Способ контроля микрорельефа увлажнённого грунта
METHOD OF MICRORELIEF CONTROL OF MOISTENED GROUND

Изобретение относится к средствам дистанционного зондирования Земли, а именно к способам определения микрорельефа поверхности грунта с использованием дистанционных аэрокосмических методов и устройств. Основными областями использования изобретения является рисоводство и хлопководство. Кроме того, изобретение может быть использовано при подготовке полотна и площадок для строительства дорог и взлетно-посадочных полос аэродромов. Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и оперативности контроля микрорельефа поверхности грунта. Данная задача актуальна при планировке и мониторинге рисовых чеков и хлопковых полей, а также при производстве дорожно-строительных работ.
В качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретения может быть выбран способ исследования рельефа увлажненной поверхности, известный из патента на изобретение RU 2246696 (опубликован в 2005 г.). В RU 2246696 выполняют космическую и/или авиационную съемку поверхности в видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного излучения; особенности рельефа идентифицируют с использованием результатов данной съемки. Предложенная в RU 2246696 технология мониторинга рельефа позволяет выявить: крупные депрессии рельефа, такие как западины, реки, озера, болота, ровняди, протяжин и т.п.; площади и границы влаголюбивой растительности; площади и границы подтопления почвы. Однако известный из RU 2246696 способ, пригодный для исследования увлажненной поверхности с выделением «крупных» объектов, малопригоден (неточен) при исследованиях увлажненных поверхностей (площадей), характеризующихся большим количеством мелких элементов - понижений и повышений поверхности, уклонов и т.п. То есть известный из RU 2246696 способ непригоден для исследования микрорельефа. В свою очередь в предлагаемом изобретении будет предложен точный и эффективный способ дистанционного контроля микрорельефа увлажненного грунта, не требующий привлечения средств, непосредственно задействованных на исследуемой местности, таких как автонивелиры и т.п.
Например, при планировке рисовых чеков используют лазерный автонивелир, состоящий из лазерного передатчика, формирующего опорную горизонтальную плоскость, приемника и рейки с фотоиндикатором, автонивелир выполнен на самоходном шасси Т-16М или ВТЗ-ЗОСШ, см. Антонов Е.В. Разработка технологического процесса планировки рисовых чеков с применением многофункциональной планировочной машины, 2008, Автореферат канд. диссертации. Выполняют компьютерную обработку собранных при работе автонивелира данных, анализируя соотношение возвышений и углублений для прокладки маршрута движения планировщика, и объем перемещаемого грунта. Использование автонивелиров данного типа неэффективно из-за низкой (около 10 км в час) скорости движения самоходного шасси и невозможности работы на влажном поле.
1
2
1
2
3
2
Также, предложенный способ контроля микрорельефа увлажненного грунта в части решения технической проблемы может быть сопоставлен с технологиями контроля микрорельефа рисовых полей сочетающий авиационный мониторинг и традиционную нивелирную съемку, см. Язерян Г.Г. Мониторинг состояния водохозяйственных систем методом СВЧ-радиометрии (на примере орошаемых рисовых полей), Кандидатская диссертация, ИВП РАН, 2000. В данном случае в исследуемом рисоводческом хозяйстве произвольно (из соображений удобства проведения контрольных измерений) выбирают эталонный чек, внешне не отличающийся от прочих чеков. Определяют максимальную (точка 1) и минимальную (точка 2) высотную отметки с помощью нивелирной съемки. После естественного (дождь, таяние снега) или искусственного увлажнения в окрестностях этих отметок ежедневно измеряют влажность почвы в поверхностном (2-5 см) слое W и W. Вычисляют разность |W-W|, если разность достигает величины 0,1-0,3 г/см, с помощью многолучевого СВЧ-радиометра сантиметрового диапазона проводят детальную (не хуже 20×20 м) съемку рисового массива.
i
п
i
Далее, определяют среднее значение коэффициента излучения  для каждого чека , где i - номер точки (квадрата), N - количество точек в данном чеке. Определяют разности . В эталонном чеке путем измерений интенсивности излучения  и уровня отклонения поверхности участков чека Δh от среднего горизонта чека в нескольких точках с помощью нивелира, включая точки 1 и 2, определяют зависимость между  и величиной Δh. То есть определяют функцию , где , К – коэффициент, зависящей от плотности грунта (почвы) в чеке. Исходя из этой зависимости, по границам участков с различным коэффициентом излучения проводят горизонтали, для каждого чека строится карта расположения Δh по площади чека - карта микрорельефа. Коэффициент неровности поверхности каждого чека определяют выражением , .
Совместное использование нивелирной и авиационной съемки характеризуется недостаточно высокой точностью определения микрорельефа в рисовых чеках, зависящей к тому же от времени суток и даты проведения сверхвысокочастотных (СВЧ) радиометрических съемок. Температура поверхности почвы существенно зависит от времени суток, коэффициент СВЧ-излучения среды () есть отношение радиояркостной температуры к ее термодинамической (физической) температуре. Поскольку СВЧ радиометрический приемник по сути измеряет антенную температуру радиометра, которая однозначно определяется яркостной температурой среды, а не непосредственно коэффициент излучения , то  вычисляется с погрешностью, вызванной изменениями температуры почвы за время проведения съемок. Информативным параметром для определения уровня высотных отметок участков чека служит установившееся значение влажности почвы на этом участке в результате частичного высыхания (после равномерного увлажнения) площади массива или чека на момент съемки. Значение остаточной влаги зависит не только от высотной отметки этого участка относительно среднего уровня чека, но и от свойств грунта (плотности, фильтрационных свойств), наклонов поверхности и длительности периода высыхания. Зависимость  устойчива лишь при средней влажности чека, близкой к нормальной влагоемкости, «поймать» такие благоприятные условия для СВЧ радиометрической съемки сложно, тем более, что для разных чеков они могут наступать в разное время.
ср, участок Z
В свою очередь предложен способ контроля рельефа увлажненной поверхности, предусматривающий съемку поверхности в первом и втором диапазонах электромагнитного излучения, одним из которых является инфракрасный диапазон, включая космическую и/или авиационную съемку, идентификацию диагностируемых особенностей рельефа с использование данных съемки первого и второго диапазонов электромагнитного излучения. В отличие от аналога в предложенном способе исследуют именно микрорельеф, то есть мелкие элементы рельефа, занимающие небольшие площади от нескольких квадратных дециметров до сотен квадратных метров и с колебаниями относительных высот в пределах одного метра, в дальнейшем при описании способа основываемся именно на данном определении микрорельефа. Выполняют панорамную космическую радиометрическую съемку увлажненной поверхности в первом – инфракрасном диапазоне и группируют ее участки по средней температуре грунта Т, К, и выполняют, по меньшей мере, две серии синхронных съемок увлажненной поверхности в первом диапазоне и втором – СВЧ диапазоне последовательно для каждой группы участков. Траекторию движения летательного или космического аппарата для серий синхронных съемок прокладывают согласно расположению групп участков, характеризующихся средней температурой грунта. Увлажненная поверхность может представлять собой рисовое поле, хлопковое поле, поле аэродрома, строительную площадку, например, для дорожного строительства.
cp,t1
cp,t2,
cp,tN
ср,t1
cp,t2
cp,tN
п
п
i
2
Во время серий синхронных съемок определяют: яркостную температуру грунта в отдельных пунктах участка  и в случае более двух серий синхронных съемок , K; среднее значение яркостной температуры грунта  и в случае более двух серий синхронных съемок , К; разницу интенсивности СВЧ-излучения в отдельных пунктах участка относительно среднего значения температуры  и в случае более двух серий синхронных съемок , К; среднее значение температуры грунта участка, измеренной в инфракрасном диапазоне T, T и в случае более двух серий синхронных съемок T, К. Значения температур  и Т, T, T усредняют в пределах участка поверхности либо усредняют результаты 5-10 измерений. Основываясь на результатах выполненных измерений, определяют контраст излучений в первом и втором диапазонах . Определяют относительный уровень горизонта в отдельных пунктах участка , м, где k - эмпирический коэффициент, зависящий от плотности грунта, исследовано использование k=(0,8-1,2). Отклонение уровня горизонта частей участка от среднего по всему участку - Δh изначально использовалось при «традиционной» нивелирной съемке строительных площадок. Строят изолинии величины Δh, характеризующие микрорельеф поверхности грунта и его увлажненность. В дальнейшем значение Δh используют для определения объема перемещаемого с этого места грунта (срезания) или подсыпки при проведении планировочных работ по выравниванию площадки, например, в рисовых чеках. Например, рисовый чек считается пригодным, если для более 95% элементов (размеров 20×20 м) участка Δh менее 5 см. А размер чека может составлять от 10000 до 100000 м (от 1 до 10 га), см., например, Алешин Е.П., Конокова В.П. Краткий справочник рисовода. М.: Агроизомаздат, 1986, или Величко Е.Б., Шумаков Б.Б. Агромелиоративные основы возделывания риса. Краснодар: кн. изд-во, 1987.
Осуществление изобретения может быть проиллюстрировано на примере исследования микрорельефа рисовых полей с использованием двух серий синхронных съемок, описание которого приведено ниже. Указанные численные значения, характеризующие режимы контроля микрорельефа, представляют собой эмпирические данные, соответствующие наиболее оптимальным режимам (нижнее значение позволяет обеспечить необходимую точность, верхнее значение позволяет избежать излишних операций). Данный конкретный пример осуществления способа не является единственным и не исключает иные возможные варианты контроля микрорельефа на противоречащие заявленной сущности изобретения.
Проводят спутниковые съемки поверхности земли в инфракрасном (ИК) диапазоне со средним разрешением 100-200 м, с периодичностью от 12 до 24 часов. На данном этапе не требуется определения точного абсолютного значения температуры поверхности почвы, достаточно будет получать качественные относительные оценки (контрасты) для выделения отдельных массивов (участков, отделений в хозяйствах) путем усреднения результатов нескольких снимков, проведенных в течение 2-3 дней в разное время суток. В результате выделяются 3-4 группы (типа) полей, отличающихся между собой значением средней температуры поверхности почвы на 2-3 градуса. Это принимается за основу для установления очередности проведения СВЧ - ИК аэросъемок. После естественного или искусственного увлажнения (после дождя или оттаивания снега) и частичного высыхания грунта (в рисовом чеке, полотна автодороги или взлетно-посадочной полосы) проводят совмещенную ИК - СВЧ радиометрическую съемку с требуемой детальностью.
1
2
cp,t2
В результате получают массив данных по температуре поверхности в ИК-диапазоне и по яркостной температуре на СВЧ-волне радиометра для участков поля (дороги, площадки) -  и . Далее эти данные усредняются в пределах одного рисового чека  и для каждого элемента (участка) поля определяется величина , которая характеризует разницу (контраст) интенсивности СВЧ-излучения i-го участка поля от среднего по полю на момент первой съемки t. Аналогичную ИК - СВЧ радиометрическую съемку производят через 2-4 дня - t при условии полного отсутствия осадков за этот промежуток времени и, соответственно, для каждого участка вычисляют  и T. Определяют соотношение . Эта величина, по сути, характеризует значение разности интенсивности излучения i-й «точки» от среднего по чеку или площади массива за весь период высыхания до момента второй съемки, то есть по итогам двукратной съемки с учетом изменения физической температуры поверхности. В результате производится «калибровка» измеряемого значения яркостной температуры относительно физической температуры среды в моменты съемки, которую получают в результате синхронной ИК съемки.
i
п
Отклонение уровня горизонта i-го участка относительно среднего горизонта чека Δh в метрах определяется по формуле: , где k=(0.8-1,2) - эмпирический коэффициент, зависящий от плотности грунта, полученный в результате экспериментальной обработки данных. Далее, по границам участков с различным уровнем горизонта проводят горизонтали и строят карту микрорельефа. При наличии наклона площадки, например, наклон хлопкового поля используется для орошения или дорожного полотна, за основу для сравнения берется не среднее по всему полю, а среднее из предыдущих нескольких (5-10) значений .
В результате, детальная ИК - СВЧ радиометрическая съемка делает возможным повысить точность определения микрорельефа поверхности грунта на полях сельскохозяйственных культур, в первую очередь рисовых чеков и хлопковых полей, полотнах автомобильных дорог, взлетно-посадочных полосах аэродромов и т.п.