И.А. Сидоров1, Г.А. Гудков2, Е.П. Новичихин3, С.В. Чижиков4

1–4 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (Москва, Россия)
2 ООО «НПИ ФИРМА ГИПЕРИОН» (Москва, Россия)
3 Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (г. Фрязино, Московская область, Россия)
1 igorasidorov@yandex.ru, 2 ggudkov967@gmail.com, 3 epnov@mail.ru, 4 chigikov95@mail.ru

Постановка проблемы. В настоящее время актуальным является метод СВЧ-радиометрии – метод дистанционного зондирования земной поверхности, который представляет большой научный и практический интерес для сельского хозяйства.

Цель. Оценить актуальность и технологические приоритеты агроинженерных приложений беспилотной микроволновой влажностно-температурной радиометрии, сравнить этот подход к определению влажности почвы применением с альтернативных методов.

Результаты. Выделены приоритеты и преимущества использования беспилотной микроволновой влажностно-температурной радиометрии в сельском хозяйстве. Отмечены препятствия в развитии этой технологии.

Практическая значимость. Результаты исследования могут быть использованы для принятия решений в области технологического обновления и совершенствования технологических процедур в аграрном секторе, что позволит повысить эффективность производства, снизить затраты и улучшить качество продукции. Также статья может быть полезна для специалистов, работающих в области разработки и внедрения инновационных технологий.

Сидоров И.А., Гудков Г.А., Новичихин Е.П., Чижиков С.В. Радиометрический метод измерения температуры и влажности почвы // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2024. Т. 16. № 1. С. 50–60. DOI: https://doi.org/10.18127/j22250980-202401-04

1. Труфуляк Е.В., Курченко Н.Ю., Креймер А.С. Точное земледелие: состояние и перспективы. Краснодар: КубГаУ. 2018. 27 с.
2. Плаксин И.Е., Трифанов А.В., Плаксин С.И. Анализ применения автоматизированных и роботизированных комплексов в сельском хозяйстве // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 97. С. 73–83. DOI: 10.24411/0131-5226-2018-10091.
3. Сидоров И.А., Гудков А.Г., Шашурин В.Д., Чижиков С.В., Новичихин Е.П., Хохлов Н.Ф., Порохов И.О., Пчелинцев В.Э., Агандеев Р.В. Дистанционное определение влажностного портрета дамбы СВЧ-радиометром с борта беспилотного летательного аппарата // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2022. Т. 14. № 3. С. 5−13. DOI: https://doi.org/10.18127/j22250980-202203-01.
4. Хохлов Н.Ф., Сидоров И.А., Гудков А.Г., Соловьев Ю.В., Чижиков С.В., Агандеев Р.В., Гордиенко Д.В. Актуальные аргументы и технологические приоритеты агроинженерных приложений перспективных разработок беспилотной микроволновой влажностно-температурной радиометрии на основе SWOT-анализа // Нанотехнологии: разработка и применение – XXI век. 2023. Т. 15. № 2. С. 64−75. DOI: https://doi.org/10.18127/j22250980-202302-06
5. Snehlata K. Soil moisture estimation using microwave remote sensing – a literature review. SGVUJ CLIM Change WATER. 2021. V. 8. P. 55−72. URL: https://www.gyanvihar.org/journals/wp-content/uploads/2021/07/MS-JCCW-05.pdf.
6. Weiss M., Jacob F., Duveiller G. Remote sensing for agricultural application: A meta-review. Remote Sensing of Enviroment. 2020. 236. 19h. URL: https://hal.inrae.fr/hal-02627117/document.
7. Zhang H., Wang L., Tian T., Yin J. A Review of Unmanned Aerial Vehicle Low-Altitude Remote Sensing (UAV-LARS) Use in Agricultural Monitoring in China. R emote Sens. 2021. 13(6). 1221. DOI: https://doi.org/10.3390/rs13061221.
8. Сидоров И.А. Методы определения влажности почвы для системы точного земледелия // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2018. № 4. Т. 10. С. 44–50.
9. Balaghi S., Ghal-Eh N., Mohammadi A., Vega-Carrillo H.R. A neutron scattering soil moisture measurement system with a linear response. Appl Radiat Isot. 2018 Dec. V. 142. P. 167–172. DOI: 10.1016/j.apradiso.2018.10.002. Epub 2018 Oct 8. PMID: 30326442.
10. Ghaemifard M., Ghal-Eh N., Najafabadi R.I., Vega-Carrillo H.R. Angular distribution of scattered neutrons as a tool for soil moisture measurement: A feasibility study. Appl Radiat Isot. 2020. Jun. V. 160. P. 109131. DOI: 10.1016/j.apradiso. 2020. 109131. Epub 2020 Mar 15. PMID: 32351223.
11. Sidorov I.A., Shutko A.M., Haarbrink R.B. and others. Practical microwave radiometric risk assessment. Professor Marin Drinov Academic Publishing House Sofia. 2010. 88 p.
12. Сидоров И.А. Методы определения влажности почвы для системы точного земледелия // Нанотехнологии: разработка, применение — XXI век. 2018. № 4. С. 44–50. DOI 10.18127/j22250980-201804-06.
13. Сидоров И.А. Научная школа «Пассивные радиолокационные системы»: История возникновения и развития // Радиотехника. 2013. № 1. С. 117–119.
14. Trebbels D., Kern A., Fellhauer F., Hübner C., Zengerle R. Miniaturized FPGA-based high-resolution time-domain reflectometer. IEEE Trans. 2013. Instrum Meas. 62. P. 2101–2113.
15. Will B., Crnojević-Bengin V., Kitić G. Microwave soil moisture sensors. In Proc. 43rd Europ. Microw. Conf. (Nuremberg, 2013).
     P. 862–865.
16. Will B., Rolfes I. A miniaturized soil moisture sensor based on time domain transmissiometry. Proc. SensorApplic. Symp. (Qneenstown, 2014). P. 233-236. DOI: 10.1109/SAS.2014.6798952.
17. Nohlert J., Cerullo L., Winges J., Rylander T., McKelvey T., Holmgren A., Gradinarsky L., Folestad S., Viberg M., Rasmuson A. Global monitoring of fluidized-bed process by means of microwave cavity resonances. 2014. Meas. 55. P. 520–535.
18. Нугманов С.С., Иваськевич А.В. Методика и результаты лабораторных исследований по измерению влажности почвы электрическим методом // Изв. Самарской государственной сельскохозяйственной академии. 2007. № 3. С. 11–13.
19. Хархардинов Н.А., Болотов А.Г., Сидоров И.А., Чижиков С.В., Агандеев Р.В., Гордиенко Д.В., Гудков Г.А. Экспериментальная установка комплексного оборудования для радиометрического дистанционного определения портретов влажности почвы и погодного мониторинга на полигоне ВНИИМЗ // Электромагнитные волны и электронные системы. 2023. Т. 28. № 5. С. 42−48. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202305-05.
20. Sidorov I.A., Gudkov A.G., Agasieva S.V., Khokhlov N.F., Chernikov A.S., Vagapov Y. A portable microwave radiometer for proximal measurement of soil permittivity. Computers and Electronics in Agriculture. 2022. V. 198. DOI: https://doi.org/10.1016/ j.compag.2022.107076.
21. Сидоров И.А., Гудков А.Г., Новичихин Е.П., Леушин В.Ю., Хохлов Н.Ф., Болотов А.Г., Чижиков С.В. Результаты натурных экспериментов по дистанционному определению портретов влажности почвы (часть 1) // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2022. T. 14. № 4. С. 5-17. DOI: https://doi.org/10.18127/j22250980-202204-01.
22. Сидоров И.А., Гудков А.Г., Новичихин Е.П., Хохлов Н.Ф., Болотов А.Г., Чижиков С.В., Пчелинцев В.Э., Синавчиан В.С. Результаты натурных экспериментов по дистанционному определению портретов влажности почвы (часть 2) // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2023. Т. 15. № 1. С. 41–53. DOI: https://doi.org/10.18127/j22250980-202301-04.
23. Parrens M., Wigneron J.-P., Richaume P., Mialon A., Al Bitar A., Fernandez-Moran R., Al-Yaari A., Kerr Y.H. Global-scale surface roughness effects at L-band as estimated from SMOS observations. Remote Sensing of Environment. 2016. V. 181. P. 122–136. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rse.2016.04.006.dfd .
24. Jackson T.J., Schmugge T.J. Vegetation effects on the microwave emission of soils. Remote Sensing of Environment. 1991. V. 36. Is. 3. P. 203–212. DOI: https://doi.org/10.1016/0034-4257(91)90057-D.
25. Jackson T.J., Schmugge T.J. Vegetation effects on the microwave emission of soils. Remote Sensing of Environment. 1991. V. 36. Is. 3. P. 203–212. ISSN 0034-4257. DOI: https://doi.org/10.1016/0034-4257(91)90057-D.
26. Saleh K., Wigneron J.-P., Waldteufel P., de Rosnay P., Schwank M., Calvet J.-C., Kerr Y.H. Estimates of surface soil moisture under grass covers using L-band radiometry. Remote Sensing of Environment. 2007. V. 109. Is. 1. P. 42–53. ISSN 0034-4257. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rse.2006.12.002.
27. Martens B., Lievens H., Colliander A., Jackson T.J., Verhoest N.E.C. Estimating Effective Roughness Parameters of the L-MEB Model for Soil Moisture Retrieval Using Passive Microwave Observations From SMAPVEX12. In: IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, July 2015. V. 53. № 7. P. 4091–4103. DOI: 10.1109/TGRS.2015.2390259.
28. Alvarez-Mozos J., Casali J., Gonzalez-Audicana M., Verhoest N.E.C. Assessment of the operational applicability of RADARSAT-1 data for surface soil moisture estimation. In: IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, April 2006. V. 44. № 4. P. 913–924. DOI: 10.1109/TGRS.2005.862248.
29. Сидоров И.А., Гудков А.Г., Чижиков С.В., Леушин В.Ю. Особенности функционирования СВЧ-радиометров в условиях внешних помех // РЭНСИТ: Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2023. № 15(3). С. 223–234. DOI: 10.17725/rensit.2023.15.223.
30. Bindlish R., Jackson T., Sun R., Cosh M., Yueh S., Dinardo S. Combined Passive and Active Microwave Observations of Soil Moisture During CLASIC. In: IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. Oct. 2009. V. 6. № 4. P. 644–648. DOI: 10.1109/LGRS.2009.2028441.
31. Barber M., Bruscantini C., Grings F., Karszenbaum H. Bayesian Combined Active/Passive (B-CAP) Soil Moisture Retrieval Algorithm. In: IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. Dec. 2016. V. 9. № 12. P. 5449–5460. DOI: 10.1109/JSTARS.2016.2611491.
32. Сидоров И.А., Новичихин Е.П., Гудков А.Г., Чижиков С.В., Болотов А.Г., Хохлов Н.Ф., Порохов И.О. Моделирование процесса приема собственного радиотеплового излучения земной поверхности // РЭНСИТ: Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2022. № 14(4). С. 349–362. DOI: 10.17725/rensit.2022.14.349.
33. Сидоров И.А., Гудков А.Г., Новичихин Е.П., Чижиков С.В., Порохов И.О. Радиометрический метод получения портретов влажности почвы для исследования гидрологии дамб // РЭНСИТ: Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2023. № 15(2). С. 125–132. DOI: 10.17725/rensit.2023.15.125.
34. СВЧ-радиометрия земной и водной поверхности: от теории к практике / Под ред. В.С. Вербы, Ю.В. Гуляева, А.М. Шутко, В.Ф. Крапивина. София: Акад. изд-во им. проф. Марина Дринова. 2014. 295 с.
35. Сидоров И.А., Хохлов Н.Ф., Новичихин Е.П., Леушин В.Ю. Результаты натурного эксперимента по дистанционному измерению влажности почвы двухполяризационным радиометром на полях для выращивания Мискантуса // «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». 2021. № 3. С. 438–439. ISSN: 2619-1628.
36. Сидоров И.А., Гудков А.Г., Обливанцов В.В., Ермолов П.П., Новичихин Е.П., Леушин В.Ю., Агандеев Р.В. Радиометрическое дистанционное определение портретов влажности почвы на винограднике в Крыму // Электромагнитные волны и электронные системы. 2022. Т. 27. № 5. С. 65−70. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202205-09.
37. Wan X., Li X., Jang T., Zheng X., et al. High-Resolution Imaging of Radiation Brightness Temperature Obtained by Drone-Borne Microwave Radiometer. Remote Sens. 2023. V. 15(3). P. 832. DOI: https://doi.org/10.3390/rs15030832.
38. Кокошкин А.В., Новичихин Е.П., Сидоров И.А., Гудков А.Г., Чижиков С.В. Особенности реконструкции изображений по частично измеренной радиоголограмме // Электромагнитные волны и электронные системы. 2023. Т. 28. № 6. С. 26−31. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202305-03.
39. Colliander A., Njoku E.G., Jackson T.J., Chazanoff S., McNairn H., Powers J., Cosh M.H., Retrieving soil moisture for non-forested areas using PALS radiometer measurements in SMAPVEX12 field campaign. Remote Sensing of Environment, 2016. V. 184. P. 86–100. ISSN 0034-4257. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rse.2016.06.001.
40. Archer F., Shutko A., Coleman T., Haldin A., Sidorov I., Novichikhin E. Microwave Remote Sensing of Land Surface from Mobile Platform: The Alabama 2003–2005 Experiment. Abstract. To be presented at “The Int 7IEEE 2006 Geoscience & Remote Sensing Symposium (IGARSS'06)”. Denver, CO, USA. 2006.
41. Schmugge T., Jackson T.J., Kustas W.P., Wang J.R. Passive microwave remote sensing of soil moisture: results from HAPEX, FIFE and MONSOON 90. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 1992. V. 47. Iss. 2–3. Pages 127–143. ISSN 0924-2716. DOI: https://doi.org/10.1016/0924-2716(92)90029-9.
42. McNairn H. et al. The Soil Moisture Active Passive Validation Experiment 2012 (SMAPVEX12): Prelaunch Calibration and Validation of the SMAP Soil Moisture Algorithms. In: IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. May 2015. V. 53. № 5. P. 2784–2801. DOI: 10.1109/TGRS.2014.2364913.
43. Wilson W.J. et al. Passive active L- and S-band (PALS) microwave sensor for ocean salinity and soil moisture measurements. In: IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. May 2001. V. 39. № 5. P. 1039–1048. DOI: 10.1109/36.921422.
44. Mohanty B.P., Cosh M.H., Lakshmi V., Montzka C. Soil Moisture Remote Sensing: State-of-the-Science. Vadose Zone Journal. 2017. V. 16. P. 1–9. vzj2016.10.0105. DOI: https://doi.org/10.2136/vzj2016.10.0105/
45. Wigneron J.-P., Jackson T.J., O’Neill P., De Lannoy G., de Rosnay P., Walker J.P., Ferrazzoli P., Mironov V., Bircher S., Grant J.P., Kurum M., Schwank M., Munoz-Sabater J., Das N., Royer A., Al-Yaari A., Al Bitar A., Fernandez-Moran R., Lawrence H., Mialon A., Parrens M., Richaume P., Delwart S., Kerr Y. Modelling the passive microwave signature from land surfaces: A review of recent results and application to the L-band SMOS & SMAP soil moisture retrieval algorithms. Remote Sensing of Environment. 2017. V. 192. P. 238–262. ISSN 0034-4257. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rse.2017.01.024.
46. Colliander A., Cosh M.H., Sidharth Misra, Jackson T.J., Crow W.T., Chan S., Bindlish R., Chunsik Chae, Holifield Collins Ch., Yueh S.H. Validation and scaling of soil moisture in a semi-arid environment: SMAP validation experiment 2015 (SMAPVEX15). Remote Sensing of Environment. 2017. V. 196. P. 101–112. ISSN 0034-4257. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rse.2017.04.022.
47. Chan S.K., Bindlish R., O’Neill P., Jackson T., Njoku E., Dunbar S., Chaubell J., Piepmeier J., Yueh S., Entekhabi D., Colliander A., Chen F., Cosh M.H., Caldwell T., Walker J., Berg A., McNairn H., Thibeault M., Martínez-Fernández J., Uldall F., Seyfried M., Bosch D., Starks P., Holifield Collins C., Prueger J., van der Velde R., Asanuma J., Palecki M., Small E.E., Zreda M., Calvet J., Crow W.T., Kerr Y. Development and assessment of the SMAP enhanced passive soil moisture product. Remote Sensing of Environment. 2018. V. 204. P. 931–941. ISSN 0034-4257. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rse.2017.08.025.