Использование вегетационного индекса (NDVI) для оценки запасов надземной фитомассы тундровых сообществ растений

УДК 631.4

Н.В. Гопп, В.В. Смирнов

ИПА СО РАН, ИВТ СО РАН, Новосибирск

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЕГЕТАЦИОННОГО ИНДЕКСА (NDVI) ДЛЯ ОЦЕНКИ ЗАПАСОВ НАДЗЕМНОЙ ФИТОМАССЫ ТУНДРОВЫХ СООБЩЕСТВ РАСТЕНИЙ

N. V. Gopp, V.V. Smirnov

Institute of Soil Science and Agrochemistry (ISSA SB RAS), 18 Sovietskaya St., Novosibirsk, 630099, Russian Federation

Institute of Computational Technologies (ICT SB RAS), 6 Akad. Lavrentjev avenue, 630090, Russian Federation

USE OF THE VEGETATION INDEX (NDVI) FOR ESTIMATION THE ABOVE-GROUND BIOMASS IN TUNDRA PLANT COMMUNITIES

An application of the multi-spectral imagery for estimation of the above-ground biomass in tundra vegetation communities is discussed in this paper.

Одной из важных задач дистанционного зондирования земли является исследование параметров растительного покрова. Запасы надземной фитомассы растительности являются одним из важных параметров растительности, который может определяться по многозональным космическим снимкам. Для решения этой задачи находятся взаимосвязи между данными дистанционных наблюдений и параметрами растительного покрова, полученными в полевых условиях. Анализ литературы показывает, что значения вегетационного индекса, определяемые как отношение яркостей в двух диапазонах снимка (красный и инфракрасный), коррелируют с количеством биомассы растительности [1, 2, 3].

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) - нормализованный относительный индекс растительности - количественный показатель количества фотосинтетически активной биомассы. В красной области спектра (0,6-0,7 мкм) лежит максимум поглощения солнечной радиации хлорофиллом высших сосудистых растений, а в инфракрасной области (0,7-1,0 мкм) находится область максимального отражения клеточных структур листа. То есть, высокая фотосинтетическая активность (связанная, как правило, с густой растительностью), ведет к меньшему отражению в красной области спектра и большему в инфракрасной.

Объекты и методы исследования

Исследовались запасы надземной фитомассы следующих растительных сообществ: осоково-разнотравно-злаковая травянистая тундра, кустарниково-шикшевая ерниковая тундра, кустарниковая ерниковая тундра, разнотравно-моховая кустарниковая тундра, разнотравно-злаковая кобрезиевая тундра.

Ключевой участок ограничен координатами 89040'18,07" - 89043'41,50" в.д., 50028'32,32" - 50026'23,03" с.ш.

По физико-географическому районированию территория исследования относится к Юго-Восточной Алтайской провинции, Джулукульский район [4]. Определение запасов надземной фнтомассы проводилось на площадках

л

0,25 м (50 х 50 см) методом укосов, в четырехкратной повторности [5, 6]. Запасы надземной фитомассы измерялись в ц/га воздушно сухого вещества. При этом сроки определения запасов надземной фитомассы в полевых условиях были скоординированы с днем проведения космической съемки, таким образом, было соблюдено условие, заключающееся в единовременном получении информации о состоянии объекта на земле, и из космоса. Составление карты запасов надземной фитомассы и экстраполяция данных проводилась с помощью расчета по многозональному снимку нормализованного дифференциального вегетационного индекса растительности (NDVI). Расчет NDVI проводился в специализированной программе «GRASS» посредством определения соотношения отражения растительными сообществами в каналах снимка соответствующих ближнему инфракрасному и красному диапазону спектра.

Расчет NDVI и составление цифровой карты растительности проводился по многозональному снимку SPOT 4 (разрешение 20 м).

Результаты и обсуждение На основе многозонального снимка SPOT 4 для каждого растительного сообщества составлены гистограммы пространственных флуктуаций значений NDVI (рис. 1), которые показывают, что все растительные сообщества имеют перекрывающиеся значения NDVI. Это означает, что найти общий коэффициент для перевода значений NDVI в значения запасов надземной фитомассы не представляется возможным, так как в данном случае отсутствует корреляция между NDVI и запасами надземной фитомассы.

Рис. 1. Пространственные флуктуации значений NDVI

Пространственные флуктуации значений NDVI характеризуют неоднородность запасов надземной фитомассы растительных сообществ, связанную с неодинаковыми условиями увлажнения и физико-химическими свойствами почв (содержание органического углерода, реакция почвенного раствора, насыщенность основаниями, влажность).

В результате проведенных исследований было установлено, что расчет запасов надземной фитомассы возможен только путем подсчета коэффициентов корреляции внутри каждого ареала растительных сообществ, без учета значений запасов надземной фитомассы и NDVI других растительных сообществ, о чем свидетельствуют данные, приведенные на (рис. 2).

Рис. 2. Коэффициенты корреляции между значениями запасов надземной фитомассы для различных растительных сообществ и вычисленными значениями NDVI по снимку SPOT 4

Распределение величин NDVI и запасов надземной фитомассы определенных в полевых экспериментах внутри каждого ареала имеют практически линейную зависимость. Коэффициенты корреляции между эмпирически измеренными значениями запасов надземной фитомассы и

вычисленными значениями NDVI по снимку SPOT 4 лежат в диапазоне от 0,86 до 0,95, что является основой для составления уравнений регрессии (рис. 2).

На (рис. 3) приведена картосхема запасов надземной фитомассы, полученная путем перевода значений NDVI в запасы надземной фитомассы с использованием полученных уравнений регрессий и алгоритма «дерево-решений» (рис. 4).

Рис. 3. Результаты классификации алгоритмом «дерево-решений» (запасы

надземной фитомассы, ц/га)

Рис. 4. Схема алгоритма «дерево-решений» Заключение

Установлено, что использование алгоритмов (NDVI, «дерево-решений») при классификации многозонального снимка SPOT 4 позволяет оценить пространственную неоднородность распределения запасов надземной фитомассы тундровых сообществ растений.

Проведена экстраполяция запасов надземной фитомассы по значениям NDVI на всю территорию исследования, что позволило сократить объемы полевых работ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений. - М.: Логос, 2001. - 264 с.

2. Виноградов Б.В. Аэрокосмический мониторинг экосистем. - М.: Наука, 1984. - 320

с.

3. Myneni R.B., Doug J., Tucker C.J.,Kaufmann R.K., Kauppi P.E., Liski J., Zhow L., Alexeyev V., Hughes M.K. A large carbon sink in the woody biomass of Northern forests //PNAS, 2001, 98(26): 14784-14789.

4. Атлас. Алтайский край. Москва-Барнаул: Главное управление геодезии и картографии при совете Министров СССР, 1978. - 222 с.

5. Родин Л.Е., Ремезов Н.П., Базилевич Н.И. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах. - Л.: Наука, 1968. - 143 с.

6. Титлянова А.А. Изучение биологического круговорота в биогеоценозах (Методическое руководство). - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1971. - 91 с.

© Н.В. Гопп, В.В. Смирнов, 2009