NGHIÊN CỨU CÁC MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ ỨNG DỤNG HỆ PHỔ KẾ SIÊU CAO TẦN TRONG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐỘ ẨM ĐẤT

B GIÁO D C VÀ ÀO T O VI N HÀN LÂM KHOA H C

Công trình đ c hoàn thành t i: Trung tâm V t lý Quang L ng T ,

Vi n V t Lý, Vi n Hàn lâm Khoa h c và Công ngh Vi t Nam

Ng i h ng d n khoa h c:

PGS.TS Doãn Minh Chung, Vi n Công ngh v tr

Ph n bi n 1: TS L i Anh Khôi, Vi n Công ngh v tr

V.V Dokuchaev, nhà khoa h c ng i Nga tiên phong trong l nh v c khoa h c đ t cho r ng “ t nh là m t th c th t nhiên có ngu n g c và l ch

s phát tri n riêng, là th c th v i nh ng quá trình ph c t p và đa d ng di n ra trong nó t đ c coi là khác bi t v i đá á tr thành đ t d i nh h ng

c a m t lo t các y u t t o thành đ t nh khí h u, cây c , khu v c, đ a hình và

tu i Theo đó, đ t có th đ c g i là các t ng trên nh t c a đá không ph thu c vào d ng, chúng b thay đ i m t cách t nhiên b i các tác đ ng ph bi n c a

n c, không khí và m t lo t các d ng hình c a các sinh v t s ng hay ch t t

có vai trò vô cùng quan tr ng cho m i lo i hình s s ng trên Trái đ t vì nó h

tr s sinh tr ng c a th c v t, đ ng th i các loài th c v t l i cung c p oxy và

h p th dioxit cacbon cho đ t [57 ]

V thành ph n c a đ t, các lo i đ t đ c phân lo i dao đ ng trong m t kho ng r ng v thành ph n và c u trúc theo t ng khu v c Các lo i đ t đ c hình thành thông qua quá trình phong hoá c a các lo i đá và s phân h y c a các ch t h u c ó là quá trình tác đ ng c a gió, m a, b ng tuy t, ánh n ng

và các ti n trình sinh h c trên các lo i đá theo th i gian, các tác đ ng này làm

đá v v n ra thành các h t nh Các thành ph n khoáng ch t và các ch t h u

c xác đ nh c u trúc và các thu c tính khác c a các lo i đ t

Trong thiên nhiên, đ m đ t có vai trò quan tr ng duy trì s s ng c a các loài sinh v t trên Trái đ t, t đó t o ra ngu n l ng th c th c ph m cho con ng i M t khác, đ m đ t là tham s đ c tr ng cho quá trình trao đ i

n ng l ng gi a đ t và không khí, nh h ng tr c ti p đ n sinh thái môi

tr ng

Thông tin v đ m đ t r t quan tr ng trong nhi u l nh v c nh khí

t ng, th y v n, nông - lâm nghi p, liên quan đ n v n đ an ninh l ng th c

và s bi n đ i c a ti u vùng khí h u [9, 12-13, 68]

Do đ c tính bi n đ i nhanh v không gian và th i gian, vi c xác đ nh chính xác đ m đ t trên di n r ng là r t khó [25, 36, 68] Vi t Nam hi n nay, đ m đ t đ c đo và giám sát ch y u b ng ph ng pháp truy n th ng (khoan s y), các tr m quan tr c, tuy cho k t qu chính xác nh ng mang tính

c c b , không có thông tin bao quát trên di n r ng, h n ch vi c qu n lý tài nguyên đ t và n c t c p t nh tr lên [7, 11,14]

V i s phát tri n v t b c c a công ngh v tr , ph ng pháp vi n thám siêu cao t n (tích c c và th đ ng) đã đ c ng d ng trong nghiên c u, giám sát đ m đ t, mang l i hi u qu v kinh t - xã h i, kh c ph c đ c các nh c

đi m nêu trên, đ c bi t là đ c tính bao quát vùng r ng l n và khó ti p c n

[19-20, 30, 41, 48, 60] Nguyên t c c b n c a các ph ng pháp vi n thám siêu cao t n trong nghiên c u đ m đ t là thu nh n các n ng l ng ph n x , phát

x t m t đ t - v n mang thông tin v s t ng tác gi a n ng l ng phát x

v i m t đ t, t đó xác đ nh đ c đ m đ t

Mô hình v t lý th c ch t là t h p m t s các công th c mô t các quan

h , quy lu t v t lý gi a các đ i l ng, thông s c a v t ch t Các m i quan h này th ng là đa bi n, t c là ph thu c vào nhi u đi u ki n khác nhau, vì v y chúng th ng là Mô hình v t lý bán th c nghi m

Nh n th y vai trò quan tr ng c a đ m đ t đ i v i tài nguyên thiên nhiên và môi tr ng, s quan tâm nghiên c u c a các nhà khoa h c, c a các c quan nghiên c u và qu n lý, trong khi các ng d ng vi n thám siêu cao t n th

đ ng ch a đ c nghiên c u m t cách bài b n và h th ng Vi t Nam, đ tài

lu n án “Nghiên c u các mô hình v t lý và ng d ng h ph k siêu cao

t n trong nghiên c u xác đ nh đ m đ t” đ c đ t ra nh m nghiên c u,

ng d ng các thành t u m i c a ph ng pháp vi n thám siêu cao t n th đ ng trong nghiên c u đ m đ t, t ng b c h i nh p qu c t trong chu n hoá -

ki m ch ng d li u các v tinh đo đ c, giám sát đ m đ t toàn c u, góp ph n

gi m thi u thi t h i do bi n đ i khí h u gây ra

2 M c tiêu và nhi m v nghiên c u

a M c tiêu:

M c tiêu c a lu n án là nghiên c u ph ng pháp vi n thám siêu cao t n th

đ ng trong xác đ nh đ m đ t thông qua các phép đo c a ph k siêu cao t n

- Nghiên c u, xây d ng mô hình v t lý bán th c nghi m v đ m đ t;

- Thi t l p quy trình th c nghi m đo nhi t đ phát x c a m t đ t b ng ph

k siêu cao t n nh m cung c p d li u đ u vào cho mô hình;

- L p ch ng trình tính toán đ m đ t d a trên mô hình v t lý bán th c nghi m và các d li u đ u vào

3 Ph ng pháp nghiên c u trong Lu n án

th c hi n nhi m v nghiên c u, lu n án s d ng các ph ng pháp nghiên c u nh sau:

- Ph ng pháp t ng h p và phân tích lý thuy t v các mô hình v t lý nghiên c u đ m đ t

- Ph ng pháp th c nghi m s d ng ph k siêu cao t n đo nhi t đ phát

x c a m t đ t nh m cung c p d li u th c nghi m cho mô hình v t lý tính toán đ m đ t

- Ph ng pháp tính toán đ m đ t theo mô hình s d ng ph n m m Excels

4 Các lu n đi m b o v

Lu n đi m b o v th nh t: Tích h p mô hình Fresnel và mô hình

Wang-Schumugge là n n t ng c b n cho phép s d ng s li u đo nhi t đ phát x

b ng ph k SCT đ xác đ nh đ m đ t m t cách bán th c nghi m

Lu n đi m b o v th hai: Quy trình đo nhi t đ phát x b ng ph k SCT và

thu t toán h i quy đ m đ t cho phép xác đ nh đ m đ t trên di n r ng, ph c

v các ng d ng trong nông nghi p

5 óng góp khoa h c m i c a lu n án

Trên c s nghiên c u, xây d ng mô hình v t lý bán th c nghi m v đ

m đ t, lu n án đã thi t l p đ c quy trình chu n đ đo nhi t đ phát x c a

m t đ t b ng ph k siêu cao t n, nh m cung c p d li u th c nghi m cho mô hình v t lý, t đó xây d ng ch ng trình tính toán đ m đ t ây là l n đ u tiên Vi t Nam, đ m đ t đ c nghiên c u m t cách bài b n c v lý thuy t

và th c nghi m b ng ph ng pháp vi n thám siêu cao t n th đ ng

CH NG I T NG QUAN V M T VÀ CÁC PH NG

PHÁP NGHIÊN C U 1.1 T ng quan v các tính ch t v t lý c b n c a đ t

đ c tr ng cho các tính ch t v t lý và hàm l ng n c trong đ t, các nghiên

c/ Ph ng pháp tính toán đ m h u hi u c a đ t, đây là gi i h n đ m đ t

mà cây tr ng có th hút đ c n c, đ c xác đ nh b ng hi u s gi a đ m t i

đa và đ m cây héo: Whh = Wtp - WWkhoheo (1.6)

trong đó: Wtp - đ m toàn ph n (mm, %); Wkhoheo - m khô héo (mm,%);

1.2.2 Các ph ng pháp vi n thám

a/ Vi n thám tích c c, nguyên t c ho t đ ng liên quan đ n quá trình truy n sóng

đi n t t ngu n phát t i đ i t ng c n quan tâm, t ng tác v i khí quy n mà nó

đi qua và t ng tác v i đ i t ng Ph thu c vào đ c tính c a đ i t ng và sóng

đi n t mà n ng l ng ph n x hay b c x t đ i t ng có s khác nhau D a vào

đ c tính này và các mô hình v t lý có th tính đ c đ m đ t

b/ Vi n thám th đ ng, đ m đ t đ c nghiên c u theo nguyên lý sau: 

Theo lý thuy t v b c x đi n t , m i v t ch t trong thiên nhiên, ngo i tr nhi t đ không tuy t đ i (00K), do chuy n đ ng nhi t c a các proton và electron,

đ u t phát ra m t ph b c x nhi t - đ c đ c tr ng b i phát x (e) hay Nhi t

đ phát x (Tb = e.To) Nhi t đ phát x này ph thu c vào nhi t đ v t lý, thành

ph n, c u trúc và các tham s v t lý c a v t ch t (đ m đ t) D a vào đ c tính này, ng i ta đo nhi t đ phát x c a đ t và các mô hình v t lý có th tính đ c đ

m đ t

Hình 1: T ng quan s phát x t nhiên c a các đ i t ng trên b m t Trái đ t

và thi t b đo vi n thám đ t trên v tinh

Sóng đi n t này lan truy n trong không gian d i d ng ph b c x m i d i t n s Tuy nhiên, tu thu c vào môi tr ng và b n thân v t phát x , ph n ng l ng này có th b h p th

khác nhau đ i v i m i d i t n s Trong vùng sóng làm vi c c a vi n thám, vùng có b c sóng t

λ = (0.3-100) cm đ c g i là vùng sóng siêu cao t n  

Ph k siêu cao t n (SCT) là thi t b đ c bi t đo nhi t đ phát x t nhiên

c a đ i t ng trong vùng sóng siêu cao t n Ph k SCT bao g m anten, máy thu

và kh i x lý s li u và ghép n i v i máy tính đo nhi t đ phát x c a m t đ i

t ng, anten đ c h ng vào đ i t ng đó theo góc t i θ và góc ph ng v θ i

φ θ φ θ

Trong đó: 

- A: là đ cao c a anten so v i đ i t ng đo

- τ: h s truy n qua c a không khí

- R: đ ph n x c a b m t đ t

- Tsky: nhi t đ phát x c a b u tr i

- T: Nhi t đ v t lý c a b m t đ t

-TATM : nhi t đ phát x c a không khí

1.3 T ng quan các nghiên c u vi n thám đ m đ t trong và ngoài n c

1.3.1 trong n c

Hi n nay, t i Vi t Nam do nhi u đi u ki n khách quan khác nhau, s li u

đi u tra c b n v đ m đ t là r t ít và t n m n, ch y u đ c th c hi n b ng

ph ng pháp truy n th ng, tuy có tính chính xác cao nh ng ch mang tính c c

b , không có tính bao quát trên ph m vi r ng l n

Trong nh ng n m g n đây, công ngh vi n thám đã đ c ng d ng trong theo dõi giám sát đ m đ t, đ c bi t đ i v i các ngành nông - lâm nghi p.Nhi u công trình nghiên c u đã s d ng công ngh vi n thám trong nghiên c u

đ m đ t B ng ph ng pháp gi i đoán nh v tinh, ng d ng h th ng thông tin đ a lý trong nghiên c u đ m đ t và bi n đ ng l p ph đ t đã đ c m t s nhóm nghiên c u nh c a tác gi L i Anh Khôi, Nguy n Ng c Th ch, Ph m

V n C , Nguy n ình D ng, Tr ng Th Hoà Bình, Tr n Minh Ý, Bùi Doãn

Tr ng, v.v V ng d ng vi n thám siêu cao t n th đ ng s d ng ph k siêu cao t n các b ng L (1.4 GHz), b ng C (3.5 GHz), và b ng X (10.5 GHz), nhóm nghiên c u c a PGS.TS Doãn Minh Chung đã th c hi n thành công nhi u đ tài nghiên c u đ m đ t

1.3.2 ngoài n c

Trên th gi i, đ m đ t đ c quan tâm đ c bi t và là m t y u t quan tr ng hàng đ u trong các h th ng giám sát đi u ki n m c a cây tr ng và c a các mô hình t i tiêu.T i nhi u n c tiên ti n, nh v tinh đã đ c s d ng k t h p v i

nh hàng không đ nghiên c u, đi u tra tài nguyên thiên nhiên và môi tr ng Ngoài vi c s d ng các camera ch p các b c nh t trên máy bay, ng i ta còn l p

đ t các h ph k h ng ngo i và ph k siêu cao t n đ đo nhi t đ phát x c a các

đ i t ng t nhiên trên m t đ t, qua đó giám sát các bi n đ ng v đ m đ t, sinh

kh i th m th c v t Vùng quan sát th ng đ c ch n khá đ ng nh t v m t đ a hình và đ i t ng ph trên m t đ t Các k t qu thu đ c t vi n thám hàng không

có th đ c s d ng k t h p v i d li u nh v tinh và k t qu đo th c đ a m t đ t

đ có đ c b s li u chính xác có t m bao quát đ l n, t m c t nh, liên t nh,

qu c gia

T i Châu Âu, v tinh SMOS đã đ c phóng thành công và đ a vào ho t

đ ng t n m 2009 v i nhi m v đo đ m đ t và đ m n n c bi n trên toàn c u

T i M , đ u n m 2015, v tinh SMAP (Soil Moisture Active/Passive), v tinh đ u tiên c a NASA đã đ c đ a vào khai thác, trên v tinh có g n các b c m tích c c

và th đ ng v i nhi m v đo đ m đ t trên toàn c u, giúp c nh báo và phòng tránh thiên tai

CH NG II NGHIÊN C U XÂY D NG MÔ HÌNH V T LÝ XÁC

NH M T 2.1 T ng quan v các mô hình v t lý xác đ nh đ m đ t

Trên c s nghiên c u, phân tích các mô hình v t lý v đ m đ t trên th

gi i, lu n đã án xây d ng m t mô hình v t lý bán th c nghi m phù h p nh t v i

đi u ki n th c t Vi t Nam đ xác đ nh đ m đ t, d a trên các thông s đ u vào đ “ch y” mô hình là các d li u đo nhi t đ phát x c a m t đ t và các thông s th c đ a

m đ t đ c xác đ nh d a vào nguyên t c c b n, đó là s h i quy

gi a nhi t đ phát x đo đ c b ng ph k và nhi t đ phát x tính đ c t mô hình Vì v y, lu n án ph i xây d ng quy trình đo nhi t đ phát x c a ph k phù

h p nh t v i các đi u ki n biên c a các công th c trong mô hình Khi cho h i

quy 2 giá tr nhi t đ phát x “đo” và “tính”, thì giá tr đ m đ t gi đ nh trong

mô hình s b ng đ m đ t th c t , đ c đo b i ph k siêu cao t n ây c ng là

x t nhiên c a đ t, công th c Wang-Schmugge trong xác đ nh đ m đ t, công

th c Chouhury v hi u ch nh b m t và mô hình truy n sóng đã qua hi u ch nh

th c v t c a Mo, Jackson đã xác đ nh đ c đ m đ t i m n i b t c a mô hình này là h s truy n qua là hàm c a t tham s cây (b) và đ m th c v t Wv

2.1.2.Mô hình h i quy d a trên phép đo đ n c c và các ch s th c v t c a Van

de Greind và Owe (1994)

Trong ph ng pháp này, Van de Greind đã ch ra m i liên h ch t ch

gi a h s truy n qua và ch s th c v t (NDVI) và là n n t ng cho ph ng pháp tính c a mình đây, nhi t đ không khí đ c s d ng nh nhi t đ hi u

d ng và dùng đ chu n hóa nhi t đ phát x

phát x c ng đ c tính t ng t nh mô hình c a Jackson v i gi thi t su t tán x đ n ω=0, nhi t đ m t đ t = nhi t đ l p ph cây= nhi t đ

hi u d ng, h s truy n qua là hàm c a ch s th c v t (NDVI)

Mô hình ti p c n này cho vai trò rõ nét c a ch s th c v t Tuy nhiên,

mô hình này không th áp d ng trên ph m vi toàn c u do m i quan h th c

nghi m gi a ch s NDVI và h s truy n qua r t nh y v i các d ng th c v t

2.1.3 Mô hình h i quy 2 tham s , quan tr c hai phân c c và đa góc c a Wingneron et al (1995)

Trong mô hình này, nhi t đ phát x liên quan đ n 3 bi n s : h s truy n qua, đ m đ t và nhi t đ v t lý b m t H ph k siêu cao t n g m C,

L band đ c s d ng đ đo v i các góc t 8 đ n 38 0 Nhi t đ b m t đ c dùng đ hi u ch nh

mô hình này, c n có s hi u ch nh c a các tham s đ u vào và đ c coi là

h ng s trong su t quá trình th c hi n ó là : Su t tán x đ n c a C(5Ghz) band

và L band (1.4 Ghz), T s gi a h s truy n qua c a L band và C band rtau=τ (1.4 Ghz)/τ(5 Ghz), tham s hi u ch nh h’ và Q đ c dùng trong mô hình Chouhury và Wang đ tính đ phát x e, và ch s phân c c Cpolđ c dùng đ hi u ch nh góc đo

v i l p ph th c v t là mùa v và có c u trúc phân c c đ ng

Mô hình này tuy cho tính chính xác cao nh ng nhìn chung r t ph c t p

do c n nhi u tham s chính xác đ u vào, s khó áp d ng trên c p đ r ng

2.1.4 Mô hình h i quy 2 tham s , quan tr c l ng c c c a Owe et al(2001)

Trong mô hình này, c đ m đ t và h s truy n qua đ c tính h i quy

m t cách đ ng th i t quan tr c c a m t ph k l ng c c và nhi t đ b m t Trong mô hình này, h ng s đi n môi có liên quan m t thi t đ n h s truy n qua

V i m c đích xây d ng m t mô hình tính đ m đ t phù h p v i đi u

ki n Vi t Nam, d a trên các mô hình c a Owe et al, nghiên c u sinh đã xây

d ng mô hình v t lý bán th c nghi m xác đ nh đ m đ t d a trên nhi t đ phát x đo đ c b ng ph k đ n t n và m t s tham s th c đ a

Nguyên lý c a mô hình là t nhi t đ phát x Tb đo đ c t b m t đ t (b ng ph k siêu cao t n), s xác đ nh đ c h ng s đi n môi c a nó thông qua mô hình phát x Fresnel Sau đó, t giá tr h ng s đi n môi c a đ t, xác

đ nh đ c đ m đ t thông qua mô hình bán th c nghi m Wang-Schmugge

{ z }dz F

z T

T Bp ∫ p

∞

−

= 0 ( ) ( ), )

Các thí nghi m đo h ng s đi n môi c a đ t và n c s ch đã ch ra r ng,

h ng s đi n môi c a n c ew ≈80, r t l n so v i c a đ t khô eds ≈3 S t ng

ph n này ch ng t h ng s đi n môi c a đ t ph thu c m nh vào l ng n c

ch a trong đ t Vì v y, nhi t đ phát x c a đ t b chi ph i b i h ng s đi n môi

và nhi t đ m t c t l p đ t Nhi t đ phát x TB theo phân c c p (H – n m ngang ho c V- th ng đ ng) c a môi tr ng đ t có b m t nh n đ c đo góc θ

t o b i ph ng th ng đ ng v i pháp tuy n c a anten, đ c th hi n nh sau : 

trong đó ε(z) và T(z) là h ng s đi n môi và nhi t đ c a đ t t i đ sâu z c a

m t c t l p Hàm s F P{ε(z),θ} là hàm tr ng s mô t s đóng góp c a nhi t

đ l p z đ n nhi t đ phát x trên toàn vùng Schmugge and Choudhury đã đ a

ra m t mô hình truy n b c x đ n gi n nh m tính toán nhi t đ phát x c a đ t theo công th c : 

), ( )]

( 1 [ )

( 1 [ ) ( )

sin cos

) (

2

2 2

θ ε θ

θ ε θ θ

− +

−

−

=

h R

, sin cos

sin cos

) (

2

2 2

θ ε θ ε

θ ε θ ε θ

− +