Ứng dụng chuỗi thời gian ảnh SENTINEL-1 SAR và học máy trong quản lý thủy lợi: Lập bản đồ lúa và xác định thời kỳ sinh trưởng phục vụ tính toán nhu cầu nước theo FAO-56

Cung cấp thông tin chính xác và kịp thời về diện tích và thời kỳ sinh trưởng của cây lúa là yếu tố then chốt để quản lý hệ thống thủy lợi hiệu quả, đặc biệt trong việc tính toán nhu cầu nước tưới theo các mô hình chuẩn như FAO-56. Nghiên cứu này ứng dụng chuỗi thời gian ảnh viễn thám Sentinel-1 SAR (phân cực VV và VH), kết hợp với thuật toán Mạng nơ-ron tích chập (CNN) và phương pháp Phân tích theo chuỗi thời gian dựa trên hiện tượng học để lập bản đồ lúa và xác định thời điểm gieo cấy (khởi đầu mùa vụ) tại khu tưới Cửa Đạt, tỉnh Thanh Hóa. Phương pháp chính bao gồm việc tính toán Chỉ số nước SAR (SWI) và gán giá trị trung bình của SWI, VV, VH cho từng khoanh giải thửa (parcel-based) để tăng độ chính xác và giảm tải tính toán ở cấp độ quản lý. Mô hình CNN tối ưu được xây dựng với ba kênh đầu vào (VV, VH, SWI) đạt độ chính xác phân loại tổng thể (Overall Accuracy) là 85.56% và F1-score là 85.50%. Kết quả cho thấy việc bổ sung chỉ số SWI giúp cải thiện đáng kể hiệu suất mô hình. Phương pháp phân tích chuỗi thời gian đã được sử dụng để xác định thời điểm gieo cấy chính xác cho từng giải thửa (dựa trên ngưỡng SWI >= -0.05), từ đó cung cấp dữ liệu đầu vào (diện tích lúa và ngày gieo cấy/giai đoạn sinh trưởng) cho hệ thống tính toán nhu cầu sử dụng nước theo FAO-56.

1. GIỚI THIỆU

2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Cơ sở khoa học

2.2. Phương pháp nghiên cứu

3. KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ ỨNG DỤNG

3.1. Hiệu suất phân loại mô hình học sâu CNN

3.2. Tầm quan trọng của chỉ số nước SAR (SWI) trong Phân loại

3.3. Xác nhận tính đúng đắn của giải đoán qua phân tích chuỗi thời gian đa năm

3.4. Ứng dụng trực tiếp trong quản lý thủy lợi và vận hành hệ thống tưới thông minh

4. KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Clauss, K., Ottinger, M., & Kuenzer, C. (2018). Mapping rice areas with Sentinel -1 time series and superpixel segmentation. International Journal of Remote Sensing, 39(5), 1399–1420.

[2] Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). (1998). Crop evapotranspiration—Guidelines for computing crop water requirements (FAO Irrigation and Drainage Paper 56). Rome: Author.

[3] Gholizadeh, A., Gholizadeh, M. H., & Amin, M. (2020). Automatic Mapping of Rice Growth Stages Using the Integration of SENTINEL-2, MOD13Q1, and SENTINEL-1. Remote Sensing, 12(21), 3613.

[4] Lin, Z., Chen, J., Wang, Y., Zhang, Y., & Li, R. (2022). Large-Scale Rice Mapping Using Multi-Task Spatiotemporal Deep Learning and Sentinel-1 SAR Time Series. Remote Sensing, 14(3), 699.

[5] Patel, N. R., et al. (2018). Rice crop monitoring with Sentinel-1 time series data. International Journal of Advanced Remote Sensing and GIS, 7(2), 2963–2972.

[6] Nguyễn Đăng Vỹ (2008). Ứng dụng công nghệ viễn thám vào quản lý sản xuất lúa vùng đồng bằng sông Cửu Long. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy lợi.

[7] Đỗ, T. N. Ánh, Nguyễn, T. T. V., Nguyễn, P. A., Phạm, M. H., Hoàng, A. L., Bùi, Q. T., & Phạm, V. M. (2021). Giám sát lúa và ước tính sinh khối dựa trên thuật toán học máy với dữ liệu Sentinel-1a đa thời gian. Tạp Chí Khoa học Đo đạc Và Bản đồ, (49), 52–64.

[8] Nguyễn, D., Wagner, W., Naeimi, V., & Cao, S. (2015). Rice-plandted area extraction by time series analysis of ENVISAT ASAR WS data using a phenology-based classification approach: A case study for Red River Delta, Vietnam. In International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences - ISPRS Archives (pp.77 - 83).

[9] Phạm, Q. V., Võ, Q. T., Nguyễn, T. L., & Phạm, V. Đ. (2022). Ứng dụng dữ liệu ảnh vệ tinh SAR (Sentinel-1A) đa thời gian thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất tỉnh Cà Mau. Tạp chí Khoa học Đại học Cần Thơ, 58(4), 45-54.

_____________________________________________________________________

Chi tiết bài báo xem tại đây: Ứng dụng chuỗi thời gian ảnh SENTINEL-1 SAR và học máy trong quản lý thủy lợi: Lập bản đồ lúa và xác định thời kỳ sinh trưởng phục vụ tính toán nhu cầu nước theo FAO-56

Nguyễn Quốc Hiệp, Nguyễn Anh Hùng,
Nguyễn Văn Kim, Đoàn Anh Hoàng
Trung tâm Công nghệ phần mềm thủy lợi

TẠP CHÍ KH&CN THỦY LỢI