Χαρτογράφηση διάφορων εδαφολογικών ιδιοτήτων χρησιμοποιώντας τον υπερφασματικό σαρωτή DAIS-7915

Από RemoteSensing Wiki

Επεξεργασία Χαρτογράφηση διάφορων εδαφολογικών ιδιοτήτων χρησιμοποιώντας τον υπερφασματικό σαρωτή DAIS-7915 - μια περιπτωσιολογική μελέτη στα αργιλώδη χώματα του Ισραήλ

Πρωτότυπος Τίτλος: Mapping of several soil properties using DAIS-7915 hyperspectral scanner data—a case study over clayey soils in Israel

Συγγραφείς: E. BEN-DOR, Department of Geography, Tel-Aviv University, Ramat Aviv, Tel-Aviv K. PATKIN, Department of Geography, Tel-Aviv University, Ramat Aviv, Tel-Aviv A. BANIN, Department of Soil and Water Sciences, Faculty of Agricultural, Food and Environmental Quality Sciences, The Hebrew University, Rehovot, Israel A. KARNIELI, J. Blaustein Institute for Desert Research Sde-Boker Campus, Negev, Israel

Πηγή: INT. J. REMOTE SENSING, 2002, VOL. 23, NO. 6, 1043–1062, http://www.informaworld.com/smpp/content~db=all~content=a713861942

Τα δεδομένα που αποκτήθηκαν από τον υπερφασματικό σαρωτή DAIS-7915 στην κοιλάδα Izrael στο βόρειο Ισραήλ υποβλήθηκε σε επεξεργασία για να παραγάγει τους ποσοτικούς χάρτες εδαφολογικών δεδομένων, όπως της οργανικής ουσίας, της υγρασίας και της εδαφολογικής αλατότητας. Η μέθοδος που υιοθετήθηκε για αυτόν το λόγο ήταν η 'ορατή και κοντινή υπέρυθρη προσέγγιση ανάλυσης' - Visible and Near Infrared Analysis (VNIRA), η οποία παράγει ένα εμπειρικό πρότυπο για την πρόβλεψη της εδαφολογικής ιδιοκτησίας και από την υγρή χημεία και από τις φασματικές πληροφορίες ενός αντιπροσωπευτικού συνόλου δειγμάτων (καθορισμένη κατατομή). Με βάση τα φασματικά εργαστηριακά στοιχεία που παρουσιάζουν σημαντική ικανότητα να προβλεφθούν οι ανωτέρω εδαφολογικές ιδιότητες και οι πληθυσμοί χρησιμοποιώντας τη στρατηγική VNIRA, το επόμενο βήμα ήταν να εξεταστεί αυτή η δυνατότητα πραγματοποίησης με μια υπερφασματική μέθοδο τηλεπισκόπησης - hyperspectral remote sensing (HSR). Μετά από ατμοσφαιρική αποκατάσταση των δεδομένων από το DAIS-7915 και τις τεχνικές παράλειψης των θορυβώδων ζωνών, η ρουτίνα VNIRA εκτελέσθηκε για να παραγάγει ένα πρότυπο εξίσωσης πρόβλεψης για κάθε ιδιοκτησία, χρησιμοποιώντας τα στοιχεία ανάκλασης των σαρώσεων. Η εφαρμογή αυτής της εξίσωσης, pixel το pixel, αποκάλυψε εικόνες που περιέγραψαν χωρικά και ποσοτικά τη διανομή επιφάνειας σε κάθε ιδιοκτησία. Τα αποτελέσματα της VNIRA επικυρώθηκαν επιτυχώς από τη a priori γνώση των χαρακτηριστικών της περιοχής και από τα στοιχεία που συλλέχθηκαν από διάφορα σημεία δειγματοληψίας. Μετά από αυτές τις εξετάσεις, μια διαδικασία αναπτύχθηκε προκειμένου να δημιουργηθεί ένας χάρτης εδαφολογικής ιδιοκτησίας της ολόκληρης περιοχής, συμπεριλαμβάνοντας των χωμάτων κάτω από αυτήν.

Εισαγωγή

Η υπερφασματική τηλεπισκόπηση (HSR) είναι μια προηγμένη τεχνική που παρέχει - με ποιότητα παρόμοια εργαστηρίου - τα φάσματα του συντελεστή ανάκλασης κάθε ενιαίου εικονοκυττάρου. Αυτή η ικανότητα επιτρέπει τον προσδιορισμό των στόχων βασισμένων στα γνωστά φασματικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα της απορρόφησής τους (Goetz και λοιποί. 1985). Υπό τους εργαστηριακούς όρους, οι φασματικές πληροφορίες τοτ ορατού, του εγγύς υπέρυθρου και των μικροκυματικών υπέρυθρων ακτίνων (VIS-NIR-SWIR, 0.4–2.5 mm) παρέχουν μια ελπιδοφόρο ικανότητα να προσδιοριστεί το χώμα, η βλάστηση, ο βράχος και τα ορυκτά υλικά. Επειδή το χώμα είναι ένα πολυσύνθετο σύστημα, οι εδαφολογικές ιδιότητες δεν μπορούν να αξιολογηθούν άμεσα εύκολα από τα φάσματα συντελεστή ανάκλασής τους ακόμη και υπό τις ελεγχόμενες (εργαστηριακές) συνθήκες (ben-Dor και Banin 1994).

Μια νέα προσέγγιση για την ανάλυση των εδαφολογικών ιδιοτήτων από τις εργαστηριακές πληροφορίες ανάκλασης, έχει αναπτυχθεί από τους Dalal και Henry (1986) και έχει συνεχιστεί αργότερα από τους Ben-Dor και Banin (1995a, 1995b). Η μέθοδος VNIRA (Visible and Near Infrared Analysis) αναπτύχθηκε και χρησιμοποιήθηκε αρχικά στην επιστήμη τροφίμων για γρήγορο καθορισμό των χημικών συστατικών άμεσα από τα εργαστηριακά φάσματα του συντελεστή ανάκλασής τους στη φασματική περιοχή ΝΙR-SWIR (1.0-2.5 mm.) (Norris 1988). Αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιεί ένα στατιστικό πρότυπο που επισύρει μια αλληλεπίδραση μεταξύ της 'υγρής χημείας' και των δεδομένων του συντελεστή ανάκλασης για να παραγάγει ένα εργαλείο για εμπειρική πρόβλεψη του συστατικού απλώς από τις πληροφορίες του συντελεστή ανάκλασής του.

Ο επιλεγμένος αισθητήρας και η περιοχή

Για αυτήν την μελέτη επιλέχτηκε ο σαρωτής DAIS-7915. που κατασκευάζεται από τη GER Α.Ε., ΗΠΑ και που αναβαθμίζεται από το DLR Γερμανία. Ο αισθητήρας είναι ευαίσθητος στις φασματικές περιοχές VIS-NIR-SWIRTIR (0.4-14 mm.), αποτελούμενος από 79 κανάλια, με ένα εύρος ζώνης που κυμαίνεται από 0.9nm εώς 60nm. Η περιοχή που επιλέγεται για αυτήν την μελέτη είναι στο βόρειο Ισραήλ (κοιλάδα Izrael) σε μια σχετικά επίπεδη έκταση αποκαλούμενη Ύψη Zvaim (σχήμα 1). Αυτή η περιοχή είναι βαριά καλλιεργημένη και εντατικά χρησιμοποιημένη για να αυξηθούν οι γεωργικές συγκομιδές. Η εδαφολογική σύσταση είναι βαρύς άργιλος (συνήθως vertisol - μαύρο αργιλικό τροπικό έδαφος - στο σύστημα ταξινόμησης USDA), ο οποίος προκαλεί πολλά σχετικά προβλήματα, όπως η φτωχή αποξήρανση, η αλατότητα και η βαριά δομή.

Από τα δεδομένα του DAIS επιτεύχθηκαν αξιόπιστα φασματικά πρότυπα για την υγρασία εδαφολογικών τομέων, το οργανικό περιεχόμενο, τη διαποτισμένη υγρασία και την εδαφολογική αλατότητα. Η αξιοπιστία είναι και στις στατιστικές παραμέτρους και στις φασματικές αναθέσεις. Γενικά, ο προσδιορισμός (και η ανίχνευση) της ποσότητας της εδαφολογικής αλατότητας είναι ένας δύσκολος και προκλητικός στόχος που χρησιμοποιεί τα δεδομένα ανάκλασης (Csillage και λοιποί. 1993) ή εικόνες που βασίζονται στην ηλιακή ακτινοβολία, αν το αποτέλεσμα δεν είναι σημαντικό για το ανθρώπινο μάτι (Metternicht και Zinck 1997). Αυτό είναι επειδή τα πιθανά άλατα στο χώμα (π.χ. ΝαCl), δεν αποτελούν σημεία σημαντικών αιχμών απορρόφησης πέρα από τη σχετική φασματική περιοχή (δείτε το φάσμα από το halite <http://en.wikipedia.org/wiki/Halite> στο σχήμα 1 (β)).

Σχήμα 1: Αρκετά αγνά υλικά πιθανολογείται ότι βρίσκονται στα δείγματα του εδάφους (α) ένα λασπώδες εύφορο έδαφος με ποικιλότητα στην υγροσκοπική υγρασία, (β) τα ανόργανα στοιχεία και (γ) οργανική ύλη σε δύο στάδια αποσύνθεσης (α = φρέσκο, b αποσυντεθημένο μετά από 355 ημέρες).

Σε αυτήν την περίπτωση ένας έμμεσος συσχετισμός με την εδαφολογική υγρασία (και λιγότερο με την οργανική ουσία) επιτρέπει στις μετρήσεις VNIRA-αλατότητας να είναι αποτελεσματικές. Ο συσχετισμός μεταξύ της εδαφολογικής υγρασίας και της εδαφολογικής αλατότητας σε αυτήν την περιοχή πρέπει να εξεταστεί: στην περιοχή μελέτης, η εδαφολογική αλατότητα προκύπτει λόγω ενός ενός μεγάλου δικτύου υπόγειων νερών που προκαλούν μια τριχοειδική ανύψωση με οδηγό τη διαδικασία εξάτμισης. Αυτό προκαλεί το σχηματισμό των αλατισμένων κρουστών στη διεπαφή χώματος/ατμόσφαιρας (ορατός ή αόρατος). Κατά μήκος των αλατότητα-μολυσμένων περιοχών, η υγρασία του εδάφους είναι σχετικά υψηλή, και ως εκ τούτου, η ανάλυση VNIRA επιλέγει εύκολα τη θέση της. Στην πραγματικότητα, το επίπεδο υπόγειων νερών μπορεί να αλλάξει από μια εποχή σε άλλη, και η αλατούχος κρούστα να χρησιμεύσει ως ένας δείκτης για τον καθορισμό των χωρικών δυναμικών.

Σχήμα 2: Ένα μωσαϊκό εικόνων που παρέχει η χωρική κατανομή των ιδιοτήτων του εδάφους μετά την εφαρμογή της πρόβλεψης της VNIRA εξίσωσης. Κάθε εικόνα είναι ένα χωρικό υποσύνολο που εκπροσωπεί την εντατική γεωργία σε περιοχές κατά μήκος της επιλεγμένης γραμμής πτήσης. (Α = ηλεκτρική αγωγιμότητα (EC), β = υγρασία Πεδίου (FM), c = Οργανικά Σωματίδια (OM), d = κορεσμένο σε υγρασία (SM), e = χάρτης βάσης αναφοράς (κανάλι # 12 0,767 χιλιοστά)).

Το σχήμα 2 επεξηγεί τις 'εικόνες ιδιοκτησίας' όπως παράγονται με την εφαρμογή των εξισώσεων πρόβλεψης (σχήμα 3). Βασικά υποτίθεται ότι ένα εικονοστοιχείο 8m×8m μπορεί να παρουσιάσει μικτά αποτελέσματα της ιδιοκτησίας. Εντούτοις, αν και αυτή η περιοχή μπορεί να αντιπροσωπευθεί από μια διαφορετική διανομή, η υπολογισμένη αξία μπορεί να είναι ένας δίκαιος μέσος όρος για να καταδείξει όσο το δυνατόν ακριβέστερα τη χωρική διανομή της εδαφολογικής ιδιοκτησίας.

Σχήμα 3: Οι εξισώσεις βαθμονόμησης που λαμβάνονται για κάθε ακίνητο.

Γενικά απεικονίζεται μια αξιόπιστη εικόνα κάθε ιδιοκτησίας (αποκλείοντας τα καλυμμένα εικονοστοιχεία βλάστησης). Αυτό το συμπέρασμα είναι βασισμένο στη a priori γνώση της περιοχής καθώς επίσης και σε έναν προσεκτικό έλεγχος επικύρωσης πέντε ανεξάρτητων εδαφολογικών δειγμάτων που αναλύθηκαν μέσα το εργαστήριο. Οι VNIRA-βασισμένες τιμές εξήχθησαν από ποσοτικές εικόνες που λαμβάνονται στο προηγούμενο βήμα. Οι προβλεφθείσες τιμές συγκρίθηκαν έπειτα με τις πραγματικές (εργαστηριακές) τιμές, και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο σχήμα 4.

Σχήμα 4: Επικύρωση κάθε οικοπέδου εξεταζόμενης της ιδιοκτησίας, που δείχνουν τις πραγματικές τιμές των επιλεγμένων δείγματων εδάφους κατά μήκος της περιοχής μελέτης κατά τις προβλεπόμενες τιμές που εξάγονται από το VNIRA εικόνας (a=EC (Ds cmÕ 1); b=FM (fraction); c=OM (fraction); d=SM (fraction)).

Αν και τα αποτελέσματα είναι ακόμα μακριά από αυτό που μπορεί να επιτευχθεί στο εργαστήριο, η μελέτη έδειξε ότι η τεχνική VNIRA είναι ένα εφικτό εργαλείο για τις εδαφολογικές ιδιότητες που χρησιμοποιούν στοιχεία HSR. Καλύτερα στοιχεία HSR, περισσότερα εδαφολογικά δείγματα και ακόνισμα της προσέγγισης VNIRA θα μπορούσε να είναι ο συνδυασμός που θα καθιστά αυτήν την μέθοδο πλήρως εφαρμόσιμη.

Σχήμα 5: Ένα μωσαϊκό εικόνων (διορθωμενο σύμφωνα με τις τοπικές ισραηλινές συντεταγμένες) που παρέχει την χωρική κατανομή του κάθε ακινήτου μετά την εφαρμογή της IDW τεχνικής παρεμβολής.