Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2025. Т. 22. № 4. С. 187-204
Сравнение моделей радиоизлучения слоисто-неоднородных неизотермических почвогрунтов, лишённых покровов, с гладкими границами
1 Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, Красноярск, Россия
Одобрена к печати: 05.05.2025
DOI: 10.21046/2070-7401-2025-22-4-187-204
Проводится сравнение некогерентных и когерентных моделей радиоизлучения слоисто-неоднородных неизотермических почвогрунтов, лишённых покровов, с гладкими границами. В качестве основных моделей радиояркостной температуры (РТ) рассмотрены некогерентные модели, полученные на основе феноменологической теории переноса излучения (с учётом однократного отражения волны от нижней границы парциальных слоёв слоистой среды и без него), и строгие когерентные модели: Wilheit, Njokus, Клепикова – Шаркова. В качестве неизотермического слоисто-неоднородного диэлектрического полупространства рассматривались талые и промерзающие почвогрунты с модельными и синхронно измеренными профилями влажности и температуры в деятельном слое. Комплексная диэлектрическая проницаемость почвогрунтов моделировалась с использованием апробированных диэлектрических моделей. Статистический анализ был основан на синхронном расчёте РТ на частотах 409 МГц и 1,4 ГГц в диапазоне углов наблюдения от 0 до 60° на вертикальной и горизонтальной поляризации с использованием всех рассматриваемых моделей. В результате было показано, что когерентные модели РТ (Wilheit, Njoku, Клепикова – Шаркова) имеют одинаковую точность в пределах погрешности вычислений или оцифровки графических данных сторонних расчётов. Среднее абсолютное отклонение РТ, определённое с использованием некогерентных и когерентных моделей для всех рассмотренных наборов профилей влажности и температуры почвогрунтов, может равняться 20 и 8 К на частотах 409 МГц и 1,4 ГГц соответственно. Подобные погрешности достигаются в случае, если не выполняется условие плавности изменения показателя преломления у поверхности почвы (большой масштаб вертикальных диэлектрических неоднородностей по отношению к длине волны), если данное условие выполнено, то погрешности не превышают нескольких кельвинов. Показано, что модификация некогерентной модели (частично когерентная модель) путём введения в коэффициент излучения когерентного коэффициента отражения от границы «воздух – почвогрунт» позволяет достичь точности, сопоставимой с когерентными моделями, даже в случае промерзания деятельного слоя с резким скачком комплексной диэлектрической проницаемости между промерзающей и талой частью почвогрунта. Данное исследование обосновывает применимость частично когерентной модели радиотеплового излучения для расчёта в широком диапазоне частот угловых зависимостей РТ на горизонтальной и вертикальной поляризации лишённых покровов почвогрунтов с гладкими границами практически для любых случаев профилей влажности и температуры.
Ключевые слова: радиотепловое излучение, слоисто-неоднородные среды, неизотермические среды, почвогрунт, профили влажности, профили температуры, диэлектрическая проницаемость
Полный текстСписок литературы:
- Башаринов А. Е., Гурвич А. С., Егоров С. Т. Радиоизлучение Земли как планеты. М.: Наука, 1974. 187 с.
- Богородский В. В., Козлов А. И., Тучков Л. Т. Радиотепловое излучение земных покровов. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 224 с.
- Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. 856 с.
- Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 502 с.
- Клепиков И., Шарков Е. Тепловое излучение слоисто-неоднородных неизотермических сред. М.: ИКИ АН СССР, 1983. 31 с.
- Кондратьев К. Я., Григорьев Ал. А., Рабинович Ю. И., Шульгина Е. М. Метеорологическое зондирование подстилающей поверхности из космоса. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 248 с.
- Левин М. Л., Рытов С. М. Теория равновесных тепловых флуктуаций в электродинамике, М.: Наука, 1967. 310 с.
- Рытов С. М. Теория электрических флуктуаций и теплового излучения. М.: Изд. АН СССР, 1953. 232 с.
- Финкельштейн М. И., Мендельсон В. Л., Кутев В. А. Радиолокация слоистых земных покровов. М.: Сов. радио, 1977. 176 с.
- Шарков Е. А. Радиотепловое дистанционное зондирование Земли. Физические основы. Т. 1. М.: ИКИ РАН, 2014. 544 с.
- Шульгина Е. М. Радиоизлучение вертикально неоднородных сред // Тр. Гос. геофиз. обсерватории. 1975. Вып. 331. С. 64–72.
- Brakhasi F., Walker J. P., Ye N. et al. Towards soil moisture profile estimation in the root zone using L- and P-band radiometer observations: A coherent modelling approach // Science of Remote Sensing. 2023. V. 7. Article 100079. DOI: 10.1016/j.srs.2023.100079.
- Brakhasi F., Walker J. P., Judge J. et al. (2024a) Soil moisture profile estimation under bare and vegetated soils using combined L-band and P-band radiometer observations: An incoherent modeling approach // Remote Sensing of Environment. 2024. V. 307. Article 114148. DOI: 10.1016/j.rse.2024.114148.
- Brakhasi F., Walker J. P., Judge J. et al. (2024b) A Comparison of passive microwave emission models for estimating brightness temperature at L- and P-bands under bare and vegetated soil conditions // IEEE J. Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2024. V. 17. P. 2570–2585. DOI: 10.1109/JSTARS.2023.3344764.
- Burke W. J., Schmugge T., Paris J. F. Comparison of 2.8‐ and 21‐cm microwave radiometer observations over soils with emission model calculations // J. Geophysical Research: Oceans. 1979. V. 84. No. C1. P. 287–294. DOI: 10.1029/JC084iC01p00287.
- Chandrasekhar S. Radiative transfer. L.: Oxford University Press, 1950. 393 p.
- Gaikovich K. P. Simultaneous solution of emission transfer and thermal conductivity equations in the problems of atmosphere and subsurface radiothermometry // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1994. V. 32. No. 4. P. 885–889. DOI: 10.1109/36.298016.
- Gaikovich K. P., Reznik A. N., Troitskii R. V. A radiometry method of determining the subsoil temperature profile and depth of soil freezing // Radiophysics and Quantum Electronics. 1989. V. 32. No. 12. P. 1082–1088. DOI: 10.1007/BF01038633.
- Li M., Lang R., Cosh M. P-band and L-band radiometry retrieval of soil moisture and temperature profiles // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2024. V. 62. Article 5301715. 15 p. DOI: 10.1109/TGRS.2024.3416988.
- Liu P.-W., De Roo R. D., England A. W., Judge J. Impact of moisture distribution within the sensing depth on L- and C-band emission in sandy soils // IEEE J. Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2013. V. 6. No. 2. P. 887–899. DOI: 10.1109/JSTARS.2012.2213239.
- Mironov V. L., Muzalevskiy K. V., Savin I. V. (2013a) Retrieving temperature gradient in frozen active layer of Arctic tundra soils from radiothermal observations in L-band—theoretical modeling // IEEE J. Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2013. V. 6. No. 3. P. 1781–1785. DOI: 10.1109/JSTARS.2013.2262108.
- Mironov V. L., Bobrov P. P., Fomin S. V. (2013b) Multirelaxation generalized refractive mixing dielectric model of moist soils // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2013. V. 10. No. 3. P. 603–606. DOI: 10.1109/LGRS.2012.2215574.
- Mironov V. L., Muzalevskiy K. V., Ruzicka Z. Retrieving profile temperatures in a frozen topsoil near the TFS, Alaska, based on SMOS brightness temperatures at the 1.4-GHz frequency // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2016. V. 54. No. 12. P. 7331–7338. DOI: 10.1109/TGRS.2016.2599272.
- Mironov V. L., Karavayskiy A. Yu., Lukin Yu. I., Molostov I. P. A dielectric model of thawed and frozen Arctic soils considering frequency, temperature, texture and dry density // Intern. J. Remote Sensing. 2020. V. 41. No. 10. P. 3845–3865. DOI: 10.1080/01431161.2019.1708506.
- Muzalevskiy K. V. Heat equation-based temperature profiles retrieval in frozen tundra soil using dual-polarized multi-angular brightness temperature observations in L-band // Intern. J. Remote Sensing. 2024. V. 46. No. 4. P. 1864–1884. DOI: 10.1080/01431161.2024.2440670.
- Njoku E. G., Kong J.-A. Theory for passive microwave remote sensing of near-surface soil moisture // J. Geophysical Research. 1977. V. 82. No. 20. P. 3108–3118. DOI: 10.1029/JB082i020p03108.
- Njoku E. G., O’Neill P. E. Multifrequency microwave radiometer measurements of soil moisture // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1982. V. GE-20. No. 4. P. 468–475. DOI: 10.1109/TGRS.1982.350412.
- Schmugge T. J., Choudhury B. J. A comparison of radiative transfer models for predicting the microwave emission from soils // Radio Science. 1981. V. 16. No. 5. P. 927–938. DOI: 10.1029/RS016i005p00927.
- Soil temperature dataset. University of Alaska Fairbanks. Geophysical Institute. Permafrost laboratory // permafrost.gi.alaska.edu. 21.03.2025. https://permafrost.gi.alaska.edu/site/fbn.
- Stogryn A. The brightness temperature of a vertically structured medium // Radio Science. 1970. V. 5. No. 12. P. 1397–1406. DOI: 10.1029/RS005i012p01397.
- Tsang L., Njoku E., Kong J. A. Microwave thermal emission from a stratified medium with nonuniform temperature distribution // J. Applied Physics. 1975. V. 46. No. 12. P. 5127–5133. DOI: 10.1063/1.321571.
- Ulaby F. T., Moore R. K., Fung A. K. Microwave remote sensing: Active and passive. V. 3. From theory to applications. Dedham, MA: Artech House, 1986. 1120 p.
- Wang J. R., Shiue J. C., McMurtrey J. E., III. Microwave remote sensing of soil moisture content over bare and vegetated fields // Geophysical Research Letters. 1980. V. 7. No. 10. P. 801–804. DOI: 10.1029/GL007i010p00801.
- Wang J. R., O’Neill P. E., Jackson T. J., Engman E. T. Multifrequency measurements of the effects of soil moisture, soil texture, and surface roughness // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1983. V. GE-21. No. 1. P. 44–51. DOI: 10.1109/TGRS.1983.350529.
- Wigneron J.-P., Jackson T. J., O’Neill P. et al. Modelling the passive microwave signature from land surfaces: A review of recent results and application to the L-band SMOS and SMAP soil moisture retrieval algorithms // Remote Sensing of Environment. 2017. V. 192. P. 238–262. DOI: 10.1016/j.rse.2017.01.024.
- Wilheit T. T. Radiative transfer in a plane stratified dielectric. NASA Technical reports. No. NASA-TM-X-71051. Greenbelt, MD: Goddard Space Flight Center, 1975. 19 p.
- Wilheit T. T. Radiative transfer in a plane stratified dielectric // IEEE Trans. Geoscience Electronics. 1978. V. 16. No. 2. P. 138–143. DOI: 10.1109/TGE.1978.294577.