luận văn thạc sĩ nghiên cứu, xây dựng phương pháp tích hợp đa dữ liệu trong nâng cao độ chính xác bản đồ độ ẩm đất sử dụng phổ kế siêu cao tần băng l và payload quang học trong dải nhìn thấy,

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ HẢI YẾN NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TÍCH HỢP ĐA DỮ LIỆU TRONG NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC BẢN ĐỒ ĐỘ ẨM ĐẤT SỬ DỤNG PHỔ KẾ SIÊU CAO TẦN BĂNG L VÀ PAYLOAD QUANG HỌC TRONG DẢI NHÌN THẤY, HỒNG NGOẠI GẮN TRÊN UAV LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Hà Nội, 07/2020 LỜI CẢM ƠN Trước hết xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến TS Bùi Quang Hưng, PGS TS Dỗn Minh Chung tận tình hướng dẫn thời gian làm luận văn thạc sĩ Tôi xin cảm ơn thầy, cô giáo Trung tâm Cơng nghệ tích hợp liên ngành Giám sát trường (FIMO), khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN tạo điều kiện giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn cán thuộc Viên Công nghệ Vũ trụ, Viện Hàn Lâm Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn nhóm nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệ m phổ kế siêu cao tần băng L payload quang học dải nhìn thấy hồng ngoại gần tương thích với thiết bị bay khơng người lái (UAV) phục vụ nghiên cứu viễn thám” giúp đỡ tơi liệu để hồn thành luận văn Mã số: VTUD.03/17-20 Cuối cùng, muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bố mẹ người thân gia đình, người ln ủng hộ đường lựa chọn, giúp đỡ động viên tơi vượt qua khó khăn sống Tuy có cố gắng định kiến thức thời gian có hạn nên chắn luận văn cịn nhiều thiếu sót hạn chế định Kính mong nhận góp ý thầy cô Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên Nguyễn Thị Hải Yến LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TÍCH HỢP ĐA DỮ LIỆU TRONG NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC BẢN ĐỒ ĐỘ ẨM ĐẤT SỬ DỤNG PHỔ KẾ SIÊU CAO TẦN BĂNG L VÀ PAYLOAD QUANG HỌC TRONG DẢI NHÌN THẤY, HỒNG NGOẠI GẮN TRÊN UAV” cơng trình nghiên cứu thân hướng dẫn TS Bùi Quang Hưng PGS TS Doãn Minh Chung Tất tham khảo từ nghiên cứu liên quan trích dẫn cách rõ ràng danh mục tài liệu tham khảo Khơng có việc chép tài liệu, cơng trình nghiên cứu người khác mà không rõ tài liệu tham khảo Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên Nguyễn Thị Hải Yến MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 So sánh phương pháp thu thập liệu độ ẩm đất 17 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Nguyên lý hoạt động viễn thám tích cực 18 Hình 2 Các dải sóng điện từ dùng viễn thám 20 Hình Tổng quan phát xạ tự nhiên đối tượng bề mặt trái đất .21 Hình Phổ kế siêu cao tần band L tích hợp thiết bị bay khơng người lái UAV 25 Hình 3.14 Ảnh hiển thị liệu độ ẩm thu từ phổ kế ảnh vệ tinh SMOS, SMAP, Sentinel 1A .' 54 MỞ ĐẦU Độ ẩm đất thông số quan trọng biểu mức độ trao đổi lượng hệ sinh thái bề mặt trái đất chu trình vận động nước thiên nhiên, phụ thuộc trực tiếp vào yếu tố khí tượng thủy văn Giám sát biến động độ ẩm đất diện rộng mùa năm nhiều năm nhiệm vụ quan trọng quan quản lý tài nguyên môi trường Với phát triển cơng nghệ vũ trụ, theo dõi biến động thông qua việc xử lý, phân tích liệu viễn thám tích cực thụ động (Active/Passive) Đặc biệt bối cảnh Châu Âu phóng thành cơng vệ tinh giám sát độ ẩm đất biển (SMOS) năm 2009 NASA phóng vệ tinh giám sát độ ẩm đất cảm biến radar tích cực thụ động (SMAP) vào năm 2014 - vệ tinh thiết kế chuyên dụng cho mục đích đo đạc độ ẩm đất Như biết, Việt Nam quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề biến đổi khí hậu tồn cầu (BĐKH) Độ ẩm đất tham số môi trường phản ánh mức độ ảnh hưởng biến đổi khí hậu Thơng số có liên quan mật thiết đến tổng lượng xạ Mặt Trời, lượng mưa, lượng gió, độ bốc nước, số thực vật, v.v Biểu đồ biến động độ ẩm đất vùng hay nước qua nhiều năm thể mức độ tác động biến đổi khí hậu Hiện cơng tác điều tra thống kê độ ẩm đất chủ yếu dựa vào mạng lưới trạm quan trắc khí tượng thủy văn, thực phương pháp đo đạc kinh điển, phân tích độ ẩm “khoan sấy” Phương pháp cho kết xác có nhược điểm giới hạn số vùng hẹp số thời điểm định, nghĩa bị hạn chế thời gian không gian, độ ẩm đất thông số biến đổi nhanh không gian thời gian Với phát triển vượt bậc công nghệ vũ trụ, phương pháp viễn thám ứng dụng nghiên cứu, giám sát độ ẩm đất, mang lại hiệu kinh tế - xã hội, khắc phục dược nhược điểm nêu trên, đặc biệt đặc tính bao quát vùng rộng lớn khó tiếp cận Nguyên tắc phương pháp viễn thám nghiên cứu độ ẩm đất thu nhận lượng phát xạ, phát xạ từ mặt đất - vốn mang thông tin tương tác lượng phát xạ với mặt đất, từ xác định độ ẩm đất Với lý qua trình học tập, đồng ý môn Khoa học máy tính, trường Đại học Cơng nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, em giao đề tài luận văn với tiêu đề: “Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tích hợp đa liệu nâng cao độ xác đồ độ ẩm đất sử dụng phổ kế siêu cao tần băng L payload quang học dải nhìn thấy, hồng ngoại gắn UAV” Những nội dung đề tài cần giải là: - Nghiên cứu phương pháp xác định độ ẩm đất từ lựa chọn phương pháp xác định cụ thể - Nghiên cứu phương pháp tích hợp độ ẩm đất - Xây dựng phương pháp tích hợp từ nguồn liệu độ ẩm đất xác định Câu trúc luận văn em phần mở đầu kết luận gồm chương - Chương 1: Tổng quan đề tài - Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu liên quan - Chương 3: Tích hợp liệu đa nguồn xây dựng đồ độ ẩm đất CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu độ ẩm đất Hiện nay, Việt Nam nhiều điều kiện khách quan khác nhau, số liệu điều tra độ ẩm đất tản mạn Tại Viện Thổ nhưỡng Nơng hố, số liệu độ ẩm đất khơng có nhiều, kể thông số để xác định độ ẩm khô héo xác định cho số loại đất thơng qua kết số đề tài nghiên cứu Trong năm gần đây, công nghệ viễn thám phát triển mạnh nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau, xây dựng quản lý đồ địa chính, khí tượng thuỷ văn dự báo thời tiết, giám sát quản lý thảm hoạ thiên nhiên (lũ lụt, cháy rừng, sạt lở đất, v.v.), giáo dục, nông, lâm, ngư nghiệp, y tế, v.v Trong số ứng dụng kể trên, việc theo dõi giám sát độ ẩm đất có vai trị quan trọng, đặc biệt ngành nơng - lâm nghiệp, độ ẩm đất thơng số biểu mức độ trao đổi lượng đối tượng bề mặt Trái đất, ảnh hưởng đến tiểu vùng khí hậu Trái đất Ví dụ, trời mưa, địa hình đất trũng gây nên độ ẩm đất cao, địa hình dốc làm nước trôi nhanh nên độ ẩm đất thấp, thời tiết hanh khơ, gió mạnh làm độ ẩm đất giảm nhanh, đất bị phủ lớp thảm thực vật dày độ ẩm đất biến đổi chậm, thành phần đất khác giữ ẩm khác Ngoài ra, mưa lớn vùng đồi núi dốc, có lớp che phủ, gây nên lũ quét, lũ ống làm sạt lở đất - tai biến thiên nhiên chủ yếu Việt Nam Vì độ ẩm đất mang nhiều thơng tin hệ sinh thái tự nhiên, ảnh hưởng trực tiếp đến sinh thái trồng, đặc biệt lương thực, công nghiệp 1.2 1.2.1 Hiện trạng liệu độ ẩm đất Việt Nam Thế Giới Hiện trạng liệu độ ẩm đất Việt Nam Hình 3.4 Ảnh SMOS độ phân giải 36km x 36 km 3.2.2 Dữ liệu độ ẩm đất thu từ ảnh vệ tinh SMAP - Hệ tọa độ :GCS_WGS_1984 - Datum : D_WGS_1984 - Độ ẩm đất toàn cầu NASA-USDA liệu độ ẩm đất toàn cầu NASA-USDA SMAP Cung cấp thơng tin độ ẩm đất tồn cầu độ phân giải không gian 0,25 ° x0,25 ° Những liệu bao gồm độ ẩm đất bề mặt bề mặt (mm), hồ sơ độ ẩm đất (%), dị thường độ ẩm đất bề mặt bề mặt Dị thường độ ẩm đất đơn vị đại diện cho dị thường tiêu chuẩn tính tốn cách sử dụng cửa sổ di chuyển 31 ngày Các giá trị xung quanh biểu thị điều kiện độ ẩm điển hình, giá trị dương âm cho thấy độ ẩm cực cao (điều kiện độ ẩm đất trung bình) sấy khơ (điều kiện độ ẩm đất mức trung bình), tương ứng Bộ liệu tạo cách tích hợp quan sát độ ẩm đất cấp Soil Moisture Active thụ động (SMAP) vào mơ hình Palmer hai lớp sửa đổi cách sử dụng phương pháp đồng hóa liệu Bộ lọc Kalman 1-D (EnKF) Sự đồng hóa quan sát độ ẩm đất SMAP giúp cải thiện dự đoán độ ẩm đất dựa mơ hình, đặc biệt khu vực nghèo nàn giới thiếu liệu lượng mưa chất lượng tốt Nguồn down results.html?q=soil%20moisture ảnh: https://nsidc.org/search- - Ảnh vệ tinh SMAP độ phân giải 25km x 25km Hình 3.5 Ảnh SMAP độ phân giải 25km x 25 km 3.2.3 Dữ liệu độ ẩm đất thu từ ảnh sentinel 1A - Hệ tọa độ :wgs_1984_ease_grid_2_0_global - Datum : D_WGS_1984 - Sản phẩm độ ẩm đất cấp (L2) cung cấp ước tính điều kiện bề mặt đất lấy máy đo phóng xạ Soil Moisture Active thụ động (SMAP) suốt 6:00 sáng giảm dần 6:00 tối tăng dần nửa quỹ đạo radar Sentinel-1A -1B Nhiệt độ độ sáng dải L SMAP hệ số tán xạ ngược dải C Copernicus Sentinel-1 sử dụng để lấy liệu độ ẩm đất, sau ghép lại thành Lưới Trái đất mở rộng km hình trụ cố định Trái đất, Phiên 2.0 (EASE-Grid 2.0) - Mơ hình thuật tốn ANN tính tốn độ ẩm đất từ ảnh Sentinel Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán ANN Mã nguồn tích hợp sẵn với tool Khi có khu vực yêu cầu ta thu liệu độ ẩm từ sentinel 1A có độ phân giải 3km Link mã nguồ https://pysmm.readthedocs.io/en/latest/7fbclidMwAR3lF-moNVVqQqioqpquECE3RĐdbPkUnGA-QHUgdFABYQQS-kFHeeKMC documentation mở: c#api- Hình Ảnh Sentinel 1A có độ phân giải 3km x km 3.3 Xây dựng WebGIS chồng lớp liệu độ ẩm 3.3.1 Quy trình tích hợp lớp thơng tin GIS vào hệ thống sở liệu Sau liệu biên tập chuẩn hóa phân tích, liệu tiếp tục xử lý để tích hợp vào hệ thống thông tin địa lý Hệ thống thông tin địa lý xây dựng tảng web (WebGIS) với mục tiêu cung cấp cách thức truy cập chia sẻ liệu dễ dàng, nhanh chóng cho người sử dụng Hệ thống được phân tích, thiết kế xây dựng với kiến trúc gồm năm thành phần: (i) máy chủ đồ (Map server), (ii) sở liệu địa lý (geodatabase), (iii) sở liệu không quan hệ (nosql), (iv) máy chủ web (web server), (v) giao diện đồ (web client) Hình 3.8 Kiến trúc hệ thống (i) Máy chủ đồ (web server) chương trình cung cấp chức tạo, vẽ, mơ hình hóa thơng qua dịch vụ đồ từ liệu địa lý xử lý Trong hệ thống này, nhóm phát triển đánh giá, lựa chọn sử dụng Arcgis Server giải pháp máy chủ đồ hiệu cao (ii)Cơ sở liệu địa lý (geodatabase) nơi lưu trữ toàn liệu đồ số bao gồm liệu địa lý liệu phi địa lý Cơ sở liệu địa lý có dạng lưu trữ: a Dữ liệu lưu trữ dạng tệp tin: liệu mơ hình dạng bảng lưu trữ dạng tệp tin ổ cứng Đối với ArcGIS server, định dạng dbf hỗ trợ cho dạng lưu trữ b Dữ liệu lưu trữ hệ quản trị sở liệu: liệu mô hình dạng bảng lưu trữ sở liệu Đối với Map server khác hỗ trợ sở liệu khác nhau, với yêu cầu kỹ thuật tích hợp chuyên biệt Trong hệ thống này, hệ quản trị sở liệu PostgreSQL lựa chọn sử dụng phần mềm mã nguồn mở có cộng đồng phát triển đông đảo (iii) Cơ sở liệu không quan hệ (nosql) cung cấp khả lưu trữ liệu với lượng cực lớn, truy vấn liệu với tốc độ cao mà khơng địi hỏi nhiều tài nguyên phần cứng tăng khả chịu lỗi Ưu điểm lớn việc sử dụng No SQL thay sở liệu quan hệ khả mở rộng cao Trong hệ thống, sở liệu không quan hệ MongoDB sử dụng để lưutrữ liệu cho (iv) máy chủ web MongoDB sở liệu tài liệu (document database), không quan hệ, mã nguồn mở, cung cấp hiệu cao, khả sẵn sàng cao tự động mở rộng Một ghi MongoDB document, cấu trúc liệu bao gồm cặp trường giá trị Các document MongoDB tương tự đối tượng JSON Các giá trị trường bao gồm document, mảng mảng document khác Trong MongoDB tập hợp Document gọi Collection (iv) Máy chủ web (web server) phần mềm có nhiệm vụ cung cấp dịch vụ web để người dùng truy cập hệ thống thông qua (v) giao diện đồ Trong hệ thống, máy chủ web xây dựng tảng công nghệ Meteor Meteor phần mềm mã nguồn mở tảng JavaScript đầy đủ để phát triển ứng dụng web di động đại Meteor bao gồm số công nghệ để xây dựng ứng dụng thời gian thực, cho phép sử dụng tất thư viện Nodejs (v) Giao diện đồ (web client) thành phần tương tác trực tiếp với người sử dụng Thành phần xây dựng dựa trên: Arcgis apis hỗ trợ trực tiếp Arcgis server cung cấp khả sử dụng dịch vụ đồ xây dựng cách thức tương tác với người dùng (Postgre, Oracle, ) Map Server (Arcgis server, Geo s Dữ liệu thô bao gồm thuộc tính liệu khơng gian thuộc tính liệu phi không gian (tên, mô Geo database (các thuộc tính liệu gian lưu trữ định dạng Geometry) ArcMap, Map applications, PHÁT TRIỂN CÔNG cụ Tự ĐỘNG XÂY DỰNG BAN Đồ CHUYÊN ĐỀ CHO CÁC HỆ THỐNG VVebGIS Yêu cầu: - Geodatabase PostgreSQL (9.3) kết nôi với Arcgis Server (10.3) TMACS - Chức Chuẩn hóa liệu đưa vào sở liệu địa lý Chuyển liệu đô thông tin kết nối cho Map Hình 3.9 Quy trình tích hợp lớp thông tin GIS vào hệ thống sở liệu 3.3.2 Giới thiệu hệ thống Hình 10 Ảnh hiển thị liệu độ ẩm thu từ phổ kế vệ tinh SMAP Hình 11 Ảnh hiển thị liệu độ ẩm thu từ phổ kế vệ tinh SMOS Hình 3.12 Ảnh hiển thị liệu độ ẩm thu từ phổ kế với Sentinel 1A Hình 3.13 Ảnh nhiệt độ bề mặt Hình 3.14 Ảnh hiển thị liệu độ ẩm thu từ phổ kế ảnh vệ tinh SMOS, SMAP, Sentinel 1A KẾT LUẬN Sau thời gian học tập nghiên cứu, học viên hoàn thành luận văn hướng dẫn tận tình TS Bùi Quang Hưng PGS TS Doãn Minh Chung Luận văn đạt kết sau: - Đã tìm hiểu thiết bị phổ kế siêu cao tần băng L gắn UAV để thu thập liệu - Đã thu thập liệu độ ẩm đất từ phổ kế siêu cao tần băng L gắn UAV - Xác định liệu độ ẩm đất từ ảnh vệ tinh SMOS, SMAP - Nghiên cứu thuật toán để xác định độ ẩm từ Sentinel 1A - Nghiên cứu phương pháp tích hợp liệu độ ẩm đất - Xây dựng hệ thống WebGIS hiển thị lớp liệu độ ẩm thu thập Khả ứng dụng thực tiễn: luận văn học viên phần đề tài “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm phổ kế siêu cao tần băng L payload quang học dải nhìn thấy hồng ngoại gần tương thích với thiết bị bay khơng người lái phục vụ nghiên cứu viễn thám” thuộc đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước, Mã số: VT-UD.03/17-20 Mặc dù luận văn hoàn thành thời hạn, hạn chế thân nên tránh khỏi thiếu sót Học viên mong muốn nhận góp ý thầy cô, đồng nghiệp bạn để hồn thiện tốt cơng việc sau TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bui Doan Trong, Doan Minh Chung, Nguyen Thanh Long “Design and manufacturing a L-band radiometer applied for monitoring natural conditions and environment in Vietnam” - REV’02 Proc., The 8th Vietnam Conference on Radio and Electronics, Nov 2-3rd, 2002, Hanoi, Vietnam, pp.352-355 [2] Doan Minh Chung, Bui Doan Trong, Nguyen Thanh Long, Nghiên cứu chế tạo Hệ phổ kế siêu cao tần (băng L) phục vụ điều tra thiên nhiên môi tường Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp Trung tâm Khoa học tự nhiên Công nghệ Quốc gia, năm 1999-2000 [3] Lại Anh Khơi, Giáo trình viễn thám, ĐHQGHN, 2010 [4] Võ Thị Lan Anh, Nghiên cứu mơ hình vật lý ứng dụng hệ phổ kế siêu cao tần nghiên cứu xác định độ ẩm đất Luận án tiến sĩ [5] Das, N N., D Entekhabi, and E G Njoku (2011), An algorithm for mergingSMAP radiometer and radar data for high-resolution soil-moisture retrieval, IEEE Trans Geosci Remote Sens., 49(5), 1504-1512 [6] De Jeu, R., W Wagner, T Holmes, A Dolman, N Van De Giesen, and J Friesen (2008), Global soil moisture patterns observed by space borne microwave radiometers and scatterometers, Surv Geophys., 29(4-5), 399-420 [7] Petropoulos, G P., G Ireland, and B Barrett (2015), Surface soil moisture retrievals from remote sensing: Current status, products & future trends, Phys Chem Earth Parts A/B/C, 83-84, 36 [8] Wagner, W., G Blốschl, P Pampaloni, J.-C Calvet, B Bizzarri, J.-P Wigneron, and Y Kerr (2007), Operational readiness of microwave remote sensing of soil moisture for hydrologic applications, Hydrol Res., 38(1), -20 [9] Njoku, E G., W J Wilson, S H Yueh, S J Dinardo, F K Li, T J Jackson, V Lakshmi, and J Bolten (2002), Observations of soil moisture using a passiveand active low-frequency microwave airborne sensor during SGP99, IEEE Trans Geosci Remote Sens., 40(12), 2659-2673 [10] Molero, B., O Merlin, Y Malbéteau, A Al Bitar, F Cabot, V Stefan, Y Kerr, S Bacon, M Cosh, and R Bindlish (2016), SMOS disaggregated soil moisture product at 1km resolution: Processor overview and first validation results, Remote Sens Environ., 180, 361-376 [11] Jian Peng , Alexander Loew , Olivier Merlin, and Niko E C Verhoest (2016) A review of spatial downscaling of satellite remotely sensed soil moisture, 341366 [12] Kang-Tsung Chang The International Encyclopedia of Geography, 2017 [13] Paul Bolstad, GIS Fundamentals: A First Text on Geographic Information Systems, Fourth Edition, 2016 [14] Microsoft, Microsoft technical documentation, Spatial Data Types Overview, 2016 [15] Open Geospatial Consortium Inc, OpenGIS Implementation Specification for Geographic information - Simple feature access, 2011 [16] Roy Ernest, Introduction to SQL Server Spatial Data, simpletalk.com, 2015 [17] Esri, Documentation for Arcgis Server, About registering your data with ArcGIS Server [18] Sommerville, “Software Engineering - 10th Edition,” in Software Engineering, 2015 ... luận văn ? ?Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tích hợp đa liệu nâng cao độ xác đồ độ ẩm đất sử dụng phổ kế siêu cao tần băng L payload quang học dải nhìn thấy, hồng ngoại gắn UAV ” nhằm nghiên cứu,. .. Học viên Nguyễn Thị Hải Yến L? ??I CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TÍCH HỢP ĐA DỮ LIỆU TRONG NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC BẢN ĐỒ ĐỘ ẨM ĐẤT SỬ DỤNG PHỔ KẾ SIÊU CAO TẦN... chọn phương pháp xác định cụ thể - Nghiên cứu phương pháp tích hợp độ ẩm đất - Xây dựng phương pháp tích hợp từ nguồn liệu độ ẩm đất xác định Câu trúc luận văn em phần mở đầu kết luận gồm chương