ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẶNG QUỲNH ANH NGHIÊN CỨU, TÌM HIỂU VÀ CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CẢNH BÁO NGUY CƠ CHÁY RỪNG Ngành: Công nghệ thông tin Chu
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐẶNG QUỲNH ANH
NGHIÊN CỨU, TÌM HIỂU VÀ CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CẢNH BÁO NGUY CƠ CHÁY RỪNG
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã số: 60 48 01 04
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
Tiến sĩ Lê Thanh Hà
Tiến sĩ Nguyễn Thị Nhật Thanh
Hà Nội –2015
Trang 2LỜI 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 kỳ hình thức nào
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình
Hà Nội, tháng 9 năm
2015
Học viên
Đặng Quỳnh Anh
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Lê Thanh Hà và Tiến sĩ Nguyễn Thị Nhật Thanh – khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy cô đã hướng dẫn tận tình và có ý kiến chỉ dẫn kịp thời trong quá trình em nghiên cứu, tìm hiểu và hoàn thiện luận văn
Em xin cảm ơn các anh chị và các bạn trong trung tâm Công nghệ tích hợp liên ngành giám sát hiện trường đã nhiệt tình giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập và đã có những đóng góp quý báu giúp em hoàn thành bản luận văn này
Hà Nội, tháng 9 năm
2015
Học viên
Đặng Quỳnh Anh
Trang 4MỤC LỤC
Lời cam đoan 1
Lời cảm ơn 2
Mục lục 3
Danh mục các ký hiệu, từ viết tắt 5
Danh mục các bảng 6
Danh mục các hình vẽ, đồ thị 7
MỞ ĐẦU 8
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CHÁY RỪNG 9
1.1 Các vấn đề liên quan đến rừng và cháy rừng 9
1.1.1 Đặc điểm chung của rừng 9
1.1.2 Các điều kiện tự nhiên ảnh hưởng đến cháy rừng 9
1.1.3 Nguyên nhân cháy rừng 11
1.1.4 Phân loại kiểu cháy rừng Error! Bookmark not defined.
1.2 Tình hình nghiên cứu cháy rừng trên thế giới Error! Bookmark not defined.
1.3 Tình hình nghiên cứu cháy rừng ở Việt Nam Error! Bookmark not defined.
1.3.1 Tình hình cháy rừng ở Việt Nam những năm gần đâyError! Bookmark not defined.
1.3.2 Các nghiên cứu về cảnh báo cháy rừng ở Việt NamError! Bookmark not defined.
1.3.3 Xác định những tồn tại, khó khăn Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC CHỈ SỐ CẢNH BÁO NGUY CƠ CHÁY RỪNGError! Bookmark not defined.
2.1 Chỉ số cảnh báo cháy của Pháp Error! Bookmark not defined.
2.2 Chỉ số cảnh báo cháy rừng FFDI và GFDI được sử dụng ở AustraliaError! Bookmark not defined.
2.3 Hệ thống cảnh báo cháy rừng được sử dụng ở Indonesia và MalaysiaError! Bookmark not defined.
2.4 Phương pháp dự báo cháy rừng dựa vào chỉ số Nesterov ở NgaError! Bookmark not defined.
2.5 Chỉ số cảnh báo cháy rừng Angstrom ở Thụy ĐiểnError! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 3.ĐỀ XUẤT CHỈ SỐ CẢNH BÁO NGUY CƠ CHÁY RỪNG TẠI VIỆT
NAM Error! Bookmark not defined.
3.1 Giới thiệu vùng nghiên cứu: Error! Bookmark not defined.
3.1.1 Sự đa dạng về hệ sinh thái rừng ở Việt Nam Error! Bookmark not defined.
3.1.2 Đặc điểm khí hậu ở Việt Nam Error! Bookmark not defined.
3.2 Đề xuất phương pháp cài đặt thử nghiệm chỉ số cảnh báo nguy cơ cháy rừng
cho Việt Nam Error! Bookmark not defined.
Trang 5CHƯƠNG 4.CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM Error! Bookmark not defined.
4.1 Mô tả dữ liệu cài đặt Error! Bookmark not defined.
4.1.1 Nguồn dữ liệu đầu vào: Error! Bookmark not defined.
4.1.2 Định dạng dữ liệu: Error! Bookmark not defined.
4.1.3 Phạm vi dữ liệu: Error! Bookmark not defined.
4.2 Môi trường cài đặt Error! Bookmark not defined.
4.3 Xây dựng hệ thống Error! Bookmark not defined.
4.4 Kết quả thực nghiệm Error! Bookmark not defined.
4.4.1 Các kết quả dự báo cháy Error! Bookmark not defined.
4.4.2 Đánh giá hiệu quả Error! Bookmark not defined.
4.5 Chương trình trình diễn kết quả cảnh báo cháy Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO 57
PHỤ LỤC 59
Trang 6DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU
Rừng là lá phổi xanh của trái đất Thật vậy, rừng có thể duy trì sự cân bằng lượng oxy và cacbonic trong không khí, điều đó giúp làm giảm nhẹ ảnh hưởng của các chất thải, khí độc gây ô nhiễm và làm trong sạch môi trường Ngoài ra, rừng còn
có tác dụng bảo vệ và cải tạo đất Nhờ có tán lá xòe to, thân cây chắc, rễ cây bám sâu
mà nước mưa không thể xối thẳng xuống đất gây sạt lở, xói mòn nghiêm trọng, nắng không thể đốt cháy mặt đất Cành lá rơi rụng xuống sẽ bị phân hủy, tạo thành mùn chứa chất dinh dưỡng nuôi dưỡng đất, làm tăng độ phì nhiêu, màu mỡ của đất
Vì vậy, cháy rừng luôn là hiểm họa thường trực đối với con người và xã hội Hàng năm trên thế giới có khoảng 10 đến 15 triệu héc ta rừng bị cháy 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 Theo thống kê của Tổng cục lâm nghiệp, trong năm 2014, cả nước đã xảy ra 419 vụ cháy rừng, làm thiệt hại 1.722ha rừng các loại, tăng 73% về số vụ và tăng 83% về diện tích so với cùng kỳ năm 2013 [1]
Nghiên cứu về sự cháy và cháy rừng đã được nhiều nhà khoa học trong nước
và quốc tế quan tâm.Nhiều kết quả nghiên cứu đã và đang được áp dụng trong thực tiễn để phòng cháy, chữa cháy rừng như chỉ số đánh lửa P của Nesterov, chỉ số hạn hán D (Drought Index) của Pháp, chỉ số cảnh báo FFDI của McArthur được sử dụng rộng rãi ở Australia.Phương pháp dự báo cháy rừng dựa theo chỉ số Angstromcó cách
sử dụng đơn giản nên được sử dụng rộng rãi ở các nước thuộc bán đảo Scandinavia,
Bồ Đào Nha và một số nước từng là thuộc địa của Bồ Đào Nha [6] Tuy nhiên khi cháy rừng xảy ra h ầu như con người vẫn chưa thể kiểm soát được và hoàn toàn bị động Vì vậy, việc nghiên cứu để đề xuất các biện pháp phòng cháy phù hợp, chủ động được coi là hướng đi tối ưu về phòng cháy, chữa cháy rừng hiện nay
Hiện nay, có một số hệ thống giám sát cháy rừng như hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến của Cục Kiểm lâm [16], hệ thống cảnh báo nguy cơ cháy rừng của Canada Các hệ thống trên thực hiện chức năng chính là theo dõi phát hiện các điểm cháy dựa trên dữ liệu vệ tinh 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 [2]
Mục tiêu của luận văn:Để có thể đưa ra được những kết luận sớm và chính xác
về việc cảnh báo nguy cơ cháy rừng, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, tìm hiểu
và cài đặt thử nghiệm một vài phương pháp cảnh báo nguy cơ cháy rừng” nhằm mục
đích đánh giá các nguy cơ ảnh hưởng đến cháy rừng, tìm hiểu một vài phương pháp cảnh báo cháy rừng đã, đang được sử dụng ở Việt Nam và trên thế giới Sau khi tiến hành cài đặt thử nghiệm thuật toán cảnh báo nguy cơ cháy rừng dựa trên chỉ số
Trang 7Angstrom của Thụy Điển, chỉ số Nesterov của Nga, tôi nhận thấy, Việt Nam là một trong những quốc gia nóng, ẩm, mưa nhiều, nguy cơ cháy rừng phụ thuộc rất nhiều vào
độ ẩm, lượng mưa, vì thế tác giả đã đưa ra đề xuất chỉ số cảnh báo cháy tổng hợp dựa trên chỉ số Angstrom và Nesterov cho Việt Nam nhằm đưa ra được những kết luận chính xác hơn về việc cảnh báo sớm nguy cơ cháy rừng, giảm thiểu thiệt hại của cháy rừng
Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Nghiên cứu về rừng, các điều kiện tự nhiên ảnh hưởng đến cháy rừng
- Phân loại các kiểu cháy rừng
- Tìm hiểu một số phương pháp cảnh báo cháy và hệ thống cảnh báo nguy cơ cháy rừng
- Cài đặt thuật toán cảnh báo nguy cơ cháy rừng dựa trên chỉ số Angstrom, chỉ số Nesterov và chỉ số tổng hợp
- Tìm được ngưỡng sai số lượng mưa để đưa ra được chỉ số tổng hợp với đánh giá tốt nhất có thể
- Hiển thị dữ liệu lên bản đồ
Dữ liệu đầu vào:
- Dữ liệu về độ ẩm, nhiệt độ, lượng mưa trong năm 2012 trên lãnh thổ Việt Nam
- Bản đồ nền Google map
Kết quả đầu ra:
- Ảnh hiển thị các mức độ cảnh báo nguy cơ cháy rừng dựa trên chỉ số Angstrom, chỉ số Nesterov và chỉ số tổng hợp
- Tổng diện tích cảnh báo và đếm số điểm cháy theo từng mức
Nội dung luận văn:
Ngoài phần mở đầu, lời cam đoan, lời cảm ơn và các tài liệu tham khảo, luận văn bao gồm 3 chương như sau:
- Chương 1 Tổng quan nghiên cứu: Trình bày các khái niệm cơ bản liên quan đến rừng và cháy rừng, các yếu tố ảnh hưởng đến cháy rừng, phân loại các kiểu cháy rừng Phân tích điều kiện tự nhiên và tình hình cháy rừng ở Việt Nam những năm gần đây Đánh giá thực trạng công tác phòng cháy chữa cháy rừng ở Việt Nam
- Chương 2 Một vài phương pháp cảnh báo nguy cơ cháy rừng: Tìm hiểu một vài chỉ số và phương pháp cảnh báo cháy rừng Nêu lên được ưu nhược điểm của từng chỉ số, phương pháp
- Chương 3 Đề xuất chỉ số cảnh báo cháy rừng cho Việt Nam: Tìm hiểu điều kiện tự nhiên ở Việt Nam Đưa ra lý do đề xuất chỉ số cảnh báo cho Việt Nam
- Chương 4 Cài đặt thử nghiệm: Mô tả dữ liệu và môi trường cài đặt, tiến hành cài đặt thuật toán sử dụng chỉ số Angstrom, chỉ số Nesterov, chỉ số tổng hợp,
Trang 8từ đó tìm ra ngƣỡng sai số lƣợng mƣa để chỉ số tổng hợp đƣợc đánh giá cao nhất
Trang 9CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CHÁY RỪNG 1.1 Các vấn đề liên quan đến rừng và cháy rừng
1.1.1 Đặc điểm chung của rừng
Rừng là quần xã sinh vật trong đó cây rừng là thành phần chủ yếu Rừng là tài nguyên vô cùng quan trọng trong cuộc sống con người, đặc biệt là đối với nước ta 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 chủ yếu là tình trạng cháy rừng Theo thống kê của Cục kiểm lâm, trong những năm gần đây, trung bình mỗi năm Việt Nam mất đi hàng chục ngàn hecta rừng, trong đó mất do cháy rừng khoảng 16.000ha Theosố 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 [1] 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
1.1.2 Các điều kiện tự nhiên ảnh hưởng đến cháy rừng
Cháy rừng chỉ xảy ra khi có sự kết hợp đồng thời của 3 yếu tố:
- Ô xy: Chất duy trì sự cháy, sẵn có trong không khí (Chiếm khoảng 21% bầu không khí tự nhiên) Dưới tán rừng tỷ lệ này có thể thấp hơn một chút do quá trính phân giải một số hợp chất hữu cơ làm cho lượng CO2 tăng lên
- Vật liệu cháy (VLC): Chất bị cháy, có sẵn trong rừng VLC là tất cả những chất có khả năng bén lửa và bốc cháy trong điều kiện có đủ nguồn nhiệt và ô xy
- Nguồn nhiệt: Là yếu tố duy nhất không sẵn có trong rừng Nhiệt độ cần để đốt cháy VLC ở thời điểm ban đầu gọi là điểm bén lửa Các VLC trong rừng thường
có điểm bén lửa trong khoảng từ 220 – 2500
C Hầu hết nguồn nhiệt gây cháy rừng được xuất phát từ các hoạt động của con người
Nếu đã có đủ 3 điều kiện gây cháy là Ô xy, VLC và nguồn nhiệt, thì đám cháy
có xuất hiện hay không lại phụ thuộc vào yếu tố độ ẩm của VLC
Thông qua nghiên cứu, đã rút ra được kết luận nguồn VLC có độ ẩm ≤ 25% thì khả năng bắt lửa là dễ dàng
Vậy điều kiện cần và đủ cho đám cháy rừng xảy ra là phải đảm bảo đủ 3 yếu tố:
Ô xy, VLC có độ ẩm ≤ 25% và nguồn nhiệt đủ lớn Yếu tố thứ nhất luôn có sẵn trong không khí.Đối với yếu tố thứ 2, VLC thông thường mà ta thường thấy là củi, rơm, lá cây,… Khi độ ẩm của vật liệu đủ thấp, nó có khả năng bắt lửa và bùng cháy Như vậy, chỉ cần hội đủ 2 yếu tố đầu là ta đã có thể cảnh báo về nguy cơ xảy ra cháy rừng, chỉ cần có yếu tố thứ 3 nữa thì việc cháy rừng sẽ xảy ra Nhưng nhấn mạnh lại là
Trang 10chúng ta đang nghiên cứu hệ thống cảnh báo nguy cơ cháy rừng, đồng thời điều kiện
1 luôn đúng, dẫn đến ta chỉ cần quan tâm tới điều kiện 2
1.1.2.1 Thời tiết và các nhân tố khí tượng
Thời tiết và các nhân tố khí tượng là một tác nhân cho sự phát sinh và phát
triển của một đám cháy rừng 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 VLC, làm độ ẩm không khí giảm và mặt đất nóng lên Vai trò của nhiệt độ ảnh hưởng tới các mặt sau:
o Nhiệt độ rút ngắn quá trình khô của VLC;
o 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: Là sự chênh lệch giữa nhiệt độ lúc 13 giờ và nhiệt độ điểm sương
(nhiệt độ ở thời điểm không khí bão hòa hơi nước, gây ngưng kết hơi nước trong không khí) Khi không khí có độ ẩm thấp kết hợp với nhiệt độ cao thì VLC càng khô, đây là điều kiện thuận lợi cho quá trình cháy Độ ẩm có ảnh hưởng hoặc tích cực hoặc tiêu cực đến quá trình cháy rừng Độ ẩm càng cao thì độ ẩm VLC càng cao, càng khó gây cháy và ngược lại Độ ẩm thể hiện ở 3 loại sau:
o 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
o Độ ẩm VLC: Ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng bén lửa
o 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
Gió: Là nhân tố ảnh hưởng rất nhiều đến cháy rừng, gió thúc đẩy làm khô VLC;
làm bùng phát đám cháy và làm nhanh tốc độ lan tràn đám cháy lên rất nhiều lần
Mưa: làm tăng độ ẩm của VLC Nếu mưa ít thì VLC sẽ khô, nhiệt độ tăng cao,
nguy cơ cháy rừng tăng lên
1.1.2.2 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; có tác động ngăn chặn các hệ thống gió, hình thành các 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