Кронберг П.
Дистанційне вивчення Землі: Основи і методи дистанційних досліджень в геології

Відбиваюча і поглинальна здатності грунтів

Загалом грунт відбиває падаючий на неї світловий потік дуже слабо [51, 222]. Зі збільшенням довжини хвилі падаючого потоку енергії збільшується частка (у відсотках) потужності відбитого потоку. Найбільш яскраво виражена спектральна характеристика грунтів у червоній частині спектру, в ближньому, середньому і тепловому діапазонах інфрачервоного випромінювання. Якісні та кількісні відмінності спектральних характеристик різновидів ґрунтів у цих діапазонах дозволяють розпізнавати їх і розшифровувати. При мультиспектральних зйомках для розпізнавання і класифікації грунтів в цих діапазонах для зручності отримані дані можна представити у вигляді контрастно покращених зображень, тобто провести числову обробку даних і отримати ратіо-зображення (див. розд. 5.3.11).

На спектральне відбивання, поглинання і випромінювання грунтів впливають матеріально обумовлені і матеріально не обумовлені параметри, з яких перш за все за значимістю виділяються: мінеральний склад, зернистість (або розмір часток), вміст сполук заліза і органічних сполук (гумусу), а також структура і вирівняність поверхні ґрунтів. З точки зору різночасного, повторного або фенологічного дистанційного зондування [170] матеріально обумовлені параметри можуть бути представлені у міру їх відносної сталості і за зміною виразності, а також за взаємодією так, як показано на схемі.

Серед матеріально обумовлених параметрів мінеральний склад, який визначає спектральну характеристику грунту, займає перше місце. Саме властивостями окремих мінералів, що впливають на коефіцієнти спектрального відбивання і поглинання, визначаються спектральні характеристики грунту і величина сигналу. Властивості деяких мінералів (кварцу, польового шпату, карбонатів, слюд і т.д.) розглядалися нами в попередньому розділі цієї глави за опублікованими матеріалами [116-128].

Але на відбивання і поглинання енергії падаючого світлового потоку грунтами істотно впливають не тільки їх мінеральний склад, але й співвідношення піщаної і глинистої частин грунту, вміст оксидів та гідроксидів заліза, вид і кількість органічної речовини.

Дуже великий вплив на співвідношення відбивання і поглинання енергії світлового потоку, за даними опублікованих досліджень [34, 225, 281], чинять структура верхнього шару грунту і розподіл в ньому частинок (окремих зерен або мінеральних агрегатів) різних розмірів [211]. Ці параметри пов'язані з мінеральним складом і впливають на ті властивості грунту, які визначають процеси відбивання і поглинання енергії на її поверхні та величину відбивання падаючого світлового потоку (альбедо).

На думку багатьох дослідників [34, 211, 225, 281, 170], можна вважати доведеним, що розмір зерен мінералів в грунті, тобто частинок грунту, і їх просторовий розподіл (організація, текстура) у верхньому грунтовому шарі впливають на співвідношення спектрального відбивання і спектрального поглинання грунтів. Розмірність і впорядкованість частинок пов'язані з мінеральним складом і обумовлюють структуру і властивості поверхні грунту і тим самим впливають на вид і інтенсивність процесів відбивання і поглинання та на відношення величини відбитого потоку випромінювання до падаючого потоку енергії (альбедо).

На думку вищезгаданих дослідників, частка відбитого потоку енергії змінюється зі зміною розміру зерен, або частинок, грунту. Щільна упаковка тонкозернистих мінералів у грунті створює відносно рівні поверхні, які відбивають сильніше, ніж грубі, шорсткі або нерівні поверхні. Більші мінерали або частки грунту неправильної форми, навпаки, створюють відносно складну, нерівну шорстку поверхню грунту. На цих нерівностях – в порах і просторі між ними – виникає багаторазове відбивання, що призводить до збільшення поглинання енергії падаючого потоку випромінювання і відповідно до зменшення реєстрованої частки відбитого потоку випромінювання. Це характерно як для цілинних грунтів, так і в більшій мірі для окультурених грунтів сільськогосподарських районів. Тут структури і властивості поверхні ґрунтів залежать від виду їх щорічного використання [287]. У зв'язку з цим можна очікувати, що поверхні глинистих або мулистих, так само як тонкозернистих, грунтів будуть нерівними, якщо в цих грунтах в посушливий час утворилися провали і структури всихання, які відповідно впливають на процеси відбивання і поглинання енергії сонячної радіації.

При сравнении данных лабораторных и полевых измерений [211] ожидалось, что измерения спектральной яркости или величины отражения ненарушенных (целинных) почв на местности и проб аналогичных почв в лаборатории можно будет сравнивать по величине. Так, интенсивность отражения песков на местности выше, чем почв с высоким содержанием глинистой или илистой фракции. Это становится очевидным даже на аэрофотоснимках, так как пески кажутся всегда светлее, чем глины и богатые глиноземом почвы. В лаборатории же пробы песка в спектре излучения от 0,45 до 2,5 мкм показали меньшую спектральную яркость, чем пробы, содержащие глинозем. Основываясь на разнице в спектральной яркости ненарушенных поверхностей почв, наблюдаемой при натурных и лабораторных измерениях, можно прийти к следующему. Сглаженные поверхности тонкозернистых глин в лаборатории отражают лучи сильнее, чем сглаженные, но сравнительно шероховатые поверхности песчаных почв. На местности поверхности песчаных почв в сравнении со структурой поверхности размытых и затем высохших глинистых и илистых почв выглядят более гладкими, выровненными. Поэтому пески отражают относительно сильнее, чем неровные поверхности глин и суглинков. Из этого примера очевидно, что обусловленные составом и окружающей средой параметры очень по-разному влияют на спектральные характеристики почв и соответственно их поверхностей. Эту взаимообусловленность и возможность сложения или вычитания вышеназванных параметров необходимо учитывать при проведении измерений дистанционными методами.

Сильно влияют на соотношение отражения и поглощения и на цвет почв содержание в них и вид органического вещества и соединений железа. Свободные окислы железа и его гидроокислы в коротковолновой части видимого диапазона уменьшают, а в длинноволновой и ближней инфракрасной – увеличивают отражательную способность (спектральную яркость) почв. По наблюдениям Обухова и Орлова [222] диапазон 0,5-0,64 мкм имеет особое значение для распознавания Fe-содержащих (прежде всего гётита) почв. Стонер и Баумгарднер [286] установили сильное различие спектрального отражения в ближней и особенно в средних инфракрасных зонах, основанное на содержании железистых соединений в пробах почв, которые использовались для определения стандартной цветности (по Мунселлу) почв в видимом диапазоне. С увеличением содержания окислов железа (особенно гематита) уменьшается отражение. При этом сканером с каналами среднего инфракрасного диапазона регистрируется больший разброс значений радиационных температур для железосодержащих (в большей или меньшей степени) почв, особенно в тропических и субтропических климатических зонах, а также средиземноморской климатической провинции (ср. разд. 3.2.1 и 3.2.2).

Уменьшенное содержание гумуса (особенно в пределах от 0 до 8%) также снижает интенсивность спектрального отражения почв в зоне более 0,6 мкм [328]. Но такое влияние гумуса может уменьшаться высоким содержанием глинистых минералов или глинозема. Содержанием органики, кроме того, определяется способность почв удерживать, накапливать и сохранять влажность. Влажность сама по себе воздействует на характер спектрального отражения (и спектрального излучения) на разных участках почвы (разд. 3.2.2.). Вид и фракция, а также ионный состав органического вещества в почвах существенно влияют на ее структуру и тем самым на силу ионного обмена в ней. Определение гумусовой фракции в почвах имеет большое значение для оценки возможностей хозяйственного использования почв. Так как гумусовая составляющая почв влияет на их характеристики в некоторых спектральных каналах, то при компьютерной обработке данных мультиспектральных съемок почвенных участков с различным содержанием гумуса была сделана попытка выделить такие участки [18, 154]. Таким образом, была построена карта тестового района с пятью разновидностями (по содержанию гумуса от 1,5 до 7%) почв. Аналогичные исследования позднее провел Кордсен [55]. Сильное влияние на спектральные характеристики почвы в видимой и ближней инфракрасной частях оптического диапазона оказывает влажность, т. е. содержание в ней воды. С повышением влажности увеличивается спектральная яркость всех почв независимо от длины волны излучения (как это представлено на рис. 16-21) [34]. В сухих почвах пустоты между частицами почвы заполнены воздухом. Для отражения с поверхности сухих почв имеет значение коэффициент преломления на граничной поверхности воздух-частица. Увеличение влажности приводит к заполнению пор водой. Для отражательной способности поверхности влажной почвы важен показатель отражения на граничной поверхности вода-частица. Так как величина такого расчетного показателя на граничной поверхности вода-частица меньше, чем показателя поверхности воздух - частица, то доля отраженной энергии потока излучения с уменьшением содержания воды будет уменьшаться [112]. Влажные и мокрые почвы на многозональных изображениях всегда имеют более темные тона, чем аналогичные сухие почвы. Эта взаимосвязь между содержанием воды в почве и ее спектральной яркостью используется в дистанционном зондировании. Участки сухих и влажных почв распознаются и по величине спектральной яркости. Из распределения сухих и влажных почв на местности можно по совокупности с другими критериями сделать выводы о свойствах нижнего почвенного слоя и его основания, или субстрата (пористости, проницаемости, прочности), и о возможности его инженерного использования, о его дренировании, а также о содержании в нем грунтовых вод.

Спектральна відбивна здатність сухих і вологих суглинків у видимому, ближньому ІЧ та середньому ІЧ-діапазонах
Рис. 16. Спектральна відбивна здатність сухих і вологих суглинків у видимому, ближньому ІЧ та середньому ІЧ-діапазонах [186]
Спектральна відбивна здатність сухих і вологих піщаних грунтів
Рис. 17. Спектральна відбивна здатність сухих і вологих піщаних грунтів [186]
Спектральна відбивна здатність чорнозему у видимому і ближньому ІЧ-діапазонах
Рис. 18. Спектральна відбивна здатність чорнозему у видимому і ближньому ІЧ-діапазонах [51]
Спектральна відбивна здатність мулистих грунтів, штат Арканзас, у видимому і ближньому ІЧ-діапазонах
Рис. 19. Спектральна відбивна здатність мулистих грунтів, штат Арканзас, у видимому і ближньому ІЧ-діапазонах [51]
Спектральна відбивна здатність червоних кварцових пісків (Юта) у видимому і ближньому ІЧ-діапазонах Спектральна відбивна здатність і латеритних грунтів (Віргінія) у видимому і ближньому ІЧ-діапазонах
Рис. 20. Спектральна відбивна здатність (а) червоних кварцових пісків (Моньюмент-Валлі, штат Юта) і (б) латеритних грунтів (5 миль на північ від Шарлоттсвілль, штат Віргінія) у видимому і ближньому ІЧ-діапазонах [51]
Спектральна відбивна здатність глинистих грунтів у видимому і ближньому ІЧ-діапазонахСпектральна відбивна здатність піщаних грунтів у видимому і ближньому ІЧ-діапазонах
Рис. 21. Спектральна відбивна здатність глинистих і піщаних грунтів у видимому і ближньому ІЧ-діапазонах [51].

а - глини, в 3 милях на схід від Паріса, шт. Міссурі;
б - піски, в 20 милях на північ від затоки Кус, шт. Орегон

Скачати повну версію книжки (з малюнками, картами, схемами і таблицями) одним файлом