Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Мониторинг состояния водохозяйственных систем методом СВЧ-радиометрии

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Язерян, Георгий Гургенович

Введение

КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ПРИРОДООХРАННЫЕ АСПЕКТЫ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ РИСА

1.1 .Изменение экологической обстановки вследствие производства риса

1.2. Технолоический контроль при возделывании риса

1.3. Возможности методов дистанционного зондирования для контроля характеристик рисовых полей

1.4. СВЧ - радиометрический метод для решения задач контроля состоянприродной среды в зонах возделывания риса

1.5.Выводы по главе

2. АППАРАТУРА, УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК РИСОВЫХ ПОЛЕЙ

2.1. Характеристика объ зкта исследования

2.2. Бортовой самолётный ИК - СВЧ - радиометрический комплекс

2.3. Наземные СВЧ - радиометрические установки

2.4. Методика проведения экспериментальных исследований

3. ВЗАИМОСВЯЗЬ БИО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РИСОВЫХ ПОЛЕЙ С ХАРАКТЕРИСТИКАМИ СВЧ - ИЗЛУЧЕНИЙ

3.1. Модели СВЧ - излучения рисовых полей на разных стадиях севооборота

3.2.Взаимосвязь СВЧ - радиационных характеристик рисового посева с биометрическими показателями

3.3.Взаимосвязь СВЧ - радиационных характеристик рисового поля с особенностями микрорельефа поверхности рисового поля

3.4.Сравнительный анализ модельных представлений и экспериментальных исследований. 68 3.5 .Выводы по

главам 2 и 3. 75 4. СВЧ - РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ РИСОВЫХ ПОЛЕЙ 76 4.1.Разработка концептуальных основ для дистанционного мониторинга рисовых полей 76 4.2.0перативная обработка данных и форма представления информации

4.3.Технико-экономические показатели использования СВЧ -радиометрической мониторинговой системы в технологии возделывания риса

4.4. Выводы по главе 4 94 Заключение 96 Приложение 98 Литература

Введение Диссертация по географии, на тему "Мониторинг состояния водохозяйственных систем методом СВЧ-радиометрии"

Актуальность проблемы контроля за состоянием окружающей среды в районах рисосеяния очевидна, т.к. возделывание риса неизбежно приводит к существенным изменениям экологической обстановки как на сельскохозяйственных полях и в окрестностях населенных пунктов, так и во всем регионе рисосеяния в целом.

Объектом исследований являются рисовые оросительные системы (РОС).

Водопотребление культуры риса на порядок выше, чем у других сельскохозяйственных культур и требует создания искусственных водоемов и сети оросительно-сбросных каналов, а также изменения конструкции полей. Данное обстоятельство приводит к значительным изменениям гидрологических условий территории, а использование ядохимикатов и удобрений ухудшает физико-химические характеристики почвы, воды и даже атмосферного воздуха над водохозяйственными системами.

Оперативное получение информации о важнейших характеристиках РОС, занимающих огромные площади, возможно лишь дистанционными методами, среди которых в настоящей работе в качестве базового выбран СВЧ-радиометрический метод.

Целью диссертации является разработка методики дистанционного мониторинга рисовых полей на базе СВЧ-радиометрии и обоснование его места в технологии возделывания риса.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- определить показатели, индуцирующие состояние рисового агроценоза,

- построение моделей СВЧ-излучения рисового поля на разных стадиях вегетационного цикла,

- получение зависимостей между характеристиками СВЧ-излучения и био-геофизическими показателями рисового поля на примере РОС Кубани, оптимизация этих зависимостей путем выбора длин электромагнитных волн, режима увлажнения почвы и сроков проведения дистанционных съемок,

- разработка методик дистанционного СВЧ-радиометрического определения биомассы растений риса и микрорельефа поверхности рисовых чеков: разработка алгоритмов обработки данных дистанционных съемок;

- разработка методических рекомендаций по использованию данных дистанционного СВЧ-радиометрического зондирования в экологически целесообразных технологиях рисоводства.

Методика исследований. По своей методической направленности работа является экспериментальной, базирующейся на широком комплексе лабораторных и натурных исследований с использованием бортовых (самолетных.) СВЧ-радиометрических комплексов, наземных передвижных СВЧ-радиометрических установок и лабораторных средств гидрофизического и бис метрического анализа.

Для обработки данных наземных (контактных) наблюдений использованы методы математической статистики, а при самолетных измерениях - методы обработки трассовых сигналов и изображений. Использованы также методы построения электродинамических моделей СВЧ-излучения подстилающей поверхности для интерпретации данных экспериментов.

Научная новизна работы заключается в:

- разработке основанной на методе СВЧ-радиометрии модели водохозяйственных объектов типа «рисовое поле», включающей такие параметры как влажность почвы, уровень грунтовых вод (УГВ), биомасса растений, микромикрорельеф поверхности чека;

- разработке СВЧ-радиометрического метода определения биомассы растений с момента появления всходов до спелости, позволяющего сэкономить удобрения и оптимизировать уборку урожая;

- разработке технологии мониторинга рисовых полей с использованием СВЧ-радиометрических средств и методов дистанционного зондирования.

На защиту выносятся:

1. СВЧ-радиометрическая методика дистанционного зондирования, с целью мониторинга состояния рисовых оросительных систем и оценки их влияния на окружающую среду.

2. Модель взаимосвязи СВЧ-радиометрических характеристик РОС с неровностями поверхности рисовых чеков и биомассой растительности на разных фазах вегетации внутри затопленных чеков.

3. Разработка основ системы мониторинга РОС на базе СВЧ-радиометрии для управления технологическим процессом возделывания риса с целью экономии водных ресурсов и удобрений.

Практическая значимость работы. Диссертация выполнена в соответствии с планом научных исследований Института радиотехники и электроники Академии наук СССР (ИРЭ АН СССР). Результаты диссертации вошли в отчеты по темам "Грунт" и "Горох" и были использованы Международным научно-производственным объединением "Интерводавтоматика" для создания "Автоматизированной ИСС с использованием методов дистанционного зондирования на базе рисосовхоза "Славянский" (тема "ИВА-2/90").

Результаты диссертации в 1991 году экспонировались на ВДНХ СССР, а автор был награждён серебряной медалью ВДНХ СССР.

Апробация работы: Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах и конференциях: Всесоюзном семинаре "Радиофизические исследования окружающей среды" (Москва 1985г), Первом (1985 г. Иркутск) и Втором (Ленинград, 1989 г.);

Всесоюзных симпозиумах "Дистанционное зондирование земных покровов радиометодами; Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование автоматизации оросительных систем" (Херсон, 1987г); Всесоюзной конференции "Применение дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды (Ереван, 1990 г.); заседаниях Ученого Совета ВНИИ риса ВАСХНИЛ (Краснодар, 1987 г.) и секции мелиорации научно-технического Совета Краснодарского Агропромышленного союза (Краснодар, 1986,1990,1991г.), симпозиуме "Инженерная экология" (1991г.), а также на научных семинарах ИРЭ АН СССР и ИБП РАН.

Публикации: Основные результаты и положения диссертации опубликованы в 8 статьях, 4-х изобретениях и научных отчетах ИРЭ АН СССР и МНПО "Интерводавтоматика".

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 110 страницах, включает 25 рисунков, 5 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и библиографии.

Заключение Диссертация по теме "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", Язерян, Георгий Гургенович

Основные результаты диссертации могут быть сформулированы следующим образом.

1. Предложена целостная концепция мониторинга рисовых оросительных систем и прилегающих территорий, которая включает оценку ключевых параметров и факторов, влияющих на состояние рисовой экосистемы. Методика мониторинга базируется на использовании СВЧ-радиометрического метода дистанционного зондирования.

2. К условиям водохозяйственных систем Кубани адаптированы ранее известные СВЧ-радиометрические методики оценки минерализации водоёмов, влажности почвы и УТВ. На основе этих методик автором предложен способ оценки интегральных фильтрационных свойств почвы на рисовых полях.

3. Впервые предл >жены электродинамические модели СВЧ-излучения рисового поля, описывающие его характерные состояния в течение всего вегетационного цикла: модель однородной почвы с шероховатой поверхностью в условиях равномерного увлажнения и естественного иссушения - в предпосевной период; модель неоднородной слоистой среды "растительность-вода" - на разных фазах вегетационного периода.

4. Впервые экспериментально и теоретически исследованы взаимосвязи спектров СВЧ-излучения с параметрами шероховатости рисового поля, биометрическими характеристиками рисового посева в отсутствие и при налички сорняков.

5. Разработаны СВЧ-радиометрические методики оценки микрорельефа поверхности рисовых подей и биомассы растений на разных фазах вегетации в затопленных чеках (включая прогноз урожая риса), что наряду с методиками определения влажности почвы, УГВ, минерализации водоемов позволило создать основы мониторинговой системы РОС и прилегающих территорий.

6. Показано, что применение разработанной мониторинговой системы в современных технологиях возделывания риса приводит к повышению экономической эффективности и экологической безопасности производства риса.

7. Показана возможность прогнозирования загрязнения поверхностных вод и предупреждения подтопления прилегающих территорий на основе оперативных данных, полученных с помощью мониторинговой системы, априорной информации и известных математических моделей процессов, протекающих в водохозяйственных системах.

Следует отметить, что предложенная мониторинговая система на базе СВЧ-радиометрии, естественно не является единственно возможным информационным каналом для эффективного и оперативного управления технологическими процессами возделывания риса. Но яркостная температура на соответствующей длине волны для любого периода вегетационного цикла является обобщённым показателем качества рисового чека. При прочих равных условиях, чем выше значение Тя усреднённое по чеку, тем более благоприятны агромелиоративные условия для возделывания риса. Исследование данного вопроса, а также использование оптической, ИК и радиолокационной аппаратуры (совместно с СВЧ-РМК) для получения более деальной информации о состоянии растений, наличии болезней и вредителей в посевах риса представляет научный и практический интерес как в аграрном, так и в эколог яческом аспектах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по географии, кандидата технических наук, Язерян, Георгий Гургенович, Москва

1. Алёшин Е.П., Конокова В.П. Краткий справочник рисовода. М.

2. Агроизомаздат, 1986, 256с.

3. Попов В.А. Регулирование грунтовых вод на рисовых системах. Краснодарское книжное издательство, 1984, 96с.

4. Величко Е.Б., Шумаков Б.Б. Агромелиоративные основы возделывания риса. Краснодар: кн. изд-во, 1987.192с.

5. Кибальников C.B. Совершенствование управления рисовыми оросительными системами. Докторская диссертация. М. ВНИИГиМ, 1991.

6. Игнатенко Ю.Ф. Эксплутационная планировка рисовых полей с применением лазерных систем контроля. Кандидатская диссертация. Новочеркасск 1986г. 164с.

7. Шутко A.M. СВЧ радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М. «Наука», 1985. 215с.

8. Богородский В.В. и др. Радиотепловое излучение земных покровов. JI. Гидрометеоиздат. 1977. 225с.

9. Стебаев И.В. и др. Общая биогеосистемная экология. ВО «Наука», Новосибирск. 1993. 290с.

10. Либерман Б.М., Шутко A.M., Гительсон A.A. Использование СВЧ радиометрических приборов и методов для оперативного контроля качества воды, используемой для орошения. Тезисы доклада на

11. Всесоюзном симпозиуме «Дистанционное зондирование земных покровов радиометодами (г.Иркутск)». М. "Радио и связь". 1985. 72с.

12. Ю.Чухланцев А. А. СВЧ-излучение растительных покровов. Автореферат диссертации на соискание ученой, степени кандидата технических наук МФТИ 1981.

13. П.Реутов Е.А. СВЧ-радиационные характеристики неоднородно увлажненных почвогрунтов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. МФТИ 1985.

14. Константинов А.Р., Струнников Э.А. Нормирование оршения: методы, их оценка, пути уточнения. Гидротехника и мелиорация, 1986, № 1-3.

15. Башаринов А.Е. и др. Измерение радиотепловых и плазменных излучений. М."Сов. радио" 1968.

16. Соболев В.В. Перенос излучения в атмосферах звезд и планет. М., Гостехиздат, 1956.

17. Крапивин В.Ф., Свирежов Ю.М., Тарко A.M. Математическое моделирование глобальных биосферных процессов. М. "Наука" 1982,276с

18. Системный подход к управлению водными ресурсами. Под. Ред. А. Бисваса. Перевод с англ. М. "Наука" 1985 392с.

19. Зайцев В.Б. Рисовая оросительная система. М. "Колос" 1975, 351с.

20. Алешин Е.П. и др. Использование дистанционных методов для исследования состояния посевов риса. Вестник с.-х. Науки. 1984, № 4, с 116-119.

21. Алешин Е.П. и др. Программирование высоких урожаев риса. Краснодар. Кн. Из-во, 1977, 95с.

22. Виноградов Б.В. Аэрометоды изучения растительности аридных зон. Л. -М., "Наука", 1966.

23. Беляева И.П. и др. Связь коэффициента яркости системы "почва-растительный покров" с количеством растительной массы. "Метрология и гидрология", 1965, № 8, с. 7-12.

24. Финкелыптейн М.И. Основы радиолокации. М. "Советское Радио", 1973.

25. Зайцев В.Б. Рисовая оросительная система. М., "Колос", 1975, 351с.

26. Костяков А.Н. Основы мелиораций. М.Сельхозгиз.1960. 624с.

27. Бреховских JIM. Волны в слоистых средах. М., "Наука", 1973.

28. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние радиоволн по статистически неровной поверхности. М., "Наука", 1972.

29. Качинский H.A. Почва, её свойства и жизнь. М., "Наука", 1975.

30. Росс Ю.К. Радиационный режим и архитектоника растительного покрова. Л., "Гидрометеоиздат", 1975, 344 с.

31. Объедков Ю.Л. Гидрогеологический анализ аэрокосмической информации. М., "Наука", 1993,146 с.

32. Виноградов Б.В. Космические методы изучения природной среды. М., "Мысль", 1976, 289 с.

33. Богомолов Л.А. Дешифрирование аэроснимков. М., "Недра", 1976.32.3екцер И.С., Джамалов Р.Г. Подземные воды в водном балансе крупных регионов. М., "Наука", 1989, 126 с.

34. Ревут И.Б. Физика почв. Л., "Колос", 1972.

35. Румшиский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М„ "Наука", 1971,192 с.

36. Кибальников В.И., Поляков В.П. Способ определения микрорельефа поверхности рисовых чеков. Авт. свиД. СССР №1190194, 1985.

37. Назарян H.A. Модели и алгоритмы для обработки данных гидрофизического эксперимента. Автореф. докт. дис., М., ИРЭ РАН, 1998, 35 с.

38. Шутко A.M. Роль дистанционных аэрокосмических методов в решении задачи геоэкологического и эпидемиологического районирования Земного шара, Зарубежная радиоэлектроника, "Успехи современной радиоэлектроники", 1999, №2, с.29-56*.

39. Андрианов В.А., Арманд H.A., Кибардина И:И. Рассеяние радиоволн подстилающей поверхностью с растительным покровом. Радиотехника и электроника. 1976, №9, с. 1816-1821.

40. Кучмент JI.C. Модели процессов формирования речного стока, JL, Гидрометеоиздат, 1980,143 с.

41. Кибальников C.B., Язерян Ж.Г. Способ возделывания риса. Авторское свидетельство СССР №1469572. 1988г. Открытия, изобретения 1988, № 12.

42. Язерян Ж.Г., КарпухинВ.И., Пешков А.Н., Кибальников C.B. Способ определения удельной биомассы риса. Авторское свидетельство СССР № 1482601, 1989г. Открытия, изобретения. 1989, № 20.

43. Язерян Ж.Г., Кибальников C.B. Способ определения микрорельефа увлажненной поверхности. Авторское свидетельство СССР № 1517484, 1989г. Открытия, изобретения 1989, № 39.

44. Воробейчик Е.А., Кибальников C.B., Чухланцев A.A., Шутко A.M., Язерян Ж.Г. Способ определения биомассы затопляемого риса в чеках. Авторское свидетельство СССР № 1408986, 1988г. Открытия, изобретения 1988г.

45. Язерян Ж.Г. Прогнозирование урожайности рисовых полей по данным спектральной СВЧ-радиометрической съемки. Тезисы докладов Всесоюзной конференции «Применение дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды» Ереван 1990, с. 95-96.

46. Язерян Ж.Г., Милыиин А.А., Гранков А.Г. Экспериментальное исследование зависимости интенсивности СВЧ-излучения от влажности и микрорельефа поверхности рисовых чеков. Материалы Третьего международного симпозиум «Проблемы экоинформатики» 1998, с. 75-79.

47. Воробейчик Е.А., Петибская B.C., ЧухланцевА.А., Язерян Ж.Г. СВЧ-излучательные характеристики рисовых посевов. Радиотехника и электроника. Том 33, 1988, № 11, с 2420.

48. Воробейчик Е.А., Язерян Ж.Г., Горбанев М.П., Михолапов Г.К. О выборе высоты полета при СВЧ-радиометрических измерениях для целей мелиорации. Гидротехника и мелиорация. 1987, №7, с 43-45.

49. Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. Основные методы. М., "Мир", 1982, 482 с.

50. Скирта Е.Н., Язерян Ж.Г. Об оценке эффектов взаимого влияния элементов дискретной среды на характеристики СВЧ-излучения и рассеивания. Тезисы Докладов на XV Всесоюзной Конференции по РРВ Алма-Аты, 1987г. с.407

51. Сидоров И.А. Решение задачи построения СВЧ радиометров с использованием внутренней калибровки и стабилизации характеристик по двум нетермостабилизированным опорным источникам. Автореферат кандидатской диссертации. М., МНИИП, 1999.

52. Веницианов Е.В., Шевченко М.А. Системный подход при разработке водоохранных программ. Водохозяйственные проблемы. 1996, № 1, с. 18-26.

53. Авакян А.Б., Веницианов Е.В., Хромов В.М. Роль водной и прибрежной растительности в формировании качества воды в водных объектах. Водные ресурсы. 1993. Т.20. № 5, с. 669-670.