Journal of Communications Technology and ElectronicsJournal of Communications Technology and ElectronicsРадиотехника и электроника0033-84943034-5901The Russian Academy of Sciences68145710.31857/S0033849424070025HZGWBMELECTRODYNAMICS AND RADIO WAVE PROPAGATIONЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛНResearch ArticleUsing an unmanned aerial vehicle for soil moisture remote sensing by means of ultra-wideband electromagnetic impulsesЗондирование влажности почвы сверхширокополосными электромагнитными импульсами с борта беспилотного летательного аппаратаMuzalevskiyK. V.МузалевскийК. В.
Russian Federation
rsdkm@ksc.krasn.ruFominS. V.ФоминС. В.
Russian Federation
rsdkm@ksc.krasn.ruKaravayskiyA. Yu.КаравайскийА. Ю.
Russian Federation
rsdkm@ksc.krasn.ruRuzickaZ.РужичкаЗ.
Russian Federation
rsdkm@ksc.krasn.ruLeskovaYu. A.ЛесковаЮ. А.
Russian Federation
rsdkm@ksc.krasn.ruLipshinA. G.ЛипшинА. Г.
Russian Federation
rsdkm@ksc.krasn.ruRomanovV. N.РомановВ. Н.
Russian Federation
rsdkm@ksc.krasn.ruKirensky Institute of Physics Federal Research Center KSC Siberian Branch Russian Academy of SciencesИнститут физики им. Л. В. Киренского СО РАН — обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАНKrasnoyarsk Research Institute of Agriculture Federal Research Center KSC Siberian Branch Russian Academy of SciencesКрасноярский научно-исследовательский институт сельского хозяйства — обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН1507202469760962130052025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://innoscience.ru/0033-8494/article/view/681457

Under long-time experiments, the possibility of remote sensing of soil moisture with ultra-wideband (UWB) electromagnetic impulses from an unmanned aerial vehicle (UAV) was investigated. The soil surface of test sites with varying degrees of roughness was under fallow in conditions of natural moisture, drying, and periodic harrowing. The soil moisture was found by inverse problem solving, while minimizing the norm of discrepancy between the module of reflection coefficients, which were calculated using the Fresnel formula (for dielectrically homogeneous half-space) and the average values, measured at different hovering heights of the UAV over the sensing test sites. During the experiments from June 12 to September 28, 2022, the achievability of practically significant accuracy of remote sensing of volumetric soil moisture on the test sites in a 6—7 cm topsoil with a standard deviation of less than 4 % (relative to the weighted-drying measurements of soil samples, in-situ collected) was demonstrated. As a result, it was shown that in the frequency range of the sensing impulse from 456 MHz to 1014 MHz, the influence of diffuse scattering of waves on random soil surface roughness (standard deviations of the heights of roughness less than 2 cm) can be neglected within the above-mentioned error in the soil moisture retrieval.

В ходе долговременных экспериментов продемонстрирована возможность дистанционного зондирования сверхширокополосными электромагнитными импульсами, с борта беспилотного летательного аппарата (БПЛА) влажности почвенного покрова, различной степени шероховатости, находящегося под паром в условиях естественного увлажнения, высыхания и периодического боронования. Влажность почвы была определена в ходе решения обратной задачи о минимизации нормы невязки между модулями коэффициента отражения, которые были рассчитаны по формуле Френеля (диэлектрически однородное полупространство) и средними значениями, измеренными при различной высоте зависания БПЛА над площадками зондирования. В ходе экспериментов с 12 июня по 28 сентября 2022 г. показана достижимость практически значимой точности дистанционного зондирования объемной влажности почвы тестовых участков в поверхностном слое толщиной 6…7 см со среднеквадратическим отклонением менее 4 % (относительно контактных измерений in-situ). Установлено, что в диапазоне частот зондирующего импульса 456…1014 МГц можно пренебречь влиянием диффузного рассеяния волн на случайных неровностях поверхности почвенного покрова тестовых участков (среднеквадратические отклонения высот неровностей меньше 2 см) в пределах указанной выше погрешности восстановления влажности почвы.

Remote sensingradiolocationunmanned aerial vehicleultra-wideband impulsessoil moisturesoil surface roughnessДистанционное зондированиерадиолокациябеспилотный летательный аппаратсверхширокополосные импульсывлажность почвшероховатость поверхности почвыРоссийский научный фондRussian Science Foundation22-17-20042Красноярский краевой фонд наукиKrasnoyarsk Regional Science Foundation42Precision Agriculture Evolution, Insights and Emerging Trends/Ed. by Q. Zaman. L.: Acad. Press, 2023.Gudkov A. G., Agasieva S.V., Sidorov I.A. et al. // Computers and Electronics in Agriculture. 2022. V. 198. № 10. Р. 107076.Shutko A.M., Golovachev S.P., Novichikhin E.P. et al. // Proc. 2006 IEEE MicroRad. San Juan. 28 Feb — 02 Mar. N.Y.:IEEE, 2006. P. 82.Egido A., Paloscia S., Motte E. et al. // IEEE J. Select. Topics Appl. Earth Observ. Remote Sensing. 2014. V. 7. № 5. P. 1522.Wu K., Rodriguez G.A., Zajc M. et al. // Remote Sens Environ. 2019. V. 235. № 111456. Р. 1.Oh Y., Sarabandi K., Ulaby F. T. // IEEE Trans. 1992. V. GRS-30. № 2. P. 370.Arcone S.A., Larson R.W. // IEEE Trans. 1988. V. GRS-26. № 1. P. 89.Cheng Q., Su Q., Binley A. et al. // Water Resources Research. 2023. V. 59. No. e2022WR032621. Р. 1.Jonard F., Weihermüller L., Vereecken H., Lambot S. // Geophysics. 2012. V. 77. № 1. P. H1.Jonard F., Weihermuller L., Jadoon K. Z. et al. // IEEE Trans. 2011. V. GRS-49. № 8. P. 2863.Jonard F., André F., Pinel N. et al. // IEEE Trans. 2019. V. GRS-57. № 10. P. 7671.Frédéric A., Jonard F., Jonard M. et al. // Remote Sensing. 2019. V. 11. № 7. P. 1.Landron O., Feuerstein M.J., Rappaport T.S. // IEEE Trans. 1996. V. AP-44. № 3. P. 341.Muzalevskiy K. // Intern. J. Remote Sensing. 2021. V. 42. № 7. P. 2377.Lambot S., Antoine M., van den Bosch I. et al. // Vadose Zone J. 2004. V. 3. № 4. P. 1063.Schmugge T., Wilheit W., Webster Jr., Gloersen P. Remote Sensing of Soil Moisture with Microwave Radiometers-II. NASA Technical Note. № D-8321. Washington: NACA, 1976. 39p. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19760025537/downloads/19760025537.pdfBrakhasi F., Walker J.P., Ye N. et al. // Sci. Remote Sensing. 2023. V. 7. P. 100079.Yardim C. et al. // IEEE Trans. 2022. V. GRS-60. № 4300312. P. 1.Mousavi S., De Roo R., Sarabandi K., England A.W. // IEEE Geosci. Remote Sensing Lett. 2019. V. 16. № 10. P. 1526.Tran A.P., Bogaert P., Wiaux F. et al. // J. Hydrology. 2015. V. 523. P. 252.Topp G.C., Davis J.L., Annan A.P. // Water Resour. Res. 1980. V. 16. № 3. P. 574.Tosti F., Ciampoli L.B., Calvi A. et al. // J. Appl. Geophys. 2013. V. 97. P. 69.Muzalevskiy K. // IEEE Antennas and Wireless Propagation Lett. 2023. V. 22. № 9. P. 2140.Yarlequé M. A., Alvarez S., Martínez H.J. et al. // 2017 Int. Conf. on Electromagnetics in Advanced Applications. Verona. 11-17 Sept. 2017. N.Y.: IEEE, 2017. P. 1646.Музалевский К.В. // Изв. вузов. Радиофизика. 2022. Т. 65. № 8. С. 677.Mironov V. L., Bobrov P. P., Fomin S. V. // 2013 Int. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON), Krasnoyarsk. 12-13 Sept. N.Y.: IEEE, 2013. Paper No. 6693613.