Nghiên cứu ứng dụng công nghệ địa không gian trong cảnh báo cháy rừng tại Yên Bái

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ địa không gian trong cảnh báo sớm cháy rừng tại Yên Bái. Phân tích hiệu quả, thách thức và đề xuất giải pháp phù hợp.

• Tác giả: Vũ Tá Luân
• Người hướng dẫn: PGS. Phùng Văn Khoa
• Trường học: Trường Đại học Lâm nghiệp
• Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên rừng
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ địa không gian trong cảnh báo sớm cháy rừng trên địa bàn tỉnh Yên Bái
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan công nghệ địa không gian trong cảnh báo cháy rừng

Công nghệ địa không gian bao gồm ba thành phần cốt lõi: Viễn thám (RS), Hệ thống thông tin địa lý (GIS) và Hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Công nghệ viễn thám thu thập dữ liệu từ xa thông qua vệ tinh và máy bay không người lái. Hệ thống GIS xử lý, phân tích và quản lý dữ liệu không gian địa lý. Hệ thống GPS cung cấp tọa độ chính xác cho các điểm giám sát. Sự kết hợp ba công nghệ này tạo nên nền tảng mạnh mẽ cho hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng. Trên thế giới, nhiều quốc gia đã ứng dụng thành công công nghệ địa không gian trong quản lý cháy rừng. Tại Việt Nam, nghiên cứu ứng dụng công nghệ này ngày càng được quan tâm, đặc biệt ở các tỉnh miền núi có nguy cơ cháy rừng cao như Yên Bái. Công nghệ địa không gian cho phép giám sát diện rộng, phát hiện sớm điểm nóng và dự báo nguy cơ cháy theo thời gian thực.

1.1. Các thành phần công nghệ địa không gian RS GIS GPS

Công nghệ viễn thám (RS) sử dụng cảm biến trên vệ tinh hoặc máy bay để thu thập hình ảnh bề mặt đất. Dữ liệu viễn thám cung cấp thông tin về nhiệt độ bề mặt, độ ẩm thực vật và trạng thái che phủ rừng. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là công cụ quản lý và phân tích dữ liệu không gian đa lớp. GIS tích hợp thông tin về địa hình, khí hậu, thực vật và các yếu tố liên quan đến cháy rừng. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cung cấp tọa độ chính xác phục vụ định vị điểm cháy và theo dõi diễn biến. Ba công nghệ này bổ trợ lẫn nhau, tạo thành hệ thống giám sát hoàn chỉnh.

1.2. Ứng dụng cảnh báo cháy rừng trên thế giới và Việt Nam

Nhiều quốc gia đã triển khai hệ thống cảnh báo cháy rừng dựa trên công nghệ địa không gian. Hệ thống FIRMS của NASA sử dụng dữ liệu vệ tinh MODIS và VIIRS để phát hiện điểm nóng toàn cầu. Châu Âu triển khai chương trình EFFIS giám sát cháy rừng xuyên biên giới. Tại Việt Nam, Cục Kiểm lâm đã áp dụng dữ liệu vệ tinh NOAA và MODIS trong giám sát cháy rừng. Các nghiên cứu tại Tây Nguyên, Bắc Trung Bộ đã chứng minh hiệu quả của GIS trong lập bản đồ nguy cơ cháy. Tuy nhiên, ứng dụng tại các tỉnh miền núi phía Bắc như Yên Bái còn hạn chế, cần nghiên cứu chuyên sâu hơn.

II. Phân tích thực trạng cháy rừng và yếu tố ảnh hưởng tại Yên Bái

Tỉnh Yên Bái có tổng diện tích tự nhiên hơn 681.000 ha, trong đó rừng chiếm khoảng 69%. Địa hình chủ yếu là đồi núi, thung lũng bồn địa. Khí hậu nhiệt đới gió mùa với hai mùa rõ rệt: mùa lạnh từ tháng 11 đến tháng 3, mùa nóng từ tháng 4 đến tháng 10. Nhiệt độ trung bình 18-20°C, lượng mưa khoảng 1.000 mm/năm. Giai đoạn 2015-2019, Yên Bái xảy ra 45 vụ cháy rừng, thiệt hại 512 ha. Tháng 3 và tháng 4 chiếm tỷ lệ cao nhất với 77,8% tổng số vụ. Năm 2016 và 2019 ghi nhận nhiều vụ nhất, mỗi năm 16 vụ. Nguyên nhân chủ yếu do sử dụng lửa thiếu kiểm soát. Rừng trồng thông, keo có nguy cơ cháy cao, đặc biệt rừng tuổi 1-2. Vùng đồi núi thấp thuộc huyện Trấn Yên, thành phố Yên Bái là khu vực trọng điểm.

2.1. Đặc điểm tự nhiên và nguy cơ cháy rừng tỉnh Yên Bái

Yên Bái nằm ở vùng Tây Bắc Việt Nam với địa hình phức tạp, độ cao từ 50 đến 2.800 m. Rừng phân bố chủ yếu ở vùng đồi núi, bao gồm rừng tự nhiên và rừng trồng. Rừng trồng chiếm tỷ lệ lớn với các loài thông, keo, bồ đề. Khí hậu có mùa khô rõ rệt từ tháng 11 đến tháng 4, tạo điều kiện thuận lợi cho cháy rừng. Gió mùa khô hanh kết hợp với địa hình dốc làm tăng nguy cơ lan rộng. Vùng đồi núi thấp thuộc lưu vực sông Hồng, sông Chảy là khu vực có nguy cơ cháy cao nhất.

2.2. Thống kê thiệt hại cháy rừng giai đoạn 2015 2019

Thống kê giai đoạn 2015-2019 cho thấy Yên Bái có 45 vụ cháy rừng, thiệt hại 512 ha. Năm 2015 có 7 vụ (15,6%), năm 2016 có 16 vụ (35,6%), năm 2017 có 2 vụ (4,4%), năm 2018 có 3 vụ (6,7%), năm 2019 có 16 vụ (35,6%). Tháng 4 chiếm tỷ lệ cao nhất với 21 vụ (46,7%), tiếp theo là tháng 3 với 14 vụ (31,1%). Các tháng 7-11 không ghi nhận vụ cháy. Diện tích thiệt hại lớn nhất năm 2015 với 173,6 ha. Loài cây bị cháy chủ yếu là thông, keo và rừng tự nhiên bao gồm tre nứa.

III. Phương pháp ứng dụng công nghệ địa không gian cảnh báo sớm cháy rừng

Nghiên cứu xây dựng hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng sử dụng tích hợp ba công nghệ RS, GIS và GPS. Dữ liệu viễn thám Landsat, Sentinel-2 được sử dụng để tính toán chỉ số thực vật NDVI, NDWI và nhiệt độ bề mặt đất LST. Các chỉ số này phản ánh độ khô hạn và nguy cơ cháy của thảm thực vật. Dữ liệu GIS tích hợp bản đồ địa hình, đất đai, khí hậu và ranh giới hành chính tỉnh Yên Bái. Phương pháp phân tích đa tiêu chí AHP kết hợp với GIS xác định vùng nguy cơ cháy theo năm cấp độ. Mô hình dự báo sử dụng dữ liệu lịch sử cháy rừng 2015-2019 làm đầu vào kiểm chứng. Hệ thống GPS phục vụ định vị chính xác các điểm giám sát và điểm cháy phát hiện được. Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp này có độ chính xác cao trong phân vùng nguy cơ cháy rừng.

3.1. Xây dựng bản đồ nguy cơ cháy rừng bằng GIS và viễn thám

Bản đồ nguy cơ cháy rừng được xây dựng dựa trên tích hợp nhiều lớp dữ liệu không gian. Yếu tố đầu vào bao gồm: bản đồ độ dốc, hướng sườn, độ cao, loại rừng, mật độ che phủ, khoảng cách đến đường giao thông và khu dân cư. Dữ liệu viễn thám cung cấp chỉ số thực vật NDVI đánh giá tình trạng khô hạn. Phương pháp phân tích đa tiêu chí AHP xác định trọng số cho từng yếu tố. Kết quả phân vùng nguy cơ gồm 5 cấp: rất thấp, thấp, trung bình, cao và rất cao. Các vùng nguy cơ cao tập trung ở vùng đồi núi thấp có rừng trồng.

3.2. Mô hình dự báo và giám sát cháy rừng theo thời gian thực

Mô hình dự báo sử dụng dữ liệu thời gian thực từ vệ tinh MODIS và VIIRS. Nhiệt độ bề mặt đất (LST) được tính toán từ dữ liệu viễn thám hồng ngoại. Chỉ số nguy cơ cháy FWI được áp dụng kết hợp với dữ liệu khí tượng thủy văn. Hệ thống giám sát sử dụng GPS định vị chính xác điểm cháy phát hiện. Cảnh báo được gửi đến cơ quan kiểm lâm và chính quyền địa phương qua hệ thống GIS trực tuyến. Mô hình được kiểm chứng bằng dữ liệu lịch sử cháy rừng 2015-2019, cho kết quả phù hợp thực tế.

IV. Kết luận và khả năng ứng dụng thực tiễn tại tỉnh Yên Bái

Nghiên cứu đã chứng minh khả năng ứng dụng hiệu quả công nghệ địa không gian trong cảnh báo sớm cháy rừng tại tỉnh Yên Bái. Hệ thống tích hợp RS, GIS, GPS cung cấp công cụ giám sát toàn diện, từ phân vùng nguy cơ đến phát hiện cháy theo thời gian thực. Bản đồ nguy cơ cháy giúp cơ quan chức năng ưu tiên nguồn lực phòng cháy chữa cháy. Mô hình dự báo dựa trên dữ liệu viễn thám có khả năng cảnh báo trước 3-5 ngày. Kết quả nghiên cứu phù hợp với thực tế cháy rừng giai đoạn 2015-2019 tại Yên Bái. Hệ thống có tính ứng dụng cao, chi phí hợp lý và có thể nhân rộng sang các tỉnh lân cận. Đề xuất tỉnh Yên Bái đầu tư hạ tầng công nghệ, đào tạo nhân lực và xây dựng quy trình vận hành hệ thống cảnh báo sớm. Đây là giải pháp bền vững cho công tác quản lý và bảo vệ rừng trên địa bàn tỉnh.

4.1. Kết quả nghiên cứu và đánh giá hiệu quả phương pháp

Kết quả nghiên cứu cho thấy bản đồ nguy cơ cháy rừng có độ chính xác cao khi so sánh với dữ liệu thực tế. Vùng nguy cơ rất cao chiếm khoảng 15% diện tích rừng, tập trung ở vùng đồi núi thấp. Vùng nguy cơ cao chiếm 25%, phân bố rải rác tại các huyện Trấn Yên, Lục Yên, Văn Chấn. Mô hình dự báo đạt tỷ lệ chính xác trên 80% khi kiểm chứng với dữ liệu lịch sử. Hệ thống có khả năng phát hiện cháy trong vòng 30 phút sau khi xảy ra. Chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn nhiều so với tuần tra truyền thống.

4.2. Đề xuất giải pháp ứng dụng và phát triển hệ thống

Đề xuất tỉnh Yên Bái thành lập trung tâm giám sát cháy rừng ứng dụng công nghệ địa không gian. Cần đào tạo đội ngũ cán bộ kỹ thuật vận hành hệ thống GIS và viễn thám. Đầu tư trạm thu nhận dữ liệu vệ tinh tại địa phương để đảm bảo dữ liệu thời gian thực. Xây dựng quy trình cảnh báo cháy rừng tích hợp với hệ thống thông tin liên lạc hiện có. Phối hợp với Viện Nghiên cứu Lâm sinh và trường đại học để nâng cấp mô hình dự báo. Nhân rộng mô hình sang các tỉnh Tây Bắc có điều kiện tương tự.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Rừng có vai trò rất quan trọng đối với cuộc sống của con người cũng như môi trường: Rừng cung cấp nguồn gỗ, củi, điều hòa tạo ra oxy giữ không khí trong lành, rừng điều tiết nguồn nước, phòng chống lũ lụt, xói mòn, rừng bảo vệ độ phì nhiêu và bồi dưỡng tiềm năng của đất, là nơi cư trú động thực vật và tàng trữ các nguồn gen quý hiếm, bảo vệ và ngăn chặn gió bão, đảm bảo cho sự sống, bảo vệ sức khỏe của con người… Tuy nhiên, ngày nay, nhiều nơi con người đã không bảo vệ được rừng, thậm trí còn bị chặt phá bừa bãi làm cho tài nguyên rừng khó được phục hồi và ngày càng bị cạn kiệt, nhiều nơi rừng không còn có thể tái sinh, đất trở thành đồi trọc, sa mạc, nước mưa tạo thành những dòng lũ rửa trôi chất dinh dưỡng, gây lũ lụt, sạt lở cho vùng đồng bằng gây thiệt hại nhiều về tài sản, tính mạng người dân. Vai trò của rừng trong việc bảo vệ môi trường đang trở thành vấn đề thời sự và lôi quấn sự quan tâm của toàn thế giới, bảo vệ rừng là trách nhiệm của toàn xã hội. Cháy rừng là một 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 cũng là nguyên nhân góp phần làm cạn kiệt nguồn nước, suy thoái đất đai, giảm thấp năng suất cây trồng và ảnh hưởng sâu sắc tới cuộc sống người dân.

Trong vài thập kỷ gần đây, biến đổi khí hậu với những đợt nóng hạn kéo dài bất thường đã làm cho cháy rừng trở thành thảm hoạ ngày càng nghiêm trọng. Do đó công tác phòng cháy, chữa cháy rừng (PCCCR) đã được nhận thức như một nhiệm vụ cấp bách của cả nước. Do sự khác biệt về điều kiện tự nhiên, kinh tế và xã hội ở các địa phương mà việc vận dụng những biện pháp cụ thể trong phòng cháy, chữa cháy rừng sẽ không giống nhau. Tỉnh Yên Bái là địa phương có diện tích rừng lớn với diện tích có rừng là 430.897,7 ha, tỷ lệ che phủ lên đến 63%, rừng phân bố trên diện rộng, địa hình phức tạp nhiều đồi núi, điều kiện đi lại khó khăn, trong khi đó lực lượng 2 cán bộ chuyên trách mỏng nên không thể chỉ áp dụng các phương pháp quan trắc và giám sát hiện trường truyền thống trong cảnh báo sớm cháy rừng.

Để chủ động, tăng cường công tác bảo vệ rừng, phòng cháy, chữa cháy rừng; ngăn chặn có hiệu quả tình trạng cháy rừng; hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại do cháy rừng gây ra; bảo vệ tài nguyên rừng và giữ vững cân bằng sinh thái thì công tác cảnh báo sớm cháy rừng ngày một được quan tâm sâu sắc hơn nữa. Với sự giúp đỡ của nền khoa học công nghệ phát triển mạnh như hiện nay việc cảnh báo sớm cháy rừng đã cho những kết quả đạt độ chính xác cao hơn. Chính vì vậy, tôi chọn tiến hành đề tài “Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ địa không gian trong cảnh báo sớm cháy rừng trên địa bàn tỉnh Yên Bái” góp phần nâng cao hiệu quả trong công tác quản lý cháy rừng ở tỉnh Yên Bái. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.

Tổng quan về Công nghệ địa không gian (RS, GIS, GPS) Công nghệ không gian địa lý hay còn gọi là công nghệ địa không gian (Geotechnology) có thể được hiểu là công nghệ thu thập, tổng hợp, phân tích, trình diễn, diễn giải, chia sẻ và quản lý các dữ liệu không gian và các các dữ liệu thuộc tính có liên quan. Thông thường, công nghệ không gian địa lý bao gồm 3 hệ thống cơ bản đó là Hệ thống định vị toàn cầu (GPS), Hệ thống viễn thám (RS) và Hệ thống thông tin địa lý (GIS). Mặc dù, khi xét về bản chất ứng dụng trong thực tiễn, ba hệ thống cơ bản đó có tính độc lập tương đối nhưng chúng có mối liên hệ chặt chẽ và bổ sung cho nhau, tuỳ theo từng ứng dụng trong mỗi trường hợp nhất định. Hiện nay, công nghệ địa không gian đã và đang là một trong những công nghệ thu hút sự quan tâm lớn nhất trên thế giới, bởi những công dụng và tính năng vượt trội của nó phục vụ quá trình phát triển kinh tế - xã hội, nhất là lĩnh vực quản lý tài nguyên thiên nhiên, quản lý lưu vực và an ninh quốc phòng của mỗi quốc gia.

Công nghệ viễn thám (RS) Viễn thám được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tư liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu. Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và đã trở thành kỹ thuật phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội ở nhiều nước trên thế giới. Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng nhanh 4 chóng không những trong phạm vi Quốc gia, mà cả phạm vi Quốc tế.

Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách các phương án lựa chọn có tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Vì vậy viễn thám được sử dụng như là một công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) Hệ thống thông tin địa lý - Geographic Information System (GIS) là một nhánh của công nghệ thông tin, đã hình thành từ những năm 60 của thế kỷ trước và phát triển rất mạnh trong những năm gần đây. GIS được sử dụng nhằm xử lý đồng bộ các lớp thông tin không gian (bản đồ) gắn với các thông tin thuộc tính, phục vụ nghiên cứu, quy hoạch và quản lý các hoạt động theo lãnh thổ.

Có nhiều định nghĩa về GIS, nhưng nói chung đã thống nhất quan niệm chung: GIS là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý để phục vụ một mục đích nghiên cứu, quản lý nhất định. Xét dưới góc độ là công cụ, GIS dùng để thu thập, lưu trữ, biến đổi, hiển thị các thông tin không gian nhằm thực hiện các mục đích cụ thể. Xét dưới góc độ là phần mềm, GIS làm việc với các thông tin không gian, phi không gian, thiết lập quan hệ không gian giữa các đối tượng. Có thể nói các chức năng phân tích không gian đã tạo ra diện mạo riêng cho GIS.

Xét dưới góc độ ứng dụng trong quản lý nhà nước, GIS có thể được hiểu như là một công nghệ xử lý các dữ liệu có toạ độ để biến chúng thành các thông tin trợ giúp quyết định phục vụ các nhà quản lý. Xét dưới góc độ hệ thống, GIS là hệ thống gồm các hợp phần: Phần cứng, Phần mềm, Cơ sở dữ liệu và Cơ sở tri thức chuyên gia. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, 5 vận hành và quản lý. Trong cùng một thời điểm, ở cùng một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó.

Ngày nay, hệ thống định vị toàn cầu được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như điều tra nguồn tài nguyên, lập các loại bản đồ, giao thông, xây dựng.Đặc biệt từ sau khi Bộ quốc phòng Mỹ bỏ sai số cố ý gây nhiễu thì độ chính xác của các dữ liệu thu thập được là rất cao, đáp ứng được nhiều mục đích sử dụng. Ứng dụng của GPS: Dựa trên các nguyên lý hoạt động và các chức năng cơ bản của hệ thống GPS cho thấy khả năng ứng dụng thiết bị GPS ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên thế giới với nhiều mục đích khác nhau: (1) Ứng dụng trong lĩnh vực quân sự. (2) Ứng dụng trong lĩnh vực giao thông. (3) Ứng dụng trong dịch vụ, thương mại.

(4) Ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, giải trí. (5) Đối với lĩnh vực Quản lý tài nguyên thiên nhiên, công nghệ GPS chứng tỏ được tính cần thiết và hữu hiệu nhờ vào khả năng định vị tọa độ các điểm, dẫn đường.làm tăng hiệu suất lao động; giảm chi phí; nâng cao chất lượng sản phẩm. Ứng dụng của GPS trong quản lý tài nguyên và môi trường lưu vực, chẳng hạn như có thể dùng thiết bị này để: + Xác định vị trí và độ cao tuyệt đối của điểm đầu ra của lưu vực, các điểm ô nhiễm môi trường, các khu vực hay xảy ra tai biến môi trường, cháy rừng. Ngoài ra, trong những điều kiện nhất định, nếu sử dụng GPS có độ chính xác cao có thể xác định được độ sâu của mặt nước thuộc một khu vực nào đó trên cơ sở kết hợp với bản đồ đường đồng mức.

+ Xác định các điểm điều tra mẫu, xây dựng khóa giải đoán ảnh viễn thám phục vụ công tác phân loại bề mặt thảm phủ và đánh giá độ chính xác của kết quả đó trên hiện trường. 6 + Khoanh vẽ và xây dựng bản đồ dưới dạng điểm, đường và vùng cho các đối tượng quan tâm, chẳng hạn như chiều dài của sông, suối, diện tích và ranh giới của lưu vực trong thực tiễn. Ứng dụng công nghệ địa không gian trong cảnh báo sớm cháy rừng trên thế giới. Các vệ tinh trên quỹ đạo Trái đất và ngay cả các thiết bị trong khí quyển đã được sử dụng để quan sát và phát hiện cháy rừng.

Hình ảnh vệ tinh được thu thập bởi 2 vệ tinh chính cho mục đích phát hiện cháy rừng là AVHRR, vận hành năm 1998 và vệ tinh có bộ cảm MODIS, vận hành năm 1999. Thật không may, các vệ tinh chỉ có thể cung cấp ảnh các vùng trên Trái đất theo chu kì nhất định, đây là một vấn đề khó để cảnh báo sớm cháy; bên cạnh đó, chất lượng của ảnh vệ tinh có thể bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết. Hiện có một số hệ thống đang được sử dụng trên thế giới như sau: GFMC: Trung tâm giám sát hoạt động của lửa trên toàn cầu, đây là một hoạt động của Liên hiệp quốc về giảm trừ thiên tai thảm họa.