Національний науковий центр
“Інститут ґрунтознавства та агрохімії імені О.Н. Соколовського”

Гічка Максим Миколайович

УДК 631.4:631.425:631.437.226:631.471:621.396.96

НАУКОВЕ ОБґРУНТУВАННЯ ВИКОРИСТАННЯ

МЕТОДІВ ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ

В МОНІТОРИНГУ ҐРУНТІВ

06.01.03 – агроґрунтознавство і агрофізика

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата сільськогосподарських наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному науковому центрі “Інститут ґрунтознавства та агрохімії імені О.Н.Соколовського” Української академії аграрних наук

Науковий керівник доктор біологічних наук, професор, академік УААН

Медведєв Віталій Володимирович, Національний науковий центр “Інститут ґрунтознавства та агрохімії імені О.Н.Соколовського”, головний науковий співробітник лабораторії геоекофізики ґрунтів

Офіційні опоненти:

доктор сільськогосподарських наук, професор, член-кореспондент УААН

Балюк Святослав Антонович, Національний науковий центр “Інститут ґрунтознавства та агрохімії імені О.Н.Соколовського”, заступник директора з наукової роботи

кандидат сільськогосподарських наук, старший науковий співробітник

Греков Валерій Олександрович, Державний технологічний центр охорони родючості ґрунтів, директор

Провідна установа Національний аграрний університет, кафедра ґрунтознавства і охорони ґрунтів, Кабінет Міністрів України, м. Київ

Захист відбудеться 11.05.2007 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.354.01 у Національному науковому центрі “Інститут ґрунтознавства та агрохімії імені О.Н.Соколовського” за адресою: 61024, м. Харків, вул. Чайковського, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру “Інститут ґрунтознавства та агрохімії імені О.Н.Соколовського” за адресою: 61024, м. Харків, вул. Чайковського, 4.

Автореферат розісланий 11.04.2007 р.

Учений секретар
спеціалізованої вченої ради Павленко О.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

У нинішній час все більшу стурбованість науковців, практиків та громади викликають проблеми, що пов’язані зі збереженням та сталим існуванням довкілля. Серед таких проблем однією з найважливіших є деградація ґрунтів, яка ставить під загрозу безпечний розвиток людства. Розв’язання цієї проблеми є неможливим без впровадження точного та оперативного моніторингу земельних ресурсів, який би дозволяв вести контроль за станом ґрунтів, прогнозувати зміни в ньому та розробляти рекомендації щодо використання земель, які зазнають різноманітних антропогенних впливів.

Актуальність теми. Нагальні проблеми, що склалися на сьогоднішній день в сфері сільськогосподарського використання земель України, ставлять перед методами контролю за станом ґрунтів додаткові вимоги в точності, інформативності, оперативності, об’єктивності та економічній ефективності відповідних робіт.

Важливим кроком на шляху до вирішення вищезазначених проблем є розробка методів дистанційного зондування (ДЗ) ґрунтів, що можуть суттєво доповнити та удосконалити традиційні ґрунтознавчі методи. Можливості дистанційних методів якраз і дозволяють підсилити традиційні методи в частині підвищення точності, інформативності, оперативності, об’єктивності та економічній ефективності відповідних робіт та створити надійну систему ґрунтового моніторингу. Звертаючи увагу на принципову можливість визначення та вивчення ґрунтових (в тому числі і деградаційних) процесів і показників дистанційними методами як у просторі, так і у часі, треба зазначити, що використання методів ДЗ відкриває величезні можливості щодо моніторингу ґрунтів та вирішення майбутніх екологічних та продовольчих проблем, які на сьогоднішній день набули статусу глобальних.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках НТП УААН 2001-2005 рр. “Родючість і охорона ґрунтів” за завданням 01.03 “Розробити кількісну оцінку, діагностику і систему моніторингу ерозійно небезпечних ґрунтів на основі дистанційних методів досліджень”, № ДР 0101U006046.

Частина дисертаційних досліджень виконувалась в рамках науково-дослідної теми Державного фонду фундаментальних досліджень Міністерства освіти і науки України “06.07/00175 Сучасна методологія кількісного картографування і моніторингу земель” за договором № Ф7/354-2001.

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень є теоретичне обґрунтування використання методів дистанційного зондування в моніторингу ґрунтів.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні завдання: –

встановлення теоретичних та прикладних основ застосування радіолокаційних методів щодо ґрунтознавчих досліджень і питань ґрунтоохоронної практики; –

обґрунтування доцільності проведення сумісної дистанційної зйомки в оптичному та мікрохвильовому діапазонах електромагнітного спектру;

встановлення теоретичних та прикладних основ застосування георадарної зйомки ґрунтів; –

виявлення переваг і обмежень (з показом шляхів їх подолання) дистанційних методів у моніторингових роботах;–

оцінювання точності дистанційного визначення окремих ґрунтових показників;–

розробка технологій діагностики та моніторингу ґрунтових деградаційних явищ дистанційними методами;–

узагальнення та систематизація знань про сучасний стан розвитку методів дистанційного зондування ґрунтів;–

розробка алгоритмів моніторингу ґрунтів дистанційними методами.

Об’єкт дослідження - дистанційне зондування ґрунтів.

Предмет дослідження - методи дистанційного зондування ґрунтових процесів і показників.

Методи дослідження. Для досягнення означеної мети було використано широкий набір методів теоретичних та експериментальних досліджень. Для збору і узагальнення інформації проводили аналіз літературних та фондових матеріалів, польові дослідження та лабораторні експерименти. Для обробки та аналізу отриманої інформації використовували статистико-математичні методи. Фізичні та хімічні аналізи ґрунтів проводили за атестованими методиками.

Наукова новизна одержаних результатів. Встановлено теоретичні та прикладні основи застосування радіолокаційного зондування щодо дистанційного визначення ґрунтових властивостей та доведено доцільність використання цього методу при вирішенні завдань ґрунтового моніторингу. Виявлено сезонні особливості радіолокаційного зондування ґрунтів. Обґрунтовано доцільність проведення сумісної дистанційної зйомки в оптичному та мікрохвильовому діапазонах. Встановлено теоретичні та прикладні основи застосування георадарної зйомки щодо удосконалення ґрунтових обстежень. Систематизовано знання про переваги та обмеження методів дистанційного зондування в моніторингових роботах. Встановлено теоретичні та прикладні основи застосування методів дистанційного зондування в моніторингу ґрунтів.

Практичне значення одержаних результатів. 1. Результати досліджень дозволяють удосконалити методи моніторингових спостережень за різноманітними ґрунтовими показниками та процесами, серед яких фізичні показники ґрунту, вміст гумусу в ґрунті, глибина гумусованого профілю, ерозійні та інші деградаційні прояви. 2. Отримані результати можуть бути корисними для державних організацій, що займаються проблемами інвентаризації та охорони ґрунтів (Державний комітет України по земельних ресурсах, Державний технологічний центр охорони родючості ґрунтів), а також для тих організацій, діяльність яких потребує масового визначення певних ґрунтових властивостей (Гідрогеолого-меліоративна служба Державного комітету України по водному господарству, Державний комітет України по гідрометеорології тощо). 3. Отримані результати було покладено в основу виданих методичних рекомендацій з картографування ерозійно небезпечних ґрунтів за допомогою космічної зйомки.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем визначено мету та задачі досліджень, розроблено методику досліджень, сплановано та проведено польові та лабораторні експерименти, відібрано зразки ґрунту та частково проведено аналітичні роботи, проаналізовано наукову літературу з питань, що стосуються предмета дослідження, узагальнено, проаналізовано та оброблено статистико-математичними методами результати проведених польових та лабораторних експериментів. Основні наукові положення та висновки сформульовано та обґрунтовано особисто здобувачем.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на VII з’їзді Українського товариства ґрунтознавців та агрохіміків (Київ, 2006), на наукових та науково-практичних конференціях, що проходили в м. Харків (2004, 2006 рр.), м. Київ (2005 р.), м. Чернівці (2005 р.), с. Рибаче АР Крим (2005р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційних досліджень опубліковано 19 наукових праць, з яких 9 – у виданнях, визнаних ВАК України як фахові для даної спеціальності.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, семи розділів, висновків, списку літератури, що налічує 201 найменування (з яких 49 найменувань латиницею) та додатків. Робота викладена на 191 сторінці комп’ютерного тексту, містить 158 сторінок основного тексту, 35 таблиць та 37 рисунків, а також додатки на 14 сторінках, в яких 11 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

РОЗВИТОК МЕТОДІВ ДИСТАНЦІЙНОГО

ЗОНДУВАННЯ ҐРУНТІВ

У даному розділі наведено ретроспективний огляд основних етапів розвитку методів ДЗ ґрунтів. Зроблено критичний аналіз проведених досліджень. Показано, що на сьогоднішній день ще недостатньо вивченими залишаються питання дистанційного визначення агрофізичних показників ґрунту та глибини гумусованого профілю, а також доцільності проведення сумісних дистанційних зйомок у різних діапазонах спектру. Обговорюється, також, проблема відсутності цілісного бачення місця методів ДЗ в системі моніторингу ґрунтів. Встановлено потенційне значення даного дисертаційного дослідження у вирішенні проблем використання методів ДЗ в моніторингу ґрунтів.

ОБ’ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Дослідження проводилися на двох основних та декількох допоміжних полігонах. Полігон №1 (основний) розташований у с. Черкаські Тишки Харківського району Харківської області (ґрунтовий покрив полігону представлений чорноземами типовими важкосуглинковими середньо- та малоглибокими). Полігон №2 (основний) розташований у Новотроїцькому та Генічеському районах Херсонської області (ґрунтовий покрив полігону представлений темно-каштановими та лучно-каштановими легкоглинистими ґрунтами різного ступеню солонцюватості). Допоміжні полігони розташовані у Вовчанському, Печенізькому та Куп’янському районах Харківської області.

Дослідження складалося з чотирьох етапів: 1) радіолокаційний експеримент (в точках, де проводилася радіолокаційна зйомка, визначалися певні ґрунтові характеристики, після чого ґрунтові та радіолокаційні параметри підлягали математико-статистичній обробці, з метою встановлення відповідних залежностей); 2) експеримент з проведення сумісної зйомки у оптичному та мікрохвильовому діапазонах (в точках, де проводилася радіолокаційна зйомка, визначалися яскравість ґрунту, вміст гумусу, вологість та характеристики структурно-агрегатного складу ґрунту, після чого визначалася здатність радіолокаційної зйомки до врахування стану ґрунтової поверхні при дистанційному визначенні вмісту гумусу в ґрунті); 3) георадарний експеримент (в точках, де проводилася георадарна зйомка, було закладено ґрунтові розрізи, після чого проведено порівняння георадарних даних та даних опису ґрунтових профілів); 4) систематизація знань про сучасний стан розвитку методів ДЗ в моніторингу ґрунтів (виявлення переваг і обмежень методів ДЗ та характеристика стану розвитку окремих методів ДЗ щодо визначення певних ґрунтових властивостей, з урахуванням результатів власних досліджень). В залежності від змісту кожного з етапів нами визначалися певні ґрунтові, оптичні, радіолокаційні та георадарні параметри.

З метою одержання величин параметрів, які характеризують окремі фізичні та хімічні властивості досліджених ґрунтів, було використано стандартні методи аналізу, прийняті в ґрунтознавстві. У відібраних зразках нами визначалися наступні показники: гранулометричний склад (за МВВ 31-497058-010-2005), мікроагрегатний склад (за МВВ 31-497058-011-2005), структурно-агрегатний склад та водостійкість структури (за МВВ 31-497058-012-2005), щільність будови ґрунту (за ДСТУ ISO 11272-2001), питома вага твердої фази ґрунту (за МВВ 31-497058-013-2005), відносна масова вологість ґрунту (за ГОСТ 28268-89), вміст гумусу в ґрунті (за ДСТУ 4289:2004), показник рНводний (за ГОСТ 26423-85).

Розрахункові характеристики, такі як шпаруватість ґрунту, об’ємна вологість ґрунту, показники структурно-агрегатного складу та мікрооструктуреності отримувалися загальноприйнятими методами (Вадюнина, Корчагина, 1973, Воронин, 1986, Хитров, Чечуева, 1994).

Шорсткість ґрунтової поверхні визначалася профілометром, який вимірює висоти нерівностей поверхні з точністю до 5 мм за кроку 10 мм.

Для виконання радіолокаційної зйомки, яка проводилась сумісно із співробітниками Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, було використано двохчастотну вимірювальну систему сантиметрового та міліметрового діапазонів з безперервним випромінюванням, монтовану на вантажному автомобілі ГАЗ-66, яка представляє собою дві радіолокаційні станції (РЛС) з антенними пристроями, що встановлені на загальній антенній колонці та дозволяють отримати відбиті сигнали з однієї ділянки поверхні. Довжини хвиль, на яких працюють РЛС – 8 мм та 3,2 см; потужність випромінювання – 50 мВт; поляризації випромінювання та прийому – горизонтальна і вертикальна. Нами використовувалися радіолокаційні дані, які було отримано при куті випромінювання, що дорівнював 60 градусам.

З метою одержання даних, що характеризують яскравість ґрунтів, зразки підлягали польовій та лабораторній фотозйомці та приведенню до цифрової форми. В такій формі, в геоінформаційній системі TNT lite, було обраховано середньозважену (за площею) яскравість ґрунтового зразка. Для того, щоб дані лабораторної і польової фотозйомки були співставними, їх нормували за середнім значенням.

Для виконання георадарної зйомки, яка проводилась сумісно із співробітниками Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, використано георадар „ЗОНД-10” (виробництва НВО „Радар”, м. Рига), який являє собою прилад, що складається з випромінюючої та приймальної антен, які з’єднані лініями зв’язку і синхронізації та блоком обробітку і зберігання інформації (комплект антен георадару та програмне забезпечення для обробки георадарної інформації розроблено відділом радіоінтроскопії Інституту радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України). Робоча частота зйомки 250 МГц.

Отримані на різних етапах дослідження ґрунтові дані, з одного боку, а також оптичні, радіолокаційні та георадарні дані, з іншого боку, підлягали кореляційному, регресійному (в тому числі множинному), дисперсійному та кластерному аналізам.

МОЖЛИВОСТІ РАДІОЛОКАЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ

ВЛАСТИВОСТЕЙ ҐРУНТІВ

За результатами математико-статистичної обробки ґрунтових та радіолокаційних параметрів отримано низку регресійних рівнянь, які описують залежність характеристик відбитого радіосигналу від ґрунтових властивостей. Ці рівняння являють собою робочі моделі, за допомогою яких можна знаходити величини певних ґрунтових параметрів за матеріалами радіолокаційної зйомки.

Зв’язок об’ємної вологості ґрунту з радіолокаційними параметрами є нелінійним і краще описується експоненційним рівнянням виду:

(1)

,

де - об’ємна вологість ґрунту; - величина питомої ефективної поверхні розсіювання (тут і далі: індекси 3 та 8 означають довжину хвилі, відповідно, 3,2 см та 8 мм; індекси vh, vv, hv, hh – поляризацію випромінювання та прийому, v – вертикальна, h – горизонтальна поляризації).

А у випадку множинної регресії отримано таке рівняння:

(2) ,

де - об’ємна вологість ґрунту; , - величини питомої ефективної поверхні розсіювання (див. пояснення до формули 1); - поляризаційне відношення ().

Залежність між радіолокаційними параметрами та масовою вологістю ґрунту описується наступним чином:

(3)

,

де - масова вологість ґрунту; , величини питомої ефективної поверхні розсіювання (див. пояснення до формули 1); - поляризаційне відношення ().

Фізична природа цих зв’язків полягає в наявності істотної різниці між показниками діелектричної проникливості сухого ґрунтового матеріалу та води (діелектрична проникливість води набагато перевищує діелектричну проникливість сухого ґрунтового матеріалу). Тому, збільшення вмісту вологи в ґрунтах спричиняє підвищення їх діелектричної проникливості, а разом з нею змінюються і характеристики відбитого радіосигналу.

Таким чином, було підтверджено, що радіолокаційна зйомка має великі можливості щодо дистанційного визначення вологості ґрунту.

Зв’язок між радіолокаційними параметрами та середньозваженим діаметром ґрунтових агрегатів має такий вигляд:

(4)

,

де - середньозважений діаметр ґрунтових агрегатів; , - величини питомої ефективної поверхні розсіювання (див. пояснення до формули 1).

Важливою характеристикою структурного стану ґрунту є вміст агрономічно цінних агрегатів (0,25-10 мм), зв'язок якого з радіолокаційними параметрами є таким:

(5)

,

де - вміст агрономічно цінних агрегатів (0,25-10 мм) в ґрунті; , - величини питомої ефективної поверхні розсіювання (див. пояснення до формули 1); - поляризаційне відношення ().

Фізична природа зв’язків характеристик структурно-агрегатного складу ґрунту з радіолокаційними параметрами полягає у тому, що структурно-агрегатний склад опосередковує вплив шорсткості ґрунтової поверхні на характер відбитого радіосигналу (параметри відбитого радіосигналу прямо залежать від шорсткості ґрунтової поверхні, яка, в свою чергу, частково визначається структурним станом ґрунту).

Отримані результати дозволяють підійти до розробки методики дистанційного визначення такої важливої характеристики ґрунтів, як їх структурно-агрегатний склад.

Зв’язок щільності будови ґрунту з радіолокаційними параметрами має наступний вигляд:

(6)

,

де - щільність будови ґрунту; , , - поляризаційні відношення (,,).

Фізична природа зв’язків щільності будови ґрунту з характеристиками відбитого радіосигналу полягає в тому, що щільність будови ґрунту є складовою, яка формує діелектричну проникливість ґрунтового матеріалу.

Отримані результати дозволяють підійти до створення методики дистанційного визначення щільності будови ґрунту, яка є дуже важливим ґрунтовим показником в агрономічному та екологічному аспектах.

Достовірні зв’язки з радіолокаційними параметрами було знайдено, також, для таких ґрунтових показників, як грудкуватість ґрунту (), коефіцієнт структурності (), вміст водостійких агрегатів (), фактор дисперсності (), вміст фізичної глини у ґрунті ().

Апробація виведених нами робочих моделей, які описують зв’язки радіолокаційних параметрів з ґрунтовими властивостями, довела, що вони відрізняються високою точністю.

Отже, радіолокаційне зондування має великі можливості щодо дистанційної діагностики та моніторингу фізичних властивостей ґрунтів (табл. 1).

Таблиця 1

Ґрунтові показники та радіолокаційні параметри, які є до них індикативними

Ґрунтовий показник* | Радіолокаційні

показники | Показник детермінації, %

, , | 96

, , | 98

, | 94

, , | 93

, | 87

, , | 94

67

67

, , | 91

67

*Символи, якими позначені ґрунтові та радіолокаційні показники розшифровано вище у тексті

Досліджено, також, сезонні особливості радіолокаційного зондування ґрунтових властивостей. На основі результатів обробки ґрунтових та радіолокаційних даних, які отримано у квітні (полігон представляв собою бороноване поле) та жовтні (полігон представляв собою свіжозоране поле), виявлено незалежність точності і достовірності радіолокаційного визначення щільності будови та вмісту вологи у ґрунті від фізичного стану ґрунтової поверхні. Як навесні, так і восени спостерігалася майже незмінна висока тіснота зв’язків вологості та щільності будови ґрунту з радіолокаційними параметрами.

В той самий час, характер зв’язків радіолокаційних параметрів з показниками структурно-агрегатного складу ґрунтів був різним в залежності від стану поверхні поля. Так, у квітні (за невеликої шорсткості ґрунтової поверхні) спостерігався тісний зв’язок між структурними характеристиками ґрунту та радіолокаційними параметрами, а у жовтні (за великої шорсткості) було виявлено слабший (або майже відсутній) зв’язок. Ми вважаємо, що такий характер зв’язків між структурними характеристиками ґрунту та радіолокаційними параметрами відбувається завдяки тому, що мала шорсткість ґрунтової поверхні якраз і визначається розподілом ґрунтових агрегатів різних розмірів, на відміну від випадку з великою шорсткістю, яка здебільшого визначається нано- та мікрорельєфом ґрунту. Тобто, зв’язок між шорсткістю поверхні ґрунту (яка власне і чинить безпосередній вплив на радіосигнал) та характеристиками ґрунтової структури є нелінійним: за малої шорсткості цей зв’язок є добре вираженим, за великої шорсткості його майже не існує. Іншими словами, структурний склад ґрунту впливає на характер відбитого радіосигналу, опосередковуючи вплив на нього шорсткості, а набуваючи певного значення, шорсткість перестає бути функцією структурного складу, а стає функцією нано- та мікрорельєфу. Завдяки існуванню такої закономірності ми спостерігаємо логарифмічну залежність між питомою ефективною поверхнею розсіювання (ПЕПР) радіосигналу та характеристикою ґрунтової структури, наприклад, середньозваженим діаметром ґрунтових агрегатів (рис. 1).

а) б)

в)

Рис. 1. Характер зв’язків ПЕПР з шорсткістю (а), середньозваженим діаметром ґрунтових агрегатів (б) та схема (в), що пояснює співвідношення між показником ґрунтової структури та показником шорсткості ґрунтової поверхні, щодо впливу на ПЕПР ( - показник ПЕПР; d – середньозважений діаметр ґрунтових агрегатів)

Така нелінійність зв’язків ґрунтово-структурних та радіолокаційних показників накладає певні обмеження на можливості радіолокаційного методу в моніторингу структурних властивостей ґрунтів. Продиференціювавши функцію залежності ПЕПР від середньозваженого діаметру ґрунтових агрегатів (d), було виявлено чутливість ПЕПР до d в різних діапазонах величин цього показнику. Це дало змогу встановити межу індикативних можливостей радіолокації щодо дистанційного визначення структурного стану ґрунту. Виявилося, що чутливість ПЕПР до d стрімко падає з величини d = 0 мм, до величини d = 6 мм, а далі перебуває на дуже низькому рівні. Тобто, величини d від 0 до 6 мм (що відповідає величинам шорсткості ґрунтової поверхні від 0 до 0,05 м) складають діапазон, в межах якого можлива дистанційна індикація структурного стану ґрунту радіолокаційними методами.

ДОЦІЛЬНІСТЬ ПРОВЕДЕННЯ СУМІСНОЇ ДИСТАНЦІЙНОЇ ЗЙОМКИ В ОПТИЧНОМУ ТА МІКРОХВИЛЬОВОМУ ДІАПАЗОНАХ

Одним із головних обмежень методів ДЗ, що працюють в оптичному діапазоні спектру, є багатофакторність впливу стану поверхні ґрунтів на формування їх аерокосмічного зображення. Це накладає певні обмеження на точність дистанційного визначення ґрунтових показників. Наприклад, на зв’язок гумусового стану ґрунтів з їх яскравістю сильний вплив чинить фізичний стан поверхні ґрунту, а особливо його структурний стан та вологість (Обухов, Орлов, 1964, Орлов, 1966, Кронберг, 1988, Виноградов, 1984, Lobell, Gregory, 2002). Завдяки впливу цих факторів існує проблема недостатньої точності дистанційного визначення речовинного складу ґрунту і, перш за все, вмісту гумусу в його поверхневому шарі. Нами було кількісно охарактеризовано вплив структурного стану та вологості на точність дистанційного визначення вмісту гумусу. Виявилося, що достовірність регресійних моделей, які описують залежність яскравості ґрунту від вмісту в ньому гумусу, різко збільшується при включенні до них параметрів структурного стану та вологості (табл. 2).

Таблиця 2

Порівняння різних регресійних моделей, що описують зв’язки

між відповідними параметрами ґрунту

Рівняння регресії | Коефіцієнт кореляції | Коефіцієнт детермінації | Сума абсолютних помилок | Я=2,00-0,28Н | r = -0,79 | r2 = 0,62 | 0,87 | Я=2,00-0,25Н-0,05КС | r = 0,81 | r2 = 0,650,77 | Я=1,90-0,04Н-0,22КС-0,02Wm | r = 0,87 | r2 = 0,76 | 0,63 | Я – яскравість ґрунту; Н – вміст гумусу в ґрунті; КС – коефіцієнт структурності; Wm – масова вологість ґрунту | Бачимо, що достовірність моделі, що описує зв'язок яскравості ґрунту з вмістом в ньому гумусу, збільшується при врахуванні параметрів структурного стану та вологості, а сума абсолютних помилок, яка розраховується сумуванням величин відсотків помилок у визначенні вмісту гумусу за всією вибіркою, зменшується при цьому на 28 %.

Разом з тим, як було показано вище, радіолокаційне зондування є дуже чутливим до показників вологості та структурно-агрегатного складу ґрунтів. Це дозволило зробити припущення, що параметри вологості та структурно-агрегатного складу ґрунту можна виразити параметрами радіолокаційної зйомки (наприклад, за допомогою рівнянь, які подано в даній роботі вище). Таким чином, матеріали радіолокаційної зйомки можна використовувати в якості поправочних до матеріалів багатоспектрального сканування (чи фотозйомки), з метою встановлення поправок на стан поверхні ґрунту при дистанційному визначенні вмісту гумусу в ґрунті. Виходячи з цих положень, ми отримали рівняння множинної регресії, яке описує залежність між яскравістю ґрунту та вмістом в ньому гумусу, де в якості поправочних величин виступали вже не параметри структурного стану та вологості ґрунту, а радіолокаційні параметри:

(7)

,

де - яскравість ґрунту; - вміст гумусу в ґрунті; , - поляризаційні відношення (, ).

Верифікація цієї моделі показала високу точність знаходження показника вмісту гумусу в ґрунті за оптичними та радіолокаційними даними (помилки визначення вмісту гумусу в ґрунті за цією моделлю не перевищують допустимих помилок, значення яких представлено у відповідному державному стандарті). Отже, було зроблено висновок про доцільність проведення сумісної дистанційної зйомки в оптичному та мікрохвильовому діапазонах з метою врахування стану поверхні при дистанційному визначенні гумусового стану ґрунтів.

ВИКОРИСТАННЯ ГЕОРАДАРНОГО МЕТОДУ В

ҐРУНТОЗНАВЧИХ ДОСЛІДЖЕННЯХ

В основі георадарної зйомки лежить випромінювання наносекундних імпульсів метрового і дециметрового діапазонів електромагнітних хвиль та прийом сигналів, які відбиваються від меж розділу ґрунтових шарів з різними електрофізичними властивостями. Електрофізичні властивості ґрунтових шарів залежать безпосередньо від таких ґрунтових характеристик, як вологість, щільність будови та механічний склад. Тому, вищевказаними межами розділу ґрунтових шарів можуть бути контактні зони між сухими та вологонасиченими шарами, контакти між шарами з різною характеристикою щільності будови, а також контакти між шарами ґрунту різного літогранулометричного складу. Саме ці межі мають добре ідентифікуватися на матеріалах георадарної зйомки (тобто на радарограмах).

На наш погляд, основою для використання георадарного методу з метою визначення глибини гумусованого профілю ґрунту є можливість фіксації межи розділу між гумусованим профілем і породою за рахунок різниці в щільності будови ґрунту (ґрунтотворна порода за інших рівних умов є більш щільною в порівнянні з гумусованими ґрунтовими шарами).

Порівнюючи отримані нами радарограми з описами відповідних ґрунтових профілів, ми виявили, що зміни в глибині гумусованого профілю (ГП) чітко відображаються на матеріалах георадарної зйомки (рис. 2).

а1) а2) б1) б2)

в1) в2) г1) г2)

Рис. 2. Відповідність між глибиною гумусованого профілю ґрунтів (а1, б1, в1, г1) та радарограмами (а2, б2, в2, г2), які ці ґрунти відображають (стрілочками показані межі між гумусованим профілем та породою на схемах профілю та межі відбивання радіосигналу на радарограмах; шкала на схемах профілю є шкалою глибин в сантиметрах, а шкала на схемах радарограм є умовною шкалою; ГП – глибина профілю ґрунту; 814, 815, 816, 834, 835, 853, 854 – номера точок де закладалися ґрунтові розрізи)

Так, зміна глибини гумусованого профілю ґрунту з точки 853 (44 см) до точки 854 (74 см) відображується на радарограмі зміною глибини відбивання радіосигналу з 44 до 56 одиниць умовної шкали. А зміна глибини гумусованого профілю ґрунтів на трансекті 815-816 (ГП дорівнює, відповідно, 88 та 59 см) відображується на відповідній радарограмі зміною глибини відбивання радіосигналу з 66 до 56 одиниць умовної шкали. Подібні закономірності прослідковуються і у випадку інших досліджених ґрунтів та відповідних їм радарограм.

В цей же час ґрунти з однаковою (або близькою за величиною) глибиною гумусованого профілю відображаються на радарограмах незмінним характером рисунку відбитого радіосигналу. Так, ґрунти на трансекті 834-835 є однаковими за глибиною гумусованого профілю (в обох випадках ГП дорівнює 66 см), що і відображується на відповідній радарограмі ідентичною глибиною відбивання сигналу, а ґрунти на трансекті 814-815, які є майже однаковими за тією ж характеристикою (ГП дорівнює, відповідно, 86 та 88 см) також мають ідентичний рисунок радарограми (рис. 2).

Виявлено, також, здатність георадарної зйомки до фіксації антропогенної порушеності ґрунтів.

Отже, на підставі отриманих нами результатів, можна стверджувати, що георадарна зйомка має принципову можливість визначення такого важливого показнику як глибина гумусованого профілю ґрунту. Крім того, георадарний метод має здатність до дистанційного визначення антропогенної порушеності ґрунту.

В результаті проведення досліджень сформовано, також, висновок про те, що для правильної ґрунтознавчої інтерпретації радарограм вкрай важливим є співвідношення між вертикальною роздільною здатністю та глибинністю георадарної зйомки, для чого бажано використовувати формулу, яка пов’язує вертикальну роздільну здатність з діелектричною проникливістю ґрунту та довжиною хвилі, на якій проходе георадарна зйомка ґрунтів.

ПЕРЕВАГИ ТА ОБМЕЖЕННЯ МЕТОДІВ

ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ ҐРУНТІВ

На підставі вивчення літературних джерел та результатів власних досліджень, охарактеризовано переваги методів дистанційного зондування. Описано ті особливості дистанційних методів, які доповнюють та удосконалюють традиційні ґрунтознавчі методи. Систематизовано перелік цих переваг та предметів доповнення і удосконалення традиційних методів (табл. 3).

Показано, що зазначені переваги роблять дистанційні методи найперспективнішим засобом моніторингу ґрунтів.

Таблиця 3

Переваги методів ДЗ ґрунтів та відповідні предмети доповнення і удосконалення традиційних ґрунтознавчих методів

Переваги методів ДЗ ґрунтів | Предмет доповнення та удосконалення традиційних ґрунтознавчих методів

Точність та інформативність | 1. Можливість визначати просторову варіабельність ґрунтових показників та їх динаміку точно і неперервно, в кожній точці території.

2. Велика інформативність матеріалів та незначні втрати інформації при обробці та картуванні.

Обзорність | Здатність матеріалів охоплювати великі території з виробничою точністю

Оперативність | Здатність швидко та своєчасно проводити відповідні обстеження ґрунтів та можливість налагодження поточних спостережень за тими чи іншими характеристиками ґрунту

Об’єктивність | Незалежність відповідної інформації від уподобань дослідника та методу первинної обробки (на відміну від традиційної карти, яка є авторським витвором та вміщує в собі слід особистості автора)

Економічна ефективність | Заощадження значних коштів (за рахунок зменшення польового періоду та частини лабораторно-аналітичних робіт)

Невтручання в ґрунтові процеси | Неруйнівний спосіб збору ґрунтової інформації

Крім того, на основі аналізу результатів наших досліджень, виявлено та охарактеризовано обмеження методів ДЗ. Серед обмежень методів дистанційного зондування ґрунтів можна назвати наступні: наявність певної частки полів, закритих рослинністю на момент зйомки, багатофакторність формування дистанційного зображення ґрунтів, пріоритет емпіричних робочих моделей над теоретично-узагальнюючими, обмежений набір ґрунтових параметрів, які можуть напряму визначатися методами ДЗ, можлива наявність технічних шумів при дистанційній зйомці, можливість присутності хмарного покриву та інших атмосферних явищ, що можуть закривати поверхню ґрунту.

Запропоновано шляхи подолання цих обмежень. Зроблено висновок про те, що обмеження методів ДЗ принципово не перешкоджають впровадженню цих методів у систему моніторингу ґрунтів (про що свідчить досвід їх використання). А подолання цих обмежень (сучасний стан розвитку науки і техніки переконує у тому, що подолання описаних обмежень – справа найближчого майбутнього) лише збільшить можливості методів ДЗ та зробить їх незамінним засобом моніторингу ґрунтових показників, процесів і явищ.

ВИКОРИСТАННЯ ДИСТАНЦІЙНИХ МЕТОДІВ

У МОНІТОРИНГУ ҐРУНТІВ

Розглянуто сучасний стан та потенційні можливості розвитку методів дистанційного зондування щодо визначення таких процесів і показників ґрунтового моніторингу (Медведев, 2002) як зміна структури ґрунтового покриву, трансформація земельних угідь та контроль оптимальності землекористування, гумусовий стан ґрунту, водний режим ґрунтів, агрофізичні властивості, облік динаміки проективного покриття ґрунту рослинністю чи рослинними рештками, зміна глибини гумусових горизонтів, рівень та хімічний склад ґрунтових вод. Найбільш вивчені питання супроводжуються посиланням на відповідні літературні джерела, а слабко вивчені питання (дистанційне визначення агрофізичних властивостей, глибини гумусованого профілю ґрунту тощо) розкриті більш повно, із представленням матеріалів власних досліджень.

На основі літературних узагальнень та результатів власних досліджень систематизовано інформацію про можливості методів ДЗ в моніторингу певних процесів і показників (табл. 4).

Зроблено висновок про те, що для проведення масових визначень окремих ґрунтових показників та процесів в цілях моніторингу рекомендується використовувати методи дистанційного зондування: для визначення вологості, щільності будови та показників структурно-агрегатного складу ґрунтів рекомендується радіолокаційна зйомка, для визначення вмісту гумусу в ґрунті та контролю ерозійних процесів – багатоспектральне сканування або фотозйомка, для визначення глибини гумусованого профілю ґрунту та рівня ґрунтових вод – георадарна зйомка, для контролю оптимальності землекористування – багатоспектральне сканування або фотозйомка.

Таблиця 4

Процеси і показники ґрунтового моніторингу та

дистанційні методи їх визначення

Контрольовані процеси | Показники | Дистанційні методи | Зміна структури ґрунтового покриву | Змитість, дефльованість, гумусність, засоленість тощо | Багатоспектральне сканування, фотозйомка та радіолокаційна зйомка (за тональними та текстурними ознаками) | Трансформація земельних угідь та контроль оптимальності землекористування | Структура ґрунтового покриву та площа рекомендованих і фактичних угідь | Багатоспектральне сканування, фотозйомка та радіолокаційна зйомка (за тональними та текстурними ознаками) | Гумусовий стан | Вміст гумусу | Багатоспектральне сканування, фотозйомка та зйомка спектрофотометрами і цифровими фотокамерами (за тональними ознаками: Я, СКЯ та ін.) | Водний режим | Вміст вологи в ґрунті | Багаточастотне радіолокаційне зондування (за показником ПЕПР), радіометрична (за показниками випромінювання), теплова інфрачервона (за температурними показниками) та георадарна (за коефіцієнтом відбивання, глибиною відбивання або амплітудою відбитого сигналу) зйомки

Агрофізичні властивості | А. Рівноважна щільність

Б. Структурно-агрегатний склад | Багаточастотне радіолокаційне зондування (за показниками ПЕПР та поляризаційними відношеннями) | Облік динаміки проективного покриття ґрунту рослинністю чи рослинними рештками | Площа та частина поверхні ґрунту, що покрита рослинністю або рослинними рештками | Багатоспектральне сканування (за показником ) та радіолокаційна зйомка (за показником ПЕПР) Зміна глибини гумусових горизонтів | Глибина гумусового горизонту | Георадарна зйомка (за глибиною відбивання сигналу) та багатоспектральне сканування або фотозйомка (за показником Я) | Рівень та склад

ґрунтових вод | Глибина ґрунтових вод та їх хімічний склад | Георадарна зйомка (за глибиною відбивання сигналу) |

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі обґрунтовано доцільність використання методів дистанційного зондування в моніторингу ґрунтів. Встановлено теоретичні та прикладні основи застосування радіолокаційного зондування, георадарної зйомки та комбінованої зйомки в різних діапазонах спектру щодо визначення окремих ґрунтових показників і процесів.

1. Одним із головних шляхів удосконалення традиційних ґрунтознавчих методів визначення та картографування ґрунтових показників і процесів є розробка і впровадження методів дистанційного зондування ґрунтів.

2. Радіолокаційне зондування придатне до дистанційного визначення низки ґрунтових властивостей, серед яких можна назвати вологість, щільність будови, гранулометричний та структурно-агрегатний склад (з деякими обмеженнями). Це дозволяє використовувати радіолокаційні методи в моніторингу фізичних властивостей ґрунтів, з метою стеження за фізично обумовленими факторами родючості, контролю стану зрошуваних та осушуваних земель, оцінки вологозапасів та інших видів діяльності, пов’язаних із необхідністю отримання інформації про агрофізичні параметри ґрунту.

3. Показник шорсткості поверхні ґрунту, який традиційно використовується в радіолокаційних дослідженнях можна виразити в якості параметрів структурного стану ґрунту, що відкриває можливості створення методів дистанційного визначення такої важливої характеристики ґрунтів як їх структурний стан (з деякими обмеженнями).

4. Існує принципова можливість радіолокаційного визначення щільності будови та вмісту вологи у ґрунті за будь-якого стану ґрунтової поверхні. Головною умовою надійності радіолокаційного методу стосовно визначення цих характеристик є багатоканальний підхід, коли зйомка здійснюється за різних довжин хвиль та поляризацій одночасно. В той же час, радіолокаційна індикація структурного стану ґрунту можлива тільки в обмеженому діапазоні параметрів стану ґрунтової поверхні. Визначення характеристик структурного стану ґрунту радіолокаційним методом може бути точним та ефективним лише за невеликої шорсткості ґрунтової поверхні (< 0,05 м). Це накладає певні обмеження у застосуванні радіолокації в цілях моніторингу структурного стану ґрунту.

5. На звязок яскравості ґрунтів з вмістом в них гумусу дуже сильний вплив чинить стан поверхні, і, перш за все, структурний стан та вологість ґрунту. Звідси, дистанційне визначення вмісту гумусу без врахування стану поверхні ґрунту супроводжується значними помилками, особливо у випадках з неоднорідним ґрунтовим покривом. Помилка у дистанційному визначенні вмісту гумусу в ґрунті значно зменшується при внесенні параметрів структурного стану та вологості в робочі моделі, за якими обраховується вміст гумусу за матеріалами дистанційної зйомки в оптичному діапазоні.

6. З метою врахування стану поверхні при дистанційному визначенні гумусового стану ґрунтів, доцільним є проведення сумісної дистанційної зйомки в оптичному та мікрохвильовому діапазонах.

7. Георадарна зйомка має принципову можливість визначення такого важливого показнику як глибина гумусованого профілю ґрунту. Крім того, георадарний метод має здатність до дистанційного визначення антропогенної порушеності ґрунту.

8. Для правильної ґрунтознавчої інтерпретації радарограм вкрай важливим є співвідношення між вертикальною роздільною здатністю та глибинністю георадарної зйомки. При цьому бажано використовувати універсальну формулу, яка пов’язує вертикальну роздільну здатність з діелектричною проникливістю ґрунту та довжиною хвилі, на якій проходе георадарна зйомка ґрунтів.

9. Серед переваг методів дистанційного зондування ґрунтів можна виділити наступні: точність та інформативність, обзорність, оперативність, об’єктивність, економічна ефективність, невтручання в ґрунтові процеси. Саме ці переваги і роблять дистанційні методи найперспективнішим засобом моніторингу ґрунтів.

10. Серед обмежень методів дистанційного зондування ґрунтів можна назвати наступні: наявність певної частки полів закритих рослинністю на момент зйомки, багатофакторність формування дистанційного зображення ґрунтів, пріоритет емпіричних робочих моделей над теоретично-узагальнюючими, обмежений набір ґрунтових параметрів, які можуть напряму визначатися методами ДЗ, можлива наявність технічних шумів при дистанційній зйомці, можливість присутності хмарного покриву та інших атмосферних явищ, що можуть закривати поверхню ґрунту. Перелічені обмеження методів ДЗ принципово не перешкоджають впровадженню цих методів у систему моніторингу ґрунтів, а їх подолання збільшить можливості методів ДЗ та зробить їх незамінним засобом моніторингу окремих ґрунтових параметрів, процесів і явищ.

11. Організаціям, що займаються проблемами інвентаризації та охорони ґрунтів (Державний комітет України по земельних ресурсах, Державний технологічний центр охорони родючості ґрунтів), а також організаціям, діяльність яких потребує масового визначення певних ґрунтових властивостей (Гідрогеолого-меліоративна служба Державного комітету України по водному господарству, Державний комітет України по гідрометеорології тощо) для проведення масових визначень окремих ґрунтових показників та процесів в цілях моніторингу рекомендується використовувати методи дистанційного зондування: для визначення вологості, щільності будови та показників структурно-агрегатного складу ґрунтів рекомендується радіолокаційна зйомка, для визначення вмісту гумусу в ґрунті та контролю ерозійних процесів – багатоспектральне сканування або фотозйомка, для визначення глибини гумусованого профілю ґрунту та рівня ґрунтових вод – георадарна зйомка, для контролю оптимальності землекористування – багатоспектральне сканування або фотозйомка.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гічка М.М., Трускавецький С.Р. Вивчення геохімічних особливостей ґрунтового покриву дистанційними методами // Вісник аграрної науки. - 2003.- №11.- С. 64-67 (співавтор ідеї, обробка даних, формулювання висновків).

2. Гічка М.М. Дистанційне зондування як засіб оптимізації управління гумусним станом ґрунтів у контексті точного землеробства / Агрохімія і ґрунтознавство. Вип. 65.- Харків: ННЦ „ІГА ім. О. Н. Соколовського”, 2004.- С. 124-128.

3. Гічка М.М. Інформація про можливості картографування агрогенної деградації ґрунтів за матеріалами дистанційного зондування // Вісник ХНАУ.- 2004.- № 6.- С. 96-100.

4. Гічка М.М. Дистанційна зйомка в оптичному та мікрохвильовому діапазонах з метою картографування та моніторингу ґрунтів // Вісник аграрної науки. - 2004.- №12.- С. 65-68.

5. Гічка М.М. Дистанційне зондування в системі моніторингу ґрунтів України // Вісник аграрної науки. - 2005.- №12.-С.72-75.

6. Гічка М.М. Радіолокаційне зондування агрофізичних властивостей ґрунтів // Вісник ХНАУ.- 2005.- №1.-С. 65-69.

7. Гічка М.М. Сезонні особливості радіолокаційного зондування агрофізичних властивостей ґрунтів / Агрохімія і ґрунтознавство. Вип. 66.- Харків: ННЦ „ІГА ім. О. Н. Соколовського”, 2005.- С. 59-66.

8. Трускавецький С.Р., Гічка М.М., Биндич Т.Ю. Напрямки удосконалення дистанційних методів картографування та моніторингу ґрунтів / Науковий вісник НАУ.- 2005.-Вип. 81.- С.176-180 (співавтор ідеї, проведення польових досліджень, обробка даних, узагальнення результатів, формулювання висновків).

9. Трускавецький С.Р., Гічка М.М., Биндич Т.Ю. Сучасний погляд на інформаційне забезпечення ґрунтового моніторингу // Вісник аграрної науки. – 2006.- №4.– С.87-89 (систематизація і узагальнення інформації про переваги методів дистанційного зондування).

10. Трускавецький С.Р., Биндич Т.Ю., Гічка М.М. Спосіб створення ґрунтових карт // Деклараційний патент на корисну модель. - UA 12599 G01N 33/24; B61C 15/00; G03B 37/00; G01V 8/00 - 2006. (співавтор ідеї, узагальнення літературних даних).

11. Трускавецький С.Р., Гічка М.М., Биндич Т.Ю., Орленко