ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
ИЗУЧЕНИЕ ХЛОРОФИЛЛЬНОГО ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ПОСЕВОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР ЮГА КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ И РЕСПУБЛИКИ ХАКАСИЯ СПУТНИКОВЫМИ МЕТОДАМИ © 2012 г. И. Ю. Ботвич1*, А. Ф. Сидько1, Т. И. Письман1, 2, А. П. Шевырногов1, 2
Учреждение Российской академии наук Институт биофизики Сибирского отделения РАН, Красноярск
2Сибирский федеральный университет, Красноярск *E-mail: irina.pugacheva@mail.ru Поступила в редакцию 28.06.2011 г.
Представлена новая методика оценки потенциальной урожайности посевов с.-х. культур на основе использования хлорофилльного фотосинтетического потенциала (ХФСП), вычисляемого по спутниковым данным. ХФСП определяется концентрацией пигментов (в основном хлорофилла и каро-тиноидов) и внутренней структурой тканей растений. Величина параметра ХФСП рассчитывается как площадь треугольника, координатами вершин которого являются значения спектрального отражения в зеленом, красном и ближнем инфракрасном каналах, и средние значения длин волн в соответствующих каналах. Проведено изучение ХФСП с.-х. культур в течение вегетационного периода по спутниковым данным среднего и высокого пространственного разрешения (MODIS/Terra и Landsat 7 ETM+). Определена степень взаимосвязи ХФСП и урожайности культур. Полученные спутниковые оценки хорошо согласуются с наземными наблюдениями.
Ключевые слова: хлорофилльный фотосинтетический потенциал, спутниковые данные, сельскохозяйственные культуры
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшими задачами спутникового мониторинга растительных покровов суши являются: идентификация с.-х. угодий, определение их видового состава (Foody, Cox, 1994; Erol, Akdeniz, 1996; Grignetti et al., 1997) и морфофизиологических характеристик растений (Терехов, 2011; Huete, 1986; Roberts et al., 1993; Pax-Lenney, Woodcock, 1997; MacDonald, Hall, 1980; Clevers, 1997). Съемки из космоса не только дают возможность улучшить сбор с.-х. статистики, повышая точность, однородность, объективность и частоту наблюдений, но и существенно усовершенствовать методы оперативного наблюдения, контроля за состоянием посевов и прогноза урожая (Шевырногов и др., 1996; Santhosh et al., 2003; Султангазин и др., 2004; Gitelson et al., 2005; Барталев и др., 2006).
Отражательная способность растительных покровов несет в себе значительный объем информации о физиологическом состоянии растений. Так, например, интенсивность и спектральный состав света, отраженного растительным покровом, несут информацию о пигментном и видовом составе, влажности растений, состоянии поверхности и архитектонике фитоэлементов. Наибольший вклад в формирование спектрального порт-
рета растительного покрова вносят зеленые пигменты — хлорофиллы. Известно, что до 95% вариаций значений спектральных коэффициентов яркости (СКЯ) растительного покрова в видимом диапазоне является следствием изменения содержания хлорофилла. На долю каротиноидов приходится от 10 до 20% лучистой энергии, поглощенной всеми пигментами, содержащимися в растениях. Отсюда следует, что оценка связей между содержанием хлорофилла и значениями СКЯ растительного покрова имеет практическое значение как для развития методов дистанционного зондирования (ДЗ), так и для детальной интерпретации получаемых дистанционных данных при исследовании урожайности растений (Sid'ko, Shevyrnogov, 2000; Сидько, 1997, 2004; Sidko, 2004).
Ранее для поиска количественной взаимосвязи между СКЯ с.-х. посевов и концентрацией хлоро-филла-а в листьях верхнего яруса растений было предложено использовать величину хлорофилльного фотосинтетического потенциала (ХФСП) растений (Сидько, Шевырногов, 1998; Сидько, 2003; Sid'ko, 2004). Предложенный оптический дистанционный метод определения ХФСП основывался на данных полевых наземных измерений СКЯ.
35
30 -
25 -
О 20
15 -
10 -
400 450 500 550 600 650 680
Длина волны, нм
730 780 820
Рис. 1. Зависимость СКЯ посева пшеницы от длины волны.
5
В настоящей работе представлены результаты оценки возможности определения урожайности посевов с.-х. культур на основе изучения ХФСП, рассчитанного по спутниковым данным.
В ходе исследования были решены следующие задачи:
— на основе метода расчета величины ХФСП по наземным спектрофотометрическим данным модифицирован метод для расчета величины ХФСП по спутниковым материалам;
— проведено исследование ХФСП посевов с.-х. культур по спутниковым данным среднего и высокого пространственного разрешения (МОЭК/Тег-га и Ьапё8а1 7 ЕТМ+) в течение вегетационного периода;
— установлена степень взаимосвязи ХФСП аг-роценозов и их урожайностью.
МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В результате проведенных ранее полевых исследований (Шевырногов и др., 1996; Сидько, Шевырногов, 1998; 81ё'ко, 8Иеуугпо§оу, 2000; 8Иеуугпо§оу е! а1., 2000; Сидько, 2003, 2004) СКЯ посевов с.-х. культур было установлено, что существует возможность оценки концентрации хлоро-филла-а в растениях и урожайности посевов по значениям СКЯ растений через параметр S—хло-рофилльный фотосинтетический потенциал. Величина хлорофилльного фотосинтетического по-
тенциала (ХФСП) зависит прежде всего от величины поглощенного растениями света в области красной полосы поглощения хлорофилла (Хмах = 680 нм) в течение вегетационного периода растений (рис. 1). ХФСП наиболее полно отражает взаимосвязь СКЯ с физиологическими и биометрическими параметрами растений. Разработчиками было предложено производить расчет параметра ХФСП по площади "хлорофилльного провала" в интервале длин волн от 550 нм (зеленая область спектра) до 730 нм (ближняя ИК-область спектра), используя следующую формулу:
730
5 = 90 (Р730 () + Р550 ()) - | р
550
где р550 и р730 — значения СКЯ при X = 550 и X = = 730 нм (при Хтах = 680 нм); ? — границы временного интервала.
Методы изучения отражательной способности растительных объектов по данным наземных спектрофотометрических измерений существенно отличаются от методов, основанных на данных спутниковых измерений. Причиной этого являются изменение оптической толщины атмосферы, облачность, изменение угла визирования сканера, изменение высоты Солнца и т.п. С учетом особенностей спектрального разрешения прибо-
ров ETM+ спутника Landsat 7 и MODIS спутника Terra, для изучения значений ХФСП посевов с.-х. культур используются следующие спектральные диапазоны:
— для MODIS/Terra (при необходимости получения информации с пространственным разрешением 250 м) рекомендуется использовать следующие каналы:
4 канал: 545—565 нм (зеленая область спектра),
1 канал: 620—670 нм (красная область спектра),
2 канал: 841—876 нм (ближняя ИК-область спектра);
— для Landsat 7 ETM+ (пространственное разрешение 30 м):
2 канал: 525—605 нм (зеленая область спектра),
3 канал: 630—690 нм (красная область спектра),
4 канал: 750—900 нм (ближняя ИК-область спектра).
В качестве тестовых участков выбраны с.-х. поля, засеянные пшеницей (Triticum aestivum L.), гречихой (Fagopyrum esculentum) и овсом (Avena sativa L.). Посевы пшеницы и гречихи расположены на территории Минусинского района Красноярского края, посевы овса — на территории Алтайского района республики Хакасия. Выбор этих объектов обусловлен следующими факторами: пшеница, гречиха и овес являются основными культурами, высеваемыми и культивируемыми на большей территории нашей страны. Они к настоящему времени достаточно хорошо изучены с физиологической и биологической точки зрения. Агрофитоценозы изучались на стационарных площадках (общая площадь 5.3 тыс. га) стандартными геоботаническими методами в течение вегетационного сезона 2006 г. (Жукова и др., 2009). Для определения сырой надземной биомассы отбирались пробы для взвешивания с площадок 1 х 1 м2 в трех-пятикратной повторности. Координаты участков зарегистрированы с помощью GPS-навигатора.
Чтобы охватить весь период вегетации с.-х. полей на территории Красноярского края и республики Хакасия, использовались снимки MO-DIS/Terra за период с 10 июня по 10 сентября 2006 г. Особенностью 2006 г. является более позднее начало вегетации растений по сравнению со среднестатистическими показателями для данной территории. Переход среднесуточной температуры воздуха через 5°С наблюдался с 23 апреля, и запаздывание составило приблизительно 14—16 дней.
Для изучения значения ХФСП по спутниковым данным высокого пространственного разрешения, а также для географической привязки тестовых участков использовались спутниковые
данные, полученные Landsat 7 ETM+ 2 сентября 2006 г.
Обработка спутниковых снимков проводилась с помощью программного обеспечения ENVI. Статистическая обработка полученных данных, а также их визуализация (построение графиков), производились в программе Statistica. Для оценки силы связи между изучаемыми параметрами использовался коэффициент корреляция Пирсона.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА СНИМКОВ
Предварительная обработка спутниковых снимков Modis/Terra
Предварительная обработка спутниковых снимков MODIS/Terra проводилась поэтапно. С помощью программы MODIS Reprojection Tool производилось преобразование проекции снимков M0D09GQK и M0D09GHK, из Sinusoidal projection в Universal Transverse Mercator (UTM). В продуктах M0D09 (Surface Reflectance) предоставляются ежедневные данные об отражательной способности земной поверхности. Данные продуктов MOD09 имеют уровень обработки L2G, т.е. выполнены радиометрическая калибровка снимков, радиометрическая коррекция влияния атмосферы. Продукты MOD09 производятся командой "NASA MODIS MODLAND Science Team" и находятся в свободном доступе по адресу http://modis.gsfc.nasa.gov/.
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. Для детектирования облачного покрова и теней от облаков (построения масок) использовался метод, разработанный Бар-талевым и др. (Барталев и др., 2006). Полученные маски позволяют исключить из анализа пикселы облаков, теней от облаков, лежащие на границе облачн
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.