CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ DƢ̃ LIỆU ẢNH VỆ TINH VÀ GIS
1.2. TỔNG QUAN VỀ GIS
1.2.2. Cấu trúc của GIS
Mô ̣t hê ̣ thống GIS bao gồm 5 hợp phần cơ bản là : Phần cƣ́ng, phần mềm, dƣ̃ liê ̣u không gian, chuyên gia và chính sách quản lý.
Phần cƣ́ng là tâ ̣p hợp gồm các thành phần nhƣ máy tính , máy vẽ, máy in, máy đo phổ, thiết bi ̣ quét ảnh, các thiết bị lƣu trữ số liệu, v.v.
Phần mềm là mô ̣t danh sách các câu lê ̣nh , chỉ thị nhằm điều khiển hệ thống phần cƣ́ng để thƣ̣c hiê ̣n nhiê ̣m vu ̣ xác đi ̣nh . Phần mềm sƣ̉ du ̣ng trong hê ̣ thống GIS cần đáp ƣ́ng đƣợc các tính năng cơ bản nhƣ Nhâ ̣p và kiểm tra dƣ̃ liê ̣u , lƣu trƣ̃ và quản lý cơ sở dữ liệu, xuất dƣ̃ liê ̣u, chuyển đổi dƣ̃ liê ̣u, tƣơng tác với ngƣời dùng.
Chuyên gia là tâ ̣p hợp nhƣ̃ng ngƣời có hiểu biết về hê ̣ thống GIS để thƣ̣c hiê ̣n các chức năng phân tích và xử lý số liệu , có kiến thƣ́c về viê ̣c sƣ̉ du ̣ng các công cu ̣ GIS để phu ̣c vu ̣ cho mu ̣c tiêu của hê ̣ thống.
Dƣ̃ liê ̣u không gian phải bao gồm các thông tin về vi ̣ trí đi ̣a lý , thuô ̣c tính và mối liên hê ̣ không gian và thời gian của các thông tin . Có 2 dạng dữ liệu đƣợc sử dụng trong GIS là: cơ sở dƣ̃ liê ̣u bản đồ và cơ sở dƣ̃ liê ̣u thuô ̣c tính.
Chính sách quản lý là một hợp phần rất quan trọng trong hệ thống GIS . Để hoạt động thành công , hệ thống GIS phải đƣợc đặt trong 1 khung tổ chức phù hợp và có những hƣớng dẫn cần thiết để quản lý, thu thập, lƣu trữ và phân tích số liệu, đồng thời có khả năng phát triển đƣợc hệ thống GIS theo nhu cầu. Hệ thống GIS cần đƣợc điều hành bởi 1 bộ phận quản lý, bộ phận này phải đƣợc bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ ngƣời sử dụng thông tin. Trong quá trình hoạt động, mục đích chỉ có thể đạt đƣợc và tính hiệu quả của kỹ thuật GIS chỉ đƣợc minh chứng khi công cụ này có thể hỗ trợ những ngƣời sử dụng thông tin để giúp họ thực hiện đƣợc những mục tiêu công việc.
1.2.3. Dữ liê ̣u GIS
Dƣ̃ liê ̣u trong GIS đƣợc thiết kế trên mô hình dƣ̃ liê ̣u raster và vector. Các đối tƣợng không gian trong GIS đƣợc nhóm theo ba loa ̣i đối tƣợng: điểm, đƣờng, vùng.
Trong mỗi kiểu cấu trú c dƣ̃ liê ̣u cách tổ chƣ́c dƣ̃ liê ̣u cho ba đối tƣợng không gian là khác nhau. Tùy theo tỉ lệ hoặc mức độ chi tiết mà các đối tƣợng không gian đƣợc thiết kế khác nhau . Với tỉ lê ̣ nhỏ thì nhiều khi mô ̣t điểm đa ̣ i diê ̣n cho mô ̣t vùng trong tỉ lê ̣ lớn.
Hình 1: Mô phỏng của thế giới thực trên mô hình dữ liê ̣u không gian
Đối với dữ liệu GIS dạng raster , dƣ̃ liê ̣u đƣợc lƣu trƣ̃ dƣới da ̣ng ma trâ ̣n dòng và cột. Độ lớn của dữ liệu sẽ là số dòng nhân số cột của ma trận . Dƣ̃ liê ̣u thuô ̣c tính sẽ đƣợc lƣu trữ bằng một giá trị tại một ô của ma tr ận. Tuy nhiên, dƣ̃ liê ̣u da ̣ng raster có nhƣợc điểm là tốn dung lƣợng đĩa cƣ́ng , đô ̣ chi tiết không cao , khó thực hiê ̣n các phép phân tích không gian và thƣờng chỉ đƣợc sƣ̉ du ̣ng để thể hiê ̣n tổng quan cho mô ̣t khu vƣ̣c.
Hình 2: Cấu trúc dữ liê ̣u dạng Raster
Đối với cấu trúc dữ liệu dạng vector trong GIS , về mă ̣t toán ho ̣c vector là mô ̣t đoa ̣n thẳng có hƣớng và có đô ̣ dài nhất đi ̣nh . Điểm là mô ̣t vector có đô ̣ dài bằng
không. Trong mô hình dƣ̃ liê ̣u vector, vị trí của một đối tƣợng không gian đƣợc thể hiê ̣n chính xác bằng că ̣p to ̣a đô ̣ x , y trong mô ̣t hê ̣ to ̣a đô ̣ tham chiếu với hê ̣ to ̣a đô ̣ dùng cho Trái Đất.
Hình 3: Cấu trúc dữ liệu dạng Vector
Điểm đƣợc thể hiê ̣n nhƣ mô ̣t vector có đô ̣ dài bằng 0 và vị trí đƣợc ghi nhận bằng că ̣p to ̣a đô ̣ x,y.
Đƣờng đƣợc thể hiện bằng đƣờng nối giữa hai điểm bất kì . Điểm bắt đầu và điểm kết thúc của đƣờng đƣợc gọi là nút.
Vùng đƣợc thể hiện là một đa giác khép kín với các đƣờng . Tọa độ của vùng tại ranh giới chính là tọa độ của các điểm nằm trong các đƣờng hình thành nên vùng.
Hiê ̣n nay, viê ̣n nghiên cƣ́u các hê ̣ thống về mô i trƣờng ESRI đã cho ra các sản phẩm phần mềm ARC INFO cho phép thể hiê ̣n dƣ̃ liê ̣u GIS da ̣ng vector theo cấu trúc topology. Cấu trúc này cho phép giƣ̃ nguyên sƣ̣ tƣơng quan của các đối tƣợng không gian trong các phép chuyển đổi , quay hoă ̣c thay đổi tỉ lê ̣. Đồng thời cấu trúc này cho phép thực hiện đƣợc các phép phân tích không gian tốt hơn nhƣ phân tích tính liền kề, tính nối tiếp, tính chồng lớp.
1.2.4. Ứng dụng của GIS
GIS có rất nhiều ƣ́ng dụng trong các ngành khoa học bởi nó có chức năng bản đồ. Chƣ́c năng phân tích không gian sƣ̉ du ̣ng dƣ̃ liê ̣u đi ̣a lý đều liên quan đến hầu hết các ngành khoa ho ̣c về Trái Đất . Các chức năng phân tích thuộc tính liên quan đến các dữ liệu thố ng kê xã hô ̣i ho ̣c . Chƣ́c năng liên kết không gian , tìm kiếm hỏi đáp và đi ̣nh vi ̣ liên quan đến khoa ho ̣c quân sƣ̣, viễn thám hàng hải.
GIS trong các nƣớc Đông Âu tƣ̀ 1989 đến nay đã phát triển không ngừng và kinh phí đầu cho GIS đang ngày càng tăng bởi lẽ GIS có khả năng xử lý dữ liệu từ nhiều ngành khác nhau . Nhƣ̃ng vấn đề mang tính toàn cầu mà GIS có thể đƣợc sƣ̉ dụng cho các nghiên cƣ́u bao gồm s a ma ̣c hóa , xói mòn , bạc màu đất , ô nhiễm nƣớc, cháy rƣ̀ng, ô nhiễm không khí, v.v. GIS tham gia vào viê ̣c tìm ra vùng thích hợp và tiềm năng , hỗ trợ ra quyết đi ̣nh với các nhà quản lý , đƣa ra các biê ̣n pháp ngăn chă ̣n hoă ̣c phòng chống ki ̣p thời với nhƣ̃ng nhân tố ảnh hƣởng đến c uô ̣c sống con ngƣời và môi trƣờng sinh thái.
1.2.5. Giới thiê ̣u về WebGIS
WebGIS là một bƣớc tiến mới của ngành hệ thống thông tin địa lý GIS trong những năm gần đây, khi mà mạng Internet tốc độ cao phát triển cùng với sự sẵn sàng của các phần mềm thƣơng mại và mã nguồn mở cho phép thực thi trên máy chủ thay vì chỉ thực thi đƣợc trên từng máy khách. Các định nghĩa về WebGIS tổng quát hóa là việc chia sẻ, tích hợp, phân bố tính năng GIS qua mạng Internet trên nền tảng TCP/IP.
Hình 4: Kiến trúc của WebGIS
Kiến trúc WebGIS có những ƣu điểm khi phát triển và sử dụng rộng rãi là: -Tận dụng tối đa khả năng của nền tảng client – server
-Khả năng mở rộng và phát triển các nền tảng phần cứng, phần mềm
-Tách biệt giữa các tầng và có thể thay thế các giải pháp về Web Server, GIS Server, Database Server tùy theo nhu cầu sử dụng
-Giảm thiểu chi phí khi đƣa Web Server và GIS Server là nơi tập trung xử lý dữ liệu phân tán thay vì chỉ thực thi đƣợc trên từng máy có cài phần mềm GIS.
Hiện tại phổ biến có 3 mô hình đƣợc áp dụng trong mô hình triển khai thực tế WebGIS có những ƣu, nhƣợc điểm khác nhau:
-Server Side: xử lý tập trung mọi truy vấn từ phía Client, tính toán, truy xuất các thành phần trong hệ thống, trả về kết quả cho Client. Tận dụng khả năng phần cứng mạnh của máy chủ để xử lý thay vì chạy trên máy khách. Tuy nhiên, hệ thống sẽ bị ngƣng trệ nếu máy chủ bị quá tải khi có quá nhiều truy cập hoặc bị tấn công mạng.
-Client Side: phân tải xử lý, tính toán với máy chủ nhờ việc chia sẻ bớt công việc. Máy khách sẽ đƣợc bổ sung thêm 1 số tính năng mở rộng nhƣ applet, plug-in, v.v để có thể có các tính năng tƣơng tự nhƣ thực thi ở Server. Rất hữu ích khi sử dụng trong việc giảm thiểu tải cho máy chủ, tận dụng khả năng phần cứng còn thừa từ máy khách. Tuy nhiên, việc chia sẻ dữ liệu lớn qua mạng có thể gây chậm trễ khả năng xử lý, máy khách không đủ khả năng tính toán quá phức tạp, thích hợp với mô hình WebGIS nhỏ.
-Hybrid Side: việc phân chia công việc tính toán và xử lý dữ liệu hƣớng về Server hoặc Client đều có những ƣu, nhƣợc điểm riêng. Vì vậy cần có một giải pháp để có thể tận dụng tài nguyên của cả Client và Server về phần cứng, phần mềm, băng thông, v.v. Giải pháp Hybrid kết hợp giữa Server và Client là một cách thức để giải quyết vấn đề trong tƣơng lai. Bản thân các Server sẽ vẫn thực thi các yêu cầu về truy vấn, xử lý dữ liệu. Tuy nhiên, với các tính toán đơn giản, thao tác với bản đồ thì có thể đƣa về trình duyệt của Client xử lý riêng. Ngoài ra, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của điện toán đám mây (Cloud Computing), các máy Client cũng có thể trở thành các WebGIS Server Mini và phân tải với hệ thống WebGIS lớn, cồng kềnh hiện tại.
CHƢƠNG II. XÂY DƢ̣NG HỆ THỐNG THÔNG TIN GIÁM SÁT CHÁY RƢ̀NG SƢ̉ DỤNG DƢ̃ LIỆU ẢNH VỆ TINH
2.1. Mô tả bài toán
Qua quá trình khảo sát về các hê ̣ thống thông tin giám sát cháy rƣ̀ng trên thế giới và Viê ̣t Nam cho thấy hiê ̣n ta ̣i chƣa có mô ̣t hê ̣ thống nào có thể cung cấp đƣợc đầy đủ các thông tin cháy rƣ̀ng với các chƣ́c năng về hỗ trợ phân tích thống kê báo cáo, hiển thi ̣ biến đô ̣ng và cung cấp thông tin cảnh báo tới ngƣời dùng . Về cơ bản, các tính năng đã có tại các hệ thống thông tin gi ám sát cháy rừng nhƣng nó nằm riêng rẽ và không đƣợc tổng hợp la ̣i cùng với viê ̣c khó thao tác sƣ̉ du ̣ng , gây bấ t tiê ̣n đối với ngƣời dùng. Bên ca ̣nh đó, hầu hết các ƣ́ng du ̣ng ta ̣i Đa ̣i ho ̣c Công nghê ̣ – Đa ̣i ho ̣c Quốc Gia Hà Nô ̣ i chƣa sƣ̉ du ̣ng nhiều dƣ̃ liê ̣u vê ̣ tinh đƣợc lấy tƣ̀ tra ̣m thu vƣ̀a đƣợc xây dƣ̣ng khiến cho xảy ra viê ̣c lãng phí tài nguyên.
Chính vì vậy, mục tiêu của đề tài là xây dựng hệ thống thông tin giám sát cháy rƣ̀ng sƣ̉ du ̣ng dƣ̃ liê ̣u ảnh vê ̣ tinh đƣợc thu thâ ̣p ta ̣i tra ̣m thu của Đa ̣i ho ̣c Công nghê ̣ – Đa ̣i ho ̣c Quốc Gia Hà Nô ̣i với các chƣ́c năng đƣợc tổng hợp tƣ̀ các hê ̣ thống hiê ̣n tại và các chức năng đƣợc phát triển thêm phục vụ cho nhu cầu của ngƣời dùn g bao gồm:
-Hiển thi ̣ thông tin điểm cháy theo khu vƣ̣c đến mƣ́c xã gần thời gian thực. -Hiển thị các bản đồ về lƣợng mƣa, nhiệt độ, tốc độ gió nhằm đƣa ra các phân tích mối tƣơng quan giữa các đám cháy và các yếu tố trên.
-Hiển thi ̣ diễn biến cháy rƣ̀ng theo thời gian, tìm kiếm điểm cháy.
-Tìm kiếm và trích xuất dữ liệu cháy sang các định dạng dữ liệu không gian. -Xuất báo cáo thống kê về cháy rƣ̀ng theo khu vƣ̣c và thời gian.
-Cho phép ngƣời dùng đăng kí nhâ ̣n thông ti n cảnh báo cháy rƣ̀ng gần thời gian thực ngay khi có kết quả xử lý tại khu vực quan tâm qua email.
-Quản lý các dữ liệu ảnh vệ tinh đƣợc thu thập, quản lý dữ liệu ngƣời dùng , quản lý dữ liệu điểm cháy.
-Cung cấp module kiểm chứng dành cho các nhà quản lý của các đơn vị liên quan nhằm nâng cao độ chính xác của thông tin.
2.2. Khảo sát hệ thống thông tin giám sát cháy rừng tại Việt Nam và trên thế giới giới
Hiê ̣n nay, do tình tra ̣ng cháy rƣ̀ng đang ngày càng phát triển bởi nhiều nguyên nhân khác nhau , trong đó nguyên nhân chủ yếu bắt nguồn tƣ̀ con ngƣời , trên thế giới có rất nhiều hê ̣ thống thông tin giám sát cháy rƣ̀ng đƣợc xây dƣ̣ng phu ̣c vu ̣ cho viê ̣c phòng chống và ngăn ngƣ̀a tác đô ̣ng tiêu cƣ̣c của cháy rƣ̀ng. Có thể kể đến nhƣ hê ̣ thống giám sát cháy rƣ̀ng toàn cầu (Global Fire Watch ) của WRI (World Resources Institute), hệ thống quản lý tài nguyên thông tin cháy rƣ̀ng (FIRMS) của NASA (National Aeronautics and Space Administration), Hệ thống giám sát cháy rƣ̀ng toàn cầu (GWI) của EFFIS (The European Forest Fire Information System ), Hê ̣ thống thông tin cháy rƣ̀ng của FDAC (Florida Department of Agriculture and Consumer Services).
Tại Việt Nam , hê ̣ thống theo dõi c háy rừng trực tuyến của Cục Kiểm Lâm cũng đã đƣợc đƣa vào sử dụng trong thời gian gần đây. Tuy nhiên các hê ̣ thống trên còn có những nhƣợc điểm chƣa thể đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng của ngƣời dùng . Đối với các hệ thống giám sát cháy rừng trên thế giới thì hầu hết chỉ hiển thị các thông tin chung, khái quát hóa vị trí không gian của thông tin điểm cháy mà không thể hiê ̣n đƣợc các thông tin thuô ̣c tính về vi ̣ trí đi ̣a lý cu ̣ thể của điểm chá y khiến cho quá trình đo ̣c thông tin cần thiết của ngƣời dùng khó khăn hơn . Đối với hệ thống giám sát cháy rƣ̀ng của cu ̣c kiểm lâm ta ̣i Viê ̣t Nam, tuy hê ̣ thống đã đƣợc xây dƣ̣ng để hiển thi ̣ các thông tin điểm cháy đến mƣ́c xã nhƣng các công cu ̣ tiê ̣n ích cung cấp hỗ trợ cho ngƣời dùng vẫn chƣa đƣợc đầy đủ khiến cho viê ̣c câ ̣p nhâ ̣t thông tin để phòng chống và ngăn ngừa còn chậm trễ.
Dƣới đây là bảng tổng kết ƣu nhƣợc điểm của các hệ thống giám sát cháy rừng:
Bảng 2: Bảng tổng kết ưu nhược điểm của các hệ thống giám sát và theo dõi cháy rừng
# Tên Ƣu Điểm Nhƣợc Điểm
1 Hệ thống giám sát cháy rƣ̀ng toàn cầu GFW của WRI (http://fires.globalforestwa tch.org/#v=map&x=115& y=0&l=5&lyrs=Active_Fi - Có bản đồ tƣơng tác với ngƣời dùng. - Dữ liệu đƣợc cập nhật liên tục.
- Có thể xem thông tin của các điểm cháy trên
- Thiếu công cụ báo cáo thống kê.
- Chƣa có các công cụ tìm kiếm không gian. - Không xem đƣợc xu hƣớng cháy trên bản đồ.
res) bản đồ. 2 Hệ thống quản lý tài
nguyên thông tin cháy rƣ̀ng FIRMS của NASA (https://firms.modaps.eosd is.nasa.gov/firemap/) - Có bản đồ tƣơng tác với ngƣời dùng. - Dữ liệu đƣợc cập nhật liên tục.
- Có thể xem thông tin của các điểm cháy trên bản đồ.
- Thiếu công cụ báo cáo thống kê.
- Chƣa có các công cụ tìm kiếm không gian. - Không xem đƣợc xu hƣớng cháy trên bản đồ. 3 Hê ̣ thống giám sát cháy
rƣ̀ng toàn cầu GWI của EFFIS (http://forest.jrc.ec.europa .eu/effis/applications/glob al-viewer/) - Có bản đồ tƣơng tác với ngƣời dùng. - Dữ liệu đƣợc cập nhật liên tục.
- Thiếu công cụ báo cáo thống kê.
- Chƣa có các công cụ tìm kiếm không gian. - Chỉ xem đƣợc dữ liệu ngày hiện tại, không xem đƣợc những thời gian khác.
- Không thể xem thông tin của các điểm cháy trên bản đồ.
- Không xem đƣợc xu hƣớng cháy trên bản đồ. 4 Hệ thống thông tin cháy
rƣ̀ng của FDAC (http://www.freshfromflori da.com/Divisions- Offices/Florida-Forest- Service/Wildland- Fire/Resources/Fire- Tools-and- Downloads/Fire- Management-Information- - Có bản đồ tƣơng tác với ngƣời dùng. - Dữ liệu đƣợc cập nhật liên tục.
- Có thể xem thông tin của các điểm cháy trên bản đồ.
- Thiếu công cụ báo cáo thống kê.
- Chƣa có các công cụ tìm kiếm không gian. - Chỉ xem đƣợc dữ liệu ngày hiện tại, không xem đƣợc những thời gian khác.
- Không xem đƣợc xu