Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. № 4. С. 164-178
Современные решения для формирования опорной информации с целью повышения точности определения агрофизических свойств почвы по спутниковым данным
Ю.И. Блохин
1 , В.В. Якушев
1 , С.Ю. Блохина
1 , А.Ф. Петрушин
1 , О.А. Митрофанова
1, 2 , Е.П. Митрофанов
1, 2 , А.В. Двирник
1 1 Агрофизический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия
2 Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург
Одобрена к печати: 21.07.2020
DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-4-164-178
В статье рассматриваются подходы к построению и развитию информационно-измерительных систем (ИИС) для формирования опорной информации с целью повышения точности определения агрофизических свойств почв по спутниковым данным. Информационно-измерительные системы, включающие беспроводные сенсорные сети, позволяют проводить мониторинг состояния почвы с высокой точностью и способны оперативно обнаруживать нежелательные состояния. Для определения основных агрофизических характеристик почв по спутниковым данным в глобальном масштабе необходимы измерения in situ с помощью наземных ИИС, позволяющие осуществить калибровку и проверку достоверности полученных спутниковых данных о характеристиках почвы. На экспериментальном опытном полигоне Агрофизического научно-исследовательского института проводится комплексный мониторинг пространственной изменчивости агрофизических свойств почв и метеорологической информации, определяющих особенности управления технологиями возделывания сельскохозяйственных культур. Установлено, что возможности научно-технической инфраструктуры, используемой для определения основных характеристик почв и детализации их пространственно-временного распределения, могут быть расширены за счёт применения средств измерения в движении и развёртывания беспроводной подземной сенсорной сети (БПСС), что позволит существенно повысить уровень интерпретации и масштабируемость процесса оценки агрофизических свойств сельскохозяйственных территорий по спутниковым данным. Рассмотрена структура БПСС, предназначенной для мониторинга влажности и температуры почв с высоким временным разрешением, а также представлена структурная схема сенсорного узла с учётом его размещения под поверхностью земли. Приведены предварительные результаты полевых испытаний мобильного комплекса для определения агрофизических характеристик пахотного слоя почвы в режиме реального времени. Полученные карты пространственного распределения влажности и электропроводности почвы позволят определить характер пространственной неоднородности урожайности и стратегию пространственного размещения стационарных узлов БПСС, функционирующих в течение вегетационного периода.
Ключевые слова: информационно-измерительные системы, почвенные исследования, данные дистанционного зондирования, системы мониторинга, беспроводные подземные сенсорные сети, агрофизические свойства почвы, мобильный комплекс для определения характеристик почвы в движении
Полный текстСписок литературы:
- Ананьев И. П. Автогенераторные измерительные преобразователи двухкомпонентной диэлькометрии сельскохозяйственных материалов: автореф. дис. … д-ра техн. наук. СПб., 2009. 48 с.
- Ананьев И. П., Зубец В. С., Белов А. В., Кувалдин Э. В., Кулибаба А. Р., Завитков Ю. В., Блохин Ю. И. Устройство для внутрипочвенного измерения агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении. Патент РФ 2537908. Рег. 10.01.2015.
- Блохин Ю. И., Белов А. В., Блохина С. Ю. Комплексная система контроля влажности почвы и локальных метеоусловий для интерпретации данных дистанционного зондирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 3. С. 87–95. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-3-87-95.
- Демьянов В. В., Савельева Е. А. Геостатистика: теория и практика / Ин-т проблем безопасности развития атомной энергетики РАН. М.: Наука, 2010. 327 с.
- Дубенок Н. Н., Янко Ю. Г., Петрушин А. Ф., Калиниченко Р. В. Перспективы использования данных дистанционного зондирования в оценке состояния мелиоративных систем и эффективности использования мелиорированных земель // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 3. С. 96–104. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-3-96-104.
- Лупян Е. А., Бурцев М. А., Прошин А. А., Кобец Д. А. Развитие подходов к построению информационных систем дистанционного мониторинга // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 3. С. 53–66. DOI: 10.21046/2070-7401-2018-15-3-53-66.
- Лупян Е. А., Прошин А. А., Бурцев М. А., Кашницкий А. В., Балашов И. В., Барталев С. А., Константинова А. М., Кобец Д. А., Мазуров А. А., Марченков В. В., Матвеев А. М., Радченко М. В., Сычугов И. Г., Толпин В. А., Уваров И. А. Опыт эксплуатации и развития центра коллективного пользования системами архивации, обработки и анализа спутниковых данных (ЦКП «ИКИ-Мониторинг») // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 3. С. 151–170. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-3-151-170.
- Матвеенко Д. А., Якушев В. В., Якушев В. П. Прецизионное управление азотным режимом яровой пшеницы на основе дистанционного зондирования посевов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 3. С. 79–86. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-3-79-86.
- Матвеенко Д. А., Воропаев В. В., Якушев В. В., Блохин Ю. И., Блохина С. Ю., Митрофанов Е. П., Петрушин А. Ф. Состояние и перспективы создания новых методов количественной оценки внутриполевой изменчивости в точном земледелии // Агрофизика. 2020. № 1. С. 59–70.
- Шпанев А. М. Экспериментальная база для дистанционного зондирования фитосанитарного состояния агроэкосистем на Северо-Западе РФ // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 3. С. 61–68. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-3-61-68.
- Якушев В. П., Дубенок Н. Н., Лупян Е. А. (2019а) Опыт применения и перспективы развития технологий дистанционного зондирования Земли для сельского хозяйства // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 3. С. 11–23. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-3-11-23.
- Якушев В. П., Канаш Е. В., Якушев В. В., Матвеенко Д. А., Русаков Д. В., Блохина С. Ю., Петрушин А. Ф., Митрофанов Е. П. (2019б) Новые возможности автоматизации процесса обнаружения внутриполевой неоднородности по гиперспектральным снимкам и оптическим критериям // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 3. С. 24–32. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-3-24-32.
- Adamchuk V. I., Hummel J. W., Morgan M. T., Upadhyaya S. K. On-the-go soil sensors for precision agriculture // Computer and Electronics in Agriculture. 2004. V. 44. Iss. 1. P. 71–91.
- Albergel C., de Rosnay P., Gruhier C., Muñoz-Sabater J., Hasenauer S., Isaksen L., Kerr Y., Wagner W. Evaluation of remotely sensed and modelled soil moisture products using global ground-based in situ observations // Remote Sensing of Environment. 2012. V. 118. P. 215–226.
- Ananev I. P., Zubets V. S., Belov A., Blokhin Yu. I. Mobile system for on-the-go measuring and mapping soil permittivity, electrical conductivity, moisture content, temperature and mechanical resistance // Proc. 3rd Global Workshop on Proximal Soil Sensing / eds. R. Gebbers, E. Luck, J. Ruhlmann. Potsdam, 26–29 May 2013. 2013. P. 201–209.
- Dorigo W. A., Wagner W., Hohensinn R., Hahn S., Paulik C., Xaver A., Gruber A., Drusch M., Mecklenburg S., van Oevelen P., Robock A., Jackson T. The International Soil Moisture Network: a data hosting facility for global in situ soil moisture measurements // Hydrology and Earth System Science. 2011. V. 15. Iss. 5. P. 1675–1698.
- Gruber A., De Lannoy G., Albergel C., Al-Yaari A., Brocca L., Calvet J.-C., Colliander A., Cosh M., Crow W., Dorigo W., Draper C., Hirschi M., Kerr Y., Konings A., Lahoz W., McColl K., Montzka C., Muñoz-Sabater J., Peng J., Reichle R., Richaum P., Rüdiger C., Scanlon T., van der Schalie R., Wigneron J.-P., Wagner W. Validation practices for satellite soil moisture retrievals: What are (the) errors? // Remote Sensing of Environment. 2020. V. 244. URL: https://doi.org/10.1016/j.rse.2020.111806.
- Liu Y. Y., Dorigo W. A., Parinussa R. M., De Jeu R., Wagner W., McCabe M. F., Evans J. P., van Dijk A. I. J. M. Trend-preserving blending of passive and active microwave soil moisture retrievals // Remote Sensing of Environment. 2012. V. 123. P. 280–297.
- Mouazen A. M., Ramon H. Development of on-line measurement system of bulk density based on on-line measured draught, depth and soil moisture content // Soil and Tillage Research. 2006. V. 86. No. 2. P. 218–229.
- Mouazen A. M., Maleki M. R., De Baerdemaeker J., Ramon H. On-line measurement of some selected soil properties using a VIS–NIR sensor // Soil and Tillage Research. 2007. V. 93. No. 1. P. 13–27.
- Naeimi V., Scipal K., Bartalis Z., Hasenauer S., Wagner W. An improved soil moisture retrieval algorithm for ERS and METOP scatterometer observations // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2009. V. 47. No. 7. P. 1999–2013. DOI: 10.1109/TGRS.2008.2011617.
- Njoku E. G., Wilson W. J., Yueh S. H., Dinardo S. J., Li F. K., Jackson T. J., Lakshmi V., Bolten J. D. Observations of soil moisture using a passive and active low-frequency microwave airborne sensor during SGP99 // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2002. V. 40. Iss. 12. P. 2659–2673. DOI: 10.1109/TGRS.2002.807008.
- Oliver M. A. An overview of geostatistics and precision agriculture // Geostatistical Applications for Precision Agriculture. Netherlands: Springer, 2010. P. 1–34.
- Peets S., Mouazen A. M., Blackburn K., Kuang B., Wiebensohn J. Methods and procedures for automatic collection and management of data acquired from on-the-go sensors with application to on-the-go soil sensors // Computers and Electronics in Agriculture. 2012. V. 81. P. 104–112.
- Su C.-H., Ryu D., Young R. I., Western A. W., Wagner W. Inter-comparison of microwave satellite soil moisture retrievals over the Murrumbidgee Basin, southeast Australia // Remote Sensing of Environment. 2013. V. 134. P. 1–11.
- Viscarra Rossel R. A., Adamchuk V. I., Sudduth K. A., McKenzie N. J., Lobsey C. Proximal soil sensing: an effective approach for soil measurements in space and time. Ch. 5 // Advances in Agronomy. V. 113. 2011. P. 243–291.