Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tích hợp dữ liệu trong nâng cao độ chính xác bản đồ độ ẩm đất sử dụng phổ kế siêu cao tần băng L

0
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


1
LỜI CẢM ƠN
Trước hết tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành đến TS Bùi Quang Hưng,
PGS. TS Doãn Minh Chung đã tận tình hướng dẫn tơi trong thời gian làm luận
văn thạc sĩ này.
Tôi xin cảm ơn các thầy, cơ giáo ở Trung tâm Cơng 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 tơi hồn thành luận văn.
Tơi 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 tơi hồn thành luận văn.
Tơi 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 khơng người lái (UAV) phục vụ nghiên cứu
viễn thám” đã giúp đỡ tôi về dữ liệu để hoàn thành luận văn. Mã số: VTUD.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 tơi 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 cịn 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 cơng 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. Khơng có việc sao chép tài liệu,
cơng trình nghiên cứu của người khác mà khơng 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. Mơ hình chồng lớp độ ẩm ............................................................ 34
2.3.1. Mơ hình thống kê (Statistical Models) ................................... 34


4
2.3.2. Mơ hình bề mặt đất................................................................ 35
2.3.3. Mơ 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 thơng 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 Ngun 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 khơng 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. Mơ hình tính tốn 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) Mơ 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 thơng 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 thơng 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 tốn 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 thơng 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 thơng 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 cơng 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 tồn cầu (BĐKH). Độ ẩm đất là một trong
những tham số môi trường phản ánh mức độ ảnh hưởng của biến đổi khí hậu.
Thơng 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 cơng 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 Cơng 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
Nơng hố, các số liệu về độ ẩm đất cũng khơng có nhiều, kể cả các thơng số
cơ bản để xác định độ ẩm khô héo cũng chỉ mới xác định cho một số loại đất
chính thơng 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
trị quan trọng, đặc biệt đối với các ngành nông - lâm nghiệp, vì độ ẩm đất là
thơng 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 trơi nhanh nên độ ẩm đất thấp, thời tiết hanh khơ, 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 thơng 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 Nơng
hố, các số liệu về độ ẩm đất cũng khơng 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 thơng
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 trị
quan trọng, đặc biệt đối với các ngành nơng - 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 trơi nhanh nên
độ ẩm đất thấp, thời tiết hanh khơ, 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 cơng 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 Hồ 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 Dỗn
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 mơ
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
khơng 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 qt 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 thơng số là độ ẩm đất tồn cầu và nồng độ muối của các đại dương [15]
Các số liệu từ SMOS sẽ bổ sung các thơng tin cịn 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 mơ hình khí hậu hồn thiện
hơn cũng như tăng độ chính xác cho các dự báo thời tiết.

13
Theo ESA, những số liệu về vịng ln chuyển tồn 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 đốn 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 cơng 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 khơng gian tồn cầu chỉ từ 2-3 ngày. Dữ liệu độ ẩm của đất từ SMAP có thể
được sử dụng để cung cấp các thơng tin hữu ích cho nơng 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 cơng 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 tồn 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 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

(2.1)

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 khô trong không 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 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 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:

(2.3)


16
- Wmm: Độ ẩm đất tồn 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 cơng thức trên có thể rút gọn như sau:
Wmm = Wt * d

(2.4)

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

(2.5)

Trong đó:
- Wtp - Độ ẩm tồn phần (mm, %);
- WWkhoheo - Độ ẩm khơ 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 khơng 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
cơng 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 thơng 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 mơ 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 q
trình truyền sóng điện từ từ nguồn phát đến vật thể cần quan tâm, được mơ 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 xun 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.
- Thơng 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 thơng 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

mơi 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:
- Nhiều dạng khác nhau của hiện trạng sử dụng đất có thể khơng phân biệt

được trên ảnh vệ tinh.
- Đối với vùng nghiên cứu có diện tích nhỏ thì phương pháp viễn thám

khơng 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.
Cịn 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.T 0). 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
mơ tả dải sóng hoạt động của viễn thám siêu cao tần thụ động (từ 0, 3 - 100 cm):


20

Hình 2. 2. Các dải sóng điện từ được dùng trong viễn thám
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 cơng thức Rayleigh-Jeans [20]
𝐵=

2𝑘𝑇

2

𝑒

Trong đó:
B - cường độ bức xạ. (J/m2)

(2.6)


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

∬4𝜋 𝑇𝐵 (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

(2.8)
Trong đó:
- A: là độ cao của anten so với đối tượng đo (m)
- : hệ số truyền qua của khơng khí
- R: độ phản xạ của bề mặt đất.
- Tsky: nhiệt độ phát xạ của bầu trời (độ K).

+

TATM

(A,

)]


22
- T: Nhiệt độ vật lý của bề mặt đất (độ K).
- TATM: nhiệt độ phát xạ của khơng 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 khơng 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 Tên

Giới thiệu chung

T phươ

Phương

pháp Ưu điểm

thu thập dữ liệu

Nhược
điểm

T ng
pháp
1

Đo

Là phương pháp Lấy mẫu về thí Phổ biến , Khơng

truyền

xác định tính thấm nghiệm

thống

nước của đất trong phịng

diện rộng,

phịng thí nghiệm.

hoặc khơng

Mục

đo

được

phương pháp này

trên

vùng

là tính lượng nước

có địa hình

hút ẩm trong đất

hiểm trở

trong

đích

từng

của

điều

trong chính xác

được

đo
trên


23
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 Khi thời tiết
học

cung xấu

cấp

nhiều không

sẽ
thu

thông tin về nhận được
lớp phủ bề dữ

liệu

mặt và một hoặc

thu

số yếu tố nhận kém
địa hình.

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
khơng người lái là vơ 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


24
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
Cơng 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 mơ 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 ngồi 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 cơng suất tồn 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