Mục đích của giải thuật là phát hiện những điểm ảnh mà tại đó có một hoặc nhiều đám cháy đang diễn ra tại thời điểm mà vệ tinh thu đƣợc ảnh. Những điểm ảnh nhƣ vậy sẽ đƣợc coi là điểm nóng/cháy.Việc xác định xem một điểm ảnh có phải là điểm nóng/cháy hay không về cơ bản sẽ dựa trên việc gia tăng đột của nhiệt độ sáng của kênh 4-µm so với kênh 11-µm. Tuy nhiên, việc đƣa ra kết luận một điểm có phải là điểm nóng/cháy hay không lại không đơn giản nhƣ vây. Giải thuật đƣợc áp dụng vào việc xác định điểm nóng/cháy cũng đồng thời phân loại các điểm ảnh thành các lớp: không có dữ liệu, mây, nƣớc, không phải điểm cháy, điểm cháy, hoặc không xác định đƣợc. Những điểm ảnh không mang dữ liệu hợp lệ ngay lập tức sẽ đƣợc đƣa vào nhóm lỗi dữ liệu. Những điểm ảnh đƣợc phân loại là nƣớc và mây ở trên sẽ đƣợc đƣa vào các nhóm nƣớc và mây tƣơng ứng. Các công đoạn về sau của giải thuật sẽ chỉ xét đến những điểm ảnh còn lại.
Giải thuật phát hiện điểm nóng/cháy, một bộ phân lớp sơ bộ đƣợc áp dụng để loại bỏ những điểm rõ ràng không phải là điểm nóng/cháy, và giữ lại những điểm có khả năng gọi là điểm nóng/cháy tiềm tàng. Qua thực nghiệm, ta rút ra đƣợc những điểm đƣợc coi là điểm cháy tiềm tàng nếu nó thỏa mãn những điều kiện sau:
ρ0.86 <0.3 ,T4 > 310 K và ∆T> 10K (điểm cháy ban ngày)
ρ0.86 <0.3 ,T4 > 305 K và ∆T> 10K (điểm cháy ban đêm) trong đó ∆T = T4 - T11
Những điểm ảnh nào không trải qua những test sơ bộ trên sẽ đƣợc phân loại là không cháy.
2.4.2. Ngưỡng xác định điểm nóng/cháy
Trong giải thuật này những điểm đƣợc coi là điểm cháy/nóng ngay lập tức nếu nó thỏa mãn:
T4> 360 K (điểm ảnh ban ngày) hoặc
(1)
T4> 320 K (điểm ảnh ban đêm)
Mặc dù ngƣỡng ban ngày cao, ƣu điểm của nó là đủ để loại bỏ các điểm chói sáng, nếu không báo động sai do ánh sáng phản chiếu có thể gây ra. Điểm ảnh ban đêm là những điểm có góc chiếu mặt trời ≥ 85o
2.4.3. Đặc tả nền điểm cháy
Năng lƣợng bức xạ của một điểm cháy tiềm tàng đƣợc ƣớc lƣợng thông qua các điểm ảnh lân cận với điểm cháy tiềm tàng. Để thực hiện điều này, các điểm ảnh đƣợc gọi là hợp lệ nằm trong một cửa sổ có tâm là điểm cháy tiềm tàng đƣợc xem xét. Điểm ảnh hợp lệ là (1) những điểm có các quan sát khả dụng, (2) nằm trên mặt đất, (3) không bị che bởi mây và (4) không phải điểm cháy nền. Điểm cháy nền định nghĩa là những điểm có T4 >325 K và ∆T>20 K đối với ban ngày và T4 >310 K và ∆T>10 K đối với ban đêm.
Cửa sổ này sẽ bắt đầu từ kích thƣớc 3x3 bao quanh một điểm cháy/nóng tiềm tàng (các điểm cháy/nóng tiềm tàng là kết quả của chuyên đề II.3.1).Cửa sổ này sẽ tăng cho đến khi ít nhất 25% số điểm ảnh trong cửa sổ là hợp lệ, và số điểm ảnh hợp lệ không nhỏ hơn 8, hoặc tăng đến kích thƣớc cực đại là 21x21.Trong bƣớc này, việc xử lý hiệu ứng “bowtie” của ảnh MODIS cũng đƣợc áp dụng.Việc cửa sổ 21x21 pixel đƣợc áp dụng đảm bảo rằng vùng đƣợc xét nằm trong khu vực xấp xỉ 20km quanh điểm nóng/cháy tiềm tàng.
Những điểm hợp lệ trong cửa sổ sẽ đƣợc đếm và kí hiệu bằng NV. Bên cạnh
đó những điểm cháy nền (Nf) và những điểm nƣớc (Nw) cũng đƣợc đếm trong cửa sổ.
Nếu nhƣ số điểm ảnh hợp lệ đếm đƣợc thỏa mãn, ta tiếp tục tính toán một vài con số thống kê sử dụng những con số này nhƣ trung bình chung (̅), trung bình độ
lệch tuyệt đối(δ4) cho ảnh MODIS 4-µm; và tính những thông số tƣơng tự cho ảnh
MODIS 11-µm là ̅̅̅̅ và δ4; và dộ chênh lệch nhiệt giữa kênh 4-µm và 11-µm là ̅̅̅̅
và δ∆T. Hai thông số cuối dùng đƣợc dùng để loại bỏ những cảnh báo sai đƣợc tính
từ những điểm cháy nền đƣợc kí hiệu là ̅ và . Những thông số này sẽ đƣợc sử
dụng ở trong việc kiểm tra ngữ cảnh
2.4.4. Kiểm tra dựa vào ngữ cảnh
Nếu nhƣ đặc tả nền thành công (số lƣợng điểm ảnh lân cận đủ lớn), một số kiểm tra ngƣỡng theo ngữ cảnh đƣợc sử dụng để phát hiện đám cháy. Những bộ lọc ngƣỡng này sẽ tìm kiếm những đặc điểm nổi trội của điểm cháy của nhiệt độ sáng trên băng 4-µm (T4) và sự khác biệt giữa băng 4- và 11-µm (∆T) thu đƣợc một cách
ổn định từ điềm nền không cháy. Các kiểm tra này nhƣ sau:
∆T > ̅̅̅̅ + 3.5 δ∆T (2)
∆T > ̅̅̅̅ + 6 K (3)
T4>̅ + 3 δ4 (4)
T11>̅̅̅̅ + δ11 – 4 K (5)
> 5 K (6)
Ba điều kiện đầu tiên cô lập những điểm cháy/nóng khỏi những điểm không cháy nền. Tham số 3.5 ở (2) lớn hơn so với tham số 3 ở (4) để điều chỉnh cho tự tƣơng quan từng phần giữa băng 4- và 11-µm. Điều kiện (5), giới hạn dùng với những điểm ảnh ngày, dùng để loại bỏ những điểm ảnh mây đối lƣu. Những điểm
ảnh này thƣờng bức xạ nhiệt cao ở kênh 4-µm (do việc phản xạ mặt trời) nhƣng lại yếu ở kênh nhiệt 11-µm. Nó cũng giúp giảm thiểu những lỗi cảnh báo sai ở điểm
không đƣợc phát hiện trong cửa sổ. Tuy nhiên, bất kỳ bộ lọc nào sử dụng δ11 đều phải đối mặt với việc loại bỏ một lƣợng lớn những điểm nóng/cháy, do những điểm nóng/cháy này sẽ làm gia tăng sự thay đổi nền rõ rệt. Ví dụ: ở một bề mặt đất nền bình thƣờng δ11 ~ 1 K, trong khi đó những vùng phủ đất trải trên một khu vực cháy rừng rộng sẽ có δ11 thƣờng xuyên vƣợt ngƣỡng 20 K. Vì lý do đó, test (6) đƣợc đƣa vào để loại bỏ test (5) trong trƣờng hợp cửa sổ nền chứa một đám cháy lớn. Điều kiện này đƣợc nhận biết bởi sự gia tăng cao của . Sự xuất hiện của những điểm cháy nền làm cho những con số thống kê này gia tăng đáng kể.
2.4.5. Phát hiện điểm cháy tạm thời.
Với những điểm ảnh đêm thì có thể dễ dàng đƣa ra quyết định, những điểm ảnh ngày sẽ phải trải qua 3 bƣớc loại bỏ cảnh báo sai nữa: chói sáng mặt trời, bề mặt sa mạc, đƣờng bờ biển.
Những điểm ảnh ban ngày sẽ đƣợc phân loại là điểm cháy nếu nó thỏa mãn (2)(3)(4) và (5) hoặc (6); trong khi đó những điểm ảnh ban đêm sẽ đƣợc coi là điểm cháy nếu nó thỏa mãn (2)(3)(4).Các điểm còn lại sẽ đƣợc phân loại là điểm không cháy.
Ta có tóm tắt sau:
Điểm ảnh ban ngày đƣợc coi là điểm cháy nếu: (1) Thỏa mãn
Hoặc
(2) (3) (4) thỏa mãn và [(5) hoặc (6) thỏa mãn Điểm cháy ban đêm đƣợc coi là điểm cháy nếu:
(1) Thỏa mãn Hoặc
Với những điểm ảnh không vƣợt qua đƣợc bƣớc phân loại nền sẽ chỉ áp dụng (1). Nếu tiếp tục không vƣợt qua đƣợc (1), điểm ảnh đó sẽ đƣợc phân loại là không khả dụng, hay là giải thuật không thể xác định đƣợc loại của điểm ảnh.
2.4.6. Loại bỏ ánh sáng phản chiếu
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