авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Дистанционное зондирование деградированных почв

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Кривальцевич Сергей Викторович

Дистанционное зондирование деградированных почв

25.00.35 – геоинформатика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Барнаул – 2005

Работа выполнена в Омском государственном педагогическом университете

на кафедре общей физики физического факультета

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор

Бобров Павел Петрович,

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Поляков Виктор Владимирович,

кандидат физико-математических наук,

доктор технических наук, доцент

Романов Андрей Николаевич

Ведущая организация Институт космических исследований РАН, г. Москва.

Защита диссертации состоится « 23 » декабря 2005 г. в 12 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.005.04 при Алтайском государственном университете по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГУ по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61.

Автореферат разослан « 22 » ноября 2005 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.ф.-м.н., профессор С.А.Безносюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время серьёзную экологическую проблему представляет деградация почв, основными причинами которой являются их загрязнение, засоление и дегумификация. Значительная часть поверхности суши вовлечена в хозяйственную деятельность человека, что зачастую приводит к гибельным для экосистем последствиям.

Любая механическая обработка почв, особенно проводимая с технологическими нарушениями, приводит к разрушению и распылению макроагрегатов. Вследствие этого, снижается водопроницаемость, усиливается эрозия, уменьшается содержание гумуса. При быстром снеготаянии и осадках может происходить переувлажнение почвы и поверхностный сток, и смыв верхних, плодородных слоёв. Большую экологическую проблему представляет загрязнение почв нефтепродуктами и зольными выбросами ТЭЦ. Своевременное обнаружение зон деградации и загрязнений позволит принять необходимые меры и приостановить деструктивные процессы.

Для проведения контроля за состоянием почвы и создания баз данных геоинформационных систем (ГИС) наиболее приемлемым и экономически выгодным решением является использование технологий дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Современный уровень развития космических и наземных средств позволяет получать снимки конкретного участка два и более раз в сутки, а современные вычислительные возможности обеспечивают высокую оперативность обработки. Применение много- и гиперспектральных комплексов, состоящих из радиометров, радиолокаторов и оптических сканеров, позволяет расширить возможности интерпретации полученных изображений.

Основными преимуществами применения в исследовании почв дистанционного микроволнового метода являются всепогодность, возможность получения информации в любое время суток и о некотором слое исследуемой поверхности.

Поскольку основным фактором, влияющим на радиотепловое излучение и обратное рассеяние, является содержание почвенной влаги, любые изменения, происходящие в почве при её деградации, могут быть обнаружены, если при этом изменяется водно-воздушный режим почвы. Так, в [1] показано, что засоление и дегумификация приводят к изменению характера динамики радиояркостной температуры в процессе испарения почвенной влаги, что может служить новым информационным признаком в технологии ДЗЗ.

Преимуществом применения инфракрасного и оптического диапазонов является их высокая разрешающая способность. Космические снимки используются для выявления лесных пожаров, зон почвенной эрозии, ореолов загрязнения вокруг крупных городов по зимним снимкам и т.п.

Проведенные нами исследования показали возможность дистанционной оценки структуры почвы, обусловленной содержанием гумуса, а также обнаружения дистанционными методами некоторых видов загрязнений: загрязнение почв зольными выбросами ТЭЦ, загрязнение почв нефтепродуктами, влияние воздействия зольных и пылевых выбросов ТЭЦ и промышленных предприятий на динамику вегетационного индекса.

Объектом исследования является динамика излучательных характеристик почв с различным содержанием органических веществ и различными загрязнениями, а также влияние зольных загрязнений на динамику вегетационного индекса в загрязненных зонах.

Цель исследования – определение условий наблюдений, при которых возможно выявление зон дегумификации и загрязнения микроволновым и оптическим методами.

Задачи, решенные в процессе работы:

– исследована динамика коэффициента излучения почв с различным содержанием гумуса на 3-х частотах дециметрового и сантиметрового диапазона волн;

– исследована динамика коэффициента излучения почв в микроволновом диапазоне, загрязненных зольными веществами и нефтепродуктами;

– исследована возможность выявления территорий, загрязненных зольными и пылевыми выбросами, с помощью космических снимков оптического и ИК диапазонов.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационном исследовании, заключается в следующем:

– впервые указана возможность и определены условия наблюдений для оценки структуры почвы на основании однократных измерений радиояркостной температуры на двух длинах волн 11 и 3,6 см;

– впервые установлено влияние загрязнений почв зольными выбросами и нефтепродуктами на динамику радиотеплового излучения в микроволновом диапазоне и указана возможность обнаружения загрязненных участков по измерениям радиояркостной температуры на двух длинах волн 11 и 3,6 см;

– впервые установлено влияние зольных и пылевых загрязнений почв на динамику вегетационных индексов лесного покрова.

Положения, выносимые на защиту:

– временные зависимости радиояркостной температуры почв с различным содержанием гумуса и некоторых типов загрязнителей, в процессе испарения почвенной влаги;

– наличие условий, при которых возможна оценка структуры почвы, обусловленная различным содержанием гумуса, по данным однократных измерений радиояркостной температуры на двух длинах волн 11 и 3,6 см – через 1 - 2 суток после интенсивного увлажнения;

– различия во временной динамике коэффициента излучения фоновых и загрязненных зольными выбросами ТЭЦ почв, проявляющиеся в основном на песчаных почвах;

– различия во временной динамике коэффициента излучения фоновых и загрязненных нефтепродуктами почв, обусловленные значительным изменением гидрофизических свойств при загрязнении;

–возможность использования космических снимков ИК и оптического диапазона для определения загрязнения территорий зольными выбросами, используя их влияние на динамику вегетационных индексов растительности.

Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением отдельных полученных результатов с данными других исследователей, строгим учётом погрешности измерений, согласием расчетных и измеренных значений.

Практическая ценность работы. Результаты исследования могут быть использованы для создания баз данных деградируемых почв в ГИС системах. Также полученные данные могут быть использованы в развитии методов и технологий ДЗЗ, для оценки качества почв по их водно-воздушному режиму; для оценки качества рекультивации почв, загрязненных нефтепродуктами; для выявления ореолов загрязнения почв вокруг золоотвалов и других источников промышленного загрязнения. Результаты, полученные микроволновым радиометрическим методом, могут быть использованы для развития радиолокационных методов исследования почв.

Апробация работы. Основные результаты работ, составляющих содержание диссертации, обсуждались на конференциях всероссийского и международного уровня, таких как: ХХ всероссийская конференция по распространению радиоволн (Н. Новгород 2002), Всероссийская конференция «Дистанционное зондирование поверхности земли и атмосферы» (Иркутск 2003), Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва 2003), Вторая Всероссийская научная конференция «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» (Санкт-Петербург 2004), Вторая открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва 2004), Одиннадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных. (Екатеринбург 2005), 31st International Symposium on Remote Sensing of Environment (Saint Peterburg, 2005) International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS’05) (Seoul, Korea, 2005), 11-я Международная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-11-2005) (Барнаул, 2005г.), а также на научных семинарах совместной лаборатории микроволновой радиометрии Земли ОмГПУ и КНЦ СО РАН (2003, 2004, 2005).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 20 печатных и рукописных работ, список основных работ приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 130 наименований и приложения. Объем диссертации составляет 162 страницы, включая 36 рисунков и 14 таблиц цитируемых источников 130 наименований; объем приложения – 19 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, проводится анализ состояния исследований по изучаемой проблеме, формулируются цели и задачи исследования. Оценены научная новизна полученных результатов и их практическая значимость. Обозначены основные положения диссертации, выносимые на защиту. Дана общая характеристика работы.

В первой главе диссертации «Дистанционное исследование свойств почв» приводится обзор литературы по гидрофизическим характеристикам почв и влияния на них загрязнений; по диэлектрическим и излучательным характеристикам почв в микроволновом диапазоне с учётом влияния загрязнений; по известным методикам выявления зон загрязнения с помощью обработки космических снимков видимого и ИК диапазона. В разделе 1.1 рассмотрены гидрофизические характеристики различных типов почв и влияние на них нефтяных и зольных загрязнений, а также содержания гумуса и растворимых солей. В разделе 1.2 дано описание основных моделей комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) естественных почвогрунтов. Приведены литературные данные о влиянии на КДП почв гранулометрического состава, содержания гумуса, солей и различных загрязнений [2, 3]. Раздел 1.3 посвящен анализу моделей излучения почв. Также в разделе приведены литературные данные о состоянии современных знаний по моделированию динамики радиояркостной температуры и возможности определения различных гидрофизических характеристик почв и уровня грунтовых вод. Рассмотрено состояние проблемы влияния засоления и дегумификации на спектральные характеристики почвы в оптическом диапазоне. Раздел 1.4 посвящен литературному обзору известных методик выявления зон загрязнения по результатам обработки многоспектральных космических снимков. В разделе 1.5 на основании литературного обзора ставятся задачи исследования.

Во второй главе «Методика проведения эксперимента» приводится описание экспериментальной установки, методика проведения радиометрических измерений, произведена оценка погрешности измерений, а также описана методика обработки космических снимков.

В разделе 2.1. приведено описание экспериментальной установки и исследуемых участков. На рисунке 1 показана часть радиометрического комплекса, разработанного в ОмГПУ, на базе которого было выполнено данное исследование. Измерялось восходящее радиотепловое излучение под углом 100 от зенита на горизонтальной поляризации на длинах волн 3,6, 5, 11 см и в отдельных экспериментах на длине волны 15 см.

В разделе 2.2 дано описание методики проведения радиометрических измерений, применяемой при исследовании характеристик различных почвогрунтов. Проведен анализ погрешности измерений. Порог флуктуационной чувствительности составлял 0,5 К при времени накопления =1 с для радиометров на длине волн =3,6, =11 и =15 см, и 1 К при =16 с для измерителя ПК7-20 на =5 см. Погрешность абсолютной калибровки при этом составила 1,5-2,5 К на всех длинах волн.

Каждый цикл начинался после искусственного орошения или выпадения естественных осадков и заканчивался при достижении влажности верхнего слоя толщиной 0-3 см менее 0,03 см3/см3. В процессе проведения измерений радиояркостной температуры участков одновременно производились измерения термодинамической температуры на глубине 0,5 см и 1,5 см и периодические (два-три раза в сутки) измерения влажности и плотности верхних слоев 0-1 см, 1-2 см и 2-3 см термостатно-весовым способом.

В разделе 2.3 излагается методика обработки снимков из космоса в ИК и видимом диапазоне. Выбор участков исследования проводился с использованием созданной в процессе исследования базой данных обзорных космических снимков с КА IKONOS по Омской области с разрешением 30-50 метров.

В третьей главе «Исследование динамики радиояркостной температуры почв» приведены результаты экспериментального исследования влияния различных видов деградации почвы на её радиояркостные характеристики.

В разделе 3.1 изложены результаты исследований влияния дегумификации на радиояркостные характеристики почвы в процессе испарения почвенной влаги.

Некоторые свойства почв могут быть оценены по результатам одномоментных измерений на двух длинах волн. Согласно литературным данным при интенсивном испарении в поверхностном слое могут возникнуть градиенты влажности, величина которых зависит от гидрофизических характеристик почвы и её структуры. При этом более высокие градиенты влажности возникают в почве с более высоким содержанием гумуса.

В серии экспериментов, проведенных нами в 2002-2005 годах, были исследованы участки с содержанием гумуса в первом – 0,6%, во втором – 6,6%. Различия в излучении на разных длинах волн оценивалась с помощью нормализованной разности радиояркостных температур: NDT = (ТЯ1 - ТЯ2)/(ТЯ1 + ТЯ2), где ТЯ1, ТЯ2 – радиояркостные температуры на длинах волн 1 и 2 соответственно, причем 1 > 2.

Так как глубина зондирования на разных длинах волн различна, а в процессе испарения почвенной влаги меняется влажность почвы и её градиент, изменяются также и значения NDT. С целью определения условий (степень начального увлажнения, метеопараметры атмосферы, время с момента начала испарения), при которых различие в градиентах влажности на разных участках, а, следовательно, и в NDT, может достигать максимальных значений, необходимо установить его связь с влажностью поверхностного слоя почвы. Прямые измерения влажности почв термостатно-весовым способом с достаточной точностью можно проводить с шагом по глубине не менее 1 см, а коэффициент излучения на используемых длинах волн при сильных градиентах влажности определяется влажностью в более тонком слое. На длине волны 3,6 см глубина зондирования составляет от нескольких миллиметров (при высоких влажностях) до 1-2 см (при низких влажностях).

Регрессионный анализ данных, полученных в разные периоды времени с мая по октябрь 2003-2004 гг. при разных погодных условиях, показывает, что наибольшее различие в значениях NDT для двух почвенных участков существует при низких значениях яркостных температур (150-180 К), соответствующих высоким значениям влажности почвы – 0,3-0,35 см3/см3. При этом в случае более гладкой поверхности различие в NDT почвенных участков несколько больше. Следует отметить, что сильные осадки или орошение, после которых и наблюдаются наибольшие различия в NDT, вызывают разрушение комьев среднего и малого размеров, снижая тем самым шероховатость.

Наибольшее различие в значениях радиояркостной температуры исследуемых участков и в значениях NDT наблюдалось после таяния снежного покрова. Основная причина такого различия – быстрое высыхание тонкого слоя на поверхности более пористой богатой гумусом почвы. Кроме того, как показано в работе [3], гумус увеличивает долю связанной воды в почве и снижает КДП при средней и высокой влажности. И, наконец, третьей причиной является то, что почва достаточно длительное время находилась в состоянии насыщения влагой, из-за чего почвенные агрегаты на поверхности малогумусной почвы почти полностью разрушились по причине их малой водоустойчивости, а лучше сохранившиеся агрегаты на поверхности почвы с высоким содержанием гумуса образовали шероховатости, увеличивающие коэффициент излучения.

Большие градиенты влажности, вызывающие различие в яркостных температурах на разных длинах волн, возникали также на 1-2-е сутки после сильных осадков или интенсивного орошения. При этом яркостные контрасты, возникающие в процессах увлажнения и испарения почвенной влаги, были меньше. На рисунке 2 приведены значения NDT в эксперименте, начатом 8 сентября с полива участков слоем воды 18 мм. Влажность поверхностного слоя малогумусной почвы после полива была выше влажности нижележащих слоев из-за низкой влагопроводимости. Положительному градиенту профиля влажности (возрастанию влажности с приближением к поверхности) соответствует положительная величина NDT. Почва с высоким содержанием гумуса обладает более высокой влагопроводимостью, поэтому сразу после полива установился влажностный профиль с меньшим положительным градиентом, а в результате быстрого высыхания верхнего слоя через сутки установился отрицательный градиент влажности и наибольшая разность NDT= NDT1 – NDT2 между малогумусным (NDT1) и гумусным (NDT2) участками.

Из всей совокупности экспериментальных данных были выбраны такие, когда значения NDT были максимальными. Поскольку значения NDT изменяются в течении суток, в таблице 1 приведены как средние значения за указанный в таблице период наблюдений, так и стандартное отклонение этих значений. Средние значения <NDT> больше стандартного отклонения в тех случаях, когда после сильного увлажнения происходило интенсивное испарение. Большие значения отражают изменчивость NDT в течение периода измерений вследствие изменения градиента влажности. Однако разность NDT изменяется существенно меньше. Для всех приведенных в таблице периодов измерений, включая и периоды, когда градиенты на участке с малым содержанием были положительными, разность средних значений NDT составила 0,017-0,027. Максимальные значения NDT составляли 0,04-0,05.

Максимальному различию участков в NDT соответствует и максимальное различие в пористости почв в слое 0-1 см. При этом сами значения NDT не связаны с общей пористостью. Это свидетельствует о том, что на установление больших градиентов влажности влияет не общая пористость, а доля пор крупных размеров, которая в чернозёмных почвах существенно выше.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.