Способ классификации почв по тепловому состоянию на основе ИК-съемки профиля Российский патент 2023 года по МПК G01J5/48 G01N33/24 

Изобретение относится к почвоведению, а именно к способу классификации почв на основе характерных особенностей теплового состояния профиля почвы, после предварительной наземной съемки в тепловом диапазоне (λ=7,5-14,0 мкм), в летний период при среднесуточных значениях температуры верхних горизонтов почвы выше 0°С, с последующей классификацией почвы согласно общему виду графика температуры и вариации градиента температуры с глубиной, исключающих необходимость экспертного обследования. Под тепловым состоянием понимается характерная кривая распределения температуры T(h) в почвенном профиле в зависимости от глубины h, которая определяется особенностями структурной организации почвенного профиля, наличием различных генетических горизонтов и теплофизическими свойствами каждого генетического горизонта. Классификация почв по тепловому состоянию выполняется в целях: а) обзорной экологической категоризации почв, б) оценки состояния экосистем, в) обследования особенностей почв при инфраструктурном освоении территорий, г) оценки процессов восстановления почв после значительных нарушений.

Классификационная проблема в почвоведении особенно сложна и определяется специфичностью почвы как биокосной, многокомпонентной системы, являющейся функцией многих факторов почвообразования. Основная проблема в классификации почв - это выбор критериев, по которым она осуществляется, а также их идентификация, оценка значимости, группировка и ранжирование. Современные классификации почв основаны на морфологических признаках (цвет почвы, мощность и дифференцированность профиля, наличие генетических горизонтов). Однако полная диагностика почв обобщает результаты анализа и характеристики морфологических признаков, а также физических, химических, физико-химических, биологических свойств, что в комплексе дает представление о почве как едином природном теле.

Недостаток существующего общепринятого подхода анализа морфологических признаков в том, что определяемые характеристики являются оценками качественного характера и основаны на экспертном субъективном подходе. Подробное описание большого количества признаков делает этот метод трудоемким, затратным по времени исполнения и требовательным к уровню подготовки экспертов.

В практике почвоведения известен метод классификации почв по температурному режиму [Димо В.Н. Тепловой режим почв СССР. М.: Колос, 1972. 360 с.(прототип)]. В зависимости от среднегодовой температуры и длительности промерзания почвы выделены четыре типа температурного режима: мерзлотный, длительно сезонно-промерзающий, сезонно-промерзающий и непромерзающий.

Недостатком данного метода классификации почв по температурному режиму является отсутствие количественных характеристик распределения температуры в почвенном профиле, что не позволяет выполнять автоматическое ранжирование вариантов почв без предварительной экспертной оценки и не дает возможности использовать данный метод для классифицирования и моделирования процессов теплопереноса в почвах.

Известен способ выявления и картирования структуры почвенного профиля методом съемки в инфракрасном диапазоне спектра [патент RU 2660224 C2, МПК G01J5/00, опубл. 05.07.2018], который позволяет выполнять анализ структурной организации почвенного профиля на основе наземной ИК-съемки.

В данном способе не оговаривается особенность теплового состояния отдельных генетических горизонтов применительно к задаче классификации почв по тепловому состоянию, что является его недостатком.

Техническим результатом изобретения является получение количественных характеристик, отражающих закономерности распределения температуры T(h) в почвенном профиле, характерные для различных вариантов почв, с последующей автоматической классификацией почв по тепловому состоянию.

Технический результат достигается тем, что способ классификации почв по тепловому состоянию на основе ИК-съемки профиля проводится по характерным особенностям изменения градиента температуры почвы по глубине, определяемым по графику распределения температуры T(h) в почвенном профиле, который строится на основе обработки двумерного массива измерений температуры в тепловом ИК-диапазоне (λ=7,5-14,0 мкм), на основе чего выполняется классификация почвы согласно конфигурации кривой T(h) и изменению градиентов температуры вдоль кривой (ΔT/Δh) в сравнении с возможными модельными вариантами, среди которых первый класс почв характеризуется четко различающимися переходом от линейного к экспоненциальному участку кривой и скачкообразным изменением угла наклона кривой на границе органогенного горизонта, второй класс почв характеризуется экспоненциальным видом кривой температуры и плавным изменением угла наклона кривой на границе органогенного горизонта, третий класс почв характеризуется кривой температуры логарифмического вида с углом наклона кривой в каждой точке графика близкой к постоянной величине, в почвах четвертого класса кривая температуры имеет пилообразный вид, со спорадическими вариациями профиля кривой и углов наклона кривой в каждой точке кривой изменения температуры.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что классификация почв проводится по характерным особенностям изменения градиента температуры почвы по глубине, определяемым по графику распределения температуры T(h) в почвенном профиле в летний период при среднесуточных значениях температуры верхних горизонтов почвы выше 0°С, на основе которого выполняется классификация почвы согласно конфигурации кривой T(h) и изменению градиентов температуры вдоль кривой (ΔT/Δh) в сравнении с возможными модельными вариантами, среди которых первый класс почв характеризуется четко различающимися переходом от линейного к экспоненциальному участку кривой и скачкообразным изменением угла наклона кривой на границе органогенного горизонта, второй класс почв характеризуется экспоненциальным видом кривой температуры и плавным изменением угла наклона кривой на границе органогенного горизонта, третий класс почв характеризуется кривой температуры логарифмического вида с углом наклона кривой в каждой точке графика близкой к постоянной величине, в почвах четвертого класса кривая температуры имеет пилообразный вид со спорадическими вариациями профиля кривой и углов наклона кривой в каждой точке кривой изменения температуры.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена схема предварительного получения данных о тепловом состоянии почвенного профиля: а) ИК-съемка почвенного профиля, где: A - радиометр, F - расстояние до стенки почвенного профиля, H - глубина почвенного профиля; б) 2-мерный массив измерений значений температуры T_i(x,y) в каждой элементарной ячейке (x, y), являющейся пикселом изображения профиля в ИК-диапазоне.

На фиг. 2 представлены модельные кривые распределения температуры в почвенных профилях: а) с участками линейного и экспоненциального вида; б) экспоненциальный вид; в) логарифмический вид; г) кривая пилообразного вида со спорадическими вариациями профиля кривой и углов наклона; ϕ - угол наклона касательной к кривой температуры.

Способ осуществляют следующим образом.

Для построения кривой T(h) и выявления изменений градиентов температуры вдоль кривой (ΔT/Δh) выполняется предварительная наземная съемка почвенного профиля в тепловом диапазоне (λ=7,5-14,0 мкм), в летний период при среднесуточных значениях температуры верхних горизонтов почвы выше 0°С.

В зависимости от целей исследований съемка может осуществляться для полного разреза (до глубины почвообразующих горизонтов) или почвенной прикопки (только верхние генетические горизонты). Почвенный разрез закладывается таким образом, чтобы анализируемая стенка профиля была затенена и не освещалась прямыми лучами солнца, что необходимо для сохранения значимых различий радиояркостной температуры по глубине профиля в течение времени проведения съемки. При съемке следует учитывать погодные условия, в солнечную погоду устанавливается затеняющий экран. Оптимальное время съемки почвенного профиля - период с 12 до 17 ч. местного времени, что обусловлено особенностями суточного хода температур и теплообмена в системе «приземный слой атмосферы - верхние горизонты почвы». Съемка проводится перпендикулярно стенке разреза с расстояния равного 50-200 см, позволяющего захватить необходимый фрагмент почвенного профиля на определенную глубину (фиг. 1а). Для съемки глубоких разрезов напротив рабочей стенки профиля делается ступенька, позволяющая опустить радиометр на необходимую глубину.

Изображения, получаемые ИК-радиометром, должны сопровождаться калибровочными данными, необходимыми для перевода яркости каждого пикселя в значения радиояркостной температуры. Могут быть использованы радиометры с функцией автоматической калибровки изображения. После процедуры съемки и калибровки изображения для исследуемого почвенного разреза формируется двумерный массив значений радиояркостных температур, соответствующий разрешающей способности прибора съемки. В среднем изображение имеет размер не хуже 100×50 пикселей, что соответствует массиву 5000 значений радиояркостной температуры. Пространственное разрешение пикселя изображения должно составлять 1-2 см в зависимости от технических характеристик прибора съемки и фокусного расстояния F (фиг. 1а). Далее выполняется обработка получаемого в результате ИК-съемки двумерного массива измерений температуры, где каждый i-й элемент массива представляет собой значение температуры Ti(x, y) для данного элементарного квадрата почвенного профиля с координатами (x, y), линейный размер которого определяется разрешающей способностью используемого ИК радиометра, но должен быть не хуже, чем 1 см × 1 см. Далее выполняется усреднение температур для всех элементарных ячеек одной строки, в результате получаем по одному усредненному значению температуры T_x для каждой строки, а количество измерений температуры по глубине будет равно количеству элементов массива по строкам. Полученный ряд T_x(y) будет определять распределение температуры с глубиной T_x(y)=T(h).

Непосредственно классификация почв производится по характеру изменения кривой распределения температуры и вариации градиента температуры (ΔT/Δh) вдоль кривой в почвенном профиле (фиг. 2) в сравнении с модельными вариантами (таблица), выделяющими 4 класса почв и учитывающие различия теплофизических характеристик отдельных горизонтов почв, среди которых первый класс почв характеризуется четко различающимися переходом от линейного к экспоненциальному участку кривой и скачкообразным изменением угла наклона кривой на границе органогенного горизонта, второй класс почв характеризуется экспоненциальным видом кривой температуры и плавным изменением угла наклона кривой на границе органогенного горизонта, третий класс почв характеризуется кривой температуры логарифмического вида с углом наклона кривой в каждой точке графика близкой к постоянной величине, в почвах четвертого класса кривая температуры имеет пилообразный вид, со спорадическими вариациями профиля кривой и углов наклона кривой в каждой точке кривой изменения температуры.

В Таблице отражены основные характерные особенности теплового состояния для каждого выделяемого класса почв, а также характеристика почвы, которая является определяющей при формировани различия теплового состояния.

Таблица Почвы Характеристика распределения температуры в профиле Характеристика градиента температуры с глубиной Характеристика почв Класс 1 Четко различаются два участка кривой: линейный и экспоненциальный. Угол наклона кривой скачкообразно меняется (ϕ₁→ ϕ₂) на границе органогенного горизонта (слоя) В верхней части профиля градиенты составляют 0,5-2,0°C/см, резко уменьшаясь после границы органогенного горизонта в нижней части профиля - до 0,1-0,3°C/см Почвы, имеющие хорошо развитый поверхностный органогенный горизонт, выполняющий функцию термоизолирующего слоя Класс 2 График описывается экспоненциальной функцией. Угол наклона кривой меняется (ϕ₁→ϕ₂) на границе органогенного горизонта (слоя) Градиенты температуры изменяются постепенно от 0,5-2,0°С/см до 0,1-0,3°С/см Почвы, имеющие органо-аккумулятивный горизонт, но не имеющие на поверхности сформированного органогенного горизонта, или органогенный горизонт разрушен Класс 3 График описывается логарифмической функцией. Угол наклона кривой в каждой точке графика близок к постоянной величине (ϕ ≈ const) Градиент температуры вдоль всего графика составляют не более 0,1-0,3°C/см. У почвы однородный по структуре профиль с постепенным снижением содержания органического вещества по глубине, поверхностный органогенный горизонт отсутствует или разрушен Класс 4 График имеет «пилообразный» вид, со спорадическими вариациями профиля кривой изменения температуры (ϕ_i, ϕ_j) Градиенты спорадически меняют величину и знак на смежных участках кривой температуры Почва со значительным нарушением строения профиля, сложное строение профиля, турбированные почвы, имеющие большое количество включений в верхней части профиля, при этом не имеющие органогенного горизонта

Использование предлагаемого способа классификации почв обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: 1) возможность категоризации почв по тепловому состоянию без необходимости экспертного контроля; 2) высокую оперативность получения исходных данных и результатов классификации, 3) возможность анализа вертикального распределения температуры в профиле почв с высокой дискретностью, 4) возможность анализа градиентов температуры вдоль почвенного профиля с высокой дискретностью.

Изобретение относится к почвоведению, а именно к способу классификации почв по тепловому состоянию на основе кривых распределения температуры в почвенном профиле, которые строятся на основе предварительной обработки двумерного массива измерений температуры в тепловом ИК-диапазоне (λ=7,5-14,0 мкм), в результате чего классификация почв проводится на основе анализа характерных особенностей изменения градиента температуры почвы по глубине, определяемых по графику распределения температуры T(h) в почвенном профиле. Способ классификации почв по тепловому состоянию на основе ИК-съемки профиля, характеризующийся тем, что классификация почвы выполняется согласно конфигурации кривой T(h) и изменению градиентов температуры вдоль кривой (ΔT/Δh) в сравнении с возможными модельными вариантами, среди которых первый класс почв характеризуется четко различающимися переходом от линейного к экспоненциальному участку кривой и скачкообразным изменением угла наклона кривой на границе органогенного горизонта, второй класс почв характеризуется экспоненциальным видом кривой температуры и плавным изменением угла наклона кривой на границе органогенного горизонта, третий класс почв характеризуется кривой температуры логарифмического вида с углом наклона кривой в каждой точке графика, близкой к постоянной величине, в почвах четвертого класса кривая температуры имеет пилообразный вид со спорадическими вариациями профиля кривой и углов наклона кривой в каждой точке кривой изменения температуры. Техническим результатом изобретения является получение количественных характеристик, отражающих закономерности распределения температуры T(h) в почвенном профиле, характерные для различных вариантов почв, с последующей автоматической классификацией почв по тепловому состоянию. 2 ил.

Способ классификации почв по тепловому состоянию на основе ИК-съемки профиля, характеризующийся тем, что классификация почв проводится по характерным особенностям изменения градиента температуры почвы по глубине, определяемым по графику распределения температуры T(h) в почвенном профиле, который строится на основе обработки двумерного массива измерений температуры в тепловом ИК-диапазоне λ=7,5-14,0 мкм, на основе чего выполняется классификация почвы согласно конфигурации кривой T(h) и изменению градиентов температуры вдоль кривой (ΔT/Δh) в сравнении с возможными модельными вариантами, среди которых первый класс почв характеризуется четко различающимися переходом от линейного к экспоненциальному участку кривой и скачкообразным изменением угла наклона кривой на границе органогенного горизонта, второй класс почв характеризуется экспоненциальным видом кривой температуры и плавным изменением угла наклона кривой на границе органогенного горизонта, третий класс почв характеризуется кривой температуры логарифмического вида с углом наклона кривой в каждой точке графика, близкой к постоянной величине, в почвах четвертого класса кривая температуры имеет пилообразный вид со спорадическими вариациями профиля кривой и углов наклона кривой в каждой точке кривой изменения температуры.