Nghiên Cứu Biến Động Độ Ẩm Đất Bằng Công Nghệ Phản Xạ GNSS Tại Tỉnh Nghệ An

Nghiên cứu biến động độ ẩm đất tại tỉnh Nghệ An bằng công nghệ phản xạ GNSS, cung cấp thông tin hữu ích cho quản lý tài nguyên đất.

• Tác giả: Trần Thị Hiên
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Phương Lan
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và Hệ thông tin địa lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Biến Động Độ Ẩm Đất Tỉnh Nghệ An Bằng Công Nghệ Phản Xạ GNSS
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Khái quát chung về độ ẩm đất
• 1.2. Các phương pháp đo độ ẩm đất
• 1.3. Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám ước tính độ ẩm đất
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHẢN XẠ GNSS TRONG NGHIÊN CỨU ĐỘ ẨM ĐẤT
• 2.1. Khái quát chung về hệ thống GNSS
• 2.2. Tín hiệu phản xạ GNSS
• 2.3. Công nghệ phản xạ GNSS (GNSS-R) trong tính giá trị độ ẩm đất
• 2.4. Cơ sở khoa học ứng dụng dữ liệu CYGNSS trong nghiên cứu độ ẩm đất
• 2.5. Quy trình công nghệ chiết xuất độ ẩm đất từ dữ liệu GNSS
• 2.6. Khái quát đặc điểm khu vực nghiên cứu
• 2.7. Dữ liệu sử dụng
• 2.8. Thành lập bản đồ biến động độ ẩm đất khu vực tỉnh Nghệ An bằng công nghệ phản xạ GNSS
• 2.9. Đánh giá độ chính xác của kết quả độ ẩm đất với dữ liệu SMIn-situ
• 2.10. Đánh giá biến động độ ẩm đất và nguy cơ hạn hán dựa trên chỉ số SSMI khu vực tỉnh Nghệ An
• 3. CHƯƠNG 3: THÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG ĐỘ ẨM ĐẤT KHU VỰC TỈNH NGHỆ AN BẰNG CÔNG NGHỆ PHẢN XẠ GNSS
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Biến Động Độ Ẩm Đất Nghệ An

Thông tin về độ ẩm đất đóng vai trò quan trọng trong dự báo thiên tai (lũ lụt, hạn hán), giám sát sự thay đổi môi trường (bão cát, xói mòn) và nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Đặc biệt, trong đánh giá hạn hán nông nghiệp, độ ẩm đất là thông số định lượng đánh giá tác động đến năng suất cây trồng. Hiện nay, có nhiều phương pháp xác định độ ẩm đất, từ phương pháp truyền thống đến đo hiện trường bằng trọng lực, cảm biến điện từ. Tuy nhiên, các phương pháp đo trực tiếp chỉ cho giá trị tại điểm, không đáp ứng yêu cầu giám sát trên phạm vi rộng lớn. Dựa trên sự phát triển của khoa học vũ trụ, công nghệ viễn thám, có nhiều phương pháp xác định độ ẩm đất trên quy mô lớn, như phương pháp dựa vào ảnh viễn thám radar, phương pháp mô hình hóa dựa trên các tham số khí tượng, lớp phủ bề mặt, địa hình. Việc sử dụng dữ liệu độ ẩm đất từ vệ tinh đã được chứng minh là hiệu quả. Các hệ thống như SMOS (Space Agency’s Soil Moisture and Ocean Salinity) và SMAP (Soil Moisture Active Passive) cung cấp dữ liệu độ ẩm đất toàn cầu.

1.1. Tầm Quan Trọng của Nghiên Cứu Biến Động Độ Ẩm Đất

Nghiên cứu biến động độ ẩm đất là thiết yếu để ứng phó với biến đổi khí hậu và bảo đảm an ninh lương thực. Theo dõi độ ẩm đất giúp dự đoán và giảm thiểu rủi ro thiên tai như lũ lụt, hạn hán, lở đất. Nó cũng hỗ trợ quản lý tài nguyên nước hiệu quả, bảo tồn đa dạng sinh học và duy trì sức khỏe hệ sinh thái. “Thông tin về độ ẩm của đất có vai trò quan trọng trong dự đoán một số loại hình thiên tai như lũ lụt và hạn hán, giám sát sự thay đổi môi trường như bão cát, xói mòn và ứng dụng trong nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu”.

1.2. Các Phương Pháp Ước Tính Độ Ẩm Đất Hiện Đại

Các phương pháp hiện đại ước tính độ ẩm đất bao gồm viễn thám radar, mô hình hóa tham số khí tượng và sử dụng dữ liệu vệ tinh. Viễn thám radar cung cấp dữ liệu về độ phát xạ và phản xạ của đất, cho phép ước tính độ ẩm. Mô hình hóa sử dụng dữ liệu khí tượng, lớp phủ bề mặt và địa hình để tạo ra mô hình dự đoán. Dữ liệu vệ tinh, như từ SMOS và SMAP, cung cấp thông tin độ ẩm đất toàn cầu với độ phân giải thời gian và không gian khác nhau. “Với phương pháp này, độ ẩm đất có thể được đo trên quy mô toàn cầu với độ phân giải không gian và thời gian ngày càng được cải thiện”.

II. Thách Thức Đo Độ Ẩm Đất và Giải Pháp GNSS Nghệ An

Việc đo độ ẩm đất trên quy mô lớn gặp nhiều thách thức. Các phương pháp truyền thống chỉ cho giá trị tại điểm, không phù hợp với việc giám sát diện rộng. Viễn thám siêu cao tần thụ động có độ phân giải thấp, không thích hợp để theo dõi biến động địa phương. Viễn thám quang học bị ảnh hưởng bởi thời tiết. Để khắc phục, phương pháp sử dụng kỹ thuật viễn thám cơ hội, hay phép đo phản xạ GNSS (GNSS-R), được nghiên cứu. GNSS-R tận dụng tín hiệu từ các chòm sao vệ tinh (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou) để truy xuất thông tin về bề mặt Trái Đất. Trong nghiên cứu này, dữ liệu GNSS từ hệ thống CYGNSS được sử dụng để truy xuất thông tin độ ẩm đất.

2.1. Hạn Chế Của Các Phương Pháp Truyền Thống Đo Độ Ẩm Đất

Các phương pháp truyền thống đo độ ẩm đất như đo trọng lượng và cảm biến điện tử gặp nhiều hạn chế. Chúng chỉ cung cấp dữ liệu tại điểm, tốn thời gian và công sức, và không thể phản ánh sự biến động trên diện rộng. “Nhìn chung, các phương pháp đo trực tiếp này chỉ cho giá trị đo tại các điểm và có ảnh hưởng trong một không gian nhỏ, không đáp ứng được yêu cầu trong trường hợp cần giám sát độ ẩm đất trên một phạm vi không gian rộng lớn như quản lý cây trồng trong một khu vực lớn hoặc đánh giá hạn nông nghiệp”.

2.2. Ưu Điểm Của Công Nghệ Phản Xạ GNSS GNSS R Trong Đo Độ Ẩm

Công nghệ phản xạ GNSS (GNSS-R) mang lại nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống và viễn thám khác. Nó cung cấp dữ liệu với độ phân giải không gian và thời gian tốt, độ chính xác cao, và chi phí hợp lý. GNSS-R cũng ít bị ảnh hưởng bởi thời tiết so với viễn thám quang học. “Từ những phân tích ở trên có thể thấy phương pháp sử dụng kỹ thuật viễn thám cơ hội hay còn gọi là phép đo phản xạ GNSS (GNSS-R) để tính toán độ ẩm đất là một hướng nghiên cứu mới, rất cần thiết để có thể bổ sung và khắc phục nhược điểm của các phương pháp viễn thám khác trong tính toán độ ẩm đất”.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Biến Động Độ Ẩm Đất Bằng GNSS R Nghệ An

Nghiên cứu này sử dụng dữ liệu GNSS từ hệ thống vệ tinh CYGNSS để truy xuất thông tin độ ẩm đất. Dữ liệu này sau đó được kết hợp với dữ liệu đa nguồn (SMAP, DEM, loại đất) thông qua quy trình học máy để nâng cao độ phân giải không gian và thời gian. Mục tiêu là thành lập bản đồ độ ẩm đất, đánh giá biến động độ ẩm đất của khu vực nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu là tỉnh Nghệ An, dữ liệu được thu thập từ năm 2020 đến 2023. Phương pháp nghiên cứu bao gồm tổng hợp và phân tích tài liệu, khảo sát thực địa, đo độ ẩm đất, sử dụng bản đồ, viễn thám, GIS và học máy.

3.1. Quy Trình Kết Hợp Dữ Liệu Đa Nguồn và Học Máy

Quy trình kết hợp dữ liệu đa nguồn và học máy đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ phân giải không gian và thời gian của dữ liệu độ ẩm đất. Dữ liệu từ CYGNSS, SMAP, DEM và các nguồn khác được tích hợp và xử lý bằng các thuật toán học máy để tạo ra bản đồ độ ẩm đất có độ chính xác cao. “Dữ liệu độ ẩm đất này sau đó sẽ được kết hợp với dữ liệu đa nguồn như dữ liệu độ ẩm đất SMAP, DEM, loại đất…thông qua quy trình học máy để nâng cao độ phân giải về không gian và thời gian, từ đó thành lập bản đồ độ ẩm đất, đánh giá biến động độ ẩm đất của khu vực nghiên cứu”.

3.2. Ứng Dụng Kỹ Thuật GIS Trong Thành Lập Bản Đồ Độ Ẩm Đất

Kỹ thuật GIS (Geographic Information System) được sử dụng để thành lập bản đồ độ ẩm đất từ dữ liệu viễn thám và GNSS. GIS cho phép hiển thị, phân tích và quản lý dữ liệu không gian, giúp tạo ra bản đồ độ ẩm đất chi tiết và trực quan. “Trên cơ sở phân tích các dữ liệu từ ảnh viễn thám và dữ liệu phản xạ CyGNSS để thành lập bản đồ độ ẩm đất nhờ ứng dụng công nghệ GIS”.

IV. Kết Quả và Đánh Giá Biến Động Độ Ẩm Đất GNSS Nghệ An

Kết quả nghiên cứu góp phần bổ sung phương pháp nghiên cứu về độ ẩm đất ứng dụng công nghệ phản xạ GNSS. Những kết quả này là tài liệu tham khảo hữu ích cho công tác dự báo hạn hán, đánh giá nhạy cảm lũ lụt của khu vực tỉnh Nghệ An. Nghiên cứu cũng xác định cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ phản xạ GNSS để tính toán giá trị độ ẩm đất từ dữ liệu CYGNSS. Các kết quả điều tra khảo sát thực địa là tài liệu quan trọng cùng với hệ thống các bản đồ chuyên đề làm cơ sở để xác nhận kết quả và hoàn thiện nội dung nghiên cứu.

4.1. Ý Nghĩa Khoa Học và Thực Tiễn Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc bổ sung phương pháp nghiên cứu về độ ẩm đất ứng dụng công nghệ phản xạ GNSS. Ý nghĩa thực tiễn là cung cấp tài liệu tham khảo hữu ích cho công tác dự báo hạn hán, đánh giá nhạy cảm lũ lụt của khu vực tỉnh Nghệ An. “Kết quả của luận văn góp phần bổ sung phương pháp nghiên cứu về độ ẩm đất ứng dụng công nghệ phản xạ GNSS. Ý nghĩa thực tiễn: Những kết quả nghiên cứu của luận văn là tài liệu tham khảo hữu ích cho công tác khác như dự báo hạn hán, đánh giá nhạy cảm lũ lụt… của khu vực tỉnh Nghệ An”.

4.2. Đánh Giá Độ Chính Xác Của Kết Quả Đo Độ Ẩm Bằng GNSS

Độ chính xác của kết quả đo độ ẩm đất bằng GNSS được đánh giá bằng cách so sánh với dữ liệu đo thực địa và dữ liệu từ các nguồn khác như SMAP. Các phương pháp thống kê được sử dụng để xác định mức độ phù hợp giữa các bộ dữ liệu và đánh giá sai số. “Ngoài ra, đề tài cũng tiến hành đo độ ẩm đất bằng cảm biến tại hai vị trí đặc trưng của tỉnh Nghệ An để làm cơ sở kiểm chứng độ chính xác của kết quả”.

V. Ứng Dụng GNSS trong Quản Lý Nông Nghiệp Nghệ An

Nghiên cứu này mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng của công nghệ phản xạ GNSS trong quản lý nông nghiệp ở Nghệ An. Dữ liệu về biến động độ ẩm đất có thể được sử dụng để tối ưu hóa lịch trình tưới tiêu, giảm thiểu lãng phí nước và tăng năng suất cây trồng. Bản đồ độ ẩm đất chi tiết cũng giúp nông dân đưa ra quyết định chính xác về lựa chọn cây trồng, bón phân và các biện pháp quản lý khác. Ngoài ra, thông tin về độ ẩm đất cũng có thể được sử dụng để dự báo hạn hán và lũ lụt, giúp nông dân chuẩn bị và giảm thiểu thiệt hại.

5.1. Tối Ưu Hóa Tưới Tiêu Dựa Trên Dữ Liệu Độ Ẩm Đất GNSS

Dữ liệu độ ẩm đất từ GNSS cho phép tối ưu hóa lịch trình tưới tiêu bằng cách cung cấp thông tin chính xác về nhu cầu nước của cây trồng. Bằng cách theo dõi biến động độ ẩm đất, nông dân có thể tưới nước đúng thời điểm và với lượng nước phù hợp, tránh tình trạng tưới quá nhiều hoặc quá ít, giúp tiết kiệm nước và tăng năng suất. “Thông tin về độ ẩm đất rất có giá trị để dự đoán và giảm thiểu các thiên tai như lũ lụt, lở đất và cháy rừng”.

5.2. Dự Báo Hạn Hán và Lũ Lụt Sử Dụng Dữ Liệu GNSS

Thông tin về độ ẩm đất từ GNSS có thể được sử dụng để dự báo hạn hán và lũ lụt, giúp nông dân và các nhà quản lý chuẩn bị và giảm thiểu thiệt hại. Bằng cách theo dõi biến động độ ẩm đất theo thời gian, có thể xác định nguy cơ hạn hán hoặc lũ lụt và đưa ra cảnh báo sớm, cho phép thực hiện các biện pháp phòng ngừa như xây dựng đê điều, trữ nước và chuyển đổi cây trồng. “Các hệ thống cảnh báo sớm có thể sử dụng dữ liệu độ ẩm đất để đánh giá rủi ro của các sự kiện này và thực hiện các biện pháp thích hợp để giảm tác động của chúng”.

VI. Tương Lai Nghiên Cứu GNSS và Độ Ẩm Đất Tỉnh Nghệ An

Nghiên cứu về biến động độ ẩm đất bằng công nghệ phản xạ GNSS ở Nghệ An còn nhiều tiềm năng phát triển. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của phương pháp, mở rộng phạm vi nghiên cứu và tích hợp dữ liệu với các hệ thống quản lý tài nguyên khác. Cần có sự hợp tác giữa các nhà khoa học, nông dân và các nhà quản lý để đưa công nghệ này vào thực tiễn và góp phần vào sự phát triển bền vững của nông nghiệp Nghệ An. Nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của thời tiết đến độ ẩm đất cũng là một hướng đi quan trọng.

6.1. Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về GNSS R và Độ Ẩm Đất

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện thuật toán xử lý dữ liệu GNSS-R, tích hợp thêm các nguồn dữ liệu khác (ví dụ: dữ liệu từ cảm biến trên mặt đất, dữ liệu khí tượng), và phát triển các mô hình dự đoán độ ẩm đất chính xác hơn. “Theo dõi xu hướng độ ẩm đất có thể giúp cung cấp thông tin cho các chiến lược thích ứng với biến đổi khí hậu và các quyết định chính sách”.

6.2. Vai Trò Của Hợp Tác Trong Phát Triển Ứng Dụng GNSS R

Sự hợp tác giữa các nhà khoa học, nông dân, các nhà quản lý và các doanh nghiệp công nghệ là rất quan trọng để đưa công nghệ GNSS-R vào thực tiễn và tạo ra các ứng dụng hữu ích cho cộng đồng. Sự hợp tác này có thể giúp giải quyết các thách thức kỹ thuật, xác định nhu cầu thực tế của người dùng và đảm bảo rằng công nghệ này được sử dụng một cách hiệu quả và bền vững. “Độ ẩm đất là thành phần quan trọng của chu trình nước, ảnh hưởng đến các quá trình như bốc hơi, thoát hơi nước, thẩm thấu và dòng chảy”.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Độ ẩm đất là một chỉ số quan trọng phản ánh lượng nước trong lớp đất bề mặt, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất nông nghiệp, sức khỏe hệ sinh thái và các quá trình thủy văn. Tại tỉnh Nghệ An, với diện tích tự nhiên khoảng 16.493,7 km² và đặc điểm địa hình đa dạng từ đồng bằng đến vùng núi, việc theo dõi biến động độ ẩm đất có ý nghĩa thiết thực trong quản lý tài nguyên nước và ứng phó hạn hán. Dữ liệu độ ẩm đất truyền thống thường chỉ đo tại điểm, không phản ánh được sự biến đổi không gian rộng lớn. Trong khi đó, các vệ tinh viễn thám như SMAP và SMOS cung cấp dữ liệu toàn cầu với độ phân giải không gian khoảng vài chục km và thời gian lặp lại 2-3 ngày, chưa đáp ứng được yêu cầu giám sát chi tiết ở quy mô địa phương.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ phản xạ GNSS (GNSS-R) sử dụng dữ liệu vệ tinh CYGNSS để ước tính độ ẩm đất tại Nghệ An trong giai đoạn 2020-2023. Mục tiêu chính là xây dựng quy trình kết hợp dữ liệu đa nguồn, bao gồm dữ liệu CYGNSS, SMAP, DEM, loại đất và thảm thực vật, nhằm nâng cao độ phân giải không gian (đến 0,25 km) và thời gian (hàng ngày) của bản đồ độ ẩm đất. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần phát triển phương pháp đo độ ẩm đất mới mà còn hỗ trợ công tác dự báo hạn hán, quản lý nông nghiệp và tài nguyên nước tại địa phương. Việc đánh giá độ chính xác dựa trên dữ liệu đo thực địa tại các điểm đặc trưng của tỉnh Nghệ An giúp đảm bảo tính tin cậy của mô hình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: (1) Công nghệ phản xạ GNSS (GNSS-R), tận dụng tín hiệu đa đường từ các vệ tinh định vị toàn cầu để ước tính đặc tính bề mặt đất, trong đó tín hiệu phản xạ chứa thông tin về độ ẩm đất; (2) Mô hình học máy Random Forest Regression (RFR) để kết hợp dữ liệu đa nguồn, nâng cao độ phân giải và độ chính xác của ước tính độ ẩm đất.

Ba khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

• Tín hiệu phản xạ GNSS (GNSS-R): Sóng điện từ phát ra từ vệ tinh GNSS bị phản xạ trên bề mặt đất, tín hiệu phản xạ này được phân tích để xác định độ ẩm đất dựa trên hệ số phản xạ Fresnel và các đặc tính điện từ của đất.

• Mô hình SAITS (Self-Attention-based Imputation for Time Series): Phương pháp điền giá trị thiếu trong chuỗi thời gian đa biến, sử dụng cơ chế tự chú ý để cải thiện độ chính xác dữ liệu SMAP bị thiếu.

• Chỉ số độ ẩm đất tiêu chuẩn hóa (SSMI): Chỉ số dựa trên phân phối gamma của độ ẩm đất, dùng để đánh giá biến động độ ẩm và nguy cơ hạn hán.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

• Dữ liệu vệ tinh CYGNSS (2020-2023), cung cấp tín hiệu phản xạ GNSS với độ phân giải không gian khoảng 25 km.

• Dữ liệu SMAP, cung cấp độ ẩm đất với độ phân giải 1 km và chu kỳ 2-3 ngày.

• Dữ liệu địa hình số (DEM), bản đồ loại đất, chỉ số thảm thực vật (NDVI, EVI) và dữ liệu đo thực địa tại các điểm đặc trưng tỉnh Nghệ An.

Phương pháp phân tích gồm:

• Tiền xử lý và điền giá trị thiếu dữ liệu SMAP bằng mô hình SAITS, giúp hoàn thiện chuỗi thời gian độ ẩm đất.

• Trích xuất hệ số phản xạ bề mặt từ dữ liệu CYGNSS dựa trên phương trình radar hai điểm, hiệu chỉnh ảnh hưởng của thảm thực vật và độ nhám bề mặt.

• Kết hợp dữ liệu SMAP và CYGNSS bằng mô hình học máy Random Forest Regression để nâng cao độ phân giải không gian xuống còn 0,25 km và thời gian hàng ngày.

• Đánh giá độ chính xác mô hình bằng các chỉ số RMSE, MAE và hệ số xác định R² so sánh với dữ liệu đo thực địa.

• Phân tích biến động độ ẩm đất và đánh giá nguy cơ hạn hán dựa trên chỉ số SSMI.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2020 đến 2023, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, kiểm định và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ chính xác mô hình ước tính độ ẩm đất: Mô hình kết hợp dữ liệu CYGNSS và SMAP qua Random Forest đạt RMSE khoảng 0,03 m³/m³ và MAE khoảng 0,025 m³/m³, với hệ số xác định R² đạt 0,85 khi so sánh với dữ liệu đo thực địa tại Nghệ An. Độ chính xác này cao hơn khoảng 15% so với việc chỉ sử dụng dữ liệu SMAP.

2. Nâng cao độ phân giải không gian và thời gian: Qua kết hợp dữ liệu đa nguồn, độ phân giải không gian được cải thiện từ 1 km (SMAP) xuống còn 0,25 km, thời gian cập nhật từ 2-3 ngày xuống còn hàng ngày, giúp theo dõi biến động độ ẩm đất chi tiết hơn.

3. Biến động độ ẩm đất theo mùa vụ: Bản đồ độ ẩm đất cho thấy độ ẩm trung bình khu vực đất canh tác Nghệ An năm 2020 dao động từ 0,12 đến 0,35 m³/m³, với mức độ ẩm cao nhất vào mùa mưa (tháng 5-9) và thấp nhất vào mùa khô (tháng 1-3). Chỉ số SSMI phản ánh rõ các đợt hạn hán cục bộ, với diện tích đất trồng trọt bị hạn hán nghiêm trọng chiếm khoảng 20% trong các giai đoạn tháng 5 và tháng 7.

4. Ảnh hưởng của địa hình và thảm thực vật: Khu vực đồng bằng có độ ẩm đất cao hơn trung bình 10-15% so với vùng núi do khả năng giữ nước tốt hơn và thảm thực vật dày đặc hơn. Độ nhám bề mặt và loại đất cũng ảnh hưởng đến hệ số phản xạ GNSS, được hiệu chỉnh trong mô hình để tăng độ chính xác.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy công nghệ phản xạ GNSS-R từ vệ tinh CYGNSS là phương pháp hiệu quả để ước tính độ ẩm đất với độ phân giải không gian và thời gian phù hợp cho quy mô tỉnh Nghệ An. Việc kết hợp dữ liệu SMAP và CYGNSS qua mô hình học máy Random Forest giúp khắc phục hạn chế về độ phân giải và tần suất cập nhật của từng nguồn dữ liệu riêng lẻ.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với các nghiên cứu sử dụng dữ liệu GNSS-R tại Trung Quốc và Thổ Nhĩ Kỳ, đồng thời vượt trội hơn về độ phân giải không gian nhờ ứng dụng kỹ thuật học máy và dữ liệu đa nguồn. Việc hiệu chỉnh ảnh hưởng của thảm thực vật và địa hình là yếu tố then chốt nâng cao độ chính xác, phù hợp với đặc điểm đa dạng của tỉnh Nghệ An.

Dữ liệu bản đồ độ ẩm đất chi tiết hỗ trợ hiệu quả cho công tác dự báo hạn hán, quản lý tưới tiêu và phòng chống thiên tai. Biểu đồ so sánh độ ẩm đất ước tính với dữ liệu đo thực địa và SMAP có thể được trình bày để minh họa độ tin cậy của mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống giám sát độ ẩm đất liên tục: Sử dụng công nghệ phản xạ GNSS-R kết hợp với dữ liệu vệ tinh SMAP và các dữ liệu địa phương để xây dựng hệ thống giám sát độ ẩm đất hàng ngày với độ phân giải cao, phục vụ quản lý nông nghiệp và phòng chống hạn hán. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Nghệ An.

2. Phát triển mô hình dự báo hạn hán dựa trên chỉ số SSMI: Áp dụng chỉ số SSMI từ dữ liệu độ ẩm đất để xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn hán, giúp nông dân và chính quyền địa phương có kế hoạch ứng phó kịp thời. Thời gian thực hiện: 1 năm; chủ thể: Trung tâm Khí tượng Thủy văn tỉnh Nghệ An.

3. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ GNSS-R, học máy và phân tích dữ liệu viễn thám cho cán bộ kỹ thuật và nhà nghiên cứu địa phương nhằm nâng cao năng lực ứng dụng. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội phối hợp với Sở Khoa học và Công nghệ Nghệ An.

4. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ GNSS-R: Khuyến khích nghiên cứu mở rộng phạm vi áp dụng công nghệ GNSS-R cho các tỉnh miền Trung và Tây Nguyên, đồng thời tích hợp với các hệ thống quản lý tài nguyên nước và nông nghiệp thông minh. Thời gian thực hiện: 2-3 năm; chủ thể: Bộ Khoa học và Công nghệ, các viện nghiên cứu liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cán bộ quản lý nông nghiệp và tài nguyên nước: Luận văn cung cấp công cụ và dữ liệu bản đồ độ ẩm đất chi tiết, hỗ trợ ra quyết định trong quản lý tưới tiêu, phòng chống hạn hán và bảo vệ tài nguyên nước.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên lĩnh vực bản đồ, viễn thám và GIS: Tài liệu trình bày phương pháp ứng dụng công nghệ GNSS-R và học máy trong nghiên cứu độ ẩm đất, là nguồn tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu và giảng dạy.

3. Chuyên gia khí tượng thủy văn và dự báo thiên tai: Kết quả nghiên cứu giúp cải thiện mô hình dự báo hạn hán và lũ lụt dựa trên dữ liệu độ ẩm đất có độ phân giải cao, nâng cao hiệu quả cảnh báo sớm.

4. Doanh nghiệp công nghệ và phát triển phần mềm GIS: Luận văn cung cấp quy trình xử lý dữ liệu đa nguồn và mô hình học máy, có thể ứng dụng trong phát triển sản phẩm giám sát môi trường và nông nghiệp thông minh.

Câu hỏi thường gặp

1. Công nghệ phản xạ GNSS-R là gì và ưu điểm của nó?
   Phản xạ GNSS-R tận dụng tín hiệu GNSS phản xạ trên bề mặt đất để ước tính đặc tính địa vật lý như độ ẩm đất. Ưu điểm là sử dụng thiết bị thu GNSS thông thường, không cần phần cứng phức tạp, có độ phân giải thời gian cao và khả năng phủ sóng rộng.

2. Dữ liệu CYGNSS có độ phân giải như thế nào?
   CYGNSS cung cấp dữ liệu với độ phân giải không gian khoảng 25 km và thời gian cập nhật liên tục, phù hợp để theo dõi biến động độ ẩm đất ở quy mô vùng và tỉnh.

3. Làm thế nào để nâng cao độ phân giải dữ liệu độ ẩm đất?
   Kết hợp dữ liệu CYGNSS với dữ liệu SMAP và các dữ liệu phụ trợ khác qua mô hình học máy Random Forest giúp nâng cao độ phân giải không gian xuống 0,25 km và thời gian cập nhật hàng ngày.

4. Chỉ số SSMI dùng để làm gì?
   SSMI là chỉ số độ ẩm đất tiêu chuẩn hóa, dùng để đánh giá biến động độ ẩm và nguy cơ hạn hán, cung cấp thông tin quan trọng cho công tác dự báo và quản lý thiên tai.

5. Độ chính xác của mô hình ước tính độ ẩm đất ra sao?
   Mô hình kết hợp đạt RMSE khoảng 0,03 m³/m³ và R² đạt 0,85 so với dữ liệu đo thực địa, cho thấy độ chính xác cao và phù hợp để ứng dụng thực tiễn tại Nghệ An.

Kết luận

• Luận văn đã phát triển thành công quy trình ước tính độ ẩm đất tại tỉnh Nghệ An bằng công nghệ phản xạ GNSS-R sử dụng dữ liệu vệ tinh CYGNSS kết hợp với SMAP và dữ liệu đa nguồn.
• Mô hình học máy Random Forest giúp nâng cao đáng kể độ phân giải không gian (0,25 km) và thời gian (hàng ngày) so với các phương pháp truyền thống.
• Kết quả mô hình có độ chính xác cao với RMSE khoảng 0,03 m³/m³ và hệ số xác định R² đạt 0,85 khi so sánh với dữ liệu đo thực địa.
• Bản đồ biến động độ ẩm đất và chỉ số SSMI cung cấp công cụ hiệu quả để đánh giá nguy cơ hạn hán và hỗ trợ quản lý nông nghiệp tại Nghệ An.
• Đề xuất triển khai hệ thống giám sát liên tục, phát triển mô hình dự báo hạn hán và đào tạo chuyển giao công nghệ nhằm ứng dụng rộng rãi kết quả nghiên cứu.

Các cơ quan quản lý và nghiên cứu nên phối hợp triển khai ứng dụng công nghệ GNSS-R trong giám sát tài nguyên nước và nông nghiệp thông minh, đồng thời mở rộng nghiên cứu sang các vùng khác để nâng cao hiệu quả quản lý thiên tai và phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Khái quát chung về độ ẩm đất 1. Khái niệm về độ ẩm đất Đất là vật chất bở rời trên bề mặt Trái đất và là nơi sinh sống tự nhiên của hầu hết thực vật. Rễ thực vật đâm sâu vào lòng đất để hút nước và chất dinh dưỡng.

Đất là lớp vật chất bị phong hóa nằm kẹp giữa lớp không khí trên bề mặt trái đất và lớp đá mẹ ở độ sâu khoảng 200 cm (USDA, 1998). Đất bao gồm các phần tử khoáng vô cơ và vật chất hữu cơ với tỉ lệ thành phần và kích thước khác nhau. Trong đất có tới 50% thể tích là khoáng vô cơ, các lỗ trống chứa không khí hoặc nước chiếm phần thể tích còn lại. Độ ẩm của đất là lượng nước trong mẫu đất bị mất đi khi mẫu đất bị đốt đến nhiệt độ 105°C.

Độ ẩm thường được biểu diễn theo % của khối lượng đất khô. Nước trong đất thường được chia thành 5 lớp với các tính chất khác nhau: Hình 1.1 Các lớp nước trong đất (Nguồn: Manual of Soil Laboratory Testing, Vol. Head) Lớp 1 : Lớp nước liên kết chặt với hạt đất, không thể mất đi khi sấy khô mẫu đất ở nhiệt độ 105°C. Lớp 2 : Lớp nước không bị mất đi khi mẫu đất để khô gió nhưng sẽ bị mất đi khi mẫu đất được sấy khô ở nhiệt độ 105°C.

Lớp 3 : Lớp nước liên kết với hạt đất bằng sức căng bề mặt, sẽ mất đi khi mẫu đất được để khô gió (tương đương với nhiệt độ khoảng 60°C). Lớp 4 : Lớp nước chảy tự do giữa các lỗ rỗng trong đất. 9 Lớp 5 : Lớp nước nằm trong cấu trúc tinh thể của hạt đất. Lớp nước này không bị mất đi khi sấy khô mẫu đất ở nhiệt độ 105°C (ngoại trừ thạch cao và một số loại sét vùng nhiệt đới).

Như vậy, khi mẫu đất được đốt nóng đến nhiệt độ 105°C, chỉ có lớp nước 2, 3 và 4 sẽ bị mất đi; lớp nước 1 vẫn còn bám quanh hạt đất.1) 𝑚𝑑 Trong đó: - W là độ ẩm đất (%); - mw là khối lượng nước trong mẫu đất (g), được xác định bằng độ chênh lệch khối lượng của mẫu đất trước và sau khi sấy khô ở nhiệt độ 105°C; - md là khối lượng đất khô trong mẫu đất (g). Trong thực tế, độ ẩm đất thay đổi trong không gian và thời gian phụ thuộc vào thành phần cơ giới của đất, kết cấu hạt đất, độ ẩm không khí và lượng nước bề mặt đất… nên nếu chỉ theo dõi giá trị độ ẩm đất tại một số điểm quan trắc thì không phản ánh được xu hướng thay đổi của thông số này, dẫn đến khó có các giải pháp thích ứng chủ động nếu có hạn hán. Việc ước tính độ ẩm đất là một công việc khó khăn vì lượng nước trong lớp đất bề mặt là một hàm của kết cấu đất (tức là tỷ lệ tương đối, thường là theo trọng lượng, của cát, phù sa và đất sét trong đất). Các loại đất có kết cấu mịn có khả năng duy trì độ ẩm cao, đặc biệt là khi có mưa.

Lượng năng lượng được hấp thụ từ bức xạ tới và năng lượng phản xạ cũng phụ thuộc vào độ ẩm đất. Độ ẩm của đất cũng ảnh hưởng đến sự hấp thụ năng lượng tới. Ví dụ, đất cát ẩm và đất sét với ít lớp phủ thực vật sẽ hấp thụ nhiều năng lượng hơn. Các yếu tố ảnh hưởng tới sự phân bố độ ẩm đất Yếu tố khí hậu: Lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm và bức xạ mặt trời là những yếu tố khí hậu chính ảnh hưởng đến độ ẩm của đất.

Các khu vực có lượng mưa cao và nhiệt độ vừa phải có xu hướng có độ ẩm đất cao hơn. Đặc tính và thành phần của đất: Kết cấu, cấu trúc, độ xốp và hàm lượng chất hữu cơ của đất ảnh hưởng đến khả năng giữ nước và tốc độ thấm. Đất cát thoát 10 nước nhanh và có khả năng giữ ẩm thấp hơn, trong khi đất sét giữ nước hiệu quả hơn. Địa hình: Độ dốc, hướng và độ cao địa hình ảnh hưởng đến sự phân bố độ ẩm của đất bằng cách ảnh hưởng đến dòng chảy của nước và các kiểu thoát nước.

Các khu vực bằng phẳng có xu hướng giữ nhiều độ ẩm hơn, trong khi các sườn dốc có thể bị dòng chảy và xói mòn. Lớp phủ và sử dụng đất: Lớp phủ thực vật, các hoạt động sử dụng đất và các kỹ thuật canh tác có thể tác động đáng kể đến độ ẩm của đất. Nạn phá rừng, đô thị hóa và các hoạt động nông nghiệp có thể làm thay đổi cân bằng nước tự nhiên và dẫn đến những thay đổi về độ ẩm của đất. Các quá trình thủy văn: Sự bổ sung nước ngầm, dòng chảy mặt và thoát nước ngầm tương tác với động lực độ ẩm của đất, ảnh hưởng đến khả năng cung cấp nước trong lòng đất.

Các hoạt động của con người như bơm nước ngầm có thể ảnh hưởng đến mực nước ngầm và độ ẩm của đất. Tầm quan trọng của độ ẩm đất Độ ẩm đất rất quan trọng để duy trì sức khỏe hệ sinh thái và đa dạng sinh học. Những thay đổi về độ ẩm đất có thể ảnh hưởng đến thành phần loài thực vật, sự phù hợp của môi trường sống đối với động vật hoang dã và khả năng phục hồi của hệ sinh thái trước những xáo trộn như cháy rừng và hạn hán. Bên cạnh đó, độ ẩm đất còn ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất nông nghiệp.

Độ ẩm đất tối ưu thúc đẩy sự phát triển và năng suất cây trồng thông qua khả năng cung cấp nước cho dễ cây, trong khi tình trạng ngập úng hoặc hạn hán có thể làm giảm năng suất nông nghiệp và an ninh lương thực. Độ ẩm không đủ có thể cản trở quá trình hấp thụ chất dinh dưỡng và quang hợp, dẫn đến giảm năng suất và sản lượng cây trồng. Ngoài ra, độ ẩm đất là thành phần quan trọng của chu trình nước, ảnh hưởng đến các quá trình như bốc hơi, thoát hơi nước, thẩm thấu và dòng chảy. Nó hoạt động như một bể chứa nước dự trữ và giải phóng nước, điều chỉnh dòng chảy của nước qua hệ sinh thái.

Những thay đổi về độ ẩm đất có thể ảnh hưởng đến các kiểu khí hậu cục bộ và khu vực. Đất ướt có xu hướng có tác dụng làm mát do tăng bốc 11 hơi và thoát hơi nước, trong khi đất khô có thể góp phần gây ra tình trạng căng thẳng nhiệt và hạn hán. Độ ẩm đất đầy đủ giúp duy trì cấu trúc và độ ổn định của đất, giảm nguy cơ xói mòn do gió và nước. Đất khô dễ bị xói mòn hơn, dẫn đến mất lớp đất mặt và suy thoái chất lượng đất.

Vì vậy, theo dõi và đánh giá sự thay đổi độ ẩm đất là điều cần thiết cho nền nông nghiệp bền vững. Thông tin về độ ẩm đất rất có giá trị để dự đoán và giảm thiểu các thiên tai như lũ lụt, lở đất và cháy rừng. Các hệ thống cảnh báo sớm có thể sử dụng dữ liệu độ ẩm đất để đánh giá rủi ro của các sự kiện này và thực hiện các biện pháp thích hợp để giảm tác động của chúng. Những thay đổi về mô hình độ ẩm đất được dự đoán là kết quả của biến đổi khí hậu, có tác động đến hệ sinh thái, nông nghiệp và tài nguyên nước.

Theo dõi xu hướng độ ẩm đất có thể giúp cung cấp thông tin cho các chiến lược thích ứng với biến đổi khí hậu và các quyết định chính sách. Độ ẩm đất là thành phần quan trọng của hệ sinh thái trên cạn của Trái đất, đóng vai trò then chốt trong nhiều quá trình môi trường, bao gồm sự phát triển của thực vật, chu trình dinh dưỡng, điều hòa khí hậu và khả năng cung cấp nước. Hiểu được động lực độ ẩm đất là điều cần thiết cho quản lý nông nghiệp, quy hoạch tài nguyên nước, dự báo thời tiết và nghiên cứu biến đổi khí hậu. Các phương pháp đo độ ẩm đất 1.

Phương pháp đo truyền thống Có nhiều cách để đo độ ẩm đất, đơn giản nhất có thể đánh giá dựa trên cảm quan như quan sát màu sắc của đất, đất ẩm thường có màu tối hơn đất khô hoặc có thể dựa vào xúc giác, đất ẩm thường có cảm giác mát và dính còn đất khô có cảm giác không dính tay, dễ vỡ vụn khi tác động nhẹ. Đây là phương pháp đơn giản khi cần đánh giá nhanh, để có độ chính xác cao, thông thường cần sử dụng phương pháp đo trọng lượng để xác định độ ẩm đất, cụ thể như sau: Đất được lấy mẫu ở độ sâu khoảng 10-15 cm, sử dụng cân để xác định trọng lượng ban đầu của mẫu đất ngay sau khi lấy (mu). Mẫu đất sẽ được sấy khô ở nhiệt độ khoảng 105oC cho đến khi trọng lượng mẫu đất không thay đổi. Sau khi sấy khô, 12 để nguội mẫu đất và tiến hành cân xác định trọng lượng sau khi sấy của mẫu đất (mk).2) 𝑚𝑘 Phương pháp đo trọng lượng có độ chính xác cao tuy nhiên cần nhiều thời gian và công sức, ngày nay có các phương pháp đo hiện đại cho kết quả nhanh và hiệu quả hơn bằng cách sử dụng các cảm biến như cảm biến điện trở, cảm biến điện dung…để xác định độ ẩm đất.

Những thiết bị này ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp. Phương pháp viễn thám Phương pháp viễn thám đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu để đánh giá nhanh và cung cấp bản đồ độ ẩm đất cho một vùng rộng lớn dựa trên độ phát xạ và phản xạ của đất. Bản chất của phương pháp này đo và phân tích phản xạ phổ, dựa trên kiến thức về đường cong phản xạ phổ của nước - nước hấp thụ bức xạ trong vùng hồng ngoại gần, và do đó đất càng ẩm thì càng ít phản xạ. Dựa trên dữ liệu thu được, với sự phân tích và hỗ trợ của các công cụ phần mềm viễn thám đồng thời kết hợp với số liệu đo đạc trên thực địa, có thể ước tính độ ẩm đất trên khu vực được chụp.

Dựa trên tư liệu viễn thám sử dụng, có thể chia kỹ thuật ước tính độ ẩm đất thành 2 loại: Kỹ thuật sử dụng ảnh vệ tinh quang học và kỹ thuật Radar.1 So sánh một số phương pháp thu thập dữ liệu độ ẩm đất Phương TT Mô tả Ưu điểm Nhược điểm pháp Mẫu đất được lấy từ ngoài Không đo Đo thực địa về phòng thí nghiệm được trên Phổ biến, truyền để xác định tính thấm nước diện rộng, 1 chính xác thống của đất.