Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu phát triển hệ thống tra cứu các loài thực vật quý hiếm tại khu bảo ...

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phát triển hệ thống tra cứu các loài thực vật quý hiếm tại khu bảo tồn thiên nhiên Na Hang, Tuyên Quang.

• Tác giả: Vũ Thanh Bình
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Tảo
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Nghiên cứu phát triển hệ thống tra cứu các loài thực vật quý hiếm tại khu bảo tồn thiên nhiên Na Hang, tỉnh Tuyên Quang
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỘT SỐ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
• 1.1. Tổng quan về tra cứu ảnh
• 1.2. Tổng quan về nhận dạng, tra cứu thực vật
• 1.3. Một số nghiên cứu liên quan
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TRA CỨU LÁ CÂY SỬ DỤNG KDES
• 2.1. Phương pháp KDES
• 2.2. Gradient, màu sắc, và hình dạng kernels tương ứng
• 2.3. Học tính năng nhỏ gọn
• 2.4. Phương pháp tra cứu lá cây sử dụng KDES cải tiến
• 2.5. Biểu diễn ảnh lá cây
• 2.5.1. Tính toán đặc trưng mức Pixel
• 2.5.2. Tính toán đặc trưng mức patch
• 2.5.2.1. Sinh tập patch với kích thước patch thích nghi
• 2.5.2.2. Tính toán véctơ đặc trưng mức patch
• 2.5.3. Tính toán đặc trưng mức ảnh
• 2.6. Phân lớp ảnh lá cây
• 2.6.1. Máy véctơ hỗ trợ - SVM
• 2.6.2. Máy véctơ hỗ trợ nhiều lớp – MSVM
• 2.6.2.1. Từ Binary classification tới multi-class classification
• 2.6.2.2. Xử lý dữ liệu ảnh
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM
• 3.1. Thu thập dữ liệu
• 3.1.1. Cơ sở dữ liệu hình ảnh
• 3.1.2. Phương pháp lấy mẫu hình ảnh lá cây
• 3.2. Tiền xử lý ảnh trong bộ cơ sở dữ liệu
• 3.3. Phương pháp đánh giá
• 3.4. Thử nghiệm và kết quả
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống tra cứu thực vật quý hiếm tại Na Hang

Khu bảo tồn thiên nhiên Na Hang, Tuyên Quang, nổi bật với sự đa dạng sinh học và nguồn tài nguyên thực vật phong phú. Hệ thống tra cứu thực vật quý hiếm tại đây không chỉ giúp bảo tồn mà còn nâng cao nhận thức về giá trị của các loài thực vật. Việc phát triển hệ thống này là cần thiết để hỗ trợ công tác nghiên cứu và bảo tồn.

1.1. Đặc điểm sinh thái của khu bảo tồn thiên nhiên Na Hang

Khu bảo tồn thiên nhiên Na Hang có diện tích khoảng 22.401,5 ha, với nhiều loại hình sinh thái khác nhau. Nơi đây là môi trường sống của hàng trăm loài thực vật quý hiếm, trong đó có nhiều loài được ghi trong Sách Đỏ Việt Nam.

1.2. Tầm quan trọng của thực vật quý hiếm

Thực vật quý hiếm không chỉ có giá trị về mặt sinh thái mà còn có giá trị kinh tế và y học. Việc bảo tồn và phát triển các loài thực vật này là rất cần thiết cho sự phát triển bền vững của khu vực.

II. Vấn đề và thách thức trong việc bảo tồn thực vật quý hiếm

Mặc dù khu bảo tồn thiên nhiên Na Hang có nhiều tiềm năng, nhưng việc bảo tồn thực vật quý hiếm đang gặp phải nhiều thách thức. Các yếu tố như biến đổi khí hậu, khai thác tài nguyên và thiếu thông tin về các loài thực vật đang gây áp lực lên hệ sinh thái.

2.1. Biến đổi khí hậu và tác động đến thực vật

Biến đổi khí hậu đang làm thay đổi môi trường sống của nhiều loài thực vật, dẫn đến nguy cơ tuyệt chủng. Việc theo dõi và nghiên cứu tác động này là rất quan trọng.

2.2. Khai thác tài nguyên và ảnh hưởng đến đa dạng sinh học

Khai thác tài nguyên thiên nhiên không bền vững đang làm giảm số lượng và chất lượng của các loài thực vật quý hiếm. Cần có các biện pháp quản lý hiệu quả để bảo vệ chúng.

III. Phương pháp phát triển hệ thống tra cứu thực vật quý hiếm

Để phát triển hệ thống tra cứu thực vật quý hiếm, cần áp dụng các công nghệ hiện đại trong việc thu thập và xử lý dữ liệu. Hệ thống này sẽ giúp người dùng dễ dàng tra cứu thông tin về các loài thực vật quý hiếm.

3.1. Sử dụng công nghệ thông tin trong tra cứu

Công nghệ thông tin đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng cơ sở dữ liệu về thực vật. Hệ thống sẽ cho phép người dùng truy cập thông tin một cách nhanh chóng và chính xác.

3.2. Phát triển ứng dụng di động hỗ trợ tra cứu

Việc phát triển ứng dụng di động sẽ giúp người dùng dễ dàng tra cứu thông tin về thực vật ngay tại hiện trường, từ đó nâng cao hiệu quả bảo tồn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống tra cứu thực vật quý hiếm

Hệ thống tra cứu thực vật quý hiếm không chỉ phục vụ cho nghiên cứu mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong bảo tồn và phát triển bền vững. Nó có thể hỗ trợ các nhà khoa học, nhà quản lý và cộng đồng địa phương trong việc bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

4.1. Hỗ trợ nghiên cứu và giáo dục

Hệ thống sẽ cung cấp thông tin cần thiết cho các nghiên cứu về thực vật, đồng thời nâng cao nhận thức của cộng đồng về giá trị của thực vật quý hiếm.

4.2. Tăng cường hợp tác giữa các bên liên quan

Hệ thống sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc hợp tác giữa các nhà khoa học, tổ chức bảo tồn và cộng đồng địa phương trong việc bảo vệ và phát triển thực vật quý hiếm.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai của hệ thống

Hệ thống tra cứu thực vật quý hiếm tại khu bảo tồn thiên nhiên Na Hang là một bước tiến quan trọng trong công tác bảo tồn. Trong tương lai, cần tiếp tục cải tiến và mở rộng hệ thống để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về thông tin và bảo tồn thực vật.

5.1. Định hướng phát triển hệ thống

Cần có kế hoạch rõ ràng để phát triển hệ thống, bao gồm việc cập nhật dữ liệu và cải tiến công nghệ.

5.2. Khuyến khích sự tham gia của cộng đồng

Khuyến khích cộng đồng tham gia vào việc bảo tồn thực vật quý hiếm sẽ giúp nâng cao hiệu quả của hệ thống và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VŨ THANH BÌNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TRA CỨU CÁC LOÀI THỰC VẬT QUÝ HIẾM TẠI KHU BẢO TỒN THIÊN NHIÊN NA HANG TỈNH TUYÊN QUANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2019 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VŨ THANH BÌNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TRA CỨU CÁC LOÀI THỰC VẬT QUÝ HIẾM TẠI KHU BẢO TỒN THIÊN NHIÊN NA HANG TỈNH TUYÊN QUANG Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8.0101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Tảo THÁI NGUYÊN - 2019 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] i LỜI CAM ĐOAN Sau quá trình học tập tại Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin & Truyền thông, với những kiến thức lý thuyết và thực hành đã tích lũy đƣợc, với việc vận dụng các kiến thức vào thực tế, em đã tự nghiên cứu các tài liệu, các công trình nghiên cứu, tự tìm kiếm dữ liệu hình ảnh trên thực tế, đồng thời phân tích, tổng hợp, đúc kết và phát triển để hoàn thành luận văn thạc sĩ của mình. Em xin cam đoan luận văn này là công trình do bản thân em tự tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn của thầy giáo, TS. Thái Nguyên, tháng năm 2019 Học viên Vũ Thanh Bình LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian 2 năm của chƣơng trình đào tạo thạc sĩ, trong đó gần một nửa thời gian dành cho các môn học, thời gian còn lại dành cho việc lựa chọn luận văn, giáo viên hƣớng dẫn, tập trung vào nghiên cứu, viết, chỉnh sửa và hoàn thiện luận văn. Với quỹ thời gian nhƣ vậy và với vị trí công việc đang phải đảm nhận, không riêng bản thân em mà hầu hết các sinh viên cao học muốn hoàn thành tốt luận văn của mình mình trƣớc hết đều phải có sự sắp xếp thời gian hợp lý, có sự tập trung học tập và nghiên cứu với tinh thần nghiêm túc nỗ lực hết mình; tiếp đến là có sự ủng hộ về tinh thần, sự giúp đỡ về chuyên môn - một trong những điều kiện không thể thiếu quyết định đến việc thành công của luận văn. Để hoàn thành đƣợc luận văn này trƣớc tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo hƣớng dẫn TS. Nguyễn Văn Tảo, là ngƣời đã định hƣớng nội dung, hƣớng phát triển của luận văn và có nhiều ý kiến đóng góp quan trọng ảnh về những vấn đề chuyên môn của luận văn, giúp em tháo gỡ kịp thời những vƣớng mắc trong quá trình làm luận văn. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông và bạn bè cùng lớp đã có những ý kiến bổ ích để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Xin cảm ơn gia đình, ngƣời thân, đồng nghiệp luôn quan tâm ủng hộ về tinh thần trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn. Em xin hứa sẽ cố gắng tự nghiên cứu, nâng cao năng lực chuyên môn của mình để sau khi hoàn thành luận văn này sẽ có hƣớng tập trung nghiên LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] iii cứu sâu hơn, tiếp tục hoàn thiện luận văn này để có những ứng dụng thiết thực trong thực tế. Thái Nguyên, tháng năm 2019 Học viên Vũ Thanh Bình LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN . ii MỤC LỤC . iv DANH SÁCH HÌNH VẼ . vi DANH MỤC CÁC BẢNG. viii MỞ ĐẦU . Bài toán tra cứu/ nhận dạng thực vật . Cấu trúc luận văn . 4 CHƢƠNG 1: MỘT SỐ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN .1 Tổng quan về tra cứu ảnh .2 Tổng quan về nhận dạng, tra cứu thực vật .3 Một số nghiên cứu liên quan . 11 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP TRA CỨU LÁ CÂY SỬ DỤNG KDES .2 Phƣơng pháp KDES .1 Gradient, màu sắc, và hình dạng kernels tƣơng ứng.2 Học tính năng nhỏ gọn .3 Phƣơng pháp tra cứu lá cây sử dụng KDES cải tiến .4 Biểu diễn ảnh lá cây .1 Tính toán đặc trƣng mức Pixel.2 Tính toán đặc trƣng mức patch .1 Sinh tập patch với kích thƣớc patch thích nghi .2 Tính toán véctơ đặc trƣng mức patch .3 Tính toán đặc trƣng mức ảnh .5 Phân lớp ảnh lá cây .1 Máy véctơ hỗ trợ - SVM . 37 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Máy véctơ hỗ trợ nhiều lớp – MSVM .1 Từ Binary classification tới multi-class classification.2 Xử lý dữ liệu ảnh . 42 CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM .1 Thu thập dữ liệu .1 Cơ sở dữ liệu hình ảnh .2 Phƣơng pháp lấy mẫu hình ảnh lá cây: .2 Tiền xử lý ảnh trong bộ cơ sở dữ liệu .3 Phƣơng pháp đánh giá .4 Thử nghiệm và kết quả. 54 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN. 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 60 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] vi DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 2.1 : Xấp xỉ hữu hạn chiều .2: Sơ đồ hệ thống nhận dạng cây thuốc sử dụng KDES .3: Patch thích nghi với = = 8, do đó = =9 .4: Một số ví dụ minh họa patch cố định và patch thích nghi .5: Ý tưởng cơ bản của việc biểu diễn dựa trên kernel method .6: Cấu trúc pyramid .7: Nhược điểm của cách gán cứng .8: Mô hình Softmax Regression dưới dạng Neural network.1: Hình ảnh 38 mẫu lá cây đã thu thập được trong đề tài. Phân đoạn ảnh tự động . giải thuật sử dụng Salient region segmentation . Sự chuyển đổi hai không gian màu RGB và Lab . Co ảnh nhị phân . Giãn ảnh nhị phân. Chuẩn hóa hướng của lá cây . Sơ đồ các khối chức năng của giai đoạn huấn luyện . Sơ đồ các khối chức năng của giai đoạn kiểm thử .10: Một phần mã code chương trình.11: quá trình Huấn luyện của chương trình .12: Kết thúc quá trình huấn luyện .13: Tính toán số vòng lặp so sánh . 58 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] vii Hình 3.14: Hình ảnh ma trận nhầm lẫn của phương pháp KDES cải tiến .7: Hình ảnh nhầm lân ma trận của phương pháp KDES gốc.8: Hình ảnh nhầm lẫn ma trân của phương pháp KDES cải tiến . 60 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Danh sách mẫu thực vật trong cơ sở dữ liệu .2: So sánh kết quả giữa KDES gốc và phương pháp lựa chọn (KDES cải tiến). 59 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Khu Bảo tồn thiên nhiên Na Hang là một trong những nơi có nguồn tài nguyên cây thuốc đa dạng và phong phú [1]. Hiện biết có 275 loài cây thuốc, thuộc 4 ngành, 96 họ, 204 chi của thực vật có mạch, đã đƣợc ghi lại trong các cuộc điều tra thực địa. Trong số đó, có 204 loài, thuộc 3 ngành, 85 họ, 168 chi của thực vật có mạch đƣợc sử dụng bởi Cao Lan dân tộc; đã 05 loài đƣợc liệt kê trong Sách Đỏ Việt Nam và Danh lục Đỏ cây thuốc Việt Nam. Trong số 85 họ, có 11 họ có số loài nhiều nhất là họ Rubiaceae, Euphorbiaceae, Zingberaceae, Araceae, Vitaceae, Acanthaceae, Verbenaceae, Myrsinaceae, Moraceae, Menispermaceae và Convallariaceae. Bốn loại phổ biến của cây thuốc là cây thân thảo (41,63%), cây bụi (22.01%), cây thân gỗ (16,75%) và leo núi (17. Các bộ phận đƣợc sử dụng nhiều nhất thân, lá, rễ và toàn cây. Các nguồn tài nguyên cây thuốc ở khu bảo tồn thiên nhiên Na Hang có giá trị kinh tế quan trọng và một tiềm năng để phát triển dƣợc phẩm mới và các sản phẩm tự nhiên khác. Rừng đặc dụng Na Hang (trƣớc đây là Khu bảo tồn thiên nhiên Tát kẻ - Bản Bung huyện Na Hang) đƣợc thành lập theo Quyết định 274/UB-QĐ ngày 9 tháng 5 năm 1994 của Uỷ ban nhân dân tỉnh Tuyên Quang. Nằm trên địa bàn các xã Khâu Tinh, Côn Lôn, Sơn Phú, Thanh Tƣơng của huyện Na Hang, tỉnh Tuyên Quang. Rừng đặc dụng Na Hang có diện tích tự nhiên khoảng 22.401,5 ha, trong đó diện tích khu vực có địa hình dƣới 300 m chiếm khoảng 30%, 300-800 m chiếm 60%, trên 900m chiếm 10%. Mùa đông nhiệt độ trung bình 15 - 20oC, mùa hè nhiệt độ lên đến 30oC hoặc có thể hơn. Hệ LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 2 thống sông ngòi chỉ ở mức trung bình, có hai con sông lớn chảy qua là sông Gâm (phía Tây Tát Kẻ) và sông Năng (phía đông Na Hang). Hiện nay, nguồn nƣớc từ rừng đặc dụng Na Hang đƣợc phân phối, điều hòa bởi hệ thống lòng hồ và đập thủy điện Na Hang. Hệ thực vật tại Khu bảo tồn thiên nhiên (BTTN) Na Hang có 1.162 loài thực vật, thuộc 604 chi, 159 họ của 4 ngành thực vật bậc cao có mạch. Trong đó ngành Hạt kín (Angiospermae) có 1.083 loài, 570 chi, 135 họ; ngành Hạt trần (Gymnospermae) có 11 loài, 8 chi, 5 họ; ngành Dƣơng xỉ (Polypodiophyta) có 63 loài, 34 chi, 17 họ; nhành Thông đất (Lycopodiophyta) có 5 loài, 2 chi, 2 họ. Trong số 1162 loài thực vật đƣợc ghi nhận tại Khu BTTN Na Hang, có 558 loài thực vật đƣợc ghi nhận có giá trị làm thuốc. Việc nghiên cứu hiện trạng và bảo tồn nguồn tài nguyên cây cối có vị trí rất quan trọng trong việc phát triển nguồn tài nguyên sinh vật ở rừng đặc dụng Na Hang. Để hỗ trợ cho công tác này, việc phát triển các công cụ, dịch vụ công nghệ thông tin hỗ trợ là cần thiết nhằm giúp cho việc xây dựng chiến lƣợc quản lý, bảo tồn và phát triển bền vững tính đa dạng sinh học của Na Hang, tỉnh Tuyên Quang trong tƣơng lai đƣợc thuận lợi hơn. Bƣớc đầu tiên của việc bảo vệ thực vật là tự động nhận ra hoặc phân loại chúng. Có nghĩa là hiểu chúng là gì và chúng đến từ đâu. Nhƣng rất khó để ngƣời ta nhận ra một loại cây một cách chính xác và ngay lập tức bởi vì số lƣợng loài rất lớn. Một hệ thống tự động nhận dạng, tra cứu sẽ rất hữu ích trong quản lý, bảo tồn hệ thống các loài cây quý hiếm, nhận dạng ra các loại cây với thông tin của nó v. Tuy nhiên, hiện nay chƣa có một cơ sở dữ liệu với đầy đủ thông tin cần thiết về các loài thực vật quý hiếm tại Khu bảo tồn Thiên nhiên Na Hang LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 3 cùng với công cụ tra cứu, tiếp cận thông tin một cách thuận tiện.