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 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

2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG PHƯƠNG

PHÁP TÍCH HỢP ĐA DỮ LIỆU TRONG NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC BẢN

ĐỒ ĐỘ ẨM ĐẤT SỬ DỤNG PHỔ KẾ SIÊU CAO TẦN BĂNG L VÀ

PAYLOAD QUANG HỌC TRONG DẢI NHÌN THẤY, HỒNG NGOẠI GẮN

TRÊN UAV” là công trình nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn của TS.

Bùi Quang Hưng và PGS. TS Doãn Minh Chung

Tất cả những tham khảo từ nghiên cứu liên quan đều được trích dẫn một

cách rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo. Không có việc sao chép tài liệu,

công trình nghiên cứu của người khác mà không chỉ rõ về tài liệu tham khảo.

Hà Nội, ngày tháng năm 2020

Học viên

Nguyễn Thị Hải Yến

3

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .......................................................................................... 1

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................... 2

Danh mục Bảng Biểu ............................................................................... 5

danh mục hình ảnh ................................................................................... 6

Mở đầu ..................................................................................................... 8

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .............................................. 10

1.1. Giới thiệu về độ ẩm đất ............................................................ 10

1.2. Hiện trạng dữ liệu độ ẩm đất ở Việt Nam và trên Thế Giới ...... 10

1.2.1. Hiện trạng dữ liệu độ ẩm đất ở Việt Nam ............................ 10

1.2.2 Ở ngoài nước .......................................................................... 12

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ...... 15

2.1. Dữ liệu độ ẩm đất đa nguồn ..................................................... 15

2.1.1. Các phương pháp đo truyền thống để xác định độ ẩm đất ...... 15

2.1.2. Các phương pháp viễn thám .................................................. 16

2.1.3. So sánh lựa chọn phương pháp xác định độ ẩm đất ............... 22

2.2. Xác định độ ẩm đất ...................................................................... 24

2.2.1. Xác định độ ẩm đất từ phổ kế siêu cao tần băng L gắn trên UAV

.................................................................................................................. 24

2.2.2. Xác định độ ẩm đất từ ảnh vệ tinh SMOS (Soil Moisture and

Ocean Salinity) ......................................................................................... 31

2.2.3. Xác định độ ẩm đất từ ảnh vệ tinh SMAP .............................. 32

2.2.4. Xác định độ ẩm đất từ ảnh vệ tinh Sentinel 1A ...................... 33

2.3. Mô hình chồng lớp độ ẩm ............................................................ 34

2.3.1. Mô hình thống kê (Statistical Models) ................................... 34

4

2.3.2. Mô hình bề mặt đất................................................................ 35

2.3.3. Mô hình WebGIS .................................................................. 37

CHƯƠNG 3: TÍCH HỢP DỮ LIỆU ĐA NGUỒN TRONG XÂY DỰNG

BẢN ĐỒ ĐỘ ẨM ĐẤT ................................................................................... 42

3.1. Thu thập dữ liệu thực địa ............................................................. 42

3.2. Dữ liệu độ ẩm đất thu được từ vệ tinh .......................................... 45

3.2.1. Dữ liệu độ ẩm đất thu được từ ảnh vệ tinh SMOS ................. 45

3.2.2. Dữ liệu độ ẩm đất thu được từ ảnh vệ tinh SMAP ................. 46

3.2.3. Dữ liệu độ ẩm đất thu được từ ảnh sentinel 1A .................... 47

3.3. Xây dựng WebGIS chồng lớp dữ liệu độ ẩm ................................ 49

3.3.1. Quy trình tích hợp các lớp thông tin GIS vào hệ thống cơ sở dữ

liệu ............................................................................................................ 49

3.3.2. Giới thiệu về hệ thống ........................................................... 52

KẾT LUẬN ............................................................................................ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 56

5

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1. 1 So sánh các phương pháp thu thập dữ liệu độ ẩm đất 17

6

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2. 1 Nguyên lý hoạt động của viễn thám tích cực ..................................... 18

Hình 2. 2. Các dải sóng điện từ được dùng trong viễn thám ............................. 20

Hình 2. 3. Tổng quan sự phát xạ tự nhiên của các đối tượng trên bề mặt trái đất

......................................................................................................................... 21

Hình 2. 4. Phổ kế siêu cao tần band L tích hợp trên thiết bị bay không người lái

UAV ………………………………………………………… ……….………25

Hình 2.5: Sơ đồ khối hiệu chỉnh ảnh hưỏng của lớp thực vật và xác định độ ẩm

đất ……………………………………………………………………………...29

Hình 2. 6. Mô hình tính toán độ ẩm đất sử dụng phổ kế siêu cao tần trên thiết bị

bay không người lái 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

7

Hình 3.6. Lưu đồ của thuật toán ANN………………………………..………..48

Hình 3. 7. Ảnh Sentinel 1A có độ phân giải 3km x 3 km……………………….49

Hình 3.8. Kiến trúc hệ thống ……………………………………….………….50

Hình 3.9. Quy trình tích hợp các lớp thông tin GIS vào hệ thống CSDL ……..51

Hình 3. 10. Ảnh hiển thị dữ liệu độ ẩm thu được từ phổ kế và vệ tinh SMAP ….52

Hình 3. 11. Ảnh hiển thị dữ liệu độ ẩm thu được từ phổ kế và vệ tinh SMOS….52

Hình 3.12. Ảnh hiển thị dữ liệu độ ẩm thu được từ phổ kế với Sentinel 1A …..53

Hình 3.13. Ảnh nhiệt độ bề mặt ………………………………….....................53

Hình 3.14. Ảnh hiển thị dữ liệu độ ẩm thu được từ phổ kế và các ảnh vệ tinh

SMOS, SMAP, Sentinel 1A…………………………………………………....54

8

MỞ ĐẦU

Độ ẩm đất là thông số quan trọng biểu hiện mức độ trao đổi năng lượng

giữa các hệ sinh thái trên bề mặt trái đất cũng như chu trình vận động của nước

trong thiên nhiên, phụ thuộc trực tiếp vào các yếu tố khí tượng thủy văn.

Giám sát biến động độ ẩm đất trên diện rộng giữa các mùa trong năm và

nhiều năm là một nhiệm vụ quan trọng của các cơ quan quản lý tài nguyên và môi

trường. Với sự phát triển của công nghệ vũ trụ, chúng ta có thể theo dõi biến động

này thông qua việc xử lý, phân tích các dữ liệu viễn thám tích cực và thụ động

(Active/Passive). Đặc biệt trong bối cảnh Châu Âu đã phóng thành công vệ tinh

giám sát độ ẩm đất và biển (SMOS) năm 2009 và NASA đã phóng vệ tinh giám

sát độ ẩm đất bằng các cảm biến radar tích cực và thụ động (SMAP) vào năm

2014 – là những vệ tinh được thiết kế chuyên dụng cho mục đích đo đạc độ ẩm

đất.

Như chúng ta đã biết, Việt Nam là một trong các quốc gia chịu ảnh hưởng

nặng nề nhất của biến đổi khí hậu toàn cầu (BĐKH). Độ ẩm đất là một trong

những tham số môi trường phản ánh mức độ ảnh hưởng của biến đổi khí hậu.

Thông số này có liên quan mật thiết đến tổng lượng bức xạ Mặt Trời, lượng mưa,

lượng gió, độ bốc hơi nước, chỉ số thực vật, .v.v. Biểu đồ về sự biến động của độ

ẩm đất tại một vùng hay trên cả nước qua nhiều năm sẽ thể hiện mức độ tác động

của biến đổi khí hậu.

Hiện nay công tác điều tra thống kê về độ ẩm đất chủ yếu dựa vào mạng

lưới các trạm quan trắc khí tượng thủy văn, được thực hiện bằng phương pháp đo

đạc kinh điển, phân tích độ ẩm “khoan sấy”. Phương pháp này cho kết quả chính

xác nhưng có nhược điểm là chỉ giới hạn trong một số vùng hẹp tại một số thời

điểm nhất định, nghĩa là bị hạn chế về thời gian và không gian, trong khi độ ẩm

đất là thông số biến đổi nhanh về không gian và thời gian.

Với sự phát triển vượt bậc của công nghệ vũ trụ, phương pháp viễn thám

đã được ứng dụng trong nghiên cứu, giám sát độ ẩm đất, mang lại hiệu quả về

kinh tế - xã hội, khắc phục dược các nhược điểm nêu trên, đặc biệt là đặc tính

bao quát vùng rộng lớn và khó tiếp cận. Nguyên tắc cơ bản của các phương

pháp viễn thám trong nghiên cứu độ ẩm đất là thu nhận các năng lượng phát xạ,

phát xạ từ mặt đất – vốn mang thông tin về sự tương tác giữa năng lượng phát

xạ với mặt đất, từ đó xác định được độ ẩm đất.

9

Với những lý do trên và qua quá trình học tập, được sự đồng ý của bộ môn

Khoa học máy tính, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, em

được giao đề tài luận văn với tiêu đề: “Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tích

hợp đa dữ liệu trong nâng cao độ chính xác bản đồ độ ẩm đất sử dụng phổ kế siêu

cao tần băng L và payload quang học trong dải nhìn thấy, hồng ngoại gắn trên

UAV”.

Những nội dung đề tài cần giải quyết là:

- Nghiên cứu các phương pháp xác định độ ẩm đất từ đó lựa chọn phương

pháp xác định cụ thể

- Nghiên cứu các phương pháp tích hợp độ ẩm đất

- Xây dựng một phương pháp tích hợp từ các nguồn dữ liệu độ ẩm đất xác

định ở trên.

Câu trúc luận văn của em ngoài phần mở đầu và kết luận gồm 3 chương

- Chương 1: Tổng quan về đề tài

- Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu liên quan

- Chương 3: Tích hợp dữ liệu đa nguồn trong xây dựng bản đồ độ ẩm đất

10

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1. Giới thiệu về độ ẩm đất

Hiện nay, tại Việt Nam do nhiều điều kiện khách quan khác nhau, số liệu

điều tra cơ bản về độ ẩm đất là rất ít và tản mạn. Tại Viện Thổ nhưỡng và

Nông hoá, các số liệu về độ ẩm đất cũng không có nhiều, kể cả các thông số

cơ bản để xác định độ ẩm khô héo cũng chỉ mới xác định cho một số loại đất

chính thông qua kết quả của một số đề tài nghiên cứu.

Trong những năm gần đây, công nghệ viễn thám đã phát triển rất mạnh trên

nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau, như xây dựng và quản lý bản đồ địa chính,

khí tượng thuỷ văn và dự báo thời tiết, giám sát và quản lý các thảm hoạ thiên

nhiên (lũ lụt, cháy rừng, sạt lở đất, v.v.), giáo dục, nông, lâm, ngư nghiệp, y

tế, v.v. Trong số các ứng dụng kể trên, việc theo dõi giám sát độ ẩm đất có vai

trò quan trọng, đặc biệt đối với các ngành nông - lâm nghiệp, vì độ ẩm đất là

thông số biểu hiện mức độ trao đổi năng lượng giữa các đối tượng trên bề mặt

Trái đất, và do đó ảnh hưởng đến tiểu vùng khí hậu Trái đất. Ví dụ, khi trời

mưa, địa hình đất trũng gây nên độ ẩm đất cao, trong khi địa hình dốc làm

nước trôi nhanh nên độ ẩm đất thấp, thời tiết hanh khô, gió mạnh làm độ ẩm

đất giảm nhanh, đất bị phủ bởi lớp thảm thực vật càng dày thì độ ẩm đất biến

đổi càng chậm, thành phần đất khác nhau cũng giữ ẩm khác nhau. Ngoài ra,

khi mưa lớn ở những vùng đồi núi dốc, ít có lớp cây che phủ, sẽ gây nên lũ

quét, lũ ống làm sạt lở đất - là một trong những tai biến thiên nhiên chủ yếu ở

Việt Nam. Vì vậy độ ẩm đất mang nhiều thông tin về hệ sinh thái tự nhiên,

ảnh hưởng trực tiếp đến sinh thái cây trồng, đặc biệt cây lương thực, cây công

nghiệp.

1.2. Hiện trạng dữ liệu độ ẩm đất ở Việt Nam và trên Thế Giới

1.2.1. Hiện trạng dữ liệu độ ẩm đất ở Việt Nam

Hiện nay, tại Việt Nam do nhiều điều kiện khách quan khác nhau, số liệu

điều tra cơ bản về độ ẩm đất là rất ít và tản mạn. Tại Viện Thổ nhưỡng và Nông

hoá, các số liệu về độ ẩm đất cũng không có nhiều, kể cả các thông số cơ bản để

11

xác định độ ẩm khô héo cũng chỉ mới xác định cho một số loại đất chính thông

qua kết quả của một số đề tài nghiên cứu.

Trong những năm gần đây, công nghệ viễn thám đã phát triển rất mạnh trên

nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau, như xây dựng và quản lý bản đồ địa chính,

khí tượng thuỷ văn và dự báo thời tiết, giám sát và quản lý các thảm hoạ thiên

nhiên (lũ lụt, cháy rừng, sạt lở đất, v.v.), giáo dục, nông, lâm, ngư nghiệp, y tế,

v.v. Trong số các ứng dụng kể trên, việc theo dõi giám sát độ ẩm đất có vai trò

quan trọng, đặc biệt đối với các ngành nông - lâm nghiệp, vì độ ẩm đất là thông

số biểu hiện mức độ trao đổi năng lượng giữa các đối tượng trên bề mặt Trái đất,

và do đó ảnh hưởng đến tiểu vùng khí hậu Trái đất. Ví dụ, khi trời mưa, địa hình

đất trũng gây nên độ ẩm đất cao, trong khi địa hình dốc làm nước trôi nhanh nên

độ ẩm đất thấp, thời tiết hanh khô, gió mạnh làm độ ẩm đất giảm nhanh, đất bị

phủ bởi lớp thảm thực vật càng dày thì độ ẩm đất biến đổi càng chậm, thành phần

đất khác nhau cũng giữ ẩm khác nhau. Ngoài ra, khi mưa lớn ở những vùng đồi

núi dốc, ít có lớp cây che phủ, sẽ gây nên lũ quét, lũ ống làm sạt lở đất - là một

trong những tai biến thiên nhiên chủ yếu ở Việt Nam. Vì vậy độ ẩm đất mang

nhiều thông tin về hệ sinh thái tự nhiên, ảnh hưởng trực tiếp đến sinh thái cây

trồng, đặc biệt cây lương thực, cây công nghiệp.

Trong những năm gần đây, ở Việt nam, nhiều công trình nghiên cứu đã sử

dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu độ ẩm đất. Bằng phương pháp giải

đoán ảnh vệ tinh, ứng dụng hệ thống thông tin địa lý trong nghiên cứu độ ẩm

đất và biến động lớp phủ đất đã được một số nhóm nghiên cứu thực hiện, như

của các tác giả Lại Anh Khôi [6], Nguyễn Ngọc Thạch, Phạm Văn Cự, Nguyễn

Đình Dương, Nguyễn Xuân Lâm, Trần Minh Ý, Trương Thị Hoà Bình, , v.v. Về

ứng dụng viễn thám siêu cao tần thụ động ứng dụng phổ kế siêu cao tần các băng

L (1.4 GHz), C (3.5 GHz), và X (10.5 GHz), nhóm nghiên cứu của tác giả Doãn

Minh Chung đã thực hiện thành công nhiều đề tài nghiên cứu độ ẩm đất, sinh khối

thực vật, nhiệt độ và độ mặn nước biển [1- 4]

Trong giai đoạn 2002-2009, các chuyên gia K.G.Kostov, B.I.Vichev thuộc

Viện Điện tử, Viện HLKH Bungaria đã hợp tác với các cán bộ nghiên cứu của

12

Viện Vật lý, Viện KHCNVN thực hiện thành công 3 đề tài hợp tác Nghị định thư

Việt Nam - Bungari. Với mục đích nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ phổ kế siêu

cao tần thụ động ở các băng L, C và X, và ứng dụng chúng để nghiên cứu, giám

sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường Việt Nam, trong đó có độ ẩm đất. Cụ thể

là trong các năm 2000-2004, các phổ kế băng L và C đã được chế tạo và ứng dụng

để kiểm nghiệm phương pháp xác định độ ẩm đất trong điều kiện môi trường tại

Việt Nam [1].

1.2.2 Ở ngoài nước

Trên thế giới, độ ẩm đất được quan tâm đặc biệt và là một yếu tố quan trọng

hàng đầu trong các hệ thống giám sát điều kiện ẩm của cây trồng và của các mô

hình tưới tiêu.

Tại nhiều nước tiên tiến, ảnh vệ tinh đã được sử dụng kết hợp với ảnh hàng

không để nghiên cứu, điều tra tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Ngoài việc

sử dụng các camera chụp các bức ảnh từ trên máy bay, người ta còn lắp đặt các

hệ phổ kế hồng ngoại và phổ kế siêu cao tần để đo nhiệt độ phát xạ của các đối

tượng tự nhiên trên mặt đất, qua đó giám sát các biến động về độ ẩm đất, sinh

khối thảm thực vật. Vùng quan sát thường được chọn khá đồng nhất về mặt địa

hình và đối tượng lớp phủ trên mặt đất. Các kết quả thu được từ viễn thám hàng

không có thể được sử dụng kết hợp với dữ liệu ảnh vệ tinh và kết quả đo thực địa

mặt đất để có được bộ số liệu chính xác có tầm bao quát đủ lớn, tầm cỡ tỉnh, liên

tỉnh, quốc gia.

Tháng 11/2009, Vệ tinh SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) là

vệ tinh thứ 2 do Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) chế tạo trong chương trình "Hành

tinh sống" đã được phóng vào quỹ đạo. Vệ tinh SMOS có nhiệm vụ đo đạc, giám

sát 2 thông số là độ ẩm đất toàn cầu và nồng độ muối của các đại dương [15]

Các số liệu từ SMOS sẽ bổ sung các thông tin còn thiếu về những thay đổi

cấp toàn cầu độ ẩm bề mặt đất và nồng độ muối các đại dương, giúp hiểu sâu hơn

về tuần hoàn nước trên Trái Đất, từ đó xây dựng các mô hình khí hậu hoàn thiện

hơn cũng như tăng độ chính xác cho các dự báo thời tiết.

13

Theo ESA, những số liệu về vòng luân chuyển toàn cầu của độ ẩm trên Trái

Đất sẽ giúp các nhà sinh thái học hiểu rõ hơn các quá trình dẫn đến sự biến đổi

khí hậu cũng như dự đoán sự xuất hiện của những điều kiện thời tiết cực đoan,

hay những nơi có thể xuất hiện các cơn bão.

Ngày 31/1/2015, Cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) đã phóng

thành công vệ tinh SMAP (Soil Moisture Active/Passive) vào quỹ đạo. SMAP có

nhiệm vụ đo lường độ ẩm của đất không chỉ tại một vùng nhất định mà trên phạm

vi không gian toàn cầu chỉ từ 2-3 ngày. Dữ liệu độ ẩm của đất từ SMAP có thể

được sử dụng để cung cấp các thông tin hữu ích cho nông dân trong thời vụ. Theo

NASA, SMAP có khả năng cung cấp thông tin về độ ẩm đất hiện tại cũng như dự

báo trong tương lai một cách chính xác và nhanh chóng nhờ vào sự hỗ trợ của

những công nghệ tiên tiến nhất [16].

Để đo được độ ẩm đất chi tiết của toàn bộ hành tinh, SMAP sẽ được đặt

trong quỹ đạo cực đồng bộ với quỹ đạo Mặt Trời, sử dụng hệ thống cảm biến

Radar băng L và phổ kế băng L để liên tục quét mỗi 5cm đất trên Trái Đất. Đồng

thời, SMAP cũng có khả năng thu thập dữ liệu độ ẩm đất với độ phân giải khoảng

50km, tuy không thể đưa ra được thống kê độ ẩm chênh lệch giữa mảnh đất này

với mảnh đất khác, nhưng vẫn cho phép cung cấp dữ liệu độ ẩm toàn diện và chi

tiết nhất từ trước đến nay. SMAP đang sử dụng một bước nhảy vọt chưa từng thấy

so với những công nghệ đã được sử dụng từ trước đến nay. Cụ thể, những thế hệ

vệ tinh cũ không thể nào xác định được độ ẩm của mặt đất với độ phân giải và

tính chính xác cao như SMAP.

Nhận thấy vai trò quan trọng của độ ẩm đất đối với tài nguyên thiên nhiên và

môi trường, sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học, của các cơ quan nghiên

cứu và quản lý, trong khi các ứng dụng viễn thám siêu cao tần thụ động chưa được

nghiên cứu một cách bài bản và hệ thống ở Việt Nam, em đã chọn đề tài luận văn

“Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tích hợp đa dữ liệu trong nâng cao độ chính

xác bản đồ độ ẩm đất sử dụng phổ kế siêu cao tần băng L và payload quang học

trong dải nhìn thấy, hồng ngoại gắn trên UAV ” nhằm nghiên cứu, ứng dụng các

thành tựu mới của phương pháp viễn thám siêu cao tần thụ động trong nghiên cứu

14

độ ẩm đất, từng bước hội nhập quốc tế trong chuẩn hoá - kiểm chứng dữ liệu các vệ

tinh đo đạc, giám sát độ ẩm đất toàn cầu, góp phần giảm thiểu thiệt hại do biến đổi

khí hậu gây ra.

15

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

2.1. Dữ liệu độ ẩm đất đa nguồn

2.1.1. Các phương pháp đo truyền thống để xác định độ ẩm đất

Từ trước đến nay, trên thế giới có nhiều phương pháp đo độ ẩm đất, có

thể kể đến một vài phương pháp phổ biến như sau:

a,Phương pháp Kachinski [4]

Là phương pháp xác định tính thấm nước của đất trong phòng thí nghiệm,

là phương pháp phổ biến và chính xác nhất. Mục đích của phương pháp này là

tính lượng nước hút ẩm trong đất trong từng điều kiện nhất định, từ đó tính được

độ ẩm đất.

Công thức tính độ thấm nước của đất như sau:

K=(100+W)/100 (2.1)

Trong đó: W - là hàm lượng nước hút ẩm không khí (%).

K - lượng nước thấm trong đất (%).

Ví dụ, lượng đất lấy ra ở trạng thái khô trong không khí là 10g. Sau khi sấy

khô ở nhiệt độ từ 1000-1050C, còn lại 9, 5g(b), như vậy lượng nước hao hụt sau

khi sấy là 0,50g (a)

Lượng nước hút ẩm không khí:

W%=a/b * 100 hay 0,500/9,5 *100=5, 26%. (2.2)

Khi đó, K= (100+ 5, 26)/100 = 1,052.

Độ thấm nước của đất được xác định chủ yếu ngoài đồng ruộng, còn xác

định trong phòng thí nghiệm là thứ yếu, có tính chất bổ sung, phân tích thêm

những kết quả xác định được trong điều kiện ngoài đồng ruộng.

b/ Phương pháp tính toán độ ẩm đất toàn phần

Độ ẩm đất toàn phần là lượng nước dự trữ trong đất ở những điều kiện nhất

định. Độ ẩm đất toàn phần (hoặc trữ lượng ẩm trong đất) được tính bằng mm cột

nước theo công thức sau đây:

Wmm = Wt * d * h * 10 /100 = Wt * d * h */10 (2.3)

Trong đó:

16

- Wmm: Độ ẩm đất toàn phần, tính bằng mm

- Wt : Độ ẩm đất, tính bằng % trọng lượng,

- D : Dung trọng (g/cm3)

- h : Độ dày tầng đất (cm),

Nếu độ dày tầng đất là 10 cm thì công thức trên có thể rút gọn như sau:

Wmm = Wt * d (2.4)

c/ Phương pháp tính toán độ ẩm hữu hiệu của đất

Đây là giới hạn độ ẩm đất mà cây trồng có thể hút được nước, được xác

định bằng hiệu số giữa độ ẩm tối đa và độ ẩm cây héo.

Độ ẩm đất hữu hiệu (Whh) được xác định theo công thức sau:

Whh = Wtp - WWkhoheo (2.5)

Trong đó:

- Wtp - Độ ẩm toàn phần (mm, %);

- WWkhoheo - Độ ẩm khô héo (mm, %);

2.1.2. Các phương pháp viễn thám

Do độ ẩm đất biến đổi nhanh theo thời gian và không gian, các phương

pháp đo truyền thống như trên bộc lộ một số nhược điểm, đặc biệt không thể có

dữ liệu trên những vùng rộng lớn, hoặc những vùng hiểm trở khó tiếp cận.

Công nghệ Viễn thám, hiểu theo nghĩa chung nhất, là một ngành khoa học

công nghệ có chức năng thu thập và xử lý thông tin về một đối tượng, môi trường

hay một hiện tượng thông qua các số liệu được đo không tiếp xúc bởi một thiết bị

đặt cách xa đối tượng, môi trường hay hiện tượng ấy.

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ vũ trụ, phương pháp

viễn thám (tích cực và thụ động) đã được ứng dụng trong nghiên cứu, giám sát độ

ẩm đất, mang lại hiệu quả về kinh tế - xã hội, khắc phục được các nhược điểm nêu

trên.

Viễn thám được định nghĩa như một môn khoa học nghiên cứu các phương

pháp thu nhận, đo lường và phân tích thông tin của đối tượng mà không tiếp xúc

trực tiếp với chúng. Về cơ bản, viễn thám có thể được chia thành 2 loại: viễn thám

17

tích cực và thụ động [3]. Nếu như trong viễn thám thụ động, các hệ thống máy đo

năng lượng bức xạ tự nhiên hay phản xạ từ một số đối tượng, thì hệ thống viễn

thám chủ động được cung cấp một nguồn năng lượng riêng, chiếu trực tiếp vào

đối tượng và đo đạc phần năng lượng phản xạ từ đối tượng. Dựa trên phần năng

lượng phản xạ thu được, áp dụng các mô hình vật lý, sẽ tính được độ ẩm đất.

2.1.2.1. Phương pháp viễn thám tích cực , nguyên tắc hoạt động liên quan đến quá

trình truyền sóng điện từ từ nguồn phát đến vật thể cần quan tâm, được mô tả

trong hình 2.1:

- Nguồn phát năng lượng (1): là nguồn phát ra năng lượng điện từ đi tới

đối tượng cần quan tâm.

- Khi năng lượng truyền từ nguồn phát tới đối tượng, nó sẽ tương tác tới

khí quyển mà nó đi qua. Sự tương tác này có thể xảy ra lần thứ 2 khi phần năng

lượng phản xạ từ đối tượng truyền tới bộ cảm biến trên vệ tinh.

- Khi năng lượng gặp được đối tượng sau khi xuyên qua khí quyển, nó

tương tác với đối tượng. Phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng và sóng điện từ mà

năng lượng phản xạ hay bức xạ này sẽ khác nhau.

- Việc thu năng lượng của bộ cảm biến (sensor): sau khi năng lượng bị tán

xạ hoặc phản xạ từ đối tượng, chính bộ cảm biến phát trên vệ tinh sẽ được dùng

để thu phần năng lượng phản xạ này.

- Sự truyền tải, thu nhận và xử lý (Trạm thu): năng lượng được ghi nhận

bởi bộ cảm biến phải được truyền đến một trạm thu dưới mặt đất để xử lý. Năng

lượng này thường được truyền đi dưới dạng tín hiệu điện. Trạm thu sẽ xử lý năng

lượng này để tạo ra ảnh.

- Sự giải đoán và phân tích: ảnh vệ tinh được xử lý ở trạm thu sẽ được giải

đoán trực quan hoặc phân loại bằng các phần mềm chuyên dụng để chiết tách

thông tin về đối tượng.

- Thông tin sau khi được tách ra từ ảnh có thể được ứng dụng để nghiên

cứu về đối tượng, khám phá một số thông tin mới hoặc hỗ trợ cho việc giải quyết

một vấn đề cụ thể.

Do các tính chất của các đối tượng (nhà cửa, mặt đất, rừng cây, mặt

18

nước...) có thể được xác định thông qua năng lượng bức xạ hay phản xạ từ vật

chất, nên viễn thám là một ngành khoa học công nghệ nhằm xác định, nhận biết

đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua những đặc trưng riêng về sự

phát xạ và bức xạ.

Hình 2. 1 Nguyên lý hoạt động của viễn thám tích cực

Như vậy, phương pháp viễn thám tích cực được ứng dụng rất hiệu quả cho

việc nghiên cứu sử dụng đất và lớp phủ mặt đất nhờ những ưu điểm sau:

- Ảnh vệ tinh có thể ghi nhận sự thay đổi hiện trạng mặt đất, tính chất của

môi trường đất (độ ẩm) của một vùng rộng lớn một cách nhanh chóng (ưu điểm

về không gian và thời gian).

- Ảnh vệ tinh có thể cung cấp các thông tin mà các phương pháp thông

thường không có được, đặc biệt với những khu vực mà con người và thiết bị không

tiếp cận được.

- Cho kết quả nhanh hơn, đầy đủ và kinh tế hơn so với quan sát thực địa.

Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là:

- Nhiều dạng khác nhau của hiện trạng sử dụng đất có thể không phân biệt

được trên ảnh vệ tinh.

- Đối với vùng nghiên cứu có diện tích nhỏ thì phương pháp viễn thám

không phù hợp và không kinh tế so với các phương pháp truyền thống.

2.1.2.2. Phương pháp viễn thám thụ động, độ ẩm đất được nghiên cứu theo nguyên

19

lý như sau:

Với viễn thám thụ động, dải hoạt động của nó là trong 2 vùng sóng: sóng

radar và sóng quang học. Trong vùng sóng quang học, khi ánh sáng mặt trời chiếu

xuống, các đối tượng tự nhiên hấp thụ một phần năng lượng mặt trời đó và tán xạ,

phản xạ lại. Các sensor từ vệ tinh sẽ thu nhận, xử lý và gửi thông tin xuống trạm

mặt đất dưới dạng ảnh quang học.

Còn trong vùng sóng sóng radar, theo lý thuyết về bức xạ điện từ, mọi vật

chất trong thiên nhiên, ngoại trừ ở nhiệt độ không tuyệt đối (00K), do chuyển động

nhiệt của các proton và electron, đều tự phát ra một phổ bức xạ nhiệt - được đặc

trưng bởi Độ phát xạ (e) hay Nhiệt độ phát xạ (Tb = e.T0). Nhiệt độ phát xạ này

phụ thuộc vào nhiệt độ vật lý T0, vào thành phần, cấu trúc và các tham số vật lý

của vật chất. Dựa vào quan hệ này, người ta đo nhiệt độ phát xạ của đối tượng

quan tâm và từ đó xác định các tham số cần thiết.

Hiện tượng này được gọi là sự phát xạ thụ động, hay sự phát xạ tự nhiên

của vật

chất. Sóng điện từ này lan truyền trong không gian dưới dạng phổ bức xạ ở

mọi dải tần số. Tuy nhiên, tuỳ thuộc vào môi trường và bản thân vật phát xạ, phổ

năng lượng này có thể bị hấp thụ khác nhau đối với mỗi dải tần số. Đặc tính của

phổ bức xạ này về cường độ và tần số phụ thuộc vào các đặc tính cố hữu của vật

phát xạ và môi trường bao quanh. Dựa vào điều ấy, các nhà khoa học đã chế tạo

các thiết bị và nghiên cứu các phương pháp thu nhận, biến đổi các tín hiệu điện từ

trường phát xạ từ vật chất, để từ đó xác định các đặc tính cố hữu của vật chất.

Thiết bị đo tương ứng được gọi là phổ kế (radiometer RDM). Hình 1.2 dưới đây

mô tả dải sóng hoạt động của viễn thám siêu cao tần thụ động (từ 0, 3 - 100 cm):

20

Quan sát trên mặt đất được sử dụng trong phạm vi thực địa, độ cao quan sát

< 5m. Phương thức này được ứng dụng để quan sát lớp thực vật bao phủ trên mặt

đất, sinh khối, độ ẩm của đất, nhiệt độ bề mặt đất. Quan trắc từ máy bay được ứng

dụng trên phạm vi nhiều cánh đồng với trường quan sát > 500m. Phương thức này

được ứng dụng để quan sát mùa vụ, các yếu tố độc hại ảnh hưởng đến đất, nhiệt

độ bề mặt, vi khí hậu ảnh hưởng đến độ ẩm đất. Phương thức thứ ba là quan sát

từ vệ tinh nhân tạo trên một khu vực lớn với trường quan sát > 100 km. Phương

thức này được ứng dụng để lập bản đồ tài nguyên thiên nhiên và môi trường.

Phổ kế siêu cao tần (SCT) là thiết bị đặc biệt dùng để đo nhiệt độ phát xạ

tự nhiên của đối tượng trong vùng sóng siêu cao tần. Phổ kế SCT bao gồm anten,

máy thu và khối xử lý số liệu và ghép nối với máy tính. Để đo nhiệt độ phát xạ

của một đối tượng, anten được hướng vào đối tượng đó theo góc tới và góc

phương vị . Đối tượng đó phát ra một bức xạ điện từ có cường độ bức xạ B được

biểu thị bằng công thức Rayleigh-Jeans [20]

𝐵 =2𝑘𝑇

2𝑒 (2.6)

Trong đó:

B - cường độ bức xạ. (J/m2)

Hình 2. 2. Các dải sóng điện từ được dùng trong viễn thám

21

k =1,38.10-23 (J/K) – hằng số Boltzman.

(cm) – bước sóng điện từ trường,

e - độ phát xạ tự nhiên của đối tượng đo.

Hình 2. 3. Tổng quan sự phát xạ tự nhiên của các đối tượng trên bề mặt trái

đất

Cường độ bức xạ từ đối tượng được hấp thụ bởi anten và tạo nên nhiệt độ

anten - được biểu thị qua công thức sau:

𝑇𝐴 =1

4𝜋∬ 𝑇𝐵(𝜃, ). 𝐺(𝜃, ). 𝑑4𝜋

(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).

22

- 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

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

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

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

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

25

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.

26

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)

dzzFzTT pBp

0

),()()(

),()](1[)( effpBp TRT

,)](1[)()( SpSpBp TRTeT

27

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

,sincos

sincos)(

2

2

2

hR

.sincos

sincos)(

2

2

2

vR

,)1()( ravxv PmPm

)/()( tviwix Wm

ravwtvxt PmPWmW )1()()(

.)( iwix

28

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 rsP

481.057.0 WP

.165.049.0 WPWt

,00478.000064.006774.0 CFSFWP

29

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 1B S V S ST R T R T

2.1 sv

bv R

TT

e

2 exp -2 sec

. vbW

30

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

(12

cs

ee

31

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.

32

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.

33

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

34

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

35

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

36

mục tiêu bằng cách bao gồm độ lệch giữa các giá trị thoát hơi nước dựa trên

Landsat TM, được rút ra từ mô hình Chỉ số Cân bằng Năng lượng Bề mặt Đơn

giản (S-SEBI) [Roerink et al ., 2000], và lượng nước bốc hơi ước tính từ mô hình

thủy văn. Dựa trên các quan trắc thực địa trong thí nghiệm Southern Great Plains

1997 (SGP97) [Famiglietti và cộng sự, 1999], một sự tương ứng tốt giữa ước tính

độ ẩm đất được giảm tỷ lệ và các quan trắc tại vị trí đã được tìm thấy.

2.3.2.2. Giảm tỷ lệ thống kê

Đối với giảm tỷ lệ thống kê, mô hình bề mặt đất được sử dụng làm cơ sở để

mô tả mối quan hệ giữa độ ẩm đất của từng subpixel tỷ lệ nhỏ riêng lẻ và chồng

phủ pixel tỷ lệ thô. Thông qua mối quan hệ thống kê này, mọi quan sát độ ẩm đất

ở tỷ lệ thô có thể được phân tích thành tỷ lệ nhỏ hơ. Loew và Mauser [2008] đã

trang bị tỷ lệ mịn cho mỗi pixel một hồi quy tuyến tính giữa hàm lượng urê ẩm

trong đất của nó và chồng phủ pixel tỷ lệ thô trong giả định về mối quan hệ ổn

định theo thời gian. Vì mối quan hệ này thu được đối với từng pixel tỷ lệ nhỏ riêng

lẻ, nó phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể của địa điểm như lớp phủ đất, kết cấu

đất, độ dốc, hướng, độ cao và các điều kiện ranh giới khí tượng [Loew và Mauser,

2008]. Verhoest và cộng sự. [2015] cũng có liên quan thống kê về độ ẩm đất ở tỷ

lệ mịn với quan sát tỷ lệ thô chồng chéo ping thu được từ máy đo bức xạ. Tuy

nhiên, họ nhận ra rằng thường có sự sai lệch giữa độ ẩm của đất lấy từ viễn thám

và được dự đoán bởi các mô hình bề mặt đất [Koster và cộng sự, 2009]. Hơn nữa,

độ chệch này có thể khác nhau tùy thuộc vào trạng thái ẩm của đất (trạng thái ướt

và khô có thể cho thấy độ chệch khác nhau). Để giải quyết vấn đề sai lệch không

nhất quán này, mối quan hệ hai biến của các quan sát độ ẩm đất được cảm biến từ

xa tại một tỷ lệ thô pixel (coarse-scale pixel) và tất cả các giá trị độ ẩm của đất ở

tỷ lệ mịn (fine-scale) tương ứng, thu được từ mô hình bề mặt đất, đã được khai

thác. Phân phối hai chiều (bivariate distribution) này được mô tả toán học bằng

phương pháp đồng biến. Thông qua việc biến đổi phân phối hai chiều (bivariate

distribution) đối với quan sát độ ẩm đất ở tỷ lệ thô (coarse-scale) được cảm nhận

từ xa, một phân bố xác suất thu được mô tả sự biến đổi dưới lưới của các giá trị

37

độ ẩm đất ở tỷ lệ mịn (fine-scale), dựa trên quan sát ở tỷ lệ thô (coarse-scale). Để

rút bớt được bản đồ độ ẩm đất, hàm phân phối tích lũy (CDF) đối sánh (hoặc ánh

xạ lượng tử) của độ ẩm đất được mô hình hóa tại thời điểm quan sát được thực

hiện theo hàm phân phối có điều kiện thu được. Phương pháp luận này khác với

phương pháp so khớp CDF cổ điển [Drusch và cộng sự, 2005; Reichle và Koster,

2005] theo nghĩa đó rằng CDF mà các giá trị độ ẩm đất được mô hình hóa được

khớp với nhau để thu được kết quả giảm tỷ lệ (downscaled product) không phải

là hằng số mà phụ thuộc vào giá trị của quan sát tỷ lệ thô (coarse-scale

observation). Hình 11 cho thấy kết quả của phương pháp luận này đối với độ ẩm

đất dựa trên SMOS được giảm xuống theo độ ẩm đất có độ phân giải cao dựa trên

VIC.

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.

2.3.3. Mô hình WebGIS

2.3.3.1. Giới thiệu về WebGIS

WebGIS là tích hợp công nghệ GIS trên nền tảng web. Đây là một hệ thống sử

dụng GIS hỗ trợ để xây dựng các ứng dụng Web tương tác với dữ liệu địa lý, chia

38

sẻ thông tin địa lý qua mạng Internet [17]. WebGIS có tiềm năng lớn trong công

việc làm cho thông tin địa lý trở nên hữu dụng và sẵn sàng với số lượng lớn người

sử dụng trên thế giới. Thành phần của một hệ thống WebGIS bao gồm một máy

chủ GIS (phần mềm xử lý: Map server, cơ sở dữ liệu địa lý: Geodatabase) và các

máy khách thông qua trình duyệt.

Hình 2. 11. Hoạt động của WebGIS

Map server: là một chương trình cung cấp chức năng vẽ, mô hình hóa, định

nghĩa chức năng của các lớp bản đồ từ dữ liệu phù hợp được cung cấp. Một số

Map server được sử dụng phổ biến hiện nay là ArcGIS Server, Geoserver,

Mapserver [13], …

Map client: là các chương trình sử dụng các dịch vụ bản đồ được cung cấp

từ Map server. Các chương trình này có thể hiện thị bản đồ, cung cấp các chức

năng của dịch vụ bản đồ cho người sử dụng như: tìm kiếm, tra cứu thông tin, chỉnh

sửa bản đồ, … Nhìn chung, người sử dụng thường không tương tác trực tiếp với

các dịch vụ bản đồ. Các nhà phát triển là người sẽ quy định các tương tác này

thông qua việc xây dựng ứng dụng của mình [13].

Hệ thống thông tin địa lý (Geographical Information System (GIS)) cho

phép làm việc với các dữ liệu địa lý trên máy tính. GIS hỗ trợ mở các bản đồ số,

tạo và thay đổi các thông tin địa lý, tùy chỉnh theo nhu cầu và phân tích dữ liệu

[15]. GIS đã được dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau một cách tổ hợp như địa

lý, địa chất, nông nghiệp, đô thị, giao thông, ngân hàng, nghiên cứu thực vật, địa

chính, kinh tế, toán học, môi trường…. Một hệ thống thông tin địa lý bao gồm:

39

• Dữ liệu dạng số hóa

• Phần cứng (máy tính)

• Phần mềm: các chương trình cho phép đọc và xử lý dữ liệu

2.3.3.2. Mô hình kiến trúc biên tập các lớp thông tin GIS

Map server và geodatabase là hai thành phần chủ chốt để xây dựng, duy trì và

cung cấp công năng cho các dịch vụ bản đồ chuyên đề. Để có được một hệ thống

hoàn chỉnh xuất bản dịch vụ bản đồ yêu cầu thêm thành phần máy Publish và cách

thức liên kết [18].

Máy publish: là máy tính có thể truy cập để quản lý Map server thực hiện quá

trình xuất bản dịch vụ: định vị dữ liệu, thay đổi tùy chọn và tiến hành xuất bản.

Máy publish có thể thực hiện trên phần mềm (ví dự: sử dụng Arcmap với ArcGIS

server) hoặc thực hiện thông qua webclient tương thích với Map server. Có thể sử

dụng nhiều máy publish quản lý một Map server [16].

Một số mô hình hạ tầng của một hệ thống cung cấp dịch vụ bản đồ chuyên đề.

Các mô hình này hiện đang được hỗ trợ bởi ArcGIS server (version10.x) và được

miêu tả với 1 máy publish.

Hình 2. 4. Map server liên kết với máy publish thông qua thư mục chung

Map server liên kết với máy publish và 1 cơ sở dữ liệu dưới dạng tệp tin: mô hình

này thiết lập một sự chia sẻ thư mục cho phép Map server và máy publish sử dụng

40

chung thư mục chứa các tệp dữ liệu địa lý. Khi máy publish yêu cầu xuất bản dịch

vụ, Map server sẽ nhận được thông tin về tệp dữ liệu và sử dụng tệp đó trong thư

mục chung để xây dựng dịch vụ bản đồ.

Hình 2. 13. Map server liên kết với máy publish thông qua đồng bộ thư

mục

Map server liên kết với máy publish và 2 cơ sơ dữ liệu dưới dạng tệp tin: mô hình

này thiết lập một cơ chế đồng độ tự động giữa 2 thư mục đặt trên 2 máy Map

server và máy publish [18].

Hình 2. 14. Map server liên kết với máy publish thông qua cơ sở dữ liệu

Map server liên kết với máy publish và 1 cơ sở dữ liệu: mô hình này thay thế kho

dữ liệu tệp trên mô hình đầu tiên bằng 1 cơ sở dữ liệu. Map server và máy publish

cùng thiết lập kết nối cơ sở dữ liệu và đồng bộ dữ liệu.

41

Map server liên kết với máy publish và 2 cơ sở dữ liệu: mô hình thiết lập 1 cơ sở

dữ liệu trên mỗi máy Map server và máy publish. Các cơ sở dữ liệu được đồng bộ

tự động khi có thay đổi.

Hình 2. 15. Map server liên kết với máy publish thông qua đồng bộ 2 cơ

sở dữ liệu

Xây dựng CSDL là kết quả tổng hợp của nhiều lĩnh vực liên quan đến nhau. Do

vậy giải pháp công nghệ xây dựng CSDL phải bao hàm nhiều lĩnh vực liên quan

đến nhau. Đó là: Hiện chỉnh bản đồ, số hóa bổ sung; Tích hợp và chia cắt dữ liệu

theo đơn vị hành chính; Chuyển đổi dữ liệu; Nhập thông tin thuộc tính cho các

đối tượng, lưu trữ, phân tích, xử lý thông tin.

ArcGIS là một bộ phần mềm của hãng ESRI. Là một bộ tích hợp các sản phẩm

phẩm mềm – một bộ bao gồm nhiều phần mềm với mục tiêu xây dựng một hệ

thống thông tin địa lý (GIS) hoàn chỉnh. Bộ phần mềm này có thể thực hiện các

chức năng về GIS trên máy trạm, server, dịch vụ web hay thiết bị di động. Với

các kỹ thuật này cho phép người dùng có được các công cụ quản lý một hệ thống

GIS phức tạp.

42

CHƯƠNG 3: TÍCH HỢP DỮ LIỆU ĐA NGUỒN

TRONG XÂY DỰNG BẢN ĐỒ ĐỘ ẨM ĐẤT

3.1. Thu thập dữ liệu thực địa

Khu vực vùng bay đo là vùng thuộc thị xã Duy Tiên, tỉnh Hà Nam nhằm

mục đích phục vụ nghiên cứu đề tài:

Bay chụp thử nghiệm phổ kế siêu cao tần band L, đánh giá đối tượng bay

chụp.

Phân loại đối tượng, thu thập dữ liệu độ ẩm.

Các thông số kỹ thuật của thiết bị bay cụ thể như sau:

1. Thiết bị bay: 01 mẫu thiết bị bay (thông số kỹ thuật của phương tiện bay

trình bày trong Phụ lục 1).

2. Phạm vi bay: Khu vực thuộc thị xã Duy Tiên, tỉnh Hà Nam có tọa độ địa

lý:

- Từ 105057'50.63" đến 105058'39.18" kinh độ Đông.

- Từ 20038'47.51" đến 20039'47.87" vĩ độ Bắc.

- Loại phương tiện bay, tên gọi: DF-04

Hình 3. 1. Thiết bị bay DF-04

43

- Nhà sản xuất: Viện vật lý ứng dụng và thiết bị khoa học - Viện Hàn lâm

KHCN Việt Nam

- Số xuất xưởng: DF041701

- Trọng lượng cất cánh tối đa (MTOW): 6 kg

- Năm sản xuất: 2017

- Số lượng và kiểu loại động cơ: Electric brusless.

- Trang thiết bị thông tin hàng không, thiết bị dẫn đường, giám sát bay, thiết

bị chụp ảnh: GPS Navigation, Camera Gopro 3+.

- Thuyết minh tính năng kỹ thuật hàng không, kích thước (rộng, dài, cao),

độ cao bay tối đa, tốc độ bay tối đa, bán kính hoạt động, phương pháp điều khiển

bay, thời gian hoạt động trên không, khả năng mang, treo:

+ Kích thước: (900 x 900 x 520) mm

+ Độ cao bay tối đa: 200m

+ Tốc độ bay tối đa: 36km/h

+ Bán kính hoạt động: 5km

+ Phương pháp điều khiển bay: Tự động

+ Thời gian hoạt động trên không: 40 phút

- Các thông tin và tính năng kỹ thuật khác, trang bị khác: Không

3. Mục đích thực hiện bay: Bay chụp thử nghiệm phổ kế siêu cao tần band

L, đánh giá đối tượng bay chụp. Đánh giá, phân loại đối tượng, thu thập dữ

liệu độ ẩm.

4. Kích thước khu vực vùng trời tổ chức bay: 100 ha

5. Sân bay (hoặc tên khu vực mặt đất, mặt nước) bảo đảm cho việc cất cánh,

hạ cánh của tàu bay, phương tiện bay: 10 x 10m

44

Hình 3. 2. Giới hạn khu vực cấp phép bay

Dữ liệu thu được trên thiết bị phổ kế siêu cao tần băng L được tính ra độ

ẩm đất

Hình 3. 3. File dữ liệu dạng excel

45

File dạng excel sau khi xử lý bao gồm các giá trị về thời gian, góc nghiêng

máy bay, vị trí GPS, tốc độ bay, Và giá trị Phổ kế siêu cao tần đo được.

3.2. Dữ liệu độ ẩm đất thu được từ vệ tinh

3.2.1. Dữ liệu độ ẩm đất thu được từ ảnh vệ tinh SMOS

- Hệ tọa độ :GCS_WGS_1984

- Datum : D_WGS_1984

- Độ ẩm đất toàn cầu của NASA-USDA và dữ liệu độ ẩm đất toàn cầu của

NASA-USDA SMAP

- Cung cấp thông tin độ ẩm đất trên toàn cầu ở độ phân giải không gian 0,25

° x0,25 °

- Những bộ dữ liệu này bao gồm độ ẩm đất bề mặt và dưới bề mặt (mm),

hồ sơ độ ẩm đất (%), và dị thường độ ẩm đất bề mặt và dưới bề mặt. Dị thường

độ ẩm đất là đơn vị và đại diện cho dị thường tiêu chuẩn được tính toán bằng cách

sử dụng cửa sổ di chuyển 31 ngày. Các giá trị xung quanh 0 biểu thị các điều kiện

độ ẩm điển hình, trong khi các giá trị rất dương và rất âm cho thấy độ ẩm cực cao

(điều kiện độ ẩm của đất là trên trung bình) và sấy khô (điều kiện độ ẩm của đất

là dưới mức trung bình), tương ứng. Bộ dữ liệu này được tạo ra bằng cách tích

hợp các quan sát độ ẩm đất cấp 2 của Soil Moisture Ocean Salality (SMOS) vào

mô hình Palmer hai lớp đã được sửa đổi bằng cách sử dụng phương pháp đồng

hóa dữ liệu Bộ lọc Kalman Bộ lọc 1-D (EnKF). Sự đồng hóa của các quan sát độ

ẩm đất SMOS đã giúp cải thiện dự đoán độ ẩm đất dựa trên mô hình, đặc biệt là

ở các khu vực nghèo nàn (ví dụ, Nam Phi, Trung Đông) trên thế giới thiếu dữ liệu

lượng mưa chất lượng tốt.

-Nguồn down ảnh:https://nsidc.org/search-results.html?q=soil%20moisture

- Ảnh SMOS độ phân giải 36km x 36 km

46

Hình 3.4. Ảnh SMOS độ phân giải 36km x 36 km

3.2.2. Dữ liệu độ ẩm đất thu được từ ảnh vệ tinh SMAP

- Hệ tọa độ :GCS_WGS_1984

- Datum : D_WGS_1984

- Độ ẩm đất toàn cầu của NASA-USDA và dữ liệu độ ẩm đất toàn cầu của

NASA-USDA SMAP. Cung cấp thông tin độ ẩm đất trên toàn cầu ở độ

phân giải không gian 0,25 ° x0,25 °.

- Những bộ dữ liệu này bao gồm độ ẩm đất bề mặt và dưới bề mặt

(mm), hồ sơ độ ẩm đất (%), và dị thường độ ẩm đất bề mặt và dưới bề mặt.

Dị thường độ ẩm đất là đơn vị và đại diện cho dị thường tiêu chuẩn được

tính toán bằng cách sử dụng cửa sổ di chuyển 31 ngày. Các giá trị xung

quanh 0 biểu thị các điều kiện độ ẩm điển hình, trong khi các giá trị rất

dương và rất âm cho thấy độ ẩm cực cao (điều kiện độ ẩm của đất là trên

trung bình) và sấy khô (điều kiện độ ẩm của đất là dưới mức trung bình),

tương ứng. Bộ dữ liệu này được tạo bằng cách tích hợp các quan sát độ ẩm

đất cấp 3 của Soil Moisture Active thụ động (SMAP) vào mô hình Palmer

hai lớp đã được sửa đổi bằng cách sử dụng phương pháp đồng hóa dữ liệu

Bộ lọc Kalman 1-D (EnKF). Sự đồng hóa của các quan sát độ ẩm đất SMAP

đã giúp cải thiện dự đoán độ ẩm đất dựa trên mô hình, đặc biệt là ở các khu

47

vực nghèo nàn trên thế giới thiếu dữ liệu lượng mưa chất lượng tốt.

Nguồn down ảnh: https://nsidc.org/search-

results.html?q=soil%20moisture

- Ảnh vệ tinh SMAP độ phân giải 25km x 25km

Hình 3.5. Ảnh SMAP độ phân giải 25km x 25 km

3.2.3. Dữ liệu độ ẩm đất thu được từ ảnh sentinel 1A

- Hệ tọa độ :wgs_1984_ease_grid_2_0_global

- Datum : D_WGS_1984

- Sản phẩm độ ẩm đất cấp 2 (L2) này cung cấp các ước tính về điều

kiện bề mặt đất được lấy bằng cả máy đo phóng xạ Soil Moisture Active

thụ động (SMAP) trong suốt 6:00 sáng giảm dần và 6:00 tối. tăng dần nửa

quỹ đạo và radar Sentinel-1A và -1B. Nhiệt độ độ sáng dải L của SMAP

và hệ số tán xạ ngược dải C của Copernicus Sentinel-1 được sử dụng để lấy

dữ liệu độ ẩm của đất, sau đó được ghép lại thành Lưới Trái đất có thể mở

rộng 3 km hình trụ cố định trên Trái đất, Phiên bản 2.0 (EASE-Grid 2.0).

- Mô hình thuật toán ANN tính toán độ ẩm đất từ ảnh Sentinel

48

Hình 3.6. Lưu đồ của thuật toán ANN

Mã nguồn đã được tích hợp sẵn với bộ tool. Khi có khu vực yêu cầu ta sẽ

thu được bộ dữ liệu độ ẩm từ sentinel 1A có độ phân giải 3km

Link mã nguồ mở:

https://pysmm.readthedocs.io/en/latest/?fbclid=IwAR3lF-moNV-

VqOqioqpquECE3RDdbPkUnGA-OHUgdFABYQOS-kFHeeKMC_c#api-

documentation

49

Hình 3. 7. Ảnh Sentinel 1A có độ phân giải 3km x 3 km

3.3. Xây dựng WebGIS chồng lớp dữ liệu độ ẩm

3.3.1. Quy trình tích hợp các lớp thông tin GIS vào hệ thống cơ sở dữ liệu

Sau khi dữ liệu được biên tập chuẩn hóa và phân tích, dữ liệu sẽ được tiếp tục

xử lý để tích hợp vào hệ thống thông tin địa lý. Hệ thống thông tin địa lý được

xây dựng trên nền tảng web (WebGIS) với mục tiêu cung cấp cách thức truy cập

và chia sẻ dữ liệu dễ dàng, nhanh chóng cho người sử dụng. Hệ thống được được

phân tích, thiết kế và xây dựng với kiến trúc gồm năm thành phần: (i) máy chủ

bản đồ (Map server), (ii) cơ sở dữ liệu địa lý (geodatabase), (iii) cơ sở dữ liệu

không quan hệ (nosql), (iv) máy chủ web (web server), (v) giao diện bản đồ (web

client).

50

Hình 3.8. Kiến trúc hệ thống

(i) Máy chủ bản đồ (web server) là một chương trình cung cấp chức năng tạo,

vẽ, mô hình hóa thông qua dịch vụ bản đồ từ các dữ liệu địa lý đã được xử

lý. Trong hệ thống này, nhóm phát triển đã đánh giá, lựa chọn và sử dụng

Arcgis Server là giải pháp máy chủ bản đồ hiệu quả cao.

(ii) Cơ sở dữ liệu địa lý (geodatabase) là nơi lưu trữ toàn bộ dữ liệu của bản đồ

số bao gồm dữ liệu địa lý và dữ liệu phi địa lý. Cơ sở dữ liệu địa lý có 2 dạng

lưu trữ:

a. Dữ liệu lưu trữ dưới dạng tệp tin: dữ liệu được mô hình dưới dạng bảng và

lưu trữ dưới dạng các tệp tin trên ổ cứng. Đối với ArcGIS server, định dạng

.dbf được hỗ trợ cho dạng lưu trữ này.

b. Dữ liệu lưu trữ trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu: dữ liệu được mô hình dưới

dạng bảng và lưu trữ trong các cơ sở dữ liệu. Đối với các Map server khác

nhau sẽ hỗ trợ các cơ sở dữ liệu khác nhau, đi cùng với các yêu cầu kỹ

thuật tích hợp chuyên biệt. Trong hệ thống này, hệ quản trị cơ sở dữ liệu

PostgreSQL được lựa chọn sử dụng do đây là một phần mềm mã nguồn

mở có cộng đồng phát triển đông đảo.

(iii) Cơ sở dữ liệu không quan hệ (nosql) cung cấp khả năng lưu trữ dữ liệu với

lượng cực lớn, truy vấn dữ liệu với tốc độ cao mà không đòi hỏi nhiều về tài

nguyên phần cứng và tăng khả năng chịu lỗi. Ưu điểm lớn nhất của việc sử

dụng NoSQL thay vì các cơ sở dữ liệu quan hệ là khả năng mở rộng cao.

Trong hệ thống, cơ sở dữ liệu không quan hệ MongoDB được sử dụng để lưu

51

trữ dữ liệu cho (iv) máy chủ web. MongoDB là một cơ sở dữ liệu tài liệu

(document database), không quan hệ, mã nguồn mở, cung cấp hiệu năng cao,

khả năng sẵn sàng cao và tự động mở rộng. Một bản ghi trong MongoDB là

document, là một cấu trúc dữ liệu bao gồm các cặp trường và giá trị. Các

document MongoDB tương tự như các đối tượng JSON. Các giá trị của

trường có thể bao gồm các document, mảng và mảng các document khác.

Trong MongoDB tập hợp các Document được gọi là Collection.

(iv) Máy chủ web (web server) là phần mềm có nhiệm vụ cung cấp dịch vụ web

để người dùng có thể truy cập hệ thống thông qua (v) giao diện bản đồ. Trong

hệ thống, máy chủ web được xây dựng trên nền tảng công nghệ Meteor.

Meteor là một phần mềm mã nguồn mở của nền tảng JavaScript đầy đủ để

phát triển các ứng dụng web và di động hiện đại. Meteor bao gồm một số

công nghệ để xây dựng các ứng dụng thời gian thực, cho phép sử dụng tất cả

thư viện của Node.js.

(v) Giao diện bản đồ (web client) là thành phần tương tác trực tiếp với người sử

dụng. Thành phần này được xây dựng dựa trên: Arcgis apis được hỗ trợ trực

tiếp bởi Arcgis server cung cấp khả năng sử dụng các dịch vụ bản đồ và xây

dựng cách thức tương tác với người dùng.

Hình 3.9. Quy trình tích hợp các lớp thông tin GIS vào hệ thống cơ sở dữ liệu

52

3.3.2. Giới thiệu về hệ thống

Hình 3. 10. Ảnh hiển thị dữ liệu độ ẩm thu được từ phổ kế và vệ tinh SMAP

Hình 3. 11. Ảnh hiển thị dữ liệu độ ẩm thu được từ phổ kế và vệ tinh SMOS

53

Hình 3.12. Ảnh hiển thị dữ liệu độ ẩm thu được từ phổ kế với Sentinel 1A

Hình 3.13. Ảnh nhiệt độ bề mặt

54

Hình 3.14. Ảnh hiển thị dữ liệu độ ẩm thu được từ phổ kế và các ảnh vệ

tinh SMOS, SMAP, Sentinel 1A

55

KẾT LUẬN

Sau thời gian học tập và nghiên cứu, học viên đã hoàn thành luận văn của

mình dưới sự hướng dẫn tận tình của TS. Bùi Quang Hưng và PGS. TS. Doãn

Minh Chung.

Luận văn đã đạt được các kết quả sau:

- Đã tìm hiểu thiết bị phổ kế siêu cao tần băng L gắn trên UAV để thu thập

dữ liệu

- Đã thu thập dữ liệu độ ẩm đất từ phổ kế siêu cao tần băng L gắn trên

UAV

- Xác định dữ liệu độ ẩm đất từ ảnh vệ tinh SMOS, SMAP

- Nghiên cứu thuật toán để xác định độ ẩm từ Sentinel 1A

- Nghiên cứu phương pháp tích hợp dữ liệu độ ẩm đất

- Xây dựng hệ thống WebGIS hiển thị các lớp dữ liệu độ ẩm thu thập được

Khả năng ứng dụng trong thực tiễn: luận văn của học viên là một phần của

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 phục vụ nghiên cứu viễn thám” thuộc đề tài nghiên cứu cơ bản

cấp Nhà nước, Mã số: VT-UD.03/17-20

Mặc dù luận văn đã hoàn thành đúng thời hạn, nhưng do hạn chế của bản

thân nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Học viên mong muốn nhận được những

góp ý của các thầy cô, đồng nghiệp và các bạn để hoàn thiện tốt hơn nữa trong

công việc sau này.

56

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bui Doan Trong, Doan Minh Chung, Nguyen Thanh Long “Design and

manufacturing a L-band radiometer applied for monitoring natural conditions and

environment in Vietnam” - REV’02 Proc., The 8th Vietnam Conference on Radio

and Electronics, Nov. 2-3rd , 2002, Hanoi, Vietnam, pp.352-355

[2] Doan Minh Chung, Bui Doan Trong, Nguyen Thanh Long, Nghiên cứu và chế

tạo Hệ phổ kế siêu cao tần (băng L) phục vụ điều tra thiên nhiên và môi tường.

Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ Quốc

gia, năm 1999-2000

[3] Lại Anh Khôi, Giáo trình viễn thám, ĐHQGHN, 2010

[4] Võ Thị Lan Anh, Nghiên cứu các mô hình vật lý và ứng dụng hệ phổ kế siêu

cao tần trong nghiên cứu xác định độ ẩm đất. Luận án tiến sĩ

[5] Das, N. N., D. Entekhabi, and E. G. Njoku (2011), An algorithm for

mergingSMAP radiometer and radar data for high-resolution soil-moisture

retrieval, IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 49(5), 1504–1512.

[6] De Jeu, R., W. Wagner, T. Holmes, A. Dolman, N. Van De Giesen, and J.

Friesen (2008), Global soil moisture patterns observed by space borne microwave

radiometers and scatterometers, Surv. Geophys., 29(4–5), 399–420.

[7] Petropoulos, G. P., G. Ireland, and B. Barrett (2015), Surface soil moisture

retrievals from remote sensing: Current status, products & future trends, Phys.

Chem. Earth. Parts A/B/C, 83–84, 36

[8] Wagner, W., G. Blöschl, P. Pampaloni, J.-C. Calvet, B. Bizzarri, J.-P.

Wigneron, and Y. Kerr (2007), Operational readiness of microwave remote

sensing of soil moisture for hydrologic applications, Hydrol. Res., 38(1), 1–20.

[9] Njoku, E. G., W. J. Wilson, S. H. Yueh, S. J. Dinardo, F. K. Li, T. J. Jackson,

V. Lakshmi, and J. Bolten (2002), Observations of soil moisture using a passive

57

and active low-frequency microwave airborne sensor during SGP99, IEEE Trans.

Geosci. Remote Sens., 40(12), 2659–2673.

[10] Molero, B., O. Merlin, Y. Malbéteau, A. Al Bitar, F. Cabot, V. Stefan, Y.

Kerr, S. Bacon, M. Cosh, and R. Bindlish (2016), SMOS disaggregated soil

moisture product at 1km resolution: Processor overview and first validation

results, Remote Sens. Environ., 180, 361–376

[11] Jian Peng , Alexander Loew , Olivier Merlin, and Niko E. C. Verhoest (2016).

A review of spatial downscaling of satellite remotely sensed soil moisture, 341-

366

[12] Kang-Tsung Chang. The International Encyclopedia of Geography, 2017

[13] Paul Bolstad, GIS Fundamentals: A First Text on Geographic Information

Systems, Fourth Edition, 2016

[14] Microsoft, Microsoft technical documentation, Spatial Data Types

Overview, 2016

[15] Open Geospatial Consortium Inc, OpenGIS Implementation Specification

for Geographic information - Simple feature access, 2011

[16] Roy Ernest, Introduction to SQL Server Spatial Data, simple-talk.com, 2015

[17] Esri, Documentation for Arcgis Server, About registering your data with

ArcGIS Server

[18] Sommerville, “Software Engineering - 10th Edition,” in Software

Engineering, 2015