Радиофизика дистанционного зондирования

1. 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.

2. Радиофизика дистанционного зондирования Земли Инструменты радарного и радиометрического зондирования Земли из космоса. Европейское космическое агенство. Комплексный природоресурстный спутник ENVISAT. Высота орбиты 800км. Угол наклонения 99˚. AATSR. Сканирующий оптический радиометр. MERIS. Сканирующий оптический спектрометр. MWW. Микроволновый радиометр. RA-2. Радарный высотомер. ASAR.Радар с синтезированной апертурой.

3. 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. 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. Запуск-начало 2008г

4. 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: • Фундаментальные и прикладные исследования в области наук о Земле; • Исследования в области развития технологий эксплуатации и использования данных системы ENVISAT; • Коммерческое применение информационных продуктов дистанционного зондирования Земли.

5. Радиофизика дистанционного зондирования Земли Примеры радарных и радиотепловых изображений Радиояркостная температура поверхности суши. SMOS- имитация. Cечения радарного рассеяния в глобальном масштабе. ENVISAT - наблюдения.

6. Радиофизика дистанционного зондирования Земли Основные области использования информационных продуктов радарного/радиометрического зондирования в науках о земле и жизни

7. 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.

8. 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).

9. 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. Желтый-связанная вода на поверхности частиц Голубой-жидко-капельная (свободная) вода Wt—Максимальное содержание связанной воды Связанная + свободная вода

10. Диэлектрическая проницаемость и фактор потерь влажной почвы Релаксационная формула Дебая Релаксационные параметры Дебая: Статическая, εu0, оптическая, εu∞, диэлектрические проницаемости и время релаксации,τu, свободной воды. Радиофизика дистанционного зондирования Земли Эмпирическая диэлектрическая модель Добсона

11. 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 Эмпирическая диэлектрическая модель Добсона

12. Диэлектрическая проницаемость SD=0.884 SD=3.39 Погрешность регрессионной эмпирической модели возрастает в 3 раза при переходе к «неизвестным» почвам Почвы Добсона Почвы Куртиса SD=0.55 Фактор потерь SD=1.6 Почвы Добсона Почвы Куртиса Радиофизика дистанционного зондирования Земли Тестирование эмпирической диэлектрической модели Добсона

13. 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)

14. 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 0o C. Регрессионные зависимости, соотв рефракционной модели, показаны для частот: f = 0.6 ГГц (сплошная); f = 1.11 ГГц (точки); f = 1.43 ГГц (пунктир).

15. 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 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).

16. 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 10МГц-40ГГц

17. 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;

18. 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 Диэлектрическая спектроскопическая модель влажной почвы.

19. Радиофизика дистанционного зондирования Земли Описание базы экспериментальных диэлектрических данных Почвы штата Миссисипи Количество типов почв – 14 Содержание глины – 0-76% Температура-20ºС Диапазон частот – 45МГц-26,5ГГц Влажность - от гигроскопической до полной влагоемкости Количество единиц измеренных диэлектрических данных ≈5000 Почвы штата Канзас Количество типов почв – 4 Содержание глины – 8-47% Температура-20-22ºС Диапазон частот – 0,3-1,3 ГГц 1,4-18 ГГЦ Влажность - от гигроскопической до полной влагоемкости Количество единиц измеренных диэлектрических данных≈350

20. Радиофизика дистанционного зондирования Земли Тестирование эмпирической и физической моделей

21. 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.

22. Радиофизика дистанционного зондирования Земли Последовательность сезонных радарных изображений территории к западу от Енисейского залива. Сибирь. Март-Июль 1995г. Радар ERS-1. Сезонная динамика изменения сечения радарного рассеяния поверхностью тундрыв процессе оттаивания. Радары космического аппарата ERS-1.

23. Радиофизика дистанционного зондирования Земли Радиофизика дистанционного зондирования Земли Тестирование спектроскопической диэлектрической модели мерзлой почвы. Прогнозирование радарного сечения обратного рассеяния. Аляска. Вид тундрового ландшафта в районе мерзлотоведческой станции. Институт Геофизики. Аляска. Годовой цикл температуры в активном слое вечной мерзлоты.

24. 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

25. Радиофизика дистанционного зондирования Земли Тестирование спектроскопической диэлектрической модели мерзлой почвы. Прогнозирование радарного сечения обратного рассеяния. Динамика прогнозируемого и измеренного сечений радарного рассеяния. Аляска.

26. Спасибо за внимание! Радиофизика дистанционного зондирования Земли