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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ LÂM NGHIỆP HÀ NỘI - 2018 Luận án hoàn thành tại: Trường Đại học Lâm nghiệp Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Quang Bảo Phản biện 1: Phản biện 1: Phản biện 3: Luận án bảo vệ Hội đồng chấm luận án cấp Trường tại: Trường Đại học Lâm nghiệp Vào hồi……giờ .ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Trường ĐH Lâm nghiệp - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Sự cần thiết luận án Cháy rừng thảm họa, làm tổn hại đến tính mạng tài sản người, phá vỡ cảnh quan, tác động xấu đến an ninh quốc phịng đặc biệt làm giảm tính đa dạng sinh học Những hậu khác cháy rừng có tác động xấu lâu dài bao gồm kiểu thời tiết địa phương, nóng lên tồn cầu, tuyệt chủng loài động thực vật quý Cháy rừng thường xảy diện rộng vùng có địa hình rừng núi phức tạp khó lại, việc quan trắc phát cháy rừng phương pháp truyền thống thường khó khăn Ở Việt Nam, cháy rừng hiểm họa thường xuyên xảy Trong nhiều trường hợp, chỉ cháy rừng đã xảy thời gian dài lan rộng diện tích lớn phát được, thơng tin không kịp thời dẫn đến hiệu chữa cháy thường thấp, gây nhiều thiệt hại, đặc biệt rừng văn hóa, lịch sử kết hợp tham quan du lịch, khu vực dễ cháy vào mùa khô Ngày nay, cơng nghệ khơng gian địa lý hay cịn gọi công nghệ địa không gian (Geotechnology) đã công nghệ thu hút quan tâm lớn giới Trong lĩnh vực lâm nghiệp, công nghệ địa không gian đã ứng dụng rộng rãi, xác định diện tích, phân bố không gian loại rừng, dự báo cảnh báo cháy rừng, giám sát diễn biến tài nguyên rừng Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ địa không gian phát cháy rừng việc làm cần thiết Giúp cho chủ quản lý rừng có giải pháp phịng chữa cháy rừng thích hợp Với lý đó, NCS đã tiến hành thực luận án “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ không gian địa lý (RS, GIS, GPS) phát cháy rừng Việt Nam” Mục tiêu nghiên cứu 2.1 Mục tiêu tổng quát: Ứng dụng hiệu công nghệ không gian địa lý để nâng cao chất lượng công tác quản lý tài nguyên rừng, đặc biệt công tác quản lý phát cháy rừng Việt Nam 2.2 Mục tiêu cụ thể: (1) Ứng dụng thuật toán phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh MODIS kết hợp liệu kiểm kê rừng toàn quốc để nâng cao chất lượng phát cháy rừng Việt Nam (2) Phát triển mô hình phát cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất để phát kịp thời đám cháy rừng, giảm thiểu thiệt hại cháy rừng gây (3) Đề xuất giải pháp kỹ thuật tự động phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh thiết bị giám sát mặt đất Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu (1) Ảnh vệ tinh có khả phát cháy rừng (2) Các vụ cháy rừng đã xảy giai đoạn năm (3) Hiện trạng rừng theo số liệu kiểm kê rừng tồn quốc (4) Thuật tốn trích xuất điểm dị thường nhiệt từ ảnh vệ tinh phân tích video từ thiết bị giám sát mặt đất 3.2 Phạm vi nghiên cứu (1) Về không gian: (i) Ảnh vệ tinh Modis toàn quốc (ii) Dữ liệu điểm dị thường nhiệt tỉnh Lai Châu, Hải Dương, Kon Tum Kiên Giang để lọc điểm thường nhiệt đất rừng (iii) Kiểm chứng khả xuất điểm dị thường nhiệt với vụ cháy rừng khứ tỉnh Lào Cai, Hịa Bình, Hà Tĩnh TP Đà Nẵng (iv) Đốt thử nghiệm kiểm chứng thiết bị giám sát mặt đất tại: Vườn Quốc gia U Minh Thượng, Vườn Quốc gia Ba Vì, BQL rừng phịng hộ Hà Nội Trường Đại học Lâm nghiệp (2) Về thời gian: (i) Ảnh vệ tinh Modis: từ năm 2010- 2015 (ii) Dữ liệu vụ cháy rừng khứ từ năm 2010-2015 (3) Nội dung: (i) Lựa chọn thuật toán (ii) Thử nghiệm kiểm chứng (iii) Đề xuất giải pháp kỹ thuật phát cháy rừng Việt Nam (4) Về tư liệu: (i) Dữ liệu vụ cháy thực tế: kế thừa 100 vụ cháy xảy khứ Cục Kiểm lâm thuộc Tỉnh Lào Cai, Tỉnh Hịa Bình, Tỉnh Hà Tĩnh Tp Đà Nẵng - Dữ liệu tư liệu ảnh vệ tinh kế thừa download từ Website NASA (https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov); - Tư liệu thuật toán, phương pháp phát cháy tham khảo từ cơng trình nghiên cứu báo khoa học đã công bố Những đóng góp luận án 4.1 Về phương pháp nghiên cứu: Luận án cơng trình nghiên cứu sâu tổng hợp ứng dụng công nghệ địa không gian phát cháy rừng phương pháp lựa chọn, ứng thuật toán, thử nghiệm, truyền tin nâng cao chất lượng thông tin cảnh báo 4.2 Về sở lý luận khoa học: (i) Ứng dụng công nghệ địa không gian để thu thập nhiều liệu ảnh diện rộng đa thời gian để nghiên cứu phát cháy rừng công tác quản lý tài nguyên rừng nước ta (ii) Phát triển thuật tốn tự động phân tích video, trích xuất điểm cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất để xây dựng thiết bị tự động phát cháy rừng có khả ứng dụng hiệu Việt Nam 4.2 Về thực tiễn: (i) Xác định khả tự động phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh Modis (ii) Phát triển thiết bị giám sát mặt đất tự động phát cháy rừng cho khu vực có nguy cháy rừng cao (iii) Đề xuất giải pháp tiên tiến để tự động phát sớm cháy rừng, góp phần nâng cao chất lượng hoạt động quản lý phòng chữa cháy rừng nước ta CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Trên sở tổng quan cơng trình nghiên cứu đã công bố giới nước theo chủ điểm: (1) Công nghệ địa không gian (RS, GIS, GPS) (2) Tổng quan nghiên cứu dự báo cháy rừng (3) Tổng quan nghiên cứu biện pháp phòng chữa cháy rừng (4) Tổng quan phương pháp phát cháy rừng (5) Tổng quan mơ hình phát cháy rừng Cơ sở phương pháp dự báo nguy cháy rừng mối liên hệ chặt điều kiện thời tiết, mà quan trọng lượng mưa, nhiệt độ độ ẩm khơng khí với độ ẩm vật liệu khả xuất cháy rừng (MiBbach,1972; Belop, 1982; Chandler, 1983) Ngoài ra, vào độ ẩm vật liệu cháy, lượng nước đất, tốc độ gió, số ngày không mưa lượng bốc v.v Các nghiên cứu phương pháp phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh đã nghiên cứu cà triển khai nhiều quốc gia, nhiên mức độ phù hợp số tồn định Các nghiên cứu thiết bị giám sát mặt đất cho rằng: Các biến thể hệ thống quang học hoạt động dựa thuật toán khác nhau, tất chúng có chung nguyên lý phát khói ánh lửa Công nghệ mạng cảm biến không dây thường triển khai số lượng lớn cảm biến nhỏ, cảm biến lắp với mật độ dày, quan sát tác động đến vật chất xung quanh chúng qua thu thập thông tin vật lý, chuyển đổi thành tín hiệu điện, gửi chúng đến vị trí xa để tiến hành phân tích đưa kết ứng dụng khác Từ kết luận rút trình nghiên cứu tổng quan, cho phép xác định vấn đề giải luận án: (1) Lựa chọn tư liệu ảnh viễn thám, thuật tốn trích xuất điểm dị thường nhiệt Louis Giglio cộng phát triển năm 2003, thuật tốn phát khói lửa để thử nghiệm phát cháy rừng Việt Nam (2) Phân tích quan hệ giữa số đại lượng với các vụ cháy rừng đã thực tế xảy quá khứ Việt Nam, làm sở đề xuất việc ứng dụng thuật toán cho phát cháy rừng Việt Nam (3) Sử dụng công nghệ phân tích không gian địa lý, tích hợp viễn thám GIS, tự động lọc các điểm dị thường nhiệt độ nằm diện tích rừng để cung cấp cho chủ quản lý rừng những thơng tin có độ tin cậy cao (4) Nghiên cứu thiết lập thiết bị giám sát phát cháy rừng từ mặt đất (5) Đề xuất thiết lập hệ thống truyền thông tin tự động tới các cấp quản lý rừng điện thoại, emails, tin nhắn, trang web CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung nghiên cứu 2.1.1 Nghiên cứu khả phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh: (1) Lựa chọn tư liệu ảnh vệ tinh phù hợp cho nghiên cứu; (2) Ứng dụng thuật toán trích xuất điểm dị thường nhiệt từ ảnh vệ tinh; (3) Phân tích mối quan hệ giữa cấp độ sáng (brightness) với độ tin cậy (confidence) điểm dị thường nhiệt; (4) Kiểm chứng khả phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh; (5) Phân tích xác định ngưỡng cấp độ sáng (brightness) độ lệch ∆T các điểm dị thường nhiệt cho các vụ cháy rừng Việt Nam; (6) Loại trừ điểm dị thường nhiệt không nằm rừng 2.1.2 Nghiên cứu khả phát cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất: (1) Ứng dụng thuật toán phát cháy với khung hình video; (2) Ứng dụng thuật tốn phát cháy với khung hình từ máy ảnh kỹ thuật số; (3) Thử nghiệm mơ hình phát cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất; (4) Ảnh hưởng chiều cao khoảng cách thiết bị giám sát mặt đất đến đám cháy 2.1.3 Đề xuất giải pháp kỹ thuật phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh thiết bị giám sát mặt đất 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp luận Về luận điểm: (1) Công nghệ viễn thám, cụ thể viễn thám hồng ngoại (đặc biệt hồng ngoại trung hồng ngoại nhiệt) cho phép phát đám cháy khu vực dị thường nhiệt có liên quan chặt chẽ tới đám cháy mặt đất (2) Kết hợp viễn thám công nghệ địa thông tin mặt đất cung cấp khả phát sớm giám sát trình lan truyền đám cháy cách xác, từ hỗ trợ hiệu cho cơng tác phịng chống cháy rừng Về cách tiếp cận: (1) Công nghệ địa không gian sử dụng chủ đạo xuyên suốt nội dung nghiên cứu (2) Cơng nghệ thơng tin tích hợp sử dụng xử lý liệu truyền thông tin (3) Mơ hình thực nghiệm áp dụng để đánh giá kiểm chứng độ xác kết nghiên cứu 2.2.2 Phương pháp nghiên cứu cụ thể 2.2.2.1 Phương pháp nghiên cứu khả phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh (1) Lựa chọn tự liệu ảnh viễn thám thích hợp Để có sơ sở luận cho việc lựa chọn tư liệu ảnh viễn thám thích hợp cho nghiên cứu, tác giả tiến hành phân tích đặc điểm kỹ thuật tư liệu ảnh viễn thám sử dụng rộng rãi có nhiều ứng dụng phát cháy Các đặc điểm kỹ thuật ảnh phân tích bao gồm: độ phân giải không gian, độ phân giải phổ, chu kỳ bay chụp, trường phủ… Ngoài ra, luận án cũng tiến hành phân tích mức độ sẵn có ảnh, khả cung cấp, giá thành, mức độ ứng dụng phát cháy rừng (2) Ứng dụng thuật tốn trích xuất điểm dị thường nhiệt từ ảnh vệ tinh Luận án ứng dụng thuật toán Louis Giglio cộng phát triển năm 2003 dựa thuật tốn gốc Kaufman năm 1993 để trích xuất điểm dị thường nhiệt từ ảnh vệ tinh MODIS Thuật toán sử dụng kênh nhiệt sáng có nguồn gốc từ kênh MODIS 4µm 11µm, ký hiệu tương ứng T4 T11 Thiết bị đo đạc MODIS có kênh µm, đánh số 21 22, hai kênh thuật tốn phát điểm nóng cháy sử dụng Kênh T11 tính tốn từ kênh 11µm (kênh số 31), bão hịa xấp xỉ 400 độ K Kênh 12µm (kênh số 32) sử dụng cho che phủ mây, nhiệt độ sáng kênh biểu T12 (3) Phân tích mối quan hệ giữa nhiệt độ kênh T4 với độ tin cậy (confidence): Luận án sử dụng phân tích tương quan phi tuyến để phân tích mối quan hệ nhiệt độ kênh T4 với độ tin cậy Trong đó, độ tin cậy biến phục thuộc (Y) nhiệt độ biến độc lập (X) để kiểm tra mức độ liên hệ hai đại đượng (4) Kiểm chứng tỷ lệ phát điểm dị thường nhiệt từ ảnh vệ tinh Modis với đám cháy thực tế: Ứng dụng phần mềm ArcGis 10.4.1 để xác định xuất điểm dị thường nhiệt theo đám cháy rừng xảy khứ (5) Đề xuất ngưỡng nhiệt độ kênh nhiệt (T4) giá trị ∆T để phát điểm cháy phù hợp cho Việt Nam: Trên sở kết đầu thuật toán, tiến hành tổng hợp so sánh 02 chỉ số T4 giá trị ∆T vụ cháy thực tế với chỉ số T4 giá trị ∆T điểm dị thường nhiệt để xác định ngưỡng giá trị điều kiện Việt Nam (6) Loại trừ các điểm dị thường nhiệt không nằm rừng Ứng dụng ArcGis lọc điểm dị thường nhiệt để xác định vị trí chúng nằm ngồi diện tích đất lâm nghiệp 2.2.2.2 Phương pháp phát cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất (1) Thuật toán phát cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất Trong nghiên cứu này, NCS không xây dựng thuật tốn cho xử lý hình ảnh mà sử dụng kết hợp nhiều thuật toán ứng dụng phát cháy giới để xử lý loại liệu ảnh, nâng cao độ tin cậy thông tin cảnh báo cháy rừng Cụ thể sau: Hình ảnh thu từ camera phân chia thành phần tử có kích thước x pixel Sau phân chia áp dụng thuật toán biến đổi rời rạc cosin (DCT - Discrete Cosine Transform) lên tất phẩn tử x pixel để thu khối DCT có kích thước x pixel Sử dụng giá trị DC (Discrete Cosine) khối DCT để phân loại khối có khả khói lửa loại bỏ khối không thuộc diện nghi ngờ (2) Thử nghiệm khả phát cháy rừng thiết bị giám sát mặt đất Dự kiến đốt thử nghiệm thuật tốn thử nghiệm mơ hình tại: (i) Vườn Quốc gia U Minh Thượng (Kiên Giang) (ii) Vườn Quốc gia Ba Vì (Hà Nội) (iii) Ban quản lý rừng phịng hộ - đặc dụng Hà Nội (Sóc Sơn, Hà Nội) (iv) Trường Đại học Lâm nghiệp (3) Phân tích mối quan hệ ảnh hưởng giữa chiều cao khoảng cách thiết bị giám sát với đám cháy đốt thử nghiệm Hồi quy logistic công cụ thích hợp trường hợp Mơ hình tương quan logistic tuyến tính lớp có dạng: Ln(Yi) =   1 X   X   Trong Yi biến phụ thuộc chỉ lấy giá trị 1, biến X biến độc lập  sai số (nhiễu) Xác suất cho Y = điều kiện X1 = Xo viết P(Y = 1/Xo) = pi tương tự P(Y=0/Xo) = - pi Để kiểm tra tồn tham số, giá trị Sig so với mức ý nghĩa α = 0,05 Nếu Sig ≤ 0,05 tham số tồn ngược lại Sig > 0,05 tham số khơng tồn Ngồi ra, Sig cịn nói lên mức độ ảnh hưởng biến độc lập tới biến phụ thuộc, Sig nhỏ mức độ ảnh hưởng lớn * Hệ số đường ảnh hưởng Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng trực tiếp hai nhân tố khoảng cách độ cao tới khả phát cháy kiểm tra, để tìm hiểu xem nhân tố có ảnh hưởng rõ rệt quan trọng trình phát cháy rừng Để thực phân tích thành phần chính, luận án đã sử dụng lệnh Spss CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu khả phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh 3.1.1 Kết lựa chọn tư liệu ảnh viễn thám thích hợp Luận án đã phân tích đặc điểm kỹ thuật 14 loại ảnh vệ tinh tiêu chí: độ phân giải không gian, độ phân giải phổ, chu kỳ bay chụp, trường phủ, mức độ sẵn có ảnh, khả cung cấp, giá thành, mức độ ứng dụng phát cháy rừng Luận án đã xác định tư liệu liệu ảnh vệ tinh dùng để phát cháy rừng ảnh vệ tinh MODIS Vì: Ảnh vệ tinh MODIS tư liệu miễn phí; có chu kỳ bay chụp ngắn (4 phiên ảnh/ngày); ảnh đa phổ, có kênh µm, đánh số 21 22 sử dụng tốt cho việc trích xuất điểm dị thường nhiệt; trường phủ rộng, với ưu việt nên ảnh vệ tinh MODIS lý tưởng để ứng dụng tốt phát vụ cháy rừng Việt Nam 3.1.2 Kết ứng dụng thuật tốn để trích xuất điểm dị thường nhiệt 3.1.2.1 Phân bố các điểm dị thường nhiệt theo khơng gian Tổng số điểm dị thường nhiệt trích xuất từ ảnh vệ tinh MODIS từ năm 2010 đến 2015 123.558 điểm phân bố theo vùng sau: 11 Kết bảng 3.2 hình 3.2 cho thấy điểm dị thường nhiệt xuất chủ yếu từ tháng 11 năm trước đến tháng năm sau, thâm chí đến tháng 7, tập trung chủ yếu tháng đến tháng 5, đặc biệt tỉnh khu vực phía Bắc, sau tượng mưa phùn giảm (thường tháng 2) tượng xuất nhiều điểm dị thường nhiệt tháng tháng Sở dĩ có xuất nhiều điểm dị thường nhiệt thời kỳ mùa khô hạn kéo dài nên tượng khô hanh cộng với nhiệt lượng từ mặt trời đã làm tăng nhiệt độ bề mặt dẫn đến phát xạ nhiệt từ bề mặt đất, thực tế thời điểm thường xảy cháy rừng vùng miền nước Tuy nhiên, tùy theo địa phương vùng địa lý khác xuất nhiều hay kéo dài thời gian xuất điểm dị thường nhiệt khác Số điểm dị thường nhiệt 25000 Vùng Đồng Sông Hồng Vùng Đông Bắc Bộ Vùng Tây Bắc Bộ Vùng Bắc Trung Bộ Vùng Nam Trung Bộ Vùng Tây Nguyên Vùng Đông Nam Bộ Vùng Tây Nam Bộ 20000 15000 10000 5000 10 11 12 Tháng Hình 3.3 Biểu đồ phân bố điểm dị thường nhiệt vùng địa lý theo thời gian Từ kết hình 3.3 cho thấy: Các vùng trọng điểm có thay đổi rõ phân bố điểm dị thường nhiệt vùng Tây Nguyên, Tây Bắc Bộ Tây Nam Bộ, điểm dị thường nhiệt thường xuất tập trung từ tháng đến tháng đỉnh điểm tháng hàng năm Tuy nhiên, mức độ xuất điểm dị thường nhiệt khu vực Trung lại có xu hướng tăng dần từ 12 Số ngày xảy nguy CR tháng 3, tháng 4, tháng 5, tháng 6, mức cao tháng tháng Vào tháng 8, tháng tháng 10 vùng nước xuất điểm dị thương nhiệt Mặt khác, nghiên cứu “Phương pháp dự báo nguy cháy rừng theo điều kiện khí hậu Việt Nam” Vương Văn Quỳnh Lê Sỹ Doanh đã khẳng định nguy cháy rừng cao Việt Nam thường xuất chủ yếu từ tháng 11 đến tháng năm sau (hình 3.4) 25 2000 2010 2020 2030 2050 20 15 10 5 Tháng 10 11 12 Nguồn: Doanh et al., 2014 Hình 3.4 Diễn biến nguy cháy rừng trung bình nước thời kỳ khác Phân bố điểm dị thường nhiệt theo thời gian không gian luận án tương đối phù hợp với nghiên cứu GS Vương Văn Quỳnh TS Lê Sỹ Doanh Điều đã chứng tỏ thuật tốn Louis Giglio cộng để trích xuất liệu cháy dạng ảnh danh mục điểm cháy để phát cảnh báo cháy rừng Việt Nam hoàn toàn phù hợp có sở 3.1.3 Mối quan hệ giá trị cấp độ sáng (Brightness) với độ tin cậy (Confidence) Độ tin cậy phát điểm cháy nhằm giúp người sử dụng đánh giá chất lượng điểm ảnh riêng lẻ đám cháy Độ tin cậy (biến động từ 0% tới 100%) quy theo ba cấp độ cháy (độ tin cậy thấp, độ tin cậy trung bình, độ tin cậy cao) cho toàn điểm 13 Kết cho thấy hàm Quadratic hàm Cubic hai hàm tốt để mô mối quan hệ brightness confidence, lẽ chúng có hệ số tương quan R-square lớn Mức độ tương quan tương đối chặt Vì nói ảnh hưởng brightness tới confidence tương đối rõ rệt Khi brightness thay đổi làm ảnh hưởng đến khả xuất điểm dị thường nhiệt, nghĩa nhiệt độ cao chỉ số confidence cũng cao 3.1.4 Kết kiểm chứng khả phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh MODIS 3.1.4.1 Kiểm chứng khả phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh Modis Để xác định khả phát điểm dị thường nhiệt từ ảnh vệ tinh Modis với điểm cháy rừng khứ, NCS đã sử dụng tư liệu 100 vụ cháy rừng đã xảy khứ tỉnh Lào Cai, Hòa Bình, Kon Tum TP Đà Nẵng Cục Kiểm lâm cung cấp để xác định tỷ lệ trùng khớp liệu cháy thực tế với điểm dị thường nhiệt theo thời gian tương ứng Bằng việc ứng dụng cơng nghệ GIS để chồng ghép phân tích đã cho kết sau: Bảng 3.3 Tổng hợp kết điểm cháy thực tế có điểm dị thường nhiệt Số điểm Số điểm cháy thực tế khơng có Tổng số cháy thực tế có dị thường điểm dị điểm TT Tỉnh nhiệt thường cháy nhiệt thực tế Số Tỷ lệ Số Tỷ lệ điểm (%) điểm (%) Hịa Bình 24 18 75,00 06 25,00 Hà Tĩnh 46 31 67,39 15 32,61 Đà Nẵng 25 17 68,00 08 32,00 Lào Cai 5 100 0,0 0,0 100 71 71,00 29 29,00 Tổng 14 Hình 3.5 Bản đồ mơ tả điểm cháy thực tế có điểm dị thường nhiệt tại, VQG Hoàng Liên, tỉnh Lào Cai Hình 3.6 Bản đồ mơ tả điểm cháy rừng thực tế có điểm dị thường nhiệt tỉnh Hịa Bình Hình 3.7 Bản đồ mơ tả điểm cháy rừng tế có điểm dị thường nhiệt tỉnh Hà Tĩnh Hình 3.8 Bản đồ mơ tả điểm cháy rừng tế có điểm dị thường nhiệt TP Đà Nẵng 15 Nhìn chung, qua kết kiểm tra xuất điểm dị thường nhiệt tỉnh/TP cho thấy 100 vụ cháy rừng khứ dùng để kiểm chứng có 71 vụ cháy rừng có xuất điểm dị thường nhiệt (chiếm 71%) Điều đã chứng tỏ khả trích xuất điểm dị thường nhiệt thuật tốn tương đối tốt, ứng dụng để phát cháy rừng nước ta Với tỷ lệ 29% vụ cháy rừng khứ đưa vào kiểm tra khơng có điểm dị thường nhiệt nhiều nguyên nhân khác nhau; độ tin cậy vụ cháy địa phương báo cáo Cục Kiểm lâm, chu kỳ bay chụp vệ tinh, qui mô đám cháy,… 3.1.4.2 Kết xác định ngưỡng cấp độ sáng (Brightness_T4) giá trị ∆T theo các vụ cháy rừng quá khứ Từ kết 71 vụ cháy rừng khứ bảng 3.15 cho thấy: giá trị cấp độ sáng (Brightness_T4) đạt từ 312K trở lên giá trị cao 352K (bảng 3.15), Với giá trị kênh T giá trị ∆T nêu trên, khảng định giá trị cấp độ sáng (brightness_T4) vụ cháy rừng điểm dị thường nhiệt Việt Nam đạt từ 310K giá trị độ lệch ∆T từ 10K trở lên theo ngưỡng đầu vào thuật toán Bảng 3.4 Bảng tổng hợp giá trị cấp độ sáng giá trị độ lệch (∆T) vụ cháy khứ Giá trị Brightness_T4 (K) Bright_T31 (K) ∆T (K) Đà Nẵng 315-337 280-305 20-49 Tỉnh/Thành phố Hịa Hà Tĩnh Bình 313-352 314-335 278-308 283-306 22-49 11-43 Lào Cai 312-349 282-303 16-62 3.1.5 Kết loại trừ điểm dị thường nhiệt không nằm rừng Trên sở 123.558 điểm dị thường nhiệt trích xuất từ thuật tốn, NCS tiến hành chồng ghép lên liệu kiểm kê rừng toàn quốc việc sử dụng công cụ ArcGis 10.4.1 Mapinfor 11.0, kết đã loại 29.74% điểm dị thường nhiệt 16 nằm ngồi diện tích đất lâm nghiệp Ngồi ra, kết mô tả phân bố điểm dị thường nhiệt tỉnh cũng đã khảng định: với tỉnh có nhiều diện tích đất lâm nghiệp điểm dị thường nhiệt nằm chiếm tỷ lệ thấp ngược lại Kết đã có ý nghĩa quan trọng việc nâng cao hiệu công tác phịng chữa cháy rừng Việt Nam Hình 3.9 Phân bố số điểm dị thường nhiệt nằm đất LN từ năm 20102015 3.1.6 Giải pháp kỹ thuật phát truyền tin cảnh báo cháy rừng từ ảnh vệ tinh 3.1.6.1 Giải pháp kỹ thuật phát cháy rừng (1) Thu nhận ảnh: Ảnh MODIS cung cấp NASA với phiên ảnh/ngày cho lãnh thổ Việt Nam từ vệ tinh TERRA vệ tinh AQUA (2) Xử lý dữ liệu xác định các điểm dị thường nhiệt: sử dụng thuật toán Louis Giglio cộng phát triển năm 2003 dựa thuật toán gốc Kaufman năm 1993 (3) Loại bỏ các điểm dị thường nhiệt đất rừng: Chồng ghép điểm dị thường nhiệt với đồ kiểm kê rừng tồn quốc cơng cụ ArcGis Mapinfor 3.1.6.2 Giải pháp truyền tin cảnh báo cháy rừng từ anh vệ tinh Thông tin cảnh báo phát theo hình thức sau: (i) Tin nhắn SMS đến điện thoại di động, (ii) Thư điện tử Email, (iii) Trang tin theo dõi cháy rừng trực tuyến 17 3.1.6.3 Giải pháp cấu trúc hệ thống (1) Máy chủ Server: chạy hệ điều hành Windows, có NET Framework 4.0 trở lên; Microsoft SQL Server 2008, Web sử dụng IIS 7.0 trở lên; ArcGIS Server 10.5 Máy có kết nối internet (2) Phần mềm xử lý trích xuất điểm dị thường nhiệt truyền tin cháy rừng (3) Trạm thu ảnh vệ tinh: sử dụng từ Website NASA thu trực tiếp từ Trạm thu Cục Kiểm lâm (4) Hệ thống thiết bị nhận tin cảnh báo: Điện thoại, Tablet, máy tính,… 3.1.6.5 Ưu nhược điểm điều kiện áp dụng - Ưu điểm: (i) Các điểm cháy cháy lớn thường phát kịp thời đem lại hiệu định cơng tác phịng cháy chữa cháy rừng; (ii) Phát bất thường nhiệt độ (điểm dị thường nhiệt) từ có khuyến cáo cho chủ thể liên quan chủ động việc phòng chữa cháy rừng cách hiệu - Nhược điểm: (i) Khơng phát đám cháy rừng có diện tích nhỏ kể đãm cháy đã xuất hiện; (ii) nhiều bị nhiễu loạn thông tin từ điểm dị thường nhiệt đám cháy (tốn nhân lực vật lực phái bố trí theo dõi giám sát khu vực rừng có cảnh báo xuất điểm dị thường nhiệt đám cháy) - Điều kiện áp dụng: Hệ thống phát truyền tin cháy rừng từ anh vệ tinh ứng dụng để theo dõi cảnh báo cháy rừng cho phạm vi nước sở hệ thống lắp đặt cố định vị trí 3.2 Kết khả phát cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất 3.2.1 Thử nghiệm thuật toán với khung hình Video 18 Kết thử nghiệm 10 lần/mỗi khung hình viedeo có tỷ lệ cảnh báo sai tương đối thấp, khung hình video số 01 có tỷ lệ cảnh báo sai cao 3% đặc biệt khung hình số có tỷ lệ phát sai 0%, khung hình video cịn lại có tỷ lệ cảnh báo sai từ 0,2 đến 1% Sở dĩ có cảnh báo sai khung hình đường giao thơng có nhiều phương tiện lại, gần máy quay có cành lớn gió lay động tương đối mạnh hình mờ; ngược lại khung hình video cịn lại trạng thái tĩnh, hình rõ hơn, với điều kiện chứng tỏ việc áp dụng thuật toán cho phát cháy rừng có sở 3.2.2 Kết thử nghiệm thuật tốn khung hình từ máy ảnh kỹ thuật số - Kết phát khói a b c Hình 3.10 Khối khói thử nghiệm; (a, b) khung hình liên tiếp; (c) hình ảnh sau xử lý a b c Nguồn: Bao et al., 2017 Hình 3.11 Sự phát khối mầu lửa thử nghiệm; (a, b) khung hình liên tiếp; (b) hình ảnh sau xử lý Từ kết thử nghiệm thuật tốn khung hình video khung hình từ máy ảnh kỹ thuật số nêu cho thấy: 19 - Thuật toán chuyển đổi cosine rời rạc (Discrete Cosine Transform - DCT) khối có kích thước × liệu đầu vào xử lý phát khói lửa từ đám cháy - Các đặc điểm khói, lửa riêng lẻ, chuyển động, màu sắc thuộc tính giãn nở phân tích trực tiếp miền DCT, nhằm giảm thiểu thời gian tăng độ xác kết tính tốn - Thuật toán xử lý ảnh động JPEG chụp từ máy ảnh kỹ thuật số ứng dụng tốt phát cháy rừng Việt Nam 3.2.3 Kết đốt thử nghiệm mơ hình phát cháy rừng thiết bị quan sát mặt đất Kết đốt thử nghiệm mơ hình Vườn Quốc gia U Minh Thượng, VQG Bà Vì Ban QLR Phịng hộ - Đặc dụng Hà Nội sau: Bảng 3.5 Tổng hợp kết đốt thử nghiệm Số đám cháy đốt thử TT Địa điểm Tổng Phát Không số phát VQG U Minh Thượng 18 14 VQG Ba Vì BQLR Phịng hộ - Đặc 10 10 dụng Hà Nội Cộng 32 28 Kết cho thấy với 32 đám cháy đốt thử nghiệm có 28 đám cháy phát 05 đám cháy không phát Trong điều kiện địa hình phẳng: thiết bị quan sát đám cháy cách vị trí đặt hệ thống tối đa 4km, tương đương với diện tích rừng giám sát 5539 điều kiện địa hình phẳng VQG U Minh Thượng Trong điều kiện địa hình phức tạp: thiết bị giám sát đám cháy cách vị trí đặt hệ thống tối đa 2,4km quan sát 1808,64 Mặt khác, vụ cháy thiết bị khơng phát tầm nhìn bị che khuất, tầm nhìn trùng với đường chân trời Điều đã chứng tỏ điều kiện địa hình nhân tố 20 quan trọng việc ứng dụng thiết bị giám sát mặt đất để phát cháy rừng 3.2.3.4 Kết phân tích ảnh hưởng chiều cao khoảng cách thiết bị giám sát mặt đất đến đám cháy thấy mơ hình hồi quy logistic là: Do tham số biến Chiều cao khoảng cách âm, có nghĩa khoảng cách chiều cao tăng khả phát cháy giảm Hơn nữa, ảnh hưởng khoảng cách thực rõ rệt đến khả phát cháy (Sig=0.0170.05) Kết hệ số đường ảnh hưởng lần khẳng định ảnh hưởng nhân tố khoảng cách rõ rệt nhân tố chiều cao 3.2.4 Giải pháp kỹ thuật phát truyền tin cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất 3.2.4.1 Giải pháp kỹ thuật phát cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất Nguồn: Bao et al., 2017 Hình 3.12 Sơ đồ quy trình phát cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất 3.2.4.2 Giải pháp truyền tin cảnh báo cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất 21 Quản trị viên tiếp nhận xử lý tin cảnh báo từ hệ thống sau: (1) Kiểm tra thông tin đám cháy, (2) Xử lý thông tin đám cháy 3.2.4.3 Giải pháp cấu trúc thiết bị phát cháy rừng: mơ tả hình dưới Nguồn: Bao et al., 2017 Hình 3.13 Sơ đồ cấu trúc thiết bị quan sát mặt đất 3.5.2.5 Ưu nhược điểm điều kiện ứng dụng - Ưu điểm: (i) Hệ thống giám sát mặt đất phát xác đám cháy rừng hoạt động thơng qua mầu khói vào ban ngày mầu lửa vào ban đêm; (ii) Hệ thống thiết bị giám sát truyền tin cháy rừng từ mặt đất ứng dụng tốt cho phát đám cháy qui mô nhỏ, ưu điểm, hỗ trợ tốt cho hệ thống phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh MODIS kết hợp hệ thống lại với - Nhược điểm: Hệ thống không giám sát cho vùng rừng rộng lớn; Không phát đám cháy điều kiện địa hình phức tạp, hạn chế góc nhìn thiết bị - Điều kiện ứng dụng: (i) điều kiện áp dụng lý tưởng cho thiết bị vùng rừng có điều kiện địa hình phẳng độ dốc thấp kiểu địa hình vùng Tây Nam Bộ.(ii)Ngồi ra, thiết bị phát cháy sớm truyền tin cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất thiết kế để quan sát khu vực trọng yếu, khu rừng có giá trị lịch sử, văn hóa, khu bảo tồn, vườn quốc gia có nguy cháy cao diện tích nhỏ 22 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Kết luận Trên sở kết nghiên cứu kiểm chứng thực tế Luận án đưa số kết luận sau đây: 1.1 Phát truyền tin cháy rừng từ ảnh vệ tinh Tư liệu ảnh viễn thám chọn để trích xuất điểm dị thường nhiệt truyền tin cảnh báo cháy rừng Việt Nam ảnh vệ tinh MODIS; ảnh độ phân giải thời gian ảnh/ngày, ảnh ban ngày ảnh ban đêm, có kênh phổ μm số 21 22 thiết kế đặc biệt hữu ích cho việc phát đám cháy Thuật toán sử dụng kênh hồng ngoại nhiệt ảnh vệ tinh MODIS để phát điểm dị thường nhiệt điểm ảnh bản, thuật toán tự động xử lý liệu kênh 20, 22 31 với ảnh mặt nạ mây để tạo liệu cháy dạng ảnh danh mục điểm dị thường nhiệt Kết thử nghiệm thuật tốn để trích xuất điểm dị thường nhiệt đã khảng định phù hợp với mùa cháy rừng theo thời gian cũng theo không gian Việt Nam Sử dụng ảnh vệ tinh MODIS để phát cháy rừng Việt Nam đạt tỷ lệ 71% so với vụ cháy rừng đã diễn khứ Ngưỡng giá trị cấp độ sáng (brightness_T4) vụ cháy rừng điểm dị thường nhiệt Việt Nam đạt từ 310K giá trị độ lệch ∆T từ 10K trở lên Ứng dụng liệu phi ảnh (dữ liệu kiểm kê rừng toàn quốc) đã loại bỏ 30% số điểm dị thường nhiệt nằm ngồi diện tích đất lâm nghiệp phạm vi toàn quốc, tỷ lệ thay đổi 90% với tỉnh/thành phố có diện tích đất lâm nghiệp Kết đã giúp cho chủ rừng cũng nhà quản lý có sở để xác định điểm cháy có nguy cháy cách xác Mơ hình tự động thu thập cảnh ảnh MODIS từ website NASA từ trạm thu Cục Kiểm lâm; tự động xử lý thông tin thu thập từ ảnh, thơng tin cảnh ảnh mã hóa xử lý theo chu trình khép kín hồn toàn tự động Kết điểm dị thường nhiệt trích xuất truyền tin kịp thời đến chủ thể quản lý quản lý thông qua Email, SMS, 23 Tóm lại, việc phát cháy rừng tư liệu viễn thám đa thời gian mang lại hiệu lớn, tiền đề quan trọng việc chủ động công nghệ để xây dựng mơ hình phát truyền tin cháy rừng Việt Nam 1.2 Phát truyền tin cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất Thuật toán chuyển đổi cosine rời rạc (Discrete Cosine Transform - DCT) cơng cụ xử lý hình ảnh để phát khói lửa từ đám cháy Kết thử nghiệm đã khẳng định: - Khả giám sát thiết bị theo địa hình: vùng có điều kiện địa hình phẳng độ dốc thấp diện tích thiết bị giám sát cao vùng có điều kiện địa hình phức tạp độ dốc lớn - Khả giám sát thiết bị theo góc nhìn thiết bị: thiết bị giám sát đặt vị trí phù hợp có đủ tầm nhìn đến đối tượng đám cháy (lửa khói) khả phát cao Ngược lại điều kiện có sường mù, mây che phủ thiết bị giám sát có vật che khuất tầm nhìn thiết bị khơng phát đám cháy Thiết bị phát cháy rừng từ mặt đất phát đám cháy qui mô nhỏ, ưu điểm, hỗ trợ tốt cho hệ thống phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh MODIS kết hợp hệ thống lại với nhau; thiết bị giám sát mặt đất phù hợp để quan sát khu vực trọng yếu, khu rừng có giá trị lịch sử, văn hóa, khu bảo tồn, vườn quốc gia có diện tích nhỏ khu vực có kiểu địa hình phẳng số VQG thuộc khu vực Tây Nam Bộ (VQG U Minh Thượng, U Minh Hạ, Chàm Chim,…) Thiết bị ứng dụng, chuyển giao vào thực tiễn để nâng cao hiệu công tác quản lý bảo vệ rừng Hệ thống giám sát cháy rừng bao gồm bước xử lý: (i) Camera đảm nhận việc theo dõi khu rừng (phạm vi quan sát camera phụ thuộc vào vị trí lắp đặt địa hình khu rừng), (ii) Phần mềm xử lý liệu liên tục kết nối với camera để lấy ảnh 24 chụp từ camera thông qua mạng Internet Ảnh thu nhận từ camera phân tích để từ xác định vị trí quan sát có xảy đám cháy Nếu xảy đám cháy, hệ thống thực cảnh báo âm thư điện tử đến địa chỉ email, SMS cài đặt trước (iii) Khi phát đám cháy, người giám sát trước đưa cảnh báo thức quan sát hình ảnh từ camera có báo động để xác minh lại cảnh báo, từ có hành động phù hợp Khuyến nghị Để ứng dụng hiệu tư liệu ảnh viễn thám việc phát cháy rừng, tác giả xin đề xuất sau: Kết hợp đồng thời số tư liệu ảnh viễn thám khác ảnh AVHRR, ảnh ASTER, ảnh LANDSAT để nâng cao hiệu cơng tác phịng chữa cháy rừng Việt Nam Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện hệ thống phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh MODIS làm rõ ảnh hưởng lượng mưa thông số khí tượng khác đến nguy xảy cháy rừng từ xây dựng mơ hình dự báo cháy rừng ngắn hạn dài hạn Tiếp tục thử nghiệm mơ hình phát cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất nhiều độ cao khác nhau, khoảng cách khác nhau, địa hình khác để khảng định khả phát cháy rừng hệ thống với nhiều loại thiết bị có cấu hình cao Đối với hệ thống phát truyền tin cảnh báo cháy rừng từ ảnh vệ tinh, cho phép phát triển thêm kết hợp hệ thống cảnh báo cháy rừng Cục Kiểm lâm để sử dụng cho cơng tác phịng cháy rừng nước ta Đối với thiết bị phát truyền tin cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất, cho phép tiếp tục phát triển, chuyển giao lắp đặt cố định khu vực có nguy cháy rừng cao (VQG, Khu BTTN, rừng đặc sản ), nhằm thay hệ thống chòi canh lửa sử dụng người 25 DANH MỤC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ TT Tên báo Nghiên cứu xây dựng phần mềm tự động phát cháy rừng từ trạm quan trắc mặt đất Nghiên cứu phát triển phần mềm ứng dụng phát sớm cháy rừng từ ảnh vệ tinh MODIS Designing and Manufacturing Ground Station for Monitoring and Transmitting Forest Fire Information Kỹ thuật phát sớm lửa rừng phân tích ảnh động chụp từ camera IP Kiểm chứng khả phát cháy rừng từ ảnh vệ tinh MODIS Việt Nam Ứng dụng thuật tốn trích xuất điểm dị thường nhiệt từ ảnh vệ tinh MODIS để phát cháy rừng Việt Nam Tác giả/đồng tác giả Nơi phát hành Số/năm phát hành Đồng tác giả Tạp chí Khoa học Lâm nghiệp Số 3/2016 Đồng tác giả Tạp chí NN&PTNT Số 21/2016 Đồng tác giả Journal of Forest No Science and 05/2016 Technology Tác giả Tạp chí NN&PTNT Số chuyên đề 2016 Đồng tác giả Tạp chí NN&PTNT Số 3+4 /2018 Tác giả Tạp chí Khoa học Công nghệ Lâm nghiệp Số 01/2018 ... (K) Bright_T31 (K) ∆T (K) Đà Nẵng 31 5-3 37 28 0-3 05 2 0-4 9 Tỉnh/Thành phố Hịa Hà Tĩnh Bình 31 3-3 52 31 4-3 35 27 8-3 08 28 3-3 06 2 2-4 9 1 1-4 3 Lào Cai 31 2-3 49 28 2-3 03 1 6-6 2 3.1.5 Kết loại trừ điểm dị thường... Tháng 201 0-2 015 201 0-2 015 Tháng 29867 Tháng 55116 201 0-2 015 Tháng 35995 201 0-2 015 Tháng 15728 201 0-2 015 Tháng 8342 201 0-2 015 Tháng 4457 201 0-2 015 Tháng 4577 201 0-2 015 Tháng 3130 201 0-2 015 10 Tháng... 201 0-2 015 Tháng 4577 201 0-2 015 Tháng 3130 201 0-2 015 10 Tháng 10 2591 201 0-2 015 11 Tháng 11 2814 201 0-2 015 12 Tháng 12 5407 201 0-2 015 Số điểm dị thường nhiệt 60000 40000 20000 10 11 12 Tháng Hình 3.2