1. Основні положення.

Для вирішення багатьох наукових і практичних задач великий інтерес представляють дані про спектральну відбивну здатність ґрунтів, що знаходяться в природному стані, отримані в польових і лабораторних умовах.

Спектрометрична зйомка земної поверхні не дає зображень у вигляді знімків. Вона служить для отримання спектральних характеристик ґрунтів. У діапазоні від 400 до 700 нм. при спектральній роздільній здатності 50 нм. на одному спектрі може бути отримано до 60 характеристик одного зразку ґрунту.

Останнім часом найбільше розповсюдження отримав фотоелектричний метод, заснований на тому, що світловий потік, відображений від досліджуваного об'єкту, потрапляє на фотоелемент, що перетворює світлову енергію в електричну, а остання реєструється спеціальним приладом.

Спектрофотометричний метод є найбільш інформативним серед кількісних методів дистанційного зондування.

Спектральні відбивні властивості різних природних об'єктів можна достатньо повно виразити через спектральний коефіцієнт яскравості (СКЯ) і спектральний коефіцієнт віддзеркалення (СКВ).

В даний час спектральна відбивна здатність різних типів ґрунтів вивчена достатньо добре, хоча отримані різними дослідниками значення СКЯ ґрунтів коливаються в широких межах. Причин розбіжності багато, але головні з них пов'язані із застосуванням різної апаратури і різних (неуніфікованих) методик вимірювання, проте у всіх випадках підтверджується монотонне збільшення СКЯ зі зростанням довжини хвилі у видимій і ближній інфрачервоній областях спектру, а для кривих спектрального віддзеркалення ґрунтів спостерігається їх мінливість по спектру.

Так СКЯ темних ґрунтів (чорноземів, каштанових, темно-сірих лісових і ін.) мають лінійну залежність від довжини хвилі, тоді як у світлих ґрунтів ця залежність близька до параболічної.

Складність практичного використання і інтерпретації результатів вимірювань спектральних показників пов'язана з наявністю великого числа причин, одночасно впливаючих на інтенсивність і спектральний склад відображеного ґрунтом випромінювання. Визначальне значення для дистанційного зондування ґрунтового покриву мають властивості самого ґрунту:

• хімічний склад (вміст гумусу, оксидів заліза, карбонатів, легкорозчинних солей),

• вогкість,

• гранулометричний склад,

• структура,

• текстура.

Як мовилося вище, вважається, що спектральна відбивна здатність ґрунтів вивчена достатньо повно. При цьому посилаються на фундаментальні дослідження Карманова И.И. (1974), який зміряв СКВ чотирьох тисяч ґрунтових зразків в діапазоні 400-700 нм. Вимірювання проводилися в лабораторних умовах при освітленні розсіяним світлом, спектральний склад якого істотно відрізнявся від сонячного. В даний час натурні дослідження спектрів віддзеркалення ґрунтів із землі і літальних апаратів не охоплюють всі ґрунтові провінції країни. Крім того бажано отримати спектральні характеристики ґрунтів при освітленні спектральний склад якого відповідає сонячному.

Як мовилося вище за СКЯ ґрунти визначають шляхом лабораторних або натурних вимірювань. Точність лабораторних вимірювань залежить в основному від точності вимірювального приладу, а в природних умовах на точність визначення СКЯ ґрунтів сильний вплив надають природні чинники, основні з яких - умови освітлення, ступінь обробки і вогкості. Тому висновки отримані на підставі лабораторних вимірювань штучно подрібнених агрегатів, а також досліди проведені з моделями ґрунтів, механічно поширювати на ґрунти в природному стані не можна. Вирішити яку або практичну задачу з використанням значень СКЯ, отриманих без урахування умов освітленості, ступеня обробки і вогкості, у ряді випадків стає неможливим, оскільки загальна погрішність вимірювання СКЯ при цьому може перевищувати їх значення у декілька разів. Вплив вогкості на колір ґрунту наголошувався ще Докучаєвим.

Вологі поверхні в більшості випадків володіють меншою яскравістю в порівнянні з сухими. Дослідження показали особливо помітне падіння коефіцієнта яскравості при зволоженні лісових ґрунтів з малим змістом органічної речовини, тоді як для чорноземів вплив вогкості виявлявся менш помітно.

Зволоження ґрунтів до повної капілярної вологоємності знижувало спектральну відбивну здатність в 2-3 рази, але вигляд і форма спектральних кривих при цьому, як правило залишалися незмінними.

Знайдений, також, що зменшення яскравості вологого ґрунту залежить не тільки від ступеня її зволоження, але і від структурного стану поверхні ґрунту. СКВ ґрунти з непорушеною структурою зменшується більш значно ніж СКВ ґрунти з порушеною структурою, при однаковому зволоженні. До аналогічних висновків прийшли і інші автори. Дослідження ґрунтових агрегатів, узятих з верхнього горизонту різних типів ґрунтів, показали різкий перепад яскравостей при зміні розмірів частинок від 0,25 до 0,5-1,0 мм, тоді як віддзеркалення від крупних частинок при розмірі 1-2 мм і більш змінюється мало. Порівнюючи результати лабораторних і натурних вимірювань відзначили, що дані отримані в лабораторних умовах указують на чітку залежність між СКЯ моделей і розмірами грудок, тоді як дані натурних вимірювань показують, що зміна спектральних відбивних властивостей ґрунту за рахунок різного ступеня обробки і розміру грудок невелика (виняток становить щільний необроблений ґрунт). Це походить від того, що ґрунт, що знаходиться в природному стані, має складну структуру і складається з безлічі агрегатів самих різних розмірів.

В цій же роботі указується, що СКЯ рілля з борознами, направленими уздовж напряму падіння сонячного проміння, завжди вище, ніж СКЯ рілля з борознами, розташованими перпендикулярно сонячному промінню. Ця закономірність більшою мірою виявляється для крупних моделей. Крім того досвідченим шляхом доведено, що СКЯ свіжозораного ґрунту на 10-15% менше СКЯ ґрунту на грудках якої дощем відмито мулисті, збагатили гумусом частинки.

Проведення земельної реформи, деструктуризація крупних сільськогосподарських підприємств, виникнення фермерських господарств вимагає проведення оперативної якісної оцінки сільськогосподарських угідь, в якій необхідно враховувати не тільки тип ґрунту (сірі лісові, чорноземи типові, чорноземи звичайні і т.д.), але і кількісні показники, що впливають на вартість землі (наприклад зміст гумусу), а так само ступінь зараженості ґрунту під впливом різних антропогенних джерел і схильність ерозії.

В даний час є цілий ряд достатньо надійних методів, що дозволяють визначати не тільки найважливіші характеристики гумусу, але і пізнати основні механізми гуміфікації і принципи будови гумусних речовин, але не дивлячись на високу надійність цих методів, їх застосування обмежено великою трудомісткістю.

Тому велику увагу в даний час надається пошуку і розробці більш простих методів визначення гумусу в ґрунті.

Однією з основних ознак, по яких ґрунти можна вивчати дистанційно, є їх спектральна відбивна здатність.

Багато дослідників вивчали залежність між змістом органічної речовини і спектральною відбивною здатністю ґрунтів. Дослідження вказують на те, що коефіцієнт віддзеркалення є однією з найстабільніших ознак ґрунтів. Початком досліджень по встановленню зв'язків між змістом гумусу в ґрунтах і їх спектральною відбивною здатністю можна вважати роботу Покровського Г.І. "Про дослідження гумусу в ґрунтах оптичним шляхом" (1929).

Дослідження взаємозв'язку між спектральною відбивною здатністю ґрунтів і вмістом в них гумусу виконані Зиріним і Кулієвим (1967) для ґрунтів Ленкоранськой низовини показали, що коефіцієнт віддзеркалення зміряний на довжині хвилі 720 нм, найбільш тісно корелює з вмістом гумусу в ґрунтах. Подібні досліди були виконані Михайловою Н.А. (1970) на прикладі ґрунтів Суйфуно-Ханкайськой рівнини. Показано, що самим інформативним параметром, по якому можна судити про кількість гумусу в ґрунті, є коефіцієнт віддзеркалення, зміряний на довжині хвилі 730 нм. Проте в роботі До. Латца, Р.Вайсміллера і Дж.Скойока (1981) указується, що самим інформативним з погляду розпізнавання гумусу є спектральний інтервал 520-620 нм.

При змісті гумусу менше 5% між змістом гумусу і інтегральним віддзеркаленням світла існує досить тісний кореляційний зв'язок. Близький до прямолінійного зворотний кореляційний зв'язок між змістом гумусу у верхніх горизонтах і віддзеркаленням світла був знайдений для ґрунтів Казахстану, для дерново-підзолистих ґрунтів, для ґрунтів Примор'я і ґрунтів степової і сухостепової зони.

Лабораторне моделювання гумусного стану ґрунтів шляхом штучного варіювання змісту гумусу в ґрунтових зразках, де для дослідів узяті чорнозем і темно-сіра лісова ґрунти, а іншими компонентами для складання сумішей був вибраний лес і кварцовий пісок, показує, що залежність значень спектрального віддзеркалення від вмісту гумусу в зразках сумішей темно-сіра лісова - лес і чорнозем - лес лінійна. А для зразків сумішей чорнозем - кварцовий пісок – не лінійна. Причому нелінійність спостерігається при низькому змісті гумусу - до 1%, при більш високому змісті гумусу залежність близька до лінійної (чим вище зміст гумусу, тим менше значення спектрального віддзеркалення).

Паралельно були проведені зйомки незмитих і сильно змитих темно-сірих ґрунтів на лісовидному суглинку. Вимірювання проводилися в лабораторних, наземних польових умовах і з борту літака.

Отримані дані показують, що спектральні криві віддзеркалення лабораторних, наземних і літакових вимірювань мають ідентичну форму. Це дає підставу вважати, що форма спектральної кривої віддзеркалення ґрунтів може служити діагностичною ознакою гумусного стану ґрунтів і бути використана при стеженні і контролі за станом ґрунтів.

У свою чергу дослідження питання вимірювання кількості гумусу в ґрунтах методом літакового спектрофотометрування, що дозволяє дистанційно кількісно оцінювати вміст гумусу в ґрунтах, застосоване для трьох типів ґрунтів: дерново-підзолистих, сірих-лісових і чорноземів, показало, що можна вивчати динаміку змісту гумусу за даними отриманим цим методом.

Разом з тим можна упевнено стверджувати, що вживана методика придатна лише для вивчення мінливості змісту гумусу в чорноземах і сірих лісових ґрунтах. Для дерново-підзолистих ґрунтів тенденція зменшення (збільшення) змісту гумусу менш помітна.

Дані отримані при вивченні ґрунтів Білорусі показують, що розбіжність між розрахунковим (по формулі) і фактичним (по методу Тюріна) змістом гумусу складає 0,3-0,5%, а при значному змісті 0,7-1,7%. Ці величини трохи перевищують розбіжність між паралельними визначеннями змісту гумусу по методу Тюріна. Найбільша розбіжність розрахункових величин в порівнянні з допустимими свідчить про високу точність визначення гумусу по спектрофотометричних коефіцієнтах в дерново-підзолистих і легкосуглинистих ґрунтах.

На підставі отриманих даних автори роблять висновок про те, що використовуючи математико-статистичну модель і спектрофотометричні характеристики видимої області спектру, представляється можливим розробити експрес-метод визначення гумусу в дерново-підзолистих ґрунтах.

Складніше за допомогою спектрофотометрування визначити тип ґрунтів, оскільки напрацьовані методичні підходи в дистанційному зондуванні ґрунтів вимагають уточнення можливості використання різних діапазонів спектру для вивчення тих або інших показників. Були проведені дослідження спектральних характеристик ґрунтів Лісостепу і Степу України. Було виділено 5 самостійних класів ґрунтів. Дослідження показали, що надійно розділяються тільки два різко контрастних по СКЯ типа ґрунтів - дернові і чорноземи. На підставі цього зроблений висновок, що заяви про точну індикацію типу ґрунтів, зміст гумусу, гранулометричного складу в оптичному діапазоні не мають під собою серйозних підстав. А спроби індикації гумусу по спектральних характеристиках поверхні ґрунтів, як правило, мало ефективні. Проте висновки зроблені іншими авторами хоча і підтверджують складність визначення різних типів ґрунтів, в цілому протилежні.

Так, проаналізувавши ґрунтові зразки степової і сухостепової зони відзначив, що в степовій зоні відбивна здатність чорноземів і лугово-чорноземних ґрунтів близька і в сухому стані вони практично не розрізняються, але їх упевнено можна дешифрувати через неоднаковий розвиток рослинності на цих ґрунтах. Відбивна здатність у слабо- і особливо середньоеродованих чорноземів різко відмінна від чорноземів типових і лугово-чорноземних ґрунтів. В сухостеповій зоні були вивчені червоно-коричневі ґрунти і солончаки. По середньому СЬКО у видимій зоні всі ці ґрунти добре розрізняються між собою. На території плато з червоно-коричневими карбонатними, червоно-коричневими карбонатними переритими ґрунтами сурчин і лугово-каштановими ґрунтами вивчення СЬКО показало, що червоно-коричневі карбонатні і лугово-каштанові карбонатні ґрунти мають близький СЬКО і найбільш упевнено вони розрізняються в червоній зоні спектру. Дешифрування червоно-коричневих переритих ґрунтів сурчин утруднень не викликало.

Складність визначення типу ґрунтів пов'язана з відмінностями фізичного стану ґрунтів і умовами їх освітленості у момент вимірювання. Виходячи з цього Кондратьев із співавторами рекомендує застосування перевідних коефіцієнтів для приведення СКЯ ґрунту, зміряних при різних її станах, до СКЯ ґрунти, зміряному при певному стані ґрунту і освітлення.

Вимірювання СКЯ дає можливість визначати таку важливу морфологічну і діагностичну ознаку ґрунту як її забарвлення, має не тільки самостійне значення, але і що свідчить про характер ґрунтоутворення і розподіл речовин в ґрунтовому профілі.

Будь-який колір можна виразити через координати кольору і (або) їх суму. Для знаходження координат кольору будь-якого об'єкту необхідно знати його спектральну відбивну здатність, зміряну у вигляді СКЯ.

При кількісному визначенні кольору різних типів ґрунтів було встановлено, що максимальні координати кольору мають дерново-підзолисті ґрунти. Значення координат кольору більш гумусованих світло- і темно-сірих лісових ґрунтів на 10-15% нижче за ці значення у дерново-підзолистих ґрунтів. Найнижчі значення колірних координат мають чорноземи, найбагатші гумусом.

З вищесказаного видно, що автори розглядали спектрофотометричні показники ґрунтів тільки залежно від кількості гумусу, а також впливи на СКЯ вогкості, структурного складу і умов освітленості поверхні ґрунту. Проте ще одним важливим показником оцінки землі є характер використовування земельних ресурсів, тобто інтенсивність антропогенного впливу, яка в першу чергу впливає на родючість і визначає інтенсивний або екстенсивний шлях розвитку культурного ґрунтоутворюючого процесу.