ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 1, с. 60-70
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ СПУТНИКОВЫХ СЪЕМОК ДЛЯ АНАЛИЗА ЗНАЧЕНИЙ ХЛОРОФИЛЛЬНОГО ИНДЕКСА ТУНДРОВЫХ ФИТОЦЕНОЗОВ
© 2013 г. В. В. Елсаков
Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук, Сыктывкар
E-mail: elsakov@ib.komisc.ru Поступила в редакцию 23.04.2012 г.
В работе рассмотрены возможности использования материалов спектрозональных спутниковых съемок для анализа временных изменений и широтных особенностей распределения значений хлоро-филльного индекса в доминирующих фитоценозах тундровой зоны. Для модельного участка южных гипоарктических тундр среднее значение показателя составило 6.4 кг/га. На основании привлечения материалов съемки MODIS показаны географические закономерности распределения показателя и выявлены участки, связанные с существенными изменениями в результате климатических флуктуа-ций последних десятилетий.
Ключевые слова: хлорофилльный индекс, материалы спектрозональных спутниковых съемок, климатические флуктуации
DOI: 10.7868/S0205961413010016
ВВЕДЕНИЕ
Растительный покров является основным звеном биогеоценоза, обеспечивая сток СО2 за счет фотосинтетической аккумуляции, и определяет продуктивность экосистем, для оценки которой привлекаются газометрические, весовые, а в последнее время и дистанционные методы исследований. Основные оптические свойства фитоце-нозов, во многом определяемые суммарным накоплением пигментов в надземной фитомассе растений разных жизненных форм, активно используются для выделения доминирующих контуров растительного покрова (классификации), количественной оценки сезонного развития растений, выявления сукцессионных смен растительности или ее деградации.
Серии работ, выполненные в фитоценозах различных регионов (Prince, Goward, 1995; Raynolds et al., 2006; Puma et al., 2007; Huemmrich et al., 2010 и др.), демонстрируют наличие тесной коррелятивной связи между объемами поглощенной/отраженной растительным покровом энергии в диапазонах красного и ближнего ИК-излучения, поглощенной фотосинтетически активной радиацией (APAR) и продуктивностью сообществ. Все это позволяет рассматривать спектральные показатели в качестве основы для расчета количественных величин, отражающих запас пигментов и интенсивность фотосинтетически обусловленных
СО2-потоков, а их сезонную вариабельность — как показатель продуктивности.
В качестве показателя проективного содержания зеленых пигментов в фитоценозах введена и широко используется величина хлорофилльного индекса (ХИ, кг/га). Для различных сообществ ботанико-географических зон России отмечена положительная корреляция между годичным фотосинтетическим стоком углерода, продуктивностью сообществ и проективным содержанием хлорофилла (Воронин и др., 1995). Поэтому анализ пространственно-временных закономерностей распределения индекса позволит выявить влияние ландшафтных, географических и сезонных условий на объемы фотосинтетического связывания углерода растительными сообществами и их продуктивность.
Использование спектральных вегетационных индексов для дистанционной оценки характеристик растительного покрова связано с существенными преимуществами ввиду их меньшей зависимости от изменений яркости почв, геометрических условий освещения и наблюдения, прозрачности атмосферы (Виноградов, 1984) и может рассматриваться как интегральный показатель фотосинтетической активности наземной растительности в связи с положительной корреляцией этих показателей
VI = /(ХИ, РАЯ)е, (1)
где ХИ — проективный запас хлорофилла в растительном покрове участка; PAR — поглощенная растительным покровом фотосинтетически активная радиация; s — коэффициент, зависящий от структурных особенностей растительных сообществ, условий съемки и состояния атмосферы. Наиболее широко среди используемых спектро-зональных индексов привлекается нормализованный разностный индекс состояния растительного покрова (NDVI, Normalized Difference Vegetation Index). Расчет показателя выполняется как нормализованная разность яркости элементов изображения (пикселов) в видимом красном диапазоне (0.6—0.7 мкм, максимум поглощения фи-томассой) и ближнем ИК (0.7—1.0 мкм, максимум отражения), что позволяет рассматривать NDVI как интегральный показатель фотосинтетической активности наземной растительности
NDVI = (NIR - RED)/(NIR + RED), (2)
где NIR — отражение в ближней ИК-области спектра; RED - отражение в красной области спектра. Несмотря на основную роль хлорофилла в формировании спектральных свойств фитоценозов, большинство исследований, направленных на анализ распределения ХИ по спутниковым данным, в настоящее время связано с оценкой концентрации хлорофилла в водных экосистемах (Копелевич идр., 2006). Для наземных сообществ работы выполнялись преимущественно в моновидовых искусственных агроценозах (Сидько, Шевырногов, 1998; Gitelson et al., 2012; Peng et al., 2011). Чаще всего переход от спектральных показателей к физическим величинам характеристик фитоценозов проводится через показатель индекса листовой поверхности (LAI). Высокая корреляция между проективным содержанием хлорофилла и запасом надземной фотосинтетически активной фитомас-сы (Tieszen, Johnson, 1968), позволяет привлекать спектрозональные изображения и для оценки запаса надземной фитомассы различных регионов:
ХИ = £ (PPhc)n, (3)
где PPh — биомасса автотрофных органов отдельных форм растений на единице площади; с — средняя концентрация хлорофилла в растениях. При выполнении подобных оценок требуется учитывать структурные особенности фитоцено-зов и спектр доминирующих жизненных форм их составляющих. Для сообществ, имеющих ярусную структуру или высокие значения надземной фитомассы, коррелятивные связи между показателями ослабевают (Голубятников, Денисеко, 2006). В большей степени данные зависимости прослеживаются в тундровой зоне, что связано с упрощением вертикальной структуры сообществ, снижением общего проективного покрытия, большим участием мхов и лишайников (Bliss, Matveyeva, 1992). Так, между величинами NDVI и
надземной фитомассой (г/м2) для циркумполярной области (по съемке AVHRR) зависимость представлена в виде экспоненциальных функций (Epstein et al., 2009; Raynolds et al., 2006; Walker et al., 2003). Для приморских лугов европейского северо-востока России, с упрощенной структурой сообществ и доминированием однолетних травянистых псаммофитов, зависимость имеет линейный вид (Елсаков, Щанов, 2005).
В настоящей работе нами рассмотрены возможности использования данных спектрозональ-ных съемок для оценки распределения и анализа пространственно-временных изменений показателя ХИ в пределах различных фитоценозов территории Севера Евразии.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Использование материалов спутниковых спектрозональных съемок сверхвысокого разрешения QuickBird (разрешение 2.44 м) для середины вегетационного периода (06.07.2007 г.) позволило выполнить анализ коррелятивной связи спектральных показателей и величин запаса хлорофилла. Запасы хлорофилла в тундровых сообществах оценивали по данным литературных источников (Tieszen, Johnson, 1968; Шмакова, 2006; Шмакова, Кудрявцева, 2002).
В качестве модельного участка рассматривали тундровые сообщества и редколесья территории восточной части Большеземельской тундры (67°00 '—67°06 ' с.ш., 54°46 '—57°00 ' в.д.). После выполнения геометрической коррекции и радиометрической калибровки для модельного участка была выполнена управляемая классификация с выделением доминирующих классов фитоцено-зов, проведен расчет средних для выделенного класса значений индекса NDVI.
Дополнительно для даты съемки в пределах модельного участка проводились измерения СО2-по-токов методами полевой газометрии с использованием ИК-газоанализатора 0^^6200 (Небраска, США) (Елсаков, Марущак, 2011). Полученные результаты стали основой для выявления коррелятивных связей между величинами первичной продукции (GPP), NDVI и рассчитанными значениями ХИ.
Отсутствие достаточного количества разносе-зонных съемок QuickBird, их относительно высокая стоимость и редкая повторность диктуют необходимость привлечения для выполнения межгодовых и сезонных оценок изменений количественных показателей фитоценозов более доступных, но имеющих более низкое пространственное разрешение сенсоров. Для таких оценок в настоящее время широко привлекаются материалы более часто выполняемой съемки Landsat (Cohen, Goward, 2004), выполненной в идентичных спек-
тральных диапазонах (0.63—0.69 и 0.76—0.90 мкм), но с более низким пространственным разрешением (30 м). В ходе выполнения исследований был проведен анализ сопоставимости данных съемок сенсоров различного разрешения для одного периода наблюдений. Полученные после классификации сцен QuickBird контуры растительности использовали для выделения однородных по составу пикселов на сцене Landsat и анализа межгодовых изменений ХИ для доминирующих классов растительности. Пиксел считался однородным по классу, если 80% пространства пиксела составлял один класс земной поверхности по более высокому разрешению.
Вариабельность показателя проективного содержания хлорофилла в различные по погодным условиям годы демонстрирует возможность выявления и анализа трендов флуктуаций показателя для исследуемой территории. Особенности распределения индекса ХИ и его изменения в пределах отдельных географических зон на региональном уровне наблюдали, используя данные съемки спутника Тегга-МООК (М0Э^1.005) с пространственным разрешением 0.25 км за период 2000—2011 гг. (источник данных: modis.gsfc. nasa.gov). Несмотря на снижение пространственного разрешения, использование материалов среднего разрешения, с одной стороны, устраняет шумы, вызванные влиянием микро- и мезорельефа, а их высокая временная повторность (2 раза в сутки) позволяет снизить влияние облачности. Алгоритм выполнения работы включал: 1) предварительную подготовку базы данных индекса N0^ по 16-дневным временным композитам (максимальные величины показателя за данный период), отбор наибольших значений показателя для каждого года наблюдений ^ПУ1МАХ)
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.