Luận án tiến sĩ lựa chọn mô hình dự báo nguy cơ cháy rừng từ dữ liệu viễn thám và hệ thông tin địa lý

Luận án tiến sĩ nghiên cứu lựa chọn mô hình dự báo nguy cơ cháy rừng từ dữ liệu viễn thám và hệ thông tin địa lý, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng trong lĩnh

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận án tiến sĩ kỹ thuật

2023

152
13
0

Phí lưu trữ

45 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Đặc điểm về tài nguyên rừng ở Việt Nam

1.2. Hiện trạng cháy rừng ở Việt Nam

1.3. Khái niệm cơ bản về cháy rừng

1.4. Quy định về cấp dự báo cháy rừng

1.5. Nguyên nhân gây cháy rừng ở Việt Nam

1.6. Các phương pháp dự báo nguy cơ cháy rừng

1.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.7.1. Trên thế giới

1.8. Luận giải những vấn đề cần nghiên cứu

1.9. Tiểu kết chương 1

2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO NGUY CƠ CHÁY RỪNG TỪ DỮ LIỆU VIỄN THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ

2.1. Đặc điểm khu vực nghiên cứu

2.2. Tổng quan chung về dữ liệu phục vụ xây dựng mô hình dự báo nguy cơ cháy rừng

2.3. Các lớp thông tin thành phần và phương pháp xây dựng cơ sở dữ liệu thành phần

2.3.1. Nhóm các lớp thông tin được xây dựng từ hệ thông tin địa lý

2.3.2. Nhóm các lớp thông tin khác

2.4. Phương pháp xử lý dữ liệu trên nền tảng Google Earth Engine

2.5. Nghiên cứu lựa chọn mô hình dự báo nguy cơ cháy rừng từ dữ liệu viễn thám và hệ thông tin địa lý

2.5.1. Phương pháp phân tích thứ bậc AHP

2.5.2. Phương pháp sử dụng thuật toán Rừng ngẫu nhiên

2.5.3. Phương pháp sử dụng thuật toán Máy hỗ trợ vector

2.5.4. Phương pháp sử dụng thuật toán cây phân loại và hồi quy

2.5.5. Sơ đồ mô hình dự báo nguy cơ cháy rừng

2.6. Tiểu kết chương 2

3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM DỰ BÁO NGUY CƠ CHÁY RỪNG KHU VỰC PHÍA TÂY TỈNH NGHỆ AN TỪ DỮ LIỆU VIỄN THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ

3.1. Đặc điểm dữ liệu sử dụng

3.1.1. Dữ liệu viễn thám

3.1.2. Dữ liệu GIS

3.2. Kết quả xây dựng các lớp thông tin chuyên đề

3.3. Kết quả xây dựng bản đồ dự báo nguy cơ cháy rừng từ dữ liệu viễn thám và GIS

3.3.1. Kết quả dự báo nguy cơ cháy rừng bằng kỹ thuật AHP

3.3.2. Kết quả dự báo nguy cơ cháy rừng bằng thuật toán Random Forest

3.3.3. Kết quả dự báo nguy cơ cháy rừng bằng thuật toán SVM

3.3.4. Kết quả dự báo nguy cơ cháy rừng bằng thuật toán CART

3.4. Đánh giá độ chính xác và lựa chọn mô hình dự báo nguy cơ cháy rừng

3.5. Xây dựng công cụ xử lý dữ liệu viễn thám và GIS trên nền tảng GEE

3.6. Tiểu kết chương 3

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu và tính cấp thiết của đề tài

Mô hình dự báo nguy cơ cháy rừng từ dữ liệu viễn thámGIS là một nghiên cứu quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu và gia tăng các vụ cháy rừng. Nguy cơ cháy rừng đang trở thành mối đe dọa lớn đối với tài nguyên rừng và môi trường. Nghiên cứu này nhằm cung cấp công cụ hiệu quả để dự báo và cảnh báo sớm, giúp quản lý và bảo vệ rừng tốt hơn.

1.1. Tình hình cháy rừng tại Việt Nam

Việt Nam, đặc biệt là tỉnh Nghệ An, thường xuyên đối mặt với nguy cơ cháy rừng cao. Các yếu tố như biến đổi khí hậu, hạn hán kéo dài và hoạt động của con người đã làm tăng tần suất và mức độ nghiêm trọng của các vụ cháy. Dữ liệu viễn thámGIS được xem là giải pháp hiệu quả để giám sát và dự báo các nguy cơ này.

1.2. Vai trò của công nghệ viễn thám và GIS

Công nghệ viễn thámhệ thống thông tin địa lý (GIS) cung cấp dữ liệu đa dạng và cập nhật liên tục, giúp phân tích và dự báo nguy cơ cháy rừng một cách chính xác. Các nguồn dữ liệu như Landsat và Sentinel được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu này.

II. Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên việc kết hợp dữ liệu viễn thámGIS để xây dựng mô hình dự báo nguy cơ cháy rừng. Các phương pháp như phân tích thứ bậc AHP, thuật toán Rừng ngẫu nhiên (RF), và Máy hỗ trợ vector (SVM) được áp dụng để đánh giá và lựa chọn mô hình phù hợp.

2.1. Phương pháp phân tích thứ bậc AHP

Phân tích thứ bậc AHP được sử dụng để xác định trọng số của các yếu tố ảnh hưởng đến nguy cơ cháy rừng. Phương pháp này giúp đánh giá mức độ quan trọng của từng yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, và mật độ thực vật.

2.2. Thuật toán Rừng ngẫu nhiên RF

Thuật toán Rừng ngẫu nhiên (RF) được áp dụng để phân loại và dự báo nguy cơ cháy rừng dựa trên các biến số môi trường. RF là một phương pháp mạnh mẽ trong việc xử lý dữ liệu phức tạp và đa chiều.

III. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình dự báo nguy cơ cháy rừng cho khu vực phía tây tỉnh Nghệ An. Kết quả cho thấy sự kết hợp giữa dữ liệu viễn thámGIS mang lại hiệu quả cao trong việc cảnh báo sớm và quản lý rừng.

3.1. Đánh giá độ chính xác của mô hình

Các mô hình được đánh giá dựa trên độ chính xác và khả năng dự báo. Thuật toán RFSVM cho kết quả tốt nhất với độ chính xác cao, phù hợp với điều kiện thực tế của khu vực nghiên cứu.

3.2. Ứng dụng trong quản lý rừng

Mô hình dự báo nguy cơ cháy rừng được ứng dụng trong công tác quản lý và bảo vệ rừng tại Nghệ An. Kết quả nghiên cứu cung cấp thông tin quan trọng để các cơ quan chức năng đưa ra các biện pháp phòng ngừa và ứng phó kịp thời.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của việc sử dụng dữ liệu viễn thámGIS trong dự báo nguy cơ cháy rừng. Các mô hình được đề xuất có thể áp dụng rộng rãi tại các khu vực có nguy cơ cháy rừng cao, góp phần bảo vệ tài nguyên rừng và môi trường.

4.1. Hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu và cải tiến các mô hình dự báo, tích hợp thêm các yếu tố môi trường và xã hội để nâng cao độ chính xác. Việc ứng dụng công nghệ AI và học máy cũng là hướng đi tiềm năng trong tương lai.

4.2. Kiến nghị cho các cơ quan quản lý

Các cơ quan quản lý cần đầu tư vào hệ thống giám sát và cảnh báo sớm dựa trên dữ liệu viễn thámGIS. Đồng thời, cần nâng cao nhận thức cộng đồng về phòng chống cháy rừng và bảo vệ môi trường.

13/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm về tài nguyên rừng ở Việt Nam Việt Nam là một quốc gia có ¾ diện tích là khu vực đồi núi với tỉ lệ che phủ của rừng là trên 42% (theo công bố của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn năm 2020). Rừng là một nguồn tài nguyên sinh thái quan trọng của nước ta, có giá trị cho sự phát triển kinh tế xã hội và hạnh phúc của cộng đồng trên đất nước. Rừng đóng vai trò quan trọng trong việc thích nghi với biến đổi khí hậu thông qua những chức năng môi trường như chống xói mòn đảm bảo tuần hoàn nước.

Rừng cũng có vai trò xã hội to lớn, góp phần tạo công ăn việc làm và thu nhập cho người dân. Vai trò của rừng cũng được thể hiện ở vùng sâu vùng xa, vùng cao nơi 10% dân cư sống bên trong hoặc gần các khu rừng (diện tích xấp xỉ 12 triệu hecta) là người nghèo hoặc người dân tộc thiểu số (UNDP/GEF SGP, 2017). Do đất nước ta trải dài từ bắc xuống nam và điạ hình với nhiều cao độ khác nhau so với mực nước biển nên rừng phân bố trên khắp các dạng địa hình, với nét độc đáo của vùng nhiệt đới và rất đa dạng: có nhiều rừng xanh quanh năm, rừng già nguyên thủy, rừng cây lá rộng, rừng cây lá kim, rừng thứ cấp, truông cây bụi và đặc biệt là rừng ngập mặn. Rừng Việt Nam có nguồn tài nguyên sinh vật đa dạng, trong đó nước ta là trung tâm thu nhập các luồng thực vật và động vật từ phía bắc xuống, phía tây qua, phía nam lên và từ đây phân bố đến các nơi khác trong vùng.

Ðồng thời, nước ta có độ cao ngang từ mực nước biển đến trên 3.000 m nên có nhiều loại rừng với nhiều loại thực vật và động vật quý hiếm và độc đáo mà các nước ôn đới khó có thể tìm thấy được (Chu Thái Thành, 2011): - Về thực vật, theo số liệu thống kê gần đây thì có khoảng 12.000 loài thực vật, nhưng chỉ có khoảng 10.500 loài đã được mô tả, trong đó có khoảng 9 10% là loài đặc hữu; 800 loài rêu; 600 loài nấm.300 loài cây có mạch đã được dùng làm lương thực, thực phẩm, làm thức ăn cho gia súc. Về cây lấy gỗ gồm có 41 loài cho gỗ quí (nhóm 1), 20 loài cho gỗ bền chắc (nhóm 2), 24 loài cho gỗ đồ mộc và xây dựng (nhóm 3). Ngoài ra rừng Việt Nam còn có loại rừng tre, trúc chiếm khoảng 1,5 triệu ha gồm khoảng 25 loài đã được gây trồng có giá trị kinh tế cao. Ngoài những cây làm lương thực, thực phẩm và những cây lấy gỗ ra, rừng Việt Nam còn có những cây được sử dụng làm dược liệu gồm khoảng 1500 loài trong đó có khoảng 75% là cây hoang dại.

Những cây có chứa hóa chất quý hiếm như cây Tô hạp (Altingia sp.) có nhựa thơm phân bố ở vùng núi Tây Bắc và Trung bộ; cây Gió bầu (Aquilaria agalocha) sinh ra trầm hương, phân bố từ Nghệ tỉnh đến Ninh Thuận, Bình Thuận; cây Dầu rái (Dipterocarpus) cho gỗ và cho dầu nhựa. - Về động vật, ngoài các loài động vật đặc hữu Việt Nam còn có những loài mang tính chất tổng hợp của khu hệ động vật miền nam Trung Hoa, Ấn Ðộ, Mã Lai, Miến Ðiện, trong đó có khoảng 774 loài chim, 273 loài thú, 180 loài bò sát, 80 loài lưỡng cư, 475 loài cá nước ngọt và 1.650 loài cá ở rừng ngập mặn và cá biển, trong đó có nhiều loài có giá trị kinh tế cao, có ý nghĩa khoa học. Nhiều loài quý hiếm có tên trong Sách đỏ của thế giới. Theo Cục Lâm nghiệp (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn), tỉ lệ che phủ rừng ở Việt Nam có xu hướng liên tục tăng trong giai đoạn từ 2008 đến nay (tính đến 31/12/2020), trong đó năm 2008, tỉ lệ che phủ rừng đạt 38,7%, năm 2020 đạt 42,0% (hình 1.1), tương ứng với diện tích rừng tăng từ 13,1 triệu ha (năm 2008) lên 14,6 triệu ha (năm 2020).

Về loại rừng, sự gia tăng diện tích rừng chủ yếu là rừng trồng, với 2,8 triệu ha năm 2008 lên 4,3 triệu ha năm 2019.1 Tỉ lệ che phủ rừng ở Việt Nam giai đoạn 2008 - 2020 – nguồn: http://inforgraphics.vn Tỉ lệ che phủ, tổng diện tích rừng, diện tích rừng tự nhiên và diện tích rừng trồng của các tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương tính đến 31/12/2021 được trình bày trong bảng 1. Có thể nhận thấy, địa phương có tỉ lệ che phủ rừng lớn nhất là Bắc Kạn với 73,40%, trong khi đó một số địa phương không có rừng hoặc có tỉ lệ che phủ rừng rất thấp như Nam Định (1,81%), Đồng Tháp (1,69%), Tiền Giang (0,90%).Về diện tích, địa phương có diện tích rừng lớn nhất là Nghệ An (1.741 ha), tỷ lệ che phủ đạt 58,41%, trong đó có 788.991 ha rừng tự nhiên và 219.750 ha rừng trồng.1: Diện tích và độ che phủ rừng các tỉnh, thành phố trực thuộc trung ương tính đến 31/12/2021 (Quyết định 2860/QĐ-BNN-TCLN, 2022) Tỷ lệ Diện tích có Rừng tự Rừng trồng Vùng Tỉnh che phủ rừng (ha) nhiên (ha) (ha) (%) TOÀN 14.444 42,02 QUỐC Tổng 1.563 51,44 Tây Bắc Điện Biên 412.482 46,40 11 Tỷ lệ Diện tích có Rừng tự Rừng trồng Vùng Tỉnh che phủ rừng (ha) nhiên (ha) (ha) (%) Hoà Bình 266.643 40,00 Đông Vĩnh Phúc 33.254 25,00 Bắc Cao Bằng 378.892 38,00 Bắc Ninh 556 - 556 0,68 Tổng 83.792 8,46 Phòng Hải Dương 8.704 5,26 Sông Hưng Yên - - - - Hồng TP Hà Nội 19.011 53,50 Bắc Nghệ An 1.750 58,41 Trung Hà Tĩnh 335.118 52,25 Bộ Quảng Bình 588.820 50,43 Duyên TP Đà Nẵng 63.172 47,17 Hải Quảng Nam 680.893 58,61 12 Tỷ lệ Diện tích có Rừng tự Rừng trồng Vùng Tỉnh che phủ rừng (ha) nhiên (ha) (ha) (%) Quảng Ngãi 333.064 45,65 Khánh Hoà 245.154 63,12 Tây Gia Lai 646.201 40,79 Nguyên Lâm Đồng 539.Tàu Nam Bộ TP HCM 33.069 3,03 Bình Phước 159.186 1,77 Vĩnh Long - - - - Tây Trà Vinh 9.571 4,04 Nam Bộ TP Cần Thơ - - - - Hậu Giang 3.480 17,84 13 Mặc dù vậy, thời gian qua do sự bùng nổ dân số cũng như tác động của quá trình phát triển kinh tế - xã hội, tài nguyên rừng ở Việt Nam đang có những biến động rất sâu sắc. Theo FAO, Việt Nam từng là nước có tỷ lệ đất rừng và trữ lượng gỗ bình quân đầu người thuộc loại thấp trên toàn cầu. Giai đoạn gần đây, mặc dù tỉ lệ che phủ của rừng trên toàn quốc có gia tăng đáng kể, tuy nhiên diện tích rừng tự nhiên cũng như chất lượng rừng có sự suy giảm mạnh.

Những năm 1945, đa số là rừng tự nhiên, còn trong tổng số hơn 14 triệu ha rừng hiện nay, rừng đặc dụng chỉ có 2,15 triệu ha, rừng phòng hộ là 4,6 triệu ha, còn hơn nửa là rừng sản xuất. Trong hơn 10 năm qua, trung bình mỗi năm cả nước trồng được khoảng 230 nghìn ha rừng, nhưng có 215 nghìn ha là rừng sản xuất. Diện tích rừng trồng mới không thể thay thế được giá trị của hàng chục nghìn ha rừng nguyên sinh đã bị mất đi dẫn đến hệ sinh thái, đa dạng sinh học bị phá vỡ. Một số địa phương còn tính diện tích cây công nghiệp dài ngày vào độ che phủ rừng, trong khi đó diện tích các cây công nghiệp dài ngày này không mang tính bền vững, không có tính đa dạng sinh học cũng như không hiệu quả trong chống mưa lũ.2 Hiện trạng cháy rừng ở Việt Nam 1.1 Khái niệm cơ bản về cháy rừng Theo Tổ chức Nông lương thế giới (FAO): ‘cháy rừng là sự xuất hiện và lan truyền của những đám cháy trong rừng mà không nằm trong sự kiểm soát của con người; gây nên những tổn thất nhiều mặt về tài nguyên, của cải và môi trường’ (FAO, 1999).

Cháy rừng được phân loại thành 3 loại, bao gồm (Bế Minh Châu, 2010): - Cháy dưới tán rừng (cháy trên bề mặt đất rừng): là những đám cháy mà ngọn lửa cháy lan tràn trên mặt đất làm tiêu hủy một phần hoặc toàn bộ lớp thảm mục, cành khô, lá rụng, cỏ khô, thảm tươi, cây bụi, cây tái sinh cháy sém vỏ và một phần nào đó ở gốc cây, rễ cây nổi lên trên mặt đất và ở sát mặt đất. 14 - Cháy tán rừng (cháy trên ngọn): là hình thức cháy được phát triển từ cháy dưới tán lên đến tán rừng. Cháy tán rừng thường xuất hiện ở kiểu rừng có mật độ tán dày của những loại cây có dầu, bao gồm cháy ổn định (cháy toàn bộ tán rừng) và cháy lướt nhanh. - Cháy ngầm: là loại cháy mà ngọn lửa lan tràn dưới mặt đất làm tiêu hủy lớp mùn, than bùn và tiêu hủy những vật liệu hữu cơ khác đã được tích lũy dưới lớp đất mặn trong nhiều năm.

Một ví dụ điển hình nhất của loại cháy ngầm là vụ cháy rừng U Minh Thượng, U Minh Hạ trong mùa khô 2001 – 2002.2 Quy định về cấp dự báo cháy rừng Cấp dự báo cháy rừng được quy định cụ thể trong Điều 46 Nghị định 156/2018/NĐ-CP ngày 16 tháng 11 năm 2018 quy định chi tiết thi hành một số điều của Luật Lâm nghiệp, trong đó Cấp dự báo cháy rừng gồm 5 cấp, từ cấp I đến cấp V. Ký hiệu biển báo cấp cháy rừng là 1/2 hình tròn có đường kính vành ngoài 2,5 m; vành trong 1,8 m nền trắng, xung quanh viền màu đỏ và có mũi tên (quay được) chỉ cấp dự báo từ cấp I đến cấp V (Hình 1.2) (nguồn: https://kiemlam. Phân cấp và đặc trưng cháy rừng được trình bày trong bảng 1.3 Biển báo cấp dự báo cháy rừng (https://kiemlam.vn) 15 Bảng 1.2 Phân cấp dự báo cháy rừng (theo Nghị định 156/2018/NĐ-CP) STT Cấp cháy Đặc trưng cháy rừng Cấp thấp: Ít có khả năng cháy rừng 1 I Khả năng cháy rừng thấp, trên biển báo mũi tên chỉ số I. Cấp trung bình: Có khả năng cháy rừng 2 II Khả năng cháy rừng ở mức trung bình, trên biển báo mũi tên chỉ số II.

Cấp cao: Thời tiết khô hanh kéo dài, dễ xảy ra cháy rừng. Chú trọng phòng cháy các loại rừng thông, khộp, bạch đàn, 3 III tre, nứa, tràm. Khả năng cháy lan trên diện rộng, trên biển báo mũi tên chỉ số III. Cấp nguy hiểm: Thời tiết khô hanh, hạn kéo dài có nguy cơ 4 IV xảy ra cháy rừng lớn, tốc độ lan tràn lửa nhanh.

Nguy cơ cháy rừng lớn, trên biển báo mũi tên chỉ số IV.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Mô Hình Dự Báo Nguy Cơ Cháy Rừng Từ Dữ Liệu Viễn Thám Và GIS là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực quản lý rừng và phòng chống cháy rừng. Tài liệu này trình bày cách kết hợp dữ liệu viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) để xây dựng mô hình dự báo nguy cơ cháy rừng một cách chính xác. Các yếu tố như thảm thực vật, độ ẩm, nhiệt độ và điều kiện thời tiết được phân tích để đưa ra cảnh báo sớm, giúp giảm thiểu thiệt hại do cháy rừng gây ra. Đây là công cụ hữu ích cho các nhà quản lý rừng, cơ quan chức năng và cộng đồng trong việc bảo vệ tài nguyên rừng.

Để mở rộng kiến thức về các hệ sinh thái và tác động của môi trường, bạn có thể tham khảo thêm Luận án tiến sĩ nghiên cứu hệ sinh thái hồ tây trong điều kiện biến đổi khí hậu. Nếu quan tâm đến các mô hình thủy văn và địa chất, Luận án tiến sĩ kỹ thuật địa chất nghiên cứu dự báo ổn định bờ sông hậu sẽ là tài liệu hữu ích. Ngoài ra, Luận văn thạc sĩ nghiên cứu sạt lở bờ sông do khai thác cát cung cấp góc nhìn sâu hơn về tác động của con người đến hệ thống sông ngòi.