ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN THỊ HẢI YẾN
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 KHOA HỌC MÁY TÍNH
Hà Nội, 07/2020
LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến TS Bùi Quang Hưng, PGS. TS Doãn Minh Chung đã tận tình hướng dẫn tôi trong thời gian làm 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
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
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
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
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1 So sánh các phương pháp thu thập dữ liệu độ ẩm đất 17
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 UAV………30
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
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
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.
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
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
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
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.
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
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.
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:
- 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
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
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
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):
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 =2𝑘𝑇2 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
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∬ 𝑇4𝜋 𝐵(𝜃,). 𝐺(𝜃,). 𝑑 (2.7)
Trong dó:
G(, ) = hệ số khuếch đại của anten
TB(, ) = nhiệt độ phát xạ tại anten theo góc và góc phương vị .
Biểu thức về nhiệt độ phát xạ của mặt đất được đo bằng phổ kế SCT là:
TB(, ) = (A, ).[R.Tsky + (1-R).T + TATM (A, )]
(2.8) Trong đó:
- A: là độ cao của anten so với đối tượng đo (m) - : hệ số truyền qua của không khí
- R: độ phản xạ của bề mặt đất.
- Tsky: nhiệt độ phát xạ của bầu trời (độ K).
- T: Nhiệt độ vật lý của bề mặt đất (độ K).
- TATM: nhiệt độ phát xạ của không khí (độ K).
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ở tần số siêu cao (ví dụ f = 1.4GHz), (A,
) 1, nhiệt độ phát xạ từ không khí Tsky < 6K và ở độ cao cách mặt đất từ 1-2m, TATM rất nhỏ [17], [38], [64]. Vì thế nhiệt độ phát xạ của mặt đất sẽ là:
Tg(,p) = [1-R(, p)]T (2.9) Từ những phương pháp xác định độ ẩm đất ở trên học viên nhận thấy, phổ kế siêu cao tần không đo trực tiếp độ ẩm đất, mà chỉ đo độ phát xạ tự nhiên của đất. Sau đó, bằng các phương pháp phân tích, xử lý số liệu mới xác định được độ ẩm đất. Phương pháp viễn thám siêu cao tần ứng dụng trong nghiên cứu độ ẩm đất tuy có nhược điểm là phải xác định gián tiếp, nhưng có ưu điểm nổi bật là có thể xác định độ ẩm đất trên diện tích rộng trong thời gian ngắn, đáp ứng được đặc tính biến đổi lớn về không gian và thời gian của độ ẩm đất
2.1.3. So sánh lựa chọn phương pháp xác định độ ẩm đất
Bảng 2. 1. So sánh các phương pháp thu thập dữ liệu độ ẩm đất S
T T
Tên phươ ng pháp
Giới thiệu chung Phương pháp thu thập dữ liệu
Ưu điểm Nhược điểm
1 Đo truyền thống
Là phương pháp xác định tính thấm nước của đất trong phòng thí nghiệm.
Mục đích của phương pháp này là tính lượng nước hút ẩm trong đất trong từng điều
Lấy mẫu về thí nghiệm trong phòng
Phổ biến , chính xác
Không đo được trên diện rộng, hoặc không đo được trên vùng có địa hình hiểm trở
kiện nhất định, từ đó tính được độ ẩm đất.
2 Ảnh quang học
Loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng ánh sáng nhìn thấy (bước sóng 0.4 – 0.76 micromet).
Nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời
Loại ảnh được tạo ra bởi việc thu
nhận các
bước sóng ánh sáng nhìn thấy (bước sóng 0.4 – 0.76 micromet).
Nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời
Ảnh quang học cung cấp nhiều thông tin về lớp phủ bề mặt và một số yếu tố địa hình.
Khi thời tiết xấu sẽ không thu nhận được dữ liệu hoặc thu nhận kém
3 Ảnh radar
là loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng trong dải sóng cao tần (bước sóng từ 1mm – 1m).
Nguồn năng lượng chính là sóng rada phản xạ từ các vật thể do vệ tinh tự phát xuống theo những bước sóng đã được xác định (có 3 băng L, C và X)
Ít chịu ảnh hưởng của thời tiết, có thể xuyên qua mây
Qua bảng 2.1, học viên nhận thấy:
- Với các thiết bị phổ kế mặt đất để xây dựng bản đồ độ ẩm là không thể.
- Việc đưa phổ kế siêu cao tần lên máy bay có người lái thì rất tốn kém.
Nên việc chế tạo phổ kế siêu cao tần có thể tích hợp trên thiết bị bay không người lái là vô cùng cần thiết vì có thể giám sát một vùng diện tích rộng, có khả năng theo dõi thời gian thực, chi phí vận hành rẻ.
Học viên lựa chọn phổ kế siêu cao tần band L, đây là giải tần phù hợp trong việc xác định độ phát xạ bề mặt đất phù hợp cho việc giám sát độ ẩm đất.
Dữ liệu độ ẩm xác định từ các ảnh vệ tinh SMOS, SMAP, Sentinel 1A
2.2. Xác định độ ẩm đất
2.2.1. Xác định độ ẩm đất từ phổ kế siêu cao tần băng L gắn trên UAV
Phổ kế siêu cao tần là công cụ tiến bộ cho việc giám sát hệ sinh thái. Viện Công nghệ Vũ trụ đã chế tạo ba phổ kế siêu cao tần làm việc tại band L, C và X thông qua ba dự án hợp tác giữa Bulgaria và Việt Nam. Hợp tác nghiên cứu thực nghiệm về độ ẩm đất, thực vật nông nghiệp và mặt biển được thực hiện bằng cách sử dụng các phổ kế trên. Tuy nhiên các phổ kế trên được chế tạo đã lâu nên có kích thước quá lớn nên chỉ phù hợp cho việc đo đạc trên mặt đất, không phù hợp cho việc gắn lên thiết bị bay. Với kinh nghiệm chế tạo và ứng dụng phổ kế, Viện Công nghệ Vũ trụ có khả năng nghiên cứu chế tạo phổ kế siêu cao tần band-L, X có khối lượng và kích thước nhỏ gọn, gắn được trên thiết bị bay và có khả năng thu được dữ liệu đủ tin cậy để xây dựng mô hình tính độ ẩm đất phù hợp, trợ giúp công tác giám sát, quản lý phục vụ nông nghiệp.
Với việc các đánh giá về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước cũng như kinh nghiệm của nhóm nghiên cứu. Nhóm đề tài mã số VT-UD.03/17-20 đặt ra nhiệm vụ là chế tạo một bộ phổ kế siêu cao tần phục vụ cho việc thu thập dữ liệu về độ phát xạ đất lắp đặt trên thiết bị bay không người lái UAV. Với các thiết bị phổ kế mặt đất để xây dựng bản đồ độ ẩm là không thể. Việc đưa phổ kế siêu cao tần lên máy bay có người lái thì rất tốn kém. Nên việc chế tạo phổ kế siêu cao tần có thể tích hợp trên thiết bị bay không người lái là vô cùng cần thiết.
Có thể giám sát một vùng diện tích rộng.
- Khả năng theo dõi thời gian thực.
- Chi phí vận hành rẻ.
Với kinh nghiệm chế tạo các phổ kế siêu cao tần mặt đất. Nhóm đề tài lựa chọn chế tạo phổ kế siêu cao tần band L. Đây là giải tần phù hợp trong việc xác định độ phát xạ bề mặt đất phù hợp cho việc giám sát độ ẩm đất.
Để lựa chọn loại phổ kế chế tạo. Nhóm đề tài dựa trên các đề tài đã thực hiện tham khảo ba loại phổ kế phổ biến:
- Phổ kế siêu cao tần kiểu công suất toàn phần - Phổ kế siêu cao tần kiểu Dicke
- Phổ kế siêu cao tần kiểu bù tạp âm
Qua các phân tích về chỉ tiêu kỹ thuật và ưu điểm của các loại phổ kế siêu cao tần cũng như kinh nghiệm kế thừa từ việc thiết kế chế tạo ba bộ phổ kế siêu
tần đặt mặt đất băng L,C, X nhóm đề tài lựa chọn thiết kế chế tạo loại phổ kế siêu cao tần có tính kế thừa và cải tiến vượt trội so với các bộ phổ kế đặt mặt đất đã chế tạo trước đây :
- Lựa chọn loại phổ kế siêu cao tần kiểu Dicke có độ chính xác tốt tương tự loại phổ kế siêu cao tần band L đặt mặt đất. Do yêu cầu đặc biệt về tính chính xác độ nhạy và tính ổn định khi hoạt động hai khối cao tần và trung tần của phổ kế siêu cao tần băng L việc chế tạo tại Việt Nam là không khả thi. Do vậy nhóm đề tài lựa chọn đặt hàng chế tạo và thử nghiệm 2 khối thiết bị cao tần và trung tần tại nước ngoài theo thiết kế và tính toán của nhóm. Riêng khối xử lý trung tâm sẽ được thiết kế chế tạo tại Việt Nam sau đó sẽ được tích hợp với hai khối cao tần và trung tần.
- Giá trị đo của phổ kế siêu tần đặt trên thiết bị bay có thể được kiểm chứng bằng phổ kế siêu cao tần đặt dưới mặt đất đã có sẵn trong quá trình bay đo thử nghiệm
Hình 2. 4. Phổ kế siêu cao tần band L tích hợp trên thiết bị bay không người lái UAV
Quá trình thiết kế, chế tạo phổ kế được kiểm nghiệm ở điều kiện phòng thí nghiệm và điều kiện mặt đất. Sau đó sẽ được tích hợp và thử nghiệm trên thiết bị bay không người lái UAV.
Từ giá trị nhiệt độ phát xạ Tb đo được từ phổ kế siêu cao tần, có thể xác định được hằng số điện môi của nó (thông qua mô hình phát xạ Fresnel). Sau đó từ giá trị hằng số điện môi của đất, xác định được độ ẩm đất (thông qua mô hình bán thực nghiệm Wang-Schmugge). Kết quả là, từ nhiệt độ phát xạ của mặt đất, có thể xác định được độ ẩm đất.
a) Mô hình phát xạ Fresnel
Nhiệt độ phát xạ của đất phụ thuộc vào hằng số điện môi và nhiệt độ vật lý của lớp đất. Nhiệt độ phát xạ Tb theo phân cực p (H- nằm ngang hoặc V- thẳng đứng) của môi trường đất có bề mặt nhẵn được đo ở góc tạo bởi phương thẳng đứng với pháp tuyến của anten, được thể hiện như sau:
(2.5) Trong đó (z) và T(z) là hằng số điện môi và nhiệt độ của đất theo độ sâu z của mặt cắt lớp. Hàm số FP (z),là hàm trọng số mô tả đóng góp của nhiệt độ lớp z đến nhiệt độ phát xạ trên toàn vùng.
Schmugge and Choudhury [15] đã đưa ra một mô hình truyền bức xạ đơn giản nhằm tính toán nhiệt độ phát xạ theo công thức sau:
(2.6) Trong đó Rp() là hàm phản xạ Fresnel đối với mặt tiếp giáp (đất – không khí) và Teff() là nhiệt độ phát xạ hiệu dụng.
Trong trường hợp môi trường đất là đẳng nhiệt T(z) = TS, phương trình 3.6 trở thành:
(2.7)
z
dz Fz T TBp
p
0
), ( ) ( )
(
), ( )]
( 1 [ )
( p eff
Bp R T
T
, )]
( 1 [ ) ( )
( p S p S
Bp e T R T
T
Trong điều kiện lý tưởng, khi môi truờng đất đẳng nhiệt, đồng nhất, bề mặt phẳng, độ phát xạ Rp() có thể được tính toán bằng các phương trình Fresnel:
(2.8)
(2.9) b) Mô hình hằng số điện môi Wang- Schmugge
Bằng thực nghiệm, Wang-Schmugge đã nhận thấy, khi độ ẩm đất mv nhỏ hơn một giá trị xác định, gọi là độ ẩm chuyển tiếp Wt, thì ’của đất tăng chậm theo độ ẩm đất, nhưng khi mv > Wt thì ’ tăng đột biến theo độ ẩm đất. Sự phụ thuộc này được biểu hiện thông qua các phương trình hỗn hợp bao hàm đóng góp của các phần tử đất, không khí và nước như sau:
Khi mv < Wt :
(2.11)
Với (2.12)
và khi mv > Wt :
(2.13)
Với (2.14)
ở đây, mv (g/cm3) là độ ẩm thể tích của đất, P là độ xốp của đất khô a, w,
r , và x lần lượt là hằng số điện môi của không khí, nước, đá và băng; x là
, sin cos
sin ) cos
(
2
2 2
Rh
. sin cos
sin ) cos
(
2
2 2
Rv
, ) 1 ( )
( v a r
x
v P m P
m
x i ( w i)(mv/Wt)
r a
v w
t v x
t m W P m P
W
( ) ( ) (1 )
. ) (
x i w i
hằng số điện môi của nước hấp thụ ban đầu, Wt là độ ẩm chuyển tiếp của đất liên quan đến trạng thái nước tự do và là tham số thực nghiệm.
Độ xốp P của đất khô được xác định như sau:
(2.15) Trong đó - ps, pr là dung trọng của đất khô và đá trong đất Wt và và độ ẩm khô héo WP được tính như sau:
(2.16)
(2.17)
(2.18)
trong đó SF và CF là nồng độ % của cát, sét của đất khô.
Tuy nhiên các mô hình tính toán trên đây được ứng dụng đối với bề mặt đất trống, bằng phẳng và đồng nhất. Trên thực tế, bề mặt đất thường ghồ ghề và bị che phủ bởi lớp thực vật phía trên, vì vậy để có kết quả chính xác cần phải nghiên cứu và hiệu chỉnh các kết quả đo
c. Hiệu chỉnh ảnh hưởng của lớp phủ thực vật đến độ ẩm đất trong viễn thám hàng không
Lớp phủ thực vật trên mặt đất làm suy yếu sự phát xạ của lớp đất phía dưới, đồng thời cộng thêm sự phát xạ của chính nó vào tổng lượng phát xạ (mà phổ kế siêu cao tần đo được). Lớp phủ thực vật trong nhiều trường hợp (lúa, ngô, cà phê, v.v.) có thể được coi là một lớp điện môi, bị giới hạn bởi mặt đất phía dưới và bề mặt tiếp giáp thực vật – không khí ở phía trên. Theo mô hình Basharinov và
), (
1 s r
P
481 . 0 57
.
0
WP
. 165 . 0 49
.
0
WP
Wt
, 00478 . 0 00064 . 0 06774 .
0 SF CF
WP
Shutko tính toán ảnh hưởng của lớp phủ thực vật, công thức tổng quát tính nhiệt độ phát xạ tổng hợp của đối tượng (đất + thực vật) được xác định như sau [1]:
(2.19)
Trong đó TB: nhiệt độ phát xạ tổng hợp của (đất - thực vật) TV: nhiệt độ vật lý của thực vật
TS: nhiệt độ vật lý của đất
RS: độ phản xạ của bề mặt đất- không khí : suất phản chiếu tán xạ đơn
: hệ số truyền qua của lớp thực vật
Độ phản xạ R liên hệ với độ phát xạ e theo công thức sau:
e = 1-R (2.20)
Trong mô hình này, lớp thực vật được coi là lớp vừa tán xạ, phản xạ và hấp thụ. Suất tán xạ đơn có thể biến đổi cùng với các tham số khác và có ảnh hưởng đến sự truyền qua của lớp thực vật. Tuy nhiên, khoảng dao động của giá trị này rất nhỏ, trong khoảng (0.05-0.1)dm ở những bước sóng lớn. Shutko (1980) và Jackson, Onel (1990) đã giả thiết cho ≈ 0, vì vậy phương trình (2.19) sẽ được biến đổi như sau:
(2.21)
Hệ số truyền qua là hàm của “độ dày quang học” , hình dạng cấu trúc của cây (thông qua tham số b), độ dài bước sóng, phân cực và góc tới của Anten:
(2.22)
Với mỗi lớp thực vật cụ thể, mối quan hệ giữa và độ ẩm sinh khối Wv (2.23)
1
1
1
1
B S V S S
T R T R T
. 2
1 s
v b
v R
T
e T
2 exp -2 sec
. v
bW
d. Quy trình hiệu chỉnh ảnh hưởng của lớp phủ thực vật
Với số liệu đo được từ phổ kế là nhiệt độ phát xạ Tb của tổ hợp (thực vật - đất) và một số thông số thực địa khác. Theo công thức (2.19), nhiệt độ Tb đo được bằng phổ kế bao gồm 2 thành phần: phát xạ từ lớp thực vật (TV) và phát xạ từ đất (TS). Công thức (2.19) được chuyển thành (2.21) với điều kiện ≈0. Trong (2.21), vế trái xác định được từ Tb và TV, vì vậy eS sẽ tính được nếu biết .
Dựa vào các công thức (2.22), (2.23), sẽ xác định được nếu biết Tb và WV. Tham số b được tra cứu từ các tài liệu thực nghiệm đã công bố, sinh khối thực vật WV được xác định từ phép đo thực địa (cân sấy) như đã mô tả ở phần trên. Công thức xác định eS như sau:
(2.24)
Sau khi xác định được độ phát xạ eS, chúng ta sẽ sử dụng mô hình Wang- Schmugge để xác định độ ẩm đất (mg).
Hình 2.5: Sơ đồ khối hiệu chỉnh ảnh hưỏng của lớp thực vật và xác định độ ẩm đất
F: tần số (Hz)
Tb: nhiệt độ phát xạ tổng hợp (oK) Tb đất: nhiệt độ phát xạ của đất (oK) WC: độ ẩm đất tính toán theo mô hình
WC cổ điển: độ ẩm đất theo phương pháp truyền thống
1 ) (
1 2
c
s
e e
Hình 2. 6. Mô hình tính toán độ ẩm đất sử dụng phổ kế siêu cao tần trên thiết bị bay không người lái UAV.
2.2.2. Xác định độ ẩm đất từ ảnh vệ tinh SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity)
SMOS là vệ tinh thứ 2 do Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) chế tạo trong chương trình "Hành tinh sống". Vệ tinh SMOS dùng để theo dõi ở cấp độ toàn cầu 2 thông số ảnh hưởng đến thời tiết và khí hậu là độ ẩm của đất và nồng độ muối của các đại dương.
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.
Hình 2. 1. Vệ tinh SMOS
2.2.3. Xác định độ ẩm đất từ ảnh vệ tinh SMAP
Vệ tinh SMAP (Soil Moisture Active Passive) là vệ tinh của NASA phóng lên quỹ đạo với nhằm đo lường độ ẩm của đất trên phạm vi toàn cầu.
SMAP có khả năng thực hiện nhiệm vụ không chỉ tại một vùng nhất định mà trên phạm vi toàn cầu và cho ra kết quả là 2-3 bản đồ độ ẩm của Trái Đất mỗi ngày.
SMAP sẽ hoạt động ở độ cao 365km tại quỹ đạo chuẩn cực đồng bộ với quỹ đạo Mặt Trời, sử dụng hệ thống ra đa băng tầng L và bức xạ kế băng tầng L để liên tục quét mỗi 5cm đất trên Trái Đất. Đồng thời, SMAP cũng có khả năng thu thập dữ liệu độ ẩm 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.
Đồng thời, dữ liệu về độ ẩm của đất thu thập được từ vệ tinh SMAP trong suốt thời gian hoạt động cũng có thể hỗ trợ các cơ quan, tổ chức hiểu thêm về mối liên kết giữa nước, năng lượng và chu trình carbon nhằm đưa ra những dự đoán thời tiết và diễn biến của khí hậu một cách chính xác hơn.
Hình 2. 2. Vệ tinh SMAP 2.2.4. Xác định độ ẩm đất từ ảnh vệ tinh Sentinel 1A
Sentinel là tên của một loạt các vệ tinh quan sát trái đất thuộc Chương trình Copernicus của Cơ quan Không gian Châu Âu (ESA). Các vệ tinh được đặt tên từ Sentinel-1 tới Sentinel-6 có các thiết bị thu nhận quan sát đất liền, đại dương và khí quyển.
+ Sentinel-1A là vệ tinh dầu tiên trong loạt các vệ tinh thuộc chương trình Copernicus, đã được lên quĩ đạo ngày 3/4/2014. Thiết bị thu nhận ảnh radar khẩu độ mở tổng hợp, kênh C (synthetic aperture radar (SAR). Các chế độ thu nhận ảnh bao gồm Interferometric wide-swath mode, 250 km, 5×20 m resolution Wave-mode images 20×20 km, 5×5 m resolution (at 100 km intervals) Strip map mode 80 km swath, 5×5 m resolution Extra wide-swath mode 400 km, 20×40 m resolution Sentinel-1A có nhiệm vụ giám sát băng, tràn dầu, gió và sóng
biển, thay đổi sử dụng đất, biến dạng địa hình và đáp ứng các trường hợp khẩn cấp lũ và động đất. Do là dữ liệu radar nên có các chế độ phân cực đơn VV hoặc HH) và phân cực đôi (VV+VH hoặc HH+HV).
Hình 2. 3. Sentinel 1A
2.3. Mô hình chồng lớp độ ẩm
2.3.1. Mô hình thống kê (Statistical Models)
Có rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trên các mạng lưới quan sát độ ẩm đất dày đặc hoặc các quan sát cảm biến từ xa để mô tả các thống kê không gian của trường độ ẩm đất [ví dụ, Famiglietti và cộng sự, 1999; Grayson và Western, 1998; Peng và cộng sự, 2013b], để liên hệ sự biến thiên không gian với mức trung bình trong không gian [Grayson và Western, 1998], hoặc phát hiện cách thống kê thay đổi qua các thang [Crow và Wood, 1999; Famiglietti và cộng sự, 2008; Rodriguez-Iturbe và cộng sự, 1995]. Dựa trên những quan niệm này, các thuật toán tăng độ phân giải không gian của các sản phẩm độ ẩm đất đã được đề xuất. Ví dụ, Kaheil et al. [2008] sử dụng mô tả địa thống kê về sự phân bố
không gian của trường độ ẩm đất trong một ảnh tỷ lệ thô để lập mô hình trường độ ẩm đất ở tỷ lệ nhỏ hơn. Họ tối ưu hóa ảnh sau này dựa trên các quan sát độ ẩm đất tại chỗ và một thuật toán SVM (support vector machine algorithm). Tuy nhiên, có thể lập luận rằng các kỹ thuật địa lý ít thích hợp hơn để tính đến trường độ ẩm đất phụ thuộc vào tỷ lệ hai chiều. Năm 2008, Kaheil và cộng sự đề xuất sử dụng kỹ thuật đa phân giải dựa trên wavelet để giảm tốc độ. Theo cách tiếp cận như vậy, trường độ ẩm đất được phân tích thành các hệ số wavelet đặc trưng cho tỷ lệ không gian và vị trí bên trong thực địa và cho phép mô tả trạng thái điển hình multi-Fractal của trường độ ẩm đất; tức là, mômen thống kê của trường độ ẩm đất thay đổi như một hàm của thang đo được xem xét nhưng có liên quan giữa các thang đo thông qua số mũ chia tỷ lệ [Gupta và Waymire, 1990]
2.3.2. Mô hình bề mặt đất
Có nhiều cách khác nhau trong đó mô hình bề mặt đất có thể tỷ lệ thô (coarse-scale). Những phạm vi này bao gồm việc tối ưu hóa các thông số mô hình thủy văn hoặc bề mặt đất dựa trên các quan sát tỷ lệ thô (coarse-scale) (điều này thường được gọi là giảm tỷ lệ xác định), giảm tỷ lệ thống kê (trong đó việc giảm tỷ lệ được thực hiện dựa trên các phép hồi quy), đến đồng hóa các quan sát tỷ lệ thô trong đất các mô hình bề mặt.
2.3.2.1. Giảm tỷ lệ xác định
Trong việc giảm tỷ lệ xác định, độ ẩm đất ở tỷ lệ mịn thu được từ một mô hình thủy văn được tối ưu hóa theo cách mà độ ẩm đất từ xa có thể cảm nhận được ở tỷ lệ thô cũng được xấp xỉ bằng giá trị trung bình của các dự báo độ ẩm đất subpixel tương ứng. Ines và cộng sự. [2013] đã sử dụng phương pháp tiếp cận thuật toán di truyền [Ines và Droogers, 2002] để tối ưu hóa các thông số thủy lực của đất của một mô hình thủy văn (tức là, mô hình Nhà máy Khí quyển Nước trong Đất (SWAP) [Kroes et al., 2000; Van Dam et al. , 1997]), thông qua việc giảm thiểu sự khác biệt giữa độ ẩm đất được cảm nhận từ xa ở tỷ lệ thô và giá trị trung bình của giá trị độ ẩm đất mô phỏng theo độ phân giải quy mô mịn. Để hạn chế hơn nữa việc tối ưu hóa mô hình, Shin và Mohanty [2013] đã mở rộng hàm
