Восстановление засоленности влажных почв с использованием диэлектрических измерений в диапазоне частот от 0,2 до 14,8 ГГц Текст научной статьи по специальности «Физика»

Использование космических средств и технологий для мониторинга окружающей природной среды

УДК 621.371.3/205.2

С. В. Фомин

Институт физики имени Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Красноярск

А. Ю. Каравайский Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЗАСОЛЕННОСТИ ВЛАЖНЫХ ПОЧВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ ОТ 0,2 ДО 14,8 ГГЦ

Предложена методика восстановления засоленности естественных почв из их диэлектрических спектров. Методика основывается на недавно предложенной многорелаксационной обобщенной рефракционной диэлектрической модели для частотных спектров влажных почв (ОРДМВП). Точность восстановления засоленности влажных почв оценивается по статистической погрешности расчетов восстанавливаемых спектров комплексной диэлектрической проницаемости через коэффициент Пирсона р и стандартное отклонение а.

В данной работе были проведены лабораторные измерения спектров комплексной электрической проницаемости (КДП) влажной почвы при температуре 20 °С. При этом использовалась установка и метод измерений, описанные в [1]. Измерения проводились в диапазоне частот от 200 МГц до 14,8 ГГц. Массовая влажность М образцов изменялась в диапазоне от 0 до 43 %. В общей сложности были получены данные для 13 влажных образцов глинистого чернозема, минеральный состав которого был следующий: кварц »50...60 %, плагиоклаз »15.20 %, диоктаэдри-ческая слюда »10 %, калиевый полевой шпат »10 %, хлорит »5.7 %, смектит »2.3 % и органические компоненты »2 %. Кроме того, для каждой влажности определялась плотность сухого сложения образцов, р^. Измеренные спектры КДП для шести значений влажности, соответствующих присутствию в образце только связанной воды (кривые 1 и 2), связанной и пленочной (кривые 3 и 4) и всех типов почвенной воды (кривые 5 и 6) показаны символами на рис. 1. На основе данных измерений были определены приведенные действительная и мнимая части КДП для ор-

ганоминеральной компоненты почвы (пт - 1)/рт и &т/рт, а также значения максимального содержания связанной Мц и пленочной Ыц воды. Для этой цели были использованы спектры КДП, измеренные для всех 13 значений влажности почвы, и разработанная нами в [2] методика регрессионного анализа.

Затем, применяя методику, развитую в [3] и [4], с помощью измеренных диэлектрических спектров, показанных на рисунке, определялись спектроскопические параметры связанной и пленочной почвенной влаги.

Подставляя вышенайденные параметры в многорелаксационную ОРДМВП и используя уравнения А. Стогрина [5], через регрессионный анализ находим концентрацию соли, растворенной в свободной почвенной влаге. Погрешность определения засоленности определяется по статистической погрешности восстанавливаемых спектров КДП и оценивается через коэффициент Пирсона и стандартное отклонение между измеренными и рассчитанными с помощью модели значениями действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости.

Экспериментальные спектры действительной и мнимой частей КДП (символы) и их расчеты с применением многорелаксационной ОРДМВП. Данные соответствуют массовым влажностям т^(см3/см3): 1 - 0,021; 2 - 0,168; 3 - 0,190; 4 - 0,248; 5 - 0,292; 6 - 0,335

Решетневскце чтения

В работе впервые проводится восстановление засоленности влажных почв. Здесь учтено, что пленочная вода в почве обладает ионной релаксацией. Данный алгоритм может применяться для восстановления засоленности влажных почв по данным дистанционного зондирования поверхности суши при использовании радаров и радиометров, работающих в гигагерцовом и мегагерцовом диапазонах частот.

Библиографические ссылки

1. Обобщенная рефракционная диэлектрическая модель влажных почв, учитывающая ионную релаксацию почвенной воды / В. Л. Миронов, П. П. Бобров, С. В. Фомин, А. Ю. Каравайский // Изв. вузов. Физика. 2012.

2. Mironov V. L., Lukin Yu. I. A Physical Model of Dielectric Spectra of Thawed and Frozen Bentonitic Clay within the Frequency Range from 1 to 15 GHz // Russian Physics J. 2011. Vol. 53, № 9. P. 956-963.

3. Mironov V. L., De Roo R. D., Savin I. V. Temperature-Dependable Microwave Dielectric Model for an Arctic Soil // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2010. Vol. 48, № 6. P. 2544-2556.

4. Mironov V. L., Fomin S. V. Temperature and Mineralogy Dependable Model for Microwave Dielectric Spectra of Moist Soils // PIERS Online. 2009. Vol. 5, № 5. P. 411-415.

5. Stogryn A. Equations for Calculating the Dielectric Constant of Saline Water // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 1971. Vol. 19, № 8. P. 733-736.

S. V. Fomin

Kirensky Institute of Physics of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Russia, Krasnoyarsk

A. Yu. Karavayskiy

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

RESTORING A SALINITY WET SOIL USING DIELECTRIC MEASUREMENTS IN THE FREQUENCY RANGE FROM 0.2 GHZ TO 14.8 GHZ

The technique of restoring salinity the natural wet soils from their dielectric spectra is proposed. The technique is based on the recently proposed multi-relaxation generalized refractive mixing dielectric model of moist soils. Accuracy of restoring salinity of wet soil is estimated by statistical error calculations recovered spectra of complex permittivity by the Pearson coefficient p and standard deviation s.

© Фомин С. В., Каравайский А. Ю., 2012