Способ дистанционного определения геофизических параметров почв Советский патент 1992 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к дистанционным способам контроля геофизических параметров почв, таких как влажность поверхностного и глубинных слоев, степень минерализации почвенного раствора и т.д., и может быть использовано при решении широкого круга задач агрометеорологии, гидрометеорологии, мелиорации сельского и лесного хозяйства геологии и контроля природной среды.

Известен контактный способ определения геофизических параметров почв В соответствии с этим способом на исследуемом учатске почвы берутся образцы грунта при определении поверхностной влажности на трех горизонтах с 3-кратной повторностью; при определении профиля влажности до 2 м бурением почвы до 1 м с отбором проб через каждые 20 см, при определении уровня залегания

VJ

о со о

СП

о

грунтовых вод бурением почвы до водного зеркала; при определении солености почв с отбором дополнительных образцов грунта. Полученные образцы взвешивают, сушат, из них берется водная вытяжка солей и т.д.

Данный способ характеризуется большой трудоемкостью, низкой оперативностью (время анализа проб 2-3 сут).

Известен также способ дистанционного определения геофизических параметров почв по данным только СВЧ-радиометриче- ских измерений. По этому способу по данным СВЧ- радиометрических измерений и выборочных контактных измерений сначала определяют интенсивность собственного СВЧ-излучения почвы под растительностью путем учета влияния растительного покрова на СВЧ-излучение системы почва-растительность, а затем по значениям радиоярко- стной температуры (коэффициента излучения) собственно почвы по гарировоч- ным зависимостям или расчетным путем определяют геофизические параметры почв.

Учет влияния растительности при этом производится следующим образом: на основе выборочных наземных контактных данных определяют средние для отдельных участков земной поверхности значения биомассы растительности на основе этих данных рассчитывают коэффициент, учитывающий влияние растительности на излучательные свойства почв, и по коэффициенту излучения системы почва-растительность восстанавливают значение коэффициента излучения почвы а по его значению с помощью известных методик определяют геофизические параметры

Недостатками данного способа являются: необходимость проведения большого числа трудоемких операций, включающих скашивание растительности на тестовых участках и анализ полученных образцов; большие значения погрешности определения коэффициента излучения почвы, обусловленные вариациями биомассы растительности в значительных пределах; сложность организации автоматизированной обработки данных измерений над полями с различными типами культур.

Вследствие ошибок в определении степени влияния растительности на собственное СВЧ-излучение системы почва-растительность коэффициент излучения почвы определяется неправильно, что приводит к ошибкам определения геофизических параметров.

Целью изобретения является повышение точности определения геофизических параметров почвы

Для отого одновременно с измерением коэффициента собственного СВЧ-излуче- ния (КИ) участка земной поверхности «ч измеряют коэффициент спектральной яркости

(КСЯ) п в ближнем инфракрасном диапазоне волн (0,76-0 96 мкм) того же участка земной поверхности; измеряют коэффициент спектральной яркости близлежащего участка почвы без растительности го при тех же

условиях освещенности; по измеренным значениям АЧ, п, го определяют коэффициент собственного СВЧ-излучения почвы под растительностью /со из соотношения

1 - л о г г. г0 пШ

I Л О Г Г 1 -A f оП J

(D

ИЛИ

«U 1 + ( АЧ - 1 )

г0 nV;4

TJ

(2)

где г - известный из литературы коэффициент спектральной яркости растительности при максимальной ее густоте (зависит от типа растительности):

у . а- известные из литературы коэффициенты, характеризующие изменение соответственно интенсивности собственного

СВЧ-излучения и КСЯ растительности с биомассой.

по коэффициенту излучения почвы KQ определяют геофизические параметры почвы.

Реальные почвы, как правило, покрыты

растительностью находящейся на различных стадиях вегетации (развития). Растительный покров поглощает и рассеивает радиоволны, причем характеристики поглощения и рассеяния существенно зависят от длины волны излучения и биометрических параметров растительности. Это приводит к тому что коэффициент излучения, измеряемый в СВЧ-диапазоне системы почва-растительность, отличается от коэффициента излучения АО собственно почвы:

А 1 - Л О

v,n

+ ( 1 - e fy

(3)

где AM - КИ системы почва-растительность;

л о - КИ почвы под растительностью;

m - биомасса растительности, кг/м : у- известный коэффициент, зависящий от длины волны СВЧ-диапазона.

Зависимость у от биомассы известна. На практике для определения измеряют биомассу на небольшом тестовом участке полм тср (выкашивают, взвешивают), считают, что биомасса растительности вдоль поля не меняется, поэтому по тарировочной зависимости определяют у, а по ней для всего поля рассчитывают текущее значение КИ собственно почвы под растительностью/со:

KQ (- 1 - /ci).

(4)

С другой стороны, коэффициент спектральной яркости п системы почва-растительность в ближнем ИК-диапазоне практически полностью определяется характеристиками растительности, а для участков земной поверхности без растительности практически не зависит от определяемых геофизических параметров почвы.

КСЯ в ближнем ИК-диапазоне системы почва-растительность описывается выражением

П U + (г0 - г. J -е

-#.т

(5)

где п - КСЯ системы почва-растительность;

го - КСЯ почвы без растительности;

г - КСЯ растительности с максимальной густотой;

«-известный коэффициент, зависящий от типа с/х культуры.

Интенсивность собственного СВЧ-из- лучения почв устойчиво зависит от их геофи- зических параметров (ГПФ), таких как влажность, температура, соленость, уровень залегания грунтовых вод и т.п. Разработаны и проверены в лабораторных и натурных условиях методики определения ГПФ по измеренным значениям КИ на одной или нескольких волнах по тарировоч- ным зависимостям или расчетным путем.

Указанные методики разработаны для случаев, когда растительность на поверхности почвы отсутствует. При определении же характеристик почвы, покрытой растительностью, принималось допущение, что биометрические характеристики растительности неизменны на всем исследуемом участке. Одновременно определение характеристик и почвы, и растительности на основе многоканальных СВЧ-радиометрических измерений приводило к значительным погрешностям, величина которых к тому же зависила от геофизических параметров почв,

Для многопараметрических систем величина погрешности определения параметров по данным многоканальных измерений зависит от степени ортогональности векторов, характеризующих зависимость изменения характеристик системы от соответствующих параметров.

На фиг. 1 изображены двумерные корреляционные диаграммы вариаций КИ на

двух волнах СВЧ-диапазона и КСЯ в ближнем ИК-диапазоне и вариаций КИ в дециметровом диапазоне волн для системы почва-растительность в условиях вариаций влажности поверхностного слоя почвы и биомассы растительности. Для сравнения на диаграмме показаны также взаимное расположение векторов, характеризующих зависимость изменения ИК и КСЯ от влажности почвы и биомассы растительности,

Из приведенных диаграмм видно, что при совместном использовании СВЧ-радиометрических и оптических (в ближнем ИК- диапазоне) данных ортогональность

соответствующих векторов увеличивается, а погрешность определения ГФП, вчастности влажности почвы, снижается,

Таким образом, проведенные исследования показали, что совместное использование СВЧ-радиометрических измерений и данных в ближнем ИК-диапазоне (0,76-0,96 мкм) перспективно с точки зрения снижения погрешности определения ГФП почвы под растительностью.

Анализируя выражения (3) и (5), после

несложных преобразований получают

35

.+(„- )-

т

Таким образом, проведенные исследования показали также, что взаимосвязь между коэффициентом собственного СВЧ- излучения и коэффициентом спектральной

яркости в ближнем ИК-диапазоне (0,76-0,96 мкм) устойчива для различных типов растительности, описывается, выражением (1) и характеризуется видом, изображенным на фиг. 2. Использование данных измерений

A.-Q, п, го позволяет определить интенсивность излучения собственно почвы и по ней восстановить значения геофизических пар- метров

Пример. Необходимо определить

степень увлажнения поверхностного слоя почвы, покрытого пшеницей, биомасса которой в пределах трассы полета меняется от 50 до 150 ц/га. Биомасса тестового участка 100 ц/га. Для определения влажности почвы используется СВЧ-радиометр на волне 18 см. В трех контрольных точках

,8; .85; ,9; ц/га; ц/га; ц/га.

Расчетные значения в этих точках

17639568

Из тарировочной зависимости (г/см3)

Изобретение относится к дистанционным способам контроля геофизических параметров почв, таких как влажность поверхностного и глубинного слоев, степень минерализации почвенного раствора и т.д., и может быть использовано при решении широкого круга задач агрометеорологии, гидрометеорологии, мелиорации сельского и лесного хозяйства, геологии и контроля природной среды. Целью изобретения является повышение точности определения. Одновременно с измерением интенсивности собственного СВЧ-излучения почвы, покрытой растительностью, дополнительно измеряют излучательные характеристики подстилающей поверхности в ближнем ИК-диапазоне. С помощью аналитического выражения определяют интенсивность собственного СВЧ-излучения собственно почвы. По полученному значению на основе известных тарировочных зависимостей или расчетным путем определяют влажность поверхностного или глубинного слоя почвогрунтов, уровень залегания грунтовых вод, степень минерализации почвенного раствора и т.д Это позволяет повысить точность дистанционного определения геофизических параметров почв, покрытых растительностью снизить трудоемкость работ повысить их оперативность 2 ил

коЧ,75;

,82;

ко 0,875.

Учитывая вариации биомассы по полю, истинные значения КИ почвы

,77; .82; /С0и3 0,867.

С помощью тарировочной зависимости определяют значения влажности и возможную погрешность ее определения за счет вариаций биомассы (г/см ):

На том же участке почвы используют дополнительно спектрометр Барнесс, одним из рабочих диапазонов которого является 0,76-0,9 мкм. Значения КСЯ в контрольных точках

,22; ,24; ,277 ; ,111

для озимой

го

0,336, ,,

пшеницы ,5 -з

«e-n-(

,77; ,82;

,867.

,17;

,12;

,11.

0

Формула изобретения Способ дистанционного определения геофизических параметров почв, заключающийся в измерении коэффициента собственного СВЧ-излучения /Ci исследуемого участка системы почва-растительность и определение коэффициента собственного СВЧ-излучения /со почвы под растительностью, по которому по тарировочным зависимостям определяют параметры почвы, о т - 5 личающийся тем, что, с целью повышения точности, дополнительно измеряют коэффициент спектральной яркости (КСЯ) п исследуемого участка в инфракрасном диапазоне волн, измеряют КСЯ гс почвы без растительности в том же диапазоне волн, а коэффициент собственного СВЧ-излучения почвы под растительностью определяют из соотношения

0

1 -KQ

1 -К

- / - и Гйо- П )

Ш

где г - коэффициент спектральной яркости растительности при максимальной ее густоте, зависящий от типа растительности;

у - коэффициент, характеризующий взаимосвязь коэффициента собственного СВЧ-излечения растительности с биомассой;

а - коэффициент, характеризующий взаимосвязь коэффициента спектральной яркости растительности с биомассой.

/л т2 Л

- Л2 A3

- ч/ л /

I r - n

o

Ъ-

Л

-

50 /7

Фиг. 2.