Luận văn Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tích hợp đa dữ liệu trong nâng cao độ chính xác bản đồ độ ẩm đất sử dụng phổ kế siêu cao tần băng l và payload quang học trong dải nhìn thấy, hồng ngoại gắn trên uav

luận văn thạc sĩ này. Tôi xin cảm ơn các thầy, cô giáo ở Trung tâm Công nghệ tích hợp liên ngành Giám sát hiện trường (FIMO), khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin cảm ơn các cán bộ thuộc Viên Công nghệ Vũ trụ, Viện Hàn Lâm Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin cảm ơn nhóm nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm phổ kế siêu cao tần băng L và payload quang học trong dải nhìn thấy và hồng ngoại gần tương thích với thiết bị bay không người lái (UAV) phục vụ nghiên cứu viễn thám” đã giúp đỡ tôi về dữ liệu để hoàn thành luận văn. Mã số: VT- UD.03/17-20 Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến bố mẹ và những người thân trong gia đình, những người luôn ủng hộ con đường tôi đã lựa chọn, giúp đỡ và động viên tôi vượt qua những khó khăn trong cuộc sống. Tuy đã có những cố gắng nhất định nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên chắc chắn luận văn này còn nhiều thiếu sót và hạn chế nhất định. Kính mong nhận được sự góp ý của thầy cô. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên Nguyễn Thị Hải Yến 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TÍCH HỢP ĐA DỮ LIỆU TRONG NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC BẢN ĐỒ ĐỘ ẨM ĐẤT SỬ DỤNG PHỔ KẾ SIÊU CAO TẦN BĂNG L VÀ PAYLOAD QUANG HỌC TRONG DẢI NHÌN THẤY, HỒNG NGOẠI GẮN TRÊN UAV” là công trình nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Quang Hưng và PGS. TS Doãn Minh Chung Tất cả những tham khảo từ nghiên cứu liên quan đều được trích dẫn một cách rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo. Không có việc sao chép tài liệu, công trình nghiên cứu của người khác mà không chỉ rõ về tài liệu tham khảo. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên Nguyễn Thị Hải Yến 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .......................................................................................... 1 LỜI CAM ĐOAN .................................................................................... 2 Danh mục Bảng Biểu ............................................................................... 5 danh mục hình ảnh ................................................................................... 6 Mở đầu ..................................................................................................... 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .............................................. 10 1.1. Giới thiệu về độ ẩm đất ............................................................ 10 1.2. Hiện trạng dữ liệu độ ẩm đất ở Việt Nam và trên Thế Giới ...... 10 1.2.1. Hiện trạng dữ liệu độ ẩm đất ở Việt Nam ............................ 10 1.2.2 Ở ngoài nước .......................................................................... 12 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ...... 15 2.1. Dữ liệu độ ẩm đất đa nguồn ..................................................... 15 2.1.1. Các phương pháp đo truyền thống để xác định độ ẩm đất ...... 15 2.1.2. Các phương pháp viễn thám .................................................. 16 2.1.3. So sánh lựa chọn phương pháp xác định độ ẩm đất ............... 22 2.2. Xác định độ ẩm đất ...................................................................... 24 2.2.1. Xác định độ ẩm đất từ phổ kế siêu cao tần băng L gắn trên UAV .................................................................................................................. 24 2.2.2. Xác định độ ẩm đất từ ảnh vệ tinh SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) ......................................................................................... 31 2.2.3. Xác định độ ẩm đất từ ảnh vệ tinh SMAP .............................. 32 2.2.4. Xác định độ ẩm đất từ ảnh vệ tinh Sentinel 1A ...................... 33 2.3. Mô hình chồng lớp độ ẩm ............................................................ 34 2.3.1. Mô hình thống kê (Statistical Models) ................................... 34 4 2.3.2. Mô hình bề mặt đất................................................................ 35 2.3.3. Mô hình WebGIS .................................................................. 37 CHƯƠNG 3: TÍCH HỢP DỮ LIỆU ĐA NGUỒN TRONG XÂY DỰNG BẢN ĐỒ ĐỘ ẨM ĐẤT ................................................................................... 42 3.1. Thu thập dữ liệu thực địa ............................................................. 42 3.2. Dữ liệu độ ẩm đất thu được từ vệ tinh .......................................... 45 3.2.1. Dữ liệu độ ẩm đất thu được từ ảnh vệ tinh SMOS ................. 45 3.2.2. Dữ liệu độ ẩm đất thu được từ ảnh vệ tinh SMAP ................. 46 3.2.3. Dữ liệu độ ẩm đất thu được từ ảnh sentinel 1A .................... 47 3.3. Xây dựng WebGIS chồng lớp dữ liệu độ ẩm ................................ 49 3.3.1. Quy trình tích hợp các lớp thông tin GIS vào hệ thống cơ sở dữ liệu ............................................................................................................ 49 3.3.2. Giới thiệu về hệ thống ........................................................... 52 KẾT LUẬN ............................................................................................ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 56 5 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 So sánh các phương pháp thu thập dữ liệu độ ẩm đất 17 6 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2. 1 Nguyên lý hoạt động của viễn thám tích cực ..................................... 18 Hình 2. 2. Các dải sóng điện từ được dùng trong viễn thám ............................. 20 Hình 2. 3. Tổng quan sự phát xạ tự nhiên của các đối tượng trên bề mặt trái đất ......................................................................................................................... 21 Hình 2. 4. Phổ kế siêu cao tần band L tích hợp trên thiết bị bay không người lái UAV .25 Hình 2.5: Sơ đồ khối hiệu chỉnh ảnh hưỏng của lớp thực vật và xác định độ ẩm đất ...29 Hình 2. 6. Mô hình tính toán độ ẩm đất sử dụng phổ kế siêu cao tần trên thiết bị bay không người lái UAV30 Hình 2. 7. Vệ tinh SMOS ................................................................................ 32 Hình 2. 8. Vệ tinh SMAP ................................................................................ 33 Hình 2. 9. Sentinel 1A ..................................................................................... 34 Hình 2. 10 (a) Mô phỏng VIC về độ ẩm đất tại (b) các quan sát SMOS tương ứng có độ phân giải cao, (c) bản đồ độ ẩm đất tăng độ phân giải bằng cách sử dụng copula-based phương pháp thống kê downscaling, và (d) bản đồ chênh lệch (difference map), tức là bảng điều khiển. .37 Hình 2. 11. Hoạt động của WebGIS ..38 Hình 2. 12. Map server liên kết với máy publish thông qua thư mục chung ..... 39 Hình 2. 13. Map server liên kết với máy publish thông qua đồng bộ thư mục..39 Hình 2. 14. Map server liên kết với máy publish thông qua CSDL 39 Hình 2. 15. Map server liên kết với máy publish thông qua đồng bộ 2 cơ sở dữ liệu ..40 Hình 3. 1. Thiết bị bay DF-04 .......................................................................... 42 Hình 3. 2. Giới hạn khu vực cấp phép bay ........................................................ 44 Hình 3. 3. File dữ liệu dạng excel.44 Hình 3.4. Ảnh SMOS độ phân giải 36km x 36 km..46 Hình 3.5. Ảnh SMAP độ phân giải 25km x 25 km .47 7 Hình 3.6. Lưu đồ của thuật toán ANN....48 Hình 3. 7. Ảnh Sentinel 1A có độ phân giải 3km x 3 km.49 Hình 3.8. Kiến trúc hệ thống ..50 Hình 3.9. Quy trình tích hợp các lớp thông tin GIS vào hệ thống CSDL ..51 Hình 3. 10. Ảnh hiển thị dữ liệu độ ẩm thu được từ phổ kế và vệ tinh SMAP .52 Hình 3. 11. Ảnh hiển thị dữ liệu độ ẩm thu được từ phổ kế và vệ tinh SMOS.52 Hình 3.12. Ảnh hiển thị dữ liệu độ ẩm thu được từ phổ kế với Sentinel 1A ..53 Hình 3.13. Ảnh nhiệt độ bề mặt .....................53 Hình 3.14. Ảnh hiển thị dữ liệu độ ẩm thu được từ phổ kế và các ảnh vệ tinh SMOS, SMAP, Sentinel 1A....54 8 MỞ ĐẦU Độ ẩm đất là thông số quan trọng biểu hiện mức độ trao đổi năng lượng giữa các hệ sinh thái trên bề mặt trái đất cũng như chu trình vận động của nước trong thiên nhiên, phụ thuộc trực tiếp vào các yếu tố khí tượng thủy văn. Giám sát biến động độ ẩm đất trên diện rộng giữa các mùa trong năm và nhiều năm là một nhiệm vụ quan trọng của các cơ quan quản lý tài nguyên và môi trường. Với sự phát triển của công nghệ vũ trụ, chúng ta có thể theo dõi biến động này thông qua việc xử lý, phân tích các dữ liệu viễn thám tích cực và thụ động (Active/Passive). Đặc biệt trong bối cảnh Châu Âu đã phóng thành công vệ tinh giám sát độ ẩm đất và biển (SMOS) năm 2009 và NASA đã phóng vệ tinh giám sát độ ẩm đất bằng các cảm biến radar tích cực và thụ động (SMAP) vào năm 2014 – là những vệ tinh được thiết kế chuyên dụng cho mục đích đo đạc độ ẩm đất. Như chúng ta đã biết, Việt Nam là một trong các quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi khí hậu toàn cầu (BĐKH). Độ ẩm đất là một trong những tham số môi trường phản ánh mức độ ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Thông số này có liên quan mật thiết đến tổng lượng bức xạ Mặt Trời, lượng mưa, lượng gió, độ bốc hơi nước, chỉ số thực vật, .v.v. Biểu đồ về sự biến động của độ ẩm đất tại một vùng hay trên cả nước qua nhiều năm sẽ thể hiện mức độ tác động của biến đổi khí hậu. Hiện nay công tác điều tra thống kê về độ ẩm đất chủ yếu dựa vào mạng lưới các trạm quan trắc khí tượng thủy văn, được thực hiện bằng phương pháp đo đạc kinh điển, phân tích độ ẩm “khoan sấy”. Phương pháp này cho kết quả chính xác nhưng có nhược điểm là chỉ giới hạn trong một số vùng hẹp tại một số thời điểm nhất định, nghĩa là bị hạn chế về thời gian và không gian, trong khi độ ẩm đất là thông số biến đổi nhanh về không gian và thời gian. Với sự phát triển vượt bậc của công nghệ vũ trụ, phương pháp viễn thám đã được ứng dụng trong nghiên cứu, giám sát độ ẩm đất, mang lại hiệu quả về kinh tế - xã hội, khắc phục dược các nhược điểm nêu trên, đặc biệt là đặc tính bao quát vùng rộng lớn và khó tiếp cận. Nguyên tắc cơ bản của các phương pháp viễn thám trong nghiên cứu độ ẩm đất là thu nhận các năng lượng phát xạ, phát xạ từ mặt đất – vốn mang thông tin về sự tương tác giữa năng lượng phát xạ với mặt đất, từ đó xác định được độ ẩm đất. 9 Với những lý do trên và qua quá trình học tập, được sự đồng ý của bộ môn Khoa học máy tính, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, em được giao đề tài luận văn với tiêu đề: “Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tích hợp đa dữ liệu trong nâng cao độ chính xác bản đồ độ ẩm đất sử dụng phổ kế siêu cao tần băng L và payload quang học trong dải nhìn thấy, hồng ngoại gắn trên UAV”. Những nội dung đề tài cần giải quyết là: - Nghiên cứu các phương pháp xác định độ ẩm đất từ đó lựa chọn phương pháp xác định cụ thể - Nghiên cứu các phương pháp tích hợp độ ẩm đất - Xây dựng một phương pháp tích hợp từ các nguồn dữ liệu độ ẩm đất xác định ở trên. Câu trúc luận văn của em ngoài phần mở đầu và kết luận gồm 3 chương - Chương 1: Tổng quan về đề tài - Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu liên quan - Chương 3: Tích hợp dữ liệu đa nguồn trong xây dựng bản đồ độ ẩm đất 10 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Giới thiệu về độ ẩm đất Hiện nay, tại Việt Nam do nhiều điều kiện khách quan khác nhau, số liệu điều tra cơ bản về độ ẩm đất là rất ít và tản mạn. Tại Viện Thổ nhưỡng và Nông hoá, các số liệu về độ ẩm đất cũng không có nhiều, kể cả các thông số cơ bản để xác định độ ẩm khô héo cũng chỉ mới xác định cho một số loại đất chính thông qua kết quả của một số đề tài nghiên cứu. Trong những năm gần đây, công nghệ viễn thám đã phát triển rất mạnh trên nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau, như xây dựng và quản lý bản đồ địa chính, khí tượng thuỷ văn và dự báo thời tiết, giám sát và quản lý các thảm hoạ thiên nhiên (lũ lụt, cháy rừng, sạt lở đất, v.v.), giáo dục, nông, lâm, ngư nghiệp, y tế, v.v. Trong số các ứng dụng kể trên, việc theo dõi giám sát độ ẩm đất có vai trò quan trọng, đặc biệt đối với các ngành nông - lâm nghiệp, vì độ ẩm đất là thông số biểu hiện mức độ trao đổi năng lượng giữa các đối tượng trên bề mặt Trái đất, và do đó ảnh hưởng đến tiểu vùng khí hậu Trái đất. Ví dụ, khi trời mưa, địa hình đất trũng gây nên độ ẩm đất cao, trong khi địa hình dốc làm nước trôi nhanh nên độ ẩm đất thấp, thời tiết hanh khô, gió mạnh làm độ ẩm đất giảm nhanh, đất bị phủ bởi lớp thảm thực vật càng dày thì độ ẩm đất biến đổi càng chậm, thành phần đất khác nhau cũng giữ ẩm khác nhau. Ngoài ra, khi mưa lớn ở những vùng đồi núi dốc, ít có lớp cây che phủ, sẽ gây nên lũ quét, lũ ống làm sạt lở đất - là một trong những tai biến thiên nhiên chủ yếu ở Việt Nam. Vì vậy độ ẩm đất mang nhiều thông tin về hệ sinh thái tự nhiên, ảnh hưởng trực tiếp đến sinh thái cây trồng, đặc biệt cây lương thực, cây công nghiệp. 1.2. Hiện trạng dữ liệu độ ẩm đất ở Việt Nam và trên Thế Giới 1.2.1. Hiện trạng dữ liệu độ ẩm đất ở Việt Nam Hiện nay, tại Việt Nam do nhiều điều kiện khách quan khác nhau, số liệu điều tra cơ bản về độ ẩm đất là rất ít và tản mạn. Tại Viện Thổ nhưỡng và Nông hoá, các số liệu về độ ẩm đất cũng không có nhiều, kể cả các thông số cơ bản để 11 xác định độ ẩm khô héo cũng chỉ mới xác định cho một số loại đất chính thông qua kết quả của một số đề tài nghiên cứu. Trong những năm gần đây, công nghệ viễn thám đã phát triển rất mạnh trên nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau, như xây dựng và quản lý bản đồ địa chính, khí tượng thuỷ văn và dự báo thời tiết, giám sát và quản lý các thảm hoạ thiên nhiên (lũ lụt, cháy rừng, sạt lở đất, v.v.), giáo dục, nông, lâm, ngư nghiệp, y tế, v.v. Trong số các ứng dụng kể trên, việc theo dõi giám sát độ ẩm đất có vai trò quan trọng, đặc biệt đối với các ngành nông - lâm nghiệp, vì độ ẩm đất là thông số biểu hiện mức độ trao đổi năng lượng giữa các đối tượng trên bề mặt Trái đất, và do đó ảnh hưởng đến tiểu vùng khí hậu Trái đất. Ví dụ, khi trời mưa, địa hình đất trũng gây nên độ ẩm đất cao, trong khi địa hình dốc làm nước trôi nhanh nên độ ẩm đất thấp, thời tiết hanh khô, gió mạnh làm độ ẩm đất giảm nhanh, đất bị phủ bởi lớp thảm thực vật càng dày thì độ ẩm đất biến đổi càng chậm, thành phần đất khác nhau cũng giữ ẩm khác nhau. Ngoài ra, khi mưa lớn ở những vùng đồi núi dốc, ít có lớp cây che phủ, sẽ gây nên lũ quét, lũ ống làm sạt lở đất - là một trong những tai biến thiên nhiên chủ yếu ở Việt Nam. Vì vậy độ ẩm đất mang nhiều thông tin về hệ sinh thái tự nhiên, ảnh hưởng trực tiếp đến sinh thái cây trồng, đặc biệt cây lương thực, cây công nghiệp. Trong những năm gần đây, ở Việt nam, nhiều công trình nghiên cứu đã sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu độ ẩm đất. Bằng phương pháp giải đoán ảnh vệ tinh, ứng dụng hệ thống thông tin địa lý trong nghiên cứu độ ẩm đất và biến động lớp phủ đất đã được một số nhóm nghiên cứu thực hiện, như của các tác giả Lại Anh Khôi [6], Nguyễn Ngọc Thạch, Phạm Văn Cự, Nguyễn Đình Dương, Nguyễn Xuân Lâm, Trần Minh Ý, Trương Thị Hoà Bình, , v.v. Về ứng dụng viễn thám siêu cao tần thụ động ứng dụng phổ kế siêu cao tần các băng L (1.4 GHz), C (3.5 GHz), và X (10.5 GHz), nhóm nghiên cứu của tác giả Doãn Minh Chung đã thực hiện thành công nhiều đề tài nghiên cứu độ ẩm đất, sinh khối thực vật, nhiệt độ và độ mặn nước biển [1- 4] Trong giai đoạn 2002-2009, các chuyên gia K.G.Kostov, B.I.Vichev thuộc Viện Điện tử, Viện HLKH Bungaria đã hợp tác với các cán bộ nghiên cứu của 12 Viện Vật lý, Viện KHCNVN thực hiện thành công 3 đề tài hợp tác Nghị định thư Việt Nam - Bungari. Với mục đích nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ phổ kế siêu cao tần thụ động ở các băng L, C và X, và ứng dụng chúng để nghiên cứu, giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường Việt Nam, trong đó có độ ẩm đất. Cụ thể là trong các năm 2000-2004, các phổ kế băng L và C đã được chế tạo và ứng dụng để kiểm nghiệm phương pháp xác định độ ẩm đất trong điều kiện môi trường tại Việt Nam [1]. 1.2.2 Ở ngoài nước Trên thế giới, độ ẩm đất được quan tâm đặc biệt và là một yếu tố quan trọng hàng đầu trong các hệ thống giám sát điều kiện ẩm của cây trồng và của các mô hình tưới tiêu. Tại nhiều nước tiên tiến, ảnh vệ tinh đã được sử dụng kết hợp với ảnh hàng không để nghiên cứu, điều tra tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Ngoài việc sử dụng các camera chụp các bức ảnh từ trên máy bay, người ta còn lắp đặt các hệ phổ kế hồng ngoại và phổ kế siêu cao tần để đo nhiệt độ phát xạ của các đối tượng tự nhiên trên mặt đất, qua đó giám sát các biến động về độ ẩm đất, sinh khối thảm thực vật. Vùng quan sát thường được chọn khá đồng nhất về mặt địa hình và đối tượng lớp phủ trên mặt đất. Các kết quả thu được từ viễn thám hàng không có thể được sử dụng kết hợp với dữ liệu ảnh vệ tinh và kết quả đo thực địa mặt đất để có được bộ số liệu chính xác có tầm bao quát đủ lớn, tầm cỡ tỉnh, liên tỉnh, quốc gia. Tháng 11/2009, Vệ tinh SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) là vệ tinh thứ 2 do Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) chế tạo trong chương trình "Hành tinh sống" đã được phóng vào quỹ đạo. Vệ tinh SMOS có nhiệm vụ đo đạc, giám sát 2 thông số là độ ẩm đất toàn cầu và nồng độ muối của các đại dương [15] Các số liệu từ SMOS sẽ bổ sung các thông tin còn thiếu về những thay đổi cấp toàn cầu độ ẩm bề mặt đất và nồng độ muối các đại dương, giúp hiểu sâu hơn về tuần hoàn nước trên Trái Đất, từ đó xây dựng các mô hình khí hậu hoàn thiện hơn cũng như tăng độ chính xác cho các dự báo thời tiết. 13 Theo ESA, những số liệu về vòng luân chuyển toàn cầu của độ ẩm trên Trái Đất sẽ giúp các nhà sinh thái học hiểu rõ hơn các quá trình dẫn đến sự biến đổi khí hậu cũng như dự đoán sự xuất hiện của những điều kiện thời tiết cực đoan, hay những nơi có thể xuất hiện các cơn bão. Ngày 31/1/2015, Cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) đã phóng thành công vệ tinh SMAP (Soil Moisture Active/Passive) vào quỹ đạo. SMAP có nhiệm vụ đo lường độ ẩm của đất không chỉ tại một vùng nhất định mà trên phạm vi không gian toàn cầu chỉ từ 2-3 ngày. Dữ liệu độ ẩm của đất từ SMAP có thể được sử dụng để cung cấp các thông tin hữu ích cho nông dân trong thời vụ. Theo NASA, SMAP có khả năng cung cấp thông tin về độ ẩm đất hiện tại cũng như dự báo trong tương lai một cách chính xác và nhanh chóng nhờ vào sự hỗ trợ của những công nghệ tiên tiến nhất [16]. Để đo được độ ẩm đất chi tiết của toàn bộ hành tinh, SMAP sẽ được đặt trong quỹ đạo cực đồng bộ với quỹ đạo Mặt Trời, sử dụng hệ thống cảm biến Radar băng L và phổ kế băng L để liên tục quét mỗi 5cm đất trên Trái Đất. Đồng thời, SMAP cũng có khả năng thu thập dữ liệu độ ẩm đất với độ phân giải khoảng 50km, tuy không thể đưa ra được thống kê độ ẩm chênh lệch giữa mảnh đất này với mảnh đất khác, nhưng vẫn cho phép cung cấp dữ liệu độ ẩm toàn diện và chi tiết nhất từ trước đến nay. SMAP đang sử dụng một bước nhảy vọt chưa từng thấy so với những công nghệ đã được sử dụng từ trước đến nay. Cụ thể, những thế hệ vệ tinh cũ không thể nào xác định được độ ẩm của mặt đất với độ phân giải và tính chính xác cao như SMAP. Nhận thấy vai trò quan trọng của độ ẩm đất đối với tài nguyên thiên nhiên và môi trường, sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học, của các cơ quan nghiên cứu và quản lý, trong khi các ứng dụng viễn thám siêu cao tần thụ động chưa được nghiên cứu một cách bài bản và hệ thống ở Việt Nam, em đã chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tích hợp đa dữ liệu trong nâng cao độ chính xác bản đồ độ ẩm đất sử dụng phổ kế siêu cao tần băng L và payload quang học trong dải nhìn thấy, hồng ngoại gắn trên UAV ” nhằm nghiên cứu, ứng dụng các thành tựu mới của phương pháp viễn thám siêu cao tần thụ động trong nghiên cứu 14 độ ẩm đất, từng bước hội nhập quốc tế trong chuẩn hoá - kiểm chứng dữ liệu các vệ tinh đo đạc, giám sát độ ẩm đất toàn cầu, góp phần giảm thiểu thiệt hại do biến đổi khí hậu gây ra. 15 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 2.1. Dữ liệu độ ẩm đất đa nguồn 2.1.1. Các phương pháp đo truyền thống để xác định độ ẩm đất Từ trước đến nay, trên thế giới có nhiều phương pháp đo độ ẩm đất, có thể kể đến một vài phương pháp phổ biến như sau: a,Phương pháp Kachinski [4] Là phương pháp xác định tính thấm nước của đất trong phòng thí nghiệm, là phương pháp phổ biến và chính xác nhất. Mục đích của phương pháp này là tính lượng nước hút ẩm trong đất trong từng điều kiện nhất định, từ đó tính được độ ẩm đất. Công thức tính độ thấm nước của đất như sau: K=(100+W)/100 (2.1) Trong đó: W - là hàm lượng nước hút ẩm không khí (%). K - lượng nước thấm trong đất (%). Ví dụ, lượng đất lấy ra ở trạng thái khô trong không khí là 10g. Sau khi sấy khô ở nhiệt độ từ 1000-1050C, còn lại 9, 5g(b), như vậy lượng nước hao hụt sau khi sấy là 0,50g (a) Lượng nước hút ẩm không khí: W%=a/b * 100 hay 0,500/9,5 *100=5, 26%. (2.2) Khi đó, K= (100+ 5, 26)/100 = 1,052. Độ thấm nước của đất được xác định chủ yếu ngoài đồng ruộng, còn xác định trong phòng thí nghiệm là thứ yếu, có tính chất bổ sung, phân tích thêm những kết quả xác định được trong điều kiện ngoài đồng ruộng. b/ Phương pháp tính toán độ ẩm đất toàn phần Độ ẩm đất toàn phần là lượng nước dự trữ trong đất ở những điều kiện nhất định. Độ ẩm đất toàn phần (hoặc trữ lượng ẩm trong đất) được tính bằng mm cột nước theo công thức sau đây: Wmm = Wt * d * h * 10 /100 = Wt * d * h */10 (2.3) Trong đó: 16 - Wmm: Độ ẩm đất toàn phần, tính bằng mm - Wt : Độ ẩm đất, tính bằng % trọng lượng, - D : Dung trọng (g/cm3) - h : Độ dày tầng đất (cm), Nếu độ dày tầng đất là 10 cm thì công thức trên có thể rút gọn như sau: Wmm = Wt * d (2.4) c/ Phương pháp tính toán độ ẩm hữu hiệu của đất Đây là giới hạn độ ẩm đất mà cây trồng có thể hút được nước, được xác định bằng hiệu số giữa độ ẩm tối đa và độ ẩm cây héo. Độ ẩm đất hữu hiệu (Whh) được xác định theo công thức sau: Whh = Wtp - WWkhoheo (2.5) Trong đó: - Wtp - Độ ẩm toàn phần (mm, %); - WWkhoheo - Độ ẩm khô héo (mm, %); 2.1.2. Các phương pháp viễn thám Do độ ẩm đất biến đổi nhanh theo thời gian và không gian, các phương pháp đo truyền thống như trên bộc lộ một số nhược điểm, đặc biệt không thể có dữ liệu trên những vùng rộng lớn, hoặc những vùng hiểm trở khó tiếp cận. Công nghệ Viễn thám, hiểu theo nghĩa chung nhất, là một ngành khoa học công nghệ có chức năng thu thập và xử lý thông tin về một đối tượng, môi trường hay một hiện tượng thông qua các số liệu được đo không tiếp xúc bởi một thiết bị đặt cách xa đối tượng, môi trường hay hiện tượng ấy. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ vũ trụ, phương pháp viễn thám (tích cực và thụ động) đã được ứng dụng trong nghiên cứu, giám sát độ ẩm đất, mang lại hiệu quả về kinh tế - xã hội, khắc phục được các nhược điểm nêu trên. Viễn thám được định nghĩa như một môn khoa học nghiên cứu các phương pháp thu nhận, đo lường và phân tích thông tin của đối tượng mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng. Về cơ bản, viễn thám có thể được chia thành 2 loại: viễn thám 17 tích cực và thụ động [3]. Nếu như trong viễn thám thụ động, các hệ thống máy đo năng lượng bức xạ tự nhiên hay phản xạ từ một số đối tượng, thì hệ thống viễn thám chủ động được cung cấp một nguồn năng lượng riêng, chiếu trực tiếp vào đối tượng và đo đạc phần năng lượng phản xạ từ đối tượng. Dựa trên phần năng lượng phản xạ thu được, áp dụng các mô hình vật lý, sẽ tính được độ ẩm đất. 2.1.2.1. Phương pháp viễn thám tích cực , nguyên tắc hoạt động liên quan đến quá trình truyền sóng điện từ từ nguồn phát đến vật thể cần quan tâm, được mô tả trong hình 2.1: - Nguồn phát năng lượng (1): là nguồn phát ra năng lượng điện từ đi tới đối tượng cần quan tâm. - Khi năng lượng truyền từ nguồn phát tới đối tượng, nó sẽ tương tác tới khí quyển mà nó đi qua. Sự tương tác này có thể xảy ra lần thứ 2 khi phần năng lượng phản xạ từ đối tượng truyền tới bộ cảm biến trên vệ tinh. - Khi năng lượng gặp được đối tượng sau khi xuyên qua khí quyển, nó tương tác với đối tượng. Phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng và sóng điện từ mà năng lượng phản xạ hay bức xạ này sẽ khác nhau. - Việc thu năng lượng của bộ cảm biến (sensor): sau khi năng lượng bị tán xạ hoặc phản xạ từ đối tượng, chính bộ cảm biến phát trên vệ tinh sẽ được dùng để thu phần năng lượng phản xạ này. - Sự truyền tải, thu nhận và xử lý (Trạm thu): năng lượng được ghi nhận bởi bộ cảm biến phải được truyền đến một trạm thu dưới mặt đất để xử lý. Năng lượng này thường được truyền đi dưới dạng tín hiệu điện. Trạm thu sẽ xử lý năng lượng này để tạo ra ảnh. - Sự giải đoán và phân tích: ảnh vệ tinh được xử lý ở trạm thu sẽ được giải đoán trực quan hoặc phân loại bằng các phần mềm chuyên dụng để chiết tách thông tin về đối tượng. - Thông tin sau khi được tách ra từ ảnh có thể được ứng dụng để nghiên cứu về đối tượng, khám phá một số thông tin mới hoặc hỗ trợ cho việc giải quyết một vấn đề cụ thể. Do các tính chất của các đối tượng (nhà cửa, mặt đất, rừng cây, mặt 18 nước...) có thể được xác định thông qua năng lượng bức xạ hay phản xạ từ vật chất, nên viễn thám là một ngành khoa học công nghệ nhằm xác định, nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua những đặc trưng riêng về sự phát xạ và bức xạ. Hình 2. 1 Nguyên lý hoạt động của viễn thám tích cực Như vậy, phương pháp viễn thám tích cực được ứng dụng rất hiệu quả cho việc nghiên cứu sử dụng đất và lớp phủ mặt đất nhờ những ưu điểm sau: - Ảnh vệ tinh có thể ghi nhận sự thay đổi hiện trạng mặt đất, tính chất của môi trường đất (độ ẩm) của một vùng rộng lớn một cách nhanh chóng (ưu điểm về không gian và thời gian). - Ảnh vệ tinh có thể cung cấp các thông tin mà các phương pháp thông thường không có được, đặc biệt với những khu vực mà con người và thiết bị không tiếp cận được. - Cho kết quả nhanh hơn, đầy đủ và kinh tế hơn so với quan sát thực địa. Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là: - Nhiều dạng khác nhau của hiện trạng sử dụng đất có thể không phân biệt được trên ảnh vệ tinh. - Đối với vùng nghiên cứu có diện tích nhỏ thì phương pháp viễn thám không phù hợp và không kinh tế so với các phương pháp truyền thống. 2.1.2.2. Phương pháp viễn thám thụ động, độ ẩm đất được nghiên cứu theo nguyên 19 lý như sau: Với viễn thám thụ động, dải hoạt động của nó là trong 2 vùng sóng: sóng radar và sóng quang học. Trong vùng sóng quang học, khi ánh sáng mặt trời chiếu xuống, các đối tượng tự nhiên hấp thụ một phần năng lượng mặt trời đó và tán xạ, phản xạ lại. Các sensor từ vệ tinh sẽ thu nhận, xử lý và gửi thông tin xuống trạm mặt đất dưới dạng ảnh quang học. Còn trong vùng sóng sóng radar, theo lý thuyết về bức xạ điện từ, mọi vật chất trong thiên nhiên, ngoại trừ ở nhiệt độ không tuyệt đối (00K), do chuyển động nhiệt của các proton và electron, đều tự phát ra một phổ bức xạ nhiệt - được đặc trưng bởi Độ phát xạ (e) hay Nhiệt độ phát xạ (Tb = e.T0). Nhiệt độ phát xạ này phụ thuộc vào nhiệt độ vật lý T0, vào thành phần, cấu trúc và các tham số vật lý của vật chất. Dựa vào quan hệ này, người ta đo nhiệt độ phát xạ của đối tượng quan tâm và từ đó xác định các tham số cần thiết. Hiện tượng này được gọi là sự phát xạ thụ động, hay sự phát xạ tự nhiên của vật chất. Sóng điện từ này lan truyền trong không gian dưới dạng phổ bức xạ ở mọi dải tần số. Tuy nhiên, tuỳ thuộc vào môi trường và bản thân vật phát xạ, phổ năng lượng này có thể bị hấp thụ khác nhau đối với mỗi dải tần số. Đặc tính của phổ bức xạ này về cường độ và tần số phụ thuộc vào các đặc tính cố hữu của vật phát xạ và môi trường bao quanh. Dựa vào điều ấy, các nhà khoa học đã chế tạo các thiết bị và nghiên cứu các phương pháp thu nhận, biến đổi các tín hiệu điện từ trường phát xạ từ vật chất, để từ đó xác định các đặc tính cố hữu của vật chất. Thiết bị đo tương ứng được gọi là phổ kế (radiometer RDM). Hình 1.2 dưới đây mô tả dải sóng hoạt động của viễn thám siêu cao tần thụ động (từ 0, 3 - 100 cm): 20 Quan sát trên mặt đất được sử dụng trong phạm vi thực địa, độ cao quan sát < 5m. Phương thức này được ứng dụng để quan sát lớp thực vật bao phủ trên mặt đất, sinh khối, độ ẩm của đất, nhiệt độ bề mặt đất. Quan trắc từ máy bay được ứng dụng trên phạm vi nhiều cánh đồng với trường quan sát > 500m. Phương thức này được ứng dụng để quan sát mùa vụ, các yếu tố độc hại ảnh hưởng đến đất, nhiệt độ bề mặt, vi khí hậu ảnh hưởng đến độ ẩm đất. Phương thức thứ ba là quan sát từ vệ tinh nhân tạo trên một khu vực lớn với trường quan sát > 100 km. Phương thức này được ứng dụng để lập bản đồ tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Phổ kế siêu cao tần (SCT) là thiết bị đặc biệt dùng để đo nhiệt độ phát xạ tự nhiên của đối tượng trong vùng sóng siêu cao tần. Phổ kế SCT bao gồm anten, máy thu và khối xử lý số liệu và ghép nối với máy tính. Để đo nhiệt độ phát xạ của một đối tượng, anten được hướng vào đối tượng đó theo góc tới  và góc phương vị . Đối tượng đó phát ra một bức xạ điện từ có cường độ bức xạ B được biểu thị bằng công thức Rayleigh-Jeans [20] 𝐵 = 2𝑘𝑇 2 𝑒 (2.6) Trong đó: B - cường độ bức xạ. (J/m2) Hình 2. 2. Các dải sóng điện từ được dùng trong viễn thám 21 k =1,38.10-23 (J/K) – hằng số Boltzman.  (cm) – bước sóng điện từ trường, e - độ phát xạ tự nhiên của đối tượng đo. Hình 2. 3. Tổng quan sự phát xạ tự nhiên của các đối tượng trên bề mặt trái đất Cường độ bức xạ từ đối tượng được hấp thụ bởi anten và tạo nên nhiệt độ anten - được biểu thị qua công thức sau: 𝑇𝐴 = 1 4𝜋 ∬ 𝑇𝐵(𝜃, ). 𝐺(𝜃, ). 𝑑4𝜋 (2.7) Trong dó: G(, ) = hệ số khuếch đại