Trong những năm gần đây, các vụ cháy rừng ngày càng gia tăng về số lượng cũng như mức độ phức tạp. Trước thực tế đó, việc phát triển các trang thiết bị công nghệ hỗ trợ việc dự báo cháy rừng là thực sự cấp thiết. Công nghệ LiDAR đang được quan tâm với hàng loạt những ưu điểm như: có thể quan sát trong điều kiện, khói, lửa, tầm hoạt động xa… và có thể mang đến những giải pháp hiệu quả cho công tác dự báo cháy rừng. Bài viết này trình bày một số ứng dụng của công nghệ LiDAR trong dự báo cháy rừng, mô hình hóa khu vực cháy rừng với những hướng nghiên cứu triển vọng của LiDAR trong tương lai.
- Giới thiệu về công nghệ LiDAR
LiDAR là viết tắt từ cụm từ Light Detection And Ranging. Về cơ bản có thể hiểu nguyên lý hoạt động của LiDAR giống như rada, tuy nhiên, rada sử dụng sóng vô tuyến thì LiDAR sử dụng các tia laser với bước sóng trong khoảng 600-1550mm. Do các tia laser đó có khả năng phản xạ trên hầu hết bề mặt các vật rắn nên LiDAR có khả năng đo chính xác được khoảng cách từ nguồn phát đến vật với sai số nhỏ hơn 5cm. Thiết bị LiDAR gồm 4 thành phần chính: nguồn phát laser, cảm biến ánh sáng, bộ điều khiển góc quét, bộ xử lý. Thông qua bộ điều khiển góc quét, xung của laser được phát đi các hướng trong không gian tới một điểm nào đó và phản hồi về bộ cảm biến quang. Bộ xử lý sẽ đo được thời gian đi và về của tín hiệu và tính được khoảng cách từ nguồn phát laser tới bề mặt khảo sát. Với các giá trị khoảng cách đó kết hợp với vị trí của LiDAR bộ xử lý sẽ tính được vị trí (tọa độ không gian) của các điểm trong không gian cần khảo sát. Dữ liệu thu được của hệ thống là tập hợp đám mây điểm phản xạ 3 chiều của tia laser từ đối tượng được khảo sát.
Hình 1. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của LiDAR.
- Một số ưu điểm của Công nghệ LiDAR
Với cấu tạo và nguyên lý hoạt động như trên, LiDAR có những ưu điểm vượt trội như sau:
– Công nghệ LiDAR chủ yếu là tự động hóa, ít có sự can thiệp trực tiếp của con người, dữ liệu thu thập được rất khách quan, mức độ tin cậy cao. Đây là điểm khác biệt so với các phương pháp đo ảnh hay đo đạc ngoài trời khác.
– Hệ thống LiDAR sử dụng tia laser với các bước sóng khác nhau để thu thập dữ liệu nên không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời, thực hiện cả ngày và đêm. Xung laser có thể xuyên qua khói, lửa, sương mù, mặt nước…
– Hình ảnh thu được có độ phân giải chi tiết cao, khi đầu phát laser đạt hàng trăm nghìn xung trên 1 giây.
– Công nghệ LiDAR ghi nhận được các giá trị mức phản xạ ánh sáng của các đối tượng khác nhau, dữ liệu này có thể được dùng để phân loại đối tượng trong ảnh. Đây là một đặc tính có giá trị gia tăng của dữ liệu LiDAR.
Công nghệ LiDAR có nhiều ưu thế vượt trội hơn với các công nghệ khác trong việc đo đạc thành lập bản đồ, xây dựng cơ sở dữ liệu hay mô phỏng không gian ba chiều. Các nguồn dữ liệu thu nhận được có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như giáo dục, viễn thông, theo dõi đánh giá khai thác mỏ, quân sự, nghiên cứu lập bản đồ khu vực ngập lụt, dự báo thảm hoạ, bản đồ địa hình dải ven biển, quy hoạch đô thị, hỗ trợ xe tự lái, robot tự hành trong nhà, trong công nghiệp…
- Ứng dụng công nghệ LiDAR trong dự báo cháy rừng
Ngoài những nguyên nhân chủ quan thì quá trình bắt cháy và lan rộng của các vụ cháy rừng là kết quả của một loạt những phản ứng phức tạp giữa thời tiết, địa hình và chất cháy trong rừng. Chất cháy trong rừng chủ yếu là gỗ rừng với những đặc tính như: cấu trúc thảm thực vật theo hướng dọc và ngang, thành phần và tính chất của các loài cây sẽ ảnh hưởng đến khả năng phát sinh cháy, tốc độ lan rộng của đám cháy cũng như cường độ cháy. Việc xác định chính xác các thông số trên của rừng sẽ tìm ra những khu vực có nguy cơ cháy rừng cao và đưa ra được những biện pháp phòng ngừa. Nghiên cứu của Marta Fernández-Álvarez đã chứng minh các dữ liệu kể trên có thể dễ dàng thu thập thông qua cảm biến LiDAR gắn trên một thiết bị bay không người lái. Sau đó dữ liệu được sử dụng đưa vào mô hình dự báo cháy rừng.
Hình 2. Vị trí thu thập dữ liệu ở rừng Galicia (đường màu đỏ), Tây Ban Nha
Hình 3. Kết quả đánh giá mật độ cây bụi trong rừng thông qua dữ liệu của LiDAR. A – Mật độ < 20%, b – Mật độ từ 20-50%, c – Mật độ > 50%.
Trong nghiên cứu trên Marta Fernandez và cộng sự đã dùng LiDAR gắn trên thiết bị bay và tiến hành quét một số khu vực tại rừng Galicia, ở phía tây bắc Tây Ban Nha. Từ dữ liệu của LiDAR được đưa vào phần mềm FUSION v.3.60, được phát triển bởi Cục Lâm nghiệp và Trạm nghiên cứu Tây Bắc Thái Bình Dương, Hoa Kỳ để xử lý và tính toán. Thông qua một loạt các thuận toán phức tạp, các mô hình mô phỏng các thông số khác nhau của rừng được tạo ra, như trong Hình 2, Hình 3.
Hình 4. Các mô hình khác nhau được tạo ra từ dữ liệu của LiDAR: (a) Mô hình địa hình kỹ thuật số (DTM); (b) Mô hình bề mặt tán cây (CSM); và (c) Mô hình chiều cao tán cây (CHM).
Các mô hình mô phỏng trên lại tiếp tục được đưa qua bộ lọc để tìm ra các khu vực, vị trí cây có các thông số về sinh khối, chiều cao, diện tích tán cây không đảm bảo an toàn PCCC rừng theo luật của Tây Ban Nha.
Kết quả cho thấy trên diện tích 4ha của khu vực rừng … có 10 cây không tuân thủ về chiều cao, 52 cây không đảm bảo về mật độ tổng diện tích không đảm bảo an toàn khoảng 4000m2.
- Kết luận
Từ nghiên cứu trên cũng như một số nghiên cứu khác có thể thấy LiDAR là một công cụ hữu ích có thể nâng cao hiệu quả của công tác dự báo cháy rừng. Tuy nhiên để đảm bảo dữ liệu từ LiDAR là chính xác thì cần có các thuật toán xử lý, chọn lọc phù hợp với đặc điểm rừng của từng khu vực, vùng miền. Hiện tại ở Việt Nam đây vẫn là công nghệ mới do vậy để thể áp dụng cần có thêm các nghiên cứu chuyên sâu hơn nhằm giảm giá thành, làm chủ công nghệ cũng như đưa ra các đặc điểm về sinh khối của rừng ở từng khu vực trong nước.
Theo Cục Cảnh sát PCCC&CNCH