Научная статья на тему 'Изучение спектральных характеристик сельскохозяйственных растений и установление взаимосвязи радиометрических данных с дешифровочными возможностями ДЗЗ'

Изучение спектральных характеристик сельскохозяйственных растений и установление взаимосвязи радиометрических данных с дешифровочными возможностями ДЗЗ Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

CC BY
681
145
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ РАСТЕНИЯ / СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ / ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ / FARM PLANTS / SPECTER CHARACTERISTICS / REMOTE FARM LANDS SENSING

Аннотация научной статьи по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству, автор научной работы — Зинченко Владимир Евгеньевич, Лохманова Ольга Ивановна, Зинченко Виктория Игоревна

Цель исследования – применение технологии дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) в аграрной сфере, включающей создание системы оперативного, периодического и базового наблюдения за изменением качественного и количественного состояния растений сельскохозяйственного назначения. Для проведения анализа значений вегетационного индекса растительности внутри оцифрованных полигонов в исторической перспективе был использован сервис «Вега» Института космических исследований РАН, что позволило с высокой степенью достоверности выявить поля, отличающиеся друг от друга по активности хозяйственной деятельности. Обработка данных по полям в геоаналитической системе «Агроуправление» позволила создать тематические карты полей. Результаты исследования показали, что изучение сельскохозяйственных растений с помощью аэрои космических съёмок, а также получения инфракрасной, радиотепловой и радиолокационной съёмок для почвенно-сельскохозяйственных целей является важнейшей задачей, которую необходимо в первую очередь решать с помощью данных ДЗЗ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству , автор научной работы — Зинченко Владимир Евгеньевич, Лохманова Ольга Ивановна, Зинченко Виктория Игоревна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE STUDY OF SPECTRAL CHARACTERISTICS OF CULTIVATED PLANTS AND ESTABLISHING THE INTERCONNECTION OF RADIOMETRIC DATA WITH THE REMOTE SENSING INTERPRETIVE OPPORTUNITIES

The purpose of the study is the use of farm land remote sensing (RS) technologies in the agricultural sector, including the creation of the system of operational, periodic and basic observation of changes in the qualitative and quantitative state of farm crops. To analyze the vegetation index values of plants growing within the digitized polygons in historical perspective the Vega service of the Space Research Institute was used, which allowed a high degree of certainty in identifying the fields that differ from each other in business activity. The processing of the field data in the geoanalytical system «Agro-management» made it possible to draw up the thematic maps of fields. The results obtained showed that the study of agricultural crops by aerial and satellite survey, as well as using the infrared, radio and radar surveys for soil and agricultural purposes is an urgent problem which, in the first place, is to be solved by means of remote sensing data.

Текст научной работы на тему «Изучение спектральных характеристик сельскохозяйственных растений и установление взаимосвязи радиометрических данных с дешифровочными возможностями ДЗЗ»

Изучение спектральных характеристик сельскохозяйственных растений и установление взаимосвязи радиометрических данных с дешифровочными возможностями ДЗЗ

В.Е. Зинченко, к.с.-х.н., О.И. Лохманова, к.с.-х.н.,

В.И. Зинченко, аспирант,

Донской зональный НИИСХ РАСХН

Планируемая работа по созданию базовых характеристик наблюдения за изменением качественного и количественного состояния сельскохозяйственных растений с использованием материалов дистанционного зондирования (ДЗЗ) повысит продуктивность и эффективность использования земельных ресурсов путём совершенствования землепользования на основе дифференцированной оценки земель сельскохозяйственного назначения. При этом предполагается обеспечить увеличение валового производства сельхозпродукции и снижение её себестоимости, сохранение и повышение почвенного плодородия, улучшение агроэкологи-ческой ситуации.

В качестве теоретической и методологической базы исследований предполагается использовать методические подходы, изложенные в трудах отечественных и мировых учёных по мониторингу сельскохозяйственных растений. При разработке конкретных вопросов, поставленных на исследование, будет использован метод анализа данных ДЗЗ по задачам агромониторинга и метод научного поиска, последовательного накопления, обобщения нормативных материалов, научного анализа, экспертной оценки нормативных и научно-технических материалов; метод системного анализа по направлениям проводимых работ, выбора и оптимизации принятия решений.

В Ростовской области проблемы отрасли растениеводства имеют особую актуальность, что предопределено многими факторами. Недостаточная изученность проблем региона, отсутствие должного финансирования данной отрасли, а также нехватка трудовых ресурсов — это не даёт в полной мере обеспечить возрастающие потребности аграрного сектора экономики в целом [1].

Цель: применить технологии ДЗЗ в аграрной сфере — создать системы оперативного, периодического и базового наблюдения за изменением качественного и количественного состояния растений сельскохозяйственного назначения.

Достижению цели служат следующие задачи:

• обеспечение текущего контроля за состоянием посевов сельскохозяйственных культур;

• раннее прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур;

• мониторинг темпов уборки урожая одновременно по территориям крупных регионов;

• определение ёмкости пастбищ различных типов и продуктивности сенокосов.

В результате этого возникает необходимость комплексного исследования состояния растительного покрова и сельскохозяйственных земель, определения основных путей рационального использования материально-технической базы, природных ресурсов, окружающей среды, снижения энерго- и ресурсоёмкости и выявления резервов повышения эффективности использования земель сельскохозяйственного назначения.

Решение задач возможно путём постепенного внедрения методов дистанционного зондирования земель, выполнения следующих этапов:

— создание электронной карты полей всех районов Ростовской области;

— сбор информации о полях;

— прогноз урожайности сельскохозяйственных культур;

— создание тематических картограмм;

— мониторинг землепользования, севооборотов, плодородия почв;

— изучение растительного покрова на протяжении временного промежутка (до 10—20 лет);

— проведение аэро- и космических съёмок для изучения почвенного покрова, а также получение данных инфракрасной, радиотепловой и радиолокационной съёмок для сельскохозяйственных целей (технологические карты, контроль за ростом и развитием растений, контроль за техникой, удобрениями, ядохимикатами).

Материалы и методы исследований. Для проведения мониторинга землепользования использовали спутниковые данные MODIS за предыдущие годы и за текущий год.

Сервис «Вега» Института космических исследований РАН был использован для проведения анализа значений вегетационного индекса растительности внутри оцифрованных полигонов в исторической перспективе, что позволило с высокой степенью достоверности выявить поля, отличающиеся друг от друга по активности хозяйственной деятельности [2]. Обработав данные по полям в геоаналитической системе «Агроуправление», мы смогли создать тематические карты полей.

Основой методики идентификации посевов озимых зерновых и оценки их состояния является использование такого дешифрованного

1. Содержание хлорофилла в листьях подсолнечника

№ поля ^©1 **8 Фаза развития Содержание белка Хлорофилл, мг/дм2 Среднее содержание хлорофилла а + б, мг/дм2 Содержание катина, мг/100 г Среднее содержание катина, мг/100 г

1 21,48 2,63 46,46

2 образование 20,21 2,87 50,96

1 3 соцветия - 20,31 2,61 2,58 47,28 46,57

4 цветение 18,56 2,33 43,50

5 18,72 2,45 44,67

1 15,73 2,14 40,63

2 цветение 13,81 1,90 36,37

5 3 и созревание 16,35 2,22 2,20 41,73 39,64

4 семянок 15,37 2,22 37,34

5 15,29 2,51 42,14

1 20,14 2,17 40,70

2 цветение 20,79 2,00 39,12

2 3 и созревание 19,64 2,32 2,29 41,74 40,25

4 семянок 18,21 2,34 37,44

5 17,67 2,61 42,24

2. Содержание хлорофилла в листьях озимой пшеницы в зависимости

от фазы развития

№ поля Фаза развития Среднее содержание белка, % Среднее содержание хлорофилла а + б, мг/дм2 Среднее содержание первичной влаги, %

631 созревание 19,85 2,57 77,80

647 цветение 15,31 2,19 77,08

628 цветение 19,29 2,28 78,55

признака, как индекс вегетации/отношение яркостей в инфракрасной и красной областях оптического спектра. Индекс вегетации прямо коррелирует с уровнем фотосинтетической активности растений и служит индикатором состояния культурного агроценоза [3].

Результаты исследований. Проведя исследования по оценке состояния сельскохозяйственных культур и их инвентаризацию на больших и малых площадях, осуществляя мониторинг земель на основе информационных технологий и материалов дистанционного зондирования (ДЗ), мы получили возможность использования этих данных в управлении ростом и развитием (фенологическое и инфракрасное наблюдение) сельскохозяйственных растений (подсолнечник и озимая пшеница) на полях Донского зонального НИИСХ РАСХН.

У большинства растений в естественных условиях общее содержание хлорофилла в листе, поглощающего в основном коротковолновое излучение видимой части спектра, колеблется от 4,0 до 12,0 мг/дм2. Зато в листе много воды — 75—90%, которая поглощает ифракрасное излучение [4].

Анализируя данные, полученные на агрополигоне п. Рассвет в 2010—2012 гг., можно сказать, что содержание хлорофилла в листьях озимой пшеницы находится в зависимости не только от спектральных свойств листьев, но и от фазы развития самого растения [1]. В таблице 1 рассмотрены следующие фазы развития озимой

пшеницы: налив и созревание семян, цветение и формирование корзинок. В фазу налива и созревания семян отмечается наибольшее содержание хлорофилла и белка, а количество первичной влаги меньше, соответственно — 2,57 мг/дм2, 19,85% и 77,8%; хлорофилл — 0,34 мг/дм2; содержание белка — 2,55% и первичной влаги +0,01% (табл. 1, 2).

Индекс вегетации очень высок по сравнению с остальными элементами севооборотов у озимых зерновых в осенне-весенний период, что позволяет надёжно выделять целевые посевные площади. Использование цифровых планов землепользования для построения специальных растровых масок делает возможным уверенно дешифрировать посевы озимых зерновых по данным радиометра МОДИС с пространственным разрешением 250 м (MODIS Technical Specifications http://modis.gsfc.nasa.gov/news).

Таким образом, в результате проведённых исследований сделаны следующие выводы:

1. Методика распознавания природных образований и их идентификации по спектрам отражения может рассматриваться как часть общей задачи теории распознавания образов на основе существующих методик дистанционного определения площадей, состояния и оценки урожая сельскохозяйственных культур.

2. Изучение сельскохозяйственных растений с помощью аэро- и космических съёмок, а также получения инфракрасной, радиотепловой и радиолокационной съёмок для почвенно-

сельскохозяйственных целей является важнейшей задачей, которую необходимо в первую очередь решать с помощью данных ДЗЗ.

Литература

1. Зинченко В.Е., Повх В.И., Лохманова О.И. и др. Планирование урожайности озимой пшеницы по спектру отражения и коэффициенту накопления хлорофилла в растительном покрове объекта дистанционного зондирования Земли // Инновации в науке, образовании и бизнесе — основа эффективного развития АПК: матер. Междунар. науч.-практич. конф. 1—4 февраля 2011 г. Пос. Персиановский, 2011. С, 119-124.

2. Зинченко В.Е., Повх В.И., Лохманова О.И. и др. Использование космических съёмок и наземных обследований для

оценки состояния посевов сельскохозяйственных культур // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. 2012. № 1. С, 45-47.

3. Зинченко В.Е., Повх В.И., Калиниченко В.П. и др. Использование данных космических съёмок для наземного обследования растений // Аграрная наука. 2011. № 10. С, 12-14.

4. Зинченко В.Е., Кононов В.М., Лохманова О.И. и др. Использование данных дистанционного зондирования Земли для мониторинга землепользования и размещения культур в Ростовской области // Высокие технологии, экономика, промышленность: сб. стат. XIII междунар. науч.-практич. конф. «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике». 24—26 мая 2012 г., СПб., Россия / под ред. А.П. Кудинова.Т. 1. СПб.: Изд-вополитех, ун-та, 2012. 346 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.