Tài liệu Xây dựng hệ thống thông tin hỗ trợ giám sát cháy rừng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM THANH TÙNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN HỖ TRỢ GIÁM SÁT CHÁY RỪNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội -2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM THANH TÙNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN HỖ TRỢ GIÁM SÁT 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. LÊ THANH HÀ TS. NGUYỄN THỊ NHẬT THANH Hà Nội -2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Lê Thanh Hà và Tiến sĩ Nguyễn Thị Nhật Thanh. Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Học viên Phạm Thanh Tùng 1 MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................4 DANH SÁCH CÁCHÌNH .............................................................................................5 DANH SÁCH CÁCBẢNG ............................................................................................6 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................7 MỞ ĐẦU .........................................................................................................................8 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................10 1.1. Các vấn đề liên quan đến rừng và cháy rừng.....................................................10 1.1.1. Đặc điểm chung.........................................................................................10 1.1.2. Phân chia kiểu trạng thái rừng ..................................................................11 1.1.3. Phân loại cháy rừng ...................................................................................12 1.1.4. Các điều kiện tự nhiên ảnh hưởng đến cháy rừng.....................................13 1.2. Dữ liệu sử dụng .....................................................................................................14 1.2.1. Dữ liệu điểm cháy vệ tinh .........................................................................14 1.2.2. Dữ liệu khí tượng trạm quan trắc ..............................................................18 1.2.3. Dữ liệu lượng mưa vệ tinh ........................................................................20 1.2.4. Dữ liệu lớp phủ rừng .................................................................................21 1.3. Các hệ thống giám sát cháy rừng đang đƣợc sử dụng tại Việt Nam ................21 1.3.1. Cảm biến không dây cảnh báo cháy rừng .................................................21 1.3.2. Hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến tại cục Kiểm lâm Việt Nam ......22 1.4. Cơ sở lý thuyết xây dựng hệ thống hỗ trợ giám sát cháy rừng.........................24 1.4.1. Khái niệm hệ thống thông tin địa lý GIS ..................................................24 1.4.2. Giới thiệu Web GIS...................................................................................24 1.4.3. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu PostgreSQL và PostGIS ...................................27 1.4.4. Google Maps API ......................................................................................29 CHƢƠNG 2. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG..............................................33 2.1. Đặc tả yêu cầu ngƣời sử dụng ..............................................................................33 2.1.1. Bài toán .....................................................................................................33 2.1.2. Mô hình tổng quát hệ thống ......................................................................33 2.1.3. Mô hình triển khai .....................................................................................34 2.1.4. Mô hình vai trò người dùng trong hệ thống ..............................................35 2.1.5. Mô tả quy trình nghiệp vụ .........................................................................35 2.1.6. Các yêu cầu chung về chức năng ..............................................................39 2.2. Thiết kế cấu trúc cơ sở dữ liệu .............................................................................41 2.2.1. Các loại dữ liệu sử dụng trong hệ thống ...................................................41 2.2.2. Dữ liệu lớp phủ rừng .................................................................................42 2.2.3. Dữ liệu điểm cháy .....................................................................................42 2.2.4. Dữ liệu khí tượng theo các trạm quan trắc khí tượng thủy văn ................42 2.2.5. Dữ liệu lượng mưa theo vệ tinh ................................................................ 43 2.3. Đặc tả ca sử dụng ..................................................................................................43 2 2.3.1. Biểu đồ ca sử dụng tổng quát ....................................................................43 2.3.2. Đặc tả ca sử dụng ......................................................................................43 CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ GIÁM SÁT CHÁY RỪNG ...52 3.1. Giới thiệu tổng thể hệ thống hỗ trợ giám sát cháy rừng ...................................52 3.1.1. Kết quả xây dựng hệ thống .......................................................................52 3.1.2. Giao diện trang Web hỗ trợ giám sát cháy rừng .......................................52 3.2. Các chức năng cơ bản của hệ thống ....................................................................54 3.2.1. Theo dõi cập nhật điểm cháy ....................................................................54 3.2.2. Thống kê điểm cháy theo các tiêu chí .......................................................55 3.2.3. Xem cảnh báo nguy cơ cháy rừng .............................................................55 3.3. Phân tích ảnh hƣởng của lƣợng mƣa đến cháy rừng ........................................56 3.3.1. Mối liên hệ giữa lượng mưa theo vệ tinh với cháy rừng ..........................56 3.3.2. Phân tích lượng mưa trung bình điểm cháy theo phân loại rừng ..............62 KẾT LUẬN ..................................................................................................................65 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................66 3 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT EOS Hệ thống quan sát trái đất PCCCR Phòng cháy chữa cháy rừng Terra Một loại vệ tinh mang theo cảm biến MODIS Aqua Một loại vệ tinh mang theo cảm biến MODIS MODIS Một loại cảm biến có độ phân giải trung bình. NASA Cơ quan hàng khu vũ trụ quốc gia Mỹ GLCF Cơ sở nghiên cứu lớp phủ toàn cầu IMAPP Gói xử lý MODIS/AIS quốc tế PNG Một loại định dạng ảnh JPG Một loại định dạng ảnh GEOTIFF Một loại định dạng ảnh MOD Tiền tố tên file sản phẩm của cảm biến MODIS được gắn trên vệ tinh Terra QTHT Quản trị hệ thống 4 DANH SÁCH CÁCHÌNH Chƣơng 1 Hình 1.1. Bản đồ lớp phủ rừng khu vực miền Bắc năm 2006 .......................................11 Hình 1.2. Bản đồ lớp phủ rừng khu vực Bắc Trung Bộ năm 2006 ...............................11 Hình 1.3. Cháy dưới tán với ngọn lửa cháy lan trên bề mặt đất....................................12 Hình 1.4. Cháy tán diễn ra với ngọn lửa lan nhanh trên tán rừng .................................12 Hình 1.5. Cháy ngầm trong lớp than bùn và thảm mục sâu dưới mặt đất rừng ............12 Hình 1.6. Tổng quan về hệ thống FireWatch ................................................................ 22 Hình 1.7. Sơ đồ thu nhận, xử lý dữ liệu và thông tin điểm cháy từ dữ liệu MODIS ....23 Hình 1.8. Các điểm cháy ngày 29/09/2014 ...................................................................23 Hình 1.9. Mô hình WebGIS Server ...............................................................................25 Hình 1.10. Mô hình WebGIS Client ..............................................................................26 Hình 1.11. Mô hình tương tác giữa WebGIS Server và WebGIS Client ......................27 Chƣơng 2 Hình 2.1. Mô hình tổng quát hệ thống...........................................................................34 Hình 2.2. Mô hình triển khai hệ thống ..........................................................................34 Hình 2.3. Biểu đồ ca tổng quát ......................................................................................43 Chƣơng 3 Hình 3.1. Giao diện tổng quát hệ thống.........................................................................53 Hình 3.2. Hiển thị điểm cháy và các trạm khí tượng ....................................................53 Hình 3.3. Vị trí điểm cháy và trạm quan trắc khí tượng thủy văn.................................54 Hình 3.4. Các điểm cháy ngày 2, 3 tháng 3/2013 miền Nam trung Bộ ........................54 Hình 3.5. Lọc tạo báo cáo thống kê ...............................................................................55 Hình 3.6. Bản đồ tô màu mức nguy hiểm cháy .............................................................55 Hình 3.7. Điểm cháy và lượng mưa trong năm 2008 ....................................................56 Hình 3.7. Điểm cháy rừng và lượng mưa trong năm 2009 ...........................................57 Hình 3.8. Lượng mưa trước khi cháy ............................................................................58 Hình 3.9. Quan hệ giữa lượng mưa và số điểm cháy năm 2008 ...................................59 Hình 3.10. Quan hệ giữa lượng mưa và số điểm cháy năm 2009 .................................59 Hình 3.11. Quan hệ giữa lượng mưa và số điểm cháy năm 2010 .................................60 Hình 3 12. Quan hệ giữa lượng mưa và số điểm cháy năm 2011 .................................60 Hình 3.13. Quan hệ giữa lượng mưa và số điểm cháy năm 2012 .................................61 Hình 3.14. Quan hệ giữa lượng mưa và số điểm cháy năm 2013 .................................61 5 DANH SÁCH CÁCBẢNG Chƣơng 1 Bảng 1.1. Tình hình cháy rừng 2008-2012....................................................................10 Bảng 1.2. Một số thông số về các kênh phổ của ảnh MODIS.......................................15 Bảng 1.3. Cấu trúc dữ liệu các điểm nhiệt ....................................................................17 Bảng 1.4. Các điểm nhiệt tại khu vực Đông Nam Á ngày 10/6/2013 ...........................17 Bảng 1.5. Các trạm quan trắc khí tượng ........................................................................18 Bảng 1.6. Cấu trúc dữ liệu lượng mưa TRMM .............................................................20 Chƣơng 2 Bảng 2.1. Các module cập nhật dữ liệu .........................................................................33 Bảng 2.2. Các loại dữ liệu sử dụng trong hệ thống .......................................................41 Bảng 2.3. Nguồn các loại dữ liệu dùng trong hệ thống .................................................41 Chƣơng 3 Bảng 3.1. Số lượng điểm cháy theo từng loại rừng .......................................................62 Bảng 3.2. Tổng lượng mưa 20 ngày trước khi cháy đối với từng loại rừng .................62 6 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến TS. Lê Thanh Hà, TS. Nguyễn Thị Nhật Thanh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện tốt cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô cùng các thành viên Trung tâm Công nghệ tích hợp liên ngành Giám sát hiện trường (FIMO center), trường Đại học Công nghệ đặc biệt là nhóm nghiên cứu về cháy rừng đã giúp đỡ, góp ý, chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm cho tôi trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn ban Giám hiệu Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, các quý thầy cô đã tận tình truyền dạy kiến thức cho tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại trường. Cuối cùng, con vô cùng biết ơn sự giúp đỡ, động viên của gia đình giúp con hoàn thành khóa luận. 7 MỞ ĐẦU Theo thống kê năm 2006, Việt Nam có trên 11,8 triệu ha rừng (độ che phủ tương ứng là 35,8%), với 9,8 triệu ha rừng tự nhiên và 2 triệu ha rừng trồng [4]. Trong những năm gần đây diện tích rừng tăng lên, nhưng chất lượng rừng lại có chiều hướng suy giảm, rừng nguyên sinh chỉ còn khoảng 7%, trong khi rừng thứ sinh nghèo kiệt chiếm gần 70% tổng diện tích rừng trong cả nước, đây là loại rừng rất dễ xảy ra cháy, hiện nay, Việt Nam có khoảng 6 triệu ha rừng dễ cháy, bao gồm rừng thông, rừng tràm, rừng tre nứa, rừng bạch đàn, rừng khộp, rừng non khoanh nuôi tái sinh tự nhiên và rừng đặc sản....cùng với diện tích rừng dễ xảy ra cháy tăng thêm hàng năm, thì tình hình diễn biến thời tiết ngày càng phức tạp và khó lường ở Việt Nam đang làm nguy cơ tiềm ẩn về cháy rừng và cháy lớn ngày càng nghiêm trọng. Việc phát hiện cháy dựa trên dữ liệu vệ tinh có ý nghĩa quan trọng trong công tác phòng cháy chữa cháy rừng nhằm phát hiện cháy sớm, chữa cháy kịp thời nhằm giảm thiểu thiệt hại do cháy gây ra. Hiện nay, có một số hệ thống giám sát cháy rừng như hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến của cục Kiểm lâm, hệ thống giám sát cháy rừng toàn cầu Global Forest Watch Fires [6]. Các hệ thống trên thực hiện chức năng chính là theo dõi phát hiện các điểm cháy dựa trên dữ liệu vệ tinh MODIS nhưng chỉ dừng ở hiển thị các điểm cháy mà chưa kết hợp với dữ liệu liên quan khác như loại rừng, độ ẩm, nhiệt độ, mưa. Các công cụ đi kèm nhằm hỗ trợ thống kê báo cáo còn thiếu và yếu. Từ thực tế trên, cần thiết xây dựng một hệ thống tự động cập nhật dữ liệu điểm cháy rừng và các dữ liệu khác phục vụ công việc giám sát, phát hiện cháy sớm đồng thời cung cấp thông số địa lý điểm cháy, đặc tính nguy hiểm cháy theo loại rừng, điều kiện thời tiết giúp cho phương án chữa cháy hiệu quả hơn. Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể phát triển để phục vụ công tác nghiên cứu, phân tích, thống kê về thực trạng cháy rừng cũng như ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết từ đó có thể đưa ra các mức cảnh báo nguy cơ cháy rừng ngắn hạn và dài hạn. 1) Mục tiêu:Luận văn nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát cháy rừng dựa trên dữ liệu vệ tinh nhằm cập nhật, hiển thị dữ liệu điểm cháy và một số dữ liệu khác có liên quan phục vụ cho việc giám sát, cảnh báo cháy rừng cũng như công tác thống kê, nghiên cứu khoa học. 2) Nhiệm vụ nghiên cứu: - Nghiên cứu, phân tích cấu trúc dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS và một số dữ liệu sản phẩm liên quan đến cháy rừng, dữ liệu khí tượng; - Xây dựng công cụ cập nhật dữ liệu tự động; - Xây dựng ứng dụng WebGIS cung cấp thông tin giám sát cháy rừng. 3) Dữ liệu và phạm vi nghiên cứu: - Dữ liệu nghiên cứu: Dữ liệu điểm cháy vệ tinh MODIS, dữ liệu khí tượng thủy văn, dữ liệu thảm thực vật, bản đồ nền Google Maps. 8 - Phạm vi nghiên cứu: Dữ liệu phân tích trong 6 năm từ 2008-2013, trong phạm vi lãnh thổ Việt Nam. 4) Kết quả nghiên cứu: - Hệ thống hỗ trợ giám sát cháy rừng; - Báo cáo luận văn; - Một số kết quả phân tích mối tương quan giữa cháy rừng và lượng mưa. 5) Nội dung báo cáo luận văn Ngoài phần mở đầu, lời cám ơn, các phụ lục và tài liệu tham khảo, luận văn bao gồm 3 chương như sau: Chương 1. Tổng quan: giới thiệu chung về vấn đề cháy rừng, các loại dữ liệu sử dụng trong hệ thống, các hệ thống giám sát cháy rừng đang sử dụng. Trong chương 1 cũng trình bày cơ sở lý thuyết nền tảng thông tin địa lý, kỹ thuật WebGIS, hệ quản trị cơ sở dữ liệu PostgreSQL/PostGIS được dùng để xây dựng hệ thống giám sát cháy rừng. Chương 2. Phân tích thiết kế hệ thống: Phân tích hệ thống về chức năng và đặc tả yêu cầu người dùng, thiết kế dữ liệu và các use case. Chương 3. Ứng dụng trong cảnh báo cháy rừng: trình bày các ứng dụng của hệ thống hỗ trợ giám sát cháy rừng theo 3 khía cạnh: theo dõi cháy rừng, nghiên phân tích ảnh hưởng lượng mưa đến cháy rừng, dùng dữ liệu của hệ thống trong dự báo nguy cơ cháy rừng theo hàm hồi quy nhiều chiều. 9 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Trong phần tổng quan dưới đây, tác giả trình bày về các vấn đề liên quan đến cháy rừng, ảnh hưởng của đặc tính rừng và các thông số khí tượng đến nguy cơ xảy ra cháy rừng tại Việt Nam. Tác giả cũng đã tìm hiểu về dữ liệu điểm cháy theo vệ tinh MODIS và các hệ thống giám sát cháy rừng hiện tại đang sử dụng dữ liệu vệ tinh, phân tích các ưu và nhược điểm của các hệ thống này. Từ những kết quả trên luận văn đề xuất xây dựng một hệ thống hỗ trợ giám sát cháy rừng dựa trên công nghệ WebGIS, bản đồ nền Google Maps. 1.1. Các vấn đề liên quan đến rừng và cháy rừng 1.1.1. Đặc điểm chung Trong vài thập kỷ qua, trung bình mỗi năm Việt Nam mất đi hàng chục ngàn ha rừng, trong đó mất do cháy rừng khoảng 16.000ha. Theo số liệu thống kê chưa đầy đủ về cháy rừng và thiệt hại do cháy rừng gây ra trong vòng 40 năm (1963 - 2002) của Cục Kiểm lâm; tổng số vụ cháy rừng là trên 47.000 vụ, diện tích thiệt hại trên 633.000 ha rừng (chủ yếu là rừng non), trong đó có 262.325 ha rừng trồng và 376.160 ha rừng tự nhiên. Thiệt hại ước tính mất hàng trăm tỷ đồng mỗi năm, đó là chưa kể đến những ảnh hưởng xấu về môi trường sống, cùng những thiệt hại do làm tăng lũ lụt ở vùng hạ lưu mà chúng ta chưa định lượng được và làm giảm tính đa dạng sinh học, phá vỡ cảnh quan; tác động xấu đến an ninh quốc phòng....Ngoài ra, cháy rừng còn gây tổn hại đến tính mạng và tài sản của con người [4]. Theo thống kê của Cục Kiểm lâm, tình hình cháy rừng ở nước ta trong thời gian 5 năm gần đây (bảng 1.1) trên địa bàn cả nước ta cho thấy bình quân mỗi năm lửa rừng thiêu trụi trên 1500 ha rừng các loại. Bảng 1.1. Tình hình cháy rừng 2008-2012 STT Năm Số vụ cháy 1 2 3 4 5 2008 2009 2010 2011 2012 282 342 897 241 312 Diện tích rừng cháy (ha) Tổng Rừng tự nhiên Rừng trồng 1549.74 1560.5 5668,61 1744.98 1.324,88 61.37 195.22 1957,8 41.71 315.23 1488.37 1365.28 3710,8 1703.27 1024.17 Diễn biến cháy rừng trong những năm vừa qua hết sức phức tạp, khó lường. Để giảm nguy cơ cháy rừng cần có các giải pháp đồng bộ từ tuyên truyền tầm quan trọng của việc bảo vệ rừng đến các giải pháp kỹ thuật, khoa học trong PCCCR. Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân tự nhiên, con người, cháy rừng là điều không thể tránh khỏi. Phát hiện cháy sớm, chữa cháy kịp thời cũng là giải pháp quan trọng nhằm bảo vệ rừng, giảm thiệt hại khi có cháy rừng xảy ra. 10 1.1.2. Phân chia kiểu trạng thái rừng Đối với các kiểu rừng gỗ lá rộng thường xanh và nửa rụng lá áp dụng hệ thống phân chia theo bốn nhóm trạng thái I, II, III, IV. Trong các nhóm có các kiểu, trong các kiểu có các kiểu phụ. Trong đó nhóm I là đất chưa có rừng; nhóm II là rừng phục hồi; nhóm III là rừng thứ sinh và đã bị tác động; nhóm IV là rừng nguyên sinh, rừng ổn định. Theo kết quả điều tra năm 2006, lớp phủ rừng được biểu diễn trên bản đồ như hình 1.1 (khu vực miền Bắc), hình 1.2 ( Khu vực Bắc Trung Bộ). Đặc tính của từng nhóm rừng khác nhau về loại cây, mật độ phân bố, dẫn đến tính chất nguy hiểm cháy của từng loại rừng cũng khác nhau. Điều này cần xem xét khi tính toán dự báo nguy cơ cháy rừng và xây dựng phương án phòng cháy chữa cháy. Hình 1.1. Bản đồ lớp phủ rừng khu vực miền Bắc năm 2006 Hình 1.2. Bản đồ lớp phủ rừng khu vực Bắc Trung Bộ năm 2006 11 1.1.3. Phân loại cháy rừng  Cháy dƣới tán rừng(cháy trên bề mặt đất rừng): Cháy dưới tán rừng (hình 1.3) là những đám cháy mà ngọn lửa cháy lan tràn trên mặt đất làm tiêu hủy một phần hoặc toàn bộ lớp thảm mục, cành khô, lá rụng, cỏ khô, thảm tươi, cây bụi, cây tái sinh cháy sém vỏ và một phần nào đó ở gốc cây, rễ cây nổi lên trên bề mặt đất và ở sát với mặt đất. Hình 1.3. Cháy dưới tán với ngọn lửa cháy lan trên bề mặt đất  Cháy tán rừng (cháy trên ngọn): Cháy tán rừng (hình 1.4) là hình thức cháy được phát triển từ cháy dưới tán cháy lên tán rừng. Khi cháy dưới 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. Hình 1.4. Cháy tán diễn ra với ngọn lửa lan nhanh trên tán rừng  Cháy ngầm: Cháy ngầm (hình 1.5) là loại cháy mà ngọn lửa cháy lan tràn dưới mặt đất làm tiêu hủy lớp mùn, than bùn và tiêu hủy những vật liệu hữu cơ khác đã được tích luỹ dưới lớp đất mặt trong nhiều năm. Hình 1.5. Cháy ngầm trong lớp than bùn và thảm mục sâu dưới mặt đất rừng 12 Về sự hình thành, cường độ cháy rừng và hướng phát triển của các đám cháy rừng thường rất khác nhau; vì nó phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, sự tích luỹ vật liệu cháy và khả năng bắt lửa của vật liệu, phụ thuộc vào loại đất, đặc điểm địa hình nơi đó... Việc phân tích ảnh hưởng các yếu tố khí hậu và thảm thực vật có ý nghĩa quan trọng trong việc cảnh báo nguy cơ cháy rừng cũng như dự đoán được hướng phát triển, quy mô đám cháy, từ đó có phương án huy động lực lượng phương tiện, đề ra phương pháp chữa cháy phù hợp. 1.1.4. Các điều kiện tự nhiên ảnh hƣởng đến cháy rừng a. Thời tiết và các nhân tố khí tƣợng Thời tiết và các nhân tố khí tượng là tác nhân đến sự hình thành và phát triển của một đám cháy rừng. Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới cháy rừng và dự báo cháy rừng như sau: - Nhiệt độ: là yếu tố gây ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cháy rừng, làm khô, nỏ vật liệu cháy, làm độ ẩm không khí giảm và mặt đất nóng lên. Vai trò của nhiệt độ ảnh hưởng tới các mặt sau: + Nhiệt độ rút ngắn quá trình khô của vật liệu cháy; + Làm nóng và khô nhanh mặt đất kéo theo lớp không khí sát mặt đất nóng lên bằng các phương thức truyền nhiệt khác nhau. Như vậy nhiệt độ bao gồm hai thành phần là nhiệt độ không khí và nhiệt độ mặt đất. Trong một ngày nhiệt độ đạt cực đại vào lúc 12 – 13 giờ, từ 13 – 17 giờ là thời gian khô nhất trong ngày, vì vậy trong thời gian này thường xảy ra cháy rừng. - Độ ẩm: ảnh hưởng hoặc tích cực hoặc tiêu cực đến quá trình cháy rừng. Độ ẩm càng cao thì độ ẩm vật liệu cháy càng cao, càng khó gây cháy và ngược lại. Độ ẩm thể hiện ở 3 loại sau: + Độ ẩm không khí: Nhìn chung độ ẩm không khí ở các vùng rừng núi cao hơn bên ngoài do sự thoát hơi nước của sinh vật trong quá trình hoạt động sinh lý và do đất rừng bốc hơi nước, mặt khác do giới hạn bởi tán rừng nên khó thoát ra ngoài. + Độ ẩm vật liệu cháy: Ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng bén lửa + Độ ẩm đất: Độ ẩm này được tạo thành bởi lượng nước mưa đọng lại trên mặt đất rừng, lượng nước thực tại trong tầng đất và lượng nước ngầm. - Mƣa: mưa làm tăng độ ẩm của vật liệu cháy. Ở Việt nam, khi mưa nhỏ hơn 5mm thì vậy liệu cháy sẽ khô, và nguy cơ cháy rừng có thể xảy ra. Mưa trên 5mm thì ít có nguy cơ cháy rừng. - Gió: Là nhân tố ảnh hưởng rất nhiều đến cháy rừng, gió thúc đẩy làm khô vật liệu cháy; làm bùng phát đám cháy ảnh hưởng đến hướng và làm nhanh tốc độ lan tràn đám cháy lên rất nhiều lần. 13 b. Điều kiện địa hình - Địa hình ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến cháy rừng và liên quan trực tiếp đến sự phát triển của đám cháy; tác động ngăn chặn hệ thống gió, hình thành khu vực tiểu khí hậu khác nhau tạo ra các khu vực thường xuyên có mưa hoặc khu vực khô hạn. - Độ cao địa hình thường khô hạn kéo dài, nắng nhiều và dao động nhiệt độ lớn hơn rất nhiều so với thấp; ở sườn dốc do khác hướng phơi nên năng lượng nhận được là khác nhau, sườn dốc còn tạo điều kiện thuận lợi cho các dòng đối lưu phát triển mạnh so với các vùng khác. Ngoài ra các loại gió có sự điều chỉnh của địa hình đối với hệ thống gió chính có thể làm tăng tốc độ. Các điều kiện địa hình tạo ra có ảnh hưởng trực tiếp đến điều kiện bốc hơi nước của vật liệu cháy hoặc chi phối quy mô, tốc độ lan tràn các đám cháy rừng. c. Kiểu rừng và loại thực bì - Kiểu rừng và loại thực bì có liên quan trực tiếp đến nguồn vật liệu cháy, tính chất và khối lượng của vật liệu cháy do đặc điểm của kiểu rừng và loại thực bì quyết định, từ đó dẫn đến tính dễ bắt lửa và quy mô đám cháy. - Ở các loại rừng Thông, Tràm, Bạch đàn, rừng Khộp thuần loài sản phẩm rơi rụng là những cành lá, hoa quả, vỏ và thân cây, những loại này thường có nhựa hoặc tinh dầu nên rất dễ bắt lửa và cháy đượm. Những khu rừng tre, nứa thuần loài hoặc chiếm ưu thế, cành nhánh khô nhiều và hiện tượng chết hàng loạt, vì vậy vật liệu cháy là rất lớn. Một số loại rừng rụng lá theo mùa cũng là nguồn vật liệu tiềm ẩn gây ra nhũng vụ cháy lớn. 1.2. Dữ liệu sử dụng 1.2.1. Dữ liệu điểm cháy vệ tinh a. Giới thiệu dữ liệu vệ tinh MODIS MODIS là bộ cảm đặt trên vệ tinh TERRA được phóng vào quỹ đạo tháng 12/1999 và vệ tinh AQUA được phóng vào quỹ đạo tháng 5/2002 với mục đích quan trắc, theo dõi các thông tin về mặt đất, đại dương và khí quyển trên phạm vi toàn cầu. Các ứng dụng tiêu biểu có thể kể đến là: nghiên cứu khí quyển, mây, thời tiết, lớp phủ thực vật, biến động về nông nghiệp và lâm nghiệp, cháy rừng, nhiệt độ mặt nước biển, màu nước biển, v.v. Tại Việt Nam, việc kết hợp thông tin đa kênh phổ và đa thời gian của dữ liệu MODIS cho phép giám sát dài hạn một cách hiệu quả sự thay đổi của lớp phủ thực vật, theo dõi mức khô hạn nhiệt độ - thực vật và theo dõi hiện tượng đảo nhiệt. Một trong các sản phẩm quan trọng là dữ liệu cháy rừng được ứng dụng trong nghiên cứu phát hiện cảnh báo các đám cháy rừng [9]. Dữ liệu ảnh MODIS thu được từ vệ tinh TERRA và AQUA bao gồm 36 kênh trong các dải phổ nhìn thấy, hồng ngoại gần và sóng ngắn và kênh nhiệt với độ phân 14 giải không gian từ 250 m, 500m và 1000 m. MODIS có chu kỳ chụp lặp lại cao và trong một ngày đêm có thể thu nhận được 2 ảnh ban ngày và 2 ảnh ban đêm đối với mọi vùng trên trái đất. Đặc tính chụp phủ vùng rộng lớn, độ phân giải thời gian cao cộng với nhiều kênh thiết kế chuyên để tính hiệu chỉnh ảnh hưởng khí quyển đã làm tăng khả năng sử dụng ảnh MODIS trong nghiên cứu những vùng nhiệt đới nhiều mây. Để phục vụ cho nghiên cứu này, tư liệu ảnh MODIS MOD14 trong 6 năm 2008-2013 được thu thập từ. Dữ liệu này đã được tiền xử lý như hiệu chỉnh ảnh hưởng khí quyển và nắn chỉnh hình học sử dụng phần mềm chuyên dụng IMAPP của Trường Đại học Wisconsin và lưu trữ tại Viện Khoa học Công nghiệp, Đại học tổng hợp Tokyo [9]. Dữ liệu của ảnh MODIS bao gồm các loại sau: - Dữ liệu nghiên cứu mây. - Nồng độ tầng đối lưu và đặc tính quang. - 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. - 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 ngàyvà 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 giải sóng nhìn thấy và hồng ngoại gần. - Nồng độ chlorophyl a (với35%) từ 0,05 đến 50mg/m3 cho nước. - Huỳnh quang chlorophyl (50%) bề mặt với nồng độ 0,5mg/m3 của chlorophyla. Ảnh MODIS có độ phân giải từ 250 m đến 1000 m tùy theo mỗi loại kênh phổ (bảng 1.2). Mỗi loại kênh phổ có ứng dụng nhất định trong việc trong công tác nghiên cứu. Các ảnh cơ bản này sau khi phân tích cho các ảnh, sản phẩm ở mức cao hơn như MOD 02,03..07 [1]. Bảng 1.2. Một số thông số về các kênh phổ của ảnh MODIS Kênh phổ 1 Bước sóng (µm) 0,620-0,670 Độ phân giải Không gian (m) Lưu trữ (bit) 250 12 15 Ứng dụng Khoang ranh giới 2 0,841-0,876 250 12 3 0,459-0,479 500 12 4 0,545-0,565 500 12 5 1,230-1,250 500 12 6 1,628-1,652 500 12 7 2,105-2,155 500 12 8 0,405-0,420 1000 12 9 0,438-0,448 1000 12 10 0,493-0,493 1000 12 11 0,526-0,536 1000 12 12 0,546-0,556 1000 12 13 0,662-0,672 1000 12 14 0,673-0,683 1000 12 15 0,743-0,753 1000 12 16 0,862-0,877 1000 12 17 0,890-0,920 1000 12 18 0,931-0,941 1000 12 19 0,915-0,965 1000 12 20 3,66-3,84 1000 12 21 3,929-3,989 1000 12 22 4,020-4,080 1000 12 23 4,433-4,498 1000 12 24 4,482-4,549 1000 12 Đo nhiệt độ khí quyển 25 1,36-1,39 1000 12 Mây ti 26 6,853-6,895 1000 12 27 7,175-7,495 1000 12 28 8,4-8,7 1000 12 29 9,58-9,88 1000 12 30 9,58-9,88 1000 12 Nghiên cứu về tầng O3 31 10,78-11,28 1000 12 32 11,77-12,27 1000 12 Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt/mây 33 13,185-13,485 1000 12 Nghiên cứu mây ở vĩ độ cao 34 13,485-13,785 1000 12 16 Mây/đất Nghiên cứu đặc tính đất/mây Nghiên cứu về màu nước biển, phytopkankton, sinh địa hóa học Nghiên cứu về hơi nước khí quyển Đo nhiệt độ bề mặt/ mây Nghiên cứu về hơi nước trong khí quyển b. Cấu trúc dữ liệu điểm cháy MOD14 Trong các sản phẩm MODIS phân giải mức cao có dữ liệu Active Fire (MOD 14) chứa thông tin về các điểm nhiệt (hotspot) có nhiều khả năng là các điểm cháy rừng. Dữ liệu về các điểm nhiệt được cung cấp miễn phí dưới dạng file CSV, KML, SHP trên hệ thống máy chủ NASA có cấu trúc các trường dữ liệu như bảng 1.3. Trong bảng 1.4 là danh sách các điểm nhiệt tại khu vực Đông Nam Á ngày 10/6/2013. Bảng 1.3. Cấu trúc dữ liệu các điểm nhiệt STT Tên trường Kiể u dữ liê ̣u Mô tả 1 gid integer Mã 2 latitude numeric Vĩ độ của điểm cháy 3 longitude numeric Kinh độ của điểm cháy 4 brightness numeric Nhiệt độ sang 5 scan numeric Tọa độ trong đường quét ngang 6 track numeric Tọa độ dọc theo đường đi của vệ tinh 7 acq_date date Ngày thu dữ liệu cháy 8 acq_time time Thời gian thu dữ liệu cháy 9 satellite character (1) Tên loại vệ tinh (Aqua hoặc Tera) 10 confidence integer Độ tin cậy của điểm cháy (%) 11 version character (10) Phiên bản thuật toán (Ví dụ: 5.1, 6.1..) Bảng 1.4. Các điểm nhiệt tại khu vực Đông Nam Á ngày 10/6/2013 latitude longitude brightness track -8.336 -8.338 -11.414 -11.416 2.798 0.907 1.861 1.843 1.775 1.109 1.482 1.059 1.35 121.701 121.713 130.508 130.502 103.488 108.994 101.163 101.093 101.184 104.068 101.416 104.035 101.507 322.2 319.1 314.3 310.2 313.3 312.9 313.4 317.6 313.3 316.2 316.1 313.8 312.6 1.2 1.1 1.4 1.4 1 1.5 1 1 1 1 1 1 1 acq_ date 6/10/2013 6/10/2013 6/10/2013 6/10/2013 6/10/2013 6/10/2013 6/10/2013 6/10/2013 6/10/2013 6/10/2013 6/10/2013 6/10/2013 6/10/2013 17 confidence 0 67 61 31 43 43 58 36 32 11 63 44 45 bright _t31 297.7 297.1 297.1 296.3 293.9 293.1 295.3 297.2 294.5 294.5 295.5 295.8 291.7 frp 31.7 25.6 29.3 17.7 6.3 25.3 10 10.4 9.1 9.1 11.5 9.6 8.5 1.359 1.32 1.302 0.714 100.82 101.02 101.017 104.241 321.8 321 326.4 313.7 1 1 1 1 6/10/2013 6/10/2013 6/10/2013 6/10/2013 61 39 71 59 291.3 298.2 296.5 296.9 21.5 10.5 18.5 10 Tác giả đã tiến hành xây dựng module tự động truy cập và tải dữ liệu các điểm cháy trong năm 2008-2013 từ máy chủ dữ liệu NASA. Đồng thời tách lọc dữ liệu các điểm cháy nằm trong phạm vi rừng trên lãnh thổ Việt Nam vào cơ sở dữ liệu phục vụ cho việc hiển thị và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng, tính chất rừng đối với các điểm cháy này. 1.2.2. Dữ liệu khí tƣợng trạm quan trắc a. Giới thiệu dữ liệu khí tƣợng trạm quan trắc Số liệu khí tượng (nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa tích lũy) tại một số trạm quan trắc của Việt Nam được sử dụng để xác định tương đối thông số khí tượng tại các điểm cháy rừng gần nhất. Số liệu tại các trạm tổng hợp trong thời gian dài, tuy nhiên về cơ bản dữ liệu được nghiên cứu là từ năm 2008 đến năm 2013. Những số liệu khuyết được mã hóa bằng giá trị -99.0. Số trạm được nghiên cứu tương ứng với 7 vùng khí hậu cụ thể như sau (bảng 1.5): Bảng 1.5. Các trạm quan trắc khí tượng TT Tên trạm Kinh độ Vĩ độ Độ cao TT Tên trạm Kinh độ Vĩ độ Độ cao Vùng Tây Bắc (B1) 1 Lai Châu 103.150 22.067 243.2 4 Yên Châu 104.300 21.050 2 Điện Biên 103.000 21.367 475.1 5 Mộc Châu 104.683 20.833 972.0 3 Sơn La 103.900 21.333 675.3 6 Mai Châu 105.050 20.650 165.0 Vùng Đông Bắc (B2) 1 Sa Pa 103.817 22.350 1584.2 6 Bãi Cháy 107.067 20.967 37.9 2 Hà Giang 104.967 22.817 117.0 7 Thái Nguyên 105.833 21.600 35.3 3 Bắc Quang 104.50 22.290 8 Cô Tô 107.767 20.983 70.0 4 Yên Bái 104.867 21.700 55.6 9 Tuyên Quang 105.217 21.817 40.8 5 Lạng Sơn 106.767 21.833 257.9 10 Cao Bằng 106.250 22.667 244.1 Vùng Đồng bằng Bắc Bộ (B3) 1 Hà Nội 2 Phủ Liễn 3 Nam Định 21.017 6.0 6 Hòa Bình 105.333 20.817 22.7 106.633 20.800 112.4 7 Thái Bình 106.383 20.417 1.9 106.150 20.433 1.9 8 Vĩnh Yên 105.600 21.317 10.0 105.800 18