مطالب تخصصی

بررسی رفتارهای طیفی آب، خاک و پوشش گیاهی در سنجش از دور

نوشته شده توسط Amirhossein.Ahrari@Gmail.com

در این مقاله علمی و آموزشی یکی از مهم ترین مباحث در سنجش از دور با عنوان رفتارهای طیفی مورد ارزیابی قرار گرفته است. دراین مقاله رفتارهای طیفی آب، خاک و پوشش گیاهی در وضعیت های مختلف تحلیل شده است. آگاهی از رفتارهای طیفی در زمینه طراحی شاخص های طیف و تحلیل وضعیت پوشش ها در شرایط گوناگون مورد استفاده قرار می گیرد.

با آگاهی نسبت به رفتارهای طیفی میتوان تغییراتی در پدیده ها را مطالعه کرد که با استفاده از چشم غیر مسلح قابل مشاهده و استخراج نیست.

اساس و بنیان سنجش از دور بر برهمکنش طیفی بین پدیده های مختلف با امواج الکترومغناطیسی است. برهمکنش امواج با پدیده های مختلف در قالب نسبت جذب و بازتاب امواج قابل توصیف است. الگوی نسبت جذب و بازتاب امواج الکترومغاطیسی در محدوده های طیفی مختلف با عنوان رفتار طیفی شناخته می شود. رفتار طیفی پدیده ها با استفاده از نمودار طیفی قابل نمایش است.

نمودار طیفی یک بردار دوبعدی است که از یک محور افقی و یک محور عمودی برخوردار است. محور افقی آن نشان دهنده طول موج و محور عمودی نشان دهنده شدت بازتاب است. در شکل زیر میتوانید نسبت جذب و بازتاب پدیده های آب، خاک و پوشش گیاهی را با استفاده از نمودار طیفی مشاهده نمایید.

رفتار طیفی چیست؟

به ساده ترین شکل، رفتار طیفی عبارت است از نسبت بازتاب امواج الکترومغناطیسی در محدوده های طیفی مختلف.

رفتار طیفی چه کاربردی دارد؟

آگاهی و شناخت رفتار طیفی به استخراج اطلاعات زیر کمک میکند:
۱- درک چگونگی نمایش پدیده های مختلف در تصاویر ماهواره ای
۲- انتخاب باند های بهینه در فرایند پردازش تصاویر ماهواره ای
۳- درک عملکرد باند ها در شاخص های طیفی
۴- طراحی شاخص های طیفی جدید
۵- پیش بینی عملکرد شاخص های طیفی

 

تحلیل رفتار طیفی گیاه

رفتار طیفی هریک از پدیده ها از ویژگی های کلیدی برخوردار است که عبارت اند از :
۱- گیاه از یک رفتار طیفی پرنوسان برخوردار است.
۲- رفتار طیفی گیاه در مقایسه با سایر پدیده ها از نوسان بسیار بیشتری برخوردار است.
۳- نسبت بازتاب محدوده مرئی گیاه در مقایسه با محدوده مادون قرمز بسیار کمتر است.
۴- در بخش مرئی طیف،باند سبز از بیشترین بازتاب در مقایسه با محدوده های سبز و قرمز طیف الکترومغناطیس برخوردار است.
۵- باند قرمز بخش زیادی از انرژی رسیده را جذب مینماید. از این محدوده با عنوان لبه قرمز یاد میشود.
۶- باند مادون قرمز که دقیقا بعد از محدوده قرمز قرار گرفته، بشدت امواج رسیده را بازتاب میکند. بازه طیفی مادون قرمز نزدیک در رفتار طیفی گیاه با عنوان فلات قرمز نامیده میشود.
۷- از محدوده مادو قرمز نزدیک به سمت مادون قرمز طول موج کوتاه میزان بازتاب کاهش پیدا میکند. دلیل کاهش بازتاب در مادون قرمز طول موج کوتاه، وجود رطوبت در گیاه است.

مهم ترین باند ها در رفتار طیفی گیاه

مهم ترین باند ها در رفتار طیفی گیاه باند های قرمز و مادون قرمز نزدیک است. باند قرمز از بیشترین جذب و باند مادون قرمز نزدیک از بیشترین بازتاب در رفتار طیفی گیاه برخوردار است. این دو باند اطلاعات کلیدی را در ارتباط با میزان سلامت گیاه در اختیار کاربران قرار می دهد. عموم شاخص های طیفی طراحی شده در زمینه مطالعه پوشش گیاهی با استفاده از باند های قرمز و مادون قرمز نزدیک صورت می گیرد.

مهم ترین عوامل کنترل کننده رفتار طیفی گیاه

مهم ترین عوامل موثر در رفتار طیفی گیاه در محدوده های طیفی گوناگون به شرح زیر است:
بخش مرئی: نسبت کلروفیل و کاروتن موجود در گیاه
هر چقدر گیاه سالم تر باشد میزان کلرفیل در آن بیشتر و در نتیجه میزان بازتاب باند سبز از سایر باند های مرئی بیشتر است. وجود کلروفیل در گیاه باعث میشود تا امواج قرمز و آبی توسط گیاه جذب شده و امواج سبز بازتاب شود.

بر همین اساس در محدوده مرئی پوشش گیاهی توسط چشم انسان به رنگ سبز مشاهده می شود. جذب امواج رسیده در محدوده مرئی انرژی لازم گیاه برای انجام فوتوسنتز را فراهم می نماید. در فصل پاییز و زمستان میزان کلروفیل در گیاه کاسته شده و میزان کاروتن افزوده می شود.

افزایش میزان کاروتن باعث افزایش بازتاب دربخش قرمز طیف و کاهش بازتاب در بخش سبز طیف الکترومغناطیسی می گردد. بر همین اساس در فصل پاییز و زمستان پوشش گیاهی به رنگ نارنجی و قرمز دیده می شود.

بخش مادون قرمز نزدیک: میزان کلروفیل و ساختار برگ (مزوفیل اسفنجی)
کلروفیل نقش بسیار مهمی در نسبت بازتاب محدوده مادون قرمز نزدیک دارد. در شرایطی که گیاه سالم است و میزان کلروفیل به اندازه کافی وجود دارد، باند مادون قرمز نزدیک از بیشترین بازتاب برخوردار است.هرچقدر که میزان کلروفیل گیاه کاهش پیدا می کند نسبت بازتاب باند مادون قرمز نزدیک بصورت قابل توجهی کاسته می شود.

بخش مادون قرمز طول موج کوتاه: نسبت رطوبت موجود در گیاه
امواج مادون قرمز خصوصا مادون قرمز طول موج کوتاه از حساسیت بسیار بالایی نسبت به رطوبت و آب برخوردار هستند. آب و رطوبت به شدت جذب کننده امواج مادون قرمز طول موج کوتاه و حرارتی است. در نتیجه رطوبت موجود در گیاه باعث جذب امواج الکترمغناطیسی بخش مادون قرمز طول موج کوتاه می گردد.

وجود رطوبت در کیاه باعث شده تا در محدوده مادون قرمز طول موج کوتاه کانون های جذبی قابل توجهی ایجاد شود.

آیا فقط ترکیبات شیمیایی گیاه در رفتار طیفی آن اثر کذار است؟

خیر. تنها ترکیبات شیمیایی گیاه بر رفتار طیفی آن اثر گذار نیست بلکه شرایط محیطی نیز تاثیر جدی بر آن می گذارد. به عنوان مثال خاک زمینی که گیاه در آن کاشته شده و نوع کانی های آن به همراه میزان رطوبت و مواد آلی موجود در آن در رفتار طیفی گیاه اثرگذار است.

در برخی از مطالعات و تحقیقات دیده شده که با استفاده از تغییرات ایجاد شده در رفتار طیفی گیاه، وضعیت خاک منطقه را تعیین نمایند.

آیا رفتارهای طیفی گیاه در همه شرایط یکسان است؟

خیر. رفتار طیفی گیاه در وضعیت های مختلف متفاوت است. نوع، ترکیبات، ساختار درونی، میزان رطوبت، وضعیت خاک زیرین، روطوبت خاک و کانی هایی موجود در آن بر رفتار طیفی گیاه اثر گذار است.

 

تحلیل رفتار طیفی خاک

خاک در مقایسه با سایر پدیده ها از یک رفتار طیفی بدون نوسان و یا کم نوسان برخوردار است. رفتار طیفی خاک یه روند لگاریتمی را نشان می دهد که از طول موج کوتاه به سمت طول موج بلند بر میزان بازتاب های آن افزوده می شود.

به عبارت دیگر هر چه از محدوده باند آبی به سمت باند مادون قرمز طول موج کوتاه حرکت می کنیم بر میزان بازتاب امواج افزوده می شود. این روند افزایشی با افزایش طول موج هم چنان ادامه دارد تا آنکه در محدوده مادون قرمز نزدیک یک کانون جذبی کوچک ایجاد می شود که ناشی از رطوبت موجود در آن است. پس از این کانون جذبی روند افزایشی بازتاب با افزایش طول موج هم چنان ادامه پیدا می کند.

 

چه عواملی بر رفتار طیفی خاک اثر گذار است؟

مهم ترین عوامل اثر گذار بر رفتار طیفی خاک عبارت اند از :

۱- کانی های تشکیل دهنده خاک
۲- رطوبت خاک

۳- بافت خاک
۴- مواد آلی موجود در خاک
۵- رنگ خاک
۶- زهکشی خاک

 

اثر کانی های تشکیل دهنده خاک بیشتر در کدام بخش طیفی قابل مشاهده است؟

اثر کانی های موجود در خاک عموما در بخش مادون قرمز طول موج کوتاه قابل مشاهده است. بر همین اساس بسیاری از سنجنده هایی که برای مطالعات کانی شناسی طراحی شده باندهای طیفی متعددی در بخش مادون قرمز طول موج کوتاه دارا است. بسیاری از کانی ها از رفتار طیفی مشابهی نسبت به یکدیگر برخوردار هستند اما اختلاف در کانون های جذبی آنها در محدوده مادون قرمز طول موج کوتاه دلیلی بر شناسایی و تفکیک آنها از یکدیگر است.

رطوبت خاک چه اثری بر رفتار طیفی خاک دارد؟

بصورت کلی رطوبت و آب جذب کننده امواج الکترومغناطیسی است. وجود آب و رطوبت در خاک باعث کاهش میزان بازتاب و افزایش جذب امواج الکترومغناطیسی می شود. هر چه میزان آب و رطوبت موجود در گیاه افزوده می شود نسبت بازتاب نیز در باند های مختلف کاسته می شود. البته بیشترین نسبت جذب با افزایش رطوبت در باند مادون قرمز طول موج کوتاه ایجاد می گردد.

مواد آلی چه اثری بر رفتار طیفی خاک دارد؟

وجود مواد آلی در خاک اثری به مانند رطوبت در خاک را ایجاد میکند. به این صورت که وجود ماده آلی در خاک نسبت بازتاب را می کاهد و با افزایش میزان ماده آلی در خاک بر میزان جذب امواج الکترومغناطیسی رسیده به خاک نیز افزوده می شود.

بافت خاک چه اثری بر رفتار طیفی خاک دارد؟

بصورت کلی بافت خاک را میتوان به دو دسته ریز بافت و درشت بافت تقسیم بندی کرد. هرچه میزان بافت خاک ریزتر باشد، در نتیجه نسبت بازتاب کاسته می شود و در مقابل با افزایش اندازه ذرات تشکیل دهنده خاک (درشت بافت) میزان بازتاب افزایش پیدا می کند.

تحلیل رفتار طیفی آب

همانطور که پیش تر به آن اشاره شد، آب بصورت کلی جذب کننده امواج است و نسبت بازتاب در آن در مقایسه با سایر پوشش های سطح زمین بسیار اندک است. بیشترین بازتاب آب در باند آبی طیف است و هرچه از باند آبی به سمت بخش مادون قرمز طول موج کوتاه حرکت می کنیم نسبت بازتاب به شدت کاهش پیدا می کند تا آنکه در بازه مادون قرمز میانی میزان بازتاب آب به صفر میرسد. آب بیشتر از آنکه پدیده های مختلف را بازتاب کند جذب می نماید.


ویدئوی آموزش روش استخراج رفتارهای طیفی از تصاویر ماهواره ای

ویدئوهای بیشتر در لینک زیر:

دیدگاهتان را بنویسید