Дослідження динаміки вегетаційних індексів для оцінювання стану сільськогосподарських культур на основі даних IRS-1D LISS-ІІІ

   С .С. Кохан

     Розробка та впровадження системи моніторингу природних ресурсів передбачає необхідність використання аерокосмічних засобів дистанційного зондування Землі. Їх першочергова роль полягає у забезпеченні об’єктивної інформації про екологічні умови, властивості, стан та просторову структуру ландшафтів, у тім числі сільськогосподарських, або агроландшафтів.

     Об’єктивна інформація про стан культур у визначальні періоди їх росту і розвитку необхідна для оптимального управління їх продукційним процесом та забезпечення фахівців прогнозними даними. Космічні системи набули широкого застосування в моніторингу агроресурсів у багатьох країнах світу. Задачі дистанційного моніторингу агроресурсів постійно розширюються із появою нових серій супутників та сенсорів.

    Широкого використання у дослідженнях агроресурсів набули дані, одержані за допомогою мультиспектральних сенсорів із супутників NOAA/AVHRR, Landsat 5 TM, Landsat 7/ETM+, Terra/Modis, Terra/Aster, SPOT-4, SPOT-5, IRS-1D, IRS-P6, RapidEye [5, 6, 20]. Зростають масштаби використання даних, одержаних на основі гіперспектральних сенсорів, що теж розширює спектр задач супутникового радіолокаційного моніторингу в сільському господарстві [3, 10, 14].

     Аналіз останніх досліджень та постановка проблеми. Використання даних дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) в аграрному секторі економіки та здійснення агромоніторингу дає можливість розробити інформаційну базу для прогнозування стану та розвитку галузі рослинництва, насамперед для визначення посівних площ, стану культур, кількісних і якісних змін посівів тощо. Разом з тим ефективне використання аерокосмічних даних також обов’язково передбачає застосування конкретних даних про характер об’єктів, одержаних наземними методами досліджень.

     До основних показників, що характеризують стан культур і які визначають у ході наземних обстежень, відносять: проективне покриття (ПП), висоту рослин, густоту посівів, надземну фітомасу рослин, ступінь пошкодження шкідниками та ураженість хворобами, які у свою чергу корелюються зі спектральними характеристиками посівів [1, 2, 7, 8, 18]. Оцінюються також параметри рослинності за даними вимірювання характеристик відбиття [4, 6, 9].

    Для визначення параметрів рослинності широко застосовують алгоритми, які ґрунтуються на регресійних залежностях між біометричними показниками культур у певні фази росту і розвитку та коефіцієнтом відбиття електромагнітної енергії. За спектральні параметри відбиття обирають вегетаційні індекси (ВІ). Так, особливості формування спектрального розподілу інтенсивності відбитого від рослинного покриву світла у видимому – середньому інфрачервоному діапазоні та вплив на нього внутрішніх і зовнішніх факторів свідчать про можливість використання характеристик спектрів відбиття як інформативної основи при розробленні моделей визначення фітометричних показників рослинності, кількості хлорофілу і т.д. [6]. Тому виявлення функціональних залежностей між характеристиками сільськогосподарських культур і даними дистанційних спектральних вимірювань, заснованих на одержанні похідних зображень і визначенні вегетаційних індексів відбиття, і є завданням даного дослідження. 

    Виклад основного матеріалу дослідження. Використання даних ДЗЗ при вивченні агроресурсів суттєво залежить від часу одержання знімків у мультиспектральному діапазоні, оскільки це пов’язано із настанням відповідних фаз росту і розвитку культур та зміною спектральних характеристик посівів протягом вегетаційного періоду. Для вирішення поставлених у дослідженні завдань використовувались космічні знімки із супутника IRS-1D LISS-ІІІ з просторовим розрізненням 23 м за весняно-літній період 2008 р. та матеріали наземних вимірювань, що проводились одночасно з космічними зніманнями. Місце досліджень – Маньківська державна сортовипробувальна станція в Черкаській області.

     Для попереднього оброблення знімків використано Erdas Imagine V.9.3, трансформування зображень і тематичного оброблення – Idrisi Taiga, статистичного опрацювання даних – програмне забезпечення STATISTICA 6. Порівняльний аналіз вегетаційних індексів здійснено в ході побудови єдиної шкали. Для порівняння та аналізу розрахункових значень ВІ по різночасовим знімкам проведено перетворення «сирих значень» (digital numbers, DN) у фізичні одиниці з використанням характеристик, наданих у файлі метаданих.

     При дослідженні використано три ВІ – індекс нормалізованої різниці (NDVI) та два індекси, що являють собою групу перпендикулярних індексів, – індекс зваженої різниці (WDVI) та перпендикулярний вегетаційний індекс (PVI1). Вибір індексів диктувався здатністю NDVI характеризувати густоту рослинного покриву, який давав змогу оцінювати схожість культур та обґрунтовувати продуктивність угідь, та властивостями перпендикулярних індексів характеризувати вплив яскравості ґрунту. Одержання перпендикулярних індексів передбачає знаходження ортогональної відстані від лінії, що представляє голий ґрунт, до точки, яка відповідає рослинності. При побудові регресійної залежності між відбиттям у червоній та інфрачервоній області значення відбиття для ґрунту, одержані мультиспектральним сканером, утворюють пряму лінію. Точки рослинності лежать поза лінією ґрунту – перпендикулярно до неї. Рівняння залежності має вигляд: NIR= g×RED + α, де α – перетин лінії ґрунту з віссю NIR (у даному випадку – це незалежна варіююча), g – нахил лінії ґрунту. Ці два параметри залежать від хімічного та мінералогічного складу ґрунту, вологості, вмісту органічної речовини.

     Так, вегетаційні індекси визначались за формулами:

NDVI= (ρNIR – ρRED)/(ρNIR + ρRED);                         (1)

 WDVI = ρNIR - g×ρRED;                                           (2)

                                                 1_                                         (3)

ρNIR– коефіцієнт яскравості у ближньому інфрачервоному діапазоні;

ρRED – коефіцієнт яскравості у червоному діапазоні;

g – нахил лінії ґрунту;

α – перетин лінії ґрунту;

NIR – значення спектрального відбиття у ближньому інфрачервоному діапазоні;

RED значення спектрального відбиття у видимому червоному діапазоні.



Задать вопрос

Мы всегда рады ответить на любые интересующие Вас вопросы, для того что бы задать вопрос просто перейдите по ссылке Подробнее...

Cтатьи и информация

favorite_design

Статьи, работы и публикации наших пользователей. Подробнее...

Про Pixel Solutions

Основной сферой деятельности компании с момента создания по настоящее время является организация и участие в реализации проектов в области дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и в смежных областях космической науки и техники. Подробнее...