ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 1, с. 3-6
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 528.873.042.8
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ ПО ДАННЫМ АКТИВНОГО МИКРОВОЛНОВОГО ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В ¿-ДИАПАЗОНЕ
© 2007 г. В. Н. Сагалович*, Э. Я. Фальков, Т. И. Царева
Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем, Москва *(495)157-94-33; e-mail: sagalovich@gosniias.ru Поступила в редакцию 14.04.2006 г.
Разработана методика определения влажности покрытой растительностью почвы по найденным в Z-диапазоне радиоволн коэффициентам обратного рассеяния, отвечающим H- и F-поляризации. Рассеяние в растительности описывается с помощью модели покровного облака. Первоначально посредством минимизации квадратичной формы, характеризующей различие между рассчитанными с помощью формул Оха, описывающих рассеяние волн открытыми почвами, и измеренными коэффициентами рассеяния, находится псевдовлажность почвы. Затем отыскивается влажность почвы в виде линейной функции псевдовлажности и известного из независимых измерений содержания воды в растительности. Показано, что для исследуемых участков почвы можно подобрать функцию, обеспечивающую хорошее согласие расчетов и измерений.
ВВЕДЕНИЕ
Важность решения задачи восстановления влажности покрытой растительностью почвы по данным активного микроволнового дистанционного зондирования (ДЗ) постоянно инициирует создание различных методик ее решения [1-3].
В работе предложена и апробирована новая методика, в основу которой положена модель, связывающая измеряемые коэффициенты обратного рассеяния с влажностью исследуемого участка подстилающей поверхности через характерные для этого участка параметры, и дополнительно использующая результаты ДЗ в оптическом диапазоне.
Как известно, в полуэмпирических моделях коэффициенты рассеяния представляются в виде суммы слагаемых, описывающих рассеяние в растительном покрове, взаимодействие между растительностью и почвой, а также отражение от поверхности, ослабленное слоем растительности.
Анализ показал [2], что использование в этих моделях известных выражений для рассеяния (типа формул Оха) на открытых почвах приводит к различию между расчетными и наблюдаемыми коэффициентами рассеяния при использовании реальных значений влажности и шероховатости почв.
Поэтому в предлагаемой методике принято, что при наличии растительного покрова в формулы Оха [4] следует подставить некоторую псевдовлажность. Реальная влажность почвы находится как линейная функция этой псевдовлажности и
содержания воды в растительности, находимого из независимых измерений. Коэффициенты этой функции определяются характеристиками исследуемого участка подстилающей поверхности и должны быть известны до проведения расчетов.
Рассеяние волн в растительном покрове находилось с помощью модели покровного облака (ПО) [1, 3]. Использовалась простая модель, описанная в [3].
В ходе расчетов сначала по измеренным коэффициентам рассеяния вычисляется псевдовлажность посредством минимизации квадратичной формы, описывающей различие между рассчитанными и наблюдаемыми значениями коэффициентов. Затем с помощью указанной линейной функции находится искомая влажности почвы.
Результаты расчетов сопоставляются с данными для полей сои и кукурузы, полученными как в наземных исследованиях, так и в летных экспериментах.
Расчетные соотношения
Выражение для суммарного коэффициента рассеяния ар согласно принятой модели ПО имеет вид [3]
— v F2 0 ^pp ^pp г p^pp,
(1)
где р в зависимости от типа поляризации принимает значения Н или V; а°рр - рассеяние от откры-
и V
той почвы; арр - рассеяние в растительном по-
крове; Гр - коэффициент пропускания радиоволн растительным покровом
Г р = exp (-т р sec 0), (2)
где тр - оптическая толщина растительного покрова; 0 - угол падения радиоволн.
Рассеяние в растительном покрове находится с помощью формул [3]:
oVpp = QpMvcos0( 1- Г2р), Тр = bpMv, (3)
где ap, bp - параметры, определяемые характеристиками растительного покрова; mp - содержание воды в растительности (кг/м2).
Влияние на величину параметра bp углов падения, поляризации и длины волны X изучалось в работах [5, 6]. В частности, установлено, что справедливо выражение bH = c/Xx и даны значения c и x для различных видов растительного покрова [6]. В [5] имеются графики, позволяющие оценить отношение by/bH для различных углов падения.
Закономерности, описывающие изменение параметра ap, мало изучены (некоторые оценки получены в [3]). Однако проведенные в настоящей работе расчеты показали, что влияние значения ap в возможном диапазоне его изменения на оценку влажности почвы мало.
Коэффициенты обратного рассеяния от откры-
.0ч
той почвы для случаев кросс-поляризации (cVH) и
00
ко-поляризации (cVV и cHH) находились из соотношений Оха [4]
cVH = 0.11 w°'7cosP'P0[ 1 - exp(-0.3Р(Рs0n/X)18)],
ными значениями ws и 5. Они находятся из условия минимума квадратичной формы:
c0VH/c0VV = 0.1 (s0/l + sin (1.3 0))1Р х х[ 1 - exp(-0.9(Р(s0n/X)08)],
(4)
Q(w0, S0) = [OHH - CHH(W0, S0)] + + [aVv- ^vv(W0, S0)]Р,
(5)
г, ОС -0.05
оНя/о^ = (20/п) . W0 ехР ("°.4(2^0п/X)14),
где w0 - объемное содержание воды в почве; 50 -среднеквадратическое отклонение высоты поверхности; / - длина корреляции шероховатой поверхности.
Формулы (4) апробированы в диапазонах значений:
0.03 < V/ < 0.32, 0.03 < w0 < 0.3, 0 < 0 < 1.12 рад. При выполнении расчетов в формулу (1) вме-
° 0 0 /л\ лг
сто срр подставляется суу или сяя из (4). Учитывая слабое влияние отношения 5// на получаемые результаты, в расчетах использовалось среднее значение 5// = 0.2.
Псевдозначения w0 и 50 для случая почвы, покрытой растительностью, не совпадают с реаль-
где с^, сеяя - измеренные коэффициенты рассеяния, коэффициенты сяя, Суу рассчитываются по формуле (1).
Содержание влаги в растительности знание которого необходимо для вычисления по формулам (1)-(3), в общем случае определяется по результатам обработки измерений отражения от зондируемой поверхности в разных диапазонах волн со спутников [8] или с самолетов [9].
Предполагается, что влажность почвы ws может быть найдена из линейной зависимости
ws = + 01 Wo + 02 , (6)
где вектор коэффициентов Р{Р0, Ръ Р2} известен. Его значения отыскиваются с помощью регрессионного анализа (сопоставляются измеренные на исследуемом участке значения влажности почвы с величинами, рассчитанными по формуле (6)); w0 - псевдовлажность, соответствующая минимуму Q (5).
Сопоставление с экспериментом
Влажность почвы на полях сои. Закономерности изменения коэффициентов рассеяния на полях сои изучались летом 1996 г. на биологической станции Келлог, шт. Мичиган, США [2]. Радар (X = 24 см) размещался на наземной платформе, измерения выполнялись на дальности 12 м под углом 45° к направлению рядов сои (угол падения радиолуча 45°). Влажность почвы и содержание влаги в растительности определялись из наземных измерений.
В соответствии с рекомендациями работ [3, 5, 6] для подстановки в формулы (3) были выбраны следующие значения коэффициентов: ая = ау = = 0.002; Ья = 0.132; Ъу = 0.106.
Обработка данных для 22 дней наблюдений позволила определить вектор в в выражении (6): Р{-0.032, 0.286, 0.122}. Рассчитанные по предлагаемой методике и измеренные значения влажности почвы представлены на рис. 1а. Коэффициент детерминации Я2 = 0.773.
Поля сои исследовались также в ходе эксперимента 8МЕХ02, штат Айова, США [7]. Собранные данные размещены на сайте www.hydrolab.ar-susda.gov ^МЕХ02/. Измерения коэффициентов рассеяния проводились между 25 июня и 12 июля 2002 г. с борта самолета С-130. Высота полета -1000 м, скорость - 70 м/с, угол падения радиоволн (X = 23.8 см) - 45°.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ
5
ws 0.25
ws
п
205
ws
0.25
276
174 176 178 180 182 184 186 188 190 Дни года
Рис. 1. Влажность почвы на полях сои (о - полевые наблюдения,--расчет по измеренным коэффициентам рассеяния): а - радар на наземной платформе; б - радар на самолете.
174 176 178 180 182 184 186 188 190 Дни года
Рис. 2. Влажность почвы на полях кукурузы (о - полевые наблюдения,--расчет по измеренным коэффициентам рассеяния): а - радар на наземной платформе, б - радар на самолете.
Влажность почвы в слое 0-6 см определялась в ходе полевых наблюдений. По вегетационным индексам, рассчитанным для данных, собранных спутником Landsat, находилось тг - содержание воды в растительном покрове [8]. Здесь же приведены значения тг для каждого из дней наблюдения и указан их разброс возле средних значений. Анализ показал, что в дальнейшем при обсчете полей сои целесообразно использовать верхние оценки тч, а при обсчете полей кукурузы - средние значения из представленных в [8] оценок тч.
Была выполнена обработка данных (6 дней наблюдений) для одного из полей сои (участок WC14 [7]) и получено р{0.073, 0.225, 0.062}, Я2 = 0.964.
Из рис. 16 видно, что значения, рассчитанные по разработанной методике, и экспериментальные данные хорошо согласуются между собой.
Влажность почвы на полях кукурузы. Анализировались данные, собранные в ходе исследований коэффициентов обратного рассеяния от полей кукурузы, выполненных в 2002 г., шт. Мэрил-
энд, США [10]. Поля были засеяны 17 апреля, биомасса кукурузы достигла максимума в конце июля, уборка полей была проведена 2 октября. Радар (к = 18.75 см) размещался на платформе на высоте 12.2 м. Поля кукурузы сканировались в угле обзора 120°, угол падения радиолуча составлял 15°. В ходе полевых измерений влажность почвы определялась в слое 0-5 см, содержание воды в растительности определялось каждую неделю.
Для рассматриваемого случая с помощью формул и графиков, приведенных в [3, 5, 6], были получены следующие оценки для значений параметров в формулах (3):
аН = ау = 0.002; ЬН = 0.127; Ьу = 0.165.
Обработка данных за 12 дней наблюдений позволила установить, что в{0.239, -0.223, -0.025} и Я2 = 0.632. Результаты расчетов по предлагаемой методике и экспериментальные значения влажности почвы представлены на рис. 2а.
Обрабатывались также данные, полученные в летном эксперименте SMEX02 для одного из по-
лей кукурузы (участок
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.