ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 2, с. 3-11
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
СПЕКТРАЛЬНО-ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА НА ТЕРРИТОРИИ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ ПО НАЗЕМНЫМ ДИСТАНЦИОННЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ
© 2013 г. А. Ф. Сидько1, 2*, И. Ю. Ботвич1, 2, Т. И. Письман1, А. П. Шевырногов1
Институт биофизики СО РАН, Красноярск 2Сибирский федеральный университет, Красноярск *Е-таП: Sidko@ibp.krasn.ru Поступила в редакцию 21.06.2012 г.
Представлены результаты исследования отражательных и спектрально-поляризованных характеристик лесных древостоев, посевов с.-х. культур, полученных в полевых условиях. Установлено, что минимум яркости посевов приходится на углы 25°—30° относительно надира. Показано, что хвойные и лиственные древостои обладают схожими спектрами отражения поляризованного света. При этом у всех хвойных древостоев поляризованная составляющая будет меньше, чем у лиственных. Показано, что у широколиственных посевов с.-х. культур (кукуруза) поляризованная составляющая оказывает большее влияние на отражательную способность в красной и ИК-областях спектра.
Ключевые слова: спектрально-поляризованные характеристики, сельскохозяйственные культуры, лиственные и хвойные древостои, коэффициент спектральной яркости, поляризация
Б01: 10.7868/80205961413020115
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшей задачей спутникового мониторинга растительных ценозов суши и развития наземных дистанционных оптических методов являются методические разработки идентификации с.-х. (сельскохозяйственных) угодий, определение видового состава растительности и оценка морфофизиологических характеристик растений (Козодеров и др., 2008; Черепанов, Дружинина, 2009; Окекоп й а1., 2005; 8иоша1атеп й а1., 2009). Развитие средств космического мониторинга посевов с.-х. культур, хвойных и лиственных древостоев дает возможность улучшить сбор и получение спектрофотометрической информации с последующей качественной и количественной интерпретацией экспериментального материала (Козодеров и др., 2008; Черепанов, Дружинина, 2009).
Отражательная способность растительных покровов (РП) несет в себе значительный объем информации о морфофизиологическом состоянии растений. Интенсивность зеркально отраженного солнечного света от РП часто настолько велика, что покровы, наблюдаемые в направлении на Солнце, кажутся белесыми, а не зелеными (УпёегЪШ е! а1., 1985а). Из закона Френеля следует, что свет, отраженный гладкими поверхностями листьев растений, является поляризованным.
Величина поляризованной составляющей существенно зависит от угла падения света на поверхность листа, показателей преломления воскового слоя и шероховатости его поверхности (Розенберг, 1985; Кизель, 1973; Выгодская, Горшкова, 1987; УапёегЪШ е! а1., 1985а). Данная информация зависит от вида растительности, она потенциально связана с морфофизиологическим состоянием и стадией развития РП. Поляризационные измерения являются потенциальным источником полезной информации о состоянии растительности посевов с.-х. культур при спутниковых измерениях.
Данные исследования позволят определять взаимосвязь спектрофотометрических характеристик растительности с параметрами, характеризующими их состояние, в том числе по морфо-физиологической структуре посевов с.-х. культур в различные периоды вегетации.
Настоящая статья посвящена исследованию спектрально-поляризованных характеристик лесных сообществ и с.-х. посевов для оценки возможности применения наземных дистанционных методов при анализе оптической информации отраженного и поляризованного света.
Рис. 1. Дистанционная регистрация спектральных коэффициентов яркости растительных покровов (посевов) спектрофотометром, установленным в корзине автовышки.
МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования по оценке отраженного и поляризованного света лесных сообществ и с.-х. посевов проводились нами в центральных и южных районах Красноярского края. В качестве основных растительных объектов исследования использовались: хвойные и лиственные древостои, посевы пшеницы (Triticum acstivum) и кукурузы (Zea mays L. ssp. mays). Площади фотометрируе-мых участков составляли от 200 га и более. Регистрация отражательной способности РП проводилась в полевых натурных условиях (рис. 1). На рис. 1 представлен общий вид, а на рис. 2 — оптическая схема регистрации спектрально-поляри-зованных характеристик РП.
Регистрация поляризованных спектров яркости РП (СКЯ) проводилась нами с автовышки с высот от 10 до 18 м в ясную безоблачную погоду двулучевым спектрофотометром ПДСФ. Для получения поляризованных спектров на канал измерения надевалась вращающаяся на 360° насадка (с поляроидом) с делением по градусам (через 2°) по методике, описанной ранее (Сидько, 2003; Sid'ko, Shevyrnogov, 2000; Sid'ko, 2004). В качестве эталона сравнения использовалась свеженапы-ленная алюминиевая площадка (1 м2), покрытая окисью магния (MgO) (рис. 1, 2). Данный эталон обладает наилучшими фотометрическими отражающими свойствами и наиболее полно отвечает условиям ортотропных поверхностей, что способствует получению наиболее точных значений
СКЯ исследуемых объектов в полевых условиях. Он ортотропен и обладает косинусной характеристикой при высотах Солнца h0 > 25°. Измерение спектров производилось в спектральном диапазоне от 400 нм до 850 нм со спектральным разрешением ±2 нм. Угол регистрации объектов составлял 20°—30° от надира. Для получения более полной картины о распределении СКЯ по исследуемому объекту регистрировали от 20 до 30 спектров, по которым рассчитывались средние значения.
Геометрия РП очень сложна и практически не поддается точному математическому описанию, однако было установлено, что для оценки их отражательных свойств особо важны три физических параметра: индекс листовой поверхности (LAI), проективное покрытие (LAD) и угловое распределение листьев. Оптические свойства РП определяются отражательной и поглощательной способностью фитоэлементов растений (стебли, листья, хвоя), а также их наземной растительной массой (Выгодская, Горшкова, 1987; Vanderbilt et al., 1985a; Xinli Hu, 2009). В общем случае оптические свойства РП определяются следующими пятью физическими факторами:
1) оптическими свойствами листа;
2) геометрией покрова (LAI) и угловым распределением фитоэлементов;
3) отражательной способностью почвы;
4) углом освещения и визирования;
Рис. 2. Оптическая схема регистрации спектрально-поляризованных характеристик РП.
Солнце
5) атмосферным пропусканием солнечного излучения.
Листовой индекс LAI (м2/м2), или относительная поверхность растительного ценоза определяется отношением суммарной односторонней площади листьев растения к площади почвы, занятой этим растением (Выгодская, Горшкова, 1987)
LAI = kldN,
где l — длина листа; d — наибольшая ширина листа; k — коэффициент пропорциональности, определенный экспериментально для листьев данной культуры, N — количество листьев растений, отнесенных к единице площади почвы. При регистрации спектров яркости поляризованной составляющей и неполяризованной составляющей СКЯ для хвойных и лиственных древостоев площадь фото-метрируемого покрова LAI составляла 0.7—0.8 м2, а для посевов и травостоев 1.2—1.3 м2.
Проективное покрытие (В) или сомкнутость покрова (LAD) определяется как доля почвы, закрытая растительностью при вертикальном наблюдении (в надир), которая существенно зависит от листового индекса растений и углового распределения фитоэлементов. В общем виде В определяется из соотношения для доли просветов фитоэлементов растений относительно почвы
В = 1 _ е1-1/В-(О/соь(]))
где Б — относительная дисперсия — параметр, характеризующий тип размещения фитоэлементов в пространстве; ] — угол визирования; О — интегральная функция распределения углов наклона фитоэлементов.
Как уже отмечалось, коэффициент проективного покрытия тесно связан с угловым распределением фитоэлементов растений, а, следовательно, существенно влияет на индикатрису отражения от растительного покрова в целом. Поскольку коэффициент яркости системы почва-растительность зависит от величины наземной растительной массы, то форма индикатрисы тоже зависит от растительной массы, и каждый вид растений характеризуется собственным семейством индикатрис (диаграмм) яркостей (Выгодская, Горшкова, 1987).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
Исследование отражательных свойств растительности
Ранее проведенные исследования показали, что РП с различной архитектоникой, структурой фи-тоэлементов и различными оптическими свойствами листа должны иметь различную угловую зависимость СКЯ от угла визирования (81ё'ко, 8Иеуугпо§оу, 2000; Сидько, 2008; Ри§аеИеуа, 2010).
. В0 1ё ВО
1
2
400
500
600
700
800 нм
Рис. 3. Спектры коэффициентов яркости посева ячменя в стадии всходов в зависимости от угла визирования: 1 - 70°—75°; 2 - 60°-70°; 3 - 25°-30°; 4 - 0° от надира; 5 - почва у края поля.
1 Во 1ё в
0.5
0.9
1.3
1.7
400
500
600
700
800 1, нм
Рис. 4. Кривые СКЯ посева пшеницы в стадии кущения в зависимости от угла визирования: 1 - 70°-75° от надира; 2 - 50°-55°; 3 - 20°-15°; 4 - надир.
Измерения СКЯ, проведенные не в надир, показали, что они могут служить источником дополнительной информации по распознаванию и классификации растительности. Шероховатая, неровная поверхность верхней границы растений, взаимное экранирование и затенение фито-элементов внутри посева определяет максимум обратного рассеяния - обратный блеск и уменьшение яркости РП при увеличении угла между линией визирования и направлением падения солнечных лучей. Коэффициенты отражения фи-тоэлементов (листья, колосья) растений посева, как правило, превышают коэффициенты пропускания, и это проявляется в асимметрии углового распределения яркости посева в целом в сторону обратного отражения (обратный блеск) (рис. 3).
На рис. 3 представлены зависимость СКЯ посева ячменя от углов визирования в период всходов, когда высота растений не превышала 15 см. В этот период развития растения не полностью перекрывают почву. Результаты исследований показали, что на начальной стадии вегетации посева при наблюдении в надир сказывается влияние почвы
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.