Прикладные вопросы дистанционного зондирования, страница 10

2) Интенсивность излучения гладкой обнаженной почвы теоретически рассчитывается достаточно просто. Все алгоритмы расчёта основаны на интегрировании интенсивности излучения, достигающего поверхности с различных глубин в пределах скин-слоя, т.е. слоя, в котором практически полностью формируется наблюдаемое радиоизлучение. Для однородных сред, ограниченных плоской поверхностью, его толщина z_d определяется как величина, обратная коэффициенту поглощения α. Для реальных почв с неоднородными распределениями температуры и влажности её величина оценивается в несколько десятых длины волны, что подтверждается и экспериментально. Результаты модельных экспериментов на длинах волн 2.25, 18 и 30 см, представленных на рис.21, иллюстрируют вклад в радиоизлучение различных слоев почвы. Моделируемая система представляет собой однородную почву с переходным приповерхностным слоем, толщиной z_d,влажность wкоторой линейно возрастает от малых значений на поверхности (сухая почва) до заданных wd. Результаты показывают, что интенсивность излучения на длине волны 2,25 см определяется слоем, меньшим 1 см, а на длине волны 21 см - слоем толщиной около 5 см. Этот слой, определяющий глубину зондирования влажности, будет несколько больше лишь для песчаных почв в условиях безводных пустынь.

Широкая экспериментальная программа AgRISTARS, проводившаяся в США в 1980-84 гг., уточнила корреляционные связи излучения с влажностью почв. Анализ экспериментальных данных по радиоизлучению обнаженных почв на длине волны 21 см, полученных в условиях наземного контролируемого полигона при угле визирования (θ=10°), свидетельствуют о практически линейной зависимости яркостной температуры от влажности (рис. 22).

Для волны λ = 21 см получены следующие зависимости для составляющих нормализованной радиояркостной температуры (приведенной к температуре поверхности 300 К) с горизонтальной Т_ЯГи вертикальной Т_ЯВполяризацией от объёмной влажности w_uслоя почвы толщиной 0,5-2,5 см.

Т_ЯГ =293 - 3,17 w_v,r²=0,76                       

Аналогичные зависимости для длин волны длиной 6 см  имеют следующий вид:

Т_ЯГ= 312-4,22w,r²=0,78

Т_ЯВ =312-4,06w,r²=0,                    (6)

Мнимая более высокая чувствительность радиометра на длине волны 6 см объясняется меньшим, более сухим, эффективным излучающим слоем для этой длины волны.

Рис 22. Зависимость нормализованной радиояркостной температуры Тяни коэффициента излучения χ на волне 21 см при горизонтальной поляризации (θ= 10°) от объёмной влажности w_vслоя 0 - 2,5 см обнаженной гладкой почвы: 1 - линия регрессии; 2, 3 - расчёт по формулам Френеля для глинистой (2) и песчаной (3) почвы.

Более точную информацию о влажности почвы можно получить, проводя измерения на двух и более длинах волн. В лабораторном и самолётном экспериментах на длинах волн 18 и 30 см показано, что двухволновой метод позволяет в 2-3 раза уменьшить погрешность оценки влажности по сравнению с одноволновым и даёт возможность оценить влажность под скин-слоем.

3) Влияние шероховатости поверхности необходимо учитывать при интерпретации данных в любых натурных экспериментах, поскольку обнаженная поверхность почвы не является идеально гладкой. Статистические свойства шероховатости поверхности характеризуются двумя параметрами: среднеквадратичным отклонением (СКО) высот поверхности и горизонтальным радиусом корреляции l. Теоретическая оценка радиоизлучения шероховатости поверхности требует знания этих параметров, однако, соответствующей статистикой характеристик поверхности исследователь, как правило, не располагает.

Решение задачи рассеяния электромагнитных волн на шероховатой поверхности методом Кирхгофа позволяет получить простые аналитические формулы для коэффициента отражения шероховатой поверхности:

R(θ) = R₀(θ) exp ^–G,