Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Некоторые методы интерпретации данных дистанционного зондирования почвенного покрова в СВЧ диапазоне

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

Автореферат диссертации по теме "Некоторые методы интерпретации данных дистанционного зондирования почвенного покрова в СВЧ диапазоне"

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

РОМАНОВ Андрей Николаевич

НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИТОВАНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА В СВЧ ДИАПАЗОНЕ

специальность 11.00.11 - охрана окружающей срелм и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Барнаул - 1994

Работа выполнена в Алтайском государственном университете

Научные руководители: член-корреспондент Российской Л Н,

профессор МИРОНОВ В.Л. кандидат физико-математических наук, доцент КОМАРОВ С.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор ФИСАНОВ В.В. кандидат физико-математических наук, профессор БОБРОВ П.П.

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН

Защита состоится __ 1994 г. в _ часов

мл заседании Специализированного совета К 064.45.03 в Алтайском государственном университете

Адрес: 656099, Алтайский край, г. Барнаул, ул. Димитрова 66 С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке АГУ

Автореферат разослан "_" _ 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Почвенный покров,являющийся важной составной частью природной среды, оказывает существенное влияние на жизнедеятельность человека. В настоящее время объективная информация о состоянии почвенного покрова на больших площадях, используется для решения широкого круга задач, стоящих в области научных исследований глобальных природных процессов, охраны земельных ресурсов, рационального природопользования. Получение такого большого объема информации оказалось возможным после успешного внедрения в практику аэрокосмических методов дистанционного зондирования земных покровов.

Одной из наиболее сложных проблем, возникающих при разработке методов дистанционного зондирования почвенного покрова является проблема достоверной интерпретации данных дистанционного зондирования. При этом актуальной научной задачей является изучение закономерностей взаимосвязи характеристик собственного теплового и рассеянного электромагнитного излучения почвенного покрова от физико - химических, гидрологических и структурных особенностей . почвы, которые существенным образом зависят от генезиса, почвенно-климатических условий региона, инженерной деятельности.

Основная цель диссертации состоит в разработке методов интерпретации данных дистанционного зондирования почвенного покрова в СВЧ - диапазоне, на основе установления взаимосвязей между радиоизлучательными и гидрофизическими характеристиками почв, а также в апробации этих методов в почвенно - климатических условиях Алтайского края.

Научная новизна . работы. Разработан и апробирован в трея почвенно - климатических зонах Алтайского края уточненный дистанционный радиометрический метод определения влажности почв, основанный на использовании региональных баз данных, включающш в себя значения диэлектрических параметров почв-, измеренные е лабораторных условиях.

Разработан и апробирован в двух почвенно -климатически» зонах Алтайского края уточненный дистанционный радиометрический метод определения глубины залегания грунтовых вод, основанный на измерении коэффициентов излучения почвы на двух длинах волн и включающий в себя гидрофизические параметры конкретных почв.

Исследовано влияние глубины промерзания, полной влажности и термодинамической температуры на радиоизлучение мерзлых незаселенных почв в диапазоне 0.6-13.33 ГГц. Экспериментальнс установлена зависимость коэффициента излучения мерзлой почвы на частоте 0.6 ГГц от глубины промерзания.

Исследовано в полигонных условиях влияние засоленности солями ИаСЬ на радиоизлучательные характеристики модельного почвогрунта, находящегося при отрицательной температуре.Получены регрессионны зависимости радиояркостной температуры и коэффициента излучения модельного почвогрунта от температуры и засоленности. Эти зависимости могут быть положены в основу дистанционногс радиометрического метода определения -засоленности почв.

Научная ценность состоит в экспериментальном исследовании радиоизлучательных характеристик почвенного покрова в зависимости от варкаций влажности,термодинамической температуры,засоленности, глубины залегания грунтовых вод, глубины промерзания почвы в диапазоне частот 0.6 - 13.33 ГГц.

Практическая ценность состоит в использовании разработанных штодов в сельском хозяйстве, агрометеорологии, гидрологии, в *елях регионального экологического мониторинга земельных )есурсов.

Научная апробация результатов. Основные результаты работ, ¡оставляющих содержание диссертации докладывались автором на сраевой научно - практической конференции (Барнаул, 1989); на ;оветско - итальянском научном семинаре (ИРЭ РАН, Москва, 1989); ia Всесоюзном совещании "Роль мелиорации в природопользовании4 [Владивосток, 1990); на 1-й, 2-й научных конференциях "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной ;реды", (Ереван,1990;Муром,1992); на 16-й, 17-й научных конференциях по распространению радиоволн (Харьков,1990; Ульяновск, 1993) ia 5-й Всесоюзной научно-практической конференции "Дистанционный лониторинг экосистем" (Барнаул, 1990); на Всесоюзной школе -:еминаре "Дистанционные радиофизические методы исследования природной среды", (Барнаул, 1991); на Межрегиональной конференции "Проблемы региональной экологии" (Томск,1992), на International 3eoscience And Remote Sensing Symposium (IGARSS'93),(Tokio,1993).

Основные результаты диссертации опубликованы в печатных работах [1-21], перечисленных в конце автореферата.

Практическая апробация результатов. Разработанные методы применялись при выполнении хоздоговорных работ в рамках государственной российской программы "Экология России" и "Комплексной программы по научному обеспечению в 1992-1993 гг. работ, связанных с оценкой последствий антропогенного загрязнения экружающей среды и испытаний ядерных устройств на население Алтайского края".

Достоверность основных результатов подтверждается тем, чт они получены в условиях самолетных, полигонных и полевь измерений, проведенных с контролируемой точностью и подтвержде! данными лабораторного эксперимента. Кроме того, в частных случа* они совпадают с результатами экспериментальных исследовани{ проведенных другими авторами.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех гла£ заключения, приложения, списка литературы. Общий обье диссертации - 129 страниц машинописного текста, включая ; рисунков, 12 таблиц и библиографию из 140 наименований.

Защищаемые положения.

1. Уточненный дистанционный радиометрический метод определени влажности поверхностного слоя почвы, основанный на использовани региональных баз данных диэлектрических и гидрофизически параметров почвенного покрова.

2. Уточненный дистанционный радиометрический метод определени глубины залегания грунтовых вод, основанный на дистанционно определении коэффициентов излучения почвы на двух длинах волн использовании региональных баз данных диэлектрических гидрофизических параметров почвенного покрова.

3. Дистанционный радиометрический метод определения засоленност по радиоизлучению почвы, находящейся при отрицательно термодинамической температуре.

4. Результаты экспериментальных исследований и численных расчето радиоизлучательных характеристик почвенного покрова, выполненны в диапазоне электромагнитных волн 0.6-13.33 ГГц при вариация влажности, термодинамической температуры, засоленности и глубин глубины промерзания почвы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, ается краткий обзор современного состояния исследований по азработке дистанционных радиометрических методов определения идрофизических параметров почв. Формулируется основная цель иссертации и приводится ее основная характеристика.

В первой главе приведено краткое описание основных физических арактеристик почв, необходимых для изложения результатов сследований. Приведена классификация категорий почвенной влаги, писана методика экспериментальных исследований. Дана краткая арактеристика бортового 6-канального радиометрического эмплекса, используемого при дистанционном зондировании земной эверхности.

Вторая глава посвящена изложению разработанных дистанционных биометрических методов определения влажности почвы и глубины глегания грунтовых вод, основанных на использовании данных 1бораторных измерений диэлектрических характеристик почв.

В параграфе 2.1.1 приведено описание дистанционного биометрического метода определения влажности поверхностного юя почвы. Этот метод основан на использовании региональных 13 данных, включающих в себя значения гидрофизических параметров )чв и значения диэлектрических параметров этих почв, измеренные в 1бораторных условиях [9]. Для вычисления количества содержащейся почве влаги используются коэффициенты излучения почвенного пок->ва, определяемые дистанционным способом, а также следующие фаметры, составляющие основу региональной базы данных и фактеризующие почву: коэффициент излучения сухой почвы,

- количество связанной воды, - коэффициент излучения поч! увлажненной до - коэффициент излучения несвязанной водь

В параграфе 2.1.2 приведено экспериментальное обоснован! разработанного метода, заключавшееся в сравнении радиационнс влажностных зависимостей, расчитанных с помощью этого метода расчетными значениями коэффициентов излучения, полученными результате лабораторных измерений комплексной диэлектрическс проницаемости (КДП) влажных почв, отобранных с тестовых участкс и данными дистанционных измерений коэффициентов излучения поч] осуществленных с борта самолета в диапазоне 1.0-1.67 ГГц [13,14!

В параграфе 2.2 приведено описание дистанционно1 радиометрического метода определения уровней неглубоко! залегания грунтовых вод, основанного на дистанционнс определении влажности почвы на двух длинах волн [14,15,20' Получено выражение для определения глубины залегания грунтов! вод дистанционным способом, включающее в себя так1 гидрофизические параметры почв, как высота капиллярного поднят1 над поверхностью грунтовых вод и полная влагоемкость почвы.

В параграфе 2.2 приведены также результаты комплексных иссл< дований по дистанционному определению глубины залегания грунтов! вод в зоне Кулундинского канала (Алтайский край) [3,4,5,14,15! Определены условия и точность измерения уровней грунтовых вс (УГВ) с помощью предложенного метода.

В 2.3 приведены результаты аэрокосмического картирования УГВ I данным самолетной съемки в СВЧ-диапазоне и космической сканернс сьемки, полученной, с помощью МСУ - Э (Космос 1939) в оптическс диапазоне вблизи промышленных отстойников горнообогатительно! комбината. Дистанционное определение уровней грунтовых вод

помощью СВЧ - радиометрии осуществлялось с использованием разработанного метода, описание которого приведено в параграфе 2.2. Показано, что использование информации, получаемой при дистанционном зондировании почв в оптическом и СВЧ - диапазонах позволяет повысить эффективность дистанционного определения УГВ [16,17,19,20].

В 2.4 рассмотрена возможность использования длинноволновой части СВЧ - диапазона для дистанционного зондирования

подстилающей поверхности. Возникающие трудности связаны с возрастанием промышленных помех с понижением частоты, увеличением габаритов антенн. Приведены результаты экспериментальных исследований по оценке влияния антропогенных помех на проведение радиометрических измерений на частоте 0.6 ГГц, а также результаты дистанционных измерений радиоизлучательных характеристик различных подстилающих поверхностей в указанном диапазоне [1,7,10].

В главе 3 приведены результаты исследований радиоизлучательных характеристик мерзлых почв в СВЧ - диапазоне в зависимости от глубины промерзания почвенного покрова, полной влажности, термодинамической температуры и засоленности [6,14,18,21].

В 3.1. приведены результаты экспериментальных исследований по оценке влияния глубины промерзания & на радиоизлучательные характеристики почвенного покрова в диапазоне 0.6 ГГц при вариации <1 в пределах толщины эффективно - излучающего слоя. На основе этих исследований установлена эмпирическая зависимость коэффициентов излучения * от глубины промерзания для тяжелосуглинистых почв зоны оподзоленных и выщелоченных черноземов, темно-серых и серых лесных почв предгорий Салаира. Определены условия применимости установленной зависимости и проведено

/

сравнение с результатами исследований других авторов.

В параграфе 3.2 приведены результаты экспериментальных исследований влияния влажности № на радиоизлучение мерзлых незаселенных почв. Описана зависимость изменения х с изменением влажности для разных температур. Показано экспериментально [211, что при И > где V - обьемное содержание связанной воды в почве, определенное по данным лабораторных измерений КДП, радиоизлучение мерзлой почвы слабо зависит от И. Дано физическое •обьяснение полученным результатам.

В параграфе 3.3. приведены результаты экспериментальных исследований по оценке влияния засоленности почвы на ее радиоизлучательные характеристики на длине волны 2.25 см, в диапазоне изменения термодинамической температуры Т засоленной почвы от -12° до -1°С и засоленности от 1 = 0.0% (незаселенные почвы) до Ъ =1.0% (сильнозасоленные почвы) [14,18,21]. На основе этих исследований предложен дистанционный радиометрический способ определения засоленности по радиоизлучению мерзлых почв, основанный на существовании в мерзлой засоленной почве несвязанной воды, количество которой,для почвы данного гранулометрического состава, зависит от термодинамической температуры и засоленности.

Приведены калибровочные соотношения между радиояркостной температурой и засоленностью в указанном температурном диапазоне, для модельных почвогрунтов.

В отдельном приложении приведены агрофизические характеристики естественных почв на которых проводились комплексные исследования по апробации разработанных дистанционных радиометрических методов и для которых в диссертации получены диэлектрические и радиоизлучательные характеристики

и

Основные результаты, полученные в работе. I. На основе экспериментальных исследований, включавших в себя :амолетные измерения коэффициентов излучения почв, наземные ммерения влажности и лабораторные измерения диэлектрических характеристик почв, разработан уточненный дистанционный радиомет-шческий метод определения влажности поверхностного слоя почвы и фоведена экспериментальная апробация разработанного метода. !. На основе экспериментальных исследований разработан уточненный

[йстанционный радиометрический метод определения уровней

»

геглубокого залегания грунтовых вод, основанный на дистанционном щределении коэффициентов излучения почвы на двух длинах волн и [спользовании региональных баз данных диэлектрических и гидрофи -ических характеристиках почв. Проведена апробация разработанного 1адиометрического метода для двух почвенно - климатических зон лтайского края.

Дистанционный радиометрический метод определения глубины алегания грунтовых вод использован для аэрокосмического артирования грунтовых вод на сельскохозяйственных угодьях, одтопленных фильтрационными водами промышленных отстойников орнообогатительного комбината. Использована радиометрическая ьемка в СВЧ-диапазоне и космическая - сканерная сьемка в птическом диапазоне (Космос 1939).

. Проведены экспериментальные исследования радиоизлучательных арактеристик почв с мерзлым верхним слоем. Установлено, на снове экспериментальных исследований, выполненных с борта амолета, что радиоизлучательные характеристики мерзлых езасоленных почв, имеющих суммарную влажность, превышающую редельное количество связанной воды ( V > У{), существенно

зависят от толщины мерзлого слоя почвы (1 и слабо зависят от суммарной влажности. Установлена эмпирическая зависимость между коэффициентом излучения почвенного покрова и глубиной промерзания для черноземных тяжелосуглинистых почв. 5. Экспериментально установлено, что на длине волны а = 2.25 с* радиоизлучательные характеристики засоленных почв, увлажненных дс влажности, превышающей предельное, для данной почвы, количестве связанной воды ( № > существенно зависят от термодинамичес-

кой температуры и засоленности почвы. На этой основе предложе! метод дистанционной оценки засоленности почвы.

Дальнейшие исследования в данной области могут заключаться I формировании баз данных диэлектрических и гидрофизически, характеристик почв различных почвенно - климатических зон, I целью обеспечения надежного мониторинга запасов влаги использованием космической и самолетной радиометрической сьемки а также наблюдений с помощью радиолокаторов с синтезированно апертурой, практическое применение которых на космически аппаратах сегодня становится повседневной реальностью. Наилучши способом эта работа может быть выполнена в ходе комплексны исследований, включающих лабораторные измерения диэлектрически параметров почв, наземные гидрологические измерения и самолетны измерения радиоизлучательных характеристик почвенного покров на тестовых участках.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Комаров С.А., Корниенко М.Г., Пятков Г.А.,г Романов А.Н. Использование длинноволновой части СВЧ-диапазона для дистанционного радиометрического определения влажности и температуры почвы. // Тез. докл. краев, научно-практ. конф. " Применение наземных, аэрокосмических, автоматизированных систем для наращивания потенциала агроресурсов". -Барнаул, 1989. -С. 14-16.

2. Бричка C.B., Комаров С.Л., Миронов B.JI., Пятков Г.А., Романов А.Н. Дистанционная оценка водоемов //Тез. докл. Всес. конф. "Применение дистанционных радиофизических методов исследования природной среды ".- Ереван, 1990. -С. 91-92.

3. Романов А.Н. Радиофизический дистанционный мониторинг гидрологической обстановки в районах орошаемого земледелия // Тез. цокл. Всес. совещания " Роль мелиораций в природопользовании". -Владивосток, 1990. -С. 89-90.

i. Бричка C.B., Комаров С. А., Миронов B.JI., Романов А.Н. Дистанционное определение зон фильтрации Кулундинского канала // Гез. докл. Всес. семинара "Дистанционный мониторинг экосистем", -Зарнаул, 1990. - С. 5-7.

5". Комаров С.А., Миронов B.JI., Романов А.Н. Методические рекомендации по дистанционному определению зон фильтрации оросительных <аналов // Тез. докл. 2-й науч. конф. "Применение дистанционных эадиофизических методов в исследованиях природной среды". -Муром, 1990. -С 67-68.

). Комаров С.А.,Миронов B.JI., Романов А.Н. Радиоизлучение мерзлых ючв в СВЧ диапазоне // Там же. -С 69.

1. Романов А.Н., Бричка C.B., Комаров С.А., Смирнов И.С. 1ерспективы использования длинноволновой части СВЧ-диапазона для

радиофизического мониторинга земной поверхности. // Сб. науч. тр ВНИЦ " АИУС-агроресурсы" - М., 1991. -С 141-146.

8. Романов А.Н., Комаров С.А. Использование природных обьекто] для калибровки самолетных СВЧ-влагомеров. //Там же - С 147-150.

9. Бричка C.B., Комаров С.А., Миронов В. Л., Пятков Г.А., Романо А.Н., Рычкова Н<В. Обеспечение высокоточных дистанционных измере ний влажности на основе региональной базы данных //' Тез. докл I6—й Всес. конф. по распр. радиоволн. -Харьков, 1991. -С. 243.

10. Комаров С.А., Миронов В,Л., Романов А.Н. Радиометрия земны покровов в длинноволновой части СВЧ-диапазона. // Тез. докл Всес. школы "Дистанционные радиофизические методы исследовани природной среды", - Барнаул, 1991. -С. 26-27.

11. Бричка C.B., Романов А.Н.,Чечулин М.А., Лунев А.С Определение влагозапасов почв и физических параметре подстилающей поверхности //Информационный листок N 152-91 -Барнаул, 1991.-2 с.

12. Положительное решение по заявке N 4911186/09/00221315 G С N 22304 "Дистанционный радиофизический способ определена влажности" / Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н., Рычко! Н.В //Получено 8.01.1991. Положительное решение от 31.01.1992.

13. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н., Рычкова H Дистанционное определение влажности почв на территории Алтайско] края //Почвоведение . -1992. -NU. - С. 136-139.

14. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н. Дистанциоши зондирование почвенного покрова методами СВЧ-радиометрии, Препринт АГУ - 93/1. Барнаул, 1993. - 29 с.

15. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н. Дистанционн определение уровней грунтовых вод с использованием региональн

баз данных. /Исследование Земли из Космоса. -1993. -N 4. -С.79-82.

16. Комаров С.Л. , Миронов B.JI., Романов Л.Н., Евтюшкин Л. В. Влияние системы отстойников Алтайского горнообогатительного комбината на экологическую обстановку окружающей среды. // В кн. "Ядерные испытания, окружающая среда и здоровье населения Алтайского края Материалы научных иследований." -Барнаул: Изд.-во ЛГУ, 1993. -Т.2. -Кн.2. -С. 150-158.

17. Евтюшкин A.B. Комаров С.А., Миронов B.JI., Романов Л.Н, Возможности аэрокосмического картирования процессов фильтрации и юдтопления в радио и оптическом диапазонах. / Сб. тез. докладов 17-й Всес.конф. по распр. радиоволн, Ульяновск, 21-24 сент. 1993, '/ -Ульяновск, 1993. Секции 3,4,5. -С. 86.

18. Комаров С.А., Миронов B.JI., Романов А.Н., Русаков И.В. Дистанционное обнаружение засоленных земель методами ^ВЧ-радиометрии. / Там же. -С. 87.

19. Комаров С.А., Миронов B.J1., Романов А.Н.. Евтюшкин A.B. )пределение площадей подтопленных земель дистанционными методами. '/ Метеорология и гидрология (в печати). -1994.

20. Байкалова Т.В., Дубина И.Н., Зеленцов А.В:, Евтюшкин A.B. (омаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н. , Аэрокосмический юниторинг процессов фильтрации и подтопления от промышленных * >тстойников /Сб. докл. Междунар. научн. семинара по аэрокосмичес-:кому мониторингу земных покровов и атмосферы, 24-28 мая 1993,

Киев // -Киев, 1993. -С. 134-139. !1. Komarov S.A., Mironov V.L., Romanov A.N., Kleshchenko V.N., lusakov I.E. Remote Sensing of Frozen Soils in VHF - range ' IGARSS'93 // -Tokio,1993. - P. 1998-1990.