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 порівнянні даних лабораторних та польових вимірювань [211] очікувалося, що вимірювання спектральної яскравості або величини відбивання непорушених (цілинних) грунтів на місцевості і проб аналогічних грунтів в лабораторії можна буде порівнювати за величиною. Так, інтенсивність відбивання пісків на місцевості вища, ніж грунтів з високим вмістом глинистої або мулистої фракцій. Це стає очевидним навіть на аерофотознімках, так як піски здаються завжди світлішими, ніж глини і багаті глиноземом грунти. У лабораторії ж проби піску в спектрі випромінювання від 0,45 до 2,5 мкм показали меншу спектральну яскравість, ніж проби, що містять глинозем. Грунтуючись на різниці в спектральної яскравості непорушених поверхонь грунтів, що спостерігається при натурних і лабораторних вимірах, можна прийти до наступного. Згладжені поверхні тонкозернистих глин в лабораторії відображають промені сильніше, ніж згладжені, але порівняно шорсткі поверхні піщаних грунтів. На місцевості поверхні піщаних грунтів в порівнянні зі структурою поверхні розмитих і потім висохлих глинистих і мулистих грунтів виглядають більш гладкими, вирівняними. Тому піски відбивають відносно сильніше, ніж нерівні поверхні глин і суглинків. З цього прикладу очевидно, що обумовлені складом і навколишнім середовищем параметри дуже по-різному впливають на спектральні характеристики грунтів і відповідно їх поверхонь. Цю взаємозумовленість і можливість додавання або віднімання вищеназваних параметрів необхідно враховувати при проведенні вимірювань дистанційними методами.

Сильно впливають на співвідношення відбивання і поглинання та на колір грунтів вміст у них і вид органічної речовини і сполук заліза. Вільні оксиди заліза і його гідроксиди в короткохвильовій частині видимого діапазону зменшують, а в довгохвильовій і ближній інфрачервоній – збільшують відбивну здатність (спектральну яскравість) грунтів. За спостереженнями Обухова та Орлова [222] діапазон 0,5-0,64 мкм має особливе значення для розпізнавання залізовмісних (перш за все гетиту) грунтів. Стонер і Баумгарднер [286] встановили сильне розходження спектрального відбивання в ближній і, особливо, в середній інфрачервоних зонах, засноване на утриманні залізистих сполук у пробах ґрунтів, які використовувалися для визначення стандартної кольоровості (по Мунселлу) грунтів у видимому діапазоні. Зі збільшенням вмісту оксидів заліза (особливо гематиту) зменшується відбивання. При цьому сканером з каналами середнього інфрачервоного діапазону реєструється більший розкид значень радіаційних температур для залізовмісних (більшою чи меншою мірою) грунтів, особливо в тропічних і субтропічних кліматичних зонах, а також середземноморської кліматичної провінції (розд. 3.2.1 і 3.2.2 ).

Зменшений вміст гумусу (особливо в межах від 0 до 8%) також знижує інтенсивність спектрального відбивання грунтів у зоні більш 0,6 мкм [328]. Але такий вплив гумусу може зменшуватися високим вмістом глинистих мінералів або глинозему. Вмістом органіки, крім того, визначається здатність ґрунтів утримувати, накопичувати і зберігати вологість. Вологість сама по собі впливає на характер спектрального відбивання (і спектрального випромінювання) на різних ділянках грунту (розд. 3.2.2.). Вид і фракція, а також іонний склад органічної речовини в грунтах істотно впливають на їх структуру і тим самим на силу іонного обміну в них. Визначення гумусової фракції в грунтах має велике значення для оцінки можливостей господарського використання грунтів. Так як гумусова складова грунтів впливає на їхні характеристики в деяких спектральних каналах, то при комп'ютерній обробці даних мультиспектральних зйомок ґрунтових ділянок з різним вмістом гумусу була зроблена спроба виділити такі ділянки [18, 154]. Таким чином, була побудована карта тестового району з п'ятьма різновидами (за вмістом гумусу від 1,5 до 7%) ґрунтів. Аналогічні дослідження пізніше провів Кордс [55]. Сильний вплив на спектральні характеристики грунту в видимій і ближній інфрачервоній частинах оптичного діапазону чинить вологість, тобто вміст в ньому води. З підвищенням вологості збільшується спектральна яскравість всіх грунтів незалежно від довжини хвилі випромінювання (як це представлено на рис. 16-21) [34]. У сухих ґрунтах порожнини між частками грунту заповнені повітрям. Для відбивання з поверхні сухих ґрунтів має значення коефіцієнт заломлення на граничній поверхні повітря-частка. Збільшення вологості призводить до заповнення пор водою. Для відбивної здатності поверхні вологого грунту важливий показник відбивання на граничній поверхні вода-частка. Так як величина такого розрахункового показника на граничній поверхні вода-частка менша, ніж показник поверхні повітря-частка, то частка відбитої енергії потоку випромінювання зі зменшенням вмісту води буде зменшуватися [112]. Вологі і мокрі грунти на багатозональних зображеннях завжди мають більш темні тони, ніж аналогічні сухі грунти. Цей взаємозв'язок між вмістом води в грунті і їх спектральною яскравістю використовується в дистанційному зондуванні. Ділянки сухих і вологих ґрунтів розпізнаються і по величині спектральної яскравості. З розподілу сухих і вологих ґрунтів на місцевості можна за сукупністю з іншими критеріями зробити висновки про властивості нижнього грунтового шару і його основи, або субстрату (пористості, проникності, міцності), і про можливість його інженерного використання, про його дренованість, а також про вміст в ньому грунтових 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