Ứng dụng ảnh viễn thám radar và gis đánh giá thực trạng và điều chỉnh bản đồ lịch thời vụ 3 vụ lúa năm ở hai huyện châu thành và thoại sơn tỉnh an giang

Nhiệm vụ khoa học “Ứng dụng ảnh viễn thám radar và gis đánh giá thực trạng và điều chỉnh bản đồ lịch thời vụ 3 vụ lúa/năm ở hai huyện Châu Thành và Thoại Sơn tỉnh An Giang” giúp Sở Nôn

UBND TỈNH AN GIANG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG

BÁO CÁO TỔNG KẾT NHIỆM VỤ KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ

ỨNG DỤNG ẢNH VIỄN THÁM (RADAR) VÀ GIS ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG VÀ ĐIỀU CHỈNH BẢN ĐỒ LỊCH THỜI VỤ (3 VỤ LÚA/NĂM) Ở HAI HUYỆN CHÂU THÀNH VÀ

THOẠI SƠN TỈNH AN GIANG.

PHẠM DUY TIỄN

AN GIANG, THÁNG 08/2017

UBND TỈNH AN GIANG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG

BÁO CÁO TỔNG KẾT NHIỆM VỤ KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ

ỨNG DỤNG ẢNH VIỄN THÁM (RADAR) VÀ GIS ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG VÀ ĐIỀU CHỈNH BẢN ĐỒ LỊCH THỜI VỤ (3 VỤ LÚA/NĂM) Ở HAI HUYỆN CHÂU THÀNH VÀ

THOẠI SƠN TỈNH AN GIANG.

KHOA NN& TNTN CHỦ NHIỆM NHIỆM VỤ KH

PHẠM DUY TIỄN

CƠ QUAN CHỦ TRÌ

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

TT Họ và tên,

học hàm học vị

Tổ chức công tác

Nội dung, công việc chính tham gia

Đường Huyền Trang

Trường ĐH An Giang Thực hiện và xử lí số liệu

4 Kỹ Sư

Huỳnh Chí Linh

Chi Cục BVTV An Giang

Phối hợp đánh giá kết quả giải đoán và đề xuất chuyên

môn

Nhiệm vụ khoa học cấp cơ sở “Ứng dụng ảnh viễn thám (radar) và gis đánh giá thực

trạng và điều chỉnh bản đồ lịch thời vụ (3 vụ lúa/năm) ở hai huyện Châu Thành và Thoại Sơn tỉnh An Giang” do tác giả Phạm Duy Tiễn và các thành viên công tác tại

bộ môn PTNT & QL TNTN, khoa NN & TNTN thực hiện Tác giả đã báo cáo kết quả nghiên cứu và được Hội đồng khoa học và Đào tạo thông qua ngày 9/8/2017

THƯ KÝ

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TÓM TẮT

Lúa là một trong những cây lương thực chính và có một ý nghĩa quan trọng đối với

an ninh lương thực và xuất khẩu gạo ở Việt Nam Việc giám sát và quản lý sự thay đổi lịch gieo sạ trồng lúa của các mùa vụ là cần thiết để đảm bảo năng suất và quản

lí hiệu quả Nghiên cứu sử dụng dữ liệu ảnh radar cho mục đích giám sát mùa vụ, thành lập bản đồ lúa Ảnh vệ tinh Sentinel-1 với những thuận lợi như có chu kỳ thu ảnh là 12 ngày, độ phân giải không gian cao và cung cấp miễn phí, được sử dụng trong giám sát mùa vụ lúa khu vực tỉnh An Giang Trong khuôn khổ đề tài, quy trình phân tích ảnh viễn thám để thành lập bản đồ gieo sạ (3 vụ lúa năm 2016) được thành lập Kết hợp với công nghệ GIS để quản lý các tiểu vùng gieo sạ ở hai huyện Châu Thành và Thoại Sơn tỉnh An Giang Đề tài cũng chỉ rõ các nguyên nhân làm thay đổi lịch thời vụ từ hướng Đông sang Tây do các tác động của thị trường, nắng nóng, thay đổi lũ,…Ngoài ra, ứng dụng công nghệ GIS đã được đưa vào để quản lí thời gian xuống giống ở hai huyện Châu Thành và Thoại Sơn cho thấy rõ hiệu quả bằng phân tích không gian

Từ khóa: SENTINEL 1, SAR, RADAR, Lịch thời vụ, Châu Thành, Thoại Sơn

ABSTRACT

Rice is one of major crops in Viet Nam and plays a critical role for food security and country’s rice export In recent years, climate change and human activities such as global warming, sea level rise, rapid population growth and industrial development have strong impact on agricultural area Many kinds of observational satellites have continuously been providing useful information for monitoring rice growing situation Remotely sensed data derived from a variety of sensors (Sentinel 1,2) and It has been used in sowing mapping in Chau Thanh and Thoai Son districts Rice status mapping by traditional methods has existed for a long time but with many limitations in implementation, requiring further investments of time and effort in the work of collection, synthesis system, and statistics data Therefore, a different approach is needed to overcome the disadvantages of traditional methods in researching the current situation to meet urgent requirements of practical production and scientific research In this paper, the remote sensing image analysis processes for mapping rice sowing status are mentioned (2016)

Keywords: SENTINEL 1, SAR, RADAR, Seasonal calendar, Châu Thành, Thoại Sơn

LỜI CAM KẾT

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng chúng tôi Các số liệu trong công trình nghiên cứu này có xuất xứ rõ ràng Những kết luận mới về khoa học của công trình nghiên cứu này chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

An Giang, ngày 20 tháng 8 năm 2017

Người thực hiện

Phạm Duy Tiễn

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Tính cấp thiết của nhiệm vụ khoa học 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.3 Nội dung nghiên cứu 1

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2

2.1 Giới thiệu về vùng nghiên cứu huyện Châu Thành và Thoại Sơn 2

2.1.1 Huyện Châu Thành 3

2.1.2 Huyện Thoại Sơn 4

2.2 Ứng dụng của ảnh radar 4

2.2.1 Giới thiệu về Viễn thám radar 4

2.2.2 Ảnh Sentine l 6

2.2.3 Ảnh Sentine 2 6

2.2.Tổng quan tình hình nghiên cứu đã có trong và ngoài nước 8

2.2.1.Tình hình nghiên cứu ngoài nước 8

2.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 10

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 12

3.1 Phương pháp nghiên cứu 12

3.2 Nội dung nghiên cứu 13

3.2.1 Theo dõi diễn biến gieo sạ và thu hoạch bằng ảnh radar & ảnh quang học 13

3.2.2 Điều tra và khảo sát ở các tiểu vùng đê bao trồng lúa 15

3.2.3 Xây dựng và quản lí dữ liệu lịch thời vụ bằng hệ thống thông tin địa lý 16

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 19

4.1 Kết quả ứng dụng ảnh viễn thám theo dõi tiến độ xuống giống phục vụ quản lý thời vụ lúa 19

4.2 Kết quả đánh giá các thực trạng thay đổi lịch thời vụ trồng lúa 39

4.2.1 Thực trạng áp dụng lịch thời vụ ở hai huyện Châu Thành, Thoại Sơn 39

4.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lịch thời vụ 40

4.3 Xây dựng và quản lí dữ liệu lịch thời vụ bằng hệ thống thông tin địa lý (GIS) 48

4.3.1 Kết quả xây dựng dữ liệu bản đồ đê bao huyện Châu Thành & Thoại Sơn 48

4.3.2 Thành lập các bản đồ về hiện trạng xuống giống 3 vụ trong năm 2016 tại huyện Châu Thành và Thoại Sơn 49

4.3.3 Ứng dụng dữ liệu gieo sạ chạy trên thiết bị điện thoại thông minh 52

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ CHƯƠNG 56

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ĐBSCL Đồng Bằng Sông Cửu Long

Sentinel vệ tinh quan sát trái đất thuộc Chương trình

Copernicus của Cơ quan Không gian Châu Âu NASA Cơ Quan Hàng Không Vũ Trụ Quốc Gia Hoa Kỳ BĐKH Biến đổi khí hậu

UBND Ủy ban Nhân dân CSDL Cơ Sở Dữ Liệu ESA Cơ quan Không gian Châu Âu Đ-X Vụ Đông Xuân

H-T Vụ Hè Thu T-Đ Vụ Thu Đông GPS Hệ thống định vị toàn cầu BVTV Bảo vệ thực vật

SAR Synthetic Aperture Radar

DN Digital number

VV Cặp phân cực quét ngang

VH Cặp phân cực quét đứng, ngang

HH Cặp phân cực quét ngang NDVI Chỉ số thực vật khác biệt

DANH SÁCH BẢNG

Trang

Bảng 1 Các thông số dữ liệu vệ tinh Sentinel 2A 8

Bảng 2 Tỷ lệ sử dụng giống lúa của nông hộ vùng nghiên cứu (2014 – 2016) 40

Bảng 3 Các ảnh hưởng của thời tiết đến người dân trồng lúa 42

DANH SÁCH HÌNH

Trang

Hình 1 Bản đồ vùng nghiên cứu huyện Châu Thành và Thoại Sơn 2

Hình 2: Diện tích xuống giống lúa huyện Châu Thành 2010-2015 3

Hình 3: Diện tích xuống giống của huyện Thoại Sơn (2010 – 2015) 4

Hình 4: Nguyên tắc hoạt động của viễn thám radar 5 Hình 5 Phương pháp thành lập bản đồ lúa với dữ liệu ảnh 13

Hình 7 Xây dựng bản đồ lịch thời vụ trên GIS 17

Hình 8 Giao diện của trang Web Cơ quan vũ trụ Châu âu 19

Hình 10 Dữ liệu ảnh Seninel 1 mở bằng SNAP 21

Hình 11 Dữ liệu sau khi được định chuẩn (calibration) 22

Hình 12 Dữ liệu sau khi hiệu chỉnh hình học (WGS-84 – UTM48) 23

Hình 13 Ảnh Sentinel trước và sau khi lọc 23

Hình 14 Dữ liệu kết hợp giữa Sentinel 1 và Landsat 8 24

Hình 15 Sự thay đổi tán xạ ngược của lúa và các lớp phủ khác theo thời gian của phân cực VH trong hai mùa vụ T-Đ 2015 và Đ-X 2016

Hình 19 Bản đồ lúa vụ Đông Xuân 2016 ở huyện Châu Thành và Thoại Sơn sử dụng ảnh Sentinel-1 với 2 ngày ảnh (08/12/2015 và 07/01/2016)

27

Hình 20 Bản đồ hiện trạng xuống giống huyện Châu Thành (8/12/2015) 28

Hình 21 Bản đồ hiện trạng xuống giống huyện Châu Thành

(28/12/2015)

29

Hình 22 Bản đồ hiện trạng xuống giống huyện Châu Thành (7/1/2016) 29

Hình 23 Bản đồ hiện trạng xuống giống huyện Châu Thành (6/2/2016) 30

Hình 24 Bản đồ hiện trạng xuống giống huyện Thoại Sơn (8/12/2015) 30

Hình 25 Bản đồ hiện trạng xuống giống huyện Thoại Sơn (28/12/2015) 31

Hình 26 Bản đồ hiện trạng xuống giống huyện Thoại Sơn (7/01/2016) 31

Hình 27 Bản đồ hiện trạng xuống giống huyện Thoại Sơn (6/2/2016) 32

Hình 28 Bản đồ hiện trạng xuống giống huyện Châu Thành

Hình 37 Khảo sát thực địa và định vị GPS các điểm lúa 38

Hình 38 Lịch thời vụ của hai huyện Châu Thành & Thoại Sơn năm

2016

39

Hình 39 Bản đồ thể hiện giống lúa dài ngày ở huyện Châu Thành &

Thoại Sơn năm 2016

41

Hình 40 Sự chênh lệch thời gian thu hoạch giữa hai ruộng lúa dài ngày

và ngắn ngày ở huyện Thoại Sơn

42

Hình 41 Biểu đồ thể hiện lượng mưa trung bình(2013 – 2015) 43 Hình 42 Lúa sập do ảnh hưởng của mưa bão ở huyện Thoại Sơn 44 Hình 43 Biểu đồ thể hiện nhiệt độ trung bình qua các năm 2013 – 2015 45 Hình 44 Diễn biến lũ tại Trạm Châu Đốc năm 2016 46 Hình 45 Bản đồ khu vực trồng lúa trong và ngoài đê bao huyện Châu

Hình 49 Bản đồ xuống giống vụ Thu-Đông tại huyện Châu Thành và

DANH SÁCH HỘP THÔNG TIN

Trang

Hộp thông tin số 1 Mưa bão tác động đến hoạt động sản xuất lúa 44

Hộp thông tin số 2 Tác động của hạn hán, nắng nóng đến hoạt động

sản xuất lúa

46

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA NHIỆM VỤ KHOA HỌC

An Giang là một trong những tỉnh đầu nguồn trong khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, với hai nhánh sông Tiền và sông Hậu Với đặc điểm là vùng núi

và đồng bằng, có nguồn nước mặt dồi dào do vậy thế mạnh kinh tế của An Giang chủ yếu là sản xuất nông nghiệp và thủy sản Theo Sở NN & PTNT An Giang, năm 2016 toàn tỉnh có diện tích gieo trồng 728.496 ha, trong đó, cây lúa: Diện tích gieo trồng đạt 669.011 ha, màu 59.485 ha Phần lớn diện tích trồng lúa nằm trong hệ thống đê bao ngăn lũ chiếm 185.383 ha còn lại là vùng ngoài đê bao Riêng hai huyện Châu Thành và Thoại Sơn có 154 tiểu vùng bao

đê triệt để chiếm diện tích 59.458 ha Việc bố trí lịch thời vụ hàng năm cho các tiểu vùng trong đê và ngoài đê chủ yếu dựa vào lịch né rầy và kiến nghị của địa phương dẫn đến ảnh hưởng về nhân công, giống, giá cả, nguồn nước,

ở các vùng này Nhiệm vụ khoa học “Ứng dụng ảnh viễn thám (radar) và

gis đánh giá thực trạng và điều chỉnh bản đồ lịch thời vụ (3 vụ lúa/năm)

ở hai huyện Châu Thành và Thoại Sơn tỉnh An Giang” giúp Sở Nông

nghiệp & PTNT An Giang có được nguồn thông tin về thực trạng khó khăn nông dân gặp phải ở các tiểu vùng khi áp dụng lịch thời vụ hiện nay nhằm tìm giải pháp khắc phục, điều chỉnh và quản lí lịch thời vụ qua bản đồ số là việc làm cần thiết Với đặc điểm xuyên mây của ảnh Radar (Sentinel 1) có thể quan sát ở mọi thời tiết và mức độ chi tiết cao (độ phân giải 20m) có thể khảo sát ở các tiểu vùng có diện tích nhỏ (ảnh MODIS trước đây bị hạn chế), hiện nay ảnh Sentinel là hoàn toàn miễn phí nên việc nghiên cứu ứng dụng ảnh này là rất phù hợp

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Khảo sát và đánh giá lịch thời vụ hiện tại bằng ảnh viễn thám và điều tra thực tế nhằm khuyến nghị điều chỉnh cho các mùa vụ lúa tiếp theo

- Xây dựng dữ liệu lịch thời vụ bằng hệ thống thông tin địa lí (GIS)

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Điều tra và khảo sát ở các tiểu vùng đê bao để phân tích những thuận lợi và khó khăn ở mỗi tiểu vùng khi áp dụng lịch thời vụ trồng lúa hiện nay

- Ứng dụng ảnh viễn thám (Radar và ảnh quang học) để theo dõi diễn biến gieo sạ và thu hoạch nhằm xây dựng lịch thời vụ hiện tại Xây dựng và quản lí dữ liệu lịch thời vụ bằng hệ thống thông tin địa lý

- Chuyển giao kết quả xử lí và kết quả thực hiện đến Sở NN & PTNT An Giang

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 GIỚI THIỆU VỀ VÙNG NGHIÊN CỨU HUYỆN CHÂU THÀNH

VÀ THOẠI SƠN

Diện tích đất chuyên trồng lúa nước của tỉnh An Giang (chủ yếu là đất trồng lúa 2 - 3 vụ) phân bố ở tất cả các huyện và thị xã Trong đó tập trung nhiều tại các địa phương gồm: Thoại Sơn (39.289,3 ha), Châu Phú 37.900,8 ha), Châu Thành (29.220,5 ha), Phú Tân (24.469,9 ha), Chợ Mới (19.061,7 ha), An Phú (14.879 ha) Ngoài ra, diện tích đất trồng lúa nước còn lại và lúa nương, chủ yếu tập trung ở huyện Tịnh Biên và Tri Tôn (Niên giám thống kê tỉnh An Giang, 2015)

Hình 1 Bản đồ vùng nghiên cứu huyện Châu Thành và Thoại Sơn

2.1.1 Huyện Châu Thành

Châu Thành là huyện nằm về phía Tây của Sông Hậu, có địa hình bằng phẳng

và đất đai màu mỡ do được lũ hàng năm và Sông hậu bồi đắp Theo Phòng Nông nghiệp & PTNT huyện Châu Thành (2015), thế mạnh của huyện là sản xuất nông nghiệp đặc biệt là trong lĩnh vực trồng trọt cụ thể như sau:

Cây lúa: Tổng diện tích xuống giống là 82.198 ha Năng suất bình quân 6,38 tấn/ha

Vụ Đông xuân: xuống giống được 29.010 ha Năng suất bình quân (NSBQ) đạt 7,69 tấn/ha

Vụ Hè thu: xuống giống được 28.631 ha NSBQ đạt 5,69 tấn/ha

Vụ Thu đông: Xuống giống được 24.557 ha NSBQ ước 5,62 tấn/ha

Cơ cấu giống tiếp tục chuyển đổi mạnh, các giống có chất lượng cao, chủ yếu

là các giống OM, một số loại giống có diện tích chiếm tỷ trọng cao như các giống: Jasmine: 15.670,10 ha (chiếm 19,03%); OM 4218: 20.401,89 ha (chiếm 24,77%); OM 6976: 15.522,26 ha (chiếm 18,85%), nàng hoa 9: 4.757,53 ha (chiếm 5,78%); nếp: 2.796,46 ha (chiếm 3,4%) giống chất lượng cao khác 11.350,39 ha (chiếm 13,78% ); riêng loại giống IR50404 được khuyến cáo hạn chế sử dụng nhưng do năng suất cao, thời gian chăm sóc ngắn, dễ trồng, ít sâu bệnh, đặc biệt thị trường trong thời gian qua vẫn tiêu thụ mạnh nên diện tích sử dụng giống này 11.850,09 ha (chiếm 14,39% diện tích)

Hình 2: Diện tích xuống giống lúa huyện Châu Thành 2010-2015

(Nguồn: Niên giám thống kê tỉnh An Giang, 2015)

2.1.2 Huyện Thoại Sơn

Thoại Sơn nằm ở phía Đông Nam của tứ giác Long Xuyên Ngoài những ngọn núi cuối cùng được thiên nhiên ban tặng ở đồng bằng Tây Nam

Bộ thì địa hình còn lại của huyện bằng phẳng, đất thuần nông, chịu ảnh hưởng

lũ hàng năm của sông Hậu Toàn huyện có 114.928 ha diện tích canh tác, trong đó diện tích rau màu chiếm 1.034 ha, diện tích gieo sạ lúa cả năm của huyện 113.199 ha Năng suất trung bình của 3 vụ lúa là 6,7 tấn/ha với tổng sản lượng đạt được là 774,511 tấn (Phòng NN & PTNT huyện Thoại Sơn, 2016)

 Vụ Đông xuân: xuống giống được 38.854 ha

 Vụ Hè thu: xuống giống được 38.853 ha

 Vụ Thu đông: Xuống giống được 35.492 ha

Hình 3: Diện tích xuống giống của huyện Thoại Sơn (2010 – 2015)

(Nguồn: Niêm giám thống kê Thoại Sơn, 2015)

2.2 ỨNG DỤNG CỦA ẢNH RADAR

2.2.1 Giới thiệu về Viễn thám radar

Viễn thám radar là hệ thống chủ động, bộ cảm chủ động phát và thu nhận năng lượng tán xạ ngược trong vùng siêu cao tần Viễn thám radar hoạt động với hệ thống anten cố định được lắp đặt trên máy bay hoặc vệ tinh viễn thám Nguyên tắc hoạt động của hệ thống này được mô tả như Hình 4 dưới đây

Hình 4: Nguyên tắc hoạt động của viễn thám radar

Do việc thu nhận dữ liệu ảnh radar theo phương xiên, vì vậy ảnh radar có một

số đặc trưng hình học riêng biệt: đặc trưng về biến dạng về tỷ lệ ảnh do chụp nghiêng, đặc trưng về xê dịch vị trí điểm ảnh do chênh cao địa hình, thị sai ảnh, đốm ảnh, và biến đổi độ sáng trên ảnh Độ phân giải của ảnh radar được đặc trưng bởi độ phân giải phương vị (độ phân giải dọc theo hướng bay – Azimuth) và độ phân giải theo hướng thu phát tín hiệu (độ phân giải ngang với hướng bay – Range) Độ phân giải theo hướng thu phát tín hiệu là khả năng phân cách giữa 2 đối tượng không gian nằm gần nhau theo hướng tầm

Nó được xác định bằng chiều dài xung của năng lượng radar truyền đi và góc nhìn (góc tới)

Trong đó: R(x) là độ phân giải theo hướng thu phát tín hiệu, τ là thời gian cho

1 độ dài của 1 xung, θd là góc hạ Độ phân giải theo phương vị phụ thuộc vào chiều dài anten Anten dài hơn, bước ngắn hơn thì độ phân giải sẽ cao Ví dụ,

để đạt được độ phân giải theo phương vĩ 10 m với dải C (bước λ = 5.6 cm) từ

vệ tinh có độ cao 800 km thì chiều dài của anten đòi hỏi phải trên 3 km, điều này là không thể Để khắc phục nhược điểm này hay để nâng cao độ chính xác trong việc thu nhận ảnh có độ phân giải cao, người ta đã sử dụng hệ thống radar độ mở tổng hợp (SAR – Synthetic Aperture Radar) Trong các hệ thống Radar, SAR thường được sử dụng trong lĩnh vực viễn thám SAR là hệ thống thu ảnh gi lại thông tin cả về pha và cường độ của tín hiệu phản xạ của tất cả các đối tượng nằm trong độ phân giải của 1 pixel tương ứng trên mặt đất

Thông tin trong mỗi ảnh SAR bao gồm một ma trận đều thể hiện các giá trị tổng hợp (giá trị phức), chúng gồm 2 thành phần là biên độ A và pha Ф Biên

độ cung cấp thông tin về mức độ gồ ghề bề mặt của các đối tượng phản xạ, trong khi pha bao gồm một phần các xung tán xạ và một phần truyền qua chứa đựng các thông tin hữu ích về bề mặt và hướng đường truyền của xung (ESA, 2015)

2.2.2 Ảnh Sentinel 1

Nhiệm vụ Sentinel-1 từ Đài quan sát Radar Châu Âu (European Radar Observatory) cho sáng kiến Copermicus của Ủy ban Châu Âu (European Commission) và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (European Space Agency) Copermicus, trước đây được biết đến như GMES (Global Monitoring for Environment and Security), là một sáng kiến của người Châu Âu để thực hiện các dịch vụ thông tin nhằm ứng phó với vấn đề môi trường và an ninh Nhiệm

vụ Sentinel-1 là một ang 2 vệ tinh quỹ đạo cực hoạt động cả ngày lẫn đêm với bộ cảm radar khẩu đổ tổng hợp (SAR) kênh C, cho phép thu được dữ liệu ảnh mà không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Sentinel-1 làm việc theo một chế độ hoạt động được lập trình trước nhầm tránh xung đột và tạo ra một kho

lưu trữ dữ liệu lâu dài cho các ứng dụng dựa trên cơ sở chuổi thời gian dài

SAR cũng có khả năng nhìn xuyên qua các đám mây và bụi, trong khi những thiết bị sử dụng tia hồng ngoại không thể thực hiện được điều đó

Sentinel 1 có thể chụp ảnh Trái Đất ở những phạm vi có đường kính lên đến

250 km với những bức không ảnh đạt độ mịn trên mặt đất là 5 mét Vệ tinh này cũng có nhiệm vụ theo dõi các điều kiện môi trường trên đất liền cũng như ngoài biển khơi Nó cũng là phương tiện quan sát sự thay đổi trên bề mặt đất đai, như trong các vụ lở đất chẳng hạn

Khả năng lập bản đồ nhanh của Sentinel 1 có ý nghĩa rất quan trọng khi xảy

ra thiên tai, bởi vì khi đó các cơ quan dịch vụ khẩn cấp cần nhanh chóng biết được tuyến giao thông nào còn tồn tại cũng như những khu vực nào đang bị ảnh hưởng (ESA, 2015)

2.2.3 Ảnh sentinel 2

Vệ tinh Sentinel-2A mới được phóng lên quỹ đạo vào tháng 6 năm 2015 nên

ít được đề cập trong các nghiên cứu giám sát môi trường và lĩnh vực nông nghiệp trên thế giới (Vanhellemont Q, 2016) và gần như chưa được công bố tại Việt Nam Tuy vậy, với thiết kế kênh phổ hiện nay, dữ liệu ảnh Sentinel-2A có nhiều điểm tương đồng với ảnh vệ tinh MERIS, vệ tinh cũng được phát triển bởi Cơ quan Không gian Châu Âu (ESA) trước đó để giám sát môi trường biển và nông nghiệp

Vệ tinh này được phóng trên tàu vũ trụ Vega từ Kourou tại Guiana, Pháp Nhiệm vụ của vệ tinh này sẽ gửi về hình ảnh của bề mặt hành tinh bằng ánh

sáng có thể nhìn thấy và ánh sáng hồng ngoại Dữ liệu của nó sẽ vẽ bản đồ tất

cả mọi sự vật từ sự tăng trưởng của các đại thành phố đến hậu quả tàn phá của thiên tai như động đất Tuy nhiên, Sentinel-2a cũng sẽ mang một vai trò đặc biệt là giám sát sự phát triển của cây lương thực trên phạm vi toàn cầu Cảm biến camera của vệ tinh được thiết kế để dò tìm bước ang cụ thể của ánh sáng cho biết chi tiết về sức khỏe cây trồng Điều này sẽ đưa ra cảnh báo cho ngành nông nghiệp thế giới và các cơ quan lương thực về tình trạng mất mùa

và triển vọng về nạn đói Tàu vũ trụ Vega của vệ tinh nặng 1,1 tấn đã rời cảng không gian của châu Âu tại Kourou, Guiana Pháp vào lúc 22h51’ giờ địa phương ngày 23/6/2015 Sentinel-2a được báo cáo đã tách ra từ Vega chỉ sau

đó một giờ, với kiểm soát viên mặt đất ở Đức, sau đó có thể khẳng định đã phóng thành công

Sentinel dự kiến bắt đầu hoạt động trong thời gian 3-4 tháng, sau khi được kiểm tra tổng thể và các công cụ được xác định chắc chắn Sentinel-2a là một trong sáu loại cảm biến được phóng trong vài năm tới bởi Liên minh châu Âu theo khuôn khổ dự án Copernicus Tuy nhiên, do tầm quan trọng của hình ảnh

có thể nhìn thấy bằng mắt thường trong quan sát Trái đất, có thể nghĩ Sentinel-2a như bệ phóng chính trong loạt vệ tinh nói trên Vật thể đầu tiên phóng lên thực tế là một vệ tinh ra-đa Sentinel-1a được phóng vào tháng 4/2014 và tập trung vào dò tìm những thay đổi về đất Vệ tinh này đã đóng vai trò nổi bật trong việc giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về nguyên nhân trận động đất thảm khốc hồi đầu năm nay tại Nê-pan

Sentinel-2a được trang bị kỹ thuật laser để tải về hình ảnh với tốc độ nhanh, bao gồm các lĩnh vực: (1) Nông nghiệp: thu thập số liệu thống kê cây trồng và đánh giá năng suất; (2) Đô thị: quy hoạch cải thiện cơ sở hạ tầng thành phố lớn; (3) Lâm nghiệp: kiểm tra các khu vực tái trồng rừng cho các mục đích hiệp ước; (4) Đa dạng sinh học: hiểu rõ môi trường sống của các loài hoang dã; (5) Y tế: theo dõi điều kiện liên quan đến bệnh truyền nhiễm; (6) Nước: đánh giá phạm vi ảnh hưởng của lũ; (7) Thiên tai: lập bản đồ thiệt hại sau động đất lớn

Bảng 1 Các thông số dữ liệu vệ tinh Sentinel 2A

(Nguồn: ESA, 2015) 2.3 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÓ TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

2.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Nhiều nghiên cứu sử dụng tư liệu viễn thám quang học và radar trong giám sát nông nghiệp nói chung và giám sát lúa nói riêng, đặc biệt là ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) Trong đó, việc lập bản đồ sử dụng đất

và thực phủ nhằm thống kê diện tích trồng trọt là ứng dụng quan trọng và phổ biến Trong giám sát lúa, một số nghiên cứu đã thành công trong việc sử dụng ảnh quang học để theo dõi phân bố theo không gian và thời gian của mùa vụ lúa ở ĐBSCL (Sakamoto, 2006) cũng như để lập bản đồ nông nghiệp các khu vực trồng lúa nước ở Nam Á và Đông Nam Á bằng ảnh MODIS đa thời gian (Xiao, 2006) Việc tính toán chỉ số thực vật NDVI cũng như các chỉ số khác (VI, EVI, NDBI,…) cộng với thông tin từ các kênh phổ của ảnh quang học cũng đã được sử dụng để phát hiện những thay đổi hàng năm trong hệ thống canh tác lúa vùng ĐBSCL (Sakamoto, 2009) và trong việc phân loại vùng trồng lúa với vùng trồng các loại cây khác hay với vùng có hệ sinh thái khác (Bridhikiti, 2014)

Công tác theo dõi hiện trạng cây trồng đòi hỏi phải quan sát một cách thường xuyên nên khi sử dụng ảnh quang học, ảnh cần phải có độ phân giải thời gian cao như ảnh MODIS Ảnh viễn thám quang học có thể thu nhận dữ liệu về đối tượng cả ở dải sóng nhìn thấy lẫn hồng ngoại để tính toán chỉ số NDVI, chỉ số này giúp hỗ trợ theo dõi tiến độ xuống giống lúa (Trần Thị Hiền & Võ Quang Minh, 2014) Dù vẫn còn một số hạn chế như dễ bị ảnh hưởng của mây, khí quyển nhưng ảnh quang học vẫn là công cụ hiệu quả trong việc giám sát lúa cũng như trong các lĩnh vực nông lâm nghiệp Do đó, trong nghiên cứu cần

tiếp tục phát triển những khả năng mà ảnh quang học mang lại, đồng thời tìm cách khắc phục các hạn chế như kết hợp giữa ảnh quang học và ảnh radar để nâng cao độ chính xác

Sáng kiến GEOGLAM (Group on Earth Observations’ Global Agricultural Monitoring initiative) được hình thành nhằm cung cấp thông tin sản xuất nông nghiệp sử dụng dữ liệu quan sát trái đất từ vệ tinh Ở khu vực châu Á, Asia-RiCE (Asian Rice Crop Estimation & Monitoring) là một thành phần của GEOGLAM với những hoạt động nhằm mục đích giám sát mùa vụ lúa thông qua việc sử dụng dữ liệu viễn thám, đặc biệt là dữ liệu ảnh viễn thám radar (rất ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết) Một số nghiên cứu đã và đang được thực hiện sử dụng dữ liệu ảnh viễn thám radar từ các vệ tinh khác nhau trong nghiên cứu giám sát lúa như: Sentinel-1, RADARSAT-2, ALOS-

2, COSMO-SkyMed, TerraSAR-X,… Trong thời gian tới Việt Nam sẽ có hai

vệ tinh viễn thám radar LOTUSat-1 và LOTUSat-2 thì đây là nguồn cung cấp

dữ liệu thường xuyên và ổn định cho hệ thống giám sát lúa quốc gia

Các nghiên cứu sử dụng tư liệu viễn thám radar được thực hiện về cơ chế tán

xạ của phân cực HH và VV đối với ruộng lúa của tư liệu ảnh TerraSAR-X và

về sự thay đổi giá trị tán xạ ngược của các phân cực trong các giai đoạn sinh trưởng khác nhau Phương pháp ngưỡng được sử dụng cho tỉ số phân cực HH/VV cho một thời điểm ảnh cho kết quả tốt cho khu vực trồng lúa với ngày

sạ không chênh lệch nhiều (Lâm Đạo Nguyên, 2012)

Trong giám sát lúa sử dụng kênh C với phân cực đơn như ERS-1&2 và RADASAT-1, thì phương pháp phân loại là dựa vào sự biến đổi theo thời gian của cường độ tán xạ ngược trích xuất từ ảnh đa thời gian (F Ribbes & Le Toan, 1999) Việc sử dụng dữ liệu phân cực kép HH và VV của ảnh ENVISAT ASAR (kênh C) cho kết quả phân loại tốt hơn trong khi chỉ sử dụng ảnh đơn (A Bouvet,2005) Ảnh ENVISAT ASAR phân cực kép có khả năng giám sát diện phân bố mùa vụ lúa với một thời điểm ảnh (Lâm Đạo Nguyên, 2009) Dữ liệu ảnh ASAR APP phủ vùng rộng (100 x 100 km2) cho khả năng giám sát ở quy mô cấp tỉnh Gần đây vệ tinh Sentinel-1 được phóng vào năm 2014 đã trở thành một nguồn cung cấp ảnh radar kênh C miễn phí với độ phân giải cao và vùng bao phủ rộng (250 x 250 km2)

Các nghiên cứu trước đã sử dụng bộ cảm radar cho thấy có sự biến đổi theo thời gian của hệ số tán xạ ngược với các kênh X, C, L và góc tới khác nhau theo các thời kỳ phát triển cây lúa (Kim, 2010) Giám sát sự tăng trưởng của lúa sử dụng kênh L có một vài khó khăn như sự thay đổi của tán xạ kênh L bị ảnh hưởng bởi độ thẳng hàng và hướng gieo xạ của lúa và khoảng thay đổi tán xạ ngược của kênh L (ALOS-PALSAR) nhỏ hơn so với kênh C và X Trong giám sát lúa sử dụng kênh C với phân cực đơn như ERS-1&2 và RADASAT-1, thì phương pháp phân loại là dựa vào sự biến đổi theo thời gian của cường độ tán xạ ngược trích xuất từ ảnh đa thời gian Việc sử dụng hai phân cực HH và VV của ảnh ENVISAT-ASAR (kênh C) cho kết quả phân

loại tốt hơn trong khi chỉ sử dụng ảnh đơn (Bouvet, 2005) Hệ số tán xạ ngược kênh X có mối tương quan khá tốt với trọng lượng khô của hạt lúa, trong khi ở kênh C có mối tương quan cao với chiều cao cây và chỉ số diện tích lá (Kim, 2010) Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng ảnh radar thế

hệ mới thu nhận ở chế độ StripMap (độ phân giải không gian 3m) từ vệ tinh TerraSAR-X (kênh X, góc tới từ 34,9° đến 36,5°) của Đức được đưa vào quỹ đạo giữa năm 2007 để tìm hiểu về tương tác của tán xạ ngược kênh X với ruộng lúa theo thời gian nhằm giám sát và lập bản đồ lúa ở mức chi tiết cao hơn dựa vào ảnh có độ phân giải không gian cao TerraSAR-X cung cấp nguồn dữ liệu tốt nhất trong ba loại dữ liệu SAR (ENVISAT- ASAR, ALOS-PALSAR) theo thời gian để giám sát lúa (Suga, 2008) Vệ tinh này có chu kỳ lặp lại là 11 ngày, điều này giúp cho quá trình giám sát lúa diễn ra một cách liên tục hơn các loại vệ tinh mang bộ cảm radar đa phân cực khác như ENVISAT-ASAR (khoảng 30-35 ngày)

2.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Một vài nghiên cứu trong nước gần đây cho thấy hiệu quả ứng dụng ảnh Radar trong một số lĩnh vực như lâm nghiệp, quy hoạch và nông nghiệp

Theo kết quả nghiên cứu của Lâm Đạo Nguyên và ctv, 2009 cho thấy:

Ảnh vệ tinh SAR có tiềm năng ứng dụng hết sức to lớn trong nông nghiệp do khả năng chụp ảnh trong mọi thời tiết của nó Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi nghiên cứu sự phát triển của các loại cây nông nghiệp có chu kỳ phát triển

ổn định như lúa, màu Thông tin thu được từ ảnh radar trong từng thời kỳ sinh trưởng của mỗi loại cây lương thực sẽ giúp đánh giá chính xác về tình trạng sức khỏe của cây trồng cũng như khả năng về năng suất, sản lượng của chúng Ảnh radar rất đa dạng là tổng hợp của nhiều loại năng lượng tán xạ khác nhau Những năng lượng tán xạ này sẽ khác nhau phụ thuộc vào độ dày của tán cây, kích thước của thân cây, chất liệu của nền đất phía dưới (nhẵn hay gồ ghề, ẩm hay khô), mật độ phân bố của cây trồng (dày đặc hay thưa thớt) Một trong những ứng dụng quan trọng của ảnh radar trong nông nghiệp là theo dõi tình trạng (sức khỏe của cây trồng) Năng lượng tán xạ của chùm tia radar nhạy cảm với cấu trúc và độ ẩm của cây trồng - những chỉ số cho thấy tình trạng phát triển của cây hay trong một số trường hợp là mức độ thiệt hại

Ví dụ như sức khỏe của cây trồng phụ thuộc vào chỉ số sinh khối, diện tích lá, chiều cao của cây, lượng nước chứa trong cây

Khi triển khai các nghiên cứu về ứng dụng radar trong nông nghiệp cần đặc biệt quan tâm đến nông lịch và sử dụng ảnh radar đa thời gian Việc sử dụng nông lịch tại các khu vực nghiên cứu kết hợp với sử dụng ảnh radar được chụp ở các thời điểm tương ứng với các chu kỳ canh tác cho biết các thông tin

về các giai đoạn phát triển của cây trồng, qua đó sẽ hỗ trợ cho việc phân biệt, đánh giá sự phát triển của các loại cây nông nghiệp Tại thời điểm sạ, cấy trên

bề mặt ruộng lúa thường có nước do đó tán xạ trên ảnh radar sẽ thấp Trong quá trình phát triển của cây lúa tán xạ ngược trên ảnh radar sẽ mạnh dần lên

và mạnh nhất vào thời điểm chuẩn bị thu hoạch Sau khi gặt, cánh đồng lúa trở nên trơ trụi, khô cằn nên tán xạ trên ảnh radar lại thấp hẳn xuống, tuy vẫn cao hơn lúc bắt đầu cấy

Khả năng sử dụng ảnh radar đa thời gian cũng là một ưu điểm nổi bật của ảnh radar so với ảnh quang học, vì ảnh radar có thể chụp vào bất cứ lúc nào, trong khi ảnh quang học phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết, khả năng chụp ảnh theo nông lịch của ảnh quang học là rất hạn chế

Thông thường khi chỉ có một ảnh radar đơn lẻ thì khả năng giải đoán không cao, thường chỉ phân biệt được các nhóm chính, nhưng khi chụp nhiều ảnh căn cứ vào nông lịch thì các thông tin có thể chiết tách ra được phong phú hơn rất nhiều Sử dụng ảnh radar chụp vào các thời điểm thích hợp cho phép phân biệt được các khu vực trồng lúa 1 vụ, 2 vụ và 3 vụ

Một nghiên cứu khác của Hoàng Phi Phụng, 2015 cho rằng:

Dữ liệu ảnh Sentinel-1 với phân cực kép VV và VH có khả năng sử dụng để nhận diện được đối tượng lúa và thành lập bản đồ lúa Đặc biệt là phân cực VH tăng theo sự phát triển của cây lúa - giá trị tán xạ thấp ở đầu mùa vụ và cao ở cuối mùa vụ, điều này là cơ sở cho phương pháp ngưỡng trên hiệu số của hai ngày ảnh ở đầu vụ và cuối vụ để thành lập bản đồ lúa Sử dụng ảnh Sentinel-1 đa thời gian cho kết quả xác định vùng trồng lúa tốt hơn

so với sử dụng hai thời điểm ảnh Từ kết quả nghiên cứu đã cho thấy phương pháp thành lập bản đồ lúa ở những khu vực trồng lúa có ngày sạ/cấy cách biệt nhau nhiều cần thiết phải sử dụng dữ liệu ảnh đa thời gian Các đề tài này có vùng nghiên cứu lớn vì vậy chưa xác định cụ thể được cụ thể mức độ chính xác từ ảnh Viễn thám và hiện trạng sản xuất nông nghiệp thực tế

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài được thực hiện với các phương pháp nghiên cứu chính như sau:

Phương pháp kế thừa tài liệu, thu thập thông tin: tham khảo, tổng

hợp tài liệu trên cơ sở các bản đồ, số liệu, tài liệu có liên quan trước đây của các cơ quan ban ngành và các kết quả nghiên cứu khoa học đã có nhằm ứng dụng và phát triển theo hướng nghiên cứu mới của đề tài Đặc biệt, các phương pháp của các nghiên cứu có tính ứng dụng cao và hiệu quả

Phương pháp khảo sát từ ảnh viễn thám: sử dụng nguồn ảnh viễn

thám được cung cấp bởi các cơ quan chuyên ngành trên thế giới như cơ quan USGS (Mỹ), NASA (Mỹ), Cơ quan Vũ trụ Châu Âu trong quản lý, theo dõi, giám sát hiện trạng nông nghiệp (đê bao, trồng lúa, ) ở tỉnh An Giang, đặc biệt hiện trạng lịch thời vụ năm 2016 Chủ yếu sử dụng ảnh Sentinel 1 và 2 đa thời gian, với độ phân giải không gian là 10m để theo dõi hiện trạng sản xuất lúa 2 huyện Châu Thành và Thoại Sơn của tỉnh An Giang, thời gian khảo sát

từ năm 10/2015 đến 10/2016

Phương pháp khảo sát thực địa, định vị bằng GPS: nhằm xác định

chính xác điểm khảo sát và đánh giá đúng tình hình xuống giống của hai huyện Châu Thành – Thoại Sơn tại nơi khảo sát để đối chiếu và điều chỉnh kết quả xây dựng từ phương pháp ảnh viễn thám Vị trí các điểm điều tra khảo sát dựa trên cơ sở kết quả giải đoán về hiện trạng trồng lúa của nông dân ở hai

huyện này trong năm 2016

Phương pháp điều tra, thu thập thông tin theo phiếu mẫu: lập phiếu

thu thập thông tin và triển khai thu thập thông tin một cách trực tiếp cán bộ nông nghiệp địa phương và nông hộ trong vùng nghiên cứu Số liệu thu thập

sẽ được sử dụng như là dữ liệu cơ sở để đánh giá tình hình biến động lịch thời

vụ, cũng như nguyên nhân ảnh hưởng

Phương pháp GIS: Xây dựng và hoàn chỉnh các bản đồ, các tiểu vùng

bao đê từ phương pháp ảnh viễn thám Đánh giá tính khả thi của việc sử dụng ảnh Sentinel 1 để theo dõi diễn biến lịch thời vụ Chuyển các kết quả xây dựng thành dữ liệu có thể dễ dàng chạy trên nền của máy tính bảng để giúp cơ quan quản lí dễ kiểm tra thực địa và chia sẻ qua Internet cho các ban ngành

Phương pháp tập huấn sử dụng và chuyển giao kết quả: Phối hợp

với Chi cục BVTV An Giang trong công tác tập huấn chuyển giao công nghệ cho cán bộ

3.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nhiệm vụ khoa học tập trung vào 03 nội dung chính đó là:

- Ứng dụng ảnh viễn thám (Radar và ảnh quang học) để theo dõi diễn biến gieo sạ và thu hoạch nhằm xây dựng lịch thời vụ hiện tại (ảnh MODIS trước đây độ phân giải thấp và ảnh hưởng mây, Radar (Sentinel) có độ phân giải cao và xuyên mây)

- Điều tra và khảo sát ở các tiểu vùng đê bao để phân tích những thuận lợi

và khó khăn ở các tiểu vùng khi áp dụng lịch thời vụ trồng lúa hiện nay

- Xây dựng và quản lí dữ liệu lịch thời vụ bằng hệ thống thông tin địa lý

3.2.1 Theo dõi diễn biến gieo sạ và thu hoạch bằng ảnh radar & ảnh quang học

a) Mục tiêu: Nghiên cứu xây dựng qui trình sử dụng ảnh viễn thám

trong theo dõi tiến độ xuống giống lúa phục vụ công tác đánh giá lịch thời

vụ

b) Sơ đồ qui trình công nghệ:

Hình 5 Phương pháp thành lập bản đồ lúa với dữ liệu ảnh

Sentinel-1 đa thời gian

c) Nội dung thực hiện:

* Thu thập và xử lý dữ liệu bản đồ

- Thu thập dữ liệu bản đồ bao gồm:

 Bản đồ hành chính, mạng lưới sông rạch và giao thông huyện Châu Thành và Thoại Sơn, tỉnh An Giang, tỷ lệ 1:25.000 (Nguồn: Sở Tài Nguyên và Môi trường tỉnh An Giang)

 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất huyện Châu Thành và Thoại Sơn, tỉnh

An Giang, tỷ lệ 1:25.000 (Nguồn: Sở Tài Nguyên và Môi trường tỉnh

An Giang)

 Bản đồ các tiểu vùng đê bao huyện Châu Thành và Thoại Sơn, tỉnh An Giang, tỷ lệ 1:25.000 (Nguồn: Chi Cục Thủy Lợi – Sở NN & PTNT tỉnh An Giang)

- Số hoá bản đồ:

 Các bản đồ thu thập được tiến hành số hoá, chuẩn hoá theo đúng qui định và quản lý bản đồ số bằng phần mềm Mapinfo, với độ chi tiết ở

cấp tỷ lệ 1:25.000

- Xử lý ảnh viễn thám: các ảnh được thu thập trãi qua các bước xử lý cơ bản

Bao gồm: Định chuẩn, Hiệu chỉnh hình học, Lọc nhiễu thời gian, Lọc nhiểu không gian

- Thành lập bản đồ lúa đa thời gian: Dựa trên lịch mùa vụ được thu thập ở

khu vực nghiên cứu, nghiên cứu đã thực hiện việc thành lập bản đồ lúa với dữ liệu Sentinel-1 sử dụng phân cực VH Các bản đồ lúa của vụ Đông Xuân 2016

ở huyện Châu Thành và Thoại Sơn được trích xuất từ ảnh radar Sentinel-1

Do chu kỳ sinh trưởng của các giống lúa ở Châu Thành và Thoại Sơn là Jasmine, OM4218, 50404, 6976, 7347, AG103, vào khoảng từ 95-110 ngày, nên việc lựa chọn hai thời điểm ảnh ở đầu mùa vụ và cuối mùa vụ nên cách nhau từ 2 - 3 tháng

Từ kết quả phân tích sự thay đổi của cặp phân cực VV và VH theo sự phát triển của cây lúa, đề tài sử dụng phương pháp thành lập bản đồ lúa dùng ảnh đa thời gian sử dụng phân cực VH, được phân tích ở bên dưới Phân cực

VH của ảnh Sentinel-1 với bước sóng kênh C có sự thay đổi đáng kể theo các giai đoạn tăng trưởng của cây lúa, điều này làm cơ sở cho phương pháp phân loại vùng trồng lúa và không trồng lúa dựa trên giá trị ngưỡng hiệu số giữa hai ảnh nằm ở đầu mùa vụ và cuối mùa vụ Đồng thời nghiên cứu còn sử dụng phương pháp này với dữ liệu ảnh nhiều hơn hai thời điểm ảnh trong cùng mùa

vụ để hạn chế sự ảnh hưởng của ngày sạ/cấy chênh lệch nhiều ở khu vực nghiên cứu

Các bản đồ được thành lập từ nội dung nghiên cứu này bao gồm:

 Bản đồ hiện trạng canh tác lúa năm 2016;

 Bản đồ tiến độ xuống giống vụ TĐ 2016, ĐX 2015-2016; HT 2016

 Bản đồ các tiểu vùng canh tác lúa

* Thu thập số liệu điều tra, khảo sát thực địa (Ground Truth)

Dựa trên kết quả giải đoán ảnh viễn thám, đề tài đã lập tuyến và chấm điểm vị trí khảo sát trên bản đồ Tổng cộng có 60 điểm khảo sát với 09 đợt khảo sát (trung bình 3 đợt khảo sát/vụ lúa) Thời điểm khảo sát được thực hiện ở thời điểm vào đầu vụ hoặc giữa vụ canh tác lúa Nội dung được ghi nhận tại các điểm khảo sát bao gồm thông tin về hiện trạng canh tác, tình trạng sinh trưởng cây trồng, giống cây trồng Vị trí các ruộng quan trắc đều được định vị ngoài thực địa bằng công cụ GPS

Kết quả khảo sát đã được nhập vào máy tính, xử lý, số hóa và định vị trên bản

đồ nhằm thực hiện công tác kiểm tra độ chính xác của kết quả giải đoán theo

hệ số Kappa Ngoài ra, đề tài cũng đã thực hiện đối chiếu kết quả giải đoán ảnh viễn thám với dữ liệu thu thập thực tế và tiến hành chỉnh sửa kết quả giải đoán phù hợp với thực địa nhằm nâng cao độ chính xác của bản đồ kết quả

3.2.2 Điều tra và khảo sát ở các tiểu vùng đê bao trồng lúa

a) Mục tiêu

Mục tiêu nhằm thu thập số liệu định kỳ về thời gian xuống giống, các giai đoạn phát triển của cây lúa trong toàn vùng ở các thời điểm khác nhau từ tháng 10/2015 đến tháng 10/2016

b) Qui trình thực hiện

Hình 6 Qui trình khảo sát thực địa

Kết quả giải đoán ảnh Thiết kế mẫu điều tra, khảo sát

Chọn các tiểu vùng biến động

Điều tra Cán bộ, Nông hộ

Tìm hiểu các nguyên nhân ảnh hưởng

lịch thời vụ

c) Nội dung thực hiện

* Xây dựng biểu mẫu điều tra:

Biểu mẫu điều tra được thiết kế để tìm hiểu các nguyên nhân ảnh hưởng đến quá trình sản xuất lúa làm thay đổi lịch canh tác

* Tập huấn: Cán bộ đề tài tập huấn cho Sinh viên ngành Phát triển

nông thôn hỗ trợ việc thu thập thông tin

* Thu thập dữ liệu: dữ liệu đã được thu thập định kỳ qua việc theo

dõi, báo cáo định kỳ của nông dân và xử lý xây dựng cơ sở dữ liệu hiện trạng canh tác Nội dung thu thập bao gồm:

- Điều tra hiện trạng canh tác theo thực địa

- Phỏng vấn KIP cán bộ địa phương ở một số xã có lịch thời vụ thường diễn biến phức tạp ở 2 huyện Châu Thành và Thoại Sơn (Chọn 14 xã đại diện 2 huyện, các xã được chọn sẽ dựa vào kết quả giải đoán ảnh)

- Thảo luận nhóm dùng Phương pháp Đánh giá nhanh nông thôn có sự tham gia cộng đồng (PRA) để tìm hiểu các khó khăn và thuận lợi khi áp dụng lịch thời vụ trong quá trình canh tác qua các năm (2013-nay) (5 cuộc thảo luận nhóm đại diện 2 huyện, gồm những nông dân trồng lúa trong vùng có lịch thời vụ biến động)

- Chọn mỗi xã 30 nông dân đang sản xuất lúa để tìm hiểu những thuận lợi và khó khăn về tình hình trồng lúa khi áp dụng lịch thời vụ (theo

14 xã sau khi có ảnh giải đoán, có 420 nông dân được chọn ngẫu nhiên)

3.2.3 Xây dựng và quản lí dữ liệu lịch thời vụ bằng hệ thống thông tin địa

lý

a) Mục tiêu

Trên cơ sở các bản đồ hiện trạng canh tác, tiến độ xuống giống, kết hợp các cơ sở dữ liệu thu thập từ các báo cáo địa phương Tiến hành xây dựng lịch thời vụ trên GIS (hệ thống thông tin địa lí) hay bản đồ số về lịch thời vụ nhằm giúp cơ quan quản lí cập nhật, truy xuất nhanh chóng

và ra quyết định chính xác

b) Qui trình thực hiện:

Hình 7 Xây dựng bản đồ lịch thời vụ trên GIS

c) Nội dung thực hiện:

Số hoá bản đồ:

Các bản đồ thu thập được tiến hành số hoá, chuẩn hoá theo đúng qui định và quản lý bản đồ số bằng phần mềm Mapinfo, với độ chi tiết ở cấp tỷ lệ 1:25.000

Tạo các trường để quản lí dữ liệu như:

- Số thứ tự (ID)

- Tên huyện (TEN_HUYEN)

- Tên xã (TEN_XA)

- Tên tiểu vùng (TEN_TIEU_VUNG)

- Giai đoạn lúa (GIAI_DOAN_LUA)

Số hóa các bản đồ đê bao, đường,

sông

Tạo cơ sở dữ liệu

Nhập liệu vào chương trình

Tạo các bản đồ chuyên đề lịch thời vụ (3 vụ lúa/năm)

Tạo dữ liệu để truy xuất, tìm kiếm trên máy tính bảng, điện thoại thông minh

- Ngày sạ (NGAY_SA)

- Diện tích của tiểu vùng (DIEN_TICH)

* Tập huấn: Cán bộ đề tài hướng dẫn các thành viên tham gia số hóa

và nhập dữ liệu vào chương trình

Thu thập dữ liệu:

Thu thập số liệu tiến độ xuống giống theo tiểu vùng cấp xã Tổng số 126 tiểu

vùng ở huyện Thoại Sơn và 67 tiểu vùng ở huyện Châu Thành

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 4.1 Kết quả ứng dụng ảnh viễn thám theo dõi tiến độ xuống giống phục

vụ quản lý thời vụ lúa

a Kết quả thu thập ảnh viễn thám Sentinel

Dữ liệu Sentinel 1 & 2 được thu thập từ Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (European Space Agency) Nhiệm vụ Sentinel-1 là một chùm 2 vệ tinh quĩ đạo cực hoạt động cả ngày lẫn đêm với bộ cảm radar khẩu đổ tổng hợp (SAR) kênh C, cho phép thu được dữ liệu ảnh mà không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Sentinel-1 làm việc theo một chế độ hoạt động được lập trình trước nhầm tránh xung đột và tạo ra một kho lưu trữ dữ liệu lâu dài cho các ứng dụng dựa trên cơ sở chuỗi thời gian dài Các thời điểm ảnh Sentinel-1 được sử dụng trong đề tài được sử dụng trong giai đoạn mùa vụ Đông-Xuân; Hè-Thu; Thu-Đông năm 2016

Đề tài đã thu thập dữ liệu qua trang web: https://scihub.copernicus.eu/dhus/

Hình 8 Giao diện của trang Web Cơ quan vũ trụ Châu âu

b Kết quả xử lý ảnh viễn thám

Để thực hiện công tác xử lý ảnh, đề tài đã sử dụng công cụ phần mềm

xử lý ảnh viễn thám chính đó là SNAP (Sentinel Application Platform ) Đây là phần mềm xử lý ảnh khá mạnh của Brockmann Consult, đến nay đã

có nhiều phiên bản mới, cập nhật nhiều tính năng xử lý ảnh tiên tiến và thân thiện với người sử dụng

Hiện nay, hệ thống này được thiết kế để đáp ứng yêu cầu của các nhà nghiên cứu có nhu cầu sử dụng dữ liệu ảnh viễn thám (Remote Sensing-RS), bao gồm các loại ảnh vệ tinh Sentinel 1,2,3 SNAP hiển thị và phân tích ảnh

với nhiều kiểu dữ liệu và kích cỡ ảnh khá nhau, tất cả trong một môi trường giao diện thân thiện với người sử dụng

Phần mềm SNAP có thể cung cấp các công cụ hữu dụng và cao cấp để đọc, khám phá, thao tác, phân tích và chia sẻ các thông tin thu nhận từ dữ liệu ảnh SNAP tương tác thân thiện với người sử dụng Phần mềm hỗ trợ các công cụ để thực hiện một số chức năng chính như:

* Chuyển đổi dữ liệu (Transforms),

* Lọc ảnh (Filtering),

* Phân loại ảnh (Classification),

* Đăng ký hệ lưới chiếu (Registration)

* Hiệu chỉnh hình học (Geometric Corections),

- Ảnh được xử lí bằng phần mềm chuyên dụng SNAP

Hình 10 Dữ liệu ảnh Seninel 1 mở bằng SNAP

- Dữ liệu Sentinel-1 được định chuẩn (calibration) để chuyển giá trị số (DN – digital number) sang giá trị hệ số tán xạ ngược

Hình 11 Dữ liệu sau khi đƣợc định chuẩn (calibration)

- Dữ liệu ảnh này được hiệu chỉnh hình học để các ảnh có cùng hệ tọa độ WGS-84 UTM múi 48

Hình 12 Dữ liệu sau khi hiệu chỉnh hình học (WGS-84 – UTM48)

- Lọc nhiễu đa thời gian theo phương pháp được đưa ra bởi Quegan

- Lọc nhiễu không gian theo phương pháp giảm nhiễu đóm (speckle filter) bằng bộ lọc Enhanced Frost 3x3 Các ảnh radar SAR thường có hiện tượng muối tiêu, là đặc tính không thể tránh được của ảnh radar, được gọi là nhiễu đốm (speckles) Hiện tượng nhiễu đốm này làm giảm chất lượng ảnh và gây khó khăn cho công tác giải đoán ảnh radar Việc giảm nhiễu của hiện tượng này có thể áp dụng phương pháp lọc không gian và phương pháp lọc đa thời gian

- Áp dụng phương pháp ngưỡng cho hiệu phân cực VH của hai ảnh radar thu nhận vào đầu vụ và cuối vụ để thành lập các bản đồ lúa;

- Từ kết quả phân tích sự thay đổi của cặp phân cực VV và VH theo sự phát triển của cây lúa, đề tài sẽ sử dụng phương pháp thành lập bản đồ lúa dùng ảnh đa thời gian sử dụng phân cực VH Phân cực VH của ảnh Sentinel-1 với bước sóng kênh C có sự thay đổi đáng kể theo các giai đoạn tăng trưởng của cây lúa, điều này làm cơ sở cho phương pháp phân loại vùng trồng lúa và không trồng lúa dựa trên giá trị ngưỡng hiệu số giữa hai ảnh nằm ở đầu mùa

vụ và cuối mùa vụ

d) Kết hợp các bản đố lúa trong cùng một mùa vụ thành bản đồ phân

bố vùng trồng lúa của mùa vụ đó

Hình 13 Ảnh Sentinel trước và sau khi lọc

 Kết hợp ảnh quang (Landsat 8) để phân vùng giải đoán, giúp nhà quản

lý có thể xác định trực quan

Hình 14 Dữ liệu kết hợp giữa Sentinel 1 và Landsat 8