Έρευνα του εδάφους και χαρτογράφηση με χρήση τηλεπισκόπησης
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος Τίτλος: Soil survey and mapping using remote sensing
Συγγραφείς: M.L.MANCHANDA, M.KUDRAT & A.K.TIWARI
Πηγή: Regional Remote Sensing Service Centre, Dehradun 248001, India, http://www.tropecol.com/pdf/open/PDF_43_1/43106.pdf
Εισαγωγή
Τα εδαφολογικά συστήματα όπως τα περισσότερα φυσικά συστήματα, είναι σε δυναμική ισορροπία. Οι περισσότερες αλλαγές είναι αργές και ανεπαίσθητες ιδιαίτερα για το χρονικό πλαίσιο της ανθρώπινης διάρκειας ζωής. Εντούτοις, τα καταστροφικά γεγονότα όπως οι θύελλες υψηλής έντασης μπορούν να επιταχύνουν τις διαδικασίες διάβρωσης με συνέπεια μετρήσιμες αλλαγές. Οι αλλαγές είναι κυρίως στη δομή και τη σύνθεση του υλικού και αναφέρονται ως "αλλαγές των δομικών αλλαγών". Πολλές από τις αλλαγές συσχετίζονται με τις χρήσεις του χώματος. Η σχέση τους αυτή με την απόδοση τις κάνει σημαντικότερες καθώς μπορούν να ποσολογηθούν, ιδιαίτερα στους οικονομικούς όρους αξίας (Szabolcs 1994). Μια καλή γνώση του είδους χωμάτων και της χωρικής διανομής τους είναι μια προϋπόθεση για την ανάπτυξη ενός λογικού σχεδίου χρήσης γης για τη γεωργία, δασονομία, άρδευση, κ.λ.π. Ένας κατάλογος εδαφολογικών πόρων παρέχει μια διορατικότητα στις δυνατότητες και τον περιορισμό του χώματος για την αποτελεσματική εκμετάλλευσή του. Η χαρτογράφηση εδάφους παρέχει έναν ακριβή και επιστημονικό κατάλογο των διαφορετικών χωμάτων, του είδους και της φύσης τους, και της έκτασης της διανομής έτσι ώστε κάποια μπορεί να κάνει την πρόβλεψη για τους χαρακτήρες και τις δυνατότητές τους. Παρέχει επίσης τις επαρκείς πληροφορίες από την άποψη της μορφής, των πεζουλιών, της βλάστησης καθώς επίσης και των χαρακτηριστικών εδάφους των χωμάτων (δηλαδή, σύσταση, βάθος, δομή, σκληρότητα, αποξήρανση, οξύτητα, αλατότητα και ούτω καθεξής) που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προγραμματισμό και την ανάπτυξη. Οι αρχικές χαρτογραφήσεις εδάφους βασίστηκαν είτε στην επιτόπια καταγραφή είτε κατευθείαν σε μια συστηματική εναέρια προσέγγιση ερμηνείας φωτογραφιών. Διάφορες μελέτες για τη χαρτογράφηση εδάφους πραγματοποιήθηκαν από τους διάφορους εργαζομένους στην Ινδία στις διαφορετικές περιοχές χρησιμοποιώντας τις αεροφωτογραφίες. Η χρήση της δορυφορικής τηλεπισκόπησης για τη χαρτογράφηση εδάφους και της χαρτογράφησης της λαμβανόμενης εκτίμησης κατά τη διάρκεια του αρχές δεκαετίας του '80 στην Ινδία, και βασισμένος στη δυνατότητα των τεχνικών τηλεπισκόπησης που αποφασίστηκε να χαρτογραφηθούν όλα τα εδάφη της Ινδίας στην κλίμακα 1:250,000 ακολουθώντας μια μεθοδολογία: ερμηνεία εικόνων, έρευνα επιτόπια, εδαφολογική ανάλυση, ταξινόμηση, χαρτογραφία και εκτύπωση,
Ανάπτυξη της δορυφορικής τηλεπισκόπησης για τις εδαφολογικές μελέτες Πριν από την είσοδο του Landsat-1 (1972), οι αεροφωτογραφίες χρησιμοποιούνταν ως εργαλείο τηλεπισκόπησης για την εδαφική χαρτογράφηση. Στη συνέχεια, ψηφιακά και αναλογικά δορυφορικά στοιχεία έχουν χρησιμοποιηθεί για την προετοιμασία των μικρής κλίμακας χαρτών των εδαφολογικών πόρων. Τα υψηλής ανάλυσης δεδομένα από το Landsad TM και το Indian Remote Sensing Satellite (IRS) LISS II που διατέθηκαν στα μέσα του '80, επέτρεψε στους εδαφολογικούς επιστήμονες την χαρτογράφηση σε κλίμακα 1:50,000, η οποία χρησιμοποιείται για τον προγραμματισμό επιπέδων περιοχής. Τα δεδομένα του SPOT και του IRS-PAN πρόσφεραν τη στερεοσκοπική ικανότητα, η οποία έχει βελτιώσει τις προσπάθειες εδαφικής χαρτογράφησης.
Φασματική συμπεριφορά των χωμάτων
Η φασματική ταυτότητα που μπορεί να αποκτήσει το χώμα εξαρτάται από διάφορους παράγοντες. Οι ιδιότητες που καθορίζουν τη φασματική ανάκλαση είναι το χρώμα, η σύσταση, η δομή, η ορυκτολογία, η οργανική ουσία, τα ελεύθερα ανθρακικά άλατα, η αλατότητα, η υγρασία και τα οξείδια / υδροξείδια του σιδήρου και του μαγγάνιου. Οι χημικές συνθέσεις του χώματος επηρεάζουν τη φασματική τους ταυτότητα μέσω των διαδικασιών απορρόφησης. Στην εγγύς υπέρυθρη (NIR) και μέση υπέρυθρη (MIR) περιοχή, χαρακτηριστικό γνώρισμα απορρόφησης των εδαφολογικών τμημάτων στη στερεά φάση προέρχεται πρώτιστα από τις δονήσεις των οριοθετημένων πυρήνων. Μια περίληψη των χαρακτηριστικών γνωρισμάτων δόνησης και τα αντίστοιχα μήκη κύματος απορρόφησης παρουσιάζονται στον πίνακα 1. Εκτός από τις δονήσεις, η μοριακή περιστροφή και η μετάβαση μπορούν να εμφανιστούν στους πόρους όπου υπάρχουν μόρια αερίου και νερού, το οποίο οδηγεί επίσης σε υψηλότερη απορρόφηση στην περιοχή MIR.
Ανάγκη και κλίμακα της εδαφικής χαρτογράφησης
Υπάρχει ζήτηση εδαφικών χαρτών σε διάφορες κλίμακες, από 1:1εκατομύρριο έως 1:4,000 για να καλύψουν τις απαιτήσεις σε διάφορα επίπεδα. Οι μικρής κλίμακας χάρτες 1:1 εκατομμύριο απαιτούνται για το μακρυπρόθεσμο προγραμματισμό σε εθνικό επίπεδο. Οι χάρτες στην κλίμακα 1:250,000 παρέχουν τις πληροφορίες για τον προγραμματισμό σε περιφερειακό επίπεδο με γενικευμένη ερμηνεία των εδαφολογικών πληροφοριών για τον καθορισμό της καταλληλότητας και των περιορισμών για διάφορες γεωργικές χρήσεις. Οι χάρτες στην κλίμακα 1:50,000 όπου απεικονίζεται η ένωση της εδαφολογικής σειράς, εξυπηρετούν στη συντήρηση των πόρων και τη βέλτιστη χρήση γης σε επίπεδο περιοχής και απαιτούν τη μέτρια ένταση των παρατηρήσεων στον τομέα. Οι χάρτες μεγάλων κλιμάκων στην κλίμακα 1:8,000 ή 1:4,000 είναι συγκεκριμένοι χάρτες σκοπού που μπορούν να παραχθούν μέσω της υψηλής ποιότητας επιτόπιων ερευνών βασισμένων στην κλίμακα mapsat 1:50,000 των αεροφωτογραφιών μεγάλων κλιμάκων ή δορυφορικών εικόνων μεγάλης χωρικής διακριτικής ικανότητας.
Μέθοδοι εδαφικής χαρτογράφησης
Οι εδαφολογικοί παρατηρητές θεωρούν τις τοπογραφικές μεταβολές σαν μια βάση για την απεικόνιση της εδαφολογικής μεταβλητότητας. Τα πολυφασματικά δορυφορικά στοιχεία χρησιμοποιούνται για το χώμα χαρτογράφησης μέχρι το επίπεδο οικογενειακής ένωσης (1: 50,000). Η μεθοδολογία, τις περισσότερες από τις περιπτώσεις περιλαμβάνει την οπτική ερμηνεία (Biswas 1987 Al 1981 Karaleet). Εντούτοις, η τεχνική επεξεργασίας ψηφιακής εικόνας με τη βοήθεια υπολογιστή έχει χρησιμοποιηθεί επίσης για χαρτογράφηση του χώματος.
Οπτική ερμηνεία εικόνας
Η οπτική ερμηνεία είναι βασισμένη στη μορφή, το μέγεθος, τον τόνο, τη σκιά, τη σύσταση, το σχέδιο, την περιοχή και την ένωση. Έχει το πλεονέκτημα ότι είναι σχετικά απλή και ανέξοδη. Η εδαφική χαρτογράφηση χρειάζεται ταυτοποίηση των διαφόρων στοιχείων. Τα στοιχεία που είναι σημαντικά για τη χαρτογράφηση εδάφους είναι τύπος, βλάστηση, χρήση του εδάφους, κλίση και ανάγλυφο εδάφους. Τα χώματα ερευνιούνται και χαρτογραφούνται, μετά από μια προσέγγιση 3 επιπέδρων, περιλαμβάνοντας την ερμηνεία των στοιχείων ανίχνευσης από απόσταση ή/και την αεροφωτογραφία, την επιτόπια έρευνα (συμπεριλαμβανομένης της εργαστηριακής ανάλυσης των εδαφολογικών δειγμάτων) και τη χαρτογραφία. Διάφοροι ερευνητές έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι η τεχνολογία της τηλεπισκόπησης παρέχει την καλύτερη αποδοτικότητα από τις συμβατικές μεθόδους χαρτογραφήσεων εδάφους στην αναγνώριση (1: 50,000) και στη λεπτομερή (1: 10,000) κλίμακα της χαρτογράφησης. Ένας χάρτης μέσω της οπτικής ερμηνείας των δορυφορικών εικόνων στη κλίμακα 1:50,000 δίνεται στην εικόνα 1.
Προσέγγιση με τη βοήθεια υπολογιστή
Η αριθμητική ανάλυση της τηλεπισκόπησης χρησιμοποιώντας ηλ. υπολογιστές έχει αναπτυχθεί λόγω της απαίτησης να αναλυθούν γρηγορότερα και να εξαχθούν οι πληροφορίες από τις μεγάλες ποσότητες των δεδομένων. Οι τεχνικές αυτές χρησιμοποιούν τις φασματικές παραλλαγές για την ταξινόμηση. Η αναγνώριση προτύπων στην τηλεπισκόπηση βοηθά στην ταυτοποίηση των ομοιογενών περιοχών, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βάση για τη διεξαγωγή των λεπτομερών επιτόπιων ερευνών. Το σοβαρό πρόβλημα που αντιμετωπίζεται στη συμβατική χαρτογράφηση εδάφους και την εδαφολογική χαρτογραφία είναι η ακριβής οριοθέτηση. Οι παρατηρήσεις βασισμένες στη συμβατική χαρτογράφηση εδάφους είναι κουραστικές και χρονοβόρες. Τα στοιχεία τηλεπισκόπησης από κοινού με τα βοηθητικά στοιχεία παρέχουν στην καλύτερη εναλλακτική λύση, μια καλύτερη σκιαγράφηση των μονάδων εδαφικής χαρτογράφησης. Εντούτοις, υπάρχει μια ανάγκη να υπάρξει μια αυτοματοποιημένη μέθοδος για την ακριβή σκιαγράφηση εδαφολογικού ορίου με μια διεπιστημονική και ολοκληρωμένη προσέγγιση.
Περιπτωσιολογική μελέτη (Case study)
Αξιολογήθηκε η ικανότητα διάφορων IRS αισθητήρων για την εδαφική χαρτογράφηση, που κυμαίνεται από τον ευρύ αισθητήρα απεικόνισης τομέων (WiFS) ως τα PAN δεδομένα του IRS-LISS IIIand. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε στην κοιλάδας Doon στην Ινδία (εικόνα 5).
Συζήτηση
Από τα προηγούμενα θα μπορούσε να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η τεχνολογία τηλεπισκόπησης για τους εδαφολογικούς επιστήμονες στις αναπτυσσόμενες χώρες είναι μόνο ένα εργαλείο χαρτογράφησης. Η κλίμακα χαρτογράφησης είναι 1:50,000 ή μικρότερη. Λεπτομερής εδαφική χαρτογράφηση (1:10000) δεν είναι δυνατή λόγω του της μικρής χωρικής διακριτικής ικανότητας των δορυφορικών στοιχείων. Εντούτοις, το στοιχείο που παρέχεται από το IRS 1C PAN και LISS ΙΙΙ αναμένεται να παρέχει τις πληροφορίες για τη μεγάλη κλίμακα (1: 25.000 έως 1:12,500). Η ψηφιακή τηλεπισκόπηση και η χρήση των γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών (GIS) πρόκειται να χρησιμοποιηθούν για να αντιμετωπίσουν τα διάφορα ζητήματα στη χαρτογράφηση εδάφους. Το χώμα είναι το συνδυασμένο προϊόν κάποιου τύπου βράχου, γεωμορφισμού ή της τοπογραφίας, της βλάστησης και του κλίματος. Κατά συνέπεια, μεμονομένα τα μοντέλα εδαφών ή τα εδαφολογικά φασματικά πρότυπα δεν αρκούν να προβλέψουν το εδαφολογικό όριο με ακρίβεια. Αυτό απαιτεί την ανάπτυξη συστήματος ταξινόμησης για το χώμα βασισμένου στη γνώση. Το χώμα είναι τρισδιάστατο φυσικό σώμα και χαρακτηρίζεται από οριζόντια διαγνωστικά είτε της επιφανείας είτε κάτω της επιφάνειας. Υπάρχει μια ανάγκη να αναπτυχθεί ένας αισθητήρας που να έχει μια ικανότητα να προβλέψει το βάθος και τις πληροφορίες κάτω από την επιφάνεια (Doolittle 1987). Με την εμφάνιση της τεχνολογίας τηλεπισκόπησης (με το υψηλότερο, χωρικό, φασματικό και ραδιομετρικό ψήφισμα) και του GIS, οι ολοκληρωμένες προσεγγίσεις πρέπει να ακολουθηθούν. Η τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων αξίζει επίσης την προσοχή για σχετικές με τις το χώμα μελέτες.
Προοπτικές και συμπεράσματα
Η τεχνολογία της τηλεπισκόπησης εξελίσσεται. Η φασματοσκοπία περιορισμένης ζώνης απεικόνισης στην οπτική και θερμική περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος θα παράσχει περιεκτική διορατικότητα σε διάφορα ζητούμενα του χώματος και των ιδιοτήτων τους και θα απαντήσει στις ποσοτικές πτυχές της εδαφολογικής επιστήμης, δηλαδή, της εδαφολογικής ορυκτολογίας, της εδαφολογικής γονιμότητας, της εδαφολογικής οργανικής ουσίας, της εδαφολογικής υγρασίας και των θερμικών ιδιοτήτων των χωμάτων. Η εδαφολογική βιοχημεία είναι απολύτως άθικτη. Υπάρχει τεράστιο πεδίο για τη μελέτη της εδαφολογικής οργανικής ουσίας που χρησιμοποιεί την περιορισμένης ζώνης φασματοσκοπία ειδικά στη μέση και θερμική υπέρυθρη περιοχή των ηλεκτρομαγνητικών φασμάτων. Η προσπάθεια για την εδαφική χαρτογράφηση μετά από την ψηφιακή επεξεργασία εικόνας και το GIS είναι πολύ περιορισμένη (Lee και λοιποί 1988). Η τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων είναι ακόμα στο πειραματικό στάδιο. Οι πίνακες 1 και 2 εκθέτουν τη δυνατότητα της φασματοσκοπίας περιορισμένης ζώνης απεικόνισης στο χαρακτηρισμό της εδαφολογικής ορυκτολογίας.
Οι φασματικές ιδιότητες των χωμάτων που καθορίζονται από το συνδυασμό ορυκτών, οργανικών ουσιών, εδαφολογικής υγρασίας και διάφορων αλάτων περιέχουν πολύτιμες πληροφορίες, σχετικές με τις κρίσιμες εδαφολογικές παραμέτρους δηλαδή, τις χουμικές ουσίες, την εδαφολογική σύσταση, τις θερμικές ιδιότητες και τα αρχικά και δευτεροβάθμια μεταλλεύματα.
Το πρόσθετο χαρακτηριστικό γνώρισμα των χωμάτων στο ορατό (0.4-0.7 μ), στο εγγύς υπέρυθρο(0.7-1.0 μ) και στο μικροκυματικό υπέρυθρο (1.0-2.5 μ) φάσμα που έχει σχέση με της φυσικοχημικές ιδιότητές τους, είναι οι ιδιότητες εκπομπής.
Η θερμική υπέρυθρη περιοχή (8-14μ) και οι διαφορετικές συχνότητες μικροκυμάτων όπως C-bands (5.4 Ghz) και L-band (1.25 Ghz) αποκαλύπτουν το καθεστώς θερμοκρασίας και το υδρολογικό καθεστώς των χωμάτων. Αυτές οι πληροφορίες είναι τεράστιας αξίας στο να προβλέψουν ποσοτικά τα βιογονικά αέρια από τα χώματα και στην ταξινόμηση του χώματος. Τα βιογονικά αέρια, δηλαδή, το μεθάνιο, το νιτρώδες οξείδιο, το διοξείδιο του άνθρακα κ.λ.π. είναι προιόντα εδαφολογικών βιοχημικών διαδικασιών.
Οι δυνητικοί τομείς των μελετών για το χώμα, παραδείγματος χάριν, ποσοτικά θέματα της εδαφολογικής γονιμότητας, της εδαφολογικής ορυκτολογίας, των υδρολογικών θεμάτων και της εδαφολογικής βιολογίας, χρειάζονται την τηλεπισκόπηση και την βασισμένη στο GIS έρευνα. Μερικά νέα ελπιδοφόρα εργαλεία και τεχνικές, ακόμα υπό δοκιμή, πρέπει να βελτιώσουν την ικανότητά μας για τον προσδιορισμό και τη χαρτογράφηση των εξωτερικών καθώς επίσης και εσωτερικών χαρακτηριστικών γνωρισμάτων (Zinck 1990). Ο Doolittle (1987) ανέφερε ότι η συσκευή ραντάρ (GPR) που διαπερνά το έδαφος μπορεί να παρέχει τις ακριβείς εικόνες των πλήρων εδαφολογικών ακολουθιών. Το GPR είναι μια ευρεία ζώνη, σύστημα ραντάρ ώθησης, του οποίου ικανότητα εδαφολογικής διείσδυσης κυμαίνεται από περίπου το βάθος ενός μέτρου στα συμπαγή αργιλώδη χώματα ως περίπου 25 μέτρα στα αμμώδη χώματα. Τα σχετικά εδαφολογικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα και οι διαγνωστικοί ορίζοντες μπορούν να προσδιοριστούν στον κάθετο και οριζόντιο βαθμό. Οι σειρές της εδαφολογικής μεταβλητότητας μπορούν να καθιερωθούν ποσοτικά. Η χρήση της τηλεπισκόπησης για την εδαφολογική επιστήμη μπορεί βεβαίως να προωθηθεί περαιτέρω με την ενισχυμένη κατανόηση της διαδικασίας της αλληλεπίδρασης του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος με το χώμα.
