1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Исследование Земли из Космоса
  4. № 3, 2023

Исследование Земли из Космоса, 2023, № 3, стр. 81-96

Диэлектрическая модель верхнего органического слоя лесных почв для частоты 435 МГц

А. Ю. Каравайский a, *, Ю. И. Лукин a

a Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН
Красноярск, Россия

* E-mail: rsdak@ksc.krasn.ru

Поступила в редакцию 28.06.2022

Аннотация

Создана диэлектрическая модель, основанная на рефракционной диэлектрической модели смеси талых и мерзлых лесных органических почв корневой зоны для частоты 435 МГц. Модель разработана на основе диэлектрических измерений четырех почв, в которых содержание органического вещества варьировалось от 15 до 31%. Диэлектрические измерения были проведены в диапазоне массовой влажности от 0 до 0.6 г/г и диапазоне температур от –30 до 25°С. Коэффициент детерминации (R2) между рассчитанными с использованием модели и измеренными значениями действительной (ε') и мнимой (ε") частями комплексной диэлектрической проницаемости составил 0.97. Нормированное среднеквадратическое отклонение составило 16 и 21% для действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости соответственно. Разработанная диэлектрическая модель может быть применена в алгоритмах дистанционного зондирования при восстановлении значения влажности лесных почв корневой зоны из данных радарного и радиометрического зондирования.

Ключевые слова: диэлектрическая модель, влажность, температура, органическая почва, мерзлая почва, талая почва

Список литературы

  1. Агрохимические методы исследования почв / ред. Соколов А. В. М.: Наука, 1975. 656 с.

  2. Беляева Т.А., Бобров П.П., Кондратьева О.В. Изменение диэлектрических свойств связанной воды в почвах при увеличении ее количества // Вестник СибГАУ. 2013. № 5(51). С. 92–95.

  3. Бобров П.П., Беляева Т.А., Крошка Е.С., Родионова О.В. О параметрах диэлектрической модели почв, используемой в алгоритме SMOS // Техника радиосвязи. 2021. Вып. 1(48). С. 95–102. https://doi.org/10.33286/2075-8693-2021-48-95-102

  4. Бобров П.П., Кондратьева О.В., Мустакова М.М. Влияние содержания органического вещества в почвах на диэлектрическую проницаемость в диапазоне частот 10–8.5 ГГц // Вестник СибГАУ. 2013. № 5(51). С. 95–97.

  5. Бобров П.П. Спектроскопическая модель диэлектрической проницаемости почв, использующая стандартизованные агрофизические показатели // Исслед. Земли из Космоса. 2008. № 1. С. 15–23.

  6. Боярский Д.А., Тихонов В.В. Модель эффективной диэлектрической проницаемости влажных и мерзлых почв в сверхвысокочастотном диапазоне // Радиотехника и электроника. 1995. Т. 40. № 6. С. 914–917.

  7. Боярский Д.А., Тихонов В.В. Влияние связанной воды на диэлектрическую проницаемость влажных и мерзлых почв // 2003.

  8. Комаров А.С., Миронов В.Л. Микроволновое зондирование почв. Новосибирск. Изд-во СО РАН. 2000. 289 с.

  9. Кочеткова Т.Д. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости торфа на СВЧ // 8-я Международная научно-практическая конференция Актуальные проблемы радиофизики. 2019. Тезисы докл. С. 196–199.

  10. Мандрыгина В.Н. Диэлектрическая проницаемость почв с различным содержанием гумуса и влияние на нее гидрофобных и гидрофильных загрязнителей // Автореф дис на соиск уч. степ. к. ф.-м. н: Омский пед гос унт. 2004. 16 с.

  11. Миронов В.Л., Комаров С.А., Рычкова Н.В., Клещенко В.Н., Изучение диэлектрических свойств влажных почвогрунтов в СВЧ-диапазоне // Исслед. Земли из космоса. 1994. № 4. С. 18–24.

  12. Миронов В.Л., Савин И.В. Спектроскопическая многорелаксационная диэлектрическая модель талых и мерзлых арктических почв, учитывающая зависимости от температуры и содержания органического вещества // Исслед. Земли из Космоса. 2019. № 1. С. 62–73. https://doi.org/10.31857/S0205-96142019162-73

  13. Музалевский К.В. Возможности дистанционного зондирования профилей влажности почв на основе поляриметрических наблюдений обратного рассеяния волн в P- и C-диапазонах частот // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 5. С. 203–216. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2019-16-5-203-216

  14. Репин А.В. Методы измерения диэлектрической проницаемости различных форм почвенной влаги и нефтесодержащих пород // Автореф дис на соиск уч. степ. к. ф.-м .н: Омский государственный педагогический университет. 2010. 22 с.

  15. Шутко А.М. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов // Наука, 1986.

  16. Alemohammad S.H., Konings A.G., Jagdhuber T., Moghaddam M., Entekhabi D. Characterization of vegetation and soil scattering mechanisms across different biomes using P-band SAR polarimetry // Remote Sens. Environ. 2018. V. 209. P. 107–117. https://doi.org/10.1016/j.rse.2018.02.032

  17. Bobrov P.P., Belyaeva T.A., Kroshka E.S., Rodionova O.V. The Effect of Dielectric Relaxation Processes on the Complex Dielectric Permittivity of Soils at Frequencies From 10 kHz to 8 GHz—Part I: Experimental // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2022. V. 60. P. 1–9. https://doi.org/10.1109/TGRS.2022.3180727

  18. Bircher S., Demontoux F., Zakharova E, Drusch M., Wigneron J.-P., Kerr Y.H. L-Band Relative Permittivity of Organic Soil Surface Layers—A New Dataset of Resonant Cavity Measurements and Model Evaluation // Remote Sensing. 2016. V. 8 № 12. P. 1024. https://doi.org/10.3390/rs8121024

  19. Carreiras J.M.B., Quegan S., Le Toan T., Ho Tong Minh D., Saatchi S.S., Carvalhais N. Coverage of high biomass forests by the ESA BIOMASS mission under defense restrictions // Remote Sens. Environ. 2017. V. 196. P. 154–162. https://doi.org/10.1016/j.rse.2017.05.003

  20. Chudinova S.M. Dielectric characteristics of soils and categories of soil water // Eurasian Soil Sc. 2009. V 42. P. 405–414. https://doi.org/10.1134/S1064229309040073

  21. Dobson M., Ulaby F., Hallikainen M., El-rayes M. Microwave Dielectric Behavior of Wet Soil-Part II: Dielectric Mixing Models // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1985. V. GE-23. № 1. P. 35–46. https://doi.org/10.1109/TGRS.1985.289498

  22. Entekhabi D., Njoku E.G., O’Neill P.E., Kellogg K.H., Crow W.T., Edelstein W.N., Entin J.K., Goodman S.D., Jackson T.J., Johnson J., Kimball J., Piepmeier J.R., Koster R.D., Martin N., McDonald K.C., Moghaddam M., Moran S., Reichle R., Shi J.C., Spencer M.W., Thurman S.W., Tsang L., Zyl J. Van. The Soil Moisture Active Passive (SMAP) Mission // Proc. IEEE. 2010. V. 98. № 5. P. 704–716. https://doi.org/10.1109/JPROC.2010.2043918

  23. Escorihuela M.J., Chanzy A., Wigneron J.P., Kerr, Y.H. Effective soil moisture sampling depth of L-band radiometry: A case study // Remote Sens. Environ. 2010. V. 114. № 5. P. 995–1001. https://doi.org/10.1016/j.rse.2009.12.011

  24. Fomin S.V., Muzalevskiy K. Dielectric Model for Thawed Mineral Soils at a Frequency of 435 MHz // IEEE Geosci. Remote Sens. Lett. 2021b. V. 18. № 2. P. 222–225. https://doi.org/10.1109/LGRS.2020.2972559

  25. Garrison J., Lin Y.-C., Nold B., Piepmeier J.R., Vega M.A., Fritts M., Du Toit C.F., Knuble J. Remote sensing of soil moisture using P-band signals of opportunity (SoOp): Initial results // 2017 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS).: IEEE, 2017. P. 4158–4161. https://doi.org/10.1109/IGARSS.2017.8127917

  26. Grant J.P., de Griend A.A. Van, Wigneron J.-P., Saleh K., Panciera R., Walker J.P. Influence of forest cover fraction on L-band soil moisture retrievals from heterogeneous pixels using multi-angular observations // Remote Sens. Environ. 2010. V. 114. № 5. P. 1026–1037. https://doi.org/10.1016/j.rse.2009.12.016

  27. Jagdhuber T., Hajnsek I., Sauer S., Papathanassiou K.P., Bronstert A. Soil moisture retrieval under forest using polarimetric decomposition techniques at P-band // 9th European Conference on Synthetic Aperture Radar. 2012. P. 709–712.

  28. Liu J., Zhao S., Jiang L., Chai L., Wu F. The influence of organic matter on soil dielectric constant at microwave frequencies (0.5–40 GHZ) // IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium – IGARSS. 2013. P. 13–16. https://doi.org/10.1109/IGARSS.2013.6721080.

  29. Jin M., Zheng X., Jiang T., Li X., Li X.-J., Zhao K. Evaluation and Improvement of SMOS and SMAP Soil Moisture Products for Soils with High Organic Matter over a Forested Area in Northeast China. Remote Sensing. 2017. V. 9 № 4. P. 387. https://doi.org/10.3390/rs9040387

  30. Kerr Y.H., Waldteufel P., Wigneron J.-P., Delwart S., Cabot F., Boutin J., Escorihuela M.-J., Font J., Reul N., Gruhier C., Juglea S.E., Drinkwater M.R., Hahne A., Martín-Neira M., Mecklenburg S. The SMOS Mission: New Tool for Monitoring Key Elements ofthe Global Water Cycle // Proc. IEEE. 2010. V. 98. № 5. P. 666–687. https://doi.org/10.1109/JPROC.2010.2043032

  31. Liebmann P., Wordell-Dietrich P., Kalbitz K., Mikutta R., Kalks F., Don A., Woche S.K., Dsilva L.R., Guggenberger G. Relevance of aboveground litter for soil organic matter formation – a soil profile perspective // Biogeosciences. 2020. V. 17. P. 3099–3113. https://doi.org/10.5194/bg-17-3099-2020

  32. Loewer M., Igel J., Minnich,C., Wagner,N. Electrical and dielectric properties of soils in the mHz to GHz frequency range //Proceedings of the 11th International Conference on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances (ISEMA). 2016. P. 247–254.

  33. Mironov V.L., Bobrov P.P., Bobrov A.P., Mandrygina V.N., Stasuk V.D. Microwave dielectric spectroscopy of moist soils for a forest-tundra region // IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. 2005. P. 4485–4488.https://doi.org/10.1109/IGARSS.2005.1525917.

  34. Mironov V.L., Bobrov P.P., Fomin S.V. Multirelaxation Generalized Refractive Mixing Dielectric Model of Moist Soils // IEEE Geosci. Remote Sens. Lett. 2013. V. 10. № 3. P. 603–606. https://doi.org/10.1109/LGRS.2012.2215574

  35. Mironov V.L., Roo R.D. De, Savin I.V. Temperature-Dependable Microwave Dielectric Model for an Arctic Soil // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2010. V. 48. № 6. P. 2544–2556. https://doi.org/10.1109/TGRS.2010.2040034

  36. Mironov V.L., Karavayskiy A.Y., Lukin Y.I., Molostov I.P. A dielectric model of thawed and frozen Arctic soils considering frequency, temperature, texture and dry density // Int. J. Remote Sens. 2020. V. 41. № 10. P. 3845–3865. https://doi.org/10.1080/01431161.2019.1708506

  37. Mironov V.L., Molostov I.P., Lukin Y.I., Karavaisky A.Y. Method of retrieving permittivity from S12 element of the waveguide scattering matrix // 2013 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). : IEEE, 2013. P. 1–3. https://doi.org/10.1109/SIBCON.2013.6693609

  38. Monerris A., Vall-llossera M., Camps A., Sabia R., Villarino R., Cardona M., Alvarez E., Sosa S. Soil Moisture Retrieval Using L-band Radiometry: Dependence on Soil Type and Moisture Profiles // 2006 IEEE MicroRad.: IEEE, 2006. P. 171–175. https://doi.org/10.1109/MICRAD.2006.1677083

  39. Nagarajan K., Judge J., Monsivais-Huertero A., Graham W.D. Impact of Assimilating Passive Microwave Observations on Root-Zone Soil Moisture Under Dynamic Vegetation Conditions // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2012. V. 50. № 11. P. 4279–4291. https://doi.org/10.1109/TGRS.2012.2191154

  40. Owe M., Van de Friend A. Comparison of soil moisture penetration depths for several bare soils at two microwave frequencies and implications for remote sensing // WATER RESOURCES RESEARCH. 1998. V. 34. № 9. P. 2319–2327.

  41. Pan M., Cai X., Chaney N.W., Entekhabi D., Wood E.F. An initial assessment of SMAP soil moisture retrievals using high-resolution model simulations and in situ observations // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43. № 18. P. 9662–9668. https://doi.org/10.1002/2016GL069964

  42. Pan M., Sahoo A.K., Wood E.F., Al Bitar A., Leroux D., Kerr Y.H. An Initial Assessment of SMOS Derived Soil Moisture over the Continental United States // IEEE J. Sel. Top. Appl. Earth Obs. Remote Sens. 2012. V. 5. № 5. P. 1448–1457. https://doi.org/10.1109/JSTARS.2012.2194477

  43. Park C.-H., Behrendt A., LeDrew E., Wulfmeyer V. New Approach for Calculating the Effective Dielectric Constant of the Moist Soil for Microwaves // Remote Sens. 2017. V. 9. P. 732. https://doi.org/10.3390/rs9070732

  44. Park C.-H., Montzka C., Jagdhuber T., Jonard F., De Lannoy G., Hong J., Jackson T.J., Wulfmeyer V. A dielectric mixing model accounting for soil organic matter // Vadose Zone J. 2019. V. 18 P. 190036. https://doi.org/10.2136/vzj2019.04.0036

  45. Peplinski N.R., Ulaby F.T., Dobson M.C. Dielectric properties of soils in the 0.3–1.3 GHz range // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1995. V. 33. № 3. P. 803–807. https://doi.org/10.1109/36.387598

  46. Patil C.B., Chaudhari P.R. Dielectric Constant and Emissivity of Forest Soil Samples at Microwave Frequency // International J. Scientific Research in Physics and Applied Sciences. 2018. V. 6. № 4. P. 44–46. https://doi.org/10.26438/ijsrpas/v6i4.4446

  47. Reigber A., Jager M., Pinheiro M., Scheiber R., Prats P., Fischer J., Horn R., Nottensteiner A. Performance of the P-band subsystem and the X-band interferometer of the F-SAR airborne SAR instrument // 2012 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium.: IEEE, 2012. P. 5037–5040. https://doi.org/10.1109/IGARSS.2012.6352479

  48. Sadeghi M., Tabatabaeenejad A., Tuller M., Moghaddam M., Jones S. Advancing NASA’s AirMOSS P-Band Radar Root Zone Soil Moisture Retrieval Algorithm via Incorporation of Richards’ Equation // Remote Sens. 2016. V. 9. № 1. P. 17. https://doi.org/10.3390/rs9010017

  49. Savin I.V., Muzalevskiy K.V., Mironov V.L. A dielectric model of thawed and frozen Arctic organic soils at 435 MHz // Remote Sens. Lett. 2022. V. 13. № 5. P. 452–459. https://doi.org/10.1080/2150704X.2022.2041761

  50. Shen X., Walker J.P., Ye N., Wu X., Boopathi N., Yeo I.-Y., Zhang L., Zhu L. Soil Moisture Retrieval Depth of P- and L-Band Radiometry: Predictions and Observations // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2021. V. 59. № 8. P. 6814–6822. https://doi.org/10.1109/TGRS.2020.3026384

  51. Shukla J., Mintz Y. Influence of Land-Surface Evapotranspiration on the Earth’s Climate // Science (80-.). 1982. V. 215. № 4539. P. 1498–1501. https://doi.org/10.1126/science.215.4539.1498

  52. Szypłowska A., Lewandowski A., Yagihara S., Saito H., Furuhata K., Szerement J., Kafarski M., Wilczek A., Majcher J., Woszczyk A., Skierucha W. Dielectric models for moisture determination of soils with variable organic matter content // Geoderma. 2021. V. 401. P. 115288. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115288

  53. Tabatabaeenejad A., Burgin M., Xueyang Duan, Moghaddam M. P-Band Radar Retrieval of Subsurface Soil Moisture Profile as a Second-Order Polynomial: First AirMOSS Results // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2015. V. 53. № 2. P. 645–658.https://doi.org/10.1109/TGRS.2014.2326839

  54. Wang J.R., Schmugge T.J. An Empirical Model for the Complex Dielectric Permittivity of Soils as a Function of Water Content // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1980. V. GE-18. № 4. P. 288–295. https://doi.org/10.1109/TGRS.1980.350304

  55. Ye N., Walker J.P., Yeo I.-Y., Jackson T.J., Kerr Y., Kim E., Mcgrath A., Popstefanija I., Goodberlet M., Hills J. Toward P-Band Passive Microwave Sensing of Soil Moisture // IEEE Geosci. Remote Sens. Lett. 2020. V. 18. № 3. P. 504–508. https://doi.org/10.1109/LGRS.2020.2976204

  56. Zhang L., Zhao T., Jiang L., Zhao S. Estimate of Phase Transition Water Content in Freeze–Thaw Process Using Microwave Radiometer // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2010. V. 48. № 12. P. 4248–4255. https://doi.org/10.1109/TGRS.2010.2051158

  57. Zhang N., Shi J., Sun G., Guo Z., Chai L. Assessment of boreal forest biomass using L-band radiometer SMOS data // 2011 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. 2011. P. 1946–1949. https://doi.org/10.1109/IGARSS.2011.6049507

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Исследование Земли из Космоса

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал