Ứng dụng viễn thám thành lập bản đồ giám sát thời gian sinh trưởng cây lúa

Bài viết Ứng dụng viễn thám thành lập bản đồ giám sát thời gian sinh trưởng cây lúa trình bày việc sử dụng tư liệu ảnh Sentinel-1 để xác định giai đoạn sinh trưởng hiện tại của các vùng trồng lúa, áp dụng cho tỉnh An Giang.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 ỨNG DỤNG VIỄN THÁM THÀNH LẬP BẢN ĐỒ GIÁM SÁT THỜI GIAN SINH TRƯỞNG CÂY LÚA Nguyễn Anh Hùng1, Lê Hải Trung2 Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, email: anhhungbk81@gmail.com Trường Đại học Thủy lợi ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần biến đổi khí hậu diễn biến theo chiều hướng khó lường, hạn hán xảy nhiều gay gắt số vùng Việt Nam Hiện tượng đặc biệt nghiêm trọng đồng sông Cửu Long (ĐBSCL), nơi đóng góp tới 60% sản lượng lúa nước hàng năm Việc xác định nhu cầu nước tưới phù hợp với diện tích giai đoạn sinh trưởng lúa nhu cầu cấp thiết điều kiện nguồn nước tưới có xu hướng giảm dần năm Công nghệ viễn thám GIS ứng dụng xây dựng đồ thực vật, lúa đạt nhiều thành tựu đáng kể Ảnh quang học bị ảnh hưởng mây che phủ nên ảnh radar thường sử dụng để thành lập đồ lúa xác định thời gian sinh trưởng lúa Ví dụ, mơ Monte Carlo áp dụng với liệu RADARSAT để dự đoán giai đoạn sinh trưởng lúa [1]; liệu ENVISAT/ASAR sử dụng để lập đồ lúa gạo cho ĐBSCL với độ xác tổng thể 85,3% hệ số kappa 0,74 [2, 3] Ngoài ra, nhiều nghiên cứu khác sử dụng ảnh vệ tinh radar để lập đồ phân bố lúa Một nhóm tác giả sử dụng thuật toán học máy liệu Sentinel-1 để xác định lúa, suất chiều cao lúa Camargue, Pháp Chiều cao sinh khối lúa dựa liệu Sentinel-1 huấn luyện thuật toán học máy Multiple Linear Regression (MLR), Support Vector Regression (SVR) Random Forest (RF) Kết chứng minh mối tương quan phân cực VH Sentinel-1 với sinh khối cao với R2 = 0,9 RMSE = 18% (162 g·m-2) với phương pháp RF [4] Phần lớn công bố tập trung vào việc thành lập đồ lúa cho vụ Thuật toán xác định thời gian sinh trưởng lúa không khả thi thực phạm vi tỉnh hay nước thời gian ngắn Chính vậy, báo trình bày việc sử dụng tư liệu ảnh Sentinel-1 để xác định giai đoạn sinh trưởng vùng trồng lúa, áp dụng cho tỉnh An Giang PHƯƠNG PHÁP VÀ SỐ LIỆU Chúng thu thập tư liệu ảnh radar độ mở tổng hợp Sentinel-1, kênh C, chế độ thu nhận ảnh Interferometric wide-swath mode, 250 km, độ phân giải 5×20 mở mức Ground Range Detected (GRD) địa scihub.copernicus.eu/dhus/ Ảnh thu thập năm 2019, 2020, 2021 cho tỉnh An Giang Ví dụ, Hình ảnh ngày 26/4/2020 Phương pháp thực gồm cơng đoạn lớn tiền xử lý giải đoán ảnh Sentinel-1 để thành lập đồ lúa 468 Hình Ảnh Sentinel-1 ngày 26/4/2020 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 2.1 Tiền xử lý ảnh vệ tinh Sau tải từ kho liệu, ảnh hiệu chỉnh phổ phản xạ, hiệu chỉnh ảnh hưởng địa hình Vùng nghiên cứu xác định tỉnh An Giang (Hình 2) tính chuyển giá trị tán xạ từ tuyến tính decibel Hình Ảnh qua tiền xử lý, cắt vùng nghiên cứu, ngày 26/4/2020 2.2 Giải đoán ảnh Sentinel-1 thành lập đồ lúa Ảnh Sentinel-1 cung cấp hai tán xạ ngược VV VH Trong nghiên cứu sử dụng tán xạ ngược VH loại tán xạ nhạy cảm với chiều cao trồng Các bước thực miêu tả sau đây: - Bước 1: xét chuỗi liệu từ 1/ 2019 đến 4/ 2021; chuỗi có giá trị điểm đầu  -18,5 thời điểm ruộng có nước - Bước 2: phát loại bỏ bóng địa hình chuỗi có nhiều giá trị  -18,5 lúa có thời điểm - Bước 3: loại bỏ ruộng ngập nước khơng trồng lúa có cỏ dại lúa chét mọc; trường hợp dễ bị lẫn nên cần dựa vào giá trị độ dốc tán xạ ngược để loại bỏ - Bước 4: tính độ dốc chuỗi VH Giá trị tán xạ ngược VH ảnh radar có giá trị khác nhau, bị ảnh hưởng giống lúa khác nhau, suất lúa vùng, địa hình vùng trồng lúa ảnh hưởng nhiễu đốm Do vậy, khả theo dõi chuỗi giá trị VH vụ lúa để tìm quy luật lúa không khả thi Trong vụ lúa, cặp điểm giá trị trục X thời điểm chụp ảnh trục Y giá trị tán xạ ngược VH ảnh chụp Điểm đầu thời điểm bắt đầu gieo sạ/ cấy điểm cuối thời điểm chụp sau Như vậy, ta xác định loạt đoạn thẳng có dạng y = a x + b Phương pháp hồi quy tuyến tính dùng để xác định a b Giả sử có n chu kỳ ảnh từ đến n-1; kết hợp chu kỳ với đoạn thẳng y1 = a1x+b1; kết hợp chu kỳ với y2 = a2x+b2… vậy; kết hợp chu kỳ với n-1 yn-1 = an-1x+bn-1 Hệ số a thể mối quan hệ biến thiên thay đổi giá trị tán xạ ngược VH - đại diện cho thay đổi chiều cao lúa (y) thay đổi thời gian sinh trưởng (x) Với điểm ảnh có chuỗi giá trị a1, a2, …, an-1 tương ứng kênh ảnh Slope1, Slope2, …, Slopen-1 Chuỗi giá trị Slope đại diện cho hình ảnh lúa từ lúc gieo cấy đến lúc thu hoạch Tổ hợp điều kiện đồ lúa thời điểm thu nhận ảnh KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình thể kết xử lý xác định thời điểm bắt đầu mùa vụ ngày 26/4/2020 Đa số pixel có giá trị VH  -18,5 (nhận giá trị tán xạ ngược từ mặt nước) thể thời điểm xuống nước vào ruộng Sau làm đất, gieo/ cấy, lúa phát triển Ảnh xử lý ngày thứ 24, 48 72, thể cấp độ xám thay đổi (VH > -18,5) Điều dẫn tới khả nhận diện nước giảm xuống lúa cao che lấp nước Do đó, ngày 20/5, 13/6 7/7 phân cực VH nhận giá trị tán xạ ngược từ lúa Hình ảnh giải đoán nước ruộng ngày 26/4/2020 Phương pháp cho phép tự động xác định trạng ruộng lúa thời điểm thu nhận ảnh Kết đồ lúa thời điểm bề mặt ruộng có nước, ứng với giai đoạn làm đất đến gieo/ cấy lúa 469 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 Hình Thời điểm xuống nước vào ruộng trạng ngày 20/5, 13/6 7/7 Chúng tơi lập trình Java cho tồn diện tích lúa tỉnh An Giang Máy tính sử dụng có cấu hình vi xử lý Intel Xeon CPU E3-1505M v5 2.80GHz, nhớ 32GB RAM Thời gian để thu kết nhỏ phút, không kể thời gian tải ảnh tiền xử lý ảnh Như vậy, phương pháp kỹ thuật hoàn tồn triển khai áp dụng cho vùng trồng lúa nước để lập đồ phân bố lúa tiến độ gieo cấy Nghiên cứu đưa mối quan hệ kênh VH Sentinel-1 với tăng trưởng chiều cao lúa Từ tổ hợp điều kiện phát bóng địa hình, phát ruộng nước để cỏ mọc, lúa chét, độ dốc đường thẳng giá trị tán xạ ngược VH thời gian sinh trưởng lúa để đưa đồ lúa thời điểm thu nhận ảnh TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Kết giải đoán nước ruộng ngày 26/4/2020 KẾT LUẬN Bài viết trình bày phương pháp kết xử lý giải đoán ảnh vệ tinh Sentinel-1 [1] Wang, L.-F & nnk 2005 Electromagnetic scattering model for rice canopy based on monte carlo simulation Prog Electromagn Res 2005, 52, 153-171; [2] Bouvet, A & LeToan, T 2011 Use of ENVISAT/ASAR wide-swath data for timely rice fields mapping in the Mekong River Delta Remote Sens Environ 2011, 115, 1090–1101; [3] Nguyen, D & nnk 2015 Mapping Rice Seasonality in the Mekong Delta with Multi-Year Envisat ASAR WSM Data Remote Sens 2015, 7, 15868-15893; [4] Emile, N., & nnk 2018 Estimation of Rice Height and Biomass Using Multitemporal SAR Sentinel-1 for Camargue, Southern France Remote Sens 2018, 10, 1394 470 ... kiện phát bóng địa hình, phát ruộng nước để cỏ mọc, lúa chét, độ dốc đường thẳng giá trị tán xạ ngược VH thời gian sinh trưởng lúa để đưa đồ lúa thời điểm thu nhận ảnh TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Kết... xạ ngược từ lúa Hình ảnh giải đốn nước ruộng ngày 26/4/2020 Phương pháp cho phép tự động xác định trạng ruộng lúa thời điểm thu nhận ảnh Kết đồ lúa thời điểm bề mặt ruộng có nước, ứng với giai... thuật hoàn toàn triển khai áp dụng cho vùng trồng lúa nước để lập đồ phân bố lúa tiến độ gieo cấy Nghiên cứu đưa mối quan hệ kênh VH Sentinel-1 với tăng trưởng chiều cao lúa Từ tổ hợp điều kiện phát