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Using spectral reflection and multi-dye layer pixel values to quantify soil patterns for assessing… Zheng, Feng 1986

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831-UBC_1986_A6_7 Z54.pdf [ 10.93MB ]
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USING SPECTRAL REFLECTION AND MULTI-DYE LAYER P I X E L VALUES TO QUANTIFY SOIL PATTERNS FOR ASSESSING F I E L D F E R T I L I T Y CONDITIONS by FENG ZHENG B . S c , P e k i n g U n i v e r s i t y , 1982 . A THESIS SUBMITTED I N PARTIAL FULFILMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE i n THE FACULTY OF GRADUATE STUDIES D e p a r t m e n t o f S o i l S c i e n c e We a c c e p t t h i s t h e s i s a s c o n f o r m i n g t o t h e r e q u i r e d s t a n d a r d THE UNIVERSITY OF B R I T I S H COLUMBIA M a r c h 4, 1986 © Feng Zheng, 1986 I n p r e s e n t i n g t h i s t h e s i s i n p a r t i a l f u l f i l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r an a d v a n c e d d e g r e e a t t h e The U n i v e r s i t y o f B r i t i s h C o l u m b i a , I a g r e e t h a t t h e L i b r a r y s h a l l make i t f r e e l y a v a i l a b l e f o r r e f e r e n c e a n d s t u d y . I f u r t h e r a g r e e t h a t p e r m i s s i o n f o r e x t e n s i v e c o p y i n g o f t h i s t h e s i s f o r s c h o l a r l y p u r p o s e s may be g r a n t e d by t h e Head o f my D e p a r t m e n t o r by h i s o r h e r r e p r e s e n t a t i v e s . I t i s u n d e r s t o o d t h a t c o p y i n g o r p u b l i c a t i o n o f t h i s t h e s i s f o r f i n a n c i a l g a i n s h a l l n o t be a l l o w e d w i t h o u t my w r i t t e n p e r m i s s i o n . D e p a r t m e n t o f S o i l S c i e n c e The U n i v e r s i t y o f B r i t i s h C o l u m b i a 2075 Wesbrook P l a c e V a n c o u v e r , Canada V6T 1W5 D a t e : M a r c h 4, 1986 A B S T R A C T T h e v a r i a b i l i t y o f s o i l c h e m i c a l p r o p e r t i e s e x e r t s a g r e a t i n f l u e n c e o n t h e p r a c t i c e o f f e r t i l i z a t i o n a n d o t h e r s o i l m a n a g e m e n t . Q u a n t i t a t i v e r e l i a b l e m e a s u r e m e n t s o f t h e s o i l v a r i a b i l i t y a r e v i t a l t o t h e a c c u r a c y o f f e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n s a n d t h e e f f e c t i v e u s e s o f f e r t i l i z e r . T h e a i m o f t h e t h e s i s i s t o d e t e r m i n e w h e t h e r s o i l c l a s s i f i c a t i o n s a n d v a r i a b i l i t y a s s e s s m e n t s c a n b e f a c i l i t a t e d b y t h e u s e o f q u a n t i t a t i v e r e m o t e s e n s i n g t e c h n i q u e s . A n a g r i c u l t u r a l f i e l d w i t h v e r y c o n t r a s t i n g s o i l s w a s s e l e c t e d f o r t h i s s t u d y a n d f i e l d v a r i a b i l i t y i n t o t a l a n d o r g a n i c C , e x c h a n g e a b l e c a t i o n s , C E C , m a j o r f e r t i l i t y e l e m e n t s N , P , a n d K , s o i l w a t e r c o n t e n t a n d c o a r s e f r a g m e n t s w a s e x a m i n e d u s i n g t h r e e d i f f e r e n t s a m p l i n g t e c h n i q u e s a n d l a b o r a t o r y a n a l y s i s . T h e r e m o t e s e n s i n g t e c h n i q u e s e v a l u a t e d i n t h i s s t u d y w e r e : 1) l a b o r a t o r y s p e c t r a l r e f l e c t i o n m e a s u r e m e n t s o f s o i l s a m p l e s i n t h e g r e e n , r e d a n d t w o n e a r I R b a n d s u s i n g a m u l t i - c h a n n e l r a d i o m e t e r , a n d 2) m u l t i - d y e l a y e r p i x e l v a l u e a n a l y s i s o f d i g i t i z e d c o l o r a e r i a l p h o t o s t a k e n a t t h e t i m e o f s a m p l i n g . C o n v e n t i o n a l , s e l e c t i v e a n d s t r a t i f i e d r a n d o m s a m p l i n g t e c h n i q u e s w e r e u s e d t o q u a n t i f y t h e s o i l s i n t h e f i e l d a n d a l t h o u g h t h e v a r i a b i l i t y i n K , C a , a n d P w a s h i g h n o s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s w e r e o b t a i n e d i n t h e m e a n v a l u e s a m o n g t h e t h r e e t e c h n i q u e s . T h r e e d i s t i n c t s o i l t y p e s w e r e i i i d e n t i f i e d i n t h e f i e l d , w h i c h i n c l u d e d t y p e I - v e r y d a r k s o i l s , t y p e I I - g r a v e l l y , v e r y l i g h t c o l o r e d s o i l s , a n d t y p e I I I - a v e r a g e b r o w n o r d o m i n a n t s o i l s . A l l t h r e e c a t e g o r i e s c o u l d b e s e p a r a t e d b y M u n s e l l v a l u e a n d c h r o m a d a t a . S i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s i n C , N , K , C E C , m o i s t u r e c o n t e n t a n d c o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t w e r e o b t a i n e d a m o n g t h e t h r e e s o i l t y p e s . O n c e t h e c h e m i c a l d a t a w e r e t r a n s l a t e d i n t o f e r t i l i z e r r e q u i r e m e n t s i t b e c a m e e v i d e n t t h a t s o i l t y p e I I ( g r a v e l l y l i g h t c o l o r e d s o i l s ) n e e d e d a h i g h e r K f e r t i l i z e r r a t e t h a n e i t h e r t y p e I o r t y p e I I I , t h u s s u g g e s t i n g t h a t a d i f f e r e n t i a l f e r t i l i z e r r a t e a p p l i c a t i o n w i t h i n t h e f i e l d s h o u l d b e b e n e f i c i a l t o c r o p p e r f o r m a n c e . C o r r e l a t i o n a n d r e g r e s s i o n s t u d i e s o f s o i l p a r a m e t e r s w i t h s p e c t r a l r e f l e c t i o n a n d d y e - l a y e r p i x e l v a l u e s r e v e a l e d t h e n a t u r e o f t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n s o i l s p e c t r a l p r o p e r t i e s a n d p h y s i c a l a n d c h e m i c a l c o n d i t i o n s . S i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o n s w e r e f o u n d b e t w e e n r e f l e c t a n c e v a l u e s a n d m o s t o f t h e c h e m i c a l p a r a m e t e r s , a n d b e t w e e n p i x e l v a l u e s , s o i l c h e m i s t r y a n d m o i s t u r e c o n t e n t . I n b o t h c a s e s , % o r g a n i c C s h o w e d t h e h i g h e s t c o r r e l a t i o n . T h e r e s u l t s f r o m s t e p w i s e r e g r e s s i o n a n d d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s r e v e a l e d t h a t o r g a n i c C , w a t e r c o n t e n t a n d c o l o r v a l u e w e r e t h e m o s t - d o m i n a n t s o i l p a r a m e t e r s t o i n f l u e n c e s p e c t r a l o r p i x e l v a l u e v a r i a t i o n s . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n w a t e r c o n t e n t a n d p i x e l v a l u e w a s s i g n i f i c a n t s u g g e s t i n g t h a t t h e v a r i a t i o n i n w a t e r c o n t e n t m i g n t b e q u a n t i f i e d b y a n a n a l y s i s o f d y e - l a y e r p i x e l v a l u e s . S o i l o r g a n i c m a t t e r a n d s o i l c o l o r p r o v e d t o b e b e s t p r e d i c t e d b y l a b o r a t o r y r e f l e c t a n c e m e a s u r e m e n t s . M u l t i - v a r i a t e c l u s t e r a n d d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s r e v e a l e d t h a t t h e s o i l t y p e s c o u l d b e q u a n t i f i e d w i t h b o t h s p e c t r a l a n d m u l t i - d y e l a y e r p i x e l v a l u e a n a l y s i s a n d t h a t t h e r e m o t e s e n s i n g d a t a w e r e b e s t r e l a t e d t o o r g a n i c m a t t e r , s o i l c o l o r a n d s o i l m o i s t u r e c o n t e n t i n t h e f i e l d . T h e p a t t e r n o f s o i l t y p e s i n t h e f i e l d w a s d e t e r m i n e d v i s u a l l y b y p l a n i m e t r y a n d b y q u a n t i t a t i v e d y e - l a y e r p i x e l v a l u e a n a l y s i s . T h e t w o r e s u l t s w e r e f o u n d t o b e i n c l o s e a g r e e m e n t a n d p r o v i d e d q u a n t i t a t i v e v a l u e s f o r t h e s p a t i a l e x t e n t o f t h e t h r e e s o i l t y p e s . T h e s e v a l u e s w e r e u s e d t o d e t e r m i n e t h e t o t a l a m o u n t o f f e r t i l i z e r s r e q u i r e d f o r t h e f i e l d a n d t h e q u a n t i f i e d s p a t i a l p a t t e r n i s a n e x c e l l e n t m e d i u m t o f a c i l i t a t e s o i l s a m p l i n g f o r f e r t i l i z e r a s s e s s m e n t f o r f u t u r e c u l t i v a t i o n . i v TABLE OF CONTENTS ABSTRACT i i TABLE OF CONTENTS v L I S T OF TABLES i x L I S T OF FIGURES x i i L I S T OF ABBREVIATIONS x i v ACKNOWLEDGEMENTS xv I . INTRODUCTION 1 A. PROBLEMS AND AIMS 1 B. STUDY DESIGN 3 C. S I T E DESCRIPTION 4 I I . LITERATURE REVIEW 7 A. THE DEVELOPMENT OF REMOTE SENSING 7 1. A e r i a l P h o t o g r a p h y 7 2. M u l t i s p e c t r a l S c a n n e r 8 3. L a n d s a t I m a g e r y 9 B. REMOTE SENSING TECHNIQUES 11 1. B a s i c C o n c e p t s 11 2. S p e c t r o r a d i o m e t r i c M e a s u r e m e n t 14 3. D i g i t a l A n a l y s i s o f A e r i a l P h o t o g r a p h i c D e n s i t y 17 4. C o m p u t e r - a s s i s t e d P a t t e r n R e c o g n i t i o n T e c h n i q u e s 19 C. RELATING REMOTE SENSING DATA TO SOIL PARAMETERS 22 1 . S o i l C o l o r 22 2. O r g a n i c M a t t e r 24 3. I r o n O x i d e a nd C l a y M i n e r a l s 26 4. P a r t i c l e S i z e a n d S o i l T e x t u r e 28 v 5. M o i s t u r e C o n t e n t 31 D. SPECTRAL CHARACTERIZATION OF SURFACE SOILS 33 1. S o i l S p e c t r a l C h a r a c t e r i s t i c C u r v e s 34 2. F i e l d C h a r a c t e r i s t i c s o f S o i l S p e c t r a 35 3. I d e n t i f i c a t i o n a n d C h a r a c t e r i z a t i o n o f S o i l P a t t e r n s 38 E. SUMMARY 44 I I I . MATERIALS AND METHODS .-. 46 A. SAMPLING DESIGN 46 1. C o n v e n t i o n a l S a m p l i n g 46 2. S e l e c t i v e S a m p l i n g 46 3. S t r a t i f i e d Random S a m p l i n g 47 B. SOIL PHYSICO-CHEMICAL ANALYSES 49 1. Sample P r e p a r a t i o n a n d P h y s i c a l M e a s u r e m e n t s 49 2. C h e m i c a l A n a l y s i s 49 C. CONVENTIONAL V A R I A B I L I T Y AND F E R T I L I T Y ASSESSMENT 50 D. REMOTE SENSING TECHNIQUES 51 1. S p e c t r a l R e f l e c t a n c e M e a s u r e m e n t s 51 2. A i r p h o t o P i x e l V a l u e A n a l y s i s 52 E. S T A T I S T I C A L METHODS 54 1. V a r i a b i l i t y A s s e s s m e n t s 54 2. S i g n i f i c a n c e T e s t s 54 3. R e l a t i o n s h i p A n a l y s i s 56 4. C l a s s i f i c a t i o n 57 5. D i s c r i m i n a n t A n a l y s i s 57 I V . RESULTS AND DISCUSSION ."...59 v i A. CONVENTIONAL ASSESSMENT OF SOIL V A R I A B I L I T Y AND F E R T I L I T Y 59 1. The M a g n i t u d e o f S o i l V a r i a b i l i t y 59 2. C o m p a r i n g Mean V a l u e s o f T h r e e S a m p l i n g M e t h o d s 61 3. I d e n t i f y i n g T h r e e S o i l T y p e s f r o m t h e S e l e c t i v e l y C o l l e c t e d S a m p l e s 65 4. E f f e c t o f D i f f e r e n c e s Among T h r e e S o i l T y p e s on F e r t i l i z e r R e c o m m e n d a t i o n 71 5. Summary 74 B. SP A T I A L ANALYSIS OF SOIL PATTERNS FROM THE AIRPHOTO 75 1. Q u a l i t a t i v e D e l i n e a t i o n o f P h o t o T o n a l P a t t e r n s 75 2. Q u a n t i t a t i v e D e t e r m i n a t i o n o f R e f l e c t i o n V a r i a t i o n 76 3. C o m p a r i n g t h e P i x e l V a l u e C l a s s i f i c a t i o n t o t h e S u b j e c t i v e D e l i n e a t i o n o f S o i l T y p e s by P l a n i m e t r y 83 C. PREDICTING SOIL V A R I A B I L I T Y USING SPECTRAL REFLECTANCE VALUES 84 1. C o r r e l a t i o n s o f S o i l P a r a m e t e r s w i t h S p e c t r a l R e f l e c t i o n V a l u e s 86 2. R e g r e s s i o n A n a l y s i s f o r P r e d i c t i n g S o i l P a r a m e t e r s a n d S p e c t r a l V a r i a t i o n s 91 3. M u l t i v a r i a t e C l a s s i f i c a t i o n o f S o i l s U s i n g S p e c t r a l R e f l e c t a n c e V a l u e s 101 4. I d e n t i f i c a t i o n o f S i g n i f i c a n t S o i l P a r a m e t e r s f o r D i f f e r e n t i a t i n g S o i l S p e c t r a l C l a s s e s 109 D. QUANTIFYING SOIL CONDITIONS USING P I X E L VALUE DATA OF SOIL SAMPLES 111 1. D e t e r m i n a t i o n o f t h e R e l a t i o n s h i p s b e t w e e n P i x e l V a l u e s a n d S o i l P r o p e r t i e s v i a C o r r e l a t i o n / r e g r e s s i o n A n a l y s i s 113 2. M u l t i v a r i a t e C l a s s i f i c a t i o n o f S o i l s U s i n g Two D y e - L a y e r P i x e l V a l u e D a t a 121 VI 1 E. SUMMARY AND COMPARISONS 134 1. S p e c t r a l R e f l e c t i o n v s Dye L a y e r P i x e l V a l u e 134 2. L i n k i n g Remote S e n s i n g M e a s u r e m e n t s w i t h C o n v e n t i o n a l M e t h o d f o r S o i l F e r t i l i t y A s s e s s m e n t 137 V. CONCLUSIONS 142 LITERATURE CITED 148 APPENDIX A: Sample D e s c r i p t i o n o f S e l e c t i v e S a m p l i n g M e t h o d 1 56 APPENDIX B: APPENDIX C: APPENDIX D: Red F i l t e r P i x e l V a l u e D a t a o f t h e F i e l d .. . . 160 APPENDIX E: G r e e n F i l t e r P i x e l V a l u e D a t a o f t h e F i e l d . . 161 APPENDIX F: C o r r e l a t i o n M a t r i x f o r A l l V a r i a b l e s on 162 APPENDIX G: C o r r e l a t i o n M a t r i x f o r r a t i o e d a n d L o g T r a n s f o r m e d V a r i a b l e s on 108 S o i l S a m p l e s 163 v i i i L I S T OF TABLES T a b l e Page 4.4.1 W i t h i n - f i e l d v a r i a b i l i t y (%CV) o f s e l e c t e d s o i l p r o p e r t i e s a n d c o m p a r i s o n w i t h t h e m e d i a n v a l u e s f r o B e c k e t t and W e b s t e r (1 971 ) 60 4.1.2 C o m p a r i s o n s o f t h r e e s a m p l e s e t s f r o m c o n v e n t i o n a l , s t r a t i f i e d random and s e l e c t i v e s a m p l i n g 63 4.1.3 A v e r a g e M u n s e l l c o l o r n o t a t i o n s f o r t h r e e s o i l c a t e g o r i e s f r o m t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g 66 4.1.4 C o m p a r i s o n s o f t h r e e s o i l c a t e g o r i e s f r o m t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g a n d s a m p l e s f r o m t h e s t r a t i f i e d random s a m p l i n g 67 4.1.5 P a n d K f e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n s f o r c r o p g r o u p t h r e e b a s e d on t h e c o n v e n t i o n a l s a m p l i n g and t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g ( t h r e e s o i l t y p e s ) 72 4.2.1 Summary o f c l a s s i f i c a t i o n r e s u l t s f r o m t h e c l u s t e r a n a l y s i s on t h e r e d a n d g r e e n f i l t e r p i x e l v a l u e d a t a f o r t h e e n t i r e s t u d y s i t e 82 4.2.2 A r e a e s t i m a t i o n f o r d i f f e r e n t s o i l t y p e s by p l a n i m e t r y a n d m u l t i - d y e l a y e r p i x e l v a l u e c l a s s i f i c a t i o n 82 4.3.1 C o r r e l a t i o n m a t r i x s h o w i n g c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t b e t w e e n any two v a r i a b l e s 87 4.3.2 S t e p w i s e m u l t i p l e r e g r e s s i o n o f s p e c t r a l b a n d s an d p i x e l v a l u e s a s p r e d i c t o r s o f s o i l p a r a m e t e r s a t a s i g n i f i c a n c e l e v e l o f 9 0 % 93 4.3.3 F r e q u e n c y o f i n c l u s i o n o f s p e c t r a l b a n d s i n t o r e g r e s s i o n ( T a b l e 4.3.2) a t a s i g n i f i c a n c e l e v e l o f 90% 93 4.3.4 S t e p w i s e m u l t i p l e r e g r e s s i o n o f s o i l p a r a m e t e r s a s p r e d i c t o r s o f r e f l e c t a n c e b a n d s a t a s i g n i f i c a n c e l e v e l of 90% 98 4.3.5 F r e q u e n c y o f i n c l u s i o n o f s o i l p a r a m e t e r s i n t o r e g r e s s i o n s ( T a b l e 2.3.4) a t a s i g n i f i c a n c e l e v e l o f 90% 100 4.3.6 Summary o f s o i l d a t a f o r d i f f e r e n t s p e c t r a l c l a s s e s o b t a i n e d f r o m c l u s t e r a n a l y s i s . , 104 i x LEAF x OMITTED IN PAGE NUMBERING. FEUILLET x NON INCLUS DANS LA PAGINATION. (-> a. <^t. ,K -T a b l e Page 4.3.7 S o i l p r o p e r t i e s s e l e c t e d by d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s f o r d i s c r i m i n a t i n g among s p e c t r a l c l a s s e s 111 4.4.1 S t e p w i s e m u l t i p l e r e g r e s s i o n o f s o i l p a r a m e t e r s a s p r e d i c t o r s o f r e d a n d g r e e n f i l t e r p i x e l v a l u e s a t a s i g n i f i c a n c e l e v e l o f 90% 119 4.4.2 F r e q u e n c y o f i n c l u s i o n o f s o i l p a r a m e t e r s i n t o r e g r e s s i o n ( T a b l e 4.4.1) a t a s i g n i f i c a n c e l e v e l o f 90% 120 4.4.3 Summary o f s o i l d a t a f o r d i f f e r e n t p i x e l v a l u e c l a s s e s o b t a i n e d f r o m c l u s t e r a n a l y s i s 123 4.4.4 S o i l p r o p e r t i e s s e l e c t e d by d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s f o r d i s c r i m i n a t i n g among p i x e l v a l u e c l a s s e s 132 4.5.1 Summary and c o m p a r i s o n s o f two r e m o t e s e n s i n g t e c h n i q u e s t o q u a n t i f y s o i l p a r a m e t e r s a n d t y p e s . . 1 3 5 4.5.2 A v e r a g e o r g a n i c c a r b o n c o n t e n t s o f t h r e e s o i l t y p e s e s t i m a t e d by dye l a y e r p i x e l v a l u e s 140 4.5.3 K f e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n s f o r t h r e e s o i l t y p e s u s i n g t h e p l a n i m e t r y a n d m u l t i - d y e l a y e r p i x e l v a l u e a n a l y s i s t o m e a s u r e a r e a s o f s o i l t y p e s 140 4.5.4 C o m p a r i s o n s o f t o t a l K f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n e s t i m a t e d by d i f f e r e n t m e t h o d s 140 x i L I S T OF FIGURES F i g u r e Page 1.1 S t u d y d e s i g n 5 2.1 T y p i c a l s p e c t r a l c u r v e s o f g r e e n v e g e t a t i o n , b a r e s o i l , a n d w a t e r 13 2.2 S p e c t r a l s e p a r a t i o n o f g r e e n v e g e t a t i o n , b a r e s o i l , a n d w a t e r i n t h r e e - d i m e n t i o n a l s p a c e 21 3.1 I l l u s t r a t i o n o f s t r a t i f i e d random s a m p l i n g p l o t d e s i g n : two s a m p l e s were r a n d o m l y t a k e n f r o m e a c h p l o t 48 3.2 S t a t i s t i c a l M e t h o d s 55 4.1.1 C o m p a r i s o n o f mean v a l u e s f r o m t h r e e s a m p l i n g m e t h o d s f o r N, P, K, OC a n d CEC 64 4.1.2 C o m p a r i s o n o f mean v a l u e s f r o m t h r e e s o i l c a t e g o r i e s f r o m s e l e c t i v e s a m p l i n g f o r N, P, K, OC a n d CEC 68 4.1.3 S i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n t h r e e s o i l t y p e s f r o m s e l e c t i v e s a m p l i n g a n d s t r a t i f i e d random s a m p l i n g by M a n n - W h i t n e y U ~ t e s t 69 4.2.1 P i x e l v a l u e p r o f i l e s s h o w i n g r e f l e c t i o n v a r i a t i o n a c r o s s t h e f i e l d 78 4.2.2 P i x e l v a l u e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n s i n two dye l a y e r s a n d t h e r a n g e s o f f o u r p i x e l v a l u e c l a s s e s . . 7 9 4.2.3 C l u s t e r s e p a r a t i o n s w i t h i n t h e two d i m e n s i o n a l p i x e l v a l u e v e c t o r s p a c e 81 4.3.1 % t o t a l c a r b o n p l o t t e d a g a i n s t r e f l e c t a n c e i n Band 4 s h o w i n g a n e g a t i v e c u r v i l i n e a r r e l a t i o n s h i p 89 4.3.2 R e g r e s s i o n : L o g OC v s r e f l e c t a n c e i n Band 4 95 4.3.3 R e g r e s s i o n : L o g N v s r e f l e c t a n c e i n Band 4 96. 4.3.4 D e n d r o g r a m s h o w i n g r e s u l t s f r o m c l u s t e r Q p n a n a l y s i s u s i n g s o i l s p e c t r a l r e f l e c t a n c e ^ <*p-d a t a 103 4.3.5 S p e c t r a l r e f l e c t a n c e c u r v e s o f s p e c t r a l c l a s s e s (A t o E) f r o m c l u s t e r a n a l y s i s 105 x i i F i g u r e Page 4.3.6 P a r a m e t e r s s e p a r a t e d b e t w e e n s o i l s p e c t r a l c l a s s e s i d e n t i f i e d by M a n n - W h i t n e y U - t e s t 106 4.3.7 S o i l p r o p e r t i e s a s d i s c r i m i n a n t s i n e a c h s p e c t r a l c l a s s (A t o E) 112 4.4.1 S c a t t e r d i a g r a m o f s o i l m o i s t u r e c o n t e n t p l o t a g a i n s t g r e e n f i l t e r p i x e l v a l u e s 116 4.4.2 S c a t t e r d i a g r a m o f % o r g a n i c c a r b o n p l o t t e d a g a i n s t r e d f i l t e r p i x e l v a l u e s 117 4.4.3 D e n d r o g r a m s h o w i n g r e s u l t s f r o m c l u s t e r a n a l y s i s u s i n g g r e e n a n d r e d f i l t e r p i x e l v a l u e d a t a 122 4.4.4 P i x e l v a l u e c l a s s e s (A t o D) s e p a r a t i o n w i t h i n t h e two d i m e n s i o n a l v e c t o r s p a c e ......125 4.4.5 P a r a m e t e r s s e p a r a t e d b e t w e e n p i x e l v a l u e c l a s s e s i d e n t i f i e d by M a n n - W h i t n e y U - t e s t 126 4.4.6 S p e c t r a l r e f l e c t a n c e c u r v e s o f p i x e l v a l u e c l a s s e s (A t o D) f r o m c l u s t e r a n a l y s i s 130 4.4.7 S o i l p r o p e r t i e s as d i s c r i m i n a n t s i n e a c h p i x e l v a l u e c l a s s (A t o D) 132 P l a t e 1. S t u d y S i t e 6 x i i i L I S T OF ABBREVIATIONS S y m b o l V a r i a b l e U n i t MC S o i l m o i s t u r e c o n t e n t % CF S o i l c o a r s e f r a c t o n (> 2 mm) % pH pH v a l u e i n 1:1 s o i l : w a t e r s o l u t i o n -TC T o t a l c a r b o n % OC O r g a n i c c a r b o n % CA E x c h a n g e a b l e Ca +cmol/kg MG E x c h a n g e a b l e Mg +cmol/kg K E x c h a n g e a b l e K +cmol/kg NA E x c h a n g e a b l e Na +cmol/kg CEC C a t i o n e x c h a n g e c a p a c t y +cmol/kg P A v a i l a b l e p h o s p h o r u s c o n t e n t /M3/9 N T o t a l n i t r o g e n % V M u n s e l l c o l o r v a l u e -CH M u n s e l l c o l o r c h roma -B4 L a n d s a t 1-3 MSS Band 4 (0.5 - 0.6;wm) -B5 L a n d s a t 1-3 MSS Band 5 (0.6 - 0 . Ijm) -B6 L a n d s a t 1-3 MSS Band 6 (0.7 - 0.8^pO -B7 L a n d s a t 1-3 MSS Band 7 (0.8 - 1 . yam) -RED Red f i l t e r p i x e l v a l u e ( c y a n d y e - l a y e r ) GREEN G r e e n f i l t e r p i x e l v a l u e ( m a g e n t a dye-- l a y e r ) -L n ( v a r i a b l e ) N a t u r a l l o g t r a n s f o r m e d v a r i a b l e -x i v A C K N O W L E D G E M E N T S P a r t i a l f u n d i n g f o r t h i s r e s e a r c h w a s p r o v i d e d b y t h e N a t u r a l S c i e n c e s a n d E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C o u n c i l o f C a n a d a ( N S E R C ) a n d t h e P o t a s h a n d P h o s p h a t e I n s t i t u t e . I a l s o g r a t e f u l l y a c k n o w l e d g e t h e s c h o l a r s h i p f r o m t h e C h i n e s e g o v e r n m e n t w h i c h p e r m i t t e d me t o s t u d y a t ' t h e U n i v e r s i t y o f B r i t i s h C o l u m b i a . I w i s h t o e x p r e s s my s i n c e r e t h a n k s t o my t h e s i s s u p e r v i s o r , D r . H a n s S c h r e i e r f o r h i s e s s e n t i a l g u i d a n c e a n d c o n t i n u o u s e n t h u s i a s m t h r o u g h o u t t h e c o u r s e o f t h i s s t u d y . T h a n k s a r e a l s o d u e f o r t h e i r e n c o u r a g e m e n t a n d v a l u a b l e s u g g e s t i o n s o f t h e t h e s i s t o t h e o t h e r m e m b e r s o f my g r a d u a t e c o m m i t t e e w h i c h i n c l u d e d D r s . L . M . L a v k u l i c h , A . A . B o m k e a n d P . A . M u r t h a . T h a n k s a r e e x t e n d e d t o P . S h a h a n d S . C r u d g e f o r t h e i r a s s i s t a n c e i n f i e l d s a m p l i n g a n d t o T . D . N g u y e n , P . C a r b i s , a n d E . W o l t e r s o n f o r t h e i r a s s i s t a n c e a n d g u i d a n c e i n l a b o r a t o r y a n a l y s i s . T e c h n i c a l a s s i s t a n c e o f N . K r a j c i a n d T . L e e i n t h e U B C C o m p u t a t i o n a l V i s i o n L a b o r a t o r y i s a l s o g r a t e f u l l y a c k n o w l e d g e d . F i n a l l y , my d e e p e s t a p p r e c i a t i o n i s r e s e r v e d f o r my w i f e , F a n g , f o r h e r u n d e r s t a n d i n g a n d e n c o u r a g e m e n t d u r i n g t w o y e a r s I h a d t o s t a y a w a y f r o m h e r , a n d f o r h e r a s s i s t a n c e a n d s u p p o r t i n w r i t i n g t h i s t h e s i s d u r i n g t h e f i n a l p e r i o d o f my s t u d y . x v C h a p t e r I INTRODUCTION A. PROBLEMS AND AIMS The s p a t i a l v a r i a b i l i t y o f s o i l c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f t e n l e a d s t o a s e r i o u s p r o b l e m i n s o i l f e r t i l i t y management. B e c k e t t a n d W e b s t e r (1971) i n t h e i r r e v i e w q u o t e m e d i a n c o e f f i c i e n t s o f v a r i a t i o n (CV) o f 35 p e r c e n t f o r o r g a n i c m a t t e r a n d t o t a l N, a n d 60 p e r c e n t f o r a v a i l a b l e K, P, Mg a n d Ca w i t h i n t o p s o i l s o f a g i v e n s o i l s e r i e s . F u r t h e r m o r e , t h e r e s u l t s t h e y c o n s i d e r show t h a t much o f t h e v a r i a b i l i t y i n a f i e l d o r l a n d s c a p e a s a w h o l e i s a l r e a d y p r e s e n t w i t h i n a d i s t a n c e o f a few m e t e r s . I n many c i r c u m s t a n c e s , f e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n b a s e d on mean s a m p l e v a l u e s i s i n a d e q u a t e a n d k n o w l e d g e o f s o i l v a r i a b i l i t y a n d i t s s u b s e q u e n t e f f e c t s on t h e p r e c i s i o n o f p r e d i c t i n g f i e l d f e r t i l i t y i s n e e d e d . The c o n v e n t i o n a l s t u d y o f s o i l v a r i a b i l i t y r e q u i r e s t h e c o l l e c t i o n a n d a n a l y s i s o f a v e r y l a r g e number of s o i l s a m p l e s , c h o s e n on a p r o b a b i l i t y b a s i s ( B a l l a n d W i l l i a m s , 1968, 1971; B e c k e t t a n d W e b s t e r , 1 9 7 1 ) . T h i s work i s l a b o r i o u s a n d t e d i o u s . C o n s e q u e n t l y i n f o r m a t i o n on s o i l v a r i a b i l i t y i s r a r e l y i n c l u d e d i n t h e s o i l t e s t / f e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n p r o g r a m s , n o t w i t h s t a n d i n g i t s i m p o r t a n c e . The d i f f i c u l t y i s t h e l a c k o f e f f i c i e n t m e t h o d s t o q u a n t i f y s o i l v a r i a b i l i t y . The t r a d i t i o n a l way o f u s i n g s t a n d a r d d e v i a t i o n s o r c o e f f i c i e n t s o f v a r i a t i o n a s a m e a s u r e o f 1 2 v a r i a b i l i t y g i v e s t h e m a g n i t u d e o r d e g r e e o f t h e v a r i a b i l i t y o f i n d i v i d u a l s o i l p r o p e r t i e s , b u t i t c a n n o t i n d i c a t e t h e s p a t i a l t r e n d s o f t h o s e p r o p e r t i e s n o r p r o v i d e a s i m p l e p i c t u r e o f c h a n g i n g s o i l p a t t e r n s . M u l t i v a r i a t e t e c h n i q u e s h a v e b e e n u s e d t o q u a n t i f y s o i l v a r i a b i l i t y . B a n k ( 1 9 8 4 ) u s e d a c l u s t e r a n a l y s i s t o d e t e r m i n e s o i l m a n a g e m e n t u n i t s w i t h i n f i e l d s i n o r d e r t o d e t e r m i n e d i f f e r e n t f e r t i l i z e r r e s p o n s e s , a n d t h e c l a s s i f i c a t i o n r e s u l t s w e r e f a i r l y s u c c e s s f u l . H o w e v e r , t h e l a c k o f c o n t i g u o u s n e s s o f u n i t m e m b e r s i n s o m e f i e l d s , a n d t h e n e e d f o r m o r e t h a n o n e P a n d K r e c o m m e n d a t i o n w i t h i n m a n y o f t h e c l u s t e r u n i t s r e d u c e d t h e p o s s i b l e p r a c t i c a l u s e s o f t h e s e u n i t s . F u r t h e r m o r e , t o p e r f o r m s u c h a n a l y s i s r e q u i r e s a l a r g e a m o u n t o f w o r k d e v o t e d t o s a m p l e a n a l y s i s , w h i c h i s l i k e l y t o d i s c o u r a g e t h e f r e q u e n t u s e o f t h i s a p p r o a c h . R e m o t e s e n s i n g h a s a c h i e v e d i n c r e a s i n g r e c o g n i t i o n a s b e i n g a b l e t o m a k e i m p o r t a n t c o n t r i b u t i o n s t o t h e s o l u t i o n o f m a n y r e s o u r c e r e l a t e d p r o b l e m s . R e m o t e s e n s i n g i m a g e s a r e c a p a b l e o f p r o v i d i n g a s p e c t r a l p i c t u r e s h o w i n g t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f e a r t h s u r f a c e f e a t u r e s . W i t h t h e a i d o f q u a n t i t a t i v e r e m o t e s e n s i n g t e c h n i q u e s i t i s l i k e l y p o s s i b l e t o q u a n t i f y t h e s p a t i a l p a t t e r n o f s o i l s a n d t o p r e d i c t s e l e c t i v e s o i l p r o p e r t i e s . S o f a r , f e w q u a n t i t a t i v e i n v e s t i g a t i o n s h a v e b e e n c a r r i e d o u t t o a s s e s s s o i l s p a t i a l v a r i a b i l i t y w i t h r e g a r d t o f e r t i l i t y s t a t u s . I t i s t h e a i m o f t h i s t h e s i s t o e x a m i n e s o i l v a r i a b i l i t y a n d f e r t i l i t y 3 c o n d i t i o n s i n a n a g r i c u l t u r a l f i e l d , l i n k i n g c o n v e n t i o n a l m e t h o d s w i t h m u l t i - v a r i a t e r e m o t e s e n s i n g t e c h n i q u e s . T h e s p e c i f i c o b j e c t i v e s a r e : 1 . T o d e t e r m i n e s o i l v a r i a b i l i t y a n d h o w i t a f f e c t s c o n v e n t i o n a l s o i l f e r t i l i t y a s s e s s m e n t s i n a n a g r i c u l t u r a l f i e l d w i t h a h i g h d e g r e e o f v a r i a b i l i t y . 2 . T o d i v i d e t h e f i e l d i n t o d i s t i n c t s o i l u n i t s w h i c h h a v e , d i f f e r e n t f e r t i l i z e r r e q u i r e m e n t s . 3 . T o q u a n t i f y t h e s o i l p a t t e r n f r o m a d i g i t a l a n a l y s i s o f - t h e d y e - l a y e r s f r o m c o l o r a e r i a l p h o t o g r a p h s . 4 . T o d e t e r m i n e i f s p e c t r a l r e f l e c t i o n m e a s u r e m e n t s a n d m u l t i - d y e l a y e r p i x e l v a l u e s o f s o i l s a m p l e s c a n b e u s e d t o d i f f e r e n t i a t e s o i l s w i t h d i f f e r e n t f e r t i l i t y s t a t u s . 5. T o r e l a t e a n d c o m p a r e t h e r e m o t e s e n s i n g d a t a w i t h d a t a o b t a i n e d f r o m c o n v e n t i o n a l a n a l y s i s o f s o i l s a m p l e s , s o a s t o d e t e r m i n e t h e p o t e n t i a l o f p r e d i c t i n g s o i l c h e m i c a l p r o p e r t i e s f r o m q u a n t i t a t i v e r e m o t e s e n s i n g t e c h n i q u e s . B . S T U D Y D E S I G N A n a g r i c u l t u r a l f i e l d w i t h a h i g h d e g r e e o f v a r i a b i l i t y w a s c h o s e n f o r t h i s s t u d y . T h e s o i l v a r i a b i l i t y w a s d e t e r m i n e d u s i n g c o n v e n t i o n a l , s t r a t i f i e d r a n d o m , a n d s e l e c t i v e s o i l s a m p l i n g t e c h n i q u e s . S i m u l t a n e o u s l y w i t h t h e s a m p l i n g a s e t o f c o l o r a e r i a l p h o t o g r a p h s w a s f l o w n . T h e c h e m i c a l a n d s p e c t r a l p r o p e r t i e s o f a l l t h e s o i l s a m p l e s w e r e t h e n e x a m i n e d i n t h e l a b o r a t o r y a n d r e l a t e d t o t h e 4 d y e - l a y e r p i x e l v a l u e s f r o m a e r i a l p h o t o g r a p h s . An o v e r v i e w o f t h e a n a l y s i s p r o c e d u r e i s p r o v i d e d i n F i g u r e 1.1. C. S I T E DESCRIPTION The s t u d y s i t e i s a f i e l d o f a p p r o x i m a t e l y 2.9 ha l o c a t e d n e a r t h e A b b o t s f o r d A i r p o r t i n t h e Lower F r a s e r V a l l e y , B r i t i s h C o l u m b i a , i m m e d i a t e l y n o r t h o f t h e C a n a d a - U n i t e d S t a t e s b o r d e r . The s o i l s i n t h i s f i e l d were mapped a s a p u r e u n i t b e l o n g i n g t o t h e A b b o t s f o r d s o i l s e r i e s ( L u t t m e r d i n g , 1 9 8 0 ) . The A b b o t s f o r d s o i l h a s g e n e r a l l y d e v e l o p e d f r o m 20 t o 50 cm o f m e d i u m - t e x t u r e d e o l i a n d e p o s i t s u n d e r l a i n by s t r a t i f i e d g r a v e l l y g l a c i a l o u t w a s h . The s u r f a c e a n d s u b s u r f a c e t e x t u r e i s m o s t l y s i l t l o a m , v a r y i n g s o m e t i m e s t o l o a m o r f i n e s a n d y l o a m where t h e s u r f a c e c a p p i n g i s t h i n . The u n d e r l y i n g g r a v e l a n d g r a v e l l y s a n d i s u s u a l l y s t o n y a n d c o n t a i n s l e n s e s o f c o a r s e a n d medium s a n d s . I n some p l a c e s , t r e e u p r o o t i n g a n d l a n d c l e a r i n g h a s m i x e d some g r a v e l s a n d s t o n e s i n t o t h e s u r f a c e s o i l s , a s i n t h e c a s e o f t h e s t u d y s i t e . The d r a i n a g e c l a s s e s a r e w e l l t o r a p i d l y d r a i n e d . S o i l c l a s s i f i c a t i o n i s O r t h i c H u m o - f e r r i c P o d z o l . The r e a s o n f o r s e l e c t i n g t h i s f i e l d a s a t e s t s i t e i s t h a t v e r y c o n t r a s t i n g s o i l s e x i s t w i t h i n t h e f i e l d a s a r e s u l t o f u n u s u a l c u l t i v a t i o n p r a c t i c e s . The a g r i c u l t u r a l u s e i n t h i s a r e a s t a r t e d i n 1970, s h o r t l y a f t e r t h e l a n d was c l e a r e d f r o m f o r e s t s i n 1969. L a n d c l e a r i n g l e f t t h e s o i l s on t h e s i t e w i t h a l a r g e number o f d i s t i n c t p a t c h e s : l i g h t , QUANTIFYING SOIL VARIABILITY AND SOIL FERTILITY USING CONVENTIONAL AND REMOTE SENSING TECHNIQUES CONVENTIONAL ANALYSIS BASED ON CHEMICAL ANALYSIS OF SOIL SAMPLES MEASURING SOIL SPATIAL PATTERN USING GREEN & RED FILTER PIXEL VALUES OF AERIAL PHOTO MEASURING SPECTRAL REFLECTION OF SOIL SAMPLES AND CLASSIFYING SPECTRAL CURVES I T I ^ x ^ CONVENTIONAL SOIL SAMPLING COMPOSITE SAMPLE SELECTIVE SAMPLING BASED ON VISUAL APPEARANCE OF SOILS STRATIFIED RANDOM SAMPLING TO COVER TEST SITE CONVENTIONAL ASSESSMENT OF SOIL VARIABILITY AND FERTILITY ANO COMPARISON OF THREE SAMPLING SCHEMES COMPARISON OF FERTILITY ASSESSMENTS FOR THREE SOIL TYPES FROM THE SELECTIVE SAMPLING ANALYSIS & CLASSIFICATION OF GREEN 8 RED FILTER PIXEL VALUES USING LEVEL SLICING, CATEGORIC AND MULTIVARIATE TECHNIQUES ANALYSIS ft CLASSIFICATION OF SPECTRAL PATTERN OF SOILS USING CATEGORIC AND MULTIVARIATE TECHNIQUES RELATIONSHIPS AND COMPARISON BETWEEN PIXEL VALUES AND CHEMICAL PROPERTIES AND MOISTURE CONTENT IN SOILS RELATIONSH BETWEEN SP PROPERT IPS ANO COMPARISON ECTRAL AND CHEMICAL IES IN SOILS a. WHAT IS THE MAGNITUDE OF SOIL VARIABILITY AND HOW DOES IT AFFECT CONVENTIONAL SOIL FERTILITY ASSESSMENT? b. CAN THE FIELD BE DIVIDED INTO DISTINCT SOIL UNITS WITH DIFFERENT FERTILITY REQUIREMENTS? COMPARING SPECTRAL MEASUREMENT WITH PIXEL VALUE ANALYSIS i : a. CAN SOIL SPECTRAL REFLECTION TECHNIQUES BE USED TO PREDICT SOIL CHEMICAL VARIABILITY? b. CAN PIXEL VALUE ANALYSIS BE USED TO QUANTIFY THE SPATIAL PATTERN OF THE SOILS? C CAN THESE METHODS BE USED IN COMBINATION TO QUANTIFY SOIL VARIABILITY AND COMPONENTS OF SOIL FERTILITY? F i g u r e 1.1 Study Design 6 g r a v e l l y a r e a s s h o w i n g t h e u n d e r l y i n g c o a r s e m a t e r i a l e x p o s e d , d a r k s u r f a c e s o i l s h a v i n g h i g h e r c o n t e n t o f o r g a n i c m a t t e r c a u s e d by b u r n e d t r e e r e s i d u e , a n d a v e r a g e brown s o i l s . T h e s e p a t t e r n s r e m a i n c l e a r l y v i s i b l e t o d a y a l t h o u g h t h e c o n t r a s t s h a v e b e e n m a r g i n a l l y r e d u c e d t h r o u g h t h e c u l t i v a t i o n . The f i e l d h a d p e a s grown on i t i n t h e p r e v i o u s y e a r , a n d was b a r e a t t h e t i m e o f s a m p l i n g . An a e r i a l v i e w o f t h e s t u d y s i t e i s p r o v i d e d i n p l a t e 1. •Pjp r 4 " PLATE 1. STUDY S I T E . C h a p t e r I I LITERATURE REVIEW A. THE DEVELOPMENT OF REMOTE SENSING 1. A E R I A L PHOTOGRAPHY R e s o u r c e m a n a g e r s r e q u i r e r a p i d a n d a c c u r a t e m e t h o d s t o a c q u i r e and i n t e r p r e t d a t a f o r t h e d e v e l o p m e n t and management o f o u r n a t u r a l r e s o u r c e s . S i n c e 1929 when r e m o t e l y s e n s e d d a t a i n t h e f o r m o f b l a c k and w h i t e p a n c h r o m a t i c a e r i a l p h o t o g r a p h s were f i r s t u s e d t o p r e p a r e b a s e maps f o r a s o i l s u r v e y i n I n d i a n a ( B u s h n e l l , 1 9 5 1 ) , a e r i a l p h o t o g r a p h s h a v e been c o n v e n t i o n a l l y u s e d by s o i l s c i e n t i s t s f o r s o i l - b o u n d a r y d e t e c t i o n , l a n d f o r m a n a l y s e s a n d v i s u a l p e r c e p t i o n o f t o n a l q u a l i t i e s a s s o c i a t e d w i t h t h e s p a t i a l p a t t e r n s o f s o i l s ( M y e r s , 1 9 8 3 ) . A e r i a l p h o t o g r a p h y h a s been shown c a p a b l e o f i n c r e a s i n g b o t h t h e s p e e d and a c c u r a c y o f s o i l m a p p i n g b e c a u s e o f t h e w e a l t h o f g r o u n d d e t a i l shown, t h e a v a i l a b i l i t y i n a r e a s o f d i f f i c u l t a c c e s s , a n d t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l v i e w o f t h e s o i l l a n d s c a p e ( S t o n e r a n d B a u m g a r d n e r , 1 9 8 0 ) . The m u l t i - s t a g e p h o t o g r a p h s were f o u n d s u i t a b l e f o r d i f f e r e n t l e v e l s o f d e t a i l i n t h e p r e p a r a t i o n o f l a r g e a s w e l l a s s m a l l s c a l e s o i l maps. R e p e t i t i v e a e r i a l i m a g e s a l s o p r o v e d u s e f u l i n i d e n t i f y i n g a n d m o n i t o r i n g s e a s o n a l and l o n g - t e r m c h a n g e s o f s o i l p a r a m e t e r s and p a t t e r n s ( M i l f r e d a n d K i e f e r , 1 9 7 6 ) . The d e v e l o p m e n t o f c o l o r a n d c o l o r 7 8 i n f r a r e d a e r i a l p h o t o g r a p h y e x p a n d e d t h e p o t e n t i a l s o f r e m o t e s e n s i n g f o r d i f f e r e n t i a t i n g t h e b o u n d a r i e s among s o i l t y p e s , i d e n t i f y i n g s o i l d r a i n a g e c h a r a c t e r i s t i c s a n d s l o p e s , a n d q u a n t i f y i n g o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t ( P a r r y e t a l . , 1 9 6 9 ) . N e a r i n f r a r e d f i l m h a s t h e a d v a n t a g e t h a t i t a l l o w s p e o p l e t o s e e p a s t t h e r a n g e ' o f t h e eye p e r c e p t i o n i n t o t h e i n f r a r e d r e g i o n o f t h e s p e c t r u m . 2. MULTISPECTRAL SCANNER S u c c e s s i n d i s c e r n i n g o b j e c t s w i t h a e r i a l p h o t o g r a p h y p r o m p t e d s c i e n t i s t s t o i n v e s t i g a t e more s o p h i s t i c a t e d r e m o t e s e n s i n g t e c h n i q u e s i n v o l v i n g d i g i t i z e d p h o t o g r a p h s , o p t i c a l -m e c h a n i c a l s c a n n e r s , a n d m u l t i - i m a g e s ( W e i s m i l l e r a n d K a m i n s k y , 1 9 7 8 ) . The a d v e n t o f i n s t r u m e n t s s u c h a s s p e c t r o r a d i o m e t e r s a n d m u l t i s p e c t r a l s c a n n e r s ( M S S ) a l o n g w i t h c o m p u t e r - a s s i s t e d p a t t e r n r e c o g n i t i o n t e c h n i q u e s f o r s o r t i n g a n d c l a s s i f y i n g q u a n t i t a t i v e m u l t i s p e c t r a l d a t a made i t p o s s i b l e t o e x t e n d t h e s t u d y o f t h e s p e c t r a l p r o p e r t i e s o f s o i l s b e y o n d t h e v i s i b l e p o r t i o n o f t h e s p e c t r u m a n d p r o v i d e d i n c r e a s e d i n f o r m a t i o n f o r s o i l s u r v e y . The t e c h n i q u e s f o r o v e r l a y i n g a n d a n a l y z i n g o f m u l t i - d a t e a n d m u l t i - i m a g e d a t a a l s o became a v a i l a b l e i n i n t e g r a t i n g e x i s t i n g s u r v e y s i n t o an u p d a t e d m o n i t o r i n g s y s t e m . P r e l i m i n a r y s t u d i e s o f s o i l m a p p i n g u s i n g a i r b o r n e m u l t i s p e c t r a l s c a n n e r d a t a i n d i c a t e d t h a t s o i l s u r f a c e c o n d i t i o n s , f r o m d a r k t o l i g h t s o i l s , c o u l d be mapped w i t h r e a s o n a b l e a c c u r a c y by c o m p u t e r t e c h n i q u e s ( K r i s t o f , 1 9 7 1 ) . 9 A n o t h e r i n v e s t i g a t i o n u s e d s i m i l a r m u l t i s p e c t r a l s c a n n e r d a t a t o d e l i n e a t e a n d map s u r f a c e s o i l s c o n t a i n i n g d i f f e r e n t l e v e l s o f s o i l o r g a n i c m a t t e r ( K r i s t o f e t . a l . , 1 9 7 3 ) . O t h e r s c i e n t i s t s s t u d i e d t h e i n t e r r e l a t i o n s h i p s among t h e s p e c t r a l r e s p o n s e s o f s o i l s a n d t h e i r p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s w i t h l a b o r a t o r y i n s t r u m e n t s (Obukhov a n d O r l o v , 1964; B o w e r s a n d H a n k s , 1965; S h i e l d s e t a l . , 1968; Beck e t a l . , 1976, Montgomery e t a l . , 1974, 1976; S c h r e i e r , 1977, 1985; S t o n e r a n d B a u m g a r d n e r , 1980; a n d V i n o g r a d o v , 1 9 8 1 ) . 3. LANDSAT IMAGERY The l a u n c h o f t h e L a n d s a t - 1 s a t e l l i t e i n 1972 began a new e r a i n t h e a c q u i s i t i o n a n d a v a i l a b i l i t y o f r e m o t e l y s e n s e d d a t a ( B a u m g a r d n e r , 1 9 8 2 ) . The L a n d s a t - 1 , -2 and -3 were e q u i p p e d w i t h t h e f o u r - c h a n n e l m u l t i s p e c t r a l s c a n n e r (MSS) a nd t h e t h r e e - c a m e r a r e t u r n beam v i d i c o n ( R B V ) . The MSS o b t a i n e d s p e c t r a l d a t a i n f o u r b a n d s ( 0 . 5 - 0.6 am, 0.6 0.7 um, 0.7 - 0.8 /xm a n d 0.8 - 1.1 Min) i n 18-day r e p e t i t i v e c y c l e s a n d v i e w e d a g r o u n d s w a t h a p p r o x i m a t e l y 185 km w i d e , w i t h a g r o u n d r e s o l u t i o n f o r e a c h p i x e l o f a b o u t 79 by 79 m. T h e s e d a t a were p r o c e s s e d t o p r o v i d e i m a g e s i n t h e f o r m o f v a r i o u s p h o t o g r a p h i c p r o d u c t s a s w e l l a s n u m e r i c a l f o r m a t m a g n e t i c t a p e s f o r d i g i t a l a n a l y s i s . L a n d s a t - 4 a n d -5 were a l s o l a u n c h e d i n 1982 and 1984 r e s p e c t i v e l y . I n a d d i t i o n t o t h e same f o u r b a nd MSS e m p l o y e d by t h e e a r l i e r L a n d s a t s , new e q u i p m e n t was a d d e d i n t h e f o r m o f t h e a d v a n c e d MSS c a l l e d t h e t h e m a t i c mapper (TM). T h i s 10 new s e n s o r s y s t e m o p e r a t e s o v e r s e v e n b a n d s i n c l u d i n g two new b a n d s i n t h e m i d - i n f r a r e d r e g i o n a n d one i n t h e t h e r m a l i n f r a r e d r e g i o n , a n d h a s a g r o u n d r e s o l u t i o n o f 30 m by 30 m f o r a l l r e f l e c t i v e b a n d s ( b a n d 1 t h r o u g h 5 a n d 7 ) . The i m p r o v e d s p e c t r a l , s p a t i a l a n d r a d i o m e t r i c r e s o l u t i o n o f TM c o m p a r e d t o e a r l i e r s e n s o r s p r o v i d e s t h e o p p o r t u n i t y t o e x a m i n e d e t a i l s , t h a t h a d p r e v i o u s l y been a v a i l a b l e o n l y f r o m a i r c r a f t - a c q u i r e d d a t a o v e r s m a l l a r e a s (Thompson a n d H e n d e r s o n , 1 9 8 4 ) . C e r t a i n u n i q u e c h a r a c t e r i s t i c s o f L a n d s a t i m a g e r y were r e c o g n i z e d a s a d v a n t a g e o u s o v e r a e r i a l p h o t o g r a p h s i n l o w i n t e n s i t y s o i l s u r v e y s f o r d e l i n e a t i o n o f s o i l a s s o c i a t i o n b o u n d a r i e s ( W e s t i n a n d F r a z e e , 1 9 7 6 ) . The mai n c h a r a c t e r i s t i c s a r e : 1) t h e s y n o p t i c v i e w o f a l m o s t 3.4 m i l l i o n ha on w h i c h t h e c o n d i t i o n s o f s o i l s a n d v e g e t a t i o n were r e c o r d e d a t a l m o s t same moment a n d c o u l d be c o m p a r e d a c r o s s t h e e n t i r e s c e n e ; 2) t h e n e a r - o r t h o g r a p h i c c h a r a c t e r o f t h e s c e n e s , a l l o w i n g f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f m o s a i c s a n d t h e o v e r l a y i n g o f a n c i l l a r y maps w i t h l i t t l e d i s t o r t i o n ; 3) t h e m u l t i s p e c t r a l c a p a b i l i t y , p e r m i t t i n g e s t a b l i s h m e n t o f u n i q u e s i g n a t u r e s f o r v e g e t a t i o n a n d s o i l - r e l a t e d f e a t u r e s , a n d 4) t h e t e m p o r a l f e a t u r e f o r t h e s t u d y o f m u l t i s p e c t r a l c h a n g e s i n t h e s o i l / v e g e t a t i o n c o m p l e x w i t h t i m e . The a p p l i c a t i o n o f L a n d s a t d a t a t o s o i l i n v e s t i g a t i o n h a s p r o g r e s s e d b e y o n d t h e r e s e a r c h s t a g e t o be u s e d i n e x t e n s i v e s o i l s u r v e y s , g e n e r a l l y c o n d u c t e d a t t h e r e c o n n a i s s a n c e l e v e l ( M y e r s , 1 9 8 3 ) . 11 Remote s e n s i n g a s an a i d i n d e l i n e a t i n g s o i l d i f f e r e n c e s f o r s o i l s u r v e y s a n d d e t e c t i n g s p e c i a l s o i l p r o b l e m s s u c h a s s o i l e r o s i o n a n d s a l i n i t y w i l l c o n t i n u e t o d e v e l o p w i t h f u r t h e r i m p r o v e m e n t s i n s e n s o r s a n d d a t a p r o c e s s i n g t e c h n i q u e s a n d b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e s p e c t r a l p r o p e r t i e s o f t h e s o i l a n d t h e i r r e l a t i o n t o i m p o r t a n t p h y s i c a l , c h e m i c a l a n d s i t e c h a r a c t e r i s t i c s . B. REMOTE SENSING TECHNIQUES Remote s e n s i n g i s t h e a c q u i s i t i o n o f i n f o r m a t i o n a b o u t an o b j e c t w i t h o u t p h y s i c a l c o n t a c t ( C o l w e l l , 1 9 8 3 ) . A l t h o u g h many f o r m s o f r e m o t e l y s e n s e d i n f o r m a t i o n e x i s t , p h o t o g r a p h y , s c a n n e r s a n d r a d a r a r e c o n s i d e r e d a s t h e m a j o r c o m p o n e n t s i n any e a r t h r e s o u r c e r e m o t e s e n s i n g p a c k a g e . The r e m o t e l y s e n s e d d a t a c a n be g a t h e r e d f r o m t h e g r o u n d , b u t most commonly f r o m a i r c r a f t a n d s a t e l l i t e s o u r c e s , a n d p r o c e s s e d e i t h e r m a n u a l l y o r a u t o m a t i c a l l y by c o m p u t e r - a s s i s t e d a n a l y s e s . O n l y t h o s e r e m o t e s e n s i n g t e c h n i q u e s p e r t a i n i n g t o t h i s s t u d y a r e r e v i e w e d . 1. BASIC CONCEPTS The d e t e c t i o n , r e c o r d i n g a n d a n a l y s i s o f i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e s u b j e c t a n d e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n i s t h e f o u n d a t i o n o f r e m o t e s e n s i n g . M o s t r e m o t e s e n s i n g t e c h n i q u e s i n v o l v e t h e u s e o f d i f f e r e n t w a v e l e n g t h s o f e l e c t r o m a g n e t i c e n e r g y t h a t a r e r e f l e c t e d o r e m i t t e d f r o m t h e s e n s e d o b j e c t 12 a s t h e means o f m e a s u r i n g t a r g e t c h a r a c t e r i s t i c s . The e l e c t r o m a g n e t i c s p e c t r u m i s a c o n t i n u u m o f e l e c t r i c a n d m a g n e t i c w a v e l e n g t h s w h i c h i s s u b d i v i d e d i n t o v a r i o u s b a n d s o r s p e c t r a l r e g i o n s , s u c h a s X - r a y , u l t r a v i o l e t , v i s i b l e , i n f r a r e d , a n d m i c r o w a v e . The l e v e l o f e n e r g y r e f l e c t e d o r e m i t t e d f r o m o b j e c t s n o r m a l l y v a r i e s w i t h f r e q u e n c y o r w a v e l e n g t h t h r o u g h o u t t h e e l e c t r o m a g n e t i c s p e c t r u m . The s p e c t r a l b e h a v i o r , o r ' s i g n a t u r e ' o f t h e imaged o b j e c t i s c h a r a c t e r i z e d by t h e d i f f e r e n c e i n t h e amount o f e n e r g y i n c i d e n t upon a n d r e f l e c t e d f r o m t h e o b j e c t , a l o n g w i t h t h e w a v e l e n g t h s e n s i t i v i t y o f t h e s e n s o r a t t h e t i m e t h e image i s a c q u i r e d ( E s t e s , 1 9 8 3 ) . A u n i q u e s i g n a t u r e o f an o b j e c t , t h e r e f o r e , c a n o f t e n be i d e n t i f i e d by s e l e c t i v e r e c o r d i n g o f e n e r g y w i t h i n p a r t i c u l a r w a v e l e n g t h b and o r b a n d s . T h a t i s one o f t h e most i m p o r t a n t f e a t u r e s o f m u l t i b a n d , m u l t i s p e c t r a l r e m o t e s e n s i n g . T y p i c a l s p e c t r a l c u r v e s h a v e been p l o t t e d f o r t h r e e b a s i c t y p e s o f e a r t h f e a t u r e s : g r e e n v e g e t a t i o n , b a r e s o i l , a n d w a t e r ( F i g u r e 2 . 1 ) . The h o r i z o n t a l a x i s r e p r e s e n t s w a v e l e n g t h s i n t h e v i s i b l e a n d r e f l e c t i v e i n f r a r e d p o r t i o n s o f t h e e l e c t r o m a g n e t i c s p e c t r u m . The v e r t i c a l a x i s r e p r e s e n t s t h e i n t e n s i t y o f r e f l e c t e d e n e r g y o r r e f l e c t a n c e a s m e a s u r e d by a s p e c t r o r a d i o m e t e r . T h e s e c u r v e s r e v e a l t h a t t h e r e a r e c e r t a i n w a v e l e n g t h s t h a t a r e much b e t t e r t h a n o t h e r s f o r s e p a r a t i n g g r e e n v e g e t a t i o n , s o i l a n d w a t e r . H o w e v e r , s p e c t r a l a n a l y s i s becomes more d i f f i c u l t a n d 13 • • N • • • * • • 1 • .5 .7 .9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 2 . 0 2.3 2.5 . Wave I ength[»nnill Figure 2.1 Typical s p e c t r a l curves of green vegetation, bare s o i l , and water. (Adapted from Baumgardner, 1982) s o p h i s t i c a t e d when t h e o b j e c t i v e i s t o c l a s s i f y t h e g r o u n d s c e n e i n t o d i f f e r e n t s u b c a t e g o r i e s o f g r e e n v e g e t a t i o n , s o i l a n d w a t e r . A n o t h e r use o f s p e c t r a l c u r v e s i s t o p r o v i d e a c o m p a r i s o n s t a n d a r d f o r i d e n t i f y i n g s p e c t r a o f unknown f e a t u r e s . The s p e c t r a l b e h a v i o r s o f m a t e r i a l s d e r i v e f r o m a s e r i e s o f c o m p l e x i n t e r n a l a n d e x t e r n a l i n t e r a c t i o n s b e t w e e n e n e r g y - m a t t e r - e n v i r o n m e n t . L a b o r a t o r y s t u d i e s o f v i s i b l e a n d i n f r a r e d s p e c t r a ; o f m i n e r a l s , r o c k s a n d s o i l s were i n i t i a t e d i n t h e l a t e 1960's (Hunt a n d R o s s , 1967; Hunt a n d S a l i s b u r y , 1970, 1971; Hunt e t a l . 1 9 7 1 ) . They r e v e a l e d t h a t i n t r i n s i c s p e c t r a l p r o p e r t i e s o f m a t e r i a l s were c a u s e d by a v a r i e t y o f 1 4 e l e c t r o n i c a n d v i b r a t i o n a l p r o c e s s e s . E l e c t r o n i c p r o c e s s i s t h e e l e c t r o n t r a n s f o r m a t i o n f r o m one i o n t o a n o t h e r , a b s o r b i n g o r r e f l e c t i n g e l e c t r o m a g n e t i c e n e r g y . T h i s p r o c e s s n o r m a l l y p r o d u c e s b r o a d band c h a n g e s i n v i s i b l e w a v e l e n g t h . V i b r a t i o n a l p r o c e s s i s t h e e x c i t a t i o n o f t h e f u n d a m e n t a l mode o f a n i o n s w i t h i n t h e c r y s t a l l i n e s t r u c t u r e . T h i s p r o c e s s o f t e n p r o d u c e s r e l a t i v e l y s h a r p b a n d s , more f r e q u e n t l y i n t h e i n f r a r e d r e g i o n . T h e s e two p r o c e s s e s c h a n g e r e f l e c t a n c e s p e c t r a o f m a t e r i a l s i n t h e f o r m o f ban d s and s l o p e s , p r o v i d i n g t h e b a s i s f o r t h e measurement o f t h e s p e c t r a l p r o p e r t i e s o f t h e m i n e r a l a n d s o i l c o n s t i t u e n t s . 2. SPECTRORADIOMETRIC MEASUREMENT D e t e c t i o n a n d r e c o r d i n g o f s p e c t r a l r e s p o n s e s o f o b j e c t s t o r a d i a n t e n e r g y c a n be p e r f o r m e d e i t h e r p h o t o g r a p h i c a l l y a s i n t h e c a s e o f a e r i a l p h o t o g r a p h y o r e l e c t r o n i c a l l y a s i n t h e c a s e s u s i n g r a d i o m e t e r s o r s c a n n e r s . One o f t h e commonly u s e d t e c h n i q u e s f o r r e m o t e l y s e n s e d d a t a a c q u i s i t i o n i n t h e l a b o r a t o r y a n d f i e l d i s t h e s p e c t r o r a d i o m e t r i c measurement o f s o i l r e f l e c t a n c e . The s p e c t r o r a d i o m e t r i c t e c h n i q u e i s t o d e t e r m i n e o r m e a s u r e t h e s p e c t r a l p r o p e r t i e s o f o b j e c t s i n t e r m s o f t o t a l r e f l e c t a n c e o r r e f l e c t a n c e f a c t o r ( S t o n e r a n d B a u m g a r d n e r , 1980) , o r c o e f f i c i e n t o f s p e c t r a l r a d i a n c e ( V i n o g r a d o v , 1981) . A r e f l e c t a n c e f a c t o r i s d e f i n e d a s t h e r a t i o o f t h e r a d i a n t f l u x a c t u a l l y r e f l e c t e d by a s a m p l e s u r f a c e t o t h a t r e f l e c t e d by an i d e a l , p e r f e c t l y r e f l e c t i n g , p e r f e c t l y 15 d i f f u s i n g s t a n d a r d s u r f a c e , i r r a d i a t e d i n e x a c t l y t h e same way a s t h e s a m p l e ( R o b i n s o n a n d B i e h l , 1 9 7 9 ) . The m e a s u r e d r e f l e c t a n c e v a l u e , o f t e n e x p r e s s e d i n p e r c e n t a g e , o f a t a r g e t s u r f a c e f o r a g i v e n w a v e l e n g t h w i l l d e p e n d on t h e g e o m e t r y o f t h e a r r a n g e m e n t o f r a d i a t i o n s o u r c e , s u r f a c e and d e t e c t o r ; t h e p o l a r i z a t i o n o f t h e i r r a d i a n c e ; a nd t h e s p e c t r a l d i s t r i b u t i o n o f t h e i r r a d i a n c e a t t h e s u r f a c e ( C o l w e l l , 1983) S i n c e t h e d i r e c t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r e f l e c t i o n p r o c e s s a r e c r u c i a l t o r e m o t e s e n s i n g s t u d i e s , a m e t hod o f m e a s u r i n g t h e b i d i r e c t i o n a l r e f l e c t a n c e f a c t o r (BRF) h a s been d e v o l p e d i n t h e L a b o r a t o r y f o r A p p l i c a t i o n s o f Remote S e n s i n g a t P u r d u e U n i v e r s i t y a nd become a s t a n d a r d p r o c e d u r e i n t h e s t u d y o f s o i l s p e c t r a l p r o p e r t i e s ( S t o n e r a n d B a u m g a r d n e r , 1 9 8 0 ) . F o r s m a l l f i e l d s o f v i e w ( l e s s t h a n 20 s o l i d a n g l e ) t h e t e r m b i d i r e c t i o n a l r e f l e c t a n c e f a c t o r h a s been u s e d t o d e s c r i b e t h e m e a s u r e m e n t : one d i r e c t i o n b e i n g a s s o c i a t e d w i t h t h e v i e w i n g a n g l e and t h e o t h e r d i r e c t i o n b e i n g t h e s o l a r z e n i t h a n d a z i m u t h a n g l e s . ( R o b i n s o n a n d B i e h l , 1 9 7 9 ) . A BRF r e f l e c t o m e t e r d e v e l o p e d a s an a c c e s s o r y t o a f i e l d s p e c t r o r a d i o m e t e r p e r m i t s t h e measurement o f v a r i a b l e i n c i d e n t i r r a d i a n c e o f a h o r i z o n t a l l y p l a c e d s o i l s u r f a c e . I n t h i s manner, s p e c i a l l y p r e p a r e d s o i l s a m p l e s c a n be i r r a d i a t e d a nd v i e w e d f r o m a b o v e , t h u s s i m u l a t i n g t h e r e m o t e s e n s i n g s i t u a t i o n a s c l o s e l y a s p o s s i b l e . Q u a n t i t a t i v e m e a s u r e m e n t s o f s o i l r e f l e c t a n c e u s i n g t h i s i n s t r u m e n t s e t u p h a v e been s u c c e s s f u l i n r e l a t i n g BRF t o i m p o r t a n t s o i l 16 p r o p e r t i e s ( B e c k e t a l . , 1976; Montgomery a n d B a u m g a r d n e r , 1974; Montgomery e t a l . , 1976; S t o n e r and B a u m g a r d n e r , 1980; L a t z e t a l . , 1981) The t e c h n i c a l b a s i s f o r BRF m e a s u r e m e n t s a l l o w s f o r d i r e c t c o m p a r i s o n o f f i e l d - c o l l e c t e d d a t a w i t h l a b o r a t o r y - c o l l e c t e d d a t a when a s t a n d a r d c a l i b r a t i o n p r o c e d u r e i s c l o s e l y f o l l o w e d ( S t o n e r a n d B a u m g a r d n e r , 1 9 8 0 ) . F i e l d a n d l a b o r a t o r y c a l i b r a t i o n p r o c e d u r e s c o n s i s t o f a c o m p a r i s o n o f t h e r e s p o n s e o f t h e i n s t r u m e n t v i e w i n g t h e s u b j e c t t o t h e r e s p o n s e o f t h e i n s t r u m e n t v i e w i n g a l e v e l r e f e r e n c e s u r f a c e , o f t e n b a r i u m s u l f a t e . E x p e r i m e n t a l r e s u l t s v e r i f i e d t h e v a l i d i t y o f c o m p a r i n g l a b o r a t o r y - m e a s u r e d s o i l s p e c t r a u n d e r c o n t r o l l e d m o i s t u r e e q u i l i b r i a t o f i e l d - m e a s u r e d s o i l s p e c t r a l r e s p o n s e o f b a r e m o i s t s o i l s f r o m I n d i a n a ( S t o n e r e t a l . , 1 9 8 0 ) . I n a d d i t i o n t o l a b o r a t o r y m e a s u r e m e n t s o f s o i l s p e c t r a l p r o p e r t i e s , s i m i l a r s p e c t r o r a d i o m e t r i c t e c h n i q u e s h a v e been e x t e n d e d t o o b t a i n t h e m u l t i s p e c t r a l d a t a o f s o i l s a n d v e g e t a t i o n c a n o p y i n t h e f i e l d (Gausman e t a l . , 1975, 1977; S t o n e r e t a l . , 1 9 8 0 ) , f r o m t h e a i r ( S c h r e i e r , 1977; K o n d r a t y e v and F e d c h e n k o , 1982; K o n d r a t y e v e t a l . , 1983; H u e t e e t a l . , 1984, 1985) a n d u s e d t o s i m u l a t e a n d compare t o L a n d s a t d i g i t a l d a t a ( C i p r a e t a l . , 1980; Thompson e t a l . , 1 9 8 3 ) . R e s u l t s showed t h a t t h e l a b o r a t o r y a n d f i e l d m e a s u r e m e n t s o f s o i l r e f l e c t a n c e c o u l d be u s e d a s r e l i a b l e g r o u n d r e f e r e n c e s o r c a l i b r a t i o n b a s i s f o r t h e c h a r a c t e r i z a t i o n o f s o i l s f r o m a i r - a n d s p a c e - b o r n e 17 m u l t i s p e c t r a l m e a s u r e m e n t s (May a n d P e t e r s o n , 1975; C i p r a e t a l . , 1 9 8 0 ) . 3. D I G I T A L ANALYSIS OF A E R I A L PHOTOGRAPHIC DENSITY B e f o r e t h e m i d 6 0 ' s , most r e m o t e s e n s i n g s p e c i a l i s t s u s e d a e r i a l p h o t o g r a p h s f r o m m u l t i s p e c t r a l c a m e r a s a n d m a n u a l p h o t o i n t e r p r e t a t i o n w i t h some s i m p l e c l a s s i c a l i n s t r u m e n t s s u c h a s s t e r e o s c o p e s t o r e c o g n i z e s c e n e f e a t u r e s and e x t r a c t r e q u i r e d i n f o r m a t i o n . A b l a c k - a n d - w h i t e p h o t o g r a p h i c p r i n t i s an image c o n t a i n i n g a c o n t i n u u m o f s h a d e s o f g r a y . The p h o t o g r a p h i c d e n s i t y a t a n y p o i n t i n t h e image i s a m e asure o f t h e i n t e g r a t e d b r i g h t n e s s o r r e l a t i v e r e f l e c t a n c e , i n t h e v i s i b l e a n d / o r i n f r a r e d b a n d o f w a v e l e n g t h s , o f t h e c o r r e s p o n d i n g a r e a i n t h e r e f e r e n t w o r l d s c e n e ( K e l l e y , 1 9 8 3 ) . The image i s , t h e r e f o r e , an a n a l o g m o d e l o f t h e s c e n e , i n w h i c h r e l e v a n t w o r l d b r i g h t n e s s i s m o d e l l e d a s s h a d e s o f v i s u a l g r a y i n t h e image. T h e s e a n a l o g m o d e l s c o n t a i n t h e w e a l t h o f i n f o r m a t i o n t h a t c a n be e x t r a c t e d by s k i l l e d i n t e r p r e t e r s . They c a n be m a n i p u l a t e d p h o t o g r a p h i c a l l y t o i s o l a t e a r e a s o f s i m i l a r g r a y l e v e l s o r t o e n h a n c e t h e z o n e s where p h o t o g r a p h i c d e n s i t y c h a n g e s r a p i d l y . W i t h t h e d e v e l o p m e n t o f d i g i t a l c o m p u t e r a n d a n a l y s i s t e c h n i q u e s d u r i n g . t h e p a s t two d e c a d e s , c o m p u t e r - a s s i s t e d image a n a l y s i s h a s now become p o s s i b l e , p r o v i d i n g t h e c a p a b i l i t y t o s t o r e , r e t r i e v e , a n a l y z e a n d i n t e r p r e t . v a s t q u a n t i t i e s o f m u l t i s p e c t r a l i m a g e s f r o m a i r c r a f t a n d s a t e l l i t e s . 18 Any image may be t h o u g h t o f a s c o n s i s t i n g o f t i n y e q u a l a r e a s c a l l e d p i c t u r e e l e m e n t s o r p i x e l s a r r a n g e d i n r e g u l a r l i n e s a n d c o l u m n s . . The b r i g h t n e s s o f e a c h p i x e l h a s a n u m e r i c a l v a l u e r a n g i n g f r o m z e r o f o r b l a c k t o some h i g h e r number f o r w h i t e . An image may be r e c o r d e d o r i g i n a l l y i n d i g i t a l f o r m a t , a s i n t h e c a s e o f L a n d s a t MSS, w i t h n u m e r i c a l t e r m s on a t h r e e - c o o r d i n a t e s y s t e m w i t h X and Y l o c a t i n g e a c h p i x e l a n d Z g i v i n g t h e p i x e l b r i g h t n e s s v a l u e . An a n a l o g image r e c o r d e d i n i t i a l l y on p h o t o g r a p h i c f i l m may be c o n v e r t e d i n t o n u m e r i c a l f o r m a t by a p r o c e s s known a s d i g i t i z a t i o n . H i g h - s p e e d s c a n n i n g m i c r o d e n s i t o m e t e r s a r e a v a i l a b l e f o r t h i s t a s k a n d c a p a b l e o f d i g i t i z i n g image p i x e l s a s s m a l l a s 50 nm by 50 Mm s q u a r e . An o r d i n a r y 35mm s l i d e d i g i t i z e d t o t h i s r e s o l u t i o n w o u l d c o n t a i n a p p r o x i m a t e l y 323,000 p i x e l s i n a p i x e l m a t r i x . A m u l t i b a n d image may be d i g i t i z e d i n t o s e v e r a l p i x e l m a t r i c e s , e a c h c o n t a i n i n g r e l a t i v e r e f l e c t a n c e o r b r i g h t n e s s v a l u e s f o r a d i f f e r e n t b a n d o f t h e s p e c t r u m . T h u s , a n o r m a l c o l o r a e r i a l p h o t o g r a p h c a n be c o n v e r t e d i n t o a t l e a s t t h r e e p i x e l m a t r i c e s a c c o r d i n g t o i t s b r i g h t n e s s v a l u e s o f t h r e e d y e - l a y e r s : y e l l o w , magenta and c y a n , a n d one m a t r i x r e s u l t s f r o m t h e d i g i t i z a t i o n o r s c a n n i n g w i t h one o f t h e t h r e e -f i t l t e r s : b l u e , g r e e n a n d r e d . R e s u l t i n g p i x e l m a t r i x d a t a a r e u s u a l l y r e c o r d e d on c o m p u t e r - c o m p a t i b l e t a p e s a n d may be r e a d i n t o a c o m p u t e r f o r v a r i o u s . p r o c e s s i n g o p e r a t i o n s . One o f t h e s i m p l e s t m e t h o d s o f d i g i t a l a n a l y s i s i s c a l l e d d e n s i t y s l i c i n g w h i c h o n l y d e a l s w i t h one p i x e l 19 m a t r i x o r s i n g l e - c h a n n e l d a t a . D e n s i t y s l i c i n g b r o a d l y r e f e r s t o a p r o c e s s t h a t c o n v e r t s t h e c o n t i n u o u s g r a y t o n e o f an image i n t o a s e r i e s o f d e n s i t y i n t e r v a l s , e a c h c o r r e s p o n d i n g t o a s p e c i f i e d d i g i t a l r a n g e ( S a b i n s , 1 9 7 8 ) . E a c h d i g i t a l s l i c e may be d i s p l a y e d i n a s e p a r a t e c o l o r , a s l i n e p r i n t e r s y m b o l s o r b o u n d e d by c o n t o u r l i n e s . T h i s t e c h n i q u e i s u s e d t o i d e n t i f y w h e r e , w i t h i n t h e s c e n e , t h e a r e a o f i n t e r e s t i s l o c a t e d . I t c a n a l s o be e m p l o y e d a s a s i m p l e c l a s s i f i c a t i o n p r o c e d u r e t o s e p a r a t e t h e f e a t u r e s w i t h d i f f e r e n t s p e c t r a l r e s p o n s e s . Some f e a t u r e s , s u c h a s w a t e r , c a n be i s o l a t e d s u c c e s s f u l l y by d e n s i t y s l i c i n g . Many f e a t u r e s a r e n o t n e a r l y s o homogeneous. V a r i a t i o n s i n t i m e , g r o w i n g s e a s o n , s p a t i a l l o c a t i o n , a n d o t h e r f a c t o r s o c c u r . T h us s i n g l e - c h a n n e l d e n s i t y s l i c i n g a s a c l a s s i f i c a t i o n l o g i c i s l i k e l y t o be l e s s d e p e n d a b l e t h a n t h e m u l t i c h a n n e l m e t h o d o l o g y ( K e l l e y , 1 9 8 3 ) . 4. COMPUTER-ASSI STEP PATTERN RECOGNITION TECHNIQUES The a n a l y s i s o f m u l t i c h a n n e l r e m o t e s e n s i n g i m a g e s c a n be a c c o m p l i s h e d by c o m p u t e r - i m p l e m e n t e d p a t t e r n r e c o g n i t i o n t e c h n i q u e s . One o f t h e most i m p o r t a n t a p p l i c a t i o n s o f t h e s e t e c h n i q u e s i s t o g r o u p d a t a p o i n t s ( p i x e l s ) w i t h s i m i l a r s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c s i n t o s p e c t r a l c l a s s e s r e p r e s e n t i n g d i f f e r e n t o b j e c t s o r f e a t u r e s . The m u l t i s p e c t r a l c l a s s i f i c a t i o n by p a t t e r n r e c o g n i t i o n t e c h n i q u e s n o t o n l y e x a m i n e t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t h e b r i g h t n e s s o r r e f l e c t a n c e v a l u e f o r a g i v e n p i x e l a n d i t s s p a t i a l 20 n e i g h b o r s i n a g i v e n b a n d b u t a l s o c o m p a r e t h a t v a l u e w i t h i t s s p e c t r a l n e i g h b o r s , t h a t i s , t h e p i x e l v a l u e s a t t h e s a m e s p a t i a l l y r e g i s t e r e d l o c a t i o n i n t h e p i x e l m a t r i c e s o f a l l o t h e r b a n d s . T h e b a s i s o f m u l t i s p e c t r a l c l a s s i f i c a t i o n i s i l l u s t r ' u c t e d i n F i g u r e 2 . 2 u s i n g t h e s a m e d a t a f o r p l o t t i n g t h e s p e c t r a l c u r v e s i n F i g u r e 2 . 1 . T h e r e f l e c t a n c e v a l u e s f o r e a c h l a n d s c a p e f e a t u r e ( v e g e t a t i o n , s o i l , w a t e r ) a t t h r e e d i f f e r e n t w a v e l e n g t h s , r e p r e s e n t e d b y X 1 f X 2 , a n d X 3 , w e r e p l o t t e d i n t h r e e - d i m e n s i o n a l s p a c e . S p e c t r a l s e p a r a t i o n b e t w e e n t h e c l a s s e s i s o b v i o u s . D u r i n g t h e c l a s s i f i c a t i o n , t h e c o m p u t e r r e t r i e v e s t h e t h r e e v a l u e s f o r e a c h p i x e l a n d d e t e r m i n e s t h e p o s i t i o n o f t h i s d a t a p o i n t i n t h e c l a s s i f i c a t i o n s p a c e a n d , f i n a l l y , a s s i g n s e a c h o f t h e d a t a p o i n t s t o o n e o f t h e r e s u l t i n g c a t e g o r i e s " a c c o r d i n g t o a p p r o p r i a t e a l g o r i t h m s d e v e l o p e d f o r a n a l y s i s o f m u l t i s p e c t r a l d a t a . A l t h o u g h h u m a n e x p e r i e n c e i s l i m i t e d b o o n l y t h r e e - d i m e n s i o n a l p e r c e p t i o n , t h e c o m p u t e r c a n o p e r a t e i n n - d i m e n s i o n a l s p a c e a n d e x a m i n e v a s t q u a n t i t i e s o f m u l t i s p e c t r a l d a t a s u c h a s L a n d s a t M S S a n d T M d a t a . P a t t e r n r e c o g n i t i o n t e c h n i q u e s g e n e r a l l y f o l l o w o n e o f t w o a p p r o a c h e s . O n e a p p r o a c h , c l u s t e r i n g o r n o n - s u p e r v i s e d c l a s s i f i c a t i o n , u s e s a m a t h e m a t i c a l a l g o r i t h m t o d i r e c t t h e c o m p u t e r t o e x a m i n e t h e s p e c t r a l d a t a f o r t h e a r e a o f i n t e r e s t a n d t o a s s i g n e a c h p i x e l t o a c l u s t e r o f p i x e l s h a v i n g s i m i l a r s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c s . T h e n u m b e r o f c l u s t e r c l a s s e s t o b e s p e c t r a l l y s e p a r a t e d g e n e r a l l y i s s e t 21 h Figure 2.2 Spectral separation of green vegetation, bare s o i l , and water in three-dimentional space. (Adapted from Baumgardner, 1982) a r b i t r a r i l y by t h e a n a l y s t a n d may o r may n o t be d e t e r m i n e d by t h e a n a l y s t ' s p r i o r k n o w l e d g e o f t h e a r e a b e i n g a n a l y z e d . I n t h e a n o t h e r a p p r o a c h , s u p e r v i s e d c l a s s i f i c a t i o n , t h e a n a l y s t p r o v i d e s t h e c o m p u t e r w i t h a s p e c t r a l d e f i n i t i o n i n t h e f o r m o f a s e t o f t r a i n i n g s a m p l e s o f known i d e n t i t y f r o m s p e c i f i c a d d r e s s e s w i t h i n t h e m u l t i s p e c t r a l d a t a . The q u a l i t y o f t h e r e s u l t i n g s u p e r v i s e d c l a s s i f i c a t i o n d e p e n d s on t h e s p e c t r a l s e p a r a b i l i t y o f t h e d e s i r e d c l a s s e s w i t h e x i s t i n g s p e c t r a l d a t a a n d on t h e d e g r e e t o w h i c h t h e t r a i n i n g s a m p l e s s e l e c t e d by t h e a n a l y s t r e p r e s e n t t h e f e a t u r e s t o be c l a s s i f i e d ( B a u m g a r d n e r , 1 9 8 2 ) . 22 The m u l t i s p e c t r a l a n a l y s i s by c o m p u t e r - a s s i s t e d p a t t e r n r e c o g n i t i o n t e c h n i q u e s was i n i t i a t e d i n t h e e a r l y 1970's by a g r o u p o f s c i e n t i s t s a t P u r d u e U n i v e r s i t y ( A l - A b b a s e t a l . , 1972; B a u m g a r d n e r e t a l . , 1970; K r i s t o f , 1971; K r i s t o f a n d Z a c h a r y , 1974; K r i s t o f e t a l . , 1973, 1 9 7 5 ) . U s i n g a i r b o r n e m u l t i s p e c t r a l s c a n n i n g d a t a , t h e s p e c t r a l maps were p r o d u c e d a n d r e l a t e d t o i m p o r t a n t s o i l p r o p e r t i e s a n d c o n d i t i o n s s u c h a s t h e l e v e l s o f o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t , d r a i n a g e c l a s s e s , p a r e n t m a t e r i a l s , a s w e l l a s s o i l t y p e s . S u c h i n v e s t i g a t i o n s were f u r t h e r e x t e n d e d by u s i n g L a n d s a t MSS a n d TM ( W e i s m i l l e r e t a l . , 1977; K i r s c h n e r e t a l . , 1978; Thompson e t a l . , 1981, 1983) and o t h e r s a t e l l i t e d a t a ( K o n d r a t y e v a n d F e d c h e n k o , 1 9 8 0 ) , a l o n g w i t h c e r t a i n a n c i l l a r y d a t a s u c h a s a e r i a l p h o t o g r a p h s o r d i g i t i z e d t o p o g r a p h y d a t a . C. RELATING REMOTE SENSING DATA TO SOIL PARAMETERS 1. SOIL COLOR S o i l s t y p e s c a n o f t e n be d i s t i n g u i s h e d f r o m one a n o t h e r by t h e i r p h o t o g r a p h i c t o n e s a n d c o l o r c h a r a c t e r i s t i c s . The c o l o r i s t h e e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n d e r i v e d f r o m t h e p r o p e r t i e s o f t h e s o i l m a t e r i a l s w h i c h c a n be s e n s e d by human e y e . The c o l o r i m p a r t e d t o a s o i l may be due t o s p e c i f i c a b s o r p t i o n i n t h e v i s i b l e r e g i o n o r may be c a u s e d by i n t e n s e a b s o r p t i o n s i n e i t h e r o r b o t h t h e u l t r a v i o l e t a n d n e a r i n f r a r e d , t h e s h o u l d e r s o f w h i c h may e x t e n d f o r w a r d o r b a c k i n t o t h e v i s i b l e r e g i o n ( S t o n e r a n d B a u m g a r d n e r , 1980) 23 S u r f a c e s o i l c o l o r s t h a t d i f f e r f r o m one a n o t h e r o r t h o s e o f p a r e n t m a t e r i a l s a r e u s u a l l y u s e d t o i n d i c a t e t h e p r o c e s s e s i n v o l v e d i n s o i l f o r m a t i o n a n d may a l s o be i n d i c a t i v e o f o t h e r f a c t o r s s u c h a s e x c e s s i v e s o l u b l e s a l t s o r e r o s i o n . The most i m p o r t a n t f a c t o r s i n f l u e n c i n g s o i l c o l o r a r e m i n e r a l o g y and c h e m i c a l c o n s t i t u e n t s , s o i l m o i s t u r e , s o i l s t r u c t u r e * p a r t i c l e s i z e a n d o r g a n i c m a t t e r . Da C o s t a ( 1 9 7 9 ) q u a n t i f i e d s e v e r a l i m p o r t a n t r e l a t i o n s h i p s f o r a number o f s o i l s f r o m a b r o a d c l i m a t i c a r e a when he p u b l i s h e d r e g r e s s i o n e q u a t i o n s r e l a t i n g c l a y c o n t e n t , o r g a n i c c a r b o n , s o i l m o i s t u r e r e t a i n e d a t 15 b a r s a n d CEC w i t h s o i l c o l o r m e a s u r e d a s b o t h M u n s e l l n o t a t i o n a n d s o i l r e f l e c t a n c e . The q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s o i l p r o p e r t i e s a n d s o i l c o l o r e x p o s e s t h e p o s s i b i l i t y o f u s i n g r e m o t e s e n s i n g t e c h n i q u e s t o q u a n t i f y s o i l p r o p e r t i e s . Obukhov a n d O r l o v ( 1 9 6 4) f o u n d t h a t a l l o f t h e s o i l s t h a t t h e y i n v e s t i g a t e d h a d s p e c t r a l r e f l e c t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s r e l a t e d t o s o i l c o l o r . Minimum r e f l e c t a n c e o c c u r r e d i n t h e b l u e - v i o l e t p o r t i o n o f t h e s p e c t r u m and r a n g e d f r o m 13% f o r t h e A h o r i z o n o f t h i c k C h e r n o z e m t o 18% f o r t h e same h o r i z o n o f S o d - P o d z o l i c s o i l s . Maximum r e f l e c t a n c e was i n t h e r e d r e g i o n where t h e r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t o f t h e same s a m p l e s i n c r e a s e d f r o m 15 t o 44 p e r c e n t . They c o n c l u d e d t h a t t h e v i s i b l e r e d r e g i o n and t h e n e a r i n f r a r e d r e g i o n a r e t h e most f a v o r a b l e f o r a q u a l i t a t i v e a n d q u a n t i t a t i v e d e c r i p t i o n o f s o i l . S h i e l d s e t a l . ( 1 9 6 8) c o n v e r t e d s p e c t r o p h o t o m e t r i c 24 m e a s u r e m e n t s o f s o i l s a t d i f f e r e n t m o i s t u r e c o n t e n t s t o M u n s e l l n o t a t i o n s i n o r d e r t o r e l a t e s o i l c o l o r t o o r g a n i c m a t t e r . The c o l o r v a l u e was most h i g h l y c o r r e l a t e d t o o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t . Page ( 1 9 7 4 ) a l s o r e l a t e d r e f l e c t a n c e m e a s u r e m e n t s f r o m a c o l o r - d i f f e r e n c e m e t e r t o o r g a n i c m a t t e r i n A t l a n t i c c o a s t a l p l a i n s o i l s . W i t h i n t h e 0 - 5 % r a n g e , r e f l e c t a n c e m e a s u r e m e n t s p r o v i d e d a r e l i a b l e e s t i m a t e o f o r g a n i c m a t t e r i n s o i l s a t a c o n s i d e r a b l y f a s t e r a n d c h e a p e r r a t e t h a n t r a d i t i o n a l m e t h o d s . I n a l l t h o s e s t u d i e s , s p e c t r o r a d i o m e t r i c m e a s u r e m e n t s were p r o v e d u s e f u l i n p r o v i d i n g a b a s i s f o r e s t a b l i s h m e n t o f q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s o i l c o l o r a n d s o i l c h a r a c t e r i s t i c s . 2. ORGANIC MATTER O r g a n i c m a t t e r i n s o i l s , c o n s i s t i n g o f d e c o m p o s e d r e s i d u e s a n d i t s c o n s t i t u e n t s , h a s a p r o f o u n d i n f l u e n c e on s o i l c o l o r . The d a r k c o l o r o f s u r f a c e s o i l s i s o f t e n a s s o c i a t e d w i t h h i g h o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t . T h i s s u g g e s t s t h a t s o i l o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t i s i n v e r s e l y r e l a t e d t o t h e s p e c t r a l r e f l e c t a n c e . I t i s g e n e r a l l y c o n c l u d e d t h a t o r g a n i c m a t t e r i s t h e s i n g l e most i m p o r t a n t v a r i a b l e i n t h e v i s i b l e a n d n e a r i n f r a r e d b a n d s f o r e x p l a i n i n g r e f l e c t a n c e . B a u m g a r d n e r e t a l . ( 1 9 7 0 ) f o u n d t h a t s o i l s c o n t a i n i n g more t h a n 2% o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t a p p e a r e d t o mask o u t t h e c o n t r i b u t i o n s o f o t h e r s o i l p a r a m e t e r s , w h e r e a s s o i l s w i t h l e s s t h a n 2% o r g a n i c m a t t e r were h a r d e r t o s e p a r a t e s p e c t r a l l y due t o 25 i r o n o r manganese i n t e r f e r e n c e . S t o n e r a n d B a u m g a r d n e r ( 1 9 8 0 ) o b s e r v e d t h a t when m i n e r a l s o i l s were g r o u p e d i n t o t h r e e l e v e l s o f o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t ( 0 - 3 % , 3-5% a n d 5 - 1 0 % ) , t h e r e f l e c t a n c e c u r v e s , w h i c h d e c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t t h r o u g h o u t t h e 0.52 t o 2.32 um w a v e l e n g t h r e g i o n , b e h a v e d d i f f e r e n t l y . S o i l s i n t h e 5-10% o r g a n i c m a t t e r r a n g e showed t h e c o n c a v e - s h a p e d c u r v e s w h i l e s o i l s i n t h e 0-3% a n d 3-5% r a n g e f o l l o w e d t h e c o n v e x - s h a p e d c u r v e s . T h e s e two t y p e s o f s p e c t r a l c u r v e a l s o c o r r e s p o n e d r e s p e c t i v e l y t o t h e Type 1 a n d Type 2 o f s o i l r e f l e c t a n c e c u r v e s r e c o g n i z e d by C o n d i t ( 1 9 7 0 ) , w h i c h r e p r e s e n t e d t h e h i g h s u r f a c e o r g a n i c c o n t e n t M o l l i s o l s a n d low s u r f a c e o r g a n i c c o n t e n t A l f i s o l s . Many s t u d i e s c o n c l u d e d t h a t r e f l e c t a n c e i n w a v e l e n g t h s f r o m 0.5 um t o 1.2 jim were t h e b e s t f o r s e p a r a t i n g o r g a n i c m a t t e r l e v e l s i n s o i l s (Mathew e t a l . , 1973b; Beck e t a l . , 1976; Montgomery e t a l . , 1976; S t o n e r a n d B a u m g a r d n e r , 1 9 8 0 ; V i n o g r a d o v , 1 9 8 1 ) . K r i s h n a n e t a l . (1980) r e p o r t e d t h a t r e f l e c t a n c e m e a s u r e m e n t s f r o m t h e v i s i b l e r e g i o n were more c l o s e l y c o r r e l a t e d t o t h e o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t o f t h e s o i l t h a n t h e m e a s u r e m e n t s f r o m t h e i n f r a r e d r e g i o n . R e g r e s s i o n s t u d i e s i n d i c a t e d t h a t o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t c o u l d be r e l a t e d t o s o i l r e f l e c t a n c e by a c u r v i l i n e a r e x p o n e n t i a l f u n c t i o n ( S c h r e i e r , 1 9 7 7 ) . V i n o g r a d o v ( 1 9 8 1) s u p p o r t e d t h e f i n d i n g by p u b l i s h i n g a g e n e r a l e q u a t i o n w h i c h d e s c r i b e s t h e e x p o n e n t i a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n humus c o n t e n t a n d r e f l e c t i o n i n t h e o r a n g e - r e d p a r t o f t h e s p e c t r u m ( 0 . 6 -26 0.7Mm). The e q u a t i o n c o u l d be u s e d t o e x p l a i n many d a t a r e p o r t e d by p r e v i o u s i n v e s t i g a t o r s . The q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t a n d s o i l r e f l e c t a n c e f r o m L a n d s a t bands was i n v e s t i g a t e d by Da C o s t a ( 1 9 7 9 ) . He f o u n d t h a t o r g a n i c c a r b o n was n e g a t i v e l y c o r r e l a t e d w i t h L a n d s a t MSS ban d s 4, 5 and 6. H o w e v e r , c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s h i g h e r t h a n 0.50 were c o n c e n t r a t e d w i t h i n t h e 0.5 t o 0.74 Mm r a n g e a n d t h e c o r r e l a t i o n d e c r e a s e d f r o m b a n d 4 t o b a n d 6. T h i s s t u d y s u p p o r t s p r e v i o u s f i n d i n g s t h a t t h e b e s t c o r r e l a t i o n c o r r e s p o n d s t o t h e v i s i b l e a n d a s m a l l p a r t o f t h e r e f l e c t e d i n f r a r e d r e g i o n o f t h e s p e c t r u m . A l t h o u g h t o t a l n i t r o g e n was n o t c o r r e l a t e d w i t h s p e c t r a l r e f l e c t a n c e , C/N r a t i o r e l a t i o n s h i p s were n e g a t i v e l y c o r r e l a t e d up t o 1.89 Mm o f t h e s p e c t r u m i n h i s s t u d i e s . 3. IRON OXIDE AND CLAY MINERALS I r o n o x i d e i s a n o t h e r m a j o r ' p i g m e n t ' i n f l u e n c i n g s o i l c o l o r a n d r e f l e c t a n c e . Of t h e c a t i o n s , i r o n i s t h e most common s o u r c e o f e l e c t r o n i c p r o c e s s e s w h i c h c h a n g e t h e r e f l e c t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f s o i l m i n e r a l s (Hunt e t a l . , 1 9 7 1 b ) . The f e r r i c i r o n r e s p o n s e b a n d s a r e a t a p p r o x i m a t e l y 0.4, 0.7 a n d 0.87 Mm, a n d t h e f e r r o u s i o n r e s p o n s e bands a r e a t 0.43, 0.45, 0.51, 0.55 a n d 1.0 Mm. S t o n e r a n d Baumgardner ( 1 9 8 0 ) d e s c r i b e d t h e i r o n a b s o r p t i o n b a n d s e i t h e r a s w e l l r e s o l v e d d i p s i n t h e r e f l e c t a n c e c u r v e o r a s b r o a d f e a t u r e s c e n t e r e d on s p e c i f i c w a v e l e n g t h s b u t e x t e n d i n g t h e i r 27 i n f l u e n c e o v e r a w i d e r a n g e o f w a v e l e n g t h s . I n g e n e r a l , an i n c r e a s e i n i r o n o x i d e c o n t e n t c a n c a u s e a d e c r e a s e i n v i s i b l e r e f l e c t a n c e o f s o i l s . Obukhov and O r l o v ( 1 9 6 4 ) d e m o n s t r a t e d t h a t s o i l s w i t h an e l e v a t e d c o n t e n t o f i r o n c o u l d be - e a s i l y d i s t i n g u i s h e d by t h e r e f l e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s f o r p u r e F e 2 0 3 . The i n t e n s i t y o f t h e r e f l e c t i o n i n t h e r e g i o n f r o m 0.5 t o .64 jum i s i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o t h e i r o n c o n t e n t . Mathews e t a l . ( 1 9 7 3 b ) r e p o r t e d t h a t h i g h f r e e i r o n o x i d e c o n t e n t r e d u c e d r e f l e c t a n c e i n t e n s i t y i n t h e 0.5 t o 1.2 jum r e g i o n . S t o n e r a n d B a u m g a r d n e r (1980) r e p o r t e d h i g h i r o n c o n t e n t O x i s o l s d e c r e a s e d i n r e f l e c t a n c e w i t h i n c r e a s i n g w a v e l e n g t h b e c a u s e o f s t r o n g a b s o r p t i o n f e a t u r e s i n t h e i n f r a r e d r e g i o n . A b s o r p t i o n b a n d s o f f e r r i c i r o n a t 0.7 a n d 0.9 jum i m p a r t s p e c t r a l r e f l e c t a n c e c u r v e f o r m s t o s o i l s w i t h m o d e r a t e t o h i g h a mounts o f f r e e i r o n o x i d e s . F e r r o u s i r o n a b s o r p t i o n a s w e l l a s h y d r o x y l a b s o r p t i o n , b o t h c e n t e r e d a t 1.0 um, c a n a l s o be s e e n t o i n f l u e n c e t h e s h a p e o f s o i l r e f l e c t a n c e c u r v e s . M o s t c o r r e l a t i o n s b e t w e e n i r o n o x i d e c o n t e n t and s p e c t r a l r e f l e c t a n c e r e m a i n e d l o w . H o w e v e r , Montgomery e t a l . ( 1 9 7 6 ) i n d i c a t e d t h a t t h e p r e s e n c e o f o r g a n i c m a t t e r m i g h t n o t d i m i n i s h t h e c o n t r i b u t i o n o f i r o n t o s o i l r e f l e c t a n c e . I n c a r b o n f r e e s a m p l e s o r i g i n a t i n g f r o m mine t a i l i n g s , S c h r e i e r and L a v k u l i c h ( 1 9 8 0) a n d S c h r e i e r ( 1 9 8 5 ) f o u n d good c o r r e l a t i o n s b e t w e e n r e f l e c t i o n a n d t o t a l i r o n c o n t e n t b u t t h e i n t r o d u c t i o n o f o r g a n i c m a t t e r t o t h e s o i l s 28 t e n d s t o o b s c u r e t h i s g e n e r a l r e l a t i o n s h i p . S t o n e r a n d Bau m g a r d n e r (1980) r e p o r t e d t h a t t h e c o r r e l a t i o n c o u l d be much i m p r o v e d when s a m p l e s were s e p a r a t e d i n t o t h e s p e c i f i c c l i m a t i c z o n e s where t h e s o i l s were d e v e l o p e d . I n a summary o f t h e s p e c t r a l f e a t u r e s o f some common m i n e r a l s i n t h e v i s i b l e a n d n e a r - i n f r a r e d p o r t i o n s o f t h e e l e c t r o m a g n e t i c s p e c t r u m , Da C o s t a ( 1 9 79) r e v e a l e d t h a t s e v e r a l m i n e r a l s , i n c l u d i n g q u a r t z a n d f e l d s p a r , were s p e c t r a l l y f e a t u r e l e s s . O t h e r s s u c h a s k a o l i n i t e , g i b b s i t e , a n d m u s c o v i t e , e x h i b i t s p e c t r a l r e s p o n s e due t o h y d r o x y l e f f e c t s . O x i d e s a nd h y d r o x i d e s o f i r o n , a l u m i n u m , a n d t i t a n i u m a r e i m p o r t a n t f o r s o i l s i n g e n e r a l . 4. PARTICLE S I Z E AND SOIL TEXTURE S o i l p a r t i c l e s i z e a n d s o i l a g g r e g a t e s i n f l u e n c e r e f l e c t a n c e a n d t h e r m a l d i f f u s i v i t y o f s o i l s a n d , i n d i r e c t l y , s o i l m o i s t u r e a n d o t h e r m e a s u r e m e n t s . I t i s g e n e r a l l y c o n c l u d e d t h a t i n c r e a s i n g p a r t i c l e d i a m e t e r r e s u l t s i n a d e c r e a s e o f r e f l e c t i v i t y . B o w e r s a n d Hanks (1965) m e a s u r e d r e f l e c t a n c e o f p u r e k a o l i n i t e i n s i z e f r a c t i o n s f r o m 0.022 t o 2.68 mm d i a m e t e r ( c o a r s e s i l t t o v e r y c o a r s e p a r t i c l e s i z e c l a s s e s ) a n d f o u n d a r a p i d e x p o n e n t i a l i n c r e a s e i n r e f l e c t a n c e a t a l l w a v e l e n g t h s b e t w e e n 0.4 a n d 1.0 nm w i t h d e c r e a s i n g p a r t i c l e s i z e . The most n o t a b l e i n c r e a s e s i n r e f l e c t a n c e o c c u r r e d a t s i z e s l e s s t h a n 0.4 mm d i a m e t e r . 29 S i m i l a r r e s u l t s were o b t a i n e d by Obukhov a n d O r l o v ( 1 9 6 4 ) . They f o u n d t h a t t h e c h a n g e i n r e f l e c t i v i t y was a s s o c i a t e d o n l y w i t h t h e d i a m e t e r a n d sh a p e o f t h e a g g r e g a t e s a n d n o t w i t h t h e i r c h e m i c a l o r m i n e r a l o g i c a l c o m p o s i t i o n . The f r a c t i o n s l e s s t h a n 0.25 mm i n d i a m e t e r h a v e maximum r e f l e c t i v i t y , w h i l e f r a c t i o n s f r o m 5 t o " l 0 mm d i a m e t e r h a v e t h e minimum. O r l o v ( 1 9 6 6) d e m o n s t r a t e d t h a t t h e a r t i f i c i a l b r e a k d o w n o f a g g r e g a t e s u s u a l l y l e d t o an i n c r e a s e i n t h e r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t s c a u s e d by t h e c h a r a c t e r o f m u t u a l p o s i t i o n o f a g g r e g a t e s . F i n e p a r t i c l e s f i l l t h e v o l u m e more c o m p l e t e l y , t h u s p r o v i d i n g a more e v e n s u r f a c e . C o a r s e a g g r e g a t e s , h a v i n g i r r e g u l a r s h a p e s , f o r m a v e r y c o m p l e x s u r f a c e w i t h a l a r g e number o f i n t e r a g g r e g a t e s p a c e s . The c o n c l u s i o n t h a t r e f l e c t i o n i n c r e a s e s w i t h d e c r e a s i n g p a r t i c l e d i a m e t e r i s t r u e o n l y f o r t h e l a b o r a t o r y c a s e o f d i s p e r s e d s o i l s . S t o n e r a n d B a u m g a r d n e r ( 1 9 8 0 ) o b s e r v e d t h a t d e c r e a s i n g t h e p a r t i c l e s i z e among s a n d - t e x t u r e d s o i l s i n c r e a s e d s o i l r e f l e c t a n c e , p o s s i b l y due t o f o r m i n g a s m o o t h e r s u r f a c e w i t h f e w e r v o i d s t o t r a p i n c o m i n g l i g h t . The i n v e r s e r e s p o n s e a p p e a r s f o r medium t o f i n e t e x t u r e d s o i l s , p o s s i b l y b e c a u s e i n c r e a s e d m o i s t u r e c o n t e n t a n d o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t a s s o c i a t e d w i t h h i g h e r c l a y c o n t e n t l e a d t o l o w e r r e f l e c t a n c e . V a r i a t i o n s i n s o i l r e f l e c t a n c e a r e known t o be a f f e c t e d by s o i l t e x t u r e , t h e r e l a t i v e p o r p o r t i o n o f s a n d , s i l t a n d c l a y i n t h e s o i l . The r e f l e c t a n c e s f r o m v a r y i n g m i x t u r e s o f 30 c l a y a n d s a n d were m e a s u r e d by G e r b e r m a n n a n d N e h e r (1979) a t f i v e w a v e l e n g t h s . S o i l s a m p l e s w i t h l o w s a n d l e v e l s ( 1 0 - 3 0 % ) h a d t h e l o w e s t r e f l e c t a n c e w h i l e p u r e s a n d had t h e h i g h e s t r e f l e c t a n c e . As t h e s a n d l e v e l i n c r e a s e d f r o m 0 t o 100%, p e r c e n t r e f l e c t a n c e i n c r e a s e d i n t h e 0.4 t o 0.8 nm r e g i o n , w h i l e t h e p e r c e n t r e f l e c t a n c e f o r a p a r t i c u l a r l e v e l o f s a n d i n c r e a s e d a s w a v e l e n g t h i n c r e a s e d . Any one o f t h e f i v e w a v e l e n g t h s c o u l d be u s e d f o r d i s c r i m i n a t i n g among s a n d l e v e l s i n a c l a y s o i l . S o i l c l a y s o c c u r i n i n t i m a t e c o m b i n a t i o n w i t h o t h e r s o i l c o n s t i t u e n t s . M i x e d c l a y m i n e r a l o g i e s a r e common i n most s o i l s . Montgomery e t a l . ( 1 9 7 6) a n a l y z e d s e p a r a t e l y a g r o u p o f s o i l s r i c h i n m o n t m o r i l l o n i t e a n d n o t e d l i t t l e d i f f e r e n c e b e t w e e n c o r r e l a t i o n s of r e f l e c t a n c e a n d s o i l p r o p e r t i e s f o r t h i s g r o u p a n d f o r s o i l s a s a w h o l e . The c o n t r i b u t i o n o f t h e c l a y f r a c t i o n t o s o i l r e f l e c t a n c e may be more i m p o r t a n t t h a n t h a t o f c l a y t y p e s . A l - A b b a s e t a l . ( 1 9 7 2 ) s t a t e d t h a t d e c r e a s i n g t h e c l a y c o n t e n t o f s o i l s i n c r e a s e d t h e s p e c t r a l r e s p o n s e , b u t f o u n d no c l e a r l y d e f i n e d r e l a t i o n s h i p b e t w e e n c l a y c o n t e n t a n d r e l a t i v e r e f l e c t a n c e , h y p o t h e s i z i n g t h a t t h e r e l a t i o n s h i p may be s e c o n d a r y due t o t h e h i g h c o r r e l a t i o n b e t w e e n o r g a n i c m a t t e r a n d c l a y c o n t e n t . The c o n t r i b u t i o n of s u r f a c e s o i l t e x t u r e t o s o i l r e f l e c t a n c e i s d i f f i c u l t t o s e p a r a t e f r o m o t h e r s o i l p a r a m e t e r s s u c h a s o r g a n i c m a t t e r and o x i d e s w h i c h c o a t s o i l p a r t i c l e s t o v a r y i n g d e g r e e . However, m u l t i s p e c t r a l a n a l y s i s a n d p a t t e r n r e c o g n i t i o n t e c h n i q u e s may be u s e d t o d e l i n e a t e 31 a n d map g r o s s t e x t u r a l d i f f e r e n c e s i n s u r f a c e s o i l s ( M y e r s , 1 9 8 3 ) . C a t i o n e x c h a n g e c a p a c i t y . ( C E C ) i s f r e q u e n t l y t o h a v e a h i g h n e g a t i v e c o r r e l a t i o n w i t h r e f l e c t a n c e , e s p e c i a l l y i n t h e m i d d l e - i n f r a r e d r e g i o n (Montgomery e t a l . , 1976; S t o n e r a n d B a u m g a r d n e r , 1 9 8 0 ) . A l t h o u g h t h e r e i s n o t a d i r e c t p h y s i c a l b a s i s f o r t h i s r e l a t i o n s h i p , i t seems t h a t CEC i s a c t i n g a s a n a t u r a l i n t e g r a t i n g f a c t o r f o r c l a y t y p e and c o n t e n t a s w e l l a s o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t w h i c h e x h i b i t i n h e r e n t s p e c t r a l b e h a v i o r . 5. MOISTURE CONTENT Mo s t s o i l s a p p e a r d a r k e r when wet t h a n when d r y a n d t h e d e c r e a s e i n r e f l e c t a n c e w i t h i n c r e a s i n g m o i s t u r e i s a p p a r e n t t h r o u g h o u t t h e r e f l e c t i v e w a v e l e n g t h s ( B a u e r e t a l . , 1 9 8 1 ) . The e f f e c t o f m o i s t u r e on s o i l r e f l e c t a n c e i s due t o t h e i n t e r n a l t o t a l r e f l e c t i o n w i t h i n t h e t h i n w a t e r f i l m c o v e r i n g s o i l p a r t i c l e s . A p o r t i o n o f t h e e n e r g y r e f l e c t e d f r o m t h e s o i l s u r f a c e w o u l d n o t be r e f l e c t e d t o s p a c e b u t w o u l d be r e - r e f l e c t e d b e t w e e n t h e s u r f a c e o f t h e p a r t i c l e a n d t h e s u r f a c e o f t h e w a t e r l a y e r ( S t o n e r a n d B a u m g a r d n e r , 1 9 8 0 ) . The a b s o l u t e m a g n i t u d e o f r e f l e c t a n c e c h a n g e s w i t h s o i l w a t e r c o n t e n t a n d v a r i e s c o n s i d e r a b l y b e c a u s e o f d i f f e r e n c e s a s s o c i a t e d w i t h o t h e r s o i l p a r a m e t e r s a n d s i t e c h a r a c t e r i s t i c s . Bower and H a n k s (1965) d e m o n s t r a t e d a p o t e n t i a l f o r m e a s u r i n g s u r f a c e m o i s t u r e c o n t e n t by t h e 32 r e f l e c t a n c e m e t h o d s a n d n o t e d a l o w e r i n g i n r e f l e c t a n c e f o r N e w t o n i a s i l t l o a m a t s i x i n c r e a s i n g s o i l m o i s t u r e c o n t e n t s o v e r t h e w a v e l e n g t h r a n g e o f 0 . 5 t o 2 . 5 nm. T h e a m p l i t u d e a n d s h a p e o f s o i l r e f l e c t a n c e c u r v e i s a f f e c t e d b y t h e p r e s e n c e o f s t r o n g w a t e r a b s o r p t i o n b a n d s a t 1 .45 a n d 1 .94 Mm. T h e b a n d a t 1 .94 nm i s t h e m o s t s e n s i t i v e t o w a t e r , a n d h a s b e e n f o u n d b e s t f o r r e l a t i n g r e f l e c t a n c e m e a s u r e m e n t s t o s o i l m o i s t u r e c o n t e n t . U n f o r t u n a t e l y , t h i s b a n d i s a l s o a r e g i o n o f s t r o n g a t m o s p h e r i c w a t e r a b s o r p t i o n , w h i c h m a k e s i t i m p r a c t i c a l t o m e a s u r e s o i l m o i s t u r e i n t h e f i e l d b y r e f l e c t a n c e m e t h o d . A n o t h e r a b s o r p t i o n b a n d a t 2 . 2 Mm w a s i d e n t i f i e d a s a v i b r a t i o n a l m o d e o f t h e h y d r o x y l i o n ( H u n t a n d S a l i s b u r y , 1 9 7 0 ) . T h e y f o u n d t h a t a b s o r p t i o n d u e t o t h e h y d r o x y l i o n a l s o g a v e r i s e t o 1 .45 Mm b a n d , t h e s a m e a s t h a t o f l i q u i d w a t e r . T h e a p p e a r a n c e o f t h e 1 .45 Mm b a n d w i t h o u t t h e 1 .95 Mm b a n d i n t h e r e f l e c t a n c e c u r v e i n d i c a t e s t h a t h y d r o x y l g r o u p s a n d n o t f r e e w a t e r a r e p r e s e n t i n t h e m a t e r i a l . S h a r p b a n d s a t 1 .45 a n d 1 .95 Mm i n d i c a t e t h a t w a t e r m o l e c u l e s a r e l o c a t e d i n w e l l d e f i n e d o r d e r e d s i t e s w h i l e b r o a d b a n d s a t t h e s e w a v e l e n g t h s i n d i c a t e t h a t t h e y a r e r e l a t i v e l y u n o r d e r e d , a s i s o f t e n t h e c a s e i n n a t u r a l l y o c c u r r i n g s o i l s . I d s o e t a l . ( 1 9 7 5 ) m e a s u r e d b a r e s o i l a l b e d o ( 0 . 3 t o 2 . 5 Mm) a n d w a t e r c o n t e n t f o r a s m o o t h A v o n d a l e l o a m a t v a r i o u s d e p t h i n t e r v a l s f r o m 0 t o 10 c m . A l i n e a r r e l a t i o n s h i p w i t h s o i l m o i s t u r e w a s f o u n d o v e r t h e r a n g e o f 33 0 t o 0.18 cm/cm i n t h e 0 t o 0.2 cm l a y e r . They a l s o f o u n d s i m i l a r r e l a t i o n s h i p s f o r d e e p e r l a y e r s a p p a r e n t l y due t o t h e c l o s e c o r r e l a t i o n b e t w e e n s o i l m o i s t u r e a t t h e s u r f a c e a n d a t d e e p e r l a y e r s . R e f l e c t a n c e m e a s u r e m e n t s i n t h e f i e l d a n d f r o m t h e a i r - o r s p a c e - c r a f t seem t o be o n l y s e n s i n g t h e m o i s t u r e c o n t e n t ' i n a l a y e r o f 5 t o 10 cm t h i c k a t t h e s u r f a c e . T h i s l i m i t a t i o n i m p l i e s t h a t r e m o t e s e n s i n g a p p r o a c h e s may n o t be a b l e t o d i r e c t l y s a t i s f y t h e a p p l i c a t i o n w h i c h r e q u i r e s k n o w l e d g e o f t h e m o i s t u r e c o n d i t i o n i n t h e r o o t z o n e o f t h e s o i l . M e y e r ( 1 9 8 3 ) c i t e d t h a t Moore e t a l . c o r r e l a t e d S k y l a b S-192 m u l t i s p e c t r a l s c a n n e r m e a s u r e m e n t s a t s i x w a v e l e n g t h r a n g e f r o m 0.56 t o 2.35 ym w i t h s o i l m o i s t u r e c o n t e n t o f t h r e e d i f f e r e n t l a y e r s (0 t o 2, 2 t o 14, and 10 t o 30 cm) f o r 13 f i e l d s . The most h i g h l y s i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o n was o b t a i n e d f o r t h e 2.10 t o 2.35 Mm band a n d f o r a d e p t h o f 0 t o 2 cm. W a v e l e n g t h s g r e a t e r t h a n 2.10 am were r e q u i r e d t o r e l i a b l y s e p a r a t e wet a n d d r y b a r e s u r f a c e s . From a l a b o r a t o r y s t u d y w i t h c o n t r o l l e d m o i s t u r e t e n s i o n s , S t o n e r and B a u m g a r d n e r ( 1 9 8 0 ) a l s o f o u n d a n e g a t i v e c o r r e l a t i o n e x i s t e d b e t w e e n r e f l e c t a n c e a n d m o i s t u r e p e r c e n t a g e by w e i g h t o f 481 s o i l s i n t h e 2.08 t o 2.32 am w a v e l e n g t h b a n d . D. SPECTRAL CHARACTERIZATION OF SURFACE SOILS 34 1. SOIL SPECTRAL CHARACTERISTIC CURVES S o i l s p e c t r a l c u r v e , r e p r e s e n t i n g an o v e r a l l r e f l e c t e d r a d i a t i o n o f s o i l s a s a f u n c t i o n o f t h e v i s i b l e and i n f r a r e d r e g i o n s o f t h e s p e c t r u m , c a n be u s e d t o i d e n t i f y some s o i l f e a t u r e s a n d d i f f e r e n t i a t e among s o i l g r o u p s . C l a s s i f i c a t i o n o f s o i l s w i t h r e s p e c t t o t h e i r c u r v e s h a p e h a s been done s u c c e s s f u l l y by C o n d i t ( 1 9 7 0 ) . S p e c t r a l r e f l e c t a n c e v a l u e s e x t e n d i n g f r o m 0.32 t o 1.00 /um w a v e l e n g t h s were o b t a i n e d f o r 100 s o i l s a m p l e s c o l l e c t e d f r o m 36 s t a t e s . M e a s u r e m e n t s w e r e made of b o t h wet a n d d r y s a m p l e s , w h i c h v a r i e d w i d e l y i n c o l o r a n d r e f l e c t a n c e . P r o c e d u r e s were e s t a b l i s h e d f o r c l a s s i f y i n g t h e s o i l s p e c t r a i n t o t h r e e g e n e r a l t y p e s w i t h d i s t i n c t c u r v e s h a p e s . A s a r e s u l t o f a c h a r a c t e r i s t i c v e c t o r a n a l y s i s o f t h e s p e c t r a l r e f l e c t a n c e d a t a i t was c o n c l u d e d t h a t r e f l e c t a n c e o f a w i d e v a r i e t y o f s o i l s f o r a l l w a v e l e n g t h s c o u l d be p r e d i c t e d w i t h s u f f i c i e n t a c c u r a c y f r o m m e a s u r e m e n t s a t f i v e w a v e l e n g t h s 0.45, 0.54, 0.64, 0.74 a n d 0.86 nm. However, C o n d i t ' s s t u d y d i d n o t r e l a t e t h e s e g e n e r a l s o i l s p e c t r a l c u r v e t y p e s t o s o i l c h a r a c t e r i s t i c s o r c l a s s i f i c a t i o n . C i p r a e t a l . ( 1 9 7 1 ) , b a s e d on f i e l d s p e c t r o r a d i o m e t r i c s t u d i e s , showed t h e p r o p e r t i e s a n d c l a s s i f i c a t i o n o f s e v e n s o i l s e r i e s i n t e r m s o f C o n d i t ' s s p e c t r a l c u r v e t y p e s . A c o m p r e h e n s i v e s t u d y o f t h e r e f l e c t a n c e p r o p e r t i e s o f s o i l s c o n d u c t e d by S t o n e r a n d B a u m g a r d n e r ( 1 9 8 0 ) , u s i n g a s p e c t r o r a d i o m e t e r i n t h e l a b o r a t o r y , m e a s u r e d t h e s p e c t r a l r e f l e c t a n c e o f 485 s u r f a c e s o i l s a m p l e s f r o m t h e U.S. a n d 35 B r a z i l . F i v e d i s t i n c t s o i l s p e c t r a l r e f l e c t a n c e c u r v e t y p e s were i d e n t i f i e d a c c o r d i n g t o c u r v e s h a p e a n d t h e p r e s e n c e o r a b s e n c e o f a b s o r p t i o n b a n d s . T h e s e c u r v e t y p e s were d i s t i n g u i s h e d a s h a v i n g i n common c e r t a i n d i f f e r e n t i a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s p e r t a i n i n g m a i n l y t o t h e o r g a n i c m a t t e r a n d i r o n o x i d e c o n t e n t o f t h e s o i l s . D r a i n a g e c h a r a c t e r i s t i c s were a l s o t a k e n i n t o a c c o u n t . The f i r s t t h r e e c u r v e s were s i m i l a r t o t h o s e d e s c r i b e d by C o n d i t ( 1 9 7 0 ) , w h i c h d o m i n a t e d t h e s o i l s ( S t o n e r a n d B a u m g a r d n e r , 1 9 8 1 a ) . S o i l p a r a m e t e r s w h i c h i n f l u e n c e s p e c t r a l r e f l e c t a n c e c u r v e were s u m m a r i z e d by S t o n e r a n d B a u m g a r d n e r ( 1 9 8 0 , 1 9 8 1 a ) . B a s e d on a s t a t i s t i c a l d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s , Thompson e t a l . ( 1 9 83) n o t e d t h a t S t o n e r ' s f i v e c u r v e t y p e s f o r d i f f e r e n t s o i l s r e p r e s e n t g e n e t i c a l l y homogeneous s o i l p r o p e r t i e s a n d a r e g e n e r a l l y s e p a r a b l e w i t h i n s i m u l a t e d L a n d s a t g r e e n n e s s a n d b r i g h t n e s s v e c t o r s p a c e . 2. F I E L D CHARACTERISTICS OF SOIL SPECTRA F i e l d s p e c t r a o f s o i l s m e a s u r e d by e i t h e r g r o u n d - b a s e d s p e c t r o r a d i o m e t e r o r a i r b o r n e o r s p a c e b o r n e s e n s o r s may d i f f e r s u b s t a n t i a l l y f r o m s p e c t r a m e a s u r e d u n d e r l a b o r a t o r y c o n d i t i o n s due t o t h e d i f f e r e n c e s o f t h e e n v i r o n m e n t a l a n d r a d i a t i o n f a c t o r s e x p e r i e n c e d i n two s i t u a t i o n s . A s i d e f r o m t h e a t m o s p h e r i c c o n d i t i o n s a n d s o l a r r a d i a t i o n c h a n g e i t s e l f , s o i l s u r f a c e c o n d i t i o n s s u c h a s g r e e n v e g e t a t i v e c o v e r , n o n s o i l r e s i d u e , a n d s u r f a c e s o i l s t r u c t u r e a n d o t h e r f a c t o r s a l l have a s u b s t a n t i a l i n f l u e n c e on r e f l e c t a n c e 36 s p e c t r a o f s u r f a c e s o i l s . S p e c t r a l c o m p o s i t i o n o f t h e r e f l e c t e d r a d i a t i o n f r o m g r e e n v e g e t a t i o n i s s t r i k i n g l y d i f f e r e n t f r o m t h a t f r o m b a r e s o i l s . Much work r e l a t i n g t o s o i l - v e g e t a t i o n i n t e r a c t i o n s on r e f l e c t a n c e o f t h e e a r t h c a n o p y h a s b e e n done r e c e n t l y t h o u g h t h e e f f o r t i s o f t e n d e v o t e d t o t h e e f f e c t o f s o i l b a c k g r o u n d on v e g e t a t i o n d i s c r i m i n a t i o n s . H o f f e r a n d J o h a n n s e n ( 1 9 6 9 ) i n d i c a t e d t h a t d e n s i t y , m o r p h o l o g y , a n d c o n d i t i o n o f t h e g e o m e t r i c a l a r r a n g e m e n t o f l e a v e s i n a p l a n t c a n o p y were t h e f a c t o r s w h i c h d e t e r m i n e d t h e e x t e n t t o w h i c h g r e e n v e g e t a t i v e c o v e r a f f e c t e d t h e r e f l e c t a n c e f r o m s u r f a c e s o i l s . A l t h o u g h d e n s e v e g e t a t i v e c o v e r o f c r o p s o r n a t u r a l p l a n t s may mask s o i l s t h e m s e l v e s , i n h e r e n t f e r t i l i t y , d r a i n a g e p a t t e r n , and m o i s t u r e h o l d i n g c a p a c i t y d i f f e r e n c e s among s o i l s t e n d t o i n f l u e n c e t h e v e g e t a t i o n g r o w t h on t h e s e s o i l s . Thus a l t h o u g h t h e s o i l i t s e l f e v e n t u a l l y i s masked by p l a n t c a n o p i e s , d i f f e r e n t s o i l f e a t u r e s may s t i l l be i d e n t i f i e d t o some d e g r e e by means o f t h e c a n o p y v a r i a t i o n i n p h e n o l o g i c a l a n d m o r p h o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ( W e s t i n a n d Lemme, 1 9 7 8 ) . E v e n a t t h e p o i n t o f maximum c a n o p y d e v o l o p m e n t , s o i l p a t t e r n s h a v e been o b s e r v e d i n a i r c r a f t MSS d a t a o f c r o p l a n d ( K r i s t o f a n d B a u m g a r d n e r , 1 9 7 5 ) . Dead o r d i s e a s e d l e a v e s b e h a v e d i f f e r e n t l y i n t h e n e a r i n f r a r e d w a v e l e n g t h r e g i o n i n c o m p a r i s o n w i t h l i v e , h e a l t h y l e a v e s . F i e l d s p e c t r o r a d i o m e t e r i c i n v e s t i g a t i o n s showed t h a t s u g a r c a n e c r o p r e s i d u e l i t t e r e d on t h e s o i l s u r f a c e h a d 37 h i g h e r r e f l e c t a n c e t h a n b a r e s o i l s , b u t t h a t s t a n d i n g c r o p r e s i d u e h a d l o w e r r e f l e c t a n c e t h a n b a r e s o i l s (Gausman e t a l . , 1 9 7 5 ) . R e s i d u e - c o v e r e d s o i l s f o r a v a r i e t y o f c r o p s and g r a s s e s w e re b e s t d i s c r i m i n a t e d f r o m b a r e s o i l s w i t h L a n d s a t r e f l e c t a n c e m e a s u r e m e n t s f r o m 0.5 t o 0.6 Mm. F u r t h e r work w i t h wheat s t r a w s u g g e s t e d t h a t t h e n e a r - i n f r a r e d r e g i o n f r o m 0.75 t o 1.3 Mm was b e s t f o r d i s t i n g u i s h i n g among r e f l e c t a n c e s o f s o i l - t i l l a g e - s t r a w t r e a t m e n t s (Gausman e t a l . , 1 9 7 7 ) . S u r f a c e r o u g h n e s s ( s o i l a g g r e g a t i o n ) , a s g o v e r n e d by t i l l a g e t r e a t m e n t s , a f f e c t s s o i l r e f l e c t a n c e by means o f r e f l e c t a n c e s u r f a c e a n d s h adows. The g e n e r a l c o n c l u s i o n h a s been r e a c h e d t h a t r o u g h e r s o i l s u r f a c e r e s u l t s i n l o w e r r e f l e c t a n c e ( M y e r s , 1 9 8 3 ) . C i p r a e t a l . d 9 7 l ) f o u n d t h a t c r u s t e d s u r f a c e s g ave h i g h e r r e f l e c t a n c e v a l u e s i n t h e 0.43 t o 0.73 Mm w a v e l e n g t h s t h a n d i d s o i l s w i t h t h e c r u s t b r o k e n . The l o w e r r e f l e c t a n c e o f t h e d i s t u r b e d s o i l was a t t r i b u t e d t o t h e r o u g h s u r f a c e w h i c h p r e s u m a b l y c a u s e d s c a t t e r i n g o f l i g h t a s w e l l a s a s h a d o w i n g e f f e c t . R e f l e c t a n c e o f u n d i s t u r b e d s o i l s m e a s u r e d i n t h e f i e l d i s g e n e r a l l y t h e i n v e r s e o f t h a t m e a s u r e d i n t h e l a b o r a t o r y . T h i s i s r e a d i l y a p p a r e n t on a e r i a l p h o t o s w h i c h show s a n d s t o h a v e h i g h e r r e f l e c t a n c e t h a n s i l t s a n d c l a y s ( M y e r s , 1 9 8 3 ) . T h i s i s b e c a u s e f i n e - t e x t u r e d s o i l s i n t h e u n d i s t u r b e d c o n d i t i o n g e n e r a l l y h a v e s t r u c t u r e , w h i c h g i v e s them t h e c h a r a c t e r i s t i c o f a g g r e g a t e s c o a r s e r t h a n s a n d . T h u s , m e a s u r e m e n t s f o r t h e i d e n t i c a l s o i l s , i n an 38 u n d i s t u r b e d c o n d i t i o n i n t h e f i e l d , shows s a n d h a v i n g t h e h i g h e s t r e f l e c t a n c e w h e r e a s t h e f i n e - t e x t u r e d s o i l t h e l o w e s t . Obukhov and O r l o v ( 1 9 6 4 ) showed t h a t s o i l s w i t h w e l l - d e f i n e d s t r u c t u r e i n t h e p l o w l a y e r were f o u n d t o r e f l e c t 15 t o 20% l e s s l i g h t e n e r g y t h a n s t r u c t u r e l e s s s o i l s . T e c h n i c a l l y , many method s c a n be u s e d t o r e d u c e t h e i n f l u e n c e s o f i l l u m i n a t i o n v a r i a t i o n a n d s o i l s u r f a c e c o n d i t i o n s on s p e c t r a l i n t e r p r e t a t i o n o f s o i l p r o p e r t i e s o r p a t t e r n s . One p r o m i s i n g t e c h n i q u e i s r a t i o i n g o f m u l t i b a n d i m a g e s o r m u l t i s p e c t r a l d a t a . A l t h o u g h t h e r a t i o a p p r o a c h i s p a r t i c u l a r l y u s e d t o e n h a n c e d i f f e r e n c e s a s s o c i a t e d w i t h s o i l c o n d i t i o n s s u c h a s c o l o r , d r a i n a g e and t e x t u r e , i t h a s t h e e f f e c t o f r e d u c i n g s p e c t r a l o r image t o n e v a r i a t i o n s r e l a t e d t o d i r e c t i o n a l a n d i n t e n s i t y v a r i a t i o n o f s c e n e i l l u m i n a t i o n c a u s e d by sun a n g l e , s l o p e , a s p e c t , s u r f a c e r o u g h n e s s e t c . (Wagner e t a l . , 1 9 7 3 ) . The t e c h n i c a l a s s u m p t i o n f o r a s u c c e s s f u l r a t i o m ethod i s t h a t t h o s e v a r i a t i o n s w h i c h c a n be e l i m i n a t e d o r r e d u c e d a r e n o t o r o n l y s l i g h t l y w a v e l e n g t h d e p e n d e n t . 3. I D E N T I F I C A T I O N AND CHARACTERIZATION OF SOIL PATTERNS The u n d e r s t a n d i n g o f s o i l i n h e r e n t b e h a v i o r r e s u l t i n g f r o m s o i l p a r a m e t e r s a l o n g w i t h t h e k n o w l e d g e of f i e l d s p e c t r a l p r o p e r t i e s o f s u r f a c e s o i l s p r o v i d e s t h e b a s i s f o r s o i l p a t t e r n i d e n t i f i c a t i o n a n d c h a r a c t e r i z a t i o n by a i r b o r n e a n d s p a c e b o r n e r e m o t e s e n s i n g . S h o c k l e y e t a l . ( 1 9 6 2 ) 39 d e m o n s t r a t e d t h e v a l u e o f a s o i l m o i s t u r e s i g n a t u r e i n i d e n t i f y i n g s o i l s . Some s o i l s t h a t were o t h e r w i s e d i f f i c u l t t o d i f f e r e n t i a t e c o u l d be d i s t i n g u i s h e d f r o m e a c h o t h e r when u s i n g v a l u e s o f r e f l e c t a n c e m e a s u r e d w i t h v a r i a b l e m o i s t u r e c o n t e n t s . I f r e f l e c t a n c e a t s i x w a v e l e n g t h s - 1.40, 1.75, 1.94, 2.25, 4.00 and 4.50 um - were known, a n y s o i l t h a t t h e y t e s t e d c o u l d be i d e n t i f i e d . The g o o d r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s o i l o r g a n i c m a t t e r a n d r e f l e c t a n c e h a s been u t i l i z e d t o p r o d u c e s p e c t r a l maps r e l a t i n g t o s o i l t y p e s ( B a u m g a r d n e r e t a l . , 1970; K r i s t o f e t a l . , 1 9 7 3 ) . P r a i r i e s o i l s , f o r e s t s o i l s a n d t r a n s i t i o n a l s o i l s were i n c l u d e d i n t h e i r s t u d i e s . By u s i n g a i r b o r n e MSS d a t a a n d c o m p u t e r c l a s s i f i c a t i o n , t h e y s u c c e s s f u l l y d e l i n e a t e d a n d mapped s u r f a c e s o i l a r e a i n t o f i v e s p e c t r a l c l a s s e s w h i c h r e p r e s e n t e d f i v e l e v e l s o f o r g a n i c m a t t e r r a n g i n g f r o m 1.5 t o 7%. S i n c e t h e o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t i n t h e s o i l a f f e c t s t h e c o l o r , h e a t c a p a c i t y , w a t e r h o l d i n g c a p a c i t y , CEC, s o i l s t r u c t u r e a n d e r o d a b i l i t y , t h e s p e c t r a l maps c a n be o f s p e c i a l i m p o r t a n c e i n s o i l p r o d u c t i v i t y a s s e s s m e n t . E r o s i o n c l a s s e s s e p a r a t e d s p e c t r a l l y were r e p o r t e d t o be c o m p a r a b l e i n l o c a t i o n a n d e x t e n t t o f i e l d o b s e r v a t i o n s (Mathews e t a l . , 1 9 7 3 a ) . T h i s i s a t t r i b u t a b l e t o t h e c l o s e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n e r o s i o n c l a s s e s a n d s u r f a c e o r g a n i c m a t t e r a n d i r o n o x i d e c o n t e n t s . E x t e n d i n g l a b o r a t o r y a n d f i e l d r e s u l t s o f s p e c t r o r a d i o m e t r y t o t h e l e v e l o f a i r b o r n e o r s p a c e b o r n e r e m o t e s e n s o r , i t i s l i k e l y t h a t r e f l e c t a n c e d a t a f r o m 40 c a r e f u l l y s e l e c t e d w a v e l e n g t h b a n d s c a n be u s e d t o e x t r a c t i n f o r m a t i o n f r o m b a r e s o i l a r e a s t h a t may be r e l a t e d t o l e v e l s o f o r g a n i c m a t t e r , s o i l m o i s t u r e , p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n , i r o n c o n t e n t , o r u s e d a s an i n d i c a t o r o f p o t e n t i a l p r o d u c t i v i t y s u c h a s CEC ( M y e r s , 1 9 8 3 ) . Where p r i o r i n f o r m a t i o n i s a v a i l a b l e a b o u t s o i l d r a i n a g e a n d p a r e n t m a t e r i a l s , e v e n b e t t e r c o r r e l a t i o n s c a n be e x p e c t e d w i t h i n more homogeneous a r e a s o f s o i l i n f e r e n c e . As a s i t e c h a r a c t e r i s t i c i n t e g r a t i n g t h e e f f e c t s o f c l i m a t e , l o c a l r e l i e f , a c c u m u l a t e d o r g a n i c m a t t e r and s o i l t e x t u r e , s o i l d r a i n a g e c a n be e x p e c t e d t o be c l o s e l y a s s o c i a t e d w i t h s u r f a c e r e f l e c t a n c e ( S t o n e r a n d B a u m g a r d n e r , 1 9 8 1 b ) . K i r s h n e r e t a l . d 9 7 8 ) u s e d d i g i t a l a n a l y s i s o f L a n d s a t MSS d a t a t o p r o d u c e a s p e c t r a l map o f n o n - v e g e t a t e d s o i l s i n t e r p r e t e d a c c o r d i n g t o d r a i n a g e c h a r a c t e r i s t i c s . By c o r r e l a t i n g d r a i n a g e c l a s s e s w i t h t h e s o i l s e r i e s , s o i l m a p p i n g u n i t s c o u l d b e more a c c u r a t e l y d e f i n e d . A p r o c e d u r e o f p a r t i t i o n i n g t h e a r e a i n t o d i f f e r e n t p a r e n t m a t e r i a l a r e a s b a s e d on p h o t o i n t e r p r e t a t i o n t o g e t h e r w i t h a u t o m a t i c s p e c t r a l c l a s s i f i c a t i o n w i t h i n p a r e n t m a t e r i a l z o n e s l e d t o t h e p r e p a r a t i o n o f 1:15,840 s c a l e s p e c t r a l map s h e e t s w h i c h was i n t e n d e d f o r u s e i n a s o i l s u r v e y ( W e i s m i l l e r e t a l . , 1 9 7 9 ) . A g a i n , s p e c t r a l c l a s s e s r e p r e s e n t e d were most c l o s e l y c o r r e l a t e d w i t h s o i l d r a i n a g e . A l t h o u g h i t was s o m e t i m e s p o s s i b l e t o c o r r e l a t e s o i l p r o p e r t i e s s u c h a s o r g a n i c m a t t e r a n d s u r f a c e t e x t u r e w i t h t h e s p e c t r a l c l a s s e s , t h e s e c o r r e l a t i o n s d i d n o t p r o v e a s c o n s i s t e n t a s t h o s e w i t h 41 d r a i n a g e c h a r a c t e r i s t i c s . W e i s m i l l e r e t a l . ( 1 9 7 7 ) a n d Wong e t a l . ( 1 9 7 7 ) p o i n t o u t t h a t a s p e c t r a l a n a l y s i s o f s o i l s a l o n e c a n n o t d i s t i n g u i s h b e t w e e n w i d e l y d i f f e r e n t s o i l s e x h i b i t i n g s i m i l a r s p e c t r a l r e s p o n s e s . The a c c u r a c y o f s o i l i d e n t i f i c a t i o n h a s been c o n s i d e r a b l y d e g r a d e d by d a t a n o i s e c h a r a c t e r i s t i c s . By c o m b i n i n g q u a n t i t a t i v e a n c i l l a r y d a t a s u c h a s d i g i t a l t e r r a i n f a c t o r s w i t h MSS d a t a , a more r e l i a b l e d e l i n e a t i o n o f s o i l s c a n be p r o v i d e d t h a n c a n be d e r i v e d s o l e l y f r o m s p e c t r a l c l a s s i f i c a t i o n . F o l l o w i n g t h i s a p p r o a c h , W e i s m i l l e r e t a l . ( 1 9 7 7 ) , by u t i l i z i n g s o i l s p e c t r a l i n f o r m a t i o n c o m b i n e d w i t h d i g i t i z e d t o p o g r a p h i c b o u n d a r y a n d p a r e n t m a t e r i a l b o u n d a r y d a t a , h a s p r e s e n t e d a d e t a i l e d s o i l map s h o w i n g 14 s u b g r o u p s , 7 s o i l f a m i l i e s a nd 18 s o i l s e r i e s c l a s s e s . The u s e f u l n e s s o f s p e c t r a l i n f o r m a t i o n f o r s o i l p a t t e r n r e c o g n i t i o n o v e r a v a s t t e r r i t o r y i n t h e U.S.S.R. has been t e s t e d by K o n d r a t y e v and F e d c h e n k o ( 1 9 8 0 ) . S p e c t r a l b r i g h t n e s s c o e f f i c i e n t s (SBC) were m e a s u r e d f r o m an a l t i t u d e o f 100-150 m by an a i r c r a f t e q u i p p e d w i t h a h i g h - s p e e d f i e l d s p e c t r o m e t e r w i t h d i s c r e t e s p e c t r a l s c a n n i n g i n t h e w a v e l e n g t h r e g i o n o f 0.4 t o 0.9 Mm. A s u p e r v i s e d a p p r o a c h o f p a t t e r n r e c o g n i t i o n was p e r f o r m e d , u n d e r a t e s t s i t e w h i c h i n c l u d e d a l l t y p e s o f s o i l s i n a r a b l e l a n d s o f t h e r e g i o n u n d e r i n v e s t i g a t i o n . The f i n a l p r o d u c t was a s o i l map f o r t h e e n t i r e a r e a o f U k r a i n e a n d M o l d a v i a t e r r i t o r i e s . T h i s map was t h e n c o m p a r e d t o t h e c o n v e n t i o n a l l y a c c e p t e d map 42 w i t h a c o i n c i d e n c e l e v e l o f 9 4 . 3 % . K o n d r a t y e v a n d F e d c h e n k o ( 1 9 8 2 ) made a n o t h e r s p e c t r a l map f o r i d e n t i f i c a t i o n o f s o i l o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t s f o r t h e same a r e a . I n t h i s s t u d y , t h e g r o u n d m e a s u r e m e n t s o f s p e c t r a l b r i g h t n e s s c o e f f i c i e n t s f o r s e l e c t e d p l o t s m e a s u r i n g 50 by 50 m w i t h d i f f e r e n t c o n t e n t s o f o r g a n i c m a t t e r i n s t e a d o f s o i l t y p e s were p e r f o r m e d f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f a c a l i b r a t i o n c u r v e . A g a i n , t h e a i r - m e a s u r e m e n t s were c a r r i e d o u t by an AN-2 a i r c r a f t w i t h t h e same s p e c t r o m e t e r a t an a v e r a g e f l i g h t a l t i t u d e o f a b o u t 100 m. B e c a u s e a l l m e a s u r e m e n t s were i n c l o u d l e s s sunny w e a t h e r a t a s o l a r e l e v a t i o n o f no l e s s t h a n 40° and a f t e r p l o w i n g , t h e i n f l u e n c e s o f s o i l m o i s t u r e c o n t e n t , d e g r e e o f c u l t i v a t i o n , a n d i l l u m i n a t i o n c o n d i t i o n s on s p e c t r a l p r o p e r t i e s were assumed t o be e l i m i n a t e d , t h u s , t h e r e a d i n g s f r o m g r o u n d m e a s u r e m e n t s u s e d i n t h e c a l i b r a t i o n p r o c e d u r e w o u l d be a p p r o x i m a t e l y t h e same a s t h o s e f r o m a i r - m e a s u r e m e n t s . They u s e d t h i s a p p r o a c h t o map s o i l o r g a n i c m a t t e r f o r e n t i r e a r e a s o f t h e U k r a i n e a n d M o l d a v i a . T h i s work was f u r t h e r e x t e n d e d t o o t h e r a r e a s b u t c o m b i n e d w i t h a d e n s i t y a n a l y s i s o f M e t e o r s a t e l l i t e i m a g e s ( K o n d r a t y e v e t a l . , 1 9 8 3 ) . The r e s u l t s o f a i r c r a f t m e a s u r e m e n t s were u s e d t o c o n s t r u c t a t r a i n i n g s e q u e n c e f r o m w h i c h t h e y c o u l d e s t i m a t e o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t i n t h e s o i l s o f an a r e a where no a i r c r a f t m e a s u r e m e n t s were p e r f o r m e d i n t h a t p e r i o d , b u t w h i c h a p p e a r e d on t h e same s p a c e p h o t o g r a p h . 43 A l t h o u g h t h e a e r i a l p h o t o g r a p h i c i m a g e s h a v e been l o n g u s e d f o r i d e n t i f i c a t i o n o f s o i l f e a t u r e s , t h e use o f a i r p h o t o t o n e ( d e n s i t y ) a s a m e a s u r e o f t h e v a r i a b i l i t y o f i n d i v i d u a l s o i l p r o p e r t i e s c a n n o t be r e g a r d e d , a s p r o m i s i n g a s t h e m u l t i s p e c t r a l c l a s s i f i c a t i o n . C i h l a r a n d P r o t z ( 1 9 7 2) f o u n d t h a t i n f r a r e d c o l o r f i l m r e c o r d e d some s p e c i f i c i n f o r m a t i o n a b o u t s o i l m a p p i n g u n i t s b u t c o r r e l a t i o n b e t w e e n p h o t o - d e n s i t y v a l u e s a n d s o i l p r o p e r t i e s was p o o r . E v a n s e t a l . ( 1 9 7 6 ) , a f t e r e x a m i n i n g t h e c o r r e l a t i o n s o f p h o t o d e n s i t i e s w i t h o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t s w i t h i n an a r e a o f 60 km 2 and w i t h o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t s a s w e l l a s o t h e r s o i l p r o p e r t i e s w i t h i n f i e l d s , c o n c l u d e d t h a t t o n a l p a t t e r n s were g o o d i n d i c a t o r s o f d i f f e r e n t s o i l s b u t t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n t o n a l d e n s i t i e s a n d s p e c i f i c s o i l p r o p e r t i e s was n o t go o d e n o u g h f o r t h o s e p r o p e r t i e s t o be a c c u r a t e l y p r e d i c t e d . M o r e o v e r , c o r r e l a t i o n s were e v e n l o w e r when l a r g e r a r e a s were i n v o l v e d . They s u g g e s t e d t h a t t o n a l v a l u e s a r e b e s t u s e d i n c o n j u n c t i o n w i t h o t h e r c r i t e r i a , s u c h a s p a t t e r n a n d l a n d f o r m a n a l y s i s . I n a n o t h e r s t u d y , E v a n s ( 1 9 7 9 ) e v a l u a t e d a e r i a l p h o t o s c o l l e c t e d o v e r b a r e s o i l s a n d f o u n d t h a t t h e c o l o r c h a n g e s r e l a t e d t o s o i l m o i s t u r e v a r i e d w i t h d i f f e r e n t s o i l s . He c o n c l u d e d t h a t i t was u n l i k e l y t h a t c h a n g e s i n s o i l w a t e r - c o n t e n t c o u l d be e s t i m a t e d u s i n g p h o t o d e n s i t y . The l e v e l o f i m p o r t a n c e of. t o n e v a r i e s b e t w e e n l o c a l i t i e s , a n d t o n a l d e n s i t y c o u l d n o t a l w a y s be u s e d a s a d e f i n i t i v e c r i t e r i o n f o r a p a r t i c u l a r s o i l n o r p r e d i c t i n g p a r t i c u l a r s o i l p r o p e r t i e s . 44 H o w e v e r , P i e c h a n d W a l k e r (1974) r e p o r t e d t h a t an e m p i r i c a l r e f l e c t a n c e r a t i o m e t h o d o b t a i n e d f r o m t h e r e d a n d b l u e s p e c t r a l b a n d s o f c o n v e n t i o n a l c o l o r a i r - p h o t o s c o u l d be u s e d t o d e l i n e a t e r e l a t i v e s o i l m o i s t u r e a n d t e x t u r e p a t t e r n s . I f t h e d a r k e r s o i l e l e m e n t h a s a g r e a t e r r e d - t o - b l u e r e f l e c t a n c e r a t i o t h a n t h e l i g h t e r s o i l e l e m e n t , t h e t o n a l v a r i a t i o n b e t w e e n t h e s o i l e l e m e n t s i s c a u s e d p r i n c i p a l l y " b y m o i s t u r e . I f t h e d a r k e r s o i l e l e m e n t h a s a s m a l l e r r e d - t o - b l u e r e f l e c t a n c e r a t i o , t h e s o i l e l e m e n t s d i f f e r p r i n c i p a l l y due t o t e x t u r e . To p e r f o r m t h e r a t i o a n a l y s i s , t h e i n t e r p r e t e r must r e l a t e s o i l image d e n s i t i e s t o r e f l e c t a n c e s by c a l i b r a t i n g t h e c o l o r i m a g e r y t h r o u g h d e n s i t y v a r i a t i o n s i n shadow i m a g e s . E . SUMMARY B a s e d on t h i s l i t e r a t u r e r e v i e w i t i s e v i d e n t t h a t t h a t r e m o t e s e n s i n g t e c h n i q u e s show s i g n i f i c a n t p r o m i s e a s a t o o l t o p r e d i c t s o i l p r o p e r t i e s a n d s o i l v a r i a b i l i t y . H o wever, a l o t o f p a r a m e t e r i n t e r a c t i o n s i n f l u e n c e a n d r e d u c e t h e p r e d i c t i v e r e l i a b i l i t y o f s u c h m e t h o d s . The most p r o m i s i n g d i r e c t i o n i s i n t h e s p a t i a l d e l i n e a t i o n o f s o i l t y p e s a n d t h e q u a n t i f i c a t i o n o f o r g a n i c m a t t e r and s o i l m o i s t u r e . The f o r m e r must be b a s e d on an a n a l y s i s u s i n g s p e c t r a l c u r v e s o v e r a w i d e w a v e l e n g t h r a n g e w h i l e t h e l a t t e r c a n most l i k e l y be p r e d i c t e d f r o m t h e r e f l e c t i o n a t s p e c i f i c w a v e l e n g t h b a n d s . How t h i s c a n be a p p l i e d t o d e t a i l e d s o i l a s s e s s m e n t s on a f i e l d s p e c i f i c b a s i s and how t h i s c a n be t r a n s l a t e d i n t o f e r t i l i t y a s s e s s m e n t s w i l l b e t h e f o c u s t h e p r e s e n t t h e s i s r e s e a r c h . C h a p t e r I I I MATERIALS AND METHODS A. SAMPLING DESIGN The s o i l v a r i a b i l i t y i n t h e t e s t f i e l d was e x a m i n e d u s i n g t h r e e d i f f e r e n t s a m p l i n g s c h e m e s : c o n v e n t i o n a l , s e l e c t i v e , a n d s t r a t i f i e d random. The s a m p l e c o l l e c t i o n t o o k p l a c e on May 13, 1984, when t h e f i e l d was p r e p a r e d f o r p l a n t i n g and p r i o r t o f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n . The s u r f a c e s o i l s were s a m p l e d a t O72O cm d e p t h u s i n g a s h o v e l a n d t h e s a m p l e c o l l e c t i o n was c a r r i e d o u t i n d e p e n d e n t l y f o r e a c h s a m p l i n g scheme. 1. CONVENTIONAL SAMPLING C o n v e n t i o n a l s a m p l i n g was c a r r i e d o u t a c c o r d i n g t o t h e B. C. M i n i s t r y o f A g r i c u l t u r e (BCMAF, 1978) g u i d e l i n e s a n d c o n s i s t e d o f c o l l e c t i n g 12 s o i l s a m p l e s i n a s u b j e c t i v e manner so a s t o s a m p l e o n l y t h e d o m i n a n t s o i l c o n d i t i o n s a n d t o a v o i d e x t r e m e d a r k o r g r a v e l l y p a t c h e s w h i c h were p r e s e n t i n t h e f i e l d . T w e l v e s a m p l e s were t h e n c o m b i n e d i n t o one b u l k s a m p l e f o r s u b s e q u e n t a n a l y s i s . 2. S E L E C T I V E SAMPLING S e l e c t i v e s a m p l i n g was c a r r i e d o u t t o show t h e c o n t r a s t o f t h e s o i l p a t t e r n a n d t o d e t e r m i n e i f t h e v i s u a l p e r c e p t i o n o f t h e s u r f a c e s o i l s c o u l d be t r a n s l a t e d i n t o c h e m i c a l d i f f e r e n c e s i n t h e f i e l d . F o r t y - s e v e n s o i l s a m p l e s 46 " 47 were s e l e c t e d a n d t h e s a m p l e s c o u l d v i s u a l l y be c l a s s i f i e d i n t o t h r e e g r o u p s : d a r k s o i l s ( a p p r o x i m a t e l y 20% o f a l l s a m p l e s ) g r a v e l l y s o i l s ( a p p r o x i m a t e l y 20% o f a l l s a m p l e s ) , a n d d o m i n a n t , brown s o i l s ( a p p r o x i m a t e l y 6 0 % o f t h e s a m p l e s ) . The s a m p l e s were s e l e c t e d i n s u c h a way t h a t t h e d o m i n a n t s o i l s i n e a c h o f 28 e q u a l s i z e g r i d c e l l s were e x a m i n e d . The f i e l d was s t r a t i f i e d i n t o g r i d b l o c k s o f 30 m by 30 m d i m e n s i o n s a nd t h e s e w e r e t h e same u n i t s u s e d f o r t h e s t r a t i f i e d random s a m p l i n g , e x c e p t t h a t t h e s a m p l e s c o l l e c t e d i n e a c h g r i d c e l l w e r e c h o s e n s u b j e c t i v e l y on t h e b a s i s o f v i s u a l a p p e a r a n c e ( A p p e n d i x 1 ) . 3. S T R A T I F I E D RANDOM SAMPLING The p l o t d e s i g n f o r t h e s t r a t i f i e d random s a m p l i n g i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 3.1. The e n t i r e s t u d y s i t e was d i v i d e d i n t o 28 e q u a l - s i z e d , 30 m by 30 m s q u a r e s . B e c a u s e o f t h e u n e v e n s h a p e o f t h e f i e l d , 6 a d d i t i o n a l h a l f s i z e p l o t s w e r e a l s o s a m p l e d . Two random s a m p l e s were c o l l e c t e d i n e a c h f u l l s i z e p l o t a n d one random s a m p l e was c o l l e c t e d f o r e a c h h a l f s i z e p l o t . P a i r s o f random numbers s e l e c t e d f r o m random number t a b l e s p r o v i d e d t h e c o o r d i n a t e s f o r t h e s a m p l e l o c a t i o n . S i x t y - o n e s a m p l e s were c o l l e c t e d i n d e p e n d e n t l y u s i n g t h e s t r a t i f i e d random s a m p l i n g t e c h n i q u e w h i c h was assumed t o p r o v i d e b e s t e s t i m a t e s o f t r u e f i e l d c o n d i t i o n s . A l l s a m p l e s were d e s c r i b e d i n t h e f i e l d a n d t h e l o c a t i o n o f t h e s a m p l e p o i n t s was r e c o r d e d i n c o o r d i n a t e numbers i n o r d e r t o f a c i l i t a t e t h e s a m p l e l o c a t i o n s a m p l i n g p o i n t gure 3.1 I l l u s t r a t i o n of s t r a t i f i e d random sampling plot design: two samples were randomly taken from each p l o t . 49 v i d e n t i f i c a t i o n on a e r i a l p h o t o g r a p h s . I n a d d i t i o n , s m a l l m e t a l c a n s w i t h t i g h t - f i t t i n g l i d s w ere f i l l e d w i t h s o i l s f r o m e a c h o f t h o s e s a m p l i n g l o c a t i o n s f o r g r a v i m e t r i c s o i l m o i s t u r e d e t e r m i n a t i o n . B. SOIL PHYSICO-CHEMICAL ANALYSES 1. SAMPLE PREPARATION AND PHYSICAL MEASUREMENTS S a m p l e s were a i r - d r i e d i n t h e l a b o r a t o r y , c r u s h e d w i t h a wooden r o l l i n g p i n , a n d p a s s e d t h r o u g h a 10 mesh s i e v e t o remove a l l c o a r s e m a t e r i a l s l a r g e r t h a n 2 mm i n d i a m e t e r . C o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t was m e a s u r e d by w e i g h i n g a n d t h e n d i s c a r d e d . S i e v e d s o i l s a m p l e s were s t o r e d i n a i r - t i g h t c o n t a i n e r s . f o r f u r t h e r c h e m i c a l a n d r e f l e c t a n c e m e a s u r e m e n t s . S o i l m o i s t u r e c o n t e n t was d e t e r m i n e d g r a v i m e t r i c a l l y by d r y i n g i n t h e o v e n a t 110°C. M u n s e l l c o l o r n o t a t i o n s were t a k e n f r o m e a c h o f t h e s o i l s a m p l e s i n b o t h m o i s t a n d d r y c o n d i t i o n s . 2. CHEMICAL ANALYSIS A l l c h e m i c a l a n a l y s e s were c a r r i e d o u t on s i e v e d , a i r - d r i e d s o i l s a m p l e s , f o l l o w i n g s t a n d a r d a n a l y s i s m e t h o d s . S o i l pH was m e a s u r e d i n 1:1 s o i l w a t e r s o l u t i o n by a R a d i o m e t e r pHM62 S t a n d a r d pH m e t e r . T o t a l c a r b o n a n a l y s i s was c o n d u c t e d u s i n g a L e c o C a r b o n A n a l y z e r ( L e c o , 1 9 5 9 ) . O r g a n i c m a t t e r c o n t e n t was d e t e r m i n e d by t h e W a l k l e y - B l a c k 50 m e t hod a n d e x p r e s s e d a s % o r g a n i c c a r b o n ( A l l i s o n , 1 9 6 5 ) . E x c h a n g e a b l e c a l c i u m , m agnesium, s o d i u m , a n d p o t a s s i u m were d e t e r m i n e d by t h e ammonium a c e t a t e e x t r a c t i o n m e thod a t pH 7.0 (Chapman, 1 9 6 5 ) . The c o n c e n t r a t i o n s o f c a t i o n s i n t h e e x t r a c t s were m e a s u r e d on a P e r k i n E l m e r 306 a t o m i c a b s o r p t i o n s p e c t r o p h o t o m e t e r . C a t i o n e x c h a n g e c a p a c i t y was d e t e r m i n e d by t h e a n a l y s i s o f NH„ c o n c e n t r a t i o n o f t h e e x t r a c t w i t h a T e c h n i c o n A u t o a n a l y z e r I I ( T e c h n i c o n , 1 9 7 4 ) . T o t a l n i t r o g e n was d e t e r m i n e d u s i n g t h e c o l o r i m e t r i c m e t h od u n d e r t h e T e c h n i c o n A u t o a n a l y z e r I I ( T e c h n i c o n , 1 9 7 4 ) . The B r a y P-1 method was e m p l o y e d f o r d e t e r m i n i n g a v a i l a b l e p h o s p h o r u s ( O l s e n a n d Dean, 1 9 6 5 ) . The c o n c e n t r a t i o n o f P was m e a s u r e d c o l o r i m e t r i c a l l y w i t h a G i l f o r d S t a s a r I I s p e c t r o p h o t o m e t e r a t 660 am (Murphy a n d R i l e y , 1 9 6 2 ) . C. CONVENTIONAL V A R I A B I L I T Y AND F E R T I L I T Y ASSESSMENT The v a r i a b i l i t y - o f s o i l c h e m i c a l p r o p e r t i e s was d e t e r m i n e d a n d a s s e s s e d i n a c o n v e n t i o n a l a n a l y s i s b a s e d on s o i l d a t a f r o m s a m p l e s c o l l e c t e d by s t r a t i f i e d random s a m p l i n g t e c h n i q u e , f o l l o w i n g t h e m e t h o d s u s e d by B e c k e t t a n d W e b s t e r ( 1 9 7 1 ) . C o m p a r i s o n s were made u s i n g s a m p l e d a t a f r o m t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g a s w e l l a s t h e c o n v e n t i o n a l s a m p l i n g . F e r t i l i z e r r e q u i r e m e n t a s s e s s m e n t a n d r e c o m m e n d a t i o n were made f o r P. a n d K o n l y . The s o i l t e s t v a l u e was e s t i m a t e d u s i n g t h e c o m p o s i t e s a m p l e f r o m t h e c o n v e n t i o n a l 51 s a m p l i n g method w h i c h c o n s i s t e d o f 12 s u b - s a m p l e s . The f e r t i l i z e r r a t e a n d t h e amount o f f e r t i l i z e r r e q u i r e d f o r t h e f i e l d were t h e n d e t e r m i n e d a c c o r d i n g t o t h e g u i d e l i n e s i n t h e S o i l T e s t i n g M e t h o d s a n d I n t e r p r e t a t i o n s p u b l i s h e d by BCMAF ( N e u f e l d , 1 9 8 0 ) . T h i s m a n u a l i s r o u t i n e l y u s e d f o r s o i l t e s t i n g a n d f o r m a k i n g f e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n s i n t h e p r o v i n c e , i n c l u d i n g t h e Lower F r a s e r V a l l e y . D. REMOTE SENSING TECHNIQUES 1. SPECTRAL REFLECTANCE MEASUREMENTS B i d i r e c t i o n a l r e f l e c t a n c e f a c t o r m e a s u r e m e n t s o f s o i l s a m p l e s were p e r f o r m e d i n t h e l a b o r a t o r y u n d e r a r t i f i c i a l i l l u m i n a t i o n c o n d i t i o n , u s i n g a m u l t i - c h a n n e l s p e c t r o m e t e r ( E x o t e c h M o d e l 100 A ) . The s a m p l e s w ere d i s t r i b u t e d on a f l a t 30 cm * 30 cm s u r f a c e a n d t h e s p e c t r o m e t e r was m o u n t e d i n a f i x e d p o s i t i o n a p p r o x i m a t e l y 50 cm a b o v e t h e s a m p l e s t a g e w i t h a f i e l d o f v i e w a b o u t 15°. A b a r i u m s u l f a t e p a i n t , E a s t m a n Kodak w h i t e r e f l e c t a n c e s t a n d a r d , was u s e d t o c a l i b r a t e s p e c t r a l r e a d i n g s f o r a l l s a m p l e m e a s u r e m e n t s . A f t e r e v e r y s i x t h s o i l s a m p l e t h e BaSO„ p a i n t was m e a s u r e d t o a c c o u n t f o r a n y c h a n g e s - i n i n s t r u m e n t s e t u p and i l l u m i n a t i o n c o n d i t i o n . The c a l i b r a t i o n a n d m e a s u r i n g p r o c e d u r e o u t l i n e d by R o b i n s o n a n d B i e h l ( 1 9 7 9 ) was f o l l o w e d i n t h i s s t u d y . S p e c t r a l r e a d i n g s ( e x p r e s s e d a s % r e f l e c t i o n ) i n L a n d s a t s p e c t r a l b a n d 4 ( 0 . 5 - 0.6 M m ) , 5 ( 0 . 6 - 0.7 M m ) , 52 6 ( 0 . 7 - 0.8 um, and 7 ( 0 . 8 - 1.1 Mm) were o b t a i n e d f o r e a c h s a m p l e and were p l a c e d i n a c o m p u t e r f i l e f o r s u b s e q u e n t s t a t i s t i c a l a n a l y s i s . 2. AIRPHOTO P I X E L VALUE ANALYSIS A W i l d RC-10 c a m e r a w i t h a 152 mm f o c a l l e n g t h and Kodak 2445 c o l o r n e g a t i v e f i l m was u s e d f o r t h e a e r i a l m i s s i o n . The t e s t a r e a was c o v e r e d a t t h e t i m e t h e s o i l s a m p l e s were c o l l e c t e d i n t h e f i e l d , a n d t h e 1:4000 s c a l e 9 * 9 i n c h c o l o r p r i n t s o b t a i n e d f r o m t h e a i r p h o t o m i s s i o n were u s e d f o r t h e q u a n t i t a t i v e m u l t i - d y e l a y e r p i x e l v a l u e a s s e s s m e n t o f t h e s p a t i a l p a t t e r n o f t h e s o i l s . C o l o r i n f r a r e d f i l m a t t h e t i m e was n o t a v a i l a b l e f o r t h i s s t u d y . The f i e l d t e s t a r e a w h i c h was i d e n t i f i e d on t h e a e r i a l p h o t o s was d i g i t i z e d u s i n g an O p t r o n i c s C-4500 c o l o r f i l m s c a n n e r . The s c a n n i n g was done f o r b o t h t h e m a g e n t a and t h e c y a n d y e - l a y e r s u s i n g t h e g r e e n and t h e r e d f i l t e r s . The o p t i c a l a p e r t u r e o f d e t e c t i o n was s e l e c t e d a t 100 Mm a n d t h e d a t a was s t o r e d on t h e c o m p u t e r t a p e f o r d i g i t a l a n a l y s i s on a R a s t e r T e c h n o l o g y ( M o d e l 25) image a n a l y s i s s y s t e m . The b l u e s e n s i t i v e l a y e r was n o t c h o s e n b e c a u s e t h e l i g h t i n t h i s w a v e l e n g t h b a nd i s s u b j e c t s c a t t e r i n g by h a z e and d u s t p a r t i c l e s i n t h e a t m o s p h e r e a n d t h e c o n t r a s t a n d d e t a i l o f t h e image w o u l d be r e d u c e d ( C a r r o l l , 1 9 7 3 ) . A f t e r d i g i t i z a t i o n , t h e p i x e l m a t r i c e s o f b o t h d y e - l a y e r s were r e a d i n t o a c o m p u t e r , w i t h t h e n u m e r i c a l s c a l e o f p i x e l v a l u e s f r o m 0 f o r b l a c k t o 255 f o r w h i t e . The 53 p i x e l s i z e i s 100 am by 100 ixm a n d r e p r e s e n t s t h e g r o u n d s p a t i a l r e s o l u t i o n a b o u t 0.4 m by 0.4 m. The d i g i t i z e d i m a g e , t h e n , was p o r t r a y e d on a R a s t e r T e c h n o l o g y c o l o r d i s p l a y s c r e e n f o r v a r i o u s a n a l y s e s s u c h a s a r e a d e l i n e a t i o n , h i s t o g r a m and c l a s s i f i c a t i o n . The a r e a o f t h e s t u d y s i t e was d e l i n e a t e d on t h e d i s p l a y s c r e e n a n d a l l a r e a s o u t s i d e t h e t a r g e t f i e l d were e l i m i n a t e d . R e f l e c t a n c e o r p i x e l v a l u e v a r i a t i o n s were e x a m i n e d by p r o f i l i n g a nd f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n a n a l y s i s . The l a t t e r showed t h e r e l a t i v e f r e q u e n c y o f a p p e a r a n c e o f g i v e n p i x e l v a l u e s f o r t h e e n t i r e s t u d y s i t e . B e f o r e u s i n g a l i n e p r i n t e r t o o u t p u t p i x e l m a t r i x d a t a , a c o m p u t e r p r o g r a m was w r i t t e n a n d u s e d t o a v e r a g e t h e p i x e l v a l u e s f o r e v e r y 10 by 10 p i x e l s , w i t h a r e s u l t a n t g r o u n d r e s o l u t i o n o f a b o u t 4 m by 4 m i n a r e a p e r p i x e l p o i n t . The r e a s o n f o r r e d u c i n g t h e v o l u m e o f d a t a i s t h e d i f f i c u l t y o f h a n d l i n g s u c h a l a r g e v o l u m e o f o r i g i n a l d a t a . P r i n t e r o u t p u t s - o f t h e image p i x e l v a l u e m a t r i c e s i n i n d i v i d u a l d y e - l a y e r s (magenta a n d c y a n ) f o r t h e e n t i r e s i t e were o b t a i n e d and p i x e l v a l u e s f o r e a c h s a m p l i n g l o c a t i o n were t a k e n f r o m t h e p r i n t o u t s a c c o r d i n g t o t h e s a m p l e p o i n t c o o r d i n a t e s on r e c o r d . The p r i n t o u t d a t a were a l s o u s e d f o r c l u s t e r a n a l y s i s t o c l a s s i f y t h e p i x e l v a l u e s o f s o i l s a m p l e s i n t o g r o u p s i n two d i m e n s i o n a l s p a c e ( s i m i l a r t o n o n - s u p e r v i s e d c l a s s i f i c a t i o n ) . 54 E. S T A T I S T I C A L METHODS An o u t l i n e o f t h e s t a t i s t i c a l m e t h o d s u s e d i n t h i s s t u d y i s p r e s e n t e d i n F i g u r e 3.2. A l l a n a l y s e s , i f n o t s p e c i f i e d , w e r e , p e r f o r m e d u s i n g t h e p r o c e d u r e s i n t h e MIDAS p a c k a g e ( F o x a n d G u i r e , 1 9 7 6 ) . 1. V A R I A B I L I T Y ASSESSMENTS V a r i o u s d e s c r i p t i v e s t a t i s t i c s were c a l c u l a t e d f o r s o i l v a r i a b i l i t y a s s e s s m e n t s . They a r e t h e mean, s t a n d a r d d e v i a t i o n , minimum, maximum, a n d c o e f f e c i e n t o f v a r i a t i o n (%CV). CV i s a u n i t l e s s v a l u e d e f i n e d a s : %CV = s t a n d a r d d e v i a t i o n / m e a n * 100 CV was u s e d t o e x p r e s s t h e v a r i a b i l i t y o f p a r a m e t e r s b e c a u s e i t a c c o u n t s f o r b o t h mean a n d r a n g e ( s t a n d a r d d e v i a t i o n ) d i f f e r e n c e s , a n d t h e r e s u l t s c a n be d i r e c t l y c o m p a r e d one a n o t h e r . 2. S I G N I F I C A N C E TESTS T - t e s t c o m p a r e s t h e means f r o m two s e t s o f s a m p l e s by c a l c u l a t i n g s t u d e n t ' s T v a l u e a n d t e s t s t h e s i g n i f i c a n c e o f t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e means. The T - t e s t was u s e d t o t e s t s o i l d i f f e r e n c e s b e t w e e n s a m p l e s f r o m d i f f e r e n t s a m p l i n g methods a t t h e 9 5 % c o n f i d e n c e l e v e l when b o t h s a m p l e s i z e s were l a r g e r t h a n 12 s a m p l e s . The M a n n - W h i t n e y U - t e s t ( S i e g a l , 1959) was a l s o a s i g n i f i c a n c e t e s t u s e d f o r c o m p a r i n g s a m p l e d i f f e r e n c e s . The M a n n - W h i t n e y U - t e s t i s a n o n p a r a m e t r i c t e s t w i t h m i n i m a l STATISTICAL ANALYSIS OF DATA EVALUATION OF SOIL VARIABILITY AND COMPARISON BETWEEN DIFFERENT SAMPLING METHODS VARIABILITY z % COEFFICIENT OF VARIATION CORRELATION REGRESSION CHEMICAL VS SPECTRAL DATA ANALYSIS OF SPECTRAL REFLECTION DATA OF SOIL SAMPLES RELATIONSHIPS CLUSTERING ANALYSIS SPECTRAL DATA CHEMICAL DATA ANALYSIS OF AERIAL PHOTO PIXEL VALUES IN TWO DYE LAYERS VARIABILITY RELATIONSHIPS DISCRIMINANT ANALYSIS CHEMICAL DATA FOR GIVEN SPECTRAL OR PIXEL VALUE CLASSES CLUSTERING ANALYSIS PIXEL VALUES CHEMICAL DATA CORRELATION REGRESSION CHEMICAL VS PIXEL VALUES COMPARISONS OF RESULTS USING SIGNIFICANCE TESTS Figure 3.2 S t a t i s t i c a l Methods 56 a s s u m p t i o n s on s a m p l e d a t a , p e r m i t t i n g s a m p l e s i z e o f l e s s t h a n 12 t o be c o m p a r e d . The M a n n - W h i t n e y U - t e s t was p e r f o r m e d m a i n l y t o d e t e r m i n e i f t h e c l u s t e r a n a l y s i s g r o u p i n g s .were s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t f r o m one a n o t h e r a t t h e c o n f i d e n c e l e v e l o f 9 5 % . 3. RELATIONSHIP ANALYSIS A c o l l i n e a r i t y s t u d y o f t h e d a t a was p e r f o r m e d by means of a c o r r e l a t i o n m a t r i x , w h i c h e x p r e s s e d t h e l i n e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e n any two v a r i a b l e s . i n t h e f o r m o f a c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t . A l l b a s i c d a t a : s o i l p a r a m e t e r s , % r e f l e c t a n c e s , a n d p i x e l v a l u e s f o r s o i l s a m p l e s were e n t e r e d i n t o t h e p r o g r a m . S p e c t r a l b a n d r a t i o a n d band c o m b i n a t i o n were a l s o c o n s i d e r e d , a nd f o r some s o i l p a r a m e t e r s , a l o g a r i t h m i c t r a n s f o r m a t i o n was p e r f o r m e d . The r e s u l t i n g r v a l u e s f o r t h e s o i l p r o p e r t i e s g a v e a f i r s t o r d e r i n d i c a t i o n o f how w e l l e a c h p r o p e r t y c o u l d be p r e d i c t e d f r o m s p e c t r a l r e f l e c t a n c e s a n d p i x e l v a l u e s a n d w h i c h s p e c t r a l b a nd was b e s t . F o r t h o s e p r o p e r t i e s a n d b a n d s w h i c h showed h i g h p r e d i c t i o n p o t e n t i a l , s c a t t e r g r a m s were g e n e r a t e d , a n d s i m p l e l i n e a r r e g r e s s i o n s were p e r f o r m e d . The f o u r s p e c t r a l b a n d s a n d two d y e - l a y e r s were u s e d a s i n d e p e n d e n t v a r i a b l e s , r e s p e c t i v e l y , w h e r e a s t h e s o i l p r o p e r t i e s were c h o s e n a s p r e d i c t i v e v a r i a b l e s . The s t e p w i s e m u l t i p l e r e g r e s s i o n was c a r r i e d o u t t o d e t e r m i n e w h i c h s o i l p r o p e r t i e s a n d p a r a m e t e r i n t e r a c t i o n s 57 were b e s t r e l a t e d t o r e f l e c t a n c e o r p i x e l v a l u e s . S o i l p a r a m e t e r s w h i c h e n t e r e d i n s t e p w i s e r e g r e s s i o n a t t h e s i g n i f i c a n c e l e v e l o f 90% were u s e d t o e x p r e s s t h e v a r i a t i o n s i n r e f l e c t a n c e o r p i x e l v a l u e . 4. C L A S S I F I C A T I O N The p r o c e d u r e o u t l i n e d by UBC CGROUP ( P a t t e r s o n a n d W h i t a k e r , 1978) was" e m p l o y e d t o p e r f o r m a c l u s t e r a n a l y s i s f o r s o i l s a m p l e s on t h e b a s i s o f s o i l s p e c t r a l r e f l e c t i o n a n d d y e - l a y e r p i x e l v a l u e s . C l u s t e r a n a l y s i s i s a m u l t i v a r i a t e c l a s s i f i c a t i o n m ethod b a s e d on t h e s t a t i s t i c a l s i m i l a r i t y o f i n d i v i d u a l s o r g r o u p s o f i n d i v i d u a l s . The h i e r a r c h i c a l a v e r a g e d i s t a n c e l i n k a g e g r o u p i n g (Ward, 1963) was u s e d i n t h i s p r o c e d u r e . A n o t h e r p r o g r a m , UBC CORDER, was u s e d i n c o m b i n a t i o n w i t h CGROUP t o r e a r r a n g e t h e o r i g i n a l d a t a s e t i n a manner w h i c h i s c o m p a r a b l e t o t h e g r o u p i n g o r d e r . CGROUP o u t p u t i n c l u d e d a d e n d r o g r a m o f t h e g r o u p i n g a n d i n d e x e s a s s o c i a t e d w i t h e a c h g r o u p i n g s t e p w h i c h i n d i c a t e d t h e c o m p a c t n e s s o f c l u s t e r s r e l a t i v e t o t h e s e p a r a t i o n b e t w e e n c l u s t e r s . The p r o p e r t i e s a s s o c i a t e d w i t h t h e s o i l s i n e a c h c l u s t e r were a v e r a g e d t o i n d i c a t e t h e n a t u r e o f e a c h c l u s t e r i n t e r m s o f i t s s o i l p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s . 5. DISCRIMINANT ANALYSIS D i s c r i m i n a n t a n a l y s i s i s a m u l t i v a r i a t e s t a t i s t i c a l m e t h o d i n w h i c h l i n e a r c o m b i n a t i o n s o f v a r i a b l e s a r e u s e d t o 58 d i s t i n g u i s h b e t w e e n two o r more c a t e g o r i e s o f s a m p l e s . S t e p w i s e d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s c h o o s e s t h e l i n e a r c o m b i n a t i o n o f v a r i a b l e s t h a t b e s t s e p a r a t e s g r o u p s i n a s t e p w i s e manner a n d , a f t e r t h e d i s c r i m i n a n t f u n c t i o n s h ave been c o m p u t e d , g r o u p m e m b e r s h i p c a n be p r e d i c t e d u s i n g c o e f f i c i e n t s . . The d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s c a n be u s e d n o t o n l y t o c l a s s i f y a s a m p l e i n w h i c h a c t u a l g r o u p m e m b e r s h i p i s unknown b u t a l s o t o i d e n t i f y t h e m i s c l a s s i f i e d s a m p l e s a n d p l a c e them i n t o t h e i r p r o p e r g r o u p s . S t e p w i s e d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s was c a r r i e d o u t u s i n g t h e UBC-BMD07M p r o g r a m ( D i x o n a n d Brown, 1 9 7 9 ) . The g r o u p s o b t a i n e d f r o m a c l u s t e r a n a l y s i s o f t h e s p e c t r a l a n d p i x e l v a l u e a n a l y s i s s e r v e d a s a b a s i s f o r t h e d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s a n d t h e a n a l y s i s was p e r f o r m e d i n o r d e r t o d e t e r m i n e w h i c h o f t h e c h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s b e s t d i f f e r e n t i a t e d t h e s p e c t r a l r e f l e c t i v e p r o p e r t i e s o f t h e s o i l s a m p l e s a n d s o i l t y p e s . The o u t p u t f r o m t h e p r o c e d u r e i n c l u d e d a l i s t o f t h o s e p r o p e r t i e s w h i c h a p p e a r e d s i g n i f i c a n t i n d i s t i n g u i s h i n g among c l u s t e r s a t t h e c o n f i d e n c e l e v e l o f 9 5 % . The c l a s s i f i c a t i o n a s p e c t o f t h e d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s was n o t e m p h a s i z e d i n t h e p r e s e n t s t u d y . C h a p t e r I V RESULTS AND DISCUSSION The l a b o r a t o r y r e s u l t s o f s o i l p h y s i c a l , c h e m i c a l , r e f l e c t i o n a n d d i g i t i z e d a i r p h o t o m e a s u r e m n t s on s o i l s a m p l e s a r e p r e s e n t e d i n A p p e n d i x 2 a n d 3. A p p e n d i c e s 4 a n d 5 g i v e t h e c o m p u t e r p r i n t o u t s o f g r e e n a nd r e d f i l t e r p i x e l v a l u e d a t a f o r t h e e n t i r e t e s t f i e l d . R e s u l t s i n t e r p r e t a t i o n a n d d i s c u s s i o n a r e g i v e n i n t h e f o l l o w i n g f o u r s e c t i o n s . A. CONVENTIONAL ASSESSMENT OF SOIL V A R I A B I L I T Y AND F E R T I L I T Y The p r i n c i p a l a i m u n d e r t h i s s e c t i o n i s t o d e t e r m i n e t h e l a t e r a l v a r i a b i l i t y o f s o i l p r o p e r t i e s w i t h i n t h e f i e l d u s i n g mean s a m p l e v a l u e s a n d c o e f f i c i e n t s o f v a r i a t i o n a n d compare t h e d i f f e r e n t s a m p l i n g t e c h n i q u e s a n d s a m p l e g r o u p i n g s . The e m p h a s i s i s p l a c e d upon t h o s e s o i l p a r a m e t e r s p e r t a i n i n g t o s o i l f e r t i l i t y s t a t u s . 1. THE MAGNITUDE OF SOIL V A R I A B I L I T Y The o v e r a l l v a r i a b i l i t y o f s e l e c t e d s o i l p r o p e r t i e s o b t a i n e d f r o m t h e d i f f e r e n t s a m p l i n g schemes a r e d i s p l a y e d i n T a b l e 4.1.1. The %CV v a l u e s f o r a l l 108 s a m p l e s ( s e l e c t i v e + s t r a t i f i e d random s a m p l i n g ) were c o m p a r e d w i t h d a t a o b t a i n e d f r o m t h e s t r a t i f i e d random a n d s e l e c t i v e s a m p l e s e t s a n d l i t e r a t u r e v a l u e s . C o n s i d e r a b l e v a r i a t i o n s were p r e s e n t i n a l l p a r a m e t e r s e x c e p t pH. I n e i g h t o u t o f n i n e p a r a m e t e r s , t h e d a t a f r o m t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g showed t h e h i g h e s t v a r i a b i l i t y . T h i s 59 60 T a b l e 4.1.1 W i t h i n - f i e l d v a r i a b i l i t y (%CV) o f s e l e c t e d s o i l p r o p e r t i e s a n d c o m p a r i s o n w i t h t h e m e d i a n v a l u e s f r o m B e c k e t t a n d W e b s t e r ( 1 9 7 1 ) . SOIL C O E F F I C I E N T OF VARIATION (%) PROPERTY S t r a t i f i e d S e l e c t i v e C o m b i n e d B e c k e t t a n d random s a m p l e s s a m p l e s s a m p l e s W e b s t e r ' s n = 61 n = 47 n = 108 M e d i a n V a l u e MC 21 .5 34.8 29. 1 — CF 26.4 38.4 31.4 -PH 4.3 5.2 4.6 -OC 23.3 37.2 30.3 25-30 N 21.4 35.7 27.8 25-30 P 37.6 44.6 40.6 45 K 46.9 79.9 62.7 70 Ca 43.7 41 .4 42.6 30 CEC 19.3 30.5 25.8 -61 i s e x p e c t e d b e c a u s e t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g p l a c e d more e m p h a s i s on t h e e x t r e m e c o n d i t i o n s i n t h e f i e l d . I f we c o m b i n e t h e d a t a f r o m t h e s t r a t i f i e d random a n d t h e s e l e c t i v e s a m p l e s e t t h e n t h e v a r i a b i l i t y i s s l i g h t l y h i g h e r t h a n i n t h e s e t s a m p l e d w i t h t h e s t r a t i f i e d random t e c h n i q u e b u t s m a l l e r t h a n i n t h e s e l e c t i v e l y s a m p l e d d a t a s e t . T h e s e t r e n d s a n d c o m p a r i s o n s were c o n s i s t e n t f o r a l l p a r a m e t e r s e x c e p t C a , w h i c h was more v a r i a b l e i n t h e s t r a t i f i e d random s a m p l e s e t . K was f o u n d t o be t h e most v a r i a b l e p a r a m e t e r s h o w i n g t h e h i g h e s t %CV a n d t h e g r e a t e s t d i f f e r e n c e b e t w e e n s a m p l e s e t s . Ca a n d P h a d %CV a b o v e 40% and m o i s t u r e c o n t e n t , c o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t , % o r g a n i c C, N a n d CEC a l l showed %CV v a l u e s w h i c h were i n t h e r a n g e o f 2 5 - 3 0 % . T h i s i m p l i e s t h a t K, Ca a n d P a r e t h e most v a r i a b l e p a r a m e t e r s i n t h e f i e l d a n d a r e , t h e r e f o r e , more d i f f i c u l t t o q u a n t i f y f o r f e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n w o r k . The v a l u e s o b t a i n e d i n t h i s s t u d y c o m p a r e d v e r y f a v o r a b l y w i t h t h o s e o b t a i n e d by B e c k e t t and W e b s t e r ( 1 9 7 1 ) w h i c h were b a s e d on a l i t e r a t u r e r e v i e w . The m e d i a n v a l u e s were a l l v e r y c l o s e e x c e p t f o r Ca w h i c h h a d a c o e f f i c i e n t o f v a r i a t i o n a p p r o x i m a t e l y 10% h i g h e r i n t h e s t u d y s i t e t h a n t h a t q u o t e d i n t h e l i t e r a t u r e . 2. COMPARING MEAN VALUES OF THREE SAMPLING METHODS The mean a n d r a n g e v a l u e s o b t a i n e d f r o m t h e c o n v e n t i o n a l , s t r a t i f i e d random a n d s e l e c t i v e s a m p l i n g d a t a 62 s e t were c o m p a r e d i n F i g u r e 4.1.1. I n s p i t e o f l a r g e d i f f e r e n c e s i n %CV v a l u e s b e t w e e n d i f f e r e n t s a m p l i n g m e t h o d s , t h e mean v a l u e s were v e r y c l o s e . B a s e d on a f u r t h e r c o m p a r i s o n s h o w i n g t h e % d i f f e r e n c e s b e t w e e n means, t h e d i f f e r e n c e was i n a l l c a s e s l e s s t h a n 12% u s i n g t h e s t r a t i f i e d random d a t a s e t a s a b a s i s f o r c o m p a r i s o n ( T a b l e 4 . 1 . 2 ) . The mean d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e s t r a t i f i e d , random and t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g were c h e c k e d by a s t u d e n t - T t e s t a n d t h e r e s u l t s showed t h a t t h e r e were no s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e . f o r any o f t h e t e s t e d s o i l p r o p e r t i e s a t t h e c o n f i d e n c e l e v e l o f 9 5 % . T h i s i n d i c a t e d t h a t t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g , w h i c h was b a s e d on s e l e c t i n g t h e d o m i n a n t s o i l t y p e s i n e a c h 30m by 30m s a m p l i n g g r i d , was r e p r e s e n t a t i v e o f t h e f i e l d c o n d i t i o n s . S i m i l a r r e s u l t s were o b t a i n e d when t h e c o n v e n t i o n a l s a m p l e mean was c o m p a r e d w i t h t h e o t h e r d a t a s e t s ( T a b l e 4.1.2 a n d F i g u r e 4 . 1 . 1 ) . The e s t i m a t e s n e v e r d i f f e r e d by more t h a n 1 3 .1% f r o m t h e s t r a t i f i e d random s a m p l i n g . The l a t t e r m e t hod was c o n s i d e r e d t h e most o b j e c t i v e m e thod o f s a m p l i n g f o r a s s e s s i n g s o i l v a r i a b i l i t y ( B a l l a n d W i l l i a m s , 1971; B a n k , 1984) a n d s h o u l d t h e r e f o r e be u s e d a s a b a s e f o r c o m p a r i s o n . We c a n t h u s c o n c l u d e t h a t t h e mean v a l u e s o b t a i n e d f r o m t h e t h r e e s a m p l i n g m e t h o d s a r e r e p r e s e n t a t i v e o f t h e f i e l d c o n d i t i o n s w i t h t h e e x c e p t i o n o f P v a l u e s w h i c h show a 13% d i f f e r e n c e b e t w e e n c o n v e n t i o n a l s a m p l i n g a n d t h e o t h e r two m e t h o d s . 63 T a b l e 4.1.2 C o m p a r i s o n s o f t h r e e s a m p l e s e t s f r o m c o n v e n t i o n a l , s t r a t i f i e d random a n d s e l e c t i v e s a m p l i n g . SOIL CONVENTIONAL S E L E C T I V E S T R A T I F I E D PROPERTY SAMPLING SAMPLING RANDOM SAMPLING MEAN 27.6 29.6 26.5 MC SD - 10.3 5.7 % D# 4.2 11.7 — MEAN 28.2 29.4 29.7 CF SD - 11.3 7.8 % D -5.1 -1 .0 — MEAN 6.87 6.94 6.97 PH SD - 0.36 0.30 % D -1.4 -0.4 — MEAN 2.41 2.53 2.4 oc SD - 0.94 0.56 % D -0.4 5.4 — MEAN 0. 1 42 0. 145 0. 143 N SD - 0.051 0.031 % D -0.7 1.4 — MEAN 95. 1 108.9 109.4 P SD - 48.4 41 . 1 % D -13.1 -0.7 — MEAN 0.53 0.50 0.49 K SD - 0.27 0.23 % D 8.2 2.0 — MEAN 10.3 10.3 10.8 Ca SD - 4.2 4.7 % D -4.6 - 4 . 6 — MEAN 19.8 2 0 . 1 18.1 CEC SD - 6.14 3.50 % D 9.4 11 .0 -# P e r c e n t mean d i f f e r e n c e f r o m t h e s a m p l e s e t o f t h e s t r a t i f i e d random s a m p l i n g . 64 0.2W 200 H 0< 100 0.9 0.6H 0.3 k 4 . 0 u o 2.0 C - C o n v e n t i o n a l S a m p l i n g S - S e l e c t i v e S a m p l i n g R . - S t r a t i f i e d Random S a m p l i n g F i g u r e 4 . 1 . 1 Comparison of mean v a l u e s from three sampling methods f o r N, P, K, OC, CEC, e r r o r bars r e p r e s e n t one standard d e v i a t i o n . 65 3. I DENTIFYING THREE SOIL TYPES FROM THE SELECTIVELY  COLLECTED SAMPLES As p r e v i o u s l y d i s c u s s e d , t h e r e were no s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s b e t w e e n means among t h e d i f f e r e n t s a m p l i n g m e t h o d s . H o w e v e r , t h e s a m p l e s c o l l e c t e d s e l e c t i v e l y c a n be g r o u p e d i n t o t h r e e c a t e g o r i e s b a s e d on t h e i r v i s u a l a p p e a r a n c e ( s e e A p p e n d i x 1 ) . The t h r e e c a t e g o r i e s o f s a m p l e s r e p r e s e n t v e r y d a r k s o i l s (Type I ) , g r a v e l l y , l i g h t c o l o r e d s o i l s ( T y pe I I ) a n d g e n e r a l l y brown o r d o m i n a n t s o i l s (Type I I I ) r e s p e c t i v e l y . The a v e r a g e M u n s e l l c o l o r n o t a t i o n s o f hue, v a l u e a n d chroma m e a s u r e d on t h e a i r - d r y c o n d i t i o n f o r e a c h o f t h r e e s o i l s a m p l e c a t e g o r i e s a r e g i v e n i n T a b l e 4.1.3. The d i s t r i b u t i o n s o f t h e s e t h r e e s o i l t y p e s i s r e a d i l y v i s i b l e on t h e a e r i a l p h o t o g r a p h ( P l a t e 1 ) . A l t h o u g h c o l o r hue was s i m i l a r among t h e t h r e e s o i l s a m p l e c a t e g o r i e s , t h e m e a s u r e m e n t s o f c o l o r v a l u e a n d chroma were d i f f e r e n t f r o m e a c h o t h e r , w i t h t h e h i g h e s t n u m e r i c a l v a l u e s f o r s o i l t y p e I I a n d t h e l o w e s t v a l u e s f o r t y p e I . I t i s n o t e d , h o w e v e r , t h a t t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n t y p e I I a n d I I I a r e much s m a l l e r t h a n t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n t y p e I a n d o t h e r two t y p e s , w h i c h i m p l i e s t h a t t h e same t r e n d may be o b s e r v e d i n s o i l c h e m i c a l d i f f e r e n c e s . The M a n n - W h i t n e y t e s t showed t h a t t h e d i f f e r e n c e s o f c o l o r v a l u e a n d chroma b e t w e e n s o i l t y p e I I a n d t y p e I I I were n o t s i g n i f i c a n t a t t h e c o n f i d e n c e l e v e l o f 95% F i g u r e 4.1.2 a n d T a b l e 4.1.4 show t h e mean v a l u e s a n d s t a n d a r d d e v i a t i o n s o f s e l e c t e d s o i l f e r t i l i t y p r o p e r t i e s 66 T a b l e 4.1.3 A v e r a g e M u n s e l l c o l o r n o t a t i o n s f o r t h r e e s o i l c a t e g o r i e s f r o m t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g . SOIL TYPE HUE VALUE CHROMA I 10YR 4.50 3.10 I I 10YR 6.11 4.33 I I I 10YR 5.86 4.04 o b t a i n e d f r o m t h e s e t h r e e c a t e g o r i e s o f t h e s o i l t h a t were c l a s s i f i e d a c c o r d i n g t o t h e i r v i s u a l a p p e a r e n c e u s i n g t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g m e t h o d . Mean v a l u e s f r o m t h e s t r a t i f i e d random s a m p l i n g a n d t h e p e r c e n t mean d i f f e r e n c e s o f t h e t h r e e s o i l s a m p l e c a t e g o r i e s f r o m t h e s t r a t i f i e d random method a r e a l s o p r o v i d e d i n T a b l e 4.1.4 f o r c o m p a r i s o n . The M a n n - W h i t n e y U - t e s t was u s e d t o t e s t t h e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n means f o r s e l e c t e d s o i l f e r t i l i t y p r o p e r t i e s f r o m v a r i o u s s a m p l e g r o u p s a n d r e s u l t s a r e g i v e n i n F i g u r e 4.1.3. S i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s were o b t a i n e d b e t w e e n a l l t h r e e s o i l t y p e s , a n d OC, N, K and CEC were f o u n d t o be t h e b e s t d i s t i n g u i s h i n g p a r a m e t e r s . S o i l t y p e I a n d I I were a l s o f o u n d t o be s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t f r o m t h e s o i l d a t a s e t c o l l e c t e d u s i n g t h e s t r a t i f i e d random m e t h o d . S o i l t y p e I I I a s shown i n F i g u r e 4.1.3 d i d n o t d i f f e r f r o m t h e s t r a t i f i e d 67 T a b l e 4.1.4 C o m p a r i s o n s o f t h r e e s o i l c a t e g o r i e s f r o m t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g a n d s a m p l e s f r o m t h e s t r a t i f i e d random s a m p l i n g . SOIL S E L E C T I V E SAMPLES GROUP S T R A T I F I E D RAMDOM PARAMETER I I I I I I SAMPLE SET MEAN 44.7 19.5 27.6 26.5 MC SD 6.8 6.8 5.1 5.7 % D# 68.7 -26.4 4.1 — MEAN 21.2 43.1 28.2 29.7 CF SD 3.6 12.4 9.4 7.8 % D -28.6 45. 1 -5.1 — MEAN 6.79 7.18 6.92 6.97 pH SD 0.30 0.34 0.36 0.30 % D -2.6 3.0 0.7 • — MEAN 3.96 1 .90 2.21 2.40 OC SD 0.43 0.62 0.58 0.56 % D 65.0 -20.8 -7.9 — MEAN 0.210 0.108 0. 133 0. 143 N SD -0.053 0.027 0.032 0.031 % D 46.9 -24.5 -7.0 — MEAN 156.6 93.2 95.3 109.4 P SD 67. 1 24.3 34.9 41.1 % D 43.4 - 14.8 -12.9 — MEAN 0.70 0.26 0.50 0.49 K SD 0.20 0.11 0.27 0.23 % D 42.9 -46.9 2.0 — MEAN 14.3 7.7 9.6 10.8 Ca SD 4.0 2.5 3.9 4.7 % D 32.0 -28.7 -11.1 — MEAN 28.9 14.5 18.8 18.1 CEC SD 5.45 3.57 3.13 3.5 % D 58.7 -19.9 3.9 -# P e r c e n t mean d i f f e r e n c e o f t h r e e s o i l c a t e g o r i e s f r o m t h e s a m p l e s o f t h e s t r a t i f i e d random s a m p l i n g . 68 Z 0.3 -0.2 • 0.1 -200 100 • II III II III « 1.0 -0.5 - i . II III U 40 h w u 30 20 L 10 h 0 1 I I — dark s o i l s I I — g r a v e l l y / l i g h t s o i l s I I I — brown s o i l s II I I I F i g u r e 4.1.2 C o m p a r i s o n o f mean v a l u e s f r o m t h r e e s o i l c a t e g o r i e s s e l e c t i v e s a m p l i n g f o r N, P, K, OC and CEC, e r r o r b a r s r e p r e s e n t one s t a n d a r d d e v i a t i o n . 69 I I I I I I I I pH, OC, N, P, K, CEC, VALUE,CHROMA I I I OC, N, P, K, CEC, VALUE,CHROMA pH, OC, N, K, CEC SRS OC, N, P, K, CEC, VALUE,CHROMA OC, N, K, CEC I : d a r k s o i l s ( T y p e I ) , I I : g r a v e l l y / l i g h t s o i l s ( T y p e I I ) , I I I : d o m i n a n t s o i l s (Type I I I ) , SRS: s t r a t i f i e d random s a m p l e s . F i g u r e 4.1.3 S i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h r e e s o i l t y p e s f r o m s e l e c t i v e s a m p l i n g a n d s t r a t i f i e d r andom s a m p l e s e t by M a n n - W h i t n e y U - t e s t (r>fe0.05), t e s t s w e r e made on pH, OC, N, P, K, CEC, a n d c o l o r v a l u e a n d c h r o m a . 70 random s o i l s a n d was t h u s r e p r e s e n t a t i v e o f t h e a v e r a g e f i e l d c o n d i t i o n s . The s a m p l e s f r o m s o i l t y p e I t e n d t o o v e r e s t i m a t e t h e s t r a t i f i e d random means, a n d t h e s a m p l e s f r o m s o i l t y p e I I u n d e r e s t i m a t e t h e means f o r most s o i l p r o p e r t i e s . The e x c e p t i o n i s t h e c o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t w h i c h shows an o p p o s i t e t r e n d . H owever, t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n t y p e I I a n d t h e r a n d o m l y s e l e c t e d s a m p l e s a r e much s m a l l e r t h a n t h o s e b e t w e e n t y p e I a n d t h e random s a m p l e s f o r a l l s o i l p r o p e r t i e s b u t c o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t a n d K. D i f f e r e n c e s l a r g e r t h a n 40% a p p e a r i n s o i l m o i s t u r e c o n t e n t , OC, N, P, K and CEC b e t w e e n s o i l t y p e I a n d t h e r a n d o m l y s e l e c t e d s a m p l e s a n d i n c o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t a n d K b e t w e e n s o i l t y p e I I a n d t h e random s a m p l e s . S i g n i f i c a n c e t e s t s i n d i c a t e d t h a t t h e s o i l t y p e s c o u l d be d i f f e r e n t i a t e d a t t h e c o n f i d e n c e l e v e l o f 95% b a s e d on s o i l f e r t i l i t y p a r a m e t e r s ( F i g u r e 4.1.3) a s w e l l a s m o i s t u r e c o n t e n t a n d c o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t . O n l y P d o e s n o t a p p e a r on t h e s i g n i f i c a n c e t a b l e b e t w e e n s o i l t y p e I I a n d t h e random s a m p l e s e t o r t y p e I I I . T h e s e r e s u l t s show t h a t t h e t h r e e s o i l t y p e s w h i c h c a n be i d e n t i f i e d v i s u a l l y f r o m t h e a e r i a l p h o t o g r a p h s and i n t h e f i e l d a r e a l s o c h e m i c a l l y d i f f e r e n t . What i s now n e e d e d i s t o e x a m i n e w h e t h e r t h e s e s o i l s r e q u i r e d i f f e r e n t f e r t i l i z e r t r e a t m e n t s a n d w h e t h e r t h e i r s p a t i a l e x t e n t i s l a r g e e n o u g h t o be c o n s i d e r e d o f i m p o r t a n c e i n a p p l y i n g v a r i a b l e r a t e s o f f e r t i l i z e r s . 71 4. EFFECT OF DIFFERENCES AMONG THREE SOIL TYPES ON F E R T I L I Z E R RECOMMENDATION T a b l e 4.1.5 p r e s e n t s t h e r e s u l t s o f P a n d K f e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n s f o r c o r n w h i c h i s i n c r o p G r o u p 3 s p e c i f i e d by t h e BCMAF handbook ( N e u f e l d , 1 9 8 0 ) . T h i s was b a s e d on mean v a l u e s e s t i m a t e d f r o m c o n v e n t i o n a l c o m p o s i t e s a m p l e s a n d t h e s e l e c t i v e s a m p l e s i n w h i c h t h r e e s o i l t y p e s were c o n s i d e r e d s e p a r a t e l y . An a t t e m p t was made t o show how t h e v a r i a b i l i t y o f s o i l f e r t i l i t y l e d t o d i f f e r e n t f e r t i l i z e r r a t e s r e c o m m e n d a t i o n s . The c a l c u l a t i o n s f o r P f e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n showed t h a t t h e P v a l u e s were w e l l a b o v e t h e r e q u i r e d l e v e l s f o r a l l s o i l t y p e s i n s p i t e o f s i g n i f i c a n t l y h i g h e r mean v a l u e o b s e r v e d f o r s o i l t y p e I . I n f a c t , a l l s o i l t e s t v a l u e s a r e h i g h e r t h a n t h e c r i t i c a l v a l u e n e e d e d f o r f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n l i s t e d i n t h e BCMAF h a n d b o o k . T h i s s u g g e s t s t h a t h e a v y a p p l i c a t i o n o f P f e r t i l i z e r h a s l i k e l y t a k e n p l a c e i n t h e r e c e n t p a s t . The same s i t u a t i o n o c c u r r e d f o r K, where l a r g e d i f f e r e n c e s b e t w e e n s o i l t y p e I a n d t h e o t h e r s o i l t y p e s were p r e s e n t . Once a g a i n t h e v a l u e s were a b o v e t h e n e c e s s a r y t e s t v a l u e , t h e r e f o r e , o n l y a minimum r a t e o f f e r t i l i z e r ( s t a r t e r e f f e c t ) was n e e d e d f o r t y p e I a n d I I I . H owever, t h e l o w mean K v a l u e f o r s o i l t y p e I I d i d show t h e n e e d f o r a h i g h e r K f e r t i l i z a t i o n r a t e f o r t h o s e s o i l s t h a n t h e r a t e f o r t h e a v e r a g e s o i l c o n d i t i o n e s t i m a t e d by t h e c o n v e n t i o n a l m e t h o d . T h i s means t h a t a d i f f e r e n t r a t e o f K s h o u l d be T a b l e 4.1.5 P a n d K f e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n s f o r c r o p g r o u p t h r e e b a s e d on t h e c o n v e n t i o n a l s a m p l i n g a n d t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g ( t h r e e s o i l t y p e s ) . SOIL SET SAMPLE NUMBER MEAN (ppm) F E R T I L I Z E R RATE ( k g / h a ) TOTAL F E R T I L I Z E R A P P L I C A T I O N ( k g ) * C o n v e n t i o n a l c o m p o s i t e 1 95 28 ( P5OJ - ) 81 P T y p e - I 10 157 28 -T y p e - I I 10 93 28 <P*Or> -T y p e - I l l 28 95 28 ( P z o r ) -C o n v e n t i o n a l c o m p o s i t e 1 207 45 ( K i O ) 130 K T y p e - I 10 273 45 ( K 2 0 ) -T y p e - I I 9 101 67 (K^O) -T y p e - I l l 28 195 45 ( K 2 0 ) -* T o t a l f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n s f o r t h r e e s o i l t y p e s f r o m t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g c a n n o t be d e t e r m i n e d b a s e d on t h e p r e s e n t l y a v a i l a b l e i n f o r m a t i o n . 73 a p p l i e d t o t h e l i g h t c o l o r e d g r a v e l l y s o i l s i n o r d e r t o a c h i e v e a maximum y i e l d . T h e s e c a l c u l a t i o n s were b a s e d on mean v a l u e s o b t a i n e d f r o m c h e m i c a l a n a l y s e s o f s o i l s a m p l e s l e s s t h a n 2 mm i n p a r t i c l e s i z e a n d , a c c o r d i n g l y , t h e c o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t was n o t t a k e n i n t o a c c o u n t i n d e t e r m i n i n g d i f f e r e n t r a t e s o f f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n f o r d i f f e r e n t s o i l s . C o n s i d e r i n g t h e n e a r l y 4 3 % o f c o a r s e f r a g m e n t s i n s o i l t y p e I I ( T a b l e 4 . 1 . 4 ) , one c a n a n t i c i p a t e t h a t a c t u a l s o i l s w o u l d show e v e n l a r g e r c h e m i c a l d i f f e r e n c e s b e t w e e n t y p e I I and o t h e r s o i l t y p e s . T h i s w o u l d l i k e l y r e s u l t i n a h i g h e r a p p l i c a t i o n r a t e of K t h a n t h a t showed i n T a b l e 4.1.5 f o r t y p e I I , a n d may have a s i m i l a r e f f e c t on P r e c o m m e n d a t i o n s w h i c h showed o n l y one r a t e was n e e d e d f o r a l l s o i l t y p e s i n t h e p r e s e n t s t u d y . T o t a l f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n s f o r t h e s t u d y s i t e ( 2 . 9 0 ha) were e s t i m a t e d u s i n g t h e c o n v e n t i o n a l c o m p o s i t e s a m p l e . S i n c e t h e a r e a s r e p r e s e n t e d by i n d i v i d u a l s o i l t y p e s a r e unknown, we a r e n o t a b l e t o d e t e r m i n e how much f e r t i l i z e r s s h o u l d be a p p l i e d t o e a c h o f t h r e e s o i l t y p e s a t t h e p r e s e n t s t a g e . No r e c o m m e n d a t i o n s o f d i f f e r e n t r a t e s o f N f e r t i l i z e r were made i n t h i s s t u d y b e c a u s e p r e s e n t l y no s u c h s t a n d a r d s o i l t e s t i n g method f o r N i s a v a i l a b l e i n t h e Lower F r a s e r V a l l e y a r e a . 7 4 5. S U M M A R Y R e l i a b l e s o i l s a m p l i n g i s a p r e r e q u i s i t e t o a c c u r a t e l y c a r r y o u t s o i l - f e r t i l i t y t e s t s . T h e c o n v e n t i o n a l s a m p l i n g p r o v i d e d r e s u l t s c o m p a r a b l e t o t h e d e t a i l e d s t r a t i f i e d r a n d o m s a m p l i n g w i t h r e s p e c t t o t h e p r e d i c t i o n p r e c i s i o n o f t h e m e a n v a l u e s o f s o i l q u a l i t i e s . T h i s s t a t e m e n t a l s o a p p l i e s t o t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g d a t a a n d t h e c o m b i n e d d a t a s e t . B y g r o u p i n g s a m p l e s a c c o r d i n g t o t h e i r v i s u a l a p p e a r e n c e , t h r e e g e n e r a l c a t e g o r i e s w e r e i d e n t i f i e d . T h e y c o u l d b e s e p a r a t e d o n t h e b a s i s o f m e a n v a l u e s a n d r a n g e d i f f e r e n c e s f o r m o s t s o i l p r o p e r t i e s . T h e s i g n i f i c a n c e t e s t p r o v e d t h a t t h e m a j o r s o i l f e r t i l i t y e l e m e n t s b e h a v e d d i f f e r e n t l y a m o n g t h e s o i l g r o u p s a n d t h e i m p o r t a n c e o f t h i s e f f e c t o n s o i l m a n a g e m e n t a n d c r o p p e r f o r m a n c e s h o u l d n o t b e u n d e r e s t i m a t e d . T h i s i s o f p a r t i c u l a r i m p o r t a n c e i n i n t e n s i v e l y m a n a g e d f i e l d s . B a s e d o n t h e c u r r e n t o b s e r v a t i o n s , i t i s o b v i o u s t h a t h i g h r a t e s o f f e r t i l i z e r w e r e b e i n g a p p l i e d t o t h e s t u d y f i e l d , a n d a d i f f e r e n t r a t e i s r e q u i r e d o n l y f o r K f o r s o i l t y p e I I a t t h e p r e s e n t . W i t h a m o r e m o d e r a t e f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n r a t e t h e d i f f e r e n c e s a m o n g t h e s o i l t y p e s w i l l b e m o r e d r a m a t i c i n s u c c e s s i v e y e a r s a n d a p p l i c a t i o n o f v a r i a b l e r a t e s w o u l d t h e n b e o f g r e a t e r i m p o r t a n c e . I t i s e x p e c t e d t h a t i n o t h e r f i e l d s , w h e r e t h e s o i l t e s t s a r e l o w , t h e s o i l f e r t i l i t y v a r i a b i l i t y w i t h i n t h e f i e l d w i l l b e l a r g e r , t h e r e f o r e , f u r t h e r j u s t i f y i n g t h e u s e o f d i f f e r e n t f e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n s a n d s o i l m a n a g e m e n t p r a c t i c e s . 7 5 B . S P A T I A L A N A L Y S I S O F S O I L P A T T E R N S F R O M T H E A I R P H O T O I n t h e p r e v i o u s s e c t i o n , s o i l s f r o m t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g w e r e g r o u p e d i n t o t h r e e c a t e g o r i e s b a s e d o n t h e v i s u a l a p p e a r a n c e o n t h e g r o u n d . E a c h o f t h e s e c a t e g o r i e s r e p r e s e n t e d a c e r t a i n p o r t i o n o f t h e f i e l d i n w h i c h t h e s o i l s w e r e s a m p l e d . T h e d i f f e r e n c e s o n t h e g r o u n d a r e e a s i l y d e t e c t e d f r o m t h e a e r i a l p h o t o s o n t h e b a s i s o f d i f f e r e n c e s i n t o n e a n d d e n s i t y p a t t e r n s . I n t h i s s e c t i o n t h e a i r p h o t o p a t t e r n a n d i t s r e l a t i o n s h i p s t o s o i l p r o p e r t i e s a n d s o i l t y p e s w i l l b e e v a l u a t e d . T h e o b j e c t i v e i s t o d i f f e r e n t i a t e t h e f i e l d i n t o s o i l u n i t s w h i c h c o r r e s p o n d t o t h e t h r e e s o i l g r o u p s o b t a i n e d f r o m t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g a n a l y s i s , i . e . , t o d i v i d e t h e s t u d y f i e l d i n t o v e r y d a r k s o i l s , g r a v e l l y s o i l s a n d d o m i n a n t s o i l s . 1 . Q U A L I T A T I V E D E L I N E A T I O N O F P H O T O T O N A L P A T T E R N S T o n a l v a r i a t i o n s i n t h e a i r p h o t o s a r e s i g n i f i c a n t l y a f f e c t e d b y s o i l t e x t u r e , w a t e r c o n t e n t a n d o r g a n i c m a t t e r . S a n d s a n d g r a v e l s , w h i c h a r e g e n e r a l l y w e l l d r a i n e d a n d l o w i n o r g a n i c m a t t e r , a r e l i g h t i n t o n e a n d m a y e v e n a p p e a r w h i t e w h e n t h e y a r e f u l l y e x p o s e d . F i n e t e x t u r e d s o i l s o f t e n p r e s e n t d a r k t o n e s , s i n c e t h e i r m o i s t u r e a n d o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t s a r e g e n e r a l l y h i g h . T h r e e d i s t i n c t t o n a l p a t t e r n s w e r e c l e a r l y r e c o g n i z e d f r o m t h e a i r p h o t o w i t h i n t h e s t u d y s i t e ( P l a t e 1 ) . T h e v e r y d a r k t o n e s c a n b e c o n s i d e r e d t o b e a s s o c i a t e d w i t h s o i l t y p e I w h i c h r e p r e s e n t s d a r k s o i l s w i t h h i g h 76 o r g a n i c m a t t e r a n d / o r h i g h s o i l w a t e r c o n t e n t . I n c o n t r a s t , v e r y l i g h t t o w h i t e t o n a l p a t t e r n s a r e a t t r i b u t a b l e t o s o i l s c o n t a i n i n g l a r g e a m o unts o f g r a v e l a n d low o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t ( Type I I ) . The o t h e r a r e a s w h i c h show m o d e r a t e g r e y t o n e s a r e d o m i n a n t brown s o i l s (Type I I I ) . The t h r e e c o n t r a s t i n g t o n a l p a t t e r n s were d e l i n e a t e d f r o m t h e a i r p h o t o . U s i n g a d i g i t a l p l a n i m e t e r ( L ASICO M o d e l 1250D) t h e a r e a s o f t h e s e s o i l p a t t e r n s were e s t i m a t e d a n d t h e r e s u l t s showed t h a t a p p r o x i m a t e l y 10.5% a n d 11.5% o f t h e t o t a l 2.90 ha i n a r e a were o c c u p i e d by t h e d a r k a n d g r a v e l l y s o i l s r e s p e c t i v e l y , a n d t h e r e s t ( 7 8 % ) was r e p r e s e n t e d by t h e d o m i n a n t s o i l s . T h i s method i s e a s y a n d f a s t , b u t t h e a c c u r a c y i s q u e s t i o n a b l e b e c a u s e o f t h e l i m i t a t o n o f human e y e s and t h e s u b j e c t i v e n a t u r e o f t h e a n a l y s i s . 2. QUANTITATIVE DETERMINATION OF REFLECTION VARIATION A more o b j e c t i v e method t o d e f i n e p h o t o t o n a l o r d e n s i t y p a t t e r n s was c a r r i e d o u t by a q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o f d y e - l a y e r p i x e l v a l u e s . T h i s was e x a m i n e d by s c a n n i n g m i c r o d e n s i t y o f t h e a e r i a l i m a g e , u s i n g an O p t r o n i c s C-4500 c o l o r f i l m s c a n n e r w i t h t h e s c a n n i n g i n t e r v a l o f 100 jum. Two p i x e l m a t r i c e s o f d y e - l a y e r s u s i n g g r e e n a n d r e d f i t l e r s w ere o b t a i n e d w i t h t h e n u m e r i a l s c a l e o f t h e p i x e l v a l u e s f r o m 0 f o r b l a c k t o 255 f o r w h i t e . T h r e e m e t h o d s were u s e d : i . e . p r o f i l i n g , a n a l y s i s o f p i x e l v a l u e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n , a n d m u l t i - d y e l a y e r p i x e l v a l u e c l a s s i f i c a t i o n i n a R a s t e r T e c h n o l o g y ( M o d e l 25) image a n a l y s i s s y s t e m . 77 Two t r a n s e c t s a c r o s s t h e s t u d y f i e l d w ere s e l e c t e d t o compute t h e p i x e l v a l u e p r o f i l e s u s i n g o r i g i n a l ( u n a v e r a g e d ) d a t a . The r e d a n d t h e g r e e n f i t l e r p i x e l v a l u e s were p r e s e n t e d i n F i g u r e 4.2.1. T h e s e p r o f i l e s r e v e a l e d t h a t h i g h r e f l e c t i o n v a r i a t i o n e x i s t e d a c r o s s t h e f i e l d a n d p r o v i d e d a g e n e r a l i d e a a b o u t m e d i a n v a l u e a nd r a n g e o f p i x e l v a l u e s . P r o f i l e B, w h i c h was i n W-E d i r e c t i o n a n d 40 m f r o m t h e n o r t h e r n e nd o f t h e f i e l d , c r o s s e d two v e r y d a r k s o i l p a t c h e s w h i c h showed t h e l o w p i x e l v a l u e s (160 and 170 o r b e l o w f o r g r e e n a n d r e d l a y e r s , r e s p e c t i v e l y ) c o m p a r i n g w i t h t h e m e d i a n l e v e l p i x e l v a l u e s a s a r o u n d 180 t o 200. P r o f i l e A was a l s o i n W-E d i r e c t i o n b u t 160 m t o t h e n o r t h a nd h a d s e v e r a l h i g h p i x e l v a l u e p e a k s (210 a n d 220 o r a b o v e ) , w h i c h i n d i c a t e d t h a t t h e p r o f i l e t r a n s e c t e d t h e g r a v e l l y a r e a s . The r e f l e c t a n c e c u r v e s h a p e s a c r o s s t h e f i e l d i n t h e r e d a n d t h e g r e e n f i l t e r p i x e l v a l u e s r e s e m b l e d e a c h o t h e r a nd t h e v a l u e s o f r e d f i l t e r p i x e l s were s l i g h t l y h i g h e r t h a n t h o s e o f g r e e n f i l t e r p i x e l s . The p i x e l v a l u e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n w i t h i n t h e e n t i r e f i e l d was e x a m i n e d u s i n g t h e h i s t o g r a m m e thod and t h e r e s u l t s were shown i n F i g u r e 4.2.2. A g a i n t h e h i s t o g r a m s were c o m p u t e d u s i n g u n a v e r a g e d p i x e l v a l u e d a t a . The f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n s o f p i x e l v a l u e s i s somewhat skewed an d p a r t i a l l y p o l y m o d a l . No o b v i o u s c l a s s i f i c a t i o n i s p o s s i b l e b a s e d on s i n g l e d y e - l a y e r p i x e l v a l u e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n s . T h e s e h i s t o g r a m s were f u r t h e r m o d i f i e d t o show t h e f o u r p i x e l v a l u e c l a s s e s o b t a i n e d f r o m a m u l t i - d y e 78 240 LU 3 > at x LU c_> z « t I-<-> LU LU 200 160 120 240 LU > LU X 1-1 - 200 LU o Z I-160 120 gravel ly soi I s gravel i f soi Is green f i l t e r p ixe l s igravel ly isoi Is 60 ( a ) P r o f i l e A 120 DISTANCE (m) 50 (b) profile B 100 150 DISTANCE (m> Figure 4.2.1 Pixel value profi les showing ref lection variation across the f i e l d . 79 FREQUENCY FREQUENCY , 160 l - » H 2C0 240 PIXEL VALUE 160 200 ?40 PIXEL VALUE M i r - c - l PIXEL VALUE CLASSES | — D - - | PIXEL VALUE CLASSES Figure 4 . 2 .2 Pixel value frequency distributions in two dye layers and the ranges of four pixel value classes, l e f t : red f i l t e r pixel values(magenta dye-layer), r ight: green f i l t e r pixel values (cyan dye-layer). 80 p i x e l v a l u e c l a s s i f i c a t i o n . The m u l t i - d y e l a y e r p i x e l v a l u e c l a s s i f i c a t i o n was c a r r i e d o u t u s i n g an u n s u p e r v i z e d a v e r a g e d i s t a n c e l i n k a g e c l u s t e r a n a l y s i s on t h e c o m p u t e r d a t a u s i n g two d i m e n s i o n a l s p a c e . F o u r c l a s s e s were i d e n t i f i e d a s t h e r e s u l t o f t h e c l a s s i f i c a t i o n ( T a b l e 4 . 2 . 1 ) . 242 o u t o f 1862 p i x e l s were c l a s s i f i e d a s c l a s s A, w h i c h r e p r e s e n t s 13.0% o f t h e t o t a l . F o r o t h e r p i x e l v a l u e c l a s s e s B, C a n d D t h e p i x e l s c o u n t s were 6 8 2 , 676 a n d 262 a n d t h e a r e a s r e p r e s e n t e d a r e a p p r o x i m a t e l y 3 6 . 6 % , 3 6 . 3 % a n d 1 4 . 1 % , r e s p e c t i v e l y . The mean v a l u e s o b s e r v e d f r o m e a c h o f f o u r c l a s s e s were c l e a r l y d i f f e r e n t f r o m one a n o t h e r , w i t h c l a s s D h a v i n g t h e h i g h e s t mean p i x e l v a l u e a n d c l a s s A t h e l o w e s t . S i m i l a r t r e n d s were f o u n d f o r b o t h r e d a n d g r e e n f i l t e r p i x e l v a l u e s , i n d i c a t i n g t h e c l o s e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e two d y e - l a y e r s . O v e r l a p p i n g p i x e l v a l u e s o n l y o c c u r r e d b e t w e e n i m m e d i a t e n e i g h b o r s among t h e c l a s s e s , a s shown i n F i g u r e 4.2.2. S t a t i s t i c a l l y , t h e s e c l a s s e s w e re f o u n d t o be d i f f e r e n t b a s e d on t h e M a n n - W h i t n e y U - t e s t a t t h e c o n f i d e n c e l e v e l o f 9 5 % . F i g u r e 4.2.3 i l l u s t r a t e s t h a t t h e f o u r g r o u p s a r e s e p a r a b l e w i t h i n t h e two d i m e n s i o n a l v e c t o r s p a c e . The f o u r d i s t i n c t c l u s t e r s c a n be r e l a t e d t o t h e t o n a l p a t t e r n s shown on t h e a i r p h o t o a n d , i n d i r e c t l y , t o g r o u n d s o i l s d i s t r i b u t i o n . C l a s s A, w h i c h h a s t h e l o w e s t mean p i x e l v a l u e s , c o r r e s p o n d s t o v e r y d a r k t o n e s a n d c l a s s D w h i c h h a s h i g h o v e r a l l p i x e l v a l u e s shows t h e p a t t e r n w here l i g h t t o n e s a r e d o m i n a n t . P i x e l v a l u e c l a s s e s A a n d D a r e f u r t h e r 81 F i g u r e 4.2.3 C l u s t e r s e p a r a t i o n w i t h i n the two dimensional p i x e l v a l u e v e c t o r space, the c e n t e r r e p r e s e n t s mean p i x e l v a l u e s and the diameter r e p r e s e n t s p l u s and minus one standard d e v i a t i o n . Table 4.2.1 Summary of c l a s s i f i c a t i o n r e s u l t s from the c l u s t e r a n a l y s i s on the red and green f i l t e r p i x e l values for the e n t i r e study s i t e . PIXEL MEAN VALUE RANGE (min to max) VALUE n CLASS • Green Red Green Red A 242 168.7 176.7 147-188 139-191 B 682 181.3 196.4 173-192 181-201 C 676 191 .2 205.0 185-204 192-216 D 262 210.3 220.2 194-230 210-236 Table 4.2.2 Area estimation for d i f f e r e n t s o i l types by planimetry and multi-dye la y e r p i x e l values c l a s s i f i c a t i o n . TYPE I TYPE II TYPE III TOTAL dark tones) (average tones) ( l i g h t tones) METHOD area % area % area % area (ha) (ha) (ha) (ha) Planimetry 0.305 10.5 2.262 78.0 0.334 11.5 2.90 P i x e l value c l a s s i f i c a t i o n 0.387 13.0 2.173 72.9 0.419 14.1 2.98 83 i n f e r r e d t o be a s s o c i a t e d w i t h s o i l t y p e I ( d a r k s o i l s ) and t y p e I I ( g r a v e l l y s o i l s ) , r e s p e c t i v e l y . P i x e l v a l u e c l a s s B a n d C g e n e r a l l y r e f e r t o s o i l t y p e I I I , t h a t i s , d o m i n a n t s o i l s . A l t h o u g h m a n u a l i n t e r p r e t a t i o n f a i l e d t o d i s c e r n t h e s u b t l e t o n a l d i f f e r e n c e s b e t w e e n m o d e r a t e g r e y t o n e s , t h e c l u s t e r a n a l y s i s a l l o w e d t h e i r s e p a r a t i o n i n t o two c l a s s e s (B and C ) . The s e p a r a t i o n b e t w e e n t h e c l a s s e s may be a t t r i b u t a b l e t o t h e c o m b i n a t i o n o r i n t e r a c t i o n o f d e n s i t i e s i n two s p e c t r a l b a n d s , t h o u g h t h e r e a l m e c h a n i s m r e m a i n s unknown. 3. COMPARING THE P I X E L VALUE C L A S S I F I C A T I O N TO THE S U B JECTIVE DELINEATION OF S O IL TYPES BY PLANIMETRY The r e s u l t s f r o m t h e p i x e l v a l u e c l a s s i f i c a t i o n c a n be u t i l i z e d t o c a l c u l a t e t h e a r e a s t h a t e a c h o f t h e p i x e l v a l u e g r o u p s r e p r e s e n t s , u s i n g t h e p i x e l c o u n t s o f e a c h c l a s s and i t s s p a t i a l r e s o l u t i o n (one p i x e l p o i n t = 4 m * 4 m ) . T a b l e 4.2.2 shows t h e s e e s t i m a t e s a n d c o m p a r e s them w i t h t h e r e s u l t s f r o m t h e m a n u a l d e l i n e a t i o n o f p h o t o t o n e p a t t e r n by a p l a n i m e t e r . P i x e l v a l u e c l a s s B a n d c l a s s C were c o m b i n e d i n o r d e r t o make t h e r e s u l t s c o m p a r a b l e . The c o m p a r i s o n showed t h a t t h e two m ethods were i n c l o s e a g r e e m e n t a n d t h e l a r g e s t r e l a t i v e e r r o r was l e s s t h a n 20%. G e n e r a l l y , t h e p l a n i m e t r y m e thod e s t i m a t e d e i t h e r d a r k o r g r a v e l l y s o i l a r e a s t o be s l i g h t l y l e s s t h a n t h e c l u s t e r a n a l y s i s d i d , b u t t h e d i f f e r e n c e c a n n o t be r e g a r d e d a s s u b s t a n t i a l . 84 I n t h e p r e v i o u s s e c t i o n when we d i s c u s s e d w h e t h e r v a r i a b l e f e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n r a t e s s h o u l d be a p p l i e d t o d i f f e r e n t s o i l t y p e s , we f o u n d s o i l t y p e I I , g r a v e l l y , l i g h t c o l o r e d s o i l s , n e e d a h i g h e r r a t e o f K t h a n t h e a v e r a g e a n d d a r k s o i l s . A c c o r d i n g t o t h e a r e a e s t i m a t e s f r o m t h i s s e c t i o n a p p r o x i m a t e l y 10 t o 14% o f t h e t o t a l a r e a b e l o n g s t o t h i s t y p e o f s o i l s . T h i s means t h a t i f we a p p l y an a v e r a g e r a t e t o t h e f i e l d , 12% o f a r e a w i l l r e c e i v e i n s u f f i c i e n t K - f e r t i l i z e r . I n summary, t h e s p a t i a l d e l i n e a t i o n o f s o i l s f r o m r e m o t e s e n s i n g i m a g e s i s p o s s i b l e s i n c e d i f f e r e n c e s a r e c l e a r l y r e f l e c t e d on t h e image by c h a n g i n g t o n a l o r p i x e l v a l u e p a t t e r n s . B o t h s u b j e c t i v e method ( e . g . p l a n i m e t r y ) a n d o b j e c t i v e method ( e . g . m u l t i s p e c t r a l c l a s s i f i c a t i o n ) c a n be u s e d f o r t h i s t a s k . The q u a n t i t a t i v e m u l t i s p e c t r a l a n a l y s i s g e n e r a l l y p r o v i d e s more r e l i a b l e i n f o r m a t i o n i n d i f f e r e n t i a t i n g s o i l p a t t e r n s a n d q u a n t i f y i n g s o i l v a r i a b i l i t y . C. PREDICTING SOIL V A R I A B I L I T Y USING SPECTRAL REFLECTANCE  VALUES The p r e d i c t i o n p o t e n t i a l o f s o i l p r o p e r t i e s and t y p e s w i t h r e s p e c t t o t h e i r s p a t i a l d i s t r i b u t i o n s v i a q u a n t i t a t i v e r e m o t e s e n s i n g t e c h n i q u e s d e p e n d s on t h e n a t u r e o f t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n s o i l p a r a m e t e r s a n d s p e c t r a l r e f l e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s . I t i s e v i d e n t f r o m t h e l i t e r a t u r e t h a t a number o f p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s 85 h a v e a p r o f o u n d i n f l u e n c e on s o i l s p e c t r a l r e f l e c t a n c e i n c e r t a i n s e n s i t i v e w a v e l e n g t h s a n d t h u s h a v e g r e a t p r e d i c t i v e v a l u e . H owever, s u c h r e l a t i o n s h i p s a r e u s u a l l y v e r y c o m p l i c a t e d a n d i n some c a s e s may n o t a p p e a r d i s t i n c t due t o t h e i n t e r a c t i o n s o f s o i l p r o p e r t i e s . F u r t h e r m o r e , a p r e d i c t i o n m o d el w e l l s u i t a b l e f o r t h i s a r e a may n o t be a p p l i c a b l e t o o t h e r a r e a s i n d i f f e r e n t c l i m a t i c r e g i o n s . The p r i n c i p a l a i m o f t h i s s e c t i o n i s t o d e t e r m i n e w h e t h e r t h e r e l a t i o n s b e t w e e n s o i l p r o p e r t i e s a n d s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c s a p p e a r s i g n i f i c a n t a n d w h e t h e r t h e s e r e l a t i o n s h i p s c a n be u t i l i z e d t o q u a n t i f y s o i l c h e m i c a l p r o p e r t i e s a n d t y p e s f r o m s p e c t r a l r e f l e c t a n c e m e a s u r e m e n t s o f s o i l s a m p l e s . T h e s e q u e s t i o n s a r e t o be e x a m i n e d i n two ways: ( a ) a c o r r e l a t i o n / r e g r e s s i o n s t u d y t o e x a m i n e t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s p e c t r a l m e a s u r e m e n t s a n d t h e o b s e r v e d p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f s o i l s on a s i n g l e p a r a m e t e r b a s i s u s i n g a l l s a m p l e d a t a , a n d (b) a c l u s t e r i n g / d i s c r i m i n a n t m u l t i v a r i a t e a n a l y s i s t o d e t e r m i n e s o i l s p e c t r a l c a t e g o r i e s t o be u s e d f o r p r e d i c t i o n o f i m p o r t a n t s o i l p r o p e r t i e s and s o i l t y p e s . The m u l t i v a r i a t e m e t h o d i s l i k e l y more u s e f u l b e c a u s e i t a l l o w s f o r a d e t e r m i n a t i o n o f p a r a m e t e r i n t e r a c t i o n s . 1. CORRELATIONS OF SOIL PARAMETERS WITH SPECTRAL REFLECTION VALUES 86 U s i n g s p e c t r a l r e f l e c t a n c e v a l u e s i n t h e f o u r L a n d s a t MSS b a n d s v e r s u s i n d i v i d u a l s o i l p a r a m e t e r s , a c o r r e l a t i o n a n a l y s i s was c a r r i e d o u t f o r a l l 108 s o i l s a m p l e s . A m a t r i x s h o w i n g c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s i s g i v e n i n T a b l e 4.3.1, a n d s e r v e s a s an i n d i c a t i o n o f t h e d e g r e e i n c o l l i n e a r i t y among t h e v a r i a b l e s . The o r i g i n a l c o r r e l a t i o n m a t r i c e s o f a l l s o i l p a r a m e t e r s , r e f l e c t i o n b a n d s a n d p i x e l v a l u e s i n two d y e - l a y e r s , a s w e l l a s r a t i o e d o r l o g a r i t h m i c t r a n s f o r m e d v a r i a b l e s c a n be f o u n d i n A p p e n d i x 6 a n d 7. W i t h t h e e x c e p t i o n o f pH a n d e x c h a n g e a b l e Na, s i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o n s were f o u n d b e t w e e n most s o i l p a r a m e t e r s , s p e c t r a l r e f l e c t a n c e b a n d s a n d p i x e l v a l u e s ( T a b l e 4 . 3 . 1 ) . The o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t , e x p r e s s e d by p e r c e n t o r g a n i c C showed t h e h i g h e s t c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t w i t h r e f l e c t a n c e Band 4 ( r = 0 . 8 0 ) , f o l l o w e d by t o t a l N, t h o u g h t h i s r e l a t i o n s h i p may be a t t r i b u t e d t o t h e f a c t t h a t C a n d N were c o r r e l a t e d . CEC, e x c h a n g e a b l e Ca a n d Mg, a n d a v a i l a b l e P a l l showed s i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o n s w i t h r e f l e c t a n c e b u t t h e c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s o b t a i n e d were l o w ( g e n e r a l l y a r o u n d 0 . 5 0 ) , i n c o m p a r i s o n w i t h r v a l u e s f o r r e f l e c t i o n a n d o r g a n i c C. T h i s i n d i c a t e s t h a t t h e i n f l u e n c e o f t h e s e p a r a m e t e r s on r e f l e c t i o n may be o f s e c o n d a r y n a t u r e a n d c o n s i d e r a b l y s m a l l e r t h a n t h e c o n t r i b u t i o n f r o m o r g a n i c m a t t e r . A l s o , t h e i r p r e d i c t i v i t y w i l l l i k e l y be o f l o w e r a c c u r a c y . C o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t a n d m o i s t u r e v a l u e s c a n n o t be u s e d i n p r e d i c t i v e e q u a t i o n s i n t h i s s t u d y b e c a u s e t h e Table 4 . 3 . 1 Correlation matrix showing c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t between any two variables.(R@ 0.05=0.1891 0.01=0.2469) VARIABLE S o i l Parameters vs Reflectance and Density Values 1. MC - .4324 . - . 2859 - . 3 8 0 6 - . 2 5 5 9 - . 3 8 9 5 . 1560 - . 4 2 8 9 - . 3 5 6 2 - . 6 8 7 0 - . 7 3 6 0 - .3819 - . 7 191 2 CF .0765 - .0039 - . 0 1 2 3 - . 0 6 7 3 . 1266 - . 0 1 8 9 . 1831 - . 0 0 5 4 . 3257 .4346 .4758 . 3847 3 . PH . 1306 .0388 .0292 - . 0 7 5 6 1939 .0205 . 2996 0275 .0572 . 1 180 . 2395 .0888 4 TC - . 7914 - .754 1 - . 7 6 9 6 - 7188 - 3510 - . 1 1 6 4 - . 2 G 0 8 - 8010 - . 7499 - 6974 - . 0 4 6 1 - . 7 3 0 9 5. OC - . 7 9 5 0 - .6850 - . 7 0 1 5 - . 5 9 0 4 - .4637 - . 0 9 7 3 - . 4 2 4 5 - . 728.7 - . 7 5 0 8 - . 7 2 8 2 - . 1 5 1 9 - . 7 4 7 0 6. NA - . 0 9 7 2 - . 1 5 2 4 - . 1 4 9 6 - . 0 4 7 4 .0509 - . 0 3 1 3 - . 2 9 3 2 - . 1 168 - . 0 8 8 1 - . 0 5 8 0 • .072 1 - . 0 7 3 7 7 K - . 2 1 2 5 - . 1 9 0 7 - . 1923 - . 1 2 2 5 - . 11 19 - . 0 1 8 9 - . 2 1 8 7 - . 1 8 7 8 - 1859 - . 1799 - . 0 4 0 8 - . 1847 8. CA - . 4 0 5 6 - . 3 9 9 0 - . 4 0 7 3 - . 3 7 4 4 - . 1 6 0 6 - . 0 6 6 3 - . 1 5 1 1 - . 4 1 9 0 - . 5 0 0 2 - .4290 . 1 126 - . 4 6 9 0 9 MG - . 5 2 6 1 - . 4 7 5 7 - . 5 4 4 5 - . 4 3 1 4 - . 2 8 5 0 .0508 - . 4 1 0 0 - . 5 2 2 3 - .5791 - . 5 5 9 5 - . 1210 - . 5 7 5 1 10 CEC - . 5 6 6 7 - . 4 6 7 3 - . 4 8 9 3 - . 3 6 1 0 - . 3619 - . 0 3 0 2 - 4474 - . 4 9 4 1 - . 5 8 5 0 - . 5 9 6 0 - . 2 1 9 6 - . 5 9 6 7 1 1 P - . 5 1 0 6 - . 5 0 6 0 - . 5 3 8 5 - . 4 9 5 1 - . 2 0 7 3 - . 0 4 3 9 - .2129 - .5425 - . 3743 - . 3 0 8 9 . 1052 - . 3 4 4 8 12 N - . 7 4 0 3 - . 6 6 5 9 - . 6 2 2 9 - . 5 2 8 1 - . 3 8 8 0 - .2263 - . 3 6 7 3 - . 6 7 0 5 - . 6 2 5 9 - . 5877 - . 0 5 4 0 - . 6 1 2 9 13 . V .5756 .6115 .6916 .6548 . 1807 - . 0 4 0 3 .21 15 .6735 .5839 . 5360 .0124 .5655 14 CH .2563 . 2707 . 3866 . 3470 .0928 • - . 1 7 5 0 . 1566 . 3379 .2806 . 2302 - . 0 8 6 4 .2578 24 . LNTC - . 8 0 6 2 - .7646 - . 7 3 6 5 - .7102 - . 3 4 8 8 - . 1 9 6 5 - 1940 - . 7 9 5 2 - . 6 7 9 4 - . 6 3 0 5 - . 0 3 5 1 - . 6 6 1 5 25. , LNOC - . 8 2 1 3 - . 7 0 1 4 - . 6 7 3 3 - . 5 8 3 5 - . 4 7 6 1 - . 1 8 2 4 - 3644 - . 7 2 9 1 - . 6 7 5 3 - . 6 5 0 3 - . 1 175 - .6695 27 , LNK " - . 3 1 6 3 - . 2 6 8 4 - 2870 - . 1 7 7 5 - . 1824 .0017 - . 3 3 7 9 - . 2 7 4 6 - . 2 5 7 0 - . 2 6 0 5 - . 0 9 0 6 - . 2615 28 LNCA - . 5 4 6 8 - . 5 0 9 3 - . 4 9 1 1 - . 4 6 1 8 - . 2 4 9 9 - . 1327 - . 1 5 9 1 - . 5 2 9 0 - . 5 0 6 5 - . 4 5 3 4 .0425 - . 4 8 4 7 29 LNMG - . 5 7 8 6 - . 4 9 5 0 - . 5 3 3 3 - . 4 1 8 8 - . 3 4 3 0 - . 0 1 4 2 - . 4 0 4 3 - . 5 3 2 8 - . 5 1 6 9 - . 5 0 9 3 - . 1 3 3 8 - . 5 1 8 4 30 .LNCEC - . 5 6 4 8 - .4616 - . 4 5 9 0 - . 3 3 5 0 - . 3 5 9 5 - . 0 7 5 5 - . 4 2 9 9 - . 4 7 6 1 - . 5 4 8 7 - .5653 - . 2 2 3 5 - . 5 6 2 9 31 . LNP - . 5 3 1 7 - . 5 1 8 8 - . 5 2 6 9 - . 4 9 2 0 - . 2 2 1 5 - . 0 9 3 5 - . 1 8 5 0 - . 5 4 6 6 - . 3 1 8 4 - . 2 6 6 6 .0755 - . 2 9 5 3 32 INN - . 7 8 1 9 - . 6 8 8 9 - 6136 - . 5 4 0 2 - . 4 2 0 1 - . 2 8 3 3 - . 3 0 9 8 - . 6 8 6 9 - . 5 8 5 7 - . 5 5 7 0 - . 0 7 2 1 - . 5 7 7 1 15 . B4 16 . B5 17 . B6 18 . B7 35. B4/B5 36 . B5/B6 37 . B6/B7 38 . BANDS 19 . RED 20. GRE 39. GRE/REO 4 0 . GRE-f REO 88 e f f e c t o f t h e s e p a r a m e t e r s on s o i l r e f l e c t i o n was removed by s c r e e n i n g a n d d r y i n g o f t h e s a m p l e s i n t h e l a b o r a t o r y p r i o r t o s p e c t r a l m e a s u r e m e n t s . Good r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n s o i l m o i s t u r e a n d s p e c t r a l r e f l e c t a n c e were f o u n d i n t h e 2.02-2.32 Mm r e g i o n o f w a v e l e n g t h s (Moore e t a l . , 1975; S t o n e r and B a u m g a r d n e r , 1 9 8 0 ) . However, s o i l m o i s t u r e c o n t e n t was f o u n d t o be t h e s e c o n d h i g h e s t s o i l p a r a m e t e r n e x t t o o r g a n i c m a t t e r t o be c o r r e l a t e d w i t h p i x e l v a l u e d a t a , e s p e c i a l l y i n g r e e n s e n s i t i v e d y e - l a y e r . I t i s e v i d e n t t h a t s o i l m o i s t u r e c o n t e n t i s a l s o an i n d i r e c t f a c t o r s i n c e i t i s c o n n e c t e d w i t h s o i l t e x t u r e , d r a i n a g e a n d o r g a n i c m a t t e r , a l l o f w h i c h i n f l u e n c e s u r f a c e s o i l r e f l e c t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s i n v i s i b l e a n d n e a r i n f r a r e d w a v e l e n g t h b a n d s . Many s t u d i e s h a v e n o t e d t h a t t h e r e l a t i o n s h i p o f l a b o r a t o r y - m e a s u r e d s o i l s p e c t r a l r e f l e c t a n c e v e r s u s s o i l c h e m i c a l p r o p e r t i e s c a n b e s t be d e s c r i b e d a s a c u r v i l i n e a r f u n c t i o n . S c a t t e r d i a g r a m o f r e f l e c t a n c e i n t h e s p e c i f i c b a n d s p l o t t e d a g a i n s t t o t a l c a r b o n r e v e a l e d a d e f i n i t e n e g a t i v e c u r v i l i n e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s o i l o r g a n i c m a t t e r a n d r e f l e c t a n c e ( F i g u r e 4 . 3 . 1 ) . A n a t u r a l l o g a r i t h m i c t r a n s f o r m a t i o n was p e r f o r m e d p r i o r t o t h e c o r r e l a t i o n a n a l y s i s w i t h s p e c t r a l r e f l e c t a n c e v a l u e s ( T a b l e 4 . 3 . 1 ) . I t was f o u n d t h a t t h e n a t u r a l L o g C c o n t e n t was b e s t f o r r e l a t i n g o r g a n i c m a t t e r t o r e f l e c t i o n i n two v i s i b l e b a n d s (B4 a n d B5) a n d t h e c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t was f o u n d t o be h i g h e s t b e t w e e n Band 4 a n d Ln OC ( r = 0 . 8 2 ) . C o n s i d e r a b l e 89 iT"l2 1 3 ™ U 1 5 ~ 1 6 1 7 ~ " l 8 19 20 21 22 23 24 R e f l e c t a n c e (%) F i g u r e 4.3.1 % t o t a l carbon carbon p l o t t e d a g a i n s t r e f l e c t a n c e i n Band 4 (0.5-0.6 m) showi a n e g a t i v e c u r v i l i n e a r r e l a t i o n s h i p . * Numbers i n d i c a t e o v e r l a p p i n g p c i n t s 90 i m p r o v e m e n t s were o b s e r v e d i n most r e l a t i o n s h i p s a f t e r l o g - t r a n s f o r m a t i o n a n d t h e s e r e s u l t s a r e i n a g r e e m e n t w i t h t h e f i n d i n g s r e p o r t e d by S c h r e i e r ( 1 9 7 7 ) . The l o g - t r a n s f o r m e d N a n d P a l s o showed a h i g h e r c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s w i t h t h e v i s i b l e b a n d s . No s i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n t was o b s e r v e d b e t w e e n t h e t r a n s f o r m e d CEC a n d t h e s p e c t r a l b a n d s , b u t r v a l u e s f o r . t r a n s f o r m e d C a, Mg a n d K were h i g h e r . Band r a t i o s a n d c o m b i n a t i o n s were c o n s i d e r e d i n t h i s c o r r e l a t i o n s t u d y a n d l o w e r r v a l u e s were f o u n d f o r b a n d r a t i o s t h a n f o r s p e c t r a l b a n d s . T a b l e 4.3.1 a l s o shows no s i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n t s o v e r i n d i v i d u a l b a n d s u s i n g a d d i t i v e b a nd c o m b i n a t i o n s . I t i s l i k e l y t h a t t h e i n d i v i d u a l b and w i l l be s u p e r i o r t o band r a t i o s a n d c o m b i n a t i o n s i n p r e d i c t i n g s o i l p a r a m e t e r s . The M u n s e l l c o l o r n o t a t i o n s , e s p e c i a l l y c o l o r v a l u e , were f o u n d t o be s i g n i f i c a n t l y c o r r e l a t e d w i t h s p e c t r a l r e f l e c t a n c e a n d d y e - l a y e r p i x e l v a l u e s . T h e i r c o r r e l a t i o n s w i t h s o i l p a r a m e t e r s s u c h a s p e r c e n t OC were a l s o n o t e d . Q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n c o l o r a n d o r g a n i c m a t t e r o f s o i l s were f o u n d t o be s i g n i f i c a n t b u t r v a l u e s were l o w e r t h a n t h o s e o b t a i n e d f r o m t h e u s e o f s p e c t r a l v a l u e s a n d o r g a n i c m a t t e r . The c o n c l u s i o n s drawn f r o m t h e c o r r e l a t i o n r e s u l t s a r e i n a g r e e m e n t w i t h p r e v i o u s f i n d i n g s f r o m t h e l i t e r a t u r e . The l o g a r i t h m i c t r a n s f o r m a t i o n o f o r g a n i c m a t t e r a c c o u n t s f o r t h e h i g h e s t c o r r e l a t i o n w i t h r e f l e c t a n c e s , w h i c h means t h a t 91 on t h e b a s i s o f a l l m e a s u r e d s o i l p r o p e r t i e s o r g a n i c C h a s t h e h i g h e s t p o t e n t i a l t o be p r e d i c t e d f r o m s p e c t r a l r e m o t e s e n s i n g d a t a . The c o r r e l a t i o n s o f s p e c t r a l d a t a w i t h M u n s e l l c o l o r v a l u e , CEC, a n d e x c h a n g e a b l e c a t i o n s a r e a l s o s i g n i f i c a n t b u t t h e i r p r e d i c t i o n s a r e more c o m p l i c a t e d a n d s i m p l e l i n e a r r e l a t i o n s h i p s a r e i n s u f f i c i e n t b e c a u s e t h e p r e s e n c e o f s o i l o r g a n i c m a t t e r may mask t h e e f f e c t s o f o t h e r p r o p e r t i e s on r e f l e c t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f s o i l s . The i m p o r t a n c e o f w a t e r c o n t e n t i s e v i d e n t , h o w e v e r , i t i s u n l i k e l y t o be p r e d i c t e d u s i n g t h e s p e c t r a l b a n d s e m p l o y e d i n t h i s s t u d y . 2. REGRESSION ANALYSIS FOR PREDICTING SOIL PARAMETERS AND  SPECTRAL VARIATIONS A l t h o u g h t h e d e g r e e o f c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e s o i l p r o p e r t i e s a n d t h e i n d i v i d u a l s p e c t r a l b a n d s h a s been s e e n i n T a b l e 4.3.1, t h e s i g n i f i c a n c e o f e a c h band i n p r e d i c t i n g t h e l e v e l o f c e r t a i n s o i l p a r a m e t e r s i s n o t f u l l y u n d e r s t o o d . T h i s was e x a m i n e d by u s i n g a s t e p w i s e m u l t i p l e r e g r e s s i o n p r o c e d u r e t o d e v e l o p r e g r e s s i o n e q u a t i o n s f o r p r e d i c t i o n o f s e l e c t e d s o i l p a r a m e t e r s f r o m r e f l e c t a n c e d a t a i n f o u r s p e c t r a l b a n d s . I n d e p e n d e n t v a r i a b l e s a l s o i n c l u d e d t h e p i x e l v a l u e s o f two d y e - l a y e r s b e c a u s e o u r p u r p o s e h e r e was t o d e t e r m i n e t h e r e l a t i v e c o n t r i b u t i o n s o f i n d i v i d u a l w a v e l e n g t h r e f l e c t a n c e o r p i x e l v a l u e s t o t h e p r e d i c t i o n o f s o i l p a r a m e t e r s r a t h e r t h a n t o u s e t h e s e band v a l u e s t o g e t h e r f o r p r e d i c t i o n s . D e p e n d e n t v a r i a b l e s , o r t h e 92 v a r i a b l e s b e i n g e s t i m a t e d f r o m r e f l e c t a n c e d a t a w e re t h e n a t u r a l l o g s o f t o t a l C, o r g a n i c C , N, m o i s t u r e c o n t e n t , CEC a n d c o l o r v a l u e . S p e c t r a l b a n d s w h i c h e n t e r e d t h e r e g r e s s i o n e q u a t i o n s w i t h t h e i r s i g n i f i c a n c e l e v e l s a n d t h e c u m u l a t i v e R 2 v a l u e s a r e g i v e n i n T a b l e 4.3.2 f o r e a c h o f t h e p r e d i c t i v e s o i l p a r a m e t e r s . R 2 v a l u e s a s h i g h a s 0.78 f o r p r e d i c t i o n o f OC, 0.66 f o r N, 0.59 f o r m o i s t u r e c o n t e n t were o b t a i n e d a t t h e s i g n i f i c a n c e l e v e l o f 90%. A p p r o x i m a t e l y 5 0% o f t h e v a r i a b i l i t y o f c o l o r v a l u e a n d CEC c a n be e x p l a i n e d by s p e c t r a l r e f l e c t a n c e a nd p i x e l v a l u e s . The l o w R 2 v a l u e s i n t h i s s t u d y c o m p a r e d w i t h t h o s e f r o m l i t e r a t u r e r e p o r t e d by S t o n e r a nd B a u m g a r d n e r ( 1 9 8 0 ) a r e a t t r i b u t a b l e t o b r o a d b a n d s a n d few o b s e r v a t i o n s u s e d i n t h i s s t u d y . T h i s means t h a t t h e s a t i s f a c t o r y p r e d i c t i o n e q u a t i o n may n o t be e s t a b l i s h e d f o r t h o s e s o i l p a r a m e t e r s h a v i n g l o w R 2 v a l u e s . I n o r d e r t o s u m m a r i z e t h e i m p o r t a n t c o n t r i b u t i o n s o f e a c h b a n d i n p r e d i c t i n g t h e o v e r a l l s o i l p a r a m e t e r s a n d i d e n t i f y o ptimum w a v e l e n g t h s f o r f u t u r e u s e s , t h e number o f t i m e s e a c h b a n d o r d y e - l a y e r e n t e r e d i n t o t h e p r e d i c t i o n e q u a t i o n s a t t h e 90% s i g n i f i c a n c e l e v e l was c o u n t e d i n t h e o r d e r o f e n t r y a n d t o t a l i n c l u s i o n s . The r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 4.3.3. C l e a r l y , t h e g r e e n p o r t i o n o f w a v e l e n g t h i s t h e most p r o m i s i n g band t o p r e d i c t s o i l p r o p e r t i e s . Band 4, w h i c h e n t e r e d t h e r e g r e s s i o n t h r e e t i m e s i n t h e f i r s t p l a c e p o s i t i o n , i s t h e most i m p o r t a n t f o r s p e c t r a l b a nd p r e d i c t i n g s o i l o r g a n i c m a t t e r - r e l a t e d 93 Table 4.3.2 Stepwise m u l t i p l e regression of s p e c t r a l band and p i x e l value as p r e d i c t o r s of s o i l parameters at a s i g n i f i c a n c e l e v e l of 90%. SOIL PROPERTY B4 SPECTRAL B5 BAND B6 B7 PIXEL GRE VALUE RED CUMULATIVE R2 TC 0 1* .0000# 0 3 .0153 2 0.0000 0.76 OC 0 1 .0000 0 4 .0068 0 3 .0390 2 0.0000 0.78 N 0 1 .0000 4 0.0308 0 3 .0355 2 0.0155 0.66 MC 0 3 .0024 0 2 .0665 1 0.0000 0.59 VALUE 0 1 .0000 2 0.0031 0.52 CEC 0 2 .0003 0 4 .0177 0 3 .0408 1 0.0000 0.49 * Order of i n c l u s i o n of the variable(band) i n t o regression equation. # S i g n i f i c a n t l e v e l obtained for the v a r i a b l e . Table 4.3.3 Freguency of i n c l u s i o n of s p e c t r a l bands i n t o r e g r e s s i o n (Table 4.3.2) at a s i g n i f i c a n c e l e v e l of 90%. BAND 1st ORDER OF 2nd ENTRY* 3rd 4th TOTAL* B4 3 1 4 B5 1 1 B6 1 2 2 5 B7 1 3 4 GREEN 2 2 RED 4 4 * Only the f i r s t four e n t r i e s were counted. # A l l e n t r i e s were included. 94 p a r a m e t e r s a n d g r e e n f i l t e r p i x e l v a l u e w h i c h was f i r s t i n c l u d e d i n m o i s t u r e c o n t e n t a n d CEC r e g r e s s i o n e q u a t i o n s , shows i t s p o t e n t i a l f o r p r e d i c t i n g t h e s e p a r a m e t e r s and s o i l t e x t u r e - r e l a t e d p a r a m e t e r s . N e a r i n f r a r e d Band 6 i s o f most i m p o r t a n c e , i n r e l a t i n g c o l o r v a l u e w i t h s p e c t r a l p r o p e r t i e s , w h i c h i s i n a g r e e m e n t w i t h t h e c o r r e l a t i o n s t u d y d i s c u s s e d e a r l i e r . T h i s b a n d , a s w e l l a s B7, a n o t h e r i n f r a r e d b a n d , a l s o c o n t r i b u t e d t o v a r i a t i o n s o f many o t h e r s o i l p a r a m e t e r s , b u t t o a l e s s e r e x t e n t . Red f i l t e r p i x e l v a l u e o f t e n e n t e r e d t h e e q u a t i o n a s t h e s e c o n d l a r g e s t c o n t r i b u t o r t o t h e p r e d i c t i o n m o d e l f o r s o i l p a r a m e t e r s . The u l t i m a t e o b j e c t i v e o f t h e c o r r e l a t i o n r e g r e s s i o n s t u d y i s t o be a b l e t o p r e d i c t t h e l e v e l o f s o i l p a r a m e t e r s u s i n g o ptimum s p e c t r a l r e f l e c t a n c e band v a l u e s . S i m p l e l i n e a r o r c u r v i l i n e a r r e g r e s s i o n s were c a r r i e d o u t u s i n g s o i l p a r a m e t e r v a l u e s v e r s u s t h e i r b e s t c o r r e l a t e d s p e c t r a l b a n d s . The e x a m p l e s a r e o n l y g i v e n f o r OC a n d N. T h e i r n a t u r a l l o g t r a n s f o r m e d v a l u e s a g a i n s t t h e c o r r e s p o n d i n g s p e c t r a l v a l u e s i n Band 4 were p l o t t e d i n F i g u r e 4.3.2 a n d F i g u r e 4.3.3. The b e s t r e g r e s s i o n e q u a t i o n s f o r Ln OC a n d Ln N w e re o b t a i n e d w i t h t h e h i g h e s t c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s . N e a r l y 67% o f t h e t o t a l v a r i a b i l i t y f o r OC a n d 6 1 % f o r N were f o u n d t o be a c c o u n t e d f o r by t h e s p e c t r a l r e f l e c t i o n v a l u e s i n 0.5-0.6 /urn w a v e l e n g t h r e g i o n . I n t h e c a s e s o f o t h e r s o i l p a r a m e t e r s , t h e r e g r e s s i o n l i n e s a r e n o t a s s i g n i f i c a n t a n d , a c c o r d i n g l y , a c c u r a t e p r e d i c t i o n s a r e n o t e x p e c t e d . 95 F i g u r e 4 . 3.2 R e g r e s s i o n : Log OC vs r e f l e c t a n c e i n Band 4. * Numbers i n d i c a t e o v e r l a p p i n g p o i n t s . F i g u r e 4 . 3 . 3 R e g r e s s i o n : Log N vs r e f l e c t a n c e i n Band 4 . * Numbers i n d i c a t e o v e r l a p p i n g p o i n t s . 97 T h e s p e c t r a l v a r i a t i o n s i n s o i l r e f l e c t a n c e i n g i v e n w a v e l e n g t h r e g i o n s i n t e r m s o f o b s e r v e d s o i l p a r a m e t e r s w e r e e x a m i n e d a g a i n b y e m p l o y i n g a s t e p w i s e m u l t i p l e r e g r e s s i o n m o d e l . T h e a p p r o a c h h a s p r o v e d t o b e u s e f u l i n i d e n t i f y i n g t h e i m p o r t a n t c o n t r i b u t i o n o f i n d i v i d u a l s o i l p a r a m e t e r s a n d p a r a m e t e r i n t e r a c t i o n s r e s p o n s i b l e f o r s p e c t r a l v a r i a t i o n s . T h i s t i m e , s o i l d a t a w e r e e n t e r e d i n t o t h e r e g r e s s i o n m o d e l a s e s t i m a t o r s o f s p e c t r a l r e f l e c t a n c e v a l u e s o f a l l s a m p l e s i n f o u r w a v e l e n g t h b a n d s . T h e 10 i n d e p e n d e n t v a r i a b l e s u s e d w e r e c o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t , % o r g a n i c C , K , C a , M g , C E C , P , N , c o l o r v a l u e a n d c h r o m a . T h e u s e o f t h e n a t u r a l l o g t r a n s f o r m a t i o n v a l u e s o f s o m e s o i l p a r a m e t e r s f o r t h e g i v e n s p e c t r a l b a n d w a s d e c i d e d a c c o r d i n g t o t h e r v a l u e s o b t a i n e d i n t h e c o r r e l a t i o n a n a l y s i s . T h e r e s u l t s a r e p r o v i d e d i n T a b l e 4 . 3 . 4 . T h e o r d e r o f i n c l u s i o n o f t h e i n d e p e n d e n t v a r i a b l e s i n t o r e g r e s s i o n s f o r i n d i v i d u a l s p e c t r a l b a n d s r e v e a l s t h e i m p o r t a n c e o f t h e s p e c i f i c s o i l p a r a m e t e r s i n e x p l a i n i n g s p e c t r a l v a r i a t i o n s . O r g a n i c C w a s f o u n d t o b e t h e f i r s t v a r i a b l e t o e n t e r t h e r e g r e s s i o n e q u a t i o n f o r a l l g i v e n s p e c t r a l b a n d s e x c e p t f o r B a n d 7 w h i c h h a d t h e M u n s e l l v a l u e a s t h e f i r s t e n t r y . T h i s s u g g e s t s t h a t t h e i n f l u e n c e o f s o i l o r g a n i c m a t t e r o n s p e c t r a l v a r i a t i o n s i n n e a r i n f r a r e d b a n d s i s l e s s e f f e c t i v e t h a n i n t h e v i s i b l e b a n d s . I n a d d i t i o n t o B a n d 7 , c o l o r v a l u e w a s a l s o s e l e c t e d t o e n t e r t h e r e g r e s s i o n e q u a t i o n s f o r B a n d 5 a n d 6 a s t h e s e c o n d v a r i a b l e a n d f o r B a n d 4 a s t h e t h i r d v a r i a b l e , i n d i c a t i n g i t s c l o s e r e l a t i o n s h i p w i t h Table 4.3.4 Stepwise mu l t i p l e regression of s o i l parameters as p r e d i c t o r s of r e f l e c t a n c e bands at a s i g n i f i c a n c e l e v e l of 90%. BAND CF OC or LNOC K or LNK MG or LNMG CA or LNCA CEC P or LNP N or LNN VALUE CHROMA CUMULATIVE R 2 B4 2* 0.0133# 1 0.0000 3 0.0338 0.71 B5 1 0.0000 6 0.0847 4 0.0237 3 0.0185 2 0.0001 5 0.0552 0.63 B6 1 0.0000 6 0.0678 5 0.0127 4 0.0021 2 0.0000 3 0.0020 0.70 B7 5 0.0079 4 0.0067 2 0.0001 1 0.0000 3 0.0041 0.60 * Order of i n c l u s i o n of the v a r i a b l e ( s o i l parameter) into regression equation. # S i g n i f i c a n c e l e v e l obtained for the v a r i a b l e . 99 s p e c t r a l m e a s u r e m e n t s . C o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t was i n c l u d e d i n t h e r e g r e s s i o n a s t h e s e c o n d i m p o r t a n t s o i l p a r a m e t e r f o r p r e d i c t i n g s p e c t r a l r e f l e c t a n c e v a l u e s i n g r e e n b and (B a n d 4 ) . The i n c l u s i o n o f t h i s p a r a m e t e r may i m p l y t h a t t h e r e i s a r e l a t i o n s h i p b e t ween r e f l e c t a n c e and s o i l t e x t u r e . O t h e r p a r a m e t e r s s u c h a s P, Ca a n d CEC p l a y e d a r o l e i n t h e e q u a t i o n s , b u t t o a l e s s e r e x t e n t . T o t a l N was n o t o b s e r v e d t o be i n c l u d e d i n t o t h e r e g r e s s i o n s where o r g a n i c C was d o m i n a n t . T h i s s u g g e s t s t h a t t h e r o l e o f N i n e x p l a i n i n g s p e c t r a l v a r i a t i o n s h a s a l r e a d y been a c c o u n t e d f o r s i n c e t h e y a r e c l o s e l y c o r r e l a t e d w i t h s o i l o r g a n i c m a t t e r . The f r e q u e n c y o f e a c h s o i l p a r a m e t e r t o e n t e r t h e r e g r e s s i o n s i s s u m m a r i z e d i n T a b l e 4.3.5. The c u m u l a t i v e R 2 v a l u e s i n T a b l e 4.3.4 i n d i c a t e t o what e x t e n t t h e v a r i a b i l i t y o f s p e c t r a l . r e f l e c t i o n i n s p e c i f i c b a n d s c a n be e x p l a i n e d by t h e i n t e r a c t i o n s o f v a r i a b l e s i n c l u d e d i n t h e r e g r e s s i o n s . R 2 v a l u e s v a r i e d f r o m t h e h i g h e s t (Band 4) t o t h e l o w e s t (Band 7 ) . I n t h e c a s e o f r e f l e c t a n c e v a l u e s i n Band 4, 7 1 % o f t h e v a r i a b i l i t y was a c c o u n t e d f o r by t h e i n t e r a c t i o n s o f t h r e e v a r i a b l e s . The s i g n i f i c a n c e o f t h e n e x t v a r i a b l e e n t e r e d d r o p p e d t o l e s s t h a n 90%. F o r t h e Band 7 v a l u e s , f i v e v a r i a b l e s were n e e d e d a n d e x p l a i n e d o n l y 60% o f t h e v a r i a b i l i t y . The p r e d i c t i o n o f r e f l e c t a n c e d i f f e r e n c e i n Band 4 seems t o r e q u i r e t h e f e w e s t s o i l p a r a m e t e r s and o b t a i n t h e h i g h e s t e s t i m a t i o n a c c u r a c y . H o w e v e r , o v e r a l l R 2 v a l u e s o b t a i n e d i n t h i s s t u d y a r e l o w e r i n c o m p a r i s o n w i t h t h e l i t e r a t u r e d a t a ( S t o n e r and 100 T a b l e 4.3.5 F r e q u e n c y o f i n c l u s i o n o f s o i l p a r a m e t e r i n t o r e g r e s s i o n s ( T a b l e 2.3.4) a t s i g n i f i c a n c e l e v e l o f 9 0 % . SOIL ORDER OF ENTRY* TOTAL# PROPERTY 1 S t 2nd 3 r d 4 t h OC 3 3 V 1 2 1 4 CF 1 1 P 1 1 1 3 CHROMA 2 - 3 CA 1 3 CEC 1 2 * O n l y t h e f i r s t f o u r e n t r i e s w e r e c o u n t e d . # A l l e n t r i e s were i n c l u d e d . B a u m g a r d n e r , 1 9 8 0 ) . T h i s i s s u g g e s t i v e t h a t o t h e r p a r a m e t e r s , s u c h a s s i t e c h a r a c t e r i s t i c s may be i n v o l v e d i n t h i s p r o c e s s a n d a c c o u n t f o r a n i m p o r t a n t p a r t o f s p e c t r a l v a r i a t i o n s . The s i g n i f i c a n c e o f t h e r e s u l t s d e v e l o p e d f r o m t h e s e r e g r e s s i o n s t u d i e s i s t w o f o l d . F i r s t , w i t h r e s p e c t t o s o i l p a r a m e t e r s t h e r e s u l t s a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e f i n d i n g s f r o m c o r r e l a t i o n a n a l y s i s a n d f u r t h e r e x p l a i n why t h o s e r e l a t i o n s h i p s a r e s i g n i f i c a n t a n d how t h e s p e c t r a l p r o p e r t i e s o f s o i l s a r e a f f e c t e d . S o i l o r g a n i c m a t t e r a n d c o l o r v a l u e a r e most i m p o r t a n t among - s o i l p a r a m e t e r s i n t e r m s o f b e i n g a b l e t o e x p l a i n t h e d i f f e r e n c e o f s p e c t r a l 101 v a l u e s , e s p e c i a l l y i n Band 4. The v a r i a t i o n s o f t h e s e p r o p e r t i e s , i n t u r n , a r e l i k e l y t o r e s u l t i n s p e c t r a l r e f l e c t a n c e c u r v e c h a n g e s , t h u s , t h e p r e d i c t i o n becomes p o s s i b l e . The p r e d i c t i o n m o d e l f o r o r g a n i c C u s i n g a s i n g l e s p e c t r a l band was i l l u s t r a t e d . S e c o n d l y , t h e r e g r e s s i o n m o d e l s h e l p us t o i d e n t i f y t h e o p t i m u m s p e c t r a l w a v e l e n g t h b a nd f o r p r e d i c t i o n . V a r i a b l e r e s u l t s were f o u n d i n t h i s s t u d y a n d e v e n w i t h t h e b e s t b a n d s u c h a s Band 4, t h e p r e d i c t i o n s a r e n o t e n t i r e l y s a t i s f a c t o r y . T h i s l e a d s t o t h e u s e o f m u l t i v a r i a t e m e t h o d s t o q u a n t i f y t h e s p e c t r a l r e f l e c t a n c e c u r v e s f o r p r e d i c t i n g s o i l p r o p e r t i e s a n d t y p e s . 3. MULTIVARIATE C L A S S I F I C A T I O N OF SOILS USING SPECTRAL  REFLECTANCE VALUES O v e r t h e y e a r s , many q u a n t i t a t i v e n u m e r i c a l m e t h o d s h a v e been d e v e l o p e d t o q u a n t i f y s o i l t y p e s and t h e v a r i a b i l i t y o f s o i l p r o p e r t i e s . A c l u s t e r a n a l y s i s was u s e d by S c h r e i e r and L a v k u l i c h ( 1 9 8 0 ) a n d S c h r e i e r ( 1 9 8 5) t o p r e d i c t s o i l a n d mine s a m p l e t y p e s i n t e r m s o f t h e i r o r g a n i c m a t t e r , i r o n c o n t e n t a n d s a m p l e o r i g i n b a s e d on t h e c h a r a c t e r i s t i c s p e c t r a l c u r v e s . C r o u s e e t a l . , ( 1 9 8 3) a l s o u s e d c l u s t e r / d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s t o i d e n t i f y t h e i m p o r t a n t s o i l p a r a m e t e r s w h i c h were h i g h l y c o r r e l a t e d w i t h s i x TM r e f l e c t a n c e b a n d s . The same a p p r o a c h was u s e d i n t h i s s t u d y i n o r d e r t o e x a m i n e how w e l l i t c a n be u s e d t o p r e d i c t t h e v a r i a b i l i t y o f i m p o r t a n t s o i l p r o p e r t i e s a n d d e f i n e s o i l s w i t h d i f f e r e n t f e r t i l i t y c o n d i t i o n s . 102 The s p e c t r a l r e f l e c t a n c e d a t a i n f o u r d i m e n s i o n a l s p a c e were c l a s s i f i e d w i t h an a v e r a g e d i s t a n c e l i n k a g e c l u s t e r a n a l y s i s . The t o t a l 108 s o i l s a m p l e s f r o m t h e s t r a t i f i e d r andom a n d s e l e c t i v e s a m p l i n g s e t s were g r o u p e d i n t o f i v e u n i q u e s p e c t r a l c l a s s e s a n d t h e r e s u l t i n g d e n d r o g r a m w h i c h p r o v i d e d a m e a sure o f t h e d e g r e e o f s i m i l a r i t y b e t w e e n t h e v a r i o u s s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f s o i l s a m p l e s i s shown i n F i g u r e 4.3.4. The summary d a t a o f e a c h o f t h e s p e c t r a l c l a s s e s a r e g i v e n i n T a b l e 4.3.6 a n d t h e d a t a f r o m r e f l e c t a n c e and p i x e l v a l u e m e a s u r e m e n t s a r e a l s o i n c l u d e d . A l t h o u g h t h e s p e c t r a l d i f f e r e n c e s among c l u s t e r s c a n be s e e n i n an i n d i v i d u a l b a n d by b a nd b a s i s , i t i s d i f f i c u l t t o v i s u a l i z e t h e o v e r a l l s p e c t r a l s e p a r a t i o n among f i v e s p e c t r a l c l a s s e s . F i g u r e 4.4.5 g i v e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s p e c t r a l r e f l e c t a n c e c u r v e s o f e a c h s p e c t r a l c l a s s , w h ere means, p l u s a n d m i n u s one s t a n d a r d d e v i a t i o n , were p l o t t e d . The i n d i v i d u a l s o i l s p e c t r a l c l a s s e s (A t o E ) , a s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 4.3.5, were f o u n d t o be v e r y d i f f e r e n t f r o m one a n o t h e r . S i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s b e t w e e n c l a s s e s , on a p a r a m e t e r - b y - p a r a m e t e r b a s i s , were f u r t h e r e x a m i n e d by u s i n g a M a n n - W h i t n e y U - t e s t w i t h a c o n f i d e n c e l e v e l o f 9 5 % , a n d t h e r e s u l t s a r e shown i n F i g u r e 4.3.6. The s i g n i f i c a n t s e p a r a t i o n was o b t a i n e d b e t w e e n any p a i r o f c l a s s e s i n a l l s p e c t r a l b a n d s . T h i s s u g g e s t s t h a t e a c h c l a s s h a s f o r m e d a d i s t i n c t s p e c t r a l c a t e g o r y . S i n c e s i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o n s h a v e been f o u n d b e t w e e n t h e s p e c t r a l r e f l e c t i o n v a l u e s a n d a number o f s o i l p h y s i c a l Table 4.3.6 Summary of soi l data for different spectral classes obtained from cluster analysis. (a) Physical and chemical data Unit n MC CF pH TC OC K Ca Mg CEC P N A 24 32.5* 1 1. 5# 30.7 12.4 6.91 0.36 3.78 0.71 3.29 0.69 0.555 0.24 12.82 4.08 0. 0. 750 47 22.7 7.0 145.9 56.5 0. 0. 186 05 B 39 26.6 6.2 29.0 7.7 6.93 0.27 2.71 0.44 2.47 0.50 0.557 0.28 1 1 .04 5.37 0. 0. 472 17 18.8 3.2 106.2 38.2 0. 0. 146 03 C 10 24.0 5.5 30.3 11.1 6.83 0.37 1 .94 0.62 1 .66 0.50 0.379 0.28 6.73 2.34 0. 0. 327 28 15.3 4.01 83.6 32.2 0. 0. 101 03 D 15 23.9 5.3 33.6 9.4 7.16 0.32 2.22 0.20 1 .83 0.27 0.387 0.14 9.29 3.68 0. 0. 334 13 16.3 2.67 95.0 25.5 0. 0. 113 02 E 20 29.4 6.9 26.1 6.9 6.98 0.33 2.55 0.60 2.30 0 5B 0.549 0.53 9.80 2.78 0. 0. 417 19 18.7 3.56 93.6 26.9 0. 0. 133 03 (b) Color, spectral and pixel value data UNIT n Value Chroma B4 B5 B6 B7 Red Green A 24 4.38* 0.70# 3.17 0.48 13.6 1.2 17.5 1.4 23.1 2.0 24.6 2.1 183.2 15.7 170.1 16.7 B 39 5.64 0.54 3.79 0.80 15.6 0.8 19.8 0.7 26.5 0.6 28.0 0.8 199.9 10.2 186.1 10.4 C 10 5.90 0.57 3.90 0.88 20.2 1.61 23.5 1.7 30.2 1.2 31.7 2.0 207.9 7.2 194.6 9.6 D 15 5.87 0.35 4.07 0.59 18.1 0.6 21.1 1.4 27.8 0.5 28.6 0.9 204.0 7.5 190.9 7.9 E 20 5.95 0.22 3.95 0.60 16.3 0.8 21.7 1 .0 28.7 0.7 30.1 0.6 200.0 8.8 185.2 9.9 * mean I standard d e v i a t i o n 10 10 6 7 SPECTRAL BAND 6 7 SPECTRAL BAND F i g u r e 4.3.5 S p e c t r a l r e f l e c t a n c e c u r v e s o f s p e c t r a l c l a s s e s (A t o E) f r o m c l u s t e r a n a l y s i s . o A B C D B TC, OC, CA, MG CEC, P, N, VALUE, CHROMA, B4, B5, B6, B7, RED, GREEN C TC, OC, CA, MG, CEC, P, N, VALUE, CHROMA, B4, B5, B6, B7, RED, GREEN pH, TC, OC, K, MG, CEC, N, B4, B5, B6, B7 D MC, pH, TC, OC, K, CA, MG, CEC, P, N, VAULE, B4, CHROMA, B5, B6, B7, RED, GREEN TC, OC, K, CA, MG, CEC, N, B4, B5, B6, B7, RED, GREEN pH, B4, B5, B6, B7 E TC, OC, CA, MG, CEC, P, N, VALUE CHROMA, B4, B5, B6, B7, RED, GREEN NA, VALUE, B4, B5, B6, B7 TC, OC, CA, CEC, N, B4, B5, B6, B7, RED, GREEN MC, CF, TC, OC, CEC, N, B4, B5, B6, B7, GREEN F i g u r e 4.3.6 P a r a m e t e r s s e p a r a t e d b e t w e e n s o i l s p e c t r a l c l a s s e s i d e n t i f i e d by Mann-Whitney U - t e s t (O<=0.05). 107 a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s , i t i s p o s s i b l e t o c h a r a c t e r i z e e a c h c l u s t e r c l a s s i n t e r m s o f s o i l p a r a m e t e r s . T a b l e 4.3.6 p r o v i d e s t h e s o i l p a r a m e t e r mean and s t a n d a r d d e v i a t i o n f o r e a c h s p e c t r a l c l a s s . A c o m p a r i s o n c a n be made, among c l a s s e s u s i n g s i n g l e s o i l p a r a m e t e r s . To g e t a s t a t i s t i c a l e v a l u a t i o n o f t h e s o i l p r o p e r t i e s w h i c h b e s t s e p a r a t e t h e m u l t i - s p e c t r a l c l a s s e s , t h e M a n n - W h i t n e y U - t e s t was a g a i n u s e d t o t e s t s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s o f i n d i v i d u a l s o i l p a r a m e t e r s b e t w e e n c l a s s e s ( F i g u r e 4 . 3 . 6 ) . I f a s o i l p a r a m e t e r i s i d e n t i f i e d t o be s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t b e t w e e n s p e c t r a l c l a s s e s , i t s u g g e s t s t h a t t h e s p e c t r a l c l a s s i f i c a t i o n by t h e c l u s t e r i n g i s s u c c e s s f u l a n d c a n t h u s be u s e d f o r p r e d i c t i v e p u r p o s e s . I t i s e v i d e n t f r o m t h e s e f i g u r e s t h a t no s i n g l e s o i l p r o p e r t y was s e p a r a t e d by s p e c t r a l c l a s s e s i n a l l c a s e s . I t means t h a t t h o s e s p e c t r a l c l a s s e s c a n n o t be d i f f e r e n t i a t e d on t h e b a s i s o f any one s o i l p a r a m e t e r . The b e s t p a r a m e t e r s were TC, OC, N a n d CEC, i n w h i c h c a s e s 8 0 % o f a l l c l a s s e s a p p e a r e d t o have u n i q u e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h o s e p r o p e r t i e s . A b o u t 7 0% o f c l a s s e s showed t h a t t h e y c o u l d be s e p a r a t e d by g r e e n f i l t e r p i x e l v a l u e , a n d f o l l o w e d by C a , Mg, r e d f i l t e r p i x e l v a l u e ( 6 0 % ) , a n d c o l o r v a l u e ( 5 0 % ) . F o r t h e r e s t o f t h e s o i l p a r a m e t e r s , o n l y a p a r t i a l c l a s s e s s e p a r a t i o n was o b s e r v e d . The r e s u l t s r e v e a l a good r e l a t i o n s h i p e x i s t s b e t w e e n m u l t i - s p e c t r a l r e f l e c t a n c e d a t a a n d s o i l p r o p e r t i e s w i t h h i g h d e g r e e o f s e p a r a t i o n s u c h a s o r g a n i c m a t t e r a n d CEC. 108 T h e r e s u l t s s h o w n i n F i g u r e 4 . 3 . 6 c a n b e u s e d t o e v a l u a t e t h e s p e c t r a l c l a s s s e p a r a t i o n s i n t e r m s o f o v e r a l l s o i l c h a r a c t e r i s t i c s o r s o i l t y p e s . H i g h l y s u c c e s s f u l s e p a r a t i o n w a s f o u n d b e t w e e n s p e c t r a l c l a s s A a n d t h e r e s t o f c l a s s e s . A l m o s t a l l s o i l p r o p e r t i e s t h a t w e r e h i g h l y c o r r e l a t e d w i t h s p e c t r a l r e f l e c t a n c e w e r e d i f f e r e n t i a t e d . A g o o d c l a s s i f i c a t i o n w a s a c h i e v e d b e t w e e n c l a s s B a n d D , o n l y P a n d m o i s t u r e c o n t e n t w e r e n o t s e p a r a t e d i n t h i s c a s e . T h e r e s u l t s o f c l a s s B v s C , C v s E a n d D v s E a r e a l s o f a i r l y g o o d . T h e p o o r e s t d i f f e r e n t i a t i o n s o f s o i l p a r a m e t e r s w e r e f o u n d b e t w e e n c l a s s C a n d D , a n d c l a s s B a n d E , t h o u g h t h e y d i d s h o w d i s t i n c t s p e c t r a l s e p a r a t i o n s . B y e x a m i n i n g t h e s o i l d a t a a c r o s s s p e c t r a l c l a s s e s f r o m T a b l e 4 . 3 . 6 , we f o u n d c l a s s A r e p r e s e n t s t h e t y p e o f s o i l s w i t h h i g h f e r t i l i t y s t a t u s i n t e r m s o f h i g h a v e r a g e l e v e l s o f o r g a n i c m a t t e r , C E C a n d f e r t i l i t y e l e m e n t s N a n d P ( T y p e I ) . T h e a v e r a g e c o n c e n t r a t i o n o f K i n c l a s s A i s a m o n g t h e h i g h e s t b u t i t i s n o t d i f f e r e n t f r o m t h e l e v e l s o f c l a s s B a n d E . C l a s s C w i t h h i g h e s t s p e c t r a l v a l u e s c o r r e s p o n d s t o a n o v e r a l l l o w l e v e l s o f s o i l c h e m i c a l p r o p e r t i e s i n c l u d i n g o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t , C E C , a n d N , P , K , a l t h o u g h t h i s c l a s s i s v e r y c l o s e t o c l a s s D . S p e c t r a l c l a s s D s h o w s t h e l o w e s t s o i l w a t e r c o n t e n t a n d t h e h i g h e s t c o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t . I t s o v e r a l l s o i l c h e m i s t r y a n d f e r t i l i t y s t a t u s a r e a l i t t l e h i g h e r t h a n t h o s e o f c l a s s C b u t s u b s t a n t i a l l y l o w e r t h a n t h o s e i n o t h e r c l a s s e s e x c e p t f o r P c o n t e n t w h i c h i s s i m i l a r t o c l a s s E . C l a s s e s B a n d E g e n e r a l l y r e p r e s e n t 109 a v e r a g e s o i l c o n d i t i o n s (Type I I I ) a nd h o l d o v e r 5 5 % o f s o i l s a m p l e s s t u d i e d . 4. I D E N T I F I C A T I O N OF S I G N I F I C A N T SOIL PARAMETERS FOR  DIFFERENTIATING SOIL SPECTRAL CLASSES I n o r d e r t o e v a l u a t e t h e r o l e o f e a c h s o i l p a r a m e t e r i n t h e c o n t r i b u t i o n s o f o v e r a l l s o i l c h a r a c t e r i s t i c s t o s p e c t r a l c u r v e s e p a r a t i o n s , an i n v e s t i g a t i o n was u n d e r t a k e n t o i d e n t i f y w h i c h s o i l p r o p e r t y a n d p r o p e r t y c o m b i n a t i o n c o u l d a c t u a l l y s e r v e t o d i s c r i m i n a t e among s p e c t r a l c l a s s e s . T h i s i s o f p a r t i c u l a r i m p o r t a n c e i f s o i l p a r a m e t e r i n t e r a c t i o n s a r e common i n t h e d a t a s e t . Some s o i l p a r a m e t e r , w h i c h a p p e a r s t o be d i s t i n g u i s h e d b e t w e e n s p e c t r a l c l a s s e s , may n o t p r e s e n t c a u s e a n d e f f e c t r e l a t i o n s h i p s w i t h s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c s , b u t may be t h e r e s u l t o f a u t o - c o r r e l a t i o n a n d a s s o c i a t e d i n d i r e c t r e l a t i o n s h i p s . A s t e p w i s e d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s was r u n on f i v e s p e c t r a l c l a s s e s w i t h a l l t h i r t e e n s o i l p a r a m e t e r s a s v a r i a b l e s i n o r d e r t o e v a l u a t e w h i c h s o i l p r o p e r t i e s c o u l d b e s t be u s e d t o d i s c r i m i n a t e s p e c t r a l c l a s s e s . T o t a l C was n o t e n t e r e d s i m p l y b e c a u s e a v e r y l a r g e p a r t o f i t s c o n t r i b u t i o n h a d been a c c o u n t e d f o r by o r g a n i c C. The r e s u l t s i d e n t i f i e d t h a t o r g a n i c C, c o l o r v a l u e a n d m o i s t u r e c o n t e n t were t h e f i r s t t h r e e v a r i a b l e s t h a t e n t e r e d t h e d i s c r i m i n a t i n g f u n c t i o n t o s e p a r a t e s p e c t r a l c l a s s e s a t a p r o b a b i l i t y o f 9 5 % . T a b l e 4.3.7 l i s t s , i n o r d e r o f e n t r y , 110 t h e s e l e c t e d p a r a m e t e r s . The s e p a r a b i l i t y o f t h e s e p r o p e r t i e s among c l u s t e r s i s shown i n F i g u r e 4.3.7, i n w h i c h t h e p r o p e r t y means an d s t a n d a r d d e v i a t i o n s were p l o t t e d on a c l u s t e r - b y - c l u s t e r b a s i s . As i l l u s t r a t e d i n T a b l e 4.3.7, o r g a n i c C a p p e a r s a s t h e most i n f l u e n t i a l s o i l p r o p e r t y f o r s p e c t r a l c l a s s . s e p a r a t i o n s . The a p p e a r a n c e o f M u n s e l l c o l o r v a l u e a s t h e s e c o n d most i m p o r t a n t v a r i a b l e i s n o t u n e x p e c t e d due t o i t s h i g h c o r r e l a t i o n w i t h s p e c t r a l r e f l e c t i o n . A l t h o u g h CEC and N a p p e a r e d most o f t h e t i m e s s e p a r a t e d by s p e c t r a l c l a s s e s , t h e y were e x c l u d e d f r o m t h e l i s t o f d i s c r i m i n a n t v a r i a b l e s . T h i s c a n be e x p l a i n e d by t h e i r c l o s e r e l a t i o n s h i p s w i t h o r g a n i c C ( r = 0.81 a n d 0.87 f o r CEC and N, r e s p e c t i v e l y ) . I t . i s an i m p o r t a n t f e a t u r e o f t h e s t e p w i s e d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s t h a t o nce a v a r i a b l e i s e n t e r e d i n t o t h e m o d e l , v a r i a b l e s w h i c h a r e h i g h l y c o r r e l a t e d t o t h e e n t e r e d v a r i a b l e w i l l h a v e l e s s c h a n c e o f b e i n g s e l e c t e d on t h e n e x t s t e p s i n c e most o f t h e i r d i s c r i m i n a n t i n g power h a s a l r e a d y b e en a c c o u n t e d f o r . The s e l e c t i o n o f m o i s t u r e c o n t e n t i s somewhat s u s p e c t s i n c e no d i r e c t r e l a t i o n s h i p was m e a s u r e d b e t w e e n t h i s p a r a m e t e r and r e f l e c t a n c e i n t h i s s t u d y . I t s s e l e c t i o n may be due t o t h e a s s o c i a t i o n s o f w a t e r c o n t e n t w i t h o t h e r s o i l p r o p e r t i e s . When t h o s e s o i l p r o p e r t i e s are. r e m o v e d , t h e i m p o r t a n c e o f t h e m o i s t u r e c o n t e n t i n c r e a s e s . The i n c l u s i o n o f c o l o r chroma i s more d i f f i c u l t t o e x p l a i n , i t seems t o be a t t r i b u t a b l e t o t h e b i g s e p a r a t i o n b e t ween c l a s s A a n d o t h e r c l a s s e s . 111 T a b l e 4.3.7 S o i l p r o p e r t i e s s e l e c t e d by d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s f o r d i s c r i m i n a t i n g among s p e c t r a l c l a s s e s ( «.« 0 . 0 5 ) . PROPERTY U-STATISTIC F PROB OC VALUE MC CHROMA 0.5060 • 0.4176 0.3574 0.3162 0.0000 0.0006 0.0033 0.0148 F i g u r e 4.3.7 v i s u a l l y i l l u s t r a t e s some p o i n t s made' i n t h e a b o v e d i s c u s s i o n . I t i s e v i d e n t t h a t none o f t h e s e s i n g l e p r o p e r t i e s c a n be u s e d t o d i f f e r e n t i a t e s p e c t r a l c l a s s e s . C o n s i d e r a b l e o v e r l a p s e x i s t b e t w e e n c l a s s e s , e s p e c i a l l y i n t h e c a s e s o f m o i s t u r e c o n t e n t a n d c h r o m a . The s u c c e s s f u l r e s u l t s o b t a i n e d by c l u s t e r a n a l y s i s w i t h r e s p e c t t o s o i l p a r a m e t e r s e p a r a t i o n must t h u s be v i e w e d a s t h e r e s u l t o f t h e c o m b i n a t i o n o f t h e s e d i s c r i m i n a t i n g p r o p e r t i e s and t h e i r i n t e r a c t i o n s w i t h o t h e r i m p o r t a n t p r o p e r t i e s . D. QUANTIFYING SOIL CONDITIONS USING P I X E L VALUE DATA OF  SOIL SAMPLES I n t h e s p a t i a l a n a l y s i s d i s c u s s e d i n s e c t i o n B, we h a v e d e t e r m i n e d s o i l p a t t e r n s b a s e d on d i g i t i z e d a i r p h o t o d y e - l a y e r p i x e l v a l u e d a t a a n d u s i n g an u n s u p e r v i s e d m u l t i v a r i a t e c l a s s i f i c a t i o n p r o c e d u r e . The a s s u m p t i o n was 1 12 C D E CLUSTER F i g u r e 4 . 3 . 7 S o i l p r o p e r t i e s as d i s c r i m i n a n t s i n each s p e c t r a l c l a s s (A to E ) . 113 made t h a t a good r e l a t i o n s h i p must e x i s t b e t w e e n t h e s o i l p a r a m e t e r s a n d t h e p i x e l v a l u e s . I f t h i s i s t r u e i t s h o u l d be p o s s i b l e t o q u a n t i f y t h e s o i l p a t t e r n on t h e a e r i a l p h o t o g r a p h by n u m e r i c a l a n a l y s i s u s i n g t h e d i g i t a l p i x e l v a l u e s . T h i s w i l l a l l o w us t o d e t e r m i n e how w e l l we c a n r e l y on t h e p i x e l v a l u e d a t a t o p r e d i c t t h e v a r i a b i l i t y o f s o i l p a r a m e t e r s a n d t y p e s . I t i s t h e o b j e c t i v e o f t h i s s e c t i o n t o c ompare t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e 108 s o i l s a m p l e s w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g r e d o r g r e e n f i l t e r p i x e l v a l u e s . The n u m e r i c a l m ethods u s e d t o r e l a t e s o i l s t o s p e c t r a l p r o p e r t i e s were o n c e a g a i n u s e d t o compare s o i l p r o p e r t i e s w i t h p i x e l v a l u e s . 1. DETERMINATION OF THE RELATIONSHIPS BETWEEN P I X E L VALUES  AND S OIL PROPERTIES V I A CORRELATION/REGRESSION ANALYSIS A c o r r e l a t i o n a n a l y s i s was c a r r i e d o u t f o r a l l 108 s o i l s a m p l e s u s i n g i n d i v i d u a l s o i l v a r i a b l e s v e r s u s t h e g r e e n and r e d dye f i l t e r p i x e l v a l u e d a t a o b t a i n e d f r o m c o m p u t e r p r i n t o u t s i n e a c h s a m p l e l o c a t i o n . Some r e s u l t s h a v e a l r e a d y been d i s c u s s e d i n t h e l a s t s e c t i o n where a c o r r e l a t i o n m a t r i x was p r e s e n t e d ( T a b l e 4 . 3 . 1 ) . G e n e r a l l y , most s o i l p r o p e r t i e s showed a s i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o n w i t h b o t h t h e g r e e n a n d t h e r e d f i l t e r p i x e l v a l u e s e x c e p t f o r pH and e x c h a n g e a b l e K and Na. Among t h e s e h i g h l y c o r r e l a t e d s o i l p a r a m e t e r s , o r g a n i c C r e c e i v e d t h e h i g h e s t c o e f f i c i e n t ( r = 0 . 7 5 ) w i t h r e d f i l t e r p i x e l v a l u e , f o l l o w e d by s o i l m o i s t u r e c o n t e n t ( 0 . 6 9 ) a n d t o t a l N ( 0 . 6 3 ) . F o r t h e g r e e n 1 14 f i l t e r p i x e l v a l u e , t h e c a r b o n - p i x e l v a l u e r e l a t i o n s h i p was l o w e r t h a n t h e m o i s t u r e - p i x e l v a l u e r e l a t i o n s h i p w h i c h showed t h e h i g h e s t r v a l u e o f 0.74. A s c a t t e r d i a g r a m was p l o t t e d i n F i g u r e 4.4.1, t o show t h e i r c l o s e r e l a t i o n s h i p . M o i s t u r e p r o v e d t o be more h i g h l y c o r r e l a t e d w i t h p i x e l v a l u e s t h a n w i t h s p e c t r a l d a t a b e c a u s e s p e c t r a l r e f l e c t i o n m e a s u r e m e n t s were p e r f o r m e d on a i r d r y s a m p l e s w h e r e a s d y e - l a y e r p i x e l v a l u e s w h i c h a c c o u n t e d f o r p h o t o t o n a l v a r i a t i o n s r e p r e s e n t e d t h e u n d i s t u r b e d s i t e c o n d i t i o n s a t t h e t i m e o f t h e f l i g h t . T h i s i n d i c a t e s t h a t s o i l w a t e r i n t h e f i e l d e x e r t s a l a r g e i n f l u e n c e on s o i l s p e c t r a l v a r i a t i o n s a n d t h i s may h a v e a l a r g e r e f f e c t on r e l e c t i o n t h a n o r g a n i c m a t t e r . S p e c t r a l a n a l y s i s o f s o i l s u n d e r d i f f e r e n t m o i s t u r e c o n d i t i o n s n e e d s t o be c a r r i e d o u t t o d e t e r m i n e t h e u l t i m a t e e f f e c t . S i n c e w a t e r i t s e l f i s n o t s e n s i t i v e t o a b s o r b e d l i g h t i n t h e v i s i b l e b a n d s , t h e i n f l u e n c e o f s o i l m o i s t u r e c o n t e n t on p h o t o p i x e l v a l u e s i s a t t r i b u t e d t o i t s a s s o c i a t i o n w i t h o t h e r s o i l a n d s i t e c h a r a c t e r i s t i c s , s u c h a s t e x t u r e a n d d r a i n a g e . The c o r r e l a t i o n s b e t w e e n e x c h a n g e a b l e c a t i o n s , CEC, a n d p i x e l v a l u e s i n b o t h r e d a n d g r e e n f i t l e r d y e - l a y e r s were a l s o s i g n i f i c a n t l y h i g h e r . The e x c e p t i o n was K w h i c h o n l y showed a l o w c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t w i t h t h e p i x e l v a l u e d a t a a f t e r l o g a r i t h m i c t r a n s f o r m a t i o n . H o w e v e r , t h e c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s w i t h C a , Mg, a n d CEC were u s u a l l y w i t h i n t h e r a n g e o f 0.5 t o 0.6, t h i s means t h a t p r e d i c t i o n s may n o t e n t i r e l y be r e l i a b l e b a s e d on t h e v a l u e s f r o m a 1 15 s i n g l e d y e - l a y e r p i x e l s . C o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t a l s o showed a m o d e r a t e c o r r e l a t i o n w i t h p i x e l v a l u e d a t a a n d c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s were s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e d i n c o m p a r i s o n w i t h c o r r e l a t i o n s w i t h s p e c t r a l r e f l e c t i o n . D y e - l a y e r r a t i o i n g a n d a d d i t i v e c o m b i n a t i o n were c o n s i d e r e d , b u t r e j e c t e d b e c a u s e a l m o s t no a d v a n t a g e o v e r c o r r e l a t i o n s w i t h i n d i v i d u a l d y e - l a y e r s was e x p e c t e d . I t i s a l s o n o t e d f r o m t h e c o r r e l a t i o n m a t r i x ( T a b l e 4.3.1) t h a t t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n g r e e n a n d r e d f i l t e r p i x e l v a l u e s was v e r y h i g h ( r = 0 . 9 5 ) , b u t t h e y b e h a v e d d i f f e r e n t l y w i t h r e g a r d t o s o i l p r o p e r t i e s . S i m p l e l i n e a r r e g r e s s i o n s were p e r f o r m e d f o r % o r g a n i c C a n d m o i s t u r e c o n t e n t , a s w e l l a s o t h e r s o i l p a r a m e t e r s w i t h r e d a n d g r e e n f i l t e r p i x e l v a l u e s . Two e x a m p l e s o f t h e s e r e s u l t s a r e p r o v i d e d i n F i g u r e 4.4.1 a n d F i g u r e 4.4.2. A l t h o u g h t h e c o r r e l a t i o n s were h i g h l y s i g n i f i c a n t , t h e v a r i a n c e e x p l a i n e d by t h e r e s p e c t i v e r e g r e s s i o n e q u a t i o n s was a t b e s t 56% f o r o r g a n i c C v e r s u s r e d f i l t e r p i x e l v a l u e , a n d 54% f o r m o i s t u r e c o n t e n t v e r s u s g r e e n f i l t e r p i x e l v a l u e . I n most i n s t a n c e s , t h e c o r r e l a t i o n o f s i n g l e d y e - l a y e r d a t a w i t h s p e c i f i c s o i l p r o p e r t i e s was n o t g ood enough f o r p r e d i c t i v e p u r p o s e s . I n o r d e r t o e x a m i n e t o what e x t e n t t h e p i x e l v a l u e d a t a c a n be e x p l a i n e d by s o i l p a r a m e t e r s , a s t e p w i s e r e g r e s s i o n a n a l y s i s was c a r r i e d o u t w i t h t h e g r e e n a n d t h e r e d f i l t e r d y e - l a y e r p i x e l v a l u e s a s d e p e n d e n t v a r i a b l e s . The i n d e p e n d e n t v a r i a b l e s e n t e r e d i n t o t h e r e g r e s s i o n were 116 60 140 150 160 170 180 190 200 21C 220 GREEN F I L T E R P I X E L VALUE F i g u r e 4.4.1 S c a t t e r d i a g r a m o f s o i l m o i s t u r e c o n t e n t p l o t t e d a g a i n s t g r e e n f i l t e r p i x e l v a l u e s . * Numbers i n d i c a t e o v e r l a p p i n g p o i n t s 1 17 Figure 4 . 4 . 2 Scatter diagram of % organic carbon plotted against red f i l t e r pixel values. * Numbers indicate overlapping points 118 m o i s t u r e c o n t e n t , c o a r s e f r a c t i o n , % o r g a n i c C, C a , Mg, CEC, P, N, M u n s e l l c o l o r v a l u e a n d c h r o m a . No l o g t r a n s f o r m e d o r r a t i o e d d a t a were u s e d , s i n c e t h e p r e v i o u s c o r r e l a t i o n s t u d y showed t h a t t h e t r a n s f o r m a t i o n d i d n o t s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h e r e l a t i o n s h i p s . The o r d e r o f i n c l u s i o n s o f t h e i n d e p e n d e n t v a r i a b l e s i n t o t h e r e g r e s s i o n s w i t h i n d i v i d u a l d y e - l a y e r s was shown i n T a b l e 4.4.1. S o i l m o i s t u r e c o n t e n t a n d o r g a n i c C were f o u n d t o be t h e f i r s t two s o i l p a r a m e t e r s t o e n t e r t h e r e g r e s s i o n e q u a t i o n s . T h e s e two p a r a m e t e r s e x p l a i n e d most o f t h e v a r i a b i l i t y i n p i x e l v a l u e s . The m o i s t u r e c o n t e n t e n t e r e d f i r s t i n t h e ' e s t i m a t i o n o f g r e e n f i l t e r p i x e l v a l u e w h e r e a s o r g a n i c C was s e l e c t e d t o be t h e l a r g e s t c o n t r i b u t o r t o t h e v a r i a t i o n o f r e d f i l t e r p i x e l v a l u e . T h e s e r e s u l t s were c o n s i s t e n t w i t h t h e o r d e r o f c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s o b t a i n e d b e t w e e n m o i s t u r e , o r g a n i c C a n d p i x e l v a l u e d a t a . M u n s e l l c o l o r v a l u e was t h e t h i r d i m p o r t a n t s o i l p a r a m e t e r i n c l u d e d i n t o t h e r e g r e s s i o n s f o r p r e d i c t i n g b o t h g r e e n and r e d f i l t e r p i x e l v a l u e s . C o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t was s e l e c t e d a s t h e f o u r t h v a r i a b l e i n t h e r e g r e s s i o n o f t h e g r e e n f i l t e r p i x e l v a l u e , b u t i t d i d n o t a p p e a r t o be a b l e t o p r e d i c t t h e r e d f i l t e r p i x e l v a l u e . The c o l o r chroma a n d CEC were a c t i v e i n e x p l a i n i n g t h e r e d f i l t e r p i x e l v a l u e v a r i a t i o n b u t t o a l e s s e r e x t e n t . The f r e q u e n c y o f e a c h s o i l p a r a m e t e r t o e n t e r t h e r e g r e s s i o n s i s s u m m a r i z e d i n T a b l e 4.4.2. Table 4.4.1 Stepwise multiple regression of s o i l parameters as p r e d i c t o r s of red and green p i x e l values at a s i g n i f i c a n c e l e v e l of 90%. PIXEL VALUE MC CF OC MG CA CEC P VALUE CHROMA CUMULATIVE R2 GREEN 1* 0.0000# 4 0.0576 2 0.0000 3 0.0143 0.66 RED 2 0.0004 1 0.0000 5 0.0873 3 0.0027 4 0.0286 0.67 * Order of i n c l u s i o n of the v a r i a b l e ( s o i l parameter) into regression equation. # S i g n i f i c a n c e l e v e l obtained for the v a r i a b l e . 120 The c u m u l a t i v e R 2 v a l u e f o r e a c h o f t h e r e g r e s s i o n m o d e l s i n d i c a t e d t o what e x t e n t t h e v a r i a b i l i t y o f p i x e l v a l u e s i n t h e two d y e - l a y e r s c o u l d be e x p l a i n e d by t h e i n t e r a c t i o n s o f v a r i a b l e s . S i m i l a r R 2 v a l u e s were f o u n d f o r p r e d i c t i n g b o t h g r e e n a n d r e d f i l t e r p i x e l v a l u e s . T h e s e R 2 v a l u e s were l o w e r , i n c o m p a r i s o n w i t h t h e v a l u e s o b t a i n e d f o r c o r r e s p o n d i n g v i s i b l e r e f l e c t a n c e b a n d s ( S e c t i o n 4.3) w h i c h s u g g e s t s t h e s i t e c h a r a c t e r i s t i c s have more i n f l u e n c e on p h o t o d y e - l a y e r p i x e l v a l u e t h a n on s p e c t r a l r e f l e c t a n c e i n v i s i b l e b a n d s a n d a c c o u n t f o r l a r g e p o r t i o n o f r e f l e c t i o n v a r i a t i o n . T a b l e 4.4.2 F r e q u e n c y o f i n c l u s i o n o f s o i l p a r a m e t e r i n t o r e g r e s s i o n s ( T a b l e 4.4.1) a t a s i g n i f i c a n c e l e v e l o f 9 0 % . SOIL ORDER OF ENTRY* TOTAL# PROPERTY 1 s t 2nd 3 r d 4 t h OC 1 1 2 MC 1 1 2 VALUE 2 2 CF 1 1 CHROMA 1 1 . CEC 1 * O n l y t h e f i r s t f o u r e n t r i e s were c o u n t e d . # A l l e n t r i e s were i n c l u d e d . 121 2. MULTIVARIATE C L A S S I F I C A T I O N OF SOILS USING TWO DYE-LAYER  P I X E L VALUE DATA The c o r r e l a t i o n a n d r e g r e s s i o n a n a l y s i s r e v e a l e d t h a t p h o t o d y e - l a y e r p i x e l v a l u e s were h i g h l y c o r r e l a t e d w i t h o r g a n i c m a t t e r , m o i s t u r e c o n t e n t and e x c h a n g e a b l e c a t i o n s . H o w e v e r , l i n e a r r e g r e s s i o n e q u a t i o n s t o p r e d i c t t h e s e p r o p e r t i e s f r o m s i n g l e d y e - l a y e r p i x e l v a l u e s were n o t v e r y s a t i s f a c t o r y b e c a u s e o f t h e v a r i a b i l i t y o f s o i l s , t h e s u r f a c e c o n d i t i o n s a n d t h e p a r a m e t e r i n t e r a c t i o n s . A l s o , t h e c o n d i t i o n s a s s o c i a t e d w i t h image p r o c e s s i n g a n d t h e image q u a l i t y a l l p l a y a r o l e i n a f f e c t i n g t h e p r e d i c t i o n a c c u r a c y . More c o m p l e x m o d e l s a r e n e e d e d i n o r d e r t o p r e d i c t i n d i v i d u a l s o i l p r o p e r t i e s a n d q u a n t i f y s o i l t y p e s . I t i s e v i d e n t f r o m t h e s t e p w i s e m u l t i p l e r e g r e s s i o n s t u d y t h a t s e v e r a l s o i l p a r a m e t e r s w h i c h a c t t o g e t h e r a p p e a r t o h a v e a p r o f o u n d i n f l u e n c e on p i x e l v a l u e v a r i a t i o n . T h i s i m p l i e s t h a t t h e r e l a t i o n s h i p o f p i x e l v a l u e s w i t h o v e r a l l s o i l c h a r a c t e r i s t i c s may be o f more i m p o r t a n c e t h a n w i t h a s i n g l e p a r a m e t e r . I n o r d e r t o e x a m i n e t h i s r e l a t i o n s h i p , t h e same c l u s t e r i n g p r o c e d u r e u s e d i n t h e s p e c t r a l a n a l y s i s was u s e d t o c l a s s i f y 108 s o i l s a m p l e s a c c o r d i n g t o t h e i r two d i m e n s i o n a l p i x e l v a l u e d a t a . The r e s u l t i n g d e n d r o g r a m shown i n F i g u r e 4.4.3 r e v e a l e d t h a t f o u r p i x e l v a l u e g r o u p i n g s e x i s t e d b a s e d on t h e d e g r e e o f s i m i l a r i t y o f s o i l s a m p l e s . The s o i l d a t a f o r e a c h o f t h o s e p i x e l v a l u e c l a s s e s (A t o D) a r e s u m m a r i z e d i n T a b l e 4.4.3, w h i c h p r o v i d e s t h e means a n d s t a n d a r d d e v i a t i o n s o f a l l 20 o b s e r v e d p a r a m e t e r s . STEP ERROR 1 31 80 0 . 0015234 * * 2 54 102 0 . 0021119 * 3 9 32 0 . 0031045 * 4 61 97 0 . 0091508 * 5 24 83 0 . 0093608 * 6 36 82 0 . 0099898 * 7 86 95 0 0141539 * 8 77 101 O 0151566 * 9 60 73 0 . 0157521 * 10 25 100 0 . 0170560 * 1 1 69 71 0 0178820 * 12 3 30 0 . 0182681 * 13 41 59 O 0185247 * 14 53 78 0 . 0238209 * 15 15 81 0 . 0285540 * 16 84 . 89 0 0304407 * 17 43 47 0 0343943 * 18 56 63 O 0353520 * 19 21 92 0 OS66493 * 20 8 39 0 0371830 * 21 20 27 0 0388274 * 22 24 28 0 0412375 * 23 31 70 0 0455656 * 24 18 69 0 0543602 * 25 40 96 0 0545213 * 26 36 76 0 0553001 * 27 53 103 0 0586790 * 28 3 68 0 0605721 * 29 14 66 0 0665315 * 30 24 75 0 0730882 * 31 26 36 0 0733716 * 32 74 86 0 0797524 * 33 10 52 o 0831572 * 34 31 72 0 0857667 * 35 7 48 o 0956763 * 36 1 58 0 1126693 * 37 51 87 o 1170821 * 38 22 24 0 1282070 * 39 19 20 0 1319296 * 40 8 99 0 1324154 * 41 12 13 0 1417703 * 42 43 105 o 1419029 43 29 94 0 1452256 * 44 38 85 0 1473102 * 45 56 84 0 1539029 * 46 3 18 0 1566277 * 47 33 41 0 1619460 * 48 21 55 0 1637803 * 49 53 65 0 1682788 * 50 49 50 o 2038878 * 51 4 34 0 2227173 * 52 31 54 0 2301221 * 53 62 64 0 2375805 * 54 40 88 0 .2441363 * 55 93 98 o .2454364 * 56 53 91 o .2484574 * 57 60 90 0 2607248 * 58 57 74 0 2610338 * 59 21 106 6 .2694564 * 60 15 19 0 .2883817 * 61 43 44 0 .2974484 * 62 23 26 0 .3278202 * 63 67 77 0 .3594868 * 64 2 5 0 .3677722 * 65 3 6 0 .3938651 66 93 108 0 .4128096 * 67 7 35 0 .4225624 * 68 22 25 0 .4461067 * 69 42 107 o .4876448 * 70 45 49 0 .4961520 * 71 23 60 0 .5261777 * 72 38 43 0 .5753487 * 73 10 14 o .6192126 * 74 9 40 0 .6404803 * 75 15 33 0 .6746864 * 76 16 17 0 .8373251 * 77 67 104 0 .9266634 * 78 29 57 0 .9435863 * 79 2 4 o .9952325 * 80 22 31 1 .0287867 * 81 53 61 1 .0945663 * 82 9 56 1 . 1 1 18593 * 83 45 62 1 .2942438 * 84 10 23 1 .3349457 * 85 37 67 1 .4941339 * 86 7 51 1 .5434189 * 87 1 45 1 .5777578 * 88 3 22 2 .0254555 * 89 9 21 2 .1892500 * 90 8 29 2 .2560501 * 91 38 93 2 .5441036 * 92 53 79 3 .0197706 * 93 2 12 4 .3378839 * 94 38 46 4 .5830660 * 95 42 53 4 .8109102 * 96 3 15 4 .9206371 * 97 7 16 5 .5081062 * 98 10 38 5 .7200251 * 99 1 42 7 .1225071 * 100 2 1 1 7 .6004057 * 101 3 9 7 .9215746 * 102 8 37 9 .5199118 * 103 1 7 19.899689 * 104 8 10 28 .321533 * 105 3 8 40 .392319 * 106 1 2 58 .852600 * 107 1 3 183.15953 * * 58 62 53 91 87 13 68 28 31 45 64 49 42 78 103 61 48 16 1 1 18 22 75 80 "S4 102 T9 4 T 4 0 63 92 39 57 37 104 66 82 90 20 59 96 84 97 35 17 34 69 24 25 701 15 27 88 89 55 106 99 74 67 10 23 76 38 47 105 98 108 29 86 77 52 26 60 85 4 4 46 L * * * * * * * * :fc * Table 4 . 4 .3 Summary of soil data for different pixel value classes obtained from cluster analysis. (a) Physical and chemical data UNIT n MC CF PH TC OC K Ca Mg CEC P N A 12 41.7* 9.4# 23.5 9.1 6.91 0.38 4.32 0.50 3.87 0.45 0.660 0.19 15.16 4.7 0.984 0.55 27.4 6.0 148.1 64.1 0.205 0.05 B 33 29.4 6.4 27.7 10.0 6.89 0.36 2.96 0.58 2.68 0.51 0.598 0.43 11.58 5.0 0.524 0.21 19.6 3.6 116.6 49.9 0.152 0.02 c 45 25.3 4.3 30.1 7.1 / 35.8 10.8 7.02 0.29 2.40 0.48 2.08 0.46 0.398 0.22 9.35 3.8 0.349 0.11 16.8 2.7 92. 1 30.0 0.129 0.03 D 18 21.9 6.3 6.94 0.31 2.35 0.51 2.04 0.52 0.558 0.32 8.73 2.2 0.454 0.25 17.7 4.4 111.4 26.4 0.124 0.04 (b) Color, spectral and pixel value data , UNIT n Value Chroma B4 B5 B6 B7 Red Green A 12 4.50* 3,.-f7 13.1 17.5 22.9 24.8 168.8 155.0 0.80#x 0.58 1.3 1 .9 3.0 3.3 8.6 7.0 B 33 5.52 3.79 15.5 19.7 26.3 27.7 192.0 178.9 0.51 0.86 1 .3 1.5 2.0 2.2 5.4 4.8 C 45 5.82 3.84 16.8 20.7 27.5 28.7 202.6 188.3 0.49 0.74 1.99 2.1 2.0 2.1 2.3 3.1 D 18 5.78 3.72 17.2 21.3 27.7 29.4 214.1 202.3 0.43 0.46 2.0 1 .3 1 .3 1 . 5 5.0 6.1 mean # standard d e v i a t i o n 124 The s e p a r a t i o n s among p i x e l v a l u e c l a s s e s were b e s t i l l u s t r a t e d i n two d i m e n s i o n a l v e c t o r s p a c e u s i n g mean p i x e l v a l u e s , a n d p l u s a n d m i n u s one s t a n d a r d d e v i a t i o n ( F i g u r e 4 . 4 . 4 ) . I t i s e v i d e n t t h a t e a c h p i x e l v a l u e c l a s s h a d f o r m e d a u n i q u e c h a r a c t e r i s t i c c a t e g o r y w h i c h was d i f f e r e n t f r o m a l l o t h e r c a t e g o r i e s . F i g u r e 4.4.5 shows t h e r e s u l t o f t h e M a n n - W h i t n e y U - t e s t w h i c h i d e n t i f i e d t h e p a r a m e t e r s w h i c h b e s t s e p a r a t e d t h e c l u s t e r c a t e g o r i e s . The r e s u l t p r o v e d t h a t a l l p i x e l v a l u e c l a s s e s were s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t f r o m one a n o t h e r w i t h r e s p e c t t o t h e i r mean p i x e l v a l u e v a l u e s e p a r a t i o n s i n b o t h d y e - l a y e r s . The mean p i x e l v a l u e s f r o m t h e l o w e s t t o h i g h e s t c l a s s e s were i d e n t i f e d a s g r o u p A-B-C-D. The c h a r a c t e r i z a t i o n o f e a c h p i x e l v a l u e c l u s t e r i n t e r m s o f s o i l p r o p e r t i e s was p e r f o r m e d i n two ways: M a n n - W h i t n e y U - t e s t t o e x a m i n e t h e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s b e t w e e n c l u s t e r s on a p a r a m e t e r - b y - p a r a m e t e r b a s i s , a n d by e m p l o y i n g a s t e p w i s e d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s t o e x a m i n e t h e n a t u r e o f t h e c l u s t e r s e p a r a t i o n s a n d i d e n t i f y t h o s e s o i l p a r a m e t e r s t h a t were b e s t a b l e t o s e r v e a s d i s c r i m i n a n t s among t h e p i x e l v a l u e c l a s s e s . T a b l e 4.4.3 gave s o i l p r o p e r t y mean a n d r a n g e v a l u e s w i t h i n e a c h p i x e l v a l u e c l a s s . A s t a t i s t i c a l c o m p a r i s o n was c a r r i e d o u t u s i n g s i g n i f i c a n c e t e s t s a n d F i g u r e 4.4.5 shows t h e s e r e s u l t s . T e s t s were made f o r a l l s o i l p a r a m e t e r s a s w e l l a s s p e c t r a l b a n d s . The s u c c e s s o f c l a s s i f i c a t i o n s i n t e r m s o f s p e c i f i c s o i l p r o p e r t i e s c a n be e v a l u a t e d by § 2 1 0 $ £ 200 n g 190 E-2 W p a a o 180 170 160 150 140 o 0 o 150 160 170 180 190 200 210 220 230 RED FILTER PIXEL VALUE Fi g u r e 4 . 4 . 4 P i x e l value c l a s s e s (A to D) s e p a r a t i o n w i t h i n the two dimensional p i x e l value v e c t o r space, the c e n t e r r e p r e s e n t s mean p i x e l v a l u e s and the diameter represents p l u s and minus one s t a n d a r d d e v i a t i o n . A B C B MC, TC, OC, CA, MG, CEC, N, VALUE, CHROMA, B4, E 5 , B6, B7, RED, GREEN C MC, CF, TC, OC, K, CA, MG, CEC, N, P, VALUE, B4, CHROMA, B5, B6, B7, RED, GREEN MC, TC, OC, K, CA, MG, CEC, P, N, VALUE, B4, B5, B6, RED, GREEN D MC, CF, TC, OC, CA, MG, CEC, N, VALUE, CHROMA, B4, B5, B6, B7, RED, GREEN MC, CF, TC, OC, CA, N, B4, B5, B6, B7, RED, GREEN 1 MC, K, P, RED GREEN F i g u r e 4.4.5 P a r a m e t e r s s e p a r a t e d b e t w e e n p i x e l v a l u e c l a s s e s i d e n t i f i e d by Mann-Whitney U - t e s t ( « = 0 . 0 5 ) . 127 e x a m i n i n g w h e t h e r t h e s o i l p r o p e r t y c a n be s e p a r a t e d b e t w e e n two c l a s s e s . The s u c c e s s f u l s e p a r a t i o n of most s o i l p r o p e r t i e s i s e v i d e n t f r o m t h e r e s u l t s o f c l a s s i f i c a t i o n ( F i g u r e 4 . 4 . 5 ) . S o i l m o i s t u r e c o n t e n t was t h e b e s t p a r a m e t e r t o s e p a r a t e t h e s o i l t y p e s a n d showed t o be s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t i n a l l c a s e s . T h i s i n d i c a t e s t h a t s o i l s w i t h d i f f e r e n t s o i l m o i s t u r e c o n d i t i o n s have been d i s t i n g u i s h e d by t h e c o m b i n a t i o n o f two a i r p h o t o d y e - l a y e r p i x e l v a l u e d a t a . The p o t e n t i a l s o f u s i n g t h e m u l t i - d y e l a y e r p i x e l v a l u e c l a s s i f i c a t i o n t o q u a n t i f y s o i l t y p e s were a l s o d e m o n s t r a t e d a s t h e g o o d s e p a r a b i l i t y o f TC, OC, N a n d Ca b e t w e e n c l a s s e s . I n f i v e o u t o f 6 c a s e s t h e c l a s s s e p a r a t i o n c o u l d be made on t h e b a s i s o f t h e s e p a r a m e t e r s . I n a b o u t 67% o f c a s e s , s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s were o b s e r v e d i n t e r m s o f c o l o r v a l u e , CEC a n d Mg, a n d 50% were s e p a r a t e d by c o a r s e * f r a g m e n t c o n t e n t , P, K, a n d c h r o m a . W i t h r e s p e c t t o o v e r a l l s o i l p r o p e r t i e s o r s o i l t y p e s , t h e p i x e l v a l u e c l a s s e s were s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t f r o m one a n o t h e r . The o n l y p o o r s e p a r a t i o n was s e e n b e t w e e n c l a s s C a n d D, f o r w h i c h o n l y m o i s t u r e c o n t e n t a n d two f e r t i l i t y c o m p o n e n t s h a v e been d i f f e r e n t i a t e d . M o s t s o i l p a r a m e t e r s were a p p a r e n t l y d i s c r i m i n a t i n g f a c t o r s f o r s e p a r a t i n g c l a s s e s A a n d B f r o m t h e r e s t o f c l a s s e s . T h i s s u g g e s t s t h a t c l a s s A a n d B a r e t h e most d i s t i n c t u n i t s i n w h i c h a u n i q u e s o i l c h a r a c t e r i s t i c c a t e g o r y h a s b een e s t a b l i s h e d . 128 The r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t h e f o u r p i x e l v a l u e c l a s s e s f r o m c l u s t e r a n a l y s i s a n d t h e f i e l d s o i l c o n d i t i o n s a n d v a r i a b i l i t y o f s o i l p r o p e r t i e s were f u r t h e r e x a m i n e d by u s i n g t h e a v e r a g e v a l u e s o f s o i l p r o p e r t i e s i n T a b l e 4.4.3. C l e a r l y , c l a s s A i s t h e most d i s t i n c t c l a s s w i t h v e r y l o w mean p i x e l v a l u e s a n d t h e l e v e l s o f s o i l m o i s t u r e c o n t e n t a n d o v e r a l l c h e m i s t r y ( o r g a n i c m a t t e r a n d CEC) i n c l a s s A a r e much h i g h e r t h a n t h o s e f r o m o t h e r c l a s s e s . The s o i l f e r t i l i t y l e v e l s a r e a l s o d i s t i n c t l y h i g h e r f o r c l a s s A t h a n f o r a ny o t h e r c l a s s , a l t h o u g h P a n d K were n o t d i f f e r e n t f r o m c l a s s B. I n c o n t r a s t , c o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t i n c l a s s A i s c o n s i d e r a b l y l o w e r i n c o m p a r i s o n w i t h o t h e r c l a s s e s . C l a s s B, w h i c h i s a l s o d i s t i n c t f r o m o t h e r c l a s s e s , r e p r e s e n t s s o i l s w i t h m o d e r a t e l y h i g h s o i l c h e m i c a l c o n t e n t s a n d f e r t i l i t y s t a t u s , b u t t h e mean v a l u e s o f P a n d K a r e n o t d i f f e r e n t f r o m t h o s e i n c l a s s D. A l t h o u g h c l a s s D r e p r e s e n t s t h e t y p e o f s o i l s w i t h t h e l a r g e s t v o l u m e o f g r a v e l a n d t h e l o w e s t w a t e r c o n t e n t , i t s o v e r a l l s o i l c h e m i s t r y was n o t f o u n d t o be d i s t i n g u i s h a b l e f r o m c l a s s C w h i c h h o l d s o v e r 40% o f a l l c o l l e c t e d s o i l s a m p l e s a n d c o r r e s p o n d s t o t h e most common s o i l t y p e i n t h e s t u d y s i t e . T h i s i s i n p a r t i a l a g r e e m e n t w i t h t h e r e s u l t s f r o m d a t a o b t a i n e d f r o m t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g ( S e c t i o n 4.1) i n w h i c h we f o u n d no s u b s t a n t i a l d i f f e r e n c e s i n s o i l f e r t i l i t y b e t w e e n s o i l t y p e I I ( g r a v e l l y s o i l s ) a n d t y p e I I I ( a v e r a g e s o i l s ) . - T h i s i m p l i e s t h a t t h e s o i l t y p e w i t h h i g h c o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t i s n o t n e c e s s a r i l y d i f f e r e n t i n 129 f e r t i l i t y s t a t u s f r o m a v e r a g e s o i l c o n d i t i o n i n t h e f i e l d u n d e r i n v e s t i g a t i o n . I t i s a n t i c i p a t e d t h a t i f we a c c o u n t f o r c o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t i n t h e m e a s u r e m e n t s o f s o i l c h e m i c a l c o n d i t i o n s , t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o t y p e s o f s o i l s w o u l d p r o b a b l y t h e n b e d i s p l a y e d . S o i l s p e c t r a l r e f l e c t a n c e v a l u e s w i t h i n e a c h p i x e l v a l u e c l a s s w e r e q u a n t i f i e d i n o r d e r t o t e s t w h e t h e r s o i l g r o u p s w i t h d i s t i n c t d i f f e r e n c e i n p i x e l v a l u e s w e r e a l s o s e p a r a t e d b y t h e i r s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c c u r v e s . T h e r e s u l t s f r o m t h e M a n n - W h i t n e y U - t e s t ( F i g u r e 4 . 4 . 5 ) c l e a r l y s h o w e d t h a t c l a s s A a n d B w e r e s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t i n t e r m s o f t h e i r s p e c t r a l b a n d s e p a r a t i o n s . I t w a s a l s o f o u n d t h a t t h e s e t w o c l a s s e s w e r e s p e c t r a l l y d i s t i n g u i s h e d f r o m o t h e r c l a s s e s a n d o n l y s p e c t r a l B a n d 7 d i d n o t a p p e a r o n t h e l i s t b e t w e e n c l a s s A a n d B . N o n e o f t h e s p e c t r a l b a n d s w e r e f o u n d t o d i f f e r e n t i a t e c l a s s C f r o m c l a s s D , i n d i c a t i n g t h a t t h e t w o c l a s s e s w e r e v e r y c l o s e n o t o n l y c h e m i c a l l y b u t a l s o s p e c t r a l l y , i n s p i t e o f t h e i r d i s t i n c t d i f f e r e n c e i n p i x e l v a l u e s . T h e o n l y r e a s o n t o c a u s e p i x e l v a l u e s e p a r a t i o n b e t w e e n t h e s e c l a s s e s i s d u e t o t h e i r d i f f e r e n c e i n m o i s t u r e a n d , p o s s i b l y , K c o n t e n t . S p e c t r a l s e p a r a t i o n s a m o n g p i x e l v a l u e c l a s s e s a r e i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 4 . 4 . 6 , w h i c h p r o v i d e s t h e s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c c u r v e s ( m e a n r e l e c t a n c e v a l u e a n d p l u s a n d m i n u s o n e s t a n d a r d d e v i a t i o n ) f o r e a c h o f t h e p i x e l v a l u e c l a s s e s . C o n s i d e r a b l e o v e r l a p s a r e e v i d e n t b e t w e e n c l a s s C a n d D . C l a s s B a n d D a p p e a r t o h a v e s o m e s e p a r a t i o n , b u t i t i s n o t a s g o o d a s t h e s e p a r a t i o n o f c l a s s 10 10 6 7 SPECTRAL BAND 6 7 SPECTRAL BAND F i g u r e 4 . 4 . 6 S p e c t r a l r e f l e c t a n c e c u r v e s o f p i x e l v a l u e c l a s s e s ( A t o D ) f r o m c l u s t e r a n a l y s i s . (A) 131 A f r o m o t h e r c l a s s e s . A g a i n , a s t e p w i s e d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s w a s c a r r i e d o u t o n f o u r p i x e l v a l u e c l a s s e s t o d e t e r m i n e t h e r o l e a n d c o n t r i b u t i o n o f ; i n d i v i d u a l s o i l p a r a m e t e r s i n s e p a r a t i n g p i x e l v a l u e c l a s s e s . A l l t h i r t e e n s o i l p r o p e r t i e s w e r e e n t e r e d i n t o t h e a n a l y s i s a s v a r i a b l e s . T a b l e 4 . 4 . 4 g i v e s t h e r e s u l t a n d l i s t s t h e s o i l p r o p e r t i e s , i n o r d e r o f e n t r y , t h a t c o u l d s e r v e a s d i s c r i m i n a n t s a m o n g p i x e l v a l u e c l a s s e s . T h e m e a n v a l u e s , p l u s a n d m i n u s o n e s t a n d a r d d e v i a t i o n , w e r e p l o t t e d f o r e a c h p i x e l v a l u e c l u s t e r ( F i g u r e 4 . 4 . 7 ) . O n e c a n s u b j e c t i v e l y d e t e r m i n e t h e e x t e n t t o w h i c h e a c h s o i l p a r a m e t e r p e r f o r m e d a s d i s c r i m i n a n t i n g f a c t o r s i n s e p a r a t i n g t h e c l a s s e s . T h e r e s u l t s p r e s e n t e d i n T a b l e 4 . 4 . 4 a r e g e n e r a l l y c o n s i s t e n t w i t h t h e e a r l i e r c o n c l u s i o n s f r o m c o r r e l a t i o n a n d s t e p w i s e r e g r e s s i o n a n a l y s e s . I t i s e v i d e n t t h a t o r g a n i c m a t t e r a n d m o i s t u r e c o n t e n t a r e t h e m o s t i n f l u e n t i a l d i s c r i m i n a n t s a m o n g s o i l p r o p e r t i e s a n d s e e m t o t a k e a d o m i n a n t p a r t o f t h e c o n t r i b u t i o n t o p i x e l v a l u e c l a s s s e p a r a t i o n s . C o l o r v a l u e w h i c h a p p e a r s o n t h e l i s t i s a l s o n o t u n e x p e c t e d s i n c e i t s c o r r e l a t i o n w i t h p i x e l v a l u e i s s i g n i f i c a n t l y h i g h . T h e s o i l p a r a m e t e r s s u c h a s N a n d C E C d o n o t a p p e a r o n t h e l i s t b e c a u s e t h e i r d i s c r i m i n a t i n g p o w e r h a s a l r e a d y b e e n a c c o u n t e d f o r b y OC w h i c h e n t e r e d t h e d i s c r i m i n a t i n g f u n c t i o n . a s t h e f i r s t p a r a m e t e r . T h e i n c l u s i o n o f K i s i n t e r e s t i n g , b u t d i f f i c u l t t o e x p l a i n . H o w e v e r , w h e n we c h e c k t h e r e s u l t s f r o m t h e s i g n i f i c a n c e 132 T a b l e 4.4.4 S o i l p r o p e r t i e s s e l e c t e d by d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s f o r d i s c r i m i n a t i n g among p i x e l v a l u e c l a s s e s ( 0C= 0. PROPERTY U - S T A T I S T I C F PROB OC 0.4130 0.0000 MC 0.3640 0.0046 VALUE 0.3223 0.0060 K 0.2932 0.0192 A B C D CLUSTER F i g u r e 4.4.7 S o i l p r o p e r t i e s a s d i s c r i m i n a n t s i n e a c h p i x e l v a l u e c l a s s (A t o D ) . 133 t e s t i n F i g u r e 4.4.5 a n d F i g u r e 4.4.7, i t was shown t h a t K h a d a s i g n i f i c a n t s e p a r a t i n g c a p a b i l i t y b e t w e e n c l a s s C a n d o t h e r c l a s s e s , w h i c h p r o b a b l y e x p l a i n s t h e s e l e c t i o n o f K. The most n o t a b l e a b s e n c e f r o m t h e l i s t i s t h e c o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t . We e x p e c t e d t h a t d i f f e r e n c e s i n t h i s p a r a m e t e r w o u l d f a c i l i t a t e c l a s s s e p a r a t i o n . I t s u g g e s t s t h a t a s e c o n d a r y r e l a t i o n s h i p e x i s t s b e t w e e n t h i s s o i l p r o p e r t y a n d p i x e l v a l u e s i n t h i s s t u d y . The r o l e o f c o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t h a s p r o b a b l y been masked by good c o r r e l a t i o n s b e t w e e n p i x e l v a l u e a nd o r g a n i c m a t t e r o r m o i s t u r e c o n t e n t . The r e s u l t i n T a b l e 4.4.4 was c o m p a r e d w i t h s o i l p r o p e r t i e s l i s t e d i n T a b l e 4.3.7, w h i c h were s e l e c t e d by t h e same d i s c r i m i n a n t p r o c e d u r e b u t f o r d i f f e r e n t s p e c t r a l c l a s s e s . The f i r s t t h r e e s o i l p a r a m e t e r s a r e t h e same, i n d i c a t i n g t h a t t h e y a r e t h e most p r o m i s i n g s o i l p r o p e r t i e s t o i n f l u e n c e b o t h p i x e l v a l u e a n d s p e c t r a l v a r i a t i o n s . The d i f f e r e n c e i n t h e o r d e r o f i m p o r t a n c e i s o b v i o u s s i n c e m o i s t u r e c o n t e n t was h e l d c o n s t a n t i n t h e s p e c t r a l m e a s u r e m e n t s . I t s u g g e s t s t h a t t h e m o i s t u r e c o n t e n t i s b e s t q u a n t i f i e d by u s i n g p i x e l v a l u e d a t a a nd c o l o r v a l u e i s b e s t q u a n t i f y e d by s p e c t r a l r e f l e c t a n c e m e a s u r e m e n t s . The M a n n - W h i t n e y U - t e s t a l s o p r o v e d t h a t t h e m o i s t u r e c o n t e n t was t h e o n l y s o i l p a r a m e t e r w h i c h s e p a r a t e d p i x e l v a l u e c l a s s e s i n a l l c a s e s . 134 E. SUMMARY AND COMPARISONS 1. SPECTRAL REFLECTION VS DYE LAYER P I X E L VALUE I n t h i s s t u d y , s o i l p a r a m e t e r s a n d c o n d i t i o n s h a v e been d e t e r m i n e d by two r e m o t e s e n s i n g t e c h n i q u e s : l a b o r a t o r y s p e c t r a l r e f l e c t i o n measurement a n d a i r p h o t o d i g i t a l a n a l y s i s . A c o m p a r i s o n made on summary o f r e s u l t s f r o m t h i s two m e t h o d s i s g i v e n i n T a b l e 4.5.1. I t i s e v i d e n t f r o m t h i s c o m p a r i s o n t h a t s l i g h t l y b e t t e r r e l a t i o n s h i p s e x i s t b e t w e e n s p e c t r a l r e f l e c t i o n v a l u e s a n d o v e r a l l s o i l c h e m i c a l p a r a m e t e r s t h a n b e t w e e n p i x e l v a l u e s a n d s o i l p r o p e r t i e s . T h i s i s b e c a u s e s p e c t r a l r e f l e c t i o n m e a s u r e m e n t s were c o n d u c t e d i n a c o n t r o l l e d l a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t a n d were e x c l u s i v e o f t h e e f f e c t s o f s u r f a c e v a r i a t i o n , s i t e a n d a t m o s p h e r i c f a c t o r s , a n d s o i l m o i s t u r e c o n d i t i o n s , a l l o f w h i c h i n f l u e n c e d t h e a i r p h o t o d y e - l a y e r p i x e l v a l u e m e a s u r e m e n t s . I n b o t h c a s e s , % o r g a n i c C was f o u n d t o be t h e most i m p o r t a n t s o i l c h e m i c a l p a r a m e t e r w h i c h r e l a t e d t o s p e c t r a l r e f l e c t i o n a n d p i x e l v a l u e s . S o i l m o i s t u r e c o n t e n t was a n o t h e r i m p o r t a n t s o i l p a r a m e t e r w h i c h e n t e r e d t h e s t e p w i s e r e g r e s s i o n a n d d i s c r i m i n a n t f u n c t i o n , b u t i t s i m p o r t a n c e was o n l y r e l e v a n t i n r e l a t i o n t o t h e d y e - l a y e r p i x e l v a l u e . S o i l m o i s t u r e was f o u n d t o be b e s t p r e d i c t e d u s i n g g r e e n f i l t e r p i x e l v a l u e s . C l u s t e r a n a l y s e s u s i n g 4 - d i m e n s i o n a l s p e c t r a l d a t a a n d 2 - d i m e n s i o n a l p i x e l v a l u e d a t a h a v e c l a s s i f i e d 108 s o i l s a m p l e s i n t o f i v e s o i l s p e c t r a l c l a s s e s (A t o E) a n d f o u r Table 4 . 5 . 1 . Summary and comparisons of two remote sensing techniques to quantify soi l parameters and types. LABORATORY SPECTRAL REFLECTION MEASUREMENT MULTI-DYE LAYER DIGITAL ANALYSIS Number of v a r i a b l e s 4 s p e c t r a l bands 2 dye layer p i x e l values Best c o r r e l a t i o n with s o i l parameters Band 4 vs Ln Organic Carbon r = 0.82 Red F i l t e r P i x e l Value vs Organic Carbon r = 0.75 Best regression for p r e d i c t i o n of s o i l parameters Ln Of = 2.81-0.122*B4 R = 0.67 SE = 0.18 OC = 10.68-0.0146*Red R2 = 0.56 SE = 0.495 Best stepwise regression for p r e d i c t i o n of s p e c t r a l or p ixe l value var iab les Band 4 = a 0 + a , *Ln OC+a2*CF +a3*Value P.2 = 0.71 Red F i l t e r P i x e l Value = a,+a2*OC+a3*MC +a4 *Value+a 5*Chroma R 2= 0.67 The importance of s o i l parameters in discriminant funct ions OC > Color Value OC > MC > Color Value M u l t i - v a r i a t e c l a s s i f i c a t i o n ( c l u s t e r a n a l y s i s ) Five Spectral Classes Four P i x e l Value Classes S o i l Type 1 A (n=24) | 10 samples A'(n=12) i d e n t i c a l | S o i l Type II C,D (n=25) | 8 samples D*(n=18) i d e n t i c a l | S o i l Type III B,E (n=59) | 47 samples B' ,C (n = 78) i d e n t i c a l | CO 136 p i x e l v a l u e c l a s s e s (A' t o D ' ) , r e s p e c t i v e l y . A c o m p a r i s o n b e t w e e n t h e s e two c l a s s i f i c a t i o n s was made i n T a b l e 4.5.1 on t h e b a s i s o f t h r e e s o i l t y p e s w h i c h were v i s u a l l y i d e n t i f i e d by t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g . I n t h e c a s e o f s o i l t y p e I , w h i c h was c o n s i d e r e d a s d a r k s o i l s w i t h h i g h MC, OC, CEC, N, P a n d K c o n t e n t s a n d low CF, c o l o r v a l u e , s p e c t r a l a n d p i x e l v a l u e s , 10 o u t o f .12 s o i l s a m p l e s i n p i x e l v a l u e c l a s s A 1 were i n common w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g s p e c t r a l c l a s s A. A b o u t 80% o f s p e c t r a l c l a s s e s B and E were f o u n d w i t h i n t h e p i x e l v a l u e c l a s s B' a n d C . T h e s e s p e c t r a l o r p i x e l v a l u e c l a s s e s were r e p r e s e n t a t i v e o f s o i l t y p e I I I , t h e d o m i n a n t s o i l s w i t h m e d i a n v a l u e s f o r a l l s o i l , s p e c t r a l a n d p i x e l v a l u e v a r i a b l e s . The p o o r e s t c o r r e s p o n d e n c e was f o u n d b e t w e e n s p e c t r a l c l a s s e s C a n d D a n d p i x e l v a l u e c l a s s D', a l l o f w h i c h r e l a t e d ' t o s o i l t y p e I I , w i t h t h e l o w e s t s o i l c h e m i s t r y a n d m o i s t u r e c o n t e n t a n d t h e h i g h e s t s p e c t r a l a n d p i x e l v a l u e s a s w e l l a s c o a r s e f r a g m e n t c o n t e n t . I n t h i s c a s e , o n l y 8 s a m p l e s were f o u n d t o be i d e n t i c a l , w h i c h a c c o u n t e d f o r 32% o f s p e c t r a l c l a s s e s C a n d D and 44% o f p i x e l v a l u e c l a s s D'. T h i s i m p l i e s t h a t v e r y d i f f e r e n t c l a s s i f i c a t i o n s o f g r a v e l l y s o i l s c a n be o b t a i n e d u s i n g d i f f e r e n t t e c h n i q u e s . S i n c e s p e c t r a l r e f l e c t i o n m e a s u r e m e n t s d i d n o t t a k e c o a r s e f r a g m e n t s a n d m o i s t u r e c o n t e n t i n t o a c c o u n t , d i g i t a l p i x e l v a l u e a n a l y s i s s h o u l d be c o n s i d e r e d a s a more r e l i a b l e p r o c e d u r e t o q u a n t i f y t h i s t y p e o f s o i l s . The d i s a g r e e m e n t i s p a r t i a l l y due t o t h e s a m p l e s i z e d i f f e r e n c e s b e t w e e n c o r r e s p o n d i n g s p e c t r a l a n d p i x e l v a l u e 1 37 c l a s s e s . F o r e x a m p l e , t h e s p e c t r a l c l a s s i f i c a t i o n i d e n t i f i e d 24 s o i l s a m p l e s w h i c h w ere r e p r e s e n t a t i v e o f s o i l t y p e I ( c l a s s A) w h i l e t h e p i x e l v a l u e c l a s s i f i c a t i o n o n l y i d e n t i f i e d 12 s a m p l e s f o r t h i s s o i l t y p e ( c l a s s A ' ) . The d i f f e r e n c e s i n s o i l s a m p l e s i z e c a n be r e d u c e d i f we u s e t h e same d i m e n s i o n a l c l a s s i f i c a t i o n p r o c e d u r e s . An i n c r e a s i n g d e g r e e o f a g r e e m e n t i s l i k e l y t o be a c h i e v e d b e t w e e n s p e c t r a l a n d p i x e l v a l u e c l a s s i f i c a t i o n s i f c o l o r i n f r a r e d p h o t o g r a p h s w o u l d have been f l o w n so t h a t t h e p i x e l v a l u e s i n IR dye l a y e r s c o u l d h a v e been i n c l u d e d i n t h e a n a l y s i s . 2. L I N K I N G REMOTE SENSING MEASUREMENTS WITH CONVENTIONAL  METHOD FOR SOIL F E R T I L I T Y ASSESSMENT The a p p r o a c h u s e d t o make s o i l f e r t i l i t y a s s e s s m e n t s i n t h i s s t u d y c a n be d e s c r i b e d a s f o l l o w s : 1) t o s a m p l e s o i l s a c c o r d i n g t o t h e v i s u a l a p p e a r a n c e o f t h e s o i l p a t t e r n a n d 2) t o d e t e r m i n e d i f f e r e n t f e r t i l i z e r r a t e s b a s e d on t h e l a b o r a t o r y m e a s u r e m e n t s o f e a c h i n d i v i d u a l s o i l s a m p l e g r o u p . The s o i l t y p e d i s t r i b u t i o n i n t h e f i e l d , w h i c h i s d i r e c t l y r e l a t e d t o t o t a l f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n s , c a n be e s t i m a t e d by f i e l d o b s e r v a t i o n s o r , more p r e c i s e l y , d e t e r m i n e d w i t h a p l a n i m e t e r f r o m a e r i a l p h o t o g r a p h s . The a p p l i c a t i o n o f r e m o t e s e n s i n g t e c h n i q u e s t o s o i l f e r t i l i t y a s s e s s m e n t s was f o u n d u s e f u l i n t h e f o l l o w i n g two a s p e c t s . F i r s t , t h e s e new t e c h n i q u e s h a d an a d v a n t a g e o v e r t h e c o n v e n t i o n a l method w i t h r e g a r d t o s p a t i a l p a t t e r n d e l i n e a t i o n s a n d a r e a m e a s u r e m e n t s f o r d i f f e r e n t s o i l t y p e s . 138 S e c o n d l y , s i n c e g ood r e l a t i o n s h i p s were o f t e n f o u n d b e t w e e n c h e m i c a l , s p e c t r a l r e f l e c t i o n a n d p i x e l v a l u e d a t a , p r e d i c t i o n s c o u l d be made f o r some s o i l c h e m i c a l p r o p e r t i e s , s u c h a s o r g a n i c m a t t e r , w h i c h p r o v i d e d a g e n e r a l p i c t u r e o f f i e l d f e r t i l i t y s t a t u s . The u s e o f s o i l s p a t i a l p a t t e r n d e l i n e a t i o n a n d s o i l c h e m i s t r y p r e d i c t i o n i s i l l u s t r a t e d i n T a b l e 4.5.2. The m easurement o f a r e a s r e p r e s e n t e d by t h r e e s o i l t y p e s was c o n d u c t e d u s i n g t h e m u l t i - d y e l a y e r a n a l y s i s w h i c h was d i s c u s s e d i n S e c t i o n 4.2. U s i n g t h e r e g r e s s i o n e q u a t i o n shown i n F i g u r e 4.4.2 % o r g a n i c C f o r e a c h p h o t o p i x e l was c a l c u l a t e d a n d a v e r a g e v a l u e s f o r e a c h o f f o u r p i x e l v a l u e c l a s s e s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 4.5.2. T h i s method c a n be u s e d t o p r o d u c e a s o i l o r g a n i c m a t t e r d i s t r i b u t i o n map w h i c h p r o v i d e s a s p a t i a l p i c t u r e o f g e n e r a l f e r t i l i t y o f t h e f i e l d . H i g h e r a c c u r a c y o f p r e d i c t i o n and s p e c t r a l maps c a n be o b t a i n e d w i t h h i g h e r r e s o l u t i o n m u l t i - s p e c t r a l d a t a a n d n a r r o w e r w a v e l e n g t h b a n d s . I t i s n o t e d t h a t r e m o t e s e n s i n g m e a s u r e m e n t s c a n n o t r e p l a c e t h e c o n v e n t i o n a l a p p r o a c h , b u t c a n p r o v i d e a b e t t e r a s s e s s m e n t o f t h e s p a t i a l p a t t e r n and e x t e n t o f s o i l t y p e s a n d o r g a n i c m a t t e r d i s t r i b u t i o n . To t h i s e nd i t may be more d e s i r a b l e t o u s e t h e s e t e c h n i q u e s i n c o m b i n a t i o n w i t h t h e c o n v e n t i o n a l s o i l f e r t i l i t y a s s e s s m e n t . The c o n v e n t i o n a l m e t h o d g i v e s f e r t i l i z e r r a t e s f o r d i f f e r e n t t y p e s o f s o i l s f r o m f i e l d s a m p l i n g a n d l a b o r a t o r y m e a s u r e m e n t s . 139 T a b l e 4.5.3 p r e s e n t s t h e r e s u l t s o f K f e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n f o r t h e t h r e e d i f f e r e n t s o i l t y p e s i d e n t i f i e d by t h e s e l e c t i v e s a m p l i n g ( S e c t i o n A) and q u a n t i t a t i v e r e m o t e s e n s i n g m e a s u r e m e n t s ( S e c t i o n C a n d D ) . The two d i f f e r e n t r a t e s were t r a n s l a t e d i n t o t o t a l f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n f o r t h r e e s o i l t y p e s , a c c o r d i n g t o t h e ' a r e a e s t i m a t i o n s f r o m t h e p l a n i m e t r y method a n d t h e m u l t i - d y e l a y e r p i x e l v a l u e c l a s s i f i c a t i o n , b o t h were d i s c u s s e d i n S e c t i o n B. T a b l e 4.5.4 p r o v i d e s a d i r e c t c o m p a r i s o n on t h e t o t a l amount o f K f e r t i l i z e r r e q u i r e d f o r t h e e n t i r e f i e l d e s t i m a t e d by v a r i o u s m e t h o d s , i n c l u d i n g t h e c o n v e n t i o n a l o n e - r a t e b l a n k e t a p p l i c a t i o n . The h i g h e r r a t e o f K r e c o m m e n d a t i o n f o r s o i l t y p e I I r e s u l t e d i n an i n c r e a s e i n t o t a l f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n o v e r c o n v e n t i o n a l o n e - r a t e r e c o m m e n d a t i o n , e s p e c i a l l y i n t h e c a s e o f u s i n g t h e m u l t i - d y e l a y e r p i x e l v a l u e c l a s s i f i c a t i o n t o m e a s u r e s o i l t y p e a r e a s . U s i n g t h e m u l t i - v a r i a t e c l a s s i f i c a t i o n , t h e a r e a e s t i m a t e s o f s o i l t y p e I a n d I I were s l i g h t l y h i g h e r t h a n t h e v a l u e s o b t a i n e d by t h e p l a n i m e t r y m e t h o d . T h i s r e s u l t e d i n 5 kg d i f f e r e n c e i n t h e t o t a l amount of f e r t i l i z e r a p p l i e d . S i n c e t h e f o r m e r i s g e n e r a l l y c o n s i d e r e d t o be more o b j e c t i v e a n d more a c c u r a t e t h a n t h e l a t t e r , t h e q u a n t i t a t i v e r e m o t e s e n s i n g m e a s u r e m e n t s a r e more a d v i s a b l e t o be u s e d i n t h e f u t u r e . The e f f o r t d e v o t e d t o f i e l d s a m p l i n g a n d l a b o r a t o r y work c a n be much r e d u c e d u s i n g r e m o t e s e n s i n g d a t a i n f e r t i l i t y a s s e s s m e n t , w i t h o u t a f f e c t i n g t h e f e r t i l i z e r 140 Table 4.5.2 Average organic carbon contents of three s o i l types estimated by red f i l t e r p i x e l values. P i x e l Value Class S o i l Type Area (%) % mean Carbon range A I 13.0 3.33 2.73-4.90 B III -1 36.6 2.51 2.32-3.15 C III -2 36.3 2.15 1 .69-2.69 D II 14.1 1 .52 0.86-1.94 Table 4.5.3 K f e r t i l i z e r recommendations for three s o i l types using the planimetry and multi-dye layer p i x e l value a n a l y s i s to measure areas of s o i l types. S o i l Type Rate Area (ha) T o t a l A p p l i c a t i o n (kg) (kg/ha) planimetry dye la y e r planimetry dye la y e r a n a l y s i s a n a l y s i s I 45 K 20 0.305 0.387 1 4 17 II 67 K 20 0.334 0.419 22 28 III 45 K 20 2.262 2.173 101 98 Table 4.5.4 Comparison of t o t a l K f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n estimated by d i f f e r e n t methods Recommendation Area Measurement T o t a l A p p l i c a t i o n (ha) (kg) 1 blanket rate planimeter 131 2 v a r i a b l e rate planimeter 138 2 v a r i a b l e rate dye layer a n a l y s i s 143 141 r e c o m m e n d a t i o n a c c u r a c y . I t i s t h o u g h t t h a t t h e n u m b e r o f s o i l s a m p l e s w h i c h i s n e e d e d t o d e t e r m i n e v a r i a b l e f e r t i l i z e r r a t e s f o r s p e c i f i c t y p e s o f s o i l c a n b e r e d u c e d t o a l o w e s t l i m i t i f we s e l e c t s a m p l i n g p o i n t s b a s e d o n r e m o t e s e n s i n g i m a g e s o r , m o r e d e s i r a b l y , t h e s p e c t r a l m a p s s h o w i n g c u r r e n t f e r t i l i t y s t a t u s , i . e . d i g i t a l s o i l o r g a n i c m a t t e r m a p . S u c h m a p s s h o u l d b e a v a i l a b l e i n t h e n e a r f u t u r e . C h a p t e r V CONCLUSIONS The a i m s o f t h i s t h e s i s w e r e t o e v a l u a t e t h e e x t e n t t o w h i c h r e m o t e s e n s i n g t e c h n i q u e s c a n be u s e d t o f a c i l i t a t e t h e q u a n t i f i c a t i o n o f s o i l v a r i a b i l i t y i n a g r i c u l t r a l f i e l d s . The t h e s i s r e s e a r c h was c a r r i e d o u t i n a f i e l d w h i c h c o n t a i n e d t h r e e v e r y c o n t r a s t i n g s o i l s . The s p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f t h e s o i l p a t t e r n was q u a n t i f i e d u s i n g m u l t i - d y e l a y e r a n a l y s i s o f d i g i t i z e d c o l o r a e r i a l p h o t o g r a p h s . The a c t u a l c h e m i c a l a n d s p e c t r a l d i f f e r e n c e s among s o i l t y p e s were d e t e r m i n e d f r o m s o i l s a m p l e a n a l y s i s i n t h e l a b o r a t o r y . T h e s e m e t h o d s were e x a m i n e d t o d e t e r m i n e i f f e r t i l i z e r e f f e c t i v e n e s s c a n be i m p r o v e d by c o n s i d e r i n g t h e a p p l i c a t i o n o f v a r i a b l e r a t e s o f f e r t i l i z e r s i n a c c o r d a n c e t o t h e s o i l p a t t e r n . The f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s c a n be made f r o m t h e p r e s e n t s t u d y : 1. DETERMINING SOIL VARIABILITY WITHIN THE FIELD A n a l y s i s o f o v e r a l l v a r i a b i l i t y o f s e l e c t e d s o i l p r o p e r t i e s showed t h a t K, Ca a n d P were t h e most v a r i a b l e p a r a m e t e r s i n t h e f i e l d w i t h t h e h i g h e s t CV v a l u e s ( a b o v e 4 0 % ) . H o w e v e r , t h e s e l a r g e w i t h i n - f i e l d v a r i a b i l i t i e s c a n n o t be t a k e n i n t o a c c o u n t i n m a k i n g f e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n s by d i f f e r e n t s a m p l i n g m e t h o d s . The c o n v e n t i o n a l s a m p l i n g a n d s e l e c t i v e s a m p l i n g method g e n e r a l l y p r o v i d e d c o m p a r a b l e r e s u l t s t o t h e d e t a i l e d 1 42 143 s t r a t i f i e d r a n d o m s a m p l i n g t e c h n i q u e w i t h r e s p e c t t o t h e p r e d i c t i o n a c c u r a c y o f t h e m e a n v a l u e s o f m a j o r f e r t i l i t y q u a l i t i e s . T h i s i m p l i e s t h a t t h e r e w i l l b e n o s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s i n t h e o n e - r a t e f e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n s b a s e d o n t h e m e a n v a l u e s e s t i m a t e d b y a n y o n e o f t h r e e s a m p l i n g m e t h o d s . 2. VARIABLE F E R T I L I Z E R REQUIREMENTS FOR DIFFERENT SOIL TYPES B y g r o u p i n g s a m p l e s a c c o r d i n g t o t h e i r v i s u a l a p p e a r a n c e f r o m s e l e c t i v e s a m p l i n g , t h r e e g e n e r a l c a t e g o r i e s w h i c h r e p r e s e n t t h r e e d i f f e r e n t s o i l t y p e s w e r e i d e n t i f i e d : v e r y d a r k s o i l ( T y p e I ) , g r a v e l l y a n d v e r y l i g h t s o i l s ( T y p e I I ) a n d d o m i n a n t s o i l s ( T y p e I I I ) . T h e s e t h r e e s o i l t y p e s w e r e f o u n d t o b e s t a t i s t i c a l l y d i f f e r e n t o n t h e b a s i s o f m e a n v a l u e s a n d r a n g e s f o r m o s t s o i l p r o p e r t i e s a n d t h e s e s o i l t y p e s s h o u l d b e t r e a t e d d i f f e r e n t l y i n m a k i n g f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n r e c o m m e n d a t i o n s . F o r P a p p l i c a t i o n o n l y t h e m i n i m u m s t a r t i n g f e r t i l i z e r r a t e w a s r e q u i r e d f o r a l l t h r e e s o i l t y p e s , a n d t h i s d e s p i t e l a r g e d i f f e r e n c e s i n m e a n P v a l u e s a m o n g s o i l t y p e s . T h i s l i k e l y r e p r e s e n t s h e a v y a p p l i c a t i o n s o f f e r t i l i z e r i n t h e p a s t . H o w e v e r , f o r K a p p l i c a t i o n t w o d i f f e r e n t r a t e s w e r e i d e n t i f i e d a n d r e c o m m e n d e d f o r t h e t h r e e s o i l t y p e s . T y p e I I ( g r a v e l l y , l i g h t c o l o r e d ) r e q u i r e s a h i g h e r a p p l i c a t i o n r a t e t h a n e i t h e r s o i l t y p e I o r I I I . T h i s s u g g e s t s t h a t t h e a p p l i c a t i o n o f v a r i a b l e r a t e s o f K f e r t i l i z e r i s d e s i r a b l e w i t h i n t h e f i e l d . 144 3 . QUANTITATIVE AERIAL MEASUREMENTS OF SOIL TYPES The a r e a l e x t e n t o f t h e t h r e e s o i l t y p e s i n t h e f i e l d was d e t e r m i n e d q u a n t i t a t i v e l y u s i n g a m u l t i - v a r i a t e a n a l y s i s o f a i r p h o t o d y e - l a y e r p i x e l v a l u e s . As t h e r e s u l t 13.0%, 14 . 1 % a n d 7 2 . 9 % o f a t o t a l f i e l d a r e a o f 2.98 ha were f o u n d t o be r e p r e s e n t e d by s o i l t y p e s I , I I a n d I I I , r e s p e c t i v e l y . T h e s e r e s u l t s were c o m p a r a b l e w i t h t h e r e s u l t s f r o m t h e s u b j e c t i v e d e l i n e a t i o n o f a i r p h o t o t o n a l p a t t e r n o f t h r e e s o i l t y p e s by a d i g i t a l p l a n i m e t e r . I n t h e l a t t e r c a s e , t h e a r e a s o c c u p i e d by s o i l t y p e s I , I I a n d I I I were 1 0 . 5 % , 11.5% and 7 8 % , r e s p e c t i v e l y , o f t h e t o t a l 2.90 ha i n a r e a . 4 . PREDICTING SOIL CONDITIONS FROM SPECTRAL REFLECTANCES S p e c t r a l r e f l e c t i o n m e a s u r e m e n t s on s o i l s a m p l e s r e v e a l e d t h a t good r e l a t i o n s h i p s e x i s t e d b e t w e e n r e f l e c t i o n v a l u e s i n t h e f o u r s p e c t r a l b a n d s a n d s u c h s o i l c h e m i c a l p r o p e r t i e s a s o r g a n i c C, N, CEC, a n d e x c h a n g e a b l e Ca a n d Mg, as w e l l a s M u n s e l l c o l o r v a l u e . The b e s t c o r r e l a t i o n was f o u n d i n t h e c a s e o f s p e c t r a l band 4 v s n a t u r a l l o g t r a n s f o r m a t i o n o f % o r g a n i c C w h i c h p r e s e n t e d t h e h i g h e s t r v a l u e ( 0 . 8 2 ) . T h i s r e l a t i o n s h i p c a n be u s e d t o p r e d i c t % o r g a n i c C f r o m r e f l e c t i o n , a s e x p r e s s e d by a s i m p l e l i n e a r r e g r e s s i o n m o d e l : L n OC=2.81-0.122*B4 (R 2=0.67 a n d SE=0.18) U s i n g t h e s t e p w i s e m u l t i p l e r e g r e s s i o n a n d d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s , i t was f o u n d t h e % o r g a n i c C a n d M u n s e l l c o l o r v a l u e w e r e t h e most i m p o r t a n t s o i l p a r a m e t e r s w h i c h 145 i n f l u e n c e d s p e c t r a l r e f l e c t i o n v a r i a t i o n s . The m u l t i - s p e c t r a l c l u s t e r a n a l y s i s s u c c e s s f u l l y c l a s s i f i e d s o i l s a c c o r d i n g t o t h e i r s p e c t r a l d i f f e r e n c e s a n d t h e r e s u l t i n g f i v e s p e c t r a l c l a s s e s were s e p a r a t e d on t h e b a s i s o f i m p o r t a n t s o i l p a r a m e t e r s . The c l a s s i f i c a t i o n r e s u l t s w ere r e l a t e d t o s o i l c o n d i t i o n s a n d a g o o d a g r e e m e n t was a c h i e v e d b e t w e e n s p e c t r a l c l a s s e s a n d t h e t h r e e s o i l t y p e s i n t h e f i e l d . 5 . PREDICTING SOIL CONDITIONS FROM DYE LAYER P I X E L VALUE DATA Good r e l a t i o n s h i p s were f o u n d b e t w e e n d y e - l a y e r p i x e l v a l u e s f r o m c o l o r a e r i a l p h o t o g r a p h s a n d c o r r e s p o n d i n g s o i l p r o p e r t i e s . The h i g h e s t c o r r e l a t i o n s were f o u n d i n t h e c a s e s o f r e d f i l t e r p i x e l v a l u e v s . % o r g a n i c C ( r = 0 . 7 5 ) a n d g r e e n f i l t e r p i x e l v a l u e v s w a t e r c o n t e n t ( r = 0 . 7 3 ) . A s t e p w i s e r e g r e s s i o n a n d d i s c r i m i n a n t a n a l y s i s showed t h a t o r g a n i c m a t t e r , w a t e r c o n t e n t , a n d M u n s e l l c o l o r v a l u e were t h e t h e most d o m i n a n t s o i l p a r a m e t e r s t o i n f l u e n c e p i x e l v a l u e v a r i a t i o n s . H o w e v e r , c o r r e l a t i o n / r e g r e s s i o n a n a l y s i s was n o t f o u n d t o be s a t i s f a c t o r y f o r p r e d i c t i n g i n d i v i d u a l s o i l p a r a m e t e r s f r o m p i x e l v a l u e d a t a . C l u s t e r a n a l y s i s was t h u s u s e d t o q u a n t i f y s o i l c o n d i t i o n s "and t h e r e s u l t i n g f o u r p i x e l v a l u e c l a s s e s c o u l d be s e p a r a t e d on t h e b a s i s o f i m p o r t a n t s o i l p a r a m e t e r s , w h i c h p r o v e d t o be r e p r e s e n t a t i v e o f t h e t h r e e s o i l t y p e s i n t h e f i e l d . 146 6. COMPARISON BETWEEN SPECTRAL REFLECTION, P I X E L VALUE DATA AND SOIL CONDITIONS E v i d e n c e was p r o d u c e d t o show t h a t t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n s p e c t r a l r e f l e c t i o n a n d c h e m i c a l s o i l c o n d i t i o n s were b e t t e r t h a n t h o s e b e t w e e n d y e - l a y e r p i x e l v a l u e s a n d s o i l c h e m i s t r y . The o p p o s i t e t r e n d was f o u n d i n t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s p e c t r a l r e f l e c t i o n , p i x e l v a l u e a n d s o i l w a t e r c o n t e n t . The d i f f e r e n c e i s due t h e f a c t t h a t s o i l m o i s t u r e was h e l d c o n s t a n t d u r i n g t h e s p e c t r a l r e f l e c t i o n m e a s u r e m e n t s . The a i r p h o t o m e a s u r e m e n t s r e p r e s e n t e d t h e u n d i s t u r b e d s i t e c o n d i t i o n a nd were s u b j e c t t o be i n f l u e n c e d by f a c t o r s o t h e r t h a n s o i l c h e m i s t r y . The r e s u l t s s u g g e s t t h a t o r g a n i c m a t t e r a n d o t h e r s o i l c h e m i c a l p a r a m e t e r s c a n b e s t be q u a n t i f i e d u s i n g s p e c t r a l r e f l e c t i o n d a t a a n d m o i s t u r e c o n t e n t c a n b e s t be p r e d i c t e d by d y e - l a y e r p i x e l v a l u e s , b u t f u r t h e r t e s t i n g i s n e e d e d . S o i l s g r o u p e d a c c o r d i n g t o t h e i r s p e c t r a l r e f l e c t i o n a n d p i x e l v a l u e s * showed a p a r t i a l a g r e e m e n t b e t w e e n c o r r e s p o n d i n g c l a s s e s , b u t t h i s c o r r e s p o n d e n c e n e e d s t o be i m p r o v e d a n d t h i s c a n be a c c o m p l i s h e d by e x a m i n i n g t h e s p e c t r a l r e s p o n s e t o m o i s t u r e v a r i a t i o n s a n d u s i n g t h e a d d i t i o n a l IR d y e - l a y e r d a t a i n t h e p i x e l v a l u e c l a s s i f i c a t i o n . 7 . F E R T I L I Z E R REQUIREMENT PREDICTION LINKING REMOTE SENSING MEASUREMENTS TO THE CONVENTIONAL ASSESSMENT. An a p p r o a c h i n t e g r a t i n g r e m o t e s e n s i n g m e a s u r e m e n t s i n t o c o n v e n t i o n a l a s s e s s m e n t and p r e d i c t i o n o f f i e l d 147 f e r t i l i t y was e x p l o r e d . The c o n v e n t i o n a l f i e l d s a m p l i n g was u s e d t o d e t e r m i n e d i f f e r e n t s o i l f e r t i l i t y r e q u i r e m e n t s a n d t h e m u l t i - s p e c t r a l m e a s u r e m e n t s were c a r r i e d o u t t o q u a n t i f y t h e s o i l p a t t e r n s . The t e c h n i q u e a l l o w s t h e p r e d i c t i o n o f t h e g e n e r a l s o i l f e r t i l i t y s t a t u s a n d measurement o f t h e e x t e n t o f d i f f e r e n t s o i l t y p e s a n d , t h e r e f o r e , c a n be u s e d t o f a c i l i t a t e t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e amounts o f f e r t i l i z e r r e q u i r e d . The r e s u l t s were c o m p a r e d w i t h t h e c o n v e n t i o n a l s a m p l i n g m e thod a s w e l l a s w i t h t h e p l a n i m e t r y m e thod i n m a k i n g K f e r t i l i z e r r e c o m m e n d a t i o n . A t o t a l 131 kg K f e r t i l i z e r i s r e q u i r e d i f o n l y one b l a n k e t r a t e i s a p p l i e d t o t h e e n t i r e f i e l d . U s i n g p l a n i m e t r y a n d m u l t i - s p e c t r a l c l a s s i f i c a t i o n t o d e t e r m i n e t h e a r e a s r e p r e s e n t e d by t h e d i f f e r e n t s o i l t y p e s , a t w o - r a t e a p p l i c a t i o n i s s u g g e s t e d , w h i c h l e a d s t o 138 and 143 kg o f t o t a l K f e r t i l i z e r s . I t i s a n t i c i p a t e d t h a t w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f h i g h e r r e s o l u t i o n , m u l t i - s p e c t r a l d e v i c e s , t h e p r e d i c t i o n a c c u r a c y f o r f e r t i l i t y s t a t u s a n d f e r t i l i z e r r e q u i r e m e n t s c a n be c o n s i d e r a b l y i m p r o v e d . F u r t h e r i n v e s t i g a t i o n s i n v o l v i n g t h e s e t e c h n i q u e s a r e l i k e l y t o be a p r o m i s i n g d i r e c t i o n o f r e s e a r c h . LITERATURE CITED A l - A b b a s , A. H., P. H. S w a i n , a n d M. F. B a u m g a r d n e r . 1972. R e l a t i n g o r g a n i c m a t t e r a n d c l a y c o n t e n t t o t h e m u l t i s p e c t r a l r a d i a n c e o f s o i l s . S o i l S c i . 1 1 4 : 4 7 7 - 4 8 5 . A l l i s o n , L. E. 1965. O r g a n i c m a t t e r d e t e r m i n a t i o n : W a l k l e y - B l a c k m e t h o d . I n : C. A. B l a c k ( e d ) . M e t h o d s o f S o i l A n a l y s i s . P a r t 2: c h e m i c a l a n d m i c r o b i o l o g i c a l p r o p e r t i e s . ASA monograph #9. M a d i s o n , W i s e , p p : 1 3 7 2 - 1 3 7 6 . B a l l , D. F. a n d W i l l i a m s , W. M. 1968. V a r i a b i l i t y o f s o i l c h e m i c a l p r o p e r t i e s i n two u n c u l t i v a t e d Brown E a r t h s . J . 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L a b o r a t o r y f o r A p p l i c a t i o n s o f Remote S e n s i n g . P u r d u e U n i v . West L a f a y e t t e , I n d i a n a . 18 pp. B a u m g a r d n e r , M. F., S. J . K r i s t o f . C. J . J o h a n n s e n , a n d A. L. Z a c h a r y , 1970. E f f e c t s o f o r g a n i c m a t t e r on t h e m u l t i s p e c t r a l p r o p e r t i e s o f s o i l s . P r o c . I n d . A c a d . S c i . 7 9 : 4 1 3 - 4 2 2 . B a u m g a r d n e r , M. F. 1982. Remote s e n s i n g f o r r e s o u r c e management: Today a n d t o m o r r o w . I n : Remote S e n s i n g f o r R e s o u r c e Management. J o h a n n s e n , C. J . , a n d J . L. S a n d e r s e d . S o i l C o n s e r v , S o c . Am. pp. 16 -29 BCMAF 1978. S o i l S a m p l i n g . S o i l B r a n c h , M i n i s t r y o f A g r i c u l t u r e , B r i t i s h C o l u m b i a . 4pp. B e c k , R. H., B. F. R o b i n s o n , W. W. M c F e e , a n d J . B. P e t e r s o n . 1976. S p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f s o i l s r e l a t e d t o t h e i n t e r a c t i o n o f s o i l m o i s t u r e , o r g a n i c c a r b o n , a n d c l a y c o n t e n t . LARS I n f o r m a t i o n N o t e 0 8 1 1 7 6 . L a b o r a t o r y f o r A p p l i c a t i o n s o f Remote S e n s i n g . P u r d u e U n i v . West L a f a y e t t e , I n d i a n a . 1 48 149 B e c k e t t , P. H. T. a n d R. W e b s t e r . 1971. S o i l v a r i a b i l i t y : A r e v i e w . S o i l a n d F e r t . 3 4 ( 1 ) : 1 - 1 5 . B o w e r s , S. A. a n d R. J . H a n k s . 1965. R e f l e c t i o n o f r a d i a n t e n e r g y f r o s o i l s . S o i l S c i . 1 0 0:130-138. B u s h n e l l , T. M. 1951. Use o f a e r i a l p h o t o g r a p h y f o r I n d i a n a l a n d s t u d i e s . P h o t o g r a m . E n g . 17:725-738. C a r r o l l , D. M. 1973. Remote s e n s i n g t e c h n i q u e s a n d t h e i r a p p l i c a t i o n t o s o i l s c i e n c e , p a r t 1. 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E n g . a n d Remote S e n s . , 43:73-80 A p p e n d i x 1 Sample D e s c r i p t i o n s o f S e l e c t i v e S a m p l i n g M e t h o d Sample ID P l o t D e s c r i p t i o n C l a s s ! s- 1 A1 f i r s t d a r k s p o t 1 s-2 A2 d a r k 1 S-3 A2 l i g h t brown 3 s-4 A3 d a r k 1 s-5 B3 v e r y d a r k 1 * s - 6 A4 l i g h t brown 3 S-7 A5 l i g h t 3 s-8 A5 v e r y l i g h t g r e y / g r a v e l 2 * s - 9 A4 l i g h t brown 3 s-10 B5 l i g h t 3 s-1 1 B4 d a r k , d e p r e s s i o n 1 s-12 B4 v e r y d a r k 1 s- 1 3 B3 v e r y d a r k 1 s- 1 4 B2 l i g h t 3 * S - 1 5 B2 • l i g h t 3 s-16 B1 f i r s t d a r k s p o t 1 s-17 B1 v e r y d a r k , wet 1 * S-18 C1 l i g h t brown 3 s-1 9 C2 brown 3 * s - 2 0 C2 l i g h t brown 3 s-21 C3 d r y , l i g h t / g r a v e l 2 s-2 2 C3 d a r k brown 3 s-23 C4 d a r k brown 3 *s-24 C4 d r y , brown 3 * s - 2 5 C5 d a r k brown 3 s-26 C5 l i g h t brown 3 S-27 D5 l i g h t brown g r a v e l 2 s-28 D4 d a r k brown 3 s-29 D4 brown 3 * s - 3 0 D3 brown 3 s-3 1 D3 brown 3 s-32 D2 l i g h t 3 * s - 3 3 D2 brown 3 s-34 D1 v e r y d a r k , s e c o n d s p o t 1 * s - 3 5 D1 brown 3 s-36 F3 b r o w n / g r a v e l 2 s-37 F3 d r y , l i g h t / g r a v e l 2 s-38 F2 d r y , l i g h t / g r a v e l 2 s-39 F2 l i g h t brown 3 * s - 4 0 F1 brown 3 s-41 F1 brown 3 s-42 G1 d r y brown 3 s-43 G1 d r y , l i g h t g r e y / g r a v e l 2 s-44 G2 d r y , l i g h t g r e y 2 * s - 4 5 H1 brown 3 s-46 H2 l i g h t brown 3 s-47 G2 l i g h t g r e y / g r a v e l 2 # C l a s s e s were a s s i g n e d a c c o r d i n g t o v i s u a l a p p e a r a n c e o f s o i l s . C l a s s 1 -- d a r k wet s o i l s ; c l a s s 2 — d r y , g r a v e l l y s o i l s ; c l a s s 3 — g e n e r a l l y brown s o i l s . * S a m p l e s were a l s o u s e d t o compose o f a b u l k s a m p l e i n t h e c o n v e n t i o n a l s p m p l i n g . 156 Appendix 2. S e l e c t i v e S a m p l i n g Data SAMP Mo.Ct Cs.Fg PH Tot.C Org.C EXCHANGEABLE CATION (meg/IOOg) Ava . P Tot N COLOR SPECTRAL BAND PIXEL VALUE NAME % % 1 : 1 °/ (, °/ ic Na K Ca Mg CEC ppm % V C 4 5 6 7 r e d gr«»en S-01 41 . 6 17 . 9 6 5 3 5 3 3 0. 00 0. 65 10 24 0. 55 23 . 7 97. 0 0. 177 5 3 14 . 3 19 .0 24 2 25 .7 182 179 S-02 49 . 1 23 . 8 6 9 4 8 4 6 O. 10 0. 95 19. 01 1 . 66 33 . 1 200. O 0 336 4 3 13 . 2 17 . 1 23 O 25 . 3 166 154 S-03 27 . 9 2G. 9 G 6 2 .3 1 . 9 0. 06 1. 29 9 84 0. 78 19 . 8 84 . 8 0 122 6 4 15 7 20 . 3 26 1 29 .3 2 18 207 S-04 46 . 2 21 . 4 7 2 4 .7 4 . 4 O. 04 0. 54 14 . 96 1 . 17 . 28 . 6 193 . 9 0. 186 4 3 12 9 16 . 5 20 .0 22 .0 163 150 S-05 53. 4 14 . 0 7 . 2 4 .7 4 . 1 0. 05 0. 87 21 . 29 2 . 28 33. 2 315. 1 0. 269 4 3 1 1 8 15 .9 20 . 1 22 .7 154 142 S-OG 29. 6 23. 7 6 . 4 2 . 1 2 . 0 0. 09 0. 98 8 . 62 0. 94 22 . 4 151 . 5 0. 136 6 4 19 . 1 21 .6 29 . 1 30 . 7 2 19 2 1 1 S-07 31 . 2 33. 2 6 8 2 6 2 . 5 0. 06 o. 96 1 1 . 14 O. 69 24 . 6 133 . 3 o. 157 6 4 15 3 20 .0 26 . 1 29 .0 219 205 S-08 17 . 5 61 . 8 7 . 3 4 .0 3 . 2 0. 01 0. 38 1 1 . 55 0. 40 19 . O 109. 1 0. 137 6 4 13 .6 18 . 1 23 .0 24 .0 192 189 S-09 25. 2 30. 0 6 6 3 . 1 2 .7 0. 04 0. 98 7 . 90 0. 63 22 . 6 109. 1 0. . 139 6 4 15 3 20 .6 26 .7 28 . 7 224 213 S- 10 20. 0 19 . 9 6 . 9 2 . 4 1 . .6 0. 04 o. 40 6 . 18 O. 22 17 . 9 74 . O 0. 094 6 4 19 . 1 1G . 1 29 . 1 30 . 3 202 187 S-1 1 30. 7 25 . 6 6 . 4 4 .4 4 .0 0. 00 0. 4 1 8 . 94 0 50 40. 3 169 7 0. 213 4 3 13 . 2 18 . 1 24 . 2 26 .7 181 165 S- 12 38. 1 19. 9 6 .8 3 .9 3 6 O. OO 0. 54 13. 03 0 . 76 27 . 1 133 3 0. 179 4 3 12 .5 16 .8 2 1 .8 24 .0 169 155 S-13 42 . 3 24 3 6 .6 4 .5 3 .6 0. 02 0. 67 10. 86 0 .73 26 5 121 . 2 0. 164 4 2 10 . 1 13 .8 17 .0 18 . 2 157 146 S- 14 25. 5 18 . 0 7 . 1 1 . 7 1 .4 O. .01 0. 23 7 . 90 0 36 16 6 82 .0 0 .090 6 4 16 . 7 23 .0 29 .0 29 . 7 202 186 S-15 32 . 2 20. 4 6 .8 2 . 7 2 . 5 O OO 0. 44 9. .90 0 . 56 20. .5 139 4 0. . 124 6 4 15 .8 22 . 3 29 . 7 31 .0 2 12 198 S- 16 46 . 5 19 6 6 .9 3 .8 3 6 0. .01 0. 53 17 20 0 69 21 . 1 90 9 0 . 191 6 4 14 . 3 19 . 7 26 . 7 29 .0 170 156 S-17 47 . 7 24 9 7 .0 4 .5 4 .0 0 07 0. 81 15 38 1 02 26 . 8 133 2 0 187 6 4 14 . 6 21 .0 27 .9 30 . 7 175 1G0 S-18 28 . 8 36 4 7 . 3 1 .9 1 8 0. .00 0. 35 10. 33 0 40 18 3 97 .0 0. 1 15 6 4 16 .5 23 .0 29 . 1 31 .0 202 190 S-19 32 . 6 24 2 7 . 1 2 . 1 2 .0 0. OO 0. 46 10 22 0. 42 19. 5 67 .0 0. 123 6 4 16 .9 21 .6 28 .9 3 1 . 2 200 183 S-20 29. 8 16 . 4 7 .0 2 .5 2 . 3 0 .00 0. 40 10 .94 0. .53 19 . 1 39 .4 0. . 148 6 4 16 .4 22 . 3 29 . 5 30 .6 198 182 S-21 23 2 25 2 7 . 1 2 .9 2 . 4 O OO 0. 42 1 1 . 40 0. 60 19. 3 127 2 0 151 6 4 15 .5 19 . 7 27 . 1 28 .0 197 182 S-22 27 . 1 24 .4 6 .8 2 . 3 1 .8 0 .02 0. 33 7 .50 0. 34 16 9 107. . 7 0 161 6 4 17 . 1 22 . 3 29 .5 30 .6 199 183 S-23 28. 1 24 . 4 7 .0 2 .4 1 .9 0 . OO 0. 31 8 .60 0. 32 1 1 8 97 .0 0 120 6 4 15 .6 21 .0 28 . 3 29 .9 201 186 S-24 25 . 8 20 8 7 . 1 2 .3 1 .9 0 OO o. 55 8 . 16 0 37 15 . 5 52 .0 0 12 1 6 4 17 . 2 22 . 3 29 5 30 6 204 189 S-25 29 3 21 .9 6 . 8 2 .5 2 . 3 0 OO 0 38 6 .97 0 27 15 6 97 .0 0. 129 6 4 17 2 23 .9 29 . 3 30 . 1 204 189 S-26 24 . 7 18 .6 7 .0 2 . 3 1 . 7 0 .00 0 30 6 .02 0. 22 13 . 3 92 .0 0. 096 6 6 19 6 23 . 2 29 .9 29 . 4 204 190 S-27 31 . 4 25 .4 6 .4 2 .4 2 . 2 0 OO 0. 15 4 . 97 0 . 26 18 . 4 73 0 0. 120 6 4 21 . 3 24 . 5 31 6 31 .4 204 191 S-28 26 .2 38 .0 7 . 1 2 . 4 2 .0 0 .00 0. 38 8 . 12 0, , 30 16 6 60 .0 0. 126 6 4 ie. . 7 21 .9 28 . 1 29 .4 199 195 S-29 18 .7 52 .0 7 .0 2 .8 2 .4 0 .00 0. 39 9 .40 o. .50 18 . 9 1 15 1 0. 160 5 4 15 6 20. .6 27 . 5 28 8 207 196 S-30 26 , .5 27 . 7 7 .4 2 . 2 1 .9 0 .00 0. 34 1 1 . 14 0. . 34 19. 4 109. 1 0. 131 6 4 17 . 4 22. 6 29 9 30 . 7 203 188 S-31 24 . 4 35 . 7 7 .4 2 .5 2 . 3 0 .01 0. 33 9 . 52 0 32 18 2 73 .0 0. 113 6 3 16 . 7 21 6 28 . 5 29 . 4 200 186 S-32 25 6 26 . 5 7 . 1 3 . 1 2 . 7 0 .00 0. 4 1 1 1 .93 0. .48 22 . 3 97 . 0 0. 132 6 3 15 6 21 , 0 28 . 5 29 .4 199 185 S-33 35 6 27 . 1 6 . 5 2 .8 2 . 7 0 oo o 64 8 .64 0. .48 19. 5 73 . 0 0. 145 6 3 15 6 20 3 27 . 9 29 . 4 196 179 S-34 51 6 20 .8 6 . 4 5 .0 4 . 4 0 .00 0. 98 12 . 17 1 33 28 4 1 15. 1 0. 197 4 3 12 . 6 16 . 5 21 8 23 .0 178 150 S-35 37 2 26 .0 7 . 2 2 .8 2 . 7 0 .00 2 69 14 12 0 .44 22 4 109 1 0. 153 6 4 16 C 20 3 28 5 29 . 4 190 175 S-36 26 . 4 42 . 1 7 .0 2 .0 1 .8 0 oo 0. 26 6 80 0 22 14 5 53 . 0 0. 123 6 4 19. 5 22 . 2 30. 3 31 . 7 203 189 S-37 15 9 50 . 3 7 . 5 2 . 3 1 . 2 0 oo 0 14 7 , . 24 0 16 9 8 93. 0 0. 075 7 5 20. 4 23 . 5 29 3 30. 1 212 203 S-38 14 . 6 36 . 7 7 .4 3 . 3 1 .9 0 .00 0. 18 9 69 0. . 26 12 . 1 103 0 0. 1 16 6 4 14 9 17 . 8 25 . 1 24 . 3 203 193 S-39 19 . 1 43 . 4 7 . 1 4 .6 3 . 3 0 .00 0. 29 13 58 0 54 17 . 9 2 12. 1 0. 204 5 4 12 . 3 15 . 9 22 . 1 23 . 0 197 185 S-40 28 .0 20 . 2 6 . 7 3 . 2 3 .0 0 .00 0. 45 10 96 0. 44 20. 6 84 . 8 0. 163 6 6 15 . 3 19. 0 27 . 5 29. 0 193 177 S-4 1 35 . 4 17 .9 6 .6 2 .5 2 . 3 0 .05 0. 74 7 70 0 28 18 . 5 75 . 0 0. 143 6 4 1G . 9 22 . 2 29 . 3 30. 4 196 182 S-42 23 .6 50 . 4 7 .8 4 .4 3 . 3 0 .00 0. 56 24 94 0. 47 20. 8 98 1 0. 199 4 3 14 . 2 17 . 1 23. 9 24 . 0 162 162 S-43 15 . 3 44 . 4 7 2 1 . 7 1 . 5 0 00 0. 26 6 .03 0 14 1 1 . 8 76 . 9 0 08 1 6 4 15 . 8 21 . 9 27 . 6 29 9 219 209 S-44 13 .0 48 . 4 7 . 5 2 O 1 . 4 0 oo o 38 8 . 49 0. 14 14 . 1 117. 3 o. 086 6 4 18 . 7 2 1 . 2 27 . 6 27 . 0 22 1 2 12 S-45 35 . 4 29 .6 6 O 2 . 7 2 . 5 0 oo 0. 25 4 84 0. 14 12 . 9 90. 4 0. 151 5 6 14 . 6 20. 0 27 . 6 29 . 9 195 177 S-46 19 O 35 . 6 6 . 5 0 8 O . 6 0 03 0. 33 2 . 50 0. 20 13 . 1 48 . 1 0. 04 1 7 4 23 . 8 27 . 5 32 4 35 . 8 208 191 S-47 13 . 2 4 7 . 4 7 2 1 . 9 1 . 5 o 00 o. 19 5 44 0 16 1 1 . 6 113. 5 o. 085 6 G 17 , 9 2 1 . 2 27 . 1 28 . 0 2 1 1 200 Ln - J Appendix 3 S t r a t i f i e d Random Samp I i n g da t a SAMP Mo.Ct. Cs.Fg PH Tot.C Org C EXCHANGEABLE CATION (meg/IOOg) Ava.P Tot.N COLOR - SPECTRAL BAND -- -PIXEL VALUE NAME % % 1 : 1 % '/ Na K Ca Mg CEC ppm % V C 4 5 6 7 r e d g r e e n A- 1 1 31 9 27. 2 6. 8 3. 2 2 8 0. 04 0. 68 1 1 . 60 0 71 23 9 257 6 0. 170 6 4 14 8 19 .4 26 .5 28 .0 185 ISO A- 12 37 . 8 25. 7 6. 5 3 2 3 1 0 01 O. 74 9. 33 0 87 25 9 199 1 0 182 5 3 15 .0 19 . 4 24 . 3 25 . 3 182 169 A-21 33 6 28 . O 6. 7 3 ,5 3 0 0 05 0. 87 10 70 0. 87 24 2 184 6 0. 164 5 3 14 2 17 6 22 .6 24 .0 194 180 A-22 33 9 30. 9 6 7 3. 3 3 3 0. oo 0. 39 1 1 05 0. 57 25 1 128 8 0 169 6 3 14 .9 19 4 24 .3 26 . 7 184 169 A-31 23, 2 22 . 4 7 . 1 2 1 1 6 0. 03 0. 58 8 . 55 0 45 18 4 111 5 0. 112 6 4 18 .8 21 2 27 .8 28 .7 211 196 A-32 29. 0 26. 2 6 7 2 . 7 2 6 O. 04 O 7 1 9. 80 0 62 20 3 78 B 0 145 5 3 16 .0 20 6 26 . 7 28 . 3 207 196 A-41 25 0 24 . 4 7 1 2 7 2 O 0. 03 0. 53 10 2 1 O 38 18 9 113 5 0 125 6 4 19 6 22 4 28 .4 31 .0 216 200 A-42 19 4 33. 2 6 7 2 5 2 3 O 03 0. 64 9 34 0 59 20. 8 134 6 0. 146 6 3 15 .8 20 0 26 . 1 27 .8 213 199 A-51 29. 5 31 . 7 6 9 2 9 2 7 0. 04 O. 36 10. 56 0 41 19 2 84 6 0. 135 6 4 15 8 20 0 26 . 1 27 .8 204 187 A-52 21 O 45. 9 6 5 3 6 2 7 0. 06 0. 89 8 20 1 . 05 15 5 190 4 0. 161 5 3 14 4 17 9 25 .5 25 8 187 182 B-1 1 41 9 20. 3 6 a 3 .5 3 .5 0. 02 0. 53 12 17 o 62 2 1 . 8 109 6 0. 176 5 3 14 . 1 19 . 1 24 .9 26 .5 178 162 B-12 35 9 33 . 5 6 3 2 6 2 4 0. 07 0. 80 8 05 o 54 19. 1 184 6 0. 147 6 3 15 .5 20 . 1 25 .5 26 .8 205 190 B-21 21 6 46 4 6 7 2 2 1 9 0. 03 0. 50 6. 33 0. 38 14 8 138 .5 0. 107 6 4 18 .0 22 . 1 27 .8 29 .7 209 194 B-22 30 O 27 . 5 7 . 1 2 . 1 2 . 1 0. 01 0. 17 9. 74 o 47 18 . 3 121 2 0. 133 5 6 18 .4 22 . 1 28 .4 29 . 5 204 188 B-31 33 8 16 7 6 5 3 .5 3 5 O OI o. 51 10. 18 o 55 22. 4 94 O O. 168 5 4 15 .0 19 . 1 25 .5 27 . 3 192 177 B-32 28 . 2 21 6 7 . 1 2 .9 2 .6 0. 01 0. 45 12 01 0 48 20. 0 90 1 0. 143 6 3 15 .8 20 . 3 27 . 2 27 6 188 178 B-41 29 .5 17 . 1 6 .9 3 6 3 . 3 o 01 0. 53 12 01 0 58 20 7 97 0 0 168 5 4 14 1 17 9 23 . 2 25 . 7 173 158 B-42 33 .0 15 6 6 9 3 . 1 2 .8 0 02 0. 62 10. 91 0. . 56 19 . 3 1 15 1 0. 144 5 3 15 .4 20 . 3 26 . 1 28 .9 192 176 B-51 2G 8 22 .7 8 0 2 . 1 1 .4 0 .02 0. 46 20. 43 0 34 15 0 51 O 0. 101 6 4 18 .4 22 1 27 .8 27 .9 194 179 B-52 24 .5 30 .0 8 .0 2 . 4 1 .6 0 .04 1. 50 28 94 0 . 46 15 3 42 O 0. 095 5 3 17 6 20 . 3 25 . 1 26 . 2 201 190 C- 1 1 28 . 1 36 .4 7 2 2 1 2 O 0 .01 0 43 9. 83 o . 37 20 8 83 .0 0. 122 6 4 17 .6 2 1 . 4 27 . 4 28 .9 204 188 C- 12 28 .8 28 7 7 . 3 2 . 2 2 .0 0 01 o 64 1 1 64 0 54 19 0 103 0 0. 124 6 4 17 6 2 1 4 28 O 29 . 2 207 192 C-2 1 22 6 33 .7 7 .0 2 4 2 . 3 0 01 o 44 9 60 o 49 17 8 90 9 o. 138 6 4 17 6 20 9 27 . 4 28 .6 204 188 C-22 27 8 30 .3 7 . 3 2 . 5 2 .0 0 01 0. 47 12 05 o 42 18 . 3 101 9 o. 135 6 4 17 .6 21 4 28 O 28 .9 204 188 C-31 26 . 1 23 9 7 2 2 . 3 2 2 o OI o. 57 10 41 o 48 17 4 155 8 0. 148 6 3 15 .8 19 . 7 26 . 3 27 . 1 198 182 C-32 23 .0 36 8 7 . 3 2 .4 1 .9 o .01 0. 28 9 80 o 31 15 . 0 111 . 5 0. 1 14 6 4 18 3 20 8 27 .0 27 . 3 198 187 C-41 24 .2 2B 1 7 . 1 2 . 7 2 .2 0 01 0 32 9 91 0 , 44 15. 8 107 . 7 0. 131 5 4 16 .5 19 2 25 9 27 .3 195 184 C-42 23 .9 23 9 6 7 2 .5 2 . 1 0 oi 0. .27 7 32 o. 37 15. 9 92 . 3 o. 1 18 6 3 16 .5 20 8 27 .6 28 .5 202 187 C-51 24 4 25. O 6 .8 2 .5 1 .8 0 o i 0. 26 7 27 o 28 15 1 88 5 0. 1 14 6 4 17 . 3 20 8 27 .9 27 .9 202 186 C-52 20 . 3 18 1 7 .0 2 .9 1 . 7 0 OI 0 4 1 6 .43 o 30 13 5 63 5 0. 105 5 3 17 3 20 8 25 .9 26 . 1 204 187 D- 1 1 30 . 3 27 . 7 6 8 2 .7 2 .7 0 .01 0. 53 10. 22 0. 50 20 6 150 0 0. 153 5 6 15 . 2 19 2 25 .9 27 .9 197 180 D-12 37 6 19 . 2 6 6 3 .5 3 . 3 0 02 0. 4 1 12 19 0 54 13 2 117 3 0. 169 5 3 13 .8 17 .8 23 . 3 26 .0 186 170 D-21 24 . 7 33 .9 7 .0 2 .5 2 .3 0 01 0. 52 10 1 1 0 47 18 4 117 . 3 0. 136 6 4 14 .8 18 9 26 . 1 27 . 3 200 185 D-22 30 .6 32 1 7 . 2 2 . 7 2 . 4 o .04 0 67 1 1 88 0 . 54 20 5 126 9 0. 148 6 4 16 . 2 19 4 26 .7 27 .9 196 179 D-31 26 . 3 31 6 6 8 1 9 1 . 7 o .01 0. 34 6 03 0 30 14 3 92 . 3 0. 103 6 4 16 . 9 20 6 27 2 28 .5 203 187 0-32 25 . 9 26 7 7 1 2 . 1 2 O o OI o 45 9 OB 0. 32 15. 4 107 7 o. 126 6 4 16 . 9 20 O 26 . 7 28 . 5 201 185 0-4 1 26 .8 26 7 7 . 1 2 .8 2 . 7 0 01 0. 55 10 10 0 34 18 . 9 98 . 1 0. 159 6 3 14 .8 18 9 25 6 27 .3 201 185 D-42 19 O 33 . 3 6 9 2 . 4 1 9 0 03 0. 33 7 . 40 0. 22 12 . 1 80 8 0. 1 13 6 6 16 5 20 9 26 . 7 27 3 203 190 D-51 22 . 4 30 9 7 . 1 2 6 2 . 4 0 .01 0. 37 9 18 o 30 16 . 2 57 7 0 145 5 4 16 .0 20. 3 27 2 28 5 196 181 E - 1 1 35 .6 18 2 6 9 3 . 7 3 6 0 .09 1 10 34 . 67 1 06 25 9 151 9 0. 207 6 4 14 9 19 . 1 26. 1 28 2 180 174 E- 12 30 .9 20 8 7 . 1 3 . 2 3 . 2 o 06 0 39 14 . 03 0. 46 23 . 5 78 8 0. 170 6 3 15 3 20 3 27. 2 29 . 1 185 169 SAMP Mo.Ct Cs.Fg PH Tot.C Org.C NAME % % 1 : 1 % / Na E-21 25 2 23 8 7 . 1 2 .8 2 .6 0 .02 E-22 20 9 21 . 1 6 . 7 1 .6 1 .5 0 .00 E-31 26. 5 28 4 7 .0 2 .8 2 .9 O .01 E-32 22 8 36 2 6 9 2 .6 2 4 0 .01 E-41 20 6 31 . 7 7 . 1 2 . 4 2 . 3 0 01 E-42 15. 3 42. 7 7 0 2 . 7 2 6 0 01 E-51 21 . 6 27 9 7 .3 2 .5 2 3 0 03 F-1 1 30. 1 22 8 6 9 2 .9 3 .0 0 .01 F- 12 29 9 20 4 6 .6 2 . 2 2 . 2 O 06 F-21 19. 1 45 1 7 O 2 .8 2 3 0 .02 F-22 19 4 43 .5 7 .2 3 .8 3 O 0 .01 F-31 28 7 35 . 2 7 . 1 2 . 3 2 . 2 O .02 F-32 19. 3 35 3 6 .8 1 . 7 1 . 7 0 OI F-41 24 5 36 .9 7 . 3 2 .5 2 .0 0 .05 G-11 29 .4 36 .6 7 . 1 2 .9 2 .8 O .07 G- 12 29 2 39 9 6 .9 2 O 1 9 O 02 G-21 17 5 4 1 . 7 7 . 1 1 .0 1 . 4 0 .02 G-22 20 .7 30 .9 7 .0 2 .9 2 .8 0 .04 H- 1 1 30 . 1 42 9 6 . 7 2 .8 2 .9 0 .02 H-22 15 . 3 36 .9 6 .9 2 . 2 2 . 1 0 .00 IEABLE CATION (meg/100g) Ava.P Tot.N K Ca Mg CEC ppm % 0. 56 12 68 0. 52 18 .6 128 8 0. 134 0. 12 6 . 86 O. 10 13 .6 75 .0 0 087 O. 42 12 26 O. 50 19 2 90 . 4 0. 202 0 76 9 45 0 47 20 6 1 15 4 0. 155 O 28 9 94 0. 37 16 1 98 . 1 0. 155 0. 30 10 69 0. 35 17 9 1 19 2 0. 191 0. 24 1 1 81 0. 32 16 . 1 117. 3 0. 166 0 43 1 1 . 16 0 50 21 6 94 . 2 o . 158 o. 7 1 9 .4 1 0. 69 18 3 88 .5 o 145 0. 13 7 . 08 0. 20 12 8 94 2 0 122 0. 24 13 7 1 O. 52 17 4 210 8 0 242 O 32 9 .05 0. 24 16 1 71 2 0. 137 0. 33 5 50 O. 16 12 9 65 4 0. 109 0 50 13 . 37 O 40 18 8 88 .5 0. 156 0 65 15 .30 0. 62 19 4 123 . 1 0. 168 o 23 5 87 O. 14 1 1 7 59 6 o . 109 O 27 4 62 0. 10 10 8 48 1 o . 064 0 50 13 54 0. 60 20 . 2 126 9 0. 168 0 53 9 . 76 0. 34 19 8 92 3 0. 17 1 0. 41 7 . 36 0. 30 16 8 63 0 0. 105 COLOR SPECTRAL BAND PIXEL VALUE V C 4 5 6 7 r e d g r e e n 6 4 16 . 0 20 .9 27 .8 29 .8 195 179 6 4 19 . 1 22 . 8 30 . 1 29 .8 200 184 5 3 14 . 8 18 8 24 .6 27 . 7 205 190 6 4 15 . 0 19 .4 27 . 4 28 . 3 200 184 6 3 15 . 7 19 4 26 .9 28 .6 205 190 5 4 14 . 4 18 8 26 .9 28 .6 21 1 199 5 4 15 1 18 8 26 9 27 . 1 200 188 6 3 15 . 1 18 8 26 .9 27 .7 201 191 5 4 18 3 22 4 30 . 3 33 .6 198 182 6 3 14 . 3 17 .6 24 .6 26 .3 201 189 5 4 12 . 2 15 . 2 21 7 22 .9 201 198 6 4 16 . 5 20 .6 25 . 7 29 .0 201 185 5 4 16 . 2 20 .0 26 .9 27 . 2 205 193 6 4 14 . 4 18 . 2 25 .7 26 .6 208 19 1 5 4 13 . 9 17 .5 24 .0 24 .8 194 177 5 4 17 . O 21 . 3 28 0 27 .9 190 183 6 3 20. 9 24 . 4 30 . 3 33 . 3 2 15 205 6 4 16 . 5 21 . 3 28 6 29 . 1 210 198 4 4 14 . 8 18 8 25 7 27 . 3 202 186 6 3 15 . 1 19 .4 26 9 28 .8 196 179 Appendix 4 . Red F i l t e r P i x e l Values for the F i e l d . 194 IBS 15S 179 (One number represents 4*4 m i n area) 189 185 179 186 188 173 184 187 187 188 186 187 190 174 183 184 186 178 179 184 188 187 178 l a i 181 180 176 178 183 191 190 192 IBS ITS 179 189 177 179 183 186 190 193 193 184 179 179 177 175 180 180 182 189 189 190 194 18 1 178 179 175 178 182 185 186 205 202 195 197 207 175 177 177 175 180 189 204 210 217 23 1 208 205 2 19 216 171 176 177 177 181 186 199 209 214 221 213 2 14 219 226 210 179 183 183 183 184 181 192 208 213 211 215 222 220 222 199 182 186 188 178 180 186 209 215 212 215 218 217 223 230 221 175 179 183 182 180 189 209 220 218 215 214 222 215 230 230 231 207 176 182 178 187 208 219 216 219 204 201 212 211 212 2 19 231 209 184 179 181 177 196 211 219 214 209 198 200 198 219 229 227 227 204 196 167 184 181 181 196 207 218 2 2 0 211 205 196 2 0 0 221 220 226 220 205 202 191 179 IBS 183 183 209 215 215 218 219 206 189 195 215 209 215 219 210 204 196 191 190 168 183 182 185 208 207 211 215 206 206 IBS 189 207 201 203 220 218 210 304 191 197 164 178 179 185 190 187 203 205 203 199 187 198 218 209 205 224 223 2 12 208 199 204 193 167 178 177 183 182 182 196 201 192 186 191 211 216 221 209 224 221 212 2 13 204 198 199 177 164 ISO 178 180 179 178 183 198 190 193 202 219 21 1 208 209 209 215 214 220 206 191 200 196 173 173 182 183 185 179 175 185 193 202 2 1 1 206 219 206 194 202 206 217 213 217 203 190 197 202 192 181 179 181 184 188 177 180 192 198 212 213 212 220 211 189 193 200 2 13 213 215 207 196 186 191 208 208 193 180 182 184 187 181 192 206 205 209 198 219 221 215 201 196 195 207 217 209 201 192 194 I9<> 206 2 16 197 172 169 181 181 187 183 185 196 204 202 213 215 218 224 215 186 186 192 200 206 199 191 197 194 195 211 300 191 173 183 184 186 177 176 191 199 203 208 214 215 212 194 175 179 187 200 195 189 187 199 19C 193 204 202 199 178 17 1 183 180 183 176 170 178 194 202 304 207 209 206 190 180 173 182 188 188 193 181 194 193 191 201 205 2 12 20S 173 177 178 181 178 171 171 175 193 206 208 211 197 186 181 177 179 179 187 187 181 182 191 196 202 194 312 219 1B6 178 178 173 179 179 172 17 1 187 194 2 12 21 1 198 189 1B6 180 182 183 174 183 18 1 180 178 195 196 193 195 208 206 197 180 179 175 176 176 173 176 177 187 208 211 187 185 183 182 178 IBS 180 183 182 182 176 191 196 199 197 199 205 192 174 174 179 176 175 176 179 177 184 187 186 ISO 183 183 179 177 179 188 187 190 184 180 190 196 200 203 198 205 207 181 174 171 175 169 171 175 179 ISO 181 185 181 179 Id 1 180 182 180 176 186 190 193 184 184 187 190 201 189 IBB 198 2 10 190 174 167 175 169 168 172 178 184 183 183 181 180 180 181 183 181 176 188 189 194 181 191 193 184 179 186 189 197 199 192 16 1 174 165 156 157 165 172 180 184 182 182 183 179 17B 184 184 182 183 191 185 191 185 189 193 191 184 176 184 187 199 198 198 179 168 166 168 157 158 161 182 186 187 180 179 ISO 180 181 185 182 IBS 189 187 186 191 191 189 IBS 184 184 190 192 194 195 199 192 163 167 173 166 162 160 175 181 181 180 177 179 179 182 183 181 187 195 191 192 198 182 183 192 194 195 195 194 188 190 191 194 167 159 166 173 170 167 163 18 1 185 187 182 178 178 178 180 184 183 188 191 192 194 188 184 192 21 1 204 196 195 197 190 184 183 IBS 187 159 164 174 169 170 169 185 188 186 185 183 1B5 184 1B3 183 185 185 185 188 187 185 189 194 201 194 194 197 198 201 184 176 18 1 191 150 154 171 169 163 177 180 182 185 183 182 185 184 185 186 185 tB7 186 185 183 187 179 188 196 193 192 188 190 19? 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199 198 196 300 204 211 208 204 196 190 192 20O 201 202 20O 202 201 200 199 198 195 196 199 198 202 203 199 196 203 202 202 201 201 200 197 199 196 197 201 199 204 212 202 197 201 196 201 199 204 20O 203 200 200 202 200 198 194 198 196 2O0 199 200 198 19B 198 198 195 198 201 199 196 197 199 208 200 199 205 202 197 207 205 204 199 204 201 200 200 201 204 203 198 195 195 200 198 197 198 198 197 196 193 197 197 196 193 191 198 201 201 199 199 202 200 195 207 205 202 202 207 205 198 200 198 203 201 199 195 195 198 198 197 199 199 197 197 197 203 200 202 195 191 195 199 200 202 204 207 202 192 206 204 203 202 202 204 199 203 200 204 200 198 196 196 194 197 201 198 194 198 198 198 200 203 202 201 198 197 204 206 204 201 206 2 10 202 189 196 207 203 200 203 207 204 202 203 203 202 2 0 2 199 197 197 198 199 196 195 117 194 196 200 205 202 199 198 202 207 208 205 201 203 2 10 204 190 201 203 202 198 2 0 4 203 203 204 204 205 201 201 20O 201 2 0 0 201 197 192 192 195 197 198 201 204 203 203 199 198 200 207 203 199 204 308 204 197 202 204 200 2O0 203 204 204 208 304 200 200 198 199 2 0 0 201 201 197 197 196 197 197 196 203 201 205 204 201 199 201 206 204 199 202 202 203 199 205 203 201 198 204 209 209 204 201 201 202 200 200 199 202 199 20O 2 0 0 2 0 2 20O 195 190 192 195 199 205 204 204 202 204 202 197 200 197 198 202 193 201 200 203 2 10 2 1 1 206 203 202 201 203 200 2 0 0 199 2 0 2 199 2 0 2 203 201 194 192 186 186 190 192 199 202 201 2O0 205 212 199 195 197 192 195 178 201 204 204 209 206 205 205 203 205 201 201 205 201 204 2 0 2 203 205 198 196 188 177 199 194 181 191 197 199 195 195 202 208 205 200 197 192 192 164 175 20O 204 207 203 206 206 206 204 205 202 202 201 200 201 196 198 202 195 175 168 182 173 184 186 197 201 191 197 198 198 203 199 196 194 191 17 1 177 193 203 207 203 207 209 208 207 206 203 201 194 197 193 19 1 196 197 186 168 153 161 168 180 181 195 199 192 197 194 192 196 198 199 191 193 168 173 180 198 205 20B 206 208 210 208 206 199 193 181 IBS 190 188 190 190 173 164 160 16S 182 ISO 181 192 201 192 199 195 194 192 194 200 201 194 167 170 177 197 194 204 205 209 212 206 203 197 188 1S2 185 187 192 192 tan 167 157 172 169 178 181 192 196 2O0 196 197 196 194 1 9 5 195 2 1 1 225 197 169 169 178 199 189 204 209 2 10 2 1 1 204 2O0 191 188 193 192 193 187 195 180 15J 163 168 177 186 193 195 196 197 194 198 203 199 198 200 236 229 196 175 170 172 185 173 190 203 204 206 205 203 194 19 1 195 198 194 196 2 0 0 185 172 194 185 18 1 185 192 19B 197 201 200 196 197 202 198 198 207 224 228 192 176 181 176 174 170 167 188 204 198 197 201 198 194 189 184 188 191 198 201 198 205 195 190 192 200 205 206 207 202 196 209 212 203 202 21 1 229 231 195 18 1 182 179 185 169 169 193 201 187 196 204 204 199 194 195 195 2 10 20R 2 12 208 21 1 208 202 206 204 204 2 1 1 214 209 201 216 218 2 16 223 224 233 238 198 191 182 169 173 166 197 196 203 195 201 2 10 209 208 207 205 206 207 2 10 2 1 1 208 213 2 13 207 2 10 2 10 2 13 213 2 16 209 210 222 33 1 2 18 222 2 26 228 233 1B7 196 18 1 163 178 190 2 15 2 12 2 19 2 12 208 2 13 2 12 2 16 2 17 23 1 2 19 2 17 22 1 2 16 2 13 220 216 2 15 2 17 224 2 13 2 15 2 2 0 2 19 2 19 215 2 19 219 3 17 220 222 224 178 198 191 1BO 198 2 14 2 1 1 2 13 2 12 2 13 2 12 2 13 318 2 19 2 15 2 17 22 1 229 22 1 2 18 2 IS 2 10 2 lO 2 13 215 213 2 17 2 17 218 214 214 21 1 312 2 14 2 1 1 2 «6 2 16 207 13 1 197 202 198 204 2 1 1 205 209 2 lO 2 15 209 193 198 203 2 1 1 2 18 2 2 0 2 15 2 1 1 2 19 2 1 2 210 2 12 2 ID 2 12 2 14 2 0 0 209 2 I S 2 14 2 15 168 ISO 18 1 196 207 206 176 114 153 157 17 1 185 196 160 155 162 179 184 151 157 165 153 145 157 1 79 190 189 199 153 169 176 176 184 164 156 166 163 169 151 156 173 178 180 177 173 16 1 162 co o .—1 0> c o to o CD II ft Xi o ca • • r i o u ccj > I—( o> co r-t CO • o )-t II o u-i <4-l o d •I-l M 4-1 p d tt) \s e CO C 0) o r-l a U £ (0 CO i-l to 0) i H u i-l o O u to r» r» ix> O (* (0 O W *- O tn r- co * m in - -t- — <J> in u « O tn U> O »T) — O (s CD tn »• o n oi m m tn » O n — - a. — m 5 2 8 r> — X •H c - o m tn o o c « -pt — tt) O o O IP £ 5 IC o » -o - - » » w a m Appendix 7 Co r r e l a t i o n matrix for rati o e d and log transformed v a r i a b l e s on 108 s o i l samples.(R@ 0.05=0.1891 0.01=0.2469) VAR IABLE 21 LNMF - 3837 - 2299 - 3111 - 1883 - 6352 - 6 9 2 0 - 3784 14 12 - 4 151 - 2281 - 3185 - 2533 - 2915 - . 6707 - 3863 22 LNCF . 1018 .0196 0 2 0 3 - 0336 3730 4647 1383 - 0322 1863 1281 0 6 3 0 - 0 0 6 9 .0255 4237 4308 24 LNTC - . 8 0 6 2 - . 7 6 4 6 - 7365 - 7 102 - . 6 7 9 4 - .6305 - . 3 4 8 8 - 1965 - 1940 - 4575 - 8159 - 7348 - 7952 - . 6 6 1 5 - 0351 29 LNOC - . 8 2 1 3 - 7014 - 6 7 3 3 - 5835 - . 6 7 5 3 - 6503 - . 4 7 6 1 - 1824 - 3644 - . 5 7 0 2 - . 7 9 0 9 - 6382 - 7291 - 6695 - 1 1 7 5 27 LNK - 3163 - . 2 6 8 4 - . 2 8 7 0 - . 1 7 7 5 - 2570 - 2605 - 1824 0 0 1 7 - 3379 - 2182 - 3037 - 2356 - 2746 - 2615 - 0906 28 LNCA - . 5 4 6 8 - 5 0 9 3 - 49 1 1 - 46 18 - 5065 - 4534 - 3499 - 1327 - 1591 - 3153 - 5486 - .4839 - . 5 2 9 0 - . 4 8 4 7 0425 29 LNMG - . 5 7 8 6 - . 4 9 5 0 - 5333 - 4 188 - 5169 - 5O03 - . 3 4 3 0 - 0142 - 4043 - 3463 - . 5 5 7 5 - 4833 - 5328 - . 5 1 8 4 - . 1 3 3 8 30 LNCEC - 5648 - . 4 6 1 6 - . 4 5 9 0 - . 3 3 5 0 - . 5 4 8 7 - 5653 - . 3595 - 0 7 5 5 4299 - .4301 - 5331 - 4029 - .4761 - . 5 6 2 9 - . 2 2 3 5 31 LNP - 5317 - 5188 - 5 2 6 9 - 4920 - 3184 - 2666 - 22 15 - 0935 - 1850 - 2775 - . 5 4 5 7 - 5 175 - 5466 - . 2 9 5 3 .0755 32 LNN - . 7 8 1 9 - . 6 8 8 9 - 6136 - 5402 - 5857 - 5570 - 4201 - 2833 - 3098 - 6093 - 7639 - 5858 - 6 8 6 9 - 5771 - . 0 7 2 1 15 B4 16. 85 17 B6 VAR IABLE 18 87 19 RED 20 . GRE 51 B 4 / B 5 52 B 5 / B 6 53 B 6 / B 7 54 B 4 5 / B 6 7 55 B44-B5 56 B6+B7 57 B4567 58 RED/GRE 5 9 . GRE+RE 1 MC - 3895 1560 - 4289 - 2362 - 3729 - 3230 - . 3 5 6 2 - 7191 - 3819 2 CF . 1266 - . 0 1 8 9 1831 1308 0376 - 0406 - 0054 3847 .4758 3 PH . 1939 .0205 2996 2373 .0879 - 0 2 3 9 .0375 .0888 2395 4 TC - . 3 5 1 0 - . 1 1 6 4 - 2608 - 4 0 6 0 - 8027 - 7559 - 8010 - 7309 - 0461 5 OC - 4637 - . 0 9 7 3 - 4245 - . 5 0 3 7 - 7687 - 6559 - 7387 - . 7 4 7 0 - . 1 5 1 9 6 NA . 0 5 0 9 - . 0 3 1 3 - 2932 - . 1 0 2 7 - 1297 - 0998 - . 1 1 6 8 - 0737 0721 7 K - . 1 1 1 9 - 0 1 8 9 - 2 t87 - 1533 - 2094 - 1597 - . 1 8 7 8 - 1847 - . 0408 8 CA - . 1606 - 0 6 6 3 - . 1511 - 1978 - 4 1 7 9 - 3970 - 4 190 - 4690 1 126 9 MG - . 2 8 5 0 .0508 - 4 100 - 2561 - 5204 - 4954 - 5223 - . 5 7 5 1 - 1 2 1 0 10 CEC - . 3 6 1 9 - 0302 - 4474 - 3940 - 5 3 7 0 - . 4 3 1 6 - 494 1 - 596 7 - . 2 1 9 6 11 P - . 2 0 7 3 - 0 4 3 9 - 2129 - 2324 - 5 2 8 0 - . 5 2 4 9 - 5425 - . 3 4 4 8 1052 12 N - . 3 8 8 0 - . 2263 - 3673 - 5562 - 7303 - 5844 - 6705 - 6129 - 0 5 4 0 13 V 1807 - 0 4 0 3 2 1 15 1379 6167 .6838 6735 .5655 0124 14 C 0928 - 1750 1566 - 0522 3738 3725 3379 2578 - 0864 51 B 4 / B 5 52 B 5 / B 6 53 8 6 / 8 7 54 B 4 5 / B 6 7 5 5 . B 4 4 8 5 56 B64B7 57 B4567 58 REDXtRE 59 GRE44TED co 

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