Диэлектрическая спектроскопия влажных почв в задачах радарного и радиометрического зондирования поверхности суши

В задачах аэрокосмического зондирования почвенного и растительного покрова суши с применением радаров и радиометров одним из основных блоков в алгоритмах обработки данных являются модели комплексной диэлектрической проницаемости влажных почв. Физической основой для радиозондирования влажности почвы, биомассы растительности, мерзлого или талого состояния поверхности суши, классификации типов почв по минеральному и гранулометрическому составу являются закономерности, связывающие перечисленные выше геофизические характеристики с величиной комплексной диэлектрической проницаемости почвенного покрова. [1], [2]. Такие диэлектрические модели должны включать зависимости от температуры, параметров минерального состава, объемной или весовой влажности и частоты. При создании алгоритмов обработки данных радиозондирования из космоса наиболее широко применяется предложенная в работе [3] полуэмпирическая диэлектрическая модель (ПДМ) влажной почвы, которая в настоящее время стала классической. В данной модели используются диэлектрические спектры и спектроскопические параметры Дебая для воды, находящейся вне почвы. В то время как диэлектрический спектр почвенной влаги, связанной на поверхности твердых частиц, минеральных или органических, не рассматривается. В то время как диэлектрический спектр почвенной влаги, связанной на поверхности минеральных и органических частиц почвы, в данной модели не рассматриваются. Следовательно, параметры этих спектров не в принципе не могут быть учтены при расчете диэлектрической проницаемости влажных почв. При этом влияние минерального и гранулометрического состава почв, определяющего спектры связанной влаги, учитывается эмпирически за счет модификации зависимостей диэлектрической проницаемости от влажности. В частности, по этой причине, ПДМ не может быть использована для описания мерзлых влажных почв, в которых диэлектрическая частотная дисперсия полностью определяется связанной (незамерзшей) почвенной влагой. Дальнейшее развитие спектроскопия влажных почв в микроволновом диапазоне частот получила в работах автора и соавторов [4]-[18].
В работах [4], [5] были созданы методические основы диэлектрической спектроскопии влажных почв, с использованием спектроскопических параметров для связанной и свободной почвенной влаги, и предложены способы определения этих физических величин из диэлектрических измерений [4]-[7]. Модель, предложенная в [4], [5] получила название обобщенной рефракционной диэлектрической модели (ОРДМ).
В настоящем докладе дается обзор и анализ результатов в этой области. Рассматривается зависимость диэлектрических спектроскопических параметров влажных почв от гранулометрического состава твердой фракции и содержания гумуса [7]-[11]. Исследование проведено на основе данных измерений для совокупности почв черноземной зоны в Европейской России, степной, лесной и лесотундровой зон Сибири, а также штатов Канзас и Миссисипи (США), охватывающих широкий диапазон гранулометрического состава.
В результате этих исследований разработана диэлектрическая модель, в которой температура, содержание глинистой фракции и гумуса, объемная влажность почвы и частота электромагнитного поля являются входными параметрами для расчета спектров влажных почв в микроволновом диапазоне [12]-[14]. Показано, что предложенная модель, которая получила название минералогической диэлектрической модели почв (МДМП), обладает такой же простотой в применении, как и ПДМ, и обеспечивает прогнозирование комплексной диэлектрической проницаемости с меньшей погрешностью, чем классическая диэлектрическая модель [3] в существенно расширенном диапазоне вариаций гранулометрического и минерального состава почв.
В рамках ОРДМ изучены зависимости спектроскопических параметров от температуры на основе бентонитовой глины [15] и арктических почв Аляски [16]. Предложены физические модели диэлектрической дисперсии замерзших почв, учитывающие влияние связанной почвенной влаги и связанной влаги переходного типа. В работе [16] впервые изучены процессы образования связанной влаги переходного типа из жидкой фазы воды при замерзании почв, и найдены зависимости диэлектрических спектроскопических параметров этой влаги от температуры в процессе ее фазового перехода в лед.
При использовании ОРДМ для почв, содержащих солевые растворы, удается провести анализ зависимостей спектроскопических параметров связанной воды от температуры, включая мерзлое состояние почвы, и предложить способ оценки параметров диэлектрических спектров для солевых растворов в свободной почвенной влаге, что обеспечивает расчет диэлектрической проницаемости засоленных влажных почв[17], [18].
В результате применения спектроскопической модели ОРДМ для обработке данных радиометрического зондирования удается учесть содержание гумуса при восстановлении влажности почвы [19] и существенно снизить погрешность прогнозирования суточных вариаций радиояркостной температуры почвенного покрова [20]. Данная спектроскопическая модель оказалась эффективным инструментом для прогнозирования поляризационного отношения и величины радарного сечения рассеяния, а также позволила создать физическую основу подповерхностного радарного зондирования в условиях замерзания и оттаивания активного слоя вечной мерзлоты [21]-[25].
В дальнейшем предложенный метод диэлектрической микроволновой спектроскопии позволит создать базы диэлектрических данных для влажного почвенного покрова. Принципиальное отличие таких баз данных состоит в использовании в качестве основного информационного элемента спектроскопических параметров, которые будут учитывать органо-минеральный состав почв и сезонные вариации погоды для конкретных физико-географических территорий. Использование таких баз данных позволит существенно повысить достоверность алгоритмов обработки данных аэрокосмического радарного и радиометрического зондирования поверхности Земли.

[1] F.T. Ulaby, R.K. Moor, and A.K. Fung, Microwave Remote Sensing, Active and Passive, vol. III. Dedham, MA: Artech House, 1986.
С.А. Комаров, В.Л. Миронов. Микроволновое зондирование почв. Новосибирск: Научно-издательский центр СО РАН. 2000. 289 с.
[3] M.C. Dobson, F.T. Ulaby, M.T. Hallikainen, and M.A. El-Rayes, “Microwave dielectric behavior of wet soil−Part II: Dielectric Mixing Models,” IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol.23, no.1, pp.35-46, 1985.
[4] V.L. Mironov, M.C. Dobson, V.H. Kaupp, S.A. Komarov, and V.N. Kleshchenko, "Generalized refractive mixing dielectric model for moist soils," in Proc. IGARSS, Toronto, Canada, vol.6, pp.3556-3558, 2002.

[5] V.L. Mironov, M.C. Dobson, V.H. Kaupp, S.A. Komarov, and V.N. Kleshchenko, "Generalized refractive mixing dielectric model for moist soils," IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol.42, no.4, pp.773–785, 2004.
[6] V.L. Mironov, P.P. Bobrov, L.G. Kosolapova, V.N. Mandrygina, and S.V. Fomin “Data Processing Technique for Deriving Soil Water Spectroscopic Parameters in Microwave” in Proc. IGARSS, Denver, USA, vol.6, pp.2957-2961, 2006.
[7] В.Л. Миронов, Л.Г. Косолапова, С.В. Фомин, "Метод создания спектроскопической базы данных диэлектрических свойств влажных почв в СВЧ-диапазоне", Известия вузов. Радиофизика,Т.50, №4, 339-349, 2007.
[8] V.L. Mironov, and P.P. Bobrov, “Soil Dielectric Spectroscopic Parameters Dependence on Humus Content,” in Proc. IGARSS’03, Toulouse, France. 2003. Vol. II, pp. 1106-1108.
[9] V.L. Mironov, P.P. Bobrov, and V.N. Mandrygina, “Bound Water Spectroscopy for the Soils with Varying Mineralogy,” in Proc. IGARSS, Anchorage, USA, vol.V, pp.3478-3480, 2004.
[10] V.L. Mironov, “Spectral Dielectric Properties of Moist Soils in The Microwave Band,” in Proc. IGARSS"04, Anchorage, USA, vol. V, pp. 3474 - 3477, 2004.
[11] V.L. Mironov, P.P. Bobrov, A.P. Bobrov, V.N. Mandrygina and V.D. Stasuk, “Microwave Dielectric Spectroscopy of Moist Soils for a Forest-tundra Region,” in Proc. IGARSS"05, Seoul, Korea, vol. VII, pp. 4485-4488, 2005.
[12] V.L. Mironov, L.G. Kosolapova, and S.V. Fomin “Validation of the Soil Dielectric Spectroscopic Models with Input Parameters Based on Soil Composition”, in Proc. IGARSS"07, Barcelona, Spane. 22-27 July 2007.
[13] V.L. Mironov, L.G. Kosolapova, and S.V. Fomin , " Physically and Mineralogically Based Spectroscopic Dielectric Model for Moist Soils," IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, (submitted paper), 2007.
[14] P.P. Bobrov, V.L. Mironov, O.A. Ivchenko, and V.N. Krasnoukhova "Microwave Spectroscopic Dielectric Model of Moist Soils Using Physical and Hydrological Characteristics as Input Parameters", in Proc. IGARSS"07, Barcelona, Spane. 22-27 July 2007.
[15] V.L. Mironov, V.H. Kaupp, S.A. Komarov, and V.N. Kleshchenko, “Frozen Soil Dielectric Model Using Unfrozen Water Spectroscopic Parameters,” in Proc. IGARSS, Toulouse, France, vol.7, pp.4172–4174, 2003.
[16] V.L. Mironov, R.D. Roo, and I.V. Savin, “Dielectric Spectroscopic Model for Tussock and Shrub Tundra Soils,” in Proc. IGARSS’07, Barcelona, Spain 22-27 July 2007.
[17] V.L. Mironov, S.A. Komarov and V.N. Kleshchenko, “Microwave Dielectric Spectroscopy for Bound Water in Saline Soil,” in Proc. IGARSS, Seoul, Korea, vol.5, pp.3196-3199, 2005.
[18] В.Л. Миронов, С.А. Комаров, В.Н. Клещенко, "Модельное описание диэлектрической проницаемости засолённых влажных грунтов в микроволновом диапазоне", Физика радиоволн: Труды Всерос. научн. конф. Томск: Изд-во Том. ун-та, С. III 17-20,2002.
[19] V.L. Mironov, P.P. Bobrov, O.A. Ivchenko, S.V. Krivaltsevitsh and A.S. Jaschenko, “Dynamic Radiobrightness for Drying Soils as a Function of Humus Content,” in Proc. IGARSS"05, Seoul, Korea, vol. II, pp. 1127-1130, 2005.
[20] .L. Mironov, V.V. Scherbinin, A.S. Komarov, and A.A. Bogdanov, "Measurement and Simulation of Diurnal Radiobrightness Variations for a Bare Unfrozen Soil", in Proc. IGARSS"07, Barcelona, Spane. 22-27 July 2007.
[21] V.L. Mironov, P.P. Bobrov, P.V. Zhirov, S.V. Krivaltsevitsh, A.S. Jaschenko, and R.D. De Roo, “Radiobrightness Dinamics of Freezing/Thawing Processes for Different Soil” in Proc. IGARSS"06, Denver, USA. 2006, V.6, P.3015-3018.
[22] A. Komarov, V. L. Mironov, and S. Li, "SAR Polarimetry for Permafrost Active Layer Freeze/Thaw Processes," in Proc. IGARSS"02, Toronto, Canada, vol. V, pp. 2654-2656, 2002.
[23] V.L. Mironov, S.A. Komarov, S. Li, V.E. Romanovsky, T.V. Baikalova and V.V. Skoroglyadov, “Freeze-Thaw Processes Radar Remote Sensing: Modeling and Image Processing,” in Proc. IGARSS"05, Seoul, Korea, vol. I, pp. 608-611, 2005.
[24] V.L. Mironov, S.A. Komarov, T.V. Baikalova, V.V. Skoroglyadov, “Influence of Snow and Plant Covers on the Seasonal Radar Remote Sensing Signal Variations,” in Proc. of IGARSS, Denver, USA, vol.6, pp.2705-2707, 2006
[25] S.A. Komarov, V.L. Mironov and K.V. Muzalevsky, “GPR Signal Simulations in the Course of Freeze/Thaw Process for a Permafrost Area,” in Proc. IGARSS"05, Seoul, Korea, vol. VII, pp. 4600-4603, 2005.