K A T A R Z Y N A D Ą B R O W S K A

P R A C E I N S T Y T U T U G E O D E Z J I I K A R T O G R A F II
T o m X X X I , Ze s z y t 1, 1984
K A T A R Z Y N A D Ą B R O W S K A -Z IE L 1 Ń S K A
Wykorzystanie metod teledetekcyjnych do badania wilgotności
gleby na obszarze testowym Sadlowice i Grabów
Zarys
treści.
W
artykule om ówiono w y n ik i badań wilgotności gleby m e­
todami teledetekcji zarów no na polach odsłoniętych, jak rów nież pokrytych roślin­
nością. Przedstaw iono zależność pomiędzy wilgotnością gleby a jej tonem na zdjęciu
w ielospektralnym
Frzeprow adzono
oraz
jej
rów nież
tem peraturą
badania
nad
zarejestrow aną
zależnością
na
pom iędzy
zdjęciu
term alnym .
w ilgotnością
g le b y
w strefie korzeniow ej a tem peraturą radiacyjn ą roślin zarejestrow aną trzykrotnie
w ciągu dnia.
W ilgotn ość g le b y o d g ry w a znaczną rolę w w ielu gałęziach gospodarki.
D ecyd u je ona m ięd zy in n ym i o w ielkości produkcji roln ej oraz w znacz­
n ym stopniu w p ły w a na przeb ieg cyklu h ydrologiczn ego m ającego duże
znaczenie w bilansie w odn ym i w ym ia n ie en ergii cieplnej.
Jak dotąd nie istn ieje dokładna m etoda określenia w ilgotn ości g leb y ,
a powszechnie stosowane m etody labora toryjn e lub sondow anie ele k tro -op orow e i neutronow e dają jed y n ie punktow e w y n ik i zm uszając do
ekstrapolacji pom iarów n iek ied y na duże pow ierzch nie, co daje w re z u l­
tacie nie zaw sze p ra w d ziw y obraz rozkładu w ilgotn ości gleb y. W a rto
p rzy ty m zaznaczyć, że w ilgotność g leb y jest zjaw isk iem szybk ozm ien nym , a stosowane m etod y są zb yt pracochłonne aby za ich pomocą m ożna
było badać dynam ikę procesów w ilgotn ościow ych zachodzących w gleb ie.
W tej sytu a cji do określenia stanu w ilgotn ości g leb y p odejm u je się
prób y zastosowania m etod teled etek cji. Z liczn ych prac p rzep row a d zo­
nych w różnych ośrodkach badaw czych w yn ika, że n ajbard ziej przydatn e
do tego celu są m etody pasyw ne w yk orzystu jące prom ien iow an ie m ik ro ­
fa low e. Z u w agi na brak m ożliw ości zastosowania tych m etod w Polsce,
w Ośrodku P rzetw a rza n ia O b ra zów L o tn iczy ch d S atelitarn ych p rz y
w spółpracy Instytu tu U p ra w y , N aw ożen ia i G leboznaw stw a podjęto p ra ­
ce nad określeniem przydatności techniki term o w izy jn ej, w połączeniu
z fo to g ra fią w iełospektralną, do oceny w ilgotn ości p rzy p ow ierzch n io w ej
i k o rzen iow ej w a rs tw y gleb y, m ających decydujące znaczenie w procesie
w zrostu i plonow ania roślin upraw nych.
P ra ce eksperym entalne przeprow adzono na terenie dw óch p oligon ów
4S
badaw czych: Sadłow ice i G rab ów należących do Zak ładów D ośw iadczal­
nych Instytutu U praw y, N aw ożenia i G leboznaw stw a w Pu ław ach.
Założenia badawcze
Podstaw ow ym , założeniem p rz y ję ty m
w pracy było istnienie za leż­
ności m ięd zy w ilgotnością g leb y a je j term iką i tonem na obrazie fo to ­
graficzn ym .
U w zględ n iają c dobową zmienność tem peratury g leb y w yn ikającą z n a­
grzew an ia prom ieniam i słonecznym i, a następnie ochładzania je j po­
w ierzch n iow ej w arstw y, p rzy jęto konieczność obrazowania term aln ego
w trzech porach doby, a m ianow icie: — przed wschodem słońca, w g o ­
dzinach południow ych i po zachodzie w celu uchw ycenia in e rc ji term icz­
n ej gleb y, która to wielkość w
dużym stopniu zależy od w ilgotn ości
gleby.
N a ton obrazu g leb y od fotografow a n ej na zdjęciu lotn iczym w znacz­
n ej m ierze w p ły w a w ilgotność, jednak je j dobow e zm iany są tak n ie ­
w ielk ie, że film fo to g ra ficzn y nie jest ich w stanie uchw ycić, stąd też
zdecydow ano w ykonać zdjęcia raz dziennie, synchronicznie z południo­
w y m obrazow aniem term alnym . Spośród istniejących technik fo to g r a fii
lotn iczej w ybrano technikę fo to g ra fii w ielospek traln ej, chcąc otrzym ać
obraz pow ierzchni g leb y w różnych długościach prom ieniow ania elek tro­
m agnetycznego, w tym także w prom ieniow aniu podczerw onym n ajsiln iej
pochłanianym przez w odę zaw artą w glebie.
N a obu poligonach spraw ę badania w ilgotności g leb y kom p liku je fakt,
że są one obszarami rolniczym i, gdzie już od początku m aja u p ra w y za­
k ry w a ją pow ierzchnię g leb y i jest ona niew idoczna do ob serw acji pro­
w adzonych z pokładu samolotu. Zdecydow ano w ięc poszukać istnienia
zależności pom iędzy tem peraturą roślin a zawartością w o d y w gleb ie
w ich strefie k orzen iow ej. Jeśliby taką zależność w y k ry to , m ożna b yłob y
za pomocą lotniczych obrazów term alnych w nioskow ać pośrednio o w il­
gotności gleby.
B iorąc pod uw agę sezonowość pokrycia g leb y przez rośliny, zdecydo­
wano pierw sze zdjęcia i obserw acje przeprow adzić w m om encie, g d y g le ­
b y są jeszcze odsłonięte, co na badanym obszarze przypadło w p ierw szej
połow ie m aja. N atom iast kolejn e obrazowania postanowiono p rzep row a ­
dzić w p ierw szej połow ie lipca w warunkach m aksym alnego pokrycia
g leb y przez roślinność.
P rzeb ieg badań
O b ra zy term alne b y ły w yk on y w a n e skanerem A G A T h erm op rofile
T H P -1 rejestru ją cym prom ieniow anie elektrom agn etyczn e w zakresie fa l
o długości 2,0— 5,6 |im. T e ren zobrazow ano trzy k rotn ie w ciągu doby,
44
natom iast zdjęcie lotnicze w ykonano kam erą w ielospektralną w
god zi­
nach południow ych. Rów nocześnie z w yk on an iem zdjęć lotniczych i obra­
z ó w term alnych prowadzono prace naziem ne:
— pobierano próbki g leb y w
36 punktach na poligonie
Sadłow ice
i w 25 punktach na poligonie G rabów , a następnie la b ora tory jn ie o k re­
ślono ich wilgotność,
— określono barw ę g leb y w każdym z tych pu nktów w ed łu g tablic
„R e v is e d Standard S oil C olor C harts” — M. Oyam a, H. Takeharda, a na­
stępnie w laboratorium sfotografow an o je za pomocą k a m ery w ielospek tralnej. W y c ią g i spektralne uzyskane w paśm ie czerw on ym i podczer­
w on ym użyto do pom iarów gęstości optycznych, co p o zw oliło w sposób
liczb o w y oznaczyć barw ę i odnieść tę w artość do b a rw y g leb y od fotografo w a n e j na zdjęciu,
— oszacowano chropowatość gleby, w yk on u jąc zdjęcia fo tog ra ficzn e
pow ierzch ni gleby, na k tórej położono ram ę o w ym iarach 1 m X 1 m po­
dzieloną na „oczk a ” o p ow ierzch n i 100 cm 2.
R ó w n ież chropowatość gleby, która w znacznym stopniu w p ły w a na
ton je j obrazu fo tog ra ficzn ego postanowiono przedstaw ić w fo rm ie licz­
b o w e j, chcąc u w zględn ić ją w analizie statystyczn ej. Jako k ry teriu m
w yró żn ie n ia klas o różn ym stopniu chropow atości p rz y ję to liczbę b ry łe k
0 w ielkości w ięk szej od 1 cm, przypadającej na p o w ierzch n ię 1 dcm 2.
W yróżn ion o cztery klasy chropow atości gleb y, zaliczając do klasy p ie r w ­
szej te pow ierzchnie, na k tórych b ry łk i za jm o w a ły 1% obszaru, do klasy
dru giej — 5% obszaru, do kla sy trzeciej —
czw a rtej — 70% obszaru.
20% obszaru, a do klasy
D o opracowania statystycznego w zięto rów n ież pod uw agę kom p lek sy
roln iczej przydatności gleb, na k tórej leżą poszczególne pu nkty pom ia­
row e. Dane te zostały zaczerpnięte z map g leb ow o -ro ln iczych w skali
1 : 5000. Zebrane in fo rm a cje o glebach przedstaw iono rów n ież w fo rm ie
liczb o w ej, w yk orzystu jąc w ty m celu dane z „W a lo r y z a c ji roln iczej p rze­
strzeni prod u k cyjn ej P o ls k i” (IU N G 1981 r.). W a lo ry za cja ta w sposób
lic z b o w y ch arakteryzu je poszczególne klasy b o n itacyjn e i kom p lek sy
przydatności roln iczej gleb. W skali 100-punktowej glebom n ajlep szym
(klasa 1) przypisano w artość 100 punktów . Pu n k tacja ta jest w p ra w d zie
bardzo ogólna n iem n iej do obliczeń statystyczn ych w ystarczająca.
P o w ykonaniu prac terenow ych , a także kam eralnej in terp reta cji lo t­
niczych zdjęć w ielospek traln ych i term alnych przystąpiono do m atem a­
tyczn ej an alizy otrzym an ych w y n ik ó w i określenia w za jem n ej zależności
m ięd zy param etram i ch arakteryzu jącym i gleb ę a je j obrazem na z d ję ­
ciach. A n aliza statystyczna ob ejm ow ała w ięc obliczenie w spółczyn n ik ów
k o rela cji i rów nań reg res ji w celu ustalenia zależności pom iędzy w ilg o t­
nością g leb y na głębokości 0— 5, 5— 10 cm p rzy ję tą jako zm ienną n ie­
zależną Y a gęstością optyczną obrazu g le b y w zakresie prom ieniow ania
czerw on ego (Xj), gęstością optyczną obrazu g le b y na zdjęciu w podczer­
45
w ien i (x 2), kom pleksem g leb ow y m (x 3), barw ą g leb y na zdjęciu w yk on a ­
n ym w zakresie prom ieniow ania czerw onego (x 4), barw ą g leb y na zdjęciu
w yk on an ym w podczerw ieni (x 5) i w reszcie chropowatością g leb y (x 6).
K o re la c je te określono w edług rów nań
Y = A i+ B j+ C ^ D t+ E ,
i =
^ 1-2
j =
X
3
k = X 4_ s
l =
x6
Przeprow adzono także obliczenia istotności poszczególnych w sp ó łczyn ­
n ik ów reg resji w skazujących na zależność zm iennej Y (w ilgotn ość g le b y )
od zm iennych X, obliczono rów n ież odchylenie standardowe zm iennej Y
charakteryzujące błąd w yznaczenia w ilgotn ości pom iędzy w artością w il­
gotności otrzym aną z pom iarów teren ow ych a uzyskaną w toku obliczeń.
O trzym ane w y n ik i ilu stru je tablica 1, z k tórej w ynika, że istn ieje k o re­
lacja pom iędzy w ilgotnością g leb y na głębokości 0— 5 cm a obrazem
g leb y na zdjęciu, p rzy czym istotnie na tę k orelację w p ły w a gęstość
optyczna i gleba. Z przytoczonej tab licy w yn ik a także, że inne param etry
charakteryzujące glebę, jak barwa i chropowatość nie w p ły w a ją w istotny
sposób na tę korelację.
T ablica 1
W ilgotność (0— 5)
Zakres
spektralny
pasmo
czerwone
pasmo
podczerwone
R
S%
Liczba
punktów
Istotność
0,87
3,1
61
D, G
0,90
2,7
61
D ,G
R — współczynnik korelacji,
S — odchylenie standardowe,
D — gęstość,
G — gleba.
D la w a rstw y g leb y na głębokości 5— 10 cm nie uzyskano n iestety
istotnej zależności pom iędzy je j w ilgotnością a obrazem na zdjęciu fo to ­
graficznym .
A n a lizie statystycznej poddano także w yn ik i otrzym an e z in terp reta cji
lotniczych ob razów term alnych. Jak już zaznaczono, obrazow anie term al­
ne w ykonano w tym sam ym czasie co zdjęcie w ielospektralne, zaistniała
w ięc m ożliw ość porów nania w y n ik ó w otrzym an ych za pomocą obu metod
i stw ierdzenia, która z nich bardziej nadaje się do badania w ilgotności
gleb y.
46
N a podstawie obrazów term alnych obliczono tem peraturę radiacyjną
dla poszczególnych punktów terenow ych. W yk o rzystu ją c obrazy term a l­
ne w ykonane w ciągu różnych pór doby, obliczono różnice pom iędzy
tem peraturą radiacyjną g leb y w południe i w ieczorem oraz pom iędzy
tem peraturą radiacyjną g leb y w południe i rano. Z otrzym an ych danych
w yn ika, że tem peratura radiacyjna g leb y w okresie prow adzenia badań
(m aj 1982) była w yrów n a n a na całym ohszarze, a je j różnice nie p rze­
kraczały 1°C. W ty m sam ym okresie różnica w ilgotn ości g le b y była dość
znaczna i w ynosiła 17%. Z u w agi na zb y t m ałą różnicę tem p era tu ry
rad iacyjn ej g le b y w różnych porach dnia, zaw artą w ła ściw ie w dokład­
ności pom iarów , za pomocą lotniczych obrazów term alnych, nie m ożna
było przedstaw ić w ia rygod n ej ko relacji p om iędzy tem peraturą radiacyjną
a w ilgotnością gleby.
Z przeprow adzonych badań w yn ika, że dla gleb nie p o k rytych ro ślin ­
nością lepsza do określenia w ilgotn ości okazała się m etoda fo to g r a fii l o t ­
niczej w yk orzystu jąca proń iieniow anie elektrom agn etyczn e w paśm ie
czerw on ym i podczerw onym .
Inne zjaw isk a zachodzą, gd y gleba pokryta jest upraw am i. P ro m ie ­
niow anie elektrom agn etyczn e odbijane od gleb y, rejestrow a n e przez
czu jniki na pokładach sam olotów jest tłum ione przez roślinność, a zatem
na zdjęciu lotn iczym n ie w idać bezpośredniego obrazu gleb y, na podsta­
w ie którego m ożna b y ło b y w nioskow ać o je j w ilgotności. Postanow ion o
w ięc zastosować obrazy term alne do pom iaru tem peratu ry rad iacyjn ej
roślin i przez badanie ich transpiracji w nioskow ać o w ilgotn ości gleb.
W w yn ik u transpiracji roślina oddaje w odę pobraną przez korzen ie
z gleb y, obniżając sw oją tem peraturę. W przypadku braku dostatecznej
ilości w o d y dostępnej w glebie, roślina znajduje się w w arunkach stre­
sow ych ob jaw iają cych się podniesieniem je j tem peratu ry w sku tek braku
chłodzenia w yn ik a jącego ze zm niejszonego parow ania. Zatem zróżn ico­
w anie w ilgotności g leb y w p ły w a na tem peraturę roślin odw zorow aną
w postaci zróżnicow anego tonu je j obrazu na zdjęciu term alnym .
W lipcu, podobnie ja k w m aju, w yk on an o trzy k rotn ie w ciągu doby
lotnicze ob razy term alne poligonu Sadłow ice, na k tórego polach w y s tę ­
pow ała w w iększości kukurydza. P o ligo n G ra b ów nie m ógł być w z ię ty
pod uwagę, poniew aż w okresie w yk on y w a n ia zdjęć na jeg o polach p ro­
w adzono ju ż akcję żniwną.
Jednocześnie z w yk on y w a n iem zdjęć term aln ych na p oligon ie Sadło­
w ic e pobrano próbki g leb y w 25 punktach na głębokości 0— 5, 5— 10,
15— 20 cm, a następnie la b ora toryjn ie określono ich w ilgotność. N astęp­
nie przystąpiono do m atem atyczn ej a n alizy danych, która polegała na
obliczaniu w sp ółczyn n ik ów k o rela cji i rów nań reg res ji dla ustalenia za­
leżności p om iędzy w ilgotnością g le b y na głębokości 0— 5, 5— 10, 15— 20
cm p rzy jętą jako zm ienną niezależną Y a gęstością optyczną obrazu w y ­
konanego przed w schodem słońca (Xi), kom pleksem g le b o w y m (x 2), tem ­
47
peraturą radiacyjną odw zorow anych na tym obrazie (x 3), różnicą p om ię­
d zy tem peraturą radiacyjną roślin zarejestrow aną w południe a tem pe­
raturą
radiacyjną
roślin
zarejestrow aną
przed
wschodem
słońca
(x 4),
różnicą pom iędzy tem peraturą radiacyjna roślin odw zorow aną na obrazie
w yk on an ym w południe a tem peraturą radiacyjną roślin określoną z obra­
zu w ykonanego w ieczorem (x 5), gęstością optyczną obrazu za rejestrow a ­
nego w ieczorem ( x 6) a tem peraturą radiacyjną roślin obliczoną na p o d ­
staw ie tego obrazu (x 7), różnicą pom iędzy tem peraturą radiacyjną roślin
zarejestrow aną w ieczorem a tem peraturą radiacyjną roślin zarejestrow a ­
ną przed wschodem słońca (x 8) oraz gęstością optyczną obrazu zarejestro­
w anego w południe (x 9) i w reszcie tem peraturą radiacyjną roślin ok re­
śloną na podstawie tego obrazu ( x 10).
K o re la c je określono w edłu g rów nań
Y
= At + B j + C
i — x 1;3_ 10
j = x5
Podobnie, jak p rzy analizie danych z miesiąca m aja, przeprow adzono
ló w n ie ż obliczenia istotności poszczególnych w spółczynników reg resji
i obliczono odchylenia standardowe zm iennej Y . R ezu ltaty badań ilu stru je
tablica 2, w k tórej przedstaw iono w y n ik i k o relacji pom iędzy w ilgotnością
g leb y na głębokościach 0— 5, 5— 10, 15— 20 cm a różnicą pom iędzy tem ­
peraturą radiacyjną zarejestrow aną na obrazie term aln ym dziennym
a w ieczorow ym . N a tę korelację istotnie w p ły w a jed yn ie różnica tem pe­
ratury.
T a b lic a
Param etry
W ilgotność
W ilgotność
W ilgotność
(0 — 5)
(5 — 10)
(15— 20)
R
S
I
0,80
3,8
Tr
0,70
4,2
Tr
0,82
3,7
Liczba
R
S
I
R
S
1
22
0,76
4,7
Tr
0,76
5,0
Tr
22
0,76
4,7
Tr
0,75
5,8
Tr
22
0,87
3,6
0,81
4,7
punkt.
AT„
(Dzień-W ieczór)
AT
r
(Dzień-R ano)
ATr
W ieczór
G
R —
współczynnik korelacji,
S —
odchylenie standardowe,
I —
Tr —
G —
48
Tr
istotność,
te m p e ra tu ra ra d ia c yjn a ,
gleba.
Tr
G
Tr
G
2
K o rela cja istn ieje rów n ież p om iędzy w ilgotn ością g leb y na w szystk ich
trzech głębokościach i różnicą pom iędzy tem peraturą rad iacyjn ą roślin
zarejestrow aną na obrazie term aln ym w ciągu dnia a tem peraturą roślin
obliczoną na podstawie obrazu rannego, ja k rów n ież p om iędzy w ilg o tn o ­
ścią g le b y a tem peraturą radiacyjną roślin obliczoną na podstaw ie obrazu
w ieczorn ego. N a le ży podkreślić, że przed ział zm ienności tem p era tu ry
ra d ia c y jn ej obliczonej z obrazu w ieczorn ego jest zb y t m ały w porów n a­
niu z przed ziałem zmienności w ilgotn ości gleb y. Istotna w te j k o re la c ji
jest tem peratura radiacyjna i gleba.
D la trzech pu nktów różnica pom iędzy w ilgotn ością g le b y otrzym an ą
na podstaw ie pom iarów labora toryjn ych a w ilgotnością obliczoną prze­
kraczała dw u krotnie w ielkość odchylenia standardow ego. P u n k ty te p rzy
rozw ażaniach zostały pom inięte. Różnica w yn ik ła z błędu lok a liza c ji tych
pu nk tów lub z błędu pom iaru w ilgotności.
N a podstaw ie przeprow adzonych badań można stw ierd zić, że dla gleb
p o k rytych roślinnością n a jlep szym
w skaźnikiem w ilgotn ości g le b y jest
różnica pom iędzy tem peraturą radiacyjną obliczoną na podstaw ie obrazu
dziennego a obliczoną na podstaw ie obrazu w ieczorn ego. Rysunek 1
przedstaw ia tę zależność. Różnica tem peratu ry rad iacyjn ej roślin w zrasta
w ra z ze zm n iejszen iem się w ilgotn ości gleby, c z y li im w iększa w ilgotność
gleb y, tym ochłodzenie się (A T ) p o k ry w y roślinnej m niejsze.
Z przeprow adzonych badań w yn ika, że m etody teled etek cy jn e nie
dostarczają w y n ik ó w dotyczących w ilgotn ości g leb y z dokładnością „w a g o w ą ” . N iem n iej jednak za ich pomocą m ożna w nioskow ać z m niejszą
dokładnością o w ilgotn ości g le b y lecz na stosunkowo du żym obszarze.
P o ró w n u ją c obie zastosowane m etody n a leży zauw ażyć, że lepsze w y n ik i
to znaczy w iększą dokładność oszacowania w ilgotn ości g leb y uzyskano
w yk orzystu jąc dw a w y c ią g i fo to g r a fii w ielosp ek tra ln ej — czerw o n y i pod­
czerw ony. Oszacow anie w ilgotn ości g leb y na podstaw ie tego rodzaju
m ateria łów teled etek cyjn ych można prow adzić z dokładnością około 3%
w ilgotności g leb y w stosunku do m etod laboratoryjn ych . O graniczenia
tej techniki są jednak dość poważne, gdyż m oże być ona w y k o rzy s ty w a n a
w yłączn ie w warunkach, gd y g leb y nie są p o k ryte roślinnością, a zatem
ty lk o w okresie w czesnej w iosn y lub późnej jesieni. M ożna ją w ięc sto­
sować do oceny stanu w ilgotn ości gleb w m om encie rozpoczynania w io ­
sennego sezonu w egetacyjn ego.
W b re w oczekiw aniom słabsze w y n ik i osiągnięto w przypadku w y k o ­
rzystyw an ia obrazów w dalek iej podczerw ien i do ocen y stanu w ilgotn ości
gleb. Ten fa k t można tłum aczyć zb yt n iskim i tem peraturam i pow ietrza
i gruntu w czasie ob serw acji w iosennych co n ajpraw dopodobniej w p ły ­
nęło na w yrów n a n ie kontrastu term icznego m ięd zy obszaram i g leb y o róż­
nym stopniu zaw ilgocenia.
W lecie, gd y w ilgotność gruntu szacowano m etodą pośrednią przez
tem peraturę roślin, uzyskano w y n ik i różne około 5% w stosunku do m e4
P r a c e I G iK z. 1 to m X X X I
49
AT'
Rys. 1
1od laboratoryjnych . Jest to dokładność w ystarczająca do prow adzenia
ob serw acji na dużych obszarach, a m etoda ta m oże być uznana jako uzu­
pełniająca obserw acje agrom eteorologiczne w skali regionu lub całego
kroju. P o z y ty w n e w y n ik i uzyskane tą m etodą pozw alają ż y w ić nadzieję,
że satelitarne zdjęcia term alne w yk on yw an e w ciągu dnia i nocy będą
m o g ły być zastosowane do badań w ilgotności gleb w skali kraju w okre.sie całego okresu w egetacyjnego.
L I T E R A T U R A
Dejace
J., M e g i e r
ra iio n f r o m a irc ra ft day
Sensing, M ichigan 1979.
Eses
J., J e n s e n
J.: M a p p in g th e rm a l in e rtia
and
n ig th
th e rm a l
data.
X III
soil m o is tu re and e v a p o Sym posium
on
Rem ote
J.: R e m o te S en s in g o f a g ric u ltu ra l w a te r d em a n d
In fo r­
m a tio n — W ater Resources Research vol. 14 N o 2, 1978.
M e y l a n P., M u s y A .: E tu d e de l ’h u m id ite du sol et de sa v a ria tio n
te le d e te c tio n . Proceedings — Toulouse 1978.
Recenzował: doc. dr hab. inż. Sta n isła w B ia łou sz
par
P R O C E E D IN G S O F T H E IN S T IT U T E O F G E O D E S Y A N D C A R T O G R A P H Y
V o l. X X X I , N o. 1, 1984
KATARZYNA
D Ą B R O W S K A -Z IE L IŃ S K A
Research on the application of remonte sensing
for soil moisture analysis
Inform ation on soil m oisture is essential fo r m any branches o f econom ic activities. N o precise m ethad fo r the determ ination o f soil m oisture
has as y e t been devised. The com m only applied laboratory tests as w e ll
as electric resistance and neutron sounding g iv e values on ly fo r the
m easured points.
W orks on the evaluation of applicab ility o f therm ovision techniąue
com bined w ith
m ultispectral photography fo r
the
estim ation
o f sub-
surface and root soil horizons m oisture content h ave been undertaken
b y the R em ote Sensing C entre o f the Institute o f G eodesy and C artography in W asaw and the Institute o f S oil Science and P la n t C u ltivation
in Pu ław y.
The experim ents have been carried out on tw o test sites: Sadłowdce
and Grabów .
Assumptions
Interdependence has been assumed betw een soil m oisture and tem perature and the tonal rendition o f soil on the im age. In order to account
fo r the aiurnal tem perature cycle the acąuisition o f therm al im ages has
been planned fo r three term s during a day: before sunrise, at noon and
a fter sunset. This approach should ensure recording o f data on soil
therm al inertia w hich depends on soil moisture.
Experiments
The im a g e ry was acąuired w ith the use o f therm al camera registerin g
electrom agnetic radiation w ith in the rangę 2.0— 5.6 m icrom eters. M u lti­
spectral im age o f the soil surface was acąuired sim ultaneously w ith the
noon therm al m easurem ent. A l i the above m easurem ents w e re perform ed
fo r bare soil. Ground truth on soil moisture, colour and coarseness was
gathered sim ultaneously w ith the acąuisition o f aerial data. Inform ation
concerning the genetic typ e of soil and its capability taxation com ple52
m ented the data set. N u m erical values w ere assigned to all the collected
data. F ie ld w orks and laboratory in terpretation o f aerial m ultispectral
and th erm al im ages w ere fo llo w e d b y m athem atical analysis o f results.
T h e analysis was to revea ł interdependences betw een various param eters
ch aracterizin g soil and its rendition on im ages. C orrelation co efficien ts
and regression eąuations w ere
calculated in order to establish in ter-
dependences betw een soil m oisture (Y ) at tw o levels: (0— 5 cm and 5— 10
cm ) and:
X i — optical density o f soil on im age acąuired in the red part o f the
spectrum,
X 2 — optical density o f soil on im age acąuired in the in fra red part o f
the spectrum,
X 3 — soil type,
X 4 — soil colour,
X 5 — soil coarseness.
S oil m oisture was calculated according to the fo llo w in g form uła:
Y = A t+ B j+ C ^ D .+ E ,
.4, B, C, D, E — coefficien ts o f the regression eąuation,
i = X j _ 2,
j — X a,
Tc — X 4,
I — X5
Th e calculations have confirm ed correlations betw een soil m oisture
in the la y e r 0— 5 cm and the rendition o f soil on the im age. O ptical
density and soil typ e sig n ifica n tly influ ence soil m oisture, w hereas such
param eters as soil colour and coarseness are o f n e g lig ib le im portance.
S tatistical analysis was also p erform ed on the results o f in terpretation
o f therm al aerial im agery. R adiation tem perature was calculated fro m
these im ages fo r in d ividu al terrain points. Th e differen ces in soil ra ­
diation tem peratures betw een noon and even in g and betw een noon and
m orn in g w ere calculated on the basis o f m u ltitem poral th erm al im ages.
T h e soil radiation tem peratures w ere u n iform fo r the en tire test area
during the exp erim en t period (M a y 1982); the d ifferen ces did not exceede
1°C.
L a rg e (Up to 17%) d ifferen ces in soil m oisture w ere recorded in the
area fo r the same period. N o sign ifican t correlation betw een radiation
tem perature and soil m oisture could be docum ented because o f v e r y
sm ali am plitudes o f soil radiation tem perature.
Our experim ents have proven that aerial photograph y taken in the
red and in frared ranges o f the spectrum is su perior to therm al im ages
fo r research on soil m oisture in case o f bare soils.
D u rin g summer, w hen the soil is p a rtia lly covered b y vegetation the
electrom agnetic radiation re fle c te d b y the soil is in part absorbed b y
vegetation . Th e sensors installed on the fly in g p la tfo rm reg ister the
im age w hich carries inform ation on both soil and vegetation.
53
Radiation tem perature o f plants has been calculated fro m therm al
images; transpiration data served fo r the assessment o f soil moisture.
A e r ia l therm al im ages have been acąuired during the m onth o f July,
three tim es a day. Corn was then grow in g on the m a jo rity o f su rveyed
plots. S oil m oisture has been measured at three levels: 0— 5 cm, 5— 10
cm, and 15— 20 cm, in 25 locations. C orrelation coefficien ts and regression
eąuations have been calculated to assess interdependences betw een soil
m oisture at the depths: 0— 5 cm, 5— -10 cm and 15— 20 cm ( Y ) and:
X x — optical density o f the im age acąuired before sunrise,
X 2 — soil type,
X 3 — radiation tem perature o f
plants
calculated
fro m
the
m orn in g
im age,
X 4 — differen ce betw een radiation tem peratures o f plants registered at
noon and before sunrise,
X 5 — differen ce betw een radiation tem peratures o f plants registered at
noon and a fter sunset,
X B — optical density of the im age acąuired in the evening,
X 7 — radiation tem perature o f plants calculated from the
even in g
image,
X 8 — differen ce betw een radiation tem peratures o f plants registered
in the even in g and before sunrise,
X g — optical density o f the im age acąuired at noon,
X 10 — radiation tem perature o f plants calculated fro m the noon im age.
Soil m oisture has been calculated according to the fo llo w in g form u ła:
Y = A i+B j+C ,
A, B, C — coefficients o f the regression eąuation,
j = X i i3_ 10;
j = Xs
Y = A i + B 5.+ C fc+ D t+ £ ,
The analysis o f im portance of individu al regression coefficien ts has
been carried out and standard deviations o f the variab le Y have been
calculated. H igh degree o f correlation has been established betw een soil
m oisture at all three levels and the differences o f radiation tem peratures
betw een noon and evening; the correlation w ith the differen ce of tem ­
peratures betw een noon and m orning was much less significant. H igh
prop ortion ality has also been established betw een soil m oisture and th e
even in g radiation tem perature o f soil. The registered am plitudes o f ra­
diation tem peratures w ere, how ever, to sm ali in comparison w ith th e
spread o f soil m oisture to ju s tify positive conclusions. This research has
proven that the d ifferen ce betw een radiation tem peratures of plants
calculated fr o m the noon im age and that calculated fro m the even in g
im age is the best indicator o f soil moisture. The am plitudes o f the ra­
diation tem perature o f plants inerease w ith the decreasing soil m oistu re
54
content
w hich means that high er soil m oisture results in lo w e r heat
emission b y plants.
Rem ote sensing methods fa cilita te conclusions concerning soil m oisture
content. F o r bare soils, the best results in the assessment o f soil m oisture
have been achieved on the basis o f dnterpretation o f m ultispectral im ages
taken in the red and in fra red ranges o f the spectrum . S oil m oisture
content calculated b y this m ethod d iffe rs b y 3% fro m that calculated
on the basis o f lab ora tory tests. Th e calculation o f soil m oisture in
sum m er months has been based on the radiation tem perature o f plants
and the results d iffe r fro m these o f lab ora tory tests b y 5%. T h e accuracy
of
the described m ethod is su fficien t fo r la rge area su rveys and can be
used to supplem ent
country scalę.
agrom eteorological
observations
on
region a l
and
Translation: W iesła w a S u jk ow s k a
K A T A J K M H A flO M B P O B C K A -3 E J IH H B C K A
MCII0JIB30BAHME METO/JOB .ĄMCTAHIJMOHHOrO
30HAMP0BAHMH flJIH MCCJIE^OBAHMH BJIA5KHOCTM IIOHB
HA TECTOBOM ITOJIMrOHE CAflJIOBMIJE M TPAByB
P e 310 m e
B IJeHTpe o6pa6oTKn a3p0K0CMMHecKMx MaTepnaJiOB HanaTa pa6oTa no on p efle-leH H IO npKrO flH O C TM T e X H H K flHCTaHIJMOHHOrO 3 0 H flM p0 BaHMH «J IH O n p efleJ ieH M H BJjaJK-
h o c th noHB. R n a n oTiB He noKpbiTbix pacTMTenbHOCTbio 6bijin BbinojiHeubi mhoi-ocneKTpajibiibie chmmkm m TenjiOBbie ciihm kh TpexK paTno b Te>ienne cyTOK.. P e 3 y jib TaTbi BbijiK o6pa6oTaiibi CTaTMCTWHecKH. BbijiM nojiyneH bi KoppejiHU,MM M ejKfly BJiaJKHOCTbw noHBbi m onTKHecKOfł njlOTHOCTbH) b flwana30He K p acnoro n MHcfjpaKpacHoro
H3jiyHeHMH. Jlynrne pe3yjibTaTbi 6 łijih n o jiy^ eu b i npw npiiMeiieHMH M HorocneKTpanbHOii TexnHKM, neM TenjiOBOfł. 3aT0 fljiH nono nOKpbiTbix pacraTeJibnocTbio n ojiyn en a
BbicoKan KoppeJiHi^MH MejKfly BJiajKHOCTbK) no'iB h pa3Hmneii paflnai;MOHHOM TeMnep a T yp w M e x p y 3aperKCTpiip0BaHH0ii Ha a m b ro m n3o6pajKeHMM w 3aperncTpjipoB anHOfł Ha BenepneM M3o6pa>KeHMM. Heivi 6bicTpee oxjia5KfleHKe pacTMTejibnoro noKpoBa,
TeM BjiajKHOCTb nOHBbi MeHbrne.
IlepeBOfl: R ó ża T o ls tik o w a