Способ определения биомассы прямостоящей растительности Советский патент 1993 года по МПК A01G7/00 G01N29/00 

Изобретение относится к лесному и сельскому хозяйству и может быть использовано при дистанционном бесконтактном определении биомассы надземной части леса или другой растительности, стебли которой близки к вертикали (зерновые, подсолнечник и т. п.).

Известен способ дистанционного определения биомассы растений, заключающийся в одновременном измерении с летательного, аппарата яркостной температуры системы почва-растительность в СВЧ- диапазонё и гамма-излучения почвы.

Недостатком этого способа является необходимость применения двух довольно сложных СВЧ и гамма-спектрометров. Кроме того, применение этого способа связано с дополнительными работами по определению гамма-излучения сухой почвы.

Наиболее близким по техническому осуществлению к предлагаемому способу является способ определения водных запасов в верхнем слое почвы и на ее поверхности, заключающийся в определении запасов воды, водного эквивалента (снега) на поверхности почвы одним из трех приемов:

по ослаблению водой (снегом) потока гамма-излучения радиоактивных элементов почвы, для чего выполняются измерения до и после появления воды (снега) на почве;

по изменению отношения интенсивно- стей двух спектральных линий, принадлежащих одному и тому же изотопу, за счет различия ослабляющего действия на них воды (снега);.

по измерению поглощения гамма-излучения в нескольких (не менее двух) телесных углах, для чего измерения выполняются несколькими детекторами в разных телесных углах.

Однако все три приема осуществления этого способа имеют существенные недостатки,

Сложность первого приема заключается в необходимости проведения двухкратных измерений строго по одним и тем же местам; первый раз без воды (снега) на поверхности почвы, а второй с определяемым запасрм воды (снега).

Втрррй прием обладает невысокой точностью, так как отношение интенсивности двух фотопиков одного изотопа слабо меняется с изменением запасов воды Сенега) на

ел

С

XI

Ю

о«а

поверхности почвы, а кроме того скорости счета в фотопиках невелики.

Третий прием, связанный с измерением двумя или более детекторами в.разных Телесных углах, сложнее двух первых и точность его также уступает им.

Целью изобретения является упрощение измерений и повышение точности при определении биомассы растительности.

Это достигается тем, что в предлагаемом способе, заключающемся в измерении гамма-излучения почвы с использованием эффекта анизотропного ослабления гамма- излучения растительностью, одним узконаправленным (вертикально вниз) детектором гамма-излучения измеряют над лесом (растительностью) одновременно потоки прямых (нерассеянных) и многократно рассеянных гамма-квантов радиоактивных элементов почвы, по потокам прямых гамма-лучей рассчитывают поток многократно рассеянных на уровне земли, а по отношению последнего к измеренному потоку многократно рассеянных гамма-квантов над лесом (растительностью) определяют запасы древесины в лесу (или биомассу другой растительности). ; . .

Использование эффекта анизотропного ослабления гамма-излучения почвы лесом заключается в том, что первичные (нерассеянные) гамма-кванты , идущие в направлении . близком к вертикали, практически не рассеиваются и не поглощаются лесом, т. к. рассеяние (поглощение, ветвями и листвой ничтожно мало, а вертикальная проекция стволов на почву занимает не более 3% площади леса. Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что измерение гамма-излучения почвы проводят одним детектором гамма- излучения, узконаправленным вертикально вниз и измеряют над лесом одновременно потоки прямых и многократно рассеянных гамма-квантов радиоактивных элементов почвы.

Предлагаемый способ заключается в одновременном измерении гамма-излучения почвы узконаправленным (вертикально вниз) детектором прямых (нерассеянных) гамма-квантов, т. е. в измерении фотопиков (спектральных линий), например, линии ка- (1,46 МэВ), линия радия (1,76 МэВ), линии тория (2,62 МэВ) и т. п. и в области многократно рассеянных гамма-квантов от О до 70-100 КэВ. Отношение потоков прямых лучей и многократно рассеянных является однозначной функцией биомассы растительности (леса, зерновых культур, подсолнечника и т. п., отличающихся вертикальной анизотропией размещения биомассы). Объясняется это тем, что прямые лучи, идущие из почвы вертикально вверх, практически не видят леса, т, к. вертикальная

проекция леса на почву занимает не более 3% ее поверхности (ветви для гамма-лучей прозрачны), и следовательно, прямые лучи лесом практически не ослабляются (ослабляет только атмосфера), в то время

как многократно рассеянные кванты, измеренные над лесом, ослаблены и атмосферой и древесиной, Потоки прямых лучей естественных радиоактивных элементов (Ra, Th и К), .выходящие из почвы в атмосферу, пропорцйональны весовым концентрациям элементов в почве (qk, QRa и qth). Соотношения между потоками прямых и многократно рассеянных гамма-квантов у поверхности земли для каждого элемента практически

неизменны в пространстве и во времени. Обозначим эти соотношения ai(, Ra, Th). Коэффициенты ослабления потоков многократно рассеянных гамма-квантов лесом и воздухом не зависят от породивших их элементов, т. е. для всех элементов одинаковы и известны с хорошей точностью.

. Таким образом, последовательность операций реализующих предлагаемый способ сводится к следующему.

По результатам измерений потоков прямых лучей над лесом (или другой вертикально растущей растительностью) рассчитывают их величины на уровне земли, учитывая ослабления воздухом.

По соотношениям рассчитывают общий (суммарный) поток многократно рассеянных квантов у поверхности земли.

Полученный таким образом исходный поток сравнивают с измеренным над лесом

(другой растительностью) и по известным соотношениям определяют биомассу леса (растительности), например, втоннах на гектар; ,- . . / . ..;.. . ... ..

Для точного учета ослабления излучения воздухом Одновременно измеряется высота расположения прибора, температура и давление воздуха, по которым определяется массовая толщина слоя .воздуха между почвой и точкой измерения.

Измерения выполняются с летательного аппарата с высоты 50-100 м современным гамма-спектрометром с детектором гамма-излучения (ДГИ), состоящим из полу- проводникового датчика (ППД), размещенного в экране-коллекторе, обеспечивающим узкую направленность вертикально вниз его диаграммы чувствительности, например, с углом зрения 0 10-15°.

Измеряют плотность потока в угле в прямых лучей следующих спектральных линий: 1,46МэВ-Калий40(1|); 1,76 М.эВ-ра- дий (lR3) и 2,62 МэВ - торий (ть). Кроме того, одновременно измеряют плотность потока многократно рассеянных гамма-квантов в интервале энергий 0-Е0, где Е0 - верхняя граница интервала, выбираемая в области 70-100 КэВ. Выбор верхний границы некритичен, но выбранная граница должна быть стабильна.

По известной формуле полученные значения Ik, iRa и 1тн пересчитываются к уровню поверхности земли (к высоте ), т. е. учитывается ослабление слоем воздуха между излучателем - почвой и ДГИ и ослабление на 3% лесом. Затем рассчитывают плотность потока многократно рассеянных гамма-квантов в интервале энергий (0-Е0) идущих во всех направлениях верхней полусферы у поверхности земли. Расчет выполняют по формуле

lp° aklk°+aRa lRa° + aThlTh0 (1)

где lk°, lRa° и 1ть° - плотности гамма-излучения, выбранных спектральных линий калия, радия и тория у поверхности земли;

ak, aR3 и afh - соответствующие коэффициенты перехода от Ij к lpi°(, Ra, Th).

Индекс О обозначает, что отмеченная им плотность потока имеет место на уровне земли. Запас древесины в лесу (биомассу леса в т/га) рассчитывают по формуле

m fn Ip0-inlp(h)-h,

(2)

где а -массовый коэффициент ослабления многократно рассеянного гамма-излучения ( ,5 т/га);

5h - высота полета.выраженная в массовых единицах (в т/га).

Среднеквадратичная погрешность определения биомассы будет равна

10

1° |Р°

(h) +(Ј ,

(3)

где б 1ро и д I -относительные среднеквадратичные погрешности определения 1р(ь)1ро и lp(h);

7h - погрешность измерения высоты h.

20

д 1р0 д Ip(h) 1 % ; «h 2 м 20 т/га .

При этом, как следует из (3) ат 33 .т/га, это составляет около 12-13% от сред- ней по Союзу биомассы леса равной 250 т/га. Следует отметить, что для получения Oh $ 20 т/га, атмосферное давление должно измеряться с точностью около 1 мм рт.ст., высота с точностью.0,5 м и температура с точностью 1°С.

Применение предлагаемого способа позволяет значительно упростить процесс измерений, исключить двукратное измерение в разное время со строгой привязкой к од- ному месту С учетом изменений влажности почвы.

Использование: лесное хозяйство. Сущность изобретения: регистрируют гамма-из- .лучение почвы в вертикальном направлении и многократно рассеянное гамма-излучение. Определяют величину гамма-излучения почвы над уровнем земли и по разностям измеренных показателей определяют биомассу растительности.

Формула изобретения

Способ определения биомассы прямостоящей растительности, включающей регистрацию плотности потока гамма-квантов от поверхностного слоя земли, отличаю щий- с я тем, что, с целью расширения технологических возможностей, одновременно регистрируют плотность вертикального потока первичных гамма-квантов,и плотность потока рассеянных гамма-квантов в диапазоне последнего не более .100 КэВ, после чего определяют величину плотности потока многократно ра ссеянных гамма-квантов на уровне земли, а биомассу m растительности

рассчитывают в соответствии с зависимостью

т Inlp0-lnlp(h)-h,

где ff массовый коэффициент ослабления многократно рассеянного гамма-излучения;

h - высота регистрации потоков гамма- квантов (в приведенных единицах);

(ро - плотность вертикального потока рассеянных гамма-квантов у поверхности земли;

lp(h) - плотность вертикального потока рассеянных гамма-квантов на высоте h.