بخشی از مقاله
اندازه گیری رطوبت خاک با استفاده از سنجش از دور
چکیده
رطوبت خاک یکی از پارامتر های بنیادی محیط زیست است که بر زندگی گیاهی، جانوری ومیکروارگانیسم ها مستقیماً تاثیر گذار بوده و نقش عمده ای در تبادلات انرژی بین هوا و خاک ایفا می کند. توزیع عمودی و افقی رطوبت خاک از طریق تبخیر و تعرق گیاهان و تبدیل انرژی تابشی ورودی به گرمای نهان و شار حرارتی محسوس کنترل می گردد. روش های سنتی اندازه گیری میدانی رطوبت خاک علاوه بر طولانی و پرزحمت بودن نمی توانند تغییرات مکانی آن را در سطح حوضه ها به نحو مطلوب نشان دهند لذا سنجش از دور نقش بی بدیلی در این امر پیدا کرده است و بسیار مورد استقبال قرار گرفته است. بطور معمول خاک مرطوب از خاک خشک (در محدوده طیف مرئی) تیره تر است، زیرا بازتاب طیفی آن کاهش می یابد، علت این تیرگی را لایه نازک آب اطراف ذرات خاک و اثرهای آن می دانند. بنابراین به دلیل انعکاسهای مکرر این بخش از انرژی بین ذرات و غشاء آب اطراف ذرات، جذب انرژی افزایش یافته و بازتاب خاک به فضا کاهش می یابد، بنابراین خاک در این محدوده طیفی تیره تر به نظر می رسد.
کلمات کلیدی: رطوبت خاک، سنجش از دور، روش های اپتیکی، ماهواره
مقدمه
امروزه کمبود آب در جهان یکی از اساسی ترین مشکلاتی است که زندگی بشر را تحت الشعاع قرار داده است .این مشکل بیشتر از همه مناطق خشک و نیمه خشک را تحت تأثیر قرار می دهد .ایران با قرار گرفتن در کمربند خشک جهانی بیش از بسیاری از کشورها با مسئله بحران آب رو برو است.
رطوبت خاک یکی از پارامتر های بنیادی محیط زیست است که بر زندگی گیاهی، جانوری و میکروارگانیسم ها مستقیماً تاثیر گذار بوده و نقش عمده ای در تبادلات انرژی بین هوا و خاک ایفا می کند به همین دلیل توزیع مکانی و تغییرات زمانی آن، یکی از اجزای بسیار مهم در مدل های آب و هوایی، اکولوژی و هیدرولوژی در مقیاس جهانی، منطقه ای و محلی محسوب می شود.
توزیع عمودی و افقی رطوبت خاک از طریق تبخیر و تعرق گیاهان و تبدیل انرژی تابشی ورودی به گرمای نهان و شار حرارتی محسوس کنترل می گردد. رطوبت خاک همچنین بر آلبیدو و رژیم حرارتی خاک اثر می گذارد. توزیع رطوبت در لایه سطحی سرنوشت بارندگی را به صورت رواناب سطحی یا نفوذ به داخل خاک مشخص می نماید. زمان و مقدار حرکات
عمودی و افقی آب، عوامل مهم تعیین کننده تغذیه منابع آبی و آکیفر ها، استرس آب خاک برای رشد گیاه و چرخه مواد غذایی در خاک محسوب می شود. این عوامل می تواند مبنایی برای یک سیستم عملیاتی مفید جهت پایش خشکسالی، سیل، لغزش زمین و رخداد بارندگی را قرار گیرد(بایبوردی 1369، ابریشمی (1376
از جمله مواردی که از داده های رطوبتی خاک می توان استفاده نمود شامل: افزایش راندمان آبیاری، پایش خشکسالی، شناسایی رفتار آب در خاک، بهبود طبقه بندی های اقلیمی، پایش و پیش بینی عملکرد محصولات، تعیین بیلان آبی، محاسبات سیل، اندازه گیری ضریب نفوذ خاک ها، هواشناسی کشاورزی، محاسبات نیاز آبی می باشد (بداقی و همکاران .(1382
سنجش از دور
سنجش از دور، علم، هنر و فن آوری جمع آوری اطلاعات درباره یک شی، ناحیه یا پدیده است که از راه تحلیل داده ها بوسیله ابزارهایی که در تماس مستقیم با شی، ناحیه و یا پدیده مطالعاتی نیستند، به دست می آید و در حالت کلی به دو دسته سنجش از دور حرارتی و انعکاسی تقسیم بندی می گردد. سنجش از دور انعکاسی در اصل به بازتاب طیفی پدیده ها مربوط می شود و خورشید منبع انرژی آن است. تصاویر این نوع سنجش از دور تنها با وجود نور خورشید قابل تهیه است. اما در سنجش از دور حرارتی منبع انرژی خود پدیده ها و اشیاء هستند که در طول روز توسط خورشید گرم شده اند. این شاخه از سنجش از دور، پیرامون پردازش و تفسیر داده ها و تصاویر بدست آمده در ناحیه مادون قرمز حرارتی (TIR) طیف الکترومغناطیس بحث می کند. در سنجش از دور حرارتی، تشعشع ساطع شده از سطح پدیده، اندازه گیری می شود(علوی پناه، (1385
سنجش از دور بر پایه انرژی الکترومغناطیسی انعکاسی و بازتابی که از سطح پدیده ها دریافت می کند استوار است که میزان انرژی فوق بستگی به ترکیب مولکولی، بافت، اندازه و شکل پدیده ها دارد و بر این اساس خصوصیات انعکاسی خاک همبستگی مؤثری با مواد موجود در آن دارد و بشدت تغییر می کند .این تغییرات می تواند ناشی از مقدار هوموس، گچ، املاح محلول در خاک و به خصوص کربن موجود در مواد آلی خاک باشد(کاراونا و همکاران، (2001
استفاده از داده های سنجش از دور ماهوارهای با توجه به خصوصیاتی از قبیل دید وسیع و یکپارچه، استفاده از قسمتهای مختلف طیف الکترومغناطیسی برای ثبت خصوصیات پدیده ها، پوشش های تکراری، سرعت انتقال و تنوع اشکال داده ها، امکان بکارگیری سخت افزارها و نرم افزارهای ویژه رایانه ای در سطح دنیا با استقبال زیادی روبرو شده است و به عنوان ابزاری مناسب در ارزیابی، اکتشاف، نظارت، کنترل و مدیریت منابع آب و خاک، جنگل و مرتع، کشاورزی و محیط زیست به کار گرفته شده و به مرور زمان بر دامنه وسعت کاربری آن افزوده گردیده است . با پیشرفت فناوری سنجنده ها، امروزه سنجش از دور طیف بسیار وسیعی از کاربردها را پیدا کرده است (علوی پناه .(2003 روش های سنتی اندازه گیری میدانی رطوبت خاک علاوه بر طولانی و پرزحمت بودن نمی توانند تغییرات مکانی آن را در سطح حوضه ها به نحو مطلوب نشان دهند (علوی پناه .(2003داده های سنجنده ماهواره ای به صورت پیوسته و در محدوده وسیعتری وجود دارند و اطلاعات خوبی از پدیده های محیطی در کل فضا در مقایسه با موقیعت های نقطه ای مثل ایستگاه های هواشناسی ارائه می دهند.(ویلسون، (2003
بازتاب طیفی رطوبت خاک
بطور معمول خاک مرطوب از خاک خشک (در محدوده طیف مرئی) تیره تر است ، زیرا بازتاب طیفی آن کاهش می یابد، علت این تیرگی را لایه نازک آب اطراف ذرات خاک و اثرهای آن می دانند. انگستروم( (1925 نشان داد که بخشی از انرژی دریافتی توسط خاک به فضا منعکس نشده ، اما بین سطوح ذرات و سطوح غشاء آب اطراف ذرات بازتاب خواهد داشت ؛ بنابراین به دلیل انعکاسهای مکرر این بخش از انرژی بین ذرات و غشاء آب اطراف ذرات، جذب انرژی افزایش یافته و بازتاب خاک به فضا کاهش می یابد، بنابراین خاک در این محدوده طیفی تیره تر به نظر می رسد.
شکل -1 تأثیر مقدار رطوبت خاک بر بازتاب طیفی،(نسبت بازتاب خاک مرطوب به خشک در اغلب محدوده طیفی الکترومغناطیسی ثابت می باشد).
همچنانکه در نمودارهای 1 دیده می شود منحنی بازتاب طیفی در دو ناحیه 1/45 و 1/95 میکرومتر دارای جذب قوی و مربوط به آب و در باند های 0/97 و 1/2 میکرون دارای جذب ضعیف می باشد، بنابراین در شرایط یکسان یک خاک مشخص در این باندها تیره تر به نظر می رسد (متین فر و همکاران، .(1388
خلاصه ای از تکنیک های سنجش از دور برای اندازه گیری رطوبت خاک
در ناحیه طول موج انعکاسی از مزایای آن می توان به در دسترس بودن داده ها و از معایب و منابع خاک می توان به عدم رابطه منحصر به فردی که بین بازتاب طیفی و رطوبت خاک است اشاره کرد و همچنین دارای تداخل ابر با انرژی می باشد. در ناحیه طول موج حرارتی از مزایای آن می توان به قدرت تفکیک مکانی بالا، عرض گذر زیاد ، رابطه بین دما و فشار آب خاک که به نوع خاک بستگی ندارد می توان اشاره کرد و از معایب آن می توان گفت که تنها برای خاک لخت استفاده می شود؛ با ابر مشکل تداخل دارد؛ توپوگرافی سطحی و شرایط جوی محلی می توانند سبب خطا شوند و در نهایت برای لایه های سطحی عمق 2 تا 4 سانتی متر استفاده می شود.
