ОБЗОРЫ
АНАЛИЗ СПЕКТРАЛЬНЫХ КАНАЛОВ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ РАСТИТЕЛЬНОСТИ (ПО ЗАРУБЕЖНЫМ ПУБЛИКАЦИЯМ) © 2013 г. С. Л. Кравцов*, Д. В. Голубцов, Е. Н. Лисова
Объединенный институт проблем информатики НАНБеларуси, Минск * E-mail: Krautsou_sl@rambler.ru Поступила в редакцию 05.04.2012 г.
Охарактеризованы основные пигменты растений, биофизические и биохимические факторы, определяющие спектры поглощения и отражения растительности. Рассмотрено влияние фаз развития, дефицита минеральных элементов, заморозков, болезней, повреждения градом и условий влажности на спектр отражения растительности. Представлены оптимальные для дистанционного мониторинга состояния растительности узкие спектральные каналы в диапазонах 395—1010 и 350—2500 нм, а также их ширина. Проведено сравнение информативности данных узких и широких каналов для дистанционного мониторинга состояния растительности. Работа представляет собой систематизацию зарубежных публикаций по изложенным вопросам.
Ключевые слова: оптимальные каналы, дистанционный мониторинг, растительность
DOI: 10.7868/S020596141301003X
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в мире сельское хозяйство является ведущей сферой использования данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Они широко используются в агропромышленных комплексах США, Канады, Евросоюза, Индии, Китая, Японии, Израиля. Существует более 30 наднациональных и национальных систем мониторинга с.-х. земель. С учетом все возрастающей роли сельского хозяйства в экономиках Республики Беларусь и Российской Федерации данное направление использования данных ДЗЗ и в наших странах со всем основанием претендует на роль приоритетного.
Растительность, как правило, закрывает почву, в результате сенсорами ДЗЗ регистрируется главным образом ее отражение/излучение. Данные гиперспектральных сенсоров нового поколения со многими узкими каналами, таких как AVIRIS, Hyperion и др., обеспечивают значительное улучшение информативности относительно данных многоканальных сенсоров старшего поколения с несколькими широкими каналами (Landsat TM/ETM+, SPOT HRV и др.). В частности для растительности значительно улучшаются отделимость и точность классификации видов, обнаружение стресса, извлечение биохимических характеристик, определение изменения влажности и различий в доле покрова (Thenkabail et al., 2004).
Однако эти преимущества достигаются сбором гиперспектральными сенсорами значительно больших объемов данных (относительно многоспектральных сенсоров), что ведет к многочисленным сложным техническим проблемам. Они включают передачу данных с сенсора (ширину полосы пропускания канала передачи), пространственное разрешение, атмосферную коррекцию, объем хранения и вычислений при анализе данных, их "избыточность" и алгоритмы обработки (Thenkabail et al., 2004; Thenkabail, 2001). Так, первый спутниковый гиперспектральный сенсор Hyperion (ИСЗ EO-1) собирает данные с радиометрическим разрешением 12 бит в 220 узких каналах диапазона 400—2500 нм с пространственным разрешением 30 м. Объем 1.0 км2 изображения сенсора Hyperion составляет приблизительно 0.5 МБ по сравнению с 0.0067 МБ изображения сенсора Landsat ТМ с шестью широкими каналами — увеличение примерно в 37 раз. Объем же изображения гиперспектрального сенсора Warfighter-1 (ИСЗ Orbview-4) с 200 узкими каналами, спектральным разрешением 8 бит и пространственным разрешением 8 м составляет 3.125 МБ — увеличение в 469 раз (Thenkabail, 2001).
Для преодоления указанных проблем сенсоры будущих поколений, вероятно, будут специализированными, т.е. оптимизированными в сборе данных для определенных приложений (сельско-
го хозяйства, экологического мониторинга и т. д.), или гиперспектральными с большим количеством узких каналов (подобно Hyperion), из которых пользователи смогут извлечь оптимальные каналы для соответствующих приложений (Thenka-bail et al., 2004). Таким образом, нахождение оптимальных каналов для дистанционного мониторинга состояния растительности имеет важное значение. Это помогло бы избежать "избыточности" данных при их обработке, а также разработать специализированные сенсоры (Thenkabail, 2001).
Данная статья представляет собой анализ и систематизацию результатов разрозненных многочисленных исследований в области дистанционного мониторинга состояния растительности. Представленные результаты могут быть полезны при выборе спектральных каналов разрабатываемой аэрокосмической аппаратуры дистанционного мониторинга с.-х. земель (в частности проектируемой в РФ спутниковой системы "Космос-СХ").
ОСНОВНЫЕ ПИГМЕНТЫ РАСТЕНИЙ, БИОФИЗИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ И ОТРАЖЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНОСТИ
Основные пигменты растений
Хлорофилл (Chl a и Chl b) — жизненно важный пигмент растений, необходимый для преобразования солнечного излучения в запасенную химическую энергию. Количество поглощенного растениями солнечного излучения является функцией содержания фотосинтезирующих пигментов (в первую очередь Chl). Таким образом, содержание Chl может напрямую определить фотосинтезиру-ющий потенциал и, следовательно, первичную продуктивность (Gitelson et al., 2009). Помимо этого, Chl является косвенным индикатором обеспеченности минеральными элементами, поскольку в составе его молекулы находится большое количество азота (N). К тому же, в условиях природных или антропогенных стрессов и старения содержание Chl в растениях снижается (Blackburn, 2007), и изменяется отношение Chl а к Chl b, следовательно, оценка содержания Chl, а также отдельно Chl а и Chl b может предоставить информацию о взаимодействиях среда-растения и их физиологическом состоянии.
Каротиноиды (Car) являются второй основной пигментной группой растений, состоящей из каротинов и ксантофиллов (Blackburn, 2007). Красно-желтые цвета осенних листьев наблюдаются из-за изменения в фотопериоде (к коротким дням/длинным ночам) и/или низких температур, вызывающих старение, при котором разрушается Chl с одновременным повышением содержания Car (Ustin et al., 2009). Car могут поглощать сол-
нечное излучение и способствовать выработке энергии для фотосинтеза. В результате содержание Chl не является ограничивающим фактором переработки солнечного излучения для фотосинтеза, так как полученная энергия поглощается как Chl b, так и Car. Таким образом, фотосинтези-рующий потенциал двух растений может отличаться, хотя поглощаемая ими доля солнечного излучения равна — в зависимости от соотношения содержания пигментов (Blackburn, 2007). Кроме того, когда солнечное излучение превышает необходимое для фотосинтеза, Car рассеивают избыток энергии и защищают центры реакции. Car играют ключевую роль в адаптации высших растений и к другим неблагоприятным условиям окружающей среды (Zur et al., 2000).
Таким образом, хотя изменения в содержании Chl являются индикатором стресса и фазы развития, изменение содержания Car и его соотношение с содержанием Chl обеспечивает дополнительную информацию и широко используется для диагностики состояния растений во время развития, старения, акклиматизации и адаптации к различным условиям окружающей среды и стрессам (Gitelson et al., 2009; Blackburn, 2007).
Антоцианы (Anth) — растворимые в воде фла-воноиды — являются третьей основной пигментной группой растений (Blackburn, 2007). Зрелые темно-зеленые растения лишены Anth, их содержание значительно возрастает при стрессах (например, низких или высоких температурах), в юве-нильных (в течение наиболее ранних фаз развития прежде, чем фотосистемы становятся полностью функциональными) и в стареющих растениях (обеспечивая в течение разрушения фотосинтези-рующего механизма защиту от фототоксичности, обусловленной продуктами деградации Chl) и ответственны за их красную окраску. Anth могут изменять световую среду внутри растений и обладают потенциалом регулирования фотосинтеза и ограничения фотоингибирования и фотообесцвечивания, тем самым обладая фотопротектными функциями (Merzlyak et al., 2008). Защитные эффекты Anth связаны с их способностью посредством экранирования и/или заманивания света во внутреннюю ловушку уменьшать (в 2—4 раза) чрезмерное количество солнечного излучения, достигающего фотосинтезирующего аппарата, которое иначе было бы поглощено пигментами хлоропласта (Gitelson et al., 2009). Anth также могут (со значительным возрастанием содержания) повышать устойчивость растений к стрессовым воздействиям, например, низкой температуре (заморозкам), засухе, сильному ветру, бактериальной и грибной инфекциям, гербицидам и загрязняющим веществам, дефициту минеральных элементов (Gitelson et al., 2009; Blackburn, 2007). Кроме того, Anth обладают антиоксидантными свойствами, способствуя восстановлению расте-
pH 1.0
400 500 600 Длина волны, нм
700 300 400 500
Длина волны, нм
600 300 400 500 600
Длина волны, нм
Рис. 1. Спектры поглощения основных пигментов растений: а — Chl в диэтиловом эфире; б — Car в диэтиловом эфире (P-C — Р-каротин, Lut — лютеин, Neo — неоксантин, Viola — виолаксантин); в — Anth очищенной редьки в растворителях pH =1.0 и pH = 4.5.
ний после травм. Помимо этого, Anth могут обеспечить защиту от травоядных животных и грибковых патогенов (Ustin et al., 2009).
Поскольку содержание Anth является индикатором многих видов стресса, оценка его динамики предоставляет информацию о чувствительности и адаптации растений к стрессу (Gitelson et al., 2009).
Влияние основных пигментов на спектр поглощения растительности
Пигменты поглощают излучение на определенных длинах волн, уменьшая коэффициент отражения. Chl a и Chl b в диэтиловом эфире имеют узкие полосы поглощения (рис. 1а) в синей (около 428 и 453 нм) и красной (около 661 и 642 нм) областях спектра (Ustin et al., 2009; Wrolstad, 2000). Для Car характерна широкая полоса поглощения с тремя максимумами в синей области спектра в диапазоне 400—500 нм (рис. 1б). Все Anth содержат две отличительные полосы поглощения (рис. 1в) — одну в ультрафиолетовой (260— 280 нм) и другую в сине-зеленой областях спектра (490-550 нм) (Wrolstad, 2000).
Биофизические и биохимические источники изменчивости спектра отражен
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.