در ترکیب با عکس های هوایی و داده های زمینی، از داده های چندطیفی هوابرد و فضابرد به نحو چشمگیری برای به نقشه درآوردن و استخراج اطلاعات در مورد زمینهای فرسایش یافته استفاده می شود (Mathews et al., 1973; L’Vovich et al., 1990; Saha and Singh, 1991). معیارهای طیفی که به طور مستقیم نشانگر فرسایش خاک هستند عبارتند از تغییر در درصد ماده آلی، ترکیب معدنی، آلبدو، ناهمواری و ساختار خاک (Mulders, 1987; Irons et al., 1989). همچنین دورسنجی اطلاعات مکانی و زمانی فراهم می کند که می توانند با مدلهای فرسایش خاک، مانند معیارهای پوشش محافظ گیاهی، رطوبت خاک، کاربری زمین، داده های ارتفاعی رقومی و حمل رسوب تلفیق شوند. با ریزترین تفکیک، دورسنجی می تواند اطلاعات جزئی از عارضه های فرسایش خطی مانند دره ها و اشکال تلماسه ها فراهم کند (Alam and Harris, 1987; Bocco et al., 1990) در نتیجه دورسنجی پتانسیل خوبی برای تامین یک فن نقشه برداری سریع و هدفمند در اختیار دارد که می تواند به بررسی تغییرات مکانی اتلاف خاک در اکوسیستم ها کمک کند.
شکل۲۱- تصویر MODIS حمل رسوبات را در دهانه رود زرد در ۲۸ فوریه ۲۰۰۰ نشان می دهد. فرسایش خاک از فلات لس با نرخ بالا در حال افزایش است.
فرسایش خاک معمولا در سه فاز دسته بندی می شود. ۱- تجزیه فیزیکی ذرات خاک، ۲- حمل ذرات خاک با آب و باد ۳- رسوبگذاری مواد خاک از جمله آنچه در تلماسه ها تجمع می یابد. فرسایش آبی و بادی فرایندهایی هستند که به سرعت جریان آب و باد بستگی دارند، و فرسایش زمانی رخ می دهد که خروجی رسوب بیش از ورودی باشد. فرسایش پذیری یک مکان به چندین عامل بستگی دارد که عبارتند ازفرسایش پذیری ذاتی خاک، گسترش پوشش محافظ روی سطح زمین، توپوگرافی، اقلیم و کاربری زمین.
۴-۵-۱- فرسایش بادی
سه رده از حرکت ذرات بوسیله باد وجود دارد که به ترتیب با کاهش اندازه دانه ها عبارتند از خزش، جهش و غبار. هرچند سرعت باد عامل اصلی فرسایش است، در اثر رطوبت، بافت، ساختار و سنگریزه دار بودن خاک و پوشش گیاهی و فعالیت های کاربری های زمین، اندکی تغییر می کند. به طور کلی جهش در ذرات در حد ماسه رخ می دهد و می تواند به تشکیل و فعالیت تلماسه ها بیانجامد. تشکیل تلماسه ها می تواند با اقلیم گذشته مرتبط باشد و از تصاویر فضابرد می توان برای مطالعه روابط زمین – اقلیم استفاده کرد (Forman et al., 1992). فعال شدن مجدد تلماسه های پایدار، نشانه ای مهم از بیابان زایی است و علاقمندی زیادی در زمینه تشخیص تلماسه ها با این انگیزه وجود دارد. Blumberg (1998) داده های رادار دهانه ترکیب (SAR) را برای به نقشه درآوردن تلماسه ها و نوع تلماسه ها بسیار مفید یافت، چراکه در این داده ها، توانایی کنترل پارامترهای تابشی و تشخیص ناهمواری سطح وجود دارد. در مطالعه بیابانهای پوشیده از تلماسه در آمریکای شمالی، بولیوی، استرالیا، و نامیبیا، او دریافت که طول موجهای بلندتر، باندهای P و L در، به ترتیب، ۰.۶۸ و ۲۴ سانتی متر، بهترین تضاد را برای به نقشه درآوردن تلماسه ها به دست می دهند و کانالهای قطبی متقاطع برای جدا کردن تلماسه های فعال از غیرفعال بهترین نتیجه را ارائه می کنند.
غبار می تواند تا ارتفاع نامحدودی در جو بالا رود و اثرات محیطی شدید بر اقلیم زمین باقی گذارد، همچنانکه اثراتی شدید بر رسوبگذاری در اقیانوس ها، تشکیل خاک، کیفیت آب زیرزمینی، و انتقال هوابرد بیماری ها دارد. بیشتر این غبار در مناطق خشک تشکیل می شود، بیابان صحرا بزرگترین تامین کننده غبار در جهان است، به نحویکه تخمین زده می شود سالیانه ۲۵ تا ۵۰ میلیون تن غبار را در سطح اقیانوس اطلس پخش کند (Goudie, 1978) (شکل ۲۰). Grigoryev and Kondratyev (1981) از مشاهدات ماهواره ای برای نقشه برداری از طوفانهای غربی و شمالی تولید شده در شمال آفریقا استفاده کردند. گستردگی تولید غبار به عوامل بیرونی متعددی بستگی دارد که از آن جمله اند، سرعت و تیرگی باد، و خود ویژگی های سطح مانند اندازه ذرات، ناهمواری، و ترکیب کانی شناسی (Gillette et al., 1980). در اثر تغییرپذیری زیاد زمین شناسی و ریخت شناسی منطقه، بیابان صحرا تغییرپذیری زیادی در ترکیب و مقدار غبار تولید شده بروز می دهد (شکل ۴). Escadafal and Callot (1991) ترکیب سرچشمه های غبار در بیابان صحرا را با نسبت های ساده باندی از تصاویر ماهواره ای TM، بررسی کردند. آنها قادر بودند که بر پایه پتانسیل خاکها از نظر کانی شناسی و اندازه ذرات برای تولید غبار، آنها را به پنج نوع سطح اصلی دسته بندی کنند. Husar et al. (2001) از تصویر SeaWiFS و یک شاخص آیروسل از سنجنده طیف سنج نقشه بردار کلی ازن (Total Ozone Mapping Spcetrometer)، برای تحلیل شکل گیری و الگوهای انتقال ابرهای غبار از بیابان گبی، که به نام غبار آسیایی نیز معروفند، استفاده کردند. ابرهای غبار آسیایی بر کیفیت هوا تا مصافتی دور چون ایالات متحده نیز تاثیر می گذارند و مشاهده شده است که آلبدو را در سطح خشکی و دریا بین ۱۰ تا ۲۰% افزایش می دهند.
۴-۵-۲- فرسایش آبی
فرسایش آبی در پی از جای کنده شدن خاک در اثر ضربه قطرات باران و انتقال رسوب با جریان اندک بوجود آمده، رخ می دهد و معمولا با کمک پلاتهای کوچک صحرایی به مساحت تقریبی ۱۰۰ متر مربع اندازه گیری می شود. جریان روی زمین یا رواناب هنگامی آغاز می شود که بارش باران بیش از میزان نفوذ به خاک است. پیش بینی رواناب نیازمند دانش از ویژگی های خاک در رابطه با نفوذ آب و آگاهی از تغییرات زمان بارندگی است. برای کمک به تعیین نرخ های رواناب و فرسایش، اطلاعات رطوبت خاک و ظرفیت خاک برای نگهداری آب مورد نیاز هستند. تخمین عددی اتلاف خاک در اثر فرسایش آبی به سطح پلات محدود می شود و یا با کمک مدلهای تجربی، مانند رابطه جهانی اتلاف خاک (USLE) و رابطه اصلاح شده آن (RUSLE)، به زیرحوضه های آبریز کوچک قابل تعمیم است (Renard et al., 1991).
A = R × K × L × S × C × P
که A مقدار کل اتلاف خاک، R شاخص فرسایندگی باران، K عامل فرسایش پذیری خاک، L عامل طول دامنه، S عامل شیب دامنه، C یک عامل پوشش محافظ خاک، و P عامل مدیریت کاربری زمین هستند. Price (1993) مفید بودن داده های مکانی TM را در انتخاب عامل قابل اعتماد پوشش محافظ (C) برای مدل USLE در جنگل های سرو و صنوبر یوتا، به طور عملی نشان داد. عامل های طول دامنه و شیب دامنه را، بالقوه، می توان از داده های زوج تصویر اسپات با استر بدست آورد. تخمین عامل مدیریت کاربری زمین، مشکل ترین مورد بوده و برای تخمین ضرایب رواناب مورد نیاز است. سنجنده های با تفکیک مکانی بالا مانند آیکنوس و کوئیک برد، بالقوه، می توانند این اطلاعات را فراهم کنند.
نتیجه مطالعات پلات کوچک را به سختی می توان به سطح حوضه آبگیر و حوضه آبریز تعمیم داد، چراکه ملزم به تغییرپذیری مکانی و زمانی در نمونه گیری هستند. فرایندهای فرسایش خاک و انتقال رسوب با مقیاس تغییر می کنند. در مقیاس حوضه آبریز به وسعت صدها هکتار، از بار رسوب معلق در مسیرهای جریان برای تخمین فرسایش خاک استفاده می کنند، در حالیکه نرخ های برهنه سازی را معمولا برای حوضه های رودخانه های بزرگتر (هزاران کیلومتر مربع) محاسبه می کنند.
۴-۵-۳- خاکهای زیرسطحی نمایان شده
فرسایش خاک در زمانی که ویژگی های خاک زیرین در سطح نمایان می شود و بر ویژگی های بازتابی خاک سطحی تاثیر می گذارد، بسیار آشکار می گردد. بسیاری در زمینه روابط کلی بین ویژگی های خاک سطحی و زیرسطحی و علائم طیفی آنها، با هدف گسترش ویژگی های دریافت شده از دورسنجی سطح به عمق بیشتر، پژوهش کرده اند. چنین روابطی بکارگیری تصاویر ماهواره ای در جهت شناسایی خاکهای فرسوده شده، بعد از رخنمون لایه های زیرسطحی در اثر عملکرد آب یا باد، را امکان پذیر ساخته است (Agbu et al., 1990). با پیشرفت فرسایش، کانی شناسی و ویژگی های طیفی سنگ مادر بیشتر آشکار شده، در حالیکه ویژگی های نوری لایه بالایی سرشار از ماده آلی ضعیف تر می گردد. خاکهای خوب توسعه یافته بکر و سنگ مادر زیرین آنها دو انتها از طیفی را نشان می دهند که نسبت به آنها، درجات مختلفی از فرسایش خاک و نقصان زمین را می توان شناسایی کرد (De Jong et al., 1999; Hill et al., 1995). این ویژگی ها را می توان با تصاویر ماهواره ای و با استفاده از شاخص های طیفی و مدلهای ترکیبی فرانگری کرد.
( Seubert et al. 1979) و(Latz et al. 1984) رده های شدت فرسایش خاک را در توالی های توپوگرافیکی آلفیسول (Alfisol) با تصاویر MSS به نقشه در آوردند. آنها قادر بودند تا تغییرات درصد آهن در باند گسترده جذب آهن در ۰.۸۷ میکرومتر و همچنین تغییرات حاصل در شیب علائم طیفی را با افزایش عمق، که در ارتباط با ماده آلی و افزایش درصد اکسید آهن است، شناسایی کنند. (Frazier anf Cheng 1989) به طرز مشابه ای، بر تفاوتهای بین ماده آلی و اکسید آهن بر نقشه برداری فرسایش خاک در واشنگتن، اطمینان کرده و از نسبت های باندی TM استفاده کردند. (Pickup and Nelson 1984) از نسبت های باندی MSS برای نقشه برداری فرسایش خاک و رسوبگذاری در استرالیای مرکزی بهره بردند و تغییرات در چشم انداز خاک در اثر فرسایش خاک را مدل کردند (Pickup and Chewings, 1988). مطالعات دیگر نیز به طور عملی نشان داده اند که چگونه تغییرات در رنگ، روشنی و NDVI خاک سطحی برای مطالعات فرسایش خاک مفیدند (Dubucq et al., 1991; Escadafal, 1993). Galvao et al. (1997) با بکارگیری تحلیل مولفه های اصلی و شاخص های رادیومتری متنوع، از جمله یک شاخص قرمزی، خاکهای سرشار از هماتیت را از خاکهای سرشار از گوتیت در منطقه اکسیولز جدا کردند و داده های بازتاب طیفی را به افق های خاک سطحی و زیرسطحی نسبت دادند.
۴-۵-۴- عامل پوشش محافظ
در حضور پوشش محافظ سطح، فرسایش خاک به میزان قابل ملاحظه ای کاهش می یابد که این پوشش عبارتست از گیاهان ایستا، گیاهان مجاور سطح (کوتاه)، پوشش تماسی متشکل از زائدات گیاهان و سنگ. پوشش خاک، با ممانعت در برابر برخورد قطرات باران به خاک که سبب کاهش انرژی جنبشی آنها پیش از رسیدن به خاک می شود، خاک را از فرسایش آبی حفظ می کند. پوشش تماسی نسبت به گیاهان ایستا در جلوگیری از جریان آب بر سطح زمین بسیار کاراتر است، در حالیکه گیاهان ایستا در برابر فرسایش بادی و اثر برخورد قطرات باران مانع ایجاد می کنند. به طور کلی هرگونه تغییر در سطح زمین که منجر به رخنمون بیشتر خاک با پوشش کمتر شود، در افزایش فرسایش خاک و حذف لایه ارزشمند بالایی خاک مشارکت دارد. پوشش گیاهی و زائدات گیاهی محافظ در فصل رشد بیشتر تغییر می کنند، و درجه فرسایش به مقدار آنها طی دوره های بیشینه بارندگی و فعالیت باد بستگی دارد.
داده های ماهواره ای امکان تخمین سریع و مکرر مقدار پوشش گیاهی را فراهم می کنند. با کمک عامل محاسبه شده برای نگهدارندگی و ممانعت پوشش گیاهی P، De Jong et al. (1999)، نقشه های ناحیه ای از فرسایش را از طریق وارون کردن رابطه توانی بین نگهدارندگی و شاخص طیفی پوشش گیاهی (VI) تولید کردند.
VI = a [1- exp (-bP)] + c
که a, b و c ضرایب اختصاصی منطقه در مدل هستند. نقشه های فرسایش بدست آمده نسبت به نقشه های ساده حاصل از تعمیم اطلاعات بدست آمده از مطالعه فرسایش در پلاتهای کوچک، بسیار مفیدتر هستند. با این وجود، ممکن است چندین شاخص طیفی پوشش گیاهی، عامل پوشش گیاهی را به نادرستی برآورد کنند، چراکه آنها تنها به مقدار گیاهان سبز در سطح خاک حساس بوده و نسبت به گیاهان چوبی و یا پیر واکنشی نشان نمی دهند، در حالیکه این دسته از گیاهان نیز پوشش محافظی معادل گیاهان سبز برای خاک فراهم می کنند (De Jong, 1994). مدلهای ترکیب طیفی که داده های دورسنجی را به گیاهان سبز، خاک، گیاهان چوبی و سایه تقسیم بندی می کنند، برای این هدف مناسبترند (Smith et al., 1990; Roberts et al., 1993). Adams et al. (1995), Drake et al. (1999) و Asner and Lobell (2000) نشان دادند که این امکان وجود دارد تا گیاهان سبز و چوبی را همانند خاک با استفاده از مدلهای ترکیبی به نقشه در آورد (شکلهای ۶ و ۷). نقشه پوشش گیاهی سبز به عنوان ورودی به مدلهای توازن تبخیر- تعریق و آب؛ و نقشه پوشش گیاهی کل (سبز و چوبی) برای پیش بینی جریان آب بر سطح زمین و بررسی اثر برخورد قطره باران و آشفتگی باد مورد استفاده قرار می گیرند (Drake et al., 1995).
به نحو مشابه، شن و سنگهای بزرگ در محافظت خاک از فرسایش مهم بوده و هیچ خاکی در مناطقی که رخنمون سنگی دارند، برای جدایش و انتقال وجود نخواهد داشت. ممکن است، فنون مدل ترکیب اطلاعات مفیدی در تخمین مقدار سنگ، شن و واریزه در سطح فراهم کنند که این از طریق تفاوتهای طیفی بین سنگ و خاک و یا با استفاده از عضو نهایی سایه، که می تواند به ناهمواری سطح نسبت داده شود، انجام می پذیرد. روشهای نوری – هندسی که از روابط BRDF، بافت و ناهمواری بهره می برند، می توانند در توصیف مقدار و اندازه مواد سنگی روی سطح خاک سودمند باشند.
۴-۵-۵- پوسته های خاک
سه نوع کلی از پوسته های سطح وجود دارند ۱- پوسته های ساختاری خاک ۲- ورنی بیابان ۳- پوسته های زیست زاد. اولین مورد به سرعت شکل می گیرد، در حالیکه دو مورد دیگر به دوره های زمانی طولانی و شرایط محیطی خاص احتیاج دارند. بررسی وضعیت ساختاری خاک برای فرانگری فرایندهای نقصان خاک حیاتی هستند، چراکه این جنبه، کنترل کننده بسیاری دیگر از پارامترهای نقصان خاک است که از آن جمله می توان به نرخ های پایین نفوذ و افزایش رواناب و فرسایش خاک اشاره کرد. Ben-Dor et al. (1999) در مطالعه خود بر پوسته زایی، تغییرات طیفی قابل مشاهده ای را طی مرحله تولید پوسته ساختاری شناسایی کردند. ویژگی های نوری پوسته نسبت به توده خاک بسیار متفاوت است که ابزاری برای تعیین پوسته فراهم می کند.
علامت طیفی پوسته های زیست زاد نیز متمایر بوده و قابل دورسنجی هستند (O’Neill, 1994; Karnieli and Sarafis, 1996) (شکل ۲۲). پوسته های زیست زاد خاک از سیانوباکتری ها، گلسنگها و خزه ها تشکیل شده اند. آنها نقش اکولوژیکی مهمی در زمین های خشک و نیمه خشک، از طریق پایدار کردن خاکهایی که با نبود آنها به سادگی فرسایش می یابند، افزایش نگهداری آب و برانگیختن توده زیستی گیاهی با ثابت کردن نیتروژن در خاک، ایفا می کنند (Harper and Marble, 1988; Metting, 1991; Johansen, 1993). رشته های سیانوباکتری ها یک شبکه پیچیده از فیبرها را پدید می آورند که ذرات خاک را به یکدیگر می چسباند و آنها را در برابر فرسایش آبی و بادی مقاوم می سازد. برخلاف پوشش گیاهان آوندی، این پوسته ها پوشش محافظی در طول سال و در شرایط متضاد (مانند خشکسالی) فراهم می کنند. در ناحیه فلات کلرادو جنوب شرقی ایالات متحده، پوسته های زیست زاد به خوبی گسترش یافته اند و ممکن است بیش از ۷۰% پوشش زنده زمین را شامل شوند (Belnap and Gardner, 1993). متاسفانه، این پوسته ها با روند فزاینده ای در نواحی وسیع از غرب ایالات متحده در حال تخریب اند که این مسئله ناشی از افزایش کاربری های تجاری و تفریحی است که به افزایش قابل توجه نرخ فرسایش بادی ناحیه ای منجر می شود (Benlap, 1995; Williams et al., 1995). شرایط خشکسالی طولانی نیز سبب تضعیف پوسته های زیست زاد می شود. چون بیشتر توده زیستی پوسته در ۳ میلیمتر بالای خاک تمرکز دارد، فرسایش بسیار اندک می تواند پیامدهای ناگواری برای پویایی اکوسیستم داشته باشد.
خاکهای زیست زاد با کمک اطلاعات دورسنجی و با بهره گیری از استریوسکوپی تصویر و مدلسازی ترکیبی، با موفقیت به نقشه در آورده شده اند. بر پایه طیف کتابخانه مرجع، با استفاده از داده های AVIRIS، و مدلسازی ترکیب طیفی، Kokaly et al. (1994) با موفقیت خاکهای پوسته دار را از خاکهای معدنی و پوشش آوندی تفکیک کردند. Karnieli et al. (1999) دریافتند که پوسته خاک زیست زاد، به میزان چشمگیری در تضاد شدید مشاهده شده در داده های ماهواره ای از بیابان سینا – نجو، مشارکت دارند. بخش تیره تر نجو با پوسته های زیست زاد پوشیده شده که در شرایط بارندگی و خیس شدگی، فتوسنتتیک شده و علائم NDVI بالا تولید می کنند (شکل۲۲).
شکل ۲۲- پوسته های سطحی زیست زاد، علائم طیفی آنها و نمای با تضاد بالای آنها بین مناطق نقصان یافته و محافظت شده در مرز سینا – نجو