CC BY
38
УДК 631.43
ТЕХНОЛОГИЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ГОРИЗОНТОВ ПОЧВЕННОГО ПРОФИЛЯ ПО ДАННЫМ СЪЕМКИ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ
Т.В. Пономарева, Е.И. Пономарев
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, Красноярск, Россия 660036 Красноярск, Академгородок, 50; e-mail: bashkova_t@mail.ru
Работа поддержана РФФИ (грант 14-04-00858)
В работе представлены результаты изучения теплофизических свойств лесных почв бесконтактным методом, с использованием инфракрасной съемки. Эксперимент проведен в сосняках лесостепной зоны Красноярского края на территории стационара Института леса «Погорельский бор». На экспериментальных участках с помощью системы инфракрасной съемки FLIR Systems InfraCam получены серии радиометрических изображений почвенных профилей серых, дерново-подзолистых и дерновых почв. Исходные данные отражают все сроки вегетационного периода с мая по октябрь. Установлено, что градиент радиометрической температуры по почвенному профилю варьирует на уровне 0,12 — 0,30°С/см в верхних гумусовых горизонтах и не превышает 0,05 — 0,15 °С/см в минеральных. В качестве описывающей модели была использована линейная функция с переменными коэффициентами. Зафиксировано, что величина градиента радиометрической температуры определяется как внешними условиями, так и типом почвы. Показано, что скачкообразные изменения градиента температуры на снимках почвенного профиля в инфракрасном диапазоне соответствуют границам почвенных горизонтов.
Ключевые слова: почвы, лесные экосистемы, радиометрия, дистанционные методы
The results of the remote sensing analysis of thermal properties of forest soils performed using infrared imagery. We collect experimental data in pines of forest-steppe zone of the Krasnoyarsk Region within the territory of the Forest Institute' site "Pogorelsky bor". Series of radiometric images were obtained for experimental plots of gray soil profiles, sod-podzolic soil profiles and sod soil profiles using infrared imagery system FLIR Systems InfraCam. Initial data reflects all times of vegetation season from May to October. Found that the radiometric temperature gradient along soil profile varies at 0.12 — 0.30 °C/cm in the upper humus horizons and does not exceed 0.05 — 0.15 °C/cm in the mineral layers. We suggest using a linear function with variable coefficients as model equation. It was recorded that the radiometric temperature gradient magnitude is defined by external conditions and soil type as well. Discontinuousjumps of the temperature gradient correspond to the boundaries of the soil horizon at the infrared image ofthe soil profile.
Key words: soil, forest ecosystems, radiometry, remote sensing
ВВЕДЕНИЕ
Практически все протекающие в почве процессы, в том числе физические, накладываются на непрерывные изменения температуры и влажности активного слоя почвы. Температура, наряду с влажностью, определяет процессы, происходящие с органическим веществом почвы (Орлов и др., 1997). Она влияет на гидрофизические характеристики почвы, на скорость инфильтрации воды в почву и интенсивность ее испарения с поверхности (Шеин, 2005).
Сегодня в России и за рубежом активно развиваются бесконтактные дистанционные методы исследования почвенных покровов. В литературе описаны результаты исследований, основанные на спутниковых измерениях радиояркостной температуры и влажности почвы (Bircher et. al., 2012; Bo-brov et.al., 2011; Jackson et.al., 2012; Schlenz et. al., 2012; Швецов и др., 2013). Достоверности оценок влажности верхних горизонтов почвы и радиояр-костных температур, измеряемых дистанционной
аппаратурой, сильно варьируют. При этом остается открытым вопрос калибровки данных, обеспечения дистанционного уровня мониторинга надежными данными подспутниковых экспериментов. В связи с этим проводимые наземные исследования актуальны для формирования и верификации системы дистанционного мониторинга.
Почвенный профиль состоит из генетических горизонтов, которые представляют собой однородные слои почвы, различающиеся между собой по морфологическим признакам, органоминеральному составу и свойствам. В данной работе обсуждается отработка методики использования аппаратуры дистанционной съемки в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра (А, = 7 — 13 мкм) для анализа тепловых полей профилей различных почв с выделением границ их горизонтов по вариации температурного градиента. Предложена технология проведения наземного эксперимента использования системы инфракрасной съемки и метод интерпретации результатов.
По нашим оценкам, проведение инфракрасной съемки почвенных профилей может использоваться для детальных качественных и количественных оценок физических свойств почв (Пономарёв, Пономарёва, 2012а, 2012Ь). Нужно отметить, что радиояркостная температура коррелирует с термодинамической температурой, при этом имея важные отличия, связанные, в том числе с влажностью почвенного слоя. Таким образом, исследования почвенных профилей с использованием наземной радиометрической инфракрасной съемки позволит определить место информации такого рода в комплексных исследованиях состояния и свойств почв. Наземная съемка позволит также выяснить особенности формирования и распределения температурных полей вдоль почвенного профиля, как важного этапа моделирования интегрального сигнала в тепловом диапазоне.
РАЙОН И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В работе были исследованы различия теплофи-зических свойств лесных почв лесостепи Красноярского края. Экспериментальные данные получены на тестовых участках на территории стационара Института леса СО РАН «Погорельский бор».
Территориально «Погорельский бор» входит в Красноярскую островную лесостепь, расположенную главным образом по левобережью Енисея (Средняя Сибирь, 1964). Абсолютные высоты колеблются в основном в пределах 250-300 м. Своеобразное эко-лого-географическое положение и специфика субстрата обусловили сложный процесс формирования почв сосняков Красноярской островной лесостепи. Почвенный покров представлен серыми, серогуму-совыми (дерновыми) и дерново-подзолистыми почвами. Основная лесообразующая порода в лесах «Погорельского бора» — сосна, занимающая три четверти лесопокрытой площади. В конце 1950-х гг. исследуемая территория была подвержена сильному воздействию низовых пожаров, после которых наблюдаются восстановительно-возрастные сукцессии (Бугаева, Назимова, 2009).
ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ РАБОТЫ
Формирование температурных полей в почве определяется ее теплофизическими свойствами: теплоемкостью, тепло- и температуропроводностью, которые в свою очередь являются функциями целого ряда почвенно-физических факторов, таких как влажность, гранулометрический состав, плотность, структура, содержание органического вещества, температура. Все это обусловливает неоднородность почв по теплофизическим параметрам и возможность их анализа посредством съемки в широком диапазоне спектра.
Для изучения физических свойств почвенных профилей предложено использовать наземную
съемку в ПК-диапазоне. Анализ радиометрических данных проводится, как правило, для поверхности почвы или почвенного слоя глубиной 5 — 10 см, что определяется техническими характеристиками используемых средств съемки. В то же время большое количество спутниковой информации получается в инфракрасной области спектра, в широком диапазоне, например, со спутников серии NOAA, TERRA (Bobrov, 2011; Пономарев, Пономарёва, 2012а).
В исследованиях была применена портативная система инфракрасной съемки FLIR InfraCAM. Данный прибор по принципиальной схеме не отличается от радиометров, используемых на спутниках, что позволяет в последующем применять полученные данные для валидации и калибровки спутниковых материалов.
Основные технические характеристики прибора: широкий спектральный диапазон (от 7,5 до 13,0 мкм.), диапазон измеряемой температуры (-10°C — +350°C), чувствительность (не ниже 0,1°С) позволяют провести измерения исследуемых параметров с необходимой для исследуемого класса объектов точностью.
На тестовых полигонах в различных типах леса были заложены 20 почвенных профилей.
Для изучения теплофизических свойств почв в конце вегетационного сезона (октябрь, 2011 г.) произведена радиометрическая съемка с помощью системы инфракрасной съемки FLIR Systems InfraCam напочвенного покрова и почвенных разрезов в сосняках зеленомошном и разнотравном. Получены радиометрические портреты профилей серой и дерново-подзолистой почвы. Погодные условия для данного периода не были экстремальными. Съемки проводились в дневное время.
В 2012 г. проведена съемка на экспериментальных участках с серыми, дерновыми и дерново-подзолистыми почвами в течение вегетационного сезона (июнь, июль, сентябрь, октябрь). В летний период (июнь, июль) наблюдалась аномально сухая и жаркая погода. Содержание почвенной влаги упало ниже влажности завядания, составляя 6 — 10% в верхнем корнеобитаемом слое.
В 2013 г. получены снимки профилей серой почвы в различные сезоны (с мая по октябрь).
Почвенные разрезы закладывались по стандартным методикам (Методы..., 1977) в сосняках Погорельского бора. Почвенный профиль маркировали бумажными метками и производили фото и радиометрическую съемку. На следующем этапе проводились морфологические описания почвенных разрезов и отбирались образцы из почвенных горизонтов для определения физических свойств (плотности сложения почвы, плотности твердой фазы, влажности).
Полученные радиометрические изображения проходили процедуру автоматической калибровки. В результате для каждого почвенного разреза был
получен массив значений радиометрических температур, соответствующих минимальному площадному участку почвенного профиля, представленному пикселем изображения. Таким образом, для каждого почвенного разреза было получено в среднем 5000 пиксел. Программными средствами проводилось совмещение снимков разрезов в тепловом диапазоне с массивом температурных значений в каждой точке, что обеспечило возможность детального пространственного анализа состояния по всему почвенному разрезу.
При статистической обработке построены графики и диаграммы распределения температур в почвенном профиле, использованные для моделиро-
вания изменения характеристик вдоль почвенного разреза. На основе анализа градиента радиометрической температуры выявлялись границы почвенных горизонтов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На полученных радиометрических снимках серой почвы в сосняке разнотравном прослеживаются границы и конфигурации горизонтов, выделенных по традиционным морфологическим признакам (рисунок!).
Выделение почвенных горизонтов основано на субъективных морфологических описаниях признаков почв, которые формируются в процессе по-
Рисунок 1- Фото (а) и радиометрический снимок (б) почвенного профиля
чвообразования, отражающие важные процессы и явления, происходящие в почве. Предлагаемая инструментальная технология выделения горизонтов на основе радиометрической съемки позволяет избежать ошибок субъективной оценки исследователя и быстро получить массовый материал не только по генетическому строению почвенного профиля, но и для изучения распределения тепла в почве.
После процедуры калибровки снимков по температуре восстанавливались температурные профили почвенных разрезов в сосняках при различных режимах увлажнения (рисунок 2). Почвенные профили представлены дерновой (разрез I), II - дерново-подзолистой, III - серой почвой, съемка проведена в сосняках в июле 2012 г. при влажности почвы близкой к влажности завядания; IV - дерново-подзолистой
почвой, съемка проведена в сосняке в октябре 2011 при влажности почвы 30-40%. Установлено, что градиент радиометрической температуры по профилю в исследованных почвах варьирует на уровне 0,12-0,30°С/см в верхних гумусовых горизонтах и не превышает 0,05-,15 °С/см в минеральных горизонтах почвенного профиля.
Результаты серии экспериментов использовались для выявления функциональной зависимости радиометрической температуры от глубины почвенного профиля. Установлено, что в первом приближении температурный градиент может быть описан линейной функцией, с переменными коэффициентами соответственно для верхних гумусовых и нижних минеральных горизонтов (рисунок 3). Достоверность аппроксимации К2 составляет 0,94-0,95.
Точка пересечения на графике соответствует границе гумусового горизонта.
Радиометрическая температура, °С
0 5 10 15 20 25
О {Я
sc к
€ 10
20
-*-! —В— III -IV
> /
30
40
50
60
Рисунок 2 - Температурные профили для почвенных разрезов в различных типах леса Погорельского бора. I, II, III, IV - номер разреза.
Радиометрическая температура, °С 0 5 10 15 20
а
£
и
1С £ 20
40
- 4P
y = -4,7x + R2 = 0,95 91 ß
-
60
80
100
Рисунок 3 - Линейные функции температурного градиента в гумусовом и нижележащих минеральных горизонтах. Глубина 1 см=2 пкс.
Проведен сопряженный анализ морфологического описания профиля дерново-подзолистой почвы (IV) в сосняке зеленомошном и радиометрического портрета профиля данной почвы:
Оу 0-1 см, очес зеленых мхов. Хорошо отделяется от нижележащего горизонта.
О 1-4 см, подстилка состоит из опада сосны и березы, остатков зеленых мхов и травянистой растительности, рыхлая, верхний слой сухой сла-боразложившийся, нижний слой более плотный среднеразложившийся. Хорошо отделяется от нижележащего горизонта.
AY 4-9(10) см, гумусовый горизонт, серого цвета, рыхлого сложения, хорошо оструктурен, мелкокомковатый, пронизан корнями травянистых растений и кустарничков, влажноватый, супесчаный. Переход в следующий горизонт постепенный. Граница неровная.
EL 9(10)-19 см, белесовато-светло-бурый, уплотнен, влажноватый, суглинистый, структура мелкокомковатая, встречаются корни древесных растений и кустарничков, переход в следующий горизонт заметный по плотности, структуре, цвету, гранулометрическому составу.
BEL 19-33 см, светло-бурый горизонт, в верхней части неоднородная окраска, рыхлый, бесструктурный, влажноватый, супесчаный. Переход заметный по плотности, цвету, структуре.
BT 33-55(58) см, бурый, плотный, хорошо оструктурен, листовато-чешуйчатый, глинистый, влажноватый. Переход в следующий горизонт заметный по сложению, гранулометрическому составу, цвету. Граница неровная.
С 55(58)-78 см, светло-бурый, менее плотный, чем вышележащий горизонт, бесструктурный, влажноватый, супесчаный.
Ниже слоистые супесчаные древнеаллювиаль-ные отложения светло-желтого цвета с железистыми прослоями.
Калибровка инфракрасного изображения для площадного фрагмента позволила зафиксировать дифференцирование почвенного профиля по градиенту радио яркостной температуры, совпадающее с распределением почвенных горизонтов. На приведенной ниже диаграмме 1 см соответствует 3 пикселя (рисунок 4). На границе горизонтов отмечается скачок градиента радиометрической температуры.
Используя при калибровке изображения разные температурные диапазоны, можно более точно выделять почвенные горизонты и подгоризонты. При минимальном шаге АТ°С (0,5°С) на радиометрическом портрете отражается структура почвы и качественное различие почвенного материала внутри почвенного горизонта. Увеличение температурного диапазона на шкале и генерализация данных уменьшает детализацию изображения и контрастирует только горизонты. Оптимальный диапазон, при котором проявляются основные почвенные горизонты, устанавливается путем анализа нескольких изображений, на которых границы основных горизонтов проявляются на большинстве вариантов. На изображении видны переходные зоны из одного горизонта в другой, а также характер этих переходов. Достоверность результата, получаемого при использовании данной технологии выделения горизонтов в почвенном профиле, подтверждается морфологическим описанием почв. В почвенных профилях, где визуально сложно выделить обособленные горизонты, с помощью данной технологии можно провести их разделение по теплофизической характеристике.
0
0
1 7
13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103
Рисунок 4 - Дифференцирование профиля дерново-подзолистой почвы (разрез IV) на однородные по теплофизическим свойствам слои при различном шаге АТ°С: А - 0,5°С, Б - 1°С, В - 2°С, Г - 3°С
ВЫВОДЫ
Основным инструментом исследований является авторский метод анализа изображений почвенного профиля, по результатам его тепловой съемки. Впервые получены радиометрические снимки в ИК-диапазоне почвенных профилей текстурно-дифференцированных лесных почв. Разработанный метод анализа тепловых изображений почвенного профиля позволяет не только получать модели распределения тепла, рассчитывать градиенты температур, но и определять границы почвенных горизонтов. При этом установлено, что классификация радиометрических изображений с заданным шагом АТ (°С) позволяет
выявить строение почвенного профиля без привлечения экспертного визуального анализа.
Установлено, что градиент радиометрической температуры по почвенному профилю варьирует на уровне 0,12 — 0,30°С/см в верхних гумусовых горизонтах и не превышает 0,05 — 0,15°С/см в минеральных. В качестве модельного уравнения предложено использовать линейную функцию с переменными коэффициентами. Зафиксировано, что величина градиента радиометрической температуры определяется как внешними условиями, так и типом почвы.
Контрастные изменения градиента температуры на снимках почвенного профиля в инфракрасном диапазоне соответствуют границам почвенных го-
ризонтов. При классификации радиометрических портретов почвенного профиля вариация параметра АТ(°С), соответствующего заданному классу, определяет детализацию результата, фиксируя как структуру почвы, так и качественные различия почвенного материала внутри почвенного горизонта. В дальнейшем следует продолжить апробацию инфракрасного метода описания почвенного разреза, совмещая с традиционными приемами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Бугаева, К.С. Сосновые боры на северной границе Красноярской лесостепи: динамика фито-ценотической структуры за последние 40 лет / К.С. Бугаева, Д.И. Назимова // Вестник экологии, лесоведения и ландшафтоведения. - № 9. - 2009. -С.109-118.
Методы стационарного изучения почв. М.: Наука. -1977.-248 с.
Орлов, Д.С. Зависимость запасов гумуса от продолжительности периода биологической активности почв / Д.С. Орлов, О.Н. Бирюкова, И.М. Рыжова// Почвоведение. - 1997. -№7.- С.818-822. Пономарёв, Е.И. Анализ физических свойств почв на основе наземной съемки в инфракрасном диапазоне / Е.И. Пономарёв, Т.В. Пономарёва // Десятая всероссийская открытая ежегодная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». - Москва. - 2012а. (smiswww.iki.rssi.ru). Пономарев, Е.И. Съёмка в тепловом диапазоне при исследовании физических свойств почв / Е.И. Пономарёв, Т.В. Пономарёва // Материалы докладов VI Съезда общества почвоведов им. В.Н. Докучаева. Всероссийская с международным участием научная конференция "Почвы России: современ-
ное состояние, перспективы изучения и использования". Петрозаводск: Карельский научный центр РАН. - 2012b. - С. 54-55.
Средняя Сибирь. - М.: Наука. - 1964. - 480с.
Шеин, Е.В. Курс физики почв: Учебник. [Текст]. М.: Изд-во МГУ / Е.В. Шеин. - 2005. - 432 с.
Швецов, Е.Г. Исследование применимости данных спутника SMOS для оценки уровня пожарной опасности на территории Красноярского края. / Е.Г Швецов, 3. Ружичка, В.Л. Миронов // Вестник СибГАУ им. М.Ф. Решетнева. - 2013. - Выпуск 2(48). - С.110 - 116.
Bircher, S.: Validation of SMOS Brightness Temperatures During the HOBE Airborne Campaign, Western Denmark, IEEE T. / S. Bircher, J.E. Balling, N. Skou, Y.H Kerr // Geosci. Remote Sens., 50, 1468-1482, doi:10.1109/tgrs.2011.2170177, 2012.
Bobrov, P.P. Results of the SMOS Data Validation over a Steppe and Forest Area in Siberia / P.P. Bobrov, O.V. Kondratieva, V.L. Mironov, E.G. Shvetsov, A.I. Sukhinin, A.S. Yashchenko // Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Su-zhou, China, Sept. 12-16, 121 - 124, 2011.
Jackson, T.J.: Validation of Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) Soil Moisture Over Watershed Networks in the US, IEEE T. / T.J. Jackson, R. Bindlish, M.H. Cosh, T. Zhao, P.J. Starks, D.D. Bosch, M. Seyfried, M.S. Moran, D.C. Goodrich, Y.H. Kerr, D. Leroux // Geosci. Remote Sens., 50, 1530-1543, doi:10.1109/tgrs.2011.2168533, 2012.
Schlenz, F.Analysis of SMOS brightness temperature and vegetation optical depth data with coupled land surface and radiative transfer models in Southern Germany / F. Schlenz, J.T. dall'Amico, W. Mauser, A. Loew // Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss., 9, 53895436, doi:10.5194/hessd-9-5389- 2012, 2012.
Поступила в редакцию 11.02.13 Принята к печати 03.12.13
