Ю. В. Горішня Інститут радіофізики та електроніки ім. А. Я. Усикова НАН України 12, вул. Ак. Проскури, Харків, 61085, Україна E-mail: ire (8) jre. kharkov. иа


Анотація Представлені результати чисельного моделювання впливу засоленості вологих грунтів на їх радіолокаційні характеристики для довгохвильового Р (70 см) діапазону. Обговорюються можливості застосування коштів активного дистанційного зондування дециметрових діапазонів для оцінки засоленості грунтів.

КЛЮЧОВІ СЛОВА: радіолокація, засолення грунту, вологість грунту, дециметровий діапазон, вертикальний профіль вологості грунту.

I. Вступ

Екологічний моніторинг пустельних, зокрема засолених земель, завдання, для вирішення якої застосовуються різні методи, в тому числі використання засобів дистанційного зондування (ДЗ), розміщених на авіа космічних носіях [1-3].

Діелектричні властивості грунтового розчину в довгохвильовій області (дециметрові і метрові хвилі) мають яскраво вираженою залежністю від ступеня мінералізації грунтового розчину (СМПР), тобто від кількості солей, розчинених в грунтової води, і таким чином пов’язані з кількістю солей Z в грунті. Діапазон довжин хвиль 40Н-60 см був визнаний найбільш сприятливим для цілей ДЗ засолення грунтів з застосуванням радіометрії [3, 4]. При використанні радіолокаційного ДЗ в Lдіапазоне (20 см) виявлялося можливим ідентифікувати солончаки і райони найбільшого засолення [1, 2], однак ділянки грунтів з розвиваються засоленням не ідентифікували [1].

Дослідження ДЗ в радіодіапазоні засолених земель з нерівномірним по глибині розподілом вологості грунту проводилося лише для обмеженого набору варіантів розподілу вологості, описуваного лінійними розподілами [4]. В роботі [5] нами розглядалося вплив СМПР грунтів на їх радіолокаційні характеристики для двох дециметрових діапазонів довжин хвиль, Lі Р (відповідно 20 і 70 см), в умовах різноманітних варіантів розподілу вологості грунту по глибині, у тому числі відтворюють характерні для засолених посушливих земель. Для сполучення цих розрахункових даних з безпосередньою залежністю від процентного вмісту солей в грунті необхідно провести нижченаведені доповнення.

II. Основна частина

Грунт є складною сумішшю як мінімум чотирьох діелектричних речовин твердих фракцій, вільної води, зв’язаної води і повітря. Діелектричні властивості речовини, що складається з суміші двох і більше діелектриків, визначаються формулами, отриманими з різних теоретичних передумов. Нами використовувалася емпірична формула, близька до формули [6] діелектричної проникності s суміші діелектриків з діелектричними проницаемостями £ | і е2 : Еа = Еа– \ + (Еа2 –/\) W, з значенням показника ступеня а, підібраним за результатами експерименту, як це зроблено в роботі [7]:

де sw комплексна діелектрична проникність води; параметр а приймається рівним 0,65; р = 1,09 0,11 Р + 0,18 С, де Р і С є частка піщаної і глинистої фракції грунту відповідно; ро щільність твердих частинок грунту; рр щільність грунту; sp діелектрична проникність сухого грунту; W {z) залежність об’ємної вологості грунту від глибини.

Облік впливу зв’язаної води інкорпорований в емпіричну формулу (1), так як кількість зв’язаної води в грунті взаємопов’язане з часткою піщаних і глинистих фракцій. При обчисленнях вся вода в грунті в разі вологості W> 0,02 см3/ См3 вважалася вільною у сенсі рівності її СМПР значенням для вільної води. Характеристики зразків грунтів, використовуваних в модельних розрахунках (суглинки, засолені Галіт NaCI), описані в роботі [7]. В Зокрема, наведені нижче результати розрахунків отримані при використанні моделі зі значеннями: частка глинистої фракції 0 = 0,19; частка піщаної фракції Р = 0,17; щільність твердих частинок грунту ро = 2,66 г / см3; Щільність грунту рр = 1,25 г / см3. Дійсна частина діелектричної проникності sp = Е’р + / е’р сухого грунту обчислювалася за емпіричною формулою [7]: £р = (1,01 + 0,44 paf 0,062. Уявна частина діелектричної проникності сухого грунту е’р приймалася рівною 0,01, що дозволяє досягти задовільного відповідності при використанні формули (1) з даними про е ‘р натуральних грунтів посушливих регіонів (е ‘р легкосуглинистой грунту з нульовою об’ємної вологістю на довжині хвилі 70 см дорівнює 0,03, з об’ємною вологістю 10 см3/ См3 0.21 [8]). При перенасичення розчину деяка частина солі випадає у вигляді твердої фракції. Діелектрична проникність вільної води sw в залежності від її температури і солоності обчислювалася по емпіричної моделі, конструюється за допомогою підстановки в вираження дисперсійної моделі Дебая-Хюккеля [9] емпіричних залежностей параметрів для розчину солі NaCI, відповідно до [10]. Для опису залежностей розподілу вологи в грунті застосовувалася аналітична функція W (z) \ ЩГ) = + Ь2 exp (-az) + Ь3 exp (-2az). Варіювання параметрів Ь-i, Ь2, Ь3, А дозволяє описати безліч профілів вологості грунту, в тому числі мають екстремум (максимум чи мінімум) вологості на будь-якій глибині під поверхнею, зростаючі і убуваючі. Прийняте нами наближення рівномірного розподілу Z по глибині в межах глибини проникнення випромінювання для засолених грунтів призводить до зміни

СМПР по глибині в разі нерівномірного розподілу вологості. Для отримання значень комплексного коефіцієнта відбиття від грунтів була використана обчислювальна програма, що виконує пошаровий розрахунок коефіцієнта відбиття від мелкослоістого півпростору, що є еквівалентною заміною середовища (грунту) зі складним профілем діелектричної проникності по глибині, і потім обчислює відповідні перетину зворотного розсіяння.

Для прикладу на рис.1 показано кілька характерних випадків відповідних залежностей. Поверхня грунту описувалася як случайношероховатая з гауссовой функцією кореляції висот неоднорідностей. Радіус кореляції /з і середньоквадратичне висоти неоднорідностей h приймалися в межах, що спостерігаються в натурних експериментах, для довжини хвилі 1 = 69 см (P-діапазон) задовольняють умовам застосовності модифікованого методу малих збурень [11]. Результати теоретичних розрахунків наведені у вигляді залежності величини контрастів К від вагового процентного вмісту солей: К = 10 \ q {wперетин зворотного розсіяння вологого грунту, сотня перетин зворотного розсіяння сухого грунту з такими ж параметрами шорсткостей поверхні на тій же довжині хвилі Я. Чисельні експерименти проводилися для випадку засоленості солями NaCI, температура грунту 14 ° С. Жирними лініями показані випадки однорідного розподілу вологості з глибиною. Тонкі лінії представляють випадки реалістичного розподілу грунтової вологи з глибиною. Як припущення для розрахунків нами був прийнятий звичайний для практики випадок, коли глибина залягання шару грунтових вод істотно більше глибини проникнення електромагнітних хвиль в породу для даної довжини хвилі випромінювання. Починаючи з деякої глибини «насичення» під поверхнею Z£, Такий, що \ (W (Z.E) WE)IWE\ <0.03 см / см3, Величина об’ємної вологості грунту наближається до рівноважного значення WE.

Привертають увагу результати чисельного моделювання залежностей К (Z) в Р-діапазоні для різних сценаріїв підповерхневого розподілу вологості, які в загальному випадку можна представити як зростання вологості з глибиною від малого значення на поверхні грунту. Така ситуація часто реалізовується в умовах посушливого клімату засолених регіонів. Можна спостерігати нелінійне зростання радіооткліка від поверхні засолених грунтів, особливо помітне у випадках великого градієнта вологості. Після досягнення насичення грунтового розчину при даному значенні грунтової вологості подальше збільшення засоленості грунтів не призводить до збільшення радіооткліка. Величина контрастів зворотного розсіювання для різних розрахункових випадків розподілу вологості з глибиною коливається, полягаючи в межах 2 3,5 дБ. Видно, що нерівномірний розподіл з глибиною вологості грунту привносить помітні зміни в вид залежності в межах варіацій Z аж до 4% (сильне засолення). Розрахункові значення радіооткпіка від засолених грунтів дозволяють сподіватися на можливість використання радіолокаційних засобів дистанційного зондування в довгохвильовому дециметровому діапазоні для виявлення засолення грунтів у посушливих і зрошуваних регіонах.

Рис. 1. Залежність контрастів інтенсивності зворотного розсіяння К від засоленості Z для довжини хвилі Л = 69 см. Жирні криві 1-2 однорідний розподіл об’ємної вологості W з глибиною: 1-W = 0.02 см3/ См3, 2-W =

0.4 см3/ См3. Криві 3-4 розподіл вологості, що зростає з глибиною до деякого значення насичення, параметри Ь1 = 0.4, Ь2 = 0.48, Ь3 = 0.1: 3 ZE = 9 см, 4-ZE = 45 см. Кут падіння випромінювання 30 ° параметри шорсткості поверхні rms h = 0.8 см, радіус кореляції 1З = 5 см, горизонтальна поляризація

Fig. 1. Contrasts До versus salinity Z on wavelength Л = 69 cm. Bold line presented case of homogeneous moisture content W: 1-W = 0.02 cm3/cm3, 2-W =

0.    4 cm3/cm3. The curve 3,4the increasing W, b1 =

0.               4, b2 = -0.48, b3 = 0.1: 3 ZE = 9 cm, 4 -ZE = 45 cm. The intention angle 30 ° rms h =0.8 cm, correlation length ic = 5 cm, horizontal polarization

III. Висновок

Розглянуто деякі аспекти впливу засоленості грунтів на їх радіолокаційні характеристики в дециметровому діапазоні довжин хвиль (Р-діапазон). Для довгохвильового P-діапазону розрахунки показують стабільний ефект збільшення інтенсивності зворотного розсіювання при зростанні засолення. Вплив нерівномірного розподілу вологості в грунті з глибиною в звичайних природних умовах, згідно з розрахунковими даними, позначається в ще більшому збільшенні цього ефекту. Для розподілів вологості, схожих з описаними в літературі з натурним даними для засолених регіонів, цей ефект укладений в межах 2,5 3,5 дБ.

IV. Список літератури

[1] Chaturvedi L., Carver К. R., Harlan J. С., Hancock G. D., Small F. V., Dalstead К. T. Multispectral remote sensing of saline seeps / / IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. –

1983. GE-21. №3. P.239-251.

[2]    Mettemicht G. I. Fuzzy supervised classification of JERS-1 SAR data for soil salinity studies//IGARSS’97.1997 International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Remote Sensing A Scientific Vision for Sustainable Development (Cat. No. 97CH36042), Singapore, 3-8 Aug. 1997. New York, NY, USA: IEEE. -1997.-1 P.338-340.

[3] Реутов E. А., Шутко А. М. Теоретичні дослідження НВЧ-випромінювання однорідно зволожених засолених грунтів / / Исслед. Землі з космосу. 1990. № 3. С. 73-81.

[4] Реутов Е. А., Шутко А. М. Експериментальні дослідження НВЧ-випромінювання однорідно зволожених засолених грунтів / / Исслед. Землі з космосу. 1990. № 4. С.78-84.

[1] Горішня Ю. В. Моделювання впливу засоленості вологих грунтів на їх радіолокаційні характеристики в дециметровому діапазоні довжин хвиль / / Радіофізика та електроніка. 2001. 6, № 1. -С.84-92.

[2]    Богородицький Н. П., Волокобінскій Ю. М., Воробйов А. А., Тареев Б. М. Теорія діелектриків. М.; Л.: Енергія. 1965.

[3]    Dobson М. С., Ulaby F. Т., Hallikainen М. Т. El-Rayes

М.A. Microwave dielectric behavior of wet soil Part II: Dielectric mixing models / / IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1985. GE-23. № 1. P.35-46.

[4] Sternberg В. K., Levytskaya Т. M. Electrical parameters of soils in the frequency range from 1 kHz to 1 GHz, using lumped-circuit methods / / Radio Science. 2001. 36, № 4.

–          P.709-719.

[5] Переслегін С. В. Про співвідношення між тепловими та радіояркостнимі контрастами морської поверхні / / Изв. АН СРСР. Фізика атмосфери та океану. 1967. –

[6] Collie С. Н., Hasted I. В., Ritson D. М. Dielectric properties of Н20 and D20// Proc. Phys. 1948. 60, № 338. –

P. 207-216.

[7]    Timchenko A. I., Gorishnya Y. V. Soil moisture profile determination using remote sensing techniques// IGARSS’97. -New York, NY, USA: IEEE. 1997. 3. P.1105-1107.

MODELING OF REMOTE SENSING CHARACTERISTICS OF SALT WET SOILS IN DECIMETER WAVELENGTH RANGE

Y. V. Goryshnya Usikov Institute of Radiophisics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine 12, Ac. Proscura street, Kharkov, 61085, Ukraine

Microwave remote sensing could prove to be valuable in monitoring processes on desertization, as sample salinisation of soils. The dependence of soil dielectric constants on dielectrical properties of brine-rich soil water, and, because this, on salt content could be used to determine of parameter of environment. The decimeter wavelength range (A =40-60 cm) was proposed as more available for purpose of remote sensing of soil salinity (Reutov, Shutko, 1990). We presented results of numerical experiments on modeling the influence of salinity of wet soils on their radar sensing characteristics in P-(70 cm) wavelength range with the influence of a vertical profile of the soil humidity distribution.

Modified Debay expressions are used to calculate the dielectric constant of brine as a function of temperature and salinity. The mixing model for soil with inclusion of halite (NaCI) was based on semiempirical model of Dobson at all (1985). The vertical profile of soil humidity was described by function W(z) = £>! + b2 exp(-az) + 63 exp(-2az). The variation of parameters bb b2, 63, a gives the possibility to present any profile of water content, both decreasing and increasing, with maximum or minimum. For P-band remote sensing the modified small perturbation method (Timchenko, Gorishnya, 1997) was used as solution to scattered problem.

Fig.1 presented some examples of numerical results. These data are shown as contrast К = 10 lg (w/<To), where <rw is backscattering coefficient calculated for moist soil; <r0 is backscattering coefficient for dry soil with the same surface roughness parameters on equal wavelength 1. The cases of soil humidity include both homogeneous and nonhomogeneous distributions, which describe increasing with depth soil moisture, accordingly to nature condition profiles.

The effect of salinity in these results was expressed as the increase of backscattering coefficient with the increase of salinity values Z. This effect is essentially nonlinear and lies at a level 2-3,5 dB for 1-4% Z variation range. After brine saturation further increasing ofthe salinity does not influence on backscattering. Such calculated values allow to hope on a ability of active remote sensing techniques in the decimeter wavelength range for estimation ofthe salinity of soils.

KEY WORDS: radiolocation, saline seeps, wet soils, decimeter waves, vertical profile of soil humidity.


Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.