БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 4, с. 812-815
БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ =
УДК 528.855
АНАЛИЗ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОСЕВОВ ПШЕНИЦЫ И КУКУРУЗЫ ПО НАЗЕМНЫМ ДИСТАНЦИОННЫМ ИЗМЕР ЕНИЯМ
© 2015. А.Ф. Сидько, И.Ю. Ботвич, Т.И. Пиеьман, А.П. Шевырногов
Институт биофизики CО РАН, 660036, Красноярск, Aкадемгородок, 50/50 E-mail: Sidko@ibp.krasn.ru Поступила в p едакцию 25.05.15 г.
Представлен анализ исследований поляризационной компоненты фактора отражения Rq и степени поляризации Р посевов кукурузы и пшеницы в зависимости от длины волны. Регистрацию поляризационных характеристик проводили в полевых условиях оптическим дистанционным методом с автовышки (высота от 10 до 18 м) в июне-июле. Измерения выполняли с помощью двулучевого спектрофотометра с применением поляризационного светофильтра в спектральном диапазоне от 400 до 820 нм. Угол визирования составлял не более 20° от надира. Исследованы спектры отражения посевов кукурузы и пшеницы, полученные при использовании поляризатора, когда происходит передача максимального и минимального количества света (R max и R min). На их основе определены и проанализированы поляризационные характеристики исследуемых культур, различающиеся в видимой и инфракрасной областях спектра.
Ключевые слова: поляризационные характеристики, посевы, оптические дистанционные методы.
В настоящее время актуальной задачей для развития спутникового мониторинга, наземных дистанционных оптических методов исследования агроценозов суши являются методические разработки, связанные с идентификацией сельскохозяйственных угодий [1]. Из известных в оптике формул Френеля следует, что свет, отраженный гладкими поверхностями листьев растений, является поляризованным. Величина поляризованной составляющей зависит от угла падения световых лучей на лист, показателя преломления воскового слоя и его шероховатости [2]. В одной из ранних работ исследовано количество линейно поляризованного света, отраженного посевом пшеницы, при двух длинах волн (478 и 668 нм) и зенитных углах, равных 60°, 70° и 80°. Измерения проводили в направлении «против солнца». Установлено, что степень поляризации достоверно различается для разных стадий роста при зенитных углах 70° и 80° в голубой области спектра [3]. Приводятся исследования поляризационных характеристик отраженного и рассеянного света в видимом диапазоне излучения для посева пшеницы [4]. Степень линейной поляризации пшеницы рассчитана в зависимости от длины волны и стадии развития растений. В результате исследований на листьях показано, что основным механизмом, определяющим поляризацию отраженного света, является зеркальное отражение от внешней поверхности листа [5]. Дистанционные поляризационные измерения растительности, несомненно, являются потенциальным источником полезной информации, но они в основном проводились на отдельных фи-
тоэлементах [6]. Ранее исследованы спектрально-поляризационные свойства растительных покровов для оценки возможности применения наземных дистанционных методов при анализе оптической информации отраженного и поляризованного света [7,8].
Данная работа посвящена исследованию и анализу поляризационных характеристик (поляр изованной составляющей и степени поляризации) при отражении света от посевов пшеницы и кукурузы по результатам наземных дистанционных измерений.
МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ И ССЛЕДОВАНИЯ
Объектом полевых исследований были посевы пшеницы (Triticum acstivum) и кукурузы (Zea mays L. 88р. mays). При этом высота растений посевов пшеницы составляла 30-50 см, кукурузы - 90-120 см. Проективное покрытие почвы растениями достигало 100%. Данные сельскохозяйственные культуры наиболее распространены на территории Красноярского края. Исследование посевов пшеницы проводилось на стадии ее выхода в трубку, кукурузы -в стадии 10-12 листьев. Пшеница имеет узкую линейную форму листа, кукуруза - широкую. В этот период верхний слой пшеничного покрова образуют флаговые листья, которые являются хорошими зеркальными отражателями. Площади исследуемых участков агроценозов составляли 200 га и более. Регистрацию спектров яркости
АНАЛИЗ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИ СТИК ПОС ЕВОВ ПШЕНИЦЫ 813
агроценозов, используемых в дальнейшем для измерения и расчетов поляризационных характеристик, проводили с использованием автовышки с высоты от 10 до 18 м в ясную безоблачную погоду двухлучевым спектрофотометром ПДСФ в конце июня-июле (рис. 1) [9,10]. Использованный двухлучевой дифференциальный спектрофотометр является собственной разработкой [11]. С помощью спектрофотометра регистрировали спектры яркости посевов пшеницы и кукурузы с площади 1,2-1,3 м2.
Для получения поляризованных составляющих Ятах и Ят;п спектров яркости растительности в канале измерения использовали поляризационную насадку, которая вращалась относительно оси измерительного канала на 360° с шагом 2°, согласно методике, описанной ранее [8]. Значения Ятах и Ят;п соответствуют отра-жательной способности посева с поляризатором в канале измер ения спектрофотометр а, пр и котором возможно передавать максимальные и минимальные количества света, отраженного от исследуемых растений. Ориентация поляризатора для максимального и минимального про -пускания света была определена экспериментально [7,8]. Значения Ятах и Я • являются
-* тах пин
основой для р а счета поляризационной компоненты фактора отражения Яц по уравнению (1) и степени поляризации Р по уравнению (2):
Я„ = (Я п
" Я тш)/2,°,
(1) ш). (2)
р = 10°% (Я тах - Ят1п)/(Ятах + Я тш
Угол визирования спектрофотометра со -ставлял не более 20° от надира. Измерения спектрально-поляризационных характеристик растительности на исследуемых полигонах были проведены, когда высота Солнца была от 33 до 39° (июнь, июль) с 11 до 15 ч. В этот пер иод спектр альная яркость растительности наиболее стабильна. С учетом неоднородности растительных покровов регистрировали от 20 до 30 спектров, по которым рассчитывали средние значения. Регистрируемые спектры яркости были оцифрованы и занесены в специально разработанную «Информационную базу данных спектров отражения растительных покровов» в формате Мкг080Й Лссе88 [10].
РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 2. представлены значения Я тах и Я для посевов кукурузы и пшеницы в зависимости от длины волны. В видимой области спектра (400-700 нм) значения Ятах и Ядля посевов пшеницы выше аналогичных значений для посевов кукурузы. Это связано с различным физиологическим состоянием (фазами роста) иссле-
Рис. 1. Дистанционная регистрация поляризованных составляющих исследуемых посевов. Спектрофотометр установлен в корзине автовышки.
дуемых культур в июне-июле месяце. В ближней инфракрасной области спектра (700-840 нм) значения Ятах для посевов кукурузы являются более высокими по сравнению со значениями Я тах для посевов пшеницы, а значения Я для посевов кукурузы - более низкими по сравнению со значениями Я т;п для посевов пшеницы.
На рис. 3 и 4 представлены значения поляр изационной компоненты фактор а отр ажения Яц и степени поляризации Р для посевов кукурузы и пшеницы в зависимости от длин волн. Значения Яц исследованных посевов в видимом диапазоне спектра близки, но имеют существенные различия в инфракрасной области спектра (р ис. 3). Анализ значений степени поляризации исследуемых культур показывает (рис. 4), что они и в видимом диапазоне спектра имеют существенные различия, а именно, для посевов пшеницы в оптическом диапазоне 460700 нм они выше, чем для посевов кукурузы, а в инфр акр асной области спектра - наобор от. На основании этих данных можно получить информацию о виде и мор фологии сельскохо -зяйственной растительности методом дистанционных измерений при углах наблюдения, незначительно отклоняющихся от надира [9,10].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
Таким образом, результаты, полученные при наземном дистанционном зондировании при угле р егистрации спектров, составляющих 15-20° от надира, показывают, что свет, рассеянный растительным покровом исследуемых видов агроценозов, поляризован в различной степени. Поляризационные хар актеристики отраженного света зависят от морфологии листа,
814
СИДЬКО и др.
Рис. 2. Поляризованные составляющие спектров отражения (Ятах и Ят^) от посевов кукурузы и пшеницы. Поляр оид ор иентир ован для максимального и минимального пр опускания света.
Р ис. 3. Поляр изационная компонента факто р а отр ажения Яп посевов пшеницы и кукур узы.
р аспр еделения поверхностного во ска по растению и дают инфор мацию о свойствах поверхности и пр о стр анственном р асположении фи-тоэлементов растений [12]. О сновной пр ичиной поляризации рассеянного света фитоэлемента-ми является отр ажение, поскольку пр и пер еме-щении и изгибании листьев растений под источником света световое пятно на поверхности листьев смещается. Значения поляр изационной компоненты фактор а отр ажения Яп и степени поляр изации Р для посевов пшеницы и куку-р узы изменяются пр и разных длинах волн. Формы кривых Яп и Р различаются для исследуемых видов агроценозов. Следовательно, по форме
кр ивой зависимости поляр изационных хар актер истик от длины волны можно оценивать вид посевов р азличных агр оценозов и пр оводить оценку со стояния р астительности.
По результатам пр оведенных исследований и анализа поляр изационных хар актер истик (поляр изационной компоненты фактор а отр ажения и степени поляр изации) посевов пшеницы и кукур узы показано:
- значения поляр изационной компоненты фактор а отр ажения Яд посевов пшеницы и кукурузы в видимом диапазоне спектр а близки, но имеют существенные различия в инфр акр а с-ной области спектр а;
АНАЛИЗ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИ C ТИК ПОСЕВОВ ПШЕНИЦЫ 815
Pте. 4. Степень поляризации P света, отраженного от посевов пшеницы и кукурузы.
- значения степени поляр изации P для посевов пшеницы в летние пер иоды вегетации в диапазоне 460-700 нм выше, чем для посевов кукурузы, а в диапазоне ИК-области - наобо-р от.
СПИС ОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. В. В. Козодер ов, Т. В. Кондр анин, Е. В. Дмитр иев и др., И сслед. Земли из космоса, № 1, 56 (2008).
2. Г. В. Розенбер г, Успехи физ. наук 56 (1), 77 (1955).
3. G. Ranendu, V. N. Sridhar, H. Venka
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.