Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ mang tên "Nghiên cứu các mô hình vật lý và ứng dụng hệ phổ kế siêu cao tần trong nghiên cứu xác định độ ẩm đất" do nghiên cứu sinh Võ Thị Lan Anh thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Doãn Minh Chung tại Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Luận án thuộc chuyên ngành Vật lý vô tuyến, định hướng nghiên cứu viễn thám siêu cao tần thụ động kết hợp mô hình vật lý bán thực nghiệm và đo đạc thực nghiệm.
Độ ẩm đất là thông số đại diện cho lượng nước dự trữ trong đất ở các điều kiện cụ thể, giữ vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống sinh vật, quyết định năng suất nông nghiệp và đặc trưng cho quá trình trao đổi năng lượng giữa bề mặt đất với khí quyển. Ở Việt Nam, mạng lưới quan trắc độ ẩm đất truyền thống chủ yếu dựa vào kỹ thuật khoan sấy mẫu đất thủ công tại các trạm khí tượng nông nghiệp. Mạng lưới này mang tính cục bộ, tốn nhân lực, thời gian kéo dài và không thể bao quát diện rộng, đặc biệt tại các khu vực địa hình chia cắt phức tạp. Bên cạnh đó, số liệu điều tra cơ bản về độ ẩm đất tại các viện chuyên ngành như Viện Thổ nhưỡng và Nông hóa còn tản mạn. Các nghiên cứu ứng dụng viễn thám siêu cao tần thụ động tại Việt Nam trước đây chưa được thực hiện một cách bài bản và hệ thống từ khâu lý thuyết mô hình đến quy trình đo thực nghiệm tại hiện trường. Khoảng trống này đòi hỏi phải có một công trình nghiên cứu xây dựng mô hình vật lý bán thực nghiệm phù hợp với điều kiện thổ nhưỡng thực tế, đồng thời thiết lập quy trình đo nhiệt độ phát xạ bằng thiết bị phổ kế siêu cao tần để tính toán độ ẩm đất diện rộng.
Mục tiêu tổng quát 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. Để hiện thực hóa mục tiêu này, luận án xác định 5 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:
- 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.
Luận án bảo vệ hai luận điểm khoa học chính:
- Luận điểm thứ nhất: Tích hợp mô hình Fresnel và mô hình Wang-Schmugge là nền tảng cơ bản cho phép sử dụng số liệu đo nhiệt độ phát xạ bằng phổ kế siêu cao tần để xác định độ ẩm đất một cách bán thực nghiệm.
- Luận điểm thứ hai: Quy trình đo nhiệt độ phát xạ bằng phổ kế siêu cao tần 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.
Về đối tượng nghiên cứu, luận án tập trung vào độ ẩm thể tích của đất ($VSM$ hay $W_c$), nhiệt độ phát xạ tự nhiên ($T_b$) của bề mặt đất, hằng số điện môi phức của đất ($\varepsilon$), cùng với hệ phổ kế siêu cao tần kiểu bù tạp âm băng L ($LNIR$) hoạt động tại tần số 1,4 GHz. Về phạm vi nghiên cứu, không gian thực nghiệm được triển khai trên nền đất trống tại Trung tâm Khí tượng Nông nghiệp Hoài Đức, thành phố Hà Nội; dữ liệu đo thực địa và phân tích mẫu đất phục vụ kiểm chứng được thực hiện vào ngày 20/06/2013, kế thừa các kết quả nghiên cứu và thông số thiết bị từ các đề tài hợp tác khoa học giai đoạn 2000–2009.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tại Việt Nam, các phương pháp đo đạc độ ẩm đất truyền thống đã được vận hành từ năm 1960. Số liệu thống kê của ngành khí tượng thủy văn cho thấy cả nước chỉ có 72 điểm quan trắc độ ẩm đất phân bố tại 8 vùng sinh thái nông nghiệp, trong đó Đồng bằng sông Cửu Long không có điểm quan trắc nào. Về hướng ứng dụng viễn thám quang học và hệ thông tin địa lý (GIS), các nhóm tác giả như Lại Anh Khôi, Nguyễn Ngọc Thạch, Phạm Văn Cự, Nguyễn Đình Dương, Nguyễn Xuân Lâm, Trần Minh Ý, Trương Thị Hòa Bình, Bùi Doãn Trọng đã thực hiện nhiều nghiên cứu giải đoán ảnh vệ tinh để theo dõi biến động lớp phủ và độ ẩm đất. Đối với viễn thám siêu cao tần thụ động, hướng nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm phổ kế đo bức xạ mặt đất được khởi xướng bởi nhóm nghiên cứu của PGS. Doãn Minh Chung (Viện Vật lý) thông qua 3 đề tài Nghị định thư hợp tác với chuyên gia K. Vichev thuộc Viện Điện tử, Viện Hàn lâm Khoa học Bulgaria: giai đoạn 2000–2004 chế tạo phổ kế băng L (1,4 GHz) và băng C (3,5 GHz); giai đoạn 2005–2006 sử dụng phổ kế băng C đo độ ẩm đất, sinh khối thực vật và nhiệt độ mặt biển; giai đoạn 2007–2009 chế tạo phổ kế băng X (10 GHz) xác định độ ẩm đất và độ mặn nước biển.
Trên thế giới, các nền tảng lý thuyết về viễn thám siêu cao tần thụ động được xây dựng từ các công trình của Mo, Choudhury, T. Schmugge và Njoku. Tại Mỹ, Trung tâm nghiên cứu và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên nước đã sử dụng phổ kế đặt trên ô tô lưu động kết hợp viễn thám hàng không máy bay dọc triền sông Mississippi để xác định độ thẩm thấu qua đê; các chuyến bay thử nghiệm giai đoạn 1978–1980 tại Chickasha, Oklahoma đã thành lập bản đồ biến đổi không gian của độ ẩm đất dưới bề mặt. Tại Liên Xô (cũ), Konstantinov phân tích trường độ ẩm đất hữu hiệu và chỉ ra rằng sự dao động không gian của độ ẩm đất lớp 0–0,1 m có quy mô tương quan trong bán kính khoảng 500 km, phản ánh đặc trưng thống kê của trường mưa tháng. Nghiên cứu của Newton và cộng sự tại Illinois (Mỹ), Mông Cổ, Nga và Trung Quốc cũng xác nhận quy mô tương quan này đạt khoảng 500 km. Tại Trung Quốc, nghiên cứu địa thống kê trên 99 trạm đo giai đoạn 1987–1989 ở độ sâu 0,1 m và 1,0 m tìm ra giới hạn tương quan trung bình là 200–400 km đối với lớp đất 0,1 m và 400–700 km đối với lớp đất 1,0 m. Về mặt công nghệ vệ tinh, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) đã phóng vệ tinh SMOS vào tháng 11/2009, và Cơ quan Hàng không Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) đã phóng vệ tinh SMAP vào ngày 31/01/2015 mang cảm biến radar và phổ kế băng L để quét định kỳ bề mặt đất toàn cầu.
Tổng kết y văn quốc tế cho thấy có 4 mô hình hồi quy tiêu biểu được Wigneron và cộng sự phân loại:
- Mô hình hồi quy cấu hình đơn và bản đồ phân loại thực vật của Jackson (1993);
- Mô hình hồi quy đơn cực và các chỉ số thực vật của Van de Griend và Owe (1994);
- Mô hình hồi quy 2 tham số, quan trắc hai phân cực và đa góc của Wigneron và cộng sự (1995);
- Mô hình hồi quy 2 tham số, quan trắc lưỡng cực của Owe và cộng sự (2001).
| Mô hình |
Tác giả & Năm |
Dải tần / Cảm biến |
Tham số đầu vào chính |
Ưu điểm |
Hạn chế khi áp dụng tại Việt Nam |
| Cấu hình đơn giản & bản đồ thực vật |
Jackson (1993) |
Băng L (1,4 GHz), phân cực H |
$T_b(H)$, $T_s$, loại cây (tham số $b$), độ ẩm thực vật ($VWC$), thành phần đất |
Tiếp cận từng bước rõ ràng, hiệu chỉnh tốt cho đất nông nghiệp |
Phụ thuộc bản đồ phân loại thực vật và tham số $b$, khó áp dụng rộng |
| Đơn cực & chỉ số thực vật |
Van de Griend & Owe (1994) |
Băng C (6,6 GHz), phân cực H |
$T_b(H)$, nhiệt độ không khí ($T_{max}$, $T_{min}$), chỉ số $NDVI$ từ vệ tinh NOAA/AVHRR |
Tận dụng được dữ liệu viễn thám quang học sẵn có |
Chỉ số $NDVI$ nhạy với mây mù, phương trình thực nghiệm phụ thuộc dạng thảm phủ |
| Hai tham số, đa góc & đa phân cực |
Wigneron et al. (1995) |
Băng L (1,4 GHz) và băng C (5 GHz), phân cực H+V, góc 8°–38° |
$T_b(H, V)$ đa tần, $T_{eff}$, góc tới, thành phần cơ giới đất |
Xác định đồng thời độ ẩm đất và độ dày quang học |
Quá phức tạp, cần đo đồng thời đa kênh và quá nhiều tham số phụ trợ |
| Hai tham số, quan trắc lưỡng cực |
Owe et al. (2001) |
Đơn tần, lưỡng cực H+V |
$T_b(H, V)$, nhiệt độ mẫu, chỉ số $MPDI$, thành phần cơ giới |
Tối ưu hóa số lượng cảm biến, áp dụng được cho phổ kế đơn tần |
Vẫn cần đo đồng thời cả hai phân cực H và V |
Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết là khắc phục sự phức tạp và đòi hỏi quá nhiều thông tin thảm phủ của các mô hình nước ngoài. Luận án kế thừa nguyên lý hồi quy của Owe và cộng sự nhưng tinh giản cấu trúc để phù hợp với hệ thiết bị hiện có tại Việt Nam: sử dụng phổ kế đơn tần băng L (1,4 GHz) phân cực ngang, tích hợp mô hình Fresnel và mô hình bán thực nghiệm Wang-Schmugge để tính toán độ ẩm đất từ nhiệt độ phát xạ mà không cần phụ thuộc vào các bản đồ phân loại thực vật chi tiết.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Về cơ sở lý thuyết, luận án dựa trên nguyên lý bức xạ nhiệt điện từ của vật chất. Theo định luật Rayleigh-Jeans trong vùng sóng siêu cao tần, cường độ bức xạ $B$ tỷ lệ thuận với nhiệt độ phát xạ $T_b$:
$$B = \frac{2 K T_b}{\lambda^2}$$
Trong đó $K = 1,38 \times 10^{-23} \text{ J/K}$ là hằng số Boltzmann, $\lambda$ là bước sóng điện từ trường, và $T_b = e \cdot T_0$ ($e$ là độ phát xạ tự nhiên của đối tượng, $T_0$ là nhiệt độ vật lý tính bằng Kelvin). Đối với bề mặt đất nhẵn, nhiệt độ phát xạ ở góc tới $\theta$ và phân cực $p$ được xác định qua công thức:
$$T_g(\theta, p) = [1 - R(\theta, p)] \cdot T_s$$
Với $R(\theta, p)$ là hệ số phản xạ bề mặt và $T_s$ là nhiệt độ bề mặt đất. Hệ số phản xạ của bề mặt phẳng nhẵn $R_0(\theta)$ được tính theo các phương trình Fresnel cho hai trạng thái phân cực ngang (H) và phân cực đứng (V), phụ thuộc vào hằng số điện môi phức của đất ($\varepsilon$). Khi xét đến ảnh hưởng của độ gồ ghề bề mặt, luận án áp dụng mô hình Choudhury và cộng sự (1979) để hiệu chỉnh độ phản xạ:
$$R'_h(\theta) = R_0(\theta) \cdot \exp(-h' \cos^2\theta)$$
Trong đó $h'$ là tham số độ gồ ghề bề mặt ($h' = 0$ khi bề mặt hoàn toàn nhẵn).
Cơ sở vật lý then chốt để xác định độ ẩm đất là sự tương phản sâu sắc về tính chất điện môi: nước sạch có hằng số điện môi rất cao ($\varepsilon_w \approx 80$), trong khi đất khô kiệt có hằng số điện môi rất thấp ($\varepsilon_{ds} \approx 3$). Khi độ ẩm đất thay đổi, hằng số điện môi của hỗn hợp đất biến thiên mạnh mẽ. Để liên kết hằng số điện môi với độ ẩm thể tích đất ($W_c$), luận án sử dụng mô hình bán thực nghiệm Wang-Schmugge:
$$\varepsilon_s = f(\varepsilon, P, BD, WP, T_s, \theta, W_c)$$
Trong đó các thông số thổ nhưỡng đầu vào gồm độ xốp ($P$), dung trọng đất ($BD$), điểm héo ($WP$), hàm lượng cát ($S%$) và hàm lượng sét ($C%$).
| Đại lượng / Ký hiệu |
Ý nghĩa vật lý |
Thứ nguyên / Đơn vị |
Công thức / Phạm vi trong văn bản |
| $D$ ($BD$) |
Dung trọng của đất |
$\text{g/cm}^3$ |
$D = P/V$ |
| $d$ |
Tỷ trọng của đất |
Không thứ nguyên |
$d = P/P_1$ (biến động từ 2,6 đến 2,8) |
| $P$ |
Độ xốp của đất |
$%$ |
$P = (1 - D/d) \times 100$ (từ 30% đến 70%) |
| $W_{mm}$ |
Độ ẩm đất toàn phần |
$\text{mm}$ cột nước |
$W_{mm} = W_t \cdot d \cdot h / 10$ ($h=10\text{ cm} \Rightarrow W_{mm} = W_t \cdot d$) |
| $W_{hh}$ |
Độ ẩm đất hữu hiệu |
$\text{mm}$ hoặc $%$ |
$W_{hh} = W_{tp} - W_{Wkhoheo}$ |
| $MPDI$ |
Chỉ số phân cực lưỡng cực |
Không thứ nguyên |
$MPDI = \frac{T_b(V) - T_b(H)}{T_b(V) + T_b(H)}$ |
| $\varepsilon_w$ |
Hằng số điện môi nước sạch |
Không thứ nguyên |
$\approx 80$ |
| $\varepsilon_{ds}$ |
Hằng số điện môi đất khô |
Không thứ nguyên |
$\approx 3$ |
Phương pháp nghiên cứu thực tế của luận án bao gồm:
- Phương pháp thực nghiệm viễn thám: Sử dụng hệ phổ kế siêu cao tần kiểu bù tạp âm băng L ($LNIR$) tần số 1,4 GHz do Viện Vật lý chế tạo trong khuôn khổ hợp tác với Viện Điện tử Bulgaria. Thiết bị được chuẩn hóa thông qua kỹ thuật đo 2 điểm tải nhiệt: tải lạnh hướng anten lên bầu trời xanh ($T_{cold} = T_{sky}$) và tải nóng áp vào tấm vật liệu hấp thụ sóng ($absorber$) ở nhiệt độ phòng ($T_{hot} = T_0$). Tiến hành quét đo nhiệt độ phát xạ của ô đất mẫu thực nghiệm ở các góc tới anten $\theta$ lần lượt là 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, và 60°.
- Phương pháp thực nghiệm đối chứng truyền thống: Lấy mẫu đất tại hiện trường bằng ống trụ kim loại tiêu chuẩn thể tích 100 $\text{cm}^3$, sấy khô ở nhiệt độ 100–105°C theo phương pháp Kachinski để xác định khối lượng nước hao hụt, dung trọng, và độ ẩm thể tích. Đồng thời, mẫu đất được đưa về phòng thí nghiệm để phân tích thành phần cấp hạt cơ giới (tỷ lệ phần trăm cát, limon, sét).
- Phương pháp tính toán và hồi quy số liệu: Xây dựng thuật toán đảo ngược mô hình vật lý trên phần mềm Excel. Bằng phương pháp lặp tối thiểu hóa sai số giữa nhiệt độ phát xạ đo bằng phổ kế $T_b(\theta)$ và nhiệt độ phát xạ tính từ mô hình Fresnel kết hợp Wang-Schmugge, chương trình tự động xác định giá trị độ ẩm thể tích đất $W_c$.
Nguồn tư liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp tại thực địa Trạm Khí tượng Nông nghiệp Hoài Đức ngày 20/06/2013, kết hợp chuỗi số liệu quan trắc của 72 trạm thuộc Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia.
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘ ẨM ĐẤT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Chương I trình bày hệ thống khái niệm thổ nhưỡng học và cơ sở vật lý của đất. Đất được định nghĩa theo Dokuchaev là thực thể tự nhiên có nguồn gốc và lịch sử phát triển riêng, phân chia thành tầng đất bề mặt và tầng đất nền. Tác giả tổng hợp chi tiết các chỉ tiêu cơ lý của đất:
- Dung trọng ($D$) xác định theo ống trụ kim loại 100 $\text{cm}^3$: $D = P/V$;
- Tỷ trọng ($d$) biến động trong khoảng 2,6–2,8 theo công thức $d = P/P_1$;
- Độ xốp ($P$) tính gián tiếp từ dung trọng và tỷ trọng: $P = (1 - D/d) \times 100$, dao động từ 30% đến 70%;
- Các chỉ số trạng thái nước: độ ẩm khô héo ($WP$), độ trữ ẩm cực đại đồng ruộng ($Moisture\ Field\ Capacity$), và các hằng số nước. Trữ lượng nước trong đất được tính theo cột nước milimet, ví dụ đất Ferralsols tầng 0–50 cm đạt 180 mm tương đương 1.800 $\text{m}^3\text{/ha}$.
| Khoảng giá trị áp lực ẩm |
Đánh giá mức độ hữu hiệu đối với cây trồng |
Tình trạng cây trồng |
| 0 đến -5 atm |
Mức độ rất dễ sử dụng |
Cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt |
| -5 đến -15 atm |
Mức độ hữu hiệu trung bình |
Cây trồng duy trì sự sống bình thường |
| -15 đến -25 atm |
Nước rất khó sử dụng |
Cây trồng bắt đầu héo rũ ban ngày |
| Dưới -25 atm |
Cây không thể hút được nước |
Cây bị héo vĩnh viễn và chết |
Chương này phân tích các phương pháp đo truyền thống như phương pháp Kachinski sấy ở 100–105°C tính độ thấm nước $K = (100+W)/100$, công thức tính độ ẩm toàn phần $W_{mm} = W_t \cdot d \cdot h / 10$ và độ ẩm hữu hiệu $W_{hh} = W_{tp} - W_{Wkhoheo}$. Tiếp đó, tác giả phân tích nguyên lý viễn thám tích cực và viễn thám thụ động trong dải sóng từ 0,3 cm đến 100 cm, cùng 3 phương thức quan sát: từ mặt đất (độ cao < 5 m), từ máy bay (> 500 m) và từ vệ tinh (> 100 km). Chương I đưa ra số liệu thống kê hiện trạng 72 điểm quan trắc độ ẩm đất tại Việt Nam từ năm 1960:
| TT |
Vùng sinh thái nông nghiệp |
Số điểm quan trắc độ ẩm đất |
| 1 |
Vùng Tây Bắc |
4 |
| 2 |
Vùng Việt Bắc |
18 |
| 3 |
Vùng Đông Bắc |
18 |
| 4 |
Vùng Đồng bằng Bắc Bộ |
12 |
| 5 |
Vùng Bắc Trung Bộ |
13 |
| 6 |
Vùng Trung Trung Bộ |
1 |
| 7 |
Vùng Nam Trung Bộ |
5 |
| 8 |
Vùng Tây Nguyên |
1 |
| Tổng |
Toàn quốc |
72 |
Phần cuối chương điểm lại các nghiên cứu viễn thám trong nước của Lại Anh Khôi, Doãn Minh Chung và hợp tác quốc tế với K. Vichev, cũng như các thành tựu của Mỹ, Liên Xô (cũ), Trung Quốc, vệ tinh SMOS (ESA, 2009) và SMAP (NASA, 2015).
CHƯƠNG II. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ XÁC ĐỊNH ĐỘ ẨM ĐẤT
Chương II đi sâu phân tích 4 mô hình vật lý bán thực nghiệm kinh điển trên thế giới:
- Mô hình Jackson (1993): Đo đơn tần băng L (1,4 GHz) phân cực H, sử dụng nhiệt độ hiệu dụng $T_{eff} = T_s = T_c$, suất tán xạ đơn Albedo = 0, hiệu chỉnh lớp phủ bằng độ ẩm thực vật ($VWC$) và tham số cây ($b$), hiệu chỉnh độ gồ ghề bằng mô hình Choudhury, tính hằng số điện môi qua Fresnel và Wang-Schmugge. Mô hình có hạn chế lớn là đòi hỏi bản đồ phân loại thực vật chi tiết.
- Mô hình Van de Griend và Owe (1994): Đo đơn tần băng C (6,6 GHz) phân cực H, sử dụng nhiệt độ không khí $T_{eff} = (T_{max} + 2T_{min})/3$, tính hệ số truyền qua bằng hàm thực nghiệm với chỉ số $NDVI$ từ vệ tinh NOAA/AVHRR, hiệu chỉnh gồ ghề qua Choudhury và tính hằng số điện môi theo mô hình Wilheit và Dobson. Hạn chế là chỉ số $NDVI$ bị ảnh hưởng bởi mây và mối quan hệ thực nghiệm thay đổi theo từng loại thảm thực vật.
- Mô hình Wigneron và cộng sự (1995): Đo hai phân cực (H+V) đa góc (8°–38°) ở cả băng L (1,4 GHz) và băng C (5 GHz). Xác định đồng thời cả độ ẩm đất và độ dày quang học. Tuy nhiên, mô hình đòi hỏi quá nhiều thông số đầu vào đồng thời và cấu hình phần cứng phức tạp.
- Mô hình Owe và cộng sự (2001): Đo đơn tần lưỡng cực (H+V), tách biệt nhiệt độ bề mặt đất nhờ chỉ số phân cực $MPDI = (T_b(V) - T_b(H)) / (T_b(V) + T_b(H))$. Mô hình tối ưu hóa hằng số điện môi bằng các vòng lặp, từ đó suy ra độ ẩm thể tích bằng mô hình Wang-Schmugge. De Jeu (2003) đã ứng dụng thành công mô hình này ở quy mô lục địa khi độ dày quang học nhỏ hơn 0,45.
Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm, tác giả đã thiết lập mô hình vật lý bán thực nghiệm phù hợp với điều kiện Việt Nam: sử dụng phổ kế đơn tần băng L (1,4 GHz) phân cực ngang (H). Sơ đồ khối của mô hình gồm: đầu vào là nhiệt độ phát xạ đo được $T_b(H, \theta)$ và nhiệt độ bề mặt $T_s \approx T_{eff}$; thông qua mô hình truyền sóng tính tỷ số $T_b(\theta)/T_{eff} = 1 - R_h'(\theta)$; hiệu chỉnh độ gồ ghề bằng mô hình $R_h'(\theta) = R_0(\theta) \cdot \exp(-h' \cos^2\theta)$; giải phương trình Fresnel để trích xuất hằng số điện môi phức $\varepsilon_s$; cuối cùng kết hợp thông tin thổ nhưỡng ($P, BD, WP, S%, C%$) đưa vào mô hình Wang-Schmugge để tính độ ẩm đất $W_c$. Khi chênh lệch giữa nhiệt độ phát xạ tính toán và nhiệt độ phát xạ đo đạt giá trị tối thiểu thì bài toán nghịch đảo hội tụ.
CHƯƠNG III. XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘ PHÁT XẠ CỦA ĐẤT BẰNG PHỔ KẾ SIÊU CAO TẦN
Chương III trình bày cơ sở kỹ thuật và quy trình thao tác thiết bị đo đạc thực nghiệm. Về cấu tạo, phổ kế siêu cao tần bao gồm anten, máy thu siêu cao tần, khối xử lý tín hiệu và khối ghép nối máy tính. Tác giả phân tích cấu trúc 3 kiểu phổ kế cơ bản:
- Phổ kế kiểu công suất toàn phần ($TPR$);
- Phổ kế kiểu Dicke;
- Phổ kế kiểu bù tạp âm.
Luận án sử dụng hệ phổ kế kiểu bù tạp âm băng L ($LNIR$) tần số 1,4 GHz. Ưu điểm của kiểu bù tạp âm là triệt tiêu được sự mất ổn định của hệ số khuếch đại trong máy thu. Tác giả thiết lập quy trình chuẩn hóa phổ kế bằng 2 điểm tải nhiệt thực nghiệm:
- Chuẩn hóa với tải lạnh ($T_{cold}$): Hướng anten lên góc cao của bầu trời xanh không mây để đo nhiệt độ bức xạ vũ trụ ($T_{sky}$);
- Chuẩn hóa với tải nóng ($T_{hot}$): Sử dụng tấm hấp thụ sóng siêu cao tần tiêu chuẩn ($absorber$) che kín miệng loa anten ở nhiệt độ vật lý môi trường.
Quy trình đo nhiệt độ phát xạ tại thực địa được thực hiện tại Trạm Khí tượng Nông nghiệp Hoài Đức trên ô đất mẫu đã được làm sạch cỏ dại. Phổ kế $LNIR$ được gắn trên giá đỡ định vị, quay anten thu tín hiệu phân cực ngang ở các góc tới $\theta$ lần lượt là 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, và 60°. Đồng thời tại thời điểm đo, quy trình lấy mẫu đất truyền thống được triển khai bằng ống đóng kim loại để lấy mẫu đất nguyên thổ ở tầng mặt, đưa vào tủ sấy phân tích độ ẩm và phân tích cấp hạt cơ giới tại phòng thí nghiệm, cung cấp các số liệu thực tế về dung trọng, tỷ trọng, thành phần cát ($S%$), sét ($C%$) và limon.
CHƯƠNG IV. LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐỘ ẨM ĐẤT
Chương IV trình bày việc hiện thực hóa thuật toán hồi quy mô hình và xử lý tập số liệu thực nghiệm. Tác giả xây dựng lưu đồ thuật toán tính toán độ ẩm đất từ dữ liệu bức xạ: khởi tạo giá trị độ ẩm thể tích giả định $W_c$, tính hằng số điện môi theo công thức Wang-Schmugge, tính độ phản xạ bề mặt nhẵn Fresnel $R_0(\theta)$, hiệu chỉnh độ gồ ghề mặt đất để có $R_h'(\theta)$, tính nhiệt độ phát xạ mô hình $T_b^{calc}(\theta) = [1 - R_h'(\theta)] \cdot T_s$, sau đó so sánh với nhiệt độ phát xạ thực đo $T_b^{meas}(\theta)$ từ phổ kế $LNIR$. Thuật toán được lập trình và thực thi trên phần mềm Excel.
Tác giả thực hiện tính toán độ ẩm đất theo mô hình Wang-Schmugge tại từng góc đo từ 10° đến 60°. Kết quả phân tích đồ thị cho thấy nhiệt độ phát xạ và độ phát xạ của đất biến thiên rõ rệt theo góc tới của anten: ở phân cực ngang, độ phát xạ giảm dần khi góc tới tăng từ 10° lên 60°. Đồ thị so sánh giữa độ phát xạ đo bằng phổ kế $LNIR$ và độ phát xạ tính từ mô hình tại Trạm Khí tượng Nông nghiệp Hoài Đức cho thấy mức độ hội tụ và tương thích rất chặt chẽ. Khi so sánh giá trị độ ẩm thể tích đất ($VSM$) xác định từ phổ kế $LNIR$ với kết quả phân tích mẫu bằng phương pháp khoan sấy truyền thống trong ngày 20/06/2013, sai số giữa hai phương pháp nằm trong giới hạn cho phép. Tác giả cũng phân tích định lượng ảnh hưởng của tham số độ gồ ghề mặt đất ($h'$) và thử nghiệm đối sánh tín hiệu thu được với các hệ phổ kế khác như băng C ($CMR$, 3,5 GHz) và băng X ($XRM$, 10 GHz) trên ô đất thực nghiệm.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án tự xác định các đóng góp mới về mặt khoa học lý luận và thực tiễn như sau:
Về mặt lý luận:
- Lần đầu tiên tại Việt Nam, vấn đề xác định độ ẩm đất được nghiên cứu một cách bài bản, toàn diện cả về lý thuyết mô hình và kỹ thuật thực nghiệm bằng phương pháp viễn thám siêu cao tần thụ động.
- Xác lập cơ sở khoa học cho việc tích hợp mô hình truyền sóng phản xạ Fresnel với mô hình hằng số điện môi bán thực nghiệm Wang-Schmugge đối với phổ kế đơn tần băng L (1,4 GHz). Mô hình giải quyết bài toán hồi quy tham số độ ẩm đất mà không đòi hỏi hệ thống tham số thảm phủ quá phức tạp như các mô hình đa kênh quốc tế.
Về mặt thực tiễn:
- Thiết lập thành công quy trình kỹ thuật chuẩn hóa phổ kế siêu cao tần bù tạp âm băng L ($LNIR$) bằng phương pháp chuẩn hai điểm tải nhiệt (tải lạnh bầu trời và tải nóng tấm hấp thụ absorber).
- Xây dựng quy trình đo nhiệt độ phát xạ bề mặt đất đa góc tới (từ 10° đến 60°) tại hiện trường và chương trình tính toán độ ẩm đất trên nền phần mềm Excel, cho phép tính toán độ ẩm thể tích đất nhanh chóng từ số liệu đo bức xạ.
- Kiểm chứng và chứng minh sự phù hợp giữa kết quả tính toán độ ẩm từ phổ kế viễn thám với số liệu phân tích cơ học đất bằng phương pháp khoan sấy truyền thống tại Trạm Khí tượng Nông nghiệp Hoài Đức.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:
- Ứng dụng quy trình đo đạc bằng phổ kế siêu cao tần băng L để hỗ trợ công tác quản lý tài nguyên đất và điều tiết chế độ tưới tiêu cây trồng cho các cơ quan quản lý nông nghiệp cấp tỉnh trở lên.
- Đề xuất ứng dụng hệ phổ kế siêu cao tần mặt đất làm công cụ chuẩn hóa và kiểm chứng (Cal/Val) số liệu mặt đất cho các vệ tinh quan trắc độ ẩm đất quốc tế như SMOS (Châu Âu) và SMAP (Hoa Kỳ) khi bay qua lãnh thổ Việt Nam.
- Từng bước phát triển lắp đặt các hệ phổ kế viễn thám trên các phương tiện bay (máy bay, thiết bị bay) để mở rộng tầm quan trắc diện rộng, khắc phục tình trạng thiếu hụt trầm trọng của mạng lưới 72 trạm quan trắc thủ công hiện nay.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Về hạn chế: Luận án chỉ giới hạn phạm vi khảo sát thực nghiệm tại một địa bàn cụ thể là Trạm Khí tượng Nông nghiệp Hoài Đức, thành phố Hà Nội. Đối tượng thực nghiệm tập trung vào nền đất trống (đất trần, không có lớp thảm phủ thực vật), chưa tiến hành thực nghiệm trên các loại hình cây trồng nông nghiệp có sinh khối lớn. Đồng thời, tham số độ gồ ghề bề mặt đất ($h'$) trong mô hình tính toán mới chỉ dừng lại ở các giá trị xấp xỉ đơn giản ($h' \approx 0$ hoặc hiệu chỉnh sơ bộ) trên ô đất thực nghiệm bằng phẳng. Công cụ tính toán mới được thiết lập trên bảng tính Excel, chưa được đóng gói thành phần mềm chuyên dụng xử lý ảnh viễn thám tự động.
Về hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng mô hình vật lý bán thực nghiệm cho các bề mặt đất có lớp phủ thực vật phức tạp (như lúa, ngô, thảm cỏ) bằng cách tích hợp thêm các tham số về độ dày quang học của thực vật ($\tau$) và độ ẩm thực vật ($VWC$);
- Nâng cấp hệ thống đo đạc từ cấu hình đặt cố định trên mặt đất lên các phương tiện bay không người lái hoặc máy bay chuyên dụng để khảo sát độ ẩm đất trên quy mô liên huyện, liên tỉnh;
- Mở rộng địa bàn đo đạc thực nghiệm trên nhiều nhóm đất khác nhau tại 8 vùng sinh thái nông nghiệp của Việt Nam, đặc biệt là vùng Đồng bằng sông Cửu Long;
- Xây dựng thuật toán xử lý dữ liệu đồng bộ với ảnh viễn thám của các vệ tinh SMOS và SMAP để phục vụ dự báo hạn hán và tai biến môi trường ở quy mô quốc gia.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo cho các đối tượng học thuật và ứng dụng sau:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên: Thuộc các chuyên ngành Vật lý vô tuyến, Vật lý địa cầu, Công nghệ vũ trụ, Kỹ thuật viễn thông, Khoa học đất, Thủy văn và Viễn thám tài nguyên môi trường.
- Giảng viên đại học và nghiên cứu viên: Làm việc tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện Thổ nhưỡng và Nông hóa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Viện Công nghệ Vũ trụ;
- Các nhà quản lý và kỹ thuật viên khí tượng nông nghiệp: Thuộc Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia, Cục Trồng trọt, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, hỗ trợ thiết lập mạng lưới quan trắc bổ sung.
Các phần có giá trị tham khảo kỹ thuật nổi bật gồm:
- Bảng tổng hợp công thức cơ lý đất và phân bố 72 trạm quan trắc tại Chương I;
- Khung phân tích so sánh 4 mô hình hồi quy viễn thám siêu cao tần quốc tế tại Chương II;
- Bản vẽ cấu trúc mạch và quy trình chuẩn hóa phổ kế bù tạp âm hai điểm tải nhiệt tại Chương III;
- Bảng số liệu đối sánh thực địa giữa phổ kế $LNIR$ và phương pháp khoan sấy mẫu đất tại Chương IV.
Câu hỏi thường gặp
1. Hằng số điện môi của đất khô và nước sạch có giá trị bao nhiêu, và nguyên lý này quyết định phương pháp viễn thám siêu cao tần như thế nào?
Theo văn bản luận án, nước sạch có hằng số điện môi rất cao ($\varepsilon_w \approx 80$), trong khi đất khô kiệt có hằng số điện môi rất thấp ($\varepsilon_{ds} \approx 3$). Sự tương phản rất lớn này làm cho hằng số điện môi của hỗn hợp đất biến thiên trực tiếp theo hàm lượng nước chứa trong nó. Do nhiệt độ phát xạ siêu cao tần ($T_b$) của mặt đất bị chi phối trực tiếp bởi hằng số điện môi thông qua hệ số phản xạ Fresnel, thiết bị phổ kế có thể gián tiếp xác định chính xác độ ẩm thể tích đất từ tín hiệu bức xạ thu nhận được.
2. Mạng lưới trạm quan trắc độ ẩm đất truyền thống tại Việt Nam có bao nhiêu điểm và phân bố tại các vùng sinh thái ra sao?
Tính từ năm 1960, toàn bộ mạng lưới khí tượng nông nghiệp Việt Nam chỉ có 72 điểm quan trắc độ ẩm đất phân bố trên 8 vùng sinh thái như sau: Vùng Tây Bắc có 4 điểm, Vùng Việt Bắc có 18 điểm, Vùng Đông Bắc có 18 điểm, Vùng Đồng bằng Bắc Bộ có 12 điểm, Vùng Bắc Trung Bộ có 13 điểm, Vùng Trung Trung Bộ có 1 điểm, Vùng Nam Trung Bộ có 5 điểm, Vùng Tây Nguyên có 1 điểm; riêng Vùng Đồng bằng sông Cửu Long hoàn toàn không có điểm quan trắc độ ẩm đất nào.
3. Bốn mô hình hồi quy viễn thám siêu cao tần quốc tế được luận án phân tích chi tiết là những mô hình nào?
Bốn mô hình gồm: (1) Mô hình hồi quy cấu hình đơn và bản đồ phân loại thực vật của Jackson (1993); (2) Mô hình hồi quy đơn cực và các chỉ số thực vật $NDVI$ của Van de Griend và Owe (1994); (3) Mô hình hồi quy 2 tham số, quan trắc hai phân cực và đa góc của Wigneron và cộng sự (1995); (4) Mô hình hồi quy 2 tham số, quan trắc lưỡng cực của Owe và cộng sự (2001).
4. Thiết bị viễn thám thực nghiệm cụ thể trong luận án là gì và đã được đo đạc tại đâu, thời gian nào?
Luận án sử dụng hệ phổ kế siêu cao tần kiểu bù tạp âm băng L ($LNIR$) hoạt động ở tần số 1,4 GHz, phân cực ngang (H). Thí nghiệm thực địa được tiến hành trên ô đất mẫu tại Trạm Khí tượng Nông nghiệp Hoài Đức, thành phố Hà Nội vào ngày 20/06/2013, thực hiện quét tín hiệu bức xạ theo các góc tới anten lần lượt là 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, và 60°.
5. Áp lực ẩm trong đất được phân chia theo các thang giá trị nào và ảnh hưởng ra sao đến cây trồng?
Văn bản luận án nêu rõ 4 thang giá trị áp lực ẩm: từ 0 đến -5 atm thì cây trồng phát triển tốt, nước rất dễ sử dụng; từ -5 đến -15 atm thì mức độ hữu hiệu là trung bình; từ -15 đến -25 atm thì nước khó sử dụng; dưới -25 atm thì nước rất khó sử dụng, cây trồng sẽ bị héo và chết.
Kết luận
Luận án của tác giả Võ Thị Lan Anh đã giải quyết một bài toán khoa học và thực tiễn quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ viễn thám siêu cao tần thụ động để đo đạc độ ẩm đất tại Việt Nam. Bằng việc tích hợp thành công mô hình phản xạ Fresnel và mô hình bán thực nghiệm Wang-Schmugge cho hệ phổ kế băng L ($LNIR$, 1,4 GHz), công trình đã tạo lập cơ sở lý thuyết tinh giản và xây dựng quy trình chuẩn hóa thực nghiệm hai điểm tải nhiệt đáng tin cậy. Kết quả đo đạc thực nghiệm đối chứng tại Trạm Khí tượng Nông nghiệp Hoài Đức đã khẳng định tính khả thi của thuật toán hồi quy trên phần mềm bảng tính. Đây là công trình đặt nền tảng phương pháp luận hoàn chỉnh đầu tiên ở trong nước về viễn thám siêu cao tần thụ động đo độ ẩm đất, mở ra tiềm năng lớn cho công tác kiểm chứng dữ liệu vệ tinh quốc tế và quản lý hạn hán diện rộng trong nông nghiệp.
