Xây dựng và thiết kế hệ thống camera trap trong việc bảo tồn động vật hoang dã

TRNG I HC LM NGHIP khoa kinh tế quản trÞ kinh doanh - - KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CAMERA TRAP TRONG VIỆC BẢO TỒN ĐỘNG VẬT HOANG DÃ NGÀNH : HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ SỐ : Giáo viên hướng dẫn : Mai Hà An Sinh viên thực : Nguyễn Hồng Dương Lớp : K61 - HTTT Mã sinh viên : 1651040604 Khóa học : 2016 - 2020 Hà Nội, 2020 LỜI CẢM ÕN Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô nghành Hệ thống thông tin trang bị kiến thức quý báu cho chúng em suốt trình học tập làm đề tài Trường Đại học Lâm Nghiệp Nhờ cơng lao giảng dạy, bảo tận tình thầy mà em có kiến thức chuyên ngành công nghệ thông tin để thực đề tài Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Thầy Mai Hà An tận tình hướng dẫn, bảo, đưa đóng góp ý kiến hữu ích quý báu cho chúng em suốt trình thực đề tài Em xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè động viên, chia sẻ cung cấp tài liệu hữu ích cho em Mặc dù cố gắng nỗ lực thực đề tài với tâm cao hẳn đề tài tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp ý kiến thầy bạn để đề tài em ngày hoàn thiện hướng tới áp dụng thực tế Em xin chân thành cảm ơn! Xuân Mai, tháng 06 năm 2020 Sinh viên thực Nguyễn Hồng Dương MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH LỜI MỞ ĐẦU PHẦN I: MỞ ĐẦU Tên đề tài Lí chọn đề tài Hƣớng tiếp cận đề tài Ƣu nhƣợc điểm đề tài 5 Ý nghĩa việc thực đề tài PHẦN II: NỘI DUNG CHƢƠNG I: TỔNG QUAN, ỨNG DỤNG THỰC TIỄN VÀ ƢU NHƢỢC ĐIỂM Nêu toán Giới thiệu tổng quan bẫy ảnh 2.1 Lịch sử bẫy ảnh 2.2 Cấu tạo thiết bị 11 Hình 1: Ví dụ tổng quan thiết bị bẫy ảnh 11 2.3 Giá thành thiết bị 12 2.4 Đối tƣợng áp dụng 12 2.5 Câu hỏi thƣờng gặp bẫy ảnh giải đáp 13 Giới thiệu công nghệ đƣợc áp dụng lĩnh vực đƣa lý lựa chọn 16 3.1 Các công nghệ đƣợc áp dụng lĩnh vực vào 16 3.1.1 SMART 16 3.1.2 AudioMoth 17 3.1.3 Máy bay không ngƣời lái 17 3.1.4 Xét nghiệm DNA giá rẻ 18 3.1.5 AI 19 3.2 Đƣa ƣu nhƣợc điểm loại công nghệ 19 3.2.1 SMART 19 3.2.2 AudioMoth 20 3.2.3 Máy bay không ngƣời lái 20 3.2.4 Xét nghiệm DNA giá rẻ 20 3.2.5 AI 21 3.2.6 Bẫy ảnh 21 3.3 Chọn lựa thiết bị 21 Cách thức hoạt động cách cài đặt cho bẫy ảnh 22 CHƢƠNG II: CHỌN THIẾT BỊ, CÀI ĐẶT VÀ CHẠY THỬ 24 Chọn lựa thiết bị 24 1.1 Chọn thiết bị điều khiển 24 1.2 Chọn thiết bị ghi hình (camera/máy ảnh) 25 1.3 Chọn phụ kiện 26 Cài đặt 26 2.1 Cài đặt thiết bị Raspberry 26 2.1.1 Thẻ nhớ (Ổ cứng) 26 2.1.2 Cài đặt phần cứng 30 2.1.3 Cài đặt phần mềm 31 Chạy thử 35 CHƢƠNG III KẾT LUẬN 36 Những điều đạt đƣợc trình làm dự án 36 Rút kết luận ƣu nhƣợc điểm dự án 36 2.1 Ưu điểm 36 2.2 Nhược điểm 36 Hƣớng phát triển tƣơng lai 37 TẢI LIỆU THAM KHẢO 38 DANH MỤC HÌNH Hình 1: Ví dụ tổng quan thiết bị bẫy ảnh 11 Hình 2: Thiết bị Raspberry Pi Zero W 24 Hình 3: Module camera OV5647 MP Raspberry Pi 25 Hình 4: SD Card Formatter 27 Hình 5: Raspbian 28 Hình 6: NOOBs 28 Hình 7: Win32 Disk Imager 29 Hình 8: Phần cứng Raspberry 30 Hình 9: Màn hình khởi động Raspberry 31 Hình 11: Vị trí mở LXTerminal 33 Hình 12: Cửa sổ LXTerminal 34 Hình 13: Kết thử nghiệm 35 LỜI MỞ ĐẦU Trong lịch sử nhân loại ln có khơng vấn đề toán mà phồn thịnh phát triển xã hội tùy thuộc vào giải chúng có thành cơng hay khơng Tuy nhiên, trước chưa nảy sinh vấn đề có tầm cỡ ngưỡng làm cho tiến xã hội vơ khó khăn khơng nói hồn tồn khơng thể Ngày trở nên rõ ràng đến cuối kỉ 20 loài người đụng độ với vấn đề nặng nề tích tụ lại từ kỷ trước Cùng với mâu thuẫn kinh tế xã hội, trị ngày hôm nay, lên mâu thuẫn quy mơ tồn cầu đụng chạm tới sở tồn văn minh Đó vấn đề căng thẳng ô nhiễm môi trường, bầu khơng khí đại dương, cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên Là vấn đề toàn cầu, vấn đề sinh thái (như tập hợp vấn đề bảo vệ mơi trường sử dụng hợp lí tài nguyên thiên nhiên) ảnh hưởng tới lợi ích tất tỷ dân cư hành tinh chúng ta, lợi ích tất cả, khơng ngoại trừ, quốc gia đại cuối cùng, lợi ích người sống Trái Đất Sự đảm bảo ưu tiên sinh thái trở thành yếu tố ngày quan trọng tiến xă hội Những ưu tiên đạt tới tính chất giá trị tuyệt đối Do đó, từ nay, đặc biệt tương lai, sách kinh tế hay trị khơng thể chấp nhận ngun tắc vi phạm địi hỏi có khoa học y tế, sinh thái đòi hỏi khác môi trường Không tuân thủ điều có nghĩa hi sinh số phận xã hội, sống không hệ hơm mà hệ mai sau lợi ích cá nhân ích kỉ người sống Tính phức tạp, đa phương diện mâu thuẫn vấn đề sinh thái gây khó khan cho việc đề chiến lược toàn nhân loại ứng xử sinh thái, cản trở trình xây dựng đường phát triển xã hội hợp lý kỉ nguyên cách mạng khoa học kỹ thuật Ở Việt Nam, thực trạng diễn ngày nghiêm trọng nhiều loài động vật hoang dã, q hiếm, có lồi có nguy tuyệt chủng, bị săn bắt, bn bán, xuất trái phép, chí giết mổ làm ăn đặc sản nhà hàng, khách sạn, phục vụ thói quen tiêu xài lãng phí số người Do dễ dàng tiêu thụ với thu nhập cao tạo việc làm nguy hại kích thích số người săn bắt, bn bán trái phép loại hàng bất chấp quy định Nhà nước quản lý bảo vệ phát triển động vật hoang dã, quý Năm 2017, Việt Nam bắt giữ 483 vụ buôn bán, vận chuyển trái phép động thực vật hoang dã, tịch thu 11.554 cá thể 10.125 kg động vật hoang dã Các quốc gia khu vực sông Mekong Mở rộng, kể Việt Nam, thất bại việc đóng cửa thị trường buôn bán động vật hoang dã Chính phủ Việt Nam thiếu nỗ lực việc ngăn chặn lực lượng buôn bán nhập lậu sản phẩm động vật hoang dã trái phép, từ nhiều năm diện tích rừng bị thu hẹp tàn phá, cộng với nạn buôn bán động vật hoang dã phức tạp diện rộng dẫn đến số lượng cá thể giảm nhanh chóng, nhiều lồi có nguy tuyệt chủng cao, tình trạng khai thác, bn bán, tiêu thụ động, thực vật hoang dã nguy cấp diễn chưa kiểm sốt có xu hướng gia tăng thời gian qua Do việc săn bắt thú rừng tuỳ tiện với nạn đốt phá rừng phá hoại nghiêm trọng mơi trường sống nhiều lồi động vật hoang dã, làm cho số loài trở nên dữ, gây thảm hoạ người như: nạn voi dữ, lợn rừng phá hoại sản xuất; nạn chuột, châu chấu phá hoại mùa màng nhiều nơi Trước tình hình nghiêm trọng nói trên, dư luận quần chúng nhân dân, quan thông tin đại chúng, nhà khoa học nhiều lần lên tiếng, địi hỏi phải có biện pháp hữu hiệu để bảo vệ phát triển động vật hoang dã Việt Nam phải đối mặt với nhiều thách thức hạn chế định việc nâng cao lực, hoàn thiện thể chế; điều tra, truy tố tội phạm lĩnh vực này; thay đổi thói quen tiêu dùng sản phẩm từ động vật, nguyên nhân gây nên suy giảm loài nguy cấp nước ta thời gian qua sách, quy định pháp luật chưa đồng bộ, cơng tác bảo tồn ĐDSH nói chung bảo tồn lồi nói riêng chưa quan tâm mức Vấn đề bảo vệ loài hoang dã, lồi nguy cấp, q, cịn có chồng chéo phân quyền, trách nhiệm quản lý, nhiều đối tượng lợi dụng việc gây nuôi thương mại để thực buôn bán động vật trái phép, việc thắt chặt quản lý vấn đề cần thiết PHẦN I: MỞ ĐẦU Tên đề tài Xây dựng thiết kế hệ thống camera trap việc bảo tồn động vật hoang dã Lí chọn đề tài Trên giới phát triển trang thiết bị đại kèm với đội ngũ tinh nhuệ để phục vụ cho lĩnh vực bảo tồn động vật nói riêng tồn đa dạng sinh học nói chung, nước ta dần ý thức nhận quan trọng đa dạng sinh học, chống lại việc săn bắt trái phép cách học theo, nghiên cứu sử dụng cơng nghệ Ví dụ Việt Nam giới sử dụng định vị có đánh mã số riêng lẻ cho loài động vật kết hợp mạng lưới máy quay giám sát bố trí nhiều khu vực, ưu điểm phương pháp rõ ràng dễ dàng tìm vị trí đồng thời quan sát cho phép hành động có biến cố xảy với độ chậm trễ thấp Nhược điểm dùng khu vực có hạn chế khu bảo tồn, khơng thể dùng ngồi tự nhiên khoảng cách lớn ảnh hưởng tới thơng tin, khơng thể giám sát qua máy quay Cùng lúc đó, chi phí cho thiết bị lớn (mỗi cá thể chiếc) nên tập trung vào cá thể đặc biệt quan trọng, phân bố cho tồn lồi Bên cạnh đó, phương pháp sử dụng bẫy ảnh nước sử dụng nhiều, hàng ngàn bẫy ảnh lắp đặt môi trường tự nhiên, nơi sinh sống loài động vật hoang dã, đặc biệt khu rừng nhiệt đới – nơi khó để tiến hành điều tra, đánh giá quần thể động vật phương pháp khác Mặc dù vậy, phương pháp ước tính độ phong phú lồi thơng qua bẫy ảnh trình phát triển Các nhà nghiên cứu Đại học St Andrews, Viện Nghiên cứu Nhân chủng tiến hóa Max Planck (MPI-EVA) Trung tâm nghiên cứu Tích hợp đa dạng sinh học Đức (iDiv) phát triển thành công phương pháp phù hợp để phân tích mẫu lấy liệu từ xa bẫy ảnh Các mơ hình thực nghiệm miễn phí Từ xa dựa tảng Windows gói khác phần mềm thống kê R Tài liệu hướng dẫn chi tiết lời khuyên từ nhà thống kê cung cấp miễn phí trang dự án liệu từ xa: distancesampling.org Theo ông Stephen Buckland (Đại học St Andrews): “Có nhiều quần thể động vật khó để theo dõi hiệu quả, tiến công nghệ mở chiến lược Thách thức nhà thống kê phải theo kịp tiến cơng nghệ đảm bảo mơ hình sẵn sàng để khai thác đầy đủ liệu.” Ở Việt Nam bắt đầu đưa công nghệ bẫy ảnh vào sử dụng việc bảo tồn đa dạng sinh học, nhiều cản trở cho việc áp dụng công nghệ ví dụ số lượng thiết bị cần lớn công nghệ cần cao gây việc giá thành nằm ngồi mức tiếp nhận, nhận thức thiết bị cịn thấp, khơng thể đề kế hoạch hồn chỉnh dẫn đến lãng phí khơng nhận kết khả quan Vì vậy, mục tiêu tơi khóa luận lần tìm hiểu đặt kế hoạch cho việc sử dụng công nghệ bẫy ảnh việc bảo tồn động vật hoang dã Hƣớng tiếp cận đề tài Đề tài hướng đến tổ chức, đoàn thể phục vụ lĩnh vực bảo tồn thiên nhiên Ƣu nhƣợc điểm đề tài Mặc dù viết bẫy ảnh, ý định viết để thuyết phục người bẫy ảnh có tiềm vơ hạn việc sử dụng Mặc dù dễ để tìm thấy nhiều lợi ích mà bẫy ảnh mang lại, lại khơng phải lúc công cụ hiệu có chi phí hợp ý bạn CHƢƠNG II: CHỌN THIẾT BỊ, CÀI ĐẶT VÀ CHẠY THỬ Chọn lựa thiết bị 1.1 Chọn thiết bị điều khiển Thiết bị cần phải lựa chọn lúc chọn thiết bị để điều khiển hoạt động lưu trữ liệu Tôi lựa chọn thiết bị Raspbery – thiết bị máy tính nhúng, hay để dễ hiểu máy tính có bảng mạch Lý tơi chọn kích thước nhỏ gọn phù hợp với yêu cầu (chỉ thẻ ngân hàng) có tính khơng thua máy tính PC hay Laptop thật Cụ thể, tơi lựa chọn thiết bị Raspberry Pi Zero W Thiết bị coi dịng có thêm tính sử dụng mạng khơng dây Hình 2: Thiết bị Raspberry Pi Zero W 24 1.2 Chọn thiết bị ghi hình (camera/máy ảnh) Thiết bị cần lựa chọn phần thiếu đề tài lần này: camera Để phù hợp với thiết bị Raspberry lựa chọn, chọn module camera OV5647 MP Raspberry Pi Thiết bị cho phép người dùng điều chỉnh tiêu cự có kèm đèn hồng ngoại giúp cho máy ảnh lấy liệu kể vào ban đêm Hình 3: Module camera OV5647 MP Raspberry Pi 25 1.3 Chọn phụ kiện Phụ kiện dành cho thiết bị sau: + Một hình máy tính phục vụ việc cài đặt thiết bị Raspberry + Một thẻ nhớ từ 8Gb – 64Gb đóng vai trị ổ cứng cho thiết bị Raspberry + Một nguồn adapter 5V, 2.5A với đầu micro USB + Một dây cáp chuyển đổi VGA – Mini HDMI + Một dây cáp chuyển đổi phân chia từ micro USB sang nhiều cổng USB + Chuột, bàn phím… + Một vỏ hộp cho thiết bị Raspberry (khuyên dùng có vài loại camera có sẵn dây cáp, đầu dây không phù hợp cho thiết bị Raspberry Tuy kèm vỏ hộp ln ln có cái.) + Quạt tản nhiệt cho thiết bị Raspberry (tùy ý, không sử dụng) + Một đầu đọc thẻ nhớ Cài đặt 2.1 Cài đặt thiết bị Raspberry 2.1.1 Thẻ nhớ (Ổ cứng) Trước vào cài đặt thẻ nhớ, bạn cần có hai thứ sau đây: + Raspbian, hay gọi Raspberry Pi OS + NOOBS Hai gói cài đặt tải từ trang chủ Raspberry đường dẫn sau: https://www.raspberrypi.org/ 26 Đầu tiên, ta phải chắn bên thẻ nhớ liệu khác Vì vậy, bước format thẻ nhớ Ở tơi sử dụng chương trình SD Card Formatter chọn chế độ quick format Hình 4: SD Card Formatter 27 Bước thứ hai: Lúc lúc để lựa chọn sử dụng Raspbian NOOBs Hình 5: Raspbian Hình 6: NOOBs 28 Sự khác biệt hai thứ NOOBs nên sử dụng người có trình độ, dùng muốn cài nhiều hệ điều hành lên thẻ nhớ Ở chọn lựa Raspbian làm hệ điều hành, lúc để cài đặt cần có chương trình “Win32 Disk Imager” để cài đặt hệ điều hành Raspbian vào thẻ nhớ Hình 7: Win32 Disk Imager Trong phần Image File bấm biểu tượng màu xanh tìm gói cài đặt hệ điều hành Raspbian bạn tải sẵn sau chọn thẻ nhớ cắm vào bên phía Device bấm Write Khi Win32 Disk Imager hoàn tất cơng việc thẻ nhớ sẵn sàng để đưa vào sử dụng ổ cứng cho thiết bị Raspberry 29 2.1.2 Cài đặt phần cứng Hình 8: Phần cứng Raspberry 30 Hình ảnh phần cứng lắp đặt đầy đủ thiết bị cáp từ lên là: + Camera + Dây nguồn điện + Cổng USB cho phụ kiện chuột, bàn phím… + Cổng hình HDMI + Khe cắm thẻ nhớ 2.1.3 Cài đặt phần mềm Cắm dây cấp nguồn điện cho thiết bị Raspberry, có hình hiển thị sau: Hình 9: Màn hình khởi động Raspberry 31 Sau hồn thành bước khởi đầu Raspberry (chỉ cần làm theo hướng dẫn có sẵn cửa sổ mở sẵn khởi động có tên “Welcome to Raspberry Pi”), ta mở start menu chọn Preference – Raspberry Pi Cịniguration mở cửa sổ sau: Hình 10: Raspberry Pi Configuration Chọn tab Interfaces, đánh dấu enable cho Camera Nếu muốn điều khiển từ xa với máy tính khác khơng cần hình phụ kiện, chọn enable SSH, tơi khơng sử dụng Sau chọn enable camera nhấn nút OK, hệ thống yêu cầu bạn reboot lại thiết bị Sau reboot, mở chương trình LXTerminal Chương trình tương ứng với Command Prompt hay Powershell máy tính, sử dụng MAC Terminal 32 Hình 11: Vị trí mở LXTerminal Nếu u cầu tên người dùng mật từ Raspberry, mặc định là: Tên người dùng (ID): pi Mật khẩu: raspberry Sau mở LXTerminal, cửa sổ lên sau: 33 Hình 12: Cửa sổ LXTerminal Gõ lệnh: raspistill -o Desktop/image.jpg Nếu camera hoạt động bình thường, chụp lại ảnh lưu desktop Sau kiểm tra hồn tồn camera khơng có lỗi cả, mở start menu lần chọn Programming – Thonny Python Code Lưu tệp tin có tên “camera.py” Sau viết code dùng để cài đặt cho camera tệp tạo Phần code có sử dụng thư viện mã nguồn mở OpenCV gồm có: Mơ hình thích ứng cải tiến chuyên dụng theo dõi bóng thời gian thực KaewTraKulPong cộng sự, sử dụng thông qua Function cv2.BackgroundSubtracktorMOG (Nguồn: http://www.ee.surrey.ac.uk/CVSSP/Publications/papers/KaewTraKulPongAVBS01.pdf) 34 Mơ hình Gaussian dùng để loại bỏ bớt thuật tốn ước tính tỷ lệ thích ứng hiệu (tính theo đơn vị pixel) Zivkovic thông qua Function cv2.BackgroundSubtracktorMOG2 (Nguồn: http://www.zoranz.net/Publications/zivkovic2004ICPR.pdf http://www.zoranz.net/Publications/zivkovicPRL2006.pdf) Phân đoạn dựa Bayesian, thuật toán nằm báo Godbehere cộng vào năm 2012 mang tên “Visual Tracking of Human Visitors under Variable-Lighting Conditions for a Responsive Audio Art Installation” sử dụng thông qua Function cv2.createBackgroundSubtractorGMG Chạy thử Dưới hình ảnh mà camera ghi lại sau chạy thử Hình 13: Kết thử nghiệm Như hình trên, camera phát chụp lại mèo leo lên tủ lạnh 35 CHƢƠNG III KẾT LUẬN Những điều đạt đƣợc trình làm dự án Tôi nhận nhiều thứ làm dự án này, công nghệ lạ lẫm với thân hay với phần lớn nước ta, đem lại cho thêm nhiều hiểu biết Bản thân hồn thành thiết bị thực sự, khơng phần mềm học, mà thêm nhiều hiểu biết phần cứng Học thêm ngơn ngữ lập trình mới: Python Học thêm cách lựa chọn linh kiện, phụ kiện phù hợp tốt cho dự án Đem đến tiện ích nho nhỏ cho việc bảo vệ mơi trường nói chung động vật hoang dã nói riêng Chưa nói tới việc camera sau làm camera an ninh nhà Rút kết luận ƣu nhƣợc điểm dự án Sau trải qua q trình làm dự án này, tơi rút điều sau: 2.1 Ưu điểm + Việc cài đặt, thiết lập đơn giản nhanh chóng, tốn thời gian cơng sức + Khó bị phát mục tiêu (động vật hoang dã) nên dễ dàng bắt khoảnh khắc thấy + Nhỏ gọn, dễ dàng di chuyển lắp đặt thực địa 2.2 Nhược điểm + Mỗi thiết bị tạo tốn không nhỏ + Cơng nghệ cịn chưa khai thác mạnh nên khó để tìm liệu hay giải đáp lỗi thiết bị hay phần mềm 36 + Dễ phải chịu tác động vật lý từ mục tiêu (động vật hoang dã), dễ hỏng hóc thời tiết kém, dễ bị ăn trộm + Bộ nhớ dễ bị đầy Hƣớng phát triển tƣơng lai Tôi mong muốn sau hạn chế nhược điểm thiết bị cách tối đa có thể, ví dụ giảm thiểu việc nhớ dễ bị đầy Sau thiết bị tăng thêm tính truyền phát liệu từ xa (tôi chưa đủ sức để thực điều này) để tránh việc phải tới tận nơi để thu thập liệu đưa Cố gắng đưa thiết bị vào hệ thống an ninh cá nhân lẫn an ninh môi trường cách thức Hồn thiện thêm phần code việc lựa chọn thiết bị để camera chụp quay lại video cách rõ nét hơn, tránh bị nhầm lẫn lỗi xử lý liệu nhận 37 TẢI LIỆU THAM KHẢO https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/aje.12563 https://www.wwf.org.uk/sites/default/files/2019-04/CameraTrapsWWF-guidelines.pdf https://www.pyimagesearch.com/2015/05/25/basic-motion-detectionand-tracking-with-python-and-opencv/ 38 ... chặt quản lý vấn đề cần thiết PHẦN I: MỞ ĐẦU Tên đề tài Xây dựng thiết kế hệ thống camera trap việc bảo tồn động vật hoang dã Lí chọn đề tài Trên giới phát triển trang thiết bị đại kèm với đội... để xác định động vật hoang dã bảo vệ cơng nghệ đặc biệt hữu ích kẻ buôn bán động vật hoang dã cố gắng ngụy trang loài động vật khác người thi hành công vụ nghi ngờ cá thể động vật bảo vệ không... Quốc tế Bảo vệ Thiên nhiên (WWF), Sở thú Luân Đôn Frankfurt Hiệp hội Bảo tồn Động vật hoang dã (WCS) SMART cho phép nhóm bảo tồn thu thập, phân tích truyền liệu động vật hoang dã, hoạt động bất