Luận án nghiên cứu các mô hình vật lý và ứng dụng hệ phổ kế siêu cao tần trong nghiên cứu xác định độ ẩm đất

Tơi xin cam đoan:
Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là hồn tồn trung
thực, của tơi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Dỗn Minh Chung, khơng vi
phạm bất cứ điều gì trong Luật Sở hữu Trí tuệ và Pháp luật Việt Nam. Nếu sai,
tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước Pháp luật.
TÁC GIẢ LUẬN ÁN

Võ Thị Lan Anh

1 
 


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc đến PGS. TS. Doãn
Minh Chung, người Thày đã ln tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực
hiện Luận án này. Trong thời gian học tập, nghiên cứu, thực hiện Luận án Thày
đã luôn định hướng, truyền dạy, bổ sung cho tôi nhiều kiến thức chuyên ngành,
kinh nghiệm nghiên cứu quý báu và giúp tôi sớm xác định được hướng nghiên
cứu cụ thể cho Luận án.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS. TS. Nguyễn Đại Hưng
cùng các quý Thầy, Cô trong Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Cơng
nghệ Việt Nam, những người đã ln nhiệt tình dạy dỗ, chỉ bảo, truyền thụ cho
nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý giá trong thời gian tôi thực hiện Luận án
này tại Viện.
Xin cảm ơn các anh chị, bạn bè, đồng nghiệp Viện Công nghệ vũ trụ, Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã luôn quan tâm, động viên, khích
lệ, tạo điều kiện và ln giúp đỡ, trao đổi, thảo luận, cung cấp cho tôi nhiều
thông tin, kiến thức, kinh nghiệm hữu ích để hồn thành Luận án này.
Cuối cùng con xin được bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới cha mẹ hai bên, xin
cảm ơn tất cả người thân trong gia đình đã ln quan tâm, động viên, khích lệ

và tạo mọi điều kiện giúp tơi có thêm quyết tâm, nghị lực trong học tập, nghiên
cứu và hoàn thành Luận án này.
Xin chân thành cảm ơn!

2 
 


MỤC LỤC 
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................6 
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................8 
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................9 
PHẦN MỞ ĐẦU.................................................................................................12 
1. Xuất xứ của đề tài luận án ...................................................................................... 12 
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án ................................................... 14 
3. Phương pháp nghiên cứu của luận án .................................................................. 15 
4. Các luận điểm bảo vệ .............................................................................................. 15 
5. Đóng góp khoa học mới của luận án..................................................................... 16 
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘ ẨM ĐẤT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU ...................................................................................................17 
1.1. Tổng quan về các tính chất vật lý cơ bản của đất............................................ 17 
1.2. Các phương pháp nghiên cứu độ ẩm đất.......................................................... 21 
1.2.1. Các phương pháp đo truyền thống ...................................................................................... 21 
1.2.2. Các phương pháp viễn thám ............................................................................................... 23 

1.3. Tổng quan các nghiên cứu viễn thám độ ẩm đất ở trong và ngoài nước .... 30 
1.3.1. Ở trong nước ....................................................................................................................... 30 
1.3.2. Ở ngoài nước ....................................................................................................................... 32 

CHƯƠNG II. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH VẬT LÝ XÁC

ĐỊNH ĐỘ ẨM ĐẤT ...........................................................................................38 
2.1. Tổng quan về các mơ hình vật lý xác định độ ẩm đất ................................... 38 
2.1.1.Phương pháp hồi quy dựa trên phép đo cấu hình đơn giản và bản đồ phân loại thực vật của
Jackson (1993) .............................................................................................................................. 40 

3 
 


2.1.2.Phương pháp hồi quy dựa trên phép đo đơn cực và các chỉ số thực vật của Van de Greind
và Owe (1994) ............................................................................................................................... 42 
2.1.3. Phương pháp hồi quy 2 tham số, quan trắc hai phân cực và đa góc của Wingneron et al.
(1995) ............................................................................................................................................ 44 
2.1.4. Mơ hình hồi quy 2 tham số, quan trắc lưỡng cực của Owe et al(2001) .............................. 46 

2.2. Xây dựng mơ hình vật lý xác định độ ẩm đất .................................................. 47 
2.2.1. Mô hình vật lý về sự phát xạ tự nhiên của đất .................................................................... 50 
2.2.2. Các tham số ảnh hưởng đến độ phát xạ tự nhiên của đất ................................................... 53 
2.2.3. Mơ hình bán thực nghiệm Wang–Schmugge về hằng số điện môi của đất ......................... 59 

CHƯƠNG III. XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘ PHÁT XẠ CỦA
ĐẤT BẰNG PHỔ KẾ SIÊU CAO TẦN ..........................................................64 
3.1. Tổng quan về phổ kế siêu cao tần và nguyên lý hoạt động ............................ 64 
3.1.1. Phổ kế siêu cao tần kiểu cơng suất tồn phần .................................................................... 65 
3.1.2. Phổ kế siêu cao tần kiểu Dicke ............................................................................................ 66 
3.1.3. Phổ kế siêu cao tần kiểu bù tạp âm ..................................................................................... 68 
3.1.4. Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của các phổ kế SCT băng L. .................................................... 69 

3.2. Quy trình ứng dụng phổ kế siêu cao tần trong xác định độ ẩm đất ............. 69 
3.2.1. Chuẩn hóa phổ kế và chuẩn bị mẫu đất .............................................................................. 70 

3.2.2. Xây dựng quy trình đo nhiệt độ phát xạ của đất ................................................................. 74 
3.2.3. Phân tích mẫu đất thực nghiệm ........................................................................................... 84 

CHƯƠNG IV. LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN ĐỘ ẨM ĐẤT ...........89 
4.1. Nghiên cứu xây dựng thuật tốn tính tốn độ ẩm đất .................................... 89 
4.2. Lập chương trình tính tốn số liệu..................................................................... 91 
4.3. Phân tích đánh giá các kết quả tính tốn độ ẩm đất từ mơ hình vật lý bán
thực nghiệm................................................................................................................... 95 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................................101 

4 
 


DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN
QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ...................................................................................106 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................108 
PHỤ LỤC C_1: Ứng dụng phổ kế LNIR xác định độ ẩm đất ..................... 118 
PHỤ LỤC C_2: Đồ thị .....................................................................................124 
PHỤ LỤC C_3: Bảng đo nhiệt độ phát xạ của bầu trời tại các góc đo của
Anten[52] ..........................................................................................................126 

5 
 


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Ngun lý hoạt động của viễn thám tích cực………………….

25

Hình 1.2: Dải sóng hoạt động của viến thám siêu cao tần thụ động …….

27

Hình 1.3: Ba phương thức quan trắc mặt đất bằng phổ kế siêu cao tần…

28

Hình 1.4: Tổng quan sự phát xạ tự nhiên của các đối tượng trên bề mặt Trái 29
đất và thiết bị đo viễn thám đặt trên vệ tinh………………………..
Hình 2.1. Phương pháp hồi quy độ ẩm đất dựa trên phép đo và bảng phân
loại lớp phủ thực vật………………………………………………...

41

Hình 2.2: Mơ hình hóa phương pháp tính độ ẩm đất dựa trên phép đo cấu
hình đơn và chỉ số thực vật NDVI……………………………………

43

Hình 2.3: Mơ hình hóa phương pháp hồi quy hai tham số, quan trắc phân
cực và đa góc của Wingneron et al .(1995)……………………………….

45

Hình 2.4: Mơ hình phương pháp hồi quy hai tham số của Owe et al (2001)
……………………………………………………………………

47

Hình 2.5: Sơ đồ khối mơ hình xác định độ ẩm đất……………………….

50

Hình 2.6: Sơ đồ của các nguồn bức xạ sóng siêu cao tần quan sát bởi một
máy đo bức xạ ở độ cao H và tại góc θ ………………………………

51

Hình 2.7 : Ảnh hưởng của độ ghồ ghề đến sự phát xạ sóng siêu cao tần từ
đất tại bước sóng 21 cm ……………………………………………….

55

Hình 2.8: Độ phát xạ của đất trống và đất phủ cây lúa mì ở tần số 1.4 Ghz
……………………………………………………………………….

58

Hình 2.9: Hình vẽ mơ tả sự ảnh hưởng của góc tới θ đến nhiệt độ phát xạ thu 59
được từ bề mặt đất ………………………………………………...
Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quát phổ kế siêu cao tần ……………………..

65

Hình 3.2: Sơ đồ khối phổ kế kiểu cơng suất tồn phần ……………...

65

Hình 3.3: Sơ đồ khối phổ kế kiểu Dichke …………….......................

67

6 
 


Hình 3.4: Sơ đồ khối phổ kế kiểu bù tạp âm…………… ……………...

68

Hình 3.5: Chuẩn phổ kế với vật đen và bầu trời xanh

71

Hình 3.6: Chuẩn hóa phổ kế với bầu trời (tải lạnh)………………………

72

Hình 3.7: Chuẩn hóa phổ kế với Absober (tải nóng)…………………….

73

Hình 3.8: Phổ kế đo độ phát xạ của ô đất mẫu…………………………..

74

Hình 3.9: Đồ thị mô tả sự biến thiên của độ phát xạ theo góc thu của Anten 84
Hình 3.10: Lấy mẫu đất bằng phương pháp truyền thống……………...

86

Hình 4.1: Lưu đồ chương trình tính độ ẩm đất ……………………………

90

Hình 4.2: Tính tốn độ ẩm theo mơ hình Wang & Shmugge tại góc đo 100

92

Hình 4.3: Tính tốn độ ẩm theo mơ hình Wang & Shmugge tại góc đo 200

92

Hình 4.4: Tính tốn độ ẩm theo mơ hình Wang & Shmugge tại góc đo 300

93

Hình 4.5: Tính tốn độ ẩm theo mơ hình Wang & Shmugge tại góc đo 400

93

Hình 4.6: Tính tốn độ ẩm theo mơ hình Wang & Shmugge tại góc đo 500

94

Hình 4.7: Tính tốn độ ẩm theo mơ hình Wang & Shmugge tại góc đo 600

94

Hình 4.8: Đồ thị độ phát xạ của đất là hàm của góc tới (Trung tâm KTNN
Hồi Đức)……………………………………………………

97

Hình 4.9: So sánh độ phát xạ đo được bằng khổ kế LNIR và kết quả tính
tốn tại Trung tâm KTNN Hồi Đức…………………………………..

98

Hình 4.10: So sánh độ ẩm đất (VSM) được xác định bằng phổ kế LNIR với 98
kết quả đo truyền thống tại Trung tâm Khí tượng NN Hồi Đức……
Hình 4.11: Đo khu vực đất trống và các hệ phổ kế siêu cao tần băng L, C và X

99

Hình 4.12: Đánh giá độ ghồ ghề của đất…………………………………

99

7 
 


DANH MỤC BẢNG BIỂU
 

Bảng 1.1: Bảng phân bố điểm quan trắc độ ẩm đất ở Việt Nam

30 

Bảng 3.1: Bảng số liệu đo thực địa khu vực Hoài Đức băng L…………. 75 
Bảng 3.2. Bảng tổng hợp sự biến thiên độ phát xạ của đất (LNIR) khu
81 
vực Hoài Đức…………………………………………………………….
Bảng 3.3: Kết quả phân tích độ ẩm đất khu vực Hồi Đức ngày
86 
20/6/2013 bằng phương pháp truyền thống ……………………………...
Bảng 3.4: Kết quả phân tích thành phần cơ giới đất (cấp hạt) …………. 87 
Bảng 4.1: So sánh giá trị đo độ ẩm đất bằng phương pháp khoan sấy và 96 
bằng phép đo dùng phổ kế LNIR………………………………………..

8 
 


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các chữ viết tắt

C(CLAY)

Thành phần sét trong đất

%

CMR

Phổ kế siêu cao tần băng C

3.5
GHz

ESA

Cơ quan vũ trụ Châu Âu

GIS

Hệ thông tin địa lý

ISS

Trạm vũ trụ quốc tế

LANDSAT

Chương trình quan sát trái đất bằng vệ
tinh của Hoa Kỳ

LNIR

Phổ kế siêu cao tần bù tạp âm băng L

MPDI

Chỉ số phân cực lưỡng cực

NASA

Cơ quan hàng khơng vũ trụ Hoa kỳ

NDVI

Chỉ số thực vật

NOAA/AVHRR

Cục khí tượng và hải dương Hoa Kỳ/

RDM

Phố kế

S (SAND)

Thành phần cát trong đất

SAR

RADAR độ mở tổng hợp

SMAP

Vệ tinh quan sát độ ẩm đất tồn cầu bằng
các sensor tích cực và thụ động

SMOS

Vệ tinh quan sát độ ẩm đất và độ mặn đại

dương

SPOT

Vệ tinh độ phân giải cao của Pháp

9 
 

%


TPR

Phổ kế kiểu cơng suất tồn phần

VSM hoặc SMC

Độ ẩm thể tích đất

VWC

Độ ẩm thực vật

WP

Độ ẩm khơ héo

WP

Độ ẩm khô héo

XRM

Phổ kế siêu cao tần băng X

10 Ghz

Các ký hiệu:
b

Chỉ số cây hay tham số lớp phủ thực vật

e

Độ phát xạ tự nhiên của đối tượng đo

f

Tần số của anten

h

Độ ghồ ghề của bề mặt đất

H

Phân cực ngang

K

Hằng số Boltzman

R

Độ phản xạ

T0

Nhiệt độ vật lý

[C0]

TA

Nhiệt độ của Anten

[K]

Tb

Nhiệt độ phát xạ

[K]

Tc

Nhiệt độ lớp phủ thực vật

[K]

Teff

Nhiệt độ hiệu dụng

[K]

Ts

Nhiệt độ bề mặt đất

[K]

V

Phân cực đứng

z

Độ sâu của lớp đất
10 

 

[Hz)

[J/K]

[cm]

α

Suất tán xạ đơn

ε

Hằng số điện môi

εds

Hằng số điện môi của đất khơ

εω

Hằng số điện mơi của nước

φ

Góc phương vị

[độ]

λ

Độ dài bước sóng điện từ trường

[cm]

θ

Góc tới

[độ]

τ

Hệ số truyền qua khơng khí

11 
 


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Xuất xứ của đề tài luận án
Đất trong thuật ngữ chung là các vật chất nằm trên bề mặt Trái đất, có
khả năng hỗ trợ sự sinh trưởng của thực vật và phục vụ như một môi trường
sinh sống của các dạng động vật từ các vi sinh vật tới các loài động vật.
V.V. Dokuchaev, nhà khoa học người Nga tiên phong trong lĩnh vực
khoa học đất cho rằng “Đất như là một thực thể tự nhiên có nguồn gốc và
lịch sử phát triển riêng, là thực thể với những quá trình phức tạp và đa dạng
diễn ra trong nó. Đất được coi là khác biệt với đá. Đá trở thành đất dưới ảnh
hưởng của một loạt các yếu tố tạo thành đất như khí hậu, cây cỏ, khu vực,
địa hình và tuổi. Theo đó, đất có thể được gọi là các tầng trên nhất của đá
không phụ thuộc vào dạng, chúng bị thay đổi một cách tự nhiên bởi các tác
động phổ biến của nước, không khí và một loạt các dạng hình của các sinh
vật sống hay chết. Đất có vai trị vơ cùng quan trọng cho mọi loại hình sự
sống trên Trái đất vì nó hỗ trợ sự sinh trưởng của thực vật, đồng thời các
loài thực vật lại cung cấp oxy và hấp thụ dioxit cacbon cho đất [57].
Về thành phần của đất, các loại đất được phân loại dao động trong

một khoảng rộng về thành phần và cấu trúc theo từng khu vực. Các loại đất
được hình thành thơng qua q trình phong hoá của các loại đá và sự phân
hủy của các chất hữu cơ. Đó là q trình tác động của gió, mưa, băng tuyết,
ánh nắng và các tiến trình sinh học trên các loại đá theo thời gian, các tác
động này làm đá vỡ vụn ra thành các hạt nhỏ. Các thành phần khoáng chất
và các chất hữu cơ xác định cấu trúc và các thuộc tính khác của các loại đất.
Đất có thể chia ra thành 2 lớp tổng quát: (1) tầng đất bề mặt là lớp
trên cùng, ở đó phần lớn các loại rễ cây, vi sinh vật và các loại hình sự sống
động vật khác cư trú, và (2) tầng đất nền, tầng này nằm sâu hơn và thông
thường dày đặc và chặt hơn cũng như ít các chất hữu cơ hơn.

12 
 


Nước, khơng khí cũng là những phân tử thuộc thành phần của đất.
Khơng khí nằm trong các “lỗ trống” giữa các hạt đất, cịn nước nằm trong
các khoảng khơng gian cũng như bề mặt các hạt đất, chiếm khoảng một nửa
thể tích của đất. Cả hai đều đóng vai trị quan trọng trong sự sinh trưởng của
thực vật trong một hệ sinh thái cụ thể, đặc biệt là nước.
Độ ẩm đất được hiểu một cách chung nhất là hàm lượng nước dự trữ
trong đất ở những điều kiện nhất định. Độ ẩm đất có thể được tính bằng g/g
(số gam nước trên 1gam đất), g/cm3 (số gam nước trên 1cm3 đất), % (tỉ lệ
% khối lượng nước trên 1 đơn vị khối lượng đất), v.v.
Trong thiên nhiên, độ ẩm đất có vai trị quan trọng duy trì sự sống của các
lồi sinh vật trên Trái đất, từ đó tạo ra nguồn lương thực thực phẩm cho con
người. Mặt khác, độ ẩm đất là tham số đặc trưng cho quá trình trao đổi năng
lượng giữa đất và khơng khí, ảnh hưởng trực tiếp đến sinh thái môi trường.
Thông tin về độ ẩm đất rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực như khí
tượng, thủy văn, nơng - lâm nghiệp, liên quan đến vấn đề an ninh lương thực và

sự biến đổi của tiểu vùng khí hậu [9, 12-13, 68].
Do đặc tính biến đổi nhanh về không gian và thời gian, việc xác định
chính xác độ ẩm đất trên diện rộng là rất khó [25, 36, 68]. Ở Việt Nam hiện nay,
độ ẩm đất được đo và giám sát chủ yếu bằng phương pháp truyền thống (khoan
sấy), các trạm quan trắc, tuy cho kết quả chính xác nhưng mang tính cục bộ,
khơng có thông tin bao quát trên diện rộng, hạn chế việc quản lý tài nguyên đất
và nước từ cấp tỉnh trở lên [7, 11, 14].
Với sự phát triển vượt bậc của công nghệ vũ trụ, phương pháp viễn thám
siêu cao tần (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, đặc biệt là đặc tính bao quát vùng rộng lớn và khó tiếp cận [1920, 30, 41, 48, 60]. 
 

13 
 


Nguyên tắc cơ bản của các phương pháp viễn thám siêu cao tần trong
nghiên cứu độ ẩm đất là thu nhận các năng lượng phản 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.
Mơ hình vật lý thực chất là tổ hợp một số các công thức mô tả các quan
hệ, quy luật vật lý giữa các đại lượng, thông số của vật chất. Các mối quan hệ
này thường là đa biến, tức là phụ thuộc vào nhiều điều kiện khác nhau, vì vậy
chúng thường là Mơ hình vật lý bán thực nghiệm.
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, đề tài luận án
“Nghiên cứu các mô hình vật lý và ứng dụng hệ phổ kế siêu cao tần trong
nghiên cứu xác định độ ẩm đất” được đặt ra 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..
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án
a. Mục tiêu:
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu phương pháp viễn thám siêu cao tần
thụ động trong xác định độ ẩm đất thông qua các phép đo của phổ kế siêu cao
tần.
b. Nhiệm vụ nghiên cứu:
Để thực hiện được mục tiêu nêu trên, những nội dung nghiên cứu sau cần
được thực hiện:
-

Tổng quan về độ ẩm đất và các phương pháp nghiên cứu;
14 

 


-

Tổng quan về ứng dụng viễn thám siêu cao tần thụ động trong
nghiên cứu độ ẩm đất;

-

Nghiên cứu, xây dựng mơ hình vật lý bán thực nghiệm về độ ẩm
đất;

-

Thiết lập quy trình thực nghiệm đo nhiệt độ phát xạ của mặt đất
bằng phổ kế siêu cao tần nhằm cung cấp dữ liệu đầu vào cho mơ
hình;

-

Lập chương trình tính tốn độ ẩm đất dựa trên mơ hình vật lý bán
thực nghiệm và các dữ liệu đầu vào.

3. Phương pháp nghiên cứu của luận án
Để thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu, luận án sử dụng các phương pháp
nghiên cứu như sau:
- Phương pháp tổng hợp và phân tích lý thuyết về các mơ hình vật lý
nghiên cứu độ ẩm đất.
- Phương pháp thực nghiệm sử dụng phổ kế siêu cao tần đo nhiệt độ
phát xạ của mặt đất nhằm cung cấp dữ liệu thực nghiệm cho mơ
hình vật lý tính tốn độ ẩm đất.
- Phương pháp tính tốn độ ẩm đất theo mơ hình sử dụng phần mềm
Excels.
4. Các luận điểm bảo vệ
Luận điểm bảo vệ thứ nhất: Tích hợp mơ hình Fresnel và mơ hình WangSchumugge là nền tảng cơ bản cho phép sử dụng số liệu đo nhiệt độ phát xạ
bằng phổ kế SCT để xác định độ ẩm đất một cách bán thực nghiệm.
Luận điểm bảo vệ thứ hai: Qui trình đo nhiệt độ phát xạ bằng phổ kế SCT
và thuật toán hồi quy độ ẩm đất cho phép xác định độ ẩm đất trên diện rộng,
phục vụ các ứng dụng trong nông nghiệp.

15 
 

5. Đóng góp khoa học mới của luận án
Trên cơ sở nghiên cứu, xây dựng mơ hình vật lý bán thực nghiệm về độ
ẩm đất, luận án đã thiết lập được quy trình chuẩn để đo nhiệt độ phát xạ của mặt
đất bằng phổ kế siêu cao tần, nhằm cung cấp dữ liệu thực nghiệm cho mơ hình
vật lý, từ đó xây dựng chương trình tính tốn độ ẩm đất. Đây là lần đầu tiên ở
Việt Nam, độ ẩm đất được nghiên cứu một cách bài bản cả về lý thuyết và thực
nghiệm bằng phương pháp viễn thám siêu cao tần thụ động.

16 
 


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘ ẨM ĐẤT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
Đất có một số tính chất vật lý và tính chất cơ lý chủ yếu như tỷ trọng,
dung trọng, độ xốp, tính dính, tính dẻo, độ chặt, sức cảm…Những tính chất này
thường được quyết định bởi các thành phần khoáng vật (nguyên sinh, thứ sinh),
thành phần các cấp hạt (cát, limon, sét), thành phần chất hữu cơ có trong đất và
tính liên kết giữa các thành phần trên để tạo ra kết cấu của đất. Vì vậy, chương I
trình bày tổng quan về độ ẩm đất, các tính chất vật lý cơ bản của đất, các
phương pháp tính độ ẩm đất theo truyền thống và hiện đại, tình hình nghiên cứu
trong và ngồi nước về ứng dụng viễn thám xác định độ ẩm đất, trong đó bao
gồm viễn thám siêu cao tần thụ động.
1.1. Tổng quan về các tính chất vật lý cơ bản của đất
Độ ẩm đất thường được định nghĩa là hàm lượng nước chứa trong đất,
hay được biểu thị bằng phần trăm tỷ số giữa khối lượng nước chứa trong đất và
khối lượng đất khô. Để đặc trưng cho các tính chất vật lý và hàm lượng nước
trong đất, các nghiên cứu đã đưa ra một số thông số vật lý của đất như sau:

a) Dung trọng của đất [9, 14]
Định nghĩa: Dung trọng của đất là khối lượng (g) của một đơn vị thể tích đất
(cm3) ở trạng thái tự nhiên (có khe hở) sau khi được sấy khô kiệt.
Dung trọng của đất được người ta xác định bằng cách đóng ống kim loại
hình trụ có thể tích bên trong 100cm3 thẳng góc với bề mặt đất ở trạng thái hoàn
toàn tự nhiên, sau đó đem sấy khơ kiệt rồi tính theo cơng thức sau:
D=P/V

(1.1)

Trong đó:
D - Dung trọng của đất (g/cm3)
P - Khối lượng đất tự nhiên trong ống trụ đóng sau khi được sấy khơ kiệt
(được tính theo g)
17 
 


V - Thể tích của ống đóng (được tính theo cm3)
Dung trọng của đất thường nhỏ hơn so với tỷ trọng vì thể tích đất khơ kiệt
được xác định ở đây bao gồm cả các hạt đất rắn và các khe hở tự nhiên trong
đất.
Dung trọng của đất phụ thuộc vào cấp hạt cơ giới, độ chặt và kết cấu của
đất. Các loại đất tơi xốp, giàu chất hữu cơ và mùn thường có dung trọng nhỏ và
ngược lại những loại đất chặt bí kém tơi xốp và nghèo chất hữu cơ thường có
dung trọng lớn. Dung trọng của đất thường được sử dụng trong việc tính độ xốp
của đất, tính khối lượng đất canh tác trên 1 ha để xác định trữ lượng các chất
dinh dưỡng, trữ lượng nước có trong đất hay độ ẩm đất.
b) Tỷ trọng của đất [9, 14]
Định nghĩa: Tỷ trọng của đất là tỷ số khối lượng của một đơn vị thể tích

đất ở trạng thái rắn, khô kiệt với các hạt đất xếp sít vào nhau so với khối lượng
nước cùng thể tích ở điều kiện nhiệt độ 40C.
Để tính tỉ trọng người ta áp dụng cơng thức:
D = P/P1

(1.2)

Trong đó: d - Tỷ trọng của đất
P - Khối lượng các hạt đất (khơ kiệt, xếp xít vào nhau và khơng có
khoảng hổng khơng khí) trong một thể tích xác định (thường được đo bằng
g/cm3
P1 - Khối lượng nước được chứa trong cùng thể tích ở điều kiện T0 =
40C(g/cm3).
Tỷ trọng các loại khống vật khác nhau có sự giao động khá lớn song
nhìn chung biến động trong phạm vi từ 2.4 đến 2.8.
Ý nghĩa thực tiễn: Tỷ trọng của đất được sử dụng trong các cơng thức
tính tốn độ xốp, cơng thức tính tốc độ, thời gian sa lắng của các cấp hạt đất
trong phân tích thành phần cơ giới. Thơng qua tỷ trọng đất người ta cũng có thể
18 
 


đưa ra được những nhận xét sơ bộ về hàm lượng chất hữu cơ, hàm lượng sét hay
tỷ lệ sắt, nhơm của một loại đất cụ thể nào đó.
c) Độ xốp của đất là [9, 14]
Định nghĩa: Độ xốp của đất là tỷ lệ % các khe hở chiếm trong đất so với
thể tích chung của đất (ký hiệu là P).
Cơng thức tính độ xốp của đất : Do các khe hở trong đất có các hình dạng
phức tạp và các kích thước rất khác nhau nên việc tính tốn trực tiếp thể tích của
các khe hở trong đất là rất khó, do đó để xác định được độ xốp của đất người ta

phải tính một cách gián tiếp từ tỷ trọng và dung trọng của đất theo công thức
sau:
P (%) = (1 - D/d) x 100

(1.3)

Trong đó:
P - Độ xốp của đất (%)
D - Dung trọng của đất;
d - Tỷ trọng của đất.
Độ xốp của đất có thể biến động từ 30 -70% tùy thuộc vào đất rời rạc
không có kết cấu như đất cát, đất bạc màu cho đến những loại đất có kết cấu
viên như đất đỏ vàng đồi núi. Như vậy độ xốp phụ thuộc vào kết cấu, tỷ trọng
và dung trọng của đất.
d) Độ ẩm khô héo [14] là độ ẩm mà rễ cây không sử dụng được và bị
héo, rũ lá. Đơn vị đo là % hoặc mm. Trong khi phát triển, cây tiêu thụ lượng
nước rất lớn. Nước này thâm nhập vào cây qua bộ rễ. Độ ẩm của đất sau khi
mưa hoặc tưới dần dần giảm sút, nước không thấm vào rễ cây được nữa. Tế bào
co lại, lá cây rũ xuống và cây bị héo. Lúc đầu cây chỉ héo ban ngày trời nóng,
chiều xuống cây trở lại trạng thái bình thường. Nhưng cuối cùng khi độ ẩm của
đất hạ xuống đến mức lá cây héo và rũ đi, sau một đêm, sáng mai khơng trở lại
trạng thái bình thường được.
19 
 


Độ ẩm của đất gây ra hiện tượng cây héo, sau một đêm không hồi phục
gọi là hệ số cây héo hay độ ẩm cây héo.
đ) Độ trữ ẩm cực đại của đất [8 ] (hay là sức chứa ẩm tối đa đồng
ruộng - tiếng Anh là Moisture Field capacity) là đại lương đặc trưng cho khả

năng giữ nước lớn nhất của đất. Đây là chỉ số quan trọng là mốc để điều chỉnh
chế độ tưới cho cây trồng.
e) Hằng số nước [8],[14]: Hằng số nước là một đại lượng mô tả lượng
nước tới hạn tồn tại trong các đối tượng tự nhiên. Hằng số nước có 3 tiêu chí
quan trọng nhất: lượng nước bị hút, độ ẩm cây héo, độ trữ ẩm cực đại.
Gọi là hằng số nước vì đây là những tính chất đặc trưng khơng thay đổi.
Ví dụ: độ hút ẩm khơng khí cực đại, độ trữ ẩm phân tử cực đại, độ ẩm cây héo,
độ trữ ẩm tồn phần, độ trữ ẩm cực đại (cịn gọi là độ trữ ẩm đồng ruộng hoặc
sức chứa ẩm tối đa...). Độ trữ ẩm cực đại là một trong những hằng số nước quan
trọng nhất, thuật ngữ tiếng Anh là Moisture Field Capacity. Độ ẩm là biến số,
thay đổi tuỳ thuộc vào thời tiết, ví dụ khi nắng thì đất khơ, khi mưa thì đất ẩm...,
cịn độ trữ ẩm cực đại là một đại lượng không đổi, mỗi loại đất có một đặc trưng
riêng, phản ánh khả năng trữ nước lớn nhất của mình. Trong số các hằng số
nước thì "độ trữ ẩm cực đại đồng ruộng" là một chỉ số quan trọng nhất để điều
chỉnh chế độ nước cho cây trồng [14].
f) Trữ lượng nước trong đất
Nước thâm nhập vào đất do mưa hoặc do tưới, sau đó một phần tiêu hao
do cây trồng lấy sử dụng (bốc hơi sinh học), do bốc hơi từ đất trần (bốc hơi lý
học), một phần tổn thất do dòng chảy (chảy trên mặt, chảy trong phẫu diện),
một phần di chuyển xuống nước ngầm v.v. Phần độ ẩm không bị tổn thất sẽ
được giữ lại trong phẫu diện. Lượng nước này được gọi là lượng nước dự trữ
trong đất hoặc còn gọi là trữ lượng nước trong đất [8], [14]. Về mùa mưa, nước
được tích giữ lại đến mùa hè, thời tiết khơ hạn, khơng ít trường hợp ngay trên
tầng mặt đất khơ cằn, độ ẩm đất ngang bằng hoặc thậm chí dưới độ ẩm cây héo,
20 
 


nhưng nhờ nước được tích giữ ở những tầng dưới, nếu biết trồng những loại cây
có bộ rễ ăn sâu thì sẽ tận dụng được lượng nước dự trữ trong đất một cách hiệu

quả.
Để tiện nhận xét so sánh, trữ lượng nước được biểu thị theo các lớp 0 50; 50 - 100 và 0 - 100cm. Đơn vị được tính là mm cột nước. Muốn biểu thị
bằng m3/ha thì nhân với 10, ví dụ trữ lượng nước trong đất của Ferralsols ở tầng
0 - 50 là 180 mm hoặc bằng 1800 m3/ha.
g) Áp lực ẩm
Trong các tài liệu về độ ẩm đất thường dùng khái niệm "áp lực ẩm" [8],
[14] vì lý do sau đây: (1) khái niệm áp lực thường được dùng rộng rãi trong
thực tiễn, (2) các kết quả đo các lực khác nhau như lực thẩm thấu, lực bề mặt,
lực cơ học v.v... theo truyền thống thường được dùng thứ nguyên áp lực. Đất
được bão hoà ẩm thì lực mao quản thế năng sẽ bằng 0. Đất càng khơ dần thì thế
năng càng tăng theo trị số tuyệt đối âm (-), nghĩa là về phương diện đại số thì
đại lượng này càng giảm. Đất càng khơ thì khi tiếp xúc với nước chúng càng
tăng khả năng hấp thụ hoặc "hút" nước về phía mình.
Khi đất bão hồ ẩm thì thế năng mao quản sẽ bằng 0 và do đó áp lực ẩm
được quy ước bằng 0. Khi đó đất ở trạng thái có áp lực lớn nhất. Đất càng khô,
độ ẩm đất càng giảm và làm cho áp lực ẩm càng nhỏ hơn 0, lúc đó áp lực ẩm sẽ
mang dấu (-). Theo thang đánh giá, áp lực ẩm trong đất có trị số từ 0 đến (- 5
atm) thì cây trồng phát triển tốt, nước rất dễ sử dụng cho cây trồng; từ (-5 atm)
đến (-15 atm) mức độ hữu hiệu là trung bình; từ (-15 atm) đến (-25 atm) - khó
sử dụng và dưới mức (-25 atm) rất khó sử dụng, cây trồng sẽ héo và chết.
1.2. Các phương pháp nghiên cứu độ ẩm đất
1.2.1. Các phương pháp đo truyền thống
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:

21 
 


a/ Phương pháp Kachinski [8],[ 14]  Là phương pháp xác định tính thấm nước

của đất trong phịng 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.
Cơng thức tính độ thấm nước của đất như sau:
K=(100+W)/100

(1.4)

Trong đó: W - là hàm lượng nước hút ẩm khơng khí (%).
K - lượng nước thấm trong đất (%).
Ví dụ, lượng đất lấy ra ở trạng thái khơ trong khơng khí là 10g. Sau khi
sấy khơ 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 khơng khí:
W%=a/b * 100 hay 0,500/9,5 *100=5, 26%.

(1.5)

Khi đó, K= (100+ 5, 26)/100 = 1,052.
Độ thấm nước của đất được xác định chủ yếu ngồi đồng ruộng, cịn xác
định trong phịng thí nghiệm là thứ yếu, có tính chất bổ sung, phân tích thêm
những kết quả xác định được trong điều kiện ngồi đồng ruộng.
b/ Phương pháp tính tốn 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 cơng thức sau đây:
Wmm = Wt * d * h * 10 / 100 = Wt * d * h */10
Trong đó:
- Wmm : Độ ẩm đất tồn phần, tính bằng mm
- Wt :

Độ ẩm đất, tính bằng % trọng lượng,

22 
 

(1.5)


- d:

Dung trọng (g/cm3)

- h:

Độ dày tầng đất (cm),

Nếu độ dày tầng đất là 10 cm thì cơng thức trên có thể rút gọn như sau:
Wmm = Wt * d

(1.6)

c/ Phương pháp tính tốn 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

(1.7)

Trong đó:
- Wtp - Độ ẩm tồn phần (mm, %);
- WWkhoheo - Độ ẩm khơ héo (mm,%);
1.2.2. 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 khơng thể có
dữ liệu trên những vùng rộng lớn, hoặc những vùng hiểm trở khó tiếp cận.
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.
Như chúng ta đã biết, viễn thám được định nghĩa như một môn khoa học
nghiên cứu các phương pháp thu nhận, đo lường và phân tích thơng tin của đối
tượng mà khơng 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 [6, 30, 69]. 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
23 
 


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 mơ hình vật lý, sẽ tính được độ ẩm đất.
a/ Trong viễn thám tích cực [6], nguyên tắc hoạt động liên quan đến q
trình truyền sóng điện từ từ nguồn phát đến vật thể cần quan tâm, được mô tả
trong hình 1.1:
- 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 đốn 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 . 
24 

 


Hình 1.1: Ngun lý hoạt động của viễn thám tích cực
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.
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 khơng gian và thời gian).
- Ảnh vệ tinh có thể cung cấp các thơng tin mà các phương pháp thơng
thường khơng 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:

25