Способ дистанционного мониторинга рисовых оросительных систем Российский патент 2017 года по МПК G01C11/00 A01G16/00 

Способ мониторинга рисовых оросительных систем

Изобретение относится к области орошаемого земледелия и может использоваться в сельском и водном хозяйстве при производстве риса.

Рисовые оросительные системы (РОС) в пределах региона возделывания риса охватывают огромные территории с весьма разнообразными агрометеорологическими и гидромелиоративными условиями. Выращивание данной культуры критично к влажности в верхнем слое почвы, ее температуре, а также к микрорельефу поверхности чеков.

Из уровня техники известен способ дистанционного СВЧ-радиометрического зондирования для оперативного управления технологическими процессами возделывания риса, описанный в работе [1].

Согласно этому способу перед посевом с помощью СВЧ радиометрической съемки строится карта влажности почвы и уровня залегания грунтовых вод (УГВ) по чекам рисового поля;

Недостатком этого способа является отсутствие возможности определения оптимального времени проведения СВЧ радиометрической съемки для определения влажности почвы и УГВ, а также наиважнейшей характеристики рисового поля – микрорельефа поверхности чеков.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ, раскрытый в работе [2].

Согласно этому способу (методике, описанной в этой работе) каждая из характеристик рисового поля измеряется в тот момент (период), когда ее влияние на развитие растений наиболее существенно: измерение влажности почвы проводится после схода снежной массы, перед проведением весенних полевых работ с помощью бортового (самолетного) комплекса, включающего радиометры СМ и ДМ-диапазонов. Данные измерений обрабатываются для каждого рисового чека отдельно и представляют информацию об их исходном гидрологическом состоянии. При этом усредненные по площади чека значения яркостных температур на СМ и ДМ-волнах переводятся в значения свободной влаги по методике Шутко А.М. [3].

Микрорельеф поверхности рисовых чеков определяется следующим образом:

На рисовом массиве, где требуется определить микрорельеф поверхности чеков, произвольно выбирают эталонный чек (внешне не отличающийся от других) из соображений удобства проведения на нем контрольных измерений. В этом чеке определяют максимальную (точка 1) и минимальную (точка 2) высотную отметки с помощью нивелирной съемки. После естественного или искусственного увлажнения (после дождя или оттаивания снега) каждый день в окрестностях этих отметок измеряют влажность почвы в поверхностном слое (2-5см) W₁ и W_2. Вычисляют разность |W₁ – W₂|. В тот день, когда эта разность достигает максимальной величины (0,1-0,3 г/см³), с помощью многолучевого СВЧ-радиометра СМ диапазона (2-5см) проводят детальную (не хуже 20х20м²) съемку рисового массива.

Определяют среднее значение коэффициента излучения æ_ср по каждому чеку:

æ_ср = æ_i,

где N - количество точек (квадратов) в данном чеке.

Определяют разности

Δæ_i = æ_i-æ_ср.

В эталонном чеке путем измерений интенсивности излучения æ и уровня отклонения поверхности участков чека Δh от среднего горизонта чека в нескольких точках (с помощью нивелира), включая точки 1 и 2, определяют зависимость между Δæ = æ_i–æ_ср и величиной Δh, т.е. определяют функцию
Δh = f(Δæ). Исходя из этой зависимости по границам участков с различным коэффициентом излучения проводят горизонтали и для каждого чека строится карта расположения Δh_i по площади чека (т.е. карта микрорельефа).

А коэффициент неровности поверхности каждого чека определяют выражением

К_нр=Δæ_ср/æ_ср , где Δæ_ср = |∆æ_i|,

Очевидно, чем меньше значение К_нр, тем ровнее поверхность чека (выше качество планировки).

Все эти данные заносятся в так называемый «Банк рисовода», где хранится вся информация по всем чекам хозяйства, и используются для корректировки агротехнических мероприятий.

Недостатком данного способа мониторинга является низкая точность определения влажностных характеристик почвы и микрорельефа в рисовых чеках, зависящая от времени суток и даты проведения СВЧ радиометрических съемок (дата съемки перед посевом выбирается наугад).

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности контроля состояния рисовых чеков в предпосевной период с помощью детальной аэрокосмической съемки.

Схема алгоритма реализации способа представлена на рис. 1.

При осуществлении способа в регионе (районе) рисосеяния проводят спутниковые съемки поверхности земли в инфракрасном (ИК) диапазоне со средним разрешением (100 – 200 м), с периодичностью от 12 до 24 часов. При этом не требуется определения точного абсолютного значения температуры поверхности почвы: достаточно будет получать качественные относительные оценки (контрасты) для выделения отдельных массивов (участков, отделений в хозяйствах) путем усреднения результатов нескольких снимков, проведенных в течение 2-3 дней в разное время суток. В результате на рисовых оросительных системах выделяются 3-4 группы (типа) полей, отличающихся между собой значением средней температуры поверхности почвы на 2-3 градуса.

Результаты космической радиометрической съемки являются основой для установления очередности проведения СВЧ – ИК аэросъемок рисовых полей с целью более детального определения влажности и температуры почвы, уровня залегания грунтовых вод (УГВ), а также микрорельефа поверхности в каждом чеке, и начала соответствующих агромелиоративных мероприятий в них.

Проведение предшествующей аэросъемке космической ИК радиометрической съемки поверхности земли позволяет находить оптимальное (более подходящее) время проведения съемок и на их основе – последовательность проведения предпосевных агромелиоративных работ по участкам (массивам). От этого времени зависит, в каких условиях находится исследуемый объект и, следовательно, точность определения его характеристик дистанционным радиометрическим способом. Это особенно критично для определения микрорельефа поверхности рисового поля и УГВ. Оно исключает необходимость проведения каждодневных наземных измерений влажности в «эталонном чеке». Не всегда является правомерным распространение условий (состояние) «эталонного чека» на весь массив (как делается в прототипе). А панорамная ИК-космическая съемка дает объективную картину по каждому чеку всего массива и района в целом.

В первую очередь СВЧ-ИК аэросъемка (с самолета, вертолета или беспилотного летательного аппарата) проводится для группы полей (чеков) с наибольшей температурой поверхности. По данным этой съемки на основе известной радиационно-влажностной зависимости в СВЧ диапазоне строится карта влажности почвы этого участка по чекам [3]. Затем по очереди аналогичная съемка проводится и для других групп чеков (с интервалом времени в 1-2 дня при отсутствии осадков). На полученной карте влажности почвы выделяют чеки со средней влажностью в скин-слое (эффективно излучающем на рабочей волне СВЧ-радиометра), близкой к значению нормальной влагоемкости (0,25 – 0,3 г/см³) для проведения в них съемки микрорельефа по известной методике[2].

Пример реализации способа.

С наступлением весны (после схода снежного покрова), например, в рисоводческом регионе Краснодарского края производят штатные ИК-радиометрические съемки со спутников LANDSAT с периодичностью в 12-24 часов (согласно орбит КА). По итогам съемок в течение двух–трех дней (усреднением температуры по времени) строится карта распределения температуры подстилающей поверхности по грубой шкале (3 градации). Соответственно, выделяются три типа массива, отличающихся между собой средним значением температуры поверхности: участки А с Т^А_ср≈ 285 К; участки Б с Т^Б_ср =Т^А_ср+2,5 К; участки В с Т^В_ср = Т^А_ср+5 К. Таким образом, между этими группами массивов имеется температурный контраст, приблизительно равный 2,5 К.

Исходя из взаиморасположения чеков одной группы, разрабатывается оптимальный маршрут облета самолета–лаборатории (или беспилотного летательного аппарата) с ИК-СВЧ радиометрическим комплексом на борту и производится съемка в первую очередь участков группы В (наиболее «теплых», предположительно более сухих чеков). По данным спектральной СВЧ радиометрической съемки (на нескольких волнах см и дм диапазонов) по известной методике строятся карты влажности почвы и УГВ с детальностью до каждого чека. Затем в чеках с подходящим значением средней влажности поверхностного слоя почвы (близкой к нормальной влагоемкости) производят детальную (не крупнее чем 20×20 м²) СВЧ-радиометрическую съемку в см-диапазоне и согласно известной методике строят карты микрорельефа чеков. В чеках с удовлетворительным качеством планировки поверхности (по общепринятым критериям) начинают предпосевную подготовку почвы. А чеки с неудовлетворительной планировкой выводят из оборота рисосеяния на этот год и назначают мероприятия по ее улучшению с использованием полученной карты микрорельефа (разрабатывают схему перемещения грунта).

Предварительная космическая радиометрическая съемка поверхности Земли в инфракрасном диапазоне позволяет определить оптимальную дату начала СВЧ-радиометрических аэросъемок и за счет этого повысить точность полученных результатов. В результате получается возможность существенно поднять среднюю урожайность различных рисовых чеков. При этом достигается весомая экономия оросительной воды и значительно уменьшается себестоимость зерна.

Литература

1. Воробейчик Е.А., Кибальников С.В., Любинский И.А., Шутко А.М., Язерян Ж.Г. Использование метода дистанционного СВЧ-радиометрического зондирования для оперативного управления технологическими процессами возделывания риса. Доклады ВАСХНИЛ, №3 1987, с 40-42.

2. Шутко А.М., Воробейчик Е.А., Крашенинников М.А., Язерян Г.Г. Мониторинг состояния рисовых полей СВЧ-радиометрическим методом. Успехи современной радиоэлектроники, №11, 2001, с. 73-79.

3. Шутко А.М. СВЧ–радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. «Наука», 1985. 215 с.

Изобретение относится к способам радиометрической съемки земной поверхности и может быть использовано при проведении мониторинга рисовых оросительных систем. Сущность: выполняют панорамную космическую ИК-радиометрическую съемку поверхности земли со средним разрешением 100-200 м и периодичностью 12-24 ч. Усредняют результаты снимков, выполненных в течение 2-3 дней в разное время суток. Строят карту температуры подстилающей поверхности. Выделяют 3-4 группы полей, различающихся между собой значением средней температуры поверхности почвы на 2-3 градуса. По результатам панорамной космической ИК-радиометрической съемки разрабатывают оптимальный маршрут проведения последующей СВЧ-ИК-радиометрической съемки. Так, в первую очередь СВЧ-ИК-радиометрическую съемку проводят для группы полей с наибольшей температурой поверхности, то есть для группы предположительно более сухих чеков. По результатам СВЧ-ИК-радиометрической съемки строят карты влажности почвы и уровня залегания грунтовых вод с детальностью для каждого чека. Далее в чеках, имеющих значения средней влажности поверхностного слоя почвы, близкие к нормальной влагоемкости, выполняют детальную СВЧ-радиометрическую съемку. По результатам детальной съемки строят карты микрорельефа чеков. Формируют решения о начале агромелиоративных мероприятий для данных чеков. Технический результат: повышение точности контроля состояния рисовых чеков в предпосевной период. 1 ил.

Способ мониторинга рисовых оросительных систем, включающий проведение радиометрической аэросъемки, по результатам которой в предпосевной период строят карты влажности почвы с детальностью до каждого чека, а также карты микрорельефа чеков, отличающийся тем, что до проведения радиометрической аэросъемки

a) выполняют панорамную космическую радиометрическую съемку поверхности земли в инфракрасном диапазоне со средним разрешением 100-200 м с периодичностью от 12 до 24 часов,

усредняют результаты снимков, выполненных в течение 2-3 дней в разное время суток,

строят карту температуры подстилающей поверхности и

выделяют 3-4 группы полей, различающихся между собой значением средней температуры поверхности почвы на 2-3 градуса,

b) исходя из взаиморасположения чеков одной группы, разрабатывают оптимальный маршрут их облета летательным аппаратом с СВЧ-ИК радиометрическим комплексом на борту, начиная с группы наиболее сухих чеков,

с построением по результатам данной съемки карт влажности почвы и уровня залегания грунтовых вод в каждом чеке,

c) проводят детальную СВЧ-радиометрическую съемку в чеках, имеющих среднюю влажность скин-слоя, обеспечивающую возможность проведения в них съемки микрорельефа,

с построением по результатам данной съемки карт микрорельефа поверхности в данных чеках и

d) формируют решения о начале агромелиоративных мероприятий для данных чеков.