UNIVERZITA JANA EVANGELISTY PURKYNĚ
FAKULTA ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ Katedra informatiky a geoinformatiky ___________________________________________________________________________
PŘEKLAD KAPITOLY Z NĚMECKÉ PUBLIKACE Seminární práce z předmětu DPZ
Jméno: JANA KUBÍKOVÁ Studijní obor: Ekologie a ochrana životního prostředí (3. ročník) Datum: 1. 3. 2007
TÁBOR 2007 1
OBSAH
1 ANOTACE ............................................................................................................................. 3 1.1
KLÍČOVÁ SLOVA.................................................................................................... 3
2 VLASTNÍ PŘEKLAD........................................................................................................... 4 2.1 REFLEXNÍ VLASTNOSTI PŮDY A HORNIN............................................................. 4 2.2 REFLEXNÍ VLASTNOSTI VODY, SNĚHU A LEDU ................................................. 8 3
ZÁVĚR ............................................................................................................................ 11
4 POUŽITÁ LITERATURA ................................................................................................. 12
2
1 ANOTACE 1.1 KLÍČOVÁ SLOVA Absorpce záření, globální záření, křivka odrazu, reflexní vlastnosti, rozptyl záření, spektrální oblasti, spektrální odraz světla
3
2 VLASTNÍ PŘEKLAD NĚMECKÉHO TEXTU 2.1 REFLEXNÍ VLASTNOSTI PŮDY A HORNIN Odraz globálního záření od hornin je určen povahou jejich povrchu, jejich minerálním složením, velikostí jednotlivých částic minerálů a dalších součástí, drsností a momentálním stupněm vlhkosti horniny. Pro vlastnosti odrazu narostlé zeminy je rozhodující charakter nejsvrchnější vrstvy půdy. Přitom zásadní vliv mají: • vlhkost zeminy, • druh a velikost nerostů tvořících půdu, • druh a podíl humózních látek, • složení povrchových hornin, • velikost zrn půdních částic a jejich drobtovitost, • makrostruktura – zvláště v souvislosti s obděláváním půdy (orání, kultivace atd.). Křivky odrazu světla od půd, hornin nebo samotných minerálů se očividně odlišují podle přítomnosti vegetace, apod. Podobně typická křivka jako pro odraz světla od listů rostlin (obr. 22) se nechá definovat jen pro v laboratoři vyšetřované vzorky půdy základního typu spektrálního odrazu světla:
Obr. 50: Spektrální odrazová křivky písčité půdy s rozdílným obsahem vlhkosti • • •
Ve spektrální oblasti viditelného světla (0,4 – 0,7 µm) je odraz charakterizován spojitým stoupáním křivky směrem k vlnově delšímu záření. Ve spektrální oblasti blízkého IR záření (0,7 – 1,3 µm) odrazová křivka stoupá, u mnoha zemin dosáhne asi při 0,8 µm prvního, slabě vyhraněného maxima a znovu stoupá v daném případě po lehkém poklesu u 0,9 µm. Ve spektrální oblasti mezi 1,3 a 2,5 µm křivka odrazu klesá a ukazuje tak, jak to bylo patrné již u odrazu světla od listu rostliny, zřetelná minima v oblastech nasycení vodou u 1,4, 1,9 a 2,2 µm.
U čistého nebo téměř čistého minerálního, suchého substrátu, např. u křemenného písku, křídové skály, substrátu prokvétajícího solí, je spektrální odraz kvalitativně závislý na reflexních vlastnostech obsažených minerálů. Minerály přitom ukazují druhově specifické spektrální chování odrazu světla, které je přiváděno zpět na jejich příslušné absorpční pole. Pro viditelnou oblast záření je např. vliv železa na (červené)
4
barvy půdy všeobecně znám. Obr. 51 ukazuje závislost odrazu světla od půdy, při λ 0,5 – 0,64, na obsahu oxidů železa v substrátu. Velký počet vyskytujících se minerálů a nerostných směsí, jakož i dodatečná komplikovaná skutečnost, že toto dohromady spolu se stopovými prvky vázanými v krystalové mřížce, molekulárně vázanou vodou nebo jinými se vyskytujícími látkami, jakožto i variační rozptyl a možnosti kombinace velikostí částic upozorňují na mnohotvárnost spektrálních křivek odrazu světla. Odraz od hornin a vliv odrazu od nerostů mají podle výše řečeného rozmanitý vliv na odraz světla od půdy. Odlišné znalosti spektrálního odrazu od silikátů a karbonátů jsou uvedeny v prácích Hunta a Salisburiho (1970, 1971), odraz od nitrátů a sulfátů v průzkumech aj. pracích od Joviše (1965).
Obr. 51: Závislost odrazu světla od půdy na obsahu oxidů železa ve spektrální oblasti λ = 0,5 – 0,64 µm (Hoffer 1978)
Obr. 52: Závislost odrazu světla od půdy na obsahu organických látek (podle Page 1974)
5
U každé zeminy ubývá odraženého záření s přibývající vlhkostí svrchní vrstvy půdy až k dosažení bodu nasycení. Vychází se z téměř suchých půd s obsahem vody pod 1 % suché vláhy, obdobně klesají v laboratoři měřené spektrální hodnoty odrazu půd se zvýšeným obsahem vody, a to u půdy každého druhu zpočátku velmi silně a potom přibližně od 10 – 12 % obsahu vody méně prudce. Minima odrazu v oblasti zóny nasycení vodou se projevují stále více a více (obr. 50). Velikost změny odrazu v závislosti na vlhkosti svrchní vrstvy půdy je určena vedle druhu zeminy také obsahem humusu, strukturou velikostí zrn a objemem minerálních elementů. Pro interpretaci leteckých snímků a vyhodnocení ostatních podkladů DPZ vyplývají ze vztahů mezi vlhkostí půdy a odrazem světla zajímavé možnosti diferencovaného proslovu o schopnosti svrchní vrstvy půdy zadržovat a vést vodu. Přitom je důležité si povšimnout, že již vysychání relativně tenké svrchní vrstvy, i potom, co je půda o málo centimetrů hlouběji ještě svěží, způsobuje zvýšený odraz. Soudy o půdní vlhkosti využitelné rostlinami musíme ze zobrazení leteckých snímků, kde jsou patrné vlhkostní odlišnosti, činit s obezřetností a pedagogicky věcným porozuměním. V této souvislosti musíme poukázat na to, že také dlouhovlnné záření výrazné zvláště u svrchní vrstvy zeminy je ovlivňováno - a sice té nejvýše položené vrstvy půdy. Proto mohou multispektrální záznamy o odrazu světla a o schopnosti vyzařování půdy vést k dalším informacím o této významné vlastnosti půdy. Na druhé straně však právě vysušení svrchní vrstvy při stanovené povětrnostní situaci vede v závislosti na specifických vlastnostech půdy, např. obsahu humusu, velikosti zrn, drobtovité struktuře atd., k možným logickým konsekventům. Právě tak se v celé solární spektrální oblasti i přes tendenční stejný účinek na absorpci a odraz záření skrz půdy uplatňuje vliv druhu, množství a směšovací formy humusových látek přimíšených nebo uložených do svrchní vrstvy půdy. Již při podílu humusu od 1 % tlačí tento podíl na snížení spektrální odrazivosti. (obr. 52). Tak při vzestupu půdní vlhkosti uvidíme ve viditelném světle půdu přibývající na tmavosti. Rozsah snížení odrazivosti se vzrůstajícím podílem humusu působí u půd rozdílného minerálního složení odlišně. Toto může ilustrovat příklad z vyšetřovací řady od Minuse (1967): slatinný hlinitý písek (slatinná pseudoglej), jehož podíl písku byl od světle šedé ke žlutavé barvě a jehož podíl humusu činil 9,91 %, odrážel světlo při stejném obsahu vody jako hrubozrnná tmavě šedá až hnědá hlína (parahnědá půda) s jen 1,22 % organických složek. Vedle půdní vlhkosti a podílu humusu je třetím tendenčně se na odrazu a absorpci půdy podílející faktor – velikost půdních zrn. U jinak srovnatelného poměru půd klesá spektrální odraz s přírůstkem jeho střední velikosti zrn. Bowder a Hanks (1965) nalezli, že např. zvětšení částic půdy z 0,022mm na 2,65 mm způsobuje přinejmenším 14 %-ní zvětšení odrazu záření. Pro minerály v půdě a v horninách logicky platí, že nezávisle na druhu minerálu je odraz tím menší, čím větší jsou částice. Analogicky se nechá k věcem řečeným o odrazu od orgánů listu a rostlinného porostu, z laboratorního měření odrazu od půdy nebo vzorků kamení, odvodit jen část reflexních vlastností půdy a polí v přírodě a můžeme posuzovat zkreslení snímků z DPZ jen na základě poskytnutých označení a rozdílů v označení. Přirozené povrchové struktury jsou při odebírání půdních vzorků a přípravě k spektroradiometrickému nebo photometrickému měření více či méně zničeny. Přímo ale vlastnosti odrazu světla od porostlých půd spolurozhodují ve velkém množství. Menší agregáty půdy tvoří vždy rovinné a uzavřené hrubší povrchy a způsobují tím zdokonalení odrazu. Zničení přirozené drobtovitosti půdy při odběru vzorků a tím
6
umělé drcení půdních částic působí na rostoucí odrazivost. Rozdíly mezi laboratorním vyzařováním a půdním odrazem v přírodě jsou relativně nepatrné u půd bez struktury, např. u čistého písku, a zřetelné u půd se silně strukturovaným povrchem. Tímto způsobem se vysvětlují rozpory mezi laboratorními nálezy a zobrazením některých půd např. v leteckých snímcích. Zatímco písčité půdy ukazují při laboratorním měření obecně nepatrnější odraz světla než např. hlinité půdy s jejich ušlechtilou velikostní strukturou zrn, může se odraz kvůli hrubší drobtovitosti posledního obrátit. Účinek zpracovávání půdy u ploch zemědělsky využívaných s podporou drobtovité struktury, zkypřením vrstev, působí v daném případě na vznik půdních hrud a obdělávané půdní pruhy rovněž na reflexní snížení. K tomu přitom přispívá jak silnější působení na nezávislost směru odrazu tak i v daném případě zvýrazněná modulace jasu díky rozdílně osvětleným stranám v brázdách, přehrazených lánů nebo pruzích honů. Jako u ploch krytých vegetací platí také pro nezarostlé zeminy: čím drsnější povrch, tím výraznější je zpětný chod odrazu. Přitom je však přihlídnut též mikroreliéf a v daném případě existující přizpůsobení zpracovávaných vzorků jako nedefinovatelných faktorů. Zpětný rozptyl radarového záření následuje stejné zákony pro zemský povrch obecně popsané již dříve v kapitole 2.3.2.6. Určující vliv na množství zpětného odrazu mají půdní vlhkost, drsnost povrchu a v daném případě existující zpracování půdního vzorku. Hloubka proniknutí radarových paprsků do půdy je závislá na vlnové délce, vlhkosti a substrátové dostupnosti zeminy. Čím jsou vlny delší, půda sušší a čím je substrát ušlechtilejší, tím větší je hloubka proniknutí paprsku. U suchých písčitých půd se mohou např. radarové vlny L – pásma s λ = 23 cm infiltrovat až do hloubky 2 m. Podle teoretických úvah může být s infiltrací počítáno, pokud je velikost půdních částic < 0,1 λ a obsah vlhkosti povrchové vrstvy < 1 %. Spodní objekty mohou být v radarových snímcích viděny, když mají pro příslušné vlny jiné vlastnosti zpětného rozptylu než okolní půda, tzn. když se touto „dielektrickou hranicí“ prokazují a mají odpovídající zaměření.
7
2.2 REFLEXNÍ VLASTNOSTI VODY, SNĚHU A LEDU Vlastnosti odrazu od vodních částic se odlišují v několika hlavních bodech od těch, které platí pro vegetaci a pevné součásti zemského povrchu. Jen malý díl dopadajícího záření bude povrchem vody odražen, podstatná větší část proniká do vodních částic. Naopak místo rozptýlenému odrazu na nerovném povrchu doposud popisovaného druhu nastane na hladkém vodním povrchu obdobný odraz avšak zrcadlený resp. vyrazí ve směru proudu. Odraz se proto zrcadlí naproti směru zenitu v odlišných úhlech a způsobí tím pro pozorovatele nebo přijímací přístroj na místo „bodového“ slunečního odražení více nebo méně velký plošný odraz. Když je zenitový úhel přímého slunečního záření stejný nebo menší než polovina otevřeného úhlu objektu kamery, tak bude tento lesknoucí se odraz na protisvětelné straně leteckého snímku brán tak, že se tam plochy vody zobrazí světle „třpytivě“. Pro hodnocení leteckých snímků z toho plynou nevýhody. Označení, která charakterizují vlastnosti vody (znečištění, výskyt rostlin), budou v této oblasti překryty leskem. V oblasti světla nebo pokud bude výše uvedený úhlový vztah splněn, se stane popsaný odraz záření obrazně působivý. Efektní příklad k tomu ukazuje obr. 53.
Obr. 53: Vyobrazení vodní plochy ve dvou leteckých zachyceních za sebou přijatého leteckého snímku 1:10 000 Největší podíl záření proniká však do vodních částic. Záření se stává na cestě do hloubky skrze organické a anorganické vznášející se částečky ve vodě, skrze submerzní vodní flóru, větší anorganické znečištění a skrz molekuly vody částečně absorbováné a nebo částečně roztroušené. U čistých a relativně mělkých vod (v nejlepším případě až do hloubky 100 m) dosáhne část záření dna vodního tělesa a bude tam absorbována nebo difusně odražena. Ve vodě rozptylované nebo v daném případě ode dna difusně odražené světlo dosáhne opět k části vodní hladiny. Zde na hraniční ploše opticky slabého média je vzduch podle úhlu dopadu záření buď totálně odražen nebo nastane difusní odraz z hlubiny vodního tělesa opět do atmosféry.
8
Na absorpci a rozptýlení v hloubce je pohlcení záření čistou vodu celkově velmi velké. Zvyšuje se (jak ve vodě čisté tak zakalené) s hloubkou exponenciálně (Rao a kol. 1978). Odraz z hloubky je potom nepatrný. Struktury a objekty vodního dna (útesy, vraky, ruiny), které jsou snímány specifickým spektrálním odrazem od jejich okolí, mohou být poukázány u čisté vody za příhodných podmínek až z 15 m hloubky díky senzorům DPZ (k tomu Poidebard, Bradford, Bass a jiní citovaní dle Deuel 1981). Odraz a extinkce jsou závislé na vlnové délce. Relativní nejmenší extinkce a v důsledku toho maximum odrazu z hlubiny vykazuje záření s vlnovými délkami kolem 0,47 λm. Čistá voda je proto za jasných dní vnímána jako „modrá“. Extinkce roste s vlnovou délkou optické spektrální oblasti poměrně rychle. Odraz z hlubiny podle toho klesá, a sice tak, že od vlnových délek > 0,8 λm leží R %-ní hodnota pro čistou vodu, pro odraz ze svrchní vrstvy a z hloubky dohromady pod 1 %. Voda v řekách, jezerech nebo v blízkosti pobřeží je zřídka úplně „čistá“. Při zakalení spolurozhodují při odrazu solárního záření skrze vodní těleso množství a spektrální složení cizích látek. Podle dříve řečeného toto platí především pro odraz v oblasti viditelného světla. Absorpční a odrazové vlastnosti ve vodě a na její hladině se nacházejících látek a živých tvorů získávají, dle jejich množství a látkových vlastností, větší nebo menší vliv na odraz od vodního tělesa. Odraz je proto také zde nositelem informací, které mohou poskytnout do určité míry vysvětlení kvalitativních vlastností vodního tělesa. Odraz formuluje barvu vody a určuje ji v leteckém snímku vystupujícími šedými tóny a barvami resp. označením vody v multispektrálních záznamech. Existence fytoplanktonu nebo submerzních vodních rostlin snižuje, pokud obsahují chlorofyl, jejich absorpci (porovnání v kapitole 2.3.1.2) odrazu mezi 0,4 a 0,5 λm tak jako mezi 0,6 a 0,7 λm. Výzkumy ukazují, že již přídavek od 2 – 3 mg fytoplanktonu bohatého na chlorofyl v jednom kubickém metru čisté vody z jezera vede k typické změně spektrálního odrazu od modré na zelenou (Duntley 1972, citát podle Fitzgerald 1972). Také je dokázáno, že změny obsahu chlorofylu v zelených řasách, např. kvůli nedostatku fosforu, odpovídajícím způsobem změní složení difusního odrazu z hloubky vodního tělesa. Analogicky k tomu je přirozeně ovlivňován také odraz vyšších submerzních nebo vyplavujících rostlin vodního útvaru. Plankton jako červené nebo hnědé řasy popř. rozsivky a v daném případě také zooplankton s odrazovými maximy v červené nebo žluté barvě mohou odraz vody odpovídajícím způsobem změnit. V podobných případech jako živí tvorové mění odrazivost a absorpci vodního tělesa ve vodě se vznášející nebo transponované minerální nebo humusové látky. Minerální vznášející se částice zesilují odrazivost ve všech oblastech optického spektra a vedou v oblasti viditelného spektra k přesunutí maxima odrazu do oblasti vlnových délek mezi 0,55 a 0,70 λm. Prví známky znečištění mají přitom zásadní vliv. Humusové látky ve vodě naproti tomu zesilují beztoho silnou absorpční schopnost vody. To potom vede v oblasti viditelného světla k téměř totální absorpci dopadajícího záření. Pro lidskou schopnost vidění se stane bažinná voda a jiné silně humózní vodní těleso tmavě šedým až černým. Minerální olej na vodní hladině se prokazuje podle složení olejů a síle vrstvy odlišnými reflexní vlastnostmi. Tenký olejový film odráží více mezi 0,32 a 0,50 λm, mezi 0,50 a 0,80 λm asi ve stejném rozsahu jako okolní nezakrytá voda. Silná vrstva oleje ukazuje v závislosti na druhu oleje do 0,50 λm buď silnější nebo slabší odraz, naproti tomu od 0,50 λm patrně bez výjimky odraz ve spektrální oblasti slabší než voda nepokrytá olejem. Fáze rozšíření olejových skvrn zapříčiňuje změnou tloušťky olejové vrstvy spektrální rozdíly v odrazu, které vedou k známým barevným obrazcům.
9
Reflexní vlastnosti sněhu a ledu se vyznačují velkou odrazivostí v oblasti viditelného spektra, poklesem odrazu resp. vzrůstem absorpce směrem k blízkému IR poli a konečně v blízkém IR poli jsou pak patrné rozdíly mezi suchým a mokrým sněhem resp. sněhem tuhým a roztávajícím. Suchý sníh a silně promrzlý led vykazují při 0,4 – 0,5 λm součinitele odrazu od 80 – 90 %, při 0,07 λm ještě stále asi 80 – 90 % odrazu (Krinov 1947). V blízkém IR poli schopnost odrazu rychle klesá. Naměřené údaje, které jsou k dispozici, ukazují např. při 1,2 λm součinitele odrazu jen okolo 25 %. Zřetelné zeslabení odrazu je pozorováno ve všech spektrálních oblastech, zvláště ale v infračervené oblasti, při mokrém sněhu a tajícím ledu. V prvním případě se absorpce záření zvyšuje rostoucím množstvím vodních kapek a v druhém případě tající plochou ledu zakrytým vodním filmem. Modely, kterými by mělo být vysvětlováno chování odrazu na sněhových plochách, se odvolávají – ve spojitosti s vývojem výzkumů záření z domácností – na albedo. V tomto ohledu je zde odkazováno na Wiscome a Warrena (1980), tak jako na Smitha (1983).
10
3 ZÁVĚR Reflexní vlastnosti hornin a půd jsou zcela závislé na celé řadě faktorů jako např. na povaze povrchu, na minerálním složení, na velikosti jednotlivých minerálních částic, vlhkosti zeminy apod. Reflexní vlastnosti vody, sněhu a ledu jsou také ovlivňovány množstvím působících faktorů – znečištění povrchových vod, obsah minerálních a humusových látek atd. Jednotlivé objekty mají různorodou schopnost pohlcovat, propouštět a odrážet jednotlivá pásma elektromagnetického záření. Při vynesení podílu odraženého záření objektu při různých vlnových délkách do grafu vznikne typická spektrometrická křivka nebo spektrální křivka odrazivosti (spectral response pattern). DPZ je založený právě na této skutečnosti, že odražené nebo emitované záření je diferencované co do intenzity a vlnové délky v závislosti na povaze a kvalitě zkoumaných objektů.
11
4 POUŽITÁ LITERATURA
Hildebrant G.: Fernerkundung und Luftbildmessung; Lokay, Reinheim 1996, (str. 62 – 68)
12
