Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

1 1 2
1
2

Актуальность темы. Основными видами зерновых культур на мировом рынке являются кукуруза, пшеница (27 %) и рис. Лидерами по сбору зерновых культур являются Китай, США и Индия. Россия занимает четвертое место. Сохранение продовольственной безопасности – это важная задача общества.

Спутниковый мониторинг Земли – является основой для прогнозирования и управления состоянием почв, их плодородием, производством сельскохозяйственной продукции.

Цель работы. Оперативную оценку и мониторинг биопродуктивности зерновых культур можно осуществлять, используя изображения, полученные со спутников.

Цель данной работы состоит в верификации спутниковых данных с данными наземных исследований путем синхронного измерения, а так же в проведении анализа полученных результатов.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели было сделано следующее:

• проведены синхронные наземные полевые исследования на тестовых участках;

• проанализированы спектральные характеристики, на примере одной даты и одного хозяйства;

• расчет NDVI по спектральным кривым для исследуемого хозяйства;

• проведен отбор архивных спутниковых изображений для исследуемых полей по данным MODIS;

• обработка изображений с помощью программного обеспечения ENVI 4.8;

• расчет NDVI и построение гистограмм;

• анализ полученных результатов и верификация с результатами, полученными по данным наземных исследований.

Новизна. Синхронные наземные измерения по спектральному дистанционному зондированию посевов озимой пшеницы и определению расчетных параметров вегетационного индекса озимой пшеницы проводились для Европейской мониторинговой системы (MARS Crop Yield Forecasting System), в рамках международного проекта MOCCCASIN [7], финансируемого 7 рамочной программой Европейского союза (номер проекта 262755) целью которого является усовершенствование методов мониторинга озимой пшеницы и предсказания ее урожайности в России путем комбинирования модели роста растения и спутниковых данных.

Измерения производились с помощью новейшего переносного прибора HandHeld 2 Portable Spectroradiometer (производитель ASD Inc.,США) и цифровой фотокамеры с GPS приемником.

Исследования такого рода в настоящее время почти не проводятся, данные полевых измерений не обновлялись с времен распада СССР. Данные полученные при спутниковом мониторинге чаще всего не проверенны и не подтверждены. В данной работе проводится такое сравнение и анализ полученных результатов, что делает данную работу ценной и значимой.

zv1a.tif

№22 №164

zv1b.tif

№116 №193

zv1c.tif

№139 №199

Рис. 1. Исследуемые поля с нанесением точек, в которых проводились измерения для одной даты и одного хозяйства г. Одоев

Методика

Наземная съемка. Полевые наземные измерения проводились на тестовых участках посевов озимой пшеницы в районе городов Одоев и Плавск (Тульская область) в период с мая по сентябрь 2011 года.

В Спектрорадиометре HandHeld2 используется датчик с высоким коэффициентом чувствительности, встроенный в затвор DriftLock™ для компенсации темнового тока, и фильтр второго порядка для получения высококачественных спектров с хорошим соотношением сигнал-шум. HandHeld2 проводит измерения в диапазоне длин волн от 325-1075 нм, с разрешением <3,5 nm при 700 нм, спектральный диапазон 325-1075 нм, с точностью ±1 нм, время сканирования 8,5 мс до 4,6 с (устанавливается автоматически или вручную). Имеется встроенный лазерный прицел, что повышает точность целеуказания, перезаряжаемые батареи типа АА обеспечивают четыре часа непрерывной работы.

Для измерений выбирались характерные участки как со здоровой нормально развивающейся растительностью, так и с растительностью пораженной заморозками, вредителями и засухой.

После нанесения точек на поля производилась обработка полученных спектральных кривых и расчет вегетационного индекса NDVI по данным наземного исследования.

zv2.wmf

Рис. 2. Пример спектральной кривой, полученной на тестовом участке

zv3.tif

Рис. 3. Пример NDVI, посчитанный для полей хозяйства Одоев за 28 июля 2011 г.

Обработка космических снимков, полученных с MODIS. Предварительная обработка данных дистанционного зондирования заключалась в геометрической и атмосферной коррекции спутниковых изображений в ENVI 4.8. Устранение геометрических искажений спутниковых снимков проводились по стандартной методике, применяемой для обработки архивных изображений космической съемки поверхности Земли.

После трансформации исходных изображений были получены тематические карты с кластеризацией территории Тульской области по значениям NDVI, а так же строилась общая гистограмма поведения NDVI для всех полей. Далее значения NDVI усреднялись для каждого поля и соотносились с данными наземных исследований.

zv4.wmf

Рис. 4. Пример карты NDVI для 28 июля 2011 г. для всех полей хозяйства города Одоев

zv5.wmf

Рис. 5. Усредненное NDVI для всех полей и для двух хозяйств Одоев и Плавск

Для того чтобы соотнести данные наземных и космических исследований была выбрана одна дата 28 июля 2011 года, в которой были произведены и наземные и космические измерения.

Итоговым результатом является гистограмма с нанесением данных космической съемки и наземных исследований.

 

zv6.wmf

Рис. 6. Значения NDVI для отобранных полей на 28 июля 2011 г. по космическим снимкам

zv7.wmf

Рис. 7. Гистограммы с поведением NDVI по данным космической съемки и данных наземных исследований на 28 июля 2011 г.

Результаты. На гистограммы были нанесены линии трендов. Видно, что они совпадают с полиномом 4й степени. Значения NDVI и поведение кривых идентичное с расхождением значений на +/–0,1, что может обуславливаться неточностью информации полученной с космических снимков, например попадание другой растительности на поля или низким пространственным разрешением, что при усреднение делает NDVI выше. По наземным данным NDVI ниже и что примечательнее, чем меньше значения отражательной способности в красной области спектра, чем выше значения NDVI. В основном, средние значения NDVI находятся от 0,25 до 0,65, а по данным космической съемки разброс значений от 0,3 до 0,8, но при усреднении значения становятся близкими как видно на рис.13, т.е. мы имеем зависимость данных, которую остается проверить для следующих дат проведения съемок.

Выводы и обсуждение. Была проведена верификация данных наземных исследований с данными космической съемки, полученной с MODIS для одной даты. Сравнительные данные представлены на гистограммах и проанализированы. Для дальнейших исследований необходимо проанализировать данные полученные в другие дни для более точного результата.