ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2024. №1

УДК: 537.86, 528.88, 631.432.2

Модель комплексной диэлектрической проницаемости

органо-минеральных почв, учитывающая минеральный

состав и содержание органического вещества

А. Ю. Каравайский, С. В. Фомин, Ю. И. Лукин

Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН

660036, Красноярск, ул. Академгородок 50, стр. 38

Статья поступила в редакцию 13 ноября 2023 г.

Аннотация. На основе рефракционной диэлектрической модели создана одночастотная диэлектрическая модель талых и мерзлых лесных почв корневой зоны, учитывающая влияние как минеральной, так и органической компоненты почвенной смеси. Модель разработана для частоты 435 МГц на основе диэлектрических измерений пяти почв, в которых содержание органического вещества варьировалось от 11,1 до 54,4 % и глины от 21,1 до 40,9 %. Диэлектрические измерения были проведены в диапазоне массовой влажности от сухого состояния до наименьшей влагоемкости и диапазоне температур от – 30 до 25 ℃. В исследуемом диапазоне температур коэффициент детерминации между рассчитанными с использованием предложенной модели и измеренными значениями действительной (ε') и мнимой (ε") частями комплексной диэлектрической проницаемости составляет 0,988 – 0,997 для ε' и 0,957 – 0,971 для ε". Нормированное среднеквадратическое отклонение при этом составило 6 – 5,6 % для ε' и 20,2 – 21,2 % для ε". Разработанная диэлектрическая модель может быть применена в алгоритмах дистанционного зондирования при восстановлении значения влажности лесных почв корневой зоны из данных радарного и радиометрического зондирования.

Ключевые слова: диэлектрическая модель, влажность, температура, органическая почва, минеральная почва, мерзлая почва, талая почва.

Финансирование: работа выполнена в рамках научной тематики Госзадания ИФ СО РАН.

Автор для переписки: Каравайский Андрей Юрьевич, rsdak@ksc.krasn.ru

Литература

1. Depledge J., Lamb R., Lawler C. Caring for climate: a guide to the climate change convention and the Kyoto protocol //Climate Change Secretariat (UNFCCC): Bonn, Germany. – 2005.

2. Hallikainen M. T. et al. Microwave dielectric behavior of wet soil-part 1: Empirical models and experimental observations //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. – 1985. – №. 1. – P. 25-34.

3. Dobson M. C. et al. Microwave dielectric behavior of wet soil-Part II: Dielectric mixing models //IEEE Transactions on geoscience and remote sensing. – 1985. – №. 1. – P. 35-46.

4. Peplinski N. R., Ulaby F. T., Dobson M. C. Dielectric properties of soils in the 0.3-1.3-GHz range //IEEE transactions on Geoscience and Remote sensing. – 1995. – Vol. 33. – №. 3. – P. 803-807.

5. Mironov V. L., Kosolapova L. G., Fomin S. V. Physically and mineralogically based spectroscopic dielectric model for moist soils //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. – 2009. – Vol. 47. – №. 7. – P. 2059-2070.

6. Mironov V.L., Fomin S. V. Temperature dependable microwave dielectric model for moist soils // Progress in Electromagnetics Research Symposium. Electromagnetics Academy – 2009. – Vol. 1. P. 817–821.

7. Mironov V. L. et al. Generalized refractive mixing dielectric model for moist soils //IEEE transactions on Geoscience and Remote sensing. – 2004. – Vol. 42. – №. 4. – P. 773-785.

8. Фомин С. В. и др. Диэлектрическая модель талых и мерзлых органических почв на частоте 1.4 ГГц //Известия высших учебных заведений. – 2017. – Т. 60. – №. 12/2.

9. Бобров П. П., Кондратьева О. В., Мустакова М. М. Влияние содержания органического вещества в почвах на диэлектрическую проницаемость в диапазоне частот 10 кГц 8, 5 ГГц //Сибирский аэрокосмический журнал. – 2013. – №. 5 (51). – С. 95-97.

10. Бобров П. П. и др. Диэлько-влажностные характеристики почвенных образцов с различным содержанием гумуса в сантиметровом и дециметровом диапазонах //Естественные науки и экология. Ежегодник ОмГПУ. – 2001. – С. 3-7.

11. Mironov V. L., Kosolapova L. G., Fomin S. V. Validation of the soil dielectric spectroscopic models with input parameters based on soil composition //2007 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. – IEEE, 2007. – P. 749-753.

12. Mialon A. et al. Comparison of Dobson and Mironov dielectric models in the SMOS soil moisture retrieval algorithm //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. – 2015. – Vol. 53. – №. 6. – P. 3084-3094.

13. Mironov V. L. et al. Temperature-and texture-dependent dielectric model for frozen and thawed mineral soils at a frequency of 1.4 GHz //Remote Sensing of Environment. – 2017. – Vol. 200. – P. 240-249.

14. Миронов В. Л., Савин И. В. Спектроскопическая многорелаксационная диэлектрическая модель талых и мерзлых арктических почв, учитывающая зависимости от температуры и содержания органического вещества //Исследование Земли из космоса. – 2019. – №. 1. – С. 62-73.

15. Бобров П. П. и др. Спектроскопическая модель диэлектрической проницаемости почв, использующая стандартизованные агрофизические показатели //Исследование Земли из космоса. – 2008. – №. 1. – С. 15-23.

16. Mironov V. L., Kosolapova L. G., Fomin S. V. Physically and mineralogically based spectroscopic dielectric model for moist soils //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. – 2009. – Vol. 47. – №. 7. – P. 2059-2070.

17. Wigneron J. P. et al. Modelling the passive microwave signature from land surfaces: A review of recent results and application to the L-band SMOS & SMAP soil moisture retrieval algorithms //Remote Sensing of Environment. – 2017. – Vol. 192. – P. 238-262.

18. Escorihuela M. J. et al. Effective soil moisture sampling depth of L-band radiometry: A case study //Remote Sensing of Environment. – 2010. – Vol. 114. – №. 5. – P. 995-1001.

19. Monerris A. et al. Soil moisture retrieval using L-band radiometry: Dependence on soil type and moisture profiles //2006 IEEE MicroRad. – IEEE, 2006. – P. 171-175.

20. Alemohammad S. H. et al. Characterization of vegetation and soil scattering mechanisms across different biomes using P-band SAR polarimetry //Remote Sensing of Environment. – 2018. – Vol. 209. – P. 107-117.

21. Carreiras J. M. B. et al. Coverage of high biomass forests by the ESA BIOMASS mission under defense restrictions //Remote Sensing of Environment. – 2017. – Vol. 196. – P. 154-162.

22. Fomin S. V., Muzalevskiy K. Dielectric Model for Thawed Mineral Soils at a Frequency of 435 MHz //IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. – 2020. – Vol. 18. – №. 2. – P. 222-225.

23. Fomin S., Muzalevskiy K. A dielectric model for frozen mineral soils at a frequency of 435 MHz //Remote Sensing Letters. – 2021. – Vol. 12. – №. 9. – P. 944-950.

24. Savin I. V., Muzalevskiy K. V., Mironov V. L. A dielectric model of thawed and frozen Arctic organic soils at 435 MHz //Remote Sensing Letters. – 2022. – Vol. 13. – №. 5. – P. 452-459.

25. Каравайский А.Ю., Лукин Ю.И. Диэлектрическая модель верхнего органического слоя лесных почв для частоты 435 МГц // Исследование Земли из космоса. 2023. Т. 2023, № 3. С. 81–96.

26. Агрохимические методы исследования почв / ред. Соколов А. В. М.: Наука, 1975. 656 с.

27. Sadovski A., Ivanova M. Transformation of soil texture schemes and determination of water-physical properties of soils //Eurasian Journal of Soil Science. – 2020. – Vol. 9. – №. 4. – P. 306-313.

28. Mironov V. L. et al. Method of retrieving permittivity from S12 element of the waveguide scattering matrix //2013 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). – IEEE, 2013. – P. 1-3.

29. Mironov V. L., De Roo R. D., Savin I. V. Temperature-dependable microwave dielectric model for an Arctic soil //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. – 2010. – Vol. 48. – №. 6. – P. 2544-2556.

Для цитирования:

Каравайский А.Ю., Фомин С.В., Лукин Ю.И. Модель комплексной диэлектрической проницаемости органо-минеральных почв, учитывающая минеральный состав и содержание органического вещества. // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.1.9