Дистанційні методи досліджень та моніторингу еродованих грунтів

У різних видах наукової і практичної діяльності людини здавна використовують метод спостереження – спосіб пізнання, що застосовується на відносно тривалому, цілеспрямованому та планомірному сприйнятті предметів і явищ навколишньої дійсності. Уже у XX столітті в науці виник термін моніторинг на позначення системи повторних цілеспрямованих спостережень за одним або більш елементами навколишнього природного середовища в просторі і часі.

Дистанційні методи (ДМ, learning without touching) дослідження еродованих грунтів – це зйомка поверхні грунту без входження у фізичний контакт із цією поверхнею, яка здійснюється за допомогою літального апарату або наземної платформи із системами реєстрації електромагнітних або гравітаційних полів у заздалегідь визначеному діапазоні радіовипромінювань з отриманням інформації у вигляді зображень, регістрограм, масового числового матеріалу тощо.

Історично першим ДМ дослідження і моніторингу еродованих земель була аерофотозйомка (АФЗ), початок її застосування належить до першої чверті XX століття. Збагатило АФЗ упровадження кольорової й інфрачервоної фотографій. У 1960-ті роки з'явилися радар і мікрохвильова радіометрія, теплова інфрачервона зйомка тощо. Як носії апаратури для ДМ (платформу) почали застосовуватися літаки, повітряні кулі, супутники, космічні станції тощо.

Завдяки перетворенню поглинутої енергії на тепло наземні об'єкти можуть бути вторинним джерелом випромінювання і здатні випромінювати деяку частину поглиненої енергії за умови, що їх власна температура вище абсолютного нуля. Видима зона спектра (0,4-0,7 мкм) найбільш інформативна за спектральною характеристикою. Головні рослинні покриви та типи грунтів звичайно характеризуються різними кривими яскравості (коефіцієнт яскравості (Я) змінюється від 0 до 1) і важливими частинами спектра – синім (ρ_с = 0,44 мкм), зеленим (ρ_с = 0,54 мкм), червоним (ρ_с = 0,68 мкм) та найближчим інфрачервоним (ρ_с = 0,78 мкм). Оптичні властивості оцінюються зональним співвідношенням Q, яке є часткою від ділення різниці коефіцієнтів спектральної яскравості в різних головних частках спектра, що порівнюються, до їх суми.

Енергія, випромінювана в далекій інфрачервоній частині спектра (більш 3-4 мкм), – показник температури об'єкта. Тому ця ділянка спектра ще має назву теплові інфрачервоні промені. У разі наявності достатніх знань і допоміжних даних можна інтерпретувати випроменену енергію в діапазоні 7-15 мкм, через яку можна визначити як окремі властивості грунтів, так і оцінювати стан рослин. Однак через те, що випромінювання енергії непрозорим тілом тісно пов'язане з температурою його поверхні, важливо знати фактори, що визначають температуру об'єктів у польових умовах.

Для головних типів грунтів вже заміряні криві коефіцієнта спектральної яскравості, зокрема їх генетичного горизонту А₁ (рис. 2.5). Зокрема, торф'янисті підзолисті грунти мають низьку яскравість по всьому діапазону видимої частини спектру, що пов'язано з високим вмістом органічної речовини в грунті. Деяке збільшення яскравості в червоній та зелених частинах спектру мотивується високим вмістом фульвокислот у грунті та вмістом оксидів заліза. Дерново-підзолисті грунти мають більш високу яскравість і вирівняну криву розподілу спектра, що пов'язано з високим вмістом гумусу. Сірі лісові грунти мають ще більший вміст гумусу, а тому їхня загальна яскравість у всіх частинах спектра невелика, але в червоній частині трохи збільшена. Чорноземи звичайні з вмістом гумусу в 6-8% мають найнижчий середній коефіцієнт яскравості за вирівняним ходом кривої спектрального коефіцієнта яскравості. Каштанові грунти містять менше гумусу, більшу кількість карбонатів, мають більш високі коефіцієнти яскравості (до 0,07-0,14) з максимумом в оранжево-червоній частині спектра з Q_ч-c до 0,33. Солонці при низькому вмісті гумусу та великій кількості окисного заліза мають порівняно високий коефіцієнт яскравості з помітним підвищенням кривої в зеленій частині спектру і максимумом у жовтій. Солончаки з великим вмістом на поверхні солей, що легко розчинюються, мають найвищу яскравість серед грунтів із відносно високими її значеннями в синій частині спектра. Q_ч-c = 0,20.

Рис. 2.5. Коефіцієнти яскравості грунтів (Симакова, Савин, 1998)

Але найбільше (крім вмісту гумусу, звичайно) на відбивні властивості грунту впливає його структура. Безструктурні грунти відбивають на 15-23% більше світла, ніж структурні. Наявність вологи в грунті зменшує відбите світло у видимій та інфрачервоній частині спектра. Найбільш велике зниження цих показників спостерігається при вологості грунту, близькій до повної вологомісткості.

У той же час домінуюча роль гумусу в спектральній характеристиці грунту спостерігається лише тоді, коли його вміст в орному шарі більш ніж 2% (Шатохин, Лындин, 2001). В інших випадках спектральні характеристики визначаються вмістом мулу, глини, заліза тощо. Вміст глини визначає відбивні властивості грунту в жовтогарячій частині спектра. Що стосується визначення гранулометричного складу грунтів, то в діапазоні 0,5-2,5 мкм як для умов відсутності органічної речовини глинистих, так і для піщаних грунтів яскравість монотонно збільшується. Причому яскравість глинистих грунтів завжди більша за яскравість важко суглинкових та піщаних.

Порівняння відбиття світла грунтами США у видимій та інфрачервоній частині показало (Зборощук, 1992), що вміст мулу має високу кореляцію в кожному спектральному інтервалі. У рівняннях регресії показники вмісту мулу та гумусу були головними у видимій частині спектра, в інфрачервоному діапазоні лише в трьох випадках з п'ятнадцяти, другу позицію в рівняннях регресії займала ємність катіонного обміну. А в інтервалі 1,49- 1,91 мкм вже на другу позицію виходить вміст вільного заліза.

Дослідження показали також (Шатохин, Лындин, 2001) тісні лінійні залежності між яскравістю космічного зображення супутника Landsat-4 та складом і властивостями еродованих чорноземів Північного Донецького Степу (вмістом гумусу, гранулометричним складом). При цьому яскравість у діапазоні 0,45-0,52 мкм визначається вмістом гумусу на 69%, а яскравість діапазону 1,55-1,75 мкм вмістом фракцій < 0,05 мм і > 0,05 мм на 73%. Були отримані моделі визначення вмісту гумусу і фізичної глини за яскравостями космічного зображення поверхні еродованих чорноземів звичайних, не вкритих рослинністю, покладені в основу розробки електронних картограм вмісту гумусу та (або), фізичної глини. Розроблено моделі індикації вмісту гумусу і гумусованості грунтового профілю чорноземів за кількісними показниками рельєфу.

Таким чином, застосування дистанційних методів дозволяє проводити моніторинг еродованих грунтів та картування практично в реальному часі, враховуючи швидкі сучасні зміни як в організації території, так і у власності. Але найбільш ефективним є використання дистанційних методів у поєднанні з сучасними інформаційними технологіями.