В онлайне: 1 (гостей - 1, участников - 0)  Вход | Регистрация

 

УДК 528.854.4

Использование спектрального показателя MOD13 (NDVI) в изучении факторов динамики агроландшафтов

 

Лобанов Г.В., доцент, Авраменко М.В., доцент, Протасова А.П., аспирант, Чарочкина А.Ю., аспирант

Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского

 

Рассмотрены направления использования сведений о характеристике MOD13 в исследованиях динамики агроландшафтов Брянской области. Обоснована связь между распределением MOD13, свойствами почв, динамикой метеоэлементов и видового состава агроценозов.

 

Интерпретация изображений на спутниковых снимках строится на устойчивых связях между химическим составом, физическими свойствами объектов и спектральными характеристиками их поверхности. Для крупных природных объектов со сложной мозаичной текстурой –сельскохозяйственных угодий, лесных массивов, территорий поселений спектральные характеристики определяются в границах естественных выделов разного ранга, которыми могут быть фации, урочища, формы микро- и мезорельефа. Различия спектральных свойств поверхности в границах выделов предполагаются в данном масштабе исследования несущественными. Методической основой такого подхода является представление о морфологической структуре ландшафта – природные условия в границах элементов считаются однородными. На современном уровне представлений о взаимосвязи характеристик геосистем через спектральные свойства поверхности подробность исследования ограничена уровнем сравнительно крупных территориальных единиц – участков однородных на уровне типа (реже подтипа) ландшафта.

Динамика геосистемы определяет временные различия спектральных образов, которые аналогичны, по смысловой нагрузке понятию «состояние природно-территориального комплекса». Изменения интенсивности энерго- и массообмена в ландшафтах отражаются в фенологических различиях, которые регистрируются измерительной аппаратурой (в случае с дистанционным зондированием – спектрорадиометрами спутников). Различные состояния образуют последовательность «мгновенных образов» геосистемы, частота смены которых зависит от выраженности колебаний погодных условий – коротко периодичных (связанных с особенностями циркуляции атмосферы), по фенологическим сезонам одного года и между годами; повторяемости спутниковой съёмки и необходимой подробности исследований (изменения климата большей периодичности пока не обеспечены достаточным количеством данных дистанционного зондирования). Продолжительность интервалов времени, в которых изменения спектральных характеристик геосистемы несущественны, обратно зависит от частоты и амплитуды смены погодных условий.

Выбор территории Брянской области как объекта исследования динамики спектральных характеристик ландшафтов, обусловлен высоким почвенным и ландшафтным разнообразием, связанным с географическим положением на стыке трёх физико-географических провинций – Смоленско-Московской, Днепровско-Деснинской и Среднерусской лесостепной.

Индикатором сезонных и многолетних изменений в ландшафте в рамках исследования выбрана динамика показателя MOD13Q1 (в дальнейшем, MOD13 или показатель) с пространственным разрешением 250 м, временным разрешением – 2 недели [1]. Показатель отражает распределение вегетационного индекса NDVI (normalized difference vegetation index), который является опосредованной характеристикой биопродуктивности [4,5]. Пространственное разрешение показателя обеспечивает оценку взаимосвязи спектральных свойств поверхности и иных характеристик состояния ландшафта на уровне урочищ и местностей. Интервал осреднения позволяет проследить динамику спектральных характеристик внутри фенологических фаз, обусловленную сменами режимов циркуляцией атмосферы или, иначе, естественных синоптических периодов.

Динамика значений показателя получена для 265 участков пахотных земель одинаковой площади - 100 га. Угодья находятся на слабопересеченных центральных участках водораздельных равнинах, в разных почвенно-климатических условиях. Размер участка обусловлен теоретическими представлениями об изменчивости характеристик почв. В границах участка площадью до 100 га различиями характеристик почв можно пренебречь [3, 4].

Ход значений показателя и определяющие его факторы установлены для весны и осени 2010-2015 гг. Выбор межсезоний обусловлен частой сменой фенологических состояний агроландшафтов за эти промежутки времени. Весной снежный покров сменяется открытой поверхностью почвы, а затем растительностью в разных фазах вегетации с постепенным уменьшением проективного покрытия. Осенью направление фенологических изменений агроландшафтов обратное – от растительности после завершения вегетации, к частично закрытой после уборки урожая поверхности почвы. Динамика спектральных характеристик поверхности следует за сменой фенологических состояний. Ранней весной и поздней осенью спектральные характеристики поверхности определяются преимущественно физическими свойствами почв; во время активной вегетации – биопродуктивностью растительности, связанной с видовым составом агроценоза. Неодинаковая длительность фенологических состояний и продуктивность агроценозов в зависимости от погодных условий сезонов и севооборотов позиционирует данные о спектральных характеристиках за несколько лет как источник потенциально важных сведений для поиска и анализа закономерностей их динамики.

В общем приближении распределение значений MOD13 зависит от трёх групп факторов: физических свойств почв (содержания гумуса, механического состава, структуры) относительно постоянных в интервале нескольких лет; состояния метеоэлементов (влажность, температура); видового состава и физиологического состояния растительности. Свойства почв непосредственно влияют на спектральные характеристики до начала и после завершения вегетации, в иные периоды года их действие проявляется совместно с другими факторами через продуктивность растительных сообществ.

Данные о распределении показателя в пространстве и времени получены из архива снимков программы «EOS-1(Earth Observing System)». Снимки распространяются свободно, их подбор и получение обеспечивается средствами интернет-картографического сервиса, размещённого на сервере NASA, http://reverb.echo.nasa.gov/reverb.

Положение ключевых участков соответствуют местам отбора почвенных проб, для которых полевыми и лабораторными методами ранее определены относительно постоянные физические и физико-химические характеристики – механическая прочность, содержание гумуса, доля водопрочных агрегатов. Материалы почвенных исследований использованы для оценки влияния этой группы факторов на распределение MOD13 методами статистического и пространственного анализа. Значения физико-химических характеристик почв и показателя MOD13 сопоставлены в границах окружностей площадью 100 га, центры которых соответствуют точкам отбора проб. Характеристики почв в границах ключевых участков, как это было показано ранее, считаются одинаковыми; спектральные характеристики усредняются. Расчёт средних значений показателя выполнен средствами программного комплекса ENVI 4.7.

Влияние характеристик физического состояния почв – температуры, влажности на спектральные свойства поверхности оценивались косвенно, по данным метеорологических наблюдений. Использование данных непосредственных измерений температуры и влажности почвы и ее влажности не всегда возможно. Такие наблюдения или не ведутся или возожность переноса их результатов на другие участки ограничена различными свойствами почв. Для интервалов времени, соответствующих времени спутниковой съемки рассчитаны средние значения температуры воздуха и количества осадков. Средняя температура воздуха функционально связана с температурой почв, а, следовательно, и плотностью потока энергии инфракрасного излучения поверхности, которое регистрируется спектрорадиометром MODIS. Сумма осадков определяет влажность почвы, соответственно, интенсивность инфракрасного излучения и отражательную способность [6].

Влияние динамики метеоэлементов - температуры воздуха, количества осадков, наличия снежного покрова на спектральные характеристики агроландшафтов оценивалась по материалам наблюдений 8 метеостанций Брянской области РФ, Украины и Республики Беларусь, наиболее полно представляющих мезоклимат региона. Такой выбор метеостанций объясняется стыковым положением области и как следствием, выпадением различного количества осадков и температур.

Во время активной вегетации динамику показателя определяет активное поглощение хлорофиллом растений излучения в красной зоне спектра и отражение в инфракрасной. Предполагается, что соотношение поглощённого и отражённого излучения определяется количеством хлорофилла, и соответственно характеризует биопродуктивность угодий. Особенности динамики зависят от видового состава сельскохозяйственных культур, и физиологического состояния растений, определённого погодными условиями. Значения NDVI прямо зависят от биопродуктивности и рассматриваются как возможный индикатор соотношения фактического и потенциального состояния агроценоза с учётом погодных особенностей сезона.

В сентябре значения показателя уменьшаются в сравнении со временем активной вегетации, поскольку – снижается поглощение в красной зоне спектра. Существенная разница значений показателя в пространстве – до 0,15 определяется видовым составом и физиологическим состоянием сельхозкультур. Для агроценозов, представленных видами, вегетация которых завершается, значения показателя снижаются быстрее; для участков с растениями, ещё сохраняющими вегетирующие части – медленнее. В октябре спад значений показателя продолжается, существенно влияет на динамику охлаждение почвы, и, следовательно, уменьшение спектральной яркости в ближней инфракрасной зоне.

Особенности многолетней динамики обусловлены теми же факторами: погодными условиями и набором сельскохозяйственных культур. Особенности распределения NDVI, характерные для большинства ключевых участков, определяются погодными условиями – температурой и количеством осадков. Обеспеченность теплом и влагой влияют на распределение NDVI пахотных угодий преимущественно во время вегетации сельхозкультур.

При прочих равных условиях значения NDVI прямо зависят от температуры и количества осадков. В годы с наименее благоприятными по погодным условиям вегетационными периодами – относительно холодными и сухими значения показателя минимальны, справедливо и обратное соотношение. Разница между значениями показателя в сезоны с разными погодными условиями образуют интервал значений, который может использоваться для оценки климатически обусловленных потерь урожая и обоснования величины страховки сельхозпредприятий.

Показатель MOD13 – закономерно изменяется по сезонам и годам и может быть индикатором состояния агроландшафтов. Климатические условия влияют на значения показателя ранней весной и поздней осенью преимущественно через температуру и влажность почв, в период вегетации – количество осадков, определяющих физиологический статус растительности. От завершения снеготаяния до завершения активной вегетации значения показателя устойчиво растут, в связи с нагревом почвы, отражением поверхностью зеленых растений значительной части энергии излучения в инфракрасной области и высокого поглощения в красной области спектра. На фазе созревания значения выходят «на плато» - изменяются в летние месяцы несущественно, за исключением периодов засухи. Осенью значения показателя уменьшаются, в следствии охлаждения почв, происходит уменьшение поглощения в красной зоне спектра. Последовательность хода показателя устойчива для ряда лет, но абсолютные значения показателя зависят от погодных условий: значения выше в относительно тёплые годы, ниже – в холодные.

Пространственное распределение значений показателя в основном согласуется с особенностями погодных условий. Значения показателя быстрее растут весной и медленнее снижаются осенью для группы участков вокруг метеостанций в южной части верхнего Поднепровья с более тёплым климатом. Летом, значения показателя выше на участках в северной и центральной части региона с лучшей влагообеспеченностью. Некоторые отклонения распределения от климатических условий связаны с разной таксономической принадлежностью пахотных почв и организацией системы земледелия.

 

Библиографический список

  1. EOSDIS. NASAs Earth Observing System: Data and Information System. – Режим доступа : http://reverb.echo.nasa.gov/reverb
  2. Thompson J. Soil–landscape modeling across a physiographic region: Topographic patterns and model transportability / J.A. Thompson, E.M. Pena-Yewtukhiw, H.J. Grove // Geoderma, 2006 – v. 133, P. 57-70.
  3. Wardlow B.  Analysis of time-series MODIS 250 m vegetation index data for crop classification in the U.S. Central Great Plains / Brian D. Wardlow, Stephen L. Egbert, Jude H. Kastens // Remote Sensing of Environment, 2007 – vol. 108 P. 290–310
  4. Черепанов А.С. Вегетационные индексы // Геоматика – 2011- №3. С. 98-102
  5. Черепанов А.С., Дружинина Е.Г. Спектральные свойства растительности и вегетационные индексы // Геоматика – 2009 - № 3. С. -28-32.
  6. Шовенгердт Р. А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений: учебное пособие / Р. А. Шовенгердт ; пер. с англ. А. В. Кирюшина, А. И. Демьяникова. – Москва: Техносфера, 2010. – 560 с.

 

Разделы конференции »

  1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
  2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
  3. Комплексное использование природных ресурсов
  4. Современные вопросы геологии
  5. Физика горных пород
  6. Новые технологии в природопользовании
  7. Применение современных информационных технологий
  8. Экономические аспекты недвижимости
  9. Мониторинг использования объектов недвижимости
  10. Топографо-геодезическое обеспечение кадастровых работ

 

Проекту Kadastr.ORG требуются средства на хостинг и развитие

Сумма: руб.