Phát hiện đám cháy rừng (LV thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
-------------------------------------------

LÊ QUANG THANH

LÊ QUANG THANH

PHÁT HIỆN ĐÁM CHÁY RỪNG
HỆ THỐNG THÔNG TIN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng nghiên cứu)

2015- 2017
HÀ
NỘI
2017

HÀ NỘI – NĂM 2017


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

LÊ QUANG THANH

PHÁT HIỆN ĐÁM CHÁY RỪNG

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã số: 60.48.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng nghiên cứu)

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.PHẠM VĂN CƢỜNG

HÀ NỘI, NĂM 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công
bố trong bất ký công trình nào khác.
Học viên

Lê Quang Thanh


ii

LỜI CÁM ƠN
Trƣớc tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo PGS,TS. Phạm
Văn Cƣờng - Khoa Công nghệ thông tin I – Học viện Công nghệ Bƣu Chính
Viễn thông. Ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện
khóa luận. Tôi cũng đồng thời cảm ơn các thầy cô Khoa Công nghệ Thông tin I –
Học viện Công nghệ Bƣu chính Viễn thông đã truyền đạt những kiến thức bổ ích.
Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô Khoa Đào tạo Sau Đại học đã giúp đỡ trong quá
trình tôi làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình tôi đã giúp đỡ để tôi có thời gian hoàn

thành khóa luận. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị, bạn bè và các
bạn sinh viên đã giúp đỡ tôi trong quá trình thu thập và xử lý dữ liệu.
Hà Nội, ngày 10 tháng 01 năm 2017
Học viên

Lê Quang Thanh


iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ vii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chƣơng 1. Tổng quan về phát hiện đám cháy rừng. ...................................................3
1.1. Tại sao cần phát hiện đám cháy rừng ...............................................................3
1.1.1. Ý nghĩa phát hiện đám cháy rừng. ............................................................3
1.1.2. Phân loại cháy rừng ...................................................................................4
1.2. Các nghiên cứu liên quan .................................................................................7
1.2.1. Các nghiên cứu về phát hiện cháy rừng ....................................................7
1.2.2. Các hệ thống giám sát cháy rừng hiện tại ở Việt Nam ...........................14
1.3. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................17
Chƣơng 2. Phƣơng pháp phát hiện đám cháy rừng ...................................................18
2.1. Thu nhận ảnh ..................................................................................................18
2.1.1. Ảnh vệ tinh MODIS ................................................................................18

2.1.2. Cấu trúc dữ liệu .......................................................................................18
2.1.3. Các loại ảnh sản phẩm của vệ tinh MODIS ............................................22
2.2. Tiền xử lý ảnh ................................................................................................25
2.2.1. Khử sƣơng mù .........................................................................................26


iv

2.2.2. Tăng cƣờng ảnh .......................................................................................26
2.3. Phân đoạn ảnh ................................................................................................28
2.4. Phát hiện đám cháy sử dụng ảnh MODIS ......................................................30
2.4.1. Phát hiện điểm cháy tiềm tàng. ...............................................................31
2.4.2. Ngƣỡng xác định điểm nóng/cháy ..........................................................32
2.4.3. Đặc tả nền điểm cháy ..............................................................................32
2.4.4. Kiểm tra dựa vào ngữ cảnh .....................................................................33
2.4.5. Phát hiện điểm cháy tạm thời. .................................................................34
2.4.6. Loại bỏ ánh sáng phản chiếu ...................................................................35
2.4.7. Loại bỏ cảnh báo sai ở đƣờng biên sa mạc .............................................35
2.4.8. Loại bỏ cảnh báo sai ở ven biển ..............................................................36
2.4.9. Độ tin cậy thuật toán ...............................................................................37
Chƣơng 3. Thử nghiệm phát hiện đám cháy rừng dựa trên tập dữ liệu ....................40
3.1. Dữ liệu ............................................................................................................40
3.2. Thử nghiệm ....................................................................................................41
3.3. Đánh giá .........................................................................................................53
KẾT LUẬN ...............................................................................................................55
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................56


v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt
Phòng cháy chữa cháy rừng

PCCCR

Một loại vệ tinh mang theo cảm

AQUA

biến MODIS

CCTV

Closed Circuit Televison

Truyền hình mạch kín

HDF

Hierarchical Data Format

Một loại định dạng ảnh

MOD

MODIS

NASA

Moderate

Resolution

Spectroradiometer

Tiền tố tên file sản phẩm của
cảm biến MODIS đƣợc gắn
trên vệ tinh Terra
Imaging Cảm biến đƣợc gắn trên vệ tinh
Terra và Aqua

National Aeronautics and Space Cơ quan Hàng không và Vũ trụ
Administration

Hoa Kỳ
Một loại vệ tinh mang theo cảm

TERRA

biến MODIS
Thiết bị bay không ngƣời lái

UAV

Unmanned aerial vehicle

NDVI

Normalized difference vegetation Chỉ số phân loại thực vật
index


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Các kênh phổ và bƣớc sóng ảnh MODIS .................................................20
Bảng 1.2: Các loại ảnh sản phẩm MODIS ................................................................23
Bảng 3.1: Bảng tên file và chức năng của hệ thống IPOPP ......................................42
Bảng 3.2: Bảng tọa độ những điểm vƣợt qua bộ lọc ngƣỡng ...................................45
Bảng 3.3: Bảng tọa độ những điểm bị chói sáng ......................................................47
Bảng 3.4: Bảng tọa độ điểm cảnh báo sai ở sa mạc và ven biển ..............................48
Bảng 3.5: Bảng tọa độ điểm nóng tạm thời. .............................................................50


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cháy dƣới tán rừng......................................................................................5
Hình 1.2. Cháy tán rừng ..............................................................................................6
Hình 1.3. Cháy ngầm ..................................................................................................7
Hình 1.4. Hệ thống giám sát rừng Vipin V .................................................................9
Hình 1.5. Biểu đồ phân đoạn .....................................................................................11
Hình 1.6. Hệ thống phát hiện cháy Kumarguru ........................................................13
Hình 1.7.Tổng quan về hệ thống FireWatch .............................................................15
Hình 1.8. Sơ đồ thu nhận và xử lý dữ liệu MODIS tại Cục kiểm lâm ......................16

Hình 1.9. Sơ đồ thu nhận, xử lý dữ liệu và thông tin điểm cháy từ dữ liệu MODIS 16
Hình 2.1 Ví dụ về cháy rừng .....................................................................................25
Hình 2.2.Hình: Ảnh trái là ảnh sƣơng mù đầu vào, Phải là kết quả khử sƣơng mù .26
Hình 2.3 Ảnh trƣớc và sau khi cân bằng histogram ..................................................27
Hình 3.1. Giao diện để tải ảnh MODIS.....................................................................40
Hình 3.2. Vùng phủ không gian đƣợc lựa chọn ........................................................41
Hình 3.3. Điểm cháy/nóng tiềm tàng đƣợc phát hiện ...............................................44
Hình 3.4.Tọa độ những điểm vƣợt qua bộ lọc ngƣỡng ở khu vực Đông Nam Á .....45
Hình 3.5. Biểu diễn điểm ảnh bị loại do chói sáng mặt trời ở khu vực Phillipine ....46
Hình 3.6. Tọa độ những điểm bị chói sáng mặt trời dẫn tới cảnh báo sai ................47
Hình 3.7. Những đám cháy bị cảnh báo sai ở ven biển Việt Nam ............................50
Hình 3.8. Bản đồ tổng hợp các điểm cháy tháng 02/2007 ........................................52
Hình 3.9.Bản đồ phân vùng trọng điểm cháy tháng 02/2007 ...................................53


1

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Rừng là một hệ sinh thái mà quần xã cây rừng giữ vai trò chủ đạo trong mối
quan hệ tƣơng tác giữa sinh vật với môi trƣờng. Rừng có vai trò rất quan trọng đối
với cuộc sống của con ngƣời cũng nhƣ môi trƣờng: cung cấp nguồn gỗ, củi, tạo ra
oxy, điều hòa nƣớc, là nơi cƣ trú động thực vật và tàng trữ các nguồn gen quý hiếm,
bảo vệ và ngăn chặn gió bão, chống xói mòn đất, đảm bảo cho sự sống, bảo vệ sức
khỏe của con ngƣời…Sự quan hệ của rừng và cuộc sống đã trở thành một mối quan
hệ hữu cơ. Không có một dân tộc, một quốc gia nào không biết rõ vai trò quan trọng
của rừng trong cuộc sống.
Nƣớc ta hiện nay có trên 12.3 triệu ha rừng, trong đó hơn một nửa là các loại
rừng dễ cháy. Chính vì vậy, công tác phòng cháy chữa cháy rừng (PCCCR) luôn
đƣợc đặt ra là một trong những nhiệm vụ quan trọng và cấp bách của các cấp, các

ngành và toàn bộ xã hội. Việc phát hiện cháy rừng sớm là một trong những giải
pháp quan trọng và cấp thiết để góp phần nâng cao hiệu quả trong việc triển khai
thực hiện các công tác liên quan đến phòng cháy, chữa cháy rừng trên toàn quốc nói
chung và cho lực lƣợng kiểm lâm nói riêng.
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đặt ra trong việc nghiên cứu phƣơng pháp
phát hiện đám cháy rừng một cách nhanh chóng và chính xác là rất quan trọng trong
việc phòng cháy, chữa cháy rừng hiêu quả. Do đó, học viên chọn đè tài “Phát hiện
đám cháy rừng” để làm luận văn, hy vọng sẽ có đóng hóp tích cực về mặt lý luận
và thực tiễn trong công tác phát hiện đám cháy rừng.

Tổng quan về nghiên cứu:
Phát hiện đám cháy rừng là một trong những đề tài đƣợc rất nhiều nƣớc quan
tâm trên thế giới, và đã có nhiều phƣơng pháp đƣa ra để phát hiện đám cháy rừng
sớm có hiệu quả đƣợc áp dụng. Các phƣơng pháp đƣợc áp dụng đều đã đạt đƣợc
hiệu quả nhất định góp phần nâng cao hiệu quả của công tác phòng cháy, chữa cháy


2

rừng trên địa bàn. Từ những phƣơng pháp ban đầu nhƣ sử dụng các trạm quan sát
[11] bằng cách đặt ở vị trí thuận lợi và đƣợc quan sát bởi nhân viên. Sau này, khoa
học phát triển, nhiều phƣơng pháp đƣợc áp dụng từ xử lý hình ảnh đám cháy rừng
[15] [11] [4] [15] cho đến sử dụng các hệ thống cảm biến quang học [11] và mạng
cảm biến không dây [15]. Các phƣơng pháp đã đem lại nhiều lợi ích to lớn trong
việc phát hiện đám cháy rừng.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:
Trong phạm vi luận văn sẽ tập trung vào các đối tƣợng đó là các phƣơng
pháp xử lý hình ảnh, thuật toán xử lý hình ảnh. Hình ảnh đƣợc sử dụng là hình ảnh
đƣợc thu từ vệ tinh MODIS.

3

Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ PHÁT HIỆN ĐÁM CHÁY
RỪNG.
1.1. Tại sao cần phát hiện đám cháy rừng
1.1.1. Ý nghĩa phát hiện đám cháy rừng.
Rừng là một hệ sinh thái mà quần xã cây rừng giữ vai trò chủ đạo trong mối
quan hệ tƣơng tác giữa sinh vật với môi trƣờng. Rừng có vai trò rất quan trọng đối
với cuộc sống của con ngƣời cũng nhƣ môi trƣờng: cung cấp nguồn gỗ, củi, tạo ra
oxy, điều hòa nƣớc, là nơi cƣ trú động thực vật và tàng trữ các nguồn gen quý hiếm,
bảo vệ và ngăn chặn gió bão, chống xói mòn đất, đảm bảo cho sự sống, bảo vệ sức
khỏe của con ngƣời…
Sự quan hệ của rừng và cuộc sống đã trở thành một mối quan hệ hữu cơ.
Không có một dân tộc, một quốc gia nào không biết rõ vai trò quan trọng của rừng
trong cuộc sống. Tuy nhiên, ngày nay nhiều nơi con ngƣời đã không bảo vệ đƣợc
rừng, còn chặt phá bừa bãi làm cho tài nguyên rừng khó đƣợc phục hồi và ngày
càng bị cạn kiệt, nhiều nơi rừng không còn có thể tái sinh, đất trở thành đồi trọc, sa
mạc, nƣớc mƣa tạo thành những dòng lũ rửa trôi chất dinh dƣỡng, gây lũ lụt, sạt lở
cho vùng đồng bằng gây thiệt hại nhiều về tài sản, tính mạng ngƣời dân. Vai trò của
rừng trong việc bảo vệ môi trƣờng đang trở thành vấn đề thời sự và nhận đƣợc
nhiều sự quan tâm của toàn thế giới.
Nƣớc ta hiện nay có trên 12.3 triệu ha rừng, trong đó hơn một nửa là các loại
rừng dễ cháy. Chính vì vậy, công tác phòng cháy chữa cháy rừng (PCCCR) luôn
đƣợc đặt ra là một trong những nhiệm vụ quan trọng và cấp bách của các cấp, các
ngành và toàn bộ xã hội. Việc phát hiện cháy rừng sớm là một trong những giải
pháp quan trọng và cấp thiết để góp phần nâng cao hiệu quả trong triển khai thực
hiện công tác phòng cháy, chữa cháy rừng trên toàn quốc nói chung và cho lực
lƣợng kiểm lâm nói riêng.

4

Phát hiện đám cháy rừng sớm có ý nghĩa rất quan trọng trong thực tiễn cuộc
sống ngày nay. Đối với rừng, khi xảy ra cháy thì tốc độ cháy cũng nhƣ cháy lan
diễn ra rất là nhanh do điều kiện của rừng là nhiều cây cối, lá khô, gió lớn... Ngoài
ra, diện tích rừng lớn cũng gây rất nhiều khó khăn cho công tác bảo vệ rừng: bố trí
các vị trí trực gác, cũng nhƣ sử dụng các phần mềm theo dõi, ngoài ra việc bố trí
các thiết bị dùng để chữa cháy khi xảy ra cháy rừng cũng gặp nhiều khó khăn do
diện tích rừng rộng lớn cũng nhƣ địa hình khó di chuyển. Bởi vậy, chỉ cần một thời
gian cháy rất ngắn thôi có thể gây ra hậu quả rất lớn về mặt kinh tế xã hội, gây ô
nhiễm không khí, làm phá hỏng hệ thực vật rừng cũng nhƣ các tài nguyên quý giá
của rừng, ảnh hƣởng trực tiếp đến đời sống của con ngƣời đặc biệt là những vùng
lân cận rừng.
Do vậy, phòng cháy chữa cháy rừng luôn là một yêu cầu cấp thiết đƣợc đặt
ra cho mọi thành viên trong cộng đồng, từ các nhà hoạch định, nhà quản lý, các cơ
quan chuyên ngành đến các tầng lớp dân cƣ. Mỗi thành viên trong cộng đồng đều
phải nhận thức đƣợc tầm quan trọng của rừng đối với mọi mặt đời sống kinh tế - xã
hội, ảnh hƣởng trực tiếp tới cuộc sống và lợi ích của cá nhân; Qua đó nhận thức
đƣợc vai trò của bản thân với việc bảo vệ rừng, đặc biệt là công tác phòng cháy
chữa cháy rừng.

1.1.2. Phân loại cháy rừng
1.1.2.1. Cháy dƣới tán rừng (cháy trên bề mặt đất rừng)
Cháy dƣới tán rừng là những đám cháy mà ngọn lửa cháy lan tràn trên mặt
đất làm tiêu hủy một phần hoặc toàn bộ lớp thảm mục, cành khô, lá rụng, cỏ khô,
thảm tƣơi, cây bụi, cây tái sinh cháy sém vỏ và một phần nào đó ở gốc cây, rễ cây
nổi lên trên mặt đất và ở sát mặt đất.[1]
Cháy dƣới tán rừng là loại cháy thƣờng xảy ra nhiều nhất, lửa cháy lan

nhanh, nhƣng ngọn lửa nhỏ không vƣơn lên tán cây rừng, thƣờng là ở dƣới đoạn
phân cành. Sau khi cháy, mặt đất bị cháy trụi, trong rừng chủ yếu còn lại những loại


5

cây lớn. Căn cứ vào tốc độ cháy mà ngƣời ta chia ra cháy dƣới tán làm 2 loại: cháy
nhanh và cháy chậm ổn định.

Hình 1.1. Cháy dƣới tán rừng

1.1.2.2. Cháy tán rừng (cháy trên ngọn)
Cháy tán rừng là hình thức cháy đƣợc phát triển từ cháy dƣới tán cháy lên tán
rừng. Khi cháy dƣới tán ngọn lửa sẽ đốt nóng và sấy khô tán rừng sau đó cháy qua
các cây tái sinh, cây bụi rồi cháy lên tán rừng và ngọn lửa sẽ cháy lan từ tán sang
tán.
Cháy tán rừng thƣờng xuất hiện ở kiểu rừng có mật độ tán dày của những
loài cây có dầu, khi có gió mạnh và thời tiết nóng hạn kéo dài. Cháy tán có hai loại:
Cháy ổn định (cháy toàn bộ tán rừng) và cháy lƣớt nhanh,
Tốc độ của ngọn lửa trong các đám cháy tán có thể đạt đến 20 - 25 km/h.[1]


6

Hình 1.2. Cháy tán rừng

1.1.2.3. Cháy ngầm
Cháy ngầm là loại cháy mà ngọn lửa cháy lan tràn dƣới mặt đất làm tiêu hủy
lớp mùn, than bùn và tiêu hủy những vật liệu hữu cơ khác đã đƣợc tích luỹ dƣới lớp
đất mặt trong nhiều năm.

Mùn, than bùn và các chất hữu cơ đã đƣợc tích tụ lâu ngày trong quá trình
phát sinh, phát triển của rừng, bao gồm tầng thảm mục do cành khô, lá rụng, các
thân cây gẫy, đổ, tầng rễ cây đã chết ... Bị vùi lấp ở phía dƣới mặt đất. Ở Việt Nam
có thể gặp đƣợc lớp mùn và than bùn tƣơng đối điển hình dƣới các rừng Tràm ở
Kiên Giang, Cà Mau, Sóc Trăng, Long An, Đồng Tháp. Lớp thảm mục dày cũng có
thể gặp đƣợc ở một số trạng thái rừng mƣa ẩm thƣờng xanh núi cao phân bố trên
dãy Hoàng Liên Sơn ở Lào Cai, Yên Bái. Trong cháy ngầm, lửa có thể cháy lan
xuống ở các tầng hữu cơ nằm sâu từ 0,8 - 1m, thậm trí có thể sâu tới vài mét. Đặc
trƣng của hình thức cháy này là cháy chậm, cháy âm ỉ, mép cháy không có ngọn lửa
hoặc bùng cháy lên rất nhỏ mỗi khi có gió thổi, ít khói và thƣờng khó nhận thấy.
Cháy ngầm hay xảy ra ở các khu rừng Tràm vùng Tây Nam bộ.[1]


7

Hình 1.3. Cháy ngầm

Cháy ngầm không có ngọn lửa và ít khói nên khó phát hiện. Khi cháy lớp
mùn, than bùn và vật liệu hữu cơ dƣới đất, nói chung nhƣ mùn, rễ cây, động vật đất
và các vi sinh vật có thể bị tiêu hủy một phần hoặc hoàn toàn. Vì vậy, cũng làm chết
hầu hết cây rừng. Khi cháy ngầm ngọn lửa cháy lan chậm và cháy trong điều kiện
nhiệt độ rất cao, nên cháy lâu có khi tới vài tháng. Cháy ngầm có thể gây nguy cơ
cháy mặt đất và cháy tán rừng khi có gió thổi làm cho ngọn lửa cháy bùng lên. Dập
lửa cháy ngầm thƣờng sẽ khó khăn hơn nhiều so với các loại cháy khác và rất nguy
hiểm cho tính mạng của những ngƣời tham gia chữa cháy.
Về sự hình thành, cƣờng độ cháy rừng và sự phát triển các đám cháy thƣờng
rất khác nhau; vì nó phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, sự tích luỹ vật liệu cháy và
khả năng bắt lửa của nó, phụ thuộc vào loại đất, đặc điểm địa hình nơi đó... Việc
phân tích ảnh hƣởng các yếu tố khí hậu và thảm thực vật có ý nghĩa quan trọng
trong việc cảnh báo nguy cơ cháy rừng cũng nhƣ dự đoán đƣợc hƣớng phát triển,

quy mô đám cháy, từ đó có phƣơng án huy động lực lƣợng phƣơng tiện, đề ra
phƣơng pháp chữa cháy phù hợp.

1.2. Các nghiên cứu liên quan
1.2.1. Các nghiên cứu về phát hiện cháy rừng
Phát hiện đám cháy rừng là một trong những đề tài nhận đƣợc rất nhiều quan
tâm. Trên thực tế đã có nhiều phƣơng pháp đƣa ra để phát hiện đám cháy rừng sớm
đang đƣợc áp dụng.


8

Một trong những biện pháp đầu tiên đó là sử dụng các trạm quan sát [14] đặt
tại các vị trí thuận lợi về địa lý có thể quan sát đƣợc đám cháy rừng. Tuy nhiên, việc
sử dụng các trạm quan sát dƣới sự giám sát trực tiếp của con ngƣời thƣờng gặp phải
các hạn chế bởi sự mệt mỏi, không tập trung và có thể là vị trí địa lý ảnh hƣởng đến
việc quan sát đám cháy rừng.
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, có rất nhiều tiến bộ
trong các phƣơng pháp phát hiện cháy rừng: cụ thể là sử dụng công nghệ về xử lý
ảnh, video và sử dụng các loại cảm biến để phát hiện đám cháy rừng.
Xử lý ảnh: Chẳng hạn nghiên cứu của
Turgay Çelik et al [16], sử dụng hình ảnh về đám cháy đƣợc thu thập qua các
hệ thống camera giám sát hoặc từ các vệ tinh. Hình ảnh sẽ đƣợc xử lý để xác định
xem đó có phải là cháy hay không. Trong việc phát hiện đám cháy, Turgay Çelik et
al. xây dựng hệ thống đƣa ảnh đầu vào là hệ màu RGB sau đó hình ảnh đƣợc
chuyển sang hệ màu YcbCr và đƣợc phân đoạn. Các điểm ảnh thỏa mãn các quy tắc
thì sẽ đƣợc cho đó là điểm cháy. Hệ thống đƣợc thực nghiệm trên 332 ảnh và đƣa ra
kết quả phát hiện rất tốt. Sử dụng hệ màu YcbCr đƣa ra tỷ lệ phát hiện lửa là 99%
và tỷ lệ cảnh báo sai chỉ là 4,5%.Trong khi đó trong các nghiên cứu của Celik et al.
(sử dụng hệ màu RGB) [14] tỷ lệ phát hiện lửa chỉ là 78,5% và cảnh báo sai lên đến

28,21%.
Một nghiên cứu khác là Vipin V [14] đề xuất xây dựng hệ thống giám sát
cháy rừng. Hệ thống giám sát sẽ bao gồm 2 phần là Remote station và Control
station


9

Hình 1.4. Hệ thống giám sát rừng Vipin V

Dữ liệu ảnh đƣa vào hệ thống là ảnh hệ màu RGB sau đó đƣợc chuyển sang
hệ màu YcbCr

Các điểm ảnh sẽ đƣợc kiểm tra qua 7 luật đƣợc đề xuất để phát hiện xem có
phải là điểm cháy hay không. Kết quả của phƣơng pháp với tập dữ liệu trên 200 ảnh
đầu vào cho kết quả với hệ màu YcbCr là 99% tỷ lệ phát hiện lửa nhƣng có tới 14%
tỷ lệ cảnh báo sai.
Trong các nghiên cứu của Rui Chen et al [18] hình ảnh thu về từ các camera
giám sát rừng, hình ảnh ban đầu là hệ màu RGB sẽ đƣợc chuyển sang hệ màu
YcbCr và CIE LAB
Đối với hệ màu YcbCr:


10

Tác giả phân đoạn điểm lửa bằng cách sử dụng hàm

Trong đó Cb, Cr là các giá trị màu, SCr và SCb là độ lệch chuẩn. Cb, Cr
đƣợc tính theo công thức

Sau đó với mỗi điểm ảnh, so sánh f(Cb, Cr) với một ngƣỡng T, nếu lớn hơn
T thì cho đó là điểm cháy và ngƣợc lại, nhỏ hơn T sẽ không phải một điểm cháy.
Sau các tính toán thì tác giả cho kết quả là Cr= 0,24631; Cb= 0,682332; SCb2 =
0.0050133 và SCr2= 0.00414649.
Đối với hệ màu CIELAB:
+ Chuyển từ RGB sang XYZ:
X = (0.4124* R + 0.3576 * G + 0.1805 *B)/ 0.95047
Y= 0.2126 *R + 0.7152 * G + 0.0722 *B
Z= (0.0193 *R = 0.1192 *G + 0.9505 *B)/ 1.08883
+ Sau đó chuyển từ XYZ sang CIELAB:
Nếu (X > 0.008856) thì fx= pow(X,1/3) không thì fx= 7.787 * X = 16/116;


11

Nếu (Y > 0.008856) thì fy= pow(Y,1/3) không thì fx= 7.787 * Y = 16/116;
Nếu (Z > 0.008856) thì fz= pow(Z,1/3) không thì fz= 7.787 * Z = 16/116;
L*= (116 * fy -16)/100;
a*= (500 * (fx – fy) + 110) / 220;
b*= (500 * (fy – fz) + 110) / 220;
Sau đó sử dụng thuật toán Kmean để phân đoạn ảnh
Biểu đồ đƣợc Vipin V dùng để phân đoạn ảnh là

Hình 1.5. Biểu đồ phân đoạn


12

Từ đó sẽ đƣa ra kết quả là hình ảnh nào là hình ảnh cháy rừng để đƣa ra cảnh
báo. Kết quả cho thấy rằng sử dụng hệ màu YcbCr và không gian màu LAB cho kết

quả tốt hơn so với RGB.
Nghiên cứu của K.Angayarkkani et al sử dụng hình ảnh lấy từ các vệ tinh
[18] để phát hiện cháy rừng. Hình ảnh đƣợc chuyển sang hệ màu CIE XYZ sau đó
đƣợc phân đoạn, và cuối cùng hệ thống sử dụng mạng nơ ron nhân tạo Radial Basis
Function Neural Network để phát hiện cháy rừng. Các thử nghiệm đã chứng minh
đƣợc hiệu quả của phƣơng pháp này. Tuy nhiên, cũng có một số hạn chế khi sử
dụng ảnh từ vệ tinh đó là việc thời gian vệ tinh quét lâu cũng nhƣ độ phân giải thấp
của các hình ảnh vệ tinh [14] sẽ làm giảm độ chính xác của phát hiện cháy rừng
cũng nhƣ chi phí cao.
Theo [11] đƣa ra phƣơng pháp phát hiện đám cháy rừng bằng cách sử dụng
UAV (thiết bị bay không ngƣời lái). Phƣơng pháp sử dụng máy bay không ngƣời lái
thuận lợi dùng để phát hiện đám cháy rừng trên phạm vi lớn, với ƣu điểm nổi bật là
UAV có thể sử dụng linh hoạt trên những vùng hiểm trở, khó có thể quan sát bằng
các phƣơng pháp khác. Hệ thống đƣợc xây dựng bằng cách sử dụng các thiết bị
không ngƣời lái có gắn thêm các camera để ghi lại video quan sát sau đó truyền dữ
liệu về hệ thống qua giao thức TCP/IP. Ở đó đƣợc xây dựng phần mềm để phát hiện
đám cháy rừng và đƣa ra cảnh báo.
Trong [25] Kumarguru xây dựng hệ thống phát hiện cháy từ hình ảnh nhƣ
sau


13

Hình 1.6. Hệ thống phát hiện cháy Kumarguru

Trong đó hình ảnh đƣợc thu về có thể từ các camera giám sát. CCTV hoặc
các thiết bị không ngƣời lái. Qua các bƣớc, hình ảnh đƣợc xử lý chuyển từ hệ màu
RGB sang HSV và sử dụng phƣơng pháp phát hiện cạnh Sobel, sau đó hình ảnh
đƣợc phân đoạn bằng phƣơng pháp trích xuất vùng ảnh quan tâm ROI. Kết quả hệ
thống thử nghiệm với trên 50 ảnh cho ra kết quả chính xác đến hơn 90%.

Hệ thống cảm biến quang học: là sự kết hợp của máy ảnh kỹ thuật số, công
nghệ xử lý ảnh và các cảm biến để xây dựng hệ thống nhận diện và cảnh báo cháy
rừng sớm [14]. Hệ thống phổ biến đƣợc sử dụng trên nhiều nƣớc đó là FireWatch.
Hệ thống này đƣợc đặt trên các vị trí quan sát tốt, có thể phát hiện cháy cả ban ngày
cũng nhƣ ban đêm bằng công nghệ hồng ngoại, có bán kính quan sát từ 10 đến 15
km và có thể giám sát đƣợc 70.000 ha rừng chỉ bằng một cảm biến. Tuy nhiên, hệ
thống này khi triển khai thƣờng tốn nhiều chi phí.
Trong nghiên cứu của Sadiccha et al [5], một hệ thống đƣợc xây dựng kết
hợp giữa sử dụng máy ảnh kỹ thuật số và cảm biến để phát hiện lửa. Máy ảnh kỹ
thuật số có nhiệm vụ cung cấp hình ảnh để xử lý, ảnh đƣợc chuyển từ RGB sang
GREY và sau đó lại đƣợc chuyển tiếp sang dạng nhị phân để lấy ra những màu đặc


14

trƣng của cháy nhƣ đỏ, vàng... Kết hợp với các cảm biến khói và cảm biến nhiệt để
hệ thống đƣa ra đƣợc cảnh báo cháy tốt hơn ứng dụng cho hệ thống phát hiện cháy
tự động.
Mạng cảm biến không dây: Trong các nghiên cứu của Majid Bahrepour,
Nirvana Meratnia, Paul Havinga cho thấy các thông tin từ cảm biến có thể cung cấp
một giám sát cháy rừng toàn diện hơn (Nasipuri và Li 2002; Bagheri 2007) và với
độ phân giải không gian và thời gian tốt hơn [18]. Hơn nữa, các nút cảm biến có thể
đƣợc triển khai trong khu vực mà các tín hiệu vệ tinh có thể không có sẵn (Nasipuri
và Li 2002). Sử dụng các cảm biến nhƣ độ ẩm, nhiệt độ, khói và tốc độ gió để đƣa
ra các chỉ số phát hiện đám cháy rừng (FWI), từ các chỉ số đó sẽ đánh giá khả năng
cháy rừng hay không để đƣa ra cảnh báo. Bản chất đa cảm biến của kỹ thuật này
làm tăng khả năng phát hiện cháy với độ chính xác cao hơn và giảm báo động giả.

1.2.2. Các hệ thống giám sát cháy rừng hiện tại ở Việt Nam
1.2.2.1. Cảm biến không dây cảnh báo cháy rừng

Hệ thống cảm biến phát hiện cháy rừng Fire Watch đƣợc lắp thử nghiệm ở 3
khu vực Vƣờn Quốc gia Yok Đôn (Đăk Lăk), U Minh Hạ (Cà Mau) và huyện Lộc
Bình của Lạng Sơn. FireWatch là hệ thống giám sát từ xa kỹ thuật số trên mặt đất
dùng để quan trắc một vùng rừng rộng lớn và phân tích, tính toán và lƣu trữ dữ liệu
thu thập. FireWatch có thể tính toán và phân loại nhiều loại thông tin đầu vào và kết
nối với trạm trung tâm. Nguyên lý hoạt động của hệ thống là tự động phát hiện đám
khói. Xử lý dữ liệu trực tuyến trên đƣờng truyền sóng radio hay cáp tốc độ cao. Một
cảm biến có thể giám sát một diện tích rừng lớn tới 70.000 ha. Trong trƣờng hợp
phát hiện đám cháy, hệ thống sẽ tự động đƣa ra cảnh báo.


15

Hình 1.7.Tổng quan về hệ thống FireWatch

Hệ thống trên có nhiều ƣu điểm trong việc phát hiện và báo động cháy đặc
biệt là đám cháy vào ban đêm. Tuy nhiên phạm vi áp dụng giới hạn do chi phí giá
thành và khả năng thích hợp với điều kiện khí hậu tại Việt Nam.

1.2.2.2. Hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến tại cục Kiểm
lâm Việt Nam
Trạm thu ảnh vệ tinh TeraScan của Cục Kiểm lâm do công ty SeaSpace (Mỹ)
cung cấp đƣợc lắp đặt trên tầng thƣợng nhà A6-B tại trụ sở Bộ Nông nghiệp và Phát
triển Nông thôn (số 2 Ngọc Hà, Hà Nội). Đó là trạm thu và xử lý ảnh với giải tần XBand (TeraScan 2.4m LEO) bao gồm các thành phần dƣới đây:
-

Hệ thống Antenna (chảo thu) gồm 2.4m X-Band Antenna đặt trong vòm
cầu (radome) có đƣờng kính 3.2m (hình 4) và bộ điều khiển Antenna;

-

Module nhận dữ liệu (TeraScan® Data Acquisition Module) có bộ tiếp
nhận MODIS Receiver / Bit Synchronizer;

-

Server để xử lý số liệu (TeraScan® Data Processing Server);


16

-

Phần mềm nhận và xử lý số liệu (TeraScan® Data Acquisition and
Processing Software) gồm cả mô-đun Vulcan chuyên tính toán các điểm
cháy;

-

GPS/NTP Server;

Hình 1.8. Sơ đồ thu nhận và xử lý dữ liệu MODIS tại Cục kiểm lâm

Hiện tại, các sản phẩm mức 1b đang đƣợc Cục Kiểm lâm lƣu trữ và chỉ có
các kênh nhiệt 20, 22 và 31 cũng nhƣ sản phẩm mặt nạ (mask) mây phủ đƣợc sử
dụng để tính toán các điểm cháy – nhƣ đƣợc mô tả tại phần dƣới đây.

Hình 1.9. Sơ đồ thu nhận, xử lý dữ liệu và thông tin điểm cháy từ dữ liệu
MODIS