ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 2, с. 89-96
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ^^^^^^^^^^ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
УДК 528.88.551.481.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАЗЕМНЫХ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ РАЗВИТИЯ АГРОНОМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
© 2007 г. В. Г. Сурин*, В. Л. Баденко**, С. Г. Слинчук*
*Агрофизический научно-исследовательский институт РАСХН, Санкт-Петербург **Государственный политехнический университет, Санкт-Петербург *Тел. (812) 771-72-01; е-mail: Iananyev@agrophys.ru **Тел. (812) 535-46-10; e-mail: badenko@cef.spbstu.ru Поступила в редакцию 22.02.2006 г.
Определена сеть тестовых участков (полигонов) в пределах Ленинградской области, которые планируется использовать для решения задач аэрокосмического мониторинга агрономических экосистем. В их числе специализированный полигон в пос. Меньково, где проходят испытания новые средства измерений и отрабатываются методики и технологии решения практических задач. Приведены результаты исследования отражательных характеристик окультуренных почв этого участка прецизионным спектрофотометром ПИФ-М. Полученные данные согласуются со стандартными справочными. Установлены корреляционные связи между коэффициентами отражения и содержанием органического вещества в поверхностном слое почвы. Построены градуировочные характеристики, связывающие вегетационный индекс, определенный этим спектрофотометром, с содержанием органического вещества.
ВВЕДЕНИЕ
Мониторинг состояния земных покровов аэрокосмическими средствами в качестве одного из своих этапов включает в себя разработку методов дистанционного эталонирования с помощью комплексных подспутниковых экспериментов. Дистанционные исследования экосистем в видимой, ближней инфракрасной, тепловой и микроволновой областях спектра связаны с определением характеристик почвы, прежде всего с содержанием в ней органического вещества (гумуса), а также с биофизическими параметрами растительности -биомассой, листовым индексом, проективным покрытием. Необходимы специальные алгоритмы (модели), с помощью которых по результатам дистанционных исследований (измерений) осуществляется переход к предметным показателям. Входные параметры для этих моделей формируются на основе данных, получаемых на специально оборудованных для этой цели тестовых участках. Наиболее эффективно эти задачи решаются при совместном использовании результатов дистанционных и наземных наблюдений в едином цикле: дистанционные площадные измерения - наземная заверка и расшифровка данных для ключевых (тестовых) участков с последующей интерполяцией (экстраполяцией) на все исследуемые участки.
Специфической чертой космических сенсоров является также необходимость их периодических поверок вследствие воздействия факторов космического полета и изменений характеристики оп-
тических элементов и электронного тракта. Поэтому требуется разработка специальных методов и средств контроля аппаратуры непосредственно в условиях ее эксплуатации. Наиболее эффективно такой контроль производится по наземным объектам, характеристики которых должны быть известны с приемлемой точностью [1, 2].
Принцип выбора тестовых участков
При выборе тестовых объектов, как правило, руководствуются определенными условиями. Объект должен быть однороден по пространственному распределению измеряемой величины, например, по отражательным характеристикам. При использовании различных объектов в качестве тестовых немаловажное практическое значение имеют их доступность и распространенность в различных географических зонах. Большое значение имеет геометрическая форма объектов, что позволяет легко идентифицировать их по космическим снимкам. Этим требованиям в значительной степени удовлетворяют сельскохозяйственные объекты. Важно также обеспечить полный набор тестовых участков, который включает три их вида: калибровочные, проверочные и экстраполяционные, - по которым может быть обеспечена максимальная эффективность дешифрирования дистанционных данных [3].
Калибровочные участки должны обеспечивать достаточную статистическую выборку описания
Рис. 1. Тестовые участки на Landsat-cцeнe Д7 х 185018 _01820010505: 1 - "Труд"; 2 - "Гомонтово"; 3 - "Кипень"; 4 -"Суйда"; 5 - "Меньково"; 6 - 'Тождественно"; 7 - "Детскосельский"; 8 - "Тедьмана" 9; - "Ленсоветовский"; 10 - "Шу-шары"; 11 - "Ручьи"; 12 - "Тарасово"; 13 - "Житково"; 14 - "Первомайское".
Л ^ i
: V. л? 12
Санкт - Петербург
я vt
9
10 8 7
Jt * Jjfiici'
4
v-j^SMf
91 лшяВЯи - $ ИЙИ^ЙГ §2
дистанционной информации. Это, как правило, 4060 пикселов на каждый объект (дешифрируемый класс). Проверочные участки предназначаются для того, чтобы обеспечить оценку точности и применимости статистических моделей, полученных на калибровочных участках в пределах одной и той же площади, в пределах одного и того же района. Экс-траполяционные участки выбираются для того, чтобы определить, могут ли модели, разработанные по первым двум участкам, быть применимы в другом районе, отдаленном от них.
Цель работы состояла в том, чтобы: 1) выбрать набор ключевых участков в пределах Ленинградской области, удовлетворяющих сформулированным выше требованиям; 2) исследовать возможности применения полевого спектрофотометра ПИФ, разработанного в Государственном оптическом институте (ГОИ им.С.И. Вавилова), для определения содержания органического вещества почв в обеспечение полигонных исследований.
Характеристики полигонов. Сельскохозяйственный тип землепользования является важнейшим в
Ленинградской области. Для мониторинга изменений, происходящих на сельхозугодьях, используются сенсоры высокого разрешения, такие как установленные на ИСЗ Landsat, Spot, IRS. Для формирования сети полигонов нами были выбраны 14 типичных сельскохозяйственных предприятий таким образом, чтобы они входили в стандартную сцену сенсора Landsat-7 (см. рис. 1).
Тестовые участки имеют площади от 600 до 3000 га. Их почвенно-климатические и другие характеристики различны. Так, например, вегетационный период для самого северного хозяйства "Первомайское" короче на две недели, чем для самого южного - 'Тождественно". Из-за различия климатических условий прослеживается разная сезонная динамика, оптические характеристики их также различаются [4, 5].
Близость к городу некоторых из указанных участков позволяет проводить регулярные наблюдения антропогенного влияние мегаполиса Санкт-Петербург на состояние этих агроэкосистем.
В настоящее время для всех рассматриваемых тестовых участков создана точная простран-
ственная база данных в среде географической информационной системы БД ГИС. Она содержит следующую информацию о сельскохозяйственных полях - тип почвы, механический состав, содержание основных биогенных элементов (фосфор, калий, азот) и гумус, кислотность, глубину пахотного слоя и другую. Для обследования полей и наполнения БД ГИС разработаны технологии, включающие применение мобильного комплекса по отбору почвенных проб, оборудованного дифференциальным приемником спутникового позиционирования. Севообороты на тестовых участках включают типичные для Северо-Запада России культуры - рожь, овес, а также, овощные и кормовые культуры.
Базовым тестовым участком, на котором происходят апробация и тестирование разрабатываемых методик, является Меньковская опытная станция (МОС) Агрофизического НИИ. Этот участок является полигоном-стационаром. Он расположен в 70 км к Югу от Санкт-Петербурга на водосборе рек Суйда и Оредеж с координатами 30°1'45" в.д., 59°25'44" с.ш. Среднее возвышение составляет 113 м над уровнем моря. Подстилающие породы в основном песчаники. На полях МОС присутствует 10 типов почв, характерных для Северо-Запада России, - дерново-подзолистые, торфяные, аллювиальные и их комбинации. Площадь полей -около 600 га. Посев и уборка выращиваемых культур осуществляются с использованием техники, оборудованной специальной аппаратурой, позволяющей учитывать и определять пространственную неоднородность почвенных характеристик и урожая. Проводимые с 2003 г. детальные исследования, в том числе с помощью мобильного комплекса по отбору почвенных проб, позволили сформировать уникальную БД ГИС по полям МОС. На ее основе проводится анализ связей почвенно-климатических характеристик и применяемых агротехнологий с получаемыми урожаями. Проводятся методические работы с использованием космической информации [6].
С целью наиболее полной расшифровки дистанционных данных здесь планируется поставить долгосрочные балансовые опыты с фиксацией радиационного, теплового, водного балансов и баланса элементов питания и органического вещества. Эти работы вписываются в ряд международных проектов, направленных на создание единого европейского научного пространства, а также, соответствуют задачам программы GOFC-COLD (Global Observation of Forest and Land Cover Dynamics).
ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Полевой импульсный спектрофотометр (ПИФ-М), использованный в настоящей работе, позволяет
проводить измерения в относительно широких спектральных каналах, специальным образом подобранных с тем, чтобы исследовать и идентифицировать основные биофизические процессы, происходящие в растениях при воздействиях на них природных и антропогенных факторов. Каналы включают видимую и ближнюю ИК-области спектра: 1 - 0.38-0.63; 2 - 0.63-0.8; 3 - 0.8-1.0 и 4 - 1.01.75 мкм. Измеряемой величиной является коэффициент отражения, определяемый in situ с повышенной точностью. ПИФ-М имеет встроенный, стабилизированный источник света, что дает возможность проводить измерения при любых погодных условиях и в любое время суток. Его излучение отвечает фотометрическому стандарту -источник "А" с цветовой коррелированной температурой Тц = 2856 К [7]. Отмеченная особенность открывает уникальную возможность сформировать, используя ПИФ, базу полевых спектральных данных, опирающуюся на стадартные условия и высокоточные измерения. До сих пор этого не было сделано по той причине, что показания серийных полевых спектрофотометров, использующих в качестве источника освещения солнечный свет, существенно зависят от условий освещения и наблюдения.
Спектрофотометр ПИФ-М широко ис
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.