Дистанционное зондирование деградированных почв тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.35, кандидат физико-математических наук Кривальцевич, Сергей Викторович

• Кривальцевич, Сергей Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Кривальцевич, Сергей Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ДИСТАНЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОЧВ.

Введение.

1.1 .Гидрофизические характеристики почв.

1.2.Диэлектрические характеристики почв и влияние загрязнений.

1.3.Излучательные характеристики почв в микроволновом и оптическом диапазонах.

1.4.Выявление зон загрязнения и деградации почв космическими средствами.

1.5 Постановка задачи.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Описание экспериментальной установки.

2.2. Методика экспериментального исследования.

2.3. Методика обработки космических снимков.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РАДИОЯРКОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЧВ.

Введение

3.1. Влияние дегумификации на динамику радиояркостной температуры в процессе испарения почвенной влаги.

3.2. Влияние загрязнений нефтепродуктами на динамику » радиояркостной температуры в процессе испарения почвенной влаги.

3.3 Влияние зольных загрязнений на динамику радиояркостной температуры в процессе испарения почвенной влаги.

3.4 Расчет радиояркостной температуры почвы по модели для слоистой среды.

Выводы.

• ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ

В ИК И ОПТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ.

Введение.

4.1.Создание базы данных обзорных космических снимков.

4.2.Сезонная динамика вегетационных индексов лесных покровов в зонах слабого промышленного загрязнения вблизи города Омска.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Дистанционное зондирование деградированных почв»

Актуальность исследования.

В настоящее время серьёзную экологическую проблему представляет деградация почв, основными причинами которой являются их загрязнение, засоление и дегумификация. Значительная часть поверхности суши вовлечена в хозяйственную деятельность человека, что зачастую приводит к гибельным для экосистем последствиям.

Любая механическая обработка почв, особенно проводимая с технологическими нарушениями, приводит к разрушению и распылению макроагрегатов Вследствие этого снижается водопроницаемость, усиливается эрозия, уменьшается содержание гумуса. При быстром снеготаянии и осадках может происходить переувлажнение почвы и поверхностный сток и смыв верхних плодородных слоев [42]. Большую экологическую проблему представляет загрязнение почв нефтепродуктами и зольными выбросами ТЭЦ. Своевременное обнаружение зон деградации и загрязнений позволит принять необходимые меры и приостановить деструктивные процессы.

Для проведения контроля за состоянием почвы наиболее приемлемым и экономически выгодным решением является использование технологий дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Современный уровень развития космических и наземных средств позволяет получать снимки конкретного участка два и более раз в сутки, а современные вычислительные возможности обеспечивают высокую оперативность обработки.

Основными преимуществами применения в исследовании почв дистанционного микроволнового метода являются всепогодность, возможность получения информации в любое время суток и о некотором слое исследуемой поверхности.

Поскольку основным фактором, влияющим на радиотепловое излучение и обратное рассеяние, является содержание почвенной влаги, любые изменения, происходящие в почве при её деградации, могут быть обнаружены, если при этом изменяется водно-воздушный режим почвы. Так, в [14] показано, что засоление и дегумификация приводят к изменению характера динамики радиояр-костной температуры в процессе испарения почвенной влаги, что может служить новым информационным признаком в технологии ДЗЗ.

Преимуществом применения инфракрасного и оптического диапазонов является их высокая разрешающая способность. Космические снимки используются для выявления лесных пожаров, зон почвенной эрозии, ореолов загрязнения вокруг крупных городов по зимним снимкам и т.п.

Применение много- и гиперспектральных комплексов, состоящих из радиометров, радиолокаторов и оптических сканеров, позволяет расширить возможности интерпретации полученных изображений [42].

Проведенные нами исследования показали возможность дистанционной оценки структуры почвы, обусловленной содержанием гумуса, а также обнаружения дистанционными методами некоторых видов загрязнений: загрязнение почв зольными выбросами ТЭЦ, загрязнение почв нефтепродуктами, влияние воздействия зольных и пылевых выбросов ТЭЦ и промышленных предприятий на динамику вегетационного индекса.

Цель исследования - определение условий наблюдений, при которых возможно выявление зон дегумификации и загрязнения микроволновым и оптическим методами.

Объектом исследования является динамика излучательных характеристик почв с различным содержанием органических веществ и различными загрязнениями, а также динамика вегетационного индекса в зонах зольных загрязнений.

Практическая ценность работы заключается в возможности использования результатов исследования в технологиях ДЗЗ для оценки качества почв по их водно-воздушному режиму; для оценки качества рекультивации почв, загрязненных нефтепродуктами; для выявления ореолов загрязнения почв вокруг зо-лоотвалов и других источников промышленного загрязнения. Результаты, полученные микроволновым радиометрическим методом, могут быть использованы для развития радиолокационных методов исследования почв.

Задачи диссертационной работы:

- исследована динамика коэффициента излучения почв с различным содержанием гумуса на 3-х частотах дециметрового и сантиметрового диапазона волн;

- исследована динамика коэффициента излучения почв в микроволновом диапазоне, загрязненных зольными веществами и нефтепродуктами;

- исследована возможность выявления территорий, загрязненных зольными и пылевыми выбросами, с помощью космических снимков оптического и ИК диапазонов.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационном исследовании, заключается в следующем:

- впервые указана возможность и определены условия наблюдений для оценки структуры почвы на основании однократных измерений радиояркост-ной температуры на двух длинах волн 11 и 3,6 см;

- впервые установлено влияние загрязнений почв зольными выбросами и нефтепродуктами на динамику радиотеплового излучения в микроволновом диапазоне, и указана возможность обнаружения загрязненных участков по измерениям радиояркостной температуры на двух длинах волн 11 и 3,6 см;

- впервые установлено влияние зольных и пылевых загрязнений почв на динамику вегетационных индексов лесного покрова.

Положения, выносимые на защиту:

- временные зависимости радиояркостной температуры почв с различным содержанием гумуса и некоторых типов загрязнителей, в процессе испарения почвенной влаги;

- наличие условий, при которых возможна оценка структуры почвы, обусловленная различным содержанием гумуса, по данным однократных измерений радиояркостной температуры на двух длинах волн 11 и 3,6 см - через 1 - 2 суток после интенсивного увлажнения;

- различия во временной динамике коэффициента излучения фоновых и загрязненных зольными выбросами ТЭЦ почв, проявляющиеся в основном на песчаных почвах;

- различия во временной динамике коэффициента излучения фоновых и загрязненных нефтепродуктами почв, обусловленные значительным изменением гидрофизических свойств при загрязнении;

-возможность использования космических снимков ИК и оптического диапазона для определения загрязнения территорий зольными выбросами, используя их влияние на динамику вегетационных индексов растительности.

Структура работы:

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы диссертации 162 страницы, включая 36 рисунков, 14 таблиц, цитируемых источников 130 наименований. Объем приложения составляет 19 страниц.

Заключение диссертации по теме «Геоинформатика», Кривальцевич, Сергей Викторович

Результаты исследования позволяют расширить представления о влиянии содержания гумуса, а также зольных и нефтяных загрязнителей на радиофизические свойства почв в природных условиях. Выявленные различия во временной динамике вегетационного индекса позволит оценивать ореолы загрязнения вокруг крупных промышленных городов.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Кривальцевич, Сергей Викторович, 2005 год

1. Бахтина Е.Ю., Ильин В.А., Смородин В.Е., Сосновский Ю.М. Радиофизические исследования фазовых переходов в дисперсных системах, содержащих связанную воду //Естественные науки и экология. Вып.2. Омск: ОмГПУ. 1997. - С.88-95.

2. Башаринов А.Е., Гуревич А.С., Егоров С.Т. Радиоизлучение Земли как планеты. М.: Наука. 1974. 187 с.

3. Башаринов А.Е., Шутко A.M. Измерение влажности покровов методами сверхвысокочастотной радиометрии //Метеорология и гидрология. 1971. -№9.-С. 17-23.

4. Беляева Т.А., Бобров 77.77., Убогое В.И. Галеев О.В. Диэлько-влажностные характеристики почвенных образцов с различным содержанием гумуса в сантиметровом и дециметровом диапазонах //Естественные науки и экология, Выпуск 6. Омск: ОмГПУ. -2002. С. 3-7.

5. Бобров П.П., Галеев О.В. Динамика радиояркостной температуры почв с различным содержанием гумуса //Исследование Земли из космоса. 2001. -№4. - С. 74 - 80.

6. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973. 343 с.25 .Виноградов Б.В. Космические методы изучения природной среды. М.: Мысль, 1976.-286 с.

7. Воронин А.Д. Основы физики почв М.: МГУ, 1986. - 243 с.

8. Гайкович К.П., Снопик Л.М., Троицкий А.В. Вертолётные радиометрические измерения тонкого озёрного льда и нефтяной плёнки на озёрах и грунте //Изв. вузов. Радиофизика. 1995. - т. 38. - №11. - С. 1105-1117.

9. Гапонов С.С., Черная Л.Ф., Рыков КН. Влияние нефтяных загрязнений на интенсивность радиотеплового излучения различных типов грунтов //Труды IX региональной конференции по распространению радиоволн, СПб. 2003. -С. 21-23.

10. Глазовская М.А. Общее почвоведение и география почв: Учебник для студентов-географов вузов. М.: Высшая школа, 1981. - 400 с.

11. Глобус A.M. Почвенно гидрофизическое обеспечение агроэкологических математических моделей. - Д.: Гидрометеоиздат, 1987. - 427 с.

12. Глобус A.M., Туленинова O.K. Влияние длительности и характера землепользования на свойства обыкновенного чернозёма //Почвоведение. -2000.-№2.-С. 220-223.

13. Григорьев А.И. Индикация состояния окружающей среды: Монография / ОмИПП. Омск, 2003. - 128 с.

14. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн: Учебн. пособие. М.: Высшая школа, 1975.-280 с.

15. Дистанционное зондирование: количественный подход / Ш.МДейвис., Д.А. Ландгребе, Т.Л. Филлипс, и др. / Под ред. Ф. Свейна и Ш. Дейвис. Пер. с англ. М.: Недра, 1983,415 с. Пер. изд. США, 1978. - 396 с.

16. Злочевская Р.К, Королёв В.А. Образование поверхностных плёнок и слоёв воды. В кн. Поверхностные пленки воды в дисперсных структурах. - М.: МГУ.- 1988.-С. 4-18.

17. Ильин В.А., Сосновский Ю.М. Лабораторные исследования влияния засоления на диэлектрические свойства песка в СВЧ диапазоне волн //Радиотехника и электроника. - 1995. - том 40. - №1. - С. 48-54.

18. Каданникова ИГ., Масливец Т.А., Оборин А.А. и др. Трансформация нефти в подзолистых почвах Среднего Приобья //тр. IV Всесоюзного совещания, Обнинск, июнь 1983 г. Л.: Гидрометеоиздат. 1985. - С. 74-80.

19. Квливидзе В.И, Краснушкин А.В., Злочевская Р.И. Свойства поверхностных плёнок и слоёв воды. В кн. Поверхностные пленки воды в дисперсных структурах. - М.: МГУ. - 1988. - С. 48-67.

20. Клепиков И.Н., Шарков Е.А. Теоретическое изучение собственного излучения резконеоднородных неизотермических сред //Исследование Земли из космоса. 1992. - № 6. - С. 3-15.

21. Комаров С.А., Миронов B.JI. Микроволновое зондирование почв. -Новосибирск: Научно-издательский центр СО РАН, 2000. 289 с.

22. Кондратьев К.Я., Козодеров В.В., Федченко П.П. Аэрокосмические исследования почв и растительности Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 232 с.

23. Кондратьев К.Я., Мелентьев В.В., Рабинович Ю.И., Шульгина Е.М. Определение некоторых физических характеристик поверхностного слоя почвы по радиотепловому излучению //Доклады Академии наук СССР. -1973. Т. 208. - №2. - С. 342-345.

24. Мильшин А.А., Гранков А.Г., Мишанин В.Г. Картирование температурно-влажностного режима лесных систем по данным самолётной фотосъемки, ИК-измерений и СВЧ-радиометрических измерений в L-диапазоне //Исследование Земли из космоса. 1999. - №5. - С. 88-96.

25. Мироненко Е.В., Салимгареева О.А., Понизовский А.А., Чудинова С.М. Влияние гидрофобных жидкостей на водоудерживание и энергетическое состояние воды в почвах //Почвоведение. 2000. - №4. - С. 463-470.

26. Миронов В.Л., Комаров С.А., Евтюшкин А.В., Рычкова Н.В. Комплексный эксперимент по измерению влажности почв на территории Алтайского полигона//Исследование Земли из космоса. 1998. - №2. - С. 81-90.

27. Миронов В.Л., Комаров С.А., Рычкова Н.В., Клещенко В.Н. Изучение диэлектрических свойств влажных почвогрунтов в СВЧ-диапазоне //Исследование Земли из космоса. 1994. - №4. - С. 18-24.

28. Михайлов С., Таргулян О. Нефтяные разливы вид из космоса // Arcreview (современные геоинформационные технологии). - 2001. - №2. - С. 2.61 .Мичурин Б.Н. Энергетика почвенной влаги. Д.: Гидрометеоиздат, 1975. -140 с.

29. Почвоведение / Под. ред. КС. Кауричева М.: Агропромиздат, 1989. -719 с.

30. Природный комплекс большого города: Ландшафтно-экологический анализ / Э.Г. Коломыц, Г.С. Розенберг, О. В. Глебова и др. М.: Наука; МАИК «Наука/Интерпериодика». - 2000. - 286 с.

31. Реутов Е.А., Шутко A.M. Определение неоднородно увлажненных грунтов с поверхностным переходным слоем по данным спектральных СВЧ-радиометрических измерений //Исследование Земли из космоса. 1986. -N.1.-C.71 -78.

32. Садовников Ю.Н., Орлов Д. С. Спектрофотометрический метод характеристики почв, почвенной окраски и количественные закономерности отражения света почвами //Агрохимия. 1978. -№4. - С. 133-151.

33. Сологубова Т. А. Собственное радиоизлучение и диэлектрические свойства малоувлажненных почв на сверхвысоких частотах: Дис. . канд. физ. мат. наук Москва. 1987.- 187 с.

34. Сологубова Т.А. Эткин B.C. К вопросу об учете свойств связанной влаги при дистанционном определении влажности почвы //Исследование Земли из космоса.- 1985. -N.4.- С. 112-115.

35. А.Фельдман Г.М. Передвижение влаги в талых и промерзших грунтах. — Новосибирск: Наука, 1988. 258 с.

36. Чендев Ю.Г., Авилов Н.П. Содержание и запасы гумуса в чернозёмах разновозрастных пашен //Доклады российской Академии сельскохозяйственных наук. 2000. - №5. - С. 22-25.

37. Чухланцев А.А. Рассеяние и поглощение СВЧ излучения элементами растений //Радиотехника и электроника. - 1986. - т.31. - №6. - С. 1095 -1104.

38. Choudhury B.J., Schmugge T.J., Chang A., Newton R.W. Effect of surface roughness on the microwave emission from soils //J. of Geophysical Research. -1979. V.84. - N.C9. - P. 5699-5706.

39. Choudhury B.J., Schmugge T.J., Mo T. A parameterization of effective soil temperature for microwave emission //J. of Geophysical Research. 1982. - V.87. -N.C2.-P. 1301-1304.

40. Dobson M.C., Ulaby F.T., Hallikainen M.T., El~Rayes M.A. Microwave dielectric behavior of wet soil part 2: dielectric mixing models //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. - 1985. - V. GE-23. - N.l. - P. 25-34.

41. Fischman M.A., England A.W. Sensitivity of a 1.4 GHz direct-sampling digital• radiometer //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1999. -V.37.-N.5.-P. 2172-2180.

42. Jackson T.J., Hsu A.Y., Soil moisture and TRMM microwave imager relationships in the southern great plains 1999 (SGP99) experiment //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2001. - V.39. - N.8. - P. 1632-1642.

43. Jackson TJ, O'Neil P.E. Microwave dielectric model for aggregated soils //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1986. - V. GE-24. - N.6. -P.920-929.

44. Jackson TJ., O'Neil P.E. Observed effects of soil organic matter content on the microwave emissivity of soils //Proceed, of IGARSS'88, Edinburg. 1988. Vol. 2.-P. 673-676.

45. Jackson T.J., Schmugge T.J., O'Neill P. E., Parlange M. B. Soil water infiltration observation with microwave radiometers //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1998.-V.36.-N.5.-P. 1376-1383.

46. Judge J., Galantowicz J.F., England A. W. A comparison of ground-based and satellite-borne microwave radiometric observations in the great plains //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2001. - V.39. - N.8. - P.1686-1696.

47. Kleschenko V.N., Komarov S.A., Mironov V.L., Romanov A.N. Dielectric properties of salted grounds in microwave band //Proceed, of IGARSS'98. Seattle, USA. 1998.

48. Kong J.A., Lin S.T., Ching S.L. Microwave thermal emission from periodic surfaces //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1984. - V. GE-22. - N.4. - P. 377 - 382.

49. Kumar P. A multiple scale state-space model for characterizing subgrid scale variability of near-surface soil moisture //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1999. - V.37. - N. 1 - P. 182-197.

50. Liou Y.A., England A.W. A land-surface process / radiobrightness model with coupled heat and moisture transport for freezing soils //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1998. - V.36. - N.2. - P. 669-677.

51. Liou Y.A., England A.W. A land-surface process / radiobrightness model with coupled heat and moisture transport for prairie grassland //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1999. - V.37. - N.4. - P. 1848-1859.

52. Liu S.F., Liou Y.A., Wang W.J., Wigneron J.P., Lee J.B. Retrieval of crop biomass and soil moisture from measured 1.4 and 10.65 GHz brightness temperatures //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2002. -V.40.-N.6-P. 1260-1268.

53. Mironov V.L., Bobrov P.P. Soil dielectric spectroscopic parameters dependence on humus content //Proceed, of IGARSS'03, Tououse, France. -2003. V.2. - P. 1106-1108.

54. Mironov V.L., Bobrov P.P., Mandrygina V.N. Bound water spectroscopy for the soils with varying mineralogy //Proceed, of IGARSS'04. 2004. - V.5. - P. 3478 - 3480.

55. Mironov V.L., Dobson M.C., Kaupp V.H., Komarov S.A., Kleshchenko V.N. Generalized refractive mixing dielectric model for moist soils //Proceed, of IGARSS'02 Toronto, Canada. 2002. - V. 6. - P. 3556-3558.

56. Mo. Т., Schmugge T.J. A parameterization of the effect of surface roughness on microwave emission //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. -1987. V.GE-25. - N.7 - P. 481-486.

57. Newton R.W., Black Q.R., Makanvand S., Blanchard A.J., Jean B.R. Soil moisture information and thermal microwave emission //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1982. - V.GE-20. - N.3 - P. 275-280.

58. Njoku E.G., Li L. Retrieval of land surface parameters using passive microwave measurements at 6-18 GHz //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1999. - V.37. - N.l - P. 79-93.

59. Ohlidal I. Reflectance of multilayer systems with randomly rough boundaries //Optics communications. 1989. - V.71. - N.6. - P. 323-326.

60. Olivera P., Goncalves P., Caetano M. Land cover time profiles from linear mixture models applied to MODIS images //Proc. of 31st International Symposium on Remote Sensing of Environment, 22-24 June, Saint Peterburg, 2005.-4 p. (CD-ROM).

61. O'Neill P.E., Camillo P.J., Gurney R.J. Estimation of soil hydraulic properties with microwave techniques //Proceed, of IGARSS'85. 1985. - P. 588-593.

62. Pampaloni P, Paloscia S., Chiarantini L., Coppo P., Gagliani S. Luzi G. Sampling depth of soil moisture content by radiometric measurement at 21 cm wavelength: Some experimental results. //J. of Remote Sensing. 1990. - V. 11. -N.6.-P. 1085-1092.

63. Schneeberger К., Stamm С., Matzler С., Fliihler H. Estimating Soil Hydraulic Properties from Time series of L-band Measured Water Contents //Proceed, of IGARSS'03. 2003. - V. 2 - P.l 175-1177.

64. Schmugge T.L. Effect of texture on microwave emission from soils //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1980. - V.GE-18. - N.4. - P. 353 - 361.

65. Skou N. Accurace antenna reflector for radiometer calibration budget //Proceed, of IGARSS'96. 1996. - P. 749-753.

66. Tsang L., Newton R.W. Microwave emission from soils with rough surfaces. //J. of Geophysical Research. 1982. - V.87. -N.l 1. - P. 9017-9024.

67. Van de Griend A.A., O'Neil P.E. Discrimination of hydraulic properties by combined thermal infrared and microwave remote sensing //Proceed, of IGARSS'86. Zurich. 1986. - P. 839-845.

68. Wang J.R., Schmugge T.J. An empirical model for the complex dielectric permittivity of soils as a function of water content //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1980. - V.GE-18. - N.4. - P. 288 - 295.

69. Wang J.R., Shiue J.C., Schmugge T.J., Engman E.T. The L-band PBMR Measurements of surface soil moisture in FIFE //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1990. - V.28. - N.5 - P. 906-914.

70. Wegmtiller U., Matzler C. Rough bare soil reflectivity model //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1999. - V.37. - N.3 - P. 1391-1395.

71. Wigneron J.P., Ferrazzoli P., Calvet J.C., Kerr Y., Bertuzzi P. A Parametric study on passive and active microwave observations over a soybean crop //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1999. - V.37. - N.6 - P. 2728-2733.

72. Wigneron J.P., Laguerre L., Kerr Y.H. A simple parameterization of the L-band microwave emission from rough agricultural soils //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2001. V.39. - N.8 - P. 1697-1707.

73. Wilheit Т. Т., Radiative transfer in a plane stratified dielectric //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1978. - V.GE-16. - N.2 - P. 138-143.

74. Wobshall D. A Theory of the complex dielectric permittivity of soil containing water: the semidisperse model //IEEE Trans Geoscience Electronics. 1977. -V.GE-15. -№1. - P. 49-58.