Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2022, № 11 · RADAR INFORMATION METHODS AND ELEMENTS

Heuristic and applied potential of combining microwave humidity-temperature sensing of soil and photographing in facially differentiated agricultural systems

E.P. Novichikhin1,2, N.F. Khokhlov1,3, A.G. Bolotov1,3, I.A. Sidorov1, A.G. Gudkov1, I.O. Porokhov4, S.V. Chizhikov1,5

1 Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
2 Kotelnikov IRE RAS, Moscow, Russia
3 RGAU MSHA named after K.A.Timiryazev, Moscow, Russia
4 TSNIRTI named after academician A.I. Berg, Moscow, Russia
5 LLC "NPI FIRM "HYPERION", Moscow, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2022.11.18 UDC 681.7.069.32 EDN UVWOXQ

Abstract

The paper is devoting the discussion of the biocenotic conditions, boundaries and advantages of additional equipment of an airmobile platform (UAV) with a microwave radiometric system for soil moisture and temperature sensing of inhomogeneous arable lands included in the turnover of moraine plain landscapes with photography. The necessity is theoretically justified and an algorithm is given for obtaining and using information on the projective coating of the leaf surface to calculate the corrections of the results of probing soil moisture with a microwave radiometer. Approaches to the rationalization of the survey, methods of statistical analysis of photography data that allow predicting the translocal vector of the dynamics of the weed component of the lands put into circulation are considered. Agro-industrial applications of joint microwave sensing and photographing on plantations of perennial industrial crops are given. The purpose of the work is to discuss the features of the conditions and to show the opportunities and prospects for the agronomic application of the results of combining microwave humidity-temperature sensing of the soil and digital photography in the development of fallow facially differentiated lands planned for the laying of plantations of perennial industrial crops. The following results were obtained. The analysis of the influence of vegetation cover on the results of remote determination of soil moisture using a bipolarization microwave radiometer of the L-band is carried out. A method for correcting radiometric data on soil moisture using additional photography data in the presence of surface vegetation is proposed. A field humidity map obtained as a result of a full-scale experiment with subsequent data processing is presented. The possibility of predictions controlled by agricultural production based on the combination of microwave humidity-temperature sensing of the soil and photographing in facially differentiated agrogeosystems of the repetition of the phytocenotic pattern of root facies heterogeneity is shown. Practical significance. The introduction of the obtained new algorithms for taking into account the shielding effect of vegetation cover on the soil surface during microwave radiometric sensing of the soil surface from a UAV into the technological processes of growing crops ensures the sustainable development of crop production technologies, increasing yields and obtaining additional profits for agricultural enterprises.

  • microwave radiometer
  • remote sensing
  • uav
  • agrogeosystems
  • soil moisture
  • projective covering of the soil surface with leaves
Аннотация (на русском)

Эвристический и прикладной потенциал совмещения микроволнового влажностно-температурного зондирования почвы и фотосъемки в фациально-дифференцированных агрогеосистемах

В работе обсуждаются биоценотические условия, границы и преимущества дополнительного оснащения аэромобильной платформы (БПЛА) микроволновой радиометрической системой влажностно-температурного зондирования включаемых в оборот неоднородных пахотных угодий моренных равнинных ландшафтов с фотосъемкой. Теоретически обосновывается необходимость и приведен алгоритм получения и использования информации по проективному покрытию листовой поверхности для вычисления поправок результатов зондирования влажности почвы СВЧ-радиометром. Рассматриваются подходы к рационализации обследования, методы статистического анализа данных фотосъемки, позволяющих прогнозировать транслокальный вектор динамики сорного компонента вводимых в оборот земель. Приводятся агропроизводственные приложения совместного микроволнового зондирования и фотосъемки на плантациях многолетних технических культур. Цель работы - обсудить особенности условий и показать открывающиеся возможности и перспективы агрономического приложения результатов совмещения микроволнового влажностно-температурного зондирования почвы и цифровой фотосъемки при освоении залежных фациально-дифференцированных земель, планируемых для закладки плантаций многолетних технических культур. Получены следующие новые результаты: проведен анализ влияния растительного покрова на результаты дистанционного определения влажности почвы с использованием двухполяризационного СВЧ-радиометра L-диапазона, предложен способ коррекции радиометрических данных о влажности почвы с использованием дополнительных данных фотосъемки при наличии поверхностной растительности, Приведена карта влажности поля, полученная в результате натурного эксперимента с последующей обработкой данных, показана возможность контролируемых агропроизводством предсказаний на основе совмещения микроволнового влажностно-температурного зондирования почвы и фотосъемки в фациально-дифференцированных агрогеосистемах повторения фитоценотической картины коренной фациальной неоднородности. Практическая значимость работы заключается во внедрении полученных новых алгоритмов учета экранирующего действия растительного покрова на поверхности почвы при микроволновом радиометрическом зондировании поверхности почвы с борта БПЛА в технологические процессы выращивания сельскохозяйственных культур обеспечивает устойчивое развитие технологий растениеводства, повышение урожайности и получение дополнительной прибыли предприятиям АПК.

For citation

Novichikhin E.P., Khokhlov N.F., Bolotov A.G., Sidorov I.A., Gudkov A.G., Porokhov I.O., Chizhikov S.V. Heuristic and applied potential of combining microwave humidity-temperature sensing of soil and photographing in facially differentiated agricultural systems // Journal of Radio Electronics. – 2022. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.11.18

References

  1. База данных "Флора сосудистых растений Центральной России" [web]. Институт математических проблем биологии (ИМПБ РАН). Дата обращения: 15.11.2022. URL: impb.ru/eco/show_info.php?id=2148
  2. Белов С.Г., Белуга Г.И., Верба В.С., Сидоров И.А., Веснин С.Г., Гуляев Ю.В., Гудков А.Г., и др. всего 49 авторов. Информационно-измерительные и управляющие радиоэлектронные системы и комплексы. Москва, Радиотехника. 2020. 490 с
  3. Бузулук Г.Н., Созинов О.В. Методы учета проективного покрытия растений с использованием фотоплощадок. Известия Самарского научного центра российской академии наук. 2014. Т.16. № 5(5). С.1644-1649
  4. Гуляев Ю.В., Шутко А.М., Сидоров И.А. и др. СВЧ-радиометрия земной и водной поверхностей: от теории к практике. София, Академическое издательство имени проф. Марина Дринова. 2014.
  5. Еременко Е.А., Панин А.В. Ложбинный мезорельеф Восточно-Европейской равнины. Москва, МИРОС. 2010. 192 с.
  6. Иванов Д. А. Разработка ландшафтно-адаптивного землепользования Верхневолжья на основе геостатистических методов. Вестник Брестского государственного технического университета. 2019. №2. С.14-23.
  7. Кирюшин В.И. Теория адаптивно-ландшафтного земледелия и проектирования агроландшафтов. Москва, Колосс. 2013. 443 с.
  8. Лиханова И. А., Железнова Г. В. Синтаксономия производных сообществ на залежах средней и южной тайги европейского северо-востока России. Turczaninowia. 2021. Т.24. №4. С.140-156.
  9. Малышкин Н.Г. Эффективность химической борьбы с сорняками в посевах яровой пшеницы в условиях Северного Зауралья. Автореф. Канд.наук. Тюмень. 2008.
  10. Марков М.В. Агрофитоценология. Казань, Из-во Казанского Университета. 1972. 226 с.
  11. Матюк Н.С., Рассадин А.Я., Полин В.Д. Солдатова С.С. Обработка и окультуривание залежных земель в Центральном Нечерноземье. Земледелие. 2010. №4. С.26-29.
  12. Медведев И.Ф., Губарев Д.И., Графов В.П. Фациальная дифференциация земельных ресурсов на основе повышения экологизации агроландшафта. Земледелие. 2018. №1. С.10-15.
  13. Мутиков В.М. Рекомендации по введению залежных земель в оборот. Чебоксары. 2008. 8 с.
  14. Плющев В.А., Сидоров И.А., СВЧ-радиометрические системы с синтезированной апертурой. Российский технологический журнал. 2014. №1(2). С.119-127.
  15. Фисюнов А.В. Сорные растения. Москва, Колосс. 1984. 320 с.
  16. Якушев В.П. На пути к точному земледелию. Санкт-Петербург, Издательство ПИЯФ. 2002. 458 с.
  17. Archer F., Shutko A., Coleman T., Haldin A., Sidorov I., Novichikhin E. Microwave Remote Sensing of Land Surface from Mobile Platform: The Alabama 2003-2005 Experiment. Abstract. To be presented at "The Int 7IEEE 2006 Geoscience & Remote Sensing Symposium (IGARSS'06)". Denver, CO, USA. 31 July-04 August. 2006.
  18. Dammer K.H., Schirman M. Primarily tests of a optoelectronic in-canopy sensor for evaluation of vertical disease infection in cereals. Pest management Science. 2022. V.78. P.143-149. https://doi.org/10.1002/ps.6623
  19. Jackson T.J., Schmugge T.J. Vegetation effects on the microwave emission of soils, Remote Sensing of Environment. 1991. V.36. P.203-212. https://doi.org/10.1016/0034-4257(91)90057-D
  20. Katterer T. and Andren O. Predicting daily soil temperature profiles in arable soil in cold temperature regions from air temperature and leaf area index. 2009.Acta Agricultural Scandinavica, Section B-Plant soil, Science. V.59. №1. P.77-86
  21. Ustyuzhanin A., Schirmann J.I., Chochlov N., Dammer K.-H. Identifizierung von Beifuβblättriger Ambrosie (Ambrosia artemisiifolia) mittelsBildverarbeitung in einemWinterrogenfeld. GesundePflanzen. 2015. V.67. P.165-173
  22. Natalie R., Bumgarner, Whitney S. Miller, and Matthew D., Kleinhenz I. Digital Image Analysis to Supplement Direct Measures of Lettuce Biomass Hortechnology. Hort-Technology. 2012. V.22(4) P.547-555.
  23. Khokthong W., Zemp D.C., Irwan B.et all. Drone-Based Asssesment of Canopy Cover for Analysing Tree Morttality in an Oil Palm Agroforest. Front. For.Glob.Change. 2019. V.30. https://doi.org/10.3389/ffgc.2019.00012
  24. UAVs in Agriculture [web]. Scotland's Farm Advisory Service. Дата обращения: 15.11.2022. URL: fas.scot
  25. Sidorov I.A., Gudkov A.G., Agasieva S.V., Khokhlov N.F., Chernikov A.S., Vagapov Y. A portable microwave radiometer for proximal measurement of soil permittivity.Computers and Electronics in Agriculture. 2022. V.198.
  26. 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
  27. Болотов А.Г., Шеин Е.В., Сидоров И.А. Метод определения влажности почвы в системе адаптивного-ландшафтного земледелия. Нанотехнологии: разработка, применение - XXI век. 2021. Т.13. №4. С.10-14. https://doi.org/10.18127/j22250980-202104-02
  28. Сидоров И.А. Методы определения влажности почвы для системы точного земледелия. Нанотехнологии: разработка, применение - XXI век. 2018. T.10. №4. С.44-50
  29. Сидоров И.А., Гудков А.Г., Шашурин В.Д., Чижиков С.В., Новичихин Е.П., Хохлов Н.Ф., Порохов И.О., Пчелинцев В.Э., Агандеев Р.В. Дистанционное определение влажностного портрета дамбы СВЧ-радиометром с борта беспилотного летательного аппарата. Нанотехнологии: разработка, применение - XXI век. 2022. T.14. №3. С.5-13. https://doi.org/10.18127/j22250980-202203-01