Моделирование запасов надземной фитомассы тундровых сообществ растений с использованием наземных и спутниковых данных Текст научной статьи по специальности «Математика»

------------------------------------------------- © Н.В. Гопп, 2009

УДК 631.4 Н.В. Гопп

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАПАСОВ НАДЗЕМНОЙ ФИТОМАССЫ ТУНДРОВЫХ СООБЩЕСТВ РАСТЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАЗЕМНЫХ И СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ

Рассказывается о применении многозональных снимков для расчета запасов надземной фитомассы тундровых сообществ растений.

Ключевые слова: запасы надземной фитомассы, гис-технологии, цифровое картографирование.

Одной из важных задач дистанционного зондирования Земли является исследование запасов надземной фитомассы растительных сообществ. Для решения этой задачи находятся взаимосвязи между рассчитанными по спутниковому снимку значениями NDVI и запасами надземной фитомассы растительных сообществ, полученными в полевых условиях. NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) - нормализованный относительный индекс растительности - количественный показатель количества фотосинтетически активной биомассы. В красной области спектра (0,6-0,7 мкм) лежит максимум поглощения солнечной радиации хлорофиллом высших сосудистых растений, а в инфракрасной области (0,7-1,0 мкм) находится область максимального отражения клеточных структур листа. То есть, высокая фотосинтетиче-ская активность (связанная, как правило, с густой растительностью), ведет к меньшему отражению в красной области спектра и большему в инфракрасной. Анализ литературы показывает, что значения вегетационного индекса (NDVI), определяемые как отношение яркостей в двух диапазонах снимка (красный и инфракрасный), коррелируют с количеством биомассы растительности [1, 2].

Исследовались запасы надземной фитомассы следующих растительных сообществ: осоково-разнотравно-злаковая травянистая тундра, кустарниково-шикшевая ерниковая тундра, кустарниковая

ерниковая тундра, разнотравно-моховая кустарниковая тундра, разнотравно-злаковая кобрезиевая тундра.

Рис. 1. Пространственные флуктуации значений NDVI

Рис. 2. Коэффициенты корреляции между значениями запасов надземной фитомассы и вычисленными значениями NDVIпо снимку SPOT4

По физико-географическому районированию территория исследования относится к Юго-Восточной Алтайской провинции, Джулукульский район.

Определение запасов надземной фитомассы проводилось на площадках 0,25 м2 (50 х 50 см) методом укосов, в четырехкратной повторности [3]. Запасы надземной фитомассы измерялись в ц/га воздушно сухого вещества. При этом сроки определения запасов надземной фитомассы в полевых условиях

Рис. 3. Схема алгоритма дерево решений

Рис. 4. Результаты классификации алгоритмом дерево решений (запасы надземной фитомассы, ц/га)

были скоординированы с днем проведения космической съемки, таким образом, было соблюдено условие, заключающееся в единовременном получении информации о состоянии объекта на земле, и из космоса.

На основе многозонального снимка SPOT 4 для каждого растительного сообщества составлены гистограммы пространственных флуктуаций значений NDVI (рис. 1), которые показывают, что все растительные сообщества имеют совпадающие значения NDVI. Это означает, что найти общий коэффициент для перевода значений NDVI в значения запасов надземной фитомассы не представляется возможным.

Дальнейшие исследования показали, что расчет запасов надземной фитомассы возможен только путем подсчета коэффициентов корреляции внутри каждого ареала растительных сообществ, без учета значений запасов надземной фитомассы и NDVI других растительных сообществ, о чем свидетельствуют данные, приведенные на (рис. 2).

Коэффициенты корреляции между эмпирически измеренными значениями запасов надземной фитомассы и вычисленными значениями NDVI по снимку SPOT 4 лежат в диапазоне от 0,86 до 0,95, что является основой для составления уравнений регрессии (рис. 2).

Полученные уравнения регрессии используются в разработанном алгоритме дерево решений (рис. 3), который позволяет перевести значения NDVI в запасы надземной фитомассы (рис. 4). Таким образом, проведенные исследования показали эффективность при использовании алгоритмов расчета NDVI и «дерево решений» при автоматизированном составлении тематической карты запасов надземной фитомассы.

----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений. М.: Логос, 2001. - 264 с.

2. Виноградов Б.В. Аэрокосмический мониторинг экосистем. М.: Наука, 1984. - 320 с.

3. Родин Л.Е., Ремезов Н.П., Базилевич Н.И. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах. - Л.: Наука, 1968. -143 с. [ИШ

Gopp N. V.

MODELLING OF THE ABOVE-GROUND BIOMASS IN TUNDRA VEGETATION COMMUNITIES WITH USE OF THE LAND AND SATELLITE DATA.

An application of the multi-spectral imagery for estimation of the above-ground biomass in tundra vegetation communities is discussed in this paper

Key words: above-ground biomass, gis-technologies, digital mapping.

— Коротко об авторе -------------------------------------------------

Гопп Наталья Владимировна - кандидат биологических наук, младший научный сотрудник, Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, г. Новосибирск, E-mail: gopp@issa.nsc.ru

А