Радиофизика дистанционного зондирования В Л Миронов Институт физики

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 800 км. 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 2008 г 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 Влажность почвенных и растительных покровов Процессы замерзания и оттаивания поверхности суши Океанография Модели ветрового волнения моря Перемещения ледников и ледовых полей Процессы образования и таяния ледовых покровов Климатология снега Береговые процессы Динамика заболоченных территорий Морская метеорология Морской лед Смещения и проседания земной коры

Радиофизика дистанционного зондирования Уравнение радиолокации поверхности суши. Сечение радарного рассеяния 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.

Радиофизика дистанционного зондирования Уравнение радиотеплового зондирования поверхности суши. Радиояркостная температура. Горизонтальная поляризация. 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 Почва - смесь частиц минерального скелета, воздуха и почвенной влаги. Сухая почва Связанная вода Свободная вода Только связанная вода Коричневый-минеральный скелет. Wt—Максимальное содержание связанной воды Желтый-связанная вода на поверхности Связанная + свободная вода частиц Голубой-жидко-капельная (свободная) вода

Радиофизика дистанционного зондирования Земли Эмпирическая диэлектрическая модель Добсона Диэлектрическая проницаемость и фактор потерь влажной почвы Релаксационная формула Дебая Релаксационные параметры Дебая: Статическая, εu 0, оптическая, εu∞, диэлектрические проницаемости и время релаксации, τu, свободной воды.

Радиофизика дистанционного зондирования Земли Эмпирическая диэлектрическая модель Добсона Физические характеристики сухой почвы: ρm-плотность минеральных частиц; ρs-плотность сухой почвы; 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 —Показатель преломления (во сколько раз скорость света больше скорости волны в почве) —Показатель поглощения (уменьшение натурального логарифма амплитуды волны, если волна проходит в почве расстояние ≈ 1/6 длины волны)

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 0 o 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. Кусочно-линейные 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. B-супесч с/х почва (Добс); D, F-песок (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 10 МГц-40 ГГц

Радиофизика дистанционного зондирования Земли Диэлектрическая модель Дебая Связанная почвенная вода Свободная почвенная вода 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 — Показатель преломления сухой почвы — Показатель поглощения сухой почвы — Максимальное объемное содержание связанной почвенной воды Диэлектрические параметры почвенной воды — Статические диэлектрические проницаемости связанной и свободной почвенной воды — 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 – 45 МГц-26, 5 ГГц 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 1995 г. 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 N 69. 41 W 149. 15 13. 10. 97 N 69. 41 W 148. 45 09. 01. 98 N 69. 41 W 148. 61 Динамика прогнозируемого и измеренного сечений радарного рассеяния. Аляска.

Радиофизика дистанционного зондирования Земли Спасибо за внимание!