Nghiên cứu thuật toán trích xuất điểm nóng cháy từ ảnh vệ tinh và ứng dụng trong hệ thống thông tin cháy rừng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỖ GIA HIẾU

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN TRÍCH XUẤT ĐIỂM
NÓNG/CHÁY TỪ ẢNH VỆ TINH VÀ ỨNG DỤNG
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN CHÁY RỪNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội - 2015


ii
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỖ GIA HIẾU

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN TRÍCH XUẤT ĐIỂM
NÓNG/CHÁY TỪ ẢNH VỆ TINH VÀ ỨNG DỤNG
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN CHÁY RỪNG
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Kỹ thuật phần mềm
Mã số: 60480103

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Nguyễn Thị Nhật Thanh

TS. Lê Thanh Hà

Hà Nội - 2015


iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu, thực nghiệm được trình bày trong
luận văn này do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Thị Nhật Thanh
và Tiến sĩ Lê Thanh Hà.
Tất cả những tham khảo từ các nghiên cứu liên quan đều được nêu nguồn gốc
một cách rõ ràng từ danh mục tài liệu tham khảo của luận văn. Trong luận văn, không
có việc sao chép tài liệu, công trình nghiên cứu của người khác mà không chỉ rõ về tài
liệu tham khảo.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Đỗ Gia Hiếu


iv

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến cô giáo, Tiến sĩ Nguyễn Thị
Nhật Thanh và thầy giáo, Tiến sĩ Lê Thanh Hà, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong
suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới trường Đại học Công Nghệ - ĐHQG Hà
Nội và những thầy cô giáo đã giảng dạy, truyền thụ kiến thức trong thời gian qua.
Tôi xin cảm ơn các anh chị và các bạn trong Trung tâm Công nghệ tích hợp giám
sát hiện trường Đại học Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong

quá trình làm luận văn.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tất cả gia đình, bạn bè đã luôn động viên giúp đỡ tôi
trong thời gian nghiên cứu đề tài cũng như trong cuộc sống. Tuy đã có những cố gắng
nhất định nhưng do thời gian và trình độ có hạn nên luận văn còn nhiều thiếu sót và
hạn chế nhất định. Kính mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Đỗ Gia Hiếu


1

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iv
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ....................................................................... 3
Danh mục hình vẽ ...................................................................................................... 4
Danh mục bảng .......................................................................................................... 5
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 6
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ NHỮNG HỆ THỐNG THÔNG
TIN CHÁY RỪNG .................................................................................................... 8
1.1

TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM.................................................................... 8

1.1.1

Khái niệm cơ bản về viễn thám ................................................................ 8

1.1.2

Lịch sử phát triển của kỹ thuật viễn thám ................................................. 8

1.1.3

Những bước phát triển viễn thám ở Việt Nam ........................................ 11

1.1.4

Đặc điểm của ảnh viễn thám .................................................................. 12

1.1.5

Ứng dụng của viễn thám ........................................................................ 14

1.1.6

Ứng dụng của viễn thám trong trích xuất thông tin điểm nóng/cháy ....... 15

1.2 TỔNG QUAN NHỮNG HỆ THỐNG THÔNG TIN CHÁY RỪNG TRÊN
THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM .................................................................................... 15
Chương 2 THUẬT TOÁN TRÍCH XUẤT ĐIỂM NÓNG CHÁY TỪ ẢNH VỆ
TINH MODIS .......................................................................................................... 17
2.1

VỆ TINH VÀ ẢNH VỆ TINH MODIS. ....................................................... 17

2.2

THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ĐIỂM NÓNG CHÁY .................................... 20

2.2.1

Mô tả thuật toán ..................................................................................... 20

2.2.2

Các mốc phát triển thuật toán MODIS ................................................... 22

2.2.3

Các bước thực hiện của thuật toán .......................................................... 22

2.2.4

Hiệu năng thuật toán .............................................................................. 28

2.2.5

Cách thức hoạt động của thuật toán ........................................................ 28

2.3

SẢN PHẨM ĐIỂM CHÁY .......................................................................... 29

Chương 3 PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN CHÁY RỪNG DỰA TRÊN
NỀN TẢNG FIRMS ................................................................................................ 32
3.1

TỔNG QUAN VỀ FIRMS............................................................................ 32

3.1.1

Kiến trúc hệ thống .................................................................................. 32


2
3.1.2

MapServer ............................................................................................. 34

3.1.3

Hệ quản trị cơ sở dữ liệu PostgreSQL, PostGIS ..................................... 37

3.1.4

Cơ sở dữ liệu hệ thống ........................................................................... 38

3.2

ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA FIRMS KHI TRIỂN KHAI TẠI VIỆT NAM ...... 42

3.3 NÂNG CẤP HỆ THỐNG FIRMS PHỤC VỤ QUẢN LÝ THÔNG TIN
CHÁY RỪNG Ở VIỆT NAM ................................................................................ 43
3.3.1

Việt hóa hệ ngôn ngữ FIRMS................................................................. 43

3.3.2

Điều chỉnh phạm vị cảnh báo ................................................................. 43

3.3.3

Tích hợp thông tin bản đồ hành chính Việt Nam .................................... 45

3.3.4

Tích hợp dữ liệu trạm thu Đại học Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội ............ 48

3.3.5

Email cảnh báo....................................................................................... 51

Chương 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................................................. 52
4.1

Thực nghiệm và kết quả thuật toán trích xuất điểm nóng cháy. ..................... 52

4.2

Thực nghiệm và kết quả hệ thống. ................................................................ 54

4.3

Hướng nghiên cứu tiếp theo .......................................................................... 56

KẾT LUẬN .............................................................................................................. 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 58
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 60


3

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Viết tắt
RS
EOS
GIS
NASA
SPOT
NOAA
NDVI
GFMC
EFFIS
FIRMS

Tiếng Anh
Remote Sensing
Earth Observing System
Geographic information system
National Aeronautics and Space
Administration
Système Pour l'Observation de
la Terre
National Ocenic and
Atmospheric Administration
Normalized Difference

Vegetation Index
Global Fire Monitoring Center
European Forest Fire
Information System
Fire Information for Resource
Management

Tiếng Việt
Viễn thám
Hệ thống quan sát Trái đất
Hệ thống địa lý
Cơ quan vũ trụ và hàng không quốc gia
Mỹ.
Trung tâm nghiên cứu không gian
Pháp.
Vệ tinh khí tượng NOAA
Chỉ số thực vật
Trung tâm giám sát lửa toàn cầu.
Hệ thống thông tin cháy rừng châu Âu
Hệ thống quản lý tài nguyên thông tin
cháy rừng


4

Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám ........................................................ 12
Hình 2.1. Cảm biến MODIS được gắn trên vệ tinh Terra và Aqua ............................. 17
Hình 2.2. Ảnh vệ tinh MODIS. .................................................................................. 18
Hình 2.3. Sự che phủ nước trên ảnh MODIS (những vùng chấm trắng) của hồ Rukwa

ở phía Tây Tanzania vào ngày 1/9/2001. .................................................................... 27
Hình 2.4. Dữ liệu HDF sản phẩm điểm cháy quan sát trên phần mềm HDF View. ..... 30
Hình 3.1. Kiến trúc vật lý hệ thống. ........................................................................... 32
Hình 3.2. Kiến trúc logic hệ thống. ............................................................................ 33
Hình 3.3. Giao diện Web hệ thống FIRMS ................................................................ 34
Hình 3.4. Kiến trúc cơ bản của MapServer ................................................................ 36
Hình 3.5. Mô hình phát triển hệ thống bằng MapServer ............................................. 36
Hình 3.6. Công cụ quản trị cơ sở dữ liệu pgAdminIII ................................................ 38
Hình 3.7. Biểu đồ thực thể liên kết cơ sở dữ liệu hệ thống FIRMS ............................. 39
Hình 3.8. Trung tâm lãnh thổ Việt Nam trên hệ thống FIRMS UET .......................... 45
Hình 3.9. Bản đồ Việt Nam và những đường ranh giới trên hệ thống FIRMS UET. ... 47
Hình 3.10. Bản đồ những vùng miền Việt Nam trên hệ thống FIRMS UET. .............. 48
Hình 3.11. Sơ đồ thu nhận và xử lý dữ liệu MODIS tại trạm thu Đại học Công Nghệ 48
Hình 3.12. Phần mềm Simulcast Viewer theo dõi tín hiệu ảnh thu trực tiếp khi vệ tinh
bay vào vùng ăng ten có thể thu nhận ........................................................................ 49
Hình 3.13. Quy trình cập nhật tự động dữ liệu điểm nóng cháy.................................. 50
Hình 4.1. Kết quả của thuật toán được xem trên phần mềm HDF View ..................... 52
Hình 4.2. Kết quả của thuật toán được xem trên phần mềm QGIS ............................. 53
Hình 4.3. Kết quả của thuật toán được xem trên Google Earth ................................... 53
Hình 4.4. Hình ảnh hệ thống FIRMS UET ................................................................. 55
Hình 4.5. Hình ảnh hệ thống FIRMS UET và bản đồ hành chính Việt Nam ............... 55
Hình 4.6. Hình ảnh hệ thống FIRMS UET và thông tin chi tiết điểm nóng cháy ........ 56


5

Danh mục bảng
Bảng 1.1. Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện .................................. 10
Bảng 1.2. Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám................. 13
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS ...................................................... 19

Bảng 2.2. Những kênh MODIS sử dụng để phát hiện đặc tính và hoạt động của lửa. . 21
Bảng 2.3. Dữ liệu sản phẩm điểm cháy dạng TXT ..................................................... 31
Bảng 2.4. Mô tả dữ liệu sản phẩm điểm cháy dạng TXT ............................................ 31
Bảng 3.1. Bảng cơ sở dữ liệu Fire_version................................................................. 39
Bảng 3.2. Bảng cơ sở dữ liệu ${prefix}_fire .............................................................. 40
Bảng 3.3. Bảng cơ sở dữ liệu grid_${gridSize}m ...................................................... 40
Bảng 3.4. Bảng cơ sở dữ liệu ${prefix}_aggr_${timePeriod}_${gridSize}m ............ 40
Bảng 3.5. Bảng cơ sở dữ liệu load_status ................................................................... 41
Bảng 3.6. Bảng cơ sở dữ liệu load_log ....................................................................... 41
Bảng 4.1. Mô tả cơ bản hệ thống FIRMS NASA và FIRMS UET .............................. 54


6

MỞ ĐẦU
Rừng là tài nguyên quý báu và có giá trị to lớn về nhiều mặt. Việc quản lý bảo
vệ và phát triển rừng là trách nhiệm và nghĩa vụ của các cấp, các ngành và của toàn xã
hội.Tuy nhiên, diện tích rừng ngày càng bị thu hẹp, khả năng tự phục hồi vô cùng
chậm so với tốc độ mất rừng, mà một trong những nguyên nhân chính là cháy rừng.
Cháy rừng là một quá trình sinh lý phức tạp với nhiều tác động trực tiếp và gián
tiếp vào bầu khí quyển, sinh quyển và thủy quyển. Cháy rừng là một nguồn gốc quan
trọng gây biến đổi lớn về lượng khí thải ô nhiễm không khí tại nhiều khu vực trên Thế
giới. Cháy rừng thường xảy ra trên diện rộng tại những vùng có địa hình rừng núi phức
tạp khó đi lại, do đó việc quan trắc phát hiện cháy rừng bằng các phương pháp truyền
thống thường rất khó khăn.
Ở Việt Nam, cháy rừng là một hiểm họa thường xuyên xảy ra gây thiệt hại lớn
đến nền kinh tế cũng như hệ sinh thái rừng. Khi cháy rừng xảy ra, tài nguyên rừng bị
hủy hoại, môi trường sống biến đổi theo hướng tiêu cực thậm chí còn ảnh hưởng đến
tài sản và tính mạng của con người.
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và công nghệ

thông tin cho ra đời các thiết bị tiên tiến cho phép thu thập dữ liệu ảnh vệ tinh bề mặt
Trái đấtgiúp con người quản lý tốt hơn các nguồn tài nguyên. Dữ liệu ảnh vệ tinh có
khả năng cung cấp ảnh đa thời gian, trên một diện rộng, tiết kiệm được thời gian và chi
phí giúp những nghiên cứu về cháy rừng trở nên hiệu quả, có tính ứng dụng cao. Đặc
biệt những bức ảnh vệ tinh được cung cấp từ cơ quan vũ trụ và hàng không quốc gia
Hoa Kỳ có độ phủ rộng và phân giải cao.
Xuất phát từ vấn đề trên, bài toán “Nghiên cứu thuật toán trích xuất điểm
nóng/cháy từ ảnh vệ tinh và ứng dụng trong hệ thống thông tin cháy rừng” đã
được thực hiện với mục tiêu về khả năng ứng dụng của ảnh vệ tinh và tạo cơ sở cho
công tác theo dõi, quản lý và dự báo, thống kê những điểm cháy rừng trên lãnh thổ
Việt Nam.
Bài toán được xây dựng để phát hiện ra những điểm cháy tiềm tàng trong thời
gian ngắn nhất nhằm giảm những thiệt hại về kinh tế, giảm sự biến đổi môi trường khí
hậu sinh thái…

Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu thuật toán trích xuất điểm nóng cháy dựa trên sự phát xạ mạnh bức xạ của
những kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại. Thuật toán sử dụng nhiều kênh nhiệt để
phát hiện điểm nhiệt nóng không bình thường, có sự đột biến khác lạ với những điểm
xung quanh.


7
Xây dựng, phát triểnđượchệ thống thông tin cháy rừngở Việt Nam cung cấp các dữ
liệu cảnh báo những vị trí, khu vực có nguy cơ cao về cháy rừng dựa trên kết quả phân
tích từ thuật toán trích xuất điểm nóng cháy.

Nội dung, phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu tổng quan về một số loại ảnh vệ tinh,những đặc điểm của ảnh vệ tinh và chú
trọng ảnh MODIS.

Tìm hiểu những vấn đề tổng quan về các điểm nóng cháy và những yếu tố ảnh hưởng
đến việc phát hiện ra những điểm nóng cháy tiềm tàng.
Luận văn dựa trên kết quả từ sự nghiên cứu về thuật toán phát hiện những điểm nóng
cháy thông qua các sóng phản hồi của một số kênh cận hồng ngoại thu nhận từ ảnh vệ
tinh MODIS và phân tích thiết kế cài đặt phát triển hệ thống thông tin quản lý theo dõi
và cảnh bảo nguy cơ cháy rừng ở Việt Nam một cách nhanh chóng và chính xác nhất.

Kết quả đạt được
Với những yêu cầu đề ra, luận văn đã đạt được những kết quả chính như sau:
-

Khái quát lý thuyết về viễn thám, ảnh vệ tinh và phương pháp phát hiện điểm
nóng cháy hiện nay.
Cài đặt thành công hệ thống quản lý các điểm nóng cháy trên máy chủ của
trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội.
Cải tiến hệ thống cho phù hợp với lãnh thổ Việt Nam. Kết quả cài đặt và cải
tiến được nêu chi tiết trong phụ lục của luận văn.

Kết cấu của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn được kết cấu gồm 3
chương:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ NHỮNG HỆ THỐNG
THÔNG TIN CHÁY RỪNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM.
Chương 2:THUẬT TOÁN TRÍCH XUẤT ĐIỂM NÓNG CHÁY TỪ ẢNH VỆ
TINH MODIS
Chương 3:PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN CHÁY RỪNG DỰA
TRÊN NỀN TẢNG FIRMS


8

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ NHỮNG HỆ
THỐNG THÔNG TIN CHÁY RỪNG
1.1 TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM
1.1.1 Khái niệm cơ bản về viễn thám
Viễn thám (Remote Sensing – tiếng Anh) là một ngành khoa học có lịch sử phát
triển từ lâu, có mục đích nghiên cứu thông tin về một vật và một hiện tượng thông qua
việc phân tích dữ liệu ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh hồng ngoại nhiệt và ảnh radar.
Viễn thámđược 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(Nguyễn Ngọc
Thạch, Cơ sở viễn thám, 2005)[1].
Thuật ngữ viễn thám – điều tra từ xa xuất hiện từ năm 1960 do một nhà địa lý
người Mỹ là E.Pruit đặt ra (Thomas, 1999). Ngày nay, viễn thám đang được ứng dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong các khoa học về Trái đất. Kỹ
thuật viễn thám là một kỹ thuật đa ngành, liên kết nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật
khác nhau trong các công đoạn như:
-

Thu nhận thông tin
Tiền xử lý thông tin
Phân tích và giải đoán thông tin
Đưa ra các sản phẩm dưới dạng bản đồ chuyên đề và tổng hợp.

Vì vậy, có thể nhấn mạnh là Viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin
về các đối tượng, hiện tượng trên Trái đất. Bằng các công cụ kỹ thuật, viễn thám có thể
thu nhận các thông tin, dự kiện các vật thể, các hiện tượng tự nhiên hoặc một vùng
lãnh thổ nào đó ở một khoảng cách nhất định.

1.1.2 Lịch sử phát triển của kỹ thuật viễn thám
Sự phát triển của ngành viễn thám qua các thời gian được tóm tắt trong bảng
1.1. Viễn thám là một khoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn ba thập kỷ gần
đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra các ảnh số, bắt đầu được thu nhận từ các vệ
tinh trên quỹ đạo của Trái đất vào năm 1960[2]. Tuy nhiên, viễn thám có lịch sử phát
triển lâu đời, bắt đầu bằng việc chụp ảnh sử dụng phim và giấy ảnh. Từ thế kỷ XIX,
vào năm 1839, Louis Daguerre (1789 - 1881) đã đưa ra báo cáo công trình nghiên cứu
về hóa ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh. Sự phát triển của kỹ thuật viễn thám gắn
liền với sự phát triển của kỹ thuật chụp ảnh. Năm 1858,bức ảnh đầu tiên chụp bề mặt
Trái đất từ khinh khí cầu, được thực hiện do Gaspard Felix Toumachon – nhà nhiếp


9
ảnh gia người Pháp đã sử dụng khinh khí cầu bay ở độ cao 80 m để chụp ảnh từ trên
không, chụp ảnh vùng Bievre – Pháp; từ sự việc này mà năm 1858 được coi là năm
khai sinh ngành kỹ thuật viễn thám.Một trong những bức ảnh tiếp theo chụp bề mặt
Trái đất từ khinh khí cầu là ảnh vùng Bostom của tác giả James Wallace Black, 1860.
Năm 1894 Aine Lausedat đã khởi dẫn một chương trình sử dụng ảnh cho mục đích
thành lập bản đồ địa hình (Thomas, 1999).
Việc ra đời của ngành hàng không đã thúc đẩy nhanh sự phát triển mạnh mẽ
ngành chụp ảnh sử dụng máy ảnh quang học với phim và giấy ảnh, là các nguyên liệu
nhạy cảm với ánh sáng (photo). Công nghệ chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện cho
nghiên cứu mặt đất bằng các ảnh chụp chồng phủ kế tiếp nhau và cho khả năng nhìn
ảnh nổi (stereo). Khả năng đó giúp cho việc chỉnh lý, đo đạc ảnh, tách lọc thông tin từ
ảnh có hiệu quả cao. Một ngành chụp ảnh, được thực hiện trên các phương tiện hàng
không như máy bay, khinh khí cầu và tàu lượn hoặc một phương tiện trên không khác,
gọi là ngành chụp ảnh hàng không. Các ảnh thu được từ ngành chụp ảnh hàng không
gọi là không ảnh.
Sự phát triển của ngành hàng không đã tạo nên một công cụ tuyệt vời trong việc

chụp ảnh từ trên không những vùng lựa chọn và có điều khiển. Những bức ảnh đầu
tiên được chụp từ máy bay do Xibur Wright – một nhà nhiếp ảnh người Ý được thực
hiện năm 1909 trên vùng Centocalli thuộc nước Ý. Các máy ảnh tự động có độ chính
xác cao dần dần được đưa vào thay thế các máy ảnh chụp bằng tay.
Năm 1929 ở Liên Xô cũ đã thành lập Viện nghiên cứu ảnh hàng không
Leningrad, viện đã sử dụng ảnh hàng không để nghiên cứu địa mạo, thực vật, thổ
nhưỡng.Trong chiến tranh thế giới lần thứ II những cuộc thử nghiệm nghiên cứu các
tính chất phản xạ phổ của bề mặt địa hình và chế thử các lớp cản quang cho chụp ảnh
màu hồng ngoại đã được tiến hành. Dựa trên kỹ thuật này một kỹ thuật do thám hàng
không đã ra đời.Trong vùng dải sóng dài của sóng điện từ, các hệ thống cao tần tích
cực (RADAR) đã được thiết kế và sử dụng từ đầu thế kỷ này. Đầu tiên người ta sử
dụng để theo dõi và phát hiện những vật thể chuyển động, nghiên cứu tầng ion. Trong
chiến tranh thế giới thứ II, kỹ thuật RADAR phát triển mạnh mẽ.Vào giữa những năm
50 này người ta tập trung nghiên cứu nhiều vào việc phát triển các hệ thống RADAR
ảnh cửa mở thực. Hệ thống RADAR có cửa mở tổng hợp (Syntheric Apature Radar –
SAR) cũng được xúc tiến nghiên cứu.
Vào năm 1956, người ta đã tiến hành thử nghiệm khả năng ảnh máy bay trong
việc phân loại và phát hiện kiểu thực vật. Vào những năm 1960 nhiều cuộc thử nghiệm
về ứng dụng ảnh hồng ngoại màu và ảnh đa phổ đã được tiến hành dưới sự bảo trợ của
cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia Hoa Kỳ.
Từ những thành công trong nghiên cứu trên vào ngày 23-7-1972 Mỹ đã phóng
vệ tinh nhân tạo Landsat đầu tiên mang đến khả năng thu nhận thông tin có tính chất


10
toàn cầu về các hành tinh (kể cả Trái đất) và môi trường xung quanh.Những máy đặt
trên vệ tinh nhân tạo Trái đất cung cấp thông tin có tính toàn cục về động thái của
mây, lớp phủ thực vật, cấu trúc địa mạo, nhiệt độ và gió bề mặt đại dương.
Sự tồn tại tương đối lâu của vệ tinh trên quỹ đạo cũng như khả năng lặp lại
đường bay của nó cho phép theo dõi những biến đổi theo mùa, theo hàng năm và trong

khoảng thời gian tương đối của các đối tượng trên mặt đất.
Trong vòng hơn thập kỷ gần đây kỹ thuật viễn thám được hoàn thiện dần dần
không những với những thiết bị thu đặc biệt mà nhiều nước dự kiến kế hoạch sẽ phóng
vệ tinh điều tra tài nguyên như Nhật, Ấn Độ, các nước châu Âu.
Tổ chức EOS phóng vệ tinh mang máy thu MODIS (100 kênh) và HIRIS (200
kênh) lên quỹ đạo. Nhiều phần mềm xử lý ảnh số đã ra đời làm cho nó thành một kỹ
thuật quan trọng trong việc điều tra điều kiện và đánh giá tài nguyên thiên nhiên quản
lý và bảo vệ môi trường.
Ngày nay,tia Laser cũng bắt đầu được ứng dụng trong viễn thám. Hiện nay nó
đang được ứng dụng chủ yếu cho các mục đích nghiên cứu khí quyển, làm bản đồ địa
hình và nghiên cứu lớp phủ bề mặt bằng hiệu ứng huỳnh quang.
Viễn thám ngày nay đã cung cấp những thông tin tổng hợp hoặc những thông
tin tức thời để có thể khắc phục một loạt các vấn đề thiên tai, theo dõi sự biến động
của các tài nguyên hồi phục (nước, sinh vật…)
Bảng 1.1. Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện
Thời gian (Năm)
1800
1839
1847
1850-1860
1873
1909
1910-1920
1920-1930
1930-1940
1940
1950
1950-1960
12 – 4-1961
1960-1970

Sự kiện
Phát hiện ra tia hồng ngoại
Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng
Phát hiện cả dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy
Chụp ảnh từ khinh khí cầu
Xây dựng học thuyết về phổ điện từ
Chụp ảnh từ máy bay
Giải đoán từ không trung
Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không
Phát triển kỹ thuật radar (Đức, Mỹ, Anh)
Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay
Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy
Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự
Liên xô phóng thành công tàu vũ trụ có người lái và chụp ảnh
trái đất từ ngoài vũ trụ
Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám


11
Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1
Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số
Mỹ phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat
Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quỹ đạo
Phát triển bộ cảm thu đo phổ, tăng dải phổ và số lượng kênh
phổ, tăng độ phân giải của bộ cảm. Phát triển nhiều kỹ thuật xử
lý mới.
(Nguồn sưu tầm do Nguyễn Văn Đài, 2003)
1972
1970-1980

1980-1990
1986
1990 đến nay

1.1.3 Những bước phát triển viễn thám ở Việt Nam
Kỹ thuật viễn thám đã được đưa vào sử dụng ở Việt Nam từ năm 1976 (Viện
Điều tra Quy hoạch Rừng).
Sự kiện quan trọng để đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám ở Việt
Nam là sự hợp tác nhiều bên trong khuôn khổ của chương trình vũ trụ quốc tế (Inter
Kosmos) nhân chuyến bay kết hợp Xô – Việt tháng 7 – 1980.
Kết quả nghiên cứu của các công trình khoa học này được trình bày trong hội
nghị khoa học về kỹ thuật vũ trụ năm 1982 nhân tổng kết các thành tựu khoa học của
chuyến bay vũ trụ Xô – Việt năm 1980 trong đó một phần quan trọng là kết quả sử
dụng ảnh đa phổ MKF-6 vào mục đích thành lập một loạt các bản đồ chuyên đề như:
địa chất, đất, sử dụng đất, tài nguyên nước, thủy văn, rừng…
Ủy ban Nghiên cứu Vũ trụ Việt Nam đã hình thành một tiến bộ khoa học trọng
điểm “Sử dụng các thành tựu vũ trụ ở Việt Nam”mang số 48 – 07 trong đó có vấn đề
viễn thám. Chương trình trên tập trung vào các vấn đề:
-

-

Thành lập các bản đồ địa chất, địa mạo, địa chất thủy văn, hiện trạng sử dụng
đất rừng, biến động tài nguyên rừng, địa hình biến động của một số vùng cửa
sông vv…
Vấn đề nghiên cứu các đặc trưng phổ phản xạ.
Vấn đề nhận dạng trong viễn thám để xây dựng các cơ sở cho phần mềm xử lý
ảnh số.
Thông qua các dự án viện trợ quốc tế của UNDP và FAO như VIE 76/011 và
VIE 83/004 Viện khoa học Việt Nam là Trung tâm Khoa học tự nhiên và công

nghệ Quốc gia đã được trang bị một số thiết bị chính cho kỹ thuật viễn thám.
Trong đó đáng chú ý nhất là:
o Hệ xử lý ảnh số ROBOTRON
o Thiết bị tổng hợp ảnh màu
o Phòng thí nghiệm kỹ thuật ảnh


12
Từ những năm 1990 nhiều ngành đã đưa công nghệ viễn thám vào ứng dụng
trong thực tiễn như các lĩnh vực khí tượng, đo đạc bản đồ, địa chất khoáng sản, quản lý
tài nguyên rừng và đã thu được những kết quả rõ rệt.
Công nghệ viễn thám kết hợp với hệ thông tin địa lý đã được ứng dụng để thực
hiện nhiều đề tài nghiên cứu khoa học và nhiều dự án có liên quan đến điều tra khảo
sát điều kiện tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên, giám sát môi trường, giảm thiểu tới
mức thấp nhất các thiên tai ở một số vùng.
Cũng từ năm 1990, viễn thám ở nước ta chuyển dần từng bước từ công nghệ
tương tự sang công nghệ số kết hợp hệ thông tin địa lý vì vậy hiện nay chúng ta có thể
xử lý nhiều loại ảnh đạt yêu cầu cao về độ chính xác với quy mô sản xuất công nghiệp.
Nhiều ngành, nhiều cơ quan đã trang bị các phần mềm mạnh phổ biến trên thế giới
như các phần mềm ENVI, ERDAS, PCI, ER MAPPER, OCAPI… cùng với các phần
mềm để xây dựng hệ thông tin địa lý.

1.1.4 Đặc điểm của ảnh viễn thám
-

Nguyên lý cơ bản của viễn thám:

Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin
chủ yếu về đặc tính của đối tượng. Ảnh viễn thám cung cấp thông tin về các vật thể
tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng đã xác định. Thiết bị dùng

để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến. Bộ
cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét. Phương tiện mang các bộ cảm
biến được gọi là vật mang (tàu con thoi, vệ tinh, máy bay hay khinh khinh cầu …).
Hình 1.1 thể hiện nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám.

Hình 1.1. Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám


13
Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời,
năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được bộ cảm biến đặt
trên vật mang thu nhận. Các dữ liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể và hiện
tượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: nông
lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường…
Năng lượng sóng điện từ khi lan truyền qua môi trường khí quyển sẽ bị các
phân tử khí hấp thụ dưới các hình thức khác nhau tùy thuộc vào từng bước sóng cụ
thể. Để có thể hiểu rõ hơn cơ chế tương tác giữa sóng điện từ và khí quyển và việc
chọn phổ điện từ để sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám, những đặc điểm của dải
phổ điện từ thường được sử dụng trong kỹ thuật viễn thám được mô tả theo bảng 1.2.
Bảng 1.2. Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám
Dải
phổ Bước sóng
điện từ
Tia cực tím 0,3 – 0,4µm

Đặc điểm

Hấp thụ mạnh bởi lớp khí quyển ở tầng cao (tầng
ozon), không thể thu nhận năng lượng do dải sóng
này cung cấp nhưng hiện tượng này bảo vệ con

người tránh tác động của tia cực tím.
Tia
nhìn 0,4 – 0,76µm
Rất ít bị hấp thụ bởi oxy, hơi nước và năng lượng
thấy
phản xạ cực đại ứng với bước sóng 0,5µm trong khí
quyển. Năng lượng do dải sóng này cung cấp giữ vai
trò trong viễn thám.
Cận hồng 0,77 – 1,34 Năng lượng phản xạ mạnh ứng với các bước sóng
ngoại
µm
cận hồng ngoại từ 0,77 – 0,9 µm. Sử dụng trong
chụp ảnh hồng ngoại theo dõi sự biến đổi thực vật từ
Hồng ngoại 1,55 – 2,4 µm 1,55 – 2,4 µm
trung
Hồng ngoại 3-22µm
Một số vùng bị hơi nước hấp thụ mạnh, dải sóng này
nhiệt
giữ vai trò trong phát hiện cháy rừng hoạt động của
núi lửa. Bức xạ nhiệt của Trái đất của năng lượng
cao nhất tại bước sóng 10µm.
Vô
tuyến 1 mm – 30 cm Khí quyển không hấp thụ mạnh năng lượng các
(radar)
bước sóng lớn hơn 2cm, cho phép thu nhận năng
lượng cả ngày lẫn đêm, không bị ảnh hưởng của
mây, sương mù hay mưa.
-

Đặc điểm của dữ liệu ảnh viễn thám:

14
Ảnh viễn thám (vệ tinh và máy bay) là những hình ảnh thu chụp được từ một
khoảng cách (độ cao) nào đó trên những giải sóng khác nhau, bằng các thiết bị khác
nhau. Một số đặc điểm của dữ liệu ảnh viễn thám theo Lê Văn Trung (2010)[3]:
 Độ phân giải không gian: Diện tích nhỏ nhất trên mặt đất mà bộ cảm có thể phân
biệt được, là sự chi tiết có thể nhận thấy rõ trong một ảnh phụ thuộc vào độ phân
giải không gian của bộ cảm biến và phụ thuộc vào trường nhìn. Độ lớn của điểm
ảnh sẽ là đơn vị xác định độ phân giải không gian của hệ thống.
 Độ phân giải phổ: Là số lượng kênh ảnh của một ảnh số về một khu vực nào đó, số
lượng kênh ảnh phụ thuộc vào khả năng ghi phổ của thiết bị ghi hay bộ cảm. Mô tả
khả năng của bộ cảm biến để xác định những khoảng bước sóng. Độ phân giải càng
cao thì dải bước sóng cho một kênh phổ càng hẹp.
 Độ phân giải bức xạ: Là số bit dùng để ghi nhận thông tin (thang cấp độ xám), thể
hiện sự thay đổi nhỏ nhất của cường độ phản xạ sóng từ các vật thể được xác định
của bộ cảm biến.
 Độ phân giải thời gian: Chiều dài thời gian mà một vệ tinh hoàn thành toàn bộ chu
kỳ bay quanh quỹ đạo để chụp lại khu vực xem xét trước đó. Một vùng chụp vào
các thời điểm khác nhau sẽ cho ra các thông tin về vùng đó chính xác hơn và nhận
biết được sự biến động của một khu vực.

1.1.5 Ứng dụng của viễn thám
Viễn thám được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác
nhau, trong đó bao gồm:
Nghiên cứu địa chất: Viễn thám từ lâu đã được ứng dụng để giải đoán các thông
tin địa chất. Dữ liệu viễn thám được dùng cho giải đoán là các ảnh máy bay, ảnh vệ
tinh và ảnh radar. Lĩnh vực dùng dữ liệu này có thể là địa mạo, cấu trúc địa chất, trầm
tích, khai khoáng, dầu mỏ, địa tầng, địa chất công trình, nước ngầm và các nghiên cứu
về địa chất môi trường.

Nghiên cứu môi trường: Viễn thám là phương tiện hữu hiệu để nghiên cứu môi
trường đất liền (xói mòn, ô nhiễm), môi trường biển (đo nhiệt độ, màu nước biển, gió
sóng).
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.
Nghiên cứu thực vật, rừng: Viễn thám cung cấp ảnh có diện phủ toàn cầu
nghiên cứu thực vật theo ngày, mùa vụ, năm, tháng và theo giai đoạn. Thực vật là đối
tượng đầu tiên mà ảnh viễn thám vệ tinh thu nhận được thông tin. Trên ảnh viễn thám
chúng ta có thể tính toán sinh khối, độ trưởng thành và sâu bệnh trên chỉ số thực vật,
có thể nghiên cứu cháy rừng qua các ảnh vệ tinh.


15
Nghiên cứu thủy văn: Mặt nước và các hệ thống dòng chảy được hiển thị rất rõ
trên các ảnh vệ tinh và có thể khoanh vi được chúng. Dữ liệu ảnh vệ tinh được ghi
nhận trong mùa lũ là dữ liệu được sử dụng để tính toán diện tích thiên tai và cho khả
năng dự báo lũ lụt.
Nghiên cứu các hành tinh khác: Các dữ liệu viễn thám thu từ vệ tinh cho phép
nghiên cứu các vì sao và mặt trăng.

1.1.6 Ứng dụng của viễn thám trong trích xuất thông tin điểm nóng/cháy
Viễn thám là một phần của công nghệ vũ trụ, tuy mới phát triển nhưng đã
nhanh chóng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và được phổ biến rộng rãi ở các nước
phát triển.Viễn thám cung cấp ảnh những ảnh vệ tinh có độ phân giải cao, qua đó có
thể tìm thấy các điểm ảnh nhiệt độ lớn dị thường với các điểm xung quanh được phát
hiện dựa trên một số kênh hồng ngoại. Hiện nay một số nguồn tư liệu ảnh vệ tinh có
thể được khai thác là tư liệu ảnh NOAA-AVHRR, Landsat, MODIS(Phụ lục số 2.1:
Một số loại ảnh vệ tinh).
Trong nội dung của đề tài này tác giả sẽ tập trung vào nghiên cứu ứng dụng của
viễn thám trong trích xuất thông tin điểm nóng cháy phục vụ cho các hệ thống thông

tin cháy rừng.

1.2 TỔNG QUAN NHỮNG HỆ THỐNG THÔNG TIN CHÁY RỪNG
TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
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 taithảm họa. GFMC cung cấp một cổng
thông tin toàn cầu chứa các tài liệu về cháy cho những vùng đất trống, có thể truy cập
công khai qua Internet.
EFFIS: Hệ thống thông tin cháy rừng ở châu Âu hỗ trợ các công tác bảo vệ
chữa cháy rừng tại các nước EU, cung cấp thông tin vềnhững đám cháy trên các vùng
đất hoang ở châu Âu tới Ủy ban và Nghị viện châu Âu một cách kịp thời và đáng tin
cậy. Hệ thống EFFIS phát hiện những khu vực nóng cháy dựa trên những thông tin của
cảm biến MODIS để xác định những khu vực trên mặt đất nóng hơn xung quanh. Hệ
thống đã giảm đi những cảnh báo sai bằng cách chỉ hiện thị những điểm nóng cháy
được phát hiện bởi hệ thống đáp ứng nhanh MODIS.
Canadian Wildland Fire:Hệ thống thông tin thông báo cháy của Canada về
những vùng đất hoang theo dõi điều kiện nguy hiểm hỏa hoạn trên khắp Canada. Hệ
thống sử dụng ảnh vệ tinh NOAA có độ phân giải thấp để định danh và xác định
những khu vực lửa hoạt động để ước tính mô hình hành vi của lửa và lượng khí thải
carbon từ các đám cháy…


16
Active Fire Mapping Program:Chương trình phát hiện cháy dựa trên dữ liệu
vệ tinh, hoạt động giám sát rừng bởi trung tâm ứng dụng viễn thám USDA nằm ở
thành phố Salt Lake, Utah. Chương trình cung cấp những phát hiện ở thời gian thực
trong các vùng lục địa Hoa Kỳ, Alaska, Hawaii và Canada. Nguồn dữ liệu của chương
trình là dữ liệu ảnh viễn thám MODIS.
Fire Watch: Hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến của Cục Kiểm lâm Việt
Nam. Hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến được xây dựng trên nền Web, là một hệ

thống tự động phát hiện sớm các điểm cháy trên toàn lãnh thổ Việt Nam từ dữ liệu ảnh
MODIS và AVHRR trên vệ tinh TERRA và AQUA và các vệ tinh NOAA thu được
thường xuyên để xử lý tạo ra danh mục các điểm cháy.
FIRMS: Được phát triển bởi Đại học Maryland, với kinh phí từ chương trình
khoa học ứng dụng của NASA và tổ chức lương thực và nông nghiệp Liên hiệp quốc
cung cấp thời gian thực hoạt động của lửa để quản lý tài nguyên thiên nhiên một cách
dễ dàng. Chương trình thu thập thông tin nhanh chóng kịp thời về những đám cháy từ
những dữ liệu ảnh thu nhận từ vệ tinh MODIS.
Hiện nay FIRMS đã được cài đặt tại trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc
gia Hà Nội dưới sự liên kết hợp tác của Trung tâm Công nghệ tích hợp giám sát hiện
trường FIMO với Đại học Maryland của Mỹ, do đó trong đề tài này tác giả sẽ tập trung
nghiên cứu, tìm hiểu sâu về thuật toán trích xuất điểm nóng điểm cháy trên cơ sở của
FIRMS. Trong nội dung chương 2 tác giả sẽ mô tả sâu hơn về thuật toán trích xuất
thông tin điểm nóng điểm cháy từ ảnh vệ tinh MODIS.


17

Chương 2
THUẬT TOÁN TRÍCH XUẤT ĐIỂM NÓNG CHÁY TỪ
ẢNH VỆ TINH MODIS
2.1 VỆ TINH VÀ ẢNH VỆ TINH MODIS.
Vệ tinh MODIS: MODIS là một thiết bị đo đạc trên vệ tinh Terra (EOS AM) và
Aqua (EOS PM). Vệ tinh Terra được phóng lên quỹ đạo vào ngày 18/12/1999 và vệ
tinh Aqua được phóng vào ngày 4/5/2002[4]. Quỹ đạo của Terra xung quanh Trái Đất
được đặt giờ để đi từ Bắc vào Nam qua đường xích đạo vào buổi sáng, trong khi Aqua
đi từ phía Nam tới phía Bắc qua đường xích đạo vào buổi chiều. Terra MODIS và
Aqua MODIS xem được toàn bộ bề mặt của Trái đất trong 1-2 ngày, thu thập dữ liệu
36 kênh phổ hoặc nhóm bước sóng.
Vệ tinh TERRA sẽ bay qua lãnh thổ Việt Nam một ngày hai lần vào lúc 10 giờ

30 phút sáng và 10 giờ 30 phút tối; vệ tinh AQUA sẽ bay qua lãnh thổ Việt Nam một
ngày hai lần vào lúc 1 giờ 30 phút chiều và 1 giờ 30 phút rạng sáng, do đó ở Việt Nam
sẽ thu được ảnh MODIS bốn lần trong một ngày. Do độ phân giải không gian – thời
gian và độ phân giải phổ của vệ tinh TERRA và AQUA cao nên dữ liệu vệ tinh được
ứng dụng rộng rãi trong nghiệp vụ. Các dữ liệu MODIS đã được đưa vào để theo dõi
mây, chất lượng khí quyển, chỉ số thực vật, phân loại lớp phủ, cháy rừng, hàm lượng
diệp lục trong nước biển, nhiệt độ mặt nước biển, nhiệt độ bề mặt lục địa bốc hơi bề
mặt lớp phủ, diễn biến lớp phủ băng lục địa và đại dương.

Hình 2.1. Cảm biến MODIS được gắn trên vệ tinh Terra và Aqua


18
Ảnh MODIS: Terra MODIS và Aqua MODIS xem được toàn bộ bề mặt của Trái
đất trong 1-2 ngày, thu thập dữ liệu 36 kênh phổ hoặc nhóm bước sóng. MODIS đóng
vai trò quan trọng trong kiểm chứng sự phát triển, toàn cầu hay khả năng tương tác của
các mô hình hệ thống Trái đất và có thể dự đoán chính xác sự thay đổi toàn cầu đủ để
giúp đỡ con người hoạch định, giải quyết đưa ra các quyết định đúng đắn bảo vệ môi
trường.

Hình 2.2. Ảnh vệ tinh MODIS.
Việc kiểm soát sâu rộng và chi tiết tác động của các đám cháy tới môi trường
trong một không gian rộng lớn trên toàn cầu không hề đơn giản, điều này chỉ có thể
thực hiện được thông qua việc sử dụng công nghệ cảm biến. Mặc dù vậy việc sử dụng
công nghệ này vẫn còn hạn chế cần được cải tiến, phát triển.
Các thuật toán MODIS phát hiện cháy dựa trên những phát triển cho AVHRR,
nhưng mang lại một số khả năng mới cho các cảm biến trường xa. Số kênh phổ của
MODIS là 36 kênh. Trong thiết kế MODIS, các kênh 3,75 µm đã được chuyển sang
3,95 µm để tránh hấp thụ hơi nước và để giảm bức xạ mặt trời 40%.
Dữ liệu ảnh MODIS được thu nhận từ hai hệ thống vệ tinh chính TERRA

MODIS và AQUA MODIS có mục đích cung cấp dữ liệu về đất liền, biển và khí
quyển một cách đồng thời. Ảnh chụp từ vệ tinh MODIS cung cấp dữ liệu ảnh toàn cầu
4 ảnh trong 1 ngày, 2 ảnh ban ngày và 2 ảnh ban đêm. Với tầm quan sát lên đến hơn
2330km, vệ tinh có thể quan trắc gần như toàn bộ Trái đất và thường được sử dụng
trong theo dõi biến động lớp phủ, theo dõi mùa màng, các chỉ số lý sinh, màu và nhiệt
độ mặt nước biển… của một khu vực, vùng lãnh thổ.
Ảnh MODIS gồm 36 kênh phổ có độ phân giải: 250m, 500m và 1000m, cao
hơn so với độ phân giải của bộ cảm AVHRR. Những kênh phổ được phân bổ theo độ
phân giải:


19
Kênh 1 – 2: Độ phân giải 250 m.
Kênh 3 – 7: Độ phân giải 500 m.
Kênh 8 – 36: Độ phân giải 1000 m.
Ảnh MODIS có độ phân giải không gian cao như Landsat TM, SPOT HRV và
Terra ASTER, trong đó có 2 kênh phổ 4 μm số 21 và 22 được thiết kế đặc biệt và hữu
ích cho giám sát đám cháy. Dữ liệu của ảnh MODIS bao gồm các loại sau:
-

-

-

Dữ liệu nghiên cứu mây với độ phân giải 250m x 1000m vào ban ngày và độ phân
giải 1000m x 1000m vào ban đêm.
Nồng độ tầng đối lưu và đặc tính quang với độ phân giải 5km cho vùng biển và
10km cho đất liền vào ban ngày.
Đặc tính về mây, độ dầy quang học, ảnh hưởng của bán kính hạt, pha nhiệt động
học, mây ở các vùng vĩ tuyến cao, nhiệt độ mây ở độ phân giải 1km – 5km ban

ngày và 5km vào ban đêm.
Phủ thực vật đất: Điều kiện và năng suất được đặc trưng bởi chỉ số thực vật, được
hiệu chỉnh tác động của khí quyển, đất, phân cực và ảnh hưởng theo hướng phản xạ
bề mặt, kiểu phủ đất và năng suất nguyên thủy thực, chỉ số lá theo diện tích và bức
xạ hiệu lực mang tính quang hợp bị chắn.
Phản xạ về diện tích phủ của tuyết và băng trên biển.
Đo nhiệt độ bề mặt với độ phân giải 1km vào ban ngày và đêm với độ chính xác
của hiệu chỉnh tuyệt đối là 0.3 – 0.50 tại đại dương và mặt đất.
Màu của biển (phổ phát xạ của đại dương được đo 5%), dựa trên dữ liệu kênh phổ
trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại gần.
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của ảnh MODIS

Kênh
phổ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

Bước sóng
(µm)
0,620-0,670

0,841-0,876
0,459-0,479
0,545-0,565
1,230-1,250
1,628-1,652
2,105-2,155
0,405-0,420
0,438-0,448
0,493-0,493
0,526-0,536
0,546-0,556

Độ phân giải
không gian (m)
250
250
500
500
500
500
500
1000
1000
1000
1000
1000

Ứng dụng
Khoanh ranh giới mây đất. Nghiên
cứu lớp phủ rừng.

Nghiên cứu đặc tính đất/mây.

Nghiên cứu về mầu nước biển,
phytopkankton, sinh-địa hóa học.


20
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35

36

0,662-0,672
0,673-0,683
0,743-0,753
0,862-0,877
0,890-0,920
0,931-0,941
0,915-0,965
3,66-3,84
3,929-3,989
4,020-4,080
4,433-4,498
4,482-4,549
1,36-1,39
6,853-6,895
7,175-7,495
8,4-8,7
9,58-9,88
9,58-9,88
10,78-11,28
11,77-12,27
13,185-13,485
13,485-13,785
13,785-14,085
14,085-14,385

1000
1000
1000

1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000

Nghiên cứu về hơi nước khí quyển.

Đo nhiệt độ bề mặt/mây.

Đo nhiệt độ khí quyển.
Mây ti.
Nghiên cứu về hơi nước trong khí
quyển.

Nghiên cứu về tầng O3.
Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt lớp
phủ/mây.
Nghiên cứu mây ở vĩ độ cao.

Việc phát hiện các đám cháy sử dụng các bộ cảm biến từ xa có nhiều loại. Mỗi
loại đều có những điểm mạnh và điểm yếu,trong đó MODIS được đánh giá là phương
pháp lý tưởng hơn cả. Thuật toán phát hiện điểm nóng/cháy được mô tả dưới đây sử
dụng dữ liệu sản phẩm MODIS có tên MOD 14.

2.2 THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ĐIỂM NÓNG CHÁY
2.2.1 Mô tả thuật toán
Thuật toán phát hiện điểm nóng cháy được thực hiện sử dụngtheo thuật toán
cảm ngữ cảnh khai thác sự phát ra mạnh bức xạ của kênh hồng ngoại trung. Thuật toán
sử dụng nhiều kênh nhiệt để phát hiện điểm nhiệt nóng không bình thường trên mỗi
điểm ảnh cơ bản[5]. Thuật toán xem xét nghiên cứu mỗi điểm ảnh của vạt cắt MODIS
và cuối cùng sẽ phân loại thành các loại: thiếu dữ liệu, mây, nước, không cháy, cháy
hoặc chưa biết.


21
Thuật toán trích phân tích dữ liệu từ ảnh vệ tinh bằng cách sử dụng các kênh
cận hồng ngoại và qua đó có thể phát hiện ra sự hiện diện của ngọn lửa trong ảnh vệ
tinh. Tùy thuộc vào sự cháy đang ẩm ỉ hoặc cháy rực, hầu hết nhiệt độ tại khu vực xảy
ra cháy rừng là từ 500 độ K đến 1200 độ K. Nhiệt độ này thậm chí còn có thể cao hơn
ở một vài khu vực rừng. Ở nhiệt độ này có một phát xạ rất mạnh trong vùng cận hồng
ngoại. Phát xạ bởi một đám cháy tương phản mạnh với một nền không cháy. Một điểm
cháy được xác định trong một điểm ảnh khi mà sự tương phản giữa các điểm ảnh và
môi trường xung quanh nó đủ cao.
Thuật toán sử dụng kênh nhiệt sáng rực có nguồn gốc từ kênh MODIS 4 µm và

11 µm, ký hiệu tương ứng là T4 và T11. Thiết bị đo đạc MODIS có 2 kênh 4 µm, đánh
số là 21 và 22, cả hai kênh này đều được thuật toán phát hiện điểm nóng cháy sử dụng.
Kênh 21 bão hòa ở mức gần 500 độ K, kênh 22 bão hòa ở 331 độ K. Kể từ thời
điểm mà kênh có độ bão hòa thấp số 22 kém sặc sỡ hơn và có một lỗi lượng tử hóa
nhỏ hơn, T4 có nguồn gốc hình thành từ chính kênh này là bất cứ khi nào. Tuy nhiên,
khi kênh 22 bão hòa hoặc đã bị mất dữ liệu, nó sẽ được thay thế bằng kênh bão hòa
cao để thành kênh T4. KênhT11 được tính toán từ kênh 11µm (kênh số31), nó bão hòa
ở xấp xỉ 400 độ K. Kênh 12µm (kênh số 32) được sử dụng cho sự che phủ của mây,
nhiệt độ sáng rực của chính kênh này được biểu hiện là T12.
Những kênh màu đỏ và cận hồng ngoại tổng hợp từ 250m đến 1 km được sử
dụng để loại bỏ những cảnh báo sai và sự che phủ của mây. Dải 500m của kênh 2.1
µm cũng được tổng hợp đến 1 km được sử dụng để loại bỏ những cảnh báo sai do
nước gây ra. Tóm tắt về tất cả các dải MODIS được sử dụng trong thuật toán được thể
hiện trong bảng sau.
Bảng 2.2.Những kênh MODIS sử dụng để phát hiện đặc tính và hoạt độngcủa lửa.
Kênh
1

Bước
Biểu
sóng (µm) hiện
0.65
Ƿ0.65

2

0.86

Ƿ0.86

7

2.1

Ƿ2.1

21
22
31
32

3.96
3.96
11.0
12.0

T4
T4
T11
T12

Mục đích
Loại bỏ cảnh báo sai do tia sáng mặt trời và miền ven
biển; sự che phủ của mây
Loại bỏ cảnh báo sai do bề mặt sáng, tia sáng mặt trời,
miền ven biển; sự che phủ của mây
Loại bỏ cảnh báo sai do tia sáng mặt trời và ở miền ven
biển
Kênh dải cao để phát hiện cháy và đặc tính của lửa
Kênh dải thấp để phát hiện cháy và đặc tính của lửa

Phát hiện điểm nóng cháy, sự che phủ của mây
Sự che phủ của mây