اطلاعيه

Collapse
No announcement yet.

دورسنجی خاک ها و فرایندهای خاک

Collapse
X
 
  • فیلتر
  • زمان
  • نمایش
Clear All
new posts

    دورسنجی خاک ها و فرایندهای خاک

    ۱- مقدمه
    لایه خاک یا خاک کره (پدوسفر)، یک لایه منحصر به فرد از نظر فعالیت پویای زیست شناختی است که لایه ای واسط و پیوسته بین سنگ کره، اتمسفر، هیدروسفر و بیوسفر تشکیل می دهد (شکل ۱). در اصل پدوسفر پوست خشکیهای زمین است که به عنوان غشای زمین عمل کرده و چرخه های بیوژئوشیمیایی و آبشناختی مواد و انرژی را در سطح خشکی تنظیم می کند. به عنوان یک منبع مصرف و کاهش گازهای گلخانه ای اتمسفر (دی اکسید کربن، متان، اکسید نیتروژن و آب)، خاکها تاثیر زیادی بر اتمسفر می گذارند. خاکها از طریق تقسیم بندی آب باران بین رواناب و آب نفوذی، بر چرخه آبشناختی تاثیرگذار بوده که خود در فرایندهای فرسایشی سنگ کره موثر است. خاکها همچنین به عنوان بافر و فیلتری در برابر مواد آلاینده که بر کیفیت آب اثر می گذارند، عمل می کنند، فرایندی که در آن خواص بافری خاکها به طور پیوسته و هماهنگ با تغییر شرایط محیط زیست سازگاری پیدا می کند. افزون بر این، خاکها بخشی اصلی بیوسفر را شکل می دهند که با سیستم های بیوژئوشیمیایی و اقلیم فیزیکی اندرکنش داشته و بر میزان تولید، شار کربن و تنوع زیستی تاثیر می گذارد (شکل ۲). تغییرات بشری در کاربری زمین سامانه های بیوژئوشیمیایی را تغییر داده و سبب تاثیر بر سامانه های فیزیکی اقلیم شده است. شناخت بهتر فرایندهای اساسی خاک برای حل بسیاری از مشکلات زیست محیطی ضروری است.



    Soil1.gifشکل ۱- پدوسفر در سیستم بیوسفر – ژئوسفر

    Soil2.jpg

    شکل ۲- نقش خاکها در علوم زمین


    استفاده از سیستم های سنجنده هوابرد و فضابرد با پوشش های همدید و تکراری خود از سطح زمین، برای به نقشه درآوردن تغییرات مکانی ویژگی های فیزیکی و بیوژئوشیمیایی خاکها، برای اهداف مدیریت منابع طبیعی و محیط زیست به طور فزاینده ای در حال گسترش است. خاکها تغییرات مکانی بسیار زیادی را در هر چشم اندازای نشان می دهند، که این به دلیل تغییر ویژگی های ریخت شناسی در ارتباط با محیطی است که در آن شکل گرفته اند. فرایندهای خاکزایی عبارتند از اقلیمی، زمین شناسی، توپوگرافی، عوامل زیستی، فعالیت های انسانی و تاریخ (طبیعی و انسانی). بنابراین خواص خاک تابعی از تاریخ کنونی و تاریخچه گذشته محیط خاک است و پاسخ های خاک به الگوهای مدیریت زمین و محدودیت های محیطی اغلب با توجه به این ویژگی های طبیعی خاک، تعیین می شوند (Bouma, 1994).
    مدیریت موثر و فرانگری منابع خاک نیازمند داده های مکانی در مقیاس های مختلف است تا بتوان الگوهای کاربری زمین، ریخت شناسی، توپوگرافی و پارامترهای آبشناسی و پوشش گیاهی را از آنها استخراج کرد. دورسنجی شاید تنها ابزار ممکن برای فراهم کردن داده های مکانی فوق در مقیاس های مختلف و بر مبنایی پایدار و به موقع باشد. در این بخش کاربرد دورسنجی و روشهای آن در فراهم کردن اطلاعات مورد نیاز برای مطالعه خاکها با هدف پایداری اکوسیستم، کاهش خشکسالی، بهداشت انسان، چرخه بیوژئوشیمیایی و کربن، فرسایش و میزان رسوب، تعادل آب و کیفیت آب مورد بررسی قرار گرفته است. ما به بررسی چگونگی استفاده از دورسنجی برای تشخیص خاکها و فرانگری تغییرات در پاسخ به کاربری زمین و الگوهای اقلیمی خواهیم پرداخت. همچنین نحوه یکپارچه سازی داده های دورسنجی با سامانه اطلاعات جغرافیایی، مدل های پردازش پویا و داده های صحرایی در مقیاس های مکانی و زمانی مختلف برای دستیابی به کاربری پایدار زمین بررسی شده اند.

    #2
    ۲- ویژگی هایی که انعکاس خاک را کنترل می کنند
    دانش بسیاری در مورد ویژگی های نوری خاک از طریق مطالعات آزمایشگاهی گسترده و مطالعات رادیومتری صحرایی بدست آمده است. فنون دورسنجی نوری پرتوهای گسیل شده و بازتاب شده از سطح خاک را اندازه گیری می کنند، چراکه امواج الکترومغناطیس نفوذ بسیار کمی از محیط درونی و تاریک خاک دارند. Liang (1997) دریافت که عمق قابل تشخیص تنها چهار تا پنج برابر اندازه موثر دانه ها است. ترکیب طیفی انرژی گسیل شده و بازتابی نخست به بیوژئوشیمی، پراکنده سازی هندسی نور (اندازه ذرات، زبری و …) و رطوبت سطح بستگی دارد (Baumgardner et al., 1985; Irons et al., 1989; Ben-Dor et al., 1999). هدف دورسنجی بهره برداری و مدل کردن این روابط پیچیده و الگوهای اندرکنش انرژی سطح با هدف نقشه برداری و استخراج اطلاعات در مورد خصوصیات بیوفیزیکی و بیوشیمیایی خاکها است.


    ۲-۱- ویژگی های بیوشیمیایی
    علائم طیف بازتابی خاک ناشی از حضور یا عدم حضور و همچنین شکل و موقعیت عوامل جذب کننده خاص در ترکیب آن است. جذب بوسیله پدیده های شیمیایی و فیزیکی مختلف مانند نوسانات بین مولکولی و فرایندهای الکترونی در اتمها صورت می گیرد. در محدوده مرئی و فروسرخ نزدیک (۰.۴ تا ۱.۳ میکرومتر) از طیف الکترومغناطیس عارضه های جذب کننده گسترده ای وجود دارند، برای مثال می توان از جذب توسط آهن (II) زردرنگ در نزدیکی یک میکرومتر، و جذب ضعیف تر در ۰.۷ و ۰.۸۷ میکرومتر توسط آهن فریک قرمز نام برد. انتقال بار شدید بین آهن و اکسیژن در طیف آبی و فرابنفش کاهش تندی در طول موج های کوتاه تر نشان می دهد. در نتیجه بیشتر خاکها با افزایش طول موج در محدوده نور مرئی و فروسرخ نزدیک از طیف امواج الکترومغناطیس، افزایش بازتاب از خود نشان می دهند، چراکه آهن به نسبت در همه جا حضور دارد (Mulders, 1987). در اثر فرایندهای نوسانی، خاکها عارضه های طیفی متمایزی در محدوده فروسرخ کوتاه (۱.۳ تا ۲.۵ میکرومتر) از خود نشان می دهند که شامل دو دامنه گسترده از جذب آب در ۱.۴ و ۱.۹ میکرومتر است. کانی های دارای هریک از بنیانهای OH, CO3 و SO4 (مانند کلسیت و ژیپس) عارضه های نوسانی در طول موجهای ۱.۸ تا ۲.۵ میکرومتر از خود نشان می دهند، در حالیکه سیلیکاتهای لایه لایه دارای هیدروکسی طول موج های ۱.۴ و ۲.۲ میکرومتر را جذب می کنند (Baumgardner et al., 1985; Mulders, 1987).


    خاکها مخلوطی از مواد آلی و غیرآلی هستند که در نتیجه بررسی ترکیب آنها با کمک علائم طیفی آنها آسان نیست (Ben-Dor et al., 1996). بسیاری از علائم طیفی خاکها بسیار به هم نزدیک بوده و جداسازی آنها از یکدیگر مشکل است. در نتیجه تنها تعداد محدودی از اشکال منحنی های طیفی خاکها با کمک دورسنجی قابل تمیز هستند. Condit (1970) 160 منحنی بازتاب طیفی خاک را در بازه ۰.۳۲ تا ۱.۰ میکرومتر مورد بررسی قرار داد و دریافت که تنها سه شکل اصلی منحنی بازتاب طیفی در بین آنها وجود دارد. Stoner and Baumgardner (1981) تعداد بیشتری از انواع خاکها را در محدوده ۰.۵۰ تا ۲.۴۵ میکرومتر بررسی کردند (۴۸۵ نمونه) و پنج نوع منحنی بازتاب طیفی خاکها را با توجه به محتوی آهن و مواد آلی آنها معرفی کرده و با بافت خاکها مطابقت دادند (شکل ۳). این مطالعات به همراه تعداد فراوانی مطالعات صحرایی و آزمایشگاهی نشان دادند که علائم طیف بازتابی خاکها به شدت تحت کنترل اکسیدهای آهن، مواد آلی و آب غشایی سطح ذرات موجود در خاک است. شکل منحنی ها نمایانگر A: خاک با ترکیب سرشار از مواد آلی و آهن کم. B: خاکهای با کانی های دگرسان و فقیر از مواد آلی و آهن C: خاکهای متاثر از آهن با مواد آلی کم و مقدار آهن متوسط، D: خاکهای متاثر از مواد آلی با مقدار بالای مواد آلی که به طور کامل تجزیه نشده اند و مقدار آهن کم، E: خاکهای سرشار از آهن با مقدار مواد آلی کم.

    Soil3.gif
    شکل ۳- پنچ الگوی واحد از انواع علائم طیفی خاک (Stoner and Baumgardner, 1981)

    Soil4.jpg


    ( Courault et al., 1988) شاخص های طیفی مختلف را تعریف کرد که از جمله آنها شاخص SO که آلی ترین خاکها را از خاکهای کربناته تفکیک می کند و شاخص RF که خاکهای سرشار از آهن را متمایز می سازد. (Ben-Dor and Bannin 1994) با بکارگیری تحلیلی بر طیف مرئی و فروسرخ نزدیک، شامل فشرده سازی طیفی و تحلیل مشتق طیفی، توانستند دامنه گسترده ای از اجزاء شیمیایی خاک را از تفکیک طیفی دقیق در خاکهای مناطق خشک و نیمه خشک پیش بینی کنند. روش آنها به باندهای طیفی بین ۱۵ تا ۳۵۰، در محدوده مرئی – فروسرخ نزدیک، نیاز دارد تا پیش بینی بهینه ای از اجزاء شیمیایی خاک از جمله کربنات کلسیم، اکسید آهن (Fe2O3)، اکسید آلومینیم، سیلیس، اکسیدهای آهن آزاد و اکسید پتاسیم، ارائه دهد. وجود برگهای تجزیه نشده و دیگر پوشش های گیاهی غیرفتوسنتز کننده (Nonphotosynthetic vegetation; NPV) در سطح خاک بر علائم طیف بازتابی خاک تاثیر می گذارند.
    مطالعات بسیاری به بررسی خواص شیمیایی و نوری ماده آلی خاک به عنوان تابعی از منشاء گیاهی و سن، پرداخته اند (Aber et al., 1990). Stoner and Baumgardner (1981) سه نوع شاخص از اشکال منحنی های طیفی را براساس مراحل مختلف تجزیه زئدات گیاهی در خاک، معرفی کردند. منحنی فیبریک (fibric) که نشانگر کمترین تغییر در بافت اولیه گیاه بوده و در نتیجه خواص بازتابی بالایی دارد، منحنی همیک که نشانگر مراحل میانی تجزیه مواد آلی است و منحنی ساپریک که نشانگر تجزیه و فساد بالای مواد زائد است، که کمترین میزان بازتاب را نشان می دهند. (Ben-Dor et al.,1997) دریافتند که شیب هایی که در محدوده مرئی – فروسرخ نزدیک از طیف امواج بازتابی وجود دارند و همچنین عارضه های جذبی که در محدود فروسرخ نزدیک – فروسرخ کوتاه قرار دارند، در بررسی ویژگی های نوری مواد آلی خاک در مراحل مختلف تجزیه بیوشیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند. (McLellan et al. 1991) از تحلیل فروسرخ نزدیک (NIRA) برای پیش بینی مقادیر نیتروژن، لیگنین و سلولز در حین تجزیه مواد برگ به ماده آلی خاک استفاده کردند.

    نظر


      #3
      ۲-۲- اندرکنش های نوری – هندسی
      بیشتر سطوح خاکی، امواج تابیده شده را به صورت غیرایزوتروپ پراکنده می کنند که این پدیده ناشی از ساختار سه بعدی خاک است. پراکنده سازی به صورت پراش و بازتاب آینه ای رخ می دهد و تابعی از خواص هندسی (اندازه دانه، نسبت ابعاد و زبری) سطح، زاویه نگاه سنجنده، زاویه تابش خورشید و موقعیت آزیموتی نسبی خورشید و سنجنده نسبت به سطح است (Kimes et al., 1984; Irons et al., 1989; Ben-Dor et al., 1999). در کوتاه ترین طول موج ها که بیشترین تاثیر را می پذیرند، ناهمواری و هندسه خورشید – سنجنده – خاک، علائم طیفی خاک و تداخل های خواص پایه خاک مانند کانی شناسی خاک را تغییر می دهند. داده های دورسنجی که در هندسه های متفاوتی از تابش خورشید و سنجنده برداشت شده اند، بدون تصحیح این اثرات زاویه ای، لزوما قابل مقایسه نیستند.
      توزیع اندازه دانه و تغییرات ارتفاع سطح (زبری) از مهمترین عوامل موثر بر بازتاب جهت یافته خاکهای برهنه هستند. این عوامل باعث کاهش میزان بازتاب با افزایش زبری دانه ها می شوند به نحویکه دانه های درشت دارای فضاهای بین دانه ای و تله های نوری فراوان هستند. خاکهای بدون ساختار، هموار و نرم، به طور کلی انرژی بیشتری بازتاب کرده و روشن تر هستند. با وجود اندازه دانه ریزتر، خاکهای رسی از خاکهای ماسه ای تیره تر به نظر می رسند، چراکه ذرات رس به صورت سطحی با زبری بیشتر عمل می کنند.
      تابع توزیع بازتاب دوجهته (bidirectional reflectance distribution function (BRDF)، رفتار سطح بازتاب کننده و پراکنده ساز را به صورت تابعی از زاویه های تابش و دید برای یک طول موج خاص، بیان می کند. رابطه این تابع عبارتست از:

      Soil5.gif

      با واحد Sr-1 ، ?s و s? به ترتیب زاویه های راسی و زاویه آزیموتی تابش خورشید و ?v و v? زاویه های راسی و آزیموتی دید سنجنده هستند. با این وجود، اغلب، این تابع به طور ساده به عنوان عامل بازتاب دو جهته (BRF = ?BRDF) در وضعیت های مختلف زاویه دید آزیموتی و راسی با موقعیت خورشید معرفی می شود (Walthall et al., 1985). BRDF یک ویژگی فیزیکی ذاتی سطح است که می توان از آن برای بدست آوردن توصیف گرهای هندسی خاک، مانند اندازه، شکل و جهت یافتگی عناصر زبری سطح، استفاده کرد.


      تلاشهای قابل توجهی برای توسعه مدلهای تجربی و انتشار امواج برای توصیف الگوهای BRDF سطح خاک انجام شده است (Pinty et al., 1989; Deering et al., 1990; Irons et al., 1992; Jacquemoud et al., 1992; Liang and Townshend, 1996; Ben-Dor et al., 1999). به طور کلی رفتار زاویه ای سطح تابعی از اثرات منطقی، که بیشتر برای نقاط داغ (hotspots) مد نظر قرار می گیرند، پراکنده سازی حجمی در محیط های متخلخل و اثرات سطحی از جمله سایه ها و هندسه سطح است. آگاهی از BRDF یک سطح خاک، این امکان را فراهم می کند تا تصحیحات لازم برای تغییرات بازتاب با زاویه، از طریق نرمال کردن پاسخ نسبت به یک هندسه مشاهده مشخص مانند نقطه قعر، صورت گیرد. مجموع BRDF در سراسر نیمکره، آلبدو، یا نسبت انرژی پراکنده شده از سطح به صورت امواج کوتاه (۰.۴ تا ۴ میکرومتر) به کل انرژی تابیده شده بر روی سطح، را تشکیل می دهد. آلبدو یک متغیر اساسی در مطالعات توازن انرژی، مدلسازی اقلیم (Middleton et al., 1987) و مطالعات تخریب خاک به شمار می آید. Jacquemoud et al., (1992) مدل SOIL-SPECT را برای بیان ویژگی های نوری خاک بین طول موج های ۴۵۰ تا ۲۴۵۰ نانومتر تدوین کردند. آنها نشان دادند که طیف آلبدو پراکنده سازی منفرد، نشانگر خصوصیات ذاتی طیفی خاک است که به اجزاء بیوژئوشیمیایی و رطوبت خاک وابسته بوده و مستقل از هندسه اندازه گیری است. این مسئله از اهمیتی فراوان در مقایسه بین طیف های خاک که در شرایط مختلفی از هندسه اندازه گیری بدست آمده اند، برخوردار است.


      ۲-۳- رطوبت خاک
      رطوبت خاک تاثیری شدید بر مقدار و ترکیب انرژی بازتابی و گسیل شده از سطح خاک دارد و در نتیجه می توان از اندازه گیری های انجام شده در تمام گستره امواج الکترومغناطیس، اطلاعاتی درباره رطوبت خاک بدست آورد. در منطقه طول موج کوتاه، اثر اصلی آب جذب شده بر بازتاب خاک کاهش انرژی بازتاب شده است که در نتیجه خاک مرطوب، تیره تر به نظر می رسد، به ویژه باندهای آب جذبی در ۱.۴۵ و ۱.۹ میکرومتر قرار می گیرند (Reginato et al., 1977). کاهش بازتاب با ضخامت فیلم آب در اطراف ذرات خاک متناسب است که می توان آن را با محتوی آب گرانی سنجی و همچنین وضعیت انرژی آب جذب شده مرتبط دانست (Idso et al., 1975). رفتار حرارتی خاک به شدت تابع رطوبت خاک است که گرم شدن و سرد شدن خاک را از طریق تقسیم کردن انرژی تابشی به انرژی پنهان و گرمای محسوس کنترل می کند. اختلاف در دامنه و تغییرات روزانه دمای سطح خاک، نتیجه اختلاف اینرسی حرارتی است که نخست به محتوی رطوبت و سپس ویژگی های بافتی خاک وابسته است (Mulders, 1987). Reginato et al. (1976) نشان دادند که چگونه دمای بیشینه و کمینه روزانه سطح خاک، همانند دمای بیشینه و کمینه روزانه هوا با محتوی آب خاک (۰-۲ سانتیمتر) نسبت معکوس دارد.


      هر دو روش دورسنجی فعال و غیرفعال می توانند به دقت رطوبت خاک را در ضخامت ۵ سانتیمتری بالای خاک اندازه گیری کنند. طول موج های بلندتر (> 5 سانتیمتر) بهترین گزینه برای اندازه گیری رطوبت خاک هستند (Ustin et al., 1991; Engman, 1995) مبنای نظری اندازه گیری های دورسنجی میکروویو برای رطوبت خاک از اختلاف شدید بین خواص دی الکتریک آب مایع و خاک خشک حاصل شده است. افزایش رطوبت خاک سبب بزرگتر شدن ثابت های دی الکتریک می شود. در فرکانس های L-band (1 تا ۲ گیگاهرتز یا ۱۵ تا ۳۰ سانتی متر) ثابت دی الکتریک آب ۸۰ و در خاک خشک ۳ تا ۵ است و با افزایش رطوبت خاک ثابت دی الکتریک خاک می تواند به بیش از ۲۰ افزایش پیدا کند.


      در دورسنجی میکروویو به روش غیرفعال از رطوبت خاک، دمای روشنی (Tb; Brightness Temperature) اندازه گیری می شود که عبارتست از محصول دمای سطحی و دمای انتشار سطحی. انتشار سطحی (Surface emissivity) می تواند از ۹۵% در زمانی که خاک خشک است تا کمتر از ۶% زمانی که مرطوب است، تغییر کند. همچنین مقدار آب به زبری و ناهمواری سطح نیز حساس است. برای دورسنجی فعال میکروویو سطح خاکها، دمای اندازه گیری شده رادار بازپراکنده شده ?s0، با رطوبت خاک نسبت مستقیم دارد ولی همچنان به زبری سطح خاک نیز حساس است.

      نظر


        #4
        ۳- تعیین ویژگی های خاک در مقیاس چشم انداز (Landscape Scale)
        در سطح چشم انداز اندازه گیری ویژگی های خاک و استنباط اطلاعات خاک از داده های سنجنده های هوابرد یا فضابرد بسیار مشکل تر است. این دشواری به دلیل تغییرات شدید مکانی ویژگی های خاک و پوشیده شدن سطح خاک با گیاهان و زئدات گیاهی است.
        شخص می بایست تغییرات طیفی ناشی از شرایط بیرونی اندازه گیری، کالیبراسیون ابزار، توپوگرافی و اتمسفر را از تغییرات ناشی از ویژگی های ذاتی خاک و مواد سطحی متمایز کند (Huete, 1996). اتمسفر اثری قوی بر علائم طیفی سطح خاک دارد در حالیکه اثرات آن بر سطوح روشن تر و سطوح ماسه ای کمتر است. تمیز دادن و به نقشه درآوردن انواع خاک و خواص خاک نه تنها تابعی از ویژگی های نوری مواد سطحی است، بلکه از ویژگی های سنجنده مانند تعداد باندهای موجی، عرض باندها، تفکیک مکانی و نویز دستگاه نیز تاثیر می پذیرد. اطلاعات موجود از کارهای آزمایشگاهی، صحرایی و مدلها، مبنای استوار و نقطه آغازین برای استخراج اطلاعات خاک در سطوح چشم اندازهای بسیار ناهمگن تر (هتروژن) فراهم کردن است.
        انواع گسترده ای از سامانه های سنجنده هوابرد و فضابرد وجود دارند که برای مطالعه خاک ها در سطح چشم انداز و برای مدیریت پیشرفته منابع خاک از فضا مورد استفاده قرار می گیرند (جدول ۱). سنجنده های هوابرد و فضابرد می توانند انرژی بازتاب شده و گسیل شده از سطح خاک را در بازه ای گسترده از مقیاس های مکانی و زمانی و به عنوان تابعی از طول موج، هندسه تابش خورشید و وضعیت قطبی شدن، اندازه گیری کنند. به طور کلی قابلیت های بهتر تفکیک خاکها با تفکیک مکانی و طیفی دقیق تر و با اندازه گیری های جهت یافته که اطلاعات بیشتری فراهم می کنند، قابل دستیابی است. از داده های دورسنجی برای تعیین صفات و به نقشه درآوردن خاکها به چند طریقه مختلف استفاده می شود:


        – دورسنجی اندازه گیری مستقیم را در مقایسه با روش های سنتی صحرایی امکان پذیر ساخته است. اندازه گیری مستقیم از سطوح رخنمون دار خاک در مناطق دارای پوشش گیاهی و مناطق عریان صورت گرفته و داده های آن با توجه به دانش گسترده که از مطالعات صحرایی و آزمایشگاهی بدست آمده است، تفسیر می گردند. اندازه گیری مستقیم اطلاعات لازم از ساختار طیفی خاک، رطوبت و خواص بافتی آن را فراهم می کند.
        – مدلهای ترکیبی و اندیس های خاک برای مناطقی که به طور محدود دارای پوشش گیاهی هستند، بکار گرفته می شوند تا ویژگی های شناخته شده خاک متمایز شوند و تصاویری از مولفه های خاک تهیه شود.
        – انواع خاک و ویژگی های خاک شامل ویژگی های ریزتر (مانند ظرفیت نگهداری آب) را ممکن است بتوان از اندازه گیری های دورسنجی پوشش گیاهی و خاک بدست آورد.
        – از اندازه گیری های دورسنجی ممکن است بتوان برای تهیه اطلاعات توپوگرافی، پوشش زمین و کاربری زمین برای مطالعات خاک استفاده کرد.


        جدول ۱- سنجنده های با تفکیک ریز که در مطالعه خاک مناسب اند.
        Soil6.jpg

        نظر


          #5
          ۳-۱- اندازه گیری مستقیم
          در مناطق خشک و بسیار خشک موفقیت بسیاری در زمینه نقشه برداری خاک با دورسنجی بدست آمده که این به دلیل غالب بودن علائم طیفی خاک و جزئی بودن سیگنالهای پوشش گیاهی در این مناطق است. تا زمانیکه شرایط زمین شناسی و کانی شناسی زیرسطحی تغییر می کنند و کانی شناسی خاک در طیف بازتابی غلبه دارد، تنوع طیفی سطح بالا خواهد بود. ماسه های روشن، مواد آتشفشانی و خاک های غنی از آهن هوازده را می توان در نزدیکی یکدیگر یافت و پوسته های زیستی به تنوع طیفی خاک در مناطق خشک و نیمه خشک می افزاید (شکل ۴).
          از دهه ۱۹۳۰ عکس های هوایی به طور معمول برای برداشت خاک و نقشه برداری از آن در آمریکا مورد استفاده قرار گرفته اند. در اوایل دهه ۱۹۶۰، عکس های رنگی به شدت تمایز در واحدهای نقشه برداری شده خاک و ویژگی های زهکشی خاک، را قوت بخشیدند (Irons et al., 1989). در سال ۱۹۷۲ برنامه ماهواره لندست تهیه داده های چند طیفی و فنون شناسایی الگوها برای نقشه برداری خاکها را آغاز نمود. کیفیت بالاتر، ثبات و پوشش داده های همدید، بهره وری فرایندهای بررسی خاک را نسبت به عکس های هوایی به شدت تقویت کرد. سه ماهواره اولیه لندست دارای سنجنده ها اسکنر چند طیفی (MSS) بود که از چهار باند وسیع در محدوده نور مرئی و فروسرخ نزدیک با اندازه پیکسل ۸۰ متر تشکیل شده بود. Donker and Mulder (1977) کاربرد داده های رقومی چند طیفی را برای تهیه نسبت باند (Band ratio) تصویر و تحلیل مولفه های اساسی نشان دادند که این موارد تفکیک رده های طیفی خاک را به شدت بهبود داد. نسبت ها قادر بودند تا عارضه های جذبی خاک را تقویت کنند و در عین حال اثرات روشن سازی خاک را کاهش دهند. Weismiller et al. (1977) با ترکیب فنون شناسایی الگوها از داده های MSS با چند دسته داده کمکی بایگانی شده مانند ویژگی های حوضه آبریز توانستند تمایز بیشتری در واحدهای خاک بدست آورند. مطالعات دیگر توانایی MSS را در نقشه برداری خاک در مناطق خشک و نیمه خشک بیشتر نشان داد (Horvath et al., 1984; El-Hady et al., 1991). لندست ۴ و ۵ در سالهای ۱۹۸۲ و ۱۹۸۴ پرتاب شدند و علاوه بر MSS، دارای یک نقشه بردار موضوعی (TM) بودند. سنجنده TM 6 باند پهن دارد که اندازه پیکسل آن ۳۰ متر است و یک باند حرارتی که تفریق چند طیفی سطوح خاک را به شدت افزایش داد و فرصت های بیشتری برای به تصویر درآوردن محض سطوح خاک فراهم آورده است. Escadafal and Pouget (1986) پروژه نقشه برداری خاک در جنوب تونس را با کمک قابلیت های مکانی و طیفی بیشتر TM اجرا کردند و توانستند انواع خاکها را شناسایی کرده و منابع خاک و کاربری مناسب زمین را توصیف کنند.

          Soil7.jpg
          شکل ۴- تصویر MODIS رود نیل از خارطوم تا آسوان که تغییرات گسترده طیفی سطوح خاک را مناطق خشک نشان می دهد (باندهای ۱، ۳ و ۴ با تفکیک ۲۵۰ متر؛ ۴ نوامبر ۲۰۰۰).


          (Prasad et al.1990) از داده های TM برای تهیه نقشه از منابع خاک و زمین کارانتاکای شمالی هند بهره بردند. آنها رده های کاربری زمین برای توسعه برنامه ریزی کاربری زمین را تعریف کردند. Baumgardner et al. (1985) خلاصه ای خوب از کاربرد داده های طیفی و مکانی فراهم شده از سنجنده های لندست، در جهت کمک به نقشه برداری خاک و مدیریت آن ارائه کردند.
          (ETM+ Enhanced Thematic Mapper) در آوریل سال ۱۹۹۹ پرتاب شد و قابلیت های لندست برای نقشه برداری خاک را با یک باند پن کروماتیک ۱۵ متر و یک باند حرارتی ۶۰ متر افزایش داد (جدول ۱). لندست TM و ETM باندهای با تفکیک ریز TIR و SWIR فراهم کردند که برای مطالعات خشکی رطوبت خاک مفید بودند.

          نظر


            #6
            ماهواره های با تفکیک متوسط تا درشت نیز در نقشه برداری خاک و در مناطق خشک که سیگنالهای خاک در آنها نسبت به پوشش گیاهی غلبه دارد، مفید بودند.( Escadafal and Pouget 1986) با بهره گیری از داده های کانالهای مرئی و فروسرخ نزدیک ماهواره AVHRR نوآ، با تفکیک مکانی ۱.۱ کیلومتر، نقشه خاکها در سطح منطقه ای گسترده و کمتر شناخته شده از صحرای آفریقا را تهیه کردند (جدول ۲). سنجنده SeaWiFS که در آگوست ۱۹۹۷ پرتاب شد داده های جهانی را در ۸ باند رنگی باریک بین ۴۰۰ تا ۹۰۰ نانومتر و با تفکیک ۱.۱ کیلومتر تهیه می کند، که اطلاعاتی مفید مرتبط با خواص فیزیکی خاک و رنگ سطح در اختیار قرار می دهد. رنگ خاک معیاری ساده و جانشین برای تخمین بسیاری دیگر از اجزاء خاک که اندازه گیری آنها مشکل است، بدست می دهد و در نقشه برداری خاک به عنوان نشانگری از حضور مواد آلی، اکسید آهن، کربناتها و رطوبت، کاربردی فراوان دارد. تنوع مکانی و زمانی رنگ سطح خاک سرنخ های مهمی از فرایندهای فرساینده زمین مانند شوره زایی، فرسایش و وضعیت زهکشی خاک ارائه کردند (Latz et al., 1984; Mougenot et al., 1993; Thompson and Bell, 1996). برای مثال وجود رنگهای خاکستری نشان دهنده زهکشی ضعیف و خیس شدگی در آب است. مطالعات بسیاری وجود رابطه بین رنگ خاک و اندازه گیری های نوری دورسنجی را نشان داده اند، که امکان مرتبط ساختن داده های فراوان منتشر شده از رنگ خاک را با داده های دورسنجی برقرار می سازد (Fernandez and Schulze, 1987; Escadafal et al., 1988, 1989; Escadafal, 1993; Post et al, 1994; Galva?o et al., 1997; Mattikalli et al., 1997; Mathieu et al., 1998).


            طیف سنج تصویری با تفکیک متوسط (Moderate Resolution Imaging Spectrometer; MODIS) ابزاری کلیدی، نصب شده بر سامانه های مشاهده زمین ترا (Terra) و آکوا (Aqua) به شمار می آید که در دسامبر ۱۹۹۹ و می ۲۰۰۱ به فضا پرتاب شدند (Salomonson et al., 1989; Running et al., 1994). ماهواره های ترا و آکوا در مدارهای همزمان با خورشید قرار داشته و به ترتیب دارای استوای زمان محلی ۱۰:۳۰ صبح و ۱:۳۰بعد از ظهر هستند. هر ابزار MODIS، مشاهدات مکانی و زمانی از سطح زمین را در ۳۶ باند با تفکیک مکانی ۲۵۰ و ۵۰۰ متر و یک کیلومتر، فراهم می کند که چرخه تکرار آن یک تا دو روز است. میدان دید آنها۵۰± درجه است که ۲۳۰۰ کیلومتر را اسکن می کند (شکل ۵). MODIS یک دسته ۹ تایی از باندهای رنگی اقیانوسی در محدوده ۴۰۵-۸۷۷ نانومتر دارد که اطلاعاتی از رسوبات نواحی ساحلی فراهم می کند. همچنین یک دسته از باندهای حرارتی برای شناسایی آتش سوزی و فرانگری دمای سطح نیز در اختیار دارد.

            Soil8.jpg
            جدول ۲- سنجنده های با تفکیک درشت و متوسط که در فرانگری فرایندهای خاک سودمند هستند.

            Soil9.jpg
            شکل ۵- تصویر MODIS از انتقال رسوبات در دهانه رودخانه یانگ تسه چین (باندهای ۱، ۳ و ۴ با تفکیک ۲۵۰ متر؛ ۱۶ سپتامبر ۲۰۰۰)

            نظر


              #7
              3-2– چشم اندازهای پیچیده
              در محیطهای مرطوب تر، فرصت هایی وجود دارند تا سطح خاک را به طریق دورسنجی بررسی کنیم. با این وجود اغلب سطوح خاک مقادیر قابل توجهی مواد زائد و پوشش گیاهی دارد که مانند ماسکی در برابر سیگنالهای خاک عمل می کند و استخراج و تفسیر داده های خاک را دشوارتر می سازد. این مشکل زمانی حادتر می شود که تصاویر تفکیک درشت تری داشته و یافتن پیکسل هایی که تنها نشانگر خاک باشند، غیرممکن می شود. برخلاف این مشکلات، تاثیرات خاک بر ویژگی های بازتابی چشم انداز کاملا آشکار بوده و بالقوه قابل بررسی است. تقریبا ۷۰% سطح خشکی های زمین از پوشش گیاهی غیر متراکم، که به نسبتهای متفاوت سطح خاک رخنون دار را می پوشاند، تشکیل شده اند و در عین حال یک پس زمینه پوشیده از مواد زائد نیز وجود دارد (Graetz, 1990). مناطق با پوشش تنک و باز عبارتند از بیابانها، تندرا، علفزارها، بوته زارها، ساوان، درختزار، غرقابه ها و بسیاری از جنگل های نامتراکم که سبب تغییرات مکانی و زمانی پیچیده ای در طیف بازتابی اجزای سطح زمین می شوند.
              تمایز گستره و ناهمگنی مکانی خاک، زئدات گیاهی و پوشش گیاهی برای بررسی چشم انداز، فرایندهای آبشناسی و بیوژئوشیمایی مهم بوده و برای تحلیل کارکرد این محیط های حیاتی است (Anser and Lobell, 2002). برای مثال، فرایندهای فرسایش خاک به مقدار و توزیع پوشش گیاهی نگهدارنده و زئدات گیاهی بستگی دارد در حالیکه جذب کربن و نیترات و تعریق به قسمت سبز گیاه وابسته است.

              ۳-۲-۱- مدلسازی ترکیبی
              پاسخ طیفی دورسنجی از کاناپه های باز تابعی از تعداد و نوع اجزاء بازتاب کننده، ویژگی های نوری آنها و تناسب نسبی آنهاست. ویژگی های نوری و نسبت ترکیب با تغییر فصل و تبدیل پوشش زمین تغییر می کند (Adams et al., 1995). از روشهای تحلیل ترکیب طیفی به طور گسترده ای برای تمایز اندازه گیری خاک – کاناپه به مولفه های سیگنال خاک، پوشش گیاهی و پوشش گیاهی غیرفتوسنتزی استفاده می شود. مدلهای ترکیب طیفی کاربردهای مختلفی دارند که از آن جمله می توان به مطالعات بیوژئوشیمیایی، درصد آب برگ، تخریب زمین، تبدیل پوشش زمین، بررسی گیاهان چوبی سوختی و نقشه برداری خاک و پوشش گیاهی اشاره کرد (Smith et al., 1990; Gillespie, 1992; Ustin et al., 1993; Gao and Goetz, 1994).


              به طور کلی مدلسازی ترکیبی سه مرحله دارد:
              ۱- بررسی ابعادی و تعداد مواد منحصر به فرد بازتاب کننده در یک چشم انداز
              ۲- شناسایی ماهیت فیزیکی هر جزء چشم انداز یا عضو نهایی درون یک پیکسل
              ۳- تعیین مقدار هر مولفه در هر پیکسل


              قدم اول را می توان با تحلیل مولفه های اصلی (Principal Components analysis) تکمیل کرد که در آن داده ها به تعداد کمینه از اجزاء متناسب تصویر فشرده شده (data reduction) که این تعداد معادل ابعاد هر سین تصویر است.
              در مرحله دوم، تحلیل عضو نهایی (endmember analysis) انجام می شود که از طریق آن طیف های مرجع مختلف برای مدل کردن یک سین مورد استفاده قرار می گیرند. با بهره گیری از چندین نوع علائم طیفی عضو نهایی در تحلیل ترکیبی طیفی، شامل اعضاء نهایی تصویر، اعضاء نهایی مرجع و اعضاء نهایی طیف گره (bundled spectra endmembers)، که می توانند در صحرا و یا آزمایشگاه اندازه گیری شده باشند، تحلیل های طیفی ترکیبی انجام می گیرد. اعضاء نهایی شاخص که در دورسنجی مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از: پوشش گیاهی سبز، خاک، پوشش گیاهی غیرفتوسنتزی و سایه دار کردن (shade). از سایه برای مدلسازی پیکسل های با شرایط روشنایی متغیر ناشی از توپوگرافی، زاویه تابش خورشید و سایه افتادن استفاده می شود (Adams, 1986). طیف مرجع از یک ماده خاص در کتابخانه های طیفی فهرست می شود. Elvidge (1990) یک کتابخانه طیفی از گیاهان غیرسبز از گونه ها و مواد مختلف تهیه کرده است. شخص همچنین می تواند تغییرپذیری طیفی یک سین را با چندین عضو نهایی تصویر مدل کند که پس از آن اعضای نهایی مرجع برای تعیین ترکیب اعضای نهایی تصویر مورد استفاده قرار می گیرند (Farrand et al., 1994). کتابخانه های طیفی نه تنها برای شناسایی و دسته بندی خاکها، پوشش گیاهی و گیاهان غیرفتوسنتزی مورد استفاده قرار می گیرند، بلکه مرجعی برای مقایسه توالی های زمانی و تغییرات ترکیبی مولفه های کسری به شمار می آید.


              محصول مدلسازی ترکیبی، یک دسته تصاویر کسری و تصاویر باقیمانده است که اختلاف بین داده های مدل شده و اندازه گیری شده را نشان می دهد. این را می توان بدین صورت بیان کرد:
              [D] = [R] [C] + [?]
              [D] داده های دورسنجی چندباندی است، [R] ماتریس بازتاب اجزاء بازتاب کننده مستقل (اعضاء نهایی)، [C] ماتریس بارشده یا تصاویر کسری و [?] تصاویر باقیمانده است. تصاویر باقیمانده محتوی مجموع نویزها و خطاها در تصویراند؛ با این وجود این تصاویر مسیری سریع برای پیدا کردن پیکسل های خارج از محدوده، که به حد کافی با مدل ماتریس بیان نمی شوند و می توانند نشان دهنده حضور اجزاء بازتاب کننده غیرمعمول یا ناشناخته باشند، به شمار می آیند. محدودیت اصلی تجزیه کردن سین اینست که اجزاء استخراج شده باید علامت طیفی منحصر به فرد داشته باشند (به بیانی دیگر دست کم در یک بخش از طیف اندازه گیری شده متمایز باشند.). اگر علائم خاک را بتوان جدا و با موفقیت استخراج کرد، روش های مستقیم دورسنجی خاک را می توان برای دریافت ویژگی های خاک بکار برد.
              ترکیب های طیفی خاک – گیاه را ممکن است بتوان به عنوان ترکیب های خطی یا غیرخطی مدل کرد. در حالت خطی، که به مدل صفحه شطرنج نیز معروف است، عکس ها تنها بر اساس یک ماده با یکدیگر اندرکنش کرده و کسرهای هر ماده برابر با نسبت های منطقه ای آنهاست. استفاده از مدلهای خطی آسان بوده و در شرایط طبیعی مشخصی از پوشش زمین به خوبی عمل می کنند که از جمله این شرایط می توان به پوشش بوته زارهای بیابانی اشاره کرد (McGwire et al., 2000).


              ۳-۲-۲- سنجنده های فراطیفی (هایپراسپکترال)
              استفاده و کاربرد مدلهای ترکیبی با توسعه سنجنده هایی مانند (AVIRIS Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer) و سنجنده فضابرد ماهواره هایپریون توجیه بیشتری پیدا کرده است. سنجنده های تصویربرداری فراطیفی با تعداد فراوان باندهای مجاور هم، اطلاعات ارزشمندی درباره بسیاری از مواد سطح زمین حمل می کنند و امکان شناسایی بدون ابهام تعداد بیشماری از عارضه های جذبی گیاهان و خاک که مرتبط با کانی شناسی، آب مایع، کلروفیل، سلولز و لیگنیت هستند را ایجاد کرده اند. سنجنده AVIRIS به ویژه برای مطالعه خاک مناسب است. |AVIRIS در ناحیه بین ۴۰۰ تا ۲۴۵۰ نانومتر عمل کرده و ۲۲۴ باند طیفی را با تابع پاسخ اسمی ۱۰ نانومتر گردآوری می کند (Vane et al., 1993). این قابلیت شخص را قادر می سازد تا طیف با تمایز ریز، دارای عارضه های جذبی منحصر به فرد از کانی ها و مواد آلی مختلف، را مشاهده کند؛ عارضه هایی که به طور معمول در داده های با تفکیک درشت تر از دست می روند. AVIRIS یک اسکنر جاروبی با چهار طیف سنج است که معمولا با هواپیمای ER-2 و در ارتفاع ۲۰ کیلومتری پرواز داده می شود و در این شرایط عرض جاروب آن ۱۰ کیلومتر و پیکسل های آن ۲۰ متر خواهد بود. AVIRIS را همچنین می توان با هواپیمای Twin Otter در ارتفاع کمتر پرواز داد که در نتیجه تفکیک ریزتر (۴-۵ متر) بدست می آید.


              ( Asner and Lobell 2000) با موفقیت یک الگوریتم تجزیه طیفی خودکار( SWIR 2100-2400 nm) را توسعه داده و پیاده کردند که با کمک آن گستره خاک عریان و پوشش گیاهی در سطح متنوعی از ۱۷ منطقه خشک و نیمه خشک در آمریکای شمالی و جنوبی تخمین زده شد. این رهیافت دربردارنده راهبرد تجزیه مونت کارلو (Mont Carlo Unmixing) بود تا قسمت های پوششی در حد کوچکتر از پیکسل را با بازه های اطمینان آماری بدست دهد. با استفاده از تصاویر AVIRIS از مناطق پژوهش های بلند مدت زمین شناسی سویلتا و جورنادا (Sevilleta and Jornada) در نیومکزیکو، آنها قسمت پوشیده سبز، زئدات گیاهی و خاک را با انحراف استاندارد در حدود ۵% بدست آوردند (شکل های ۶ و ۷). این شکلها نشان دهنده مقدار کسری خاک برونزد دار به همراه زائدات گیاهی و پوشش سبز است. باقیمانده ها در ناحیه SWIR قابل توصیف به سلولز و لیگنین در پوشش گیاهی بوده که برای تمایز سیگنالهای پوشش گیاهی غیرفتوسنتزی از خاک مورد استفاده قرار گرفته اند (Roberts et al., 1993).

              Soil10.jpg
              شکل۶- الف) تصویر کسری پوشش حاصل از داده های AVIRIS از کاناپه سبز، زائدات گیاهی، و خاک عریان در منطقه جورنادا، ب) انحراف استاندارد آنها با استفاده از یک مدل تحلیل ترکیبی (Anser and Lobell, 2000).

              (Okin et al., 2001) با بکارگیری تحلیل ترکیب طیفی اعضاء نهایی چندگانه (MESMA) بر تصویر AVIRIS که از حوضه مانیکس در بیابان مجاوه، کالیفرنیا، گرفته شده بود، قادر بودند تا به نحو قابل اطمینانی انواع سطوح خاک، خاک نسبی و پوشش گیاهی را تفکیک کرده و به نقشه درآورند (شکل ۸). آنها دریافتند که انواع خاکها به دقت قابل شناسایی خواهند بود، به ویژه در مواردی که علائم طیفی خاک تفاوت مهمی با یکدیگر دارند، همانند خاکهای تیره بیابانی ورنی صحرا و ماسه های بادی که در شکل ۸ مشخص شده اند. مناطق مدل شده به عنوان خاک بادی/ ماسه ای، ارائه دهنده اطلاعاتی درباره فرایندهای فرسایش بادی ناشی از دشتهای کشاورزی رها شده و دیگر آشفتگی های ساخته دست بشر است. آنها همچنین بیان کردند که دقت بازشناسی نوع خاک، بخشی وابسته به نوع و پوشش کسری لایه گیاهی برهم نهی شده که در مدل ترکیبی بکار برده شده است؛ می باشد.( Drake et al. 1999) با بکارگیری فنون ترکیب و همساز کردن طیفی بر داده های AVIRIS نقشه هایی از کانی های رسوبی مختلف تهیه نمودند.
              بسیاری دیگر از انواع سنجنده های فراطیفی که بر هواپیما نصب می شوند، وجود دارند که عبارتند از: Compact Airborne Spectrographic Imager (CASI), Geophysical and Environmental Research Imaging Airborne Spectrometer (GERIS), Hyperspectral Mapping (HyMap) که برخی از آنها می توانند تصاویر طیف سنجی در محدوده حرارتی تهیه کنند.


              Soil11.jpg
              شکل ۷- تصویر مجازی AVIRIS از قسمت های سبز، زائدات گیاهی و خاک از یک مدل ترکیبی که برای منطقه سویلتا بکار برده شده است (Anser and Lobell, 2000)

              نظر


                #8
                تصویربردار فراطیفی هایپریون یک سنجنده جاروبی است که در نوامبر ۲۰۰۰ بر روی ماهواره Earth Observing-1 (EO-1)، اولین ماهواره ناسا از سری ماهواره های هزاره جدید، نصب و به فضا پرتاب شد (Ungar et al., 2003). هایپریون داده ها را در ۲۲۰ باند۱۰ نانومتری از ۴۰۰ تا ۲۵۰۰ نانومتر گردآوری می کند. ماهواره EO-1 مطابق با ترا و ETM+ پرواز می کند تا داده های فراطیفی از اهداف مشابه را تهیه کند. مطالعات متعدد، قابلیت های تصاویر فراطیفی فضابرد را در مطالعه خاک، کانی شناسی، شیمی پوشش گیاهی و تخریب زیست محیطی به طور عملی نشان داده اند (Krude et al., 2003; Huete et al., 2003; Smith et al., 2003).

                Soil12.jpg
                شکل ۸- انواع پوشش گیاهی بر اساس داده های AVIRIS، الف) پوشش گیاهی، ب) و نوع سطح خاکی پ) نتیجه استفاده از یک تحلیل ترکیبی MESMA (Okin et al., 2001)

                نظر


                  #9
                  ۳-۳- تعیین ویژگی های خاک از میان پوشش گیاهی
                  در اقلیم های مرطوب تر، سیگنالهای خاک، مولفه ای فرعی در طیف دورسنجی محسوب می شوند که در نتیجه، یافتن رخنمون خاک فاقد پوشش گیاهی را بسیار دشوار می سازد. در حدود ۲۵ تا ۳۰% از سطح زمین های خشکی پوشیده از گیاهان متراکم اند که شاخص مساحت برگی (LAI) آنها از ۱ بیشتر است، این مناطق عبارتند از جنگلهای استوایی، جنگلهای مناطق معتدل و زمین های کشاورزی. جایی که سطح زمین به شدت پوشیده از گیاه است، خواص خاک را باید به کمک اندازه گیری از سطح پوشش سبز به همراه مدلها، داده های صحرایی و دانش تغییر شکل سطح زمین بدست آورد. در حین فعالیت های تبدیل (کاربری) زمین، ممکن است سهم خاک در سیگنالهای اندازه گیری شده مجدد شاخص باشد که از جمله این فعالیتها می توان به قطع کامل درختان جنگلی، آتش سوزی منابع طبیعی، قطع درختان در اثر وزش باد، توسعه مناطق کشاورزی و مرتع داری و بلایای طبیعی اشاره کرد (Adams et al., 1995).


                  ۳-۳-۱- شاخص های پوشش گیاهی

                  معمولا شاخص های پوشش گیاهی خاص (VLs) و مدلهای ترکیبی برای به نقشه درآوردن ویژگی های پوشش گیاهی بکار برده می شوند، که با کمک آنها می توان خصوصیات خاک را تعیین کرد. شاخص تفکیک پوشش گیاهی نرمال شده (NDVI) رایج ترین شاخص مورد استفاده برای به نقشه درآوردن تغییرات مکانی و زمانی پوشش گیاهی است (Tucker, 1979 NDVI) نسبت نرمال شده NIR و باند قرمز است.

                  Soil13.gif
                  که ?NIR و Pred عوامل بازتاب دوجهته سطحی هستند. قدرت NDVI در مفهوم نسبی آن نهفته است که بسیاری از اشکال نویز (اختلاف روشنایی، سایه ابرها، میرایی اتمسفری، و تغییرات توپوگرافی) موجود در باندهای چندتایی را کاهش می دهد. در نتیجه NDVI به حد کافی ثابت است تا بتوان براساس آن مقایسه معنی داری بین تغییرات فصلی و سالیانه در رشد و فعالیت پوشش گیاهی انجام داد.
                  ( Levine et al. 1987) الگوهای خاک و پوشش گیاهی در آمریکای جنوبی را با کمک NDVI از سنجنده AVHRR مطالعه کردند. بعد از گروه کردن خاکها با اقلیم، آنها تطابق مثبتی، هرچند نه چندان قوی، بین NDVI و ویژگی های خاک از جمله درصد اشباع شدگی پایه، اسیدیته، ظرفیت نگهداری آب و چگالی توده خاک پیدا کردند. با استفاده از داده های NVDI با تفکیک ریزتر از جنگلهای مخروط داران نزدیک هاولند (Howland)، که از داده های سنجنده AVIRIS بدست آمده بود، (Levine et al. 1994) رابطه آماری قوی بین NDVI و واحدهای نقشه برداری شده خاک مشاهده کردند. به طور میانگین، چنانچه با NDVI بیان می شود، خاکهای خوب زهکشی شده قابلیت تولید اولیه و توان پوشش گیاهی بالاتری دارند در حالیکه خاکهای آلی بد زهکشی شده کمترین مقادیر NDVI را دارند. نسبت دادن NDVI با دیگر ویژگی های خاک که از نظر مکانی تغییرات شدیدتری دارند، بسیار مشکل تر است، با این وجود بسیاری از این ویژگی ها (مانند ظرفیت نگهداری آب)، عوامل محدود کننده نبوده و کمترین تاثیر بر تغییرپذیری چشم انداز می گذارند. آنها نتیجه گیری کردند که اطلاعات مکانی از آشفتگی، تاریخ حضور جنگل و مدیریت زمین (قطع کامل درختان، بکارگیری مواد دفع آفات، کاشت گیاهان) را می بایست برای فراهم کردن معیارهایی بیشتر، جهت نسبت دادن ویژگی های خاک و اکوسیستم به داده های دورسنجی، مد نظر قرار داد. Lozano-Garcia et al. (1991) همچنین داده های AVHRR-NDVI را بکار برده و دریافتند که رابطه آشکاری بین مواد همراه خاک و گسترش توده زیستی برای منطقه مورد مطالعه در ایندیانا، وجود دارد. برقرار کردن چنین رابطه هایی، کاری دشوار و پیچیده است که نیازمند درکی پایه ای از اندرکنش بین خاکها، چشم اندازه ها و پوشش گیاهی است.
                  تغییرات سالیانه ناشی از اقلیم در داده های NDVI بدست آمده از دورسنجی در مطالعات بیابان زایی و خشکسالی در منطقه ساحل (Sahel) شناسایی و بکار برده شده اند (Nicholson et al., 1998). در محیط های خشک و نیمه خشک، رابطه خطی بین NDVI و بارندگی در مناطقی که کمتر از ۵۰۰ میلی متر در سال بارندگی دارند، کشف شده است، که بالاتر از این مقدار عدد NDVI در پاسخ به اشباع شدگی بارندگی عمل می کند (Smith et al., 1990; Nicholson and Farrar, 1994). Nicholson and Farrar (1994) تاثیرات تحت کنترل خاک را در ساواناهای بوتسوانا کشف کردند به نحویکه روابط NDVI – بارندگی مانند تاخیر زمانی پاسخ NDVI به بارندگی، به طور گسترده ای تحت کنترل نوع خاک بوده است. برای یک مقدار بارش مشخص خاکهای رسی تر (نگهداری بیشتر رطوبت) مقادیر بیشتر NDVI را نشان می دادند.( Farrar et al.1994) دریافتند که نسبت NDVI به رطوبت خاک در بین انواع خاکهای مطالعه شده در بوتسوانا تغییرات واضحی دارد، که در نتیجه استفاده از NDVI را به عنوان نشانگر بارندگی محدود کرد. تفسیر بهتر روابط بارندگی – رطوبت خاک – NDVI را می توان با حذف اثرات نوری روشنایی NDVI – خاک بدست آورد، که در این حالت مقادیر NDVI را می توان به صورت غیر ابهام آمیز به مقدار و شرایط پوشش گیاهی نسبت داد.
                  مفاهیمی در مورد بکارگیری NDVI جهت دریافت ویژگی های خاک وجود دارند. NDVI به شدت تحت تاثیر تغییرات روشنایی در پس زمینه کاناپه است (خاکها، زائدات گیاهی و غیره)، که تمایز بین پوشش گیاهی و تغییرات ناشی از خاک در مقادیر NDVI را دشوار می سازد (Huete et al., 1985; Huete and Tucker, 1991). این دشواری به ویژه در استخراج اطلاعات خاک از میان دانسته ها درباره شرایط پوشش گیاهی، نمود پیدا می کند. در یک فرانگری ماهواره ای از علفزارهای ساحل، (Kammerud 1996) پیشنهاد کرد که نقشه های طیفی خاک که به طور مستقل تهیه شده اند، برای تفکیک اثرات شدید خاکها بر NDVI مورد نیاز خواهند بود. شاخص های دیگر قرمز – فروسرخ نزدیک وجود دارند که تحت تاثیر خاک واقع نمی شوند که از آن جمله اند شاخص پوشش گیاهی عمود (PVI; Richardson and Wiegand, 1977)، شاخص خاک – پوشش گیاهی همساز شده (SAVI; Huete, 1988) و شاخص های مشتق اول پوشش گیاهی فراطیفی.
                  ( Kauth and Thomas1976) مدل پوش تاسلد(tasseled cap) را توسعه دادند که یک دسته متعامد از شاخص های طیفی هستند که روشنایی خاک را از اجزاء سبز و زرد سین در داده های چهار باند MSS جدا می کنند.( Crist and Cicone 1984) بعد ها تبدیل فوق را تغییر داده تا برای تصاویر TM شش باندی مورد استفاده قرار گیرند و (Jackson 1983) یک روش شناسی متعامد سازی برای ایجاد شاخص های n-space ارائه کرد که بتواند انواع گسترده ای از عارضه های طیفی منحصر به فرد را در تعداد زیادی باند (n) از یکدیگر مجزا کند.
                  این شاخص های متعامد خطی از مفهوم خط خاک برای اهداف فرانگری پوشش گیاهی استفاده می کنند، که این از طریق متمایز کردن علائم پوشش سبز از آنچه که در اثر تغییرات طیفی پس زمینه های خاک بوجود آمده است، صورت می گیرد. با این وجود، خط خاک یک ساده سازی بیش از حد است، چراکه وجود تغییرات بیشتر در خاکها به ایجاد محورهای متفاوت خط خاک می انجامد (Huete et al., 1984; Galvao and Vitorello, 1998).
                  مسئله دیگر اثر اشباع شدگی رفتار NDVI بر چشم انداز های با پوشش گیاهی متراکم است که می تواند مانع شناسایی تغییرات مکانی ناشی از خواص متفاوت خاک، در چشم انداز شود. راه حل این مشکل استفاده از یک NDVI سبز یا مبتنی بر فروسرخ طول موج کوتاه است که در آن باند بازتاب قرمز اشباع از کلروفیل با باند سبز یا فروسرخ طول موج کوتاه جایگزین می شود (Miura et al., 1998). شاخص تقویت یافته پوشش گیاهی (EVI) که یک نسخه مقاوم در برابر اتمسفر از SAVI است، نیز، حساسیت پوشش گیاهی را به شرایط با توده زیستی بالا تغییر می دهد (Huete et al., 2001).


                  ۳-۳-۲- نیمرخ های فصلی و سالیانه
                  سنجنده های با توان تفکیک متوسط با تفکیک مکانی بین ۲۵۰ متر تا یک کیلومتر، قابلیت برداشت داده های سالم و فاقد ابر فصلی از چشم انداز، با تفکیک زمانی هفتگی یا دو هفته ای، را دارند. برداشت داده های فصلی با سنجنده های با تفکیک مکانی ریزتر، که به طور معمول دوره تکرار ۱۶ روزه دارند، مشکل بوده و با مسئله آلودگی به ابر مواجه هستند. سنجنده های با توان تفکیک متوسط، قابلیت مشاهده یک تا چهار روزه دارند، که این امکان را برقرار می سازد تا تصاویر چند روزه با یکدیگر ترکیب شده و در نتیجه تصاویر فاقد ابر تهیه شوند. مدلهای بیوژئوشیمیایی خاک و آب شناسی معمولا نیازمند داده های با فرکانس بالا هستند تا بتوانند الگوهای فصلی سبز شدن و خشک شدن پوشش گیاهی را نشان دهند. این الگوها در مدلهای فرسایش خاک، مطالعه تغییر چشم انداز، شناسایی آتش و مطالعات آلبدو مفید هستند. سامانه های ماهواره ای با تفکیک متوسط که در مطالعه فرایندهای چند زمانه زمین مفید هستند، عبارتند از: AVHRR, SeaWiFS, MODIS, Spot-4 Vegetation, Multispectral Medium Resolution Scanner (MMRS) onboard SACC-C (جدول ۲).


                  ۳-۳-۳- ژئوبوتانی
                  دورسنجی فراطیفی ابزاری قدرتمند برای شناسایی انواع ویژه ای از خاک پوشیده از گیاه، از طریق سنجش و اندازه گیری بر روی مواد برگی در زمینه بیوشیمی کاناپه پوشاننده خاک است (Card et al., 1988; Peterson et al., 1988; Ustin et al., 1999). (Cwick et al. 1998) خاک مناطق جنگلی مانیتوبای شمالی – مرکزی را با کمک اندازه گیری بازتاب فراطیفی برگهای سوزنی صنوبر سیاه (Picea mariana) به نقشه درآورد. آنها با بکارگیری تمرکز پتاسیم در برگها، که بازتاب کننده پراکندگی پتاسیم در خاک منطقه ریشه است، با تغییرات اولیه همراه با خاکهای خوب و یا بد زهکش شده، نقشه خاک را تهیه کردند. Smith and Curran (1995) قادر بودند تا مقادیر بیوشیمیایی برگی مختلف (مواد مغذی اصلی و کلروفیل) را از یک کاناپه کاج (slash pine) با تصویر AVIRIS تخمین زده و پیش بینی کنند.


                  ( Okin et al. 2001) دشواریهای پیش رو در شناسایی پارامترهای دقیق شیمی برگ با داده های فراطیفی، در پوشش های تنک مناطق خشک و نیمه خشک که تغییرات طیفی و خطای بالایی دارند، را خاطر نشان کردند. Asner et al. (2000) بیان کردند که در اکوسیستم های نیمه خشک، تغییر بازتابی خاک تاثیر بیشتری نسبت به ویژگی بازتابی برگ بر بازتاب چشم انداز دارد.( Franklin et al. 1993) تغییرپذیری شدید مکانی خاک رخنمون دار را به عنوان مانعی اساسی در بکارگیری دروسنجی در تشخیص چشم انداز مناطق خشک و نیمه خشک توصیف کردند. با توجه به این دلایل شناخت ویژگی های خاک از اندازه گیری های پوشش گیاهی بسیار دشوار است.

                  نظر


                    #10
                    ۳-۴- تغییرات نوری- هندسی
                    تغییرات نوری – هندسی سطح خاک، اطلاعات زمین ریخت شناسی مهمی مرتبط با ویژگی و نقشه برداری خاک فراهم می کند که با معیارهای طیفی قابل دریافت نیستند. تا پیش از تصویربرداری دروسنجی رقومی، نقشه برداری خاک با کمک تحلیل استریوسکوپی و بافتی عکس های هوایی با تفکیک بالا انجام می شد.(Raina et al. 1993) توانستند تا با بکارگیری عارضه های بافتی تصویر و توصیف ویژگی سطح زمین از داده های تصویر TM در هند، فرسایش و رده های شوری را نقشه برداری کنند. پرتاب ماهواره فرانسوی (CNES SPOT Systeme Probatoire pour PObservation de la Terre) در سال ۱۹۸۶ با سنجنده دیداری با تفکیک بالا (HRVIR)، به نحو چشمگیری توصیف سطح زمین را با فراهم کردن داده های با تفکیک ریز (باند پن کروماتیک ۱۰ متر و باندهای چند طیفی ۲۰ متر) و همچنین تصاویر زوج استریو با یک سنجنده نقطه ای (۲۷o±) تقویت کرد (جدول ۱). سامانه سنجنده SPOT به شدت نقشه برداری عارضه های ریخت شناسی را بهبود داد که از آن جمله الگوهای آبراهه ای، دشت های سیلابی، پادگانه ها، دامنه ها، پتانسیل فرسایش خاک، پایداری چشم انداز، ناهمواری سطحی و دیگر عارضه های ساختاری را می توان نام برد. (Gastellu-Etchegorry et al. (1990 خاک را در جاوای مرکزی با کمک داده های SPOT به نقشه در آورده و صحت بالای یافته های ریخت شناسی که در تحلیل بافتی و تفاوت تن های رنگی خاکها ارزشمند هستند، را به طور عملی نشان دادند.


                    سنجنده (ASTER Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) که بر ماهواره ترا نصب شده است نیز تصاویر زوج استریو با تفکیک ریز فراهم می کند. این ابزار سه باند در طیف مرئی و فروسرخ نزدیک با تفکیک ۱۵ متر دارد. افزون بر این شش باند با دامنه طیفی ۱۰۰۰ تا ۲۵۰۰ نانومتر با تفکیک ۳۰ متر و پنج باند در محدوده فروسرخ حرارتی با تفکیک ۹۰ متر در اختیار دارد. یک تلسکوپ دید به سمت عقب، داده های استریو هم مداری را در یک کانال فروسرخ نزدیک با تفکیک ۱۵ متر فراهم می کند (جدول ۱).


                    همچنان که ما به سمت داده های با تفکیک ریزتر پیش می رویم، شخص می تواند آبراهه ها، دره ها و الگو های آبراهه ای ریزتر را مجزا کند. ابزارهای تصویر بردار فضایی Ikonos و Digital Globe QuickBird به ترتیب در سپتامبر ۱۹۹۹ و اکتبر ۲۰۰۱، به عنوان ماهواره های تجاری، به فضا پرتاب شدند. Ikonos قابلیت تمرکز نقطه ای (۲۶o±) داشته و می تواند منطقه ای مشخص را با تفکیک های یک متر (پن کروماتیک) و چهار متر (چند طیفی) تصویر برداری کند. QuickBird از زمین با تفکیک ۶۱ سانتیمتر در یک باند پن کروماتیک و ۲.۴۴ متر در چهار باند طیفی (آبی، سبز، قرمز و فروسرخ نزدیک) تصویربرداری می کند. با چنین تفکیک های فرامکانی، داده های ایکنوس و کوئیک برد فرصتی را برای نمایش جزئیات کامل تری از چشم انداز زمین و الگوهای آبراهه ای پویای آن و فرایندهای سطحی فراهم می کنند (شکل ۹).


                    اکنون می توان دسته داده های تابع توزیع بازتاب دوجهته (BRDF) را به صورت عادی با سنجنده های هوابرد و فضابرد برداشت کرد. سنجنده ASAS (Advanced Solid-State Array Spectroradiometer) (Irons et al., 1991) ابزاری هوابرد است که داده های تصویری حضیض و نزدیک حضیض را در ۶۲ باند طیفی در محدوده مرئی و فروسرخ نزدیک با تفکیک طیفی ۱۰ نانومتری برداشت می کند. با استفاده از اسکن جاروبی، ASAS قادر است تصاویر نزدیک حضیض را با زاویه تا ۷۰ درجه به سمت جلو و ۵۵ درجه به سمت عقب مسیر پرواز را برداشت کند. (MISR Multi-angle Imaging Spectro-Radiometer) یک سنجنده با تفکیک متوسط است که بر سکوی ترا نصب شده و به طور عادی پوشش پیوسته چند زاویه ای از زمین را با چرخه تکرار ۹ روزه برداشت می کند (Diner et al., 1991) (جدول ۲). MISR هر نقطه از سطح زمین را با نه دوربین CCD جاروبی مجزا تصویربرداری کرده تا در نه زاویه نگاه (۰, ±۲۶.۱o, ±۴۵.۶o, ±۶۰o, ±۷۰.۵o ) و در چهار باند طیفی باریک تهیه تصویر کرده باشد. MISR ابزاری عالی برای مطالعات تابع های توزیع بازتاب دوجهته و مجزا کردن اثرات اتمسفری از سطح است. یکپارچه سازی مشاهدات زاویه ای در راستای مسیر از MISR با مشاهدات در عرض مسیر از MODIS، مطالعات فوق را در جهت توصیف فصلی و پویایی ساختار سطح زمین با پیشرفت بیشتری مواجه ساخته است.

                    Soil14.jpg
                    شکل۹- تصویر ترکیبی ایکنوس (قرمز، فروسرخ نزدیک، سبز با تفکیک مکانی ۴ متر) با تفکیک ریز از جامعه گیاهی در تلماسه ها، ذخیره Nacunan، مندوزا، آرژانتین (ژوئن ۲۰۰۱).


                    ارتفاع سنج های هوابرد اسکن کننده و ثبت کننده مقطع قائم، به طور مستقیم، اطلاعات سریع و بسیار دقیق از پستی و بلندهای بزرگ و کوچک سطح چشم انداز فراهم می کنند (Ritchie, 1994; Ritchie et al., 2001). لیزرهای اسکن کننده هوابرد قادرند تا نمای سه بعدی عارضه های چشم انداز را با جزئیات ریخت شناسی که در نقشه برداری عوارض فرسایشی، پوشش گیاهی، ارتفاع، توپوگرافی، و پستی و بلندی سطح آیرودینامیک مفیدند، فراهم کنند (Ritchie et al., 2001). برای ارتفاع سنج های لیزر این مسئله نشان داده شده است که اندازه گیری پستی و بلندی ها در مقیاس های مختلف، از اثرات ناهمواری های خرد در طول دشت سیلابی تا عارضه های توپوگرافی کلان را امکان پذیر ساخته اند. عارضه های بزرگ چشم انداز از قبیل دره ها، کانالها، و ناهمواری های دشت سیلابی را می توان اندازه گیری کرد و از آن اندازه گیری ها می توان در تخمین اثرات عوارض بر جریانهای سطح زمین و همچنین مقاومت در برابر جریان بهره برد. شکل ۱۰ مثالی از داده های اسکن لیزر است که از سطح یک تپه کهور در منطقه آزمایش تجربی یورنادا در نیومکزیکوی جنوبی برداشت شده است.

                    Soil15.gif
                    شکل ۱۰- (الف) عکس و (ب) تصویر برش لیزر از تپه های کهور در منطقه آزمایش تجربی یورنادا، نیومکزیکو

                    نظر


                      #11
                      Soil16.jpg
                      داده های رادار اطلاعات مفیدی از پستی و بلندی سطح زمین فراهم می کند. در محدوده موج کوتاه، ناهمواری سطح تابعی از طول موج، زاویه تابش و قطبیدگی سنجنده رادار است. یک سطح ناهموار در نظر گرفته می شود اگر:
                      Soil17.jpg
                      که در آن h تغییرات در ارتفاع سطح، لامبدا طول موج، و ? زاویه تابش رادار هستند (Dobson et al., 1995). Metternicht (1998) و Sano et al. (1998) روابط بین داده های رادار مانندJERS-1 و ناهمواری سطحی را مطالعه کردند.

                      نظر


                        #12
                        ۴- فرانگری فرایندهای خاک
                        با پیشرفت برداشت داده های تکراری جهانی به وسیله ماهواره ها، در نقشه برداری می توان جنبه های پویای خاک را نیز در نظر گرفت. فرایندهای سطحی خاک در مقیاس های مختلف رخ می دهند و سبب تغییرپذیری شدید ویژگی های خاک و دشواری اندازه گیری آنها می شوند. فرایندهای کوتاه مدت می توانند روزانه یا فصلی باشند و دربرگیرنده تغییرات دما، چرخه های خیس – خشک شدن و بسیاری فرایندهای زیست شناختی باشند. فرایندهای میان مدت در محدوده ۱۰ تا ۱۰۰ ساله بوده و عبارتند از فرسایش و نهشته شدن پرشتاب خاک، تراکم، شور شدن، اکسایش – کاهش (رنگ خاک)، تغییرات مواد آلی و فرایندهای چرخه ای بیوژئوشیمیایی. فرایندهای بلند مدت عبارتند از فرسایش، تشکیل کانی های ثانویه و هوازدگی فیزیکی و شیمیایی خاک که در بازه زمانی هزاران تا میلیون ها سال رخ می دهند. خاک به عنوان بایگانی چنین فرایندهایی عمل می کند که اغلب با تغییرات زیست محیطی در گذشته همراه بوده اند و شخص می تواند اقلیم گذشته سطح زمین را از ویژگی های کنونی خاک و با کمک ایزوتوپ ها تعیین کند (Scholes et al., 1995).داده های ماهواره ای در فرانگری فرایندهای کوتاه مدت و میان مدت خاک در مقیاس های مختلف بسیار مفید بوده و بخشی از طرح های مدیریت زمین و فعالیت های کاربری زمین را شامل می شوند. داده های ماهواره ای این فرصت را ایجاد می کنند تا با هدف عمومی کردن فرایندهای چشم انداز، ویژگی های خاک که تغییرات مکانی گسترده ای دارند، با تفکیک مکانی و پوشش مناسب یکپارچه شوند (Palacios-Orueta et al., 1999). اندازه گیری های ماهواره ای به ویژه از نواحی انتقالی حساس، که تغییرات سریع فرایندهای سطحی در پاسخ به تغییر اقلیم و فعالیت های کاربری زمین در آنها روی می دهد، ارزشمند است.


                        ۴-۱- تغییر پوشش زمین و کاربری زمین

                        پوشش زمین طی چرخه های طبیعی (خشکسالی، آتش سوزی، توالی نسل ها، سیل، فعالیت آتشفشانی) و فعالیت های انسانی مانند ترویج کشاورزی، مدیریت منابع طبیعی، شهرسازی، کشاورزی و چرای دام دچار تغییر می شود. دو برابر شدن جمعیت انسان طی نیم قرن گذشته پیامدهایی داشته است که از آن جمله می توان به تخریب منابع پایه خاک، تخریب محیط زیست و تاثیر بر سامانه های جهانی اشاره کرد (Spurgeon, 1993).
                        تغییرات پوشش و کاربری زمین سبب تغییرات همزمان بسیاری از پارامترهای خاک می شوند که در نتیجه آنها، خاکی با ویژگی های متفاوت و نامرتبط با عوامل اولیه تشکیل خاک، حاصل می شود (Yaalon and Yaron, 1966). خاکها در توازنی پویا با محیط هستند و ویژگی های آنها، در اثر تاثیرات انسانی و تغییر اقلیم، همیشه در حال تغییر است. ویژگی های خاک انتقالی حاصل نمایانگر اثر جمعی همه فعالیت های کاربری زمین در مقیاس محلی و ناحیه ای در زمان حال و گذشته است.
                        دو نوع اصلی تغییر کاربری زمین وجود دارد ۱- تبدیل (conversion) 2- تغییر (modification) (Turner et al., 1990). تبدیل کاربری زمین بسیار واضح و با دورسنجی به طور مستقیم قابل مشاهده است، مانند زمانی که یک رده کاربری زمین به رده دیگری تغییر داده می شود (برای مثال جنگل زدایی، شهرسازی، کشاورزی). تغییر کاربری زمین بسیار پنهان تر بوده و به تغییرات ایجاد شده در یک رده پوشش زمین یکسان گفته می شود، که از آن جمله می توان به باران اسیدی و تخریب زمین در اثر چرای بی رویه و برداشت بی رویه از درختان برای مصارف سوختی اشاره کرد. تغییر پوشش زمین اغلب فرسایش زمین را شتاب می بخشد که پیامد آن نابودی ماده آلی، ذرات ریز خاک، مواد مغذی و جوامع میکروبی موجود در خاک است (Schimel et al., 1985; Harper and Marble, 1988). بیش از ۶۰% سطح خشکی های جهان درجاتی از تبدیل های بزرگ مقیاس را نشان می دهند و یکی از اهداف مهم سامانه های سنجنده ماهواره ای تعیین نرخ تغییرات سطح زمین ناشی از فعالیت انسانی است که در محیط جهانی در حال وقوع است (Turner et al., 1995).
                        مطالعات فراوانی وجود دارند که در آنها از دورسنجی برای تعیین و کمی سازی تغییر پوشش زمین استفاده شده است. (Adams et al. 1995) تاریخچه طیفی را از سری های زمانی تصاویر TM از جنگل آمازون نزدیک ماناوس که تحت تاثیر دامداری و رشد جنگل ثانویه شده بود، بررسی کردند. آنها تحلیل ترکیب طیفی را برای اندازه گیری تغییرات پوشش زمین بکار بردند. تغییرات در مقادیر کسری در یک تصویر و از یک تصویر به تصویر دیگر، بازتاب کننده فرایندهای بیوفیزیکی و اثرات انسان بر کاربری زمین بودند. ردیابی تاریخچه طیفی هر پیکسل به همراه محتوی مکانی آنها، روشی کارا برای فرانگری تغییر و فرایندهای سطح زمین فراهم کرد که نسبت به روش های صحرایی تنها امکان پذیرتر بودند. (Imhoff et al. 1997) با تلفیق تصویر نور شهرها در شب ازDMSP OLS (Defense Meteorological Satellite Program Operational Linescan System به همراه داده های سرشماری و یک نقشه رقومی خاک از سازمان خواروبار و کشاورزی ملل متحد (FAO) توانستند زمین های ساخته شده و اثرات آنها بر منابع خاک در آمریکا را بررسی نمایند. نتایج آنها نشان دادند که روند توسعه به گونه ای است که از منابع خاک پیروی می کند و در خاکهای بهتر کشاورزی، شهرسازی بیشتری انجام شده و برخی از انواع خاکها در اثر گسترش ناهنجار شهر از بین رفته اند.
                        هم اکنون، توجه بیشتری به ایجاد دسته داده های جامع مبذول شده است تا تجربه های کنونی و گذشته کاربری زمین مستند شوند. برنامه تغییر پوشش زمین و کاربری زمین ناسا (LCLUC) و برنامه بین المللی ژئوسفر- بیوسفر (IGBP) از داده های پیشین MSS تا دهه ۱۹۷۰ برای تحلیل تغییر کاربری و پوشش زمین استفاده می کنند. گروه علمی زمین ابزار MODIS محصولات تغییر کاربری زمین و پوشش زمین را با تفکیک مکانی ۱ کیلومتر تهیه کرده است که فرایندهای تغییر پوشش زمین را در مقیاس جهانی رده بندی کرده است (Running et al., 1994). هر جا که تغییر شناسایی شود، انجام تحلیل بیشتری بر آن با کمک داده های ماهواره ای با تفکیک ریزتر امکان پذیر است. هر چند دورسنجی توانایی زیادی در فرانگری پوشش زمین، کاربری زمین و بی هنجاری های سطح زمین دارد، شناخت کمّی اندکی از چگونگی تاثیرات این تغییرات بر منابع خاک وجود دارد.


                        ۴-۲- بیوژئوشیمی خاک

                        علاقه زیادی به تحلیل اهمیت خاک به عنوان یک منبع یا انباره ای از گازهای گلخانه ای اصلی از جمله دی اکسید کربن، متان و اکسید نیتروژن (N2O) وجود دارد. بسته به شرایط محلی رطوبت، دما و کاربری زمین، خاکها می توانند گازهای گلخانه ای را به اتمسفر آزاد کنند و یا آنها را از اتمسفر گردآوری کنند. خاکها، همچنین، با آزاد کردن اکسید نیتریک و منو اکسید کربن، در چرخه جهانی ازن نقش بازی می کنند (Bouman, 1990). انباره جهانی کربن در خاک سومین انباره بزرگ جهانی، پس از انباره های اقیانوسی و زمین شناسی به شمار می آید که مشتمل بر کربن آلی و کربن غیرآلی خاک است (شکل ۱۱). مقدار کلی کربن خاک در حدود ۲۵۰۰ pg است که در حدود ۴ برابر از مقدار کربن درون گیاهان زنده و سه برابر از کربن موجود در اتمسفر بیشتر است (Post et al., 1982; Sundquist, 1993; Lal, 1998).


                        Soil18.jpg
                        شکل ۱۱- انباره های اصلی جهانی کربن و شار سالیانه بین آنها (Lal, 1998)

                        حتی در نواحی بسیار خشک، پوسته بیوژنیک ممکن است در سطح تشکیل شده و مقادیر قابل توجهی از ماده آلی را شامل شود (Johansen, 1993). از منظر پایداری جهانی، شناخت اینکه چگونه رابطه منبع – انباره در مورد خاکها می تواند توقیف کربن را کنترل و مدیریت کند و اثرات تغییر اقلیم را کاهش دهد، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است.
                        از گذشته، توسعه فنون دورسنجی برای فرانگری زمانی و مکانی تغییرات کربن آلی خاک در اکوسیستم های خشکی، چالشی سخت بوده است. برخی از فرایندهایی که در دینامیک کربن موثرند عبارتند از: تجزیه و کانی زایی مواد مغذی، شار حرارتی و آب در خاک و دینامیک پوشش گیاهی. متغیرهای وابسته ناشی از آنها عبارتند از داده های اقلیمی با پراکندگی مکانی (دما، بارندگی و غیره)، ویژگی های خاک مانند بافت، توپوگرافی و پوشش زمین و کاربری زمین. تبدیل زمین بیوژئوشیمی خاک (توزیع بافت ریشه، ورودی زائدات برگی، نرخ بازگشت ماده آلی) را تغییر می دهد و در زمان حاضر، تغییر کاربری زمین مسئول تقریبا یک سوم افزایش سالیانه پتانسیل گرم شدن جهانی است (Scholes et al., 1995; Jackson et al., 2000). با این وجود، تخمینی مطمئن از ذخیره خاکهای سالم و دست نخورده وجود ندارد و داده ها درباره نرخ تجزیه پس از آشفتگی در خاک در دست نیستند (Lal, 1998).

                        Soil19.jpg

                        شکل ۱۲- محصول (الف) ماده آلی خاک و (ب) درصد آهن در داده های AVIRIS با استفاده از روش تحلیل ترکیبی متوالی یا نام تحلیل مرتبه بندی شده پیش زمینه/ پس زمینه (HFBA) (Palacios-Orueta et al., 1999).

                        نظر


                          #13
                          فنون دورسنجی فراطیفی برای تحلیل کربن آلی در سطح چشم انداز کارا به نظر می رسند. Huete and Escadafal (1991) یک طرح تجزیه مدل ترکیبی ارائه کردند که با آن استخراج سیگنال ماده آلی از بین گستره طیفی وسیع خاک برهنه، میسر می شد. در طرح آنها برای متمایز کردن، طیف ویژه (eigenspectrum) شناسایی شده و بارهای اعمالی مناسبی (loadings) یافت می شدند که با درصد محتوی ماده آلی به خوبی مطابقت کنند. Palacios-Orueta et al. (1999) یک روش تحلیل ترکیبی متوالی که با نام تحلیل مرتبه بندی شده پیش زمینه/ پس زمینه (hierarchical foreground-background analysis) معروف است، را بکار بردند که در این روش بردارهای آموزش دهنده (training-vector) بدست آمده در آزمایشگاه برای استخراج ماده آلی خاک و منشاء آهن، در تغییر طیفی مورد استفاده قرار می گیرند (Smith et al., 1994). آنها یک فرایند مرتبه بندی شده دو مرحله ای را بر داده های فراطیفی AVIRIS، از دو حوضه آبریز در کوههای سانتا مونیکای کالیفرنیا، مورد آزمایش قرار دادند، که در این فرایند تفکیک انواع خاکها که در مرحله اول انجام شده بود، با به نقشه در آوردن تغییرات مکانی ویژگی های خاک در مرحله دوم ادامه یافت (شکل۱۲). تغییرات مکانی هر دو عامل ماده آلی و درصد آهن خاک، به طرز موفقیت آمیزی، در پیکسل های AVIRIS که به طور بخشی حاوی پوشش گیاهی بودند، مشخص شد.
                          محدویت اصلی در برابر بررسی مستقیم کربن آلی خاک اینست که مشخصات بافتی یک خاک، رابطه بین ماده آلی خاک و انرژی بازتاب شده را تغییر می دهد و ویژگی های نوری مواد هوموسی در اقلیم ها و پوشش های مختلف زمین، تغییر می کنند (Baumgardner et al., 1970). Kimes et al. (1993) و Levine and Kimes (1998) با بکارگیری شبکه های عصبی و سامانه اطلاعات جغرافیایی، سعی کردند تا ویژگی های پیچیده خاک را با تصاویر ماهواره ای ارتباط دهند. رهیافت آنها بر مولی سولها آزمایش شد و قابلیت آن برای تخمین و ردیابی دینامیک کربن خاک و دیگر ویژگی ها به اثبات رسید. آنها رهیافت شبکه عصبی خود را بر حوضه آمازون نیز آزمودند. در این آزمون یک دسته محدود از ۲۰۰ خاک نمونه و داده های پوشش زمین مورد استفاده قرار گرفتند تا مدل شبکه عصبی برای شناسایی الگوها در تصاویر ماهواره ای آموزش داده شود و محتوی کربن آلی خاک در سراسر حوضه تعیین شود (شکل ۱۳).

                          Soil20.jpg
                          شکل ۱۳- تحلیل کربن خاک در آمازون با استفاده از مدل شبکه عصبی که داده های زمینی را با تصویر AVHRR تلفیق کرده است.


                          از مدلهای تعاملی برای تحلیل ناحیه ای ویژگی های اکوسیستم، برای کمی سازی ذخیره کنونی کربن خاک و پیش بینی تغییرات در کربن خاک به عنوان تابعی از تغییر الگوهای کاربری زمین و تغییر اقلیم، استفاده می شود (Parton et al., 1987; Paustian et al., 1997). ارزیابی دینامیک کربن حین تغییر کاربری زمین سهل و آسان نبوده و نیازمند آگاهی داشتن از تاریخچه کامل فعالیت های کاربری زمین در زمان و مکان است. انواع اطلاعات مورد نیاز عبارتند از: ۱- منطقه تحت تاثیر تغییر پوشش زمین ۲- محتوی کربن آلی خاک و مقادیر چگالی کل خاک برای خاکهای متفاوت تا دست کم عمق یک متر و ۳- کسر یا قسمت کربن آلی خاک که در اثر تغییر کاربری یا پوشش زمین از دست رفته است. همراه با پایگاه های داده های واضح از پوشش گیاهی، خاک، توپوگرافی، کاربری زمین و اقلیم، مدلهای شبیه سازی با مشارکت داده های ویژه ساختگاهی توسعه داده می شوند. پایگاه داده های مکانی از تجربه های مدیریت و کاربری زمین از داده های دورسنجی بدست می آیند که در آنها تجزیه مواد آلی، توازن آب و شار حرارتی بوسیله مدلهای شبیه سازی اکوسیستم تحلیل می شوند. فنون سامانه اطلاعات جغرافیایی ابزار لازم، برای سازماندهی چنین اطلاعات و تلفیق آنها با داده های دورسنجی، را فراهم می کند. Paustian et al. (1997) نتیجه گیری کردند که پیش بینی پاسخ کربن خاک به نیروهای تغییر اقلیم و تبدیل زمین، نیازمند پیش بینی بهتر از اثرات فعالیت های کاربری زمین، یکپارچه سازی موثرتر داده های دروسنجی در مدلهای اکوسیستم و مواجه کردن مدلهای اکوسیستم با مدلهای اقلیمی جهانی است (شکل ۱۴).

                          Soil21.jpg
                          شکل ۱۴- چارچوب تحلیل ناحیه ای برای پیش بینی دینامیک کربن خاک (Elliot and Cole, 1989; Paustian et al., 1997)


                          (Asner et al. 1999) با تلفیق یک مدل فرایند بیوژئوشیمیایی سطح زمین (TerraFlux) با داده های دورسنجی و صحرایی قادر بودند تا تولید کربن در زیر و بالای سطح زمین را فرانگری کرده و تجمع کربن را در سطح کوههای جنوب غربی آمریکا تخمین زده و پیش بینی کنند. داده های ماهواره ای اطلاعاتی از پوشش زمین، تغییر پوشش زمین، چرخه فصلی شاخص مساحت برگی گیاهان چوبی، درصد قسمت پوشش سبز، زمان و بزرگی برگریزان، و تولید اولیه خالص فراهم کردند. نیمرخ فصلی شاخص مساحت برگی به آسانی با سنجنده های با تفکیک متوسط بدست می آید و تولید اولیه خالص و زائدات گیاهی را می توان با مدلهای ترکیب طیفی محاسبه کرد. کمی سازی پوشش زائدات گیاهی در بررسی جریان مواد مغذی، کربن، آب و انرژی در اکوسیستم های خشکی و همچنین برای ارزیابی پتانسیل فرسایش خاک اهمیت دارد (Aase and Tanaka, 1991; van Leeuwen and Huete, 1996; Nagler et al., 2000). تغییر در مقدار و ترکیب زائدات گیاهی می تواند سبب تغییر شار مواد مغذی و کربن درون اکوسیستم شده و در نتیجه ظرفیت تولید و تراتب کربن را تحت تاثیر قرار دهد.

                          نظر


                            #14
                            ۴-۳- رطوبت و خشکی خاک
                            رطوبت خاک مولفه ای مهم از توازن جهانی آب و انرژی است که می بایست به عنوان یک متغیر در همه مدلهای چرخه ای آبشناختی، هواشناختی، رشد گیاه، بیوژئوشیمیایی و جوی در نظر گرفته شود. رطوبت خاک بر تقسیم شدن انرژی موجود در سطح به شارهای حرارتی محسوس و ناپیدا، و همچنین تقسیم شدن بارش به تبخیر و تعرق گیاه و رواناب سطحی، تاثیر می گذارد (Munro et al., 1998). مهمترین جنبه اینست که رطوبت خاک به عنوان یک تنظیم کننده رخداد، توزیع و مقدار بارش عمل می کند و در نتیجه نشانگری مهم از تغییر اقلیم است. برخلاف اهمیت متغیر رطوبت خاک در زمینه پیاده سازی مشاهدات رطوبت خاک، در مقیاس های زمانی و مکانی مناسب و مورد نیاز در مدلهای آبشناسی، اقلیمی و بیوژئوشیمیایی موجود، موفقیت کمی بدست آمده است (Sellers et al., 1995). هرچند محدودیت شدیدی در بکارگیری فنون دورسنجی برای بررسی رطوبت خاک وجود دارد، بدلیل پوشش مکانی و توانایی آن در یکپارچه سازی تغییرات مکانی درون یک منطقه که امکان مطالعات وابسته به مقیاس را فراهم می کند، استفاده از دورسنجی روند رو به رشد داشته است (Vinnikov et al., 1996).
                            بنا به دلایلی چند، به نقشه در آوردن رطوبت خاک بسیار دشوار است. رطوبت خاک تغییرپذیری بسیار شدید مکانی و زمانی در سطح چشم انداز نشان می دهد، در حالیکه وابستگی های آن به مقیاس ناشناخته است. توزیع و مقدار آب ذخیره شده در خاک نه تنها با توزیع بارندگی تغییر می کند، بلکه به ویژگی های چشم انداز، از قبیل نوع خاک (بافت)، توپوگرافی و پوشش گیاهی وابسته است. تغییرپذیری مکانی و زمانی رطوبت خاک حتی در مقیاس های ریز نیز قابل توجه است که در اثر آن، اندازه گیری های درجا در خاک برای کالیبره کردن سامانه های دورسنجی بسیار مشکل است. گزارش پروژه جهانی رطوبت خاک (GEWEX) (Sellers et al., 1995) نتیجه گیری می کند که شبکه متراکم از نقاط که برای تشخیص رطوبت خاک در زمین مورد نیاز است، وجود ندارد و رطوبت خاک را هنوز نمی توان به عنوان یک متغیر قابل اندازه گیری در مقیاس های جهانی و ناحیه ای، در نظر گرفت.
                            مسئله دیگر در بررسی رطوبت خاک اینست که رطوبت خاک نزدیک به سطح بسیار سریع تر از خاک عمیق تغییر می کند و لذا این مسئله سبب دشواری تشخیص درجه خیسی خاک از مشاهدات سطحی تنها، می شود. Idso et al. (1974) از اندازه گیری های بازتاب برای نمایش سه مرحله زمانی- مکانی خشک شدن استفاده کرد:
                            مرحله ۱- سطح خاک مرطوب در معرض تبخیر
                            مرحله ۲- انتقال بین خشک و مرطوب که طی آن آب موئینه زیرزمینی قادر نیست با سرعت کافی به سطح زمین حرکت کند تا مقدار آب لازم جهت تبخیر به جو را تامین کند.
                            مرحله ۳- سطح خاک خشک با نرخ تبخیر کم و نسبتا ثابت


                            در شرایط تمایل به تبخیر زیاد، یک خاک کم و بیش مرطوب می تواند در بخش سطحی، که اندازه گیری های نوری از آن انجام می شود، به سرعت خشک شود. از آنجا که فرایند خشک شدن خاک از جنبه مکانی یکنواخت نیست، هر سه مرحله خشک شدن می توانند در پاسخ کلی انرژی بازتاب شده و منتشر شده از اندازه گیری های دورسنجی، مشارکت داشته باشند.


                            ۴-۳-۱- رهیافت های نوری و محدودیت ها
                            در محدوده موج کوتاه طیف، ناحیه فروسرخ کوتاه (SWIR) نسبت به درصد رطوبت سطح بسیار حساس در نظر گرفته می شود، و باندهای TM 5 (1.55 تا ۱.۷۵ میکرومتر) و ۷ (۲.۰۸ تا ۲.۳۵ میکرومتر) نشانگرهای بالقوه آب در خاک محسوب می شوند. جذب آب در این دو باند را می توان به صورتی نسبتی به دیگر باندها و یا در ترکیبی خطی بیان کرد (Crist and Cicone, 1984; Levitt et al., 1990) و سپس آن را به درصد آب رده های بافتی مجزای خاک منتسب کرد (Musick and Pelletier, 1988). با این وجود، Huete and Warrick (1990) دشواری ارزیابی درصد آب خاک در سطح (۰ تا ۵ سانتی متر) با استفاده از باندهای رطوبتی TM یا با نشانگرهای مختلف رطوبت در شرایط نسبی پوشش گیاهی با پوشش کم (۱۰ تا ۲۰%)، را خاطر نشان کردند.
                            یکی از رهیافت های غیرمستقیم برای اندازه گیری وضعیت آب در خاک، اندازه گیری انرژی فروسرخ حرارتی گسیل شده از پوشش گیاهی است. شاخص های تنش گیاه از قبیل شاخص رطوبت سطحی (SMI; Nemani et al., 1993) و شاخص کمبود آب (WDI; Moran et al., 1994)، با بهره گیری از اندازه گیری های شاخص های پوشش گیاهی و حرارتی در خاک و سطوح پوشیده، وضعیت رطوبت خاک را به صورت نرخ نقصان آب طی تبخیر، تخمین می زنند. زمانی که رطوبت خاک زیاد است، در یک شرایط آب و هوایی مشخص، گیاه قادر است تا آب را با بیشترین نرخ تعریق از دست بدهد. با خشک شدن خاک، استخراج آب مورد نیاز گیاه برای تامین تقاضای جوی دشوارتر می شود، و تعریق کاهش می یابد، در نتیجه دمای برگ این گیاهان در مقایسه با آنهایی که قادر به تامین آب فراوان هستند، بالاتر می رود.


                            ۴-۳-۲- شاخص های خشکی
                            ترکیب دمای سطح زمین (Ts) با شاخص های پوشش گیاهی (VIs) در فرانگری خشکی (خشکسالی) بسیار مورد توجه قرار گرفته اند (Nemami and Running, 1989). تعریف خشکی یا خشکسالی عبارتست از یک دوره طولانی از بارندگی ناکافی نسبت به میانگین آماری چندساله برای یک ناحیه. معیارهای مختلفی برای بررسی رخداد و گستره زمانی خشکی، بر پایه مشخصه های هواشناسی، آبشناسی، یا رطوبت خاک وجود دارند. خشکی هواشناسی معمولا مبتنی بر کاهش طولانی مدت بارندگی نسبت به شرایط عادی است. به عنوان یک مثال، شاخص خشکی پالمر که به طور هفتگی تهیه می شود، بوسیله مدیران آب و زمین برای ارزیابی تاثیر شرایط کمبود رطوبت بر چشم انداز مورد استفاده قرار می گیرد (Palmer, 1986). خشکی را می توان به صورت رطوبت ناکافی خاک جهت تامین نیاز پوشش گیاهی آن در یک زمان خاص طی چرخه رشد گیاهان، تعریف کرد. کمبود رطوبت خاک در دوره حساس از چرخه رشد می تواند به کاهش محسوس علف تولید شده و تولید خالص اولیه منجر می شود.
                            Nemani et al. (1993) به طور عملی یک شاخص خشکی مبتنی بر داده های دورسنجی را بکار بردند که شاخص رطوبت سطحی (SMI) نام دارد. این شاخص مبتنی بر شیب AVHRR-NDVI و مقادیر بیشینه دما است. در این شاخص با استفاده از رهیافت VI-Ts (شاخص پوشش گیاهی- دمای سطح)، تعریق و تبخیر از گیاهان و خشک شدن خاک فرانگری می شود و شرایط کمبود آب در سطح در یک وضعیت مشخص از پوشش گیاهی بررسی می شود. بعدها Carlson et al. (1995) و Gillies et al. (1997) با بکارگیری فنون وارون سازی، رطوبت موجود خاک را از نمودارهای پراکندگی VI-Ts برآورد کردند. اخیرا، Nishida et al. (2002) شاخص رطوبت سطحی را تغییر بیشتری دادند و یک رهیافت VI-Ts، که تنها بر داده های ماهواره ای با تفکیک متوسط استوار است، توسعه دادند تا با کمک آن قسمت تبخیر نسبی (RE) را از خاک برهنه و پوشش گیاهی، درون پیکسل های مرکبی، متمایز کنند (شکل ۱۵).

                            Moran et al., (1994) شاخص کمبود آب (WDI) را با کمک دمای سطحی منهای دمای هوا و یک شاخص طیفی پوشش گیاهی را تعریف کردند تا وضعیت نسبی رطوبت خاک را تخمین بزنند. شاخص کمبود آب، تغییرات دمای سطح ناشی از کمبود آب مورد نیاز گیاه در کاناپه های غیرکامل، را مد نظر قرار می دهد. الگوهای اختلاف دمای سطح منهای دمای هوا تابعی از مقدار پوشش گیاهی و وضعیت آب است که یک ذوزنقه را شکل می دهد (شکل۱۶). خط سمت چپ که از نقاط ۱ و ۳ تشکیل شده نشان دهنده شرایط فراوانی رطوبت خاک است، در حالیکه خط سمت چپ متشکل از نقاط ۲ و ۴ حالت خشک یا شرایط کمبود را نشان می دهد. با قرار گرفتن مقدار شاخص کمبود آب در سمت راست خط متشکل از نقاط ۱ و ۴؛ پوشش گیاهی تجربه شرایط تنش و کمبود آب را آغاز می کند (Clarke, 1997). خطوط پایین و بالا به ترتیب شرایطی خاک برهنه و پوشش گیاهی کامل را، در طیفی کامل از تغییرات رطوبت خاک، نشان می دهند.( Seiler et al. 1998) از یک شاخص پوشش گیاهی مبتنی بر AVHRR (VCI) همزمان با شاخص شرایط دما (TCI) استفاده کردند تا خشکی را آرژانتین شناسایی کنند. آنها قادر بودند ویژگی های مکانی خشکی را هم راستا با طول مدت و شدت، بررسی نمایند.

                            با پیشرفت دورسنجی ماهواره ای و استفاده از هزاران اندازه گیری روزانه درجا از بارندگی، به شدت ظرفیت های فرانگری خشکی را بهبود داده است. (Palmer 1996) رابطه ای قوی بین الگوهای جهانی آنومالی دمای سطح دریا (SST) و فراوانی خشکی در ناحیه ساحل (Sahel) را گزارش کرد. (Los et al. 2001) از داده های ماهواره ای SST و NDVI بهره گیری کردند تا به طور عملی روابط مستقیم بین تغییرات دمای سطح آب در اقیانوس های اطلس و آرام را با الگوهای بزرگ مقیاس چرخش جوی، که شرایط مرطوب یا خشک را با خود می آوردند، نشان دهند. یکی از شگفت انگیزترین پیشرفت ها در کاهش اثرات خشکسالی را می توان دستاوردهای نوین در زمینه پیش بینی شرایطی که به خشکسالی منجر می شوند، دانست. مرکز پیش بینی اقلیم نوا (NOAA Climate Prediction Center) از مدلهای اصولی رایانه ای که داده های مربوط به شرایط زمین و اقیانوس را با جو بالای آنها ارتباط می دهند، برای پیش بینی دما، بارندگی، و رطوبت خاک، یک ماه پیش از موعد، استفاده می کنند.

                            Soil22.jpg
                            شکل ۱۵- تبخیر سطحی نسبی از خاک و پوشش گیاهی بدست آمده از تلفیق شاخص پوشش گیاهی (VI) و دمای سطحی (Ts). در این نمونه تولید شده MODIS از داده های AVHRR نوآ از سطح آمریکا استفاده شده است (Nishida et al.,


                            Soil23.jpg
                            شکل ۱۶- ذوزنقه شاخص کمبود آب (WDI) تلفیق شده از شاخص دورسنجی پوشش گیاهی و داده های دما

                            نظر


                              #15
                              ۴-۳-۳- رهیافت موج کوتاه (مایکروویو)
                              هم اکنون، شاخص های رطوبت خاک تقریبا به هنگام در سطح جهانی با استفاده از داده های موج کوتاه دورسنجی تلفیق می شوند، هرچند چنین شاخصهایی تنها می توانند مقداری تقریبی از رطوبت خاک بدست دهند و در مناطقی با شرایط رطوبت بالا، بیشترین کارایی را دارند. فنون دورسنجی موج کوتاه در استنباط رطوبت سطوح بالایی خاک در مناطق با پوشش تنک بسیار کارا بوده و برای سطوح زیرین خاک کمتر قابل اطمینان هستند (Choudhury, 1992; Jackson, 1993). هر دو رهیافت فعال و غیرفعال برای موج کوتاه وجود دارند که برای اندازه گیری رطوبت خاک قابل اطمینان به نظر می رسند (Engman, 1995). آزمایشات بسیار با کمک هواپیما و در صحرا نشان داده اند که یک رادیوسنج ۱.۴ گیگاهرتز، در شرایط مختلفی از پوشش گیاهی، به درصد رطوبت لایه خاک سطحی حساس است. Schmugge et al. (1992) با بکارگیری روشهای دورسنجی غیرفعال موج کوتاه، با موفقیت توانستند رطوبت خاک را در محدوده های گیاهکاری شده HAPEX, FIFE و موسمی، ۹۰ اندازه گیری کنند. آنها از یک رادیوسنج موج کوتاه در این مناطق استفاده کردند که فرکانس ۱.۴۲ گیگاهرتز را ثبت می کرد و در نتیجه آنها قادر بودند خشک شدن خاک را پس از بارندگی های سنگین مشاهده کرده و تغییرات آن را به نقشه درآورند.
                              پوشش گیاهی به شدت بر علائم بازپراکنده شده و دماهای روشنایی تاثیرگذار است و کارهای بسیاری در جهت شناخت اثرات ناهمواری، پوشش گیاهی و توپوگرافی در حال انجامند تا علائم موج کوتاه را به نحو بهتری به درصد رطوبت خاک سطحی ارتباط دهند (Engman and Chauhan, 1995; Sano et al., 1998). پوشش گیاهی نه تنها تابش موج کوتاه را از سطح خاک کاهش می دهد، بلکه تابش خود را به آن اضافه می کند و در نتیجه از مدلهای پوشش گیاهی و همچنین شاخص های گیاهی در جهت تصحیح تابش های پوشش گیاهی استفاده می شود. با رادار شخص می بایست همچنین اثر ناهمواری خاک را علاوه بر اثر پوشش گیاهی تعیین کند. روشهای شناخت تغییر مانند تفاوت سین به سین در استخراج یا کمینه ساختن اثرات ناهمواری سطح و پوشش گیاهی، مفید بوده اند، چراکه آنها با سرعت کمتری نسبت به رطوبت خاک تغییر می کنند دهند (Engman and Chauhan, 1995; Sano et al., 1998).
                              در یک طرح مشترک بین ناسا و آژانس اکتشاف فضایی ژاپن، رادیوسنج پیشرفته موج کوتاه EOS (AMSR-E) بر ماهواره آکوا، در ۴ می ۲۰۰۲ به فضا پرتاب شد. این رادیوسنج از نوع غیرفعال با زاویه دید به سمت جلو با ۱۲ کانال در شش فرکانس متمایز است که از ۶.۹ تا ۸۹ گیگاهرتز را شامل می شوند، و اطلاعات رطوبت خاک و پوشش گیاهی را با ارزش بالا، جهت استفاده در کاربردهای آب اقلیم شناسی فراهم می کنند. افزون بر رطوبت خاک، داده های AMSR-E می توانند ویژگی های ابر، نرخ بارندگی، پوشش برف و دمای سطح دریا را اندازه گیری کنند. ماهواره آکوآ در مدار همزمان با خورشید با زمان استوایی ۱:۳۰ بعد از ظهر قرار گرفته است و مشاهدات زمانی و مکانی رطوبت خاک را با شبکه زمینی اسمی ۲۵ کیلومتر تولید می کند. کمترین فرکانس AMSR و AMSR-E 6.9 گیگا هرتز است که داده های رطوبت خاک را به نواحی با پوشش گیاهی کم محدود می کند.
                              سامانه های فرانگری رطوبت خاک در آینده، از ترکیب برخی مدلهای تخمین درجا و تخمین های حاصل از داده های دورسنجی استفاده خواهند کرد. این ترکیب، استفاده از ساختگاه های مرجع از انواع اصلی خاکها و داده های ماهواره ای و مدلهای سطح زمین، برای گسترش اندازه گیری های درجا به مناطق گسترده تر، را شامل می شود. مدلهای سطح زمین می توانند پوششی بزرگ مقیاس فراهم کنند که در اندازه گیری های زمینی غیرعملی است و می توانند نیمرخی کامل از اطلاعات فراهم کنند که دورسنجی نمی تواند شناسایی کند. طرح های پارامتری کردن سطح زمین (LSP)، برای تهیه دسته داده های بزرگ از رطوبت خاک و شارهای آب و انرژی مرتبط با آن، مورد استفاده قرار می گیرند. این مدلهای محاسباتی از طرح های ساده توازن ماده تا مدلهای پیشرفته، که اندرکنش غیرخطی بین فرایندهای تراکم و هواگیری خاک، شرایط کمبود رطوبت برای گیاه، دسترسی مواد غذایی، شیمی فتوسنتتیک و رقابت بین نسل های گیاهان را در نظر می گیرند، تکامل یافته اند (Sellers et al., 1995). با توجه به نقش اساسی رطوبت خاک در رطوبت سطح و توازن انرژی و تغییرپذیری همزمان با پیامدهای بعدی بر جو، ایجاد زیرساختی برای تخمین و مشاهده این مقدار، به طور عادی و عملی، از اهمیت خاصی برخوردار است (Entekabi et al., 1996).



                              ۴-۴- فرایندهای نقصان خاک
                              نقصان خاک یک مسئله اساسی زیست محیطی است که بر جنبه های حیاتی زیست محیطی از جمله امنیت غذایی، کاهش تولید، حفظ منابع طبیعی، از بین رفتن تنوع زیستی و تغییرات اقلیمی جهانی تاثیر می گذارد. نقصان زمین شرایطی را ایجاب می کند تا فرسایش خاک شتاب یافته و کیفیت منابع آب شیرین تنزل یابد، و سرانجام به بیابان زایی، که یک مسئله اصلی اجتماعی – اکولوژیکی در سطح جهانی است، می انجامد. تغییر بزرگ مقیاس سطح زمین به تغییرات مستندی در اقلیم ناحیه ای منجر شده است (مانند نقصان زمین در منطقه ساحلی آفریقا در چند دهه گذشته که به کاهش بارندگی انجامیده است) (Nicholson et al., 1998). Tucker and Nicholson (1999) با استفاده از مقادیر AVHRR-NDVI تغییرات در انبساط و انقباض بیابان در منطقه صحرا را در پاسخ به تغییر اقلیم، مشاهده کردند. کنوانسیون بین المللی مبارزه با بیابان زایی (CCD) بیابان زایی را به این صورت تعریف کرده است: “نقصان زمین در مناطق خشک، نیمه خشک و نیمه مرطوب ناشی از عوامل مختلف از جمله تغییرات اقلیمی و فعالیت های انسانی”. داده ها و اطلاعات کلی درباره درجه و گستردگی نقصان خاک و پیامدهای آن، به نسبت، ناشناخته باقی مانده است. نیازی فوری به توسعه یک بسته جامع از دستورالعمل ها و استانداردها برای بررسی نقصان خاک، در اثر فرایندهای مختلف، وجود دارد. با فراهم کردن فنون کمی و قابل تکرار برای فرانگری و بررسی گستره و شدت نقصان خاک، دورسنجی می تواند در این زمینه نقشی اساسی ایفا کند.

                              Soil24.jpg
                              شکل ۱۷- فرایندهای اصلی نقصان خاک (Lal, 1998).

                              نقصان خاک را می توان از منظر اثرات نامطلوب بر کارکردهای مهم خاک، مانند حفظ قدرت تولید توده زیستی و تنوع زیستی و حفظ کیفیت آب و هوا از طریق فیلترکردن، بافرکردن، سم زدایی، و تنظیم چرخه های ژئوشیمیایی، مشاهده کرد (Lal, 1998). فرایندهای اصلی نقصان خاک، با اثرات نامطلوب شدید بر منطقه، را می توان به سه دسته فیزیکی، شیمیایی و زیست شناختی تقسیم کرد که عبارتند از: ۱- فرسایش خاک، ۲- تراکم خاک، ۳- تهی شدگی از مواد مغذی ۴- اسیدی شدن، ۵- کاهش مواد آلی خاک، و ۶- شورشدن (Lal, 1998) (شکل ۱۷). شدت نقصان خاک به طور عادی بر از دست دادن توانایی تولید، مبتنی است که می توان آن را بدین صورت تقسیم بندی کرد: ۱- نقصان اندک تا ناچیز یا بدون نقصان ۲- متوسط ۳- شدید ۴- بسیار شدید که از نظر اقتصادی نقصان غیرقابل بازگشت در نظر گرفته می شود (Lal, 1994).

                              نظر

                              Working...
                              X