ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 6, с. 52-59
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
УДК 551.507:631.10
АНАЛИЗ ДИНАМИКИ СПЕКТРАЛЬНОЙ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ПОСЕВОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР В ПЕРИОД ВЕГЕТАЦИИ НА ТЕРРИТОРИИ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ И РЕСПУБЛИКИ ХАКАСИЯ ПО НАЗЕМНЫМ И СПУТНИКОВЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ
© 2008 г. А. Ф. Сидько, И. Ю. Пугачева, А. П. Шевырногов*
Институт биофизики СО РАН, Красноярск *Тел.: (3912) 49-46-03; e-mail: ap@ibp.ru Поступила в редакцию 15.12.2007 г.
На основании анализа дистанционных полевых и космических измерений спектральных коэффициентов яркости (СКЯ) посевов сельскохозяйственных (с.-х.) культур показана возможность оценки, в период вегетации, структурных изменений, происходящих в растениях исследуемых посевов в ближней инфракрасной области спектра (1 = 760—820 нм) по спектральной яркости и вегетационному индексу. Создана электронная база скорректированных спектральных данных СКЯ исследуемых посевов с.-х. культур, которые будут использованы в качестве эталонов при дешифрировании спутниковых данных по видовому составу, динамике отражательных свойств в течение вегетации, а также для прогноза изменения состояния растительных природных биоресурсов под воздействием естественных и антропогенных процессов. Показано, что динамика значений СКЯ отражает картину морфофизиологических изменений посевов в период их вегетации.
ВВЕДЕНИЕ
Рост и развитие посевов сельскохозяйственных (с.-х.) культур на протяжении вегетации зависит как от морфофизиологических особенностей каждого вида, так и от условий внешней среды, включающих комплекс факторов, среди которых климатические являются наиболее важными. Растительный покров четко реагирует на отклонение от нормы основных климатических показателей — температуры воздуха, количества выпавших осадков.
Температура окружающей среды влияет на скорость протекания физико-химических реакций в клетках растений, что отражается на их росте и развитии.
Степень обводненности фитоэлементов зависит от режима увлажнения и определяет характер изменений в пигментном составе, объемной концентрации пигментов и во внутренней структуре тканей. Так, в случае уменьшения поступления влаги из почвы, происходит повышение концентрации клеточного сока и осмотического давления, снижение гидратуры (обводненности цитоплазмы). В случае засухи при повышении осмотического давления выше оптимального для вида, могут происходить необратимые изменения в цитоплазме и, соответственно, отмирание клеток. Реакция пигментного аппарата различна при летальном и не летальном обезвоживании. Первое обычно сопровождается разрушением хлорофил-
ла, при втором в результате адаптации растений на фоне активизации синтеза белка и других процессов возможно накопление хлорофилла [1].
Благодаря наличию портативных спектрофотометров и ежедневно пополняемому банку данных спутника Terra MODIS (начиная с 1999 г.) стало возможным использование спектрофото-метрической информации для оценки физиологических и биологических параметров посевов с.-х. культур в течение всего периода вегетации, слежение за влиянием климатических показателей на рост и развитие посевов.
Настоящая статья посвящена изложению результатов наземных и спутниковых измерений отражательной способности с.-х. посевов в период их вегетации. Приводятся результаты изучения влияния климатических показателей на рост и развитие растений по динамике спектральных данных на территории Красноярского края и Хакасии.
МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Подспутниковые исследования
Исследование динамики СКЯ посевов с.-х. культур проводилось в комплексе с изучением морфофизиологических параметров растений на опытных полях учебного хозяйства "Миндерлин-ское" [2—6]. В качестве модельных использовались следующие посевы: пшеницы (Triticum acsti-
vum L.) сорта Скала, Равнина, Богарная, Ирты-шанка; ячменя (Hordeum disticxon L.) сорта Винер; овса (Owena sativa L.) сорта Мутант и Орел.
Выбор этих объектов обусловлен следующими соображениями: культуры пшеница, ячмень и овес являются основными зерновыми культурами, высеваемыми и культивируемыми на большей территории нашей страны. Эти культуры к настоящему времени достаточно хорошо изучены с физиологической и биологической точек зрения. Посевы с.-х. культур являются удобными модельными объектами для изучения их спектральной яркости и отражательной способности дистанционными методами. Это связано с тем, что данные посевы являются достаточно однородными объектами, диффузно (ортотропно) отражающими падающую солнечную радиацию, которые можно рассматривать как мутную среду, в отличие от других видов растительности [2—11].
Регистрация спектров яркости посевов, от всходов до момента созревания, производилась полевым двухлучевым спектрофотометром, разработанным в Институте биофизики СО РАН. Измерения проводились с 10 до 17 ч с одних и тех же точек и в одинаковом направлении визирования, чем снижалось влияние на СКЯ условий освещения (высоты Солнца h0 над линией горизонта). Дневной ход СКЯ растений практически не менялся. Измерение спектров производилось в спектральном диапазоне от 400 до 850 нм со спектральным разрешением ±2 нм. Спектрофотометр, в зависимости от этапов и условий исследования, устанавливался на платформе автовышки на высотах 2—18 м, а угол зрения прибора менялся от 10 до 10°. Измерение спектров фотометрируе-мых участков проводилось, как правило, в надир [2, 4]. Временной интервал регистрации спектров СКЯ посевов составлял 2—4 сут [6—10]. С учетом неоднородности посевов и для получения более полной картины о распределении СКЯ (р^) по исследуемому полю, регистрировалось от 20 до 30 спектров, по которым рассчитывались средние значения, при этом ошибка в определении р^ по одному массиву не превышала 1 ± 1.5% [6—11].
Спутниковые данные
В настоящей работе использовалась спутниковая информация с ИСЗ Terra (MODIS) и Landsat 7 (ETM+). Данные спектрорадиометра MODIS использовались для вычисления NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), а сканера ETM+ — для географической привязки исследуемых контуров. Успешное решение задачи мониторинга с.-х. полей возможно при использовании практически ежесуточных данных среднего пространственного разрешения (150—250 м) [12]. В связи с этим использовались спутниковые данные, полученные в красном (620—670 нм) и ближнем ин-
фракрасном (ИК) (841—876 нм) каналах с пространственным разрешением 250 м (продукт M0D09GQK) спутника Terra (MODIS). Для детектирования территорий, покрытых облаками и тенями от облаков, использовалась спутниковая информация 1, 2, 3, 5, 6 каналов MODIS с пространственным разрешением 500 м. Чтобы охватить весь вегетационный период с.-х. полей, на территории Красноярского края (посевы пшеницы) и республики Хакасия (посевы овса) отбирались снимки, полученные спектрорадиометром MODIS за период с 10 мая по 10 сентября 2006 г. Информация о положении спутника и Солнца извлекалась из продуктов MODMGGAD. Для географической привязки исследуемых контуров использовалась пространственная информация снимка, полученного 4 сентября 2001 г. спутником Landsat 7 (ETM+) с пространственным разрешением 30 м.
Погодные условия. Анализ динамики NDVI в период вегетации проводился при учете метеоусловий, полученных с метеостанций "Хакасская" и "Минусинск" (http://www.rp5.ru). При анализе данных использовались среднесуточные значения температуры воздуха и общее количество осадков, выпавших за сутки.
Алгоритм предварительной обработки спутниковых снимков. Обработка спутниковых снимков с ИСЗ Terra проводилась поэтапно.
1. С помощью программы MODIS Reprojection Tool выполнялось преобразование проекции снимков MOD09GQK из псевдоцилиндрической синусоидальной проекции (ISIN) в равноугольную поперечно-цилиндрическую проекцию Меркатора (Transverse Mercator). Одновременно осуществлялся перевод из формата HDF в формат GeoTIFF.
2. Обеспечение возможности анализа развития растительности по спутниковым данным сопряжено с необходимостью построения временных рядов данных наблюдений, очищенных от влияния ряда негативных факторов, к числу которых, прежде всего, относится наличие облачного покрова и теней от облаков. Идентификация облаков основывалась на спектральных данных 1, 2, 3, 5, 6 каналов спектрорадиометра MODIS. Для построения масок облаков разработана классификация типа "дерево решений" в программной среде ENVI 4.0. Многоступенчатая классификация, на основании бинарных условий, относит каждый пиксел изображения к тому или иному классу. В качестве условий (узлов дерева) выступают: нормализованный разностный индекс снега NDSI [13], значения спектральных данных 1, 2, 5 каналов MODIS [14].
3. Следующим этапом являлось построение контуров исследуемых полей на снимках MODIS. Географические координаты полей были замере-
ны GPS приемником в ходе полевых исследований. Но построение контуров, ограничивающих только с.-х. поля, на снимках MODIS оказалось невозможным. Причиной этому являлось недостаточное пространственное разрешение снимков MODIS/Terra, так как пиксел размером 250 м х х 250 м может включать как участок исследуемого поля, так и смежную с ним территорию. В связи с этим для построения контуров полей на снимке MODIS решено было использовать снимок более высокого разрешения, полученный с ИСЗ Landsat 7 (ETM+) с пространственным разрешением 30 м. Поскольку для решения поставленной задачи на этом этапе важны пространственные координаты объекта, а не значения коэффициентов отражения, использовался снимок Landsat 7 (ETM+) от 4 сентября 2001 г.
Первым этапом являлось построение контуров полей на снимке Landsat 7 (ETM+). При построении использовались данные GPS приемника. На следующем этапе проводилось определение соответствия пикселов контура Landsat 7 (ETM+) пикселам MODIS. Выбирались только те пикселы на изображении MODIS, которые состоят из пикселов Landsat 7 (ETM+), отнесенных к с.-х. полям. Эти пикселы и образовали контуры полей на снимке с ИСЗ Terra (MODIS).
4. Из исходных спутниковых данных исключались наблюдения, сделанные при зенитном угле наблюдения б
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.