CC BY
9Статья поступила в редакцию 23.03.13. Ред. рег. № 1588
The article has entered in publishing office 23.03.13. Ed. reg. No. 1588
УДК 631.8; 528.087
УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ МЕТОДИКА КАЛИБРОВКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МОДЕЛИ FAO-56 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Г.В. Алиева
Национальное Аэрокосмическое Агентство Азербайджан, AZ1106, Баку, ул. С.С. Ахундова, д. 1 Тел.: 994503247240, e-mail: asadzade@rambler.ru
Заключение совета рецензентов: 28.03.13 Заключение совета экспертов: 29.03.13 Принято к публикации: 30.03.13
Предложена усовершенствованная методика калибровки показателей модели FAO-56 с использованием средств дистанционного зондирования.
Показано, что в предложенной методике нет необходимости определять значение минимальной величины NDVI, что уменьшает общий объем необходимых вычислений.
В предложенной методике предусматривается возможность точного определения значения эмпирического коэффициента, определяющего взаимосвязь индексов LAI и NDVI.
Ключевые слова: дистанционное зондирование; эвапотранспирация; вегетационные индексы; калибровка.
THE MODIFIED METHODIC FOR CALIBRATION OF PARAMETERS OF FAO-56 MODEL USING REMOTE SENSING TECHNIQUES
G.V. Aliyeva
National Aerospace Agency 1 S.S. Akhundov str., Azerbaijan, AZ-1106, Baku Tel.: 994503247240, e-mail: asadzade@rambler.ru
Referred: 28.03.13 Expertise: 29.03.13 Accepted: 30.03.13
The modified methodic for calibration of parameters of FAO-56 model using remote sensing techniques is suggested. It is shown, that in the suggested methodic there is not necessity to determine the minimal value of NDVI, which leads to reduction of total volume of required calculations.
In the suggested methodic the possibility for accurate determining of value of empiric coefficient relating the indices LAI and NDVI is provided for.
Keywords: remote sensing, evapotranspiration, vegetation indices, calibration.
Общеизвестно, что для получения подробной пространственной и временной информации относительно почвы и реакции растительности (эва-потранспирации) на различную по характеру практику ирригационных работ, а также на динамически изменяемые условия окружающей среды и во избежание весьма длительного процесса калибровки показателей модели БАО-56 [1] применительно к каждому полю сельхозпроизводства необходимо использовать технические средства дистанционного зондирования.
В работах [2, 3] было показано, что результаты дистанционного зондирования спектральной отражаемости растений позволяют получить непрямую оценку коэффициента растительности. Согласно работе [4] эта возможность может быть объяснена тем, что как коэффициент транспирации модели БАО-56, так и вегетационные индексы так или иначе зависят от индекса площади листьев и показателя частичного покрытия земли.
Хорошо известно, что основным требованием правильного ирригационного планирования является
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03/2 (122) 2013 Qf © Научно-технический центр «TATA», 2013 ® '
Энергетика и экология
определение фактической эвапотранспирации растительности за каждый день в течение периода роста растения. Существующие методы, начиная от простых эмпирических подходов до более сложных физических методов, часто уступают на практике модели FAO-56, так как только в этой модели требуется учет фенологических данных и стандартных метеорологических параметров и обеспечивается выработка приемлемой оценки фактической эвапотранспи-рации растения. Подход модели FAO-56 базируется на концепции комбинирования опорной величины эвапотранспирации ET0 и коэффициента растительности kc.
Как отмечается в [4], существуют два метода для оценки эвапотранспирации растительности: (1) использование единичного коэффициента растительности и (2) использование дуального коэффициента растительности. При использовании единичного коэффициента учет транспирации растения и испарения почвы объединяется в едином коэффициенте kc. Дуальный коэффициент растительности содержит два коэффициента: основной коэффициент растительности kcb и коэффициент испарения почвы ke.
Таким образом, в FAO-56 был использован дуальный подход для вычисления эвапотранспирации растительности, а также для планирования мероприятий по орошению. Этот подход базируется на использовании таких понятий, как опорная величина эвапотранспирации ET0 и коэффициент растительности kc, которые были введены для выделения климатических требований в составе показателя реакции растительности ЕТс, т.е. ETc = (kcb + ke)ET0, где ke -
параметр, характеризующий испарение почвы; kcb -основной коэффициент растительности (транспира-ция растительности), вычисляемый в условиях хорошего орошения, отсутствия стресса и испарения почвы.
В общем случае коэффициент испарения почвы ke достигает своего максимального значения после дождей или ирригационных мероприятий и уменьшается до нуля, когда поверхность почвы сухая и испарения не происходит.
Исследованию взаимосвязи коэффициента kc и вегетационных индексов, таких как нормализованный дифференциальный вегетационный индекс (NDVI), вегетационный индекс, учитывающий влияние почвы (SAVI), были посвящены работы [5, 6].
Как указывается в работе [4], взаимосвязь между коэффициентом kcb и NDVI может быть установлена в таких условиях, когда, во-первых, поверхность почвы сухая, и, во-вторых, вода, имеющаяся в зоне корней, является достаточной для поддержания полномасштабной транспирации растительности. Как было показано в работе [7], существует экспоненциальная зависимость между NDVI и индексом LAI, т.е.
NDVI = NDVIшах - (NDVImax - NDVImin)exp («1 LAI),
(1)
максимальными значениями ЫВУ1, характеризующими почву без растительности и почву с густой растительностью соответственно; а: - эмпирический коэффициент, согласно [6], а! = 0,54.
Как было показано в работе [4], имеет место следующее уравнение зависимости ксЬ и ЫБУГ.
Къ = 1,07
1 —
NDVImax - NDVI NDVI, - NDVIm„
0,84/а.
(2)
Целью настоящей статьи является рассмотрение возможности выработки практических методов вычисления вегетационного индекса NDVI на базе индекса LAI и получение новых формул для вычисления транспирационных коэффициентов.
Сначала изложим предлагаемый графоаналитический метод вычисления полного диапазона изменений индекса.
Выражение (1) преобразуем следующим образом
NDVI шах - NDVI = (NDVI шах - NDVImin) exp (-^ LAI).
(3)
Примем следующие обозначения:
NDVI = NDVImax - NDVI; (4)
NDVIо = NDVI max - NDVI тШ. (5)
С учетом (4) и (5) выражение (3) запишем в следующем виде:
NDVI = NDVI0 exp(-а1 LAI). (6)
Осуществим логарифмирование правой и левой сторон выражения (6). Имеем
log NDVI = log NDVI0 - a LAI . (7)
Допустим, что путем спектрорадиометрических измерений на тестовых участках определены пары
значений (LAI 1, NDVI1) и (LAI2, NDVI2). Составим
график зависимости NDVI от LAI (рисунок).
График зависимости NDVI от LAI Graphic of dependence of NDVI on LAI
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03/2 (122) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
где NDVImm и NDVImax являются минимальными и
Г.В. Алиева. Калибровка показателей модели РАО-56 с использованием средств дистанционного зондирования
Для обеспечения применимости выражения типа (1) в конкретной местности в первую очередь следует определить значение эмпирического коэффициента а1, который согласно рисунку вычисляется как
а = arctg
NDVI, - NDVI2 LAI, - LAI2
(8)
Далее для вычисления kcj, по (4) необходимо определить величину
NDVImax - NDVI _ NDVI NDVImm.- NDVImm _ NDVI, '
Отметим, что для определения величины NDVImax - NDVImn _ NDVI0 целесообразно использовать графоаналитический метод, заключающийся в следующем. Отрезок прямой линии AB, показанный на рисунке, экстраполируется вплоть до точки LAI = 0, где точка пересечения этой линии с осью ординат С определяет величину lnNDVI0. Определив NDVI0 _ eOC , где OC - величина отрезка OC на рисунке, можно графоаналитически определить величину NDVI0.
Таким образом, на основе вышеизложенного графоаналитического метода формула (2) приобретает следующий вид:
Kb = 1,07 а -
NDVI
0,84/а,
ex
p (OC)
где а1 определяется по (8).
Преимущества предлагаемого графоаналитического метода вычисления коэффициента kcb следующие:
1. Нет необходимости определять значение минимальной величины NDVI, что уменьшает общий объем необходимых вычислений.
2. Проявляется возможность точного определения значения эмпирического коэффициента, определяющего взаимосвязь индексов LAI и NDVI.
В заключение сформулируем основные выводы и положения проведенного исследования:
1. Предложена усовершенствованная методика калибровки показателей модели FAO-56 с использованием средств дистанционного зондирования.
2. Показано, что в предложенной методике нет необходимости определять значение минимальной величины NDVI, что уменьшает общий объем необходимых вычислений.
3. В предложенной методике предусматривается возможность точного определения значения эмпирического коэффициента определяющего взаимосвязь индексов LAI и NDVI.
Список литературы
1. Er-Raki S., Chehbouni A., Duchemin B. Combining satellite remote sensing data with the FAO-56 dual approach for water use mapping in irrigated wheat fields of a semi-arid region // Remote Sensing. 2010. No. 2. P. 375-387; doi:10.3390/rs2010375; www.mdpi.com/journal/remotesensing.
2. Bausch W.C. Soil background effects on reflectance-based crop coefficients for com // Remote Sensing. 1993. Vol. 46. P. 213-222.
3. Gutman G.G. On the use of long-term global data of land reflactances and vegetation indices derived from the advanced very high resolution radiometer // Journal Geophysical Research. 1999. Vol. 104. P. 6241-6255.
4. Er-Raki S., Chehbouni A., Guemouria N., Duchemin B., Ezzahar J., Hadria R. Combining FAO-56 model and ground-based remote sensing to estimate water consumptions of wheat crops in a semi-arid region // Agricultural water management. 2007. Vol. 87. P. 41-54.
5. Rouse J.W., Haas R.H., Schell J.A., Deering D.W., Harlan J.C. Monitoring the vernal advancement and retrogradation of natural vegetation. NASA/GSFC, Type III, Final report, Greenbelt, MD, 1974, pp. 1-371.
6. Huete A.R. A Soil-adjusted vegetation index (SAVI) // Remote Sensing Environmental. 1988. Vol. 25. P. 295-309.
7. Duchemin B., Hadria R., Er-Raki S., Boulet G., Mainsongrande P., Chehbouni A., Escadafal A., Ezzahar J., Hoedjes J., Karroui H., Khabba S., Mougenot B., Olioso A., Rodriguez J.-C., Simonneaux V. Monitoring wheat plenology and irrigation in Central Morocco: on the use of relationship between evapotranspiration, crops coefficients, leaf area index and remotely-sensed vegetation indices // Agricultural Water Manage. 2002. Vol. 79. P. 1-27.
ГхГ*
- TATA —
LXJ
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03/2 (122) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
