RU2088906C1 - Дистанционный способ определения гранулометрического состава почвы - Google Patents
Дистанционный способ определения гранулометрического состава почвы Download PDFInfo
- Publication number
- RU2088906C1 RU2088906C1 SU4947610A RU2088906C1 RU 2088906 C1 RU2088906 C1 RU 2088906C1 SU 4947610 A SU4947610 A SU 4947610A RU 2088906 C1 RU2088906 C1 RU 2088906C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- soil
- unfrozen water
- frozen
- soils
- particle size
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Дистанционный способ определения гранулометрического состава почв планируется использовать в сельском хозяйстве, мелиорации, экологическом мониторинге, при оценке состояния и качества земельных угодий, при составлении кадастра земель и т.д. Изобретение основано на том, что мерзлые незасоленные почвогрунты в зависимости от гранулометрического состава и термодинамической температуры содержат определенное количество незамерзшей воды, диэлектрические свойства которой аналогичны диэлектрическим свойствам связанной воды в незамерзших почвогрунтах и отличаются от диэлектрических свойств сухой почвы и льда. Отличие изобретения от известных в том, что для определения гранулометрического состава измеряют в зимний период коэффициенты излучения мерзлых почв в СВЧ-диапазоне, значения которых зависят от количества содержащейся в мерзлой почве незамерзшей воды, имеющей для почв, различающихся по гранулометрическому составу качественно похожие, но различающиеся количественно температурно-влажностные зависимости. Гранулометрический состав оценивают путем сравнения количества незамерзшей воды в мерзлой почве, определенного дистанционным способом с количеством незамерзшей воды, определенным графически или рассчитанным по эмпирической формуле, приведенной в изобретении. 2 ил., 2 табл.
Description
Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано в сельском хозяйстве, мелиорации, экологическом мониторинге, при оценке состояния и качества земельных угодий, при составлении кадастра земель и т.д.
Известен способ определения гранулометрического состава по спектральным характеристикам почвы в оптическом диапазоне, основанный на выявлении зависимости между спектральным коэффициентом яркости (СКЯ) и гранулометрическим составом [1]
Недостатком данного способа является то, что он обладает невысокой точностью, так как измеряемые СКЯ зависят от многих второстепенных факторов: технологии обработки и увлажненности почвы, условий освещенности, прозрачности атмосферы, высоты стояния Солнца, содержания гумуса в почве и т.д.
Недостатком данного способа является то, что он обладает невысокой точностью, так как измеряемые СКЯ зависят от многих второстепенных факторов: технологии обработки и увлажненности почвы, условий освещенности, прозрачности атмосферы, высоты стояния Солнца, содержания гумуса в почве и т.д.
Целью изобретения является повышение точности определения гранулометрического состава почвы дистанционным способом. (При этом под гранулометрическим составом понимается объемное содержание физической глины C(%), т.е. элементарных почвенных частиц, размеры которых не превышают 0,01 мм [2]).
Цель достигается тем, что для дистанционного определения гранулометрического состава с помощью СВЧ-радиометрических приемников, установленных на летательном аппарате (самолете, вертолете) или на автомобильной платформе, в зимний период проводят измерение коэффициентов излучения мерзлых почв, значения которых зависят от количества содержащейся в мерзлой почве незамерзшей воды Wм.
Мерзлая почва представляет собой многофазную гетерогенную систему, состоящую из воздуха, твердой и жидкой фаз. Твердая фаза включает в себя скелет мерзлой почвы, состоящий из минеральных и органоминеральных образований и лед. Жидкая фаза мерзлых незасоленных почв представлена незамерзшей водой, соответствующей связанной воде в незамерзшей незасоленной почве [3, 4]
Содержание незамерзшей воды в мерзлых почвогрунтах увеличивается по мере возрастания процентного содержания физической глины в ряду глина > суглинок > супесь > песок.
Содержание незамерзшей воды в мерзлых почвогрунтах увеличивается по мере возрастания процентного содержания физической глины в ряду глина > суглинок > супесь > песок.
Физической основой определения гранулометрического состава почвы методами СВЧ-радиометрии является существование в мерзлых почвах незамерзшей воды, количество которой зависит от гранулометрического состава и термодинамической температуры Wм W(T, G); отличие диэлектрических свойств сухой почвы и льда от электрических свойств незамерзшей воды; отсутствие в мерзлой незасоленной почве свободной воды, которая за счет большой комплексной диэлектрической проницаемости (КПД) не дает возможности проводить дистанционное определение гранулометрического состава почвы при положительной температуре [5, 6]
Измеряемый радиометрическими методами коэффициент излучения мерзлой почвы
связан с КПД мерзлой почвы известной формулой [7]
где εм КПД мерзлой почвы.
Измеряемый радиометрическими методами коэффициент излучения мерзлой почвы
где εм КПД мерзлой почвы.
В соответствии с [8] преобразуем (1) к следующему виду:
Для описания εм как трехкомпонентной системы может быть использована рефракционная формула, имеющая следующий вид [9]
КПД почвы, не содержащей жидкую фазу; VT, εт объемное содержание и КПД твердой (органоминеральной) фазы мерзлой почвы; Vл, εл объемное содержание и КПД льда; εсвяз КПД связанной воды; WM содержание незамерзшей воды в почве.
Для описания εм как трехкомпонентной системы может быть использована рефракционная формула, имеющая следующий вид [9]
В связи с тем, что εт и εл имеют близкие значения, а также исходя из того, что диэлектрические свойства сухой почвы не имеют дисперсии в диапазоне температур от -50oC до +23oC [5, 6] εo можно приближенно положить равным εc КПД сухой почвы, находящейся при T > 0oC. В этом случае (3) примет следующий вид:
где χc коэффициент излучения сухой почвы.
где χc коэффициент излучения сухой почвы.
Подставив формулы (2) и (4) в формулу (3) и преобразовав, получим выражение для нахождения количества незамерзшей воды, находящейся в мерзлой почве
Значения χc в выражении (5) определяются исходя из значений εc, которые, в свою очередь, могут быть рассчитаны по эмпирической формуле [7]
где ρc = 1,0 ... 1,8 г/см3 плотность сухой почвы; или измерены в лабораторных условиях с использованием мостовых схем [10, 11] Различные варианты установок, реализующих такой подход, перекрывают широкий диапазон значений КПД, показывая высокую точность при большом поглощении в образцах. Данные установки непосредственно определяют комплексный коэффициент прохождения электромагнитных волн через образец путем сравнения амплитуд и фаз в опорном и измерительном каналах мостовой схемы.
Значения χc в выражении (5) определяются исходя из значений εc, которые, в свою очередь, могут быть рассчитаны по эмпирической формуле [7]
где ρc = 1,0 ... 1,8 г/см3 плотность сухой почвы; или измерены в лабораторных условиях с использованием мостовых схем [10, 11] Различные варианты установок, реализующих такой подход, перекрывают широкий диапазон значений КПД, показывая высокую точность при большом поглощении в образцах. Данные установки непосредственно определяют комплексный коэффициент прохождения электромагнитных волн через образец путем сравнения амплитуд и фаз в опорном и измерительном каналах мостовой схемы.
Значения εc определяются при влажности образца W 0. Значения χc, согласно лабораторным измерениям, варьируют в диапазоне от 0,94 до 0,96. Значения χc для некоторых почв Алтайского края, измеренные в лабораторных условиях, приведены в табл. 1.
При дистанционном определении гранулометрического состава может быть взято среднее значение коэффициента излучения сухой почвы: χc = 0,95 ± 0,01. Данная погрешность сравнима с погрешностью, возникающей при калибровке дистанционных измерений радиоизлучательных параметров почв по двум калибровочным объектам естественного происхождения (вода, лес) с известной интенсивностью излечения.
В зависимости от гранулометрического состава, влажности и термодинамической температуры коэффициенты излучения мерзлых почв изменяются в пределах от χc до χt, где χt коэффициент излучения почвы с влажностью Wt, соответствующей переходу от связанной воды к свободной. Значения Wt и χt могут быть определены из графика зависимости коэффициента излучения от влажности χ(W) построенного по результатам лабораторных измерений ε(W), с шагом 2% по влажности (фиг. 1).
Величина εсвяз, входящая в выражение (5), является константой, зависящей от длины волны и может быть рассчитана по рефракционной формуле, аналогичной (3) и имеющей следующий вид:
где
КПД незамерзшей почвы, увлажненной до Wt.
где
При этом для расчета εсвяз используются значения εc, εt и Wt, определенные по результатам лабораторных измерений.
Для определения гранулометрического состава могут быть использованы два способа.
1. Гранулометрический состав почвы оценивается исходя из эмпирической формулы [4]
Wm(T, G) A + B•G(%),
где A, B коэффициенты, зависящие от термодинамической температуры почвы. Термодинамические температуры почвы при этом определяются по данным дистанционных ИК-радиометрических измерений или из метеосводок. Численные значения A и B для некоторых температур приведены в табл. 2.
Wm(T, G) A + B•G(%),
где A, B коэффициенты, зависящие от термодинамической температуры почвы. Термодинамические температуры почвы при этом определяются по данным дистанционных ИК-радиометрических измерений или из метеосводок. Численные значения A и B для некоторых температур приведены в табл. 2.
2. Гранулометрический состав почвы оценивается путем сравнения значений Wm, определенных дистанционным способом с графическими зависимостями Wm(T), построенными по данным экспериментальных исследований для почв различного гранулометрического состава и приведенными на фиг. 2. При этом выбирается зависимость Wm(T), наилучшим образом описывающая дистанционно измеренное значение Wm при данной температуре.
Предлагаемый способ был апробирован на территории двух почвенно-климатических зонах, расположенных на территории равнинной части Алтайского края. В табл. 1 приведены значения χc, χt Wt для этих почвенно-климатических зон, измеренных в лабораторных условиях.
Приведенные в табл. 1 коэффициенты излучения могут быть использованы в практических целях при оценке гранулометрического состава по радиоизлучению мерзлых почв.
Предлагаемый способ определения гранулометрического состава пригоден для использования на незасоленных почвах при глубине промерзания, большей скин-слоя, что удовлетворяется выбором определенной длины волны.
Список литературы
1. Федченко П. П. и Кондратьев К.Я. Спектральная отражательная способность некоторых почв. Л. Гидрометеоиздат, 1981, с. 230.
1. Федченко П. П. и Кондратьев К.Я. Спектральная отражательная способность некоторых почв. Л. Гидрометеоиздат, 1981, с. 230.
2. Воронин А.Д. Основы физики почв. М. Изд-во Моск. ун-та. 1986, с. 243.
3. Попов А.И. и Тушинский Г.Х. Мерзлотоведение и гляциология. М. Высшая школа, 1973, с. 270.
4. Фазовый состав влаги в мерзлых породах. М. Изд-во МГУ, 1979, с. 119.
5. Hallikainen M.T. Ulaby F.T. Dobson M.S. El-Rayse M. Dielektric Measurement of Soil in the 3 to 37 Chz Band detween 50 and + 23 C. //IGARSS' 84 Symp. Strasbourg, 27 30 Aug. 1984, P. 163 168.
6. Загоскин В. В. Нестеров В.М. Замотринская Е.А. и Михайлова Г.Г. Зависимости диэлектрической проницаемости влажных дисперсных материалов от температуры //Изв. вузов, Физика, 1982, вып. 1, с. 65 68.
7. Шутко А. М. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М. Наука, 1986, с. 190
8. Власов А.А. О возможности замены комплексных значений диэлектрической проницаемости вещественными //Радиотехника и электроника, 1985, т. 33, N 5, с. 1068 1071.
8. Власов А.А. О возможности замены комплексных значений диэлектрической проницаемости вещественными //Радиотехника и электроника, 1985, т. 33, N 5, с. 1068 1071.
9. Бирчак Дж. Р. и др. Определение влажности грунта с помощью СВЧ-датчиков с большой диэлектрической проницаемостью. -ТИИЭР (пер. с англ.), 1974, т. 62, с. 115.
10. Комаров С.А. Корниенко О.М. Миронов В.П. Пятков А.Г. и Рычков Н.В. Исследование содержания и диэлектрической проницаемости связанной воды в гранулах. /Тез. докл. Всес. конф. "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды". Ереван, 1990, с. 87 88.
11. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на СВЧ. М. Изд-во физ. -мат. лит-ры, 1963, с. 404.
Claims (1)
- Дистанционный способ определения гранулометрического состава почвы, отличающийся тем, что по измеренным в СВЧ-диапазоне коэффициентам излучениямерзлых почв, определяют количество присутствующей в мерзлой почве незамерзшей воды по формуле
где χc, εсвяз- коэффициент излучения сухой почвы и комплексная диэлектрическая проницаемость связанной воды, определяемые в лабораторных условиях при положительных температурах,
затем полученное значение Wм сравнивают с количеством незамерзшей воды, определенным из известных температурно-влажностных зависимостей, связывающих количество незамерзшей воды с гранулометрическим составом, при этом термодинамическая температура определяется по данным дистанционных ИК-радиометрических измерений или из метеосводок.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4947610 RU2088906C1 (ru) | 1991-06-21 | 1991-06-21 | Дистанционный способ определения гранулометрического состава почвы |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4947610 RU2088906C1 (ru) | 1991-06-21 | 1991-06-21 | Дистанционный способ определения гранулометрического состава почвы |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2088906C1 true RU2088906C1 (ru) | 1997-08-27 |
Family
ID=21580410
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU4947610 RU2088906C1 (ru) | 1991-06-21 | 1991-06-21 | Дистанционный способ определения гранулометрического состава почвы |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2088906C1 (ru) |
-
1991
- 1991-06-21 RU SU4947610 patent/RU2088906C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Федченко П.П. и др. Спектральная отражательная способность некоторых почв. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981, с. 34-35, 22. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Schmugge et al. | Passive microwave remote sensing of soil moisture: Results from HAPEX, FIFE and MONSOON 90 | |
| Schmugge | Effect of texture on microwave emission from soils | |
| Schmugge et al. | Survey of methods for soil moisture determination | |
| Foster et al. | An overview of passive microwave snow research and results | |
| Bauer et al. | Multiple‐scattering microwave radiative transfer for data assimilation applications | |
| Choudhury et al. | A parameterization of effective soil temperature for microwave emission | |
| Mironov et al. | Generalized refractive mixing dielectric model for moist soils | |
| Joseph et al. | Soil moisture retrieval during a corn growth cycle using L-band (1.6 GHz) radar observations | |
| Minacapilli et al. | High resolution remote estimation of soil surface water content by a thermal inertia approach | |
| Zheng et al. | Impact of surface roughness, vegetation opacity and soil permittivity on L-band microwave emission and soil moisture retrieval in the third pole environment | |
| Srivastava et al. | Evaluation of dielectric mixing models for passive microwave soil moisture retrieval using data from ComRAD ground-based SMAP simulator | |
| Bernier | Microwave remote sensing of snowpack properties: potential and limitations | |
| Bateni et al. | Feasibility of characterizing snowpack and the freeze–thaw state of underlying soil using multifrequency active/passive microwave data | |
| Hall et al. | Estimation of snow extent and snow properties | |
| Barton | A case study comparison of microwave radiometer measurements over bare and vegetated surfaces | |
| Schwank et al. | Testing a new model for the L-band radiation of moist leaf litter | |
| Shutko et al. | Estimation of soil moisture profiles and root zone moisture content by means of microwave radiometry and a priori information | |
| Galantowicz et al. | Estimation of soil-type heterogeneity effects in the retrieval of soil moisture from radiobrightness | |
| Laymon et al. | Ground-based passive microwave remote sensing observations of soil moisture at S-band and L-band with insight into measurement accuracy | |
| Bauer et al. | The potential of combining SSM/I and SSM/T2 measurements to improve the identification of snowcover and precipitation | |
| Escorihuela et al. | Influence of bound-water relaxation frequency on soil moisture measurements | |
| Jackson et al. | Microwave dielectric model for aggregated soils | |
| Boyarskii et al. | The influence of stratigraphy on microwave radiation from natural snow cover | |
| RU2467314C1 (ru) | Радиофизический способ определения содержания физической глины в почвах | |
| RU2088906C1 (ru) | Дистанционный способ определения гранулометрического состава почвы |