Способ дистанционного определения геофизических параметров почв

 

Изобретение относится к дистанционным способам контроля 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 хозяйства, геологии и контроля природной среды. Целью изобретения является повышение точности определения . Одновременно с измерением интенсивности собственного СВЧ-излучения почвы, покрытой растительностью, дополнительно измеряют излучательные характеристики подстилающей поверхности в ближнем ИК-диапазоне. С помощью аналитического выражения определяют интенсивность собственного СВЧ-излучения собственно почвы. По полученному значению на основе известных тарировочных зависимостей или расчетным путем определяют влажность поверхностного или глубинного слоя почвогрунтов, уровень залегания грунтовых вод, степень минерализации почвенного раствора и т.д Это позволяет повысить точность дистанционного определения геофизических параметров почв, покрытых растительностью снизить трудоемкость работ повысить их оперативность 2 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 22/00 (d

)Ю

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (22) 16,11,90 (46) 23,09,92. Бюл. N. 35 (71) Институт радиотехники и электроники

АН СССР (72) А,Г, Гранков, Б.M. Либерман и А,М. Шутко (56) Вадюнина А,Ф., Корчагина 3.Л. Методы исследования физических свойств грунтов,—

М,; Высшая школа. 1973.

Шутко А.М, СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов.-М.: Наука, 1986. (54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТР0В ПОЧВ (57) Изобретение относится к дистанционным способам контроля 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 агрометеоролоИзобретение относится к дистанционным способам контроля 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 хозяйства, геологии и контроля природной среды.. Ж 17б395б А1 ского и лесного хозяйства, геологии и контроля природной среды, Целью изобретения является повышение точности определения. Одновременно с измерением интенсивности собственного СВЧ-излучения почвы, покрытой растительностью, дополнительно измеряют излучательные характеристики подстилающей поверхности в ближнем ИК-диапазоне. С помощью аналитического выражения определяют интенсивность собственного СВЧ-излучения собственно почвы. По полученному значению на основе известных тарировочных зависимостей или расчетным путем определяют влажность поверхностного или глубинного слоя почвогрунтов, уровень залегания грунтовых вод, степень минерализации почвенного раствора и т.д. Это позволяет повысить точность дистанционного определения геофизических параметров почв, покрытых растительностью, снизить трудоемкость работ, повысить их оперативность. 2 ил, Известен контактный способ определения геофизических параметров почв. В соответствии с этим способом на исследуемом учатске почвы берутся образцы грунта: при определении поверхностной влажности на трех горизонтах с

3-кратной повторностью, при определении профиля влажности до 2 м бурением почвы до 1 м с отбором проб через каждые

20 см; при определении уровня залегания

1763956 грунтовых вод бурением почвы до водного зеркала; при определении солености почв с отбором дополнительных образцов грунта.

Полученные образцы взвешивают, сушат, из них берется водная вытяжка солей и т.д.

Данный способ характеризуется большой трудоемкостью, низкой оперативностью (время анализа проб 2 — 3 сут).

Известен также способ дистанционного определения геофизических параметров почв по данным только СВЧ-радиометрических измерений, По этому способу по данным СВЧ- радиометрических измерений и выборочных контактных измерений сначала определяют интенсивность собственного

СВЧ-излучения почвы под растительностью путем учета влияния растительного покрова на СВЧ-излучение системы почва — растительность, а затем по значениям радиояркостной температуры (коэффициента излучения) собственно почвы по тарировочным зависимостям или расчетным путем определяют геофизические параметры почв.

Учет влияния растительности при этом производится следующим образом: на основе выборочных наземных контактных данных определяют средние для отдельных участков земной поверхности значения биомассы растительности на основе этих данных рассчитывают коэффициент, учитывающий влияние растительности на излучательные свойства почв, и по коэффициенту излучения системы почва-растительность восстанавливают зна <ение коэффициента излучения почвы, а по его значению с помощью известных методик определяют геофизические параметрь<.

Недостатками данного способа являются, необходимость проведения большого числа трудоемких операций. включающих скашивание растительности на тестовых участках и анализ полученных образцов; большие значения погрешности определения коэффициента излучения почвы. обусловленные вариациями биомассы растительности в значительных пределах; сложность организации автоматизированной обработки данных измерений над полями с различными типами культур.

Вследствие ошибок в определении степени влияния растительности на собственное СВЧ-излучение системы почва-растительность коэффициент излучения почвы определяется неправильно, что приводит к ошибкам определения геофизических параметров, Целью изобретения является повышение точности определения геофизических параметров почвы.

1 — и о г r, Го )/М

1 — к< г,;r) J

15 или () rcm ro l3/. ()

fr, — r< где r — известный из литературы коэффициент спектральной яркости растительности при максимальной ее густоте (зависит от типа растительности); у, а- известные из литературы коэффициенты. характеризующие изменение соответственно интенсивности собственного

СВЧ-излучения и КСЯ растительности с биомассой, по коэффициенту излучения почвы ко определяют геофизические параметры почвы.

Реальные почвы, как правило, покрыты растительностью. находящейся на различH<-.lx стадиях вегетации (развития), Растительный покров поглощает и рассеивает радиоволны, причем характеристики поглощения и рассеяния существенно зависят от длины волны излучения и биометрических параметров растительности. Это приводит к тому. что коэффициент излучения, измеряемый в СВЧ-диапазоне системы почва — растительность, отличается от коэффициента излучения ь <) собственно почвы: ь ) = л о . е + (1 — е «) . (3) где A < — КИ системы почва — растительность;

< о — КИ по <вь< под растительностью, m — биомасса растительности, кг/м: г, 1 — известный коэффициент, зависящий от длины волны СВЧ-диапазона, Зависимость у от биомассы известна, На практике для определения ко измеряют биомассу на небольшом тестовом участке поля mgp (выKàUJèâÿют. взвешивают), считаДля этого одновременно с измерением коэффициента собственного СВЧ-излучения (КИ) участка земной поверхности к1 измеряют коэффициент спектральной яркости

5 (КСЯ) r> в ближнем инфракрасном диапазоне волн (0,76 — 0.96 мкм) того же участка земной поверхности; измеряют коэффициент спектральной яркости близлежащего участка почвы без растительности ro при тех же

10 условиях освещенности; по измеренным значениям к<, rt, r0 определяют коэффициент собственного СВЧ-излучения почвы под растительностью ко из соотношения

1763956

10 ют, что биомасса растительности вдоль поля не меняется, поэтому по тарировочной зависимости определяют у, а по ней для всего поля рассчитываюттекущее значение

КИ собственно почвы под растительностью ко: ко =1 — е 1-к1 ). (4) С другой стороны, коэффициент спектральной яркости r1 системы почва-растительность в ближнем И К-диапазоне практически полностью определяется характеристиками растительности, а для участков земной поверхности без растительности практически не зависит от определяемых геофизических параметров почвы, КСЯ в ближнем ИК-диапазоне системы почва — растительность описывается выражением где г1 — КСЯ системы почва — растительность;

rp — КСЯ почвы без растительности;

r — КСЯ растительности с максимальной густотой;

Q — известный коэффициент, зависящий от типа с/х культуры, Интенсивность собственного СВЧ-излучения почв устойчиво зависит от их геофизических параметров (ГПФ), таких как влажность, температура, соленость, уровень залегания грунтовых вод и т.п. Разработаны и проверены в лабораторных и натурных условиях методики определения

ГПФ по измеренным значениям КИ на одной или нескольких волнах по тарировочным зависимостям или расчетным путем.

Указанные методики разработаны для 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 погрешностям, величина которых к тому же зависила от геофизических параметров почв, Для многопараметрических систем величина погрешности определения параметров по данным многоканальных измерений зависит от степени ортогональности векторов, характеризующих зависимость изме15

55 нения характеристик системы от соответствующих параметров.

На фиг, 1 изображены двумерные корреляционные диаграммы вариаций КИ на двух волнах СВЧ-диапазона и КСЯ в ближнем ИК-диапазоне и вариаций КИ..в дециметровом диапазоне волн для системы почва — растительность в условиях вариаций влажности поверхностного слоя почвы и биомассы растительности, Для сравнения на диаграмме показаны также взаимное расположение векторов, характеризующих зависимость изменения ИК и КСЯ от влажности почвы и биомассы растительности, Из приведенных диаграмм видно, что при совместном использовании СВЧ-радиометрических и оптических (в ближнем ИКдиапазоне) данных ортогональность соответствующих векторов увеличивается, а погрешность определения ГФП, вчастности влажности почвы, снижается, Таким образом, проведенные исследования показали, что совместное использование СВЧ-радиометрических измерений и данных в ближнем ИК-диапазоне (0,76 — 0,96 мкм) перспективно стачки зрения снижения погрешности определения ГФП почвы под растительностью, Анализируя выражения (3) и (5), после несло>кных преобразований получают

Таким образом, проведенные исследования показали также, что взаимосвязь между коэффициентом собственного СВЧизлучения и коэффициентом спектральной яркости в ближнем ИК-диапазоне (0,76 — 0,96 мкм) устойчива для различных типов растительности, описывается. выражением (1) и характеризуется видом, изображенным на фиг, 2, Использование данных измерений ко, г1, rp позволяет определить интенсивность излучения собственно почвы и по ней восстановить значения геофизических парметров.

Пример, Необходимо определить степень увлажнения поверхностного слоя почвы, покрытого пшеницей, биомасса которой в пределах трассы полета меняется от

50 до 150 ц/га, Биомасса тестового участка

100 цlга. Для определения влажности почвы используется СВЧ-радиометр на волне

18 см. В трех контрольных точках к1 "=0,8; к12=0,85; к1 =0,9; п11=50 ц/га; mz=100 ц/га; аз=150 ц/га.

1763956 ко ==0,75:

w > =0,17, wz=0, 12; з=0,11. кои =0,77;

1 к ои =0.82;

h." ои =0,867. з

wz=0,12; и!з=0,08;

w1=О,2, Л-Я

1 — ao r,„— го р""

1 — к1 г — г1 / г1"=0,22;

r> =0,24; г1 =0,277; ro=0,111

35 ко =0,77; ко =0,82; ко =0,867, /ц

Расчетные значения в этих точках ко2=0,82; коз ==0,875.

Учитывая вариации биомассы по полю, истинные значения КИ почвы

С помощью тарировочной зависимости определяют значения влажности и возможную погрешность ее определения за счет вариаций биомассы (г!см ):

1ми=0, 1 7, wz и-О, 1 2; й(зи=О, 1 1:

Aw=+0,О3; Ьч=-О; Лиз=-0,03

На том же участке почвы используют дополнительно спектрометр "Барнесс", одним из рабочих диапазонов которого является 0,76 — 0,9 мкм, Значения КСЯ в контрольных точках для озимой пшеницы а=8,5 10

-з

r,, =0,336, у =1,8.10 з, " и ко=1+(к1 — ! () Из тарировочной зависимости (г/см ) 5 Формула изобретения

Способ дистанционного определения геофизических параметров почв, заключающийся в измерении коэффициента собственного СВЧ-излучения Ic> исследуемого

10 участка системы почва-растительность и определение коэффициента собственного

СВЧ-излучения ко почвы под растительностью, по которому по тарировочным зависимостям определяют параметры почвы, о т15 л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышенля точности, дополнительно измеряют коэффициент спектральной яркости (КСЯ) r1 исследуемого участка в инфракрасном диапазоне волн, измеряют КСЯ го почвы без

20 растительности в том же диапазоне волн, а коэффициент собственного СВЧ-излучения ко почвы под растительностью определяют из соотношения где г — коэффициент спектральной яркости растительности прл максимальной ее густоте, зависящий от типа растительности, у — коэффициент, характеризующий взаимосвязь коэффициента собственного

СВЧ-излечения растительности с биомассой; а — коэффициент, характеризующий взаимосвязь коэффициента спектральной яркости растительности с биомассой.

1763956 "2! / /

6 ри2, 2

Редактор Г.Бельская

Заказ 3453 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Я г

g! ! ! ! (I ! ! ! !

Составитель А.Гранков

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор В,ПетРаш