Bắc Tây Nguyên Nghệ An STT Mã ảnh Ngày chụp STT Mã ảnh Ngày chụp 1 LC81240502015001LGN01 01/10/15 34 LC81270462015022LGN01 22/01/15 2 LC81240512015001LGN01 01/01/15 35 LC81270472015022LGN01 22/01/15 3 LC81250502015024LGN01 24/01/15 36 LC81280462015029LGN01 29/01/15 4 LC81240502015049LGN01 18/02/15 37 LC81270462015118LGN01 28/04/15 5 LC81240512015049LGN01 18/02/15 38 LC81270472015118LGN01 28/04/15 6 LC81250502015040LGN02 09/02/15 39 LC81280462015093LGN01 03/04/15 7 LC81240502015065LGN01 06/03/15 40 LC81270462015150LGN01 14/05/15 8 LC81240512015065LGN01 06/03/15 41 LC81270472015150LGN01 14/05/15 9 LC81250502015088LGN01 29/03/15 42 LC81280462015125LGN01 05/05/15 10 LC81240502015097LGN01 07/04/15 43 LC81270462015182LGN01 01/07/15 11 LC81240512015097LGN01 07/04/15 44 LC81270472015182LGN01 01/07/15 12 LC81250502015104LGN01 14/04/15 45 LC81280462015189LGN01 08/07/15 13 LC81240502015129LGN01 09/05/15 46 LC81270462015230LGN01 18/08/15 14 LC81240512015145LGN01 09/05/15 47 LC81270472015230LGN01 18/08/15 15 LC81250502015136LGN01 16/05/15 48 LC81280462015221LGN01 09/08/15 16 LC81240502015161LGN01 10/06/15 49 LC81270462015262LGN01 19/09/15 17 LC81240512015161LGN01 10/06/15 50 LC81270472015262LGN01 19/09/15 18 LC81250502015152LGN01 01/06/15 51 LC81280462015269LGN01 25/09/15 19 LC81240502015273LGN01 30/09/15 52 LC81270462015294LGN02 05/10/15 20 LC81240512015273LGN01 30/09/15 53 LC81270472015294LGN02 21/10/15 21 LC81250502015264LGN01 05/09/15 54 LC81280462015301LGN02 28/10/15 22 LC81240502015289LGN02 16/10/15 55 LC81280462018101LGN00 11/04/18 23 LC81240512015289LGN02 16/10/15 24 LC81250502015296LGN01 23/10/15 25 LC81240502015289LGN02 17/11/15 26 LC81240512015321LGN01 17/11/15 27 LC81250502015328LGN01 24/11/15 28 LC81240502015337LGN01 03/12/15 29 LC81240512015337LGN01 03/12/15 30 LC81250502015360LGN01 26/12/15 31 LC81240502016068LGN01 08/03/16 32 LC81240512016068LGN01 08/03/16 33 LC81250502016075LGN01 15/03/16
Tiền thân của Landsat 8 là vệ tinh Landsat 7 vẫn đang hoạt động trên quỹ đạo cùng lúc với vệ tinh mới này và gửi về khoảng 250 ảnh mỗi ngày. Như vậy, một trong những ưu thế rõ ràng nhất của Landsat 8 là khả năng chụp và gửi về mỗi ngày nhiều ảnh hơn hẳn thế hệ vệ tinh trước. Tuy nhiên, hai kênh phổ mới mới là ưu thế vượt trội của Landsat 8, trong đó một kênh phổ cho phép vệ tinh thu thập được thông tin ở các tầng nước sâu hơn trong đại dương, sơng, hồ; trong khi đó kênh phổ mới cịn lại có thể phát hiện mây ti và chỉnh sửa các hiệu ứng khí quyển. Thêm vào đó, băng phổ hồng ngoại của Landsat 8 được chia thành hai, cho phép xác định nhiệt độ bề mặt chính xác hơn. Tất cả những ưu thế của Landsat 8 sẽ tạo ra sự khác biệt đáng kể trong lập bản đồ và xác định biến động trên bề mặt Trái đất. Với những ưu điểm như trên nên ảnh landsat 8 đang được ứng dụng trong nhiều nghành, nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, để sử dụng ảnh Landsat 8 phù hợp với điều kiện Việt Nam sau khi tải ảnh về từ Internet chưa thể sử dụng được ngay mà cần phải qua nhiều bước chuyển đổi, hiệu chỉnh.
Trong nghiên cứu này, dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 với độ phân giải 30x30 m được sử dụng để xây dựng phương trình tính tốn độ ẩm của đất chiết suất từ phổ phản xạ của đất trong phịng thí nghiệm theo các mức độ ẩm khác nhau. Sau đó, phương trình này được áp dụng vào ảnh Landsat 8 để mô tả sự biến đổi độ ẩm của đất theo không gian và thời gian. 55 cảnh ảnh Landsat 8 (Bảng 2.1) được thu thập tại địa chỉ của Cục Địa chất Hoa Kỳ là https://earthexplorer.usgs.gov/. Vị trí ảnh thu thập Path/Row lần lượt là 124/50, 124/51 và 125/50 cho khu vực Bắc Tây Nguyên và 127/46, 127/47 và 128/46 đối với khu vực Nghệ An. Các ảnh đều nằm trong hệ tọa độ WGS 84, múi 48N, định dạng GEOTIFF. Ảnh thu được đều có độ che phủ của mây thấp và được hiệu chỉnh hình học, khí quyển.
2.2. PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT THỰC ĐỊA VÀ THU THẬP MẪU
Đây là phương pháp quan trọng trong nghiên cứu nhằm bổ sung và hiệu chỉnh các thơng tin có được từ các tài liệu thu thập. Bên cạnh đó, trong qua trình khảo sát đo đạc, học viên đồng thời phỏng vấn ý kiến của người dân sống quanh khu vực để có được những đánh giá khách quan và thực tế về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của đất tại các vị trí nghiên cứu.
Vị trí các điểm khảo sát, đo đạc phân bố tại khu vực Bắc Tây Nguyên chủ yếu nằm gần ranh giới của hai tỉnh Kon Tum và Gia Lai (Hình 2.1). Các mẫu đất tại khu vực Bắc Tây Nguyên được thu thập bởi công ty cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 1 trong tháng 3 và tháng 8 năm 2017.
Hình 2.1. Sơ đồ mạng lƣới khảo sát khu vực Bắc Tây Nguyên
Để tiến hành kiểm chứng kết quả tính tốn độ ẩm đất, học viên đã thực hiện 1 đợt khảo sát thực địa khu vực Nghệ An. Trong đợt khảo sát từ ngày 08/04/2018 – 13/04/2018, học viên đã tiến hành lấy 15 mẫu đất tại khu vực Nậm Cắn (Hình 2.2), trong đó có 7 mẫu đất lấy trong thời gian trước và sau 1 tiếng so với thời gian Landsat 8 chụp ảnh theo giờ địa phương dưới sự hỗ trợ của đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô
hình phát triển bền vững tích hợp 3E+1 (kinh tế, môi trường, hệ sinh thái và an ninh phi truyền thống) cho các khu vực biên giới Việt - Lào vùng Tây Bắc”, mã số KHCN-
TB/13-18.
Phương pháp lấy mẫu đất
- Lấy mẫu trên tầng mặt tại các điểm khảo sát (thảm thực vật ít hoặc khơng phát triển, trơ bề mặt đất đá);
- Lấy 0,5 kg mẫu bằng bay inox và cho vào túi PE, ghi rõ điểm và tọa độ lấy mẫu vào giấy can.
- Trong quá trình lấy mẫu đất, cần đào trắc diện khoảng 0 - 30 cm để mô tả sơ bộ về phẫu diện đất: màu sắc, đặc tính cơ lí, độ ẩm,…
a) b)
c) d)
Hình 4.8. Một số vị trí lấy mẫu (a, b) và phẫu diện mẫu đất thu thập (c, d) tại Nậm Cắn, Kỳ Sơn, Nghệ An
Để chuẩn bị cho công tác thực địa cần chuẩn bị GPS, túi PE, bay inox… Các thiết bị chính sử dụng trong quá trình lấy mẫu đều được kiểm tra và hiệu chuẩn đạt yêu cầu, đảm bảo độ chính xác trong q trình vận hành. Ngày thực địa được chọn vào các ngày thời tiết có nắng đẹp trùng với ngày chụp ảnh vệ tinh Landsat 8. Vị trí các điểm khảo sát được xác định bằng máy đo GPS hiện trường.
2.3. PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ ẢNH
Ảnh Landsat 8 được hiệu chỉnh bức xạ theo quy trình hướng dẫn trong Landsat Users Handbook [76] bằng phần mềm ENVI 5.3. Giá trị phản xạ của các kênh được đưa về giá trị phản xạ phổ bề mặt thông qua phép hiệu chỉnh khí quyển (Top of Atmosphere - TOA). Nghiên cứu này, sử dụng thuật toán “trừ đối tượng tối” DOS (Dark Object Subtract) dựa vào “đối tượng đen” trong ảnh để ước tính từ giá trị thấp
nhất của histogram trích dẫn từ mỗi kênh ảnh từ đó loại bỏ những ảnh hưởng của điều kiện khí quyển đến chất lượng ảnh [48, 49].
Giá trị bức xạ phổ được sử dụng để xác định giá trị phản xạ (reflectance). Đối với ảnh Landsat 8, giá trị bức xạ phổ được xác định theo cơng thức (1) sau:
(1) trong đó d: khoảng cách thiên văn giữa Trái đất và Mặt trời, được xác định theo công thức: d = (1,0 – 0,01674.cos(0,9856(D-4)), ở đây D là thứ tự ngày trong năm; ESUN - giá trị trung bình bức xạ quang phổ mặt trời (W/m2.sr.µm); θs – góc thiên đỉnh (được lấy trong file metadata ảnh LANDSAT) [76].
Ảnh Landsat Surface Reflectance Level 2 (L8SR) là ảnh đã được xử lý theo tiêu chuẩn khoa học cao nhất và mức độ xử lý được yêu cầu được thực hiện để sử dụng trực tiếp trong việc giám sát và đánh giá thay đổi cảnh quan. Phương pháp xử lý của ảnh Landsat để thu được L8SR được thể hiện trong hình 2.4. Đây là sản phẩm nằm trong chương trình Landsat ARD (Landsat Analysis Ready Data) của USGS được công bố vào ngày 25 tháng 9 năm 2017, có sẵn để tải xuống từ EarthExplorer cho Hoa Kỳ, Alaska và Hawaii với vộ tham chiếu WGS84 và định dạng GeoTIFF. Phép chiếu được sử dụng Alber Equal Area Conic. Khoảng thời gian sẽ bao gồm hình ảnh từ năm 1985 đến năm 2016 cho Hoa Kỳ và từ 2000-2016 cho Alaska và Hawaii. Dữ liệu được cung cấp bao gồm phản xạ khí quyển, độ sáng, phản xạ bề mặt và thơng tin chất lượng điểm ảnh. Mỗi ảnh có kích thước 5000 x 5000 với độ phân giải 30 mét.
Ảnh Landsat 8 Level 1 Hiệu hỉnh bức xạ Hiệu chỉnh khí quyển (7 kênh ảnh Landsat 8) Ảnh OLI đã xử lý (phổ phản xạ mặt đất) Thơng số khí quyển, hơi nước, mơ hình độ cao số Ảnh OLI 7 kênh Bản đồ độ dày Sol khí Xử lý bởi NASA
Hình 2.3. Quy trình và phƣơng pháp xử lý ảnh Landsat OLI để có đƣợc dữ liệu Landsat Surface Reflectance Level 2 [68]
Với ảnh Landsat Surface Reflectance Level 2 Science Products người dùng có thể bỏ qua nhiều cơng đoạn như xác định nguồn gốc của dữ liệu ảnh và hệ thống xử lý mà trước đây thường tốn rất nhiều thời gian. Landsat Surface Reflectance Level 2 Science Products cung cấp các cảnh ảnh được hiệu chỉnh một cách đồng bộ, xác định chất lượng ảnh tới từng Pixel, cung cấp nhiều dữ liệu có thể sử dụng được hơn. Theo đó, dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat thu đươc sẽ ngay lập tức được hệ thống xử lý một cách chính xác và đồng bộ giúp rút ngắn thời gian làm việc đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng ảnh; phân loại ảnh vào từng nhóm theo đặc điểm hình học, đặc điểm khí quyển giúp cho việc sử dụng được dễ dàng hơn; và cuối cùng là cung cấp dữ liệu Landsat với chất lượng cao nhất cho người sử dụng. Vì thế Landsat Surface Reflectance Level 2 Science Products cung cấp sẽ trở thành cơng cụ hữu ích cho các nghiên cứu chuyên sâu trong thời gian tới.
Trong khuôn khổ luận văn, học viên đã sử dụng phương pháp DOS để xử lý ảnh Landsat 8 Level 1 cho cả hai khu vực (Bắc Tây Nguyên và Nghệ An) và so sánh với ảnh Landsat 8 Level 2 đã được xử lý bởi NASA cho khu vực Nghệ An vào ngày 11/04/2018. So sánh tính chính xác của hai phương pháp xử lý ảnh đã được nghiên cứu và làm rõ trong luận văn. Nghiên cứu được tiến hành trên phần mềm ENVI 5.3 và ArcGIS 10.3.
Phần mềm ENVI được thiết kế dựa trên ngôn ngữ lập trình IDL (Interactive Data Language) có điểm mạnh của ENVI là: 1 - khả năng xử lý ảnh kết hợp cách tiếp cận theo file ảnh (file-based) và theo kênh (bandbased); 2 - khả năng xử lý và phân tích đa kênh/ đa dữ liệu; 3 - khả năng mở rộng và đưa thêm những modul phân tích xử lý và phân tích ảnh với các kích cỡ và định dạng ảnh khác nhau; 4 - hoàn thiện nhiều cơng cụ phân tích phổ với các thuật tốn hồn chỉnh và khả năng tích hợp với GIS. Ngồi ra phần mềm ENVI có các cơng cụ để đưa dữ liệu ảnh về khuôn dạng bản đồ cuối cùng như các cơng cụ nắn chỉnh hình học ảnh với ảnh, ảnh với bản đồ, tạo ảnh trực chiếu, ghép ảnh, biên tập bản đồ. Một bộ cơng cụ tích hợp xuất, nhập, phân tích dữ liệu vecto, sửa đổi dữ liệu vecto đang có, tạo câu hỏi phân tích thuộc tính, sử dụng các lớp dữ liệu vecto cho việc phân tích dữ liệu raster hay tạo ra các lớp dữ liệu vectơ mới từ các kết quả xử lý ảnh raster.
Phần mềm Arcgis 10.3 có các chức năng chính như chức năng quản lý cơ sở dữ liệu (quản lý dữ liệu khơng gian và dữ liệu thuộc tính); chức năng tra cứu thơng tin (theo vị trí địa lý và theo thuộc tính); tổ chức thơng tin theo các lớp đối tượng (thủy văn, giao thông…), chức năng thành lập bản đồ chuyên đề…
2.4. PHƢƠNG PHÁP TÍNH ĐỘ ẨM CỦA ĐẤT TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM NGHIỆM
Phương pháp xác định độ ẩm của đất là một trong những phương pháp quan trọng trong nghiên cứu để có cơ sở xây dựng mối tương quan giữa độ ẩm của đất với phổ phản xạ thu được từ xử lý ảnh viễn thám Landsat 8. Trong nghiên cứu này, xác định độ ẩm của đất trong phịng thí nghiệm được tiến hành theo Tiêu chuẩn Quốc gia - TCVN 4196:2012 do Bộ Khoa học và Công nghệ công bố [27].
Độ ẩm của đất (Soil Moisture - SM) được định nghĩa theo TCVN 4196:2012 là lượng nước chứa trong đất, được tính bằng phần trăm so với khối lượng đất khơ. Mẫu đất chuẩn bị cho phương pháp này là dạng mẫu bột được nghiền bằng cối mã não với kích thước nhỏ hơn 0.1 mm, được sấy khô ở nhiệt độ 105oC (đưa các mẫu về cùng một điều kiện ban đầu). Các mẫu đất được cho vào cốc nhỏ bằng thủy tinh có nắp đã được đánh số, biết khối lượng (g) và sấy khô. Mỗi mẫu đất được chia làm 10 mẫu nhỏ với khối lượng 20g [38] và nước được thêm vào các mẫu theo mức độ từ khơ đến bão hịa (Hình 2.4). Sau đó được cân trên cân kỹ thuật với độ chính xác đến 0,01 g để xác định khối lượng của cốc thủy tinh và mẫu đất. Sau khi sấy đủ thời gian từ 8h - 12h đối với từng loại mẫu, lấy cốc ra khỏi tủ sấy rồi đem cân. Lấy khối lượng nhỏ nhất của cốc (hoặc hộp) có đựng mẫu trong các lần cân của q trình sấy khơ đến khối lượng khơng đổi làm kết quả cân.
Hình 2.4. Các mẫu đất đƣợc chuẩn bị để đo độ ẩm của đất tại PTN Cơ học đất và địa kỹ thuật môi trƣờng – Trƣờng đại học Kumamoto
Độ ẩm của đất (w) được tính bằng phần trăn (%) theo cơng thức (2):
(2) trong đó:
- m là khối lượng của cốc nhỏ có nắp, tính bằng gam (g);
- mo là khối lượng của đất đã được sấy khơ đến khối lượng khơng đổi và cốc nhỏ có nắp, tính bằng gam (g);
- m1 là khối lượng của đất ướt và cốc nhỏ có nắp, tính bằng gam (g).
Kết quả tính tốn độ ẩm được biểu diễn với độ chính xác đến 0,1%. Lấy giá trị trung bình cộng kết quả tính tốn các lần xác định song song làm độ ẩm của mẫu đất. Nếu kết quả của hai lần xác định song song chênh lệch nhau hơn 10% giá trị độ ẩm trung bình tính được, thì phải tăng số lần xác định đến ba hoặc hơn nữa.
2.5. PHƢƠNG PHÁP ĐO PHỔ TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM
Trước khi đo phổ đất, các mẫu đất biết trước độ ẩm được cho ra các khay và sắp xếp theo thứ tự (Hình 2.5). Phổ phản xạ đất được đo bằng máy đo phổ hiện trường ASD (Analytical Spectral Devices) – FieldSpec®3 (Hình 2.6) của PTN Environmental Geosphere Engineering – trường Đại học Kyoto, Nhật Bản.
Hình 2.5. Các mẫu đất đƣợc chuẩn bị để đo phổ tại PTN Địa kỹ thuật môi trƣờng - Đại học Kyoto
Máy đo phổ FieldSpec®3 có khả năng ghi thu phổ phản xạ từ cận hồng ngoại nhìn thấy (NIR) đến hồng ngoại sóng ngắn 2 (SWIR 2) của đối tượng, bao gồm dải phổ từ 350 đến 2500 nm và tốc độ thu thập dữ liệu là 0,1s trên mỗi phổ [56]. Đối với dữ liệu phổ của máy ASD, độ phân giải phổ của bước sóng từ 350 nm đến 1000 nm là 3 nm, độ phân giải phổ của bước sóng trong khoảng từ 1000nm - 2500 nm là 10 nm, và phổ chuẩn có độ phân giải là 1 nm [72]. Máy được thiết kế nhỏ gọn so với máy FieldSpec Pro FR có thể dễ dàng di chuyển trong quá trình tiến hành đo đạc trong phịng thí nghiệm và thực địa.
Hình 2.6. Đo phổ phản xạ đất sử dụng máy đo phổ FieldSpec®3 tại PTN Địa kỹ thuật môi trƣờng - Đại học Kyoto
Phần mềm RS3 được sử dụng để kết nối và điều khiển máy đo phổ FieldSpec®3. Từ các file số liệu đo phổ phản xạ của bề mặt đối tượng nhận được từ máy đo phổ FieldSpec®3 có đi dạng .asd, sử dụng phần mềm ViewSpec Pro để hiển thị, tính tốn và chiết tách các dữ liệu đo đạc độ ẩm đất.
Phổ phản xạ đất được tính tốn theo phương trình (3) dưới đây:
(3)
trong đó:
-Rw là phổ phản xạ của đất được đo ngay trên bề mặt đất có đơn vị là %;
p
R là hệ số phản xạ ảnh hưởng bởi bầu trời được cung cấp theo năm bởi Field Spectroscopy Facility (http://fsf.nerc.ac.uk/calibration/cal_files.shtml).
-Lt là hệ số phát xạ thu được của đất tại điểm đo;