Дистанционный радиофизический способ определения влажности почвы

Изобретение относится к способам измерений на СВЧ и может быть использовано в сельском хозяйстве для определения влагозапаса почв в осенне-зимний период и в климатологии для оценки потоков тепла и влаги между поверхностью суши и атмосферой. Технический результат заключается в обеспечении дистанционного определения влажности почв. Способ заключается в том, что в полевых условиях измеряют радиояркостную температуру почвы и термодинамическую температуру почвы, определяют коэффициент собственного радиотеплового излучения почвы до промерзания и после промерзания на глубину, превышающую глубину зондирования, далее определяют объемную долю свободной воды W_u и максимальную объемную долю связанной влаги W_t, используя коэффициенты излучения почвы до промерзания и после промерзания, с помощью регрессионных уравнений или графически, значение полной влажности определяют из соотношения W=W_t+W_u. 4 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к способам измерений и может быть использовано в сельском хозяйстве для определения влагозапаса почв в осенне-зимний период и в климатологии для оценки потоков тепла и влаги между поверхностью суши и атмосферой.

Известен дистанционный радиофизический способ определения влажности почв, основанный на зависимости дистанционно измеряемого коэффициента собственного радиотеплового излучения почвы в СВЧ-диапазоне электромагнитных волн от ее влажности [Шутко А.М. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М.: Наука, 1986, 190 с.], поскольку от влажности зависит диэлектрическая проницаемость почв и, как следствие, коэффициент излучения. Влажность дистанционным способом определяется с помощью радиационно-влажностной зависимости (зависимости коэффициента излучения от влажности). Однако вследствие различия в диэлектрических характеристиках почв крутизна радиационно-влажностной зависимости изменяется от поля к полю, от одного региона к другому в 1,5-2 раза, поэтому данный способ не обеспечивает достаточной точности измерения влажности.

Наиболее близким техническим решением является дистанционный радиофизический способ определения влажности почвы, основанный на измерениях в лабораторных условиях радиационно-влажностных зависимостей для почвогрунтов, отобранных в местах проведения работ по дистанционному зондированию [п. РФ №2010219, МПК G01N 22/00, опубл. 30.03.94 г.]. Радиационно-влажностные зависимости определяют на основании лабораторных диэлектрических измерений и строят зависимость диэлектрической проницаемости почвы от влажности с использованием рефракционной модели диэлектрической проницаемости почвы [Комаров С. А., Миронов В. Л. Микроволновое зондирование почв. - Новосибирск: Научно-издательский центр СО РАН, 2000. 289 с.], одним из параметров которой является максимальное содержание связанной воды W_t. После чего по полученным для каждого поля зависимостям переводят значения коэффициента излучения в значения влажности W.

Необходимость отбора почвенных образцов и получения в лабораторных условиях радиационно-влажностных зависимостей для каждого поля ввиду трудоемкости этого процесса резко снижает производительность метода, не позволяет охватить измерениями влажности больших территорий, что необходимо в решении задач климатологии. Как правило, с каждого поля берется небольшое количество образцов. При этом не достигается нужной представительности данных, так как свойства почв могут изменяться даже в пределах одного поля. Кроме того, при отборе образцов нарушается естественная структура почвы и ее плотность. Поэтому измеренная в лаборатории радиационно-влажностная зависимость отличается от реальной для данного конкретного поля, что приводит к снижению точности определения влажности.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является повышение производительности способа дистанционного измерения влажности путем обеспечения возможности охвата измерениями влажности больших территорий с использованием получаемых с космических аппаратов карт радиотеплового излучения.

Указанную задачу решают путем использования, как и в прототипе, излучения почвами электромагнитных волн, но при этом в отличие от прототипа при реализации способа в полевых условиях измеряют радиояркостную температуру почвы и термодинамическую температуру почвы, определяют коэффициенты собственного радиотеплового излучения почвы до промерзания и после промерзания на глубину, превышающую глубину зондирования, далее определяют объемную долю свободной воды W_u и максимальную объемную долю связанной влаги W_t, используя коэффициенты излучения почвы до промерзания и после промерзания, с помощью регрессионных уравнений или графически, значение полной влажности определяют из соотношения: W=W_t+W_u.

В незамерзшей почве часть влаги находится в связанном состоянии, а часть - в свободном. Максимальное содержание связанной влаги W_t (объемная доля) в почве является одной из основных характеристик почвы. Диэлектрическая проницаемость связанной влаги ниже, чем у свободной воды. В условиях, когда влажность почвы W больше, чем W_t, часть влаги находится в свободном состоянии, ее объемная доля равна W_u=W-W_t. Зависимость диэлектрической проницаемости свободной влаги от частоты и температуры хорошо описывает модель Дебая [Шарков Е.А. Анализ и развитие релаксационных моделей диэлектрических свойств воды для задач дистанционного зондирования // Исслед. Земли из космоса. - 1995. №6. - С.18-28].

При замерзании почвы свободная вода превращается в лед, диэлектрическая проницаемость которого на СВЧ постоянна. При этом в почве существует незамерзшая связанная вода в количестве, равном W_t, диэлектрическая проницаемость которой почти не изменяется при изменении температуры от +20С° до -5С° [Комаров С.А., Миронов В.Л. Микроволновое зондирование почв. - Новосибирск: Научно-издательский центр СО РАН, 2000. 289 с.]. Таким образом, при замерзании почвы изменяется диэлектрическая проницаемость только одного компонента почвенной смеси - свободной влаги.

От комплексной диэлектрической проницаемости почвы зависит коэффициент излучения χ, который определяют следующим образом [Космическое землеведение / Под ред. В.А.Садовничего. М.: Изд. МГУ. 1992. 269 с. Стр.158]:

где - коэффициент отражения при вертикальном зондировании;

- комплексный показатель преломления почвы;

n - показатель преломления почвы (действительная часть комплексного показателя преломления);

k - показатель поглощения (мнимая часть комплексного показателя преломления).

В эксперименте коэффициент излучения измеряют как отношение [Космическое землеведение / Под ред. В.А.Садовничего. М.: Изд. МГУ. 1992. 269 с. Стр.156]:

где Т_я - радиояркостная температура почвы, измеряемая дистанционно с помощью микроволнового радиометра;

Т - термодинамическая температура почвы, измеряемая дистанционно с помощью инфракрасного термометра.

Если почва содержит некоторую объемную долю свободной воды W_u=W-W_t, то показатель преломления и показатель поглощения незамерзшей почвы определяют из соотношений, найденных из обобщенной рефракционной модели [V.L.Mironov, М.С.Dobson, V.Н.Kaupp, S.A.Komarov, and V.N.Kleshchenko, "Generalized refractive mixing dielectric model for moist soils," IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol.42, no.4, pp.773-785, 2004], [Комаров С.А., Миронов В.Л. Микроволновое зондирование почв. - Новосибирск: Научно-издательский центр СО РАН, 2000. 289 с]:

где n_t и k_t - показатель преломления почвы и показатель поглощения соответственно при влажности почвы, равной W_t;

n_u, k_u - показатель преломления и показатель поглощения свободной воды соответственно, определяемые по модели Дебая для заданной частоты и температуры.

В частности, при температуре 0°С для частоты 1,67 ГГц n_u=9,35, k_u=0,45, для частоты 6 ГГц n_u=8,84, k_u=1,71, для частоты 8 ГГц n_u=8,69, k_u=1,89.

В разных типах почв максимальное содержание связанной влаги W_t различно, различны также соответствующие значения показателей преломления и поглощения n_t и k_t. Для решения поставленной задачи потребовалось установить зависимости показателей преломления и поглощения n_t и k_t от W_t. В результате анализа литературных данных о диэлектрических свойствах почв, различающихся органо-минеральным и гранулометрическим составом, отобранных в различных климатических зонах России и США [V.L.Mironov, "Spectral Dielectric Properties of Moist Soils in The Microwave Band," in Proc. IGARSS'04, Anchorage, USA, 2004, vol. V, pp.3474-3477], [V.L.Mironov, and P.P.Bobrov, "Soil Dielectric Spectroscopic Parameters Dependence on Humus Content," in Proc. IGARSS'03, Toulouse, France, 2003, vol. II, pp.1106-1108], [Беляева Т.А., Бобров А.П., Бобров П.П., Галеев О.В., Мандрыгина В.Н. Определение параметров моделей диэлектрической проницаемости почв с различной плотностью и различным содержанием гумуса по данньм экспериментальных измерений в частотном диапазоне 0,1-20 ГГц // Исслед. Земли из космоса. 2003. №5. - С.28-34], авторы заявляемого технического решения доказали, что между показателями преломления, поглощения и максимальным содержанием связанной воды имеется высокая корреляция, выраженная в виде уравнений линейной регрессии n_t=n(W_t, f) и k_t=к(W_t, f), где f - частота электромагнитного излучения. Частотная зависимость в уравнениях регрессии связана с частотной дисперсией комплексного показателя преломления связанной воды. Для иллюстрации частотной зависимости ниже приведены найденные уравнения регрессии, имеющие вид для частоты 1,67 ГГц:

и для частоты 6 ГГц:

В случае промерзшей почвы комплексный показатель преломления определяют из соотношений, также полученных из обобщенной рефракционной модели:

где n_с=1,77 - коэффициент преломления льда;

k_с=0,028 - показатель поглощения льда;

- объемная доля льда;

ρ=1,09 - отношение плотности воды к плотности льда.

Из (1) может быть найдена разность коэффициентов излучения χ₂ промерзшей χ₁ незамерзшей почвы

Поскольку n_t и k_t входят в выражения как для χ₂, так и для χ₁, поэтому Δχ лишь слабо зависит от этих величин, а следовательно, и от W_t, что позволяет осуществить параметризацию максимального содержания связанной воды W_t.

Из уравнений (4)-(8) могут быть получены уравнения регрессии для определения объемной доли свободной воды W_u при любом W_t как параметре. Такие уравнения для W_t=0,15 имеют вид:

Таким образом, по двум измеренным значениям коэффициента излучения незамерзшей и промерзшей почвы можно найти первое приближение для объемной доли свободной воды W_u, приняв в качестве нулевого приближения для W_t значение, равное среднему арифметическому из наибольшего и наименьшего значений, наблюдаемых для всех типов почв. После этого по измеренному значению коэффициента излучения промерзшей почвы

и по первому приближению для объемной доли свободной воды можно найти первое приближение для максимального содержания связанной воды W_t, а затем уточнить количество свободной воды W_u. Этот итерационный процесс можно продолжить до получения значений W_t и W_u с заданной точностью.

Полная влажность почвы W определяется как

W=W_t+W_u.

На фиг.1a и фиг.1б соответственно представлены значения показателя преломления n_t и показателя поглощения k_t, соответствующие значениям максимальной доли связанной воды W_t для каждой отдельной почвы на частоте 6 ГГц и соответствующие линии регрессии.

Для почв с большими значениями W_t соответственно большие значения имеют n_t и k_t. Увеличение показателя преломления приводит к уменьшению коэффициента излучения в соответствии с выражением (1). С помощью уравнений (4)-(8) получены графики зависимости W_u=W_u(Δχ, W_t) для частоты 6 ГГц (фиг.2).

С помощью выражений (4)-(7), (10) получены графики зависимости W_t=W_t(χ₂) при различных значениях количества свободной воды W_u (фиг.3).

Предлагаемый способ реализован следующим образом. Перед началом заморозка при температуре почвы от 0 до +10°С над поверхностью выровненной, увлажненной до влажности, большей, чем W_t, почвы размещают микроволновый радиометр на высоте, достаточной для того, чтобы исследуемый участок почвы находился в волновой зоне. Антенна радиометра направлена в надир (допускаемые отклонения от вертикали ±10°). В соответствии с методикой радиометрических измерений определяют радиояркостную температуру незамерзшей почвы и с помощью ИК-термометра - термодинамическую температуру почвы. По формуле (2) определяют коэффициент излучения χ₁. С началом замерзания почвы радиояркостная температура возрастает, испытывает некоторые интерференционные осцилляции во времени, по окончании которых можно производить измерения радиояркостной температуры почвы, промерзшей на глубину, большую, чем глубина зондирования. Температура поверхности почвы при этом не должна быть ниже -5°С. Измеренные значения Т_я и термодинамической температуры Т почвы в этот момент используют для определения коэффициента излучения χ₂ мерзлой почвы. Далее с помощью регрессионного уравнения (9) или градуировочного графика (фиг.2) рассчитывают первое приближение для максимального количества свободной воды W_u1, используя нулевое приближение для значения W_t0=0,15. Применяя найденное значение W_u1 и значение χ₂, полученное для промерзшей почвы, из уравнения (10) или градуировочного графика (фиг.3) определяют первое приближение для W_t1. При значительном отличии W_t1 от W_t0 c использованием значения W_t1 производят уточнение количества свободной воды W_u2 с помощью градуировочного графика (фиг.2), а затем с помощью градуировочного графика (фиг.3) находят второе приближение W_t2 и т.д. Последние, приемлемые по точности приближения значения W_t и W_u используют для определения влажности по формуле W=W_t+W_u.

Для проверки заявленного способа были проведены эксперименты по измерению коэффициента излучения на частоте 6 ГГц двух почвенных участков, различающихся содержанием гумуса и физической глины. Вследствие этого в почвах было различным максимальное содержание связанной воды W_t при почти одинаковой общей влажности. В качестве радиометра использовался серийный измеритель ПК7-20, настроенный на частоту 6 ГГц. На фиг.4 показан вид экспериментальной установки с тремя радиометрами на разные частоты, с помощью которой производились измерения. Результаты обработки данных эксперимента приведены в таблице.

№ участка	Коэфф. излуч. незамерзшей почвы χ1	Коэфф. излуч. промерзшей почвы χ2	χ2-χ1	Wu	Wt	W радиофизическим способом	W термостатно-весовым способом
1	0,714	0,813	0,099	0,10	0,16 (1-е прибл.)
				0,105	0,16 (2-е прибл.)	0,265	0,27
2	0,690	0,842	0,151	0,17	0,105 (1-е прибл.)
				0,16	0,11 (2-е прибл.)	0,27	0,28

Преимущества заявленного технического решения. Заявленное решение обеспечивает снижение трудоемкости и повышение оперативности определения влажности. При установке радиометра на автомобильном шасси измерения производятся с разрешением 3-4 м, определяемом размерами излучающего пятна на поверхности земли и производительностью 0,5-1 га/ч. При установке на самолете измерения производятся с разрешением 3-5 км и производительностью около 5 000 га/ч. При установке радиометра на космическом аппарате разрешение составляет 10-50 км. В настоящее время разрабатываются методы повышения разрешающей способности спутниковых радиометров путем совместной обработки данных радиометра и радиолокатора, устанавливаемых на одном космическом аппарате (международные программы дистанционного зондирования влажности SMOS и Aquarius). Карты радиояркости территории, принадлежащей к одной климатической зоне, в зависимости от частоты съемки одной и той же местности могут быть получены в течение 3-5 дней. По двум картам, снятым до и после промерзания почвы, возможно построение карты влагосодержания почв на рассматриваемой территории.

Дистанционный радиофизический способ определения влажности почв, основанный на излучении электромагнитных волн почвами, отличающийся тем, что в полевых условиях измеряют радиояркостную температуру почвы и термодинамическую температуру почвы, определяют коэффициент собственного радиотеплового излучения почвы до промерзания и после промерзания на глубину, превышающую глубину зондирования, далее определяют объемную долю свободной воды W_u и максимальную объемную долю связанной влаги W_t, используя коэффициенты излучения почвы до промерзания и после промерзания, с помощью регрессионных уравнений или графически, значение полной влажности определяют из соотношения W=W_t+W_u.