Дистанционный мониторинг почв это

Дистанционный почвенный экологический мониторинг

Дистанционный почвенный экологический мониторинг — контроль состояния почв с помощью дистанционных методов. Использование результатов съемки земной поверхности из космоса и аэрофотоснимков позволяет получать информацию с больших площадей. Для дистанционного обследования территории применяют также метод лазерного дистанционного зондирования (ЛДЗ). Установки ЛДЗ могут быть размещены на самолетах или вертолетах сельскохозяйственной авиации. В этом случае обеспечивается сбор информации с больших площадей за короткий промежуток времени, методы ЛДЗ обладают высокой чувствительностью и разрешением.

С помощью дистанционных методов можно осуществлять раннюю диагностику недостаточности элементов минерального питания в почвах; диагностику состояния растительности после обработки гербицидами; диагностику недостаточности содержания влаги в почве; создавать карты текущего состояния почв (степени засоленности, кислотности в данном районе); выявлять различные виды деградации почв. Использование дистанционных методов дает возможность создавать широкомасштабные банки данных по состоянию почв, наблюдать динамику их изменения. Эффективно сочетание наземных и дистанционных наблюдений. Наземный мониторинг, включающий отбор почвенных проб и их анализ, может как предшествовать дистанционному наблюдению, так и следовать за ним в качестве уточняющего этапа.

Дистанционные методы анализа почв основаны на спектральной отражательной способности (СОС) почв — способности почв избирательно поглощать и отражать электромагнитные излучения определенных длин волн в зависимости от химического состава и физического строения поверхности. По изменению спектральных характеристик почв можно оценивать потерю гумуса и изменение его качественного состава, проследить процессы засоления, оподзоливания, развития эрозии и т. д.

Отражение света почвами зависит от их влажности, содержания гумуса, карбонатов, железа, солей, размера агрегатов (Орлов, Суханова, Розанова, 2001). Зависимость эта описывается простыми эмпирическими уравнениями. Для каждой из таких функций общий вид уравнения не зависит от типа почвы, но значения постоянных коэффициентов закономерно изменяются для почв разного генезиса в широких пределах. Таким образом, использование спектральных характеристик позволяет оперативно и объективно оценивать содержание различных красящих компонентов, а по изменению во времени их содержания можно судить о скорости и направлении многих почвенных процессов.

В системе наземного мониторинга для характеристики СОС используют спектральные коэффициенты отражения (СКО). Спектральным коэффициентом отражения называют величину, равную отношению светового потока, рассеянного освещенной поверхностью почвы во всех направлениях, к световому потоку, падающему на эту поверхность в определенном интервале длин волн. СКО определяют в лабораторных условиях на спектрофотометрах типа СФ-10, СФ-14, СФ-18 с применением интегрирующей сферы, где учитывается весь диффузно отраженный от объекта световой поток.

В системе дистанционного мониторинга используются спектральные коэффициенты яркости (СКЯ). Спектральный коэффициент яркости равен отношению интенсивности потока излучения, отраженного поверхностью объекта в каком-либо направлении, к интенсивности потока, отраженного в том же направлении от идеально рассеивающей поверхности. Измерение СКЯ проводят, как правило, с борта самолета, космического корабля, вышки или с руки полевыми спектрометрами. Промышленный выпуск таких приборов в нашей стране, к сожалению, пока не налажен, и исследователи пользуются авторскими экземплярами, изготовленными для каждой конкретной задачи.

Измерение СКЯ в полевых условиях связано с рядом особенностей, так как если в лабораторных условиях получение СКО зависит только от точности прибора, то в полевых условиях необходимо учитыватьвлияние внешних факторов: условия освещения, влажность почвы, степень обработки почвы и т. д. Поэтому для уменьшения погрешности приходится прибегать к увеличению объема выборки.

Наибольшее влияние гумуса на спектральные свойства почв проявляется в области длин волн 700 — 750 нм. Анализ большого набора почв, как современных, так и погребенных, показал, что связь между коэффициентом отражения света при 750 (700) нм и содержанием органического углерода выражается зависимостью, близкой к экспоненциальной. При высоком содержании гумуса окраска почв обусловлена практически только органическим веществом и мало меняется с увеличением его содержания. При уменьшении содержания гумуса отражение начинает быстро нарастать, приближаясь к отражательной способности породы. Такая связь для поверхностных горизонтов почв лесостепной и степной зон описывается функцией вида:

где р — коэффициент спектрального отражения почвы; р0 — то же для безгумусной почвообразующей породы; Pmin — то же Аля многогумусной почвы; Н — содержание гумуса, %; к — константа. При анализе функции р от Н при Н = 0 величина р= р0, при Н>10% величина р = р^ (Виноградов, 1988).

Большие отклонения от средних не позволяют в единичных образцах определять содержание органических веществ в почвах по величине коэффициентов отражения. Но при дистанционных измерениях СКЯ прибор автоматически усредняет значения для больших площадей, что существенно снижает разброс данных и позволяет рекомендовать этот метод для мониторинговых исследований.

На закономерных изменениях СКО по почвенному профилю основана и оценка степени эродированности почв. Вспашка смытых и несмытых почв проводится обычно на одинаковую глубину, при этом наблюдается как бы разбавление верхнего слоя нижележащим горизонтом. Для почв с разной окраской горизонтов по результатам измерения СКО можно оценить степень припахивания нижележащих горизонтов.

Достоверно дешифрируется динамика структур почвенного покрова, связанная с антропогенными нарушениями его в результате водной и ветровой эрозии, вторичного засоления, заболачивания, изменений форм использования земель.

Для оценки загрязнения земной поверхности используются совместно черно-белые и цветные ИК — аэрофотоснимки. При этом выявляются нарушения растительного покрова, свалки, деградация лесов, деградация пастбищ. Дистанционные методы позволяют выявить зоны перевыпаса скота. На аэрофотоснимках прослеживаются все стадии пастбищной дегрессии, удается оценить урожай пастбищных трав с точностью до 50 кг/га и учесть эту информацию. Сравнение изображений в разные годы позволяет выявить ареалы опустынивания и оценить скорости его развития.

Дистанционные наблюдения оказались полезными при выявлении ранних признаков засухи, при оценке интенсивности эоловых процессов, динамики растительного покрова. Наиболее активно используется этот вид наблюдений при мониторинге опустынивания.

Характер кривых яркости позволяет диагностировать засоленные поверхности, различия во влажности, карбонатности почв, степени покрытия их растительностью.

Дистанционные методы пригодны для получения информации о нефтяном загрязнении почв.

Источник

Дистанционный почвенный экологический мониторинг

Дистанционный почвенный экологический монито­ринг — контроль состояния почв с помощью дистанцион­ных методов. Использование результатов съемки земной поверхности из космоса и аэрофотоснимков позволяет получать информацию с больших площадей.

С помощью дистанционных методов можно осущест­влять раннюю диагностику недостаточности элементов минерального питания в почвах; диагностику состояния растительности после обработки гербицидами; диагности­ку недостаточности содержания влаги в почве; создавать карты текущего состояния почв (степени засоленности, кислотности в данном районе); выявлять различные виды деградации почв. Использование дистанционных методов дает возможность создавать широкомасштабные банки данных по состоянию почв, наблюдать динамику их изме­нения. Эффективно сочетание наземных и дистанционных наблюдений. Наземный мониторинг, включающий отбор почвенных проб и их анализ, может как предшествовать дистанционному наблюдению, так и следовать за ним в качестве уточняющего этапа.

Дистанционные методы анализа почв основаны на спектральной отражательной способности (СОС) почв — способности почв избирательно поглощать и отражать электромагнитные излучения определенных длин волн в зависимости от химического состава и физического стро­ения поверхности. По изменению спектральных характе­ристик почв можно оценивать потерю гумуса и изменение его качественного состава, проследить процессы засоления, оподзоливания, развития эрозии и т. д.

Отражение света почвами зависит от их влажности, содержания гумуса, карбонатов, железа, солей, размера агрегатов (Орлов, Суханова, Розанова, 2001).

В системе наземного мониторинга для характеристики СОС используют спектральные коэффициенты отражения (СКО). Спектральным, коэффициентом, отражения называ­ют величину, равную отношению светового потока, рассе­янного освещенной поверхностью почвы во всех направле­ниях, к световому потоку, падающему на эту поверхность в определенном интервале длин волн. СКО определяют в лабораторных условиях на спектрофотометрах типа СФ-10, СФ-14, СФ-18 с применением интегрирующей сферы, где учитывается весь диффузно отраженный от объекта све­товой поток.

В системе дистанционного мониторинга используются спектральные коэффициенты яркости (СКЯ). Спектральный коэффициент яркости равен отношению интенсивности потока излучения, отраженного поверхностью объекта в каком-либо направлении, к интенсивности потока, отра­женного в том же направлении от идеально рассеивающей поверхности. Измерение СКЯ проводят, как правило, с борта самолета, космического корабля, вышки или с руки полевыми спектрометрами. Промышленный выпуск таких приборов в нашей стране, к сожалению, пока не налажен, и исследователи пользуются авторскими экземплярами, изготовленными для каждой конкретной задачи.

Измерение СКЯ в полевых условиях связано с рядом особенностей, так как если в лабораторных условиях по­лучение СКО зависит только от точности прибора, то в полевых условиях необходимо учитывать влияние внешних факторов: условия освещения, влажность почвы, степень об­работки почвы и т. д. Поэтому для уменьшения погрешности приходится прибегать к увеличению объема выборки.

Наибольшее влияние гумуса на спектральные свойства почв проявляется в области длин волн 700 — 750 нм. Анализ большого набора почв, как современных, так и погребенных, показал, что связь между коэффициентом отражения света при 750 (700) нм и содержанием органического углерода выражается зависимостью, близкой к экспоненциальной. При высоком содержании гумуса окраска почв обуслов­лена практически только органическим веществом и мало меняется с увеличением его содержания. При уменьшении содержания гумуса отражение начинает быстро нарастать, приближаясь к отражательной способности породы. Такая связь для поверхностных горизонтов почв лесостепной и степной зон описывается функцией вида:

Р= Pmin + (Ро “ 7 Pmln) Х Є’*”

где р — коэффициент спектрального отражения почвы; р₀ — то же для безгумусной почвообразующей породы; Pmin — то же многогумусной почвы; Н — содержание гумуса, %; к — константа. При анализе функции р от Н при Н = 0 величина р= р₀, при Н>10% величина р = p_mln (Виноградов, 1988).

Большие отклонения от средних не позволяют в единич­ных образцах определять содержание органических веществ в почвах по величине коэффициентов отражения. Но при дистанционных измерениях СКЯ прибор автоматически усредняет значения для больших площадей, что существенно снижает разброс данных и позволяет рекомендовать этот метод для мониторинговых исследований.

На закономерных изменениях СКО по почвенному про­филю основана и оценка степени эродированности почв. Вспашка смытых и несмытых почв проводится обычно на одинаковую глубину, при этом наблюдается как бы разбав­ление верхнего слоя нижележащим горизонтом. Для почв с разной окраской горизонтов по результатам измерения СКО можно оценить степень припахивания нижележащих горизонтов.

Достоверно дешифрируется динамика структур почвен­ного покрова, связанная с антропогенными нарушениями его в результате водной и ветровой эрозии, вторичного засоления, заболачивания, изменений форм использования земель.

Для оценки загрязнения земной поверхности исполь­зуются совместно черно-белые и цветные ИК — аэрофо­тоснимки. При этом выявляются нарушения растительного покрова, свалки, деградация лесов, деградация пастбищ. Дистанционные методы позволяют выявить зоны пере­выпаса скота. На аэрофотоснимках прослеживаются все стадии пастбищной дегрессии, удается оценить урожай пастбищных трав с точностью до 50 кг/га и учесть эту информацию. Сравнение изображений в разные годы поз­воляет выявить ареалы опустынивания и оценить скорости его развития.

Дистанционные наблюдения оказались полезными при выявлении ранних признаков засухи, при оценке интенсив­ности эоловых процессов, динамики растительного покрова. Наиболее активно используется этот вид наблюдений при мониторинге опустынивания.

Характер кривых яркости позволяет диагностировать засоленные поверхности, различия во влажности, карбо- натности почв, степени покрытия их растительностью. Дис­танционные методы пригодны для получения информации о нефтяном загрязнении почв.

Источник

Мониторинг состояния почв с применением метода дистанционного зондирования земли

МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ПОЧВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

(к. т.н., доцент кафедры МДиГ КарГТУ, Караганда (магистрант кафедры МД и Г, КарГТУ, Караганда) (магистрант кафедры МД и Г, КарГТУ, Караганда

Сельскохозяйственные угодия занимают около 36% миро­вого земельного фонда, покрытые лесом площади 28%, ан­тропогенные ландшафты 3%.

Причинами уменьшения площадей сельхозугодий явля­ется нарушение и деградация почвенного покрова, отвод земель под застройку городов, поселков и промышленных предприятий. Почвы на территории Карагандинской агло­мерации загрязнены тяжелыми металлами и другими ток­сичными веществами. Для рекультивации нарушенных зе­мель, восстановления деградированных земельных угодий предлагается проводить периодический космический мони­торинг.

Для изучения окружающей среды и наблюдения за по­чвенным составом земель сельскохозяйственного назначе­ния актуально использование систем спутникового позици­онирования.

В настоящее время существуют два основных способа дистанционного получения информации о поверхности Земли: оптические системы, использующие солнечный свет (пассивные системы) и радарные системы с собственным источником излучения (активные системы).(рисунок 2)

Метод дистанционного зондирования заключается в том, что любой объект излучает и отражает электромагнитную энергию в соответствии с особенностями его природы. Раз-

личия в длинах волн и интенсивности излучения могут быть использованы для изучения свойств удаленного объекта без непосредственного контакта с ним.

Радиолокационная съемка обеспечивает получение изо­бражений земной поверхности и объектов, расположенных на ней, независимо от погодных условий, в дневное и ноч­ное время благодаря принципу активной радиолокации: от­правление зондирующих сигналов излучающей антенной и прием отраженных сигналов с последующим преобразо­ванием их в изображения или извлечением информации о разности фаз посланного и отраженного сигнала.

Наблюдение и контроль за состоянием почвенного по­крова не подразумевает управление его качеством, однако необходимым условием такого управления качеством явля­ется правильная организация системы мониторинга.

Главным преимуществом космических съемок и наблю­дений — получение характеристик состояния земель на гло-бальном и региональном уровнях.

Мониторинг состояния сельскохозяйственных земель осуществляется в зависимости от сроков и периодичности проведения съемок. Существует 3 группы наблюдений:

базовые (исходные, фиксирующие состояние объектов наблюдений на момент начала ведения мониторинга зе­мель); периодические (через год и более); оперативные (фиксирующие текущие изменения).

Данные космической радиолокационной съемки суще­ственно отличаются от данных получаемых из космоса в оптическом диапазоне, в первую очередь, тем, что при съемке регистрируются амплитуда и фаза сигнала. Для работы с радиолокационными изображениями начальных уровней обработки требуется специализированное про­граммное обеспечение. Одним из наиболее современных программных комплексов, позволяющим выполнять пол­ную обработку радиолокационных данных является ENVI. Это модульное программное обеспечение, в котором ре­ализована поддержка современных радиолокационных данных. — Наблюдение производится космическими спут­никами Земли Terra-Sar, SPOT, ALOS (Palsar), IKONOS, WorkdView и т. д.

Обработка полученных снимков производится в про­граммных комплексах ENVI, NEST 4 C

Далее производится анализ обработанных данных и со­ставляется предполагаемый прогноз изменения состояния почвенного покрова.

Материалы космической съемки могут помочь как для решения комплексных задач управления сельскохозяй­ственными территориями, так и в узкоспециализирован­ных направлениях.

Типичными задачами космического мониторинга явля­ются: инвентаризация сельскохозяйственных земель, за­болачивания, засоленности и опустынивания, определение состава почв и т. д. При систематической повторяемости съемок — наблюдение за динамикой развития сельскохозяй­ственных культур и прогнозирование урожайности. Зная,

комплексе ние вегетационного периода можно по тону изображения

полей судить об их агротехническом состоянии.

1. Общие принципы и технологии радарной (SAR) съемки. Пространственные данные, 2008.

2. Космические средства при мониторинге Земли

Источник