Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả xây dựng mối tương quan giữa giá trị phản xạ VV, giá trị phản xạ VH được trích xuất từ ảnh vệ tinh Sentinel-1 và độ ẩm đất bề mặt được thu thập tại khu vực nghiên cứu. Mẫu độ ẩm đất tại hiện trường sẽ được lấy ở độ sâu 5cm tính từ bề mặt cùng thời điểm bay chụp, ghi nhận dữ liệu ảnh của vệ tinh Sentinel-1 qua khu vực nghiên cứu.
Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Trái đất Môi trường, 5(2):358-368 Bài nghiên cứu Open Access Full Text Article Xây dựng mối tương quan độ ẩm với giá trị phản xạ phân cực VV, VH vệ tinh Sentinel-1 Đối tượng nghiên cứu: khu vực canh tác Thanh Long, tỉnh Bình Thuận Trang Nguyễn Đăng Khoa* , Phạm Trần Nhật Duy, Trần Anh Tú TÓM TẮT Use your smartphone to scan this QR code and download this article Tỉnh Bình Thuận tỉnh khô hạn khu vực Nam Trung Bộ nói riêng Việt Nam nói chung Tình trạng khan nước phục vụ nơng nghiệp khu vực vào mùa khô nghiêm trọng Độ ẩm bề mặt thông số đưa vào đánh giá độ khô hạn Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả xây dựng mối tương quan giá trị phản xạ VV, giá trị phản xạ VH trích xuất từ ảnh vệ tinh Sentinel-1 độ ẩm đất bề mặt thu thập khu vực nghiên cứu Mẫu độ ẩm đất trường lấy độ sâu 5cm tính từ bề mặt thời điểm bay chụp, ghi nhận liệu ảnh vệ tinh Sentinel-1 qua khu vực nghiên cứu Mẫu lấy ngày khác nhau, ngày lấy 22 mẫu mẫu làm mốc Giá trị phản xạ VV, giá trị phản xạ VH thời điểm khác hiệu chỉnh theo điểm cố định ứng với nơi bão hòa nước nơi bề mặt khô hạn khu vực canh tác Thanh Long Bên cạnh đó, giá trị độ ẩm đất tương quan với giá trị phản xạ VV giá trị phản xạ VH trước xây dựng tương quan đối chiếu, so sánh với nghiên cứu tương tự giới nhằm tăng độ tin cậy số liệu Kết phân tích mẫu độ ẩm ngồi trường với giá trị độ ẩm dao động 13,13% đến 61,06%, có tương quan với giá trị phản xạ ảnh Sentinel-1 với R2 = 0,926 phân cực VV R2 = 0,956 với phân cực VH Từ khoá: độ ẩm, Sentinel-1, Thanh Long, khan nước, đa thời gian GIỚI THIỆU Khoa Kỹ thuật Địa chất Dầu khí, trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM, Việt Nam Liên hệ Trang Nguyễn Đăng Khoa, Khoa Kỹ thuật Địa chất Dầu khí, trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM, Việt Nam Email: trangnguyendangkhoa@gmail.com Lịch sử • Ngày nhận: 30/3/2021 • Ngày chấp nhận: 11/8/2021 • Ngày đăng: 15/8/2021 DOI : 10.32508/stdjsee.v5i2.555 Bản quyền © ĐHQG Tp.HCM Đây báo công bố mở phát hành theo điều khoản the Creative Commons Attribution 4.0 International license Tỉnh Bình Thuận xem nơi có diện tích trồng Thanh Long lớn Việt Nam với diện tích trồng 29.000 sản lượng hàng năm đạt gần 600.000 (80% sản lượng nước) Khí hậu Bình Thuận nằm vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa cận xích đạo phù hợp để canh tác Thanh Long Tuy nhiên, khan nước vào mùa khô (tháng 11 đến tháng 4) vấn đề cấp bách tỉnh Vụ Đông Xuân 2015-2016 (bắt đầu từ tháng 12 đến tháng năm sau) tỉnh Bình Thuận cơng bố tình trạng thiên tai hạn hán, thiếu nước nghiêm trọng gây thiệt hại ước tính khoảng 200 tỷ đồng Trong năm 2018 tình trạng khơ hạn gây thiệt hại 5.286 trồng Do đó, cần có giám sát khu vực để đánh giá khơ hạn góp phần cảnh báo để giảm thiểu thiệt hại tình trạng thiếu nước vào mùa khô Độ ẩm bề mặt thông số đưa vào đánh giá độ khô hạn, thơng số cần thiết để tính tốn nhu cầu nước tưới cần thiết cho loại theo nghiên cứu Tổ chức Lương thực Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (Food and Agriculture Organization of the United NationsFAO) Giá trị độ ẩm đất bề mặt độ ẩm chứa đất từ đến 5cm tính từ bề mặt địa hình, thơng số quan trọng nơng nghiệp , ứng dụng nông nghiệp thủy văn 5,6 , tính tốn lượng tưới phù hợp loại FAO-56 Ngoài độ ẩm đất sử dụng nhiều nhiều ứng dụng thực tiễn dự báo thời tiết , đánh giá bốc đất , dự đốn dịng chảy , quản lý tài nguyên nước 10 , giám sát hạn hán 11 Viễn thám bao gồm kiểu ảnh bao gồm ảnh quang học (Optical satellite imaging) ảnh radar độ tổng hợp (Synthetic-aperture radar) Với đặc tính riêng biệt ảnh radar không phụ thuộc vào thời gian nhận ảnh (có thể ghi nhận ảnh ban đêm) không bị ảnh hưởng thời tiết Do đó, khu vực tỉnh Bình Thuận với điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa bán khơ hạn giám sát ảnh radar độ tổng hợp (SAR) loại bỏ ảnh hưởng mây trình nghiên cứu Thế hệ vệ tinh Sentinel-1 Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) phát triển với độ phân giải cao, chu kỳ ghi nhận ảnh ngắn (6 ngày) sử dụng đồng thời liệu ảnh vệ tinh Sentinel-1A Sentinel-1B Các nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh Sentinel-1 để đánh giá độ ẩm bắt đầu xuất nhiều từ năm 2017 trở nghiên cứu sử dụng liệu ảnh vệ tinh Sentinel-1 để đánh giá độ ẩm đất nghiên cứu đánh giá độ ẩm Trích dẫn báo này: Khoa T N D, Duy P T N, Tú T A Xây dựng mối tương quan độ ẩm với giá trị phản xạ phân cực VV, VH vệ tinh Sentinel-1 Đối tượng nghiên cứu: khu vực canh tác Thanh Long, tỉnh Bình Thuận Sci Tech Dev J - Sci Earth Environ.; 5(2):358-368 358 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái đất Môi trường, 5(2):358-368 đất sử dụng liệu ảnh Sentinel-1 đa thời gian Yufang Zhang (2018) 12 cho kết với R2 R2 kiểm chứng chéo 0,68 0,64 Bên cạnh đó, nghiên cứu Xiaojing Bai (2017) 13 sử dụng phân cực VV để đánh giá độ ẩm đất cao nguyên Tây Tạng với hệ số tương quan sau hiệu chuẩn đạt 0,80 0,92 với vệ tinh Sentinel-1B Sentinel-1A, hệ số tương quan độ ẩm thực địa đạt 0,60 0,82 cho vệ tinh Sentinel-1B Sentinel-1A Ngoài ra, nghiên cứu Safa Bousbih (2018) 14 xây dựng đồ độ ẩm đất đồ tưới tiêu khu vực bán khô cằn kết hợp liệu ảnh Sentinel-1 Sentinel2 đạt độ tin cậy 77% Nghiên cứu Aliihsan Şekertekin (2018) 15 thành lập đồ độ ẩm đất từ liệu Sentinel-1A kết hợp lấy 20 mẫu độ ẩm trường, kết sai số RMSE R2 tương ứng 2,46% 0,84 Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đánh giá tương quan mẫu độ ẩm thu thập thực địa khu vực canh tác Thanh Long thuộc tỉnh Bình Thuận - đặc trưng cho vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa bán khơ hạn kết hợp trích xuất liệu phản xạ ảnh vệ tinh Sentinel-1A Từ đưa đánh giá tính khả thi cho việc sử dụng ảnh radar Sentinel-1 để giám sát độ ẩm đất bề mặt khu vực canh tác Thanh Long PHƯƠNG PHÁP Khu vực nghiên cứu Khu vực nghiên cứu (gần mỏ đá Tazon; Vĩ độ Bắc: 11◦ 2’14.17”, Kinh độ Đông 108◦ 10’34.28”) thuộc thành phố Phan Thiết tỉnh Bình Thuận khu vực chịu ảnh hưởng khí hậu nhiệt đới gió mùa với mùa rõ rệt: mùa mưa tháng đến tháng 10; mùa khô từ tháng 11 đến tháng năm sau Nhiệt độ trung bình 27o C, lượng mưa trung bình 1.024mm, độ ẩm tương đối 79% tổng số nắng 2.459 16 Khu vực nghiên cứu (khu vực khoanh vùng ký hiệu đường chấm đỏ Hình 1) khu vực canh tác Thanh Long với diện tích xấp xỉ 2,1 với phần lớn diện tích vườn Thanh Long Khoảng cách trụ trồng Thanh Long từ 2,5m đến 3m, khu vực nghiên cứu có số dạng địa đất trống, nhà dân, đất trống, lớp phủ thực vật, hồ dự trữ nước phục vụ canh tác Thanh Long Dữ liệu ảnh độ ẩm Xác định độ ẩm đất ảnh vệ tinh dựa thay đổi lượng thể qua điểm ảnh (pixel) sóng phát thu nhận khác biệt số điện môi đối tượng giám sát đất khơ có số điện môi ~4 nước ~80 Sentinel-1 vệ tinh phát triển quan 359 Vũ trụ châu Âu (ESA) Sentinel-1 vận hành ngày đêm, với ảnh chụp kênh C (~ 5,4 Ghz) không bị ảnh hưởng thời tiết Dữ liệu Sentinel-1 thu thập từ vệ tinh S1A S1B Chu kỳ khảo sát ghi nhận liệu với vệ tinh 12 ngày với vệ tinh Quỹ đạo khảo sát vệ tinh 1A từ cực Bắc xuống cực Nam ngược lại với vệ tinh 1B Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu sử dụng liệu ảnh S1A, liệu sử dụng Ground Range Detected (GRD) với độ phân giải 10mx10m tải từ trang chủ ESA (https://sci hub.copernicus.eu/dhus/#/home) Chế độ chụp Interferometric Wode (IW) - chế độ ghi nhận liệu cho đối tượng mặt đất với phân cực đơi điện từ trường VV-VH (V- Vertical: sóng điện trường-sóng dọc; H- Horizontal: sóng từ trường-sóng ngang) gồm chế độ phát sóng điện trường V chế độ thu sóng V (VV) sóng H (VH) Phần mềm sử dụng để xử lý ảnh nghiên cứu phần mềm SNAP (Sentinel Application Platform) công cụ xử lý, phân tích liệu ảnh viễn thám từ vệ tinh Sentinel sử dụng miễn phí Cơ quan Vũ trụ Châu Âu cung cấp với nhiều công cụ phân tích ảnh viễn thám quang học radar Các bước xử lý ảnh thể Hình 2a Nghiên cứu sử dụng ảnh để trích xuất liệu phản xạ với thơng tin trình bày Bảng • Lọc nhiễu nhiệt độ (Thermal Noise Removal): làm giảm hiệu ứng nhiễu bề mặt dải ảnh chụp, đặc biệt chuẩn hóa giá trị tán xạ ngược toàn ảnh Sentinel-1 Do đó, bước xử lý giúp loại bỏ pixel bị chồng lấn dải chụp hạn chế sai số cho bước xử lý sau • Hiệu chỉnh quỹ đạo (Apply orbit): Ảnh hiệu chỉnh địa lý dựa công cụ hiệu chỉnh quỹ đạo có sẵn SNAP cho phép tự động tải cập nhật trạng thái vector cho ảnh dựa thơng tin xác vị trí vận tốc vệ tinh • Hiệu chuẩn giá trị sigma nought (Calibration): Hiệu chuẩn quy trình chuyển đôi giá trị số pixel thành giá trị phản xạ hiệu chuẩn như: sigma nought, beta nought gamma nought Dữ liệu áp dụng yêu cầu phương trình hiệu chuẩn bao gồm ảnh Sentinel-1 vector hiệu chuẩn cho phép chuyển đổi đơn giản giá trị cường độ ảnh thành giá trị vật lý nghiên cứu sigma nought • Lọc nhiễu muối tiêu (Speckle Filtering) nhằm tăng chất lượng hình ảnh cách giảm “đốm” tượng giao thoa sóng điện từ q trình thu nhận liệu Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Trái đất Mơi trường, 5(2):358-368 Hình 1: Khu vực nghiên cứu Bảng 1: Thông số ảnh vệ tinh sử dụng nghiên cứu (thời gian GMT +7) Tên ảnh Ngày vệ tinh ghi nhận liệu Thời gian vệ tinh ghi nhận liệu S1A_IW_GRDH_1SDV_20190601T223710_20190601T223738_027492_031A29_237D 02/06/2019 05:37:10 S1A_IW_GRDH_1SDV_20190917T223716_20190917T223744_029067_034C79_AAB9 18/09/2019 05:37:16 S1A_IW_GRDH_1SDV_20190929T223717_20190929T223745_029242_035280_568A 30/09/2019 05:37:17 S1A_IW_GRDH_1SDV_20191011T223717_20191011T223745_029417_035883_DB96 12/10/2019 05:37:17 • Hiệu chỉnh địa hình (Range-Doppler terrain correction) dịch chuyển pixel vị trí ban đầu nhằm chỉnh sửa biến dạng hình học để gần với thực tế • Chuyển đổi liệu DN sang dB (Convert DN/dB): Giá trị điểm ảnh ghi nhận giá trị số Digital Number (DN), để đánh giá tương quan với độ ẩm đất giá trị chuyển đổi sang dB thể cường độ sóng điện từ - đại lượng bị ảnh hưởng tính chất vật thể ghi nhận Thu thập mẫu đất khu vực nghiên cứu thí nghiệm độ ẩm đất Trong nghiên cứu này, quy trình lấy mẫu trình bày Hình 2b Có ngày lấy mẫu ngồi trường tương ứng với ngày ghi nhận liệu ảnh vệ tinh Lịch trình dự kiến bay chụp qua khu vực nghiên cứu ESA cung cấp trang chủ (https://sen tinels.copernicus.eu/web/sentinel/missions/sentinel -1/observation-scenario/acquisition-segments),dựa vào thơng tin nhóm nghiên cứu lên kế hoạch thực địa lấy mẫu trùng khớp với ngày, bay chụp vệ tinh Tổng số lượng mẫu thu thập ngày lấy mẫu 88 mẫu trình bày Bảng Riêng ngày 18/09 30/09 lấy thêm mẫu để hiểu chỉnh số liệu Diện tích lấy mẫu nằm khu vực canh tác Thanh Long với diện tích khoảng 2,1 ha, vị trí lấy mẫu ngẫu nhiên cho ngày lấy mẫu Vị trí lấy mẫu cách với khoảng cách tối thiểu 10m-độ phân giải nhỏ điểm ảnh 10m, để mẫu độ ẩm đại diện cho độ ẩm điểm ảnh Bên cạnh đó, vị trí lấy mẫu cách xa vị trí gây nhiễu cho trình xử lý ảnh cao, nhà mái tôn, trụ điện, ao hồ, với khoảng cách tối thiểu 20m Với vị trí lấy mẫu ghi nhận tọa độ GPS cầm tay GPS Garmin Montana 680 Hình 3b, tọa độ sở đối chiếu, trích xuất liệu từ ảnh vệ tinh Mẫu lấy khoảng thời gian bay chụp vệ tinh với độ lệch 15 phút Độ sâu lấy mẫu dao động từ 0cm đến 5cm tính từ bề mặt địa hình, sau dùng vào vịng để lấy mẫu nhằm mục đích lấy lượng vừa đủ cho mẫu Mẫu cho vào bì nhựa cân cân khối lượng ký hiệu Hình 3a-Hình 3d (M2 cơng thức tính độ ẩm) Bì nhựa mẫu đất (M1 cơng thức tính độ ẩm) 360 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái đất Mơi trường, 5(2):358-368 Hình 2: a) Sơ đồ xử lý ảnh vệ tinh Sentinel-1; b) Sơ đồ thu thập mẫu ngồi trường thí nghiệm độ ẩm Bảng 2: Thông tin 04 ngày lấy mẫu STT Ngày lấy mẫu Thời gian Số lượng mẫu 02/06/2019 5h15-5h45 22 18/09/2019 5h15-5h45 22+1 30/09/2019 5h15-5h45 22+1 12/10/2019 5h15-5h45 22 cân khối lượng cân điện tử với độ xác 0,01g Hình 3c.Mọi thơng số ghi chép vào nhật ký lấy mẫu Mẫu bì nhựa sau vận chuyển phịng thí nghiệm cho vào hộp nhơm Các hộp nhôm ký hiệu cân khối lượng (m2 cơng thức tính độ ẩm) Hình 4a Các bì nhựa cân lại khối lượng đối chiếu với khối lượng ban đầu (M2) nhằm hạn chế đất cịn bì nhựa ảnh hưởng đến kết thí nghiệm Mẫu sấy vịng tiếng với nhiệt độ trung bình 80o C Hình 4b - Hình 4c Mẫu sau sấy cân khối lượng (m1 cơng thức tính độ ẩm), xác định độ ẩm theo cơng thức tính độ ẩm: (M1−M2)−(m1−m2) Độ ẩm (%) = × 100% m1−m2 M1: khối lượng đất tự nhiên bì nhựa (g) 361 M2: khối lượng bì nhựa (g) m1: khối lượng đất hộp nhôm sau sấy (g) m2: khối lượng hộp nhơm (g) Trích xuất, xử lý liệu Trích xuất liệu Ảnh sau xử lý bước trích xuất giá trị phản xạ dựa tọa độ thu thập mẫu thực địa Dữ liệu ảnh trích xuất từ ảnh sang file.text bao gồm thông số tọa độ điểm giá trị phản xạ VV VH Dữ liệu trích xuất dùng để xử lý số liệu đánh giá kết bước sau Xử lý liệu Công cụ Chart, Data analysis Excel sử dụng vẽ biểu đồ tương quan, đánh giá tương quan độ lệch chuẩn Các giá trị độ ẩm thu thập ngồi Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Trái đất Môi trường, 5(2):358-368 Bảng 3: Giá trị độ ẩm tương ứng với giá trị phản xạ STT Độ ẩm (%) VV (dB) VH (dB) 15,5672 -9,0012 -12,8798 16,0539 -6,4020 -11,6280 16,0842 -6,1574 -13,9405 16,0848 -9,2006 -13,0576 16,7117 -6,0533 -12,4007 16,8178 -5,8100 -13,7110 17,1005 -6,7671 -11,6625 Trung bình: 16,3505 -6,7247 -12,9476 trường ghi nhận giá trị phản xạ Bảng Trong Bảng mẫu độ ẩm nhóm lại theo khoảng giá trị 1% độ ẩm để tính giá trị trung bình độ ẩm, trung bình VV trung bình VH Ví dụ, với giá trị phản xạ VV (VH) khoảng từ 16% đến