ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2015, № 1, с. 65-73
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
К ВОПРОСУ О ВАЛИДАЦИИ ДАННЫХ СПУТНИКОВОГО МИКРОВОЛНОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ПОЧВЕННОГО ЗАСОЛЕНИЯ © 2015 г. А. Н. Романов*, И. В. Хвостов
Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул E-mail: ran@iwep.ru* Поступила в редакцию 17.03.2014 г.
Приведены результаты сравнительного анализа радиояркостных температур подстилающей поверхности, полученных со спутника SMOS и рассчитанных на основе наземных измерений влажности и лабораторных измерений диэлектрических характеристик образцов засоленных почв и минерализованной воды, отобранных на тестовых участках Кулундинской равнины. Установлено, что значения радиояркостных температур подстилающей поверхности, рассчитанные на основе наземных и лабораторных исследований, удовлетворительно согласуются со значениями радиояркост-ных температур, измеренных со спутника SMOS. Наблюдаемые отклонения могут быть обусловлены сезонным усыханием мелководных высокоминерализованных озер, в результате которого значительно меняются занимаемые ими площади, и возникновением на месте водной поверхности переувлажненных участков почв с высоким содержанием минеральных солей, радиоизлучательные характеристики которых отличаются от характеристик водной поверхности и почвенного покрова.
Ключевые слова: спутниковое микроволновое зондирование, SMOS, валидация DOI: 10.7868/S020596141501008X
ВВЕДЕНИЕ
Засоленные почвы, распространенные во многих регионах Земного шара, наносят значительный вред природной среде за счет ветрового переноса минеральных солей, миграции химических элементов с речным потоком, грунтовыми водами. Накопление токсичных солей в незасоленных почвах ведет к снижению их биологической продуктивности, деградации растительности, опустыниванию. В настоящее время площади, занятые засоленными почвами, исчисляются миллионами гектар (Панкова, Воробьева, 2006; Карпачев-ский, 2007). Действенный мониторинг таких огромных территорий возможен с использованием аэрокосмических методов зондирования почвенного покрова в оптическом, инфракрасном (ИК) и микроволновом диапазонах.
Анализ разновременных снимков со спутника Landsat позволил установить изменение засоленности аридных почв на севере Мексики (Gutierrez, Johnson, 2010), исследовать территориальное распределение засоленных почв в некоторых районах Китая (Ding, Wu, 2011). Дистанционный мониторинг засоленности почв, основанный на спутниковых данных, полученных с космического аппарата IRS-1D в разных полосах спектра, апробирован на землях в бассейне р. Инд, где
чрезвычайно обострены проблемы деградации почв за счет почвенного засоления и повышенной минерализации воды (Khan et al., 2005). На основе дистанционных данных с аппарата MODIS (спутник Terra) и данных по электропроводности почвы построена карта засоленных почв северо-восточной части Бразилии. Разработанный подход позволяет обнаруживать засоленные почвы в засушливых и полузасушливых условиях (Bouaziz et al., 2011). С помощью мультиспектрального космического термоэмиссионного отражающего радиометра (ASTER) проведено картирование засоленных земель на основе спектров незасоленных почв и солевых растворов (Melendez-Pastor et al., 2010).
Методы дистанционного картирования засоленных почв в оптическом и ИК диапазонах имеют следующие ограничения: различие спектральных характеристик засоленных почв, зависящих от типа почвенного засоления, пространственное распределение солей на поверхности земли, временные изменения солености, экранирующее влияние растительности на спектральные характеристики засоленных почв (Metternicht, Zinck, 2003).
Для повышения репрезентативности спутниковой информации проводят совместные измерения излучательных параметров подстилающей поверхности в оптическом, ИК и микроволновом диапазонах, используют радиолокационные систе-
5
65
Рис. 1. Спутниковый снимок LandSat-7 исследуемой территории в оптическом диапазоне и фрагмент геодезической сетки КЕД 4Н9.
мы с синтезированной апертурой (Mulder et al., 2011; Bell et al., 2001).
Значительные успехи достигнуты в обработке данных, полученных со спутника SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), основной задачей которого является составление глобальных карт почвенной влажности и солености океана. В настоящее время идет накопление информации, которая в будущем может быть использована для детальной инвентаризации земной поверхности (Font et al., 2003; Panciera et al., 2011).
Присутствие солей в почве значительно снижает точность микроволновых методов дистанционного определения влажностных параметров почв, делает невозможной интерпретацию данных дистанционного зондирования, независимо от того, с какой платформы (спутник, самолет, автомобиль) ведутся измерения (Реутов, Шутко, 1990а, б; Романов, 2009).
В данной работе приведены результаты сравнительного анализа радиояркостных температур подстилающей поверхности, полученных со спутника SMOS и рассчитанных на основе наземных и лабораторных измерений влажности и диэлектрических характеристик образцов засоленных почв и минерализованной воды, отобранных на тестовых участках Кулундинской равнины. Для расчета также привлекались спутниковые данные ИК-диапазона о термодинамической температуре поверхности Земли.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования проводились на территории Кулундинской равнины, расположенной на юге Западной Сибири и характеризующейся засушливым климатом с малым годовым количеством атмосферных осадков. Почвы в основном засоленные, с разным химическим составом; распространены содовые солончаки, солонцы, встречаются соляные коры. Здесь находится около 3000 бессточных соленых и горько-соленых мелководных озер, значительная часть которых периодически пересыхает в летний период. В результате этого на месте бывших озер образуется слой соли толщиной 1—5 см, под которым залегает сильноминерализованный ил с высокой влажностью толщиной 10 и более см.
В таких условиях валидация данных микроволнового зондирования затруднена по причине значительной изменчивости диэлектрических и радиоизлучательных характеристик засоленных почв, зависящих от температуры, влажности, степени и типа почвенного засоления.
В качестве основного объекта исследования выбрана территория, прилегающая к системе высокоминерализованных озер Кулундинское-Ку-чукское (рис. 1, см. опНпе-версию статьи с цветными рисунками на сайте электронной библиотеки www.elibrary.ru). Эти два озера соединены между собой каналом, по которому вода из Ку-лундинского озера (массовая концентрация солей S = 0.14) перетекает в более соленое Кучук-ское озеро ^ = 0.28). Задача дистанционного мониторинга подобных территорий затрудняется
Рис. 2. Спутниковый снимок MODIS/Terra исследуемой территории, откалиброванный в единицах термодинамической температуры, и тестовые площадки подспутниковых измерений.
тем, что площади водных зеркал этих озер испытывают значительные сезонные вариации (Ку-лундинское озеро — 615—700, Кучукское озеро — 175-181 км2).
Для оценки пространственного распределения радиоизлучательных характеристик подстилающей поверхности использованы принимаемые со спутника SMOS (ESA) снимки уровня обработки L1c (Gutierrez, Castro, 2010). Высота орбиты спутника составляет 763 км. Значения радиоизлуча-тельных характеристик откалиброваны в единицах радиояркостных температур ТЯ. Погрешность определения ТЯ изменяется от ±3 К в центре до ±6 K на краях полосы захвата, ширина которой ~890 км. Съемка рассматриваемой территории производится около 7 и 20 ч местн. вр. интерференционным радиометром MIRAS на горизонтальной и вертикальной поляризациях в диапазоне углов зондирования от 0° до 55° на частоте 1.41 ГГц. Разрешающая способность радиометра при рабочих углах зондирования изменяется от 30 до 50 км, при зондировании под углом 42.5° составляет 45 км.
Данные SMOS уровня L1c привязаны к дискретной геодезической сетке DGG ISEA 4H9 (Sahr et al., 2003), состоящей из 2621442 шестиугольных ячеек, которые покрывают весь земной шар. Фрагмент сетки изображен на рис. 1, где ячейки промаркированы способом последовательной нумерации. Линейный размер ячейки составляет ~16 км. Такое соотношение масштаба сетки и разрешающей способности радиометра обеспечивает корректное с точки зрения крите-
рия Найквиста представление результатов измерений (Ртой et а1., 2008). При этом значение ТЯ каждой ячейки площадью ~195 км2 характеризует радиоизлучательную способность значительно большего участка подстилающей поверхности (площадью от 700 до 2000 км2, в зависимости от угла зондирования), содержащего эту ячейку.
В наземном эксперименте на тестовых участках измерялась температура воды и почвы ртутным термометром ТМ-3 с погрешностью ±0.5 К в слое 0—1 см (Т0 -1) и на глубине 10 см (Т10) для последующей валидации спутниковых данных МО-ЭК и оценки термодинамической температуры эффективно-излучающего слоя. Проводился отбор проб воды и почвы для последующего химического анализа и измерения диэлектрических характеристик в лабораторных условиях. В ходе восьми экспедиций на исследуемой территории отобрано более 100 образцов почв и 50 образцов воды, установлены границы территорий с одинаковыми функциональными зависимостями ра-диоизлучательных характеристик от влажности и температуры. Это позволило уменьшить необходимый для валидации объем подспутниковых измерений, которые в идеальном случае должны быть синхронными. На рис. 2 (см.эл. версию статьи на указанном выше сайте) представлена схема расположения тестовых участков, задействованных для измерений 5—6 августа 2013 г.
Пространственное распределение термодинамической температуры подстилающей поверхности оценивалось по ежедневным данным радио-
Таблица 1. Радиоизлучательные характеристики воды из тестовых водоемов
Участок (водоем, удаление от береговой линии) S Тс-1, К xV xH
I (оз. Кучук, 100 м) 0.21 303 0.21 0.12
K (оз. Кучук, 300 м) 0.21 299 0.21 0.12
L (оз. Кучук, 500 м) 0.21 300 0.21 0.12
E (оз. Кулундинское, 100 м) 0.14 - 0.26 0.15
U (оз. Джира, 100 м) 0.09 - 0.31 0.18
A (оз. М. Яр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.