CC BY
17НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Гидрометеорология и экология №4 2012
УДК 621.396.967.0180
Канд. техн. наук Н.Р. Муратова * Канд. геогр. наук С.М. Северская Канд. с.-хоз. наук Н.Э. Бекмухамедов
ОЦЕНКА ИНФОРМАТИВНОСТИ РАЗНЫХ ВЕГЕТАЦИОННЫХ ИНДЕКСОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЕКТИВНОГО ПОКРЫТИЯ ПАСТБИЩ
ПРОЕКТИВНОЕ ПОКРЫТИЕ, ЕСТЕСТВЕННЫЕ ПАСТБИЩА, ВЕГЕТАЦИОННЫЕ ИНДЕКСЫ, СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПАСТБИЩНАЯ ДЕГРЕССИЯ
Проведен анализ функциональной зависимости проективного покрытия биоценозов от значений различных вегетационных индексов, вычисленных по данным спектрометрических измерений радиометром ПвШБрвс. Исследования показали, что наиболее тесная корреляция между степенью проективного покрытия растениями почвы и вегетационными индексами, рассчитанными по спутниковым данным различного пространственного разрешения, выявлена для ЫБУ1 и БАУ1 по данным МОБШ. Вследствие низкого пространственного разрешения спутниковые данные ЫОАА являются мало информативными.
Разработка метода прогноза продуктивности естественных пастбищ по данным дистанционного зондирования основывается на выборе спутникового параметра, характеризующего состояние растительности, выделении участков пастбищ с низким проективным покрытием и продуктивностью, определении времени проведения наблюдений. В период от начала вегетации до цветения основным фактором, влияющим на спектральные свойства растительности, является увеличение биомассы. При этом коэффициент спектрального отражения уменьшается в красном участке спектра и увеличивается в ближнем ИК-диапазоне, что приводит к изменениям значений вегетационного индекса. Эти особенности характерны для поздневесеннего и раннелетнего периода наблюдения, когда отмечается интенсивный рост эфемеров, эфемероидов и отрастание побе-
* Институт космических исследований, г. Алматы 32
гов многолетней травянистой и кустарниковой растительности. При усы-хании надземной биомассы происходит обратное изменение вегетационного индекса. В табл. 1. приведены формулы расчетов и характеристики различных вегетационных индексов, которые предназначены как для оценки смешанного почвенно-растительного сигнала, так и для полного покрытия почвы растительным покровом.
Таблица 1
Формулы расчета вегетационных индексов
Ratio Vegetation Index (RVI)
Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)
Infrared Percentage Vegetation Index (IPVI)
Difference Vegetation Index (DVI)
Transformed Vegetation Index (TVI)
Soil Adjusted Vegetation Index (SAVI)
RVI = (NIR/RED), где NIR - значения коэффициента отражения в ближнем инфракрасном, RED - в красном диапазоне спектра. Для зеленой растительности значения RVI > 1. С увеличением зеленой биомассы и сомкнутости растительности изменяется от 2 до 8
NDVI = (NIR - RED)/(NIR + RED). Значения индекса варьируют от -1 до 1. Для растительности индекс NDVI принимает положительные значения от 0,2 до 0,8
IPVI = NIR/(NIR + RED). Индекс может принимать значения от 0 до 1. Для зеленой растительности характерны значения от 0,6 до 0,9
DVI = NIR - RED. Изовегетационные линии идут параллельно друг другу
TVI = V NDVI + 0,5 ; 0,5 прибавляется для исключения отрицательных значений под корнем
SAVI = (1 + L)(NIR - RED)/(NIR + RED + L), где L -[0;1] 0 - наибольшее проективное покрытие; 1 -наименьшее. Значения изменяются от -1 до 1. Линия почв проходит через точку 0_
Цель использования растительного индекса - создание корректной системы линейного взвешивания: величина индекса - параметры растительности. Под параметрами растительности обычно понимают либо объем зеленой растительной биомассы, либо долю проективного листового покрытия почвы.
По результатам подспутниковых наблюдений, проведенных в Алматинской и Карагандинской областях весной и летом 2011 года, отме-
33
чено, что антропогенные нагрузки на пастбища проявляются в виде пастбищной дигрессии, которая в первую очередь сопровождается уменьшением проективного покрытия почвы растительностью. Исследуемая территория была представлена различными растительными ассоциациями. В структуре растительного покрова пастбищных угодий на полигоне «Бо-зой» преобладают полынные, терескеновые с участием эфемеров, кустарниковых сообществ на песках. Значительную роль в формировании растительного покрова Шетского полигона приобретают злаковые и полынные травостои при широком участии кустарников - спиреи и караганы. В ходе исследований проведен анализ функциональной зависимости проективного покрытия биоценозов от значений различных вегетационных индексов, вычисленных по данным спектрометрических измерений радиометром ИеЫ8рес. На рис. 1. приведены распределения вегетационных индексов в зависимости от общего проективного покрытия (ОПП).
0,25 -
0-20 20-40 50-60 60 и более
ОПП %
34
Значения ЭА\/1
о о о о О го г СЬ Со
о
Г'-
о
го
о О о =1
и
о ¿1 о
С1
о
о
о
о
¿1
Значения IPVI
О О О О м
О NJ JÄ 0% 00 О NJ
о
Z1 Z1
Ol §
г \
1,6 _ 1,4
> 1,2 | 1,0
I 0,8 | 0,6 " 0,4 0,2 0
0-20 20-40 50-60 60 и более
опп %
1,0 1 0,s
о; 0,6 s
% 0,4
OJ
" 0,2 0
0-20 20-40 50-60 60 и более
ОПП %
Рис. 1. Значение вегетационных индексов в зависимости от общего проективного покрытия.
Как видно, вегетационные индексы по-разному реагируют на проективное покрытие почвы растительностью. Практически нет чувствительности вегетационных индексов к низким значениям проективного покрытия (до 20 %), за исключением индекса RED, эквивалентного коэффициенту отражения в красном диапазоне спектра.
С увеличением проективного покрытия с 20...40 % до 50...60 % вегетационные индексы NIR, IPVI, DVI, TVI, RVI имеют зависимость нечеткого характера. Из тестируемых индексов наиболее информативным для средней густоты травостоя являются индексы NDVI и SAVI. Изменение густоты растительности естественных пастбищ с 60 % и более практически все вегетационные индексы активно реагируют на изменение биомассы растений. Таким образом, на основании наших исследований, можно отметить, что для распознавания участков пастбищ с низким проективным покрытием (0.20 %) и соответственно низкой продуктивностью целесообразно применять индекс RED в комбинации с индексом NDVI. Согласно полученным измерениям величина RED выше 0,15 указывает на низкую продуктивность, либо сбитость анализируемых участков пастбищ. Соотношение двух индексов - RED и NDVI дано на рис. 2.
36
0,7 о.е
0.S 0,4 0,3 0,2
у = -1,9727х3 + 2,1349х' - 0.20Э2Х + 0.401 В R» = 0,7766
у = -1,5679^ + 2.8479кг. f + 0,6793 RJ = 0.7757
0,1
0,3 0.4 0,5
опп %
0,7
Рис. 2. Значения вегетационных индексов RED и NDVI при различном проективном покрытии почв по наземным данным.
Согласно полученной зависимости по данным наземных наблюдений построено решающее правило определения ОПП по спектральным характеристикам (табл. 2).
Таблица 2
Решающее правило определения ОПП по наземным данным
ОПП, % NDVI RED
0...20 < 0,4 > 0,3
20... 40 0,4.0,5 0,25.0,3
50.60 0,5.0,65 0,2.0,25
Выше 60 > 0,65 < 0,2
Анализ спутниковых данных. Определение зависимости величины индексов ЫВУ1 и БЛУ1 по спутниковым данным проводился по космическим снимкам различного пространственного разрешения - КОЛА (1000 м), МОБК (250 м) и ЬАКБ8АТ (30 м). В работе использованы следующие космические снимки: ШАЛ/АУЖК за 15.06.2011 г., ТБККА/МОБК за 18 и 22.06.2011 г., ЬАШ8АТ5/ТМ за 4.05 и 10.06.2011 г.
Проведенный анализ рассчитанных индексов по спутниковым данным приведен на рис. 3, 4 и 5.
Исследования показали, что наиболее тесная корреляция между степенью проективного покрытия растениями почвы и вегетационными индексами, рассчитанными по спутниковым данным различного пространственного разрешения, выявлена для КБУ1 и 8АУ1 по данным МОБК. Вследствие низкого пространственного разрешения спутниковые данные КОАА являются мало информативными.
37
so
70
Q 60
Ш 50
т 40
о
30
20
10
0
♦
V = 29,456* +30.256
F? = 0,0565 *
* * * Ф Ф *
0,000
0,100
0,200 NDVI
0,300
0,400
80
70 *
60 у = 26,485х + 28,994
-р о"- 50 R1 = 0,0957 ** ♦ ♦
п Ш 40 ■
О 30 < ♦ ♦ + ♦
♦
20 ♦ +
1 0
0 ■ ■ 1 1 1
0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600
SAW
Рис. 3. Вегетационные индексы пастбищ с различным проективным покрытием по снимкам NOAA.
38
70
60
■--р о""- 50 ♦♦ ♦
|= 40 ♦ *
о 30 ****** ■* *
20 • ♦ +
10
0 ■ ■ ■ ■ ■
0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 0,350
RED
Рис. 4. Вегетационные индексы пастбищ с различным проективным покрытием по снимкам MODIS.
39
7Q
6Q
-о с?- 5Q
IZ 4Q
IZ 3Q
о
20
1 □
□
У=1 5,373x - 2,5445 R1 = Q.5935
□ , 1 75
□ ,1 SQ
□ ,1 SQ
0,195
Q, 1 85
RED
Рис. 5. Вегетационные индексы пастбищ с различным проективным покрытием по снимкам LANDSAT.
Согласно полученной зависимости по спутниковым данным построено решающее правило определения ОПП по спектральным характеристикам (табл. 3).
Таблица 3
Решающее правило определения ОПП по спутниковым данным
ОПП, % NDVI RED
0.20 < 0,45 > 0,3
20.40 0,45.0,55
50.60 и выше > 0,6
Таким образом, для распознавания участков пастбищ с низким проективным покрытием (0.20 %), характеризующихся низкой продуктивностью или сбитостью, целесообразно применять пороговое значение 0,3 индекса RED; а для общей характеристики проективного покрытия почвы растительным покровом по спутниковым данным можно использо-
40
вать вегетационные индексы КБУ1 и 8АУ1, рассчитанные по данным МОБК.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Байтулин И.О., Бедарева О.М. Выделение продуцирующей площади пустынных пастбищ с использованием материалов космосъемки // Известия национальной академии наук Республики Казахстан. - Сер. Биологическая и медицинская. - 2007. - № (259). - С. 33-37.
2. Бедарева О.М. Дистанционное определение продуктивности пастбищной растительности Казахстана по спектрам отражения // Информационный бюллетень службы НТИ Казлеспроекта. - Алма-Ата, 1988. -№6. - С. 1-8.
Поступила 6.06 2012 г.
Техн. гылымд. канд. Н.Р. Муратова Геогр. гылымд. канд. С.М. Северская А-шар. гылымд. канд. Н.Э. Бекмухамедов
ЖАЙЫЛЫМДАРДЬЩ ЖОБАЛЫ ЖАБЫНЫУН АНЬЩТАУ YШIН ЭР ТYРЛI ВЕГЕТАТИВТ1 ИНДЕКСТЕРДЩ АЦПАРАТТЫЛЫГЫН БАГАЛАУ
Биоценоздар жобалы жабынуыныц, FieldSpec радиметр1 арцылы алынган спектрометриялыц езгер1стердщ мэл1меттер1 бойынша есептелтген эр тYрлi вегетативт1 индекстерден, функционалды тэуелдттне цорытынды жасалынды. Зерттеулер кврсеткендей, всiмдiк пен топырац жамылгысыныщ жобалы жабылуыныц жэне эр тYрлi дэлдiктегi серт мэлiметтерi арцылы алынган вегетативтi индекстер арасындагы тыгыз корреляция ЫБУ1 мен SЛУI Yшiн МОБШ мэлiметтерiнен алынды. Темен кещстттт дэлдiктегi ЫОЛЛ серiгiнiц мэлiметтерi аз ацпаратталынган болып саналады.
41
