Радиофизические методы дистанционного зондирования почвенного покрова

".

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 интерпретация 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 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 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. Сравнение 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 радиометри4 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 объема больше у глины, поэтому у нее на данном уровне влажности связывается большее количество воды, чем у песка.

Для уточнения описания КДП влажных грунтов представляется эффективным вводить в модель некоторые физические параметры, значения которых могут быть найдены экспериментально и учитывать вклад связанной воды в КДП дисперсной смеси.

В [55,56] была предложена эмпирическая формула четырехкомпонент-ной смеси, КДП которой представлена как линейная комбинация диэлектрических констант твердой фазы, воздуха, связанной и свободной воды. Описание диэлектрической проницаемости связанной воды предложено гипотетически следующим образом. При нулевой влажности она равна проницаемости льда и затем линейно растет с увеличением количества воды, пока не достигается влажность перехода, где ее КДП достигает соответствующего значения свободной воды. При этом максимальное содержание связанной воды рассматривается как свободный параметр, значение которого, вообще говоря, не определено, но может быть подобрано из наилучшего соответствия модели с опытными данными. В [56] это значение было оценено для 18 почв путем применения метода наименьших квадратов к экспериментальным данных. Достоинство модели — введение в нее физических параметров связанной воды, недостатки — а) учет диэлектрических составляющих отдельных компонент в виде суммы первых степеней (так называемая модель Брауна для дисперсных смесей), что не дает адекватного описания в дециметровом и сантиметровом диапазонахб) необоснованная влажностная зависимость КДП связанной водыв) трудность и неточность экспериментального получения значения влажности перехода от связанной воды к свободной.

В работах [68−70] также рассмотрен учет связанной воды при моделировании КДП влажного почвогрунта и делается попытка оценить ее содержание. При этом модельное описание комбинируется для двух влажностных интервалов — когда содержание связанной воды меньше или больше максимального количества связанной воды в данной почве. К недостаткам относится следующее: а) модельная формула смеси строится, как и в [56], на основе «брауновской» зависимости, что не дает верных результатов в диапазоне СВЧб) ошибочно полагается, что параметры связанной воды можно зафиксировать из графика влажностного поведения КДП почвогрунтовой смеси, что противоречит имеющимся результатам подробных экспериментальных исследований. Достоинством рассмотрения является высказанное предложение о необходимости создании баз данных по параметрам связанной воды для целей дистанционного зондирования.

Цикл исследований [71,72] представляет собой две обширные и весьма обстоятельные статьи по экспериментальному исследованию КДП влажных естественных почвогрунтов и модельному анализу данных в диапазоне от 1.4 до 18.0 ГГц для пяти типов почв штата Канзас. Четырехкомпонентные эмпирические модели были использованы для обработки и анализа 809 экспериментальных точек и говорится об отличном согласии с экспериментом только рефракционной модели [51]. Вместе с тем делается вывод о трудностях ее применения, поскольку не удается определить физические параметры связанной воды, необходимые для подстановки в модельную формулу. Такими параметрами в данном случае явились влажностная точка перехода от связанной вода к свободной и КДП связанной воды. Оказалось, что в конечном счете численные значения этих параметров играют решающую роль в соответствии модели реальной ситуации. В итоге значение влажности перехода оценивалось из соображений лучшего соответствия между экспериментальными точками и модельными кривыми для КДП. Величина КДП связанной воды также определялась только путем прямого ее подбора в интервале между проницаемостью льда и свободной воды из соображений наиболее точного модельного соответствия. Таким образом, в работе не был найден эффективный способ определения физических параметров связанной воды, поэтому авторами был предложен достаточно искусственный прием. Чтобы облегчить трудности практического использования модели, из нее исключены параметры связанной воды в явном виде, осуществлен возврат к трехкомпонентной смеси, но коэффициент объемного содержания свободной воды задается не в первой степени, а в некоторой комплексной степени /?, через которую формально учитывается влияние связанной воды на поведение модельной функции влажностной зависимости. Однако определение (3 остается проблематичным этапом построения модели, который может быть преодолен только путем подгона, через проведение большого числа измерений влажностной зависимости КДП, которые в итоге могут дать приближенные интерполяционные формулы связи реальной и мнимой частей ?3 с процентным содержанием песка и глины. Недостаток подхода — его трудоемкость, а интерполяционные формулы для ?3 весьма локальны в своем применении и дополнительно требуют проведения анализа почвы на мехсостав.

В той же работе также рассматривается теоретическая модель смеси с применением формулы из [66] (модель де Лура). Делается попытка оценки параметров связанной воды, исходя из представления структуры смеси в виде случайного распределения дисковых образований связанной и свободной воды, воздуха. Теоретическая модель дает качественную корреляцию с наблюдаемыми результатами, однако значение КДП связанной воды остается в ней неопределенным. В связи с этим модель не применима на практике, интерес к ней может быть с точки зрения дальнейшего развития теории подобного направления. Пути создания теоретической модели КДП влажного грунта развиваются в [73], где за основу взята классическая формула Браггемана КДП смеси и усредненные амплитуды рассеяния на отдельных сферических частицах, вычисляемые по теории Ми.

Разрабатываются также способы определения глубины залегания близко подходящих к поверхности грунтовых вод [2,74,75] по данным самолетной радиометрической СВЧ-съемки. Подход основан на регистрации неоднородно увлажненной капиллярной каймы в дециметровом и сантиметровом диапазонах в условиях установившегося режима увлажнения в поверхностном слое. При этом слой почвы над уровнем грунтовых вод описывается однородным, либо неоднородным (капиллярная кайма) диэлектриком. Предложена методика статистической обработки при двух-волновом зондировании с реализацией 3−5 градаций УГВ в интервале от О до 3.5 метров. Однако предложенное описание зависимости коэффициента излучения в дециметровом диапазоне от УГВ в основе своей содержит влажностные зависимости КДП в виде рефракционной модели без учета связанной воды.

На диэлектрические свойства влажных почвогрунтов влияет присутствие в них растворимых солей. На частотах ниже 10 ГГц ионная проводимость раствора может существенно изменять мнимую часть КДП и коэффициент излучения. При этом поведение диэлектрических и излу-чательных характеристик в зависимости от засоленности изучено весьма слабо. Можно отметить работы [76−79], в которых эта проблема изучается в основном по отношению к коэффициенту излучения и обсуждается возможность дистанционного зондирования засоленности в дециметровом диапазоне. Отмечается, что наблюдаются регистрируемые вариации коэффициента излучения при реальных уровнях засоления почвы, однако существует трудность определения засоленности, поскольку влияние влажности при этом играет роль мешающего фактора. Результаты измерения КДП засоленных почвогрунтов отсутствуют, совместное влияние связанной воды и засоленности на КДП не изучено.

Весьма актуальна проблема дистанционного зондирования почвенного покрова в условиях отрицательных температур. В средних географических широтах в зимнее время на значительной территории формируется сезонно мерзлый почвенный слой, в котором существенно меняется состояние влаги и характер её взаимодействия с радиоизлучением. Нами показано, что реально рассматриваемыми прикладными задачами в этом случае является дистанционное зондирование глубины промерзания, гранулометрического состава, засоленности почв. Как указано выше, проблема дистанционного определения засоленности почв находится в стадии разработки, поскольку при положительных температурах значительно влияние влажности. В связи с этим представляет интерес исследование содержания соли в почвогрунте на диэлектрические и радиоизлучательные характеристики почвы при отрицательных температурах, когда количество незамерзшего почвенного раствора может зависеть от концентрации растворенных в нем солей. Кроме того, различному гранулометрическому составу грунтов отвечает разное содержание связанной воды. Предполагая, что при понижении температуры в области ее отрицательных значений превращение связанной воды в лед происходит более медленно, чем свободной, можно надеяться на возможность диагностики гранулометрического состава.

В работе [71] приведен ряд результатов измерений КДП влажных почв при отрицательных температурах, делается вывод о существовании незамерзшей воды в смеси по крайней мере, до —24°С. Однако анализ применимости модельного описания для этого случая не проводится.

Некоторые результаты представлены в [80−83]. В [80,81] рассмотрен фазовый переход в состоянии почвенной влаги для некоторого типа почвыв [82,83], авторы в качестве исследуемого образца почвы ограничивались только песком. Кроме того, измерения велись в коротковолновой части сантиметровой области диапазона СВЧ (Л = 1.5 см). Развитие теоретических модельных представлений описания КДП мерзлых грунтов изложено в [84]. Приводится сравнение с данными экспериментов [71] при фиксированной отрицательной температуре.

Изложенные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что для различных типов почвогрунтов характер поведения диэлектрических характеристик при отрицательных температурах значительно отличается от их поведения в области положительных температур. С точки зрения расширения баз знаний проблемы дистанционного зондирования представляет интерес дальнейшее исследование КДП почвогрунтов различного состава при отрицательных температурах и переходе через О°С с целью выяснения влияния связанной воды и засоленности в дециметровом и сантиметровом диапазонах, а также применимости эмпирических моделей к таким дисперсным средам.

Изучение КДП влажных почвогрунтов представляет также самостоятельный интерес при анализе структурных связей вода-почвогрунт. Поскольку диэлектрические свойства почвенной влаги существенным образом влияют на диэлектрические свойства дисперсной смеси в целом, то изучение влажностных и температурных зависимостей почвогрунтов могут дать информацию о диэлектрической проницаемости связанной воды. Кроме того, актуально рассмотрение неизученного до сих пор совместного влияния связанной воды и растворов солей на комплексную диэлектрическую проницаемость почвогрунтов при фазовых температурных переходах почвенного раствора и при температурах ниже нуля градусов. Полученные данные могут служить основой для совершенствования модельного описания диэлектрической проницаемости почвогрунтов различного состава.

Результаты исследований могут позволить ввести в рассмотрение некоторые параметры для характеристики почвогрунтов, связанные с диэлектрической проницаемостью. Эти параметры могут составить основу базы данных, которая являлась бы удобной в практике дистанционного зондирования. Предположительно наземные базы данных должны быть построены таким образом, чтобы они удовлетворяли следующим требованиям:

— содержали минимальное число физических параметров, обеспечивающих точность тематической интерпретации;

— приводили к реализации достаточно простых алгоритмов обработки;

— параметры должны быть сравнительно просто и оперативно измеряемыми в лабораторных условиях.

Экспериментальные исследования по дистанционному определению гидрологических характеристик почв радиометрическими и радиолокационными методами требуют обеспечения синхронными наземными измерениями, поскольку влага является наиболее мобильной природной компонентой. Так, в течение ряда лет ведутся исследования по радарному дистанционному зондированию влажности почв [85−91] и весьма важной частью работ являются синхронные измерения влажности в полевых условиях. Для целей неразрушающего контроля и волновой диагностики природных сред и искусственных материалов в диапазоне сверхвысоких частот используются аппликаторные зонды волноводного или резо-наторного типов [92−95]. Они могут обеспечить оперативное измерение влажности в опорных точках поверхности без нарушения естественного сложения почвы и фиксировать усредненное влагосодержание в пределах той же эффективной глубины, что и дистанционный сенсор. Представляет интерес развитие теории контактных зондирующих устройств с целью оптимального их расчета, а также повышения точности интерпретации измерений на основе использования влажностной модельной зависимости комплексной диэлектрической проницаемости почвогрунтов различного состава. Точное аналитическое решение в замкнутой форме задачи об излучении из волноводов с фланцем не существует, задача сводится к интегральным уравнениям, решение которых может строиться различными методами. Наиболее часто при решении подобных задач дифракции используются метод моментов (Галеркина) и вариационный подход. Метод моментов подразумевает разложение искомых полей на раскрывах по полной системе базисных ортогональных функций с последующим сведением задачи к бесконечной системе алгебраических уравнений относительно коэффициентов разложения. Достоинство метода состоит в возможности построения алгоритма численного решения, получения физических характеристик с заданной точностью и проведение анализа их сходимости к точным значениям при различных параметрах излучателя. Недостатком метода является громоздкость получаемых выражений решения и значительный объем вычислений. Кроме того, данный метод применим только для простейших геометрий волновода, таких как плоский и круглый. Для прямоугольного волновода, напри-, мер, его применение уже затруднено. Вместе с тем для практических приложений представляет интерес развитие аналитического метода расчета подобных устройств на основе волноводов различного типа с достаточно компактными расчетными формулами для характеристик согласования и взаимного влияния волноводных излучателей.

При создании информационной базы дистанционного зондирования земных покровов радиолокационными средствами представляет интерес анализ закономерностей рассеяния электромагнитных волн СВЧ диапазона шероховатой неоднородной землей и малыми локальными неод-нородностям вблизи земной поверхности из решения соответствующих модельных электродинамических задач.

В связи с развитием дистанционных методов зондирования гидрологических характеристик почв радиолокационными средствами бокового обзора осуществляется анализ задач рассеяния на шероховатых поверхностях влажной земли [96]. При теоретическом анализе зада^ч такого типа авторы обычно ограничиваются рассмотрением и анализом моделей однородного диэлектрического полупространства, либо двухслойных структур [97−99].

Построение решения задачи рассеяния на полупространстве с шероховатой границей и произвольным плоскослоистым законом поведения комплексной диэлектрической проницаемости позволяет расширить класс практического применения решения. Так, результаты могут быть использованы при определении гидрологических характеристик почв, таких как влажность приповерхностных слоев, уровень грунтовых вод с учетом влияния капиллярной каймы, фильтрация, подтопление, заболачивание с применением радиолокаторов с синтезированной апертурой.

Разрешение на местности современных средств радиолокационного дистанционного зондирования с применением техники синтезирования апертуры становится порядка нескольких метров в дециметровом диапазоне длин волн и средний уровень сигнала, соответствующий одному элементу пространственного разрешения, существенно зависит от рассеяния на отдельных малых приземных неоднородностях внутри пиксела. Существует проблема изучения вклада малых рассеивателей в уровень принимаемого сигнала, а также разрешение малоразмерных неоднород-ностей радиолокационными средствами. В связи с этим представляет интерес развитие методов решения модельных граничных задач, в том числе в строгой постановке, анализирующих дифракционные явления на неидеальных рассеивателях вблизи поверхности земли. Теоретическое исследование характеристик рассеяния электромагнитных волн на ленточных структурах может служить в качестве моделей при изучении возможностей обнаружения малых приземных локальных неоднородно-стей радиоволновыми методами [100], либо при учете коллективных эффектов рассеянии на большом числе подобных образований. При этом дифракционные явления могут проявляться как в задачах активной локации объектов, так и при радиометрическом зондировании [101,102]. В большинстве теоретических работ рассеивающие ленточные структуры обычно полагают идеально проводящими [103−106]. Вместе с тем представляет интерес рассмотрение более общих задач, когда на рассеивающей поверхности выполняются импедансные граничные условия.

Современные орбитальные радиолокаторы с синтезированной апертурой представляют собой многоканальные системы и способны формировать изображения земной поверхности на нескольких частотах и поляризациях, что, в принципе, обеспечивает увеличение объема получаемой информации. Кроме того, работа с изображениями по нескольким каналам имеет. еще одно важное преимущество, поскольку абсолютная калибровка принимаемых рассеянных сигналов обычно отсутствует, и приходится использовать их относительную калибровку. В этом круге проблем важной практической задачей является изучение состояния почвенно-растительных покровов с помощью радиолокационных муль-тиизображений данного типа на основе выявления характерных признаков изображений, относящихся к различным видам ландшафта [107— 112]. В частности, для радиолокационной поляриметрии представляет интерес развитие методов распознавания и автоматической классификации почвенно-растительных покровов с помощью мультиизображений с применением сравнения с наземными данными по тестовым участкам региона.

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 термодинамической темпёратуры 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 погруженной 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. л 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: есо — диэлектрическая проницаемость сухого грунта, Wt — предельное содержание связанной воды и появления свободной воды, ei — диэлектрическая проницаемость почвогрунта при влажности, равной И^.

3. Объемное содержание глинистых минералов в почвогрунте можно определить из измерений радиояркостной 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 зондирующего 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 БШ-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 деятельностью. В частности, построены двумерные картосхемы распределения влажности на пахотных землях, 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), International Symposium on Radio Propagation (Beijing, China, 1993), XVII Конференция по распространению 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 (God-dard Flight Center, NASA, Greenbelt, MD USA, 1995), Республиканская научно-техническая конференция «Региональные проблемы информатизации» (Барнаул, 1995), IGARSS'95 (Italy, 1995), 26th International Symposium on Remote Sensing of Environment and the 18th Canadian Symposium on Remote Sensing (Vancouver ВС, 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-ЫАБА», Комплексной программе оценки последствий ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне на население Алтайского края. Ряд разработанных методов используется 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.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, б глав, заключения, 2 приложений и списка литературы. Она содержит 86 рисунков, 18 таблиц, список литературы включает 275 наименований. Общий объем диссертации составляет 324 страницы.

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 к, с 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 соответствующими 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 края.

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 не^асо-ленных 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 почвогрун-те. 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 почвогрунтов 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 составили 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.

Заключение

.