ВОПРОСЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕГЕТАЦИОННЫХ ИНДЕКСОВ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОЧВЫ Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

Статья поступила в редакцию 23.03.13. Ред. рег. № 1587

The article has entered in publishing office 23.03.13. Ed. reg. No. 1587

УДК 526.8; 528.88

ВОПРОСЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕГЕТАЦИОННЫХ ИНДЕКСОВ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОЧВЫ

Е.Дж. Сулейманова

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

Показано, что для дистанционной идентификации состояния почвы в зависимости от сезона должны быть использованы индексы NDVI или EVI2.

Сформулированы математические условия выбора того или иного индекса для диагностики состояния почвы при проведении точечных или интервальных измерений.

Ключевые слова: дистанционное зондирование, вегетационные индексы, почва, диагностика, измерения.

QUESTIONS ON USE OF VEGETATION INDICES FOR REMOTE SENSING OF SOIL CONDITION

E.Dj. Suleymanova

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

It is shown, that to remote identification of soil condition the indices NDVI or EVI2 should be used depending in season. The mathematical condition for chosing of the relevant index for diagnosis of the soil condition upon carrying out point type or interval measurements.

Keywords: remote sensing, vegetation indices, soil, diagnosis, measurements.

Хорошо известно, что нормализованный дифференциальный вегетационный индекс (NDVI) широко используется для мониторинга фенологии, количества и активности растительности. Как отмечено в работе [1], чувствительность NDVI к фоновому отражению, а также склонность к насыщению при широколиственных полях ограничивает использование этого индекса для изучения широкого разнообразия растений. В качестве альтернативы часто используется усиленный вегетационный индекс (EVI), который менее чувствителен к ограничениям, однако требует наличия результатов измерений в синем диапазоне длин волн, которые часто отсутствуют в потоке спутниковых данных. Взамен EVI применяется двухдиапазонный вариант этого индекса EVI2, в котором используется свойство корреляции между красным и синим диапазонами.

В работе [1] изложены результаты сравнительных исследований NDVI и EVI в отношении чувствитель-

ности этих индексов к фоновому отражению, исходящему из трех видов почвы, различающихся по степени обгорелости, т. е. исследовалось влияние сильно обгоревшей, среднеобгоревшей и слабообгоревшей почв на количественные оценки вышеуказанных индексов. При этом способность NDVI и EVI правильно оценить состояние растительности проверялась спутниковым спектрорадиометром MODIS и наземными измерениями индекса лиственной площади (LAI).

Отметим, что индексы NDVI, EVI и EVI2 вычислялись по следующим формулам:

NDVI = Рмя Pred

+ Р R

EVI = 2,5-

+ Pred - 7,5рл

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03/2 (122) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Е.Дж. Сулейманова. Вопросы использования вегетационных индексов для дистанционного зондирования состояния почвы

EVI 2 = 2,5- Pnir Pred

+ 2,4Pred + 1'

где pNIR, Pred и Pblue являются сигналами отражения, соответственно, в следующих диапазонах: pNIR = = 841-876 нм; pRED = 620-670 нм; pBLUE = 459-479 нм.

Результаты проведенных измерений представлены в виде графиков на рис. 1 [1]. Как видно из графика рис. 1, а, сезонные изменения альбедо у необгоревшей площади минимальны, однако у обгоревшей площади они максимальны, особенно в начале сезона роста растений. Как видно из рис. 1, b, значение NDVI является наивысшим на необгоревшем участке и наинизшим на сильно обгоревшем участке. Это различие значительное в начале роста растительности и уменьшается во времени. В то же время для индексов EVI и EVI2 различие по степени обго-релости почвы более-менее стабильно во времени.

Рис. 1. Сезонное изменение альбедо (а), индекса NDVI (b) и индекса EVI2 (с) в условиях сильной обгерелости почвы (сплошная линия), средней обгорелости (пунктир) и необго-релости (точки). Линии указывают результаты измерений

с высотной башни; символы указывают на результаты измерений, осуществленных спектрорадиометром MODIS Fig. 1. The seasonal change of albedo (a), NDVI (b), and EVI (c) in condition of severe burnt (solid line), mean level burnt (dotted line), and non-burnt (dots) soil. The lines indicate results of measurements from tower; symbols indicate results of measurements carrying out of MODIS

Таким образом, становится очевидным, что несмотря на явное преимущество индекса ЕУ12 в области изучения состояния растительности в сравнении с ЫБУ1, при использовании этих же индексов для изучения состояния почвы положение вещей сильно изменяется. Как видно из рис. 1, с, в начале сезона роста растений различие между значениями ЫБУ1 достигает величины = 0,37, в то время как соответствующая разница у индекса ЕУ12 равна = 0,25. Однако уже при п = 180, где п - порядковый номер дня текущего года, указанная разница оказывается равной, соответственно, = 0,26 и 0,22. При п = 200 соответствующая разница становится равной = 0,12 и 0,19. Вышеуказанные величины в виде графиков показаны на рис. 2.

Рис. 2. Сравнение величин сезонных разностей

индексов NDVI и EVI2 для двух типов почв Fig. 2. Comparison of values of seasonal differences of NDVI and EVI2 for soils of two types

Как видно из рис. 2, существует особая точка пх, где значения АМБУ1 (разница между значениями ЫБУ1 для необгорелой почвы и сильно обгорелой почвы) и АЕУ12 (соответствующая разница между значениями ЕУ12) выравниваются. Следовательно, можно сделать качественный вывод о том, что дистанционный мониторинг состояния почвы при п < пх следует осуществлять с использованием индекса ЫБУ1, а при п > пх следует использовать индекс ЕУ12.

Математически точка пх может быть вычислена путем решения следующего уравнения относительно п:

ANDVI (nx) = AEVI2 (nx).

(1)

Переходя от дискретного параметра n на непрерывное время t и, соответственно, от nx на tx, уравнение (1) запишем в следующем виде:

NDVI1 (tx) - NDVI2 (tx) = EVI2j (tx) - EVI22 (tx). (2)

Очевидно, что использование уравнений (1) и (2) для вычисления значений nx и tx целесообразно при проведении однодневных измерений состояния почвы. Однако если измерения состояния почвы должны быть проведены в течение некоторого интервала

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03/2 (122) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Энергетика и экология

П - п (рис. 2), то целесообразно сравнивать интегральные оценки рассматриваемых разностей индексов. Вопрос нахождения интервала проведения необходимых измерений ставится следующим образом. Следует вычислить интервал п - п (и соответственно этому -1 ), на котором удовлетворяется условие

x2 x2 J ANDVIdt = J AEVI2dt.

(3)

При этом индекс ЫБУ1 может быть использован в интервалах, смещенных влево от вычисленного интервала - (при этом имеется в виду постоянство длин всех рассматриваемых интервалов).

Если точка пх находится в пределах интервала пх - пх , то взамен уравнения (3) может быть рас-

смотрено следующее неравенство:

t

К

ANDVI. -AEVI2

Х2

tx ) >J(

ANDVI. -AEVI2,

)dt.

^ /

(4)

При этом использование индекса ЫБУ1 в интервале - целесообразно при выполнении неравенства (4). В противном случае должен быть использован индекс ЕУ12.

Таким образом, предложенные выражения (1), (2) и (3), (4) являются, соответственно, критериями использования индексов NDVI и EVI2 для дистанционного зондирования состояния почвы при проведении точечных или интервальных измерений. При этом следует иметь в виду, что сравнению подлежат структурно однородные участки, отличающиеся только тем, что в одном из сравниваемых участков в прошлом сезоне возник пожар и, как следствие, имеет место затемнение цвета почвы. Вышеуказанным способом могут быть идентифицированы различные обгоревшие и необгоревшие части леса.

В заключение сформулируем основные выводы и положения проведенного исследования:

1. Показано, что для дистанционной идентификации состояния почвы в зависимости от сезона должны быть использованы индексы NDVI или EVI2.

2. Сформулированы математические условия выбора того или иного индекса для диагностики состояния почвы при проведении точечных или интервальных измерений.

Список литературы

1. Rocha A.V., Shaver C.R. Advantages of a two band EVI calculated from solar and photosynthetically active radiation fluxes. Agric. Forest Meteorol. 2009, doi: 10.1016/j.agrformet.2009.03.016.

rxti

— TATA —

oo

GRIX - GREEN IT EXPO JAPAN-2013 НАЦИОНАЛЬНАЯ ВЫСТАВКА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Grix^

Reed Exhibitions Companies Web: http://www.reedexpo.com E-mail: rxinfo@reedexpo.co.uk

Время проведения: 09 - 10.05.2013

Место проведения: Tokyo International Exhibition Center

(Tokyo Big Sight)

Организаторы

Reed Exhibitions Japan Web: http://www.reedexpo.co.jp E-mail: info@reedexpo.co.jp Официальный веб-сайт http://www.grix-expo.jp/en/

З0

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03/2 (122) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013