Tài liệu NGHIÊN CỨU CÁC MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ ỨNG DỤNG HỆ PHỔ KẾ SIÊU CAO TẦN TRONG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐỘ ẨM ĐẤT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM -------------------------------------- VIỆN VẬT LÝ Võ Thị Lan Anh NGHIÊN CỨU CÁC MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ ỨNG DỤNG HỆ PHỔ KẾ SIÊU CAO TẦN TRONG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐỘ ẨM ĐẤT Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62 44 01 09 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội, 2015 Công trình được hoàn thành tại: Trung tâm Vật lý Quang Lượng Tử, Viện Vật Lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Doãn Minh Chung, Viện Công nghệ vũ trụ Phản biện 1: TS. Lại Anh Khôi, Viện Công nghệ vũ trụ. Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Trường Xuân, Đại học Mỏ địa chất. Phản biện 3: TS. Lê Quốc Hưng, Cục Viễn thám quốc gia Luận án được bảo vệ trước hội đồng cấp Viện chấm luận án tiến sĩ họp tại Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, vào hồi …… ngày ….. tháng….. năm………. Có thể tìm hiểu tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam; - Trung tâm Thông tin tư liệu Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. MỞ ĐẦU 1. Xuất xứ của đề tài luận án Đất trong thuật ngữ chung là các vật chất nằm trên bề mặt Trái đất, có khả năng hỗ trợ sự sinh trưởng của thực vật và phục vụ như một môi trường sinh sống của các dạng động vật từ các vi sinh vật tới các loài động vật. V.V. Dokuchaev, nhà khoa học người Nga tiên phong trong lĩnh vực khoa học đất cho rằng “Đất như là một thực thể tự nhiên có nguồn gốc và lịch sử phát triển riêng, là thực thể với những quá trình phức tạp và đa dạng diễn ra trong nó. Đất được coi là khác biệt với đá. Đá trở thành đất dưới ảnh hưởng của một loạt các yếu tố tạo thành đất như khí hậu, cây cỏ, khu vực, địa hình và tuổi. Theo đó, đất có thể được gọi là các tầng trên nhất của đá không phụ thuộc vào dạng, chúng bị thay đổi một cách tự nhiên bởi các tác động phổ biến của nước, không khí và một loạt các dạng hình của các sinh vật sống hay chết. Đất có vai trò vô cùng quan trọng cho mọi loại hình sự sống trên Trái đất vì nó hỗ trợ sự sinh trưởng của thực vật, đồng thời các loài thực vật lại cung cấp oxy và hấp thụ dioxit cacbon cho đất [57 ]. Về thành phần của đất, các loại đất được phân loại dao động trong một khoảng rộng về thành phần và cấu trúc theo từng khu vực. Các loại đất được hình thành thông qua quá trình phong hoá của các loại đá và sự phân hủy của các chất hữu cơ. Đó là quá trình tác động của gió, mưa, băng tuyết, ánh nắng và các tiến trình sinh học trên các loại đá theo thời gian, các tác động này làm đá vỡ vụn ra thành các hạt nhỏ. Các thành phần khoáng chất và các chất hữu cơ xác định cấu trúc và các thuộc tính khác của các loại đất. Trong thiên nhiên, độ ẩm đất có vai trò quan trọng duy trì sự sống của các loài sinh vật trên Trái đất, từ đó tạo ra nguồn lương thực thực phẩm cho con người. Mặt khác, độ ẩm đất là tham số đặc trưng cho quá trình trao đổi năng lượng giữa đất và không khí, ảnh hưởng trực tiếp đến sinh thái môi trường. 1    Thông tin về độ ẩm đất rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực như khí tượng, thủy văn, nông - lâm nghiệp, liên quan đến vấn đề an ninh lương thực và sự biến đổi của tiểu vùng khí hậu [9, 12-13, 68]. Do đặc tính biến đổi nhanh về không gian và thời gian, việc xác định chính xác độ ẩm đất trên diện rộng là rất khó [25, 36, 68]. Ở Việt Nam hiện nay, độ ẩm đất được đo và giám sát chủ yếu bằng phương pháp truyền thống (khoan sấy), các trạm quan trắc, tuy cho kết quả chính xác nhưng mang tính cục bộ, không có thông tin bao quát trên diện rộng, hạn chế việc quản lý tài nguyên đất và nước từ cấp tỉnh trở lên [7, 11,14]. Với sự phát triển vượt bậc của công nghệ vũ trụ, phương pháp viễn thám siêu cao tần (tích cực và thụ động) đã được ứng dụng trong nghiên cứu, giám sát độ ẩm đất, mang lại hiệu quả về kinh tế - xã hội, khắc phục được các nhược điểm nêu trên, đặc biệt là đặc tính bao quát vùng rộng lớn và khó tiếp cận [1920, 30, 41, 48, 60]. Nguyên tắc cơ bản của các phương pháp viễn thám siêu cao tần trong nghiên cứu độ ẩm đất là thu nhận các năng lượng phản xạ, phát xạ từ mặt đất - vốn mang thông tin về sự tương tác giữa năng lượng phát xạ với mặt đất, từ đó xác định được độ ẩm đất. Mô hình vật lý thực chất là tổ hợp một số các công thức mô tả các quan hệ, quy luật vật lý giữa các đại lượng, thông số của vật chất. Các mối quan hệ này thường là đa biến, tức là phụ thuộc vào nhiều điều kiện khác nhau, vì vậy chúng thường là Mô hình vật lý bán thực nghiệm. Nhận thấy vai trò quan trọng của độ ẩm đất đối với tài nguyên thiên nhiên và môi trường, sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học, của các cơ quan nghiên cứu và quản lý, trong khi các ứng dụng viễn thám siêu cao tần thụ động chưa được nghiên cứu một cách bài bản và hệ thống ở Việt Nam, đề tài luận án “Nghiên cứu các mô hình vật lý và ứng dụng hệ phổ kế siêu cao tần trong nghiên cứu xác định độ ẩm đất” được đặt ra nhằm nghiên cứu, ứng dụng các thành tựu mới của phương pháp viễn thám siêu cao tần thụ động trong nghiên cứu độ ẩm đất, từng bước hội nhập quốc tế trong chuẩn hoá 2    kiểm chứng dữ liệu các vệ tinh đo đạc, giám sát độ ẩm đất toàn cầu, góp phần giảm thiểu thiệt hại do biến đổi khí hậu gây ra. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu a. Mục tiêu: Mục tiêu của luận án là nghiên cứu phương pháp viễn thám siêu cao tần thụ động trong xác định độ ẩm đất thông qua các phép đo của phổ kế siêu cao tần. b. Nhiệm vụ nghiên cứu: Để thực hiện được mục tiêu nêu trên, những nội dung nghiên cứu sau cần được thực hiện: - Tổng quan về độ ẩm đất và các phương pháp nghiên cứu; - Tổng quan về ứng dụng viễn thám siêu cao tần thụ động trong nghiên cứu độ ẩm đất; - Nghiên cứu, xây dựng mô hình vật lý bán thực nghiệm về độ ẩm đất; - Thiết lập quy trình thực nghiệm đo nhiệt độ phát xạ của mặt đất bằng phổ kế siêu cao tần nhằm cung cấp dữ liệu đầu vào cho mô hình; - Lập chương trình tính toán độ ẩm đất dựa trên mô hình vật lý bán thực nghiệm và các dữ liệu đầu vào. 3. Phương pháp nghiên cứu trong Luận án Để thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu, luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau: - Phương pháp tổng hợp và phân tích lý thuyết về các mô hình vật lý nghiên cứu độ ẩm đất. - Phương pháp thực nghiệm sử dụng phổ kế siêu cao tần đo nhiệt độ phát xạ của mặt đất nhằm cung cấp dữ liệu thực nghiệm cho mô hình vật lý tính toán độ ẩm đất. - Phương pháp tính toán độ ẩm đất theo mô hình sử dụng phần mềm Excels. 4. Các luận điểm bảo vệ Luận điểm bảo vệ thứ nhất: Tích hợp mô hình Fresnel và mô hình WangSchumugge là nền tảng cơ bản cho phép sử dụng số liệu đo nhiệt độ phát xạ 3    bằng phổ kế SCT để xác định độ ẩm đất một cách bán thực nghiệm. Luận điểm bảo vệ thứ hai: Quy trình đo nhiệt độ phát xạ bằng phổ kế SCT và thuật toán hồi quy độ ẩm đất cho phép xác định độ ẩm đất trên diện rộng, phục vụ các ứng dụng trong nông nghiệp. 5. Đóng góp khoa học mới của luận án Trên cơ sở nghiên cứu, xây dựng mô hình vật lý bán thực nghiệm về độ ẩm đất, luận án đã thiết lập được quy trình chuẩn để đo nhiệt độ phát xạ của mặt đất bằng phổ kế siêu cao tần, nhằm cung cấp dữ liệu thực nghiệm cho mô hình vật lý, từ đó xây dựng chương trình tính toán độ ẩm đất. Đây là lần đầu tiên ở Việt Nam, độ ẩm đất được nghiên cứu một cách bài bản cả về lý thuyết và thực nghiệm bằng phương pháp viễn thám siêu cao tần thụ động. CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘ ẨM ĐẤT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về các tính chất vật lý cơ bản của đất Để đặc trưng cho các tính chất vật lý và hàm lượng nước trong đất, các nghiên cứu đã đưa ra một số thông số vật lý của đất như sau: - Dung trọng của đất, Tỷ trọng của đất, Độ xốp của đất, Độ ẩm khô héo, Độ trữ ẩm cực đại của đất hay là sức chứa ẩm tối đa, Hằng số nước, Trữ lượng nước trong đất. 1.2. Các phương pháp nghiên cứu độ ẩm đất. 1.2.1. Các phương pháp đo truyền thống. Từ trước đến nay, trên thế giới có nhiều phương pháp đo độ ẩm đất, có thể kể đến một vài phương pháp phổ biến như sau: a/ Phương pháp Kachinski: Mục đích của phương pháp này là tính lượng nước hút ẩm trong đất trong từng điều kiện nhất định, từ đó tính được độ ẩm đất. b/ Phương pháp tính toán độ ẩm đất toàn phần Độ ẩm đất toàn phần được tính bằng mm cột nước theo công thức sau: Wmm = Wt * d * h * 10 / 100 = Wt * d * h */10 (1.5) trong đó: Wmm : độ ẩm đất toàn phần, tính bằng mm; Wt : độ ẩm đất, tính bằng % trọng lượng, d: dung trọng (g/cm3); h : độ dày tầng đất (cm). 4    c/ Phương pháp tính toán độ ẩm hữu hiệu của đất, đây là giới hạn độ ẩm đất mà cây trồng có thể hút được nước, được xác định bằng hiệu số giữa độ ẩm tối đa và độ ẩm cây héo: Whh = Wtp - WWkhoheo (1.6) trong đó: Wtp - độ ẩm toàn phần (mm, %); Wkhoheo - Độ ẩm khô héo (mm,%); 1.2.2. Các phương pháp viễn thám a/ Viễn thám tích cực, nguyên tắc hoạt động liên quan đến quá trình truyền sóng điện từ từ nguồn phát tới đối tượng cần quan tâm, tương tác với khí quyển mà nó đi qua và tương tác với đối tượng. Phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng và sóng điện từ mà năng lượng phản xạ hay bức xạ từ đối tượng có sự khác nhau. Dựa vào đặc tính này và các mô hình vật lý có thể tính được độ ẩm đất. b/ Viễn thám thụ động, độ ẩm đất được nghiên cứu theo nguyên lý sau:  Theo lý thuyết về bức xạ điện từ, mọi vật chất trong thiên nhiên, ngoại trừ ở nhiệt độ không tuyệt đối (00K), do chuyển động nhiệt của các proton và electron, đều tự phát ra một phổ bức xạ nhiệt - được đặc trưng bởi Độ phát xạ (e) hay Nhiệt độ phát xạ (Tb = e.To). Nhiệt độ phát xạ này phụ thuộc vào nhiệt độ vật lý, thành phần, cấu trúc và các tham số vật lý của vật chất (độ ẩm đất). Dựa vào đặc tính này, người ta đo nhiệt độ phát xạ của đất và các mô hình vật lý có thể tính được độ ẩm đất. Hình 1: Tổng quan sự phát xạ tự nhiên của các đối tượng trên bề mặt Trái đất và thiết bị đo viễn thám đặt trên vệ tinh. Sóng điện từ này lan truyền trong không gian dưới dạng phổ bức xạ ở mọi dải tần số. Tuy nhiên, tuỳ thuộc vào môi trường và bản thân vật phát xạ, phổ năng lượng này có thể bị hấp thụ 5    khác nhau đối với mỗi dải tần số. Trong vùng sóng làm việc của viễn thám, vùng có bước sóng từ λ = (0.3-100) cm được gọi là vùng sóng siêu cao tần.   Phổ kế siêu cao tần (SCT) là thiết bị đặc biệt đo nhiệt độ phát xạ tự nhiên của đối tượng trong vùng sóng siêu cao tần. Phổ kế SCT bao gồm anten, máy thu và khối xử lý số liệu và ghép nối với máy tính. Để đo nhiệt độ phát xạ của một đối tượng, anten được hướng vào đối tượng đó theo góc tới θ và góc phương vị θ. Đối tượng đó phát ra một bức xạ điện từ, trong đó cường độ bức xạ B được biểu thị bằng công thức Rayleigh-Jeans : B=(2kT/λ2)e trong đó: (1.8) B - cường độ bức xạ. (Watt/m2) K=1,38.10-23 J/K – hằng số Boltzman. λ(cm) – bước sóng điện từ trường, e- độ phát xạ tự nhiên của đối tượng đo. Cường độ bức xạ từ đối tượng được hấp thụ bởi anten và tạo nên nhiệt độ anten - được biểu thị qua công thức sau : TA = 1 4π ∫∫π T B (θ , φ ).G (θ , φ ).dΩ   4 Trong đó:  6        (1.9)     G (θ,φ)= hệ số khuếch đại của anten.    TB(θ,φ)= Phân bố góc của nhiệt độ phát xạ tại anten. Biểu thức về nhiệt độ phát xạ của mặt đất được đo bằng phổ kế SCT là:  [ ]  T B (θ , φ ) = τ ( A, θ ). R.T Sky + (1 − R ).T + T ATM ( A, θ )   (1.10) Trong đó : - A: là độ cao của anten so với đối tượng đo. - τ: hệ số truyền qua của không khí. - R: độ phản xạ của bề mặt đất. - Tsky: nhiệt độ phát xạ của bầu trời. - T: Nhiệt độ vật lý của bề mặt đất. -TATM : nhiệt độ phát xạ của không khí. 1.3. Tổng quan các nghiên cứu viễn thám độ ẩm đất ở trong và ngoài nước 1.3.1. Ở trong nước Hiện nay, tại Việt Nam do nhiều điều kiện khách quan khác nhau, số liệu điều tra cơ bản về độ ẩm đất là rất ít và tản mạn, chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp truyền thống, tuy có tính chính xác cao nhưng chỉ mang tính cục bộ, không có tính bao quát trên phạm vi rộng lớn. Trong những năm gần đây, công nghệ viễn thám đã được ứng dụng trong theo dõi giám sát độ ẩm đất, đặc biệt đối với các ngành nông - lâm nghiệp. Nhiều công trình nghiên cứu đã sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu độ ẩm đất. Bằng phương pháp giải đoán ảnh vệ tinh, ứng dụng hệ thống thông tin địa lý trong nghiên cứu độ ẩm đất và biến động lớp phủ đất đã được một số nhóm nghiên cứu như của tác giả Lại Anh Khôi, Nguyễn Ngọc Thạch, Phạm Văn Cự, Nguyễn Đình Dương, Trương Thị Hoà Bình, Trần Minh Ý, Bùi Doãn Trọng, v.v. Về ứng dụng viễn thám siêu cao tần thụ động sử dụng phổ kế siêu cao tần các băng L (1.4 GHz), băng C (3.5 GHz), và băng X (10.5 GHz), nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Doãn Minh Chung đã thực hiện thành công nhiều đề tài nghiên cứu độ ẩm đất. 1.3.2. Ở ngoài nước 7    Trên thế giới, độ ẩm đất được quan tâm đặc biệt và là một yếu tố quan trọng hàng đầu trong các hệ thống giám sát điều kiện ẩm của cây trồng và của các mô hình tưới tiêu. Tại nhiều nước tiên tiến, ảnh vệ tinh đã được sử dụng kết hợp với ảnh hàng không để nghiên cứu, điều tra tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Ngoài việc sử dụng các camera chụp các bức ảnh từ trên máy bay, người ta còn lắp đặt các hệ phổ kế hồng ngoại và phổ kế siêu cao tần để đo nhiệt độ phát xạ của các đối tượng tự nhiên trên mặt đất, qua đó giám sát các biến động về độ ẩm đất, sinh khối thảm thực vật. Vùng quan sát thường được chọn khá đồng nhất về mặt địa hình và đối tượng phủ trên mặt đất. Các kết quả thu được từ viễn thám hàng không có thể được sử dụng kết hợp với dữ liệu ảnh vệ tinh và kết quả đo thực địa mặt đất để có được bộ số liệu chính xác có tầm bao quát đủ lớn, tầm cỡ tỉnh, liên tỉnh, quốc gia. Tại Châu Âu, vệ tinh SMOS đã được phóng thành công và đưa vào hoạt động từ năm 2009 với nhiệm vụ đo độ ẩm đất và độ mặn nước biển trên toàn cầu. Tại Mỹ, đầu năm 2015, vệ tinh SMAP (Soil Moisture Active/Passive), vệ tinh đầu tiên của NASA đã được đưa vào khai thác, trên vệ tinh có gắn các bộ cảm tích cực và thụ động với nhiệm vụ đo độ ẩm đất trên toàn cầu, giúp cảnh báo và phòng tránh thiên tai. CHƯƠNG II. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ XÁC ĐỊNH ĐỘ ẨM ĐẤT 2.1. Tổng quan về các mô hình vật lý xác định độ ẩm đất Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích các mô hình vật lý về độ ẩm đất trên thế giới, luận đã án xây dựng một mô hình vật lý bán thực nghiệm phù hợp nhất với điều kiện thực tế ở Việt Nam để xác định độ ẩm đất, dựa trên các thông số đầu vào để “chạy” mô hình là các dữ liệu đo nhiệt độ phát xạ của mặt đất và các thông số thực địa. Độ ẩm đất được xác định dựa vào nguyên tắc cơ bản, đó là sự hồi quy giữa nhiệt độ phát xạ đo được bằng phổ kế và nhiệt độ phát xạ tính được từ mô hình. Vì vậy, luận án phải xây dựng quy trình đo nhiệt độ phát xạ của phổ kế phù hợp nhất với các điều kiện biên của các công thức trong mô hình. Khi cho hồi 8    quy 2 giá trị nhiệt độ phát xạ “đo” và “tính”, thì giá trị độ ẩm đất giả định trong mô hình sẽ bằng độ ẩm đất thực tế, được đo bởi phổ kế siêu cao tần. Đây cũng là đóng góp khoa học mới của luận án. 2.1.1.Mô hình hồi quy dựa trên phép đo cấu hình đơn giản và bản đồ phân loại thực vật của Jackson (1993) Trong mô hình này, Jackson đã chuyển từng bước giá trị nhiệt độ phát xạ thu được vào phép tính độ ẩm đất. Theo đó, các thông số phụ trợ chỉ là độ dài bước sóng của phổ kế đơn tần và thông tin về các đặc tính của lớp phủ thực vật, nhiệt độ vật lý của bề mặt đất. Bằng cách sử dụng các công thức Fresnel về sự phát xạ tự nhiên của đất, công thức Wang-Schmugge trong xác định độ ẩm đất, công thức Chouhury về hiệu chỉnh bề mặt và mô hình truyền sóng đã qua hiệu chỉnh thực vật của Mo, Jackson đã xác định được độ ẩm đất. Điểm nổi bật của mô hình này là hệ số truyền qua là hàm của từ tham số cây (b) và độ ẩm thực vật Wv. 2.1.2.Mô hình hồi quy dựa trên phép đo đơn cực và các chỉ số thực vật của Van de Greind và Owe (1994) Trong phương pháp này, Van de Greind đã chỉ ra mối liên hệ chặt chẽ giữa hệ số truyền qua và chỉ số thực vật (NDVI) và là nền tảng cho phương pháp tính của mình. Ở đây, nhiệt độ không khí được sử dụng như nhiệt độ hiệu dụng và dùng để chuẩn hóa nhiệt độ phát xạ. Độ phát xạ cũng được tính tương tự như mô hình của Jackson với giả thiết suất tán xạ đơn ω=0, nhiệt độ mặt đất = nhiệt độ lớp phủ cây= nhiệt độ hiệu dụng, hệ số truyền qua là hàm của chỉ số thực vật (NDVI). Mô hình tiếp cận này cho vai trò rõ nét của chỉ số thực vật. Tuy nhiên, mô hình này không thể áp dụng trên phạm vi toàn cầu do mối quan hệ thực nghiệm giữa chỉ số NDVI và hệ số truyền qua rất nhạy với các dạng thực vật. 2.1.3. Mô hình hồi quy 2 tham số, quan trắc hai phân cực và đa góc của Wingneron et al. (1995) Trong mô hình này, nhiệt độ phát xạ liên quan đến 3 biến số: hệ số truyền qua, độ ẩm đất và nhiệt độ vật lý bề mặt. Hệ phổ kế siêu cao tần gồm C, 9    L band được sử dụng để đo với các góc từ 8 đến 38 0. Nhiệt độ bề mặt được dùng để hiệu chỉnh. Ở mô hình này, cần có sự hiệu chỉnh của các tham số đầu vào và được coi là hằng số trong suốt quá trình thực hiện. Đó là : Suất tán xạ đơn của C(5Ghz) band và L band (1.4 Ghz), Tỷ số giữa hệ số truyền qua của L band và C band. rtau=τ (1.4 Ghz)/τ(5 Ghz), tham số hiệu chỉnh h’ và Q được dùng trong mô hình Chouhury và Wang để tính độ phát xạ e, và chỉ số phân cực Cpol được dùng để hiệu chỉnh góc đo với lớp phủ thực vật là mùa vụ và có cấu trúc phân cực đứng. Mô hình này tuy cho tính chính xác cao nhưng nhìn chung rất phức tạp do cần nhiều tham số chính xác đầu vào, sẽ khó áp dụng trên cấp độ rộng 2.1.4. Mô hình hồi quy 2 tham số, quan trắc lưỡng cực của Owe et al(2001) Trong mô hình này, cả độ ẩm đất và hệ số truyền qua được tính hồi quy một cách đồng thời từ quan trắc của một phổ kế lưỡng cực và nhiệt độ bề mặt. Trong mô hình này, hằng số điện môi có liên quan mật thiết đến hệ số truyền qua và chỉ số phân cực của phổ kế MPDI, hệ số phản xạ của bề mặt ghồ ghề. Sau khi sử dụng các vòng lặp để tối ưu hóa hằng số điện môi thì nhiệt độ phát xạ giữa phép đo và phép tính toán được hội tụ. Độ ẩm đất được tính bằng mô hình Wang-Schmugge với sự sử dụng các tham số về đất. Mô hình này cho cách tính đơn giản hơn các mô hình ở trên, thiết bị sử dụng cũng chỉ cần một phổ kế đơn tần 2.2. Xây dựng mô hình vật lý xác định độ ẩm đất Với mục đích xây dựng một mô hình tính độ ẩm đất phù hợp với điều kiện ở Việt Nam, dựa trên các mô hình của Owe et al, nghiên cứu sinh đã xây dựng mô hình vật lý bán thực nghiệm xác định độ ẩm đất dựa trên nhiệt độ phát xạ đo được bằng phổ kế đơn tần và một số tham số thực địa. Nguyên lý của mô hình là từ nhiệt độ phát xạ Tb đo được từ bề mặt đất (bằng phổ kế siêu cao tần), sẽ xác định được hằng số điện môi của nó thông qua mô hình phát xạ Fresnel. Sau đó, từ giá trị hằng số điện môi của đất, xác định được độ ẩm đất thông qua mô hình bán thực nghiệm Wang-Schmugge. 10    Kết quả là từ nhiệt độ phát xạ đo được của mặt đất, sẽ xác định được độ ẩm đất. Sơ đồ khối của mô hình này được mô tả như sau:  2.2.1 Mô hình vật lý về sự phát xạ tự nhiên của đất Hình 2.6: Sơ đồ các nguồn bức xạ siêu cao tần được đo bởi một phổ kế SCT ở độ cao H và tại góc θ. 11    Các thí nghiệm đo hằng số điện môi của đất và nước sạch đã chỉ ra rằng, hằng số điện môi của nước ew ≈80, rất lớn so với của đất khô eds ≈3. Sự tương phản này chứng tỏ hằng số điện môi của đất phụ thuộc mạnh vào lượng nước chứa trong đất . Vì vậy, nhiệt độ phát xạ của đất bị chi phối bởi hằng số điện môi và nhiệt độ mặt cắt lớp đất. Nhiệt độ phát xạ TB theo phân cực p (H – nằm ngang hoặc V- thẳng đứng) của môi trường đất có bề mặt nhẵn được đo ở góc θ tạo bởi phương thẳng đứng với pháp tuyến của anten, được thể hiện như sau :    0 TBp (θ ) = (2.5)   ∫ T ( z ) F p {ε ( z ),θ } dz −∞ trong đó ε(z) và T(z) là hằng số điện môi và nhiệt độ của đất tại độ sâu z của mặt cắt lớp. Hàm số FP{ε(z),θ} là hàm trọng số mô tả sự đóng góp của nhiệt độ lớp z đến nhiệt độ phát xạ trên toàn vùng. Schmugge and Choudhury đã đưa ra một mô hình truyền bức xạ đơn giản nhằm tính toán nhiệt độ phát xạ của đất theo công thức :  TBp (θ ) = [1 − R p (θ )] Teff (θ ),     (2.6) trong đó Rp(θ) là hàm phản xạ Fresnel đối với mặt tiếp giáp (đất-không khí) và Teff(θ) là nhiệt độ phát xạ hiệu dụng Trong trường hợp môi trường đất là đẳng nhiệt {T(z) = TS}, phương trình (2.6) trở thành:   TBp (θ ) = e p (θ ) TS = [1 − R p (θ )] TS ,     (2.7) Đối với trường hợp phát xạ đơn giản nhất của mặt đất: khi môi trường đất đẳng nhiệt, đồng nhất, với bề mặt tiếp giáp (không khí - đất) là mặt phẳng. TS là nhiệt độ vật lý của đất, ep(θ) là độ phát xạ phân cực p của bề mặt đất (h, v – phân cực ngang và thẳng đứng). Độ phát xạ Rp(θ) có thể được tính toán bằng các phương trình Fresnel dưới đây.  Rh (θ ) = Rv(θ ) = cos θ − ε − sin 2 θ 2 , cos θ + ε − sin 2 θ (2.8)  ε cos θ − ε − sin θ 2 ε cos θ + ε − sin 2 θ 2 , 12    (2.9) 2.2.2. Các tham số ảnh hưởng đến độ phát xạ tự nhiên của đất 2.2.2.1. Độ gồ ghề của bề mặt đất trống Trong thực tế, bề mặt đất ít khi bằng phẳng mà thường có độ gồ ghề nhất định. Khi bề mặt đất ghồ ghề thì độ phản xạ của đất cũng sẽ biến đổi theo. Choudhury đã đề xuất mô hình sử dụng tham số độ lệch chuẩn của chiều cao bề mặt σ. Đối với mặt đất gồ ghề, đồng nhất, độ phản xạ R sẽ là : Rrp (θ ) = R p (θ ) exp(−h cos 2 θ ), (2.10) Trong đó, R(θ,h,p) – hàm phản xạ Gamma được tính theo phương trình Fresnel cho mặt đất bằng phẳng.  h’- tham số đặc trưng cho độ gồ ghề của mặt đất, được tính như sau : ⎛ 2π ⎞ h' = 4σ 2 k 2 = 4σ 2 ⎜ ⎟ ⎝ λ ⎠ 2 (2.11) trong đó : σ - độ mấp mô trung bình của bề mặt (cm) λ– bước sóng tương ứng với tần số máy thu. 2.2.2.2. Ảnh hưởng của lớp phủ thực vật Trong thực tế, mặt đất thường bị che phủ bởi lớp thực vật và nó làm suy giảm sự phát xạ lên trên của mặt đất, đồng thời cộng thêm sự phát xạ của chính nó, và có thể gây nên sự tán xạ, hấp thụ công suất phát xạ giữa đất và lớp thực vật. Vì vậy, Ulaby-Dobson đã xây dựng mô hình phát xạ của tổ hợp thực vật đất bao gồm phát xạ của mặt đất phía dưới và lớp thực vật phía trên :         TB = (1 − R S γ )(1 − γ )(1 − α )TS + (1 − R S )γTS (2.15) trong đó,TB : nhiệt độ phát xạ của tổ hợp đất - thảm thực vật (K);Ts : nhiệt độ vật lý của lớp thực vật; T: nhiệt độ vật lý của mặt đất; Rs: Độ phản xạ của bề mặt đất không khí; α : suất tán xạ đơn; γ : Hệ số truyền qua của lớp thực vật. Mối quan hệ giữa độ phản xạ và độ phát xạ là: e=1-R (2.16) Trong mô hình này, suất tán xạ đơn α có giá trị tương đối nhỏ ở bước sóng decimet, có giá trị từ (0.05 - 0.10).), được giả định α ~ 0 và phương trình (2.16) sẽ là: 13    eV = (TB TV ) = 1 − R.γ 2 (2.17) 2.2.2.3. Ẳnh hưởng của góc tới θ đến nhiệt độ phát xạ Tb của mặt đất Ảnh hưởng của góc tới θ đến nhiệt độ phát xạ Tb của mặt đất được thể hiện qua phương trình Fresnel. Khi góc tới θ tăng lên, phần năng lượng phát xạ thu được bởi anten sẽ giảm đi. Khi θ = 900, toàn bộ năng lượng phát xạ từ mặt đất sẽ không đến được anten, vì vậy độ phát xạ e = 0. 2.2.2. Mô hình vật lý Wang–Schmugge về hằng số điện môi của đất Mô hình Wang-Schmugge được xây dựng dựa trên các phép đo hằng số điện môi (HSĐM) của đất theo sự biến đổi của độ ẩm được thực hiện ở các dải tần số khác nhau, trên nhiều loại đất khác nhau và hệ thống hoá được mối quan hệ đó. Mô hình Wang–Schmugge quan niệm HSĐM của đất là một số phức: ε = ε’ +iε” (2.20) Bằng thực nghiệm, Wang-Schmugge đã nhận thấy, khi độ ẩm đất mv nhỏ hơn một giá trị xác định, gọi là độ ẩm chuyển tiếp Wt, thì ε’ của đất tăng chậm theo độ ẩm đất, nhưng khi mv > Wt thì ε’ tăng đột biến theo độ ẩm đất. Sự phụ thuộc này được biểu hiện thông qua các phương trình hỗn hợp bao hàm sự đóng góp của các phần tử đất, không khí, và nước như sau: Khi mv < Wt : ε = mv ε x + ( P − mv )ε a + (1 − P )ε r , với (2.21) ε x = ε i + (ε w − ε i )(mv / Wt )γ (2.22) và khi mv > Wt : ε = Wt ε x + (mv − Wt )ε w + ( P − mv )ε a + (1 − P )ε r   với ε x = ε i + (ε w − ε i ) γ . (2.23) (2.24) ở đây, mv (g/cm3) là độ ẩm thể tích của đất, P là độ xốp của đất khô; εa, εw, εr, và εi lần lượt là hằng số điện môi của không khí, nước, đất đá, và băng; εx là hằng số điện môi của nước hấp thụ ban đầu; Wt là độ ẩm chuyển tiếp và γ là tham số thực nghiệm. Độ xốp P của đất khô được định nghĩa như sau:  P = 1 − ( ρ s ρ r ), 14    (2.25) trong đó ρs là tỷ trọng của đất khô và ρr là tỷ trọng của các hạt rắn liên kết thành khối đất. Wt và γ và độ ẩm khô héo WP được tính như sau: (2.26) (2.27) (2.28) trong đó SF và CF là nồng độ % cát và sét của đất khô. Kết luận chương 2 Với mục đích giảm các bước tính toán và xây dựng một mô hình tính độ ẩm đất phù hợp với điều kiện ở Việt Nam, dựa trên các mô hình của Owe et al, nghiên cứu sinh đã xây dựng một thuật toán xác định độ ẩm đất dựa trên các tham số đầu vào là nhiệt độ phát xạ đo của đất bằng phổ kế đơn tần (băng L) và một số tham số thực địa. Đó là sự áp dụng chọn lọc mô hình vật lý Fresnel về sự phát xạ tự nhiên của một đối tượng tự nhiên đồng nhất, đẳng nhiệt, có bề mặt bằng phẳng (như mặt nước trong, phẳng lặng, cánh đồng lúa thời con gái, hay mặt đất trống, bằng phẳng, mịn, đẳng nhiệt) và mô hình hằng số điện môi của đất Wang-Schmugge. Để mô hình cho kết quả độ ẩm đất chính xác, tin cậy, cần phải tạo ra bề mặt đất thoả mãn các điều kiện như trên của mô hình Fresnel và quy trình đo phù hợp. Đây cũng là đóng góp khoa học mới của luận án. CHƯƠNG III. XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘ PHÁT XẠ CỦA ĐẤT BẰNG PHỔ KẾ SIÊU CAO TẦN 3.1. Thiết bị phổ kế siêu cao tần sử dụng trong thực nghiệm Theo lý thuyết về sự phát xạ tự nhiên của vật chất, sóng điện từ do sự bức xạ của vật chất vào không gian được lan truyền dưới dạng phổ bức xạ ở mọi tần số. Tuy nhiên, tùy thuộc vào môi trường và bản thân vật phát xạ mà phổ năng lượng này có thể bị hấp thụ khác nhau ở mỗi dải tần số. Dựa vào điều ấy, các nhà khoa học đã chế tạo các thiết bị và nghiên cứu phương pháp thu nhận, biến đổi các tín hiệu điện từ trường phát xạ của vật chất, để từ đó xác định ra các đặc tính cố hữu của vật chât. Thiết bị đo sự phát xạ của vật chất này được gọi là phổ kế siêu cao tần. Với nguyên lý chung là thu nhận, khuếch đại, biến đổi, hiển thị tín hiệu siêu cao tần tự phát xạ từ các đối tượng trên bề mặt Trái đất, phổ kế siêu cao tần 15    được phân chia thành nhiều loại khác nhau: phổ kế quét (scanning RDM), phổ kế ghi ảnh (imaging RDM), phổ kế quay (push-broom RDM), v.v.   Trong đề tài này, nghiên cứu sinh ứng dụng loại phổ kế quay, gọi tắt là RDM (Radiometer) để tiến hành các thực nghiệm. Đây là loại phổ kế đơn tần (single beam RDM), bao gồm Anten, Máy thu, Bộ chỉ thị và hệ cơ khí điều khiển anten. Sơ đồ khối đơn giản nhất của RDM được mô tả trong hình 3.1. Bảng chỉ tiêu kỹ thuật chính của các phổ kế SCT được sử dụng trong các phép đo thực nghiệm của luận án Chỉ tiêu kỹ thuật Loại phổ kế Phổ kế băng L  Kiểu bơm tạp âm  Tần số trung tâm 1,4 GHz  Độ rộng băng tần 30 MHz  Độ nhạy <0,3K  Thời gian tích phân 1 sec  Độ ổn định động <0,3K  Dải nhiệt độ đầu vào 0‐ 320 K  Độ rộng chùm tia của Anten 300  3.2. Quy trình ứng dụng phổ kế siêu cao tần xác định độ ẩm đất Quy trình gồm 3 bước: Chuẩn hóa phổ kế và chuẩn bị mẫu đất, Thực nghiệm đo nhiệt độ phát xạ của đất, Lấy mẫu và phân tích mẫu đất thực nghiệm. Phép chuẩn hoá hệ phổ kế siêu cao tần nhằm xác định mối quan hệ chính xác giữa tín hiệu ra của phổ kế (điện áp hoặc tần số) với nhiệt độ phát xạ của đất. Phép chuẩn hoá được thực hiện với 2 vật chuẩn đặc biệt: Vật đen 16    (Absorber) đặc trưng cho “tải nóng”- có độ phát xạ cao nhất, và Bầu trời xanh (Blue Sky) đặc trưng cho “tải lạnh”- có độ phát xạ nhỏ nhất. Sau khi chuẩn hoá với 2 điểm P1 và P2, nhiệt độ phát xạ của đất sẽ được xác định dựa vào tín hiệu ra của phổ kế (tần số) theo công thức sau:  (3.10) Tiếp theo, việc chuẩn bị mẫu đo cũng đóng vai trò khá quan trọng. Mục đích của công tác này là tạo bề mặt đất bằng phẳng, mịn, đẳng nhiệt, sau đó lấy mẫu đất để xác định độ ẩm đất bằng phương pháp truyền thống và xác định thành phần kết cấu đất (như thành phần cát, sét, dung trọng…) để đưa vào mô hình tính toán.  Một vùng đất có kích thước (5x5) m2 được phát cỏ, làm sạch bề mặt, đất được xới lên, đập nhỏ, san phẳng (h~1cm). Đất sẽ được tưới đẫm ban đầu, sau đó khô dần trong quá trình đo của phổ kế. Độ ẩm đất trong quá trình đo sẽ được lấy mẫu và được xác định bằng phương pháp “khoan sấy”. 3.3. Thực nghiệm đo nhiệt độ phát xạ của đất Sau khi phổ kế được chuẩn hoá, anten được hướng vào vùng đất cần đo và phép đo nhiệt độ phát xạ của đất được bắt đầu. Tín hiệu ra fi được chuyển đổi thành nhiệt độ phát xạ Tbi theo công thức (3.10). Để tạo ra sự biến đổi độ ẩm đất trong các phép đo, ngay từ ban đầu đất được tưới đẫm bằng vòi phun và trong quá trình đo, đất sẽ khô đi một cách tự nhiên. 17    Nghiên cứu sinh đã thực hiện đợt đo thực nghiệm và lấy số liệu tại Trung tâm Khí tượng Nông nghiệp (KTNN) Đồng bằng Bắc Bộ, thuộc Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ Văn và Môi trường, thiết bị đo là phổ kế băng L.  Hình 3.5: Phổ kế đo độ phát xạ của ô đất mẫu Tại khu vực đất trống, hướng Anten của phổ kế xuống mặt đất với các góc quan sát lần lượt thay đổi θ = 00, 100, .. 600, ghi số liệu đo bằng chương trình tự động vào máy tính, có hiển thị phổ “on-line”. Việc thay đổi góc quan sát cũng được điều khiển tự động bằng chương trình phần mềm, thời gian đo đối với mỗi góc là 1 phút (tương ứng với 60 số liệu). Độ gồ ghề của bề mặt đất được đánh giá bằng thước đo và chụp bằng máy ảnh kỹ thuật số, theo đó độ mấp mô trung bình của bề mặt đất được đánh giá là 1,8 ÷ 2cm. Để thu được kết quả chính xác, phép chuẩn hoá và phép đo được tiến hành nhiều lần với 2 lần tưới nước để đất ướt và khô dần. 3.3.2. Phân tích mẫu đất thực nghiệm Các mẫu đất được lấy lên từ một số lỗ khoan nhỏ trong vùng đo nhằm xác định tỷ trọng của đất, thành phần cát, sét và độ ẩm tỷ trọng của đất (mg) ở các độ sâu mặt cắt 0-2 cm, 0-5 cm, 5-10 cm, 10-15 cm trước và sau khi tưới bằng phương pháp “khoan sấy” như sau: Những mẫu đất này được cân chính xác ngay sau khi lấy mẫu (khoảng 20-25g đất/1 mẫu), sau đó được sấy khô trong lò sấy có T=1050C trong thời 18