DETERMINATION OF THE FOREST ENVIRONMENT DENSITY WITH THE USE OF GPR “EYE-2”

Abstract

In the report the author present results of studies of the forest environment characteristics with the use of GPR “Eye-2”. The technique of operational remote determination of the forest environment density, based on GPR technology with accuracy of 5 %, is proposed.

Full Text

Известно, что на территории России леса покры- электрические параметры лесной растительности вают площадь свыше 7 млн км2, из них в Предбайка- ^л и ε^, так и плотность (густоту) лесной среды. лье и Забайкалье - 960 тыс. км2 (60 % территории). В литературе имеется ограниченное количество экс- Главную роль в Сибири играют хвойные леса - со- периментальных данных [1], полученных в различсна, лиственница, ель, кедр. Из лиственных пород ных физико-географических условиях (субтропики, наиболее широко распространены береза и осина. европейская часть России, Северная Америка). Су- Сосновые леса, преобладающие в регионе, обычно ществует определенная связь между типом деревьев растут на сухих песчаных грунтах и южных склонах и геоэлектрическим разрезом подстилающей среды. гор. Высота деревьев изменяется от 5 до 30 м, Например, для песчаных грунтов, на которых растут в среднем 10-20 м; диаметр ствола - от 0,1 до 0,8 м, сосновые леса, характерны геоэлектрические разре-в среднем 0,15-0,35 м. На открытых местах высота зы типа σ! < σ2, где σ! = 0,4-3,3; σ2 = 3,7-24 мСм/м; деревьев ниже, чем в густом лесу. Для прогнозиро- hi = 5-38 м. Горные породы хребтов, покрытых левания распространения радиоволн вдоль земной по- сом, имеют обычно геоэлектрический разрез типа верхности, покрытой лесом, необходимо знать как σ1 > σ2, где σ1 < 1-3 мСм/м. 132 Вестник СибГАУ. № 5 (51). 2013 Методика и результаты. Для исследования характеристик лесной среды (хвойного леса) использовался георадар «Око-2» с антенными блоками АБ-250, АБ-400 и АБ-1700 производства ООО «Логис» (Москва). Центральные частоты антенных блоков 250, 400 и 1 700 МГц, которым соответствуют длины волн 1,2, 0,75 и 0,18 м. Лес облучается георадаром, установленным на движущемся вдоль лесной дороги автомобиле. Участок леса с видом со спутника и по ходу движения автомобиля представлен на рис. 1. Стрелкой показана траектория движения. Ствол дерева представляет собой вертикальный цилиндрический переизлучатель, имеющий существенно отличные от приземного воздуха электродинамические параметры: удельную электрическую про- См/м и диэлектрическую водимость σί] = 10-2-10-3 проницаемость είΙ = 4-30. На радарограммах 100 м профиля зондирования лесного массива тремя антенными блоками с вертикальной поляризацией (рис. 2) четко выделяются отражения от стволов деревьев в виде гипербол. На радарограмме с антенным блоком АБ-1700 при наилучшем пространственном разреше нии не хватает временной развертки для охвата лесного массива на глубину более 10 м (рис. 2, а). Рада-рограмма с наиболее низкочастотным антенным блоком АБ-250 демонстрирует нехватку пространственного разрешения близко стоящих деревьев в правой части и недостаточное соотношение «сигнал/шум» с увеличением расстояния более 10 м в глубину лесного массива (рис. 2, б). Радарограмма с антенным блоком АБ-400 показывает наилучшее соотношение сигнал/шум, что позволяет идентифицировать гиперболы (отражения) от отдельных стволов деревьев вплоть до 30 м в глубину лесного массива. В большой степени это обусловлено оптоэлектронной (гальванической) развязкой антенного блока АБ-400 и блоком управления георадара, которой нет у антенных блоков АБ-1700 и АБ-250. Горизонтальная поляризация зондирующего сигнала дает менее четкую радарограмму лесного массива (рис. 2, г). Этот эффект обусловлен тем, что при параллельной стволу дерева поляризации зондирующего электромагнитного импульсного поля (Е-компонента) эффективная площадь рассеяния дерева будет выше. а Рис. 1. Вид участка с карты Google (а) и тестовый участок лесного массива (б). Стрелкой показана траектория движения автомобиля с георадаром «Око-2» с антенным блоком АБ-400 133 Раздел 2. Радиофизические методы диагностики окружающей среды. Алгоритмы, инструменты и результаты г Рис. 2. Радарограммы лесного массива. Георадар «Око-2»: а - АБ-1700 (вертикальная поляризация; б - АБ-250 (вертикальная поляризация); в - АБ-400 (вертикальная поляризация); г - АБ-400 (горизонтальная поляризация) 134 Вестник СибГАУ. № 5 (51). 2013 Рис. 3. Радарограмма лесного массива. Расположение стволов деревьев обозначено точками. Белым прямоугольником выделен тестовый участок 10 х 100 м Подсчет количества гипербол на заданной площади дает возможность оперативно и производительно определить плотность лесного массива (рис. 3). В эксперименте, выполненном георадаром «Око-2» с антенным блоком АБ-400 на центральной частоте 400 МГ ц (λ = 75 см) на тестовом участке леса 10x100 м [10 ар] выделено 64 гиперболы отраженного сигнала от стволов хвойных (сосновых) деревьев, обозначенных на рис. 3 точками. Сравнение с фактическим количеством деревьев показало 3 пропуска из-за эффекта затенения при близком расположении стволов, что составляет 95,5 % от истинного количества деревьев. В результате исследования лесного массива георадаром «Око-2» с различными антенными блоками предложена методика оперативного дистанционного определения плотности лесного массива на основе георадарной технологии с погрешностью 5 %.