết đốt thử nghiệm Vườn Quốc gia Ba Vì 112 3.2.3.4 Kết phân tích ảnh hưởng chiều cao khoảng cách thiết bị giám sát mặt đất đến đám cháy .114 3.2.4 Giải pháp kỹ thuật phát truyền tin cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất 116 3.2.4.1 Giải pháp kỹ thuật phát cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất 116 3.2.4.2 Giải pháp truyền tin cảnh báo cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất 116 3.2.4.3 Giải pháp cấu trúc thiết bị phát cháy rừng .118 3.2.4.4 Giải pháp sở liệu 119 3.5.2.5 Ưu nhược điểm điều kiện ứng dụng 119 KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KHUYẾN NGHỊ 121 Kết luận 121 Tồn 123 Khuyến nghị 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………… ………… 125 PHỤ LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Viết tắt Nội dung AVHRR DCT EFFIS VQG EOS FIRMS GFMC GIS IP Advanced Very High Resolution Radiometer - Thiết bị thu nhận có độ phân giải cao vệ tinh NOAA Discrete Cosine Transform - Biến đổi cô sin rời rạc European Forest Fire Information System - Hệ thống thông tin cháy rừng châu Âu Vườn Quốc gia Earth Observing System - Hệ thống quan sát Trái đất Fire Information for Resource Management - Hệ thống quản lý tài nguyên thông tin cháy rừng Global Fire Monitoring Center - Trung tâm giám sát lửa toàn cầu Geographic information system - Hệ thống thông tin địa lý Internet Protocol mạng - Giao thức liên mạng 10 JPEG Joint Photographic Experts Group - Một loại định dạng ảnh 11 Moderate Resolution Spectroradiometer - Một loại cảm MODIS biến có độ phân giải trung bình đặt vệ tinh Terra Aqua 12 NASA 13 NDVI 14 NOAA 15 16 17 PTLN RGB RS 18 SPOT 19 UNDP 20 YcbCr National Aeronautics and Space Administration - Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ Normalized Difference Vegetation Index - Chỉ số thực vật National Ocenic and Atmospheric Administration - Vệ tinh khí tượng NOAA Phát triển lâm nghiệp Red-Green-Blu, tổ hợp gam mầu Remote Sensing - Viễn thám Système Pour l'Observation dela Terre - Trung tâm nghiên cứu không gian Pháp United Nations Development Programme - Chương trình phát triển Liên hợp quốc Y: Luminance; Cb: Chrominance-Blue; and Cr: Chrominance-Red 21 CCTV Closed circuit television, Truyền hình mạch kín 22 MNN Multilayer neural network: Mạng đa lớp 23 24 FFSS MCF Hệ thống cảnh báo cháy rừng Chi phí chuyển tiếp tối thiểu vi DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 Kênh MODIS sử dụng phát đặc tính hoạt động lửa Bảng cấu trúc liệu điểm dị thường nhiệt Nội dung Video thông số kỹ thuật dùng kiểm chứng thuật tốn Bố trí đám cháy đốt thử nghiệp thuật tốn Mơ tả thiết bị lựa chọn lắp đặt thiết bị quan sát Bố trí vị trí đám cháy đốt thử nghiệm kiểm chứng mơ hình Tổng hợp số ảnh vệ tinh Thông số kênh ứng dụng ảnh AVHRR Thông số kênh phổ cảm ASTER Thông số kênh ảnh Landsat Độ phân giải phổ ảnh nguồn vệ tinh SPOT từ - Thuộc tính kỹ thuật vệ tinh SPOT SPOT Các thông số kỹ thuật ảnh MODIS Kết tổng hợp phân bố điểm dị thường nhiệt theo tỉnh/TP từ năm 2010 đến 2015 Việt Nam Phân bố điểm dị thường nhiệt theo vùng địa lý Phân bố điểm dị thường nhiệt theo thời gian (năm 2010 2016) toàn quốc Tổng hợp phân bố điểm dị thường nhiệt theo thời gian Kết tham số hệ số tương quan cấp độ sáng (brightnees) với độ tin cậy (confidence) Danh mục điểm cháy rừng thực tế có điểm dị thường nhiệt Bảng mô tả giá trị cấp độ sáng giá trị ∆T vụ cháy khứ Kết lọc điểm dị thường nhiệt theo trạng rừng Kết thử nghiệm thuật tốn với khung hình Video Kết đốt thử nghiệm Vườn Quốc gia U Minh Thượng Kết đốt thử nghiệm rừng phịng Sóc Sơn, thuộc BQL rừng phịng hộ - đặc dụng Hà Nội Kết đốt thử nghiệm Vườn Quốc gia Ba Vì Kết ước lượng tham số hồi quy logistic Tổng hệ số ảnh hưởng trực tiếp gián tiếp mơ hình Kết hệ số đường ảnh hưởng nhân tố 42 46 52 53 54 55 58 60 61 62 63 64 67 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 vii 70 73 75 77 80 83 86 88 103 107 110 113 114 115 115 DANH MỤC CÁC HÌNH TT Tên hình Trang 1.1 Công nghệ địa không gian 1.2 Công nghệ viễn thám 1.3 Hệ thống thông tin địa lý GIS 1.4 Thành phần hệ thống định vị toàn cầu (GPS) 10 1.5 Sơ đồ thu nhận xử lý dự Modis trạm thu Cục Kiểm lâm 27 1.6 Sơ đồ thu nhận, xử lý thông tin điểm cháy từ liệu MODIS 28 1.7 Các điểm cháy ngày tháng năm 2017 28 1.8 Mơ hình FireWxNet 32 1.9 Tổng quan hệ thống FileWatch 33 2.1 Sơ đồ nghiên cứu khả phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh 40 2.2 Ảnh vệ tinh MODIS chứa toàn lãnh thổ Việt Nam 45 2.4 Sơ đồ phương nghiên cứu pháp phát cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất Xử lý hình ảnh thu từ Camera thuật toán lựa chọn 3.1 Một số ứng dụng ảnh vệ tinh 57 3.2 Cảm biến MODIS gắn vệ tinh Terra Aqua 65 3.3 Ảnh vệ tinh MODIS 66 2.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 Bản đồ phân bổ điểm dị thường nhiệt theo không gian từ năm 2010 đến năm 2015 phạm vi toàn quốc Biểu đồ mô tả phân bố điểm dị thường nhiệt theo không gian Biểu đồ mô tả phân bố điểm dị thường nhiệt theo vùng địa lý Biểu đồ phân bố điểm dị thường nhiệt theo thời gian toàn quốc Biểu đồ phân bố điểm dị thường nhiệt vùng địa lý theo thời gian Diễn biến nguy cháy rừng trung bình nước thời kỳ khác Biều đồ mô tả tương quan cấp độ sáng (brightness) với độ tin cậy (confidence) Vụ cháy rừng ngày 20/2/2010 xã Tả Van, VQG Hoàng Liên lúc 12h10 Vụ cháy rừng ngày 4/8/2016 xã Thượng Lộc Đồng Lộc, huyện Can Lộc, Hà Tĩnh a) Bản đồ mô tả điểm cháy rừng tế b) điểm cháy thực tế có điểm dị thường nhiệt tại, VQG Hoàng Liên, tỉnh Lào Cai viii 48 52 72 73 74 75 78 79 80 82 82 83