Дистанционный радиофизический способ определения физической глины в почвах
Данное изобретение относится к способам измерений на СВЧ и может быть использовано в сельском хозяйстве, мелиорации при составлении земельного кадастра для определения гранулометрического класса почв. Технический результат заключается в повышении точности дистанционного определения содержания в почве физической глины. Он достигается тем, что дистанционный радиофизический способ определения содержания физической глины в почвах основан на излучении электромагнитных волн почвами, при этом в полевых условиях измеряют радиояркостную температуру почвы и термодинамическую температуру почвы до промерзания и после промерзания почвы, определяют коэффициенты собственного радиотеплового излучения почвы до промерзания и после промерзания на глубину, превышающую глубину зондирования, далее определяют объемную долю льда и максимальную объемную долю связанной влаги Wt, используя коэффициенты излучения почвы до промерзания и после промерзания, с помощью регрессионных уравнений или графически, содержание физической глины С определяют из соотношения: C=277,1·Wt/ρs+0,9595, где ρs - плотность сухой почвы в поверхностном слое. 5 ил., 1 табл.
Изобретение относится к способам измерений и может быть использовано в сельском хозяйстве, мелиорации при составлении земельного кадастра и т.п. для определения гранулометрического класса почв.
Известен дистанционный способ определения гранулометрического состава почв (под гранулометрическим составом здесь понимается содержание физической глины, в классификации фракций Качинского выделяются фракции физического песка и физической глины, соответственно крупнее и мельче 0,01 мм [Воронин А.Д. Основы физики почв. - М.: МГУ. 1986, 243 с.], основанный на том, что мерзлые незасоленные почвы 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 [Патент №2088906 С1 РФ, МПК G01N 22/04. Опубл. 1991, 08, 27]. Для определения гранулометрического состава измеряют в зимний период коэффициенты излучения мерзлых почв в СВЧ диапазоне, значения которых зависят от количества содержащейся в почве незамерзшей воды, имеющей для почв, различающихся по гранулометрическому составу, различающиеся температурно-влажностные зависимости. Гранулометрический состав оценивают путем сравнения количества незамерзшей волы в почве, определенного дистанционным способом, с количеством незамерзшей воды, определенным графически или рассчитанным по эмпирической формуле.
Недостатком данного способа является то, что при расчете диэлектрической проницаемости мерзлой почвы и коэффициента излучения мерзлой почвы не учитывается влияние льда. Это приводит к большой погрешности при определении количества незамерзшей воды, находящейся в мерзлой почве, достигающей 50%.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является повышение точности дистанционного определения содержания в почве физической глины (массовой доли почвенных частиц, размеры которых не превышают 0,01 мм).
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 не только мерзлой почвы, но почвы непосредственно перед промерзанием, определяют коэффициенты собственного радиотеплового излучения почвы до промерзания и после промерзания на глубину, превышающую глубину зондирования, далее с помощью регрессионных уравнений или графически определяют объемную долю льда Wc и максимальную объемную долю связанной влаги Wt, используя коэффициенты излучения почвы до промерзания и после промерзания; содержание физической глины С (в процентах от общей массы) определяют из соотношения: С=277,1·Wt/ρs+0,9595, где ρs - плотность сухой почвы в г/см3.
В незамерзшей почве часть влаги находится в связанном состоянии, а часть - в свободном. Максимальное содержание связанной влаги Wt (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 Wt, часть влаги находится в свободном состоянии, ее объемная доля равна Wu=W-Wt.
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 Wt, диэлектрическая проницаемость которой слабо 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.], [Лукин Ю.И., Миронов В.Л., Комаров С.А. Исследование диэлектрических спектров влажной почвы в процессе замораживания-оттаивания. // Известия вузов. Физика №9, 2008, С.24-28]. Таким образом, при замерзании почвы ее диэлектрическая проницаемость изменяется в основном только за счет одного компонента почвенной смеси - свободной влаги, что дает возможность определить ее объемную долю и объемную долю льда Wc по формуле Wc=Wu/ρc, где ρс=0,917 г/см3 - плотность льда.
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 угле зондирования θ (от надира).
В эксперименте коэффициент излучения измеряют как отношение [Космическое землеведение / Под ред. В.А.Садовничего. М.: Изд. МГУ. 1992. 269 с. Стр.156]:
где Тя - 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 Wu=W-Wt, то комплексный показатель преломления 
незамерзшей почвы определяют из соотношений, найденных из обобщенной рефракционной модели [V.L.Mironov, M.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 nt и κt - действительная и мнимая части показателя преломления соответственно при влажности почвы, равной Wt; nu, κu - действительная и мнимая части показателя преломления свободной воды, соответственно определяемые по модели Дебая для заданной частоты и температуры.
В разных типах почв максимальное содержание связанной влаги Wt различно, различны также соответствующие значения действительной и мнимой частей показателя преломления nt и κt. Для решения поставленной задачи потребовалось установить зависимости величин nt и κt от Wt. В результате анализа литературных данных о диэлектрических свойствах почв, различающихся органо-минеральным и гранулометрическим составом, отобранных в различных климатических зонах России и США [J.О.Curtis, С.A.Weiss, Jr., and J.В.Everett, "Effect of soil composition on dielectric properties," Technical Report EL-95-34, December 1995], [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 данным экспериментальных измерений в частотном диапазоне 0,1-20 ГГц // Исслед. Земли из космоса. 2003. №5. - С.28-34], [Фомин С.В., Миронов В.Л., Косолапова Л.Г. Тестирование в микроволновом диапазоне спектроскопической диэлектрической модели влажных почв, использующей в качестве входных параметров содержание глинистой фракции и влажность // Известия вузов. Физика, 2008, т.51, №9/2, 93-97], авторы заявляемого технического решения доказали, что между действительной и мнимой частями показателя преломления и максимальным содержанием связанной воды имеется высокая корреляция, выраженная в виде уравнений линейной регрессии nt=n(Wt, f) и κt=κ(Wt, f), где f - частота электромагнитного излучения. Найдена также статистическая взаимосвязь между максимальным количеством связанной воды в почве и содержанием в ней физической глины С, выражаемая соотношением
С=277,1·Wt/ρs+0,9595,
где ρs - плотность сухой почвы в г/см3.
Частотная зависимость в уравнениях для nt и κt связана с частотной дисперсией комплексного показателя преломления связанной воды. Для иллюстрации частотной зависимости ниже приведены найденные уравнения регрессии, имеющие вид при температуре +3°С для частоты f=8 ГГц:
и для частоты f=6 ГГц:
В случае промерзшей почвы при температуре -3°С для частоты 6 ГГц уравнения имеют вид:
Небольшое изменение величин nt и κt при понижении температуры связано с возрастанием времени релаксации молекул связанной воды и уменьшением ее проводимости [Лукин Ю.И., Миронов В.Л., Комаров С.А. Исследование диэлектрических спектров влажной почвы в процессе замораживания-оттаивания. // Известия вузов. Физика. 2008, №9. С.24-28].
Комплексный показатель преломления мерзлой почвы определяют из соотношений, также полученных из обобщенной рефракционной модели:
где nс=1,77 и κc=0,028 - действительная и мнимая части показателя преломления льда; Wc=Wu/ρс - объемная доля льда; ρс=0,917 г/см3 - плотность льда.
Из (1) может быть найдена разность коэффициентов излучения χ2 промерзшей и χ1 незамерзшей почвы. Выражение при θ=0 имеет вид:
Поскольку nt и κt для незамерзшей и замерзшей почв отличаются незначительно, входят в выражения как для χ2, так и для χ1, поэтому Δχ лишь слабо зависит от этих величин, а следовательно, и от Wt, что позволяет осуществить параметризацию максимального содержания связанной воды Wt.
Из уравнений (4)-(8) может быть получено уравнение регрессии для определения объемной доли льда Wc через разность Δχ при любом Wt как параметре. Такое уравнение для частоты 6 ГГц и при θ=0 имеет вид:
где 
,
B=0,374·Wt+0,7276,
С=-0,153·Wt+0,0057.
Таким образом, по двум измеренным значениям коэффициента излучения незамерзшей и промерзшей почвы можно найти первое приближение для объемной доли льда, приняв в качестве нулевого приближения для Wt 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 льда Wc можно найти первое приближение для максимального содержания связанной воды Wt с помощью регрессионного уравнения
где D=2,406·Wc+5,544
E=-2.914·Wc-11.176,
F=0,566·Wc+5,612,
а затем уточнить количество льда с помощью (9). Этот итерационный процесс можно продолжить до получения значений Wt и Wc с заданной точностью.
Содержание физической глины в почве (в процентах от сухой массы) определяется с помощью регрессионного уравнения
где ρs - плотность сухой почвы, в поверхностном слое почвы обычно равная 1,0÷1,2 г/см3.
На фиг.1а и фиг.1б соответственно представлены значения действительной nt1 и мнимой κt1 частей показателя преломления, соответствующие значениям максимальной доли связанной воды Wt для каждой отдельной почвы на частоте 6 ГГц при температуре +3°С и соответствующие линии регрессии.
Для почв с большими значениями Wt соответственно большие значения имеют nt1 и κt1. Увеличение показателя преломления приводит к уменьшению коэффициента излучения в соответствии с выражением (1).
На фиг.2 приведены графики зависимости Wc=Wc(Δχ, Wt) для частоты 6 ГГц, построенные на основе (9).
Графики зависимости Wt=Wt(χ2) при различных значениях количества льда Wc, построенные на основе (10), приведены на фиг.3.
На фиг.4 приведен график взаимосвязи содержания физической глины (в процентах от массы) и максимального количества связанной воды WtM (в долях массы).
Предлагаемый способ реализован следующим образом. Перед началом заморозка при температуре почвы от 0 до +5°С над поверхностью выровненной, увлажненной до влажности большей, чем Wt, 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 должно быть ниже -5°С. Измеренные значения Tя 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 содержания льда Wc1, используя нулевое приближение для значения Wt0=0,1÷0,15. Применяя найденное значение Wc1 и значение χ2, полученное для промерзшей почвы, из уравнения (10) или градуировочного графика (фиг.3) определяют первое приближение для Wt1. При значительном отличии Wt1 от Wt0 с использованием значением Wt1 производят уточнение количества льда Wc2 с помощью уравнения (9) или градуировочного графика (фиг.2), а затем с помощью уравнения (10) или градуировочного графика (фиг.3) находят второе приближение Wt2 и т.д.
Последнее, приемлемое по точности приближение значения Wt используют для определения содержания глины по формуле (11). Можно воспользоваться и градуировочным графиком, переведя предварительно значения максимального количества связанной воды Wt из объемных долей в массовые по формуле WtM=Wt/ρs, где ρs - плотность сухой почвы, в поверхностном слое почвы обычно равная 1,0÷1,2 г/см3.
Для проверки заявленного способа были проведены эксперименты по измерению коэффициента излучения на частотах 6,0 ГГц и 8,0 ГГц почвенного участка с известным содержанием физической глины. В качестве радиометра использовался серийный измеритель ПК7-20, перестраиваемый в диапазоне частот 5,6÷8,13 ГГц. На фиг.5 показан вид экспериментальной установки, с помощью которой производились измерения. Результаты обработки данных эксперимента приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | |||||||||||
| Дата | f, ГГц | Результаты дистанционных измерений | ρs, г/см3 | WtM, г/г | WtM, г/г Лабораторным способом | Содержание глины, % от массы | |||||
| χ1 | χ2 | χ2-χ1 | Wt, см3/см3 | Wc, см3/см3 | |||||||
| Дистанционным способом | Лабораторным способом | ||||||||||
| 24.10.05 | 8,0 | 0,740 | 0,813 | 0,073 | 0,175 | 0,074 | 1,2 | 0,146 | 41,3 | ||
| 20.04.06 | 6,0 | 0,569 | 0,818 | 0,249 | 0,112 | 0,327 | 1,0 | 0,112 | 32,0 | ||
| 30.04.06 | 8,0 | 0,698 | 0,816 | 0,118 | 0,176 | 0,136 | 1,2 | 0,146 | 41,5 | ||
| 30.04.06 | 6,0 | 0,714 | 0,813 | 0,099 | 0,168 | 0,105 | 1,2 | 0,140 | 39,8 | ||
| Среднее | 0,136 | 0,150 | 38,6 | 36,1 |
Преимущества заявленного технического решения. Заявленное решение обеспечивает снижение трудоемкости и повышение оперативности определения содержания физической глины. 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 5000 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 радиояркостной температуры 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 гранулометрического состава почв на рассматриваемой территории. При этом погрешность измерения содержания физической глины существенно меньше, чем в прототипе.
Дистанционный радиофизический способ определения содержания физической глины в почвах, основанный на излучении электромагнитных волн почвами, отличающийся тем, что в полевых условиях измеряют радиояркостную температуру почвы и термодинамическую температуру почвы до промерзания и после промерзания почвы, определяют коэффициенты собственного радиотеплового излучения почвы до промерзания и после промерзания на глубину, превышающую глубину зондирования, далее определяют объемную долю льда и максимальную объемную долю связанной влаги Wt, используя коэффициенты излучения почвы до промерзания и после промерзания, с помощью регрессионных уравнений или графически, содержание физической глины С определяют из соотношения: C=277,1·Wt/ρs+0,9595, где ρs - плотность сухой почвы в поверхностном слое.
