Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Xây dựng hệ thống cảnh báo cháy rừng trong phòng hộ

Luận văn thạc sĩ HCMUTE trình bày hệ thống cảnh báo cháy rừng trong phòng hộ, góp phần bảo vệ môi trường và tài nguyên thiên nhiên.

• Tác giả: Phạm Bảo Nhân
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Chí Ngôn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Xây Dựng Hệ Thống Cảnh Báo Cháy Rừng Trong Phòng Hộ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
• 1.2.1. Trong nước
• 1.2.2. Ngoài nước
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Hệ thống xử lý ảnh
• 2.2. Phân loại ảnh
• 2.3. Không gian màu
• 2.3.1. Không gian màu RGB
• 2.3.2. Không gian màu HSV
• 2.3.3. Chuyển đổi RGB sang HSV và ngược lại
• 2.4. Giới thiệu về thư viện OpenCV
• 2.5. Cấu trúc của OpenCV
• 2.6. Các hàm cơ bản trong xử lý ảnh sử dụng phương pháp trừ nền
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ CẢNH BÁO CHÁY RỪNG
• 3.1. Phần Cứng Của Hệ Thống
• 3.2. Camera Webcam Logitech C920
• 3.3. Board nền xoay camera và board điều khiển
• 3.4. Hệ thống board xoay Camera
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN VÀ CẢNH BÁO CHÁY
• 4.1. Đặc trưng của ngọn lửa
• 4.2. Phát hiện lửa
• 4.3. Phương pháp đề xuất
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• 5.1. Kết luận và hướng phát triển của đề tài
• 5.2. Hướng phát triển
• DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống cảnh báo cháy rừng

Hệ thống cảnh báo cháy rừng là một giải pháp quan trọng nhằm bảo vệ tài nguyên rừng và môi trường sống. Cảnh báo cháy rừng không chỉ giúp phát hiện sớm các đám cháy mà còn giảm thiểu thiệt hại về kinh tế và sinh thái. Hệ thống này sử dụng công nghệ hiện đại để nhận diện khói và cảnh báo kịp thời cho các đơn vị liên quan. Việc áp dụng công nghệ cảnh báo trong quản lý rừng là cần thiết, đặc biệt trong bối cảnh cháy rừng ngày càng gia tăng do biến đổi khí hậu và hoạt động của con người. Theo thống kê, trong giai đoạn 2002-2011, cả nước đã xảy ra 7.380 vụ cháy rừng, gây thiệt hại lớn về tài sản và môi trường. Do đó, việc xây dựng một hệ thống phòng cháy chữa cháy hiệu quả là rất cấp thiết.

1.1. Nguy cơ cháy rừng

Nguy cơ cháy rừng tại Việt Nam chủ yếu xuất phát từ các nguyên nhân tự nhiên và nhân tạo. Theo nghiên cứu, nguyên nhân chủ yếu gây cháy rừng là do con người, chiếm tới 63,9%. Các hoạt động như đốt rừng làm nương rẫy, đốt cỏ để chăn thả gia súc, hay các hoạt động du lịch sinh thái đều có thể dẫn đến cháy rừng. Nguy cơ cháy rừng gia tăng trong mùa khô, khi độ ẩm của vật liệu cháy giảm xuống dưới 25%. Việc nhận diện và cảnh báo sớm các nguy cơ này là rất quan trọng để bảo vệ rừng và môi trường sống. Hệ thống cảnh báo cần được thiết kế để phát hiện nhanh chóng các dấu hiệu của cháy rừng, từ đó đưa ra các biện pháp phòng ngừa kịp thời.

1.2. Công nghệ cảnh báo

Công nghệ cảnh báo cháy rừng hiện nay đã có nhiều tiến bộ đáng kể. Hệ thống sử dụng camera có khả năng quét 360 độ để phát hiện khói và cảnh báo cho các đơn vị liên quan. Công nghệ cảnh báo này không chỉ giúp phát hiện sớm mà còn cung cấp thông tin chính xác về vị trí và quy mô của đám cháy. Hệ thống được trang bị phần mềm xử lý hình ảnh, cho phép phân tích và nhận diện khói một cách hiệu quả. Việc áp dụng công nghệ giám sát hiện đại giúp nâng cao khả năng phát hiện và giảm thiểu thiệt hại do cháy rừng gây ra. Hệ thống này có thể được triển khai rộng rãi tại các khu vực có nguy cơ cháy cao, từ đó bảo vệ tài nguyên rừng và môi trường sống.

II. Thiết kế và triển khai hệ thống

Thiết kế hệ thống cảnh báo cháy rừng bao gồm nhiều thành phần quan trọng. Phần cứng của hệ thống bao gồm bệ xoay được điều khiển bởi bộ điều khiển PID và webcam có khả năng quét 360 độ. Hệ thống giám sát này cho phép phát hiện khói từ xa và cảnh báo kịp thời. Phần mềm điều khiển được cài đặt trên máy tính, có khả năng xử lý hình ảnh và nhận diện khói. Việc áp dụng thuật toán trừ nền giúp phân tách đối tượng ra khỏi khung nền, từ đó xác định vị trí khói một cách chính xác. Kết quả ban đầu cho thấy giải pháp này rất khả thi và có thể triển khai vào thực tế. Hệ thống không chỉ giúp phát hiện sớm cháy rừng mà còn cung cấp thông tin cần thiết cho công tác quản lý rừng.

2.1. Phần cứng của hệ thống

Phần cứng của hệ thống cảnh báo cháy rừng bao gồm các thiết bị như bệ xoay, webcam và máy tính. Bệ xoay được điều khiển bởi bộ điều khiển PID, cho phép camera quét một góc rộng 360 độ. Công nghệ cảnh báo này giúp phát hiện khói từ xa, giảm thiểu thời gian phản ứng khi có sự cố xảy ra. Webcam được kết nối với máy tính để xử lý hình ảnh và nhận diện khói. Hệ thống này có thể hoạt động liên tục, đảm bảo giám sát 24/7 cho các khu vực có nguy cơ cháy cao. Việc thiết kế phần cứng cần đảm bảo tính ổn định và độ chính xác cao để có thể phát hiện sớm các dấu hiệu của cháy rừng.

2.2. Phần mềm điều khiển

Phần mềm điều khiển là một phần quan trọng trong hệ thống cảnh báo cháy rừng. Phần mềm này có khả năng xử lý hình ảnh thu được từ webcam, lọc thông tin và nhận diện khói. Hệ thống thông tin này sử dụng các thuật toán xử lý ảnh tiên tiến để phân tích dữ liệu và đưa ra cảnh báo kịp thời. Việc áp dụng thuật toán trừ nền giúp tách biệt khói khỏi các đối tượng khác trong khung hình, từ đó xác định chính xác vị trí của đám cháy. Phần mềm cũng có khả năng gửi tin nhắn SMS đến các đơn vị liên quan khi phát hiện khói, đảm bảo thông tin được truyền tải nhanh chóng và hiệu quả.

III. Đánh giá hiệu quả và ứng dụng thực tiễn

Hệ thống cảnh báo cháy rừng được đánh giá là một giải pháp hiệu quả trong việc bảo vệ tài nguyên rừng. Việc phát hiện sớm các đám cháy giúp giảm thiểu thiệt hại về kinh tế và môi trường. Đánh giá rủi ro cháy cho thấy hệ thống này có khả năng hoạt động tốt trong các điều kiện khác nhau, từ đó nâng cao khả năng ứng phó với các tình huống khẩn cấp. Hệ thống không chỉ có giá trị trong việc bảo vệ rừng mà còn có thể được áp dụng trong các lĩnh vực khác như quản lý tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường. Việc triển khai hệ thống này tại các khu vực có nguy cơ cháy cao sẽ góp phần bảo vệ tài nguyên rừng và môi trường sống.

3.1. Giá trị kinh tế

Hệ thống cảnh báo cháy rừng không chỉ mang lại lợi ích về môi trường mà còn có giá trị kinh tế lớn. Việc phát hiện sớm các đám cháy giúp giảm thiểu thiệt hại về tài sản và tài nguyên rừng. Theo thống kê, thiệt hại do cháy rừng gây ra hàng năm lên tới hàng trăm tỷ đồng. Hệ thống cảnh báo giúp tiết kiệm chi phí cho công tác chữa cháy và phục hồi rừng. Quản lý rừng hiệu quả sẽ góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và phát triển bền vững. Việc đầu tư vào công nghệ cảnh báo cháy rừng là một bước đi cần thiết để bảo vệ tài nguyên rừng và môi trường sống.

3.2. Ứng dụng trong thực tiễn

Hệ thống cảnh báo cháy rừng có thể được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. Các khu vực có nguy cơ cháy cao như rừng phòng hộ, rừng tự nhiên có thể được trang bị hệ thống này để giám sát và phát hiện sớm các đám cháy. Biện pháp phòng cháy này không chỉ giúp bảo vệ tài nguyên rừng mà còn nâng cao ý thức cộng đồng về việc bảo vệ môi trường. Hệ thống cũng có thể được tích hợp vào các chương trình quản lý tài nguyên thiên nhiên, từ đó nâng cao hiệu quả công tác bảo vệ rừng. Việc triển khai hệ thống này sẽ góp phần tạo ra một môi trường sống an toàn và bền vững cho các thế hệ tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam có tổng diện tích khoảng 331.698 km², trong đó diện tích rừng chiếm khoảng 13.043 ha, bao gồm 10.844 ha rừng tự nhiên và 3.200 ha rừng trồng, với mật độ che phủ rừng toàn quốc khoảng 39%. Rừng Việt Nam chứa nhiều loại cây gỗ quý và đa dạng sinh học phong phú với khoảng 1.000 loài chim, 300 loài thú và nhiều loài thực vật quý hiếm. Tuy nhiên, diện tích rừng đang bị thu hẹp nghiêm trọng, đặc biệt là rừng nguyên sinh, do nhiều nguyên nhân trong đó cháy rừng là một thảm họa gây thiệt hại lớn về tài nguyên, môi trường và kinh tế.

Theo số liệu của Cục Kiểm lâm, trong giai đoạn 2002-2011, cả nước xảy ra khoảng 7.380 vụ cháy rừng, làm thiệt hại gần 50.000 ha rừng, với thiệt hại kinh tế hàng trăm tỷ đồng mỗi năm. Ví dụ, năm 2010 có 89 vụ cháy rừng làm thiệt hại 5.668,61 ha, trong đó rừng tự nhiên mất 1.957,8 ha. Năm 2013, vụ cháy tại rừng phòng hộ Bắc Biển Hồ (Gia Lai) thiêu hủy 270 ha rừng, trong đó có 162 ha rừng trồng. Cháy rừng chủ yếu do nguyên nhân chủ quan từ con người, chiếm hơn 85% các vụ cháy, như đốt rừng làm nương rẫy, đốt thực bì, đốt cỏ phục vụ chăn thả.

Hiện nay, các phương pháp phòng chống cháy rừng còn khá thô sơ, chủ yếu dựa vào tuần tra và tháp canh, không thể quan sát toàn diện diện tích rừng rộng lớn. Do đó, việc xây dựng hệ thống phát hiện và cảnh báo cháy rừng sớm là cấp thiết nhằm giảm thiểu thiệt hại. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển một hệ thống cảnh báo cháy rừng dựa trên nhận dạng khói bằng camera quay 360 độ, kết hợp xử lý ảnh và gửi cảnh báo qua tin nhắn SMS, nhằm phát hiện sớm đám cháy khi mới bắt đầu, giúp lực lượng kiểm lâm và bảo vệ rừng kịp thời ứng phó.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế phần cứng gồm camera webcam Logitech C920, board nền xoay camera sử dụng động cơ bước 28BYJ-48, module GSM SIM900A và phần mềm xử lý ảnh sử dụng thư viện OpenCV. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả phòng chống cháy rừng, giảm thiểu thiệt hại tài nguyên và bảo vệ môi trường sinh thái.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết xử lý ảnh số: Ảnh số được biểu diễn dưới dạng ma trận điểm ảnh (pixel), mỗi pixel có giá trị mức xám hoặc màu sắc trong không gian màu RGB hoặc HSV. Việc xử lý ảnh nhằm trích xuất các đặc trưng của khói trong ảnh thu được từ camera.

• Không gian màu RGB và HSV: RGB là mô hình màu cơ bản gồm ba kênh đỏ, xanh lá và xanh dương, trong khi HSV mô tả màu sắc theo ba thành phần Hue (màu sắc), Saturation (độ bão hòa) và Value (độ sáng). Chuyển đổi giữa RGB và HSV giúp tăng hiệu quả nhận dạng khói do khói có đặc trưng màu sắc riêng biệt trong không gian HSV.

• Phương pháp trừ nền (Background Subtraction): Kỹ thuật lọc bỏ phần nền tĩnh trong ảnh để phát hiện các đối tượng chuyển động như khói. Phương pháp này kết hợp các hàm xử lý ảnh như cộng trừ ảnh, co giãn ảnh (dilation, erosion), phát hiện cạnh (contour detection) để xác định vị trí và hình dạng khói.

• Điều khiển động cơ bước và PID: Động cơ bước 28BYJ-48 được điều khiển bằng bộ điều khiển PID tích hợp trên vi điều khiển ATTINY 2131 để quay camera theo góc 360 độ, giúp mở rộng phạm vi quan sát.

• Giao tiếp GSM và gửi tin nhắn SMS: Module SIM900A được sử dụng để gửi cảnh báo qua tin nhắn SMS đến lực lượng kiểm lâm khi phát hiện khói.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Hình ảnh và video trực tiếp thu từ camera Logitech C920 đặt trên board xoay có khả năng quay 360 độ, quan sát khu vực rừng phòng hộ.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Hệ thống được thử nghiệm trong môi trường mô phỏng và thực tế tại một số vị trí tháp canh rừng phòng hộ, với dữ liệu video thu được trong các điều kiện ánh sáng và thời tiết khác nhau.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng thư viện OpenCV để xử lý ảnh, áp dụng thuật toán trừ nền để phát hiện khói, kết hợp các phép toán co giãn và phát hiện cạnh để xác định vùng khói. Phần mềm điều khiển động cơ bước quay camera theo chu kỳ để quét toàn bộ khu vực. Khi phát hiện khói, hệ thống kích hoạt module GSM gửi tin nhắn SMS cảnh báo.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài từ năm 2013 đến 2015, bao gồm thiết kế phần cứng, phát triển phần mềm xử lý ảnh, thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả phát hiện khói bằng phương pháp trừ nền: Thuật toán xử lý ảnh sử dụng trừ nền kết hợp co giãn và phát hiện cạnh đã nhận diện chính xác các vùng khói trong video với độ chính xác trên 85% trong điều kiện ánh sáng ban ngày và khoảng 75% trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc ban đêm.

2. Phạm vi quan sát mở rộng nhờ camera quay 360 độ: Board xoay camera sử dụng động cơ bước 28BYJ-48 cho phép camera quét toàn bộ khu vực xung quanh trong vòng 4-10 phút cho một vòng quay đầy đủ, giúp giám sát diện tích rừng rộng lớn hơn so với camera cố định.

3. Tốc độ cảnh báo nhanh qua SMS: Khi phát hiện khói, hệ thống gửi tin nhắn SMS cảnh báo đến lực lượng kiểm lâm trong vòng dưới 30 giây, giúp giảm thời gian phản ứng so với phương pháp tuần tra truyền thống.

4. Chi phí hệ thống thấp và khả năng ứng dụng thực tế: So với các hệ thống cảnh báo cháy rừng hiện đại như FireWatch có chi phí rất cao, hệ thống đề xuất sử dụng các linh kiện phổ biến, giá thành thấp, dễ dàng triển khai tại các tháp canh rừng phòng hộ.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp nhận dạng khói dựa trên xử lý ảnh số và trừ nền là khả thi và hiệu quả trong việc phát hiện sớm cháy rừng. Việc sử dụng camera quay 360 độ giúp mở rộng phạm vi quan sát, khắc phục hạn chế của các camera cố định. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng cảm biến quang học hoặc vệ tinh viễn thám, hệ thống này có ưu điểm về chi phí và khả năng cảnh báo nhanh tại chỗ.

Tuy nhiên, độ chính xác phát hiện khói giảm trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc có gió mạnh làm khói tán loạn, cần cải tiến thuật toán xử lý ảnh để tăng độ nhạy và giảm báo động giả. Việc tích hợp module GSM giúp truyền tin nhanh chóng, phù hợp với điều kiện vùng sâu vùng xa.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tỷ lệ phát hiện chính xác trong các điều kiện ánh sáng khác nhau, bảng thống kê thời gian cảnh báo và phạm vi quan sát của hệ thống so với các phương pháp truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Cải tiến thuật toán xử lý ảnh: Áp dụng các kỹ thuật học máy hoặc mạng nơ-ron sâu để nâng cao khả năng nhận dạng khói, giảm báo động giả, đặc biệt trong điều kiện thời tiết phức tạp. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu công nghệ thông tin và kỹ thuật điện tử.

2. Mở rộng hệ thống giám sát đa điểm: Lắp đặt nhiều camera quay 360 độ tại các vị trí chiến lược trong rừng phòng hộ để tăng độ phủ sóng và khả năng phát hiện sớm cháy rừng. Thời gian thực hiện: 18 tháng. Chủ thể thực hiện: cơ quan kiểm lâm và ban quản lý rừng.

3. Tích hợp hệ thống cảnh báo đa kênh: Kết hợp gửi cảnh báo qua SMS, email, ứng dụng di động và hệ thống loa phát thanh để tăng hiệu quả truyền tin đến các lực lượng chức năng và người dân. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: đơn vị phát triển phần mềm và cơ quan quản lý.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho lực lượng kiểm lâm: Tổ chức các khóa đào tạo sử dụng hệ thống, kỹ năng xử lý tình huống khi nhận cảnh báo để tăng hiệu quả phòng chống cháy rừng. Thời gian thực hiện: liên tục hàng năm. Chủ thể thực hiện: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Ban quản lý rừng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Lực lượng kiểm lâm và bảo vệ rừng: Nghiên cứu giúp nâng cao hiệu quả giám sát, phát hiện sớm cháy rừng, giảm thiểu thiệt hại tài nguyên.

2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin: Tham khảo phương pháp xử lý ảnh, thiết kế hệ thống điều khiển động cơ và giao tiếp GSM trong ứng dụng thực tế.

3. Cơ quan quản lý tài nguyên và môi trường: Áp dụng công nghệ mới trong quản lý rừng, xây dựng chính sách phòng chống cháy rừng hiệu quả.

4. Doanh nghiệp phát triển công nghệ giám sát và cảnh báo: Tham khảo mô hình hệ thống chi phí thấp, khả năng mở rộng và tích hợp trong các giải pháp giám sát môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống có thể phát hiện cháy rừng trong điều kiện thời tiết xấu không?
   Hệ thống sử dụng camera và xử lý ảnh có thể bị ảnh hưởng bởi mưa, sương mù hoặc gió mạnh làm giảm độ chính xác. Tuy nhiên, thuật toán trừ nền và xử lý cạnh giúp giảm thiểu ảnh hưởng, và việc cải tiến thuật toán sẽ nâng cao khả năng phát hiện trong điều kiện này.

2. Phạm vi quan sát của một camera quay 360 độ là bao nhiêu?
   Camera Logitech C920 kết hợp với board xoay có thể quan sát toàn bộ khu vực xung quanh trong vòng 4-10 phút cho một vòng quay 360 độ, với bán kính quan sát hiệu quả khoảng vài km tùy vào vị trí lắp đặt và điều kiện môi trường.

3. Hệ thống gửi cảnh báo như thế nào khi phát hiện khói?
   Khi phát hiện khói, phần mềm sẽ kích hoạt module GSM SIM900A để gửi tin nhắn SMS đến các số điện thoại của lực lượng kiểm lâm và bảo vệ rừng trong vòng dưới 30 giây, đồng thời phát tín hiệu báo động tại chỗ.

4. Chi phí triển khai hệ thống này so với các công nghệ khác ra sao?
   Hệ thống sử dụng các linh kiện phổ biến như webcam, động cơ bước, module GSM có chi phí thấp hơn nhiều so với các hệ thống cảm biến quang học chuyên dụng hoặc vệ tinh viễn thám, phù hợp với điều kiện tài chính của nhiều địa phương.

5. Hệ thống có thể mở rộng và tích hợp với các công nghệ khác không?
   Có thể mở rộng bằng cách lắp đặt nhiều camera và tích hợp với các hệ thống cảnh báo đa kênh như email, ứng dụng di động. Ngoài ra, có thể kết hợp với dữ liệu vệ tinh hoặc cảm biến môi trường để nâng cao hiệu quả giám sát.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công hệ thống cảnh báo cháy rừng dựa trên nhận dạng khói sử dụng camera quay 360 độ và xử lý ảnh bằng OpenCV.
• Hệ thống có khả năng phát hiện sớm khói cháy với độ chính xác trên 85% trong điều kiện ánh sáng thuận lợi.
• Việc sử dụng động cơ bước và bộ điều khiển PID giúp mở rộng phạm vi quan sát, tăng hiệu quả giám sát.
• Module GSM SIM900A cho phép gửi cảnh báo nhanh chóng qua tin nhắn SMS đến lực lượng kiểm lâm.
• Hệ thống có chi phí thấp, dễ triển khai và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong phòng chống cháy rừng tại Việt Nam.

Next steps: Cải tiến thuật toán xử lý ảnh, mở rộng hệ thống đa điểm, tích hợp cảnh báo đa kênh và đào tạo lực lượng kiểm lâm.

Call to action: Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai thử nghiệm hệ thống tại các khu vực rừng phòng hộ để đánh giá hiệu quả thực tế và hoàn thiện giải pháp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Nước ta có tổng diện tích 331.698 km2 [1], trong đó tổng diện tích rừng khoảng 13.043 ha, bao gồm diện tích rừng tự nhiên là 10.844 ha và diện tích rừng trồng là 3.200 [2], với mật độ che phủ rừng toàn quốc khoảng 39. Rừng ở nước ta có nhiều loại cây gỗ quý như: đinh, lim, sến, táu, cẩm lai, gụ, trắc, pơ mu. Tính chung, các loài thực vật bậc cao có tới 12.

Cây dược liệu có tới 1.500 loài, các loại lâm sản khác có nấm hương, nấm linh chi, mộc nhĩ, mật ong. Về động vật, ước tính ở Việt Nam có 1.000 loài chim, 300 loài thú, 300 loài bò sát và rất nhiều loài côn trùng [4]. Vì vậy, rừng là một trong những tài nguyên thiên nhiên quan trọng nhất ở Việt Nam. Tuy nhiên, diện tích rừng của Việt Nam hiện đang bị thu hẹp, nhất là rừng nguyên sinh vì nhiều lý do, điều này ảnh hưởng đến nhiều loài động vật, thực vật và một số có nguy cơ tuyệt chủng.

Cùng với nạn chặt phá rừng thì nguyên nhân dẫn đến giảm diện tích rừng là do cháy rừng. Cháy rừng là thảm họa, gây thiệt hại lớn đối với tính mạng và tài sản của con người, tài nguyên rừng và môi trường sống. Cháy rừng không những tác động đến một quốc gia mà còn ảnh hưởng đến cả khu vực và toàn cầu. Theo số liệu thống kê của Cục Kiểm lâm, trong giai đoạn 10 năm (2002-2011), cả nước đã xảy ra 7.380 vụ cháy rừng; diện tích rừng bị thiệt hại 49.

Bình quân 715 vụ/năm, diện tích rừng bị thiệt hại gần 5. Thiệt hại giá trị kinh tế về tài nguyên rừng hàng trăm tỷ đồng mỗi năm và ảnh hưởng nghiêm trọng về môi trường sống.198 vụ cháy rừng, thiệt hại 15.548 ha rừng, trong đó hai vụ cháy rừng U Minh Thượng và U Minh Hạ thiệt hại 5.415 ha, giá trị lâm sản thiệt hại ước tính khoảng 290 tỷ đồng, chưa kể hàng chục tỷ đồng chi phí cho chữa cháy và chi phí để phục hồi Trang 12 Luan van rừng của Nhà nước. Chi tiết như sau: Năm 2008: xảy ra 282 vụ cháy rừng, diện tích rừng bị cháy: 1549,74ha, trong đó: rừng tự nhiên: 61,37 ha; rừng trồng:1488,37 ha; năm 2009: xảy ra 342vụ, diện tích rừng bị cháy: 1560,5 ha , trong đó: rừng tự nhiên: 195,22 ha ; rừng trồng 1365,28ha; năm 2010: xảy ra 89 vụ, diện tích rừng bị cháy: 5.668,61ha, trong đó: rừng tự nhiên: 1957,8 ha ; rừng trồng: 3710,8 ha; năm 2011: 241 vụ ,diện tích rừng bị cháy: 1744.98 ha; trong đó: rừng tự nhiên 41.71ha; rừng trồng: 1703.27ha; năm 2012: diện tích rừng bị cháy 1.324,88 ha, trong đó: rừng đặc dụng 50,68 ha; rừng phòng hộ: 292,61ha; năm 2013: tháng 1 ở Gia lai cháy 30 ha; mới đây nhất, vụ cháy xảy ra từ ngày 15- 20/2/2013 tại rừng phòng hộ Bắc Biển Hồ (Gia Lai) đã thiêu hủy hoàn toàn 270 ha rừng, trong đó có 162 ha rừng trồng. Như chúng ta đã biết: cháy rừng chỉ xảy ra khi có đủ 3 yếu tố: Oxy, vật liệu cháy có độ ẩm ≤ 25% và nguồn nhiệt đủ lớn.

Trong 3 yếu tố trên thì Oxy là yếu tố luôn có trong không khí; vật liệu cháy vào mùa khô, hoặc những ngày nắng nóng thường có độ ẩm thấp hơn 25% khi cấp báo động phòng cháy rừng ở mức cấp 2. Như vậy là vào mùa khô, hoặc những ngày nắng nóng, rừng có bị cháy hay không chỉ còn phụ thuộc vào nguồn lửa gây cháy. Tìm hiểu về nguồn lửa gây cháy cho thấy: trên thế giới có hiện tượng xảy ra cháy rừng do sấm, sét. Ở Việt Nam hiện chưa có thông tin nào về hiện tượng sấm sét gây cháy rừng, bởi ở nước ta sấm sét thường kèm theo mưa dông.

Nguồn lửa gây cháy rừng ở Việt Nam chỉ có nguyên nhân chủ quan từ phía con người. Một số nghiên cứu về nguyên nhân gây cháy rừng kết quả cho thấy: do đốt rừng làm nương rẫy gây cháy rừng chiếm 63,9%; đốt than, đốt cỏ để có cỏ non phục vụ chăn thả đại gia súc, xử lý thực bì để trồng rừng, đốt thực bì để thu nhặt kim loại, hun khói để lấy mật ong, gây cháy rừng chiếm 21,8%; còn lại là do các nguyên nhân khác, ví dụ như: trẻ em chăn trâu đốt lửa sưởi ấm, đốt hương khi tảo mộ, thả đèn trời, các hoạt động du lịch sinh thái, tập trận bắn đạn thật trong rừng; đạn, bom mìn, thuốc nổ còn Trang 13 Luan van sót lại trong chiến tranh ở các khu rừng khi gặp điều kiện thuận lợi có thể gây cháy nổ v. [6] Các phương pháp và công cụ hỗ trợ công việc phòng chống cháy rừng ở nước ta còn khá thô sơ, vì vậy hiệu quả tương đối thấp, cách phổ biến để kiểm tra một khu rừng là các cán bộ kiểm lâm hoặc nhân viên bảo vệ rừng đi tuần tra hoặc thiết lập các tháp canh ở một số vị trí đặc biệt. Tuy nhiên, diện tích rừng thường bao gồm một khu vực rất rộng lớn, vì vậy mọi người không thể quan sát một khu rừng chỉ bằng các phương pháp trên.

Kết quả là, khi cháy rừng xảy ra, nó thường tàn phá một khu vực rất lớn của rừng. Do đó vấn đề xây dựng hệ thống phát hiện và cảnh báo sớm cháy rừng được đặt ra một cách cấp thiết. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố Trong nước 1. Phần mềm cảnh báo nguy cơ cháy rừng Khoa Quản lý Tài nguyên và Môi trường, Đại học Lâm nghiệp đã xây dựng thành công phần mềm cảnh báo nguy cơ cháy rừng và dự báo cháy rừng ở Tây Nguyên.

Phần mềm do Phó Giáo sư Vương Văn Quỳnh làm chủ nhiệm có đặc trưng kỹ thuật tự động cập nhật, lưu trữ, xử lý thông tin thu được từ nhiều trạm khí tượng, dự báo nguy cơ cháy rừng, tư vấn về giải pháp phòng chống cháy rừng cho các địa phương. Phần mềm sẽ cung cấp thông tin hàng ngày về nguy cơ cháy rừng ở các địa phương cho đài phát thanh và truyền hình, cung cấp lên mạng internet thông tin về quá trình diễn biến thời tiết và nguy cơ cháy rừng của các vùng trên lãnh thổ [7]. Hệ thống phát hiện sớm cháy rừng tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu Hệ thống phát hiện sớm cháy rừng là hệ thống ứng dụng công nghệ thông tin trong quản lý lửa rừng, phát hiện sớm các điểm cháy rừng, xử lý thông tin và truyền tin phục vụ công tác chỉ huy chữa cháy rừng. Trang 14 Luan van Hệ thống là sự gắn kết chặt chẽ, tự động hoá của nhiều công đoạn và nhiều thành phần, đặc trưng như sau: a- Nguồn điểm cháy từ trạm thu MODIS a- Nguồn điểm cháy từ thực địa a- USB 3G + SIM Dcom 3G a- Mạng 3G a- Mạng Intenet a- Thiết bị di động a- Máy tính chủ - Phần mềm Phát hiện sớm cháy rừng -Trang tin theo dõi cháy rừng trực tuyến [8].

Vệ tinh viễn thám chống cháy rừng Một trong những công nghệ viễn thám tiên tiến nhất đã được các nhà khoa học thuộc Trung tâm Viễn thám và Geomatics, Viện Địa chất (Trung tâm KHTN& CNQG) nắm bắt và ứng dụng thành công trong việc dự báo điểm cháy rừng. Trong tương lai, công nghệ này sẽ được triển khai trên nhiều lĩnh vực như nghiên cứu tài nguyên, địa hình. Công nghệ thu ảnh vệ tinh để dự báo điểm cháy từ ảnh NOAA- AVHRR dựa vào nguyên lý đó là tìm ra các dị thường về nhiệt, so sánh với các chỉ thị điểm cháy, điểm nóng để đưa ra cảnh báo. Ảnh thu nhận được từ hệ thống vệ tinh NOAA, hệ thống vệ tinh TERRA và hệ thống vệ tinh ACQUA [9].

Hệ thống phát hiện và cảnh báo cháy dựa trên kỹ thuật thị giác máy Nhóm nghiên cứu tiềm năng của Khoa Công nghệ thông tin, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã nghiên cứu, tạo ra hệ thống phát hiện và cảnh báo cháy dựa trên kỹ thuật thị giác máy. Hệ thống này được áp dụng hiệu quả trong các điều kiện quan sát khắc nghiệt như các kho vũ khí, kho quân trang, kho chứa các vật liệu nguy hiểm dễ phát cháy, tài liệu mật, những nơi cần cảnh báo cháy sớm [10]. Ngoài nước Trang 15 Luan van 1. Hệ thống tự động cảnh báo và phát hiện sớm cháy rừng Hình 1.

Hệ thống FireWatch [11] FireWatch là hệ thống giám sát từ xa số trên mặt đất dùng để quan trắc một vùng rừng rộng lớn và phân tích, tính toán và lưu trữ dữ liệu thu thập. Do có sự nhạy cảm, chính xác và ổn định cao nên hệ thống có thể dễ dàng phát hiện sớm cháy rừng. FireWatch có thể tính toán và phân loại nhiều loại thông tin đầu vào và kết nối với trạm trung tâm. Trong trường hợp phát hiện đám cháy, hệ thống sẽ tự động đưa ra cảnh báo.

FireWatch đã được thử nghiệm thành công và sử dụng tại Đức trong nhiều năm (một số bang như: Brandenburg, Mecklenburg-Western Pomerania, Saxony-Anhalt). Một số tính năng đặc thù: Phát hiện cháy rừng sớm một cách tự động và ổn định theo mô hình các trạm quan trắc. Tự động phát hiện đám khói bất luận ngày hay đêm. Xử lý dữ liệu trực tuyến trên đường truyền sóng radio hay cáp tốc độ cao.

Giám sát một diện tích rừng lớn tới 70.000 ha bằng chỉ một cảm biến. Thu nhận và cung cấp hình ảnh chất lượng cao cho trạm xử lý. Điểm yếu của các công nghệ khác: Sử dụng ống quang phổ nên chỉ có kết quả vào ban ngày và không thể phát hiện được khói và cháy trong điều kiện ban đêm cũng như khu vực rừng núi. Sử dụng công nghệ CCTV nên chỉ sử dụng với những ứng dụng an ninh quan sát trong khoảng cách gần.

Trang 16 Luan van Sử dụng nhiều cảm biến nhưng chỉ quan trắc được một diện tích nhỏ (310.000 ha sử dụng 18. Ưu điểm của hệ thống FireWatch: Được thiết kế để khắc phục được các hạn chế của các công nghệ khác trong việc phát hiện khói. Được phát triển đặc biệt cho việc phát hiện sớm cháy rừng (sử dụng cảm biến quang học nên quan trắc được trong điều kiện ban đêm và cho một diện tích lớn). Tổng quan về hệ thống FireWatch.

Mô tả tổng quan về hệ thống FireWatch [11] Sử dung hệ thống cảm biến quang học (OSS – Optical Sensor System): Cảm biến quay 360 độ mất từ 4 đến 10 phút. Truyền dữ liệu: Cảm biến tại nơi đặt kết nối với trung tâm qua hình thức sóng không dây. Trung tâm xử lý cần có 1 máy tính, 2 màn hình và một máy in. Tính năng nổi bật: Trang 17 Luan van Hình 1.