Способ инструментального определения мощности и границы залегания органогенных горизонтов в почвенном профиле на основе ИК съемки
METHOD FOR INSTRUMENTAL DETERMINATION OF POWER AND BOUNDARIES OF OCCURRENCE OF ORGANOGENIC HORIZONS IN SOIL PROFILE BASED ON IR SHOOTING

Изобретение относится к почвоведению, а именно к способу инструментального определения мощности и автоматического построения схемы расположения границы органогенного горизонта в почвенном профиле. Органогенные горизонты - это горизонты, которые формируются на поверхности или в верхней части почвенного профиля и представлены органическим веществом разной степени разложения или гумусом.
Наиболее распространенным способом определения мощности органогенных горизонтов почв является натурное измерение с помощью масштабной линейки, рулетки или сантиметровой ленты при выполнении морфологического описания почвенного профиля, которое является основным методологическим приемом исследования почв [Розанов Б.Г. Морфология почв. М., 2004. 432 с.].
Недостатком существующего метода является то, что определение требуемых характеристик основано только на экспертном визуальном анализе. Визуальная оценка границ горизонтов зачастую весьма затруднительна, а получаемый результат является во многом субъективным. Подробное описание строения и выполнение схемы структурной организации органогенного горизонта делает этот метод трудоемким, затратным по времени исполнения и требовательным к уровню подготовки экспертов.
Известен способ выделения границы горизонта почвы с использованием спектрометров, фиксирующих ближнее инфракрасное и рентгеновское излучение [Zhang Y., Hartemink A. Soil horizon delineation using vis-NIR and pXRF data // Catena 180:298-308. DOI: 10.1016/j.catena.2019.05.001].
Недостатком данного способа является высокая трудоемкость, которая не позволяет производить обработку больших объемов данных за приемлемое время, необходимость использования дорогостоящего узкоспециализированного оборудования и соответствующего уровня специальной технической подготовки.
Известен способ анализа строения 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 органогенного горизонта почвенного разреза к съемке, возникающие технические проблемы цветопередачи в видимом диапазоне спектра, невозможность однозначной интерпретации цветовых градиентов, а также необходимость экспертной субъективной калибровочной привязки исходных данных съемки к физическим характеристикам почв.
Техническим результатом изобретения является получение количественных характеристик, позволяющих определить мощность органогенных горизонтов и автоматически зафиксировать в формате цифрового изображения строение органогенного горизонта почвенного профиля.
я
я
Технический результат достигается тем, что в способе инструментального определения мощности и границы залегания органогенных горизонтов в почвенном профиле на основе ИК съемки, позволяющем получать количественные оценки почвенных морфоструктур, новым является то, что предварительно проводят цифровую съемку почвенного профиля в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра аппаратурой, позволяющей выполнять пересчет цифровых значений пикселей изображения в двумерный массив данных радиояркостной температуры (T), после чего границу залегания органогенных горизонтов в почвенном профиле определяют как семейство точек по столбцам изображения, в которых функция линейной регрессии скачкообразно меняет тангенс угла наклона (коэффициент линейной регрессии), съемку осуществляют в диапазоне от 7,5 до 14 мкм, с радиометрическим разрешением не хуже 0,1°С, пространственным разрешением не ниже 1×1 см, съемка проводится перпендикулярно стенке разреза с расстояния равного 40-60 см, после процедуры съемки для исследуемого почвенного разреза формируют двумерный массив значений радиояркостных температур (Т) с пространственным разрешением, соответствующим разрешающей способности прибора съемки, этап анализа и построения схемы профиля проводят путем обработки двумерных числовых массивов данных любыми доступными табличными процессорами.
я
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что съемку почвенного профиля осуществляют радиометром с рабочим диапазоном длин волн от 7,5 до 14 мкм, с радиометрическим разрешением не хуже 0,1°С, пространственным разрешением не ниже 1×1 см, съемка проводится перпендикулярно стенке разреза с расстояния равного 40-60 см, для последующего масштабирования изображения при съемке профиля устанавливают метки верхней и нижней границы исследуемого участка вертикальной стенки почвенного профиля, после процедуры съемки требуется выполнить пересчет цифровых значений пикселей изображения в двумерный массив данных радиояркостной температуры (Т) и сформировать двумерный массив значений радиояркостных температур с шагом измерений, соответствующим разрешающей способности прибора съемки, этап анализа и построения схемы профиля проводят путем обработки двумерных числовых массивов данных любыми доступными табличными процессорами, рассчитывают среднее значение температуры по столбцам изображения, границу органогенного горизонта определяют по точкам, в который функция линейной регрессии скачкообразно меняет тангенс угла наклона (коэффициент линейной регрессии). 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».
я
В заявляемом способе выделение органогенного горизонта и определение его мощности в профиле производится на основе анализа распределения радиояркостной температуры (Т), фиксируемой методом инструментальной съемки в инфракрасном диапазоне по характерной точке на графике распределения температур, в которой график функции линейной регрессии скачкообразно меняет тангенс угла наклона (коэффициент линейной регрессии). Распределение радиояркостной температуры вдоль профиля определяется физическими свойствами почвы (влажностью, плотностью, сложением, структурой, теплопроводностью, удельной теплоемкостью). Дальнейший анализ получаемого двумерного массива измерений позволяет программными средствами визуализировать схематическое строение органогенного горизонта почвенного профиля.
Изобретение поясняется чертежами:
На фиг. 1. представлена схема проведения съемки почвенного профиля ИК-радиметром. А - радиометр, F - расстояние до стенки почвенного профиля, Н - глубина почвенного профиля (Н).
я
1
2
На фиг. 2. представлено распределение радиояркостной температуры (Т) с характерной точкой (3), в которой график функции линейной регрессии (Т(Н)) скачкообразно меняет тангенс угла наклона (a, а - коэффициенты линейной регрессии). 1 - данные для верхней части почвенного горизонта, 2 - ход температуры ниже границы органогенного горизонта.
Способ осуществляют следующим образом.
я
Съемка производится радиометром в ИК-диапазоне (рабочий диапазон длин волн от 7,5 до 14 мкм, с радиометрическим разрешением не хуже 0,1°С, пространственным разрешением не ниже 1×1 см). Аппаратура съемки должна позволять выполнить пересчет цифровых значений пикселей изображения в двумерный массив данных радиояркостной температуры (Т),
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. Съемка производится при положительных среднесуточных температурах. 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 местного времени, что обусловлено особенностями суточного хода температур и теплообмена в системе «приземный слой атмосферы - верхние горизонты почвы». Съемка проводится перпендикулярно стенке разреза с расстояния (F) равного 40-60 см, позволяющего захватить необходимый фрагмент почвенного профиля на определенную глубину (Н) (фиг. 1). Для масштабирования изображения при съемке профиля устанавливают метки верхней и нижней границы исследуемого участка вертикальной стенки почвенного профиля, измеряют расстояние между установленными границами в см.
я
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 автоматического пересчета цифровых значений пикселей изображения в двумерный массив данных радиояркостной температуры (Т). После процедуры съемки и калибровки изображения для исследуемого почвенного разреза формируется двумерный массив значений радиояркостных температур с шагом измерений (фиг. 2), соответствующим разрешающей способности прибора съемки. В среднем изображение имеет размер не хуже 100×100 пикселей, что соответствует массиву 10000 значений радиояркостной температуры. Размер пикселя изображения в среднем составляет 0,5-1 см и зависит от фокусного расстояния (F) (фиг. 1). Этап анализа и построения схемы органогенного горизонта профиля проводится путем обработки двумерных массивов данных авторскими или специализированными программными продуктами (электронные таблицы, средства построения многомерных поверхностей, геоинформационные системы - ГИС). Мощность органогенного горизонта определяется по характерной точке, в которой график функции линейной регрессии (Т(Н)) скачкообразно меняет тангенс угла наклона (фиг. 2).
Использование предлагаемого способа инструментального определения мощности и границы залегания органогенного горизонта почвенного профиля обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
- высокую оперативность получения данных;
- возможность инструментальной оценки мощности органогенного горизонта;
- возможность установления визуально неразличимой границы горизонтов;
- возможность автоматического построения схемы органогенного горизонта почвенного профиля на основе методов обработки и анализа двумерного массива данных радиояркостной температуры;
- исключается необходимость экспертного визуального анализа почвенного профиля на месте проведения измерений.