Способ определения биомассы прямостоящей растительности

 

Использование: лесное хозяйство. Сущность изобретения: регистрируют гамма-из- .лучение почвы в вертикальном направлении и многократно рассеянное гамма-излучение . Определяют величину гамма-излучения почвы над уровнем земли и по разностям измеренных показателей определяют биомассу растительности.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР).

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4843737/15 (22) 25.06.90 (46) 15.02.93. Бюл. N 6 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт сельскохозяйственной метеорологии (72) M. В. Никифоров (56) Авторское свидетельство СССР

N 160876, кл. G 01 N 23/00, 1968.

Изобретение относится к лесному и сельскому хозяйству и может быть использовано при дистанционном бесконтактном

onределении биомассы надземной части ле.са или другой растительности, стебли которой близки к вертикали (зерновые, подсолнечник и т. и.).

Известен способ дистанционного определения биомассы растений. заключающийся в одновременном измерении с летательного аппарата яркостной температуры системы почва-растительность в СВЧдиапазоне и гамма-излучения почвы.

Недостатком этого способа я вля ется необходимость применения двух довольно сложных СВЧ и гамма-спектрометров. Кроме того, применение этого способа связано с дополнительными работами по определению гамма-излучения сухой почвы.

Наиболее близким по техническому осуществлению к предлагаемому способу является способ определения водных запасов в верхнем слое почвы и на ее поверхности, заключающийся в определении запасов воды, водного эквивалента (снега) на поверхности почвы одним из трех приемов:

„„Я2„„1794401 Al

ПРЯМОСТОЯЩЕЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ (57) Использование, лесное хозяйство. Сущность изобретения: регистрируют гамма-излучение почвы в вертикальном направлении и многократно рассеянное гамма-излучение. Определяют величину гамма-излучения почвы над уровнем земли и по разностям измеренных показателей определяют биомассу растительности. по ослаблению водой (снегом) потока гамма-излучения радиоактивных элементов почвы, для чего выполняются измерения до и после появления воды (снега) на почве; по изменению отношения интенсивностей двух спектральных линий, принадлежащих одному и тому же изотопу, за счет 2 различия ослабляющего действия на них воды (снега); по измерению поглощения гамма-излучения в нескольких(не менее двух) телесных углах, для чего измерения выполняются несколькими детекторами в разных телесных Ь углах. ф

Однако все три приема осуществления этого способа имеют существенные недо- а ста тки.

Сложность первого приема аакпючается а необходимости проведения деухкратаиааий ных измерений строго по одним и тем же местам; первый раз без воды (снега) на поверхности почвы, а второй с определяемым запасом воды (снега).

Второй прием обладает невысокой точностью, так как отношение интенсивности двух фотопиков одного изотопа слабо меняется с изменением запасов воды (снега) на

1794401 поверхности почвы, а кроме того скорости счета в фотопиках невелики.

Третий прием, связанный с измерением двумя или более детекторами в.разных гелесных углах, сложнее двух первых и точность его также уступает им.

Целью изобретения является упрощение измерений и повышение точности при определении биомассы растительности.

Это достигается тем, что в предлагаемом способе, заключающемся B измерении гамма-излучения почвы с использованием эффекта анизотропного ослабления гаммаизлучения растительностью; одним узконаправленным (вертикально вниз) детектором гамма-излучения измеряют над лесом (растительностью) одновременно потоки прямых (нерассеянных) и многократно рассеянных гамма-квантов радиоактивных элементов почвы, по потокам прямых гамма-лучей рассчитывают поток многократно рассеянных на уровне земли, а по отношению последнего к измеренному потоку многократно рассеянных гамма-квантов над лесом (растительность о) определяют запасы древесины в лесу (или биомассу другой растительности).

Использование эффекта анизотропного ослабления гамма-излучения почвы лесом заключается в том, что первичные (нерассеянные) гамма-кванты, идущие в направлении, близком к вертикали, практически не рассеиваются и не поглощаются лесом, т. к. рассеяние (поглощение, ветвями и листвой ничтожно мало, а вертикальная проекция стволов на почву занимает не более 3 площади леса. Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что измерение гамма-излучения почвы проводят одним. детектором гаммаизлучения, узконаправленным вертикально вниз и измеряют над лесом одновременно потоки прямых и многократно рассеянных гамма-квантов радиоактивных элементов почвы. . Предлагаемый способ заключается в одновременном измерении гамма-излучения почвы узконаправленным (вертикально вниз) детектором прямых (нерассеянных) гамма-квантов, т. е. в измерении фотопиков (спектральных линий), например, линии калия-40 (1,46 МэВ), линия радия (1,76 МэВ}, линии тория (2,62 Мэ8) и т, и. и в области многократно рассеянных гамма-квантов от

0 до 70-100 Кэ8. Отношение потоков прямых лучей и многократно рассеянных является однозначной функцией биомассы растительности (леса, зерновых культур, подсолнечника и т. и., отличающихся вертикальной анизотропией размещения биомассы). Объясняется это тем, что прямые лучи, идущие из почвы вертикально вверх, практически не "видят" леса, т, к. вертикальная

5 проекция леса на почву занимает не более

3 ее поверхности (ветви для гамма-лучей прозрачны), и следовательно, прямые лучи лесом практически не ослабляются (ослабляет только атмосфера), в то время

10 как многократно рассеянные кванты, измеренные над лесом, ослаблены и атмосферой и древесиной. Потоки прямых лучей естественных радиоактивных элементов (Ra, Th u

К), выходящие из почвы в атмосферу, пропорциональны весовым концентрациям элементов в почве (цк, цр, и ц ь); Соотношения между потоками прямых и многократно рассеянных гамма-квантов у поверхности земли для каждого элемента практически

20 неизменны в пространстве и во времени, Обозначим эти соотношения ai(i=K, Ra, Th).

Коэффициенты ослабления потоков многократно рассеянных гамма-квантов лесом и воздухом не зависят от породивших их элементов, т. е. для всех элементов одинаковы и известны с хорошей точностью.

Таким образом, последовательность операций реализующих предлагаемый способ сводится к следующему.

30: По результатам измерений потоков прямых лучей над лесом(или другой вертикально растущей растительностью) рассчитйвают их величины на уровне земли, учитывая ослабления воздухом.

По соотношениям рассчитывают общий (суммарный) поток многократно рассеянных квантов у поверхности земли.

Полученный таким образом исходный поток сравнивают с измеренным над лесом

40 (другой растительностью) и по известным соотношениям определяют биомассу леса (растительности), например, в тоннах на гектар.

Для точного учета ослабления излуче45 ния воздухом одновременно измеряется высота расположения прибора, температура и давление воздуха, по которым определяется массовая толщина слоя воздуха между почвой и точкой измерения.

Измерения выполняются с летательного аппарата с высоты 50 — 100 м современным гамма-спектрометром с детектором гамма-излучения (ДГИ), состоящим из полупроводникового датчика (ППД), размещенного в экране-коллекторе, обеспечивающим узкую направленность вертикально вниз его диаграммы чувствительности, например, с углом зрения 0=10-15О.

1794401 (3) и= — (! и !ро )и )р{Щ )\, l

Измеряют плотность потока в угле

0 прямых лучей следующих спектральных линий; 1,46 Мэ — Калий 40 (I g); 1,76 Мэ — радий (IRa) и 2,62 Мз — торий (Ith). Кроме того, одновременно измеряют плотность потока 5 многократно рассеянных гамма-квантов в интервале энергий 0 — Eo, где Ео — верхняя граница интервала, выбираемая в области

70-100 КэВ. Выбор верхний границы не критичен, но выбранная граница должна быть 10 стабильна.

По известной формуле полученные значения lk, IRa и Ьл пересчитываются к уровню поверхности земли (к высоте h=0), т. е. учитывается ослабление слоем воздуха между 15 излучателем — почвой и ДГИ и ослабление на 3% лесом. Затем рассчитывают плотность потока многократно рассеянных гамма-квантов в интервале энергий (О-Eo) идущих во всех направлениях верхней полу- 20 сферы у поверхности земли. Расчет выполняюг по формуле о о о о

35 пъ= — ()и I po — I A I p(h)g )1, (2) ! а +aRa lga + этл!тл (1)

25 где !к, IRaо и )тл — плотности гамма-излучения, выбранных спектральных линий калия, радия и тория у поверхности земли: ак, ар> и атл — соответствующие коэффициенты перехода от ); к lp

Индекс "0" обозначает, что отмеченная им плотность потока имеет место на уровне земли. Запас древесины в лесу (биомассу леса в т/га) рассчитывают по формуле

Формула изобретения

Способ определения биомассы прямостоящей растительности, включающей регистрацию плотности потока гамма-квантов от поверхностного слоя земли, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения технологических возможностей. одновременно регистрируют плотность вертикального потока первичных гамма-квантов и плотность потока рассеянных гамма-квантов в диапазоне последнего не более 100 КэВ, после чего определяют величину плотности потока многократно рассеянных гамма-квантов на уровне земли, а биомассу m растительности где а — массовый коэффициент ослабления многократно рассеянного гамма-излучения (а=6,5 .10 т/га);

h — высота полета, выраженная в массовых единицах (в т/га), Среднеквадратичная погрешность определения биомассы будет равна где д )ро и д I — относительные среднеквадратичные погрешности определения Ip(h)lpo и Ip{h);

oh — погрешность измерения высоты h. д !ро =д )р(!!) = I /о . (тл =2 м =20 тбга

При этом, как следует из (3) o> =-ЗЗ т/га, это составляет около 12-13Я, от средней по Союзу биомассы леса равной 250 т/га. Следует отметить, что для получения о), 20 т/га, атмосферное давление должно измеряться с точностью около 1 мм рт.ст„ высота с точностью 0,5 м и температура с точностью 1 С.

Применение предлагаемого способа позволяет значительно упростить процесс измерений, исключить двукратное измерение в разное время со строгой привязкой к одному месту с учетом изменений влажности почвы. рассчитывают в соответствии с зависимостью где а — массовый коэффициент ослабления многократно рассеянного гамма-излучения;

h — высота регистрации потоков гаммаквантов (в и ри веденных един и цах);

I» — плотность вертикального потока рассеянных гамма-квантов у поверхности земли;

Ip(h) — плотность вертикального потока рассеянных гамма-квантов на высоте h.