Đang tải... (xem toàn văn)
Hệ thống cũng được tạo cơ chế để người dùng có thể tương tác, thông tin, báo cáo cũng như xác minh các dữ liệu đã được đưa ra. Từ đó tạo ra một công cụ hữu hiệu giúp các cơ quan quản lý cũng như người dân có thể theo dõi, nắm bắt tình hình cháy rừng cũng như báo cáo thông tin lại cơ quan phụ trách khi có phá rừng hay cháy rừng xảy ra trên địa bàn tỉnh Gia Lai.
TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ VÀ MƠI TRƯỜNG 22 KHOA HỌC KỸ THUẬT Nghiên cứu kết hợp cơng nghệ thông tin, viễn thám GIS phát rừng tỉnh Gia Lai NGUYỄN VĂN THỊ1, LÊ SỸ DOANH2, PHẠM VĂN DUẨN3, TRẦN XUÂN HÒA4, NGUYỄN VĂN TÙNG5, PHẠM QUANG DƯƠNG6, NGUYỄN THANH HOÀN7, NGUYỄN QUỐC PHƯƠNG8 Gia Lai tỉnh có diện tích rừng lớn nguồn tài nguyên rừng phong phú với tổng diện tích đất lâm nghiệp 886.763 ha; đất lâm nghiệp có rừng 625.432 ha, đất lâm nghiệp chưa có rừng 261.331 ha, độ che phủ rừng đạt 40,26% Tuy nhiên năm trở lại tình trạng chặt phá rừng cháy rừng diễn biến phức tạp gây nhiều hậu nghiêm trọng địa bàn tồn tỉnh Từ thực tiễn cơng tác quản lý tài nguyên rừng nước ta nói chung tỉnh Gia Lai nói riêng cho thấy việc xây dựng mơ hình cảnh báo sớm lửa rừng, giám sát đánh giá diễn biến tài nguyên rừng công nghệ không gian địa lý yêu cầu hữu cấp bách Bằng phương pháp xây dựng hệ thống tự động xử lý phân tích ảnh vệ tinh theo khoảng thời gian thiết lập với thuật tốn để xác định khu vực có biến động trạng thái rừng tìm điểm dị thường nhiệt Ngồi cịn sử dụng thơng tin cập nhật từ trạm khí tượng để đưa mức cảnh báo cho trạng thái rừng khác Hệ thống tạo chuỗi xử lý thơng tin tự động để tìm điểm rừng có nguy cháy rừng từ tư liệu ảnh vệ tinh Cho phép người sử dụng khai thác thông tin cảnh báo xuất danh sách báo cáo Hệ thống tạo chế để người dùng tương tác, thơng tin, báo cáo xác minh liệu đưa Từ tạo cơng cụ hữu hiệu giúp quan quản lý người dân theo dõi, nắm bắt tình hình cháy rừng báo cáo thông tin lại quan phụ trách khí có phá rừng hay cháy rừng xảy địa bàn tỉnh Gia Lai Từ khóa: Phần mềm, rừng, cháy rừng, viễn thám, GIS Tổng quan vấn đề nghiên cứu Tại Gia Lai, tình trạng phá rừng diễn phức tạp nghiêm trọng Chỉ tháng đầu năm 2018, quan chức tỉnh Gia Lai phát 285 vụ vi phạm Luật Bảo vệ Phát triển rừng Điển tháng 7/2018, ———————— 1, 2, 3, 5, Viện Sinh thái rừng Môi trường - Trường Đại học Lâm nghiệp Bộ Môn Công nghệ thông tin - Khoa Kinh tế Quản trị Kinh Doanh - Trường Đại học Lâm nghiệp Viện Địa lý - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Trường Trung cấp Lâm nghiệp Tây Nguyên Công an huyện Chư Pah đề nghị truy tố bị can Lê Cơng Hồng (trú phường n Thế, TP Pleiku) tội vi phạm quy định khai thác bảo vệ rừng; 17 đối tượng khác liên quan đến vụ phá rừng bị xử phạt hành vụ việc quan chức phát có 164 m3 gỗ thuộc lâm phần Ban Quản lý rừng phòng hộ Ia Ly bị lâm tặc tàn phá xã Ia Kreng, huyện Chư Pah Về tình hình cháy rừng, từ năm 2013 đến nay, theo hệ thống tự động Cục kiểm lâm phát 450 nghìn điểm cháy nước Từ đầu năm 2018 đến nay, nước phát gần 365 nghìn điểm cháy, tỉnh Gia Lai có 53 nghìn điểm Trong thực tế, số điểm cháy rừng thấp nhiều so với điểm phát tự động từ ảnh vệ tinh qua hệ thống giám sát tự động cục Kiểm lâm Theo số liệu tổng hợp chi cục kiểm lâm tỉnh Gia Lai vịng năm từ 2013 -2017, tồn tỉnh có vụ cháy rừng với tổng diện tích thiệt hại cháy 412 rừng trồng (Số liệu thống kê điểm cháy rừng năm 2018 từ hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến Cục Kiểm lâm) Tổng hợp kết nghiên cứu ngồi nước ứng dụng cơng nghệ viễn thám xác định vị trí rừng, cháy rừng cho thấy có nhiều cơng trình khoa học cơng bố có giá trị thực tiễn cao Tất cơng trình đưa mơ hình lý thuyết tổng thể Các kết nghiên cứu sở khoa học, tiền đề cho toán ứng dụng thực tiễn Cụ thể là: (1) Công nghệ viễn thám cho phép xác định vị trí rừng với độ tin cậy cao trung thực dựa phân tích thay đổi giá trị kênh phổ, thay đổi số liên quan như: số thực vật, số đất, số nước (2) Công nghệ viễn thám cho phép xác định vị trí xảy cháy rừng với độ tin cậy cao trung thực dựa kết phân tích điểm dị thường nhiệt độ bề mặt (3) Các tư liệu ảnh vệ tinh miễn phí Landsat-8, Sentinel-1, Sentinel-2 có chu kỳ lặp lại ngắn (từ – 10 ngày) cho phép giám sát biến động rừng cách tức thời, nhanh chóng, nói giám sát biến động rừng theo thời gian thực (4) Các cơng trình nghiên cứu đưa mơ hình lý thuyết xác định vị trí rừng, cháy rừng từ ảnh vệ tinh Là sở quan trọng để mơ hình hóa thành ứng dụng thực tiễn, phù hợp với điều kiện cụ thể địa phương (5) Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 khởi động, việc ứng dụng công nghệ quản lý tài nguyên rừng tất yếu Trên sở công nghệ 4.0, kết phân tích phát rừng, cháy rừng cần chuyển tới quan chức cá nhân có liên quan cách tức thời, nhanh chóng qua địa email số điện thoại di động Với luận điểm nêu trên, việc nghiên cứu phát triển phần mềm phát sớm rừng cháy rừng theo thời gian thực cần thiết tỉnh có diện tích rừng lớn nước Gia Lai Với phần mềm này, việc giám sát biến động rừng trở nên dễ dàng hơn, với cán khơng có kiến thức viễn thám hay đồ Việc làm giảm đáng kể khối lượng công việc mà không cần nhiều nhân lực với độ tin cậy trung thực cao Phương pháp nghiên cứu 2.1 Phương pháp thu thập chuẩn hóa liệu Các tài liệu thu thập tài liệu thứ cấp chép từ cứng mềm thông qua liên hệ nhóm nghiên cứu với quan chức Sở Nông nghiệp Phát triển nông thôn (Chi cục Kiểm lâm) Gia Lai, Sở 23 SỐ 05 NĂM 2019 KHOA HỌC KỸ THUẬT TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ VÀ MƠI TRƯỜNG 24 KHOA HỌC KỸ THUẬT Tài nguyên Môi trường Gia Lai, Sở Khoa học Công nghệ Gia Lai Các tài liệu cần thu thập gồm: Báo cáo quy hoạch bảo vệ phát triển rừng, số liệu rừng năm, số liệu cháy rừng năm Các số liệu bao gồm thơng tin diện tích, vị trí, loại rừng, trạng thái rừng nguyên nhân Bản đồ rừng gồm: đồ trạng rừng, đồ diễn biến rừng, đồ quy hoạch loại rừng, đồ phân vùng nguy cháy rừng 3-5 năm gần thu thập từ chi cục kiểm lâm hệ thống cập nhật diễn biến rừng FORMIS Các đồ chuẩn hóa thơng tin thuộc tính thơng tin đồ họa (hình học) hệ tọa độ đồ Việc chuẩn hóa thực phần mềm MapInfo ArcGIS Ảnh vệ tinh MODIS, Landsat-8, Sentinel-1, Sentinel-2 khai thác từ nhà cung cấp tài khoản chủ nhiệm đề tài xử lý, hiệu chỉnh hình học, tăng cường chất lượng ảnh, tính tốn số NDVI, BI, NDWI Cụ thể sau: NDVI = (NIR-RED)/(NIR+RED) BI = sqrt((RED*RED+GREEN*GREEN)/2) NDWI = (GREEN-NIR)/(GREEN+NIR) Trong đó: NIR kênh cận hồng ngoại, RED kênh đỏ, GREEN kênh xanh Việc xử lý thông tin liệu ảnh thực code tảng Google Earth Engine, chuẩn hóa thành modun cho phép người dùng nhập liệu đầu vào hệ thống trả kết sau xử lý Số liệu khí tượng khai thác từ sở liệu trạm quan trắc VNUF cung cấp với số liệu nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm… Số liệu lưu trữ CSDL Viện Sinh thái rừng Môi trường 2.2 Phương pháp thiết kế hệ thống sở liệu rừng Hệ thống sở liệu rừng thiết kế hệ quản trị liệu SQL dạng Geodatabase có khả lưu trữ thơng tin dạng text, dạng hình ảnh (bao gồm ảnh vệ tinh) đồ số Trên sở hệ thống CSDL thiết kế, đề tài tiến hành xây dựng CSDL rừng Hệ thống cho phép truy cập người dùng định (được phân quyền) Từ hệ thống trích xuất thông tin rừng theo đến đơn vị hành Hệ thống có khả khai thác dung lượng lớn số liệu, đồ ảnh vệ tinh cho phép bổ sung, cập nhật liệu theo yêu cầu quản lý Phương pháp thiết kế chức năng, giao diện website, thích hợp với chuẩn quốc gia phần mềm chuẩn ảnh vệ tinh theo thời gian thực: Giao diện phần mềm thiết kế phần mềm Visual Studio 2017 tảng Net FrameWork theo chuẩn Microsoft, thích hợp với điều kiện phù hợp với chuẩn quốc gia phần mềm Việt Nam Các chức phần mềm thiết kế theo phần: (1) Phần dành cho người quản trị: phần này, người dùng có toàn quyền điều khiển phần mềm quản lý người dùng khác (2) Phần dành cho người dùng thông thường: tùy theo mức độ truy cập phân quyền, người dùng thơng thường xem, khai thác liệu, gửi yêu cầu liệu, phản hồi thông tin Các tiêu chuẩn áp dụng: TCVN 8702:2011, TCVN 10540:2014, TCVN 10607-1:2014 , TCVN 10607-2:2014 , TCVN 10607-3:2014, TCVN 10607-4:2014 2.3 Phương pháp lập trình, cài đặt hệ thống Ngơn ngữ lập trình: Hiện nay, có nhiều ngơn ngữ lập trình C++, C#, PHP, JAVA, PYTHON, PASCAL, FOXPRO, VISUAL BASIC… Đề tài nghiên cứu lựa chọn ngơn ngữ lập trình phù hợp có khả tương tác tốt với liệu không gian địa lý tập trung chủ đạo Cshap Python kết hợp với KIT ESRI (ArcGIS SDK) Các tính phần mềm lập trình chạy thử nghiệm máy chủ Viện Sinh thái rừng Môi trường Việc chạy thử nghiệm tiến hành với module có báo cáo kết chạy thử cho module 3 Kết nghiên cứu thảo luận 3.1 Các sản phẩm hệ thống giám sát tài nguyên rừng tỉnh Gia Lai Kết nghiên cứu kết hợp công nghệ thông tin, viễn thám GIS phát rừng tỉnh Gia Lai bao gồm hai sản phẩm Thứ website giám sát rừng rừng tỉnh Gia Lai http://giamsatrunggialai ifee.edu.vn với hai modun giám sát biến động tài nguyên rừng modun giám sát, cảnh báo cháy rừng địa bàn toản tỉnh Và ứng dụng di động GiaLaiForest tảng Android Với chức giám sát, cảnh báo thông tin cháy rừng phản hồi, thông báo thông tin cháy rừng, rừng địa phương 3.2 Giám sát biến động rừng cảnh báo cháy rừng 3.2.1 Giám sát biến động rừng Chức phân tích biến động rừng hoạt động với chế tự động khai thác liệu ảnh vệ tinh (Lanhsat 8, Sentinel 2) để tiến hành phân tích số theo thuật toán mà người dùng lựa chọn Dữ liệu nhận vào hệ thống khu vực cần giám sát theo dõi biến động theo ranh giới tỉnh/huyện/xã thông tin kỳ giám sát bao gồm khoảng thời gian đầu kỳ khoảng thời gian cuối kỳ Hình 1: Trang chủ website Hình 3: Thiết lập thông tin đầu vào chức giám sát biến động rừng Kết trả sau phân tích biến động lớp ảnh vệ tinh tổ hợp đầu kỳ, cuối kỳ, lớp vị trí phát biến động rừng Hình 2: Giao diện app GiaLai Forest Hình 4: Kết xử lý biến động rừng 25 SỐ 05 NĂM 2019 KHOA HỌC KỸ THUẬT TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ VÀ MƠI TRƯỜNG 26 KHOA HỌC KỸ THUẬT Kết thu từ hệ thống tải xuống bao gồm thơng tin lớp ảnh tổ hợp, lớp lô biến động rừng thơng tin lơ rừng có xảy biến động Từ người dùng quan quản lý dễ dàng nắm bắt tình thơng tin cảnh báo cách nhanh chóng, kịp thời Hệ thống xây dựng phương thức để chia sẻ thơng tin phân tích biến động qua email Cho phép người nhận xem tải kết phân tích biến động rừng vị trí Tích hợp cấp nguy cháy theo điều kiện thời tiết với cấp nguy cháy theo kiểu rừng đề tài xác định cấp nguy cháy rừng theo thời tiết kiểu rừng Tô màu cho điểm có cấp nguy cháy đề tài thu đồ phân vùng trọng điểm cháy rừng Người dùng chọn hiển thị đồ cấp cháy theo ranh giới khác Người dùng nhấn chọn để xem thơng tin cụ thể rừng khu vực Hình 5: Kết mail trả 3.2.2 Giám sát, cảnh báo nguy cháy rừng Modun phát triển tích hợp hai tảng website ứng dụng di động Các chức modun cho phép người dùng khai thác thơng tin cấp cảnh báo nguy cháy theo ranh giới xã thông tin điểm cảnh báo cháy – Hotspot Để xây dựng đồ phân vùng trọng điểm cháy rừng, trước hết đề tài xác định số P số ngày có nguy cháy cấp cấp (cấp nguy hiểm với cháy rừng) cho trạm khí tượng Gia Lai tỉnh lân cận Từ đó, đề tài xác lập phương trình liên hệ số ngày có nguy cháy cấp cấp với yếu tố nhiệt độ, độ ẩm lượng mưa toạ độ địa lý trạm quan trắc khí tượng Sau sở kết nghiên cứu phân hố nhiệt độ, độ ẩm khơng khí lượng mưa theo không gian đề tài xác định yếu tố số ngày có nguy cháy đạt cấp cấp cho tất vị trí vị trí cách 100 m tồn vùng Căn vào biến động số ngày có nguy cháy đạt cấp cấp vị trí để phân thành cấp trọng điểm cháy khác nhau, xác định cấp nguy cháy theo điều kiện thời tiết cho Hình 6: Bản đồ cảnh báo nguy cháy Gia Lai phiên web Hình 7: Bản đồ cảnh báo nguy cháy phiên di động Bên cạnh tính cung cấp đồ cấp cháy cập nhật theo ngày, hệ thống cung cấp liệu đồ biến động rừng cho tồn tỉnh Thơng tin trạng, lơ rừng thể tra cứu thông tin Bảng Các loại điểm cảnh báo cháy STT Loại điểm cảnh báo cháy Mơ tả Tình trạng kiểm duyệt Cháy rừng Là điểm cháy rừng thật Đã xác minh admin Có cháy khơng phải cháy rừng Có phát cháy khơng phải cháy rừng (đốt nương, đốt trước phòng cháy…) Đã xác minh admin Không phải cháy rừng Khơng có đám cháy ghi nhận Đã xác minh admin Chưa xác minh Chưa có thơng tin ghi nhận Chưa xác minh Hình 8: Bản đồ trạng rừng phên website Hình 10: Hiển thị điểm cảnh báo cháy Hình 11: Thông tin chi tiết điểm cảnh báo cháy Hình 9: Bản đồ trạng rừng phiên di động Trong phần chức phát điểm cháy, giao diện bao gồm lớp đồ ảnh vệ tinh, lớp đồ trạng rừng điểm cháy thể dạng point đồ Các điểm cảnh báo cháy chia làm bốn loại hiển thị dạng icon khác Các điểm cảnh báo cháy sau hệ thống cập nhật có chế tra thơng tin theo vị trí điểm ghi nhận để có chế gửi email, sms tới liên hệ đăng ký cho khu vực 3.3 Các chế tương tác người dùng với hệ thống 3.3.1 Xác minh điểm cháy Hệ thống giám sát cảnh báo cháy rừng có chế cập nhật thông tin điểm cảnh báo cháy thu thập từ liệu ảnh vệ tinh Từ đó, hệ 27 SỐ 05 NĂM 2019 KHOA HỌC KỸ THUẬT TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ VÀ MƠI TRƯỜNG 28 KHOA HỌC KỸ THUAÄT thống phát triển chế để xác minh thông tin cảnh báo hay không Do đó, tích hợp hệ thơng tin điểm cảnh báo cháy chức cho phép người dùng ứng dụng xác minh lại thơng tin điểm mà hệ thống cảnh báo Thông tin thu thập thông tin mô tả vị trí, tình trạng, thời gian kèm theo hình ảnh khu vực hệ thống đưa cảnh báo Các thông tin gửi từ người dùng xác minh lại quan chức để đảm bảo tính xác thơng tin đưa từ hệ thống Đối với điểm cảnh báo cháy xác minh xảy cháy, hệ thống gửi thông tin cảnh báo tới quan chức có cháy rừng rừng Các phương thức để liên hệ bao gồm gọi điện thoại, gửi tin nhắn, gửi email Các liên hệ danh sách hệ thống cung cấp sẵn theo đơn vị hành Thơng tin cung cấp người dùng nhập theo form mẫu có sắn, ngồi thơng tin vị trí ghi nhận, thời gian ứng dụng tự động cập nhật Hình 13: Kết gửi tin nhắn Hình 14: Kết gửi mail Quản lý thông tin hệ thống, xác minh cảnh báo cháy Hình 12: Form mẫu xác minh điểm cảnh báo cháy Các chức giúp liên hệ cảnh báo rừng, cháy rừng Ứng dụng GiaLaiForest phát triển modun liên hệ giúp người dùng liên lạc thông báo tới đơn vị quản lý phát Hệ thống phát triển trang quản trị riêng cho đơn vị có thẩm quyền Trang quản trị có chức quản lý liên hệ, thành viên đăng lý nhận thông tin cảnh báo từ hệ thống Ngồi cịn có nhiệm vụ nhận tổng hợp thông tin phản hồi từ phía người dùng sau gửi xác minh điểm cảnh báo cháy 29 SỐ 05 NĂM 2019 KHOA HOÏC KỸ THUẬT Hình 15: Trang danh sách nhận thơng tin phản hồi xác minh điểm cảnh báo cháy Kết luận Kết đề tài nghiên cứu phần mềm phát rừng, cháy rừng địa bàn tỉnh Gia Lai từ ảnh vệ tinh theo thời gian thực hai tảng website, ứng dụng di động Chức hệ thống giám sát diễn biến rừng từ liệu ảnh vệ tinh tự động Cùng với xuất thơng tin, bảng biểu, báo cáo nhanh phục vụ nhu cầu giám sát, khai thác thông tin từ địa phương Dữ liệu phân tích trả bao gồm: liệu ảnh vệ tinh đầu kỳ, cuối kỳ giám sát, lớp ranh giới vùng có biến động, danh sách lơ rừng có biến động trạng thái Chức thứ hai giám sát, cảnh báo nguy cháy rừng Dữ liệu thời tiết từ trạm khí tượng với thơng tin trạng thái rừng tích hợp để đưa thông tin cảnh báo cấp cháy cho xã theo ngày Bên cạnh đó, hệ thống xử lý thông tin ảnh vệ tinh để lọc điểm dị thường nhiệt từ xác định điểm cảnh báo cháy Các điểm cảnh báo cháy sau ghi nhận gửi thơng tin đến địa phương có điểm cháy Thơng tin cảnh báo xác minh lại từ phía người sử dụng để xác nhận lại tình hình ngồi thực tế Hệ thống cịn có chức giúp người dùng thơng tin, tương tác, liên hệ với quan quản lý để tăng tính đa chiều nhanh chóng việc báo cáo, cảnh báo có xảy rừng cháy rừng Các kết quả, chức mà để tài nghiên cứu mang lại cung cấp tỉnh Gia Lai công cụ tồn diện giúp cơng tác giám sát, bảo vệ rừng hiệu quả, kịp thời./ ... cho module 3 Kết nghiên cứu thảo luận 3.1 Các sản phẩm hệ thống giám sát tài nguyên rừng tỉnh Gia Lai Kết nghiên cứu kết hợp công nghệ thông tin, viễn thám GIS phát rừng tỉnh Gia Lai bao gồm hai... sát rừng rừng tỉnh Gia Lai http://giamsatrunggialai ifee.edu.vn với hai modun giám sát biến động tài nguyên rừng modun giám sát, cảnh báo cháy rừng địa bàn toản tỉnh Và ứng dụng di động GiaLaiForest... cháy Kết luận Kết đề tài nghiên cứu phần mềm phát rừng, cháy rừng địa bàn tỉnh Gia Lai từ ảnh vệ tinh theo thời gian thực hai tảng website, ứng dụng di động Chức hệ thống giám sát diễn biến rừng