Основні вимоги до параметрів систем дистанційного зондування і до умов спостереження. Вивчення можливостей практичного використання багаточастотного аерокосмічного моніторингу поверхні суші для дистанційної діагностики ґрунтів і рослинного покриву.
Аннотация к работе
Актуальність дисертаційної роботи обумовлюється необхідністю розробки нових дистанційних методів, спрямованих на підвищення ефективності оцінки параметрів ґрунтів і рослинного покриву, а також з недостатньою інформативністю одноканальних радіофізичних даних дистанційного зондування для розвязання задач, які повязані зі створенням земельного кадастру, контролем і прогнозуванням врожайності, запобіганню критичних ситуацій. Метою дисертаційної роботи є експериментальне виявлення закономірностей, що обумовлюють взаємозвязок енергетичних характеристик розсіювання радіохвиль НВЧ діапазону з параметрами ґрунтів і рослинного покриву, і подальша розробка на підставі цих закономірностей методів інтерпретації багаточастотних даних дистанційного зондування. Для досягнення поставленої мети необхідно розвязати такі задачі: на підставі аналізу закономірностей розсіювання радіохвиль НВЧ - діапазону ґрунтами і рослинним покривом визначити основні вимоги до параметрів систем дистанційного зондування і до умов спостереження; розробити багаточастотну радіолокаційну та радіометричну апаратуру аерокосмічного базування для дослідження параметрів поверхні суші в натурних умовах; дистанційне зондування аерокосмічний ґрунт рослинний провести дослідження впливу геометричних, електрофізичних, біометричних та інших параметрів ґрунтів і рослинного покриву на енергетичні характеристики розсіяних сигналів; Установлено, що при радіолокаційній зйомці ґрунтів і рослинного покриву в 3 сантиметровому діапазоні радіохвиль на кутах візування більше 450 спостерігається лінійна залежність між біометричними характеристиками рослинного покриву (висота, проективне покриття, вологість) і інтенсивністю відбитого сигналу; найбільш висока кореляція характеристик ґрунтів (вологість, діелектрична проникність) з інтенсивністю відбитого сигналу спостерігається для кутів візування 20-400.Основні результати експериментальних досліджень взаємозвязку характеристик розсіяного сигналу з параметрами поверхні при багаточастотних методах дистанційного зондування полягають у наступному: 1. Аналіз сучасних теоретичних і експериментальних досліджень розсіювання і випромінювання радіохвиль ґрунтами і рослинним покривом показав перспективність проведення синхронних радіофізичних спостережень аерокосмічними датчиками дистанційного зондування в широкому діапазоні частот. Реалізована роздільча здатність (20-50м) і смуги огляду (30-50км) дозволяють робити дослідження поверхні суші з оптимальною для цих задач роздільчою здатністю у досить широкій смузі огляду. Для отримання абсолютних значень вимірюваних сигналів запропоновано і реалізовано процедуру внутрішнього калібрування системи, що дозволяє проводити порівняння ПЕПР в умовах тривалих польотів над різними поверхнями, що підстилають. Показано, що при виконанні польотів у складних метеорологічних умовах похибки, що виникають при проходженні сигналу через атмосферні утворення (туман, дощі), можуть досягати 0,1...12 ДБ і повинні бути враховані при одержанні абсолютного значення ПЕПР.
Вывод
Основні результати експериментальних досліджень взаємозвязку характеристик розсіяного сигналу з параметрами поверхні при багаточастотних методах дистанційного зондування полягають у наступному: 1. Аналіз сучасних теоретичних і експериментальних досліджень розсіювання і випромінювання радіохвиль ґрунтами і рослинним покривом показав перспективність проведення синхронних радіофізичних спостережень аерокосмічними датчиками дистанційного зондування в широкому діапазоні частот.
2. Розглянуто параметри багаточастотного радіолокаційного комплексу "МАРС", призначеного для дослідження поверхні суші. Обрані частотні діапазони (ММ, СМ, ДМ, М) цілком охоплюють задачі, що виникають при дослідженні ґрунтів і рослинного покриву. Реалізована роздільча здатність (20-50м) і смуги огляду (30-50км) дозволяють робити дослідження поверхні суші з оптимальною для цих задач роздільчою здатністю у досить широкій смузі огляду.
Для отримання абсолютних значень вимірюваних сигналів запропоновано і реалізовано процедуру внутрішнього калібрування системи, що дозволяє проводити порівняння ПЕПР в умовах тривалих польотів над різними поверхнями, що підстилають. Проведено порівняльний аналіз ПЕПР, отриманих при внутрішньому калібруванні, з даними зовнішнього калібрування по еталонних відбивачах і активних відповідачах. Для РБО сумарна середньоквадратична похибка виміру не перевищує - 2 ДБ, для РСА - 3,2 ДБ. Показано, що при виконанні польотів у складних метеорологічних умовах похибки, що виникають при проходженні сигналу через атмосферні утворення (туман, дощі), можуть досягати 0,1...12 ДБ і повинні бути враховані при одержанні абсолютного значення ПЕПР.
Створено методики комплексних експериментів, що включають проведення літних і наземних вимірів параметрів поверхні суші, а також обробку результатів. Визначено критерії вибору наземних полігонів і досліджуваних параметрів ґрунтів і рослинного покриву, які вносять основний внесок у розсіяний і випромінений сигнал.
3. У ході досліджень установлено, що істотний вплив на відбитий сигнал роблять показники рослинного покриву. При цьому вплив рослинності на відбитий сигнал зменшується зі збільшенням довжини хвилі радіолокатора. Оптимальним показником, що описує внесок рослинності у формування відбитого радіосигналу, є обємна вологість рослинності.
Показано, що найкращий поділ різних типів культур відбувається в СМ діапазоні радіохвиль. Виникаючі неоднозначності при розпізнаванні просапних культур (цукровий буряк, кукурудза, соняшник) і суцільної сівби (різні злакові, багаторічні трави, стерня) вперше вдалося усунути, поєднуючи дані СМ радіолокатора бічного огляду і СВЧ радіометра ММ діапазону.
При виконанні сезонних вимірів у СМ і ММ діапазонах отримано зміни ПЕПР і радіояркостної температури, викликані основними фазами розвитку сільськогосподарських культур, побудовано експериментальні кутові залежності ПЕПР для посівів соняшника, кукурудзи, цукрового буряка, ячменю, багаторічних трав у період максимального розвитку біомаси.
4. У СМ діапазоні результати досліджень показали, що найбільш прийнятними кутами спостереження за ґрунтовою складовою є кути 200-400, а для дослідження шару рослинності - кути більш 450.
5. Результати аналізу ґрунтової складової показують, що існує звязок між даними радіолокаційного зондування для щільності верхнього шару ґрунту на глибинах 0-20 см, причому цей звязок зменшується в міру збільшення довжини хвилі радіолокатора і в міру збільшення глибини шару проникнення.
Аналіз даних показав, що між даними літньої радіолокаційної зйомки в СМ, ДМ, М діапазонах радіохвиль і ваговою вологістю ґрунту існує середній ступінь залежності. Найкращий взаємозвязок спостерігається для даних ДМ діапазону з обємною вологістю ґрунтів у поверхневому шарі 0-10см.
Виконане розпізнавання полів із ґрунтами різного гранулометричного складу за даними багаточастотного зондування показало можливість проведення ґрунтового районування. Краще розпізнавання ґрунтів по гранулометричному складу спостерігається для комбінації даних СМ і ДМ діапазонів радіохвиль.
6. Експериментальні дані, отримані РБО ШСЗ "Океан", "Січ-1" для двох випадків агрометеорологічних умов (випадання опадів на мерзлий і теплий ґрунт), мають принципово різний характер, що дає можливість контролювати ці умови при регулярному спостереженні заданого регіону.
7. Аналіз космічних радіолокаційних зображень показує, що за радіофізичними даними можливе спостереження динаміки сніжного покриву і сніготанення. Розходження контрастів між сніжним покривом на сухому ґрунті і мокрому снігу на вологому ґрунті в секторі кутів -200-600 дозволяє проводити їхню ідентифікацію і визначати зміст вологи в снігу, контролювати динаміку границь сніготанення.
Список литературы
1. Шестопалов В.П., Калмыков А.И., Комяк В.А., Курекин А.С., Пичугин А.П., Гавриленко А.С., Евдокимов А.П., Еленский Л.В., Ефимов В.Б., Зельдис В.И., Иголкин В.В., Кавелин С.С., Кулешов Ю.А., Левантовский В.Ю., Левда А.С., Спиридонов Ю.Г.. Торчун П.М., Фетисов А.Б., Цімбал В.Н., Шило С.А., Яцевич С.Е. Комплексные исследования природной среды Земли радиолокационным методом // ДАН СССР. -1985. -Т.284, №.1. -С.98-102.
2. Комяк В.А., Левда А.С., Шило С.А., Яцевич С.Е. Бортовой СВЧ радиометр с цифровой обработкой данных.// Сб.науч.тр. Использование радиоволн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. - Харьков, ИРЭ АН Украины, -1993. -C.33-42.
3. Калмыков А.И., Щербинин И.В., Яцевич С.Е. Комплексные радиофизические исследования сельскохозяйственных угодий // Сб. науч. тр.: Космическая наука и техника. / АН УССР, Комиссия космических исследований. - Киев: -Наукова думка. -1990. -С.32-36.
4. Шило С.А., Яцевич С.Е Экспериментальные исследования радиоизлучательных характеристик растительного покрова в восьми- миллиметровом диапазоне волн // Сб. научн. трудов АН УССР, Институт радиофизики и электроники: Радиофизические методы и средства для исследования окружающей среды в миллиметровом диапазоне. -Киев: Наукова думка, -1988. С.31-38.
5. Комяк В.А., Левда А.С., Шило С.А., Яцевич С.Е. Особенности наземной калибровки бортовых радиометрических систем с антеннами больших размеров // Изв. ВУЗОВ “Радиоэлектроника”. -1999г.- Т.42, №12. -С.10-16.
7. Яцевич С.Е., Курекин А.С., Уваров В.Н., Левда А.С. Автоматическая внутренняя калибровка радиолокационных систем дистанционного зондирования// Космічна наука і технология.- Киев.-1998 -Т4, N2/3. -С.34-39.
8. Яцевич С.Е., Ефимов В.Б., Цымбал В.Н., Ачасов А.Б., Шатохин А.В. Исследования земельных рессурсов по материалам многочастотной радиолокационной съемки.// Космічна наука і технологія. -Киев.-1999. -Т.5, №2/3. -С.34-40.
9. Ефимов В.Б., Калмыков И.А., Яцевич С.Е. Особенности наблюдения снежного покрова радиолокационной системой ИСЗ "Січ-1" // Космічна наука і технология.- Киев.-1998. -Т.4, №2/3. -С.27-34.
10. Сканирующий радиометр для дистанционного зондирования: А.с. 1217101 СССР МКИ G 01 S 13/95 / А.П. Евдокимов, В.А. Комяк, В.В. Крыжановский, А.С. Левда, С.А. Провалов, В.П. Шестопалов, С.А. Шило, С.Е. Яцевич. - №3837351; Заяв. 25.01.85; Опубл. 8.11.1985, Бюл. №9. -С.251.
11. Сканирующий радиометр для дистанционного зондирования: А.с.1336733 СССР МКИ G 01 S 13/95. / В.А. Комяк, А.С. Левда, С.А. Шило, С.Е. Яцевич. - №3948313; Заявл. 27.08.85; Опубл. 8.05.1987, Бюл. №33, -С.270.
12. Гавриленко А.С., Крыжановский В.В., Кулешов Ю.А., Лазебный В.С., Провалов С.А., Торопов Г.Б., Фетисов А.Б., Шило С.А., Яцевич С.Е. Комплекс радиофизической аппаратуры для дистанционного зондирования природной среды. / Препринт ИРЭ АН УССР. Институт радиофизики и электроники. -Харьков. -1986. - № 321 - 40с.
13. Кулемин Г.П., Харченко Т.Н., Яцевич С.Е. Дистанционное зондирование снега радиолокационными методами. / Препринт НАН Украины, Институт радиофизики и электроники. -Харьков.-1992.-№92-8. -36с.
15. Komyak V.A., Levda A.S., Rubin V.V., Shilo S.A., Yatsevich S.Ye. The scanning microwave radiometer RM-0,8 for "Ocean-1"/ "Sith-1" Satellite Series // Proceeding of Fourth Ukraine-Russia-China Symposium on Space Science and Technology.- Vol.1. - Kiev (Ukraine). -1996. - P.65-67.
16. Kulemin G. R., Shcherbinin I. V., Yatsevich S. E. Physical Principles of Microwave Remote Sensing of Terrains // Proc. of the 6th physics international school “Microwave physics and technique” -Varna(Bulgaria). - World Scientific Publ.Co. Singapore, Utopia Press.-1989. -P.16-33.
17. Яцевич С.Е., Гавриленко А.С. Еленский Л.В., Калмыков А.И., Шило С.А. Возможности исследования сельскохозяйственных угодий активно-пассивной радиофизической аппаратурой с аэрокосмических носителей // Тез. докл. Всесоюзной конф."Космические методы изучения биосферы", / Комиссия АН СССР по изучению природных ресурсов с помощью космических средств, Институт географии АН СССР, г.Звенигород. - 1988 г. -С.48
18. Калмыков А.И. Щербинин И.В. Чапля Е.Я.Яцевич С.Е. Комплексные радиофизические исследования сельскохозяйственных угодий и полей // тез.докл. Всесоюзн. научно-технической конф. Методы представления и обработки случайных сигналов. -Харьков, ХИРЭ.-1989. -С.137.
19. Efimov V.B., Kalmykov I.A., Yatsevich S.Ye., Timchenko A.I. The features of radar observation of snow cover from the satellite "Sitch-1" // 27th International Symposium on Remote Sensing of Environment. - Tromso, Norway.-1998.- Р.338-342.