МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МХОВ И ЛИШАЙНИКОВ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
|
Введение 3
1 Растительность как объект дистанционного зондирования Земли 5
1.1 Возможности дистанционного зондирования Земли 5
1.2 Дистанционное зондирование изменений окружающей среды в
холодных регионах: методы, достижения и проблемы 8
1.3 Дистанционное зондирование растительных покровов 13
1.4 Выводы по литературному обзору 21
2 Исследование диэлектрических свойств мхов и лишайников в линии
передачи 23
2.1 Приготовление образцов 23
2.2 Метод измерения диэлектрической проницаемости образцов в
зависимости от влажности и частоты 25
2.3 Применение теории композиционных смесей 30
2.4 Построение модели зависимости диэлектрической
проницаемости от влажности 30
Заключение 49
Список использованных источников и литературы 51
Приложение А (обязательное). Отчет о патентных исследованиях 58
1 Растительность как объект дистанционного зондирования Земли 5
1.1 Возможности дистанционного зондирования Земли 5
1.2 Дистанционное зондирование изменений окружающей среды в
холодных регионах: методы, достижения и проблемы 8
1.3 Дистанционное зондирование растительных покровов 13
1.4 Выводы по литературному обзору 21
2 Исследование диэлектрических свойств мхов и лишайников в линии
передачи 23
2.1 Приготовление образцов 23
2.2 Метод измерения диэлектрической проницаемости образцов в
зависимости от влажности и частоты 25
2.3 Применение теории композиционных смесей 30
2.4 Построение модели зависимости диэлектрической
проницаемости от влажности 30
Заключение 49
Список использованных источников и литературы 51
Приложение А (обязательное). Отчет о патентных исследованиях 58
Западная Сибирь является крупнейшим регионом мерзлых торфяников, представляющий особый интерес для понимания климатических изменений цикла углерода в высоких широтах. Недавние исследования показывают, что многолетняя мерзлота в Западной Сибири уязвима к таянию и активно деградирует в течение последних десятилетий, а таяние многолетнемерзлых грунтов ведет к существенной трансформации углеродного цикла. Как известно, изменение теплофизических и водно-физических свойств активного слоя бугристых торфяников являются основными драйверами таяния мерзлоты. Но если физические свойства торфов изучены достаточно полно, то исследованию мохово-лишайникового покрова не уделялось до сих пор должного внимания, поэтому в основу проекта легла оценка изменений его физических свойств, вследствие природных и антропогенных воздействий [1].
Контактные измерения, проводимые учёными разных специальностей в экспедициях в высоких широтах, дают точную и достоверную информацию о состоянии экосистем. Однако это весьма трудоемкий процесс, зависит от сезона и может охватить далеко не все интересующие специалистов места в виду их труднодоступности или недосягаемости. Решить проблему мониторинга больших территорий может применение средств дистанционного зондирования.
Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) - это использование оптических приборов, радаров и других измерительных устройств для наблюдения за поверхностью Земли со значительного расстояния от изучаемого объекта, то есть с орбитального спутника, самолета, аэростата и беспилотных летательных аппаратов [1].
ДЗЗ оказывает большое влияние на наши знания о различных экосистемах, включая лишайниковые покровы. Коэффициент отражения является критическим параметром в понимании взаимодействия этих покровов с электромагнитным излучением на различных частотах и при разной влажности.
Объектом данного исследования выбраны бугристые торфяники южной границы криолитозоны Западной Сибири, включая разновременные гари и участки, нарушенные перевыпасом на этих территориях, так как, вероятно, именно они являются горячими точками таяния многолетнемерзлых пород [2].
Актуальность работы заключается в том, что полученные результаты в востребованы при разработке алгоритмов восстановления влажности и диэлектрической проницаемости болотной и тундровой растительности в технологии дистанционного зондирования и мониторинга состояния земной поверхности, а также в исследовании процессов взаимодействия электромагнитного излучения с многофазными дисперсными средами [3].
Целью данной работы является исследование зависимости комплексной диэлектрической проницаемости мохово-лишайниковых покровов от влажности и построение ее математической модели.
Объектом исследования является процесс распространения электромагнитных волн СВЧ диапазона в образцах мохово-лишайникового покрова в зависимости от влажности и частоты.
Предметом исследования являются образцы мохово-лишайникового покрова (Дикранум многоножковый, Сфагнум болотный, Кладония звёзчатая) с весовой влажностью от 5 до 400 %; математические и физические модели распространения электромагнитных волн в гетерогенных средах; физические величины комплексной диэлектрической проницаемости (е* = е'- iе'').
Задачи:
а) провести аналитический обзор литературных источников,
посвященных диэлектрическим свойствам растительности;
б) подготовить экспериментальные образцы;
в) освоить методику измерения электромагнитных характеристик дисперсной среды коаксиально-волноводным методом в СВЧ диапазоне;
г) измерить частотные зависимости коэффициента отражения и передачи коаксиальной ячейки, заполненной исследуемым диэлектриком;
д) рассчитать диэлектрическую проницаемость и построить частотные и влажностные зависимости образцов мха и лишайника;
е) провести анализ полученных результатов измерений;
ж) обобщить результаты НИР и составить текст диссертационного исследования.
Для получения частотных зависимостей электромагнитных откликов от образцов почв был использован метод измерения в линии передачи с использованием коаксиальных измерительных ячеек по методике, разработанной в лаборатории радиофизики дистанционного зондирования Института физики СО РАН им. Л.В. Киренского [4]. Измерения производились по схеме «на проход» в диапазоне частот от 100 МГц до 18 ГГц. Для расчета электромагнитных параметров образцов использовалась теория Л.М. Бреховских [5] о распространении волн с слоистых средах и решение обратной задачи методом минимизации целевой функции, описанное в работе [6, 7, 8].
Положения, выносимые на защиту (ПВЗ):
1. На влажностной зависимости показателя преломления и поглощения лишайников и мхов существует одна точка перелома, соответствующая переходу влаги в растениях виз связанного состояния в свободное.
2. Применение формул теории композиционных смесей для моделирования влажностных зависимостей разных видов растений позволяет уменьшить погрешность определения влажности не менее, чем на 6 %. Для моделирования мхов и лишайников с малоразветвлённой структурой наилучшее совпадение с экспериментом имеет модель Бруггемана.
Достоверность защищаемых
следующими факторами:
1) тщательным анализом реальных инструментальных и методических погрешностей использованного измерительного оборудования (инструментальная погрешность векторного анализатора составляет 0,1 % при измерении коэффициента передачи; погрешность измерения массы на весах 0,0001г);
2) выполнением серии тестовых измерений диэлектрической проницаемости кварцевого песка с известными свойствами и совпадением полученных результатов с литературными данными [9, 10] в пределах 3-5 %;
3) совпадением результатов, полученных разными методами: вариации длины коаксиальной ячейки (17, 37, 57) мм, а также методом с использованием объемного многомодового резонатора на основе прямоугольного волновода в пределах 5-6 %;
4) повторяемостью экспериментальных данных, полученных коаксиальным методом. При семикратном повторении эксперимента в одних и тех же условиях: при влажности образца 17 ± 0,1 %, его плотности в измерительной ячейке 1,2± 0,05 г/см3, температуре 23±1 °С отличие полученных данных составило не более 7 %.
Обоснование новизны ПВЗ. Получены новые экспериментальные данные о спектрах комплексной диэлектрической проницаемости мхов и лишайников в широком интервале влажности образцов (5-400 %). Экспериментально получены количественные оценки влияния содержания влажности на коэффициент отражения различных видов мохово¬лишайникового покрова.
Обоснование практической значимости ПВЗ. Полученные в данной работе результаты способствуют расширению области применения радиофизического метода для исследования фундаментальных свойств материалов. Предложена методика определения содержания солей тяжелых металлов в почве на основе увеличения приращения диэлектрической проницаемости при изменении влажности в СВЧ диапазоне. Результаты работы могут быть применены для дистанционного оперативного мониторинга территорий.
Контактные измерения, проводимые учёными разных специальностей в экспедициях в высоких широтах, дают точную и достоверную информацию о состоянии экосистем. Однако это весьма трудоемкий процесс, зависит от сезона и может охватить далеко не все интересующие специалистов места в виду их труднодоступности или недосягаемости. Решить проблему мониторинга больших территорий может применение средств дистанционного зондирования.
Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) - это использование оптических приборов, радаров и других измерительных устройств для наблюдения за поверхностью Земли со значительного расстояния от изучаемого объекта, то есть с орбитального спутника, самолета, аэростата и беспилотных летательных аппаратов [1].
ДЗЗ оказывает большое влияние на наши знания о различных экосистемах, включая лишайниковые покровы. Коэффициент отражения является критическим параметром в понимании взаимодействия этих покровов с электромагнитным излучением на различных частотах и при разной влажности.
Объектом данного исследования выбраны бугристые торфяники южной границы криолитозоны Западной Сибири, включая разновременные гари и участки, нарушенные перевыпасом на этих территориях, так как, вероятно, именно они являются горячими точками таяния многолетнемерзлых пород [2].
Актуальность работы заключается в том, что полученные результаты в востребованы при разработке алгоритмов восстановления влажности и диэлектрической проницаемости болотной и тундровой растительности в технологии дистанционного зондирования и мониторинга состояния земной поверхности, а также в исследовании процессов взаимодействия электромагнитного излучения с многофазными дисперсными средами [3].
Целью данной работы является исследование зависимости комплексной диэлектрической проницаемости мохово-лишайниковых покровов от влажности и построение ее математической модели.
Объектом исследования является процесс распространения электромагнитных волн СВЧ диапазона в образцах мохово-лишайникового покрова в зависимости от влажности и частоты.
Предметом исследования являются образцы мохово-лишайникового покрова (Дикранум многоножковый, Сфагнум болотный, Кладония звёзчатая) с весовой влажностью от 5 до 400 %; математические и физические модели распространения электромагнитных волн в гетерогенных средах; физические величины комплексной диэлектрической проницаемости (е* = е'- iе'').
Задачи:
а) провести аналитический обзор литературных источников,
посвященных диэлектрическим свойствам растительности;
б) подготовить экспериментальные образцы;
в) освоить методику измерения электромагнитных характеристик дисперсной среды коаксиально-волноводным методом в СВЧ диапазоне;
г) измерить частотные зависимости коэффициента отражения и передачи коаксиальной ячейки, заполненной исследуемым диэлектриком;
д) рассчитать диэлектрическую проницаемость и построить частотные и влажностные зависимости образцов мха и лишайника;
е) провести анализ полученных результатов измерений;
ж) обобщить результаты НИР и составить текст диссертационного исследования.
Для получения частотных зависимостей электромагнитных откликов от образцов почв был использован метод измерения в линии передачи с использованием коаксиальных измерительных ячеек по методике, разработанной в лаборатории радиофизики дистанционного зондирования Института физики СО РАН им. Л.В. Киренского [4]. Измерения производились по схеме «на проход» в диапазоне частот от 100 МГц до 18 ГГц. Для расчета электромагнитных параметров образцов использовалась теория Л.М. Бреховских [5] о распространении волн с слоистых средах и решение обратной задачи методом минимизации целевой функции, описанное в работе [6, 7, 8].
Положения, выносимые на защиту (ПВЗ):
1. На влажностной зависимости показателя преломления и поглощения лишайников и мхов существует одна точка перелома, соответствующая переходу влаги в растениях виз связанного состояния в свободное.
2. Применение формул теории композиционных смесей для моделирования влажностных зависимостей разных видов растений позволяет уменьшить погрешность определения влажности не менее, чем на 6 %. Для моделирования мхов и лишайников с малоразветвлённой структурой наилучшее совпадение с экспериментом имеет модель Бруггемана.
Достоверность защищаемых
следующими факторами:
1) тщательным анализом реальных инструментальных и методических погрешностей использованного измерительного оборудования (инструментальная погрешность векторного анализатора составляет 0,1 % при измерении коэффициента передачи; погрешность измерения массы на весах 0,0001г);
2) выполнением серии тестовых измерений диэлектрической проницаемости кварцевого песка с известными свойствами и совпадением полученных результатов с литературными данными [9, 10] в пределах 3-5 %;
3) совпадением результатов, полученных разными методами: вариации длины коаксиальной ячейки (17, 37, 57) мм, а также методом с использованием объемного многомодового резонатора на основе прямоугольного волновода в пределах 5-6 %;
4) повторяемостью экспериментальных данных, полученных коаксиальным методом. При семикратном повторении эксперимента в одних и тех же условиях: при влажности образца 17 ± 0,1 %, его плотности в измерительной ячейке 1,2± 0,05 г/см3, температуре 23±1 °С отличие полученных данных составило не более 7 %.
Обоснование новизны ПВЗ. Получены новые экспериментальные данные о спектрах комплексной диэлектрической проницаемости мхов и лишайников в широком интервале влажности образцов (5-400 %). Экспериментально получены количественные оценки влияния содержания влажности на коэффициент отражения различных видов мохово¬лишайникового покрова.
Обоснование практической значимости ПВЗ. Полученные в данной работе результаты способствуют расширению области применения радиофизического метода для исследования фундаментальных свойств материалов. Предложена методика определения содержания солей тяжелых металлов в почве на основе увеличения приращения диэлектрической проницаемости при изменении влажности в СВЧ диапазоне. Результаты работы могут быть применены для дистанционного оперативного мониторинга территорий.
В ходе работы было сделано следующее:
- заготовлены материалы для измерений;
- проведён обзор литературы по теме;
- проведены измерения спектров образцов растительности и грунта в зависимости от влажности в свободном пространстве на частоте от 85 МГц до 12 ГГц;
- проведены измерения спектров образцов растительности в зависимости от влажности в линии передачи на частоте от 0,1 до 18 ГГц;
- разработана модель зависимости диэлектрической проницаемости мхов и лишайников от влажности.
По результатам работы опубликованы следующие статьи:
1. Fire-induced changes in the dielectric constant of lichens in plateau palsas of the Nadym-Pur interfluve / T.D. Kochetkova, U.Yu. Shavrina, V.S. Murashkin, V.A. Nikitkin [et al] // Acta Biologica Sibirica. 2023. Vol. 9. P. 479-490. DOI: 10.5281/zenodo.8232611.
2. Мониторинг физических свойств мохово-лишайникового покрова средствами дистанционного зондирования / Т.Д. Кочеткова, А.С. Мироньчев, А.С. Запасной, Л.Г. Колесниченко [и др.] // Актуальные проблемы радиофизики: 10-я Международная научно-практическая конференция, 26-29 сентября 2023 г., г. Томск: сборник трудов конференции. Томск: Изд. дом Том. гос. ун-та, 2023. С. 372-374.
3. Оценка влияния пожаров на теплофизические свойства лишайникового покрова плоскобугристых торфяников криолитозоны Западной Сибири / У.Ю. Шаврина, Т.Д. Кочеткова, В.С. Мурашкин, М.А. Волкова [и др.] // Региональные проблемы дистанционного зондирования Земли : материалы X Международной научной конференции, Красноярск, 12-15 сентября 2023 г. Красноярск: Издательско-полиграфический комплекс СФУ, 2023. С. 145-147.
Работа представлена устным докладом на 10-ой Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики», 26-29 сентября 2023 г., г. Томск.
Измерения электромагнитных характеристик проводились на оборудовании Центра коллективного пользования «Центр радиофизических измерений, диагностики и исследования параметров природных и искусственных материалов» (директор В.И. Сусляев).
- заготовлены материалы для измерений;
- проведён обзор литературы по теме;
- проведены измерения спектров образцов растительности и грунта в зависимости от влажности в свободном пространстве на частоте от 85 МГц до 12 ГГц;
- проведены измерения спектров образцов растительности в зависимости от влажности в линии передачи на частоте от 0,1 до 18 ГГц;
- разработана модель зависимости диэлектрической проницаемости мхов и лишайников от влажности.
По результатам работы опубликованы следующие статьи:
1. Fire-induced changes in the dielectric constant of lichens in plateau palsas of the Nadym-Pur interfluve / T.D. Kochetkova, U.Yu. Shavrina, V.S. Murashkin, V.A. Nikitkin [et al] // Acta Biologica Sibirica. 2023. Vol. 9. P. 479-490. DOI: 10.5281/zenodo.8232611.
2. Мониторинг физических свойств мохово-лишайникового покрова средствами дистанционного зондирования / Т.Д. Кочеткова, А.С. Мироньчев, А.С. Запасной, Л.Г. Колесниченко [и др.] // Актуальные проблемы радиофизики: 10-я Международная научно-практическая конференция, 26-29 сентября 2023 г., г. Томск: сборник трудов конференции. Томск: Изд. дом Том. гос. ун-та, 2023. С. 372-374.
3. Оценка влияния пожаров на теплофизические свойства лишайникового покрова плоскобугристых торфяников криолитозоны Западной Сибири / У.Ю. Шаврина, Т.Д. Кочеткова, В.С. Мурашкин, М.А. Волкова [и др.] // Региональные проблемы дистанционного зондирования Земли : материалы X Международной научной конференции, Красноярск, 12-15 сентября 2023 г. Красноярск: Издательско-полиграфический комплекс СФУ, 2023. С. 145-147.
Работа представлена устным докладом на 10-ой Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики», 26-29 сентября 2023 г., г. Томск.
Измерения электромагнитных характеристик проводились на оборудовании Центра коллективного пользования «Центр радиофизических измерений, диагностики и исследования параметров природных и искусственных материалов» (директор В.И. Сусляев).