Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ GIS, GPS Và Viễn Thám Để Phát Hiện Cháy Rừng Ở Việt Nam

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nông nghiệp nghiên cứu ứng dụng công nghệ không gian địa lý viễn thám gis gps trong phát hiện cháy, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Lê Ngọc Hoàn
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Quang Bảo
• Trường học: Đại học Lâm nghiệp
• Chuyên ngành: Lâm sinh
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ không gian địa lý (Viễn thám, GIS, GPS) trong phát hiện cháy rừng ở Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• Sự cần thiết của luận án
• Mục tiêu nghiên cứu
• Mục tiêu tổng quát
• Mục tiêu cụ thể
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Đối tượng nghiên cứu
• Phạm vi nghiên cứu
• Những đóng góp mới của luận án
• Về phương pháp nghiên cứu
• Về cơ sở lý luận và khoa học
• Về thực tiễn
• Kết cấu của luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Công nghệ địa không gian (RS, GIS và GPS)
• 1.1.1. Công nghệ địa không gian
• 1.1.2. Công nghệ viễn thám (RS)
• 1.1.3. Hệ thống thông tin địa lý (GIS)
• 1.1.4. Hệ thống định vị toàn cầu
• 1.2. Tổng quan các nghiên cứu dự báo cháy rừng
• 1.2.1. Nghiên cứu về dự báo cháy rừng trên thế giới
• 1.2.2. Các nghiên cứu về dự báo cháy rừng ở Việt Nam
• 1.3. Nghiên cứu về biện pháp phòng và chữa cháy rừng
• 1.3.1. Nghiên cứu về biện pháp phòng và chữa cháy rừng trên thế giới
• 1.3.2. Nghiên cứu biện pháp phòng cháy chữa cháy rừng ở Việt Nam
• 1.4. Tổng quan về phương pháp phát hiện cháy rừng
• 1.4.1. Phương pháp phát hiện cháy rừng từ ảnh vệ tinh
• 1.4.1.1. Phương pháp phát hiện điểm cháy/điểm nóng
• 1.4.1.2. Các phương pháp phát hiện vùng rừng bị cháy
• 1.4.2. Phương pháp phát hiện cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất
• 1.5. Tổng quan về mô hình phát hiện cháy rừng
• 1.5.1. Mô hình phát hiện cháy rừng bằng ảnh vệ tinh
• 1.5.2. Mô hình phát hiện cháy rừng bằng thiết bị giám sát mặt đất
• 1.6. Nhận xét đánh giá và định hướng nghiên cứu
• 1.6.1. Hệ thống giám sát bằng ảnh vệ tinh
• 1.6.2. Hệ thống giám sát bằng máy ảnh và cảm biến quang học
• 1.6.3. Đối với hệ thống giám sát bằng mạng cảm biến không dây
• 1.6.4. Đề xuất hướng nghiên cứu cho luận án
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nội dung nghiên cứu
• 2.1.1. Nghiên cứu khả năng phát hiện cháy rừng từ ảnh vệ tinh
• 2.1.2. Nghiên cứu khả năng phát hiện cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất
• 2.1.3. Đề xuất giải pháp kỹ thuật trong phát hiện cháy rừng từ ảnh vệ tinh và thiết bị giám sát mặt đất
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Phương pháp luận
• 2.2.2. Phương pháp nghiên cứu cụ thể
• 2.2.2.1. Phương pháp nghiên cứu khả năng phát hiện cháy rừng từ ảnh vệ tinh
• 2.2.2.2. Phương pháp phát hiện cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu khả năng phát hiện cháy rừng từ ảnh vệ tinh
• 3.1.1. Kết quả lựa chọn tư liệu ảnh viễn thám thích hợp
• 3.1.2. Kết quả ứng dụng thuật toán để trích xuất các điểm dị thường nhiệt
• 3.1.3. Mối quan hệ giữa giá trị cấp độ sáng với độ tin cậy
• 3.1.4. Kết quả kiểm chứng khả năng phát hiện cháy rừng từ ảnh vệ tinh MODIS
• 3.1.4.1. Kiểm chứng khả năng phát hiện cháy rừng từ ảnh vệ tinh MODIS
• 3.1.4.2. Kết quả xác định ngưỡng cấp độ sáng (Brightness_T4) và giá trị ∆T theo các vụ cháy rừng trong quá khứ
• 3.1.4.3. Kết quả loại trừ điểm dị thường nhiệt không nằm trong rừng
• 3.1.5. Giải pháp kỹ thuật về phát hiện và truyền tin cảnh báo cháy rừng từ ảnh vệ tinh
• 3.1.5.1. Giải pháp kỹ thuật về phát hiện cháy rừng
• 3.1.5.2. Giải pháp về cấu trúc hệ thống
• 3.1.5.3. Giải pháp về cơ sở dữ liệu
• 3.1.5.4. Ưu nhược điểm và điều kiện áp dụng
• 3.2. Kết quả khả năng phát hiện cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất
• 3.2.1. Thử nghiệm thuật toán với khung hình Video
• 3.2.2. Kết quả thử nghiệm thuật toán đối với khung hình từ máy ảnh kỹ thuật số
• 3.2.3. Kết quả đốt thử nghiệm mô hình phát hiện cháy rừng bằng thiết bị quan sát mặt đất
• 3.2.3.1. Kết quả đốt thử tại VQG U Minh Thượng
• 3.2.3.2. Kết quả đốt thử tại Ban Quản lý rừng Phòng hộ - Đặc dụng Hà Nội
• 3.2.3.3. Kết quả đốt thử nghiệm tại Vườn Quốc gia Ba Vì
• 3.2.3.4. Kết quả phân tích ảnh hưởng chiều cao và khoảng cách của thiết bị giám sát mặt đất đến đám cháy
• 3.2.4. Giải pháp kỹ thuật phát hiện và truyền tin cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất
• 3.2.4.1. Giải pháp kỹ thuật phát hiện cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất
• 3.2.4.2. Giải pháp về truyền tin cảnh báo cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất
• 3.2.4.3. Giải pháp cấu trúc thiết bị phát hiện cháy rừng
• 3.2.4.4. Giải pháp về cơ sở dữ liệu
• 3.2.4.5. Ưu nhược điểm và điều kiện ứng dụng
• KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KHUYẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Công nghệ GIS trong phát hiện cháy rừng

Công nghệ GIS đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và quản lý dữ liệu không gian liên quan đến cháy rừng. Hệ thống này cho phép tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm ảnh vệ tinh, dữ liệu GPS và thông tin từ các cảm biến từ xa. Ứng dụng công nghệ GIS giúp xác định các khu vực có nguy cơ cháy cao, dự báo diễn biến cháy rừng và hỗ trợ ra quyết định trong công tác phòng cháy chữa cháy. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc sử dụng GIS trong phát hiện cháy rừng tại Việt Nam đã cải thiện đáng kể hiệu quả giám sát và quản lý rừng.

1.1. Phân tích dữ liệu không gian

Phân tích dữ liệu không gian là một trong những ứng dụng chính của GIS trong phát hiện cháy rừng. Bằng cách sử dụng các thuật toán và công cụ phân tích, GIS có thể xác định các điểm nóng (hotspots) và dự đoán nguy cơ cháy rừng dựa trên các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ và loại thảm thực vật. Nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu từ vệ tinh MODIS để phân tích các điểm dị thường nhiệt, từ đó xác định các khu vực có nguy cơ cháy cao.

1.2. Hệ thống thông tin địa lý

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) không chỉ giúp lưu trữ và quản lý dữ liệu mà còn hỗ trợ việc trực quan hóa thông tin thông qua các bản đồ. Điều này giúp các nhà quản lý dễ dàng theo dõi và đưa ra các quyết định kịp thời. Nghiên cứu đã đề xuất một hệ thống GIS tích hợp với các công nghệ khác như viễn thám và GPS để tăng cường khả năng phát hiện và cảnh báo cháy rừng.

II. Công nghệ GPS và viễn thám trong giám sát cháy rừng

Công nghệ GPS và viễn thám là hai công nghệ không thể thiếu trong việc giám sát và phát hiện cháy rừng. GPS cung cấp thông tin chính xác về vị trí của các điểm cháy, trong khi viễn thám cung cấp dữ liệu về nhiệt độ và các yếu tố môi trường khác. Sự kết hợp giữa hai công nghệ này giúp tăng cường khả năng phát hiện sớm và theo dõi diễn biến của các đám cháy. Nghiên cứu đã ứng dụng cảm biến từ xa để thu thập dữ liệu từ vệ tinh MODIS, từ đó xác định các điểm cháy và đưa ra cảnh báo kịp thời.

2.1. Ứng dụng GPS trong định vị cháy rừng

Công nghệ GPS được sử dụng để xác định chính xác vị trí của các điểm cháy, giúp các đội cứu hỏa nhanh chóng tiếp cận và kiểm soát đám cháy. Nghiên cứu đã sử dụng GPS để theo dõi các điểm cháy tại các khu vực rừng ở Việt Nam, đặc biệt là tại các vườn quốc gia như U Minh Thượng và Ba Vì.

2.2. Viễn thám trong giám sát môi trường

Viễn thám cung cấp dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm và các yếu tố môi trường khác, giúp dự đoán nguy cơ cháy rừng. Nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu từ vệ tinh MODIS để phân tích các điểm dị thường nhiệt, từ đó xác định các khu vực có nguy cơ cháy cao. Viễn thám cũng giúp theo dõi diễn biến của các đám cháy và đánh giá thiệt hại sau khi cháy.

III. Ứng dụng công nghệ trong quản lý rừng tại Việt Nam

Ứng dụng công nghệ trong quản lý rừng đã mang lại nhiều lợi ích thiết thực, đặc biệt là trong việc phát hiện và phòng chống cháy rừng. Tại Việt Nam, các công nghệ như GIS, GPS và viễn thám đã được triển khai tại nhiều khu vực rừng, giúp cải thiện hiệu quả quản lý và bảo vệ rừng. Nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp kỹ thuật để tích hợp các công nghệ này vào hệ thống quản lý rừng, từ đó nâng cao khả năng phát hiện và cảnh báo cháy rừng.

3.1. Giải pháp kỹ thuật trong phát hiện cháy rừng

Nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp kỹ thuật để phát hiện cháy rừng từ ảnh vệ tinh và thiết bị giám sát mặt đất. Các giải pháp này bao gồm việc sử dụng thuật toán để trích xuất các điểm dị thường nhiệt và xác định ngưỡng cấp độ sáng để cảnh báo cháy rừng.

3.2. Hệ thống cảnh báo cháy rừng

Một hệ thống cảnh báo cháy rừng đã được đề xuất, tích hợp các công nghệ GIS, GPS và viễn thám. Hệ thống này cho phép gửi cảnh báo qua email và SMS, giúp các nhà quản lý nhanh chóng phản ứng và kiểm soát đám cháy.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ lâm nghiệp của tác giả Lê Ngọc Hoàn, với đề tài "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ không gian địa lý (Viễn thám, GIS, GPS) trong phát hiện cháy rừng ở Việt Nam", được thực hiện tại Trường Đại học Lâm nghiệp dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Quang Bảo, thuộc chuyên ngành Lâm sinh (mã số: 9.05). Công trình tập trung giải quyết bài toán phát hiện cháy rừng thông qua việc tích hợp công nghệ địa không gian và xử lý hình ảnh quang học.

Theo số liệu của Cục Kiểm lâm được tác giả dẫn giải tại thời điểm ngày 31/12/2016, tổng diện tích rừng toàn quốc ghi nhận là 14.682.000 ha (trong đó rừng tự nhiên là 10.141.000 ha, rừng trồng là 4.541.000 ha; diện tích đủ tiêu chuẩn tính độ che phủ là 13.934.000 ha, tương ứng độ che phủ 41,19%). Trong tổng diện tích đó, có trên 50% thuộc nhóm rừng có nguy cơ cháy cao như rừng thông, tràm, tre nứa, keo, bạch đàn và rừng khộp. Tuy nhiên, hoạt động tuần tra, trực cháy thủ công tại các địa phương bộc lộ nhiều hạn chế về nhân lực và khả năng bao quát không gian; các đám cháy thường chỉ được phát hiện khi đã bùng phát trên diện rộng. Phương thức theo dõi cháy rừng trực tuyến bằng ảnh vệ tinh MODIS của Cục Kiểm lâm (trạm TeraScan) bộc lộ độ trễ thời gian (chu kỳ chụp 4 lần/ngày, thời gian trễ có thể lên tới 6 giờ) và tồn tại tỷ lệ cảnh báo sai cao do chưa tự động tích hợp dữ liệu hiện trạng rừng để loại trừ các điểm dị thường nhiệt nằm ngoài đất lâm nghiệp (nhà máy, khu dân cư, bãi thải nhiệt). Mặt khác, các hệ thống camera và cảm biến mặt đất nhập ngoại có chi phí đầu tư rất lớn, khó thích ứng đồng bộ với khí hậu nhiệt đới độ ẩm cao tại Việt Nam.

Mục tiêu tổng quát của luận án là ứng dụng công nghệ không gian địa lý nhằm nâng cao chất lượng công tác quản lý tài nguyên rừng, đặc biệt là công tác quản lý và phát hiện cháy rừng ở Việt Nam. Luận án xác định 3 mục tiêu cụ thể:

1. Ứng dụng thuật toán phát hiện cháy rừng từ ảnh vệ tinh MODIS kết hợp dữ liệu kiểm kê rừng toàn quốc để nâng cao chất lượng phát hiện cháy rừng ở Việt Nam.
2. Phát triển mô hình phát hiện cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất để phát hiện kịp thời các đám cháy rừng, giảm thiểu thiệt hại do cháy rừng gây ra.
3. Đề xuất giải pháp kỹ thuật tự động phát hiện cháy rừng từ ảnh vệ tinh và thiết bị giám sát mặt đất.

Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm:

• Dữ liệu ảnh vệ tinh có khả năng phát hiện cháy rừng dựa trên phân tích độ phân giải không gian, độ phân giải thời gian và mức độ sẵn có.
• Dữ liệu các vụ cháy rừng đã xảy ra trong giai đoạn 5 năm (2010 - 2015).
• Bản đồ hiện trạng rừng mới nhất trích xuất từ số liệu kiểm kê rừng toàn quốc.
• Các thuật toán trích xuất điểm dị thường nhiệt từ ảnh vệ tinh và thuật toán phân tích chuỗi khung hình video/hình ảnh từ thiết bị giám sát mặt đất.

Phạm vi nghiên cứu được xác định cụ thể trên các phương diện:

• Không gian: Trích xuất điểm dị thường nhiệt từ ảnh vệ tinh trên phạm vi toàn quốc; chồng ghép dữ liệu điểm dị thường nhiệt với bản đồ kiểm kê rừng tại 4 tỉnh đại diện: Lai Châu, Hải Dương, Kon Tum và Kiên Giang; kiểm chứng khả năng phát hiện điểm dị thường nhiệt với 100 vụ cháy thực tế trong quá khứ tại tỉnh Lào Cai (5 vụ điển hình tại Vườn Quốc gia Hoàng Liên), Hòa Bình, Hà Tĩnh và thành phố trực thuộc trung ương; đốt thực nghiệm kiểm chứng thiết bị giám sát mặt đất tại Vườn Quốc gia U Minh Thượng, Vườn Quốc gia Ba Vì, Ban Quản lý rừng phòng hộ - đặc dụng Hà Nội (khu vực Sóc Sơn) và Trường Đại học Lâm nghiệp.
• Thời gian: Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh MODIS từ năm 2010 đến năm 2015 (tải từ hệ thống LADS Web của NASA) và số liệu thống kê các vụ cháy rừng quá khứ giai đoạn 2010 - 2015 thu thập tại Cục Kiểm lâm.
• Nội dung: Tập trung lựa chọn thuật toán, thử nghiệm kiểm chứng thực địa và đề xuất giải pháp kỹ thuật công nghệ phát hiện cháy rừng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu liên quan đến phòng chống cháy rừng trên thế giới và ở Việt Nam:

Về dự báo nguy cơ cháy rừng: Các nghiên cứu quốc tế bắt đầu từ thế kỷ 20 tại Mỹ, Nga, Đức, Thụy Điển, Canada, Pháp, Úc và Trung Quốc tập trung phân tích mối quan hệ giữa biến số khí tượng (nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm không khí) với độ ẩm vật liệu cháy (như nghiên cứu của Nesterov, phương pháp đánh giá độ ẩm vật liệu cháy tại Đức và Mỹ). Tại Việt Nam, phương pháp Nesterov được áp dụng từ năm 1981, sau đó được Phạm Ngọc Hưng (1988) hoàn thiện bằng việc tính toán chỉ số $P$ từ ngày mưa trên 5 mm và bổ sung chỉ tiêu số ngày khô hạn liên tục $H$. Cooper (1989-1991) thuộc dự án UNDP bổ sung yếu tố vận tốc gió vào chỉ tiêu $P$. Võ Đình Tiến (1993) xây dựng phương pháp dự báo cấp nguy hiểm theo 6 yếu tố khí tượng và xã hội tại Bình Thuận. Vương Văn Quỳnh và cộng sự (Đề tài KC.24) xây dựng mô hình dự báo cháy cho vùng U Minh (kết hợp thời tiết, trạng thái rừng và mực nước ngầm) và Tây Nguyên (kết hợp chỉ số $P_i$ và lượng mưa ngày $R_i$). Bế Minh Châu (2001, 2010) đánh giá độ chính xác của chỉ số $P$, $H$ và xây dựng phần mềm cảnh báo nguy cơ cháy rừng kết hợp trạng thái rừng và điều kiện thời tiết.

Về các giải pháp phòng và chữa cháy rừng: Luận án điểm lại các biện pháp tác động vào "tam giác lửa" (nhiên liệu, nhiệt độ, oxy). Ở Việt Nam, Phó Đức Đỉnh (1993) thử nghiệm đốt trước vật liệu cháy dưới tán rừng thông 2 tuổi tại Đà Lạt; Phan Thanh Ngọ thử nghiệm kỹ thuật đốt trước có kiểm soát ở rừng thông 8 tuổi và đề xuất áp dụng cho rừng khộp Tây Nguyên; các công trình của Cục Kiểm lâm và các tác giả khác đề cập đến các biện pháp tuyên truyền, quy hoạch nương rẫy và phân cấp quản lý.

Về phương pháp phát hiện cháy rừng từ ảnh vệ tinh: Nghiên cứu phân tích các thuật toán áp dụng cho cảm biến NOAA/AVHRR và Terra/Aqua MODIS. Về phân loại thuật toán, tác giả điểm lại: thuật toán đơn kênh trên kênh hồng ngoại trung 3,75 $\mu$m của Setzer và Pereira; thuật toán đa kênh sử dụng kênh 3 kết hợp kênh hồng ngoại nhiệt 4 và kênh 5 để loại trừ mây và tách nền của Liu và cộng sự; thuật toán cảm ngữ cảnh (contextual algorithm) thay đổi kích thước cửa sổ từ $3 \times 3$ đến $21 \times 21$ điểm ảnh của Giglio và cộng sự (2003) phát triển từ thuật toán gốc của Kaufman (1998). Đối với bài toán phát hiện vùng rừng bị cháy, văn bản điểm lại các hệ thống GLOBSCAR của Simon và cộng sự, các nghiên cứu xác định diện tích cháy bằng chỉ số thực vật MODIS 16 ngày tại Nga, nghiên cứu của Q. Le và cộng sự (2014) sử dụng ảnh Landsat ETM+ SLC-off tại Mỹ và VQG Hoàng Liên Sơn. Về các mô hình vận hành, luận án khảo sát hệ thống GFMC (Liên hiệp quốc), EFFIS (Châu Âu), Canadian Wildland Fire (Canada), Active Fire Mapping Program (Mỹ), FIRMS (Đại học Maryland/NASA) và trạm thu ảnh vệ tinh TeraScan của Cục Kiểm lâm Việt Nam.

Về phương pháp phát hiện cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất: Tác giả điểm lại các thuật toán xử lý hình ảnh và video: mô hình màu CIE Lab* kết hợp phát hiện chuyển động của Turgay Celik (2010); phân loại màu RGB của Chen và cộng sự; mô hình hỗn hợp Gaussian (GMM) trong không gian RGB của Toreyin và cộng sự; mô hình màu YUV kết hợp độ sáng và chuyển động của Marbach và cộng sự; không gian màu HSI của Horng và cộng sự; phương pháp kết hợp màu sắc và tính chất động học của Ping-He Huang và cộng sự; thuật toán sử dụng logic mờ để phát hiện lửa và phân tích thống kê khói xám của Turgay Celik và cộng sự; thuật toán biến đổi sóng nhỏ không gian - thời gian (DWT) và mô hình Markov ẩn (HMM) để nhận dạng độ nhấp nháy của khói của Toreyin và cộng sự; mô tả kết cấu bằng mẫu nhị phân cục bộ (LBP, LBPV) kết hợp AdaBoost và mạng nơ-ron đa lớp (MNN) của Yuan (2011), Krüll và cộng sự; mô hình tích hợp không gian - thời gian của Liang-Hua Chen và Wei-Cheng Huang; nghiên cứu phân loại của Healey và cộng sự. Luận án cũng tổng kết các hệ thống thực địa: EYE (Thái Lan), UraFire (Pháp), Forest Fire Finder (Bồ Đào Nha), ForestWatch (Nam Phi), FireHawk (Nam Phi), FireWatch (Viện Hàng không Vũ trụ Đức - DLR) và mạng cảm biến không dây FireWxNet của Hartung và cộng sự; đồng thời đánh giá thử nghiệm hệ thống FireWatch tại VQG Yok Đôn, U Minh Hạ và Lộc Bình (Lạng Sơn).

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định: Trạm thu TeraScan tại Việt Nam chưa tích hợp tự động cơ sở dữ liệu hiện trạng rừng, dẫn tới việc công bố nhiều điểm dị thường nhiệt giả; chưa làm chủ được mã nguồn xử lý tự động; các thiết bị camera giám sát mặt đất thương mại quốc tế có chi phí quá cao ($30.000 - $100.000 cho mỗi trạm quan trắc), khó triển khai diện rộng và chưa có mô hình tích hợp đồng bộ giữa viễn thám, thiết bị mặt đất và các kênh truyền tin đa phương tiện tự động (SMS, email, web) phù hợp với điều kiện kinh tế - kỹ thuật tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên 2 luận điểm phương pháp luận chính:

1. Công nghệ viễn thám, cụ thể là viễn thám hồng ngoại (kênh hồng ngoại trung và hồng ngoại nhiệt) cho phép phát hiện các đám cháy và các khu vực dị thường nhiệt có liên quan trực tiếp đến các đám cháy trên mặt đất.
2. Kết hợp viễn thám và công nghệ địa thông tin mặt đất cung cấp khả năng phát hiện sớm và giám sát quá trình lan truyền đám cháy một cách chính xác, từ đó hỗ trợ hiệu quả cho công tác phòng chống cháy rừng.

Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng:

• Công nghệ địa không gian: Kết hợp Hệ thống Viễn thám (RS), Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) và Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS).
• Kỹ thuật viễn thám nhiệt: Áp dụng định luật bức xạ vật đen Planck và định luật dịch chuyển Wien. Cảm biến MODIS (trên vệ tinh Terra và Aqua) thu nhận bức xạ tại kênh 20, kênh 21/22 (bước sóng 3,95 $\mu$m - dải hồng ngoại trung, nhạy cảm với nguồn nhiệt cao) và kênh 31 (bước sóng 11,0 $\mu$m - dải hồng ngoại nhiệt, đại diện cho nhiệt độ nền bề mặt). Mức độ dị thường nhiệt được lượng hóa qua cấp độ sáng ($Brightness_T4$) và chênh lệch nhiệt độ giữa kênh 21/22 với kênh 31 ($\Delta T = T_{21/22} - T_{31}$).
• Xử lý hình ảnh và thị giác máy tính: Sử dụng các không gian màu RGB, CIE Lab*, YUV, YCbCr và HSI; tích hợp logic mờ (fuzzy logic), mô hình trừ nền (background subtraction) và phân tích chuyển động để tách biệt vùng khói và ngọn lửa với các đối tượng gây nhiễu môi trường.

Phương pháp nghiên cứu cụ thể:

• Phương pháp xử lý dữ liệu viễn thám và GIS: Tải ảnh MODIS giai đoạn 2010 - 2015 từ hệ thống LADS Web (NASA). Áp dụng thuật toán của Louis Giglio và cộng sự (2003) để trích xuất tọa độ điểm dị thường nhiệt, cấp độ sáng và độ tin cậy ($Confidence$). Sử dụng phần mềm GIS chồng xếp lớp dữ liệu điểm nhiệt lên bản đồ kiểm kê rừng toàn quốc nhằm lọc bỏ các điểm nhiệt nằm ngoài quy hoạch đất lâm nghiệp tại Lai Châu, Hải Dương, Kon Tum và Kiên Giang. Phân tích hồi quy tương quan giữa cấp độ sáng và độ tin cậy. So sánh tọa độ điểm dị thường nhiệt MODIS với vị trí 100 vụ cháy rừng thực tế đã được Cục Kiểm lâm ghi nhận để xác định ngưỡng nhiệt độ sáng và $\Delta T$ chuẩn xác cho rừng Việt Nam.
• Phương pháp xử lý khung hình mặt đất: Cài đặt và thử nghiệm thuật toán xử lý video/hình ảnh kỹ thuật số trên máy tính. Dữ liệu thử nghiệm ban đầu gồm các chuỗi video và hình ảnh ghi nhận khói và lửa trong các điều kiện môi trường khác nhau.
• Phương pháp thực nghiệm thực địa: Thiết lập mô hình quan sát mặt đất gồm camera màu/cảm biến quang học có khả năng quay quét, kết nối với máy tính xử lý và bộ truyền thông không dây (3G/GPRS/Internet). Tiến hành đốt thực nghiệm có kiểm soát với các quy mô đám cháy, cự ly và góc quan sát khác nhau tại 3 khu vực: Vườn Quốc gia U Minh Thượng (địa hình rừng tràm ngập phèn bằng phẳng), Ban Quản lý rừng phòng hộ - đặc dụng Hà Nội tại Sóc Sơn (địa hình đồi núi thấp trồng thông, keo), và Vườn Quốc gia Ba Vì (địa hình núi cao, thời tiết phức tạp có mây mù bao phủ).
• Phương pháp thống kê: Sử dụng mô hình hồi quy logistic (Logistic regression) và phân tích hệ số đường dẫn (path analysis) để lượng hóa ảnh hưởng của khoảng cách quan sát, chiều cao tháp lắp đặt thiết bị đến xác suất phát hiện thành công đám cháy.

Nguồn dữ liệu / Thiết bị	Đơn vị cung cấp / Thông số kỹ thuật	Mục đích sử dụng trong luận án
Dữ liệu ảnh MODIS (Terra/Aqua)	NASA (Website: ladsweb.gov), độ phân giải 1 km	Trích xuất điểm dị thường nhiệt toàn quốc 2010 - 2015
Bản đồ kiểm kê rừng toàn quốc	Cục Kiểm lâm - Bộ Nông nghiệp và PTNT	Chồng ghép, loại bỏ điểm dị thường nhiệt ngoài đất lâm nghiệp
Hồ sơ 100 vụ cháy rừng quá khứ	Cục Kiểm lâm (Lào Cai, Hòa Bình, Hà Tĩnh, TP)	Kiểm chứng độ chính xác và xác định ngưỡng $Brightness_T4$, $\Delta T$
Hệ thống trạm thu TeraScan	Hãng SeaSpace (Mỹ), giải tần X-Band 2,4m LEO	Tham khảo quy trình tính toán điểm cháy module Vulcan
Thiết bị giám sát mặt đất thử nghiệm	Camera kỹ thuật số, máy tính xử lý, module 3G	Đốt thực nghiệm tại U Minh Thượng, Sóc Sơn, Ba Vì

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Phần Mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh diện tích rừng có nguy cơ cháy cao tại Việt Nam chiếm trên 50%, đồng thời chỉ rõ sự thiếu hụt về giải pháp công nghệ giám sát tự động. Tác giả xác lập mục tiêu tổng quát, 3 mục tiêu cụ thể, đối tượng nghiên cứu (ảnh vệ tinh, vụ cháy quá khứ, dữ liệu kiểm kê rừng, thuật toán trích xuất), phạm vi nghiên cứu (toàn quốc đối với viễn thám, 4 tỉnh lọc đất lâm nghiệp, 4 tỉnh/thành kiểm chứng, 4 địa điểm thử nghiệm mặt đất). Phần này cũng tóm lược các đóng góp mới về phương pháp, lý luận và thực tiễn, cùng bố cục tổng thể gồm 124 trang nội dung chính.

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 tổng thuật chi tiết các cơ sở lý luận và thực tiễn liên quan đến công nghệ địa không gian và bài toán phát hiện cháy rừng qua 31 trang:

• Giới thiệu khái niệm, thành phần và ứng dụng của công nghệ viễn thám (RS), hệ thống thông tin địa lý (GIS), hệ thống định vị toàn cầu (GPS) trong quản lý tài nguyên thiên nhiên và lâm nghiệp.
• Khảo cứu các công trình dự báo cháy rừng trên thế giới và tại Việt Nam (các phương pháp tính chỉ số $P$ của Nesterov, phương pháp số ngày khô hạn $H$ của Phạm Ngọc Hưng, mô hình của Võ Đình Tiến, Vương Văn Quỳnh, Bế Minh Châu và phần mềm cảnh báo cháy rừng năm 2003 thuộc đề tài KC.24).
• Phân tích các nghiên cứu về biện pháp phòng cháy, chữa cháy rừng (đốt trước giảm vật liệu cháy của Phó Đức Đỉnh, Phan Thanh Ngọ; các giải pháp quản lý xã hội).
• Khái quát các thuật toán phát hiện cháy từ vệ tinh: thuật toán đơn kênh, đa kênh và cảm ngữ cảnh; phương pháp phát hiện vùng cháy (GLOBSCAR, ảnh Landsat ETM+); tổng quan các hệ thống theo dõi cháy rừng toàn cầu (GFMC, EFFIS, Canadian Wildland Fire, Active Fire Mapping Program, FIRMS) và hệ thống trạm thu TeraScan tại Cục Kiểm lâm Việt Nam.
• Khảo cứu các thuật toán và mô hình phát hiện cháy từ thiết bị giám sát mặt đất (xử lý ảnh màu RGB, YUV, HSI, CIE Lab*, logic mờ, biến đổi wavelet, mạng nơ-ron MNN, mô hình LBP) và các hệ thống thương mại (EYE, UraFire, Forest Fire Finder, ForestWatch, FireHawk, FireWatch, FireWxNet).
• Đánh giá ưu nhược điểm: Chỉ ra rằng vệ tinh MODIS bị giới hạn bởi chu kỳ chụp 4 lần/ngày dẫn tới phát hiện muộn (độ trễ có thể lên tới 6 giờ), trạm thu Cục Kiểm lâm chưa loại bỏ điểm cháy giả ngoài đất lâm nghiệp; các hệ thống quan trắc mặt đất của nước ngoài có giá thành quá đắt ($30.000 - $100.000/trạm) và khó bảo trì. Từ đó, tác giả đề xuất định hướng nghiên cứu tích hợp thuật toán xử lý ảnh MODIS với bản đồ kiểm kê rừng và tự xây dựng giải pháp quan trắc mặt đất giá thành thấp.

Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày khung nội dung và quy trình kỹ thuật triển khai nghiên cứu qua 19 trang:

• Xác lập 3 khối nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu khả năng phát hiện cháy rừng từ ảnh vệ tinh; Nghiên cứu khả năng phát hiện cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất; Đề xuất giải pháp kỹ thuật công nghệ cho cả hai hệ thống.
• Luận cứ hóa phương pháp luận dựa trên tính chất nhạy nhiệt của phổ hồng ngoại và sự cần thiết của việc kết hợp đa nguồn dữ liệu địa không gian.
• Thiết kế quy trình nghiên cứu viễn thám: Lựa chọn nguồn ảnh MODIS; áp dụng thuật toán Louis Giglio (2003); thiết lập ma trận cấu trúc dữ liệu điểm dị thường nhiệt (Bảng 2.2); phương pháp kiểm chứng tương quan giữa cấp độ sáng ($Brightness_T4$) và độ tin cậy ($Confidence$); phương pháp lọc không gian bằng phép giao cắt (intersect) dữ liệu điểm nhiệt với các lớp bản đồ kiểm kê rừng toàn quốc tại 4 tỉnh đại diện.
• Thiết kế quy trình nghiên cứu thiết bị mặt đất: Lựa chọn thuật toán nhận dạng lửa và khói trên khung hình video và ảnh tĩnh; bố trí danh mục thông số kỹ thuật video thử nghiệm (Bảng 2.3); phương pháp thiết kế cấu hình phần cứng trạm quan trắc mặt đất (Bảng 2.5); quy trình bố trí các điểm đốt thực nghiệm có kiểm soát tại hiện trường rừng tràm ngập phèn U Minh Thượng, rừng thông đồi Sóc Sơn và rừng núi tự nhiên Ba Vì (Bảng 2.4, Bảng 2.6); phương pháp thu thập dữ liệu về khoảng cách, độ cao, kích thước đám cháy để phân tích thống kê hồi quy.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và phân tích dữ liệu qua 64 trang:

1. Kết quả lựa chọn tư liệu ảnh viễn thám: Phân tích so sánh thông số kỹ thuật của các bộ cảm biến AVHRR, ASTER, Landsat 8, SPOT 1-5, SPOT 6-7 và MODIS (Bảng 3.1 - Bảng 3.7). Luận án chứng minh ảnh MODIS (vệ tinh Terra và Aqua) là tư liệu phù hợp nhất cho bài toán giám sát cháy rừng diện rộng nhờ tần suất thu nhận ảnh 4 lần/ngày, góc quét rộng bao phủ toàn bộ lãnh thổ Việt Nam và sở hữu các kênh phổ chuyên dụng cho phát hiện lửa (kênh 20, 21, 22 dải 3,9 $\mu$m và kênh 31 dải 11,0 $\mu$m).

Vệ tinh / Bộ cảm biến	Độ phân giải không gian	Chu kỳ lặp	Kênh phổ nhiệt phù hợp cháy rừng	Khả năng ứng dụng cảnh báo cháy
NOAA / AVHRR	1,1 km	1 - 2 lần/ngày	Kênh 3 (3,55 - 3,93 $\mu$m), Kênh 4 (10,3 - 11,3 $\mu$m)	Phù hợp diện rộng, nhưng độ bão hòa nhiệt kênh 3 thấp
Landsat 8 (OLI/TIRS)	30 m (ảnh nhiệt 100 m)	16 ngày	Kênh 10, 11 (10,6 - 12,5 $\mu$m)	Chu kỳ lặp quá dài, chỉ phù hợp đánh giá vết cháy
SPOT 6 / SPOT 7	1,5 m - 6 m	1 ngày (quay góc)	Không có kênh hồng ngoại nhiệt chuyên dụng	Không ứng dụng phát hiện nguồn nhiệt
Terra/Aqua / MODIS	250 m, 500 m, 1000 m	4 lần/ngày	Kênh 20, 21/22 (3,95 $\mu$m), Kênh 31 (11,0 $\mu$m)	Thích hợp nhất cho phát hiện điểm cháy diện rộng

2. Kết quả trích xuất và phân bố điểm dị thường nhiệt: Tổng hợp dữ liệu giai đoạn 2010 - 2015 trên phạm vi toàn quốc (Bảng 3.8 - Bảng 3.11):

• Số lượng điểm dị thường nhiệt có sự biến động mạnh theo thời gian và phân bố không đều giữa các vùng sinh thái.
• Vùng Tây Bắc và Tây Nguyên ghi nhận mật độ điểm dị thường nhiệt tập trung cao nhất vào các tháng cao điểm của mùa khô (từ tháng 1 đến tháng 4 hàng năm).

3. Mối quan hệ giữa cấp độ sáng và độ tin cậy: Tác giả xác lập phương trình tương quan và các tham số thống kê (Bảng 3.12). Khi giá trị cấp độ sáng ($Brightness_T4$) tăng thì độ tin cậy ($Confidence$) của việc xác định điểm cháy tăng theo hàm phi tuyến rõ rệt.

4. Kiểm chứng khả năng phát hiện cháy rừng từ ảnh MODIS qua các vụ cháy quá khứ: Đối soát với hồ sơ 100 vụ cháy rừng thực tế tại Cục Kiểm lâm (Bảng 3.13):

• Phân tích chi tiết các vụ cháy điển hình: vụ cháy ngày 20/2/2010 tại xã Tả Van, VQG Hoàng Liên (Lào Cai) và vụ cháy ngày 4/8/2016 tại xã Thượng Lộc và Đồng Lộc, huyện Can Lộc (Hà Tĩnh). Kết quả định vị của vệ tinh trùng khớp với các tọa độ cháy thực địa.
• Xác định ngưỡng cấp độ sáng ($Brightness_T4$) và giá trị $\Delta T$ (Bảng 3.14): Đa số các vụ cháy rừng thực tế có giá trị $Brightness_T4 \ge 310$ K và chênh lệch nhiệt độ $\Delta T = T_{21/22} - T_{31} \ge 10$ K.

5. Kết quả loại trừ điểm dị thường nhiệt không nằm trong rừng: Luận án tiến hành chồng ghép điểm nhiệt với bản đồ kiểm kê rừng tại 4 tỉnh đại diện giai đoạn 2010 - 2015 (Bảng 3.15, Hình 3.19 - Hình 3.29):

• Tỷ lệ điểm dị thường nhiệt nằm ngoài đất lâm nghiệp chiếm tỷ trọng rất lớn: Tại Hải Dương, phần lớn điểm nhiệt nằm ở khu công nghiệp, lò gạch và khu dân cư; tại Lai Châu và Kon Tum, có sự đan xen giữa cháy rừng và đốt nương rẫy nông nghiệp; tại Kiên Giang, nhiều điểm nhiệt xuất hiện trên đồng ruộng sau mùa thu hoạch lúa. Việc loại bỏ các điểm nhiệt ngoài đất lâm nghiệp giúp loại trừ toàn bộ các báo động giả không thuộc đối tượng rừng.

6. Đề xuất giải pháp kỹ thuật phát hiện và truyền tin từ vệ tinh: Thiết kế kiến trúc hệ thống tự động tải ảnh MODIS, giải đoán trích xuất điểm dị thường nhiệt, lọc không gian tự động theo lớp bản đồ hiện trạng rừng, lưu trữ cơ sở dữ liệu không gian và tự động gửi thông tin cảnh báo (kinh độ, vĩ độ, tiểu khu, khoảnh, địa danh hành chính) tới các cấp quản lý thông qua thư điện tử (email) và tin nhắn SMS, đồng thời đưa lên bản đồ trực tuyến Google Maps (Hình 3.30 - Hình 3.35).

7. Khả năng phát hiện cháy rừng từ thiết bị giám sát mặt đất:

• Thử nghiệm thuật toán nhận diện màu lửa và khói trên khung hình video và ảnh kỹ thuật số (Bảng 3.16): Thuật toán nhận dạng tốt chuyển động của khói và màu sắc đặc trưng của ngọn lửa trong chuỗi khung hình liên tiếp.
• Kết quả đốt thực nghiệm thực địa:
  • Tại VQG U Minh Thượng (Bảng 3.17, Hình 3.38 - Hình 3.39): Thiết bị phát hiện chính xác cột khói của các đám cháy thực nghiệm diện tích nhỏ ($1 - 4\text{ m}^2$) ở cự ly quan sát từ 1,5 km đến trên 3 km trong điều kiện địa hình bằng phẳng.
  • Tại rừng phòng hộ Sóc Sơn - Hà Nội (Bảng 3.18, Hình 3.40 - Hình 3.41): Thiết bị đặt trên chòi quan sát phát hiện nhanh ngọn lửa và khói bốc lên dưới tán rừng thông và keo ở cự ly từ 800 m đến 2,5 km.
  • Tại VQG Ba Vì (Bảng 3.19, Hình 3.42 - Hình 3.43): Thiết bị ghi nhận được đám cháy nhưng chịu ảnh hưởng đáng kể bởi hiện tượng sương mù và mây bao phủ sườn núi làm suy giảm tầm nhìn quang học.
• Phân tích ảnh hưởng của chiều cao và khoảng cách: Luận án xây dựng mô hình hồi quy logistic (Bảng 3.20) và phân tích hệ số đường dẫn (Bảng 3.21, Bảng 3.22). Kết quả chứng minh khoảng cách từ thiết bị đến đám cháy có hệ số ảnh hưởng âm rất mạnh đến xác suất phát hiện (cự ly càng xa xác suất phát hiện đúng càng giảm), trong khi chiều cao lắp đặt tháp quan sát có hệ số tương quan dương (giúp mở rộng tầm nhìn trực tiếp và giảm góc khuất địa hình).
• Đề xuất giải pháp kỹ thuật thiết bị mặt đất: Thiết kế sơ đồ phần cứng trạm giám sát (Hình 3.47), quy trình thu nhận và phân tích khung hình tự động (Hình 3.44), quy trình gửi cảnh báo kèm hình ảnh hiện trường về máy chủ quản trị viên và trích xuất tọa độ lên bản đồ số (Hình 3.45, Hình 3.46).

Kết luận, tồn tại và khuyến nghị

Chương Kết luận tóm tắt các kết quả đạt được về mặt thuật toán và thực nghiệm kiểm chứng, thừa nhận các tồn tại về mặt công nghệ (chu kỳ chụp ảnh vệ tinh, ảnh hưởng của thời tiết mây mù đối với camera mặt đất) và đưa ra các khuyến nghị cụ thể nhằm hoàn thiện hệ thống, chuẩn bị cho việc chuyển giao áp dụng tại các vùng trọng điểm cháy rừng trên cả nước.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã tổng kết các đóng góp mới trên 3 phương diện:

Về phương pháp nghiên cứu:

• Xây dựng quy trình tích hợp giữa thuật toán trích xuất điểm dị thường nhiệt từ ảnh vệ tinh MODIS với lớp dữ liệu không gian của bản đồ kiểm kê rừng toàn quốc, tạo ra phương pháp lọc bỏ tự động các điểm dị thường nhiệt giả nằm ngoài diện tích đất lâm nghiệp.
• Hoàn thiện phương pháp ứng dụng thuật toán xử lý chuỗi khung hình video và ảnh số trong thiết bị giám sát mặt đất, kết hợp phân tích đặc tính màu sắc và chuyển động để phát hiện sớm khói và ngọn lửa phù hợp với điều kiện địa hình và rừng tại Việt Nam.

Về cơ sở lý luận và khoa học:

• Bổ sung cơ sở khoa học về việc ứng dụng công nghệ địa không gian đa thời gian, đa độ phân giải phục vụ giám sát và bảo vệ tài nguyên rừng tại Việt Nam.
• Xác định được các ngưỡng vật lý định lượng của giá trị cấp độ sáng ($Brightness_T4 \ge 310$ K) và độ lệch nhiệt độ ($\Delta T \ge 10$ K) tương ứng với các vụ cháy rừng thực tế ở Việt Nam khi giải đoán ảnh MODIS.
• Lượng hóa bằng mô hình hồi quy logistic và phân tích hệ số đường dẫn về mức độ tác động của chiều cao lắp đặt thiết bị và cự ly quan sát đến hiệu quả phát hiện đám cháy của hệ thống quan trắc mặt đất.

Về thực tiễn:

• Khẳng định khả năng tự động hóa việc phát hiện và gửi tin cảnh báo cháy rừng từ dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS qua email, SMS và bản đồ trực tuyến đến cán bộ kiểm lâm và chủ rừng.
• Thiết kế, lắp ráp và thử nghiệm thành công mô hình thiết bị giám sát mặt đất hoạt động tự động tại VQG U Minh Thượng, rừng phòng hộ Sóc Sơn (Hà Nội) và VQG Ba Vì, chứng minh tính khả thi của giải pháp kỹ thuật giám sát lửa rừng cục bộ tại các khu rừng có giá trị bảo tồn cao.
• Đề xuất hệ sinh thái giải pháp kỹ thuật hỗ trợ nâng cao hiệu lực quản lý, chỉ đạo công tác phòng cháy, chữa cháy rừng cho các cấp quản lý lâm nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được luận án chỉ ra trong văn bản:

• Dữ liệu vệ tinh MODIS có độ trễ thời gian nhất định do chu kỳ bay chụp (4 lần/ngày), trong một số trường hợp đám cháy bùng phát sau khi vệ tinh bay qua phải mất nhiều giờ sau mới phát hiện được.
• Thiết bị giám sát mặt đất sử dụng camera quang học bị suy giảm độ chính xác rõ rệt khi gặp điều kiện thời tiết xấu như sương mù dày đặc hoặc mây mù che phủ (đã được ghi nhận tại VQG Ba Vì).
• Nguồn năng lượng và hạ tầng mạng truyền dẫn vô tuyến (3G/GPRS) của thiết bị mặt đất tại các vùng rừng núi hiểm trở, hẻo lánh còn thiếu tính ổn định.
• Số lượng điểm đốt thực nghiệm mặt đất mới được thực hiện tập trung tại 3 địa bàn đại diện, chưa bao phủ hết các kiểu lập địa và trạng thái thảm thực vật rừng khác nhau trên toàn quốc.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Tích hợp thêm các nguồn ảnh vệ tinh có độ phân giải không gian và thời gian cao hơn (như dữ liệu ảnh từ cảm biến VIIRS trên vệ tinh Suomi-NPP hoặc các vệ tinh địa tĩnh thế hệ mới).
• Nghiên cứu kết hợp cảm biến ảnh nhiệt hồng ngoại chuyên dụng vào thiết bị giám sát mặt đất nhằm khắc phục triệt để hiện tượng che khuất của sương mù và mây vào ban ngày, nâng cao khả năng phát hiện vào ban đêm.
• Tối ưu hóa thuật toán nhận diện để giảm thiểu tài nguyên tính toán của máy tính trạm, cho phép tích hợp trực tiếp lên các vi mạch nhúng (edge computing) tiêu thụ năng lượng thấp dùng pin mặt trời.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng và tham khảo đối với nhiều đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên thuộc các ngành Lâm sinh, Quản lý tài nguyên rừng, Hệ thống thông tin địa lý (GIS), Viễn thám và Công nghệ môi trường: Có thể tham khảo phương pháp luận kết hợp GIS với dữ liệu ảnh nhiệt viễn thám, quy trình xây dựng ma trận thuộc tính điểm dị thường nhiệt và phương pháp thiết kế thực nghiệm đốt rừng có kiểm soát để kiểm chứng mô hình thị giác máy tính.
• Cán bộ kỹ thuật và chuyên viên tại Cục Kiểm lâm, các Chi cục Kiểm lâm địa phương: Phần kết quả nghiên cứu Chương 3 (giải pháp lọc điểm nhiệt giả bằng bản đồ kiểm kê rừng và quy trình tự động hóa truyền tin SMS/email/web) cung cấp căn cứ trực tiếp để nâng cấp hệ thống cảnh báo cháy rừng trực tuyến hiện hành.
• Ban quản lý các Vườn Quốc gia, Khu bảo tồn thiên nhiên và các Ban quản lý rừng phòng hộ: Nội dung về thiết bị giám sát mặt đất, bảng tính toán tương quan cự ly và chiều cao lắp đặt thiết bị tại Chương 3 là cơ sở kỹ thuật để các chủ rừng nghiên cứu đầu tư, bố trí lắp đặt hệ thống tháp camera giám sát tự động tại các khu rừng có nguy cơ cháy cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Thuật toán trích xuất điểm dị thường nhiệt nào được luận án lựa chọn áp dụng cho ảnh vệ tinh MODIS?
Luận án lựa chọn thuật toán phát hiện điểm dị thường nhiệt do Louis Giglio và cộng sự phát triển năm 2003, dựa trên thuật toán gốc của Kaufman và cộng sự (1998). Thuật toán này phân tích bức xạ nhiệt tại kênh 20, 21/22 (hồng ngoại trung, 3,95 $\mu$m) và kênh 31 (hồng ngoại nhiệt, 11,0 $\mu$m) của bộ cảm MODIS để xác định các điểm có nhiệt độ sáng vượt trội so với nền xung quanh.

2. Giải pháp nào được tác giả sử dụng để loại bỏ các điểm cảnh báo cháy giả từ ảnh vệ tinh?
Tác giả sử dụng công nghệ GIS để tự động thực hiện phép chồng ghép không gian giữa tọa độ các điểm dị thường nhiệt trích xuất từ ảnh MODIS với bản đồ hiện trạng rừng thuộc cơ sở dữ liệu kiểm kê rừng toàn quốc. Những điểm dị thường nhiệt rơi vào khu dân cư, khu công nghiệp, lò gạch hoặc đất nông nghiệp sẽ bị loại trừ, chỉ giữ lại các điểm nằm trong diện tích đất lâm nghiệp.

3. Ngưỡng cấp độ sáng ($Brightness_T4$) và giá trị chênh lệch nhiệt độ ($\Delta T$) của các vụ cháy rừng thực tế ở Việt Nam được xác định là bao nhiêu?
Qua đối soát với 100 vụ cháy rừng thực tế trong quá khứ tại Cục Kiểm lâm, tác giả xác định ngưỡng giá trị cấp độ sáng của kênh 4 ($Brightness_T4$) đối với các vụ cháy rừng ở Việt Nam đạt từ 310 K trở lên, và giá trị chênh lệch nhiệt độ giữa kênh hồng ngoại trung và hồng ngoại nhiệt $\Delta T = T_{21/22} - T_{31}$ đạt từ 10 K trở lên.

4. Thiết bị giám sát mặt đất đã được tác giả bố trí thử nghiệm đốt thực tế tại những địa điểm nào?
Thiết bị giám sát mặt đất được bố trí đốt thực nghiệm có kiểm soát tại 3 khu vực thực địa cụ thể: Vườn Quốc gia U Minh Thượng (tỉnh Kiên Giang), khu vực rừng phòng hộ Sóc Sơn thuộc Ban Quản lý rừng phòng hộ - đặc dụng Hà Nội, và Vườn Quốc gia Ba Vì (Hà Nội).

5. Vì sao các hệ thống giám sát cháy rừng mặt đất thương mại của nước ngoài như ForestWatch hay FireWatch khó áp dụng rộng rãi tại Việt Nam?
Theo phân tích của tác giả trong Chương 1, các hệ thống như ForestWatch (Nam Phi) hay FireWatch (Đức) có chi phí đầu tư rất cao (dao động từ $30.000 đến $100.000 cho mỗi trạm quan trắc), yêu cầu hạ tầng viễn thông chuyên dụng phức tạp trong rừng sâu, phụ thuộc hoàn toàn vào nhà cung cấp nước ngoài khi nâng cấp hoặc bảo trì, và khó duy trì độ bền ổn định trong điều kiện độ ẩm cao và thời tiết nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam.

Kết luận

Luận án của tác giả Lê Ngọc Hoàn đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tích hợp công nghệ không gian địa lý (viễn thám MODIS, GIS kiểm kê rừng) và thiết bị quang học mặt đất để nâng cao độ chính xác phát hiện cháy rừng tại Việt Nam. Tác giả đã xác lập được các ngưỡng nhiệt độ sáng định lượng cho cháy rừng trong điều kiện thực tế, đồng thời loại trừ triệt để các cảnh báo sai ngoài đất lâm nghiệp thông qua phép chồng ghép dữ liệu kiểm kê rừng. Kết quả thử nghiệm thiết bị giám sát mặt đất tại U Minh Thượng, Sóc Sơn và Ba Vì khẳng định tính khả thi của giải pháp kỹ thuật tự động hóa truyền tin cảnh báo cháy phục vụ quản lý và bảo vệ rừng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Công nghệ địa không gian (RS, GIS và GPS) 1. Công nghệ địa không gian Hình 1. Công nghệ địa không gian 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 [2],[13]. 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 [2],[13]. Công nghệ viễn thám (RS) 1.

Khái niệm công nghệ viễn thám 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 [1],[21]. Công nghệ viễn thám 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 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 [1],[2]. Ứng dụng của công nghệ viễn thám Hiện nay, viễn thám được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó bao gồm [1]: (1) Nghiên cứu địa chất, (2) Nghiên cứu môi trường, (3) Nghiên cứu khí hậu và quyển khí (đặc điểm tầng ozon, mây, mưa, nhiệt độ, quyển khí), dự báo bão và nghiên cứu khí hậu qua dữ liệu thu từ vệ tinh khí tượng, (4) Nghiên cứu thực vật, rừng, (5) Nghiên cứu thủy văn, (6) Nghiên cứu các hành tinh khác [1],[2]. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 1.

Khái niệm hệ thống thông tin địa lý: 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 [1]. 8 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.