SU1763956A1

SU1763956A1 - Способ дистанционного определени геофизических параметров почв

Info

Publication number: SU1763956A1
Application number: SU904882043A
Authority: SU
Inventors: Александр Георгиевич Гранков; Борис Михайлович Либерман; Анатолий Михайлович Шутко
Original assignee: Институт Радиотехники И Электроники Ан Ссср
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1990-11-16
Publication date: 1992-09-23

Abstract

Изобретение относитс к дистанционным способам контрол геофизических параметров почв, таких как влажность поверхностного и глубинного слоев, степень минерализации почвенного раствора и т.д., и может быть использовано при решении широкого круга задач агрометеорологии , гидрометеорологии, мелиорации сельского и лесного хоз йства, геологии и контрол природной среды. Целью изобретени вл етс повышение точности определени . Одновременно с измерением интенсивности собственного СВЧ-излучени почвы, покрытой растительностью, дополнительно измер ют излучательные характеристики подстилающей поверхности в ближнем ИК-диапазоне. С помощью аналитического выражени определ ют интенсивность собственного СВЧ-излучени собственно почвы. По полученному значению на основе известных тарировочных зависимостей или расчетным путем определ ют влажность поверхностного или глубинного сло почвогрунтов, уровень залегани грунтовых вод, степень минерализации почвенного раствора и т.д Это позвол ет повысить точность дистанционного определени геофизических параметров почв, покрытых растительностью снизить трудоемкость работ повысить их оперативность 2 ил

Description

Изобретение относитс к дистанционным способам контрол геофизических параметров почв, таких как влажность поверхностного и глубинных слоев, степень минерализации почвенного раствора и т.д., и может быть использовано при решении широкого круга задач агрометеорологии, гидрометеорологии, мелиорации сельского и лесного хоз йства геологии и контрол природной среды.

Известен контактный способ определени геофизических параметров почв В соответствии с этим способом на исследуемом учатске почвы берутс образцы грунта при определении поверхностной влажности на трех горизонтах с 3-кратной повторностью; при определении профил влажности до 2 м бурением почвы до 1 м с отбором проб через каждые 20 см, при определении уровн залегани

VJ

о со о

СП

о

грунтовых вод бурением почвы до водного зеркала; при определении солености почв с отбором дополнительных образцов грунта. Полученные образцы взвешивают, сушат, из них беретс водна выт жка солей и т.д.

Данный способ характеризуетс большой трудоемкостью, низкой оперативностью (врем анализа проб 2-3 сут).

Известен также способ дистанционного определени геофизических параметров почв по данным только СВЧ-радиометриче- ских измерений. По этому способу по данным СВЧ- радиометрических измерений и выборочных контактных измерений сначала определ ют интенсивность собственного СВЧ-излучени почвы под растительностью путем учета вли ни растительного покрова на СВЧ-излучение системы почва-растительность , а затем по значени м радио рко- стной температуры (коэффициента излучени ) собственно почвы по гарировоч- ным зависимост м или расчетным путем определ ют геофизические параметры почв.

Учет вли ни растительности при этом производитс следующим образом: на основе выборочных наземных контактных данных определ ют средние дл отдельных участков земной поверхности значени биомассы растительности на основе этих данных рассчитывают коэффициент, учитывающий вли ние растительности на излучательные свойства почв, и по коэффициенту излучени системы почва-растительность восстанавливают значение коэффициента излучени почвы а по его значению с помощью известных методик определ ют геофизические параметры

Недостатками данного способа вл ютс : необходимость проведени большого числа трудоемких операций, включающих скашивание растительности на тестовых участках и анализ полученных образцов; большие значени погрешности определени коэффициента излучени почвы, обусловленные вариаци ми биомассы растительности в значительных пределах; сложность организации автоматизированной обработки данных измерений над пол ми с различными типами культур.

Вследствие ошибок в определении степени вли ни растительности на собственное СВЧ-излучение системы почва-растительность коэффициент излучени почвы определ етс неправильно, что приводит к ошибкам определени геофизических параметров .

Целью изобретени вл етс повышение точности определени геофизических параметров почвы

Дл отого одновременно с измерением коэффициента собственного СВЧ-излуче- ни (КИ) участка земной поверхности «ч измер ют коэффициент спектральной ркости

(КСЯ) п в ближнем инфракрасном диапазоне волн (0,76-0 96 мкм) того же участка земной поверхности; измер ют коэффициент спектральной ркости близлежащего участка почвы без растительности го при тех же

услови х освещенности; по измеренным значени м АЧ, п, го определ ют коэффициент собственного СВЧ-излучени почвы под растительностью /со из соотношени

1 - л о г г. г0 пШ

I Л О Г Г 1 -A f оП J

(D

ИЛИ

«U 1 + ( АЧ - 1 )

г0 nV;4

TJ

(2)

где г - известный из литературы коэффициент спектральной ркости растительности при максимальной ее густоте (зависит от типа растительности):

у . а- известные из литературы коэффициенты , характеризующие изменение соответственно интенсивности собственного

СВЧ-излучени и КСЯ растительности с биомассой .

по коэффициенту излучени почвы KQ определ ют геофизические параметры почвы .

Реальные почвы, как правило, покрыты

растительностью наход щейс на различных стади х вегетации (развити ). Растительный покров поглощает и рассеивает радиоволны, причем характеристики поглощени и рассе ни существенно завис т от длины волны излучени и биометрических параметров растительности. Это приводит к тому что коэффициент излучени , измер емый в СВЧ-диапазоне системы почва-растительность , отличаетс от коэффициента излучени АО собственно почвы:

А 1 - Л О

v,n

+ ( 1 - e fy

(3)

где AM - КИ системы почва-растительность;

л о - КИ почвы под растительностью;

m - биомасса растительности, кг/м : у- известный коэффициент, завис щий от длины волны СВЧ-диапазона.

Зависимость у от биомассы известна. На практике дл определени измер ют биомассу на небольшом тестовом участке полм тср (выкашивают, взвешивают), считают , что биомасса растительности вдоль пол не мен етс , поэтому по тарировочной зависимости определ ют у, а по ней дл всего пол рассчитывают текущее значение КИ собственно почвы под растительностью/со:

KQ (- 1 - /ci).

(4)

С другой стороны, коэффициент спектральной ркости п системы почва-растительность в ближнем ИК-диапазоне практически полностью определ етс характеристиками растительности, а дл участков земной поверхности без растительности практически не зависит от определ емых геофизических параметров почвы.

КСЯ в ближнем ИК-диапазоне системы почва-растительность описываетс выражением

П U + (г0 - г. J -е

-#.т

(5)

где п - КСЯ системы почва-растительность;

го - КСЯ почвы без растительности;

г - КСЯ растительности с максимальной густотой;

«-известный коэффициент, завис щий от типа с/х культуры.

Интенсивность собственного СВЧ-из- лучени почв устойчиво зависит от их геофи- зических параметров (ГПФ), таких как влажность, температура, соленость, уровень залегани грунтовых вод и т.п. Разработаны и проверены в лабораторных и натурных услови х методики определени ГПФ по измеренным значени м КИ на одной или нескольких волнах по тарировоч- ным зависимост м или расчетным путем.

Указанные методики разработаны дл случаев, когда растительность на поверхности почвы отсутствует. При определении же характеристик почвы, покрытой растительностью , принималось допущение, что биометрические характеристики растительности неизменны на всем исследуемом участке. Одновременно определение характеристик и почвы, и растительности на основе многоканальных СВЧ-радиометрических измерений приводило к значительным погрешност м , величина которых к тому же зависила от геофизических параметров почв,

Дл многопараметрических систем величина погрешности определени параметров по данным многоканальных измерений зависит от степени ортогональности векторов , характеризующих зависимость изменени характеристик системы от соответствующих параметров.

На фиг. 1 изображены двумерные коррел ционные диаграммы вариаций КИ на

двух волнах СВЧ-диапазона и КСЯ в ближнем ИК-диапазоне и вариаций КИ в дециметровом диапазоне волн дл системы почва-растительность в услови х вариаций влажности поверхностного сло почвы и биомассы растительности. Дл сравнени на диаграмме показаны также взаимное расположение векторов, характеризующих зависимость изменени ИК и КСЯ от влажности почвы и биомассы растительности ,

Из приведенных диаграмм видно, что при совместном использовании СВЧ-радиометрических и оптических (в ближнем ИК- диапазоне) данных ортогональность

соответствующих векторов увеличиваетс , а погрешность определени ГФП, вчастности влажности почвы, снижаетс ,

Таким образом, проведенные исследовани показали, что совместное использование СВЧ-радиометрических измерений и данных в ближнем ИК-диапазоне (0,76-0,96 мкм) перспективно с точки зрени снижени погрешности определени ГФП почвы под растительностью.

Анализиру выражени (3) и (5), после

несложных преобразований получают

35

.+(„- )-

т

Таким образом, проведенные исследовани показали также, что взаимосв зь между коэффициентом собственного СВЧ- излучени и коэффициентом спектральной

ркости в ближнем ИК-диапазоне (0,76-0,96 мкм) устойчива дл различных типов растительности , описываетс , выражением (1) и характеризуетс видом, изображенным на фиг. 2. Использование данных измерений

A.-Q, п, го позвол ет определить интенсивность излучени собственно почвы и по ней восстановить значени геофизических пар- метров

Пример. Необходимо определить

степень увлажнени поверхностного сло почвы, покрытого пшеницей, биомасса которой в пределах трассы полета мен етс от 50 до 150 ц/га. Биомасса тестового участка 100 ц/га. Дл определени влажности почвы используетс СВЧ-радиометр на волне 18 см. В трех контрольных точках

,8; .85; ,9; ц/га; ц/га; ц/га.

Расчетные значени в этих точках

17639568

Из тарировочной зависимости (г/см3)

коЧ,75;

,82;

ко 0,875.

Учитыва вариации биомассы по полю, истинные значени КИ почвы

,77; .82; /С0и3 0,867.

С помощью тарировочной зависимости определ ют значени влажности и возможную погрешность ее определени за счет вариаций биомассы (г/см ):

На том же участке почвы используют дополнительно спектрометр Барнесс, одним из рабочих диапазонов которого вл етс 0,76-0,9 мкм. Значени КСЯ в контрольных точках

,22; ,24; ,277 ; ,111

дл озимой

го

0,336, ,,

пшеницы ,5 -з

«e-n-(

,77; ,82;

,867.

,17;

,12;

,11.

0

Claims

Формула изобретени Способ дистанционного определени геофизических параметров почв, заключающийс в измерении коэффициента собственного СВЧ-излучени /Ci исследуемого участка системы почва-растительность и определение коэффициента собственного СВЧ-излучени /со почвы под растительностью , по которому по тарировочным зависимост м определ ют параметры почвы, о т - 5 личающийс тем, что, с целью повышени точности, дополнительно измер ют коэффициент спектральной ркости (КСЯ) п исследуемого участка в инфракрасном диапазоне волн, измер ют КСЯ гс почвы без растительности в том же диапазоне волн, а коэффициент собственного СВЧ-излучени почвы под растительностью определ ют из соотношени

0

1 -KQ

1 -К

- / - и Гйо- П )

Ш

где г - коэффициент спектральной ркости растительности при максимальной ее густоте, завис щий от типа растительности;

у - коэффициент, характеризующий взаимосв зь коэффициента собственного СВЧ-излечени растительности с биомассой;

а - коэффициент, характеризующий взаимосв зь коэффициента спектральной ркости растительности с биомассой.

/л т2 Л

- Л2 A3

- ч/ л /

I r - n

o

Ъ-

Л

-

50 /7

Фиг. 2.