СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ И КАРТИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПОЧВЕННОГО ПРОФИЛЯ МЕТОДОМ СЪЕМКИ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ СПЕКТРА
METHOD OF IDENTIFYING AND CHARTING SOIL STRUCTURE PROFILE BY METHOD OF SHOOTING IN INFRARED RANGE OF SPECTRUM

Изобретение относится к почвоведению, а именно к способу инструментального выделения границ горизонтов и автоматического построения схемы структуры почвенного профиля. Под структурой понимается любое пространственное изменение физических свойств почвы, отражающее особенности педогенеза.
Наиболее распространенным способом определения структурной организации почв является морфологическое описание почвенного профиля, которое является основным методологическим приемом исследования почв [Розанов Б.Г. Морфология почв. М., 2004. 432 с.].
Недостатком существующего метода является то, что определяемые характеристики являются оценками качественного характера и основаны на экспертном субъективном подходе. Подробное описание большого количества признаков, построение чертежей почвенного разреза делает этот метод трудоемким, затратным по времени исполнения и требовательным к уровню подготовки экспертов.
Известен способ идентификации строения почвенного профиля, заключающийся в интерпретации радарограмм, полученных при георадиолокационном профилировании [Воронин А.Я. Критерии идентификации строения и функциональных свойств почвенного профиля в георадиолокационных исследованиях с использованием георадара "ЛОЗА-В" // Бюл. Почв, ин-та им. В.В. Докучаева. 2015. Вып. 80. С. 106-126].
Недостатком данного способа является высокая трудоемкость, которая не позволяет производить обработку больших объемов георадиолокационных данных за приемлемое время, и необходимость использования дорогостоящего узкоспециализированного оборудования.
Известен способ анализа структуры почвенного профиля с помощью цифровой фотографии [Пузаченко Ю.Г., Пузаченко М.Ю., Козлов Д.Н., Алещенко Е.М. Анализ строения почвенного профиля на основе цифровой фотографии // Почвоведение. 2004. №2. С. 133-146], что, по сути, есть автоматизация метода визуальной экспертной оценки.
Недостатком этого способа является сложность подготовки почвенного разреза к съемке, возникающие технические проблемы цветопередачи в видимом диапазоне спектра, возможные неоднозначности при интерпретации цветовых градиентов, представляемых как три стандартных цветовых плоскости (красная, зеленая, синяя), а, кроме того, - отсутствие калибровочной привязки исходных данных съемки к физическим характеристикам почв.
Наиболее близким является способ выявления углеводородов [п. РФ 2054702, МПК G01V 9/00, опубл. 20.02.1996 г. (прототип)], при котором осуществляют последовательный облет исследуемой и эталонной территории с одновременным сканированием поверхности земли и регистрацией излучения в диапазоне длин волн 8-14 мкм. Рассчитывают пороговую величину температуры тепловых аномалий и отождествляют аномалии, превышающие эту величину, с залежами углеводородов.
Недостатки способа заключаются в том, что он является трудоемким и высокозатратным, требует использования дорогостоящего оборудования и достаточно большого числа проводимых операций.
Техническим результатом изобретения является получение количественных характеристик, позволяющих выявить и зафиксировать в формате цифрового изображения и схемы строение почвенного профиля.
Технический результат достигается тем, что в способе выявления и картирования структуры почвенного профиля методом съемки в инфракрасном диапазоне спектра, заключающемся в съемке почвенного профиля радиометром в инфракрасном диапазоне, где границы почвенных горизонтов определяют по перепаду значений радиояркостной температуры в зонах пограничных переходов, позволяющий получать автоматизированные количественные оценки почвенных морфоструктур и исключающий субъективный визуальный анализ, новым является то, что съемку осуществляют в диапазоне от 7,5 до 13 мкм, с радиометрическим разрешением не хуже 0,1°C, пространственным разрешением не ниже 1×1 см., съемка проводится перпендикулярно стенке разреза с расстояния равного 50-200 см, для последующего масштабирования изображения при съемке профиля устанавливают метки глубины, через каждые 10 см, после процедуры съемки для исследуемого почвенного разреза формируют двумерный массив значений радиояркостных температур с шагом измерений, соответствующим разрешающей способности прибора съемки, этап анализа и построения схемы профиля проводят путем обработки двумерных массивов данных программными продуктами.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что съемку осуществляют в диапазоне от 7,5 до 13 мкм, с радиометрическим разрешением не хуже 0,1°C, пространственным разрешением не ниже 1×1 см, съемка проводится перпендикулярно стенке разреза с расстояния равного 50-200 см, для последующего масштабирования изображения при съемке профиля устанавливают метки глубины, через каждые 10 см, после процедуры съемки для исследуемого почвенного разреза формируют двумерный массив значений радиояркостных температур с шагом измерений, соответствующим разрешающей способности прибора съемки, этап анализа и построения схемы профиля проводят путем обработки двумерных массивов данных программными продуктами. Эти признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены, и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
В предлагаемом способе выделение горизонтов и субгоризонтальных структур в профиле производится на основе анализа распределения радиояркостной температуры, фиксируемой методом инструментальной съемки в инфракрасном диапазоне. Распределение радиояркостной температуры вдоль профиля определяется физическими свойствами почвы (гранулометрическим составом, влажностью, сложением, структурой, теплопроводностью, удельной теплоемкостью). Дальнейший анализ получаемого двумерного массива измерений позволяет программными средствами визуализировать схематическое строение почвенного профиля.
На фиг. 1 представлена схема проведения радиометрической съемки почвенного профиля. F - расстояние до стенки почвенного профиля, глубина почвенного профиля (H).
На фиг. 2 представлен результат калибровки и классификации снимка почвенного профиля с выделением горизонтов по градиенту радиояркостной температуры t(H). Н - глубина профиля; А - пиксель изображения, переведенный в значение радиояркостной температуры; Б - граница горизонта на градиенте значения температуры δt(Н)/δH.
Способ осуществляют следующим образом.
Съемка производится радиометром в ИК-диапазоне (рабочий диапазон длин волн от 7,5 до 13 мкм, с радиометрическим разрешением не хуже 0,1°С, пространственным разрешением не ниже 1×1 см).
В зависимости от целей исследований съемка может осуществляться для полного разреза или почвенной прикопки. Почвенный разрез закладывается таким образом, чтобы анализируемая стенка профиля не освещалась прямыми лучами солнца, что необходимо для сохранения значимых различий радиояркостной температуры по глубине профиля в течение времени проведения съемки. При съемке следует учитывать погодные условия, в солнечную погоду устанавливается затеняющий экран. Наиболее удобным временем для съемки почвенного профиля является период с 12 до 17 ч, что обусловлено особенностями суточного хода температур и теплообмена в системе «приземный слой атмосферы - верхние горизонты почвы». Съемка проводится перпендикулярно стенке разреза с расстояния 2 равного 50-200 см, позволяющего захватить необходимый фрагмент почвенного профиля на определенную глубину 1 (фиг. 1). Для съемки глубоких разрезов напротив рабочей стенки профиля делается ступенька, позволяющая опустить радиометр на необходимую глубину. Для последующего масштабирования изображения при съемке профиля устанавливают метки глубины, через каждые 10 см.
Изображения, получаемые радиометром, должны сопровождаться калибровочными данными, необходимыми для перевода яркости каждого пиксела в значения радиояркостной температуры (фиг. 2). Могут быть использованы радиометры с функцией автоматической калибровки изображения. После процедуры съемки и калибровки изображения для исследуемого почвенного разреза формируется двумерный массив значений радиояркостных температур с шагом измерений 3 (фиг. 2), соответствующим разрешающей способности прибора съемки. В среднем изображение имеет размер не хуже 100×50 пикселей, что соответствует массиву 5000 значений радиояркостной температуры. Размер пикселя изображения 4 в среднем составляет 1-2 см и зависит от фокусного расстояния 2 (фиг. 1). Этап анализа и построения схемы профиля проводится путем обработки двумерных массивов данных авторскими или специализированными программными продуктами (электронные таблицы, средства построения многомерных поверхностей, геоинформационные системы - ГИС). Массивы данных, представленные в формате двумерных диаграмм, предлагается называть «радиометрическими портретами» исследуемого почвенного профиля (фиг. 2). На радиометрическом портрете почвенного профиля с заданной детализацией отображаются конфигурации горизонтов, характер и ширина переходных зон. Границы выделяемых почвенных горизонтов 5 соответствуют скачкообразному изменению градиента радиояркостной температуры по глубине почвенного профиля (фиг. 2). При классификации двумерного массива данных, представленных на диаграмме, шкала температурных диапазонов программно может быть настроена в необходимых пределах. Данная процедура определяет детализацию элементов в профиле. При большой детализации проявляются субгоризонтальные структуры почвы. Оптимальный диапазон, при котором проявляются основные почвенные горизонты, устанавливается путем анализа нескольких изображений, на которых границы основных горизонтов устойчивы, т.е. проявляются на большинстве вариантов.
Использование предлагаемого способа выявления структуры почвенного профиля обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: 1) высокую оперативность получения данных, 2) возможность инструментальной оценки мощности горизонтов, 3) возможность дешифрирования визуально неразличимых горизонтов, 4) возможность анализа субгоризонтальной структуры профиля, 5) возможность автоматического построения схемы почвенного профиля на основе методов обработки и математической классификации исходных ИК-изображений.