Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему
Радиофизические методы дистанционного зондирования почвенного покрова
ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов
Автореферат диссертации по теме "Радиофизические методы дистанционного зондирования почвенного покрова"
На правах рукописи
Комаров СергеН Александрович
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА
11.00.11 — охрана окружающей среды и рациональное
использование природных ресурсов 01.04.03 — радиофизика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Барнаул - 1998
Работа выполнена в Алтайском государственном университете и Научно-исследовательском институте экологического мониторинга при Алтайском государственном университете
Научный консультант: член-корреспондент РАН,
доктор физико-математических наук, профессор Миронов В.Л.
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
профессор Дунаевский Г.Е.
член-корреспондент РАН,
доктор физико-математических наук,
профессор Руденко О.В.
доктор физико-математических наук, профессор Сагалаков A.M.
Ведущая организация: Институт космических исследований РАН
J л ^
Защита состоится 18 декабря 1998 г. в f < * на заседании диссертационного совета Д 064.45.02 в Алтайском государственнохм университете по адресу: 656099, Алтайский край, г. Барнаул, ул. Димитрова 66.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета
Автореферат разослан " 3 " НЛХ^Я iggg г>
Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук, профессор
Безноскж С.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Изучение земных ландшафтов эффективно с применением летательных аппаратов, оснащенных оборудованием, способным осуществлять активное и пассивное зондирование земных покровов в радиодиапазоне. Положительной особенностью радиоволнового зондирования является возможность проведения наблюдений в любое время суток, всепогодность и большая, по сравнению с оптическим диапазоном, глубина проникновения. Сочетание с оптическим зондированием также позволяет получить более полную информацию о состоянии земных покровов.
Основополагающие работы в России по дистанционному радиоволновому зондированию проведены в ИРЭ РАН, ИКИ РАН, ГГО им. А.И. Воейкова, НИРФИ. В то же время дальнейшее развитие дистанционных методов требует последовательного построения баз знаний по закономерностям и характеристикам взаимодействия электромагнитных волн с природными образованиями. Новые физические закономерности позволяют совершенствовать существующие и развивать новые методы дистанционного зондирования.
Диэлектрические характеристики почвогрунтов, в силу их значимости в проблеме дистанционного зондирования, изучались многими исследователями в течение последних тридцати лет. Однако имеется целый ряд явлений в их поведении, которые недостаточно исследованы и не учитываются при дистанционном зондировании. Практически отсутствует адекватная систематизация экспериментальных данных, которая была бы достаточной для построения физических моделей диэлектрической проницаемости почвогрунтов с учетом связанной воды, а также служила основой для построения баз данных по диэлектрическим параметрам почв. Остается слабо изученным совместное влияние связанной воды и засоленности на диэлектрические и радиоизлучательные характеристики почвогрунтов при положительных и отрицательных температурах.
Кроме того, потребности создания современных технологий и приборов для полевых контактных измерений диэлектрических свойств и влажности почвогрунтов с использованием микроволнового излучения выдвинули в число актуальных задач исследование влияния почвогрун-
тов на характеристики излучателей и приемных устройств, расположенных вблизи границы раздела почва-воздух.
Также в проблеме радиолокационного зондирования остается открытым вопрос исследования характеристик рассеянного поля при совместном учете свойств рассеивающей поверхности и расположенных под ней почвогрунтов. В этой связи возникает потребность решения граничных задач рассеяния на случайных неровностях почвогрунта с учетом произвольного изменения их диэлектрической проницаемости с глубиной, а также неидеально проводящих объектах вблизи поверхности земли.
В последние годы стали более доступными для широкого круга исследователей в области радиолокации земных покровов данные радаров с синтезированной апертурой. В этой связи стали актуальными задачи определения возможностей мультиспектральной и мультиполяриза-ционной радиолокации для целей идентификации и классификации радиоизображений земного покрова.
Основной целью данной работы является развитие методов экспериментального и теоретического исследования взаимодействия электромагнитных волн с элементами почвенных покровов с учетом их физических и геометрических свойств, получение новых знаний по диэлектрическим, радиоизлучательным и рассеивающим свойствам почвенных покровов, разработка на этой основе практических методов дистанционного зондирования, испытание применимости и точности предлагаемых подходов в полигонных условиях.
Задачи диссертации.
1. Изучить закономерности влияния связанной воды и засоленности на влажностные и температурные зависимости диэлектрических свойств влажных почвогрунтов в дециметровом и сантиметровом диапазонах. Выделить характерные параметры модельного описания диэлектрической проницаемости и развить метод их лабораторного измерения. С учетом этого обосновать параметризованную модель, адекватно описывающую реальное поведение влажностной зависимости диэлектрической проницаемости.
2. Показать справедливость и пределы применимости полученных закономерностей для естественных почв. Обосновать принцип создания баз данных по диэлектрическим параметрам почв для целей интерпретации сигналов при дистанционном зондировании гидрологических характеристик. Разработать алгоритмы эффективной обработки данных СВЧ-радиометрии по определению влажности почв и уровня грунтовых
вод с применением базовых параметров.
3. Предложить методы радиофизического определения почвенных гидрологических констант, таких как содержание связанной воды и влажность устойчивого завядания растений.
4. Исследовать зависимости коэффициентов излучения почв от гранулометрического состава и содержания растворимых солей при отрицательных температурах. На этой основе предложить методы определения гранулометрического состава и засоленности мерзлых почв.
5. Развить метод и получить решение граничной задачи об излучении из открытого конца полубесконечных волноводов различного поперечного сечения с импедансным фланцем в произвольно плоскослоистую среду. На основе этого решения и модельного описания диэлектрической проницаемости почвогрунтов исследовать характеристики контактных волноводных измерителей влажности почв.
6. Получить решение задачи рассеяния плоской волны на шероховатой границе произвольно плоскослоистого полупространства. На основе решения проанализировать зависимость поляризационного отношения для рассеянных почвенным покровом сигналов от уровня грунтовых вод.
7. Развить метод и получить строгое решение задачи дифракции на импедансной ленте, расположенной вблизи границы раздела почва-воздух. Исследовать влияние параметров ленты на рассеянное поле. Провести количественные оценки эффективной поверхности рассеяния ленты при значениях ширины порядка длины волны.
8. Исследовать области применимости и оценить точность предложенных в работе подходов дистанционного зондирования почв в условиях комплексного натурного эксперимента на примерах определения влажности почв и уровня грунтовых вод.
9. Исследовать возможности применения изображений с поляризационной селекцией, полученных с помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой, для классификации растительности.
Научная новизна.
Установлены новые закономерности поведения показателя преломления и поглощения для почвогрунтов различного гранулометрического состава и засоленности в области положительных и отрицательных температур.
На основе результатов этих исследований обоснована модифицированная рефракционная модель диэлектрической проницаемости почвогрунтов с учетом связанной воды при положительных и отрицательных
температурах, введены характеризующие эту модель параметры,, предложена методика их измерений.
Обоснованная модифицированная модель использована при создании баз данных по диэлектрическим свойствам почв, развитии новых методик и алгоритмов определения влажности, уровня грунтовых вод для неоднородных почвенных покровов с пространственно меняющимися агрофизическими характеристиками.
Впервые экспериментально установлено количественное соотношение между физическим параметром — содержание связанной воды в почво-грунте и биологическим параметром ■— влажность устойчивого завяда-ния растений и предложен новый радиофизический метод определения влажности устойчивого завядания.
Выявлены закономерности влияния содержания связанной воды и растворимых солей на поведение коэффициентов преломления и поглощения влажных грунтов при переходе от положительных температур отрицательным.
Получены новые экспериментальные зависимости радиояркостной температуры и коэффициента излучения почвогрунтов от термодинамиче-' ской температуры и засоленности.
На этой основе предложены оригинальные методы дистанционного радиометрического определения засоленности почв и их гранулометрического состава при отрицательных температурах.
Получено решение задачи о рассеянии плоской волны на шероховатой границе почвогрунта, комплексная диэлектрическая проницаемость которого меняется с глубиной по произвольному закону. Изучено поведение отношения сечений рассеяния сигналов на двух ортогональных поляризациях в зависимости от уровня грунтовых вод в дециметровом диапазоне.
Развиты методы решения граничных задач дифракции электромагнитных волн на структурах типа ленты и волноводные апертуры с фланцем в случае импедансных граничных условий. С помощью данных методов решена задача об излучении из открытого конца волновода с им-педансным фланцем в почвогрунт с произвольным законом изменения диэлектрической проницаемости по нормали к границе. Предложены оригинальные способы определения влажности почвогрунтов путем измерения коэффициентов отражения или взаимной связи для контактных волноводных зондов. Проведена экспериментальная проверка метода. Исследовано поведение эффективной поверхности рассеяния погружен-
ной в почву импедансной ленты в зависимости от таких параметров, как импеданс, ширина ленты, глубина ее погружения и влажность почвы.
Положения, выносимые на защиту.
1. Влажностные зависимости показателей преломления и поглощения в дециметровом и сантиметровом диапазонах для почвогрунтов без засоления при положительных и отрицательных температурах имеют кусочно-линейный характер. Наклон отдельных участков этих зависимостей определяется диэлектрическими свойствами воды в свободном и связанном состоянии, а положение точки их пересечения определяет количество связанной воды в почвогрунте данного типа. Количество связанной воды линейно зависит от процентного содержания глины в почвогрунтах. Зависимости показателей преломления и поглощения почвогрунтов от объемной влажности в присутствии растворимой соли отклоняются от прямых линий.
2. На основе предложенного способа измерения количества и диэлектрической проницаемости связанной воды могут быть построены базы данных по диэлектрическим характеристикам почв, включающие следующие параметры: £со — диэлектрическая проницаемость сухого грунта, \\\ — предельное содержание связанной воды и появления свободной воды, с( — диэлектрическая проницаемость почвогрунта при влажности, равной Wt■
3. Объемное содержание глинистых минералов в почвогрунте можно определить из измерений радиЬяркостной и термодинамической температур, используя зависимости коэффициента излучения влажного почвогрунта при отрицательных температурах от содержания связанной воды.
4. В области отрицательных температур засоленность почвогрунтов может быть определена из измерений его радиояркостной и термодинамической температуры, используя зависимости коэффициента радиоизлучения почвенного солевого раствора от температуры.
5. Разработан оригинальный способ контактного определения влажности почвогрунтов, основанный на установленной зависимости коэффициентов отражения и взаимной связи волноводных апертур с импе-дансным фланцем, расположенных на плоскости раздела почва-воздух.
6. Уровень близко расположенных к поверхности грунтовых вод может быть определен из радиолокационных измерений поляризационного отношения сечений рассеяния шероховатой поверхности почвогрунтов при условии, что размер шероховатости меньше длины волны зондиру-
ющего излучения.
7. Полученные данные в задаче рассеяния на импедансной ленте вблизи границы раздела почва-воздух открывают возможность создания метода определения ЭПР неидеально проводящих рассеивателей с размерами порядка длины волны. .
8. Создана новая информационная технология определения влажности почв и уровня грунтовых вод, основанная на совместном использовании орбитальных изображений земной поверхности в оптическом диапазоне, данных самолетных радиометрических трассовых измерений в микроволновом диапазоне и базы данных по диэлектрическим параметрам почвогрунтов.
9. Показана возможность надежной идентификации и пространственного выделения участков леса с хвойными и лиственными породами на основе тематической обработки мультиизображений, полученных с помощью радиолокатора с синтезированной апертурой вШ-С в пространстве текстурных признаков контраст - среднее значение с предварительной фильтрацией изображений.
Научное и практическое значение. Полученные в диссертационной работе результаты формируют новые представления о закономерностях влияния структуры воды и почвенного раствора на диэлектрические свойства почвогрунтов в микроволновом диапазоне. Развитые теоретические методы решения граничных задач дифракции в материальных средах с поглощением типа неоднородных почвогрунтов позволяют получить результаты для наземных баз знаний, а также служить основой для дальнейшего развития задач данного класса.
Практическую ценность представляет разработанный подход создания базы данных по диэлектрическим свойствам почв и доказательство его эффективности на примере дистанционного зондирования неоднородных по агрофизическим и агрохимическим свойствам равнинных почвенных участков Алтайского края, методы дистанционного зондирования почвенного покрова в зимний период, радиофизический метод определения влажности устойчивого завядания растений. Отработана практика проведения совместных многоуровневых работ: радиофизические лабораторные измерения, наземные полигонные измерения, радиометрические измерения малой авиацией, орбитальный уровень (сканерные и радарные изображения). Результаты комплексных исследований на тестовых территориях позволили дать оценку гидрологических характеристик и экологической ситуации, связанной с антропогенной деятель-
ностью. В частности, построены двумерные картосхемы распределения влажности на пахотных землях, уровня грунтовых вод (УГВ), динамики процессов подтопления земель в окрестностях искусственных оросительных каналов и отстойников горнообогатительного производства.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы при составлении учебных программ, написании учебников и учебных пособий, подготовке новых лекционных курсов по соответствующим разделам современных методов радиоволнового зондирования природных сред.
Достоверность выдвигаемых научных положений и основных результатов работы определяется:
- тщательным анализом реальных инструментальных погрешностей и выполнением серии тестовых лабораторных измерений;
- большим объемом ансамбля экспериментальных данных, согласием в частных случаях результатов эксперимента с данными, полученными другими авторами;
- согласием между теоретическими и экспериментальными результатами, соответствием частных случаев теоретических результатов известным ранее из литературных данных;
- согласием между данными наземных и дистанционных измерений.
Научная апробация результатов. Результаты исследований по
теме диссертации докладывались и обсуждались на 25 симпозиумах, конференциях, совещаниях и семинарах международного, всесоюзного, всероссийского значения, а именно:
VII Всесоюзный симпозиум по дифракции и распространению волн (Ростов-на-Дону, 1977), Всесоюзная конференция молодых ученых "Электродинамические процессы в земле и космосе" (Звенигород, 1989), Всесоюзная конференция "Дистанционное зондирование агропочвенных и водных ресурсов" (Барнаул, 1990), Всесоюзная конференция "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды" (Ереван, 1990), XVI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн (Харьков, 1990), V Всесоюзная научно-практическая конференция "Дистанционный мониторинг экосистем" (Барнаул, 1990), II научная конференция "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды" (Муром, 1990), Всесоюзная школа "Дистанционные радиофизические методы исследования природной среды" (Барнаул, 1991), Intremational Symposium on Radio Propagation (Beijing, China, 1993), XVII Всероссийская конференция по распро-
странению радиоволн (Ульяновск, 1993), IGARSS'93 (Tokio, Japan, 1993), Международный научный семинар по аэрокосмическому мониторингу земных покровов и атмосферы (Киев, 1993), Международная конференция "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995), Выездное заседание Объединенного Ученого Совета по физико-техническим наукам СО РАН "Научный потенциал вузов и НИИ Алтайского края" (Новосибирск-Барнаул-Бийск, 1995), US Russian Workshop on Earth Sciences from Mir-Priroda, Meteor, and other Satellites (Goddard Flight Center, NASA, Greenbelt, MD USA, 1995), Республиканская научно-техническая конференция "Региональные проблемы информатизации" (Барнаул, 1995), IGARSS'95 (Florence, Italy, 1995), 26th International Symposium on Remote Sensing of Environment and the 18th Canadian Symposium on Remote Sensing (Vancouver, Canada 1996), "Technological Civilization Impact on the Environment. Situation in the Post-Soviet Area." International Symposium (Karlsruhe, Deutschland, 1996), International Symposium on Antennas and Propagation (Chiba, Japan, 1996), Научная конференция "Проблемы современной физики" (Саратов, 1996), XVIII Всероссийская конференция по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 1996), Международная научно-практическая конференция "Историческая и современная картография в развитии Алтайского региона" (Барнаул, 1997), IV Симпозиум "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1997), IGARSS'98 (Seattle, USA, 1998), а также на региональных научных конференциях.
Связь с плановыми работами. Тема работы относится к научному направлению "Технологии мониторинга природно-техногенной среды", входящему в утвержденный перечень 17 приоритетных направлений Министерства науки и технологий Российской федерации. В диссертации обобщены исследования, выполненные в Алтайском государственном университете и Научно-исследовательском институте экологического мониторинга при АГУ в рамках плановых научно-исследовательских работ по государственным программам "Университеты России", "Экология России", по госбюджетным темам "Дистанционное зондирование природных ресурсов в условиях антропогенного воздействия", "Разработка научных основ системы регионального экологического мониторинга" , Международному целевому комплексному проекту "Мир-Природа", Международному контракту "Наука-NASA", Комплексной программе оценки последствий ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне на население Алтайского края . Ряд разработанных методов использу-
ется в учебном процессе по специальности "Радиофизика и электроника" на физическом факультете Алтайского университета.
Значительная часть работ выполнялась по совместным проектам и договорам с Институтом радиотехники и электроники РАН. Становление тематики и полученные результаты в большой степени стали возможны благодаря поддержке и заинтересованности Н.А.Арманда, А.М.Шутко.
Личное участие автора при выполнении работы заключалось в постановке задач, творческом непосредственном участии во всех экспериментальных и теоретических исследованиях, результаты которых изложены в настоящей диссертационной работе, в организации исследований, научном руководстве по ряду разделов. Большая часть работ теоретического характера выполнена автором единолично.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 85 работ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, 2 приложений и списка литературы. Она содержит 86 рисунков, 18 таблиц, список литературы включает 275 наименований. Общий объем диссертации составляет 324 страницы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении проведено обоснование актуальности исследования проблемы построения наземных баз данных для целей дистанционного зондирования покровов суши. Дан критический анализ работ по изучаемым проблемам. Сформулированы цели и задачи диссертации, кратко изложено ее основное содержание по главам, перечислены выносимые на защиту положения.
В главе I "Диэлектрические свойства грунтов в диапазоне СВЧ при положительных и отрицательных температурах" исследованы влажност-ные и температурные зависимости диэлектрических свойств грунтов, особенности которых определяются содержанием связанной воды и растворимых солей.
Обоснован экспериментальный метод, создана соответствующая установка для измерений комплексной диэлектрической проницаемости влажных дисперсных смесей в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн, развиты методики приготовления образцов и проведения измерений, проанализированы источники погрешностей и их величины.
Установка собрана по принципу мостовой схемы с использованием промышленных измерителей разности фаз и отношения амплитуд ФК2-
18, либо ФК2-33, непосредственно фиксирующих модуль и фазу коэффициента прохождения через образец. Контейнеры для почвенного образца в диапазоне 0.6 - 3.0 ГГц выполнялись в виде 50-омных отрезков коаксиальной линии; в диапазоне от 3.0 до 12.0 ГГц они представляли собой согласованные с коаксиальным трактом отрезки прямоугольного волновода стандартных сечений. Температурный режим задавался термокамерой MS-71 производства японской фирмы "Tabai Espec. Corp.", которая позволяет работать в диапазоне температур от +] 00°С до —80°С с точностью установки температуры 0.1°С.
Обработку и анализ экспериментальных данных по диэлектрическим характеристикам предложено проводить в терминах коэффициентов преломления и поглощения. На этой основе показана возможность удобного экспериментального определения физических параметров связанной воды — точки перехода от связанной воды к свободной и ее диэлектрической проницаемости. Делается вывод об эффективности применения модифицированной четырехкомпонентной рефракционной модели для описания комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) грунтов различного состава, содержащих связанную и свободную воду. Рассмотрено также влияние связанной воды и засоленности на диэлектрические свойства грунтов при отрицательных температурах и при переходе через 0°С. Показана применимость модифицированной рефракционной модели для описания влажностной зависимости диэлектрической проницаемости почвогрунтов в области отрицательных температур.
Вначале в качестве исследуемого материала брался крупный песок, практически не связывающий воду. Результаты измерений при положительной температуре 25°С показали, что в пределах точности измерений графики зависимостей показателя преломления и поглощения от влажности для песка представляют собой прямые линии. Это свидетельствует в данном случае о хорошем соответствии между трехкомпонентной рефракционной моделью и экспериментальными данными. Затем этот же песок измельчался (средний размер гранул составлял около 50 мкм) и соответствующие зависимости привели к кусочно-ломаным линиям. Появление излома на графиках можно объяснить тем, что в приготовленной таким образом смеси вода находится в различных состояниях. При небольших значениях объемной влажности W (0 < W < Wt) преобладающее количество воды находится в связанном состоянии, а при больших, когда W > Wt, — в свободном. Переход между ними наблюдается довольно резкий и характеризуется точкой Wt, представляющей
собой точку излома при графической интерпретации результатов измерений.
Затем измерения проводились на монтмориллонитовой, бентонитовой и каолинитовой глинах, способных связывать различное количество воды вследствие мелкодисперсности и минералогического состава. При этом качественный ход зависимостей оставался принципиально таким же, как для измельченного песка, но значение \¥1 изменилось и достигло, в отличие от песка, где оно составляло 5%, для бентонита и монтморил-лонта более 25%. Во всех экспериментах точка достаточно хорошо определялась и характеризовала содержание связанной воды в исследуемом почвогрунте. Для монтмориллонита было также проведено более тщательное изучение влажностного поведения показателя преломления пс и коэффициента поглощения кс в области существования связанной воды. При сравнительно высокой частоте сигнала (9.196 ГГц), обеспечивающей лучшее устранение влияния остаточной минерализации почвенного раствора, было сделано 50 измерений, которые хорошо аппроксимируются прямыми линиями. Этот факт дает основание говорить о том, что диэлектрическая проницаемость связанной воды практически не зависит от влажности.
Кроме того, наличие точки излома позволяет обосновать возможность кусочного задания диэлектрической проницаемости воды и ввести в рассмотрение модифицированную модель КДП смеси следующим образом:
Здесь через £са, и £/ обозначены КДП сухого грунта, связанной и свободной воды соответственно. В литературе традиционно принято графическое представление подобных результатов эксперимента в виде зависимостей от объемной влажности непосредственно диэлектрической проницаемости. Однако эти кривые близки к квадратичной зависимости и их ход сглаживается в окрестности точки Wt-
При отрицательных температурах соответствующие влажностные зависимости также представляют собой кусочно-ломаные линии, причем наклон прямых nc(W) и kc(W) в области свободной воды к оси абсцисс значительно меньше, чем при положительных температурах. Это объясняется резким различием диэлектрических проницаемостей воды и льда, вносящих различный вклад в КДП влажной почвы.
W < wt,
1
(1)
^7Q + {y/rb-l)Wt + {^6j-l)(W-Wt) w>wt.
n
2.0
2.5
1.5
3.5
3.0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
W, W, %
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
W, W, %
Рис. 1: Зависимости показателей преломления (а) и поглощения (б) бентонита от влажности на частоте / = 1.11 ГГд при положительной и отрицательной температурах
На рис.1 а, б изображены зависимости пс, кс для бентонита и каждая из них хорошо аппроксимируется отрезками двух прямых. При объемной влажности W < Wt вода в грунте находится преимущественно в связанном состоянии, а при W > Wt - в свободном. Участок содержания связанной воды при переходе к отрицательной температуре изменяет свой наклон значительно меньше. Это может свидетельствовать о том, что структура связанной влаги и ее диэлектрическая проницаемость изменяются сравнительно меньше при переходе через 0°С. Совершенно аналогичный характер поведения наблюдается и для коэффициента поглощения влажного бентонита.
Так как общий характер влажностных зависимостей КДП грунтов без засоления при переходе от положительных к отрицательным температурам сохраняет вид прямых и кусочно-ломаных отрезков прямых линий, можно сделать вывод, что модифицированная рефракционная модель в форме (1) остается справедливой и при температурах ниже нуля. При этом необходимо диэлектрическую проницаемость свободной воды заменить на проницаемость льда, а для связанной воды ввести измеренные значения, соответствующие отрицательным температурам.
Влияние засоления проводилось в условиях дозированного добавле-.
пия хлористого натрия и уровень засоленности 5 определялся как отношение массы внесенной соли к массе сухого грунта.
Существует качественное отличие между поведением КДП засоленного и незаселенного. Это выражается в том, что внесение соли приводит, в целом, к повышению значений пс и кс по сравнению с незасоленными образцами как при положительных, так и при отрицательных температурах и к заметному отклонению поведения влажностных зависимостей пс(\¥) и кс(\У) от линейного закона (рис.2). Кроме того, влажност-ное поведение КДП засоленных глинистых минералов свидетельствует о том, что рыхлосвязанная вода, присутствующая при малых влажно-стях, обладает свойством растворять соль, хотя и в меньшей степени, чем свободная вода.
Рис. 2: Зависимости показателей преломления (а) и поглощения (6) засоленного песка от влажности на частоте / = 1.11 ГГц. 1 — t = 25°С, 2 — t = —10°С.
Измерения температурных зависимостей диэлектрических, характеристик для увлажненных песка и бентонита показали, что сглаживание фазовых скачков nc(t°) и кc(t°) при переходе через О°С происходит как за счет присутствия связанной воды, так и засоленности. Возникающие при этом вариации пс и кс в области отрицательных температур могут послужить основой определения гранулометрического состава и засоленности почвогрунтов из радиофизических измерений.
В главе II "Принцип создания баз данных по диэлектрическим характеристикам почв и возможности их применения" предложен принцип создания базы данных по диэлектрическим параметрам реальных почв на основе представлений, развитых в первой главе. С использованием базовых диэлектрических и гидрофизических характеристик почв развиты алгоритмы интерпретации содержания продуктивной почвенной влаги и уровня грунтовых вод из радиометрических дистанционных измерений, предложен оперативный радиофизический метод определения влажности устойчивого завядания растений.
В результате лабораторных экспериментальных исследований диэлектрических свойств различных типов реальных незасоленных почв получено, что принципиальный ход зависимостей коэффициентов преломления и поглощения от влажности остается таким же, как и для модельных грунтов. Наблюдаемые вариации значений параметра Wt определяются, в основном, различным содержанием физической глины. Измерения по предложенной методике показали, что в почвах равнинной части Алтайского края количество связанной воды находится в пределах от 3% до 20% в зависимости от их минералогического состава и содержания органических веществ. При этом значение Wt линейно зависит от содержания физической глины. Мелкодисперсность ведет к увеличению сорбционных свойств и значение Wt становится выше. На рис.3 представлен результат анализа зависимости положения точки Wt от содержания физической глины М в почвенных образцах. Эта зависимость хорошо аппроксимируется прямой линией, которая при ее продолжении проходит вблизи начала координат, что соответствует данным измерений чистого песка и подтверждает достоверность полученных результатов.
Был предложен принцип классификации почвогрунтов по диэлектрическим свойствам, основанный на физических закономерностях влаж-ностного поведения КДП почвы в микроволновом диапазоне. Цикл лабораторных исследований показал, что по диэлектрическим свойствам естественные почвы удобно характеризовать значениями трех параметров: комплексной диэлектрической проницаемостью сухой почвы есо, величиной объемной влажности, соответствующей точке перехода от связанной воды к свободной Wt и комплексной диэлектрической проницаемостью е(, соответствующей влажности Wt. Эти параметры стабильно измеряются в лаборатории, однозначно определяют четырехкомпо-нентную рефракционную модель КДП и в связи с этим могут составить основу региональной базы данных. Полученная таким образом инфор-
Wt,a> ю.о
7.5 5.0 2.5 0.0
\\^=0.258М+0.41
Л,
/
/
/
>
8/ *
/
Л
/ Ив
/
/
V
1 - каштановая супесчаная (Ключевской р-н)
2 - каштановая супесчаная (Угловский р-н)
/ 3 - черноземно-луговая супесчаная (Рубцовский р-н) у 6 - черноземы южные суглинистые (Рубцовский р-н)
8 - черноземы обыкновенные лепсосуглинисше (Павловский р-н)
9 - черноземы южные среднесутлиннстые (Рубцовский р-п)
- / /
н I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I м I I I I I I I I I I I
и
о 10 20 30 40 М.Я
Рис. 3: Зависимости точки перехода И'( от содержания физической глины в образцах
мация по почвам региона может войти составной частью в базу данных почвенного покрова и интерпретироваться в виде тематических карт.
Модифицированная рефракционная модель диэлектрической проницаемости и база данных по параметрам, связанным с диэлектрическими свойствами, могут быть использованы при определении влажности поверхностного слоя почвы по результатам радиометрического дистанционного зондирования. На этой основе построен алгоритм определения объемной влажности почвы из радиометрических дистанционных измерений, обеспечивающий более точное восстановление значений продуктивной влажности. Также с использованием базовых параметров и, дополнительно, информации о законе распределения влажности в капиллярной кайме, построен алгоритм двухволнового дистанционного определения уровня грунтовых вод.
Осуществляемые в течение последних пяти лет серии наземных работ по отбору образцов почв и лабораторных измерений позволили создать
базу данных по ряду равнинных территорий Алтайского края и провести апробацию развитого подхода. Исследованы гидрологические и диэлектрические характеристики почв на сельскохозяйственных полях, расположенных на территории Алтайского края в 14 районах.
При радиоволновом зондировании состояния почвенно-растительного покрова принципиальную роль играет изучение вопроса о том, насколько адекватно "восприятие" связанной воды электромагнитными волнами микроволнового диапазона и живым растением. В литературе отсутствуют обоснованные сведения о соответствии недоступной для растений почвенной влаги содержанию связанной воды, измеряемому физическими методами. Прикладной аспект этого вопроса связан с определением одной из основных почвенно-гидрологических констант в агрономической практике — влажности устойчивого завядания растений (ВУЗ). Большое практическое значение величины ВУЗ для агрономической оценки запасов воды в почве и определения диапазона доступной растениям влаги давно заставляли исследователей искать быстрые и надежные методы ее определения. Традиционно ВУЗ определяется прямым лабораторно-вегетационным способом, который заключается в том, что измеряется влажность почвы, при которой выращиваемые растения с хорошо развитой корневой системой устойчиво увядают из-за иссушения почвы.
В связи с этим обоснованной является постановка задачи о нахождении соответствия между двумя точками — Щ и ВУЗ. Для ее решения проводился сравнительный анализ результатов электродинамических измерений Цг( и непосредственного определения ВУЗ для четырех типов почв. При определении ВУЗ стандартным лабораторно-вегетационным способом закладка опытов проводилась на ячмене в трех реализациях для каждого образца с последующим нахождением среднего значения. На основании серии измерений было установлено соотношение ВУЗ = 0.93 • У/г, которое может быть использовано при радиофизическом определении ВУЗ и дает хорошее соответствие между результатами биологических и радиофизических опытов. Это позволяет сделать вывод о возможности развития такого подхода при нахождении ВУЗ. Положительной стороной радиофизического способа является значительное сокращение времени получения результата по сравнению с биологическим.
В главе III "Радиоизлучательные характеристики почвогрунтов при отрицательных температурах" исследуется взаимосвязь радиоизлуча-
тельных и гидрофизических характеристик почв в диапазоне СВЧ в зимний период. На основе изученных закономерностей предложены методы дистанционного зондирования гранулометрического состава и засоленности почв.
Для дистанционных измерений интенсивности собственного теплового излучения подстилающей поверхности в сантиметровом, дециметровом, а также инфракрасном диапазонах длин волн на базе самолета АН-2 был создан бортовой радиометрический комплекс дистанционного зондирования подстилающей поверхности в СВЧ и ЙК диапазонах, включающий в себя шесть СВЧ радиометрических приемников с рабочими частотами 13.33, 1.67, 1.43, 1.1, 1.0, 0.62 ГГц и ИК-радиометрический приемник, работающий в диапазоне 8-12 мкм. В зимний период самолет оснащался лыжами, что позволяло совершать посадку вблизи тестовых участков, выполнять контактные наземные измерения и проводить описание свойств подстилающих покровов. Таким образом натурные измерения радиояркостных температур почв проводились с борта самолета и сопровождались синхронными наземными измерениями при отрицательных температурах. Также был реализован цикл наземных измерений радиоизлучательных характеристик мерзлых почвогрунтов с контролируемыми свойствами на малых площадках в радиопрозрачных кюветах, для сравнения использованы данные лабораторных измерений диэлектрических параметров.
При сравнительно небольших толщинах мерзлого слоя почвы исследована возможность дистанционных измерений глубины промерзания. Для этого регистрировалась зависимость радиояркостной температуры в полете от глубины промерзания в интервале от 0 до 150 см на частоте 0.62 ГГц для тяжелосуглинистых почв. Для непосредственных измерений глубины промерзания совершались посадки самолета на тестовых участках. По результатам построена зависимость коэффициента излучения от глубины промерзания. При ее построении предложено использовать базовые диэлектрические константы почвы, определяемые в лаборатории.
При глубинах промерзания почвы больше эффективно излучающего слоя проводились эксперименты по изучению влияния полной влажности на радиоизлучательные характеристики почв. Некоторые данные измерений коэффициентов излучения мерзлых почв Xi проведенные на частоте 1.67 ГГц представлены па рис.4. Здесь приведены данные самолетных измерений х при положительных (4) и отрицательных (5) тем-
г
г
0.6
0.8
0.9
0.7
• -5
0.5
О 5 10 15 20 25 30 35 40
W,
Рис. 4: Зависимости коэффициента излучения почвы от влажности. 1,2,3 - лабораторные измерения по данным КДГГ: незамерзшей почвы (1), мерзлого песка (2) и мерзлой почвы (3). 4,5 - самолетные измерения незамерзших (4) и мерзлых (5) почв
пературах, графики, рассчитанные по данным лабораторных измерений КДП образцов почвы, проведенных при = 24°С (1), а также точки, соответствующие образцам песка (2) и почвы (3), полученные в результате измерений КДП в лаборатории при температуре —10°С. Аналогичная серия измерений проводилась в радиопрозрачных кюветах радиоме тром на частоте 13.33 ГГц. Найдено, что наблюдается слабая зависимость )/(№*) при У/ > И^ в замерзших почвогрунтах, однако значения х ощутимо зависят от содержания связанной воды. На этой основе предложен метод дистанционного определения гранулометрического состава почв в зимний период.
Проводились также измерения радиояркостных характеристик почв с целью выяснения возможности определения их засоленности при отрицательных температурах. Физической основой определения засоленности по радиоизлучению почв в сантиметровом диапазоне в зимних условиях может являться существование в мерзлых почвах незамерзще-го почвенного раствора, количество которого зависит от гранулометрического состава, термодинамической температуры почвы и типа соли, а также отличие диэлектрических свойств свободной воды (почвенного раствора) от диэлектрических характеристик сухой почвы и льда. Ме-
тодика. экспериментальных исследований по оценке влияния засоленности и термодинамической температуры на радиоизлучательные характеристики мерзлой почвы заключалась в дистанционном измерении радиояркостных температур модельных почвогрунтов, одинаковых по гранулометрическому составу, но отличающихся по засоленности и находящихся при различных отрицательных температурах. Измерения производились в интервале термодинамических температур грунта от -8°С до - 1°С и засоленности Z от 0% (незаселенные почвы) до 1% (сильнозасоленные почвы). Для измерений радиояркостных температур Тб использовался радиометрический приемник, работающий на частоте 13.33 ГГц. Одновременно с Ть измерялась термодинамическая температура грунта £°. Обнаружены вариации излучательной способности почв от уровня засоленности. Так, для сильнозасоленной почвы = 1.0%) радиояркостный контраст Ах изменяется от 0.22 при = 0°С до 0.07 при = —8°С, а для слабозасоленной почвы ^ = 0.1%) — от 0.13 при
= 0°С до 0.01 при = -8°С. На этой основе предложен дистанционный радиофизический метод определения засоленности почв в зимний период.
В главе IV "Исследование характеристик согласования волноводных излучателей с фланцем. Применение для измерений влажности почвогрунтов" развит метод решения класса граничных электродинамических задач о нахождении собственных и взаимных характеристик согласования для невыступающих апертурных излучателей диапазона СВЧ в виде полубесконечных волноводов произвольного сечения с импеданс-ным фланцем. Излучение происходит в произвольно (непрерывно или дискретно) плоскослоистое диэлектрическое полупространство. В методическом плане проведено обобщение задач об излучении из апертур полубесконечных волноводов на случай ненулевого стороннего импеданса фланца. С точки зрения практических применений решение использовано для расчета характеристик контактных волноводных зондов по измерению влажности почвы.
Решение построено для системы из двух излучателей, хотя нет принципиальных затруднений обобщения задачи на случай произвольного конечного их числа с постановкой задачи о нахождении собственных характеристик согласования (входной адмитанс, коэффициент отражения от раскрыва) и характеристик взаимной связи (коэффициенты передачи). Граничная задача сведена к системе интегральных уравнений относительно вспомогательных функций на плоскости раскрыва и фланца.
Эти функции представляют собой линейную комбинацию касательных составляющих электрического и магнитного полей и по своей структуре являются выражениями, входящими в импедансные граничные условия. Вследствие этого функции тождественно равны нулю на фланце и отличны от нуля на раскрыве волновода.
Интегральные уравнения не имеют точного решения в замкнутом виде, поэтому для нахождения физических характеристик нужно применять полуаналитические, либо приближенные методы. В данном случае для дальнейшего анализа был выбран приближенный метод на основе вариационного подхода, позволяющий получить решение в виде интегральных формул, удобных для практических приложений.
В соответствии с выбранным подходом показано, что в задаче можно ввести стационарный функционал по отношению к вариациям функций, являющихся решением интегральных уравнений. Это позволило построить аналитические интегральные представления для характеристик согласования волноводных систем конкретных поперечных сечений (плоский, круглый, коаксиальный, прямоугольный) в одномодовом приближении. Электродинамические свойства плоскослоистого диэлектрического полупространства входят в эти решения в виде парциальных коэффициентов отражения плоских волн для вертикальной и горизонтальной поляризаций. Выделение таким образом нахождения характеристик материальной среды в виде вспомогательной задачи является удобным при алгоритмизации решения, модельном описании диэлектрической проницаемости и пространственной неоднородности диэлектрика.
Для нахождения и анализа поведения комплексных коэффициентов отражения от раскрыва излучателя, а также коэффициентов передачи электромагнитной энергии в другой волновод в зависимости от частоты сигнала, влажности почвы и параметров волноводного зонда были составлены вычислительные программы для всех упомянутых конфигураций волноводов. Режим счета может быть задан как для излучения в однородное полупространство или вакуум, так и в произвольно плоскослоистый диэлектрик с потерями. В частном случае это могут быть влажные почвогрунты.
Проводилось сравнение полученных теоретических результатов с экспериментальными данными и выяснялось их соответствие. Это диктуется, по крайней мере, тем обстоятельством, что расчетные формулы получены в рамках одномодовогр приближения и не имеют внутренней оценки точности. В случае импедансного фланца сравнительных
данных в литературе не существует. Поэтому была изготовлена экспериментальная установка и проведены измерения. Экспериментальная установка строилась на основе прямоугольного волновода стандартного сечения 23 х 10 мм. Волновод нагружался на металлический фланец размерами 18 х 20см. Индуктивный импеданс создавался нанесением на проводящую плоскость фланца тонкого диэлектрического слоя толщиной <1 = 1.4 мм и диэлектрической проницаемостью = 4.0 + ¿0.02. Волновод возбуждался в одномодовом режиме. Проводились измерения коэффициента отражения от раскрыва в зависимости от частоты при излучении в свободное пространство для случаев идеально проводящего и пмпедансного фланцев. Обнаружено хорошее соответствие результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными для частотной зависимости коэффициента отражения от раскрыва с идеальным и импе-дансным фланцами при возбуждении в одномодовом режиме. Найдено, что влияние импеданса наиболее заметно сказывается на уровень коэффициента отражения вблизи критической частоты волновода. Также получено согласие между результатами расчетов и экспериментом для влажностной зависимости коэффициента отражения от раскрыва прямоугольного волновода с фланцем, который был нагружен на влажный песчаный грунт.
Проведен цикл численных расчетов для коэффициентов передачи и отражения волноводных зондов при излучении в почву зависимости от влажности почвогрунта при различных параметрах излучателей. На основе этого анализа показано, что использование коэффициента прохождения может быть предпочтительнее по сравнению с коэффициентом отражетм вследствие возможности достигнуть большего динамического диапазона при влажностных измерениях и большей чувствительности при больших значениях влажности почв.
Рассмотрено определение влажности почвогрунтов на основе измерений модуля коэффициента отражения (одиночный волновод) или передачи (два волновода) и использования в расчетах введенных ранее базовых параметров по диэлектрическим свойствам почвогрунта. Этот подход позволяет не регистрировать фазовые характеристики полей, что упрощает процедуру измерений и снижает погрешность. Построены вычислительные алгоритмы и программы определения влажности по результатам измерений модуля коэффициента отражения либо передачи на основе решения трансцендентных уравнений, к которым сводится эта задача.
В главе V "Радиолокационные характеристики рассеяния радиоволн в пространственно неоднородных средах" построены решения граничных задач дифракции плоской электромагнитной волны на произвольно плоскослоистом диэлектрическом полупространстве с шероховатой границей, а также на малоразмерной неоднородности в виде импедансной ленты вблизи поверхности земли. В задаче с шероховатой границей решение получено в первом приближении метода малых возмущений, где характеристики плоскослоистого полупространства введены в общем виде через коэффициенты отражения волн вертикальной и горизонтальной поляризаций от подстилающей поверхности. Если рассмотреть частные случаи однородного или двухслойного диэлектрика, то полученные формулы совпадут с известными из литературы соответствующими решениями.
Полученные выражения для энергетических характеристик рассеянного поля в дальней зоне представляют собой сечения рассеяния шероховатого покрова на вертикальной и горизонтальной поляризациях.
В качестве примера использования решения были проведены численные расчеты поляризационного отношения для поля, рассеянного на шероховатом земном покрове в дециметровом диапазоне длин волн в зависимости от уровня близко подходящих к поверхности грунтовых вод. Физической основой влияния грунтовых вод на величину рассеянного сигнала в данном случае является формирование в почве над грунтовыми водами капиллярной каймы, которая может выходить на поверхность и регистрироваться радиофизическим способом.
При этом влажностная зависимость комплексной диэлектрической проницаемости грунта описывалась рефракционной моделью с учетом содержания связанной воды. Длина рабочей волны в расчетах выбрана Л = 30 см, высота поднятия капиллярной каймы От = 250 см, минимальная и максимальная влажности в капиллярной кайме И-'т;п = 0.2, \Утах = 0.45, объемное содержание связанной влаги W^ = 0.09, диэлектрическая проницаемость сухой почвы €с0 = 2.65+ г0.03 и при влажности £[ = 5.0 + г'0.72. Результаты расчетов показали, что величина диапазона изменения поляризационного отношения при различных УГВ составляет примерно от 7.5 дБ (угол падения ©о = 40°) до 10 дБ (угол падения ©о — 70°), а чувствительность к вариациям уровня грунтовых вод примерно 0.25-0.3 дБ на 10 см. Качественный характер поведения кривых для различных во при этом не меняется.
При малых значениях УГВ следствием плоскослоистой структуры
почвы становится наличие интерференционной картины в рассеянном поле. Монотонный ход кривой наблюдается при средних значениях УГВ от 60 см до 250 см и этот участок наиболее приемлем для возможной интерпретации значений УГВ по характеристикам обратного рассеяния. Можно также предположить, что в реальном эксперименте интерференционная картина будет сглаживаться за счет пространственных вариаций толщины слоистой структуры почва-вода.
В задаче рассеяния плоской волны на импедансной ленте в рамках строгого подхода получены расчетные выражения и численные результаты для эффективной поверхности рассеяния в зависимости от параметров структуры. Метод пригоден для анализа процессов рассеяния, когда ширина ленты сравнима с длиной волны сигнала. Полученные теоретические выводы могут также служить основой для постановки и решения более сложных задач подобного класса, например, при погружении ленты в произвольно плоскослоистую среду, при обобщении на квазитрехмерные и трехмерные постановки, а также для анализа дифракционных явлений в полях собственного радиотеплового излучения локализованных объектов.
В главе VI "Использование наземных баз данных в практических задачах дистанционного зондирования" рассмотрены результаты натурных экспериментов по дистанционному зондированию состояния почвенных участков, проведенных на территории Алтайского края и тематическому дешифрированию полученной информации. Работы основаны на комплексном использовании орбитальных, самолетных, наземных полевых и лабораторных данных с применением развитых методов и наземных баз данных.
Для проверки метода измерения влажности был выбран тестовый участок Алтайского подспутникового полигона на территории Рубцовского района, представленный разнообразием типов почв, их засоленности и влажности в пределах ограниченных площадей. Были взяты пробы почв для лабораторных исследований их состава и влажностно-го режима, выполнены орбитальные снимки данной территории с борта аппарата "Космос-1939" сканером МСУ-Э. На изображении третьего канала (0.8-0.9 мкм) оказались заметными участки с повышенной поверхностной влажностью (глинистая грунтовая основа, солонец, затопляемые паводком низины). Предварительный визуальный анализ снимков позволил предположить целесообразность их использования для планирования трассовых самолетных измерений с целью детального ана-
лиза влажности посевных площадей в пахотном слое. Самолетные работы заключались в трассовых измерениях с борта АН-2 радиояркост-ных температур на частотах 13.33, 1.67, 1.43, 1.1 ГГц по маршрутам, проходящим через пахотные земли, преимущественно без растительного покрова, выбранные с учетом орбитальных данных. Высоты полетов составляли примерно 50 м. Расстояния между соседними трассами были около 100 м, что позволяло затем проводить построение интерполяционным способом двумерных картин распределений коэффициентов излучения и влажности. Значения радиояркостной температуры интерпретировались на среднюю влажность в толщине скин-слоя почвы на основе развитой модифицированной рефракционной модели диэлектрических и излучательных свойств почвогрунта. Также проводились синхронные наземные измерения влажности с помощью нейтронного влагомера. Получено хорошее соответствие в реперных точках самолетных и наземных измерений.
С целью экспериментальной проверки развитого подхода дистанционного определения УГВ проводились самолетные измерения радиояркостной температуры почв в зоне Кулундинского магистрального канала на территории Алтайского края, сопровождаемые наземными измерениями УГВ по сети стационарных скважин. С помощью радиометрических приемников, установленных на самолете-лаборатории АН-2, измерения велись вдоль створов скважин, используемых для контроля УГВ. Полетные трассы прокладывались перпендикулярно руслу канала. Данные самолетной СВЧ-съемки сопоставлялись с результатами наземных измерений УГВ, Дистанционные измерения на участке канала длиной 40 км показали, что зона влияния канала на уровень грунтовых вод простирается от 80 до 300 м в обе стороны от русла. Из сравнения результатов контактных и дистанционных измерений найдено, что для данного типа почв погрешность определения УГВ при Н < 2.5 м не превышала 20%. В режиме отсутствия капиллярного насыщения (Я > 2.5 м) дистанционное определение УГВ данным способом затруднено.
Наличие в окрестности г. Горняка отстойников промышленного производства, связанного с технологией обогащения руды, приводит к дополнительной негативной антропогенной нагрузке на прилегающие территории и непосредственно на город. Влияние отстойника реализуется, в значительной степени, через активные фильтрационные процессы, следствием которых является утечка в почву воды, содержащей вредные примеси. При этом возникает особая гидрологическая обста-
новка, характеризующаяся заболачиванием окрестных территорий, либо аномально высоким уровнем грунтовых вод. Объектом исследования являлась территория, включающая сами отстойники и прилегающие к ним участки с высоким уровнем грунтовых вод. Естественное питание грунтовых вод, происходящее за счет атмосферных осадков в осенне-весенний период и за счет перетекания воды из нижележащих горизонтов, нарушается вследствие влияния промышленных отстойников, расположенных на возвышении и играющих роль своеобразного водонапо-ра. В результате влияния отстойников значительная территория вокруг них (до 5 км) заболочена и подтоплена. Экспериментальные работы по аэрокосмическому картированию гидрологической обстановки на территории, прилегающей к промышленным отстойникам на расстояния до 4-6 км показали, что фильтрационные процессы имеют место по всему периметру находившегося в эксплуатации промышленного отстойника. Для восстановления двумерной картины поверхностного переувлажнения и уровня близко подходящих к поверхности грунтовых вод возможно использование орбитальной сканерной съемки и дистанционного СВЧ-зондирования. В соответствии с развитой методикой картирования орбитальные снимки, полученные третьим каналом сканера МСУ-Э с орбитального аппарата "Космос-1939", использовались для предварительной оценки гидрологической обстановки. Обработка исходного сканерного изображения проведена путем выделения переувлажненных участков ступенчатой функцией по яркости и совмещением с картоосновой. Самолетное СВЧ-зондирование применялось для определения УГВ. Одновременно велись наземные измерения в реперных точках. Использование данных, полученных в результате аэрокосмической съемки в оптическом и СВЧ-диапазонах, позволяет получить информацию о территориальном распределении областей с переувлажненным поверхностным слоем почвы, а также с близким залеганием грунтовых вод. Значения УГВ, полученные по данным самолетной трассовой съемки, интерполировались на всю площадь методом сеток, после чего совмещались с картоосновой и весенним орбитальным сканерным изображением. В результате компьютерной обработки были получены тематические карты масштаба 1:50 ООО участков с высоким УГВ. Общая площадь территории с УГВ < 1 м, оцененная по результатам аэрокосмического картирования, составила более 3600 гектар. Кроме того, при выполнении комплексных исследований имелось в виду, что токсичные вещества из отстойника могут распространяться по территории гидрологическими процессами. Сопо-
ставление результатов аэрокосмического зондирования и наземных измерений УГВ с данными химического анализа почв показало, что области повышенной концентрации в почве тяжелых металлов соотносятся с территориями, на которых наблюдается высокий уровень грунтовых вод (УГВ < 1 м). Это является доказательством того, что часть токсикантов может разноситься грунтовыми потоками, аккумулироваться в определенных местах, и их распределение по территории может оцениваться по гидрологической ситуации.
Практическая значимость выполненной работы заключается в том, что эти данные включают не только информацию по отдельным населенным пунктам, но по большим площадям, занятым сельскохозяйственным производством. Данные исследования свидетельствуют об эффективности применения аэрокосмических методов для контроля и анализа экологической ситуации на сравнительно больших территориях.
Была проведена серия работ по изучению возможностей распознавания состояния земного покрова по орбитальным РСА-снимкам. С борта космического аппарата многоразового использования типа "SHUTTLE" 7.10.94 года с помощью радиолокатора SIR-C на длинах волн 23.5 см (L-диапазон) и 5.6 см (С-диапазон) с разрешением около 10 м на поверхности земли был произведен сеанс съемки части территории Алтайского края. Данные на стриммерных лентах были любезно предоставлены нам лабораторией JPL NASA. Исследуемая территория расположена на стыке Предалтайской равнины и северных отрогов Колыванского и Ба-щелакского хребтов Горного Алтая. В обработке были использованы амплитуды сигналов на поляризациях НН, HV, VV, а также изображения по полной энергии сигнала. Абсолютная калибровка данных отсутствовала. В качестве сравнения использовались данные на тот же район, полученные с МСУ-Э, РЕСУРС-Ф1М и наземная информация по данной территории. Целью работы было рассмотрение возможности использования признаков статистического текстурного анализа. В качестве таких признаков рассматривались: контраст С, энтропия Е, однородность U и обратный момент IM, а также интенсивность I. Для сравнения эффективности использования признаков и возможности определения по ним объектов, на изображениях было рассмотрено несколько структур, представляющих собой поля и участки леса с различным видовым составом деревьев, по которым проведены вычисления их текстурных признаков на всех поляризациях. Анализ показал, что для задачи определения типов растительности при заданном уровне кванто-
ла К — 256 целесообразно выбирать два признака — контраст и среднее значение для всех поляризаций. Дальнейшая обработка заключалась в классификации, основанной на описании классов ядрами в координатах Си I. Прежде всего был проведен простейший вариант классификация только по одному из признаков - С или I. Результат показал возможность отделить таким образом лесную растительность от полевой по каналу ЬНУ. Кроме того, при классификации по среднему наблюдается большой разброс классов на сельскохозяйственных полях. Применение классификации по одному признаку на канале СНУ не позволило разделить лесную и полевую растительность. При использовании для классификации пространства двух признаков были выделены на всех поляризациях в диапазоне Ь основные типы земельных ресурсов, которые содержали ровную поверхность (вода, ровная почва без растительного покрова), небольшую растительность на полях, лесные массивы и населенные пункты. Следующим шагом было выделение структурно-различных групп из каждого класса. Оказалось, что частотные диапазоны обладают различными возможностями. Так, для Ь характерно отделение лесной растительности от низкого кустарника и травы, а в диапазоне С этого сделать нельзя. На изображениях в 1гдиапазоне на НН и УУ-поляризациях одинаково хорошо распознаются участки хвойных, лиственных и смешанных лесов. Внутри общего контура лесного массива легко дешифрируются незалесенные поляны. То же самое можно различить и на кросс-поляризации в диапазоне Ь. Все результаты обработки орбитальных изображений тестировались данными наземных экспедиций. Сельскохозяйственные поля возделываемых земель наиболее дифференцированно отображаются в Ь-диапазоне на НУ-поляризации. В целом сравнительный анализ радиолокационных изображений на различных длинах волн и разных поляризациях показал преимущества использования для целей дешифрирования растительного покрова изображений, полученных в Ь-диапазоне радиоволн.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Основные результаты и выводы работы можно кратко сформулировать следующим образом.
1. Получены новые физические знания по влажностному и температурному поведению диэлектрических характеристик почвогрунтов различного состава и засоленности в диапазоне СВЧ.
1.1. Обнаружена точка перехода от связанной воды к свободной на зависимостях коэффициентов преломления пс и поглощения кс от объемной влажности почвогрунтов при положительных и отрицательных температурах и предложен лабораторный метод измерения количества связанной воды и величины ее КДП в почвогрунтах.
1.2. Обнаружено превышение значения диэлектрической проницаемости связанной воды в почвогрунтах над соответствую-
., ¡щими значениями для свободной воды (льда) при отрицательных температурах.
1.3. Предложена модифицированная рефракционная модель для диэлектрической проницаемости незасоленных почвогрунтов с учетом влияния связанной воды как в области положительных, так и отрицательных температур.
1.4. Экспериментально изучено влияние засоленности на величину КДП почвогрунтов с учетом содержания связанной влаги при положительных и отрицательных температурах.
1.5. Установлено, что диэлектрическая проницаемость связанной воды медленно изменяется с температурой, в отличие от свободной воды, при переходе в область отрицательных температур и плавно убывает с понижением температуры.
2. Предложен принцип создания наземных баз данных по диэлектрическим свойствам почвогрунтов и алгоритмы для радиометрического зондирования продуктивной почвенной влаги и УГВ.
2.1. Определены параметры для классификации почвогрунтов по их диэлектрическим свойствам. Классификация основана на физических закономерностях поведения комплексной диэлектрической проницаемости почвы в диапазоне СВЧ в зависимости от содержания влаги и структурного состава почв.
2.2. На основе базовых параметров по диэлектрическим свойствам естественных почвогрунтов предложены алгоритмы определения содержания продуктивной почвенной влаги и уровня грунтовых вод для открытых участков почвенных покровов.
2.3. Установлена зависимость между предельным содержанием связанной воды в почвогрунте и влажностью устойчивого завядания растений. На этой основе развит радиофизический лабораторный метод определения ВУЗ.
2.4. Создана база данных по диэлектрическим свойствам естественных почв для пахотных сельскохозяйственных территорий Алтайского крал.
3. Исследованы закономерности поведения радиоизлучательных характеристик почвогрунтов при отрицательных температурах, позволяющие развить методы дистанционного зондирования почв в зимний период.
. 3.1. Показано, что коэффициент излучения мерзлых незаселенных почв, имеющих влажность выше, чем влажность предельного содержания связанной воды в почвогрунте с заданным гранулометрическим составом, слабо зависит от полной влажности, но его уровень заметно варьирует при изменении гранулометрического состава почв. На этой основе предложен метод определения гранулометрического состава из радиометрических измерений при отрицательных температурах.
3.2. Показано, что в сантиметровом диапазоне длин волн ра-диояркостная температура засоленных почвогрунтов при значениях объемной влажности, превышающих предельное содержание связанной воды, существенно зависит от содержания соли в почве. Количественно определены вариации радиояркост-ного контраста при изменениях содержания соли в почвогрунте. На этой основе предложен метод дистанционного определения засоленности почв.
3.3. Показана возможность измерений глубины промерзания почвы из радиометрических измерений.
4. Развит метод решения граничных электродинамических задач излучения в произвольно плоскослоистую поглощающую среду из апертур-ных волноводных излучателей с импедансным фланцем. На этой основе исследованы характеристики контактных волноводных зондов для измерения диэлектрической проницаемости и влажности почв.
4.1. С использованием вариационного подхода получены и численно проанализированы интегральные выражения для характеристик согласования и взаимной связи двух волноводов произвольных поперечных сечений (плоский, круглый, коаксиальный, прямоугольный), которые излучают в произвольное
плоскослоистое диэлектрическое полупространство с потерями.
4.2. Показано соответствие теоретических расчетов с экспериментальными данными для частотной зависимости коэффициента отражения от раскрыва прямоугольного волновода с идеальным и импедансным фланцем, возбуждаемым в одно-модовом режиме. Найдено, что влияние введения импеданса наиболее заметно сказывается на уровень коэффициента отражения вблизи критической частоты сигнала. Получено согласие между экспериментом и расчетами теории для влажност-ной зависимости коэффициента отражения от раскрыва прямоугольного волновода с фланцем, нагруженным на влажный песок.
4.3. На основе численного анализа показано, что использование коэффициента передачи может быть предпочтительнее по сравнению с коэффициентом отражения вследствие его большего динамического диапазона и большей чувствительности при высоких значениях влажности почв.
4.4. Рассмотрена возможность определения влажности поч-вогрунтов на основе измерений модуля коэффициента отражения или передачи с учетом базы данных по диэлектрическим параметрам анализируемого почвогрунта. Это позволяет не регистрировать фазовые характеристики полей, что упрощает процедуру измерений и снижает погрешность.
5. Решены граничные задачи дифракции на произвольно стратифицированной земле с шероховатой границей и на малоразмерной неоднородности в виде импедансной ленты вблизи поверхности земли с целью создания базы знаний для задач радиолокации.
5.1. Получены формулы для сечений рассеяния и поляризационного отношения в задаче о рассеянии плоской волны на стратифицированном полупространстве с шероховатой границей в первом приближении метода малых возмущений.
5.2. Проведен анализ поведения поляризационного отношения для дециметрового диапазона при обратном рассеянии на земном покрове в зависимости от уровня грунтовых вод. Типичные области изменений поляризационного отношения соста-
вили при этом около 7.5 - 10 дБ, а чувствительность к вариациям уровня грунтовых вод примерно 0.25 - 0.3 дБ на 10 см.
5.3. В строгой постановке решена задача дифракции плоской электромагнитной волны на импедансной ленте вблизи границы раздела воздух-диэлектрик с поглощением. Проведены численные расчеты для характеристик рассеянного поля на ленте, погруженной в почвогрунт, в зависимости от параметров ленты и диэлектрических свойств почвогрунта.
6. Предложенные в работе методы волнового зондирования почвенных покровов испытаны в условиях полевого эксперимента, проведенного на тестовых территориях степной зоны Алтайского края. Испытания проведены в условиях комплексного использования орбитальных, самолетных, наземных и лабораторных данных.
6.1. Проведено дистанционное зондирование влажности поч-вогрунтов на различающихся по агрофизическим характеристикам почвах. Дистанционными методами обнаружены зоны подтопления и проведено измерение уровней близко подходящих к поверхности почвы грунтовых вод в зонах, прилегающих к руслу оросительного канала и. к искусственным промышленным отстойникам. При проведении испытаний использована наземная база данных по свойствам почв. Результаты измерений представлены в виде тематических картосхем.
6.2. Исследована применимость алгоритмов автоматической классификации в пространстве признаков контраст-среднее значение интенсивности при обработке радиолокационных муль-тиизображений, полученных с помощью радиолокатора с синтезированной апертурой БШ-С. Показана возможность надежной идентификации на изображениях лесных покровов, а также участков с различным видовым составом деревьев.
ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Бобровников М.С., Комаров С.А., Тимошенко В.И., Фисанов В.В. )бнаружение электроакустических резонансов по изменению взаимной фоводимости волноводных апертур // Изв. вузов. "Физика". - 1975. Ш. - С. 130-131.
2. Комаров С.А. Излучение из полубесконечного волновода с импе-дансным фланцем // Изв. вузов. "Радиоэлектроника". - 1976. Т.19, N2.
- С. 94-99.
3. Комаров С. А. Излучение несимметричных волн из круглого волновода с импедансным фланцем // Изв. вузов. "Радиоэлектроника". -1977. Т.20, N8. - С. 22-30.
4. Комаров O.A. Излучение из круглого волновода с фланцем через диэлектрический слой // Сб. "Исследования по электродинамике и распространению радиоволн". Томск: Изд-во Томского ун-та, 1977. - С. 3-7.
5. Комаров С.А. Вариационный принцип в задаче излучения из плоского волновода с импедансным фланцем // Сборник "Электродинамика и распространение волн". Вып.1. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1980. -С. 50-53.
6. Комаров С. А. Вариационный принцип в задачах излучения из полубесконечного волновода с импедансным фланцем // Изв. вузов. "Радиоэлектроника". - 1985. Т.28. N3. - С. 30-35.
7. Бричка C.B., Комаров С.А., Миронов В.Л., Пятков Г.А.,Романов А.Н., Рычкова Н.В. Обеспечение высокоточных дистанционных измерений влажности на основе региональной базы данных // XVI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Тез.докл. - Харьков, 1990.
- С. 243.
8. Комаров С.А., Корниенко М.Г., Миронов B.JI., Пятков Г.А. Исследование содержания и диэлектрической проницаемости связанной воды в грунтах // Всесоюзная конференция "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды". Тез.докл. -Ереван, 1990. - С. 87-88.
9. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н. Радиоизлучение мерзлых почв в СВЧ диапазоне //II научная конференция "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды". Тез.докл. - Муром, 1990. - С. 69.
10. Миронов В.Л., Комаров С.А., Евтюшкин A.B., Рычкова Н.В. Комплексное изучение влажности почв по тестовым территориям // II научная конференция "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды". Тез.докл. - Муром, 1990. -С. 70-71.
11. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н. Методические рекомендации по дистанционному определению зон фильтрации ороситель-
ных каналов // II научной конференции "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды". Тез.докл. - Муром, 1990. - С. 67-68.
12. Комаров С-А., Миронов В.Л., Романов А.Н., Рычкова Н.В. Дистанционное определение влажности почв на территории Алтайского края // Почвоведение. - 1992. N11. - С. 136-139.
13. Mironov V.L., Komarov S.A., Romanov A.N., Yevtyushkin A.V. Remote Sensing of Filtration and Inundation Processes Using Microwave Ra-diometry// Proceedings of 1993 International Symposium on Radio Propagation (ISRP'93). 18-21 August 1993. - Beijing, China. - pp. 618-621.
14. Комаров СЛ., Миронов В.Л., Романов А.Н., Русаков И.Е. Дистанционное обнаружение засоленных земель методами СВЧ-радиомет-рии // XVII Конференция по распространению радиоволн. Тез.докл. -Ульяновск, 1993. Сек. 3,4,5. - С. 87.
15. Komarov S.A., Mironov V.L., Romanov A.N. Remote Sensing of Frozen Soils in VHF Range // Proceedings of International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS'93). Tokio, 1993. - pp. 1988-1990.
16. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н. Дистанционное определение уровней грунтовых вод с использованием региональных баз данных // Исследование Земли из космоса. - 1993. N4. - С. 79-82.
17. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н., Евтюшкин A.B. Влияние системы отстойников Алтайского горнообогатительного комбината на экологическую обстановку окружающей среды //В кн. "Ядерные испытания, окружающая среда и здоровье населения Алтайского края: Материалы научных исследований." Барнаул: Изд-во Алт. ун-та. 1993. Т.2, кн.2. - С. 150-158.
18. Евтюшкин A.B., Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н. Возможности аэрокосмического картирования процессов фильтрации и подтопления в радио и оптическом диапазонах // XVII Конференция по распространению радиоволн. Тез.докл. - Ульяновск, 1993. Сек.3,4,5. -С. 86.
19. Миронов В.Л., Евтюшкин A.B., Комаров С.А., Оскорбин Ü.M., Романов А.Н. Методы дистанционного зондирования техногенных загрязнений в оптическом и радиодиапазонах // Оптика атмосферы и океана. - 1993. - Т.6, N11. - С. 1471-1477.
20. Миронов В.Л., Комаров С.А., Белозерских В.В., Евтюшкин A.B., Клещенко В.Н., Романов А.Н., Рычкова Н.В., Скороглядов В.В., Тре-филов Е.Э. Комплексное исследование радиофизических характеристик
эле! jhtob земных покровов// Сб. "Физика", 2 направление "Университеты как центры фундаментальных исследований". Под ред. А.Н. Тихонова, В.А. Садовничего и др. - М.: Изд-во МГУ. 1994. - С. 224-233.
21. В.Л.Миронов, С.А.Комаров, Н.В.Рычкова, В.Н.Клещенко Изучение диэлектрических свойств влажных почвогрунтов в СВЧ-диапазоне // Исследование Земли из космоса. - 1994. N4. - С. 18-24.
22. Миронов В.Л., Комаров С. А., Романов А.Н., Рычкова Н.В. Разработка дистанционных методов мониторинга орошаемых земель в Алтайском крае // "Проблемы региональной экологии." Сб. научн. трудов -1994. Вып.З. - С. 72-75.
23. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н., Евтпюшкин А.В. Определение площадей подтопленных земель дистанционными методами // Метеорология и гидрология. - 1994. N1. - С.87-91.
24. Миронов В.Л., Комаров С.А., Романов А.Н., Клещенко В.Н. Влияние влажности и засоленности на радиоизлучение мерзлых почв в СВЧ-диапазоне // Исследование Земли из космоса. - 1995. N2. - С. 22-30.
25. Комаров С.А., Миронов В.Л., Клещенко В.Н. Влияние связанной воды на диэлектрические свойства увлажненных мерзлых грунтов // Исследование Земли из космоса. - 1996. N3. - С. 3-10.
26. Komarov S.A., Zatsepin P.M., Baranchugov E.A. Diffraction of a Plane Wave by an Impedance Strip // Proceedings of International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP'96). Japan: 1996. - pp. 449-452.
27. Komarov S.A., Zatsepin P.M., Baranchugov E.A., Mashutin A.I. Diffraction of a Plane Wave by Slit in Impedance Screen // Proceedings of International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP'96). Japan: 1996. - pp. 453-455.
28. Миронов В.Л., Комаров С. А., Евтпюшкин А.В., Романов А.Н. Дистанционное картирование уровней грунтовых вод на территории юга Западной Сибири // XVIII Всероссийская конференция по распространению радиоволн. Тез.докл. Санкт-Петербург: 1996. T.I. - С. 243-244.
29. Зацепин П.М., Комаров С.А. Дифракция плоской волны на им-педансной ленте // Радиотехника и электроника. - 1996. Т.41. N8. - С. 906-910.
30. Mironov V.L., Komarov S.A., Romanov A.N., Kieshchenko V.N. Combined Influence of Moisture and Texture of Frozen Soil // Proceedings of 26th International Symposium on Remote Sensing of Environment and the 18th Canadian Sympos on Remote Sensing. Vancouver ВС, Canada: 1996. - pp. 398-400.
31. Mironov V.L., Komarov S.A., Romanov A.N. The Influence of Depth of Freezing on Emissivity of Soil Cover // Proceedings of 26th International Symposium on Remote Sensing of Environment and the 18th Canadian Symposium on Remote Sensing. Vancouver ВС, Canada: 1996. - pp. 488-489.
32. Mironov V.L., Komarov S.A., Yevtushkin A.V., Romanov A.N. Remote Sensing in the Problems of Regional Ecological Monitoring of Land Covers// Technological Civilization Impact on the Environment Situation in the post-Soviet Area. International Symposium. Abstracts. Karlsruhe, Deutschland: 22-26 April, 1996. - p. 90.
33. Комаров С.А., Клещенко B.H., Миронов В. JI. Влияние засоленности на диэлектрические свойства влажных грунтов при положительных и отрицательных температурах // Исследование Земли из космоса. -1997. N2. - С. 37-44.
34. Комаров С. А., Миронов В.Л., Романов А.Н. Аэрокосмическое зондирование гидрологического состояния почв радиофизическими методами. Барнаул: Изд-во Алтайского ун-та. 1997. - 104 с.
35. Комаров С.А., Щербинин В.В. Входной адмитанс волновода с им-педансным фланцем при излучении в плоскослоистую среду // Известия Алтайского государственного университета. - 1997. N1. - С. 47-50.
36. Евтюшкин А.В., Комаров С.А., Лукъяненко Д.Н., Миронов В.Л. Классификация земных покровов по радиолокационным изображениям // Оптика атмосферы и океана. - 1997. N 12. - С. 1508-1512.
37. Лузгин В.Н., Комаров С. А. Антропогенное металлическое загрязнение Рубцовского горнорудного района на Алтае // "География и природопользование Сибири." Сборник статей. Под ред. д.г.н. Барышникова Г.Я. и др. Выпуск второй. Барнаул: Изд-во "Аккем". 1997. - С. 192-201.
38. Евтюшкин А.В., Комаров С.А., Лукъяненко Д.Н., Миронов В.Л. Классификация земных покровов по радиолокационным и оптическим изображениям //IV Симпозиум "Оптика атмосферы и океана". Тез.докл. Томск: 10-13 июня 1997. - С. 84-85.
39. Миронов В.Л., Комаров С.А., Евтюшкин А.В., Рычкова Н.В. Комплексный эксперимент по измерению влажности почв на территории Алтайского полигона // Исследование Земли из космоса. - 1998, N2. - С. 81-90.
40. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н., Евтюшкин А.В Измерения и алгоритм обработки данных в задаче дистанционного зондирования уровня грунтовых вод // Исследование Земли из космоса. -
1998, N 4. - С. 98-106.
41. Евтюшкин А.В., Комаров С.А., Лукьяненко Д.Н. Автоматический анализ земных покровов по радиолокационным изображениям для задач тематического картографирования // 'ТИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого развития территорий": Материалы Международной конференции. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та. 1998. -660 с. - С. 223-226.
42. Комаров С.А., Якушев А.И. Рассеяние радиоволн на плоскослоистом полупространстве с шероховатой границей // Радиотехника и электроника. - 1998. Т.43. N6. - С. 650-656.
43. Baikalova T.V., Kazantsev K.V., Komarov S.A., Lukyanenko D.N., Mironov V.L., Yevtushkin A.V. and Yushakov К iV Analysis of Forest Regions by SAR and Optical Images // Proceedings of Intrnational Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS'98). Seattle, USA. - 6-10 July 1998.
44. Komarov S.A., Mironov V.L., Romanov A.N. and Yevtushkin A.V. Research on the Earth Cover Remote Sensing Problem Carried Out at the Altai Region // Proceedings of Intrnational Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS'98). Seattle, USA. - 6-10 July 1998.
45. Kleschenko V.N., Komarov S.A., Mironov V.L. and Romanov A.N. Dielectric Properties of Salted Grounds in Microwave Band // Proceedings of Intrnational Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS'98). Seattle, USA. - 6-10 July 1998.
46. Корниенко М.Г., Комаров С.А., Кузьмин Э.В. Способ дистанционного определения параметров почвогрунтов // Патент РФ N 1756808 от 19.08.93 г. Приоритет изобретения от 21.03.90 г.
47. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н., Рычкова Н.В. Дистанционный радиофизический способ определения влажности // Патент РФ N 2010219 от 30.03.94 г. Приоритет изобретения от 8.01.91 г.
48. Комаров С.А., Миронов В.Л. Романов А.Н. Дистанционный способ определения гранулометрического состава почвы // Патент РФ N 2088906 от 10.06.97 г. Приоритет изобретения от 21.06.91 г.
49. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н. Дистанционный радиофизический способ определения засоленности почв // Патент РФ N 2081407 от 10.06.97 г. Приоритет изобретения от 28.05.92 г.
50. Комаров С.А., Миронов В.Л., Рычкова Н.В. Способ определения влажности устойчивого завядания // Патент РФ N 2092819 от 10.10.97 г. Приоритет изобретения от 15.02.93 г. —
ПОДПИСАНО В ПЕЧАТЬ 29.10.98 ОБЪЕМ 1,7 П.Л. ТИРАЖ 100.
ПЕЧАТЬ ОФСЕТНАЯ ЗАКАЗ 305.
ТИПОГРАФИЯ АГУ : БАРНАУЛ , ДИМИТРОВА , 66
Текст научной работыДиссертация по географии, доктора физико-математических наук, Комаров, Сергей Александрович, Барнаул
/ / /
у
Алтайский государственный университет Научно-исследовательский институт экологического мониторинга при Алтайском государственном университете
Комаров Сергей Александрович
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА
11.00.11 — охрана окружающей среды и рациональное использование
природных ресурсов 01.04.03 — радиофизика
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Научный консультант: член-корреспондент РАН,
доктор физико-математических наук, профессор Миронов В.Л.
Президиум ВАК Росси
Ü
(решение «rr г., ) ;<
присудил ученую степень ДОКТО Р А !;
я*.
<f>¿/¿,Cf£c<? -/tsaFe¿k'su <sec¿¡r с<Х н VK ií
. . ' ¡I
Начальна к управления ВАК Р эсги л Н
Барнаул - 1998
Оглавление
Введение 6
1 Диэлектрические свойства грунтов в диапазоне СВЧ при
положительных и отрицательных температурах. Влияние
связанной воды и засоленности 34
1.1 Цели исследований....................... 34
1.2 Метод и аппаратура для лабораторных измерений..... 35
1.3 Эмпирическая рефракционная модель диэлектрической проницаемости почвогрунтов с учетом связанной воды ... 51
1.4 Методика лабораторных измерений диэлектрических свойств грунтов.............................. 52
1.5 Диэлектрические свойства модельных грунтов различного состава в зависимости от влажности при положительных температурах ........................... 55
1.6 Исследование влажностной и температурной зависимостей диэлектрических характеристик грунтов различного состава и засоленности..................... 74
1.7 Выводы к главе 1........................ 90
2 Принцип создания баз данных по диэлектрическим
характеристикам почв и возможности их применения 94
2.1 Диэлектрические свойства реальных почв ..... 94
2.2 Принцип создания баз данных по диэлектрическим свойствам влажных почвогрунтов.................102
2.3 Алгоритм дистанционного зондирования уровня грунтовых
вод с использованием региональной базы данных......109
2.4 Определение влажности устойчивого завядания растений радиофизическим способом...................115
2.5 Агроклиматическая характеристика почв Алтайского края 121
2.6 Классификация реальных почв Алтайского края по диэлектрическим свойствам ...................123
2.7 Выводы к главе 2 ........................131
3 Радиоизлучательные характеристики почвогрунтов при отрицательных температурах 135
3.1 Цели исследований.......................135
3.2 Самолетный радиометрический комплекс для дистанционного зондирования подстилающей поверхности в СВЧ и ИК-диапазонах .........................137
3.3 Калибровка бортовых СВЧ-радиометрических приемников в полете...........................138
3.4 Методики самолетных и наземных радиометрических измерений .............................. 142
3.5 Влияние глубины промерзания на радиоизлучение почвенного покрова.........................144
3.6 Влияние полной влажности на радиоизлучение мерзлой почвы....................................148
3.7 Влияние засоленности на радиоизлучение почв при отрицательных температурах....................155
3.7.1 Постановка эксперимента...............155
3.7.2 Результаты измерений .................156
3.8 Использование длинноволновой части СВЧ-диапазона для дистанционного зондирования подстилающей поверхности 163
3.9 Выводы к главе 3 . . . ......................168
4 Исследование характеристик согласования волноводных излучателей с фланцем. Применение для измерений влажности почвогрунтов 169
4.1 Цели исследований.......................169
4.2 Постановка задачи и общий вид записи решения .....171
4.3 Граничные условия и их преобразование..........176
4.4 Интегральные уравнения задачи . . .............180
4.5 Стационарный функционал задачи и его связь с физическими характеристиками....................182
4.6 Характеристики согласования для систем на основе конкретных волноводов.......................185
4.7 Анализ частотных зависимостей характеристик согласования и взаимного влияния ..................189
4.8 Влажностные зависимости коэффициентов отражения и прохождения для почвогрунтов................197
4.9 Выводы к главе 4........................203
в»' 4
5 Радиолокационные характеристики рассеяния радиоволн
в пространственно неоднородных средах 205
5.1 Цели исследований.......................205
5.2 Рассеяние радиоволн на плоскослоистом полупространстве с шероховатой границей . .................206
5.2.1 Постановка задачи...................206
5.2.2 Нулевое приближение решения............209
5.2.3 Граничные условия первого приближения и решение задачи в интегральной форме...........211
5.2.4 Поле в дальней зоне. Сечения рассеяния......217
5.2.5 Зависимость поляризационного отношения сечений обратного рассеяния от УГВ..............222
5.3 Двумерная задача дифракция плоской волны на импе-дансной ленте вблизи поверхности земли...........226
5.3.1 Постановка задачи ...................226
5.3.2 Интегральные уравнения задачи...........228
5.3.3 Метод моментов в решении систем интегральных уравнений..............................234
5.3.4 Физические характеристики рассеянного поля . . . 236
5.4 Выводы к главе 5........................238
6 Использование наземных баз данных в практических задачах дистанционного зондирования 244
6.1 Цели исследований....................... 244
6.2 Общая характеристика тестового полигона Алтайского края245
6.3 Комплексный эксперимент по определению влажности почв
с использованием орбитальных и подспутниковых данных 249
6.3.1 Совместное использование радио и оптического диапазонов для анализа состояния почв.........249
6.3.2 Картирование влажностных характеристик почв . 251
6.3.3 Обсуждение полученных результатов........253
6.4 Дистанционные измерения уровня грунтовых вод.....261
6.4.1 Методика проведения работ..............261
6.4.2 Уровень грунтовых вод в зоне русла Кулундинско-
го канала.........•................263
6.4.3 Дистанционное определение уровней грунтовых вод вблизи промышленных отстойников.............270
6.5 Классификация земных покровов по радиолокационным изображениям..........................277
6.5.1 Предварительная обработка и классификация радиолокационных изображений.............277
6.5.2 Результаты классификации..............280
6.6 Выводы к главе 6........................281
Заключение 284
Приложение 1 289
Приложение 2 294
Литература 297
Введение
^ »
Актуальность. Изучение земных ландшафтов эффективно с применением летательных аппаратов, оснащенных оборудованием, способным осуществлять дистанционное зондирование земных покровов. Методы дистанционного зондирования обычно основаны на процессах взаимодействия электромагнитных волн видимого, инфракрасного и микроволнового диапазонов с материальными средами [1-9]. Эти методы сводятся, в конечном счете, к регистрации и интерпретации сигналов, отраженных (рассеянных) и излученных природными структурами с различными физико-химическими и геометрическими свойствами.
В последние годы активно совершенствуются аппаратурные средства орбитальных систем дистанционного зондирования радиоволнового диапазона. Положительной особенностью радиоволнового зондирования является возможность проведения наблюдений в любое время суток, все-погодность и большая, по сравнению с оптическим диапазоном, глубина проникновения поля. Сочетание с оптическим зондированием также позволяет получить более полную информацию о состоянии земных покровов. С появлением новых аппаратов типа радиолокаторов и радиометров с синтезированной апертурой [10-13] возрастает уровень разрешения на поверхности Земли, что позволяет оперативно получать двумерные картины различных участков земной поверхности с высоким разрешением, составляющим в случае радиолокаторов с синтезированной апертурой порядка 5-15 метров.
Вместе с тем наряду с развитием аппаратурных средств одной из наиболее сложных проблем, возникающих при разработке методов дистанционного зондирования, является обработка и достоверная интерпрета-
ция данных.
Основополагающие работы в России по дистанционному радиоволновому зондированию проведены в ИРЭ РАН, ИКИ РАН, ГГО им. А.И. Воейкова, НИРФИ. В то же время дальнейшее развитие дистанционных методов требует последовательного построения баз знаний по закономерностям и характеристикам взаимодействия электромагнитных волн с природными образованиями. Новые физические закономерности позволяют совершенствовать существующие и развивать новые методы дистанционного зондирования.
Распознавание природных объектов и оценка их состояния из радиометрических и радиолокационных измерений требуют формирования базы знаний на основе априорной информации, позволяющей осуществлять переход от измеренных характеристик электромагнитных полей к геофизическим полям земной поверхности. Построение конкретных баз знаний и баз данных производится на основе статистических, либо физических моделей взаимодействия электромагнитных волн с земными покровами. Статистические модели формируются путем накопления наземной информации, собираемой с характерных тестовых участков, и установлением статистических зависимостей с соответствующими откликами дистанционного прибора для определенного типа покрова. Построение статистических моделей трудоемко и установленные зависимости обычно справедливы для конкретной тестовой территории. Физические модели развиваются путем экспериментальных и теоретических исследований, направленных на выявление связей между физическими и геометрическими параметрами подстилающих покровов и характеристиками электромагнитного поля, рассеянного, излученного (поглощенного) ими в различных диапазонах длин волн. Они позволяют устанавливать принципы построения баз данных на основе выделенных физических параметров и генерировать новые конкретные базы в различных условиях. В связи с этим физические модели являются более предпочтительными.
Диэлектрические характеристики почвогрунтов, в силу их значимо-
сти в проблеме дистанционного зондирования, изучались многими исследователями в течение последних тридцати лет. Однако имеется целый ряд явлений в их поведении, которые недостаточно исследованы и не учитываются при дистанционном зондировании. Практически отсутствует адекватная систематизация экспериментальных данных, которая была бы достаточной для построения физических моделей диэлектрической проницаемости почвогрунтов с учетом связанной воды, а также служила основой для построения баз данных по диэлектрическим параметрам почв. Остается слабо изученным совместное влияние связанной воды и засоленности на диэлектрические и радиоизлучательные характеристики почвогрунтов при положительных и отрицательных температурах.
Кроме того, потребности создания современных технологий и приборов для полевых контактных измерений диэлектрических свойств и влажности почвогрунтов с использованием микроволнового излучения выдвинули в число актуальных задач исследование влияния почвогрунтов на характеристики излучателей и приемных устройств, расположенных вблизи границы раздела почва-воздух.
Также в проблеме радиолокационного зондирования остается открытым вопрос исследования характеристик рассеянного поля при совместном учете свойств рассеивающей поверхности и расположенных под ней почвогрунтов. В этой связи возникает потребность решения граничных задач рассеяния на случайных неровностях почвогрунта с учетом произвольного изменения их диэлектрической проницаемости с глубиной, а также неидеально проводящих объектах вблизи поверхности земли.
В последние годы стали более доступными для широкого круга исследователей в области радиолокации земных покровов данные радаров с синтезированной апертурой. В этой связи стали актуальными задачи определения возможностей мультиспектральной и мультиполяриза-ционной радиолокации для целей идентификации и классификации радиоизображений земного покрова.
В целом актуальность темы диссертационной работы определяется
необходимостью выявления и использования в дистанционном зондировании новых знаний по взаимодействию электромагнитных волн радиодиапазона с элементами земных покровов и совершенствование модельных представлений об этих процессах, развитие на этой основе методов обработки данных для формирования конечного продукта дистанционного зондирования.
Состояние исследований. Развитие дистанционных методов и их использование в практических целях в СССР началось с 1927 года и заключалось в картографировании почв Ферганской долины в оптическом диапазоне длин волн, а за рубежом — в том же году в США при почвенном картографировании штата Индиана [7].
Основы теории теплового излучения тел в радиодиапазоне были рассмотрены в [14-16], а методы измерений радиотепловых полей обсуждались в [17]. Первые самолетные эксперименты по радиометрическому зондированию земных покровов в СВЧ-диапазоне были проведены в середине 60-х годов в Институте радиотехники и электроники АН СССР [1,18].
Дистанционное определение влажности почв было одной из первых задач, решаемой методами СВЧ-радиометрии. К настоящему времени по данной проблеме накоплен большой экспериментальный и теоретический материал. На определенных этапах итоги этих исследований излагались, кроме упомянутой выше литературы, в основных статьях и обзорах [19-41], монографиях [42-44].
Зондирование влажности приповерхностных слоев почвы основано на зависимости ее диэлектрических и радиоизлучательных характеристик в СВЧ-диапазоне от содержания влаги и ее состояния в дисперсной смеси.
Однако для почв различного состава при одной й той же объемной влажности наблюдаются ощутимые вариации коэффициента излучения и комплексной диэлектрической проницаемости не только от полного влагосодержания, но и от количества связанной воды. При весьма обширном круге работ и результатов нет удовлетворительного изучения
влияния связанной воды на комплексную диэлектрическую проницаемость почвогрунтов, и в итоге на точность измерений влажностных характеристик. Нами показано, что неучет связанной воды вносит существенную методическую погрешность в дистанционно измеряемую продуктивную и полную влажность.
Обеспечение точности дистанционного зондирования гидрологических характеристик почвогрунтов требует использования таких способов интерпретации, которые учитывают региональный или даже локальный (в пределах одного поля) характер свойств влажной почвы. Для этого могут быть построены интерполяционные зависимостей коэффициента излучения от влажности для каждой конкретной территории с характерными свойствами почвы, то есть реализована статистическая модель [41]. Однако большое количество таких зависимостей, не обладающих общностью, затруднительно в использовании вследствие трудоемкости большого объема полевых наземных работ. Поэтому более эффективно использовать базовые модели комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) и коэффициента излучения, которые в своей основе содержали бы возможность гибкой их адаптации за счет изменения значений ограниченного числа опорных параметров при работе на территориях с различными типами почв.
Существует ряд классических модельных формул, описывающих диэлектрические свойства дисперсных смесей, в которые тем или иным образом входят диэлектрические проницаемости веществ, их составляющих [45-56]. В литературе существует круг публикаций, где проанализированы эмпирические модельные формулы КДП применительно к изучаемой проблеме, проведены исследования по их применимости конкретно для влажных почвогрунтов, а также сделаны попытки построения теоретических моделей [57-73]. По результатам литературных исследований можно сделать следующие краткие выводы.
Часть классических моделей двухкомпонентны и поэтому не применимы к влажным почвогрунтам, в которых существует, по крайней мере, три компоненты — частицы твердой фазы, вода, воздух. Сравне-
ние расчетов по трехфазным моделям с экспериментальными данными, проведенное рядом авторов, также показало неадекватность описания влажностных зависимостей КДП. В [57] было установлено, что наилучшее соответствие в данной ситуации дает рефракционная модель [51], и в ряде работ на основе формул трехкомпонентной рефракционной модели,
например [2,32,33], проводится определение влажности из радиометри-
4
ческих дистанционных измерений. Однако учет влияния связанной воды на результат не производится.
Малое количество воды, попадая в сухую почву, связывается поверхностью частиц и ее полярные молекулы теряют возможность свободной ориентации. Если добавлять воду далее, ее молекулы удаляются от поверхности частиц и получают большую свободу ориентации. После некоторого количества слоев они становятся свободными и дают значительный вклад в диэлектрические свойства почвы. Экспериментальные данные говорят о том, что существует область медленного роста диэлектрической проницаемости почвогрунтов при малых влажностях с ее увеличением. Признано, что участок медленного роста КДП больше для глинистых почв, чем для песчаных. Это частично объясняется тем, что эффективная поверхность частиц в единице �
-
Комаров, Сергей Александрович
-
доктора физико-математических наук
-
Барнаул, 1998
-
ВАК 11.00.11
- Некоторые методы интерпретации данных дистанционного зондирования почвенного покрова в СВЧ диапазоне
- Исследование радиофизических свойств почвогрунтов применительно к задачам дистанционного зондирования
- Дистанционные микроволновые методы для геоэкологического мониторинга засоленных и подтопленных почвогрунтов
- Особенности формирования структуры почвенного и растительного покровов агроландшафта степной зоны
- Дистанционная диагностика свойств почв и почвенного покрова
