Кронберг П.
Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии

Отражательная и поглощательная способности почв

3.3. Почвы

3.3.1. Отражательная и поглощательная способности почв

В принципе почва отражает падающий на нее световой поток очень слабо [51, 222]. С увеличением длины волны падающего потока энергии увеличивается доля (в процентах) мощности отраженного потока. Наиболее ярко выражена спектральная характеристика почв в красной части спектра, в ближнем, среднем и тепловом диапазонах инфракрасного излучения. Качественные и количественные различия спектральных характеристик разновидностей почв в этих диапазонах позволяют распознавать их и дешифрировать. При мультиспектральных съемках для распознавания и классификации почв в этих диапазонах для удобства полученные данные можно представить в виде контрастно улучшенного изображения, т. е. провести числовую обработку данных и получить ратио-изображения (см. разд. 5.3.11).
На спектральное отражение, поглощение и излучение почв влияют вещественно обусловленные и вещественно не обусловленные параметры, из которых прежде всего по значимости выделяются: минеральный состав, зернистость (или размер частиц), содержание соединений железа и органических соединений (гумуса), а также структура и выровненность поверхности почв. С точки зрения разновременного, повторного или фенологического дистанционного зондирования [170] вещественно обусловленные параметры могут быть представлены по мере их относительного постоянства и по изменениям выраженности, а также по взаимодействию так, как показано на схеме.

Схема (доступно только при скачивании полной версии)

Среди вещественно обусловленных параметров минеральный состав, определяющий спектральную характеристику почвы, занимает первое место. Именно свойствами отдельных минералов, влияющих на коэффициенты спектрального отражения и поглощения, определяются спектральная характеристика почвы и величина сигнала. Свойства некоторых минералов (кварца, полевых шпатов, карбонатов, слюд и т.д.) рассматривались нами в предыдущем разделе этой главы по опубликованным материалам [116-128].
Но на отражение и поглощение энергии падающего светового потока почвами существенно влияют не только их минеральный состав, но и соотношение песчаной и глинистой частей почвы, содержание окислов и гидроокислов железа, вид и количество органического вещества.
Очень большое влияние на соотношение отражения и поглощения энергии светового потока, по данным опубликованных исследований [34, 225, 281], оказывают структура верхнего слоя почвы и распределение в нем частиц (отдельных зерен или минеральных агрегатов) разных размеров [211]. Эти параметры связаны с минеральным составом и влияют на те свойства почвы, которые определяют процессы отражения и поглощения энергии на ее поверхности и, следовательно, величину отражения падающего светового потока (альбедо).
По мнению многих исследователей [34, 211, 225, 281, 170], можно считать доказанным, что размер зерен минералов в почве, т. е. частиц почвы, и их пространственное распределение (организация, текстура) в верхнем почвенном слое влияют на соотношение спектрального отражения и спектрального поглощения почв. Размерность и упорядоченность частиц связаны с минеральным составом и обусловливают структуру и свойства поверхности почвы и тем самым влияют на вид и интенсивность процессов отражения и поглощения и на отношение величины отраженного потока излучения к падающему потоку энергии (альбедо).
По мнению вышеупомянутых исследователей, доля отраженного потока энергии изменяется с изменением размера зерен, или частиц, почвы. Плотная упаковка тонкозернистых минералов в почве создает относительно ровные поверхности, которые отражают сильнее, чем грубые, шероховатые или неровные поверхности. Более крупные минералы или частицы почвы неправильной формы, наоборот, создают относительно сложную, неровную шероховатую поверхность почвы. На этих неровностях – в порах и межпоровом пространстве – возникает многократное отражение, что приводит к увеличению поглощения энергии падающего потока излучения и соответственно к уменьшению регистрируемой доли отраженного потока излучения. Это характерно как для целинных (невозделываемых) почв, так и в большей мере для окультуренных почв сельскохозяйственных районов. Здесь структуры и свойства поверхности почв зависят от вида их ежегодного использования [287]. В связи с этим можно ожидать, что поверхности глинистых или илистых, так же как тонкозернистых, почв будут неровными, если в этих почвах в засушливое время образовались провалы и структуры усыхания, которые соответствующе влияют на процессы отражения и поглощения энергии солнечной радиации.
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.

Рис. 16. Спектральная отражательная способность сухих и влажных суглинков в видимом, ближнем ИК и среднем ИК-диапазонах [186]. (доступно только при скачивании полной версии)

Рис. 17. Спектральная отражательная способность сухих и влажных песчаных почв [186]. (доступно только при скачивании полной версии)

Рис. 18. Спектральная отражательная способность чернозема в видимом и ближнем ИК-диапазонах [51]. (доступно только при скачивании полной версии)

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