Μέτρηση υδατικού δυναμικού εδάφους με χρήση εικόνων θερμικού υπέρυθρου
Από RemoteSensing Wiki
Συγγραφείς: Carlos Villaseñor-Mora, Arturo González-Vega
To υδατικό δυναμικό του εδάφους (SWP) είναι μια μέτρηση του υδατικού περιεχομένου σε εδάφη και άλλα πορώδη υλικά, που επιτρέπει τις μελέτες της γενετικής των φυτών και υποβοηθητικών τεχνικών για την αύξηση της διαθεσιμότητας του νερού στο έδαφος. Το βασικό συστατικό του SWP είναι η δυνατότητα συγκράτησης, αλλά η βαρύτητα είναι επίσης σημαντική, με τη προϋπόθεση να ληφθεί υπόψιν το βάθος. Το SWP καθορίζεται από την ποσότητα νερού που περιέχεται και το ενεργειακό δυναμικό του εδάφους, με το τελευταίο να καθορίζεται από την θέση του νερού εντός ενός σώματος χώματος και από τις τοπικές συνθήκες. Όπως με όλη την ύλη, το νερό στο έδαφος τείνει να κινείται από υψηλότερη σε χαμηλότερη ενέργεια. Η τυπική του κατάσταση ορίζεται ως αγνό και ελεύθερο νερό χωρίς διαλυμένες ουσίες ή εξωτερικές δυνάμεις εκτός της βαρύτητας και αμελητέα κινητική ενέργεια. Σε ανόργανα εδαφικά δείγματα, η υπέρυθρη θερμική εκπομπή αυξάνεται γραμμικά με την υγρασία του εδάφους. Αλλά για τα οργανικά δείγματα ισχύει το αντίθετο. Για τη μελέτη διαφόρων επιπέδων εκπομπής, χρησιμοποιήσαμε μια έμμεση μέθοδο που είναι πιο σταθερή σε περιβαλλοντικές θερμοκρασίες παρά σε άμεσες τεχνικές, και που εκμεταλλεύεται την εκπομπή, αντανάκλαση και απορρόφηση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας πάνω σε ένα σώμα. Για χοντρά σώματα η μετάδοση τείνει στο μηδέν οπότε χρειαζόμαστε να λάβουμε υπόψιν μόνο την απορρόφηση και την αντανάκλαση. Επιπλέον για ένα δοσμένο εύρος φασματικών μηκών κύματος, η απορροφησιμότητα και η εκπεμψιμότητα έχουν την ίδια τιμή. Συνεπώς μπορούμε να υπολογίσουμε την εκπεμψιμότητα αφαιρώντας την ανακλαστικότητα από την προσπίπτουσα ακτινοβολία μετά από κανονικοποίηση.
Με χρήση υπέρυθρης κάμερας μετρήσαμε την προσπίπτουσα, ανακλώμενη, και εκπεμπόμενη (όπου υπήρχε) ενέργεια από ένα σώμα, και τις χρησιμοποιήσαμε για να υπολογίσουμε την απορροφούμενη. Για να το κάνουμε αυτό, υπολογίσαμε την εκπεμψιμότητα από γκρι επίπεδα των ληφθέντων υπέρυθρων εικόνων. Μετρήσαμε το φαινομενικό SWP από ένα δείγμα χρησιμοποιώντας υπέρυθρη θερμική κάμερα και μια πηγή μακροκυματικής ακτινοβολίας (7-14μm). Με τη χρήση ενός διαχυτικού καθρέφτη αποκτήσαμε τις εικόνες IR που είναι αναγκαίες για να υπολογίσουμε την προσπίπτουσα ακτινοβολία. Πρώτα καταγράψαμε το πιάτο για αν ασιγουρευτούμε ότι η επιφάνεια του εδαφικού δείγματος παραμένει στην ίδια θέση διαρκώς. Στη συνέχεια πήραμε μια δεύτερη IR εικόνα του πιάτου στην αρχική θέση αλλά με την προσπίποτυσα ακτινοβλία τώρα. Αυτές οι δύο εικόνες ήταν απαραίτητες για να καθοριστεί η πραγματική προσπίπτουσα ακτινοβλία από την πηγή στο δείγμα γιατί αφαιρώντας αυτές τις εικόνες εξαφανίσουμε την ακτινοβολία στο φόντο.
Στη συνέχεια αποσύραμε το πιάτο και πήραμε μια Τρίτη IR εικόνα της ενέργειας που ανακλάται από την επιφάνεια του δείγματος. Μάλιστα εφαρμόστηκε ενίσχυση της αντανάκλασης μέσω προσαρμογής της κλίμακας. Τέλος, βγάλαμε μια τέταρτη εικόνα του δείγματος χωρίς την πηγή ακτινοβολίας για να εξαφαν΄σουμε την ακτινοβολία στο φόντο. Η αφαίρεση τρίτης και τέταρτης εικόνας παράγει μία εικόνα αποκλειστικά με την ανακλώμενη ακτινοβολία. Με τις εικόνες προσπίποτυσας και ανακλώμενης ακτινοβολίας, υπολογίσαμε την αντίσοτιχη προσπίπτουσα και ανακλωμενη ενέργεια και στη συνέχεια τη ανακλαστικότητα. Με μηδενική επαγωγή προκύπτει η απορροφησιμότητα και λαρα και η εκπεμψιμότητα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η εκπεμψιμότητα εξαρτάται όχι μόνο από το περιεχόμενο σε νερό αλλά και από τη σύνθεση του εδάφους. Επομένως είναι σημαντικό να υπολογίζουμε με ακρίβεια την εκπεμψιμότητα για να βελτιστοποιείται η μέτρηση του νερού. Η μεθοδολογία μας περιγράφει την συμπεριφορά της επιφάνειας ως προς την εκπεμψιμότητα και είναι περιορισμένη σε ένα επιφανειακό στρώμα λίγα χιλιοστά παχύ. Στο μέλλον θα αναπτύξουμε επιπλέον δοκιμές για διαφορετικά χημικά και φυσικασυστατικά ώστε να ολοκληρωθεί η μεθοδολογία μέτρησης SWP με εικόνες IR.
