РАЗРАБОТКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УЧАСТКОВ СО СЛАБОРАЗВИТОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТЬЮ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗОНАХ Текст научной статьи по специальности «Математика»

ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ

ENERGY AND ECOLOGY

Статья поступила в редакцию 24.04.13. Ред. рег. № 1623 The article has entered in publishing office 24.04.13. Ed. reg. No. 1623

УДК 55.502; 504.064; 631.44

РАЗРАБОТКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УЧАСТКОВ СО СЛАБОРАЗВИТОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТЬЮ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗОНАХ

А.Г. Мамедбейли

Национальное Аэрокосмическое Агентство Азербайджан, AZ1106, Баку, ул. С.С. Ахундова, д. 1 Тел.: 994503247240, e-mail: [email protected]

Заключение совета рецензентов: 26.04.13 Заключение совета экспертов: 28.04.13 Принято к публикации: 30.04.13

В результате проведенных исследований показано, что вновь введенный показатель - относительное альбедо участков со слаборазвитой растительностью - является монотонно растущей функцией NDVI. Установлено, что компоненты потенциальной эвапотранспирации участков со слаборазвитой вегетацией: эвапорация «голой» земли и потенциальная транспирация - выравниваются при условии kLAI ~ ln 0,6, где к - коэффициент ослабления.

Ключевые слова: растительность, экологическая модель, эвапотранспирация, альбедо, вегетационный индекс.

DEVELOPMENT OF ECOLOGICAL MODEL OF AREAS WITH WEAKLY GROWN VEGETATION IN INDUSTRIAL ZONES

A.H. Mammadbeyli

National Aerospace Agency 1 S.S. Akhundov str., Azerbaijan, AZ-1106, Baku Tel.: 994503247240, e-mail: [email protected]

Referred: 26.04.13 Expertise: 28.04.13 Accepted: 30.04.13

As a result of held researches, it is shown, that newly suggested parameter - relative albedo of areas with weakly developed vegetation is a monotonously increasing function of NDVI. It is also shown, that the components of potential evapotranspiration -evaporation of bare soil and the potential transpiration are equalized upon condition kLAI ~ ln 0.6, where к - coefficient of attention.

Keywords: vegetation, ecological model, evapotranspiration, albedo, vegetation index.

Хорошо известно, что развитие наукоемких производственных технологий позволяет существенно уменьшить отрицательное влияние промышленного и сельскохозяйственного производства на экологическое состояние окружающей среды. Кроме этого, внедрение современных научных достижений в производстве стимулирует дальнейшее развитие средств экологических измерений и диагностики и в особенности методов и средств дистанционного экологического зондирования. При этом усовершенствование средств дистанционной диагностики и измерений, в

свою очередь, стимулирует развитие качественно новых направлений в производственной деятельности, отличающихся высокой эффективностью и минимальным негативным влиянием на экосистему. Применительно к растительности использование методов и средств дистанционного зондирования предполагает широкое использование различных спектральных вегетационных индексов, характеризующих реальное состояние вегетационных полей, включая леса, сельскохозяйственные растительные участки, пастбища и т. д.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05/2 (126) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Энергетика и экология

Вместе с тем существующие до сих пор устаревшие производства и технологии продолжают загрязнять окружающую среду различными отбросами, что в конечном счете приводит к уменьшению эффективности растениеводства на участках, непосредственно прилегающих к производственным зонам. Значения спектральных вегетационных индексов на таких участках оказываются существенно ниже, и в целях анализа состояния слаборазвитой вегетации необходимо разработать соответствующую экологическую модель. Естественно, что спектрально-экологическая модель слаборазвитой растительности должна основываться на существующих моделях нормально развитых вегетационных полей и включать возможность применения средств дистанционного зондирования для изучения таких участков. Общий вид разрабатываемой модели слаборазвитой растительности показан на рисунке.

а = ßlRED + в 2 NIR

(1)

в2 = -1,439NDVI2 +1,209NDVI + 0,587 . (3)

Так как рассматривается случай слаборазвитой растительности (NDVI << 0,1), (2) и (3) с точностью до 1% приобретают следующий вид

Р1 = -0,329NDVI + 0,372; (4)

Pj = 1,209NDVI + 0,587. (5)

С учетом (1), (4), (5) имеем

ap = (-0,329NDVI + 0,372) RED +

+ (1,209NDVI + 0,587)NIR . (6)

Хорошо известно, что нормализованный дифференциальный вегетационный индекс (NDVI) определяется как

NDVI = ■

NIR - RED NIR + RED

Из (7) получаем

RED =

NIR (1 - NDVI)

Модель слаборазвитой растительности в производственных зонах: 1, 4 - объекты производства, загрязняющие окружающую среду; 2 - космический аппарат дистанционного зондирования; 3 - участок слаборазвитой растительности; 5 - земля Model of weakly developed vegetation in industrial zones: 1, 4 - industrial objects, polluting environment; 2 - remote sensing satellite; 3 - zone of weakly developed vegetation; 5 - ground

Далее в настоящей статье мы рассмотрим следующие задачи исследования:

1. Зависимость альбедо участка со слаборазвитой вегетацией от величины NDVI такой растительности.

2. Зависимость транспирационных и эвапораци-онных характеристик участков со слаборазвитой растительностью от величин площади листовой поверхности растительности (LAI).

Рассмотрим решение первой задачи исследования. Как было показано в работе [1], широкополосное альбедо ар может быть представлено в виде следующей линейной комбинации сигналов RED и NIR каналов аппаратуры AVHRR:

1 + NDVI С учетом (6) и (8) имеем

(1 - NDVI) (-0,329NDVI + 0,372)

(7)

(8)

а p

а = ——

po- NIR

1 + NDVI (1 + NDVI) (1,209NDVI + 0,587) 1 + NDVI ''

а =

p.o.

3,076NDVI - 0,136 1 + NDVI

где RED - относительное значение сигнала первого канала AVHRR; NIR - относительное значение сигнала второго канала; Pi и р2 - эмпирические коэффициенты.

Согласно [1] имеются следующие зависимости между рь р2 и NDVI:

Р1 = 0,494NDVI2 - 0,329NDVI + 0,372; (2)

¿84.

- е -

УЛл" Ж

(9)

где Ор.о. - вновь вводимый показатель - относительная величина широкополосного альбедо участка со слаборазвитой растительностью.

Анализ (9) показывает, что зависимость Ор.о. от ЫБУ1 является монотонно растущей функцией без экстремумов.

С учетом принятого допущения ЫБУ1 < 0,1 (9) можно представить в виде

э о т

з CL

(10)

Таким образом, показано, что вновь введенный показатель - относительно альбедо ap.o. участков со слаборазвитой растительностью - является монотонно растущей функцией NDVI.

Рассмотрим решение второй задачи исследования. Хорошо известно, что между NDVI и LAI существует следующая общая зависимость [2]:

NDVI = NDVI^ + (NDVIg - NDVI J) exp (-kLAI). (11)

где NDVIx - асимптотическое значение NDVI при LAI > 8%; NDVIg - вегетационный индекс «голой земли»; k - коэффициент ослабления.

+

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05/2 (126) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

А.Г. Мамедбейли. Разработка экологической модели участков со слаборазвитой растительностью в производственных зонах

Из (11) имеем

Вычислим условие

f NDVI - NDVI Л

V

NDVI - NDVI

= [exp (-kLAI)-1]2. (12)

E = T .

p p

(18)

Согласно работе [3] потенциальная эвапотранс-пирация участка, состоящего из голой земли и вегетации, может быть представлена с помощью двух

компонент Ep и Tp:

EP = kc (ET)p

1-

f NDVI - NDVIg ^2 NDVI - NDVIg

Tp = К (ET )p

f NDVI - NDVIg ^2 NDVI - NDVI

(13)

(14)

где Ep - эвапорация «голой» земли; Tp - потенциальная транспирация; kc - коэффициент урожайности; (ET)p - потенциальная эвапотранспирация. С учетом (12) и (13) получим

EP = К [ET] [l - [exp (-kLAI) -1]2 = = kc [ET] [2exp(-kLAI)-exp(-2k : LAI)]. (15)

С учетом (12) и (14) получим

Tp = kc (ET)p [exp (-kLAI) -1]2. (16)

С учетом (15) и (16) имеем

Ep 2exp(-kLAI)- exp (-kLAI)

T exp (-kLAI) - 2exp (-kLAI) +1'

(17)

С учетом (15) и (16) нетрудно вычислить, что (18) удовлетворяется при kLAI ~ ln 0,6.

Таким образом, проведенные исследования позволили выявить некоторые основные особенности предлагаемой экологической модели участков со слаборазвитой растительностью в производственных зонах. Показано, что:

1. Вновь введенный показатель - относительное альбедо участков со слаборазвитой растительностью - является монотонно растущей функцией NDVI.

2. Компоненты потенциальной эвапотранспира-ции участков со слаборазвитой вегетацией: эвапора-ция «голой» земли и потенциальная транспирация -выравниваются при условии kLAI ~ ln 0,6, где k - коэффициент ослабления.

Список литературы

1. Song J., Gao W. An improved method to derive surface albedo from narrowband AVHRR satellite data: narrowband to broadband conversion // J. Appl. Met. 1999. Vol. 38. P. 239-249.

2. Baret F., Guyot G., Mayor D.J. TSAVI: A vegetation Index which minimizes Soil Brightness Effects on LAI and APAR Estimation Proceedings of 12th Canadian Symposium on Remote Sensing. Vancouver. Canada. 1996. Vol. 3. P. 1355-1358.

3. Seaquist J.W., Olsson L., Ardo J. A remote sensing-based primary production model for grassland biomes // Ecological Modelling. 2003. Vol. 169. P. 131155. www.elsevier.com/locate/ecolmodel.

- TATA — OO

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05/2 (126) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013