УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Заявленное устройство относится к области сельского хозяйства, в частности к средствам для дистанционного зондирования земли, в частности для измерения показателя влажности почвы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известно решение для измерения влажности почвы на основе обработки данных термических измерений, полученных со спутника (Yuting Yang et al. Estimation of Surface Soil Moisture from Thermal Infrared Remote Sensing Using an Improved Trapezoid Method, 2015). Данное решение заключается в обработке пространственных снимков, полученных со спутника и заключается в сравнении полученных показателей с корреляционной моделью параметров, измеренных эмпирическим методом.
Такой подход имеет ряд существенных недостатков, в частности данные со спутника имеют значительную погрешность в точности измерений, обусловленную разрешающей способностью инфракрасной камеры, также, мониторинг большой площади вносит ряд погрешностей в вычисление точного показателя влажности почвы.
РАСКРЫТИЕ УСТРОЙСТВА
Для устранения вышеуказанных недостатков известных решений предлагается использование закрепленного на наземной платформе летающего средства, в частности, аэростата, с инфракрасной камерой для измерения тепловых показателей поверхности почвы, например тепловизором, по полученной информации с которого впоследствии будет выполнен расчет показатель влажности почвы.
Техническим результатом является расширение арсенала технических средств для дистанционного зондирования земли с целью получения информации для вычисления показателей влажности почвы.
Заявленный технический результат достигается за счет устройства дистанционного зондирования земли, которое содержит аэростат, соединенный с наземной опорой с помощью троса, тепловизор, закрепленный на аэростате и выполненный с возможностью получения тепловых снимков поверхности земли и их передачи в блок обработки информации для вычисления показателя влажности почвы, датчик освещенности, связанный с тепловизором и выполненный с возможностью фиксирования времени суток и передачи информации о наступившем событии в тепловизор для начала или окончания съемки, и датчик температуры поверхностного слоя воздуха.
В частном варианте реализации устройство трос содержит кабель для передачи информации от тепловизора в вычислительный блок.
В другом частном варианте реализации устройство дополнительно содержит автономный блок питания тепловизора.
В другом частном варианте реализации устройства блок питания выполнен в виде элемента питания на солнечных батареях.
В другом частном варианте реализации устройства событие, фиксируемое датчиком освещенности, является заход или восход солнца.
В другом частном варианте реализации устройства дополнительно содержится датчик определения скорости ветра.
В другом частном варианте реализации устройства дополнительно содержит мультиспектральную камеру для измерения индекса плотности растений.
В другом частном варианте реализации устройства аэростат дополнительно содержит средства беспроводной передачи информации.
В другом частном варианте реализации устройства средства беспроводной передачи информации представляют собой Wi-Fi и/или Bluetooth приемопередатчик и/или GSM модем.
В другом частном варианте реализации устройства тепловизор и/или мультиспектральная камеры соединены со средствами беспроводной передачи данных для обмена информацией с блоком обработки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует общий вид заявленного устройства.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Согласно Фиг. 1 заявленное решение содержит аэростат (1), находящийся в воздухе для обеспечения мониторинга необходимой области, в частности, области посева сельскохозяйственных культур. Аэростат (1) содержит зафиксированную на нем с помощью сборочных операций, например, сочленения, болтового крепления или иного пригодного типа жесткой фиксации элемента, инфракрасной камеры, в частности, тепловизора (2) (также могут использоваться иные типы схожих устройств, пригодные для фиксации изображения распределения температур исследуемой поверхности).
На основании длительной выборки измерений температуры поверхности почвы формируется динамика изменения температуры поверхностного слоя почвы во времени. Это множество значений является решением системы уравнений, описывающей тепловую инерцию почвы как вещества, которое содержит в себе интегральный показатель, связанный с такими параметрами почвы, как влажность. Таким образом, на основании информации получаемой с тепловизора можно вычислить такой параметр как влажность почвы, что является существенным в области дистанционного зондирования земли с целью измерения степени увлажнения почвы, например, при мониторинге посевов и активного мониторинга зон недостатка увлажнения почв (зон полива). Одним из важных условий применения данного метода является отсутствие активных источников тепла в зоне измерения, в частности, активного солнечного излучения. Заявленное решение направлено на реализацию, преимущественно, в ночное время. На период ночной съемки допущение о постоянном уровне увлажнения носит допустимый характер и упрощает решение задачи.
С помощью заявленного устройства существенно расширяются условия метода измерения влажности почвы во времени. Важным плюсом является тот факт, что измерения производятся ночью, когда на объекте исследования обычно отсутствует какая-либо термическая активность.
Тепловизор (2) фиксируется на аэростате (1), удаленном на расстоянии от 10 до 200 метров от поверхности почвы, что обусловлено разрешающей способность тепловизора (2).
Аэростат (1) крепится к наземной опоре (3) с помощью троса (4) и сопутствующих крепежных элементов, например, скоб, фиксаторов и т.п. Вдоль троса (4) или внутри него (спутник) может проходить кабель передачи данных и кабель питания тепловизора (2). В частных случаях реализации тепловизор (2) может содержать блок питания, который может быть автономным или подключенным к сети питания. Блок питания может быть выполнен на основе аккумуляторных батарей, например, Li-On батарей, или на солнечных батареях для подзарядки в светлое время суток.
Также, высота фиксации аэростата определяется, помимо разрешающей способности тепловизора, его чувствительностью, и углом обзора.
Набор фотовидеоматериалов, представляющих из себя тепловые снимки поверхностного слоя земли, помечается датой и временем съемки. Длительность съемки зависит от точности решения задачи и как правило занимает весь период темного времени суток.
Триггером начала и конца съемки является комбинация событий от датчика освещенности (6) и часов, которые определяют начало темного времени суток и включают режим съемки, а затем определяют момент завершения съемки, т.е. фиксирую восход или заход солнца как единственного активного источника тепла, мощность которого существенна и преобладает над другими, как правило, техногенными. Датчик освещенности (6) измеряет интенсивность входящего теплового излучения (солнца).
После окончания съемки набор точек каждого кадра, содержащий в себе температуру, используется как решение краевой задачи теплопроводности в заданный момент времени.  В основании системы для решения краевой задачи теплопроводности используется датчик температуры поверхностного слоя воздуха (5).
Измерения влажности почвы с помощью заявленного устройства представляет из себя измерение динамики остывания почвы и определение коэффициентов уравнений по расчёту тепловой инерции.
Для расчета данных показателей применяются также установленные на аэростате (1) датчик скорости ветра (7).
Чем выше тепловая инерция, тем выше влажность, так как вода в почвенных порах поглощает тепло и, следовательно, температура влажной почвы изменяется медленнее, чем у сухой. Тепловая инерция обычно рассчитывается по соотношению значений дневной / ночной тепловой энергии. Изображения, сделанные в полдень и в полночь, дают полный температурный контраст. Кроме того, по дневным изображениям можно рассчитать альбедо – характеристику диффузной отражательной способности поверхности. К недостаткам этого метода можно отнести тот факт, что осадки, туман, образование росы или потеря тепла при сильном ветре, при изменении погоды в период между дневной и ночной съёмкой – эти явления ограничивают точность измерения и могут вносить погрешность в расчёты.
Тепловая (термическая) инерция – это объемное свойство материалов, описывающее его коэффициент полезного действия при изменении температуры. Тепловая инерция характеризует совокупность свойств материала, связанных с теплопроводностью и объёмной теплоёмкостью, и может быть выражена в виде функции от плотности, теплоемкости и теплопроводности.
Тепловая (термическая) инерция (Thermal inertia, TI) рассчитывается по формуле (1), где ρ – это плотность, С – теплоёмкость, λ – тепловпроводность.
(1)
Наклон дневной кривой нагрева  dT / dt пропорционален значению тепловой инерции.  Значение dT / dt (производная температуры почвы по времени) является наибольшим в середине дня после восхода солнца и вечером после захода солнца (~ 5-15 К/ч), и находится не в фазе с дневным / ночным временем измерения.
Измерение dT / dt имеет меньше погрешностей и менее чувствительно к значению альбедо поверхности, чем подход день / ночь. Ограничивающим фактором является, вероятно, ошибка измерения, которая составляет, порядка 0,25 Кельвина для современных тепловизионных камер. Поэтому, если для решения поставленных задач желательное отношение сигнал/шум (SNR) должно быть больше 10, то период съёмки одного участка местности должен составлять 15-45 мин или более вплоть до продолжительности дневной/ночной фазы дня.
Вычислительная обработка информации, поступающая от тепловизора (2), выполняется в блоке обработки (не показан), который моет выполняться в виде микроконтроллера, процессора, внешнего устройства, например, персонального компьютера или сервера, расположенного на земле.
Передача информации от тепловизора (2) в блок обработки может происходить с помощью проводного или беспроводного способа, например, с помощью таких средств, расположенных на аэростате, как: Wi-Fi и/или Bluetooth приемопередатчик, GSM модем.
Также, применение троса (4) для связи с опорой (3) обусловлено необходимостью решения задачи защиты от грозы. Обеспечивая устойчивое соединение с точкой опоры (3), трос (4) является заземлением аэростата (1), с установленным на нем оборудовании, и защищает его от разрушения в случае прохождения грозового разряда. В светлое время суток данное заявленное устройство может заниматься расчетом других показателей, таких как индекс плотности растений или уровня вегетативности – NDVI с помощью дополнительно установленной на аэростате (1) мультиспектральной камеры, обеспечивающей съемку растительности сельскохозяйственных культур.
Данные, получаемые с мультиспектральной камеры, также как и данные тепловизора, могут передаваться в блок обработки информации с помощью беспроводного канала передачи информации, например Bluetooth, Wi-Fi, GSM и т.п.