Отражательная и поглотительная способности почв

В принципе почва отражает падающий на нее световой поток очень слабо. 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.

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.

Схема

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.

Но, в отличие от отражательной способности горных пород, 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.

Важным параметром является размер частиц почвы (размер зерен минералов), а именно соотношение песчаной и глинистой фракций. Почвы, характе­ризующиеся пористой, ноздреватой или трещиноватой поверх­ностью, в значительно большей степени поглощают поток ЭМИ, и соответственно выделяются меньшими отражательными па­раметрами, чем почвы с плотной поверхностью.

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. В связи с этим 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.

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.

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.

Светло- и темноцветные минералы, в разных количествах вхо­дящие в состав почв могут значительно менять их свойства.

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 диапазон 0,5-0,64 мкм имеет особое значение для распознавания Fe-содержащих (прежде всего гётита) почв. Стонер и Баумгарднер 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.

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..

Рис. 16. Спектральная отражательная способность сухих и влажных суглинков в видимом, ближнем ИК и среднем ИК-диапазонах [186].

Рис. 17. Спектральная отражательная способность сухих и влажных песчаных почв [186].

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

Рис. 19. Спектральная отражательная способность илистых почв, шт. Арканзас, в видимом и ближнем ИК-диапазонах [51]. (доступно только при скачивании полной версии)

Рис. 20.. Спектральная отражательная способность (а) красных кварцевых песков и (б) латеритных почв.

К независимым от материала (или вещества) параметрам, которые определяют соотношения спектрального отражения и поглощения почвы, относятся: рельеф местности, топографическая позиция почвы, высота над уровнем моря, наклон поверхности почвы и ее ориентировка по отношению к Солнцу, вид и плотность растительности и всевозможные случайные факторы. Вариации этих параметров определяют, какое количество солнечной энергии получит поверхность почвы в течение дня или определенного промежутка дневного времени.

Направление и наклон солнечных лучей к поверхности Земли меняются в течение дня и в зависимости от времени года; соответственно изменяются интенсивность потока солнечной энергии к поверхности Земли и величина спектрального сигнала почвы в определенной ландшафтной зоне. Наконец, ориентировка поверхности по отношению к съемочной аппаратуре, к сенсорам на борту самолета или спутника, и рассеяние света в атмосфере и на окружающих объектах, так же как и взаимодействие отраженного от поверхности почвы импульса потока энергии с атмосферой, оказывают свое влияние на величину спектрального сигнала, регистрируемого съемочной аппаратурой, и соответственно на яркость изображения объекта на аэрокосмическом снимке.

Рассмотрим результаты специальных фотометрических исследований спектральных характеристик 285 проб почвы из разных районов США [51]. Измерения проводились в лаборатории. Каждый раз измерялись спектральные яркости сухой и влажной пробы. Широта диапазона измерений составляла от 0,32 до 1 мкм, диаметр площадки измерения - около 3 см. Обработка методами математической статистики 160 графиков измерений (кривых спектрального отражения) показала, что по своей форме кривые разделяются на три основные группы по типам почв. Внутри этих групп графики спектрального отражения некоторых типов почв имеют общие тенденции, хотя интенсивность спектрального отражения и уровень мощности отраженного потока могут изменяться от одного типа почв к другому.

К первому типу [51] отнесены черноземы (рис. 18). Для графиков этого типа характерно, что наклон кривой от начала и до конца остается примерно одинаковым, хотя интенсивность спектрального отражения возрастает с длиной волны излучения. Второй тип почв характеризуется довольно быстрым увеличением интенсивности отражения, особенно в интервале между 0,32 и 0,45 мкм, затем следует в характеризуемых частях спектра выполаживание при повышении положения кривой (рис. 19). Третий тип представлен двумя графиками интенсивности спектрального отражения красного известковистого кварцевого песчаника и латеритов (рис. 20). На обоих графиках кривые интенсивности отражательной способности плавно поднимаются от ультрафиолетовой зоны спектра до 0,53 мкм, затем следует четкий перегиб и возрастание до 0,58 мкм, а далее не менее четкое выполаживание кривых. В интервале 0,62-0,74 мкм имеется заметное возрастание отражающей способности, после 0,74 мкм – ее некоторое снижение и далее возрастание интенсивности отражения с длиной волны. На некоторых других семействах кривых этого типа имеется локальный минимум примерно между 0,76 и 0,88 мкм, после которого наклон кривой остается постоянным.