Báo cáo tốt nghiệp ngành khoa học môi trường nghiên cứu mối quan hệ giữa sinh khối và phản xạ, phục vụ chuẩn đoán nhanh sinh khối của ngô

Tỉ lệ giữa các hợp phần năng lượng phản xạ, hấp thụ và truyền qua rất khác nhau, tùy thuộc vào các đặc điểm của đối tượng trên bề mặt, cụ thể là thành phần vật chất và tình trạng của đối

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chương trình đào tạo đại học thì quá trình thực tập tốt nghiệp được xem là một khâu quan trọng giúp sinh viên củng cố kiến thức được tiếp thu trên giảng đường đại học Và đây cũng là cơ hội để chúng em thử sức với công việc, bớt đi những bỡ ngỡ khi chúng em ra trường

Được sự giới thiệu của Ban giám hiệu Nhà trường, Ban chủ nhiệm Khoa Tài nguyên và Môi trường, trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, em đã thực tập tại

Bộ môn Khoa học Đất, khoa Tài nguyên và Môi trường từ ngày 06 tháng 02 năm

2012 đến ngày 30 tháng 04 năm 2012

Trong quá trình thực tập, để có được kết quả như ngày hôm nay, em xin

gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS TS Nguyễn Thế Hùng là người đã

tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình thực tập cũng như thực hiện khóa luận này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô giáo Khoa Tài nguyên và Môi trường nói chung và Bộ môn Khoa học Đất nói riêng, trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã truyền đạt, trang bị cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu cũng như tạo môi trường thuận lợi nhất trong bốn năm em học tập tại trường

Em xin gửi lời cảm ơn tới anh chị, các bạn sinh viên khoa Nông học, trường Đại học Nông lâm đã tận tình giúp đỡ em trong thời gian thực tập

Cảm ơn gia đình, bạn bè và những người than đã động viên, giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập cũng như thời gian thực hiện khóa luận

Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp, do kinh nghiệm và kiến thức thực tế còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót và khuyết điểm Em rất mong được sự tham gia đóng góp ý kiến từ phía các thầy cô giáo và các bạn để khóa luận của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Đỗ Như Quỳnh

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Bộ NN&PTNT : Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn

CNS : Các bon – Ni tơ – Lưu huỳnh

FAPAR : Fraction of Absorbed Photosynthetically Active

Radiation

FOV : Fiel of View

GIS : Hệ thống thông tin địa lý

GPS : Hệ thống định vị toàn cầu

LAI : Leaf Area Index

NDVI : Normalized Difference Vegetation Index

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 3.1 Lượng đạm bón cho các công thức qua các thời kỳ 28

Bảng 4.1 Tóm tắt thiết kế thí nghiệm và thời gian lấy mẫu 31

Bảng 4.2 Đặc điểm hai giống ngô LVN 14 và LVN 99 33

Bảng 4.3 Ảnh hưởng của các giống khác nhau tới sinh khối của ngô 34

Bảng 4.4 Ảnh hưởng của các mức bón đạm khác nhau ở giai đoạn trước trỗ 10 ngày tới sinh khối của ngô 35

Bảng 4.5 Ảnh hưởng của các loại giống khác nhau đến phản xạ tán của ngô 39

Bảng 4.6 Ảnh hưởng của các mức bón đạm khác nhau đến phản xạ tán ngô 42

Bảng 4.7 Phản xạ của giống ngô V1 tại hai giai đoạn phát triển 45

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ

Trang

Hình 2.1 Thành phần của Viễn thám 5

Hình 2.2 Nghiên cứu dữ liệu Viễn thám theo đa quan niệm 8

Hình 2.3 Dải sóng quang phổ điện từ 11

Hình 2.4 Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên 15

Hình 2.5 Các bước tiến hành tính toán bề mặt sinh khối rừng 22

Hình 4.1 Sinh khối của giống V1 và V2 ở giai đoạn trước trỗ 10 ngày 34

Hình 4.2 Ảnh hưởng của các mức bón đạm tới sinh khối của ngô ở giai đoạn trước trỗ 10 ngày 36

Hình 4.3 Phản xạ của hai giống ngô V1 và V2 ở các bước sóng khác nhau giai đoạn ngô trước trỗ 10 ngày 38

Hình 4.4 Phản xạ ở các bước sóng của ngô khi bón các mức đạm khác nhau giai đoạn trước trỗ 10 ngày 41

Hình 4.5 Phản xạ tại các bước sóng khác nhau của giống ngô V1 ở hai giai đoạn phát triển 44

Hình 4.6 Hệ số tương quan (r) giữa phản xạ tán và sinh khối tươi (fw), sinh khối khô (dw) ở giai đoạn trước trỗ 10 ngày 46

MỤC LỤC

Trang

Phần 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Ý nghĩa của đề tài 2

Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Tổng quan về Viễn thám 3

2.1.1 Giới thiệu chung về Viễn thám 3

2.1.2 Cơ sở vật lý của Viễn thám 10

2.1.3 Viễn thám và một số ứng dụng của Viễn thám 17

2.2 Ứng dụng Viễn thám trong chuẩn đoán sinh khối thực vật 18

2.2.1 Khái niệm cơ bản 18

2.2.2 Thành phần hóa học của cây trồng tạo nên sinh khối 19

2.2.3 Ứng dụng Viễn thám trong chuẩn đoán sinh khối 22

2.3 Cơ sở khoa học của để tài 23

2.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan trực tiếp đến đề tài 24

Phần 3 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 26

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu 26

3.1.2 Phạm vi nghiên cứu 26

3.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 26

3.3 Nội dung nghiên cứu 26

3.4 Phương pháp nghiên cứu 26

3.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu 26

3.4.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng 27

3.4.3 Phương pháp đo phản xạ tán 28

3.4.4 Phương pháp lấy mẫu cây 29

3.4.5 Phương pháp tổng hợp và xử lý số liệu 29

3.4.6 Chỉ tiêu nghiên cứu 29

Phần 4 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 31

4.1 Tóm tắt 31

4.2 Giới thiệu chung về cây ngô 31

4.2.1 Các giai đoạn sinh trưởng và phát triển của ngô 32

4.2.2 Giới thiệu về hai giống ngô LVN14 và LVN99 33

4.3 Ảnh hưởng của các nhân tố đến sinh khối của ngô 33

4.3.1 Ảnh hưởng của giống đến sinh khối ngô 34

4.3.2 Ảnh hưởng của các mức bón đạm đến sinh khối của ngô 35

4.3 Ảnh hưởng của các nhân tố đến phản xạ của ngô 37

4.3.1 Ảnh hưởng của các loại giống khác nhau đến phản xạ của ngô 37

4.3.2 Ảnh hưởng của các mức bón đạm đến phản xạ tán của ngô 40

4.4 Phản xạ tán của ngô qua các giai đoạn sinh trưởng và phát triển khác nhau 43

4.5 Mối tương quan giữa sinh khối và phản xạ ở các bước sóng khác nhau của ngô 46

Phần 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48

5.1 Kết luận 48

5.2 Kiến nghị 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

Ở Việt Nam lượng khí thải từ sản xuất nông nghiệp đang tăng chóng mặt Theo báo cáo của Bộ NN&PTNT nếu như năm 2000, phát thải từ nông nghiệp là 65 triệu tấn CO2, chiếm 43,1% tổng lượng phát thải của quốc gia thì đến nay con số này đã lên tới 110 triệu tấn, tăng 45 triệu tấn Nguyên nhân là

do việc sản xuất lương thực, thực phẩm theo phương pháp truyền thống tạo ra nhiều khí nhà kính: bón phân quá liều lượng từ đó gây ra tỷ lệ thất thoát phân cao, gây ô nhiễm môi trường và phát thải khí nhà kính Qua việc tăng cường

sử dụng phân bón nitơ, tăng với tỷ lệ 1 tỷ tấn mỗi năm như hiện nayvới lượng nitơ phản ứng có sẵn trong khí quyền, nitơ ôxít (N2O) đã trở thành loại khí nhà kính có mức độ tác động lớn thứ ba sau carbon dioxide và methane Chính vì vậy, cần tính toán lượng phân bón một cách chính xác để giảm lượng phân thất thoát Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong cây chính là cơ

sở khoa học của việc quản lý phân bón cho cây trồng

Hiện nay, để tính toán lượng phân bón cho cây trồng, người ta thường dùng phương pháp phân tích hàm lượng các chất trong cây Phương pháp này thường cho kết quả chính xác nhưng lại phá hủy cấu trúc của cây, chi phí cao

và thời gian phân tích kéo dài Gần đây nhiều tác giả nghiên cứu ứng dụng phản xạ của thực vật trong việc phát hiện sớm sinh trưởng và tình trạng dinh dưỡng đa lượng và vi lượng của cây Các kết quả nghiên cứu đều cho thấy phản xạ của cây trồng có liên quan mật thiết tới tình hình sinh trưởng và dinh

dưỡng của cây Đây là một phương pháp phân tích nhanh, chi phí thấp và không phải lấy mẫu cây trồng nên có thể xác định trực tiếp trên đồng ruộng

Xuất phát từ thực tế trên, được sự đồng ý của Ban Giám hiệu Nhà trường và Ban Chủ nhiệm Khoa Tài nguyên và Môi trường, dưới sự hướng

dẫn cúa thầy giáo PGS TS Nguyễn Thế Hùng, em tiến hành thực hiện Đề tài: “Nghiên cứu mối quan hệ giữa sinh khối và phản xạ, phục vụ chuẩn đoán nhanh sinh khối của ngô”

1.2 Mục tiêu của đề tài

- Xác định ảnh hưởng của một số yếu tố tới sinh khối và phản xạ tán của ngô

- Xác định những bước sóng có phản xạ liên quan chặt chẽ với hàm lượng N và sinh khối trong hệ thống cây trồng

- Xây dựng phương trình tính toàn sinh khối tích lũy trong hệ thống cây trồng

1.3 Ý nghĩa của đề tài

- Sự thành công của đề tài sẽ mở ra hướng ứng dụng phản xạ tán trong việc xác định sinh khối trong cây trồng từ đó đưa ra khuyến cáo bón phân hợp

lý, tránh tình trạng hướng dư thừa, góp phần giảm ô nhiễm môi trường, giúp tiết kiệm thời gian, công sức và chi phí, kết quả thu được có độ chính xác chính xác

- Nâng cao kiến thức, kỹ năng và kinh nghiệm phục vụ cho thực tế công việc

- Giúp vận dụng và trau dồi các kiến thức đã học

Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Tổng quan về Viễn thám

2.1.1 Giới thiệu chung về Viễn thám

2.1.1.1 Khái niệm về Viễn thám

Viễn thám (Remote sensing) được định nghĩa như một khoa học công nghệ mà nhờ nó các tính chất của đối tượng được quan sát được xác định, đo đạc hoặc phân tích mà không cần tiếp xúc với chúng (Lê Văn Nghinh,2006) [11]

Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ thường là nguồn tài nguyên chủ yếu của Viễn thám Tuy nhiên, năng lượng như từ trường, trọng trường cũng

có thể được sử dụng

Bộ cảm là thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ này, bộ cảm được lắp trên các vật mang như máy bay, vệ tinh, tàu con thoi Loại bộ cảm sử dụng nhiều trong Viễn thám hiện nay là các loại máy chụp ảnh, ảnh quét đa phổ quang cơ, máy quét điện từ Các phương tiện để mang bộ cảm gọi là vật mang

Công nghệ Viễn thám có những ưu việt sau đây :

- Độ trùm phủ không gian của tư liệu trên diện tích lớn

- Có khả năng giám sát sự biến đổi tài nguyên, môi trường Trái Đất

- Sử dụng dải phổ khác nhau để quan trắc đối tượng

- Cung cấp nhanh tư liệu ảnh số có tốc độ phân giải cao và siêu cao, là

dữ liệu cơ bản cho việc thành lập và hiệu chỉnh hệ thống bản đồ quốc gia và

hệ thống cơ sở dữ liệu địa lý quốc gia

Ở Việt Nam, Viễn thám là một ngành còn chưa phổ biến, chúng ta vẫn thường nghe rất nhiều người hỏi Viễn thám là gì? Nói một cách nôm na trong

“Viễn thám” có hai từ “viễn” và “thám” “Viễn” có nghĩa là xa, từ xa, không tiếp xúc với đối tượng “Thám” có nghĩa là tìm hiểu, lấy thông tin về đối tượng Ta có thể hiểu một cách đơn giản Viễn thám là một ngành khoa học nghiên cứu đối tượng mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng Trong tiếng Anh, Viễn thám là “Remote Sensing”, thường được viết tắt là RS

Nếu nói một cách khoa học thì chúng ta có thể dùng định nghĩa sau:“ Viễn thám là một khoa học thu nhận thông tin của bề mặt Trái Đất mà không tiếp xúc trực tiếp với bề mặt ấy Điều này được thực hiện nhờ vào việc quan sát và thu nhận năng lượng phản xạ, bức xạ từ đối tượng và sau đó phân tích,

xử lý, ứng dụng những thông tin nói trên ”

2.1.1.2 Phân loại Viễn thám

a.Phân loại theo nguồn tín hiệu

Có hai loại Viễn thám:

- Viễn thám chủ động (active sensor): nguồn tia tới là các tia phát ra từ

các thiết bị nhân tạo, thường là các thiết bị đặt trên máy bay

- Viễn thám bị động (passive sensor): nguồn tia tới là các tia phát ra từ

mặt trời hoặc các vật chất tự nhiên khác

b Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo

- Vệ tinh địa tĩnh: là vệ tinh có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay

của Trái Đất, nghĩa là vị trí tương đối của vệ tinh so với Trái Đất là đứng yên

- Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực): là vệ tinh có mặt phẳng quỹ đạo

vuông góc hoặc gần vuông góc với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất Tốc độ quay của vệ tinh khác hoặc với tốc độ quay của Trái Đất và được thiết kế riêng sao cho thời gian thu ảnh trên mỗi vùng lãnh thổ của mặt đất là cùng giờ địa phương và thời gian thu lặp lại là sự cố định vị đối với một vệ tinh

c Phân loại theo dải phổ điện từ

- Viễn thám quang học: Là hệ thống Viễn thám mà thiết bị có thể hoạt

động trong vùng phổ điện từ như vùng như vùng sóng nhìn thấy (Visible), vùng cận cận hồng ngoại (Near Infrared), vùng giữa cận hồng ngoại (Middle Infrared) và vùng cận hồng ngoại ngắn (Short Wave Infrared) Các thiết bị cảm biến của hệ thống này rất nhạy cảm với bước sóng từ 300 – 3000nm

- Viễn thám cận hồng ngoại: là hệ thống mà bộ cảm hoạt động trong

vùng cận hồng ngoại, hay bộ cảm biến ghi lại năng lượng tỏa ra từ mặt đất trong dải phổ từ 3000nm đến 5000nm và 8000nm đến 14000nm Dải sóng ngắn hơn đề cập ở trên được sử dụng trong trường hợp quan sát đối tượng phát nhiệt cao như cháy rừng, dải sóng dài hơn được dùng cho việc quan sát

mặt đất thông thường ở nhiệt độ thấp hơn Vì thế Viễn thám cận hồng ngoại nhiệt được dùng phổ biến trong quan trắc cháy, ô nhiễm nhiệt

- Viễn thám siêu cao tần: Cảm biến của Viễn thám siêu cao tần ghi lại

các vi sóng tán xạ ngược của bước sóng trong dải phổ điện từ từ 1mm đến 1m Hầu hết các cảm biến siêu cao tần là Viễn thám chủ động, tức là có mang theo thiết bị phát năng lượng Do không phụ thuộc vào năng lượng mặt trời,

hệ thống này độc lập với thời tiết và bức xạ năng lượng (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005) [12]

2.1.1.3 Thành phần cơ bản của Viễn thám

Trong hầu hết các hệ thống Viễn thám, quá trình thu nhận tín hiệu diễn

ra bởi sự tương tác giữa bức xạ tới và đối tượng quan sát Sơ đồ dưới đây sẽ minh họa quá trình chụp ảnh Viễn thám, đồng thời trình bày bảy thành phần

cơ bản trong một hệ thống Viễn thám:

Hình 2.1 Thành phần của Viễn thám

Hệ thống Viễn thám thường bao gồm bảy phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau (Đặng Đình Dương, 2004) [1] Theo trình tự hoạt động của hệ thống, chúng ta có:

- Nguồn năng lượng: Thành phần đầu tiên của một hệ thống Viễn thám

là nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm Có loại Viễn thám sử dụng năng lượng mặt trời, có loại tự

cung cấp năng lượng tới đối tượng Thông tin Viễn thám thu thập được là dựa vào năng lượng từ đối tượng đến thiết bị nhận, nếu không có nguồn năng lượng chiếu sáng hay truyền tới đối tượng sẽ không có năng lượng đi từ đối tượng đến thiết bị nhận

- Những tia phát xạ và khí quyển: Vì năng lượng đi từ nguồn năng

lượng tới đối tượng nên sẽ phải tác động qua lại với vùng khí quyển nơi năng lượng đi qua Sự tương tác này có thể lặp lại ở một vị trí không gian nào đó vì năng lượng còn phải đi theo chiều ngược lại, tức là từ đối tượng đến bộ cảm

- Sự tương tác với đối tượng: Một khi được truyền qua không khí đến

đối tượng, năng lượng sẽ tương tác với đối tượng tuỳ thuộc vào đặc điểm của

cả đối tượng và sóng điện từ Sự tương tác này có thể là truyền qua đối tượng,

bị đối tượng hấp thu hay bị phản xạ trở lại vào khí quyển

- Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm: Sau khi năng lượng được phát ra

hay bị phản xạ từ đối tượng, chúng ta cần có một bộ cảm từ xa để tập hợp lại

và thu nhận sóng điện từ Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm mang thông tin về đối tượng

- Sự truyền tải, thu nhận và xử lý: Năng lượng được thu nhận bởi bộ

cảm cần phải được truyền tải, thường dưới dạng điện từ, đến một trạm tiếp nhận - xử lý nơi dữ liệu sẽ được xử lý sang dạng ảnh Ảnh này chính là dữ liệu thô

- Giải đoán và phân tích ảnh: Ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng

được Để lấy được thông tin về đối tượng người ta phải nhận biết được mỗi hình ảnh trên ảnh tương ứng với đối tượng nào Công đoạn để có thể “nhận biết” này gọi là giải đoán ảnh Ảnh được giải đoán bằng một hoặc kết hợp nhiều phương pháp Các phương pháp này là giải đoán thủ công bằng mắt, giải đoán bằng kỹ thuật số hay các công cụ điện tử để lấy được thông tin về các đối tượng của khu vực đã chụp ảnh

- Ứng dụng: Đây là phần tử cuối cùng của quá trình Viễn thám, được

thực hiện khi ứng dụng thông tin mà chúng ta đã chiết được từ ảnh để hiểu rõ hơn về đối tượng mà chúng ta quan tâm, để khám phá những thông tin mới, kiểm nghiệm những thông tin đã có nhằm giải quyết những vấn đề cụ thể

Như vậy, hệ thống Viễn thám bao gồm bẩy phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau và hoạt động theo nguyên lý sau:

- Nguồn năng lượng chính thường sử dụng cho các bộ cảm thụ động đó

là bức xạ mặt trời (quang học), các bộ cảm chủ động tự tạo ra nguồn năng lượng nhân tạo như sóng rada, tia laze

- Các nguồn năng lượng này tương tác với khí quyển và tương tác với các đối tượng được quan tâm trên bề mặt Trái Đất Năng lượng của sóng điện

từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được thu nhận bởi bộ cảm biến được đặt trên vật mang

- Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ghi nhận bởi ảnh Viễn thám và thông qua phân tích tự động trên phần mềm hoặc giải đoán trực tiếp dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia

- Cuối cùng các dữ liệu và các thông tin liên quan đến các vật thể và các hiện tượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nông lâm nghiệp, khí tượng, môi trường, thủy sản

2.1.1.4 Nguyên lý làm việc cơ bản của Viễn thám

Viễn thám nghiên cứu đối tượng bằng giải đoán và tách lọc thông tin từ

dữ liệu ảnh chụp hàng không, hoặc bằng việc giải đoán ảnh vệ tinh dạng số

Các dữ liệu dưới dạng ảnh chụp và ảnh số được thu nhận dựa trên việc ghi nhận năng tượng bức xạ (không ảnh và ảnh vệ tinh) và sóng phản hồi (ảnh radar) phát ra từ vật thể khi khảo sát Năng lượng phổ dưới dạng sóng điện từ, nằm trên các dải phổ khác nhau, cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ sẽ góp phần giải đoán đối tượng một cách chính xác hơn (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005) [12]

Nếu biết trước phổ phát xạ, phản xạ (emited/reflected) chuẩn của vật thể trong phòng thí nghiệm, xác định bằng các máy đo phổ, ta có thể giải đoán vật thể bằng cách phân tích đường cong phổ thu được từ ảnh vệ tinh

Các phần mềm xử lý ảnh số được phát triển, nhằm cho ra thông tin về phổ bức xạ của các vật thể hoặc các hiện tượng xảy ra trong giới hạn diện phủ của ảnh Xử lý ảnh số là kỹ nghệ làm hiển thị rõ ảnh và tách lọc thông tin từ các dữ liệu ảnh số, dựa vào các thông tin chìa khóa về phổ bức xạ phát ra

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp xử lý ảnh số được thực hiện trên các phần mềm xử lý ảnh như IDRISI, ERDAS (PC), ERDAS Imagine (UNIX), PCI, ERMAPER, DRAGON, ENVI,ILWIS

Hình 2.2 Nghiên cứu dữ liệu Viễn thám theo đa quan niệm

2 Đa nguồn dữ liệu: Dữ liệu ảnh thu nhận từ các nguồn khác nhau ở

các độ cao khác nhau, như ảnh chụp trên mặt đất, chụp trên khinh khí cầu, chụp từ máy bay trực thăng và phản lực đến các ảnh vệ tinh có người điều khiển hoặc tự động

3 Đa thời gian: Dữ liệu ảnh thu nhận vào các thời gian khác nhau

4 Đa độ phân giải: Dữ liệu ảnh có độ phân giải khác nhau về không

gian, phổ và thời gian

5 Đa phương pháp: Xử lý ảnh bằng mắt và bằng số

2.1.1.5 Các ngành khoa học liên quan

 Viễn thám và hệ thống thông tin địa lý GIS

Viễn thám sẽ là một phương pháp hiệu quả nhất khi nó được kết hợp chặt chẽ với các tư liệu của các bộ môn khoa học khác, đặc biệt là khi nó được vận dụng và kết hợp nhuần nhuyễn với kỹ thuật máy tính và hệ thông tin địa lý

Sự kết hợp giữa ảnh chụp Viễn thám và dữ liệu số trong GIS cùng với các công cụ phân tích kết hợp ảnh chụp và dữ liệu là rất cần thiết Hiểu biết về Viễn thám giúp chúng ta thực hiện được nhiều bài toán phân tích không gian hoặc ra quyết định một cách trực quan và chính xác Dữ liệu sử dụng cho Viễn thám chính là các ảnh chụp về thế giới tự nhiên bằng nhiều cách khác nhau Tuy nhiên trong nhiều bài toán, ảnh chụp không thể thay thế được các

dữ liệu trong GIS

Ảnh số chính là một phần của GIS, là thông tin tham chiếu cực kỳ hiệu quả cho GIS Công nghệ GIS ngày nay tích hợp với các tư liệu Viễn thám bằng nhiều cách khác nhau sao cho GIS có thể hoạt động hiệu quả trong những môi trường dữ liệu khác nhau Chúng ta có thể sử dụng Viễn thám và GIS để đo đạc và quan sát hay để phân tích, hiển thị và ra quyết định không gian Sự phong phú của dữ liệu không gian sẽ là một kết nối tốt giữa ảnh chụp

và các mô hình phân tích không gian (Lê Văn Nghinh, 2006)[11]

 GPS trong Viễn thám

Trong khoa học Viễn thám không thể không có một hệ thống định vị chung cho Trái Đất từ vệ tinh và giám sát từ mặt đất Hệ định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) bao gồm 24 vệ tinh quay quanh Trái Đất theo sáu quỹ đạo khác nhau, cứ bốn vệ tinh thành một nhóm quỹ đạo

Dữ liệu đầu vào được lưu trữ trong GPS là hệ thông tin về hệ tọa độ của các điểm khảo sát hoặc nó được gắn vào máy tính và chuyển dữ liệu mà nó thu được vào máy tính thông qua một phần mềm chuyên dụng Khi GPS gắn trên các đơn vị chuyển động như xe cộ và máy bay, nó ghi nhận tọa độ của các đường đi qua và chuyển vào máy tính

2.1.2 Cơ sở vật lý của Viễn thám

2.1.2.1 Bức xạ điện từ

 Sóng điện từ:

Thành phần đầu tiên của một hệ thống Viễn thám là nguồn năng lượng

để chiếu vào đối tượng Năng lượng này ở dạng sóng điện từ Tất cả sóng điện

từ đều có một thuộc tính cơ bản và phù hợp với lý thuyết sóng

Năng lượng ánh sáng có tính chất bức xạ tự nhiên với hai trường điện

và từ có hướng vuông góc với nhau, chuyển động tuân theo nguyên lý của sóng điều hòa

Khi có sự kết hợp của dao động điện trường và từ trường vuông góc với

nhau lan truyền trong không gian như sóng gọi là sóng điện từ

Sóng điện từ có các tính chất cơ bản như sau:

- Sóng điện từ được truyền trong môi trường đồng nhất theo kiểu hình sin với tốc độ gần bằng 3 x 108 m/s (tốc độ ánh sáng)

- Khoảng cách giữa các cực trị được gọi là bước sóng với đơn vị là độ dài Đây cũng chính là khoảng cách từ một điểm bất kỳ ở chu kỳ trước đến vị trí của chính nó ở chu kỳ sau trong đồ thị hình sin

- Số lượng các cực trị truyền qua một điểm nhất định trong thời gian một giây được gọi là tần số (√) - đơn vị của tần số là : herzt

• Các dải sóng của quang phổ điện từ

Hình 2.3 Dải sóng quang phổ điện từ

Quang phổ điện từ có các dải sóng chính như sau :

- Các tia vũ trụ: là các tia sáng từ vũ trụ có bước sóng vô cùng ngắn với ở<10-6 μm

- Các tia gamma có ở từ 10 -6 – 10 -4 μm

- Dải các tia x (X) có ở từ 10 -4 - 10-1 μm (hay 0,1) μm - 0,4 μm, thường được sử dụng trong y học Riêng dải từ 0,3-0,4 μm gọi là vùng cực tím tạo

ảnh, có thể sử dụng trong Viễn thám tia cực tím

- Dải tia nhìn thấy có ở từ 0,4 – 0,7 μm là dải phổ của ánh sáng trắng Trong dải nhìn thấy có chia nhỏ thành các dải ánh sáng đơn sắc:

* Blue (xanh lơ-lam): 0,4 - 0,5 μm

* Green (xanh lá cây – lục): 0,5 - 0,6 μm

* Red (đỏ) : 0,6 - 0,7 μm

- Sau vùng đỏ là dải cận hồng ngoại (infrared): từ 0,7-14 μm ,trong đó lại chia thành các vùng :

* Cận hồng ngoại phản xạ: 0,7-3 μm

* Cận hồng ngoại trung (giữa) : 3- 7 μm

* Cận hồng ngoại nhiệt (xa) : 7- 14 μm

- Vùng sóng Radar hay vi sóng (vi sóng - microwave): là các vùng có bước sóng dài hơn nhiều so với vùng cận hồng ngoại, độ dài sóng từ 1mm đến 1m

- Sau vùng Radar là sóng radio có bước sóng > 30 cm

2.1.2.2 Tương tác năng lượng

 Tương tác năng lượng trong khí quyển:

Những ảnh hưởng của khí quyển dưới ánh sáng khi truyền qua nó là tán

xạ, truyền qua và hấp thụ ánh sáng của khí quyển Những ảnh hưởng này có nguyên nhân là tương tác cơ học của các thành phần khí quyển đối với ánh sáng Với bất kỳ một nguồn sáng nào, toàn bộ bức xạ cảm nhận được bằng các thiết bị Viễn thám nhỏ bé khác trong khí quyển, khi đường kính của chúng nhỏ hơn bước sóng của tia bức xạ Ảnh hưởng của tán xạ Rayleigh là tỉ

lệ nghịch với mũ bậc 4 của bước sóng Do đó khi bước sóng ngắn thì sự tán

xạ mạnh hơn so với tán xạ của tia sáng có bước sóng dài

Bầu trời có màu xanh Blue chính là một biểu hiện rõ ràng nhất của hiện tượng tán xạ Rayleigh, nếu không có hiện tượng tán xạ, bầu trời sẽ có màu đen Trong trường hợp này sự tán xạ của các tia màu xanh lơ (blue) là nổi hơn

cả so với các tia sáng khác trong dải nhìn thấy Vào lúc buổi sáng sớm hoặc lúc mặt trời lặn các tia mặt trời phải truyền qua một khoảng cách đường truyền lớn hơn so với buổi trưa, khi đó sự tán xạ và hấp thụ của các sóng ngắn

là hoàn toàn chấm dứt và chúng ta chỉ nhìn thấy một phần nhỏ các tia được tán xạ ở bước sóng dài hơn đó là các tia màu đỏ (red) và da cam (magenta)

Hiện tượng tán xạ cũng là nguyên nhân đầu tiên gây nên hiện tượng sương mù trên ảnh vệ tinh Tất nhiên hiện tượng sương mù sẽ làm giảm độ nét hay độ tương phản của hình ảnh Đối với ảnh màu, đó là hiện tượng xuất hiện nhiều màu xanh lơ trải đều trên toàn ảnh Để khác phục hiện tượng này,

một tấm lọc thường được đặt trước ống kính để tránh cho những tia sáng có

bước sóng ngắn truyền vào phim, tấm lọc đó gọi là lọc sương mù Ngoài ra,

có thể có nhiều loại lọc khác như lọc tia xanh lơ (lọc Blue), lọc tia cực tím (lọc UV)

Ngoài hiện tượng tán xạ Rayleigh còn có hiện tượng tán xạ Mie khi mà các hạt nhỏ trong không khí có đường kính bằng bước sóng của tia sáng Hơi nước và khói (chúng có đường kính từ 5- 100 μm) là nguyên nhân của hiện tượng tán xạ Mie Hiện tượng tán xạ này ảnh hưởng đến các tia sáng có bước sóng dài so với các tia có bước sóng ngắn ở tán xạ Rayleigh Tuy nhiên, trong

tự nhiên thì hiện tượng tán xạ Rayleigh là phổ biến hơn cả Trong trường hợp ở vùng nhìn thấy, khi các tia màu lơ, lam và đỏ được tán xạ, đều nhau do sương

mù và mây thì thường xuất hiện màu trắng do ảnh hưởng của tán xạ Mie

- Sự hấp thụ:

Ngược lại với hiện tượng tán xạ, sự hấp thụ bởi khí quyển là nguyên

nhân đều phải truyền qua một khoảng cách nào đó trong khí quyển, khoảng

cách đó gọi là khoảng cách đường truyền (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005) [12]

- Sự truyền qua:

Ngoài phần bị hấp thụ hoặc tán xạ, năng lượng ánh sáng mặt trời có thể được truyền qua khí quyển để đến Trái Đất Cửa sổ khí quyển là vùng mà năng lượng ánh sáng có thể truyền qua và đến các đối tượng trên mặt đất, nhờ

đó các máy cảm biến có thể ghi nhận được năng lượng ánh sáng

 Tương tác với các đối tượng trên mặt đất

Khi năng lượng điện từ rơi vào một vật thể ở trên mặt đất, sẽ có 3 thành phần năng lượng cơ bản tương tác với đối tượng, đó là: phản xạ, hấp thụ và (hoặc) truyền qua (hình 2.6):

E I(λ) = E R(λ) + E A(λ) + E T (λ)

trong đó: E I - năng lượng rơi xuống; E R - năng lượng phản xạ;

E A - năng lượng hấp thụ; E T - năng lượng truyền qua

Toàn bộ các năng lượng này là hàm của một bước sóng ở nào đó

Tỉ lệ giữa các hợp phần năng lượng phản xạ, hấp thụ và truyền qua rất khác nhau, tùy thuộc vào các đặc điểm của đối tượng trên bề mặt, cụ thể là thành phần vật chất và tình trạng của đối tượng Ngoài ra tỉ lệ giữa các hợp phần đó còn phụ thuộc vào các bước sóng khác nhau

Như vậy, sẽ có nhiều trường hợp là hai đối tượng có cùng một đặc điểm trong các dải phổ khác Chính vì vậy, trong vùng nhìn thấy màu sắc của một đối tượng chính là thể hiện sự phản xạ trội hơn cả trong một dải sóng nào đó Chẳng hạn màu xanh lơ của một vật chính là sự phản xạ của nó trội hơn ở vùng sóng Blue (0,4 - 0,5 μm) Lá cây có màu xanh chàm do chúng phản xạ mạnh dải phổ Green (0,5 - 0,6 μm) Như vậy, mắt sử dụng sự khác nhau về cường độ năng lượng phản xạ phổ để phân biệt các đối tượng

Trong Viễn thám, thành phần năng lượng phổ phản xạ là rất quan trọng và Viễn thám nghiên cứu sự khác nhau đó để phân biệt các đối tượng

Vì vậy, năng lượng phổ phản xạ thường được sử dụng để tính sự cân bằng năng lượng:

E I(λ) = E R(λ) + [ E A(λ) + E T (λ)]

Công thức trên nói lên rằng năng lượng phản xạ thì bằng năng lượng rơi xuống một đối tượng sau khi đã bị suy giảm do việc truyền qua hoặc hấp thụ đối tượng Tỉ lệ giữa các hợp phần năng lượng đó là khác nhau tuỳ thuộc vào bước sóng

Trong tự nhiên có các trạng thái phản xạ năng lượng ánh sáng thông thường liên quan đến đặc điểm cấu tạo bề mặt và thành phần vật chất của đối tượng

2.1.2.3 Phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên

Đồ thị phổ phản xạ được xây dựng với chức năng là một hàm số của giá

trị phổ phản xạ và bước sóng, được gọi là đường cong phổ phản xạ Hình dáng của đường cong phổ phản xạ cho biết một cách tương đối rõ ràng tính chất phổ của một đối tượng và hình dạng đường cong phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn các dải sóng mà ở đó thiết bị Viễn thám có thể ghi nhận được các tín hiệu phổ

Hình 2.4 Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên

Hình dạng của đường cong phổ phản xạ còn phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của các đối tượng Trong thực tế, các giá trị phổ của các đối tượng khác nhau, của một nhóm đối tượng cũng rất khác nhau, song về cơ bản chúng dao động xung quanh giá trị trung bình

- Thực vật : Thực vật khoẻ mạnh chứa nhiều diệp lục tố (Chlorophil),

phản xạ rất mạnh ánh sáng có bước sóng từ 0,45 - 0,67μm (tương ứng với dải sóng màu lục - Green) vì vậy ta nhìn thấy chúng có màu xanh lục Khi diệp lục tố giảm đi, thực vật chuyển sang có khả năng phản xạ ánh sáng màu đỏ trội hơn Kết quả là lá cây có màu vàng (do tổ hợp màu Green và Red) hoặc màu đỏ hẳn (rừng ở khí hậu lạnh, hiện tượng này khá phổ biến khi mùa đông đến), ở vùng cận hồng ngoại phản xạ (từ 0,7 -1,3 μm) thực vật có khả năng

phản xạ rất mạnh, khi sang vùng cận hồng ngoại nhiệt và vi sóng (Microwave) một số điểm cực trị ở vùng sóng dài làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của hơi nước trong lá, khả năng phản xạ của chúng giảm đi rõ rệt và ngược lại, khả năng hấp thụ ánh sáng lại tăng lên Đặc biệt đối với rừng có nhiều tầng lá, khả năng đó càng tăng lên (ví dụ rừng rậm nhiệt đới)

- Nước : nước trong chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng của tia xanh lơ

(Blue) và yếu dần khi sang vùng tia xanh lục (Green), triệt tiêu ở cuối dải sóng đỏ (Red) Khi nước bị đục, khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hưởng sự tán xạ của các vật chất lơ lửng Sự thay đổi về tính chất của nước (độ đục, độ mặn, độ sâu, hàm lượng Clorophyl, ) đều ảnh hưởng đến tính chất phổ của chúng Nghĩa là khi tính chất nước thay đổi, hình dạng đường cong và giá trị phổ phản xạ sẽ bị thay đổi

- Đất khô: đường cong phổ phản xạ của đất khô tương đối đơn giản, ít có

những cực đại và cực tiểu một cách rõ ràng, lý do chính là các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất phổ của đất khá phức tạp và không rõ ràng như ở thực vật

Các yếu tố ảnh hưởng đến đường cong phổ phản xạ của đất là: lượng

ẩm, cấu trúc của đất (tỉ lệ cát, bột và sét), độ nhám bề mặt, sự có mặt của các loại oxyt kim loại, hàm lượng vật chất hữu cơ, Các yếu tố đó làm cho đường cong phổ phản xạ biến động rất nhiều quanh đường cong có giá trị trung bình

Tuy nhiên quy luật chung là giá trị phổ phản xạ của đất tăng dần về phía sóng có bước sóng dài Các cực trị hấp thụ phổ do hơi nước cũng diễn ra ở

vùng 1,4 μm; 1,9 μm; và 2,7 μm (Lê Văn Nghinh, 2006)[10]

- Đá: đá cấu tạo khối, khô có dạng đường cong phổ phản xạ tương tự

như của đất song giá trị tuyệt đối thường cao hơn Tuy nhiên, cũng như đối với đất, sự biến động của giá trị phổ phản xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố của đá: mức độ chứa nước, cấu trúc, cấu tạo, thành phần khoáng vật, tình trạng bề mặt

Tóm lại

- Phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà Viễn thám thu được về các đối tượng Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ (cường độ, dạng đường cong ở các dải sóng khác nhau) có thể phân tích, so sánh và nhận diện các đối tượng trên bề mặt Thông tin về phổ phản xạ là thông tin đầu tiên, là tiền đề cho các phương pháp phân tích xử ảnh trong Viễn thám, đặc biệt là xử lý số

- Các đối tượng khác nhau trong cùng một nhóm đối tượng sẽ có dạng đường cong phổ phản xạ chung, tương đối giống nhau, song sẽ khác nhau về các chi tiết nhỏ trên đường cong, hoặc khác nhau về độ lớn giá trị cường độ phản xạ Khi tính chất của đối tượng bị thay đổi thì đường cong phổ phản xạ cũng sẽ bị biến đổi

2.1.3 Viễn thám và một số ứng dụng của Viễn thám

Hiện nay, Viễn thám được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác nhau và dưới đây là giới thiệu những ứng dụng chính (Bảo Huy, 2007) [5] :

- Nghiên cứu địa chất: Viễn thám từ lâu đã được ứng dụng để giải

đoán các thông tin địa chất Dữ liệu Viễn thám được dùng cho giải đoán là các ảnh máy bay, ảnh vệ tinh và ảnh Radar Lĩnh vực dùng dữ liệu này có thể

kể đến là địa mạo, cấu trúc địa chất, trầm tích, khai khoáng, dầu mỏ, địa tầng, địa chất công trình, nước ngầm và các nghiên cứu về địa chất môi trường Dữ liệu ảnh Radar cho phép nghiên cứu cấu trúc địa chất một cách hữu hiệu vì ảnh Radar rất nhạy cảm với địa hình Tổ hợp dữ liệu Viễn thám với dữ liệu địa lý sẽ làm giàu thêm khả năng nghiên cứu các thông tin địa chất cần quan tâm Một số ứng dụng của Viễn thám trong địa chất có thể kể ra như sau:

* Ứng dụng trong nghiên cứu địa mạo: các dạng địa hình được thể hiện

rất rõ trên ảnh Viễn thám (địa hình kiến tạo, núi lửa, địa hình sông suối, địa hình tam giác châu, địa hình thành tạo do cát, thành tạo do băng) và được giải đoán một cách chính xác

* Cấu trúc địa chất: giải đoán các bề mặt và độ dốc của tầng trầm tích,

các yếu tố uốn nếp, đứt gãy, linearment và chuyển động nâng hạ (dùng ảnh giao thoa Radar), các rift núi lửa hiện đại, các cấu trúc vòng, tiêm nhập, bất chỉnh hợp địa tầng, các ứng dụng trong nghiên cứu địa động lực

* Nghiên cứu thạch học: định các đá trầm tích, macma, biến chất và

thành tạo xen kẽ khác Nghiên cứu trật tự địa tầng và tương quan tuổi

* Ứng dụng trong khai khoáng và khai thác dầu

* Điều tra khảo sát nước ngầm, điều tra địa chất công trình

- Nghiên cứu môi trường: Viễn thám là phương tiện hữu hiệu để

nghiên cứu môi trường đất liền (xói mòn, ô nhiễm), môi trường biển (đo nhiệt

độ, màu nước biển, gió sóng)

- Nghiên cứu khí hậu và quyển khí: đặc điểm tầng ozon, mây, mưa,

nhiệt độ quyển khí, dự báo bão và nghiên cứu khí hậu qua dữ liệu thu từ vệ tinh khí tượng

- Nghiên cứu thực vật, rừng: Viễn thám cung cấp ảnh có diện phủ toàn

cầu nghiên cứu thực vật theo ngày, mùa vụ, năm, tháng và theo giai đoạn Thực vật là đối tượng đầu tiên mà ảnh Viễn thám vệ tinh thu nhận được thông tin Trên ảnh Viễn thám chúng ta có thể tính toán sinh khối, độ trưởng thành

và sâu bệnh dựa trên chỉ số thực vật, có thể nghiên cứu cháy rừng qua các ảnh

vệ tinh

- Nghiên cứu thủy văn: Mặt nước và các hệ thống dòng chảy được

hiển thị rất rõ trên ảnh vệ tinh và có thể khoanh vị được chúng Dữ liệu ảnh vệ tinh, được ghi nhận trong mùa lũ, là dữ liệu được sử dụng để tính toán diện tích thiên tai và cho khả năng dự báo lũ lụt

- Nghiên cứu các hành tinh khác: Các dữ liệu Viễn thám thu từ vệ

tinh cho phép nghiên cứu các vì sao và Mặt trăng Điều này khẳng định rằng Viễn thám là một công nghệ và có ứng dụng hết sức rộng lớn vượt ra khỏi tầm Trái Đất

2.2 Ứng dụng Viễn thám trong chuẩn đoán sinh khối thực vật

2.2.1 Khái niệm cơ bản

- "Sinh khối là tổng trọng lượng của sinh vật sống trong sinh quyển hoặc số lượng sinh vật sống trên một đơn vị diện tích, thể tích vùng"

Khối lượng sinh khối trong sinh quyển ước tính là n.1014 - 2.1016 tấn Trong đó, riêng ở các đại dương hiện có 1,1 109 tấn sinh khối thực vật và 2,89 1010 tấn sinh khối động vật Phần chủ yếu của sinh khối tập trung trên lục địa với ưu thế nghiêng về phía sinh khối thực vật

Sinh khối của Trái Đất hiện chiếm một tỷ lệ nhỏ so với trọng lượng của toàn bộ Trái Đất và rất bé so với thạch quyển, thuỷ quyển Tuy nhiên, trong thời gian địa chất lâu dài, từ khi xuất hiện vào khoảng 3 tỷ năm trước đây, sinh khối Trái Đất đã thực hiện một chu trình biến đổi mạnh mẽ một khối lượng lớn vật chất trên Trái Đất Sinh khối có mặt trên hầu hết các loại đất đá trầm tích, biến chất và các khoáng sản trầm tích của Trái Đất dưới dạng vật

chất hữu cơ Theo tính toán của của các nhà khoa học, tổng khối lượng vật chất hữucơ trong toàn bộ các đá trầm tích là 3,8 1015 tấn Như vậy, sinh khối

thực vật được định nghĩa: “ Sinh khối thực vật là tổng trọng lượng của thực vật trên một đơn vị diên tích hoặc diện tích vùng ”

- NDVI được tính toán dựa trên sự khác biệt phản xạ ánh sáng cận cận hồng ngoại và ánh sáng đỏ trên đối với thực vật Do lá cây phản xạ mạnh với bức xạ cận cận hồng ngoại, trong khi chlorophyl của lá cây hấp thụ mạnh ánh sáng đỏ của bức xạ trong vùng nhìn thấy NDVI thường được sử dụng để ước tính năng suất sơ cấp cũng như sinh khối của thực vật, cũng như giám sát rừng và cây trồng Giá trị của NDVI (từ -1 đến 1) càng cao thể hiện hoạt động quang hợp càng mạnh

- LAI (Leaf Area Index) là tỉ số giữa diện tích bề mặt lá của tán cây với

diện tích bề mặt đất mà cây phát triển tại đó LAI là chìa khóa cho cấu trúc đặc trưng của thảm thực vật và có mối quan hệ chặt chẽ với hoạt động quang hợp, sự bốc hơi nước, năng suất và điều kiện của thảm thực vật LAI có thể được sử dụng để ước tính sinh khối, động thái của thảm thực vật hay dự báo mùa vụ Chỉ số (từ 0 đến 6) càng thấp thì thảm thực vật phát triển không tốt

- FAPAR (The Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation – FAPAR) là phần bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi thực vật thông

qua quá trình quang hợp Do đó, FAPAR có mối quan hệ chặt chẽ với năng suất và sản lượng sơ cấp thuần Với chỉ số này điều kiện của cây trồng có thể được đo lường Giá trị FAPAR từ 0 đến 1 hoặc từ 0 đến 100% (Bùi Lâm Hà, 2011) [4]

- Tỷ số chỉ số thực vật RVI (ratio vegetion index)

RIV = IR/R

RVI thường dùng để xác định chỉ số diện tích lá, sinh khối khô của lá

và hàm lượng chất diệp lục trong lá Vì vậy chỉ số RVI được dùng để đánh giá mức độ che phủ và phân biệt các lớp thảm thực vật khác nhau nhất là những thảm thực vật có độ che phủ cao

2.2.2 Thành phần hóa học của cây trồng tạo nên sinh khối

Cây trồng sử dụng thức ăn từ những chất đơn giản trong không khí, đất

và phân bón Những chất này là thức ăn cần thiết và thực tế chúng là những

nguyên liệu thô để tổng hợp lên thức ăn Thực vật giống những cơ thể khác,

có những tế bào đặc trưng cho chúng và được tạo ra từ những hydratcacbon,

mỡ, prôtêin và nucleoprotein Để các tế bào hoạt động theo các chức năng cần hàng loạt enzim Do đó thực vật đòi hỏi lượng lớn cacbon (C), oxy (O2), hydro (H2), nito (N), photpho (P), kali (K), lưu huỳnh (S), canxi (Ca), và magie (Mg) để cấu tạo nên các tế bào Ngoài ra thực vật cũng cần một lượng nhỏ các nguyên tố như: sắt (Fe), kẽm (Zn), đồng (Cu), bo (B)… để hình thành enzim và các tế bào của chúng

Thực vật hấp thụ từ đất những lượng khác nhau và tỷ lệ khác nhau các chất dinh dưỡng và điều này phụ thuộc vào từng loại thực vật cũng như từng thời kỳ sinh trưởng và phát triển Nhiều nghiên cứu cho thấy các loài ngũ cốc thường hấp thu ít dinh dưỡng khoáng hơn các loài khác, nhưng lại cho năng suất chất khô lớn hơn cây trồng làm thức ăn cho gia súc; cỏ, cây họ đậu, và các cây trồng họ đậu có nhu cầu dinh dưỡng lớn hơn (Nguyễn Ngọc Nông, 1999)[10]

Thực vật đòi hỏi các chất dinh dưỡng để thực hiện ba chức năng cơ bản: hình thành chất nguyên sinh và các enzim cần cho sự sống; hình thành các mô chống đà và bảo vệ sinh chất của nó; vận chuyển các chất dinh dưỡng

từ cơ quan này tới cơ quan khác

Những mô chống đà của thực vật được cấu tạo từ xenluloza, hemixenluloza và lignin Chất này cấu tạo nên những mô trưởng thành điển hình Các enzim trong thực vật được tạo nên từ protein, nucleoprotein, các chất này có chứa một lượng lớn nito, photpho và một ít lưu huỳnh

Các chất lỏng vận chuyển các chất dinh dưỡng đi đến các bộ phận của thực vật Thực vật phát triển nhanh và mạnh khi có đủ lượng enzim và khi có một lượng chất khoáng vừa đủ Sự đòi hỏi dinh dưỡng diễn ra cực đại ở giai đoạn còn non và sau đó giảm dần (Nguyễn Như Hà,2006) [3]

Thực vật không chỉ hút chất dinh dưỡng từ đất mà ngược lại, chúng còn thải vào đất những chất dinh dưỡng Nước mưa rơi qua các lá cũng có thể rửa trôi một số chất dinh dưỡng, đặc biệt là kali

Thành phần và tính chất của đất cũng ảnh hưởng đến thành phần hóa học của thực vật gieo trồng trên đất đó Trong đa số cơ quan dinh dưỡng, chứa từ 70 – 95 % nước, còn trong hạt có 5 – 15 % là nước Lượng nước trong hạt các cây họ hòa thảo chiếm tới 10 – 15 %, trong cây hạt dầu chiếm 5 – 10 % Trong rau xanh lượng nước chiếm tới 95% Lượng chất khô trong hạt lúa có khoảng 89%, đậu đỗ 87%, củ cải đường 25%, khoai tây 22%

Chất khô trong thực vật chủ yếu là protein và những hợp chất chứa đạm khác, chất béo, hydratcacbon, tinh bột, đường, xenluloza, chất pectin

Lượng chứa protein, tinh bột, chất béo ở các thực vật khác nhau thì khác nhau Trong hạt cây đậu đỗ lượng Protein lớn hơn 2 lần so với hạt của kiều mạch Trong hạt của cây họ hòa thảo, trong củ khoai tây chứa nhiều tinh bột, trong củ cải đường, mía lại chứa nhiều đường; xenluloza có nhiều trong cây bông

Thành phần hóa học của thực vật sống và sinh khối thực vật đã hong khô khác nhau nhiều Trong thực vật sống thì oxi chiếm vị trí hàng đầu, khoảng 70%, ba nguyên tố O2, C, H2 chiếm đến 98,5 % khối lượng thực vật

Thực vật đã hấp thụ CO2 trong quá trình quang hợp và H2O qua rễ tạo thành những chất hữu cơ không chứa đạm đơn giản gồm C, O, H Khi đốt thực vật còn lại những nguyên tố tro, chúng chiếm khoảng 5% khối lượng chất khô Những nguyên tố tro trong thực vật phụ thuộc vào những điều kiện gieo trồng và các đặc tính sinh học Thành phần tro của các thực vật khác nhau thì khác nhau vì chúng hút những nguyên tố dinh dưỡng khác nhau

Bằng những phương pháp thực nghiệm hiện nay cho thấy, có nguyên tố được xếp vào loại rất cần cho dinh dưỡng của thực vật và 12 nguyên tố cần thiết nhưng có điều kiện

Những nguyên tố rất cần cho dinh dưỡng là những nguyên tố mà không

có chúng, thực vật không thể kết thúc chu trình phát triển và không thể thay thế chúng bằng những nguyên tố khác Những nguyên tố chứa trong cơ quan thực vật lớn từ vài phần nghìn đến vài phần trăm, được xếp vào các nguyên tố

đa lượng Những nguyên tố chứa trong các thực vật ở lượng rất nhỏ vài phần nghìn được xếp vào các nguyên tố vi lượng

2.2.3 Ứng dụng Viễn thám trong chuẩn đoán sinh khối

Nhằm hỗ trợ việc tính toán sinh khối rừng một cách nhanh chóng và kịp thời, nhiều quốc gia trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu tính toán trữ lượng sinh khối của thảm thực vật dựa trên ảnh Viễn thám như Landsat, SPOT, AVHRR NOAA, ALOS,… Có rất nhiều phương pháp ước tính sinh khối từ các ảnh vệ tinh thông qua các giá trị như hệ số bức xạ, hệ số phản xạ, chỉ số

chuẩn hóa các thực vật khác nhau (The Normalized Difference Vegetation Index –NDVI), chỉ số diện tích bề mặt lá (Leaf Area Index – LAI), hệ số bức

xạ của hoạt động quang hợp (The Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation – FAPAR) (Dương Văn Khảm, 2011) [6]

Các bước tiến hành ước tính sinh khối bề mặt tán rừng dựa trên các chỉ

số được tiến hành theo sơ đồ sau:

Hình 2.5 Các bước tiến hành tính toán bề mặt sinh khối rừng

Ước tính sinh khối bề mặt tán rừng sử dụng ảnh vệ tinh ALOS

AVNIR-2 được thực hiện dựa vào kênh ảnh có bước sóng ở vùng cận cận hồng ngoại (kênh 4) và kênh ảnh ở vùng ánh sáng màu đỏ (kênh 3) để tại chỉ số NDVI, từ giá trị này sẽ xác định được độ che phủ của tán rừng thông qua giá trị LAI (chỉ số diện tích bề mặt lá) và đánh giá hiệu suất của hoạt động quang hợp, tức là đánh giá khả năng tạo sinh khối của rừng thông qua giá trị fAPAR – bức xạ được hấp thụ cho hoạt động quang hợp tạo sinh khối của cây

Cho đến ngày nay, các chỉ tiêu khác nhau liên quan đến cây trồng và sinh lý của cây trồng như diện tích lá (LAI), tỷ lệ N, C, S; hàm lượng N hấp thụ, sinh khối, diệp lục đã được dự báo một cách tin cậy bằng các kỹ thuật của

Ảnh vệ tinh

Hệ số bức xạ Hệ số phát xạ

LAI fAPAR

Viễn thám Kỹ thuật này có đặc tính nhanh, không phá hủy cấu trúc của thực vật, chi phí thấp Vì vậy trong mấy thập kỷ qua, kỹ thuật Viễn thám đã được

sử dụng nhiều vào việc theo dõi và dự báo năng suất và sinh khối của cây trồng (Casanova, 1998) [14]

Kỹ thuật Viễn thám cho hình ảnh trong giải quang phổ hẹp (<10nm) và liên lục Nó cung cấp một phổ liên tục cho mỗi điểm ảnh Vì vậy dữ liệu của

kỹ thuật Viễn thám được coi là nhạy cảm hơn với cây trồng (Hansen và Schjoerring, 2003) [17] Phương pháp chung để có được dữ liệu về phản xạ của cây trồng là chuyển đổi và tính trung bình phản xạ của ánh sáng xanh da trời (Blue), ánh sáng xanh lá cây (Green), ánh sáng đỏ (Red), và vùng cận hồng ngoại gần (near-infrared) có bước sóng lần lượt là 450 – 520nm, 520 – 600nm, 630 – 690nm, 760 –790nm giống như các bước sóng của Landsat Thematic Mapper (Bausch, 1990)[13]

Phản xạ của các khoảng sóng rộng được sử dụng để tính toán các chỉ số như NDVI hoặc RVI từ đó dự đoán được các thông số thực vật cần theo dõi như: hàm lượng N trong lá, năng suất, diệp lục và đặc biệt là sinh khối tươi và khô của cây trồng

2.3 Cơ sở khoa học của để tài

Hiện tại người dân thường bón phân theo liều lượng và số lần định sẵn cho mỗi giai đoạn sinh trưởng quan trọng và thừa nhận đó là hàm lượng dinh dưỡng mà cây trồng cần Thực tế, nhu cầu về phân bón của cây trồng luôn biến đổi lớn vì có sự khác nhau về khả năng cung cấp dinh dưỡng của đất trong các cánh đồng, giữa các vụ và qua các năm Để tăng hiệu quả sử dụng phân bón thì liều lượng và thời gian bón phân cần được xác định dựa trên tình trạng dinh dưỡng của cây trồng, vì hàm lượng các chất dinh dưỡng trong lá liên quan chặt tới khả năng quang hợp và hàm lượng chất khô mà cây trồng tích lũy được (Nguyễn Thị Lân, 2009) [7]

Muốn xác định hàm lượng các chất dinh dưỡng trong cây trồng cần tiến hành lấy mẫu, sấy khô, cân khối lượng, nghiền mẫu và phân tích trong phòng thí nghiệm tốn hóa chất và nguy hiểm Mặt khác còn hạn chế thời gian bón

phân tối thích cho cây trồng vì khoảng thời gian lấy mẫu và thu được kết quả quá dài Có nhiều phương pháp xác định các chất dinh dưỡng trong cây mà không cần công phá mẫu như kỹ thuật đo phản xạ tán được coi là nhanh và chính xác

Sự có mặt của các ion trong môi trường luôn luôn có ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của thực vật Từ cơ sở khoa học của việc tích lũy CNS và tạo sinh khối của thực vật, thực vật có khả năng tích lũy các chất nhất định trong các

bộ phận : lá, chồi, rễ, cành… Các ion này tích tụ trong cây sẽ có ảnh hưởng nhất định đến thành phần các chất và cấu trúc của cây như : diệp lục, độ dày

và cấu trúc tán lá… Mặt khác, ta thấy thực vật có phản xạ phổ cao nhất ở bước sóng màu lục (0,5-0,6 μm) trong vùng nhìn thấy và do đó có màu xanh lục Các đặc trưng phản xạ phổ của thực vật nổi bật nhất ở vùng cận hồng ngoại gần (0,7-1,4μm), bước sóng này thực vật phản xạ mạnh Mức độ phản

xạ của thực vật phụ thuộc vào lượng Chlorophyll (diệp lục), độ dày tán lá và cấu trúc tán lá… mà các bộ phận này chính là nơi tích lũy CNS và tạo thành sinh khối của cây trồng Mỗi một cá thể thực vật hoặc các loài thực vật khác nhau sẽ cho nhưng phản xạ tán khác nhau, đặc biệt là ở bước sóng cận hồng ngoại Các đối tượng khác nhau trong cùng một nhóm đối tượng sẽ có dạng đường cong phổ phản xạ chung, tương đối giống nhau, song sẽ khác nhau về các chi tiết nhỏ trên đường cong, hoặc khác nhau về độ lớn giá trị cường độ phản xạ Khi tính chất của đối tượng bị thay đổi thì đường cong phổ phản xạ cũng sẽ bị biến đổi Đây chính là cơ sở của ứng dụng này (Nguyễn Thế Hùng,2004) [18]

2.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan trực tiếp đến đề tài

Hiện nay, vấn đề biến đổi khí hậu đang diễn ra phổ biến trên Thế giới

và đang là vấn đề môi trường bức xúc của nhân loại Việc xác định tích lũy các nguyên tố C,N, S và sinh khối có vai trò rất quan trọng trong việc tính toán lượng phân bón hợp lý làm giảm lượng phát thải khí nhà kính Có rất nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để xác định hàm lượng CNS trong cây Các tác giả đánh giá hàm lượng CNS trong cây chủ yếu bằng

phương pháp phân tích hoặc trồng cây để theo dõi sự sinh trưởng và tích lũy CNS của cây Phương pháp phân tích cây thường cho kết quả chính xác nhưng thường tốn thời gian, chi phí lớn, sử dụng nhiều hóa chất độc hại nên ảnh hưởng xấu tới môi trường và sức khỏe của con người

Gần đây nhiều tác giả nghiên cứu ứng dụng phản xạ của thực vật trong việc phát hiện sớm sinh trưởng và tình trạng dinh dưỡng đa lượng và vi lượng của cây Các kết quả nghiên cứu đều cho thấy phản xạ của cây trồng có liên quan mật thiết tới tình hình sinh trưởng và dinh dưỡng của cây Ảnh hưởng của nguyên tố CNS tới phản xạ thực vật đã được nghiên cứu bước đầu Kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy thực vật tích lũy CNS khác nhau thì thường có phản xạ khác nhau, đặc biệt là ở bước sóng cận hồng ngoại Chính

vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên tố CNS và sinh khối tới đặc tính phản xạ của cây, tìm ra sự khác biệt trong phản xạ của cây sẽ giúp cho việc đánh giá được sự tích lũy CNS trong cây, từ đó tính toán phương trình bón phân hợp lý, giúp giảm biến đổi khí hậu

Phần 3 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài thực hiện nghiên cứu:

- Cây ngô: các nhân tố ảnh hưởng đến sinh khối của ngô

- Phản xạ tán của cây ngô

3.1.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng phản xạ của thực vật vào xác định sự tích lũy sinh khối trong cây ngô bằng các số liệu về sinh khối và ảnh chụp phản xạ tán của ngô được thực hiện tại trường Đại học Nông Lâm từ tháng 2 năm 2012 đến tháng 4 năm 2012

3.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu

- Địa điểm nghiên cứu: Đề tài được thực hiện tại Trường Đại học Nông

Lâm Thái Nguyên

- Thời gian nghiên cứu: từ ngày 06 tháng 02 năm 2012 đến 30 tháng 4

năm 2012

3.3 Nội dung nghiên cứu

- Giới thiệu chung về cây ngô

- Ảnh hưởng của các nhân tố đến sinh khối của ngô

- Ảnh hưởng của các nhân tố đến phản xạ tán của ngô

- Ảnh hưởng của các giai đoạn sinh trưởng và phát triển khác nhau đến phản xạ tán của ngô

- Mối tương quan giữa phản xạ tán và sinh khối của ngô

3.4 Phương pháp nghiên cứu

3.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu

- Thu thập các tài liệu về phản xạ của thực vật và khả năng tích lũy sinh khối trong cây trồng từ các báo cáo, khóa luận, các bài báo, tạp chí và các giáo trình đã có

- Thu thập số liệu về sinh khối và phản xạ tại các bước sóng khác nhau của ngô qua các lần lấy mẫu và chụp ảnh thí nghiệm

- Kế thừa tài liệu, số liệu về quy trình bón phân, bố trí thí nghiệm ngô tại Khu công nghệ cao – Khoa Nông Học – Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên

3.4.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng

Cơ sở lựa chọn thí nghiệm là do có sự khác nhau về sinh khối giữa các

ô thí nghiệm Đây là thí nghiệm được bố trí trước từ tháng 2 năm 2012 nhằm mục đích đánh giá ảnh hưởng của các giống ngô và đạm đến sinh trưởng và phát triển của ngô

Thí nghiệm được bố trí tại Khu Công nghệ cao – Khoa Nông học – Trường đại học Nông Lâm Thái Nguyên

 Vật liệu thí nghiệm:

- Cây trồng: Cây ngô

- Môi trường đất thí nghiệm: pH = 6,0; Mùn = 1,7 %, đạm = 0,14 %, Lân = 0,13 %, Kali = 0,2 % Đây là một loại đất có giàu dinh dưỡng thích hợp với cây trồng

- Phân bón: Phân đạm, phân lân và phân Kali để phục vụ cho thí nghiệm

 Quy mô nghiên cứu thí nghiệm của đề tài:

- Mục đích của nghiên cứu thí nghiệm là nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các nhân tố (giống và đạm) đến sinh khối và phản xạ của cây trồng Từ

đó, tìm ra mối tương quan giữa sinh khối và phản xạ của ngô

- Đề tài tiến hành nghiên cứu và theo dõi thí nghiệm hai nhân tố: hai mức bón đạm ở giai đoạn trước trỗ 10 ngày ( giai đoạn xoắn nõn) là N = 0 (kg/ha) – kí hiệu là N1 và N = 75 (kg/ha) – ký hiệu là N2 và hai mức giống ngô là Giống V1: LVN14 và Giống V2: LVN99 được bố trí theo kiểu ô chính – ô phụ với 3 lần nhắc lại Tổng số ô thí nghiệm được theo dõi là 12 ô thí nghiệm

- Mỗi ô thí nghiệm có diện tích 5 m2, ngô được trồng trong các ô thí nghiệm với 24 cây/ 1 hàng, một ô thí nghiệm được bố trí trồng 7 hàng

- Giữa các khối thí nghiệm có trồng hàng rào bảo vệ

- Môi trường đất nền thí nghiệm được bón 90kg P2O5 + 90kg K2O

Bảng 3.1 Lượng đạm bón cho các công thức qua các thời kỳ

Giống

Mức

bón đạm (*)

Lượng bón đạm qua các thời kỳ (kg/ha) Tổng lượng

bón Bón 3 – 5 lá Bón 7 – 9 lá Xoắn nõn

Tiến hành đo các ô thí nghiệm và lấy giá trị đại diện cho mỗi công thức Mỗi ô thí nghiệm chụp ảnh hai phản xạ và dữ liệu phản xạ cho ô thí nghiệm là giá trị phản xạ trung bình của hai lần chụp phản xạ tán

Phương pháp đo: máy đo phản xa tán được kết nối với Laptop đã được

cài đặt phần mềm SpectraWiz qua cổng USB và kết nối với bộ cảm Bộ cảm được đưa lên trên cao cách mặt đất 2m nhờ thanh đỡ Việc đo phản xạ tán của ngô được thực hiện trong khoảng thời gian từ 11h – 13 h (GMT+7) ở giai đoạn ngô 7 - 9 lá và giai đoạn trước trỗ 10 ngày (vào ngày 26 tháng 4 và ngày

12 tháng 5 năm 2012)

Trước khi tiến hành đo phản xạ của ngô ở các ô thí nghiệm, tiến hành

đo phản xạ bằng thanh phản xạ tiêu chuẩn (Reflectance standard), máy đo

phản xạ tán sẽ tính toán phần trăm (%) phản xạ thực vật từ mẫu phản xạ thực vật và phản xạ tiêu chuẩn

3.4.4 Phương pháp lấy mẫu cây

Cùng thời điểm với thời điểm đo phản xạ, tiến hành lấy mẫu ba cây trên một ô thí nghiệm tại vị trí để đo phản xạ tán của thực vật Mẫu thực vật đã lấy được cân để tính trọng lượng tươi, sau đó tiến hành băm mẫu trộn đều lấy 200g mẫu tươi theo quy tắc đường chéo

Mẫu thực vật đã được băm nhỏ lấy 200g sẽ được sấy trong tủ sấy tại phòng thí nghiệm khoa Nông học, trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên từ hai đến ba ngày ở nhiệt độ 700C đến khi trọng lượng không đổi Tiến hành cân đo sinh khối khô Số liệu về sinh khối tươi và sinh khối khô được đổi về đơn

- Tính toán phản xạ trung bình của mỗi ô thí nghiệm, của các loại giống khác nhau bằng phần mềm Excel

- Tính trung bình phản xạ tán của ngô ở bốn bước sóng cơ bản (Blue, Green, Red, Near – Infrared) phục vụ tính toán các chỉ số NDVI Red

3.4.6 Chỉ tiêu nghiên cứu

- Sinh khối (sinh khối tươi và sinh khối khô):

+ Phương pháp lấy mẫu: Lấy ba cây trên một ô thí nghiệm

+ Thời gian lấy mẫu: tiến hành lấy mẫu vào thời gian ngôi 7 - 9 lá và giai đoạn trước trỗ 10 ngày

+ Mẫu được cân tính sinh khối tươi, băm nhỏ, sấy khô tính sinh khối khô

- Phản xạ tán của ngô: Được chụp hai lần trùng với thời gian đo sinh khối của cây

- Các chỉ tiêu tính toán liên quan đến phản xạ của ngô: