Áp dụng logic mờ trong viễn thám và GIS để giải một số bài toán quan sát chiến trường hỗ trợ ra quyết định cho người chỉ huy
1. Đặt vấn đề
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Từ xa xưa, thông tin địa lý đã là nhu cầu cần thiết của con người trong mọi sinh hoạt hàng ngày tại những vị trí khác nhau. Mỗi người trong xã hội luôn luôn có nhu cầu cần biết về thế giới thực xung quanh mình. Con người muốn được hiểu biết về các thực thể, các sự kiện, các hiện tượng như thế nào, xảy ra ở đâu, xảy ra khi nào, và tại sao như vậy. Ở qui mô rộng lớn hơn, những nhà lãnh đạo một địa phương, một quốc gia, một khu vực luôn luôn cần có thông tin địa lý một cách đầy đủ, chính xác, kịp thời để ra những quyết sách đúng đắn, phù hợp lòng dân, làm cho địa phương, quốc gia ngày càng phát triển.
Những nhà đầu tư cần thông tin địa lý để tính toán những khả năng và hiệu quả đầu tư, những nhà kinh doanh cần có thông tin địa lý để qui hoạch chiến lược thị trường, làm cho hàng hóa được tiêu thụ nhanh chóng. Những nhà quân sự cần có thông tin địa lý để ra quyết định ở các cấp chiến lược,chiến dịch và chiến thuật trong chỉ huy tác chiến.
Lịch sử đã chứng minh các cuộc chiến tranh, đấu tranh vũ trang từ xưa đến nay đều xảy ra trong một khu vực nhất định. Các bên tham chiến đều phải bằng mọi cách thu thập, đánh giá môi trường địa lý, nghiên cứu phân tích khả năng quan sát tình hình của địch và ta trên chiến trường để phục vụ cho sự tiến quân, nguỵ trạng cơ động của lực lượng.
Phương pháp tiến hành chiến tranh và kết cục của một cuộc chiến tranh phụ thuộc trình độ phát triển của lực lượng sản xuất, chế độ chính trị – xã hội , kinh tế của nước tham chiến; vào trình độ phát triển khoa học và công nghệ; tinh thần của nhân dân và sức mạnh của lực lượng vũ trang; đồng thời các yếu tố địa lý tự nhiên và mức độ ảnh hưởng của nó chiến trường sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sự thành bại của hoạt động quân sự.
Điều đó nói lên địa lý học ngoài phục vụ kinh tế – xã hội còn luôn gắn bó với quân sự, với chiến tranh và ngay từ khi xuất hiện chiến tranh, địa lý học đã được nghiên cứu để phục vụ các hoạt động quân sự.
Cho đến nay, loài người đang bước vào thế kỷ XXI với nền kinh tế tri thức những lĩnh vực nghiên cứu về tích hợp công nghệ viễn thám và GIS trong bảo vệ an ninh – quốc phòng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu, có tính hệ thống cao đòi hỏi phải có sự kết hợp của nhiều lĩnh vực cả trong tự nhiên và kinh tế – xã hội ảnh hưởng đến các hoạt động quân sự. Quá trình ứng dụng kỹ thuật-công nghệ mới này sẽ có đóng góp trong việc hỗ trợ ra quyết định đối với người chỉ huy.
Đối với Công nghệ GIS, các dữ liệu trong phân tích, chồng ghép thường không đầy đủ, không rõ ràng, không chắc chắn và mập mờ, điều đó dẫn đến dữ liệu và thông tin trong GIS là dữ liệu “không rõ ràng” hay dữ liệu “mờ”.
Khái niệm “logic mờ” – không rõ ràng là một đặc trưng vốn có của dữ liệu địa lý và có thể sinh ra do: Thông tin tương ứng với chúng không đầy đủ; sự xuất hiện không ổn định khi thu thập, tập hợp các dữ liệu thuộc tính; việc sử dụng các diễn tả định tính đối với các giá trị thuộc tính và các mối quan hệ giữa chúng. Các hệ GIS thường không sẵn sàng cho việc xử lý với các dữ liệu mờ vì thế cần phải có sự mở rộng cả về mô hình dữ liệu, các phép toán và lập luận để giải quyết với dữ liệu mờ trong GIS làm cho hệ thống trở lên mềm dẻo hơn trong việc giải các bài toán không gian mà dữ liệu của chúng là các dữ liệu dạng mờ.
Theo phương pháp truyền thống khi xử lý, phân tích dữ liệu trong GIS các thao tác dữ liệu thực hiện một cách cứng nhắc đối với các thủ tục lập luận và phân tích. Quyết định tổng thể được thực hiện theo từng bước cụ thể và quy về kết quả ngay lập tức. Những ứng viên nào thoả điều kiện được giữ lại và các ứng viên không thoả điều kiện sẽ bị loại bỏ phụ thuộc vào giá trị ngưỡng.
Thêm vào đó các quyết định đưa ra là bắt buộc để biểu diễn các ràng buộc của chúng dưới dạng các điều kiện số học và các ký hiệu toán học trong các quan hệ rõ, chúng không cho phép sử dụng các điều kiện cú pháp dưới dạng ngôn ngữ tự nhiên. Mặt khác kết quả lựa chọn dựa trên các điều kiện được xác định là ngang nhau, không có giá trị trọng số của các đối tượng.
Một trong các phương pháp toán học nghiên cứu tính chất “không rõ ràng” của không gian là lý thuyết tập mờ Zadeh (1965-1988). Nó sử dụng để diễn tả một cá thể tham gia trong một tập hợp. Sự kết hợp lý thuyết tập mờ và GIS là các đối tượng không gian “mờ” đều có một đặc trưng chung là chúng có ranh giới “không rõ ràng” so với các đối tượng không gian “rõ”.
Lý thuyết tập mờ là giải pháp thích hợp nhất cho việc mô hình hóa dữ liệu “không rõ ràng” và đưa ra cơ sở lý thuyết để hỗ trợ các lập luận trên dữ liệu này.
Trong luận văn này tác giả đề cập tới hướng ứng dụng của logic mờ trong tích hợp công nghệ Viễn thám và GIS nhằm mục đích mở rộng và tăng cường các chức năng của hệ thống GIS. Làm cho hệ thống GIS trở lên mềm dẻo hơn và ứng dụng thuận lợi trong việc giải quyết các bài toán về không gian mà dữ liệu của nó là “không rõ ràng” hay còn gọi là dữ liệu “không gian mờ”. Với những lý do trên, học viên cao học đã chọn đề tài cho luận văn là:”Áp dụng logic mờ trong viễn thám và GIS để giải một số bài toán quan sát chiến trường hỗ trợ ra quyết định cho người chỉ huy”
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu khả năng áp dụng modules phần mềm RS và GIS phát triến dựa trên logíc mờ (fuzzy logic) để xây dựng bài toán quan sát chiến trường, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp xử lý thích hợp, báo cáo tình hình(reports) cho người chỉ huy ra quyết định.Áp dụng thuật toán của logic mờ giải một số bài toán tình huống quan sát chiến trường nhằm hỗ trợ người chỉ huy ra quyết định.
1.3. Nội dung nghiên cứu
Muốn xây dựng được những bài toán quan sát chiến trường cần giải quyết một số nội dung cụ thể sau:
- Phân tích và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng quan sát.
- Nghiên cứu các thuật toán logic mờ trong nghiên cứu đánh giá địa hình.
- Xây dựng các bài toán cụ thể liên quan đến khả năng quan sát.
- Giải các bài toán cụ thể bằng thuật toán logic mờ, hỗ trợ giúp người chỉ huy trên CSDL.
1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu căn bản về RS-GIS và DSS(decission suport system) – Hệ thống hoá lại các yếu tố liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp đến khả năng quan sát địa hình.- Mô hình công nghệ tích hợp Viễn thám và GIS.- Ứng dụng logic mờ trong giải các bài toán hỗ trợ ra quyết định.- Đề xuất các giải pháp phù hợp(reports) cho người chỉ huy.
1.5. Phạm vi nghiên cứu- Phạm vi khoa học :
- Nghiên cứu căn bản về RS-GIS và DSS(decission suport system)
- Nghiên cứu, đánh giá tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng quan sát địa hình; Thiết lập các bài toán và giải chúng bằng thuật toán logic mờ.
- Phạm vi lãnh thổ: Lấy một phần khu Đông Bắc Việt Nam chủ yếu dải huyện xã ven biển hai tỉnh Quảng Ninh và Hải Phòng làm khu vực nghiên cứu.
1.6. Cơ sở tài liệu
- Đề tài trọng điểm cấp Đại học Quốc gia “Nghiên cứu tính nhạy cảm với tai biến của các hệ sinh thái khu vực dải ven biển TP Hải Phòng” do PGS. TS Nguyễn Ngọc Thạch làm chủ nhiệm.
- Đề tài cấp Bộ Quốc phòng “ Nghiên cứu địa lý quân sự Việt Nam” do Đại tá Trần Văn Tuỵ làm chủ nhiệm.- Đề tài cấp Bộ Quốc phòng “ Nghiên cứu địa hình Việt nam và công tác tham mưu địa hình trong chiến tranh bằng vũ khí công nghệ cao” do Thiếu tướng Bùi Công Nghĩa làm chủ nhiệm.
- Đề án ”Xây dựng hệ thông tin địa lý quân sự” do đại tá TS Vũ Huấn chủ trì. Ngoài ra còn tham khảo và sử dụng một số tài liệu của các tác giả trong và ngoài nước đã công bố có liên quan đến các vấn đề và vùng nghiên cứu.
1.7. Tính khả thi
- Trong thực tế việc nghiên cứu, quan sát đánh giá địa hình bằng các phương pháp hiện đại như tia lazer, ống nhòm lazer đã được áp dụng rất nhiều trên thế giới.
- Hướng nghiên cứu logic mờ trong xử lý thông tin Viễn thám và GIS là khuynh hướng phát triển phần mềm mà các chuyên gia đưa ra, cùng với các hệ chuyên gia mờ, trí tuệ nhân tạo, nhận dạng; nhằm thiết lập các công cụ hiệu quả trong các ứng dụng của GIS đối với các hoạt động kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng.
1.8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Kết quả sẽ làm sáng tỏ thêm về phương pháp áp dụng logic mờ trong giải các bài toán GIS. Hệ thống hoá lại cách tiếp cận nghiên cứu địa lý quân sự bằng phương pháp số.
- Ý nghĩa thực tiễn: Đề xuất những khả năng phát hiện đối phương, che dấu lực lượng, phòng tránh, nguỵ trang. Báo cáo tình hình quan sát hỗ trợ quyết định điều phối lực lượng, giảm thiểu tổn thất binh lực trong tác chiến chiến trường.
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Các phương pháp được áp dụng trong nghiên cứu đề tài là:
- Tổng quan tài liệu
- Phương pháp Viễn Thám
- Phương pháp tích hợp Viễn thám và GIS
- Phương pháp logic mờ
- Phương pháp Multimedia
3. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan tài liệu nghiên cứu và cơ sở lý luận của việc áp dụng thuật toán logic “mờ” trong kỹ thuật xử lý thông tin Viễn thám và GIS.
1.1. Tổng quan tài liệu nghiên cứu về RS-GIS-DSS.
1.2. Cơ sở lý luận của việc áp dụng thuật toán “mờ” trong kỹ thuật xử lý thông tin Viễn thám
1.3. Cơ sở lý luận của việc áp dụng thuật toán “mờ” trong GIS
Chương 2: Cơ sở lý thuyết chung về các phương pháp nghiên cứu.
2.1. Phương pháp Viễn thám
2.2. Phương pháp GIS
2.2. DSS
2.3. Phương pháp logic mờ.
2.4. Phương pháp Multimedia
Chương 3: Đặc điểm khu vực nghiên cứu
3.1. Đặc điểm điều kiện tự nhiên
3.2. Đặc điểm điều kiện kinh tế – xã hội.
3.3. Đề xuất các bài toán, mô hình áp dụng trong logic “mờ”.
Chương 4: Kết quả nghiên cứu.
4.1. Xây dựng CSDL về điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội khu vực nghiên cứu.
4.2.Giải các bài toán ứng dụng logic mờ trong quan sát địa hình từ điểm cao khống chế (có và không có tháp quan sát).
4.3.Giải các bài toán ứng dụng logic mờ trong quan sát (thu chụp ảnh) địa hình từ trên không và từ các điểm quan sát trên mặt đất.
4.4. Trình tự hỗ trợ ra quyết định (reports).Kết luận và đề xuất
4. DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
- CSDL hoàn chỉnh về điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội khu vực nghiên cứu.
- Bản đồ dự báo khả năng quan sát địa hình một số tình huống.
- Mô hình 3D các tình huống quan sát- Báo cáo đánh giá khách quan.
- Bản đồ và báo cáo hỗ trợ ra quyết định.- Đề xuất (phát triến) hệ thống chuyên gia hỗ trợ quyết định lãnh đạo chỉ huy (hệ thống C4I2)
5. TIẾN ĐỘ THỜI GIAN
Với nội dung nghiên cứu như trên, tôi dự kiến kế hoạch triển khai như sau:
- TT Hoạt động nghiên cứu
- Thời gian thực hiện Sản phẩm khoa học
- 1 Thu thập, đánh giá số liệu, chuẩn hoá CSDL 4 /2007 – 6/2007 Bảng kết quả, CSDL dạng thô
- 2 Hoàn thiện, xử lý số liệu liên quan khác 7/2007 CSDL hoàn chỉnh
- 3 Xây dựng và giải các bài toán, mô hình áp dụng 8/2007 Sơ đồ, mô hình kết quả giải các bài toán
- 4 ViÕt luËn v¨n 9/2007-10/2007 Luận văn trước khi bảo vệ
- 5 Nép luËn v¨n 11/2007 Luận văn thạc sỹ
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO
TiÕng viÖt
1. Đặng Văn Đức, 2003. Hệ thống thông tin Địa lý, Nhµ xuÊt b¶n khoa häc kü thuËt.
2. NguyÔn C¸t Hå, 2004. Lý thuyÕt tËp mê vµ c«ng nghÖ tÝnh to¸n mÒm, hÖ mê, m¹ng n¬ron vµ øng dông, Nhµ xuÊt b¶n khoa häc kü thuËt.
3. Phạm Trọng Mạnh (ch.b), Phạm Vọng Thành, 1999. Cơ sở hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong quy hoạch và quản lý đô thị. Nhà xuát bản xây dựng
4. Huỳnh Thị Minh Hằng, 2005. “Nghiên cứu xây dựng hệ thống hỗ trợ quá trình ra quyết định trong công tác quản lý tài nguyên và môi trường huyện Cần Giờ – TPHCM”, đề tài cấp bộ KH&CN TP Hồ Chí Minh.
5. Vũ Huấn, 2006. ”Xây dựng mô hình hệ thống CSDL Hệ thông tin địa lý quân sự”. Dự án cấp Bộ quốc Phòng
6. Trần Vĩnh Phước, 1998. ”Nghiên cứu đánh giá thực trạng nghiên cứu,ứng dụng công nghệ thông tin địa lý tại TP.HCM và đề xuất phương hướng nghiên cứu phát triển,quy hoạch xây dựng và triển khai các dự án ứng dụng công nghệ thông tin địa lý (công nghệ GIS) như một công nghệ phục vụ quy hoạch,quản lý đô thị trong các cơ quan quản lý Nhà nước của TP.HCM”, đề tài Trung Tâm Công nghệ Thông Tin Ðịa lý -Trường Ðại học Kỹ thuật – Ðại Học Quốc Gia TP.HCM.
7. Nguyễn Ngọc Thạch, 2006. Cơ sở Viễn thám, Nhà xuất bản nông nghiệp.
8. Lê Văn Trung, 2001. Nghiên cứu hệ thống tích hợp viễn thám và GIS trong xây dựng cơ sở dữ liệu không gian phục vụ quản lý đô thị, đề tài cấp trường Trường Ðại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh.
9. Trần Văn Tụy, 2003. Địa lý quân sự Việt Nam (lưu hành) nội bộ.
Tiếng Anh
10. Ed. by Clyde W. Holsapple, Andrew B. Whinston, xuất bản: Springer – Verlag, 1991. Recent developments in decision support systems: Những phát triển gần đây trong hệ thống hỗ trợ ra quyết định.
11. Goulet Denis, 1986. Three rationalities in developnent decisions: Ba sự hợp lý trong các quyết định phát triển, xuất bản: Budapes : Inst. for world economics of the Hungarian academy of sciences
12. Robert Steiner, 1999. Fuzzy Logic in GIS.
13. Wolfgang Kainz, Introduction to FuzzyLogic and Applications in GIS.
14. Graeme F.Bonham – Carter, Geographic Infomation systems for Geoscientists, Modeling with GIS.
15. Petric S, Application of Shortest Path Algorithm to GIS using Fuzzy Logic”.
16. Peter Keenan, 1997. Using a GIS as a DSS Generator: Sử dụng GIS như hệ thống hỗ trợ quyết định. Địa chỉ website: http://mis.ucd.ie/staff/pkeenan/gis_as_a_dss.html.
17. Hersh, M.A. ,1999. Sustainable decision making: the role of decision support systems: Vai trò của hệ thống ra quyết định. Địa chỉ website: http://ieee.cesti.gov.vn/resultdetailadv.asp?intID_Inc=413768&strTableName=i
18. Martina Marian, Jaroslav Mysiak, Guido Santini DSS-Guide – Guidelines on Decision Support System applications in water resource management: Nguyên tắc chỉ đạo trên hệ thống hỗ trợ ra quyết định ứng dụng trong quản lý nguồn nước, người nghiên cứu. Địa chỉ website:http://www.feem.it/Feem/Pub/Programmes/Natural+Resources+Management/Activities/200501-DSS-GUIDE.htm
19. Một số trang web liên quan: http://www.iiasa.ac.at/Research/WAT/docs/desert.htmlhttp://cdss.state.co.us/DNN/
http://www.metla.fi/archive/forest/1994/02/msg00028.html
http://www.ess.co.at/http://www.ornl.gov/sci/gist/publist.html
http://gis.esri.com/library/userconf/proc01/professional/abstracts/http://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=28707&id=7&qs=N%3D0
Trung tâm Ứng dụng GIS
