Анализ почвенной влажности, полученной во время проведения Эксперимента по изучению почвенной влажности в 2003 году (SMEX03) в результате обработки космических и аэроснимков и сравнение результатов обработки с наземными измерениями

Целью эксперимента по изучению почвенной влажности в 2003 году (SMEX03) было дистанционное зондирование влажности почвы при наличии различного растительного покрова. Для этого было выбрано пять различных экспериментальных участков для одновременного отбора наземных данных и данных дистанционного зондирования (значения отражённого потока электромагнитного излучения). Главные экспериментальные участки были расположены в южной и северной части штата Оклахома вблизи городов Стилвоте (Stillwater) и Чикаша (Chickasha) соответственно. Данная работа основывалась на данных, собранных на территории Экспериментального Водораздела реки Литл Вашита (Little Washita (LWREW)), расположенного на юго-западе штата Оклахома в районе Южных Великих Равнин Соединенных Штатов Америки. На юге штата Оклахома Экспериментальный водораздел реки Литл Вашита (Little Washita) является главным экспериментальным участком. Данные, используемые в данной работе, обрабатывались в Лаборатории гидрологии и дистанционного зондирования Департамента сельского хозяйства Соединённых Штатов Америки (USDA), расположенной в округе Белтсвиль штата Мериленд.

Основные цели данной работы совпадали с целями, поставленными во время эксперимента по изучению почвенной влажности в 2003 году (SMEX03):
1) Калибровка радарных данных, полученных с сенсоров AIRSAR и ASAR, расположенных на борту самолёта DC - 8 и спутнике Envisat соответственно;
2) Отображение пространственного и временного изменения почвенной влажности;
3) Изучение взаимосвязи почвенной влажности и растительности;

Основной подход, использовавшийся во время проведения эксперимента, синхронизация по времени наземных измерений почвенной влажности с сеансом космической и самолётной съёмки.
Оборудование, установленное на борту самолёта, работало в низкочастотном диапазоне микроволн, хорошо подходящем для измерения почвенной влажности. Во время эксперимента Airborne Synthetic Aperture Radar (AIRSAR) – радарный сенсор, установленный на борту самолёта, работал в полиметрическом режиме (POLSAR mode). Работая в полиметрическом режиме, сенсор регистрирует коэффициенты отражения потока электромагнитного излучения в четырёх поляризациях (HH, VV, HV и TP (полный сигнал) для каждого из трёх частотных диапазонов длин волн C-, L- ,и P.
Снимки, полученные с сенсора AIRSAR, были обработаны в Jet Propulsion Лаборатории НАСА (Jet Propulsion Laboratory of NASA) и представлены в виде отдельных сжатых матриц для каждого диапазона длин волн C, L и P.
Во время эксперимента самолётная съёмка осуществлялась с высоты 8 км. Самолётная съёмка была сконцентрирована над Экспериментальным Водоразделом реки Литл Вашита, территорией протяжённостью 10 км в направлении с севера на юг и 40 км в направлении с востока на запад, поскольку здесь проводились основные наземные измерения. 4 полосы было снято в направлении с запада на восток для полного покрытия всей территории под углами съёмки от 35 до 45 градусов.

Снимки, полученные с сенсора ASAR, были привязаны и получены в альтернативной поляризации. Во время эксперимента снимки и полученные коэффициенты отражения были сделаны в комбинации поляризаций VV/VH, которая предпочтительна при определении почвенной влажности. Пространственное разрешение сенсора ASAR 30 30 м (размер пиксела).

Почвенные образцы отбирались с полей с разным растительным покровом. На каждом поле выбиралось 14 точек для отбора 5 почвенных образцов. Откалиброванные для каждого участка измерения, сделанные с помощью прибора для измерения влажности почв (theta probe), были усреднены для получения средней величины, представительной для почвенного слоя от 0 до 6 см, которая использовалась в анализе.
Чтобы получить коэффициенты отражения с полей с разным растительным покровом, было необходимо использовать осреднённое значение пикселов, находящихся внутри границ каждого из полей. Поля с одинаковым типом растительности при анализе группировались.
Значения коэффициентов отражения, полученных при меньших углах съёмки, обычно больше, чем при больших углах съёмки.
Благодарность
Автор выражает благодарность профессору Томасу Джексону за возможность работать с данными, полученными во время SMEX03 и за возможность участвовать в экспериментах SMEX04 и NAME.