ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2022. №11
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.11.15
УДК: 537.87
зависимость отражательных свойств агропочв
В сверхширокой полосе частот от типа,
степени шероховатости поверхности
и профилей влажности агропочв
К.В. Музалевский, С.В. Фомин, А.Ю. Каравайский
Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук - обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН
660036, Красноярск, Академгородок, 50, стр. 38
Статья поступила в редакцию 5 декабря 2022 г.
Аннотация. В данной работе исследовано влияние объемной влажности от 0% до 40% (вертикальных профилей влажности), плотности сухого сложения от 0.4 до 1.8 г/см3, содержания глинистой фракции от 0.15 до 0.55 г/г (типа агропочвы), среднеквадратических отклонений (СКО) высот неровностей поверхности от 0 до 4 см почвенного покрова на вариации коэффициента отражения в сверхширокой полосе частот от 100-400 МГц до 1.26-2.4 ГГц. Расчет коэффициента отражения выполнен для гладкой и шероховатой границы почвенного покрова. При расчете коэффициента отражения использовалась двух-релаксационная диэлектрическая модель Миронова (входные параметры: плотность сухого сложения, содержание глинистой фракции, объемная влажность почвы, частота электромагнитной волны). Показано, что коэффициент отражения является неоднозначной функцией содержания глинистой фракции и плотности сухого сложения почв; погрешность восстановления высоких значений влажности почв может быть в 5 раз выше, чем для сухих почв. По отношению к содержанию глинистой фракции и плотности сухого сложения почвы, СКО высот неровностей поверхности почвы является доминирующим параметром неопределенность в задании, которого существенно влияет на погрешность восстановления влажности почв. Для рассмотренных разнообразных вертикальных профилей влажности почвы, показано, что эффективная толщина поверхностного слоя агропочвы, формирующего коэффициент отражения, не превышает 2 см при частоте зондирования выше 1 ГГц. При объемной влажности поверхности почвы более 28% величина коэффициента отражения во всем исследованном диапазоне частот от 433 МГц до 1.26 ГГц не зависит от вертикального распределения влаги. Проведенные исследования устанавливают количественные ограничения на точность восстановления влажности почвы при заданной погрешности исходных параметров модели: содержание глинистой фракции, плотности сухого сложения почвы, степени шероховатости поверхности почвы, которые должны учитываться при разработке алгоритмов дистанционного зондирования влажности агропочв.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, рефлектометрия, коэффициент отражения, комплексная диэлектрическая проницаемость почв, дистанционные методы измерения влажности почв.
Финансирование: Работа выполнена в рамках гранта РНФ и Красноярского краевого фонда науки № 22-17-20042.
Автор для переписки: Музалевский Константин Викторович, rsdkm@ksc.krasn.ru
Литература
1. Voronovich A.G., Lataitis R.J. Soil Moisture Profile Retrievals Using Reflection of Multifrequency Electromagnetic Signals. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2022. V.60. №2006510. P.1-10. https://doi.org/10.1109/TGRS.2022.3204522
2. Voronovich A.G., Lataitis R.J. Soil Moisture Retrieval Using Reflection Coefficients: Numerical Experiments. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2021. V.59. №11. P.8957-8967. https://doi.org/10.1109/TGRS.2020.3037012
3. Minet J., Wahyudi A., Bogaert P., et al. Mapping shallow soil moisture profiles at the field scale using full- waveform inversion of ground penetrating radar data. Geoderma. 2011. V.161. №3-4. P.225-237. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2010.12.023
4. Музалевский К.В. Дистанционное измерение профилей влажности в пахотном слое почвы на основе поляриметрических наблюдений коэффициента отражения в P- и C-диапазонах частот. Эксперимент. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т.17. №3. C. 145-148. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2020-17-3-145-148
5. Muzalevskiy K.V. Retrieving soil moisture profiles based on multifrequency polarimetric radar backscattering observations. Theoretical case study. International Journal of Remote Sensing. 2021 V.42. №2. P.506-519. https://doi.org/10.1080/01431161.2020.1809743
6. Muzalevskiy K.V. A new method for remote sensing of moisture profiles in the arable layer at three frequencies; experimental case study. International Journal of Remote Sensing. 2021. V.42. №7. P.2377-2390. https://doi.org/10.1080/01431161.2020.1851795
7. Bobrov P.P., Belyaeva T.A., Kroshka E.S., Rodionova O.V. The Effect of Dielectric Relaxation Processes on the Complex Dielectric Permittivity of Soils at Frequencies From 10 kHz to 8 GHz - Part I: Experimental. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2022. V.60. №2005409. P.1-9. https://doi.org/10.1109/TGRS.2022.3180727
8. Ulaby F.T., Long D.G. Microwave Radar and Radiometric Remote Sensing. The University of Michigan Press: Ann Arbor, MI, USA. 2013. 1116 p.
9. Bruggeman D. A. G. Berechnung verschiedemer physikalischer Konstanten von hetarogenen Substanzen. Ann. Phys. 1935. V.416. №7. P.636-679.
10. de Loor G.P. Dielectric Properties of Heterogeneous Mixtures Containing Water. Journal of Microwave Power. 1968. V.3. №2. P.67-73.
11. Birchak J.R., Gardner C.G., Hipp J.E., Victor J.M. High dielectric constant microwave probes for sensing soil moisture. Proceedings of the IEEE. 1974. V.62. №1. P.93-98. https://doi.org/10.1109/PROC.1974.9388
12. Dobson M.C., Ulaby F.T., Hallikainen M.T., El-rayes M.A. Microwave Dielectric Behavior of Wet Soil-Part II: Dielectric Mixing Models. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1985. V.GE-23. №1. P.35-46. https://doi.org/10.1109/TGRS.1985.289498
13. Peplinski N.R., Ulaby F.T., Dobson M.C. Dielectric properties of soilsin the 0.3-1.3-GHz range. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1995. V.33. №3. P.803-807. https://doi.org/10.1109/36.387598
14. Wang J.R., Schmugge T.J. An Empirical Model for the Complex Dielectric Permittivity of Soils as a Function of Water Content. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1980. V.GE-18. №4. P.288-295. https://doi.org/10.1109/TGRS.1980.350304
15. Boyarskii D.A., Tikhonov V.V., Komarova N.Yu. Model of Dielectric Constant of Bound Water in Soil for Applications of Microwave Remote Sensing. Progress In Electromagnetics Research. 2002. V.35. P.251-269. https://doi.org/10.1163/156939302X01227
16. Park C.-H. et al. New Approach for Calculating the Effective Dielectric Constant of the Moist Soil for Microwaves. Remote Sensing. 2017. V.9. №7. P.732. https://doi.org/10.3390/rs9070732
17. 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. V.47. №7. P.2059-2070. https://doi.org/10.1109/TGRS.2008.2011631
18. 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. V.192. P.238-262. https://doi.org/10.1016/j.rse.2017.01.024
19. Zeng J., Chen K.S., Bi H. and Chen Q. A Preliminary Evaluation of the SMAP Radiometer Soil Moisture Product Over United States and Europe Using Ground-Based Measurements. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2016. V.54. №8. P.4929-4940. https://doi.org/10.1109/TGRS.2016.2553085
20. Zhang L., Meng Q., Hu D., Zhang Y., Yao S., Chen X. Comparison of different soil dielectric models for microwave soil moisture retrievals. International Journal of Remote Sensing. 2020. V.41. №8. P.3054-3069. https://doi.org/10.1080/01431161.2019.1698077
21. Guo P., Shi J., Gao B., Wan H. Evaluation of errors induced by soil dielectric models for soil moisture retrieval at L-band. Proceedings of IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. 2016. P.1679-1682. https://doi.org/10.1109/IGARSS.2016.7729429
22. Liu J, Liu Q. Soil Moisture Estimate Uncertainties from the Effect of Soil Texture on Dielectric Semiempirical Models. Remote Sensing. 2020. V.12. №14. P.2343. https://doi.org/10.3390/rs12142343
23. Mironov V.L., Bobrov P.P., Fomin S.V. Dielectric model of moist soils with varying clay content in the 0.04 to 26.5 GHz frequency range. Proceedings of International Siberian Conference on Control and Communications. 2013. P.1-4. https://doi.org/10.1109/SIBCON.2013.6693613
24. Yayong S., et al. Preliminary Applicability Analysis of Soil Dielectric Constant Model of the Different Soil Texture Condition. Proceedings of IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. 2019. P.7148-7151. https://doi.org/10.1109/IGARSS.2019.8900240
25. Hallikainen M.T., Ulaby F.T., Dobson M.C., et al. Microwave dielectric behavior of wet soil-part I: empirical models and experimental observations. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing. 1985. V.23. №1. P.25-34. https://doi.org/10.1109/TGRS.1985.289497
26. Миронов В.Л., Фомин С.В., Лукин Ю.И. Трехрелаксационная обобщенная рефракционная диэлектрическая модель влажных почв. Известия высших учебных заведений. Физика. 2015. Т.58. №8-2. C.28-31.
27. Stogryn A. Equations for Calculating the Dielectric Constant of Saline Water (Correspondence). IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1971. V.19. №8. P.733-736. https://doi.org/10.1109/TMTT.1971.1127617
28. Музалевский К.В. Широкополосный рефлектометрический метод измерения влажности и степени шероховатости поверхности почвы. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2022. №12. (в редакции)
29. Muzalevskiy K.V. Numerical-Analytical Model of Reflection Coefficient for Rough Soil Surface in Wide Frequency Range. Proceedings of 8th All-Russian Microwave Conference (RMC). 2022. P.1-4.
30. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. Москва, Изд-во Академии наук СССР. 1957. 503 p.
Для цитирования:
Музалевский К.В., Фомин С.В., Каравайский А.Ю. Зависимость отражательных свойств агропочв в сверхширокой полосе частот от типа, степени шероховатости поверхности и профилей влажности агропочв. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2022. №11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.11.15