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
2024, № 1 · RADIO WAVE PROPAGATION

The model of permittivity of organomineral soils, considering mineral composition and organic matter content

A. Karavayskiy1, S.V. Fomin1, Y. Lukin1

1 Kirensky Institute of Physics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Krasnoiarsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2024.1.9 UDC 537.86 EDN PFSNGZ

Abstract

The single-frequency dielectric model of thawed and frozen forest soils in the root zone based on the refractive dielectric model was created, taking into account the influence of both the mineral and organic components of the soil mixture. The dielectric model was created on at 435 MHz the basis of the laboratory dielectric measurements of five soils with organic matter content in the range from 11.1 to 54.4 % and clay content from 21.1 to 40.9 %. Dielectric measurements were carried out in the range of the gravimetric moisture from the dry state to the lowest moisture capacity and in the temperature range from -30 to 25 ℃. The coefficient of determination between the predicted and measured values for real and imaginary parts of the complex permittivity are 0.988 - 0.997 and 0.957 - 0.971, respectively. The normalized standard deviations in this case are 6 - 5.6 % and 20.2 - 21.2 % for real and imaginary parts of the complex permittivity, respectively. The developed dielectric model can be used in remote sensing algorithms of soil moisture retrieval of forest soils in the root zone from the data radar and radiometric.

  • dielectric model
  • moisture
  • temperature
  • organic soil
  • mineral soil
  • frozen soil
  • thawed soil
Аннотация (на русском)

Модель комплексной диэлектрической проницаемости органо-минеральных почв, учитывающая минеральный состав и содержание органического вещества

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.

For citation

Karavayskiy A., Fomin S.V., Lukin Y. The model of permittivity of organomineral soils, considering mineral composition and organic matter content // Journal of Radio Electronics. – 2024. – No. 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.1.9

References

  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.