Дистанционное определение влажности почвы методами микроволновой радиометрии из космоса и с борта беспилотного летательного аппарата

Потребности современного сельского хозяйства в интенсификации производства и развитии современных технологий цифрового земледелия требует наличия информации о состоянии почвогрунтов при выращивании сельскохозяйственных культур. Поэтому актуальна задача дистанционного определения влажности и поверхностной температуры почвогрунтов. Один из путей решения поставленной задачи — применение методов дистанционного зондирования, в частности —  СВЧ-радиометрического зондирования. На данный момент известны различные системы космического мониторинга земной поверхности. Однако размер разрешаемого элемента известных космических систем составляет величину более пятьдесят на пятьдесят километров, что не достаточно для решения большинства задач системы точного земледелия. Системы авиационного мониторинга слишком дороги в эксплуатации. Альтернативой является использование средств беспилотной авиации (БПЛА) [1–3]. Поскольку эксплуатация беспилотного летательного аппарата малого класса, с полезной нагрузкой до пяти килограмм, существенно дешевле, чем при использовании тяжелых беспилотных летательных аппаратов, то и задача уменьшения массогабаритных параметров бортового радиометра является актуальной.

Цель доклада — дать сравнительную характеристику получаемых карт влагосодержания почвы при дистанционном зондировании земной поверхности с борта космического аппарата и с борта беспилотного летательного аппарата, а также оценить перспективы интегрирования результатов дистанционно полученных данных о влажности почвы в систему точного земледелия для гарантированного устойчивого роста урожайности сельскохозяйственных культур и продемонстрировать возможность уменьшения массогабаритных характеристик бортового СВЧ-радиометра за счет упрощения антенной системы и совершенствования элементов СВЧ-тракта. Благодаря отказу от прямого измерения радиояркостной температуры по надирному каналу, то есть при визировании строго по вертикали, с заменой его расчетом по данным измерений на вертикальной и горизонтальной поляризациях при визировании под углом к вертикали.

Предложенный метод зондирования подстилающей поверхности с борта беспилотного летательного аппарата может также применяться для решения таких задач как мониторинг гидрологической обстановки вдоль шоссейных и железных дорог [4], вдоль трасс трубопроводов [5], поиска мест подземных протечек в земляных дамбах [6], оценки пожароопасности лесных массивов [7], обнаружения нефтяных пленок на поверхности воды [8]. В докладе приводятся результаты летных экспериментов по дистанционному зондированию сельскохозяйственных угодий и земляных дамб новым двухполяризационным радиометром в L-диапазоне, проведенных в различных климатических зонах Российской Федерации, а именно в Смоленской, Московской, Воронежской областях и в Краснодарском крае. В ходе летных экспериментов дистанционно получены цифровые карты местности важнейших параметров почвы – влагосодержания в продуктивном слое, температуры поверхности, радиояркостных температур по вертикальной и горизонтальной поляризациям, индекса поляризации. В результате перемещения носителя вдоль заранее намеченных параллельных линий над исследуемым полем накапливается информация о радиояркостных температурах одновременно на двух поляризациях. По измеренным значениям радиояркостных температур на вертикальной и горизонтальной поляризациях вычисляется индекс поляризации как разность температур по вертикальной и горизонтальной поляризациям, деленная на их сумму. Значение индекса поляризации слабо зависит от температуры слоя почвы и в основном определяется значением диэлектрической проницаемость почвы, которая зависит от влагосодержания. Зависимость индекса поляризации от влажности почвы различна при различных условиях и зависит от состава почвы, наличия растительного покрова и др. Для точного определения радиационно-влажностной зависимости требуется специальная калибровка радиометрической системы, применительно к конкретным условиям. Все цифровые карты получены с размером разрешаемого элемента не хуже десяти метров.

В результате проведенного исследования  можно сделать следующие выводы:

• разрешающая способность трассовых радиометров зависит от высоты полета и может составлять от метров до сотен метров, в зависимости от требуемой детальности карты влагосодержания и производительности съемки;
• съемка с борта беспилотного летательного аппарата может выполняться в любое время дня и ночи при благоприятной погоде, в отличии от космической съемки, которая возможна только когда космический аппарат пролетает над заданным районом и в условиях отсутствия осадков;
• полученные данные измерения влажности почвы СВЧ-радиометром с борта беспилотного летательного аппарата вместе с данными наземных метеостанций и полевых проб могут использоваться для калибровки и уточнения данных, получаемых космическими системами в глобальных масштабах.