Приложение 4.2.5.1. База данных для комплексной диэлектрической проницаемости почвогрунта

Приложение 4.2.5.1.
База данных для комплексной диэлектрической проницаемости
почвогрунта
Данные по комплексной диэлектричесой проницаемости лесной
почвы в зоне Погорельского стационара Института леса СО
РАН
Для достоверной интерпретации данных, получаемых при
дистанционном зондировании лесов требуется знание диэлектрических
характеристик почвогрунтов [1].
Как правило, на основе экспериментальных данных создаются
модели комплексной диэлектрической проницаемости почв как
функции частоты, влажности, содержания глины, песка и почвенных
солей [2]. Считается, что рефракционная модель позволяет построить
эмпирическую
регрессионную
зависимость
с
наименьшим
отклонением от опытных данных [2]. Как было показано в [2],
представление влажностной зависимости не для самой величины
комплексной диэлектрической проницаемости  , а для квадратного
корня из неё, позволяет легко установить различие между связанным
и свободным состоянием воды в почве. Переход между этими двумя
состояниями экспериментально наблюдается как характерный
«излом» влажностной зависимости в при значении объемной
влажности W=Wt. Величина Wt зависит, в основном, от содержания
глины в почвогрунте и является обобщенной электрофизической
характеристикой конкретного типа почвы [2]. При влажностях,
меньших Wt вода в грунте находится в связанном состоянии, а
дополнительное количество влаги, превышающее это значение – в
свободном.
Записанная в таком представлении формула рефракционной
модели при положительных температурах смеси имеет вид:
  d    bw  1W

  d    bw  1Wt 
(1)


W  Wt ,
 fw  1 W  Wt , W  Wt .
Здесь индексы "d", "bw" и "fw" относятся к диэлектрической
проницаемости сухой смеси (W=0), связанной воде и свободной воде
соответственно. Полученные экспериментальные данные для
комплексной диэлектрической проницаемости почвогрунта на
полигоне «Погорелка» Института Леса СО РАН, расположенном в
зоне южной сибирской тайги, были положены в основу создания
диэлектрической базы данных лесного почвенного покрова с
использованием данной модели.
На рис. 1 результаты измерений представлены в виде
влажностных и температурных зависимостей комплексного
показателя преломления n*, который связан с диэлектрической
проницаемостью  как n*    n  i . В дальнейшем
вещественную n и мнимую  части комплексного показателя
преломления будем называть коэффициентом преломления и
коэффициентом поглощения, соответственно.
a)
F = 1.43 ГГц
b)
F = 1.43 ГГц
W, %
W, %
W, %
c)
d)
F = 3.0 ГГц
W, %
F = 3.0 ГГц
W, %
Рис.1. Зависимости показателей преломления (a,c) и показателей поглощения
(b,d) от влажности.
Как видно из кривых, представленных на рисунках, коэффициент
преломления удовлетворительно описывается рефракционной моделью
(1) на частотах 1.43 и 3.0 ГГц. Параметры модели, в этом случае, можно
представить в виде значений Wt, nd, nbw nfw, которые приведены в
Таблице I. Для коэффициента поглощения, кусочно-ломанная
зависимость (1) должна быть заменена полиномом третьего порядка,
κ=q3W3+q2W2+q1W+q0, так как лесная почва в зоне измерений содержала
заметное количество растворимых солей, что привело к отклонению от
линейной зависимости [2], характерной для рефракционной модели.
Соответствующие коэффициенты полиномиальной регрессии приведены
в Таблице II.
Систематизированные в Таблицах I и II результаты измерений
диэлектрических свойств лесной почвы позволили учитывать влияние
отражений от почвогрунта при проведении на полигоне «Погорелка»
измерений по наноимпульсной радиолокации лесных покровов.
Таблица I
f, ГГц
1,43
3,0
Wt
0.08
0.08
nd
1.533
1.522
nb-1
4.975
4.865
nf-1
9.27
9.09
Таблица II
f, ГГц
1,43
3,0
q0
3.93ּ10-2
4.73ּ10-4
q1
1.32ּ10-2
5.61ּ10-3
q2
-1.47ּ10-4
36ּ10-4
q3
1.36ּ10-6
-7.2ּ10-6
Литература
1.
2.
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: Изд-во СО РАН,
2000. – 259с.