Παραλλαγές στο συντελεστή ανάκλασης των τροπικών χωμάτων - Συσχέτιση Φάσματος και Χημικής σύνθεσης από δεδομένα του AVIRIS

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος Τίτλος: Variations in Reflectance of Tropical Soils: Spectral-Chemical Composition Relationships from AVIRIS data

Συγγραφείς:Lenio Soares Galvao, Marco Antonio Pizarro and Jose Carlos Neves Epiphanio Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais—INPE/DSR, Sao Jose shape of soil spectra (Bedidi et al., 1992). In general, the dos Campos, SP, Brasil

Πηγή: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais—INPE/DSR, http://202.127.1.11/remote/2001/750208.pdf

Εισαγωγή

Οι σχέσεις μεταξύ των εδαφολογικών συστατικών και της εργαστηριακής φασματικής ανάκλασης έχουν συζητηθεί από διάφορους ερευνητές που έχουν καταδείξει τα φασματικά αποτελέσματα των εδαφολογικών παραμέτρων όπως η υγρασία, η οργανική ουσία, τα οξείδια σιδήρου, και το μέρος αργίλου. Οι ισχυρότεροι συσχετισμοί μεταξύ της οργανικής ουσίας και του συντελεστή ανάκλασης παρατηρούνται συνήθως στην ορατή φασματική περιοχή, ενώ οι σχέσεις για το σιδήρο και άργιλο καθορίζονται καλύτερα προφανώς προς τα πιο μεγάλα μήκη κύματος

Η φασματική μίξη είναι ο πιο σοβαρός παράγοντας που καθιστά τέτοιες έρευνες δύσκολες. Οι υψηλοί φασματικοί αισθητήρες, όπως το αερομεταφερόμενο ορατό/υπέρυθρο φασματόμετρο απεικόνισης (Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer - AVIRIS), παρέχουν την ευκαιρία να γίνουν πιο κατανοητά τα αποτελέσματα της φασματικής μίξης στις σχέσεις μεταξύ των συστατικών συντελεστή ανάκλασης και χώματος.

Σε αυτό το έγγραφο, αναλύονται οι σχέσεις μεταξύ των συστατικών τριών σημαντικών εδαφολογικών τύπων και τιμών συντελεστή ανάκλασης επιφάνειας που προσδιορίζονται από τα στοιχεία AVIRIS που συλλέγονται στην κεντρική Βραζιλία.

Εικόνα 1: Χωροθετηση της περιοχής μελέτης και σχηματική αναπαράσταση από το περιστατικό των κύριων εδαφολογικών τύπων, βασισμένο σε παλιότερες εδαφολογικές χαρτογραφήσεις.

Ένα μοντέλο με έξι στοιχεία, πράσινη βλάστηση (Green Vegetation - GV), μη φωτοσυνθετική βλάστηση (nonphotosynthetic vegetation – NPV), νερό (Water - W) και τρεις εδαφολογικοί τύποι - Terra Roxa Estruturada (STE), Latossolo vermelho-Escuro (SLE), και Areia Quartzosa (SAQ) εφαρμόστηκε για να χαρακτηρίσει τη χωρική διανομή των τμημάτων σκηνής ατόμων και για να απαριθμήσει τη χωρική διανομή των εδαφολογικών τύπων στην περιοχή μελέτης.

Τα αποτελέσματα της φασματικής μίξης στις παραλλαγές συντελεστή ανάκλασης αυτών των χωμάτων και στη φασματική πρόβλεψη των συστατικών τους συζητούνται με τη χρήση ενός γραμμικού unmixing προτύπου. Οι χάρτες της χωρικής μεταβλητότητας μερικών εδαφολογικών συστατικών παρουσιάζονται για τις φασματικό-χημικές σχέσεις σύνθεσης και συγκρίνονται με τη χωρική διανομή των εδαφολογικών τύπων.

Τα δεδομένα που επιλέχτηκαν για αυτήν την έρευνα έχουν ευδιάκριτους εδαφολογικούς τύπους, και είχαν την απαίτηση να είναι εικόνες του AVIRIS χωρίς καπνό και χωρίς σύννεφα. Οι τιμές ακτινοβολιών AVIRIS μετατράπηκαν στο συντελεστή ανάκλασης επιφάνειας με τη χρήση μιας μεθόδου βασισμένης στη ΜODTRAN (Green 1991, Green και λοιποί 1993) που ελαχιστοποίησε τις επιπτώσεις της ατμοσφαιρικής απορρόφησης και της διασποράς λόγω διάφορων συστατικών (π.χ., υδρατμός, διοξείδιο του άνθρακα, οξυγόνο).

Ανάλυση δεδομένων

Το πρώτο βήμα στην ανάλυση των δεδομένων από το AVIRIS αποτελέσθηκε από την εφαρμογή της ανάλυσης κύριων τμημάτων (PCA). Είναι μια διαδεδομένη τεχνική που χρησιμοποιείται για να μειώσει τη διαστατικότητα στοιχείων και για να δείξει τα αρμόδια συστατικά για τη φασματική μεταβλητότητα στο σύνολο δεδομένων, όπως εκφράζεται από τα αυτοδιανύσματα (eigenvectors).

Εικόνα 2: Οι πρώτες δύο αυτοδιανυσματικές καμπύλες όπως προέκυψαν από την ανάλυση των 140 καναλιών του AVIRIS μεταξύ 400-2.500 nm.

Εικόνα 3: Οι συντελεστές ανάκλασης από τα επιλεγμένα 6 στοιχεία για το μοντέλο ανάλυσης. Στην (α) φαίνονται τα GV, NPV και W, και στην (β) οι τρεις τύποι χώματος (STE, SLE και SAQ). Οι κάθετες σκιασμένες στήλες στα 1.400 και 1.900nm δείχνουν τα δύο σημαντικά διαστήματα της ατμοσφαιρικής απορρόφησης. Τα θορυβώδη στοιχεία που συνδέονται με την ατμοσφαιρική διόρθωση των υδρατμών στα 1.140nm δεν επιδεικνύονται για μια καλύτερη γραφική αντιπροσώπευση.

Εικόνα 4: Πρώτες δύο εικόνες κύριων τμημάτων [PC1 (α) και PC2 (β)] που προήλθαν από την ανάλυση 140 καναλιών του AVIRIS. Η θέση των τελικών στοιχείων του μοντέλου είναι υποδειγμένη στη PC1 εικόνα (α).

Ένα σύστημα παγκόσμιας πλοήγησης (GPS) χρησιμοποιήθηκε για τη θέση αυτών των περιοχών. Από περίπου 100 δείγματα στον τομέα, ένα υποσύνολο 29 εδαφολογικών δειγμάτων ήταν για χημική ανάλυση. Αυτό το υποσύνολο διαιρέθηκε τυχαία σε δύο ομάδες, η μια για να λάβει τις σχέσεις οπισθοδρόμησης μεταξύ των εδαφολογικών συστατικών και των στοιχείων AVIRIS και η άλλη για να επικυρώσει τις εξισώσεις παλινδρόμησης.

Εικόνα 5: (α) έγχρωμο σύνθετο των εικόνων ισοτοπικής σύστασης από το unmixing πρότυπο για το GV, NPV, και το συνολικό εδαφολογικό μέρος (Stotal = STE+SLE+SAQ) που αντιπροσωπεύεται, αντίστοιχα, στα μπλε, πράσινο, και κόκκινο χρώμα. Η θέση των 29 περιοχών δειγματοληψίας είναι υποδειγμένοι. (β) τα αποτελέσματα της προταξινόμησης των εικόνων των τριών εδαφολογικών τύπων παρουσιάζονται με ενίσχυση μόνο των εικονοστοιχείων με εδαφολογική τιμή μεγαλύτερη από 0.6.

Εικόνα 6: Παραδείγματα των φασμάτων ανάκλασης AVIRIS κατατάσσονται σύμφωνα με τη σχέση μεταξύ των τιμών αφθονίας της μη φωτοσυνθετικής βλάστησης και του συνολικού ποσοστού του εδάφους.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Στην περιοχή μελέτης παρατηρήθηκε μια υψηλή σχέση μεταξύ της χωρικής διανομής των εδαφολογικών τύπων, που προήλθε από το γραμμικό unmixing πρότυπο, και της χημικής μεταβλητότητα Fe2O3 (συνολικός σίδηρος), Al2O3, και TiO2, από τις σχέσεις μεταξύ των συστατικών συντελεστή ανάκλασης AVIRIS και χώματος,. Ο σκούρο-κόκκινος αργίλος STE και SLE παρουσιάζει χαμηλότερο γενικό συντελεστή ανάκλασης (albedo) από την ελαφριά και πηλώδη άμμο SAQ, λόγω της παρουσίας μεγαλύτερων ποσών αδιαφανών μεταλλευμάτων (π.χ., μαγνητίτη, ιλμενίτη) ή υψηλότερου περιεχομένου Fe2O3 και TiO2, στη άμεση σχέση με το μέρος αργίλου (Al2O3). Γενικά, οι καλύτερες φασματικο-χημικές σχέσεις σύνθεσης λήφθηκαν στο εύρος 1,000-2,200nm και ήταν γραμμικές για TiO2 και μη γραμμικές για τα άλλα συστατικά.

Στη μετάβαση από το κόκκινο στο NIR κανάλι, τέτοιες σχέσεις επηρεάστηκαν από τη φασματική μίξη, ειδικά η παρουσία μη εδαφολογικών υπολειμμάτων (πολύχρονη βιομάζα ή απορρίματα), παρήγαγε αλλαγές στην κλίση των φασμάτων και χαμήλωσε τα αποτελέσματα συσχετισμού. Αυτά τα υπολείμματα είχαν επιπτώσεις επίσης στην εμφάνιση της ζώνης απορρόφησης 2.200 NM λόγω των μεταλλευμάτων αργίλου, τα οποία αντικαταστάθηκαν βαθμιαία από το φασματικό χαρακτηριστικό γνώρισμα της λιγνίνης/κυτταρίνης. Εντούτοις, τα μη εδαφολογικά υπολείμματα άσκησαν πιθανώς χαμηλή επίδραση στους συσχετισμούς των εδαφολογικών συστατικών με το συντελεστή ανάκλασης σε αυτήν την φασματική περιοχή (2.100-2.300 NM). Τα αποτελέσματά τους στην πρόβλεψη της εδαφολογικής οργανικής ουσίας πρέπει να ερευνηθούν καλύτερα.

Εικόνα 7: Παραλλαγές στο περιεχόμενο Fe2O3 (συνολικός σίδηρος), Al2O3, και TiO2 στην εικόνα AVIRIS βασισμένη στις σχέσεις μεταξύ του συντελεστή ανάκλασης και στα εδαφολογικά συστατικά. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται πάνω σε μια προταξινομημένη εικόνα του συνολικού μέρους του χώματος στο οποίο μόνο τα εικονοστοιχεία με τιμές εδαφολογικής αφθονίας μεγαλύτερες από 0.7 ενισχύθηκαν.

Τα αποτελέσματα της τρέχουσας έρευνας καταδεικνύουν το γεγονός ότι οι χάρτες χημικής σύνθεσης που προέρχονται από τα υπερφασματικά στοιχεία τηλεπισκόπησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μια χαρτογράφηση εδάφους για να χαρακτηρίσουν τις χωρικές περιοχές των διαφορετικών τροπικών εδαφολογικών τύπων. Είναι σημαντικό να υπογραμμιστεί ότι οι εξισώσεις για αυτές τις προβλέψεις δεν είναι καθολικές, αυτό απαιτεί τη συλλογή καινούργιων δειγμάτων και νέες εξισώσεις παλινδρόμησης να κατασκευάζονται για κάθε ταξινομική σκηνή. Εντούτοις, αυτή η προσέγγιση έχει το πλεονέκτημα του μικρού αριθμού δειγμάτων για να καθιερώσει τις σχέσεις μεταξύ των εδαφολογικών συστατικών και του συντελεστή ανάκλασης, το οποίο εξοικονομεί χρόνο και κόστος σε σχέση με μια συμβατική χαρτογράφηση και μπορεί να καθοδηγήσει τις επόμενες επιλογές περιοχών για τη λεπτομερή έρευνα στον τομέα. Για λόγους εδαφολογικών καταλόγων, η χρήση των υπερφασματικών στοιχείων παρέχει νέες πληροφορίες στη φυσιογραφική προσέγγιση όπως η δυνατότητα του προσδιορισμού στην περιοχή μερικών μεταλλευμάτων με αποσαφηνισμένες ζώνες απορρόφησης στα εδαφολογικά φάσματα (π.χ., καολινίτης). Περαιτέρω, η μετάβαση από την επιφάνεια στους υπεδάφιους ορίζοντες των τροπικών χωμάτων χαρακτηρίζεται συνήθως από μια μείωση στο περιεχόμενο της οργανικής ουσίας και μια αύξηση στο περιεχόμενο του μέρους οξειδίων και αργίλου σιδήρου. Κατά συνέπεια, αυτοί οι χάρτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν επίσης για να ανιχνεύσουν και για να ελέγξουν την αφαίρεση του επιφανειακού χώματος από τη διάβρωση.