Сподіваємося, що наші попередні пости показали всю складність та довели важливість процесу створення ґрунтових карт. Потужним та перспективним засобом полегшення та вдосконалення цього процесу є дистанційне зондування (ДЗ). Цей термін тлумачиться дуже вільно й охоплює безліч варіантів одержання інформації в залежності від використаного діапазону електромагнітних хвиль, застосованої апаратури та її носія.
В цьому пості ми поговоримо про моніторинг ґрунтів та ґрунтове картографування з використанням космічних знімків. Дещо про використання різних методів дистанційних досліджень ми вже розповідали в попередньому пості.
Чому супутникові дані?
Такий вибір невипадковий. В картографуванні ґрунтів космічна зйомка досі є лідером серед інших методів ДЗ за співвідношенням ціна-якість. Порівняно з аерозйомкою супутникові дані є значно дешевшими, а їх детальність навіть за десятиметрової просторової роздільної здатності є достатньою для задоволення більшості потреб великомасштабного ґрунтового картографування [1]. Якщо ж додати тенденцію до розширення кола ресурсів, які представляють вільні дані супутникової зйомки, то привабливість космічного зондування для ґрунтознавців стає ще більшою. Вагомою альтернативою йому стає зйомка, що виконується за допомогою БПЛА. Її головною перевагою є висока мобільність та вибірковість, але і “ціна питання” досі ще залишається доволі високою.
Щодо вибору діапазонів зйомки
Видимий діапазон є найбільш доступним для досліджень ґрунту. Цьому сприяє історичний хід розвитку дистанційного зондування ґрунтів, яке традиційно орієнтувалось на зорове сприйняття інформації людиною. Це пояснюється тим, що по-перше “дистанційне ґрунтознавство”, розпочиналось в 30х роках минулого сторіччя з аерофотозйомки та спроб дешифрувати ґрунти за фотознімками, а по-друге, для діагностики ґрунтів саме їх природне забарвлення, що сприймається у видимому діапазоні є незамінною та надважливою інтегральною характеристикою.
Забарвлення природних ґрунтів має величезну кількість відтінків, що навіть надихає митців на створення вражаючих кольорових панно.
Джерело: Soil library Japan
Джерело
Японський художник Коічі Куріта, що захоплюється кольоровими можливостями ґрунтів, створює справжні витвори мистецтва із зразків ґрунтів, які він щоденно збирає з 1990 року. На фото – палітри природних кольорів ґрунту, що представлені в арт-проекті Коічі Куріти «Бібліотека ґрунту».
Колір, або якщо точніше, забарвлення ґрунтів, обумовлюється різним поєднанням у їх складі забарвлених органічних та мінеральних сполук. Суміші у різних співвідношеннях та взаємодія окремих різнобарвних речовин створюють індивідуальне забарвлення ґрунту в кожній конкретній точці.
Залежність найбільш поширених видів забарвлення ґрунтів від вмісту відповідних пігментуючих речовин ілюструє класичний «трикутник Захарова», що вже майже сторіччя не зникає зі сторінок підручників ґрунтознавства. В трикутнику відсутні синьо-зелені відтінки, які додають ґрунтам відновлені сполуки заліза, та й кількість «барвників» в ґрунті значно більша за наведену, а гумусові сполуки мають не лише чорний колір. Але для розуміння формування забарвлення ґрунту у першому наближенні це досить слушна схема.
Трикутник С.О. Захарова (1927). Демонструє, що інтегральне забарвлення ґрунту формується в результаті змішування чорного кольору органічних речовин, червоного – окисного заліза та білого кольору карбонатів, кремнезему та оксиду алюмінію.
Крім того, на формування відбитого сигналу у видимому діапазоні впливає і щільність ґрунту, і дисперсність ґрунтових часток та їх агрегованість, тобто розмір та співвідношення кількості грудочок ґрунту різного розміру. Саме тому польові дороги на орних землях виглядають світлими смугами, хоча за всіма показниками хімічного складу ґрунт дороги та поля ідентичний.
(с) Digital Globe
Приклад впливу щільності ґрунту та шорсткості поверхні (спричинена різним обробітком ґрунту) на сприйняття забарвлення ґрунту у видимому діапазоні
Не можна забувати й про вологість ґрунту. Вологість – це фактор, який настільки сильно впливає на відбивання світла ґрунтом, що обов’язковою умовою дистанційних досліджень ґрунтового покриву є підбір знімків, на яких поверхня ґрунтів знаходиться у повітряно-сухому стані.
Дещо докладніше про колір ґрунту, його визначення та діагностичну роль можна прочитати в чудовій статті Д.С. Орлова. За двадцять років, що минули з часів її написання, обізнаність ґрунтознавців щодо теорії відбивання видимого світла ґрунтом залишилась майже на тому ж самому, нажаль недостатньому рівні. А отже, наразі дані зйомки ґрунтів у видимому діапазоні дозволяють оцінювати досить обмежений набір властивостей ґрунтів.
Інфрачервоний діапазон (ІЧ). Під цим терміном розуміють широку смугу електромагнітного спектру від ближнього ІЧ, до дальнього, теплового випромінювання. Відповідно, і відображення ґрунтів в різних зонах інфрачервоного діапазону буде обумовлюватись самими різними причинами – від будови молекул органічних речовин та коливань молекул в плівках міцнозв’язаної води, до температури ґрунту. А отже й діагностичні можливості ІЧ спектру є дуже широкими. Найчастіше для моніторингу та картографування ґрунтів використовують ближній ІЧ діапазон, що чутливий до вмісту гумусу в ґрунтах, вмісту сполук заліза та вологості.
Гіперспектральне сканування
Гіперспекральне сканування – це дослідження відображення об’єкту за великою кількістю вузьких спекральних каналів, незалежно від діапазону спектру. Перші роботи із використання гіперспектрального сканування для моніторингу ґрунтів в Україні проводились в Інституті ґрунтознавства та агрохімії імені О.Н. Соколовського ще на початку дев’яностих років минулого сторіччя. Групою ґрунтознавців на чолі з А.В. Шатохіним проводились дослідження профілів ґрунтів з використанням стаціонарного спектрофотометра Полас-Океан, в діапазоні довжин хвиль від 425 до 795 нм за 512 спектральними каналами з інтервалом в 0,1 нм та за допомогою лабораторного ІЧ спектрометра PSCO/ISI IBM 4250 в діапазоні хвиль 1620-2320 нм за 375 спектральними каналами.
Дослідження проводились в лабораторних умовах. Зразки ґрунту відбирали з ґрунтових розрізів за всією глибиною профілю через 10 см, висушували та доводили до однорідного стану шляхом подрібнення грудочок ґрунту та його просіювання через сито з отвором 1 мм. Тобто мінімізували вплив вологості та шорсткості на формування відбитого сигналу.
Нажаль, дослідники встигли одержати лише перші попередні результати. В подальшому ці роботи були згорнуті та не отримали розвитку за відсутності коштів. Отже сьогодні Українському ґрунтознавству немає чим похвалитися в цьому сенсі.
Між тим, гіперспектральне сканування, що дозволяє отримувати спектральний портрет ґрунту, що залежить від вмісту, кількості та співвідношення окремих мінералів та простих хімічних сполук є, потенційно, дуже перспективним для досліджень ґрунтів [2].
Завершуючи розмову про електромагнітні діапазони, треба нагадати, що глибина проникнення електромагнітних хвиль в ґрунт прямо залежить від довжини хвилі. Тому оптичний діапазон (видимий, та ближній ІЧ) дозволяє оцінити властивості лише поверхневого шару ґрунту, в той час як, наприклад, радіолокація дає можливість «проникнення» у більш глибокі шари, та оцінювати, наприклад, глибину підстилання ґрунтів іншими ґрунтотворними породами, чи глибину підняття ґрунтових вод.
Що можуть розповісти про ґрунт космічні знімки?
Перш ніж розповідати про це треба уточнити: «Розповісти кому, та для чого?»
З утилітарних позицій практичного використання ґрунтів найважливіше, що треба знати про ґрунт – рівень його родючості. Придатність для вирощування сільгоспкультур та потреба в проведенні певних заходів з підвищення врожайності.
Чи можна за даними космічної зйомки визначити вміст поживних речовин в ґрунті та виділити зони недостатнього забезпечення ґрунтів необхідними для рослин елементами живлення? Відповідь буде: «Ні». І відповідь буде: «Так».
Ні. Неможливо напряму за забарвленням ґрунту чи його спектральною яскравістю визначити вміст в ґрунті поживних речовин чи мікроелементів, тому що вони містяться в ґрунтах у такому стані та кількостях, які не здатні суттєво вплинути на забарвлення ґрунту.
Так. Можливо зробити висновок про просторову неоднорідність вмісту поживних речовин в ґрунтах, базуючись на опосередкованих зв’язках між забезпеченістю ґрунту елементами живлення та вмістом хлорофілу в рослинах (що широко використовується в першу чергу для оцінки забезпеченості азотом), або між гумусованістю ґрунтів та їх родючістю.
З давніх-давен відомо, що «земля», як називали ґрунт наші пращури, тим краща, тим родючіша, чим вона темніша за кольором. Найбільш родючим є «чорний ґрунт» степів – чорнозем.
В переважній більшості випадків темне забарвлення ґрунту обумовлюється вмістом в ньому гумусу. Він є специфічною органічною речовиною, що утворюється в ґрунтах і без якої ґрунту бути просто не може. «Гумус є інваріантом ґрунту» – кажуть науковці. Простіше можна сказати, що гумус – це Король ґрунту і він впевнено міг би стверджувати: «Ґрунт – це я!»
Родючість ґрунтів характеризують саме через вміст гумусу тому, що він її зумовлює, прямо чи опосередковано. Від вмісту гумусу значною мірою залежать і забезпеченість ґрунту поживними речовинами, і фізичні параметри орного шару, що створюють комфортні умови для життя рослини. Кількістю гумусу обумовлюється повітре- та водопроникність ґрунтів, їх здатність утримувати вологу та забезпечувати оптимальні умови росту та розвитку рослин. Як біологічно активна речовина гумус забезпечує функціонування мікробоценозу ґрунту, як сорбент – стійкість ґрунту до хімічного забруднення.
Відповідно, кількісна оцінка вмісту гумусу в ґрунтах, чи, іншими словами, їх гумусованості, є одним з найважливіших критеріїв при картографуванні ґрунтів, оцінці якості ґрунту та моніторингу процесів деградації ґрунтів. Традиційні польові методи обстеження потребують великих об’ємів ручної праці з відбирання, підготовки та аналізу ґрунтових зразків. Крім того, карти гумусованості, побудовані на основі дискретних даних точкових спостережень завжди мають досить велику похибку інтерполяції.
Використання даних дистанційного зондування дає можливість більш швидкого та просторово коректного отримання інформації про вміст гумусу в верхневому шарі ґрунту для значних територій. При цьому зменшуються трудомісткість та вартість робіт.
Загальне правило дистанційного моніторингу вмісту гумусу за даними видимого діапазону таке – чим світліший ґрунт, тим менше в ньому гумусу.
(с) Digital Globe
Знімок поля, на якому ґрунти пошкоджені водною ерозією. Світлі ділянки – змиті ґрунти, в яких верхній гумусований шар ґрунту винесений водою, та на поверхню виходять палево-бурі слабогумусовані шари ґрунту.
Звісно, за космічними знімками можна визначати не лише вміст гумусу, а і, наприклад, гранулометричний склад, поширення солонців, осолоділих ґрунтів, вологість та дещо інше. Але саме технологія визначення вмісту гумусу (чи органічного вуглецю, що майже те саме) є найбільш добре проробленою, багаторазово перевіреною та достовірність її результатів є доведеною численними дослідженнями. Тому ми поговоримо про неї докладно у наступному пості.
Посилання:
[1] – Евдокимова Т. И. Почвенная съемка / Т. И. Евдокимова. − М. : Изд-во МГУ, 1987. — 270 с.
[2] – Borengasser, Marcus Hyperspectral remote sensing : principles and applications / authors, Marcus Borengasser, William S. Hungate, Russell Watkins . – CRC Press is an imprint of Taylor & Francis Group, an Informa business, 2008
