Ánh sáng mặt trời chiếu trên nƣớc, đất ẩm, mây và trong một vài trƣờng hợp đặc biệt có thể gây ra việc xác định điểm cháy sai. Ánh nắng phản chiếu đƣợc loại bỏ dựa trên phƣơng pháp của Giglio et al [11] bằng cách sử dụng θg là góc giữa vector chiếu từ bề mặt lên vệ tinh và tia phản xạ tự nhiên.
cosθg = cos θv cos θs - sin θvsin θscosφ
Trong đó, θv là góc nhìn và θs là góc thiên đỉnh và φ là góc phƣơng vị tƣơng đối. Tại đây, ta tiến hành đếm số điểm ảnh là nƣớc trong số 8 điểm xung quanh điểm đang xét (Naw). Sau đó tiến hành tính toán những thông số sau:
θg < 20 (7)
θg < 80 và ρ0.65 > 0.1 và ρ0.86> 0.2 và
ρ2.1> 0.12
(8)
θg < 120 và (Naw + Nw) > 0 (9)
Nếu nhƣ một trong số 3 điều kiện trên thỏa mãn, thì điểm nóng/cháy đang xét sẽ bị coi là điểm chói sáng mặt trời và ngƣợc lại đƣợc coi là không cháy. Điều kiện (7) sẽ loại bỏ tất cả những điểm ảnh nào nằm trong vùng bị chói sáng mạnh Điều kiện (8) ít nghiêm ngặt hơn, sẽ tìm kiếm sự phù hợp ở các băng khác nhau về các đặc tính của chói sáng mặt trời. Điều kiện (9), loại bỏ những điểm cháy tạm thời đƣợc tìm thấy gần khu vực có nƣớc và gần cùng có chói sáng mặt trời.
2.4.7. Loại bỏ cảnh báo sai ở đường biên sa mạc
Để loại bỏ những cảnh báo sai trên đƣờng biên sa mạc, một giải thuật để xác định những trƣờng hợp mà ở đó điểm cháy nền bị loại là những điểm ảnh thuộc
Trong đó, những con số thống kê ở băng 4-µm là ̅ và là những thông số hữu
dụng. Đối với những điểm ảnh ban ngày thông thƣờng ̅ ≈ 335 K và ≈ 0.5 K.Tuy
nhiên, những điểm cháy/nóng có năng lƣợng cao có sẽ lớn hơn rất nhiều (40 K), và ̅ ở trong khoảng 350 – 380 K. Do đó, một vài test tổng hợp sẽ đƣợc áp dụng để
tìm ra những cảnh báo sai ở những điểm ảnh ban ngày dọc theo đƣờng biên sa mạc.
Nf> 0.1 Nv (10) Nf ≥ 4 (11) ρ0.86>0.15 (12) ̅< 345 K (13) < 3 K (14) T4<̅ + 6 (15)
Nếu nhƣ một điểm ảnh vƣợt qua đƣợc tất cả những điều kiện trên, nó sẽ đƣợc loại bỏ nhƣ là một điểm nóng trên viền sa mạc và đƣợc phân loại là điểm không cháy/nóng , nếu một trong các điều kiện trên không thỏa mãn, điểm ảnh đó sẽ tiếp tục đƣợc xét ở bƣớc loại bỏ cảnh báo sai đƣờng ven bờ biển.
Trong đó, điều kiện (10) và (11) giới hạn việc loại bỏ cảnh báo sai trong những trƣờng hợp có số lƣợng điểm cháy nền (Nf) thỏa mãn, một dấu hiệu của cảnh
báo sai đƣờng biên sa mạc. Điều kiện (12) chỉ đơn giản là giới hạn những test còn lại tới những vùng có sáng của sa mạc.Điều kiện (15) chỉ có thể thỏa mãn đƣợc khi điểm cháy/nóng tạm thời đang đƣợc xét khác biệt hoàn toàn với những điểm cháy nền xung quanh. Hơn nữa, nó cho phép phát hiện những điểm nóng/cháy khí gas, điều thƣờng xuất hiện ở khu vực nóng nhƣ sa mạc.
2.4.8. Loại bỏ cảnh báo sai ở ven biển
Theo tính chất ngữ cảnh của giải thuật, việc loại bỏ chính xác vùng phủ nƣớc và vùng phủ nhiễm nƣớc ở bƣớc phân loại nền là rất quan trọng.Ở thời gian ban ngày, những điểm ảnh nhƣ vậy thƣờng sẽ cho bức xạ nhiệt thấp hơn so với những
điểm ảnh của vùng đất xung quanh.Việc vô tình bao gồm cả những điểm nƣớc và nhiễm nƣớc ở trong cửa sổ phân loại nền có thể hạ giá trị của ̅ và gây nên cảnh
bảo sai.Cùng góp phần hiện tƣợng này, những điểm ảnh nƣớc thƣờng sẽ có giá trị
∆T thấp hơn so với những điểm ảnh đất do sự khác biệt trong phát xạ. Những điểm
ảnh nƣớc và điểm nhiễm nƣớc đó làm giảm giá trị ̅̅̅̅ và tăng khả năng gây ra cảnh báo sai.
Để giải quyết vấn đề này, một kiểm tra dựa trên cƣờng độ bức xạ 0.86- và 2.1-µm vac chỉ số phân loại thực vật (NDVI) của các điểm ảnh nền hợp lệ, trong đó NDVI = (ρ0.86 - ρ0.65)/( ρ0.86 + ρ0.65). Các điểm ảnh nền hợp lệ có ρ2.1 <0.05 và ρ0.86
<0.15 và NDVI <0 đƣợc cọi là điểm ảnh chứa nƣớc chƣa đƣợc đánh dấu, tức là điểm ảnh nƣớc đƣợc phân loại là đất trong mặt nạ MODIS đất/ biển. Số lƣợng điểm ảnh này đƣợc kí hiệu là Nuv. Nếu thử nghiệm không thỏa mãn và Nuv>0, điểm cháy tạm thời bị loại bỏ và đƣợc phân loại là không cháy.
2.4.9. Độ tin cậy thuật toán
Một phép tính đƣợc thực hiện để thực hiện độ chính xác của thuật toán trên từng điểm nóng/cháy đƣợc xác định cũng đƣợc kế thừa từ cách tiếp cận của Giglio et al. Phép tính sử dụng T4, Naw, và biến chuẩn hóa z4 và z∆T, đƣợc tính nhƣ sau:
̅ (16)
̅̅̅̅
(17)
Những thông số này đại diện cho độ lệch tiêu chuẩn mà T4 và T11 nằm trên bề mặt. Tƣơng tự nhƣ vậy tính toán Z-scores sử dụng độ lệch tiêu chuẩn nhƣ sau:
{
Độ tin cậy của một điểm ảnh đƣợc tổng hợp từ 5 phép tính toán độ tin cậy nhỏ hơn, kí hiệu từ C1 tới C5. Các giá trị về độ tin cậy tăng từ thấp nhất 0 tới cao
nhất 1. Với điểm ảnh ban ngày, 5 phép toán đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
Với C1, 310 K tƣơng đƣơng với giá trị nhiệt độ sáng nhỏ nhất để một điểm ảnh có thể coi là một điểm cháy/nóng (và đây là giá trị thể hiện điểm ảnh có ít khả năng là điểm cháy nhất), trong khi đó từ thực nghiệm cho thấy, giá trị 340 K là giá trị phù hợp để tƣơng đƣơng với một điểm nóng/cháy. Với C2, z4 = 2.5, ngƣỡng thấp
nhất đối với một điểm cháy của thuật toán tìm kiếm, trong khi đó z4 = 6 đại diện
cho một giá trị tiêu biểu (số liệu từ thực nghiệm) cho điểm nóng/cháy rõ ràng. Những lý luận tƣơng tự với C3, C4 làm giảm độ tin cậy của thuật toán tìm kiếm khi có số lƣợng điểm mây lân cận gia tăng, có một thực tế là những điểm cháy/nóng ở viền của những đám mây có khả năng cao là điểm ảnh bị nhiễm mây, tiềm tàng gây ra những lỗi cảnh báo sai do phản chiếu ánh sáng mặt trời. Cuối cùng, C5 giảm độ tin cậy của thuật toán khi những điểm nƣớc lân cận gia tăng, phản ánh khả năng cao những điểm nóng/cháy này bị cảnh báo sai mà đáng ra là đƣờng ven bờ biển.
Theo phƣơng pháp của Giglio et al., độ tin cậy của giải thuật đƣợc tính bằng trung bình nhân của 5 phép toán nhỏ hơn.
C = √ (23)
Đối với những điểm ảnh ban đêm, ngƣỡng của C1 đƣợc thay đổi cho phù hợp hơn
Và những thông số liên quan đến điểm ảnh mây và điểm ảnh nƣớc thì đƣợc giữ nguyên giới hạn. Do đó, độ tin cậy của thuật toán sẽ đƣợc tính là trung bình nhân của 3 thông số C1, C2, C3.
THỬ NGHIỆM PHÁT HIỆN ĐÁM CHÁY Chƣơng 3.
RỪNG DỰA TRÊN TẬP DỮ LIỆU
3.1. Dữ liệu
Ảnh đƣợc sử dụng là ảnh của vệ tinh MODIS đƣợc tải về miễn phí từ địa chỉ:
http://ladsweb.nascom.nasa.gov/
Hình 3.1. Giao diện để tải ảnh MODIS
Những thông số để tải ảnh trên trang nhƣ sau:
Vệ tinh: Aqua/Terra MODIS
Nhóm: Aqua/Terra Level 1 Products
Loại sản phẩm:
o MOD021KM – Level 1B Calibrated Radiances – 1km
Thời gian: ngày 21/06/2014 (Ngày tải ảnh vệ tinh) Vị trí không gian: o Vertical Tile: 07 -07 o Horizontal Tile: 28-28 Vùng phủ: o Ban ngày o Ban đêm o Cả ngày và đêm
Phiên bản thuật toán: 6 – MODIS Collection 6 –L1, Atmos and Land.
3.2. Thử nghiệm
Ảnh sau khi thu thập đƣợc, sẽ qua giai đoạn tiền xử lý để loại bỏ sƣơng mù, cũng nhƣ tăng cƣờng chất lƣợng ảnh. Sau đó đƣợc phân đoạn ảnh bằng Kmeans để phân chia ra các vùng. Kết hợp với bản đồ phủ rừng của vùng ảnh vệ tinh để xác định đƣợc vị trí của rừng trong ảnh.
Kết hợp tiếp theo sử dụng thuật toán phát hiện điểm nóng/cháy dựa trên dữ liệu của ảnh MODIS.
Chƣơng trình xác định điểm nóng/cháy sử dụng ảnh MODIS đƣợc tham khảo từ hệ thống IPOPP của Nasa viết bằng ngôn ngữ C thực thi trên môi trƣờng Linux [25]. Nhận đầu vào là hai file MOD/MYDK21KM và MOD/MYD03, đầu ra sẽ là một file văn bản chứa danh sách các điểm nóng có tọa độ và các thông số liên quan. Danh sách các tên file và chức năng của nó đƣợc liệt kê trong bảng sau:
Bảng 3.1: Bảng tên file và chức năng của hệ thống IPOPP
STT Tên file Chức năng
1 bowtie.c bowtie.h
Giải quyết hiện tƣợng bowtie của cảm biến MODIS
2 cloud.c cloud.h
Đƣa ra quyết định xem một điểm ảnh có phải là mây hay không dựa vào thông số phản chiếu ở băng 1, băng 2 và nhiệt độ sáng của băng 11-µm của ảnh MODIS
3 cmg.c cmg.h
Định nghĩa các hàm để có thể đƣa ra ảnh sản phẩm mô hình khí hậu CMG (Climate Modeling Grid)
4 confidence.c confidence.h
Tính toán độ tin cậy của từng điểm nóng/ cháy đƣợc phát hiện
5 const.h Định nghĩa những hằng số đƣợc sử dụng trong module 6 detfire.c
detfire.h
Định nghĩa những hàm chính dùng trong việc tìm kiếm và phát hiện điểm nóng/cháy. Những hàm này sẽ đƣợc gọi từ process.c
7 error.c error.h
Định nghĩa những lỗi có thể gặp phải trong module nhƣ việc file đầu vào có lỗi, hoặc lỗi trong quá trình xử lý 8 fire.h Định nghĩa các loại của một điểm ảnh sau khi phân lớp 9 firetab.c
firetab.h
Định nghĩa những hàm làm việc với dữ liệu điểm cháy dạng bảng để đƣa vào tệp HDF
STT Tên file Chức năng
fireloc.h sản phẩm điểm cháy mức 2 và đƣa ra kết quả là những thông tin liên quan đến điểm cháy nhƣ tọa độ, nhiệt độ sáng... vào một file văn bản
11 frp.c frp.h
Tính toán năng lƣợng bức xạ của một điểm cháy/nóng
12 io.c io.h
Định nghĩa các hàm đọc file đầu vào, ghi dữ liệu ra cuối cùng vào file HDF, đồng thời định nghĩa hàm trích xuất sản phẩm từng công đoạn của module
13 misc.c misc.h
Xây dựng xâu chứa thông tin về hệ thống, phiên bản, tên phần cứng của module
14 mod14.c Hàm chính của module, gọi tới những hàm xử lý nhỏ hơn 15 process.c
process.h
Bao hồm hàm tìm kiếm điểm nóng/cháy trong một ảnh MODIS (granule), hàm tính nhiệt độ sáng, tính độ phản xạ của băng 1, 2, 7 từ góc zenith
16 tb.c tb.h
Định nghĩa hàm Plank đảo
17 types.h Định nghĩa cấu trúc dữ liệu đƣợc sử dụng trong module 18 version.h Định nghĩa phiên bản của module
19 zstats.c zstats.h
Định nghĩa hàm tính toán con số thống kê cho mỗi điểm ảnh nhƣ: trung bình cộng, độ lệch tuyệt đối trung bình
Những điểm cháy/nóng tiềm tàng được phát hiện:
Hình 3.3. Điểm cháy/nóng tiềm tàng đƣợc phát hiện
Xác định ngưỡng điểm nóng/cháy
Dữ liệu đầu vào của công đoạn này là ảnh MOD021KM và ảnh MOD03 của MODIS. Trong đó, thông tin về nhiệt độ sáng đƣợc cung cấp từ ảnh MOD021KM, còn ảnh MOD03 cung cấp góc chiếu mặt trời, vùng phủ đất/nƣớc.[2]
Kết quả của công đoạn này, tọa độ những điểm ảnh thỏa mãn bộ lọc ngƣỡng sẽ đƣợc lƣu lại và hiển thị trên ảnh tổ hợp màu.
Hình 3.4.Tọa độ những điểm vƣợt qua đƣợc bộ lọc ngƣỡng ở khu vực Đông Nam Á
Tọa độ những điểm này đƣợc liệt kê trong bảng sau:
Bảng 3.2: Bảng tọa độ những điểm vƣợt qua bộ lọc ngƣỡng
Vĩ độ Kinh độ 25.544226 113.282005 22.795137 114.910355 22.85778 112.738625 20.355507 110.58081 20.34789 110.5698 12.496036 109.25929 12.262821 108.96338 Loại bỏ điểm lóe sáng mặt trời
Tập dữ liệu đầu vào là tọa độ những điểm nóng/cháy tạm thời, cùng với đó là những góc chiếu zenith và góc azimuth đƣợc cung cấp trong ảnh MOD03.[2]
Hình 3.5. Biểu diễn điểm ảnh bị loại bỏ do chói sáng mặt trời ở khu vực Phillipine
Khi áp dụng giải thuật vào ảnh MODIS
Hình 3.6. Tọa độ những điểm bị chói sáng mặt trời dẫn tới cảnh báo sai
Tọa độ của những điểm trên đƣợc liệt kê trong bảng sau:
Bảng 3.3: Bảng tọa độ những điểm bị chói sáng
Vĩ độ Kinh độ 24.443546 114.932961 23.398407 113.245468 23.354771 113.22744 23.208937 113.036507 23.210648 112.905571 23.209139 112.915367 23.098555 112.853394 23.043184 112.853722 22.964546 113.06562 22.946354 113.123413 22.982752 112.826599 22.863634 112.940605
22.846661 112.750191 22.688602 112.99836 22.673475 113.036278
Loại bỏ cảnh báo sai ở sa mạc và ven biển
Kết quả khi áp dụng với ảnh MODIS:
MOD021KM.A2014175.0315.006.2014175131057.hdf
Bảng 3.4: Bảng tọa độ điểm cảnh báo sai ở sa mạc và ven biển
Vĩ độ Kinh độ 19.779022 109.162796 16.890278 107.166885 16.043398 108.250084 15.370889 109.120979 14.866417 108.979927 14.366847 109.124939 14.275944 109.181213 14.228877 109.187202 14.14463 109.196762 14.131586 109.223305 14.086643 109.216599 13.961562 109.251747 13.934628 109.247734 13.881711 109.296478 13.84123 109.256042 13.802653 109.269173 13.763245 109.285248 13.603475 109.245949
13.504934 109.29068 13.463972 109.316086 13.41556 109.271393 13.411559 109.298935 13.356862 109.293648 13.293019 109.287537 13.189509 109.303146 13.078222 109.308548 13.069272 109.30722 12.741226 109.280235 12.727842 109.371391 12.676621 109.217537 12.644465 109.436241 12.490705 109.295692 12.489372 109.304802 12.19881 109.208817 11.509007 109.010635 11.062378 108.475533
Hình 3.7. Những đám cháy bị cảnh báo sai ở ven biển Việt Nam
Những điểm nóng tạm thời trong ảnh
MOD021KM.A2014175.0315.006.2014175131057.HDF
Bảng 3.5: Bảng tọa độ điểm nóng tạm thời.
Vĩ độ Kinh độ Độ tin cậy
Điểm nóng/cháy tiềm tàng 25.544226 113.282005 56 22.795137 114.910355 17 22.85778 112.738625 28 20.355507 110.580811 61 20.347891 110.569801 56 12.262821 108.963379 82 Điểm cháy/nóng tạm thời 25.544226 113.282005 56 22.795137 114.910355 17 22.85778 112.738625 28 20.355507 110.580811 61
20.347891 110.569801 56 12.262821 108.963379 82
Tại Việt Nam
Để truyền tải thông tin các điểm cháy phát hiện một cách sớm nhất đến các địa phƣơng trên toàn quốc, Cục kiểm lâm với sự giúp đỡ kỹ thuật của công ty tƣ vấn GeoViet đã phát triển hệ thống tác nghiệp Automatic hospot mapping cập nhật tức thời và thƣờng xuyên dữ liệu cháy lên trang Web cảnh báo cháy rừng (http://kiemlam.org.vn). Đối với mỗi ảnh MODIS trạm thu nhận đƣợc, thông tin cháy gần nhất đƣợc cập nhật trên trang Web bao gồm:
- Ảnh cháy toàn quốc
- Số điểm cháy của các tỉnh, thành phố trên toàn quốc - Bản đồ các điểm cháy toàn quốc trên nền bản đồ rừng - Tọa độ các điểm cháy
Ngoài việc phục vụ chỉ đạo PCCCR hàng ngày, dữ liệu cháy lịch sử đƣợc lƣu lại phục vụ công tác thông kê, báo cáo và dự đoán. Và phục vụ cho dự báo cháy dài hạn, xây dựng bản đồ phân vùng cháy trọng điểm của tháng đó, đánh giá quy luật cháy theo thời gian nhằm lập bản đồ dự báo các khu vực trọng điểm cháy rừng của tháng tiếp theo
Hình 3.9.Bản đồ phân vùng trọng điểm cháy tháng 02/2007
(màu đỏ là nguy cơ cháy rừng cấp độ 5, màu hồng cấp độ 4 và màu vàng cấp độ 3)
3.3. Đánh giá
Phƣơng pháp phát hiện đám cháy rừng đƣợc trình bày trong luận văn tập trung sử dụng phƣơng pháp phát hiện điểm cháy/nóng của Giglio (2003). Đây là phƣơng pháp đƣợc sử dụng rất phổ biến để phát hiện điểm cháy bằng cách sử dụng dữ liệu vệ tinh MODIS.
Trong từng bƣớc của thuật toán đƣợc sử dụng, đều ra ra đƣợc vị trí chính xác (vĩ độ, kinh độ) của điểm cháy/nóng. Kết hợp với bản đồ phủ rừng thì đã phát hiện đám cháy rừng một cách nhanh với độ tin cậy cao.
trực tuyến kết nối với dữ liệu từ vệ tinh thu đƣợc, góp phần nâng cao hiệu quả trong công tác PCCCR.
KẾT LUẬN
Luận văn đã trình bày tổng quan về các phƣơng pháp phát hiện đám cháy rừng đang đƣợc áp dụng. Từ đó, tìm hiểu và nghiên cứu phƣơng pháp hiện đám cháy rừng bằng phƣơng pháp xử lý hình ảnh vệ tinh MODIS.
Trong luân văn, phƣơng pháp phát hiện đám cháy rừng đã trải qua các giai đoạn từ tiền xử lý ảnh: bao gồm khử sƣơng mù và tăng cƣờng ảnh, tiếp đến đó là sử dụng thuật toán Kmeans để phân đoạn ảnh để phân chia thành các vùng ảnh. Tiếp