Đặt vấn đề Rừng là tài nguyên quý giá, tuy nhiên hiện nay diện tích rừng ngày càng bị thu hẹp do rất nhiều nguyên nhân nhƣ: đốt rừng làm nƣơng rẫy, chặt phá rừng bừa bãi, cháy rừng…do ý thức của ngƣời dân và nhiệt độ ngày càng tăng cao làm cho hiện tƣợng cháy rừng ngày càng nghiêm trọng, khi rừng cháy ngọn lửa lây lan nhanh và xảy ra những đám cháy lớn gây thiệt hại nặng nề. Chính vì vậy việc làm cấp thiết hiện nay là cần phải phát hiện sớm những đám cháy nhỏ và xác định đúng vị trí của nó để có thể dập tắt kịp thời, không cho đám cháy bùng phát. Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và ứng dụng rất nhiều vào công tác phòng chống cháy rừng. Việc xác định vị trí của vật thể sử dụng bản đồ điện tử, bản đồ vệ tinh, hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) …đã đƣợc ứng dụng trong việc xác định chính xác vị trí của các đám cháy tại trạm lƣu động cảnh báo cháy rừng (Đang đƣợc triển khai tại Cục Kiểm Lâm – TP Hạ Long) Quá trình xác định một vị trí địa lý hiện nay ngƣời ta thƣờng sử dụng bản đồ GPS bởi tính chính xác của nó cùng với việc thuận tiện trong việc sử dụng.
Tuy nhiên một vấn đề đặt ra cho trạm quan sát lƣu động trong việc cảnh báo sớm cháy rừng là phải có các điểm chuẩn trên bản đồ điện tử sử dụng máy GPS cầm tay để xác định đúng và nhanh nhất vị trí đám cháy nhỏ để có thể dập tắt kịp thời. Đƣợc sự đồng ý của Khoa CNPTNT - Phòng Thí Nghiệm Điện - Điện Tử - Tự Động tôi làm khoá luận với tên: “Xây dựng lưới kiểm chuẩn cho bản đồ điện tử và suy giải ảnh thu được từ khí cầu quan sát trong trạm lưu động cảnh báo cháy rừng” 2 1.2 Mục đích yêu cầu, phƣơng pháp nghiên cứu và giới hạn của đề tài 1.1 Mục đích Đề tài có nhiệm vụ đi xây dựng lƣới kiểm chuẩn để xác định đúng vị trí đám cháy nhỏ từ bản đồ điện tử, để có thể dập tắt kịp thời và không cho đám cháy lan rộng. Suy giải ảnh thu đƣợc từ Camera quan sát trong trạm lƣu động cảnh báo cháy rừng.2 Yêu cầu Từ lƣới kiểm chuẩn đã xây dựng ta có thể tính toán và xác định đƣợc chính xác vị trí của đám cháy. Đảm bảo tính chính xác nhanh chóng suy giải ảnh thu đƣợc, phân tích bản đồ xác định các điểm cháy.
Đảm bảo tính chân thực giữa bản đồ điện tử và bản đồ ngoài thực tế. Kết nối giữa bản đồ điện tử và bản đồ thực tế.3 Phƣơng pháp nghiên cứu Chia lƣới bản đồ có các điểm đo kiểm chuẩn. Sử dụng GPS (Global Positioning System) - Hệ thống định vị toàn cầu để định vị các điểm chuẩn.4 Giới hạn của đề tài Trong các khu rừng rậm và rộng lớn việc xác định các điểm chuẩn là rất khó khăn. Độ chính xác xác định vị trí đám cháy giữa bản đồ điện tử và bản đồ thực địa sai lệch trong khoảng 20m.
Xây dựng lƣới kiểm chuẩn cho một diện tích trong vùng quan sát đƣợc của Camera.3 Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của bản khoá luận gồm 5 chƣơng 3 Chƣơng 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu. Chƣơng 2: Cơ sở lý luận Chƣơng 3: Xây dựng lƣới kiểm chuẩn cho bản đồ điện tử. Chƣơng 4: Suy giải ảnh thu đƣợc từ Camera quan sát. Chƣơng 5: Kết luận và kiến nghị.
4 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning Systems) 2.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning Systems) bao gồm 3 mảng: Mảng người dùng, gồm ngƣời sử dụng và thiết bị thu GPS.1: Máy GPS 76 CSX Mảng kiểm soát bao gồm các trạm trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và trạm con. Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ. Sau đó các trạm con gửi thông tin đã đƣợc hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết đƣợc vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu. Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào.
Mảng còn lại gồm các vệ tinh hoạt động bằng năng lƣợng mặt trời, bay trên quỹ đạo. Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD. Một vệ tinh có thể truyền tín hiệu radio ở nhiều mức tần số thấp khác nhau, đƣợc gọi là L1, L2. Những thiết bị nhận tín hiệu GPS thông thƣờng bắt sóng L1, ở dải tần số UHF 575,42 Mhz.
Một đài phát thanh FM thƣờng cần có công suất 5 chừng 100.000 watt để phát sóng, nhƣng một vệ tinh định vị toàn cầu chỉ đòi hỏi 20-50 watt để đƣa tín hiệu đi xa 19. Tần số L1 chứa đựng 2 tín hiệu số (mã hoá bằng kỹ thuật số), đƣợc gọi là P- code và C/A-code. Mã P nhằm bảo vệ thông tin khỏi những sự truy nhập trái phép. Tuy nhiên, mục đích chính của các tín hiệu mã hóa là nhằm tính toán thời gian cần thiết để thông tin truyền từ vệ tinh tới một thiết bị thu nhận trên mặt đất.
Sau đó, khoảng cách giữa 2 bên đƣợc tính bằng cách nhân thời gian cần thiết để tín hiệu đến nơi với tốc độ của ánh sáng là 300. Tuy nhiên, tín hiệu có thể bị sai đôi chút khi đi qua bầu khí quyển. Vì vậy, kèm theo thông điệp gửi tới các thiết bị nhận, các vệ tinh thƣờng gửi kèm luôn thông tin về quỹ đạo và thời gian. Việc sử dụng đồng hồ nguyên tử sẽ đảm bảo chính xác về sự thống nhất thời gian giữa các thiết bị thu và phát.
Để biết vị trí chính xác của các vệ tinh, thiết bị nhận GPS còn nhận thêm 2 loại tín hiệu mã hóa: Loại thứ nhất (đƣợc gọi là Almanac data) đƣợc cập nhật định kỳ và cho biết vị trí gần đúng của các vệ tinh trên quỹ đạo. Nó truyền đi liên tục và đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ của thiết bị thu nhận khi các vệ tinh di chuyển quanh quỹ đạo. Tuy nhiên, phần lớn các vệ tinh có thể hơi di chuyển ra khỏi quỹ đạo chính của chúng. Sự thay đổi này đƣợc ghi nhận bởi các trạm kiểm soát mặt đất.
Việc sửa chữa những sai số này là rất quan trọng và đƣợc đảm nhiệm bởi trạm chủ trên mặt đất, trƣớc khi thông báo lại cho các vệ tinh biết vị trí mới của chúng. Thông tin đƣợc sửa chữa này đƣợc gọi là Ephemeris data. Kết hợp Almanac data và Ephemeris data, các thiết bị nhận GPS biết chính xác vị trí của mỗi vệ tinh. Hiện nay, nếu có bản đồ điện tử, nhiều thiết bị nhận GPS sẽ hiển thị rõ ràng vị trí của bạn qua một màn hình, điều đó giúp cho việc định hƣớng trở nên cực kỳ thuận lợi.
Nhƣng nếu tắt thiết bị nhận tín hiệu trong khoảng thời gian chừng 5 giờ 6 đồng hồ, nó sẽ mất đi các Almanac data (hay không còn nhận biết chính xác các vệ tinh trên quỹ đạo trái đất). Khi hoạt động trở lại, thiết bị sẽ cần khoảng thời gian chừng 30 giây để nạp lại thông tin về vị trí của vệ tinh, trƣớc khi cho biết hiện thời bạn đang ở đâu.2 Phân loại Hệ Định vị Toàn cầu (Global Positioning System - GPS) của Mỹ là hệ dẫn đƣờng dựa trên một mạng lƣới 24 quả vệ tinh (Thực tế chỉ có 21 vệ tinh hoạt động, còn 3 vệ tinh dự phòng) đƣợc Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đặt trên quỹ đạo không gian. Các hệ thống dẫn đƣờng truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô tuyến điện. Đƣợc biết nhiều nhất là các hệ thống có tên gọi LORAN – (LOng RAnge Navigation) – hoạt động ở giải tần 90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN – (TACtical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME – VHF (Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment) – dùng cho hàng không dân dụng.
Gần nhƣ đồng thời với lúc Mỹ phát triển GPS, Liên Xô cũng phát triển một hệ thống tƣơng tự với tên gọi GLONASS. Hiện nay Liên minh Châu Âu đang phát triển hệ dẫn đƣờng vệ tinh của mình mang tên Galileo. Chú ý rằng cả GPS và GLONAS đều đƣợc phát triển trƣớc hết cho mục đích quân sự. Nên mặc dù chúng có cho dùng dân sự nhƣng không hệ nào đƣa ra sự đảm bảo tồn tại liên tục và độ chính xác.
Vì thế chúng không thoả mãn đƣợc những yêu cầu an toàn cho dẫn đƣờng dân sự hàng không và hàng hải, đặc biệt là tại những vùng và tại những thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó. Chỉ có hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh châu Âu Galileo (đang đƣợc xây dựng) ngay từ đầu đã đặt mục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫn đƣờng và định vị dân sự. 7 GPS ban đầu chỉ dành cho các mục đích quân sự, nhƣng từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng dân sự. GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày.
Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS.3 Sự hoạt động của GPS Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lƣợng giác tính đƣợc chính xác vị trí của ngƣời dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu đƣợc phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận đƣợc chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa.
Rồi với nhiều quãng cách đo đƣợc tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính đƣợc vị trí của ngƣời dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy. Máy thu GPS phải khoá đƣợc với tín hiệu của ít nhất ba quả vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi đƣợc chuyển động. Với bốn hay nhiều hơn số quả vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính đƣợc vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí ngƣời dùng đã tính đƣợc thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, nhƣ tốc độ, hƣớng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.