Тема 2. Методи аерокосмічного моніторингу земель.

 

1. Види негативних процесів у екосистемах, що можуть бути виявлені методами аерокосмічного моніторингу

 

- деградація рослинного покриву, недостатня кількість вологовміщення для вегетації рослин;

- недостатній вміст гумусу ґрунтових масивів;

- засолення ґрунту;

- наявність важких елементів (забруднення ґрунтового покриву).

 

Всі характеристики таких процесів виявляються шляхом отримання коефіцієнту відбиття, що визначається за формулою:

ρ = Ф_ρ/Ф₀,

де Ф_ρ – потік оптичного випромінювання, що відбилося від даної поверхні в даному напрямку;

Ф₀ – потік оптичного випромінювання, що падає на цю поверхню.

Вважаємо, що природні поверхні є ортотропними, тобто випромінювання розсіюється однаково у всіх напрямках. Через це відбивання ρ залежить від геометрії спостереження, зокрема від кутів падіння q_і і відбиття q_r оптичного випромінювання і азимута f.

При цьому потрібно враховувати нерівність підстилаючої поверхні.

 

Критерій Релєя . В цьому випадку поверхня вважається достатньо рівною, щоб відбиття було дзеркальним.

• Вплив ґрунтових частинок, розмір яких перевищує 2 мм, на відбиття ґрунту незначний.

• Можна стверджувати, що для частинок, розміри яких становлять 2-10 мм, коефіцієнт відбиття майже сталий.

• Дрібні ж частинки суттєво впливають на відбивання ґрунту, причому відбиття ґрунту зменшується із збільшенням розмірів частинок.

 

 

Програма Landsat має такі інструменти Thematic Mapper (TM) і Multi-Spectral Scanner (MSS).

• Ділянка MSS4: 500-600 нм, зелена область.

Пов’язана з поглинанням хлорофілу і відповідає за відбиття здорових рослин. Крім того, її доцільно використовувати для картографування водойм.

• Ділянка MSS5: 600-700 нм, червона область. Цю смугу, де відбувається поглинання хлорофілу в здорових зелених рослинах, варто використовувати для розпізнавання рослин, визначення границь і контурів ґрунтових поверхонь і геологічних утворень.

• Ділянка MSS6: 70-800 нм, відбивальна інфрачервона область. Використовується для оцінки вегетаційної біомаси, ідентифікації урожаю і окреслювання границь розподілу рослинних, ґрунтових і водних площ.

• Ділянка MSS7: 800-1100 нм, відбивальна інфрачервона область. Вживається для огляду рослинних покривів і оцінки проникненості туманів.

• Ділянка ТМ1: 450-520 нм, блакитна область. Використовується для картографування прибережних площ, розпізнавання границь розподілу між ґрунтом і рослинністю, детектування культурних посівів.

• Ділянка ТМ2: 520-600 нм, зелена область. Відповідає відбиванню здорових рослин, може використовуватися також для ідентифікації культурних посівів.

• Ділянка ТМ3: 630-690 нм, червона область. Вживається для визначення ґрунтових і геологічних границь, а також площ культурних посівів.

• Ділянка ТМ4: 760-900 нм, відбивальна інфрачервона область. Використовується для визначення вегетаційної біомаси, ідентифікації урожаю і окреслення границь розподілу ґрунтових, рослинних і водних масивів.

• Ділянка ТМ5: 1,55-1,74 мкм, середня інфрачервона область. Корисна для вивчення впливу посух на урожай і аналізу стану рослинних покривів. Крім того, може бути використана для розпізнавання хмар, снігу, льоду.

• Ділянка ТМ6: 10.40-12.50 мкм, теплова інфрачервона область. Вживається для оцінки впливу стресів на рослинні покриви і урожай, зокрема теплових факторів та інсектицидів. Може бути застосована для визначення місцевої геотермальної активності.

• Ділянка ТМ7: 2,08-2,35 мкм, середня інфрачервона область. Ця смуга важлива для розпізнавання геологічних утворень і визначення ґрунтових границь, а також для кількісної оцінки в ґрунті і рослинах.

 

2. Особливості аерокосмічного моніторингу стану рослинності

Характерною ознакою рослинності та її стану є спектральна відбиваюча здатність, що характеризується великими відмінностями у відображенні випромінювання різних довжин хвиль. Знання про зв'язок структури і стану рослинності з її спектральними відбивними здібностями дозволяють використовувати аерокосмічні знімки для картографування та ідентифікації типів рослинності і їх стресового стану.

Найбільш популярний і часто використовуваний індекс - NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) - нормалізований різницевий індекс рослинності, вперше був описаний Rouse BJ в 1973 р - простий кількісний показник кількості фотосинтетично активної біомаси (зазвичай названий вегетаційним індексом). Один з найпоширеніших і використовуваних індексів для вирішення завдань, що використовують кількісні оцінки рослинного покриву.

Індекс обчислюється за наступною формулою:

де NIR - коефіцієнт відбиття в ближній інфрачервоній області спектра;
RED - коефіцієнт відбиття в червоній області спектра.
Розрахунок NDVI базується на двох найбільш стабільних (не залежних від інших факторів) ділянках спектральної кривої відбиття судинних рослин. У червоній області спектру (0,6-0,7 мкм) лежить максимум поглинання сонячної радіації хлорофілом вищих судинних рослин, а в інфрачервоній області (0,7-1,0 мкм) перебуває область максимального відбиття клітинних структур листа. Тобто висока фотосинтетична активність (пов'язана, як правило, з густою рослинністю) веде до меншого відбиття в червоній області спектра і більшого в інфрачервоній (рис.3).

Рис. 3. Ділянки характеристичної кривої відбиття рослинності (усередненої), що використовуються для розрахунку NDVI c допомогою даних MODIS

Співставлення цих показників один до одного дозволяє чітко відокремлювати й аналізувати рослинні від інших природних об'єктів. Використання не просто самого відношення, а нормалізованої різниці між мінімумом і максимумом відбиття збільшує точність вимірювань, дозволяє зменшити вплив таких явищ як відмінності в освітленості знімка, хмарності, димки, поглинання радіації атмосферою та ін.

Для рослинності індекс NDVI приймає позитивні значення, і чим більше зелена фітомаса, тим вони вищі. На значення індексу впливає також видовий склад рослинності, її зімкнутість, стан, експозиція і кут нахилу поверхні, колір ґрунту під розрідженою рослинністю. Індекс помірно чутливий до змін ґрунтового фону, крім випадків, коли густота рослинного покриву нижче 30%. Індекс може приймати значення від -1 до 1. Для зеленої рослинності індекс зазвичай приймає значення від 0,2 до 0,8.

NDVI може бути розрахований на основі будь-яких знімків високого, середнього або низького дозволу, які мають спектральні канали в червоному (0,55-0,75 мкм) і інфрачервоному діапазоні (0,75-1,0 мкм). Алгоритм розрахунку NDVI вбудований практично в усі поширені пакети програмного забезпечення, пов'язані з обробкою даних дистанційного зондування (ArcView Image Analysis, ERDAS Imagine, ENVI, Ermapper, Scanex MODIS Processor, ScanView та ін.).

 

3. Визначення властивостей ґрунтів (вологості ґрунту та вмісту гумусу в ґрунті, засолення ґрунту).

На відбивання ґрунту суттєво впливають вміст гумусу, оксидів заліза і різноманітних світлозабарвлених субстанцій (сполук кремнію і алюмінію, карбонатів кальцію тощо).

Методом дистанційного зондування можна визначити розподіл вологості на обраній ділянці. Теоретичним підґрунтям цього методу є специфічний характер спектрального відбиття рослинності та відкритого ґрунту у видимому, близькому інфрачервоному (NIR) та середньому інфрачервоному (SWIR) діапазонах, зумовлений саме відсутністю поглинання оптичного випромінювання водяною парою на хвилях 0,8-0,9 та 1,6-1,7 мкм. Для оцінювання вологості визначаються показники, що базуються на різницях коефіцієнтів спектрального відбиття r ₀ поверхонь у видимому та інфрачервоному спектральних діапазонах.

Встановлено, що найвища кореляція із вологовміщенням ґрунту спостерігається для нормалізованого водного індексу NWI (Normalized Water Index):

.

Для оцінювання зволоженості ґрунтового покриття залучаємо багатоспектральний космічний знімок з супутника Landsat – 7 видимого та близького інфрачервоного спектральних діапазонів. Для цього сенсора попереднє співвідношення набуває вигляду:

,

де вказані довжини хвиль відповідають другому та п'ятому спектральним каналам супутника Landsat – 7.

В цілому, збільшення вмісту води в ґрунті може зменшувати відбивання ґрунту в 2-3 рази без зміни форми кривої спектра відбивання. Величини ρ_о (λ =1,4–1,5мкм), ρ_о (λ =1,8–1,9мкм), ρ_о (λ =2,08–2,3мкм) можуть бути використані як спектральні індекси.

Гумус характеризується низьким відбиванням і при великих концентраціях відповідає за сіро-чорний колір ґрунту. Відбиття гумусу монотонно зростає від 0,4 мкм до 0,75 мкм.

Для кількісної оцінки впливу гумусу використовують як спектральні індекси величини ρ_о (0,73 мкм ) або ρ_о [(0,73 – 0,43 мкм )]/ ρ_о (0,73 мкм ).

Можливо також застосування величин ρ_о(0,52 – 1,32 мкм ), ρ_о(1,42-1,48 мкм ), ρ_о (1,55 – 1,75 мкм ), ρ_о (2,08 – 2,32 мкм ).

В цілому, закис заліза надає ґрунту голубувато-зеленого кольору (як це спостерігається у болотистих ґрунтах). Рівень гідратації оксидів заліза впливає на характер спектрального відбиття ґрунту: високогідратовані сполуки заліза надають ґрунту жовтий колір, а низькогідратовані – сіро-коричневий або червонуватий кольори.

Величини ρ_о (0,53 – 0,6 мкм ), ρ_о (0,7 – 0,9 мкм ), ρ_о (1 мкм ), ρ_о (0,65 – 0,4 мкм ) можна використовувати як спектральні індекси для оцінки сполук заліза по відбиттю ґрунту.