Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu các mô hình vật lý và ứng dụng hệ phổ kế siêu cao tần trong nghiên cứu xác định độ ẩm đất

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án 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 - 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... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: 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 LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ (Chuyên ngành quang học) Hà Nội, 2015
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 nghành: Quang học Mã số: 62 44 01 09 LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ (Chuyên ngành Quang học) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS.DOÃN MINH CHUNG Hà Nội, 2015
Tôi xin cam đoan: Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực, của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Doãn Minh Chung, không vi phạm bất cứ điều gì trong Luật Sở hữu Trí tuệ và Pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Pháp luật. TÁC GIẢ LUẬN ÁN Võ Thị Lan Anh 1
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc đến PGS. TS. Doãn Minh Chung, người Thày đã luôn tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện Luận án này. Trong thời gian học tập, nghiên cứu, thực hiện Luận án Thày đã luôn định hướng, truyền dạy, bổ sung cho tôi nhiều kiến thức chuyên ngành, kinh nghiệm nghiên cứu quý báu và giúp tôi sớm xác định được hướng nghiên cứu cụ thể cho Luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS. TS. Nguyễn Đại Hưng cùng các quý Thầy, Cô trong Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, những người đã luôn nhiệt tình dạy dỗ, chỉ bảo, truyền thụ cho nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý giá trong thời gian tôi thực hiện Luận án này tại Viện. Xin cảm ơn các anh chị, bạn bè, đồng nghiệp Viện Công nghệ vũ trụ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã luôn quan tâm, động viên, khích lệ, tạo điều kiện và luôn giúp đỡ, trao đổi, thảo luận, cung cấp cho tôi nhiều thông tin, kiến thức, kinh nghiệm hữu ích để hoàn thành Luận án này. Cuối cùng con xin được bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới cha mẹ hai bên, xin cảm ơn tất cả người thân trong gia đình đã luôn quan tâm, động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện giúp tôi có thêm quyết tâm, nghị lực trong học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án này. Xin chân thành cảm ơn! 2
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................6 DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................8 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................9 PHẦN MỞ ĐẦU.................................................................................................12 1. Xuất xứ của đề tài luận án ...................................................................................... 12 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án ................................................... 14 3. Phương pháp nghiên cứu của luận án .................................................................. 15 4. Các luận điểm bảo vệ .............................................................................................. 15 5. Đóng góp khoa học mới của luận án..................................................................... 16 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘ ẨM ĐẤT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................................................................17 1.1. Tổng quan về các tính chất vật lý cơ bản của đất............................................ 17 1.2. Các phương pháp nghiên cứu độ ẩm đất.......................................................... 21 1.2.1. Các phương pháp đo truyền thống ...................................................................................... 21 1.2.2. Các phương pháp viễn thám ............................................................................................... 23 1.3. Tổng quan các nghiên cứu viễn thám độ ẩm đất ở trong và ngoài nước .... 30 1.3.1. Ở trong nước ....................................................................................................................... 30 1.3.2. Ở ngoài nước ....................................................................................................................... 32 CHƯƠNG II. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ XÁC ĐỊNH ĐỘ ẨM ĐẤT ...........................................................................................38 2.1. Tổng quan về các mô hình vật lý xác định độ ẩm đất ................................... 38 2.1.1.Phương pháp hồi quy dựa trên phép đo cấu hình đơn giản và bản đồ phân loại thực vật của Jackson (1993) .............................................................................................................................. 40 3
2.1.2.Phương pháp hồi quy dựa trên phép đo đơn cực và các chỉ số thực vật của Van de Greind và Owe (1994) ............................................................................................................................... 42 2.1.3. Phương pháp hồi quy 2 tham số, quan trắc hai phân cực và đa góc của Wingneron et al. (1995) ............................................................................................................................................ 44 2.1.4. Mô hình hồi quy 2 tham số, quan trắc lưỡng cực của Owe et al(2001) .............................. 46 2.2. Xây dựng mô hình vật lý xác định độ ẩm đất .................................................. 47 2.2.1. Mô hình vật lý về sự phát xạ tự nhiên của đất .................................................................... 50 2.2.2. Các tham số ảnh hưởng đến độ phát xạ tự nhiên của đất ................................................... 53 2.2.3. Mô hình bán thực nghiệm Wang–Schmugge về hằng số điện môi của đất ......................... 59 CHƯƠNG III. XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘ PHÁT XẠ CỦA ĐẤT BẰNG PHỔ KẾ SIÊU CAO TẦN ..........................................................64 3.1. Tổng quan về phổ kế siêu cao tần và nguyên lý hoạt động ............................ 64 3.1.1. Phổ kế siêu cao tần kiểu công suất toàn phần .................................................................... 65 3.1.2. Phổ kế siêu cao tần kiểu Dicke ............................................................................................ 66 3.1.3. Phổ kế siêu cao tần kiểu bù tạp âm ..................................................................................... 68 3.1.4. Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của các phổ kế SCT băng L. .................................................... 69 3.2. Quy trình ứng dụng phổ kế siêu cao tần trong xác định độ ẩm đất ............. 69 3.2.1. Chuẩn hóa phổ kế và chuẩn bị mẫu đất .............................................................................. 70 3.2.2. Xây dựng quy trình đo nhiệt độ phát xạ của đất ................................................................. 74 3.2.3. Phân tích mẫu đất thực nghiệm ........................................................................................... 84 CHƯƠNG IV. LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐỘ ẨM ĐẤT ...........89 4.1. Nghiên cứu xây dựng thuật toán tính toán độ ẩm đất .................................... 89 4.2. Lập chương trình tính toán số liệu..................................................................... 91 4.3. Phân tích đánh giá các kết quả tính toán độ ẩm đất từ mô hình vật lý bán thực nghiệm................................................................................................................... 95 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................................101 4
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ...................................................................................106 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................108 PHỤ LỤC C_1: Ứng dụng phổ kế LNIR xác định độ ẩm đất ..................... 118 PHỤ LỤC C_2: Đồ thị .....................................................................................124 PHỤ LỤC C_3: Bảng đo nhiệt độ phát xạ của bầu trời tại các góc đo của Anten[52] ..........................................................................................................126 5
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của viễn thám tích cực…………………. 25 Hình 1.2: Dải sóng hoạt động của viến thám siêu cao tần thụ động ……. 27 Hình 1.3: Ba phương thức quan trắc mặt đất bằng phổ kế siêu cao tần… 28 Hình 1.4: Tổng quan sự phát xạ tự nhiên của các đối tượng trên bề mặt Trái 29 đất và thiết bị đo viễn thám đặt trên vệ tinh……………………….. Hình 2.1. Phương pháp hồi quy độ ẩm đất dựa trên phép đo và bảng phân 41 loại lớp phủ thực vật………………………………………………... Hình 2.2: Mô hình hóa phương pháp tính độ ẩm đất dựa trên phép đo cấu 43 hình đơn và chỉ số thực vật NDVI…………………………………… Hình 2.3: Mô hình hóa phương pháp hồi quy hai tham số, quan trắc phân 45 cực và đa góc của Wingneron et al .(1995)………………………………. Hình 2.4: Mô hình phương pháp hồi quy hai tham số của Owe et al (2001) 47 …………………………………………………………………… Hình 2.5: Sơ đồ khối mô hình xác định độ ẩm đất………………………. 50 Hình 2.6: Sơ đồ của các nguồn bức xạ sóng siêu cao tần quan sát bởi một 51 máy đo bức xạ ở độ cao H và tại góc θ ……………………………… Hình 2.7 : Ảnh hưởng của độ ghồ ghề đến sự phát xạ sóng siêu cao tần từ 55 đất tại bước sóng 21 cm ………………………………………………. Hình 2.8: Độ phát xạ của đất trống và đất phủ cây lúa mì ở tần số 1.4 Ghz 58 ………………………………………………………………………. Hình 2.9: Hình vẽ mô tả sự ảnh hưởng của góc tới θ đến nhiệt độ phát xạ thu 59 được từ bề mặt đất ………………………………………………... Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quát phổ kế siêu cao tần …………………….. 65 Hình 3.2: Sơ đồ khối phổ kế kiểu công suất toàn phần ……………... 65 Hình 3.3: Sơ đồ khối phổ kế kiểu Dichke ……………....................... 67 6
Hình 3.4: Sơ đồ khối phổ kế kiểu bù tạp âm…………… ……………... 68 Hình 3.5: Chuẩn phổ kế với vật đen và bầu trời xanh 71 Hình 3.6: Chuẩn hóa phổ kế với bầu trời (tải lạnh)……………………… 72 Hình 3.7: Chuẩn hóa phổ kế với Absober (tải nóng)……………………. 73 Hình 3.8: Phổ kế đo độ phát xạ của ô đất mẫu………………………….. 74 Hình 3.9: Đồ thị mô tả sự biến thiên của độ phát xạ theo góc thu của Anten 84 Hình 3.10: Lấy mẫu đất bằng phương pháp truyền thống……………... 86 Hình 4.1: Lưu đồ chương trình tính độ ẩm đất …………………………… 90 Hình 4.2: Tính toán độ ẩm theo mô hình Wang & Shmugge tại góc đo 100 92 Hình 4.3: Tính toán độ ẩm theo mô hình Wang & Shmugge tại góc đo 200 92 Hình 4.4: Tính toán độ ẩm theo mô hình Wang & Shmugge tại góc đo 300 93 Hình 4.5: Tính toán độ ẩm theo mô hình Wang & Shmugge tại góc đo 400 93 Hình 4.6: Tính toán độ ẩm theo mô hình Wang & Shmugge tại góc đo 500 94 Hình 4.7: Tính toán độ ẩm theo mô hình Wang & Shmugge tại góc đo 600 94 Hình 4.8: Đồ thị độ phát xạ của đất là hàm của góc tới (Trung tâm KTNN 97 Hoài Đức)…………………………………………………… Hình 4.9: So sánh độ phát xạ đo được bằng khổ kế LNIR và kết quả tính 98 toán tại Trung tâm KTNN Hoài Đức………………………………….. Hình 4.10: So sánh độ ẩm đất (VSM) được xác định bằng phổ kế LNIR với 98 kết quả đo truyền thống tại Trung tâm Khí tượng NN Hoài Đức…… Hình 4.11: Đo khu vực đất trống và các hệ phổ kế siêu cao tần băng L, C và X 99 Hình 4.12: Đánh giá độ ghồ ghề của đất………………………………… 99 7
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng phân bố điểm quan trắc độ ẩm đất ở Việt Nam 30 Bảng 3.1: Bảng số liệu đo thực địa khu vực Hoài Đức băng L…………. 75 Bảng 3.2. Bảng tổng hợp sự biến thiên độ phát xạ của đất (LNIR) khu 81 vực Hoài Đức……………………………………………………………. Bảng 3.3: Kết quả phân tích độ ẩm đất khu vực Hoài Đức ngày 86 20/6/2013 bằng phương pháp truyền thống ……………………………... Bảng 3.4: Kết quả phân tích thành phần cơ giới đất (cấp hạt) …………. 87 Bảng 4.1: So sánh giá trị đo độ ẩm đất bằng phương pháp khoan sấy và 96 bằng phép đo dùng phổ kế LNIR……………………………………….. 8
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các chữ viết tắt C(CLAY) Thành phần sét trong đất % CMR Phổ kế siêu cao tần băng C 3.5 GHz ESA Cơ quan vũ trụ Châu Âu GIS Hệ thông tin địa lý ISS Trạm vũ trụ quốc tế LANDSAT Chương trình quan sát trái đất bằng vệ tinh của Hoa Kỳ LNIR Phổ kế siêu cao tần bù tạp âm băng L MPDI Chỉ số phân cực lưỡng cực NASA Cơ quan hàng không vũ trụ Hoa kỳ NDVI Chỉ số thực vật NOAA/AVHRR Cục khí tượng và hải dương Hoa Kỳ/ RDM Phố kế S (SAND) Thành phần cát trong đất % SAR RADAR độ mở tổng hợp SMAP Vệ tinh quan sát độ ẩm đất toàn cầu bằng các sensor tích cực và thụ động SMOS Vệ tinh quan sát độ ẩm đất và độ mặn đại dương SPOT Vệ tinh độ phân giải cao của Pháp 9
TPR Phổ kế kiểu công suất toàn phần VSM hoặc SMC Độ ẩm thể tích đất VWC Độ ẩm thực vật WP Độ ẩm khô héo WP Độ ẩm khô héo XRM Phổ kế siêu cao tần băng X 10 Ghz Các ký hiệu: b Chỉ số cây hay tham số lớp phủ thực vật e Độ phát xạ tự nhiên của đối tượng đo f Tần số của anten [Hz) h Độ ghồ ghề của bề mặt đất H Phân cực ngang K Hằng số Boltzman [J/K] R Độ phản xạ T0 Nhiệt độ vật lý [C0] TA Nhiệt độ của Anten [K] Tb Nhiệt độ phát xạ [K] Tc Nhiệt độ lớp phủ thực vật [K] Teff Nhiệt độ hiệu dụng [K] Ts Nhiệt độ bề mặt đất [K] V Phân cực đứng z Độ sâu của lớp đất [cm] 10
α Suất tán xạ đơn ε Hằng số điện môi εds Hằng số điện môi của đất khô εω Hằng số điện môi của nước φ Góc phương vị [độ] λ Độ dài bước sóng điện từ trường [cm] θ Góc tới [độ] τ Hệ số truyền qua không khí 11
PHẦN 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. Đất có thể chia ra thành 2 lớp tổng quát: (1) tầng đất bề mặt là lớp trên cùng, ở đó phần lớn các loại rễ cây, vi sinh vật và các loại hình sự sống động vật khác cư trú, và (2) tầng đất nền, tầng này nằm sâu hơn và thông thường dày đặc và chặt hơn cũng như ít các chất hữu cơ hơn. 12
Nước, không khí cũng là những phân tử thuộc thành phần của đất. Không khí nằm trong các “lỗ trống” giữa các hạt đất, còn nước nằm trong các khoảng không gian cũng như bề mặt các hạt đất, chiếm khoảng một nửa thể tích của đất. Cả hai đều đóng vai trò quan trọng trong sự sinh trưởng của thực vật trong một hệ sinh thái cụ thể, đặc biệt là nước. Độ ẩm đất được hiểu một cách chung nhất là hàm lượng nước dự trữ trong đất ở những điều kiện nhất định. Độ ẩm đất có thể được tính bằng g/g (số gam nước trên 1gam đất), g/cm3 (số gam nước trên 1cm3 đất), % (tỉ lệ % khối lượng nước trên 1 đơn vị khối lượng đất), v.v. 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. 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 [19- 20, 30, 41, 48, 60]. 13
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 - 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 của luận án 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; 14
- 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 của 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 Wang- Schumugge là nền tảng cơ bản cho phép sử dụng số liệu đo nhiệt độ phát xạ bằng phổ kế SCT để xác định độ ẩm đất một cách bán thực nghiệm. Luận điểm bảo vệ thứ hai: Qui 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. 15
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. 16
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘ ẨM ĐẤT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đất có một số tính chất vật lý và tính chất cơ lý chủ yếu như tỷ trọng, dung trọng, độ xốp, tính dính, tính dẻo, độ chặt, sức cảm…Những tính chất này thường được quyết định bởi các thành phần khoáng vật (nguyên sinh, thứ sinh), thành phần các cấp hạt (cát, limon, sét), thành phần chất hữu cơ có trong đất và tính liên kết giữa các thành phần trên để tạo ra kết cấu của đất. Vì vậy, chương I trình bày tổng quan về độ ẩm đất, các tính chất vật lý cơ bản của đất, các phương pháp tính độ ẩm đất theo truyền thống và hiện đại, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về ứng dụng viễn thám xác định độ ẩm đất, trong đó bao gồm viễn thám siêu cao tần thụ động. 1.1. Tổng quan về các tính chất vật lý cơ bản của đất Độ ẩm đất thường được định nghĩa là hàm lượng nước chứa trong đất, hay được biểu thị bằng phần trăm tỷ số giữa khối lượng nước chứa trong đất và khối lượng đất khô. 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: a) Dung trọng của đất [9, 14] Định nghĩa: Dung trọng của đất là khối lượng (g) của một đơn vị thể tích đất (cm3) ở trạng thái tự nhiên (có khe hở) sau khi được sấy khô kiệt. Dung trọng của đất được người ta xác định bằng cách đóng ống kim loại hình trụ có thể tích bên trong 100cm3 thẳng góc với bề mặt đất ở trạng thái hoàn toàn tự nhiên, sau đó đem sấy khô kiệt rồi tính theo công thức sau: D=P/V (1.1) Trong đó: D - Dung trọng của đất (g/cm3) P - Khối lượng đất tự nhiên trong ống trụ đóng sau khi được sấy khô kiệt (được tính theo g) 17
V - Thể tích của ống đóng (được tính theo cm3) Dung trọng của đất thường nhỏ hơn so với tỷ trọng vì thể tích đất khô kiệt được xác định ở đây bao gồm cả các hạt đất rắn và các khe hở tự nhiên trong đất. Dung trọng của đất phụ thuộc vào cấp hạt cơ giới, độ chặt và kết cấu của đất. Các loại đất tơi xốp, giàu chất hữu cơ và mùn thường có dung trọng nhỏ và ngược lại những loại đất chặt bí kém tơi xốp và nghèo chất hữu cơ thường có dung trọng lớn. Dung trọng của đất thường được sử dụng trong việc tính độ xốp của đất, tính khối lượng đất canh tác trên 1 ha để xác định trữ lượng các chất dinh dưỡng, trữ lượng nước có trong đất hay độ ẩm đất. b) Tỷ trọng của đất [9, 14] Định nghĩa: Tỷ trọng của đất là tỷ số khối lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái rắn, khô kiệt với các hạt đất xếp sít vào nhau so với khối lượng nước cùng thể tích ở điều kiện nhiệt độ 40C. Để tính tỉ trọng người ta áp dụng công thức: D = P/P1 (1.2) Trong đó: d - Tỷ trọng của đất P - Khối lượng các hạt đất (khô kiệt, xếp xít vào nhau và không có khoảng hổng không khí) trong một thể tích xác định (thường được đo bằng g/cm3 P1 - Khối lượng nước được chứa trong cùng thể tích ở điều kiện T0 = 40C(g/cm3). Tỷ trọng các loại khoáng vật khác nhau có sự giao động khá lớn song nhìn chung biến động trong phạm vi từ 2.4 đến 2.8. Ý nghĩa thực tiễn: Tỷ trọng của đất được sử dụng trong các công thức tính toán độ xốp, công thức tính tốc độ, thời gian sa lắng của các cấp hạt đất trong phân tích thành phần cơ giới. Thông qua tỷ trọng đất người ta cũng có thể 18