Диэлектрическая спектроскопия влажных почв в

Радиофизика дистанционного зондирования
В.Л. Миронов
Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН
Красноярск, Россия
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ В
ЗАДАЧАХ АЭРОКОСМИМЧЕСКОГО
РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ
СУШИ
Обсуждаются физические основы
диэлектрической спектроскопии влажных почв и
развитие алгоритмов обработки данных в
приложении к проблемам аэрокосмического
радиозондирования.
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Инструменты радарного и радиометрического зондирования
Земли из космоса. Европейское космическое агенство.
Комплексный природоресурстный спутник ENVISAT. Высота
орбиты 800км. Угол наклонения 99˚.
AATSR. Сканирующий оптический радиометр.
MERIS. Сканирующий оптический спектрометр.
MWW. Микроволновый радиометр.
RA-2. Радарный высотомер.
ASAR. Радар с синтезированной апертурой.
Радиофизика дистанционного зондирования
Спутник «Влажность почвы и соленость океана»
(SMOS). Европейское космическое агентство (ESA).
Основное назначение космического аппарата
(SMOS) обеспечить карты влажности суши,
солености океана и криосферы Земли.
Первичная информация представляется в
виде изображений радиояркостной
температуры поверхности Земли, измеряемой
на частоте 1,4 ГГц с помощью
интерферометрического радиометра.
Запуск-начало 2008г
Допустимая погрешность измерения
влажности почвы составляет 4%;
Пространственное разрешение изображения
– 35-50 км;
Частота посещения один раз в 1-3 дня.
Цель проекта
Глобальный мониторинг влажности почвы,
солености океана и состояния криосферы.
Сферы приложений
Научные приложения: климатология,
океанография, метеорология, гидрология,
агрономия, гляциология, мерзлотоведение.
Практическое применение: управление
водными ресурсами.
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Прием, обработка, архивирование, распространение
радиолокационных и радиометрических данных.
Интернет сайт системы обеспечения пользователей данными ENVISAT
Пользователи системы
обеспечиваются бесплатными
программными средствами поиска,
оформления электронных заказов и
получения данных с использованием
сети Интернет.
Категории пользователей:
1. Фундаментальные и прикладные
исследования в области наук о Земле;
2. Исследования в области развития
технологий эксплуатации и использования
данных системы ENVISAT;
3.
Коммерческое применение
информационных продуктов
дистанционного зондирования Земли.
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Примеры радарных и радиотепловых изображений
Cечения радарного рассеяния в глобальном
масштабе. ENVISAT - наблюдения.
Радиояркостная
температура
поверхности
суши. SMOSимитация.
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Основные области использования информационных продуктов
радарного/радиометрического зондирования в науках о земле
и жизни
Классификация
растительных покровов
Модели ветрового волнения
моря
Влажность почвенных и
растительных покровов
Перемещения ледников и
ледовых полей
Процессы замерзания и
оттаивания поверхности
суши
Процессы образования и
таяния ледовых покровов
Океанография
Динамика заболоченных
территорий
Береговые процессы
Морская метеорология
Смещения и проседания
земной коры
Климатология снега
Морской лед
Радиофизика дистанционного зондирования
Уравнение радиолокации поверхности суши.
Сечение радарного рассеяния
 2 

 
 hh  0.7(cos 3  )[1  exp( 0.65(2fs / c)1.8 )][1  
[
 (W , f , m, T ) cos    (W , f , m, T )  sin 2 
 (W , f , m, T ) cos    (W , f , m, T )  sin 
2

1
3
 ( w, f , m ,T 1
 ( w, f , m ,T 1
exp( 2fs / c)]
cos    (W , f , m, T )  sin 2 
cos    (W , f , m, T )  sin 
θ—угол зондирования; f—частота эл.-магн. волны;
с—скорость света;
s—высота неровностей поверхности;
ε(W,f,m,T) —диэлектрическая проницаемость почвенного
покрова;
W—объемная влажность;
m—параметр минерального состава почвы;
T—физическая температура поверхности.
2
]
Радиофизика дистанционного зондирования
Уравнение радиотеплового зондирования
поверхности суши. Радиояркостная температура.
Горизонтальная поляризация.
TBp( hh)
2

2
cos    (W , f , m, Tå )  sin 

B
 1 
exp  AW  ( s L) C

cos    (W , f , m, Tå )  sin 2 


cos    (W , f , m, Tå )  sin 
2
cos    (W , f , m, Tå )  sin 
2
2



Te 




exp  AW  ( s L) C TBsky
B
θ—угол зондирования; f—частота эл.-магн. волны;
s—среднеквадратичная высота неровностей поверхности;
L —длина корреляции неровностей; A, B, C —константы;
ε(W,f,m,T) —диэлектрическая проницаемость почвенного покрова;
W—объемная влажность;
m—параметр минерального состава почвы;
Tе—эффективная физическая температура поверхности.
TBsky — радиояркостная температура ясного неба (реликтовое излучение).
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Физическая концепция спектроскопической модели
влажной почвы
Комплексная диэлектрическая
проницаемость влажной почвы
 s (W , f , m,T )
Почва - смесь частиц минерального скелета, воздуха и почвенной влаги.
 d (m, T )
Сухая почва
 b ( f , m, T )
 u ( f , m, T )
Связанная вода
Свободная вода
Только связанная вода
W  Wb , W  Wt
Коричневый-минеральный скелет.
Wt—Максимальное содержание связанной
воды
Желтый-связанная вода на поверхности
Связанная + свободная вода
частиц
Голубой-жидко-капельная (свободная)
вода
W  Wt  Wu , W  Wt
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Эмпирическая диэлектрическая модель Добсона
Диэлектрическая проницаемость и фактор потерь влажной
почвы
 s 


'
' '
 s  1 
( m  1)  W  u ( f )  W 
 m



1

 s"  W (  "/  ) u" ( f )
Релаксационная формула Дебая
 eff
 u 0   u
 u   u  i u   u 
i
1  i 2f u
2f vc
Релаксационные параметры Дебая: Статическая, εu0, оптическая,
εu∞, диэлектрические проницаемости и время релаксации,τu,
свободной воды.
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Эмпирическая диэлектрическая модель Добсона
 '   ' (S , C )
 "   " (S , C )
 eff
Физические характеристики сухой
почвы:
ρm-плотность минеральных частиц;
  eff (W ,  m ,  s , S , C )
ρs-плотность сухой почвы;
 m   m (m )
S-весовая доля песка (частицы с
размером больше чем 50 мкм);
C –весовая доля глины (частицы с
размером меньше чем 2 мкм).
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Тестирование эмпирической диэлектрической модели
Добсона
Диэлектрическая
проницаемость
SD=0.884
Почвы Добсона
SD=0.55
Почвы Добсона
Погрешность
регрессионной
эмпирической
модели
возрастает в 3
раза при
переходе к
«неизвестным»
почвам
Фактор потерь
SD=3.39
Почвы Куртиса
SD=1.6
Почвы Куртиса
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Рефракционная диэлектрическая модель смеси
 (W , f , m,T )  n(W , f , m, T )  i (W , f , m, T )
n(W , f , m, T ) —Показатель преломления (во сколько раз скорость
света больше скорости волны в почве)
 (W , f , m, T )
—Показатель поглощения (уменьшение натурального
логарифма амплитуды волны, если волна проходит в
почве расстояние ≈ 1/6 длины волны)
 s (W , f , m, T )   d (m, T )



 b ( f , m, T )  1 Wb ,

W  Wt (m, T );

 s (W , f , m, T )   d (m, T )   b ( f , m, T )  1 Wt



 u ( f , m, T )  1 Wu ,
W  Wt (m, T )
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Рефракционная диэлектрическая модель смеси
Рис. 1 (слева) и 2 (справа). Измеренные показатели преломления (a) и поглощения(b)
для песка (рис. 1) и глины (рис2) при 0o C. Регрессионные зависимости, соотв
рефракционной модели, показаны для частот: f = 0.6 ГГц (сплошная); f = 1.11 ГГц
(точки); f = 1.43 ГГц (пунктир).
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Рефракционная диэлектрическая модель смеси
Рис. 3. Измеренные Добсоном показатели преломления (a)
и поглощения (b) при 4.0, 10.0, и 18.0 ГГц для
глинистой
с/х
почвы
при
20-24˚C.
Кусочнолинейные регрессионные кривые даны для: f = 4.0
ГГц (сплошн); f = 10.0 ГГц (точки); f = 18.0 ГГц
(черточки).
Рис.
4.
Измеренные
зависимости
приведенного
показателя
преломления
от
влажности при 22 - 25ºC. Bсупесч с/х почва (Добс); D, Fпесок (Мирон); H, J – Южн
черноз (Мир); L, N – бентонит
(Мир); P-глинист с/х почва
(Добс); R, T – торф. Почвы
(частота 1.4 ГГц). Торф (частота
1,1 ГГц).
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Лабораторный аппаратурный комплекс для диэлектрических
измерения влажных почв. Институт Физики СО РАН
Камера тепла и холода
SU-240.
TABAI ESPEC
-40ºC …+140ºC
Коаксиальная
измерительная
ячейка
Векторный
анализатор цепей ZVK
Rohde&Schwartz
10МГц-40ГГц
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Диэлектрическая модель Дебая
 b ( f , m, T )
Связанная почвенная вода
 u ( f , m, T )
Свободная почвенная вода
 p 0 (m, T )   p
 p (m, T )
 p   p 
i
1  i 2f p (m, T )
2f vc
 p 0 (m, T )
 p ( m, T )
 p ( m, T )
 p
p=b
p=u
— Статическая диэлектрическая проницаемость;
— Время релаксации;
— Проводимость;
— Оптическая диэлектрическая проницаемость;
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Диэлектрическая спектроскопическая модель влажной почвы.
Диэлектричесие параметры сухой почвы
nd (C , T )
— Показатель преломления сухой почвы
 d (C ,T )
— Показатель поглощения сухой почвы
— Максимальное объемное содержание
связанной почвенной воды
Wt (C , T )
Диэлектрические параметры почвенной воды
 b 0 (С , T )
 u 0 (С , T )
— Статические диэлектрические проницаемости
связанной и свободной почвенной воды
 b (C , T )
 u (C, T )
 b (С , T )
 u (C ,T )
 b   è  4,9
— Времена диэлектрической релаксации
связанной и свободной почвенной воды
— Проводимости связанной и свободной
почвенной воды
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Описание базы экспериментальных диэлектрических данных
Почвы штата Канзас
Почвы штата Миссисипи
Количество типов почв – 4
Количество типов почв – 14
Содержание глины – 8-47%
Содержание глины – 0-76%
Температура-20-22ºС
Температура-20ºС
Диапазон частот – 0,3-1,3 ГГц
1,4-18 ГГЦ
Влажность - от
гигроскопической до полной
влагоемкости
Диапазон частот – 45МГц-26,5ГГц
Количество единиц измеренных
диэлектрических данных ≈ 350
Влажность - от гигроскопической
до полной влагоемкости
Количество единиц измеренных
диэлектрических данных ≈ 5000
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Тестирование эмпирической и физической моделей
Радиофизические методы диагностики окружающей среды
Тестирование спектроскопической диэлектрической модели
для ряда почв Европейской России и Сибири
База диэлектрических данных включала 16 естественных почв,
относящихся к территориям степной зоны Европейской России, степной,
лесной и лесотундровой зон Сибири
Частотный диапазон 0,5 ГГц-12 ГГц
Температура 22-25ºС
Диэлектрические данные получены в Лаборатории радиофизики
дистанционного зондирования ИФ и Омском государственном
педагогическом университете.
Входные параметры: весовое содержание физической глины (размер частиц
меньше 100 мкм) и физического песка (размер частиц больше 100 мкм) в
соответствии с Российской системой классификации
Зависимость
действительной (1) и
мнимой (2) частей
диэлектрической
проницаемости от объемной
влажности. Почва горизонта
А. Погорельский стационар
ИЛ СО РАН. Частота
электромагнитного поля 0,8
(в) и 6,0 (г) ГГц.
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Последовательность сезонных радарных изображений территории к
западу от Енисейского залива. Сибирь. Март-Июль 1995г. Радар ERS-1.
Сезонная динамика изменения сечения радарного рассеяния поверхностью
тундры в процессе оттаивания. Радары космического аппарата ERS-1.
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Тестирование спектроскопической диэлектрической модели
мерзлой почвы. Прогнозирование радарного сечения
обратного рассеяния. Аляска.
Годовой цикл температуры в
активном слое вечной
мерзлоты.
Вид тундрового ландшафта
в районе
мерзлотоведческой
станции. Институт
Геофизики. Аляска.
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Тестирование спектроскопической диэлектрической модели мерзлой
почвы. Прогнозирование радарного сечения обратного рассеяния.
Синтезированное
изображение
территория
Franklin Bluffs,
Аляска
(синтез ERS-2 от
23.08.97 и JERS-1
от 31.08.97)
1 - Речные русла и озера с чистым зеркалом воды (темный тон)
2 - Области растительности с максимальной биомассой
(красный цвет)
3 - Тундровая низкорослой растительность
4 - Бугристый тундровый ландшафт
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Тестирование спектроскопической диэлектрической модели мерзлой
почвы. Прогнозирование радарного сечения обратного рассеяния.
РСА-изображения тестового
участка
JERS-1. Канал - L-HH.
Разрешение - 12.5 M. Частота – 1.275 ГГц.
Дата
Координаты центра
31.08.97
N69.41 W149.15
13.10.97
N69.41 W148.45
09.01.98
N69.41 W148.61
Динамика прогнозируемого и
измеренного сечений радарного
рассеяния. Аляска.
Радиофизика дистанционного зондирования Земли
Спасибо за внимание!