Изучение спектральных характеристик сельскохозяйственных растений и установление взаимосвязи радиометрических данных с дешифровочными возможностями ДЗЗ

Изучение спектральных характеристик сельскохозяйственных растений и установление взаимосвязи радиометрических данных с дешифровочными возможностями ДЗЗ

В.Е. Зинченко, к.с.-х.н., О.И. Лохманова, к.с.-х.н.,

В.И. Зинченко, аспирант,

Донской зональный НИИСХ РАСХН

Планируемая работа по созданию базовых характеристик наблюдения за изменением качественного и количественного состояния сельскохозяйственных растений с использованием материалов дистанционного зондирования (ДЗЗ) повысит продуктивность и эффективность использования земельных ресурсов путём совершенствования землепользования на основе дифференцированной оценки земель сельскохозяйственного назначения. При этом предполагается обеспечить увеличение валового производства сельхозпродукции и снижение её себестоимости, сохранение и повышение почвенного плодородия, улучшение агроэкологи-ческой ситуации.

В качестве теоретической и методологической базы исследований предполагается использовать методические подходы, изложенные в трудах отечественных и мировых учёных по мониторингу сельскохозяйственных растений. При разработке конкретных вопросов, поставленных на исследование, будет использован метод анализа данных ДЗЗ по задачам агромониторинга и метод научного поиска, последовательного накопления, обобщения нормативных материалов, научного анализа, экспертной оценки нормативных и научно-технических материалов; метод системного анализа по направлениям проводимых работ, выбора и оптимизации принятия решений.

В Ростовской области проблемы отрасли растениеводства имеют особую актуальность, что предопределено многими факторами. Недостаточная изученность проблем региона, отсутствие должного финансирования данной отрасли, а также нехватка трудовых ресурсов — это не даёт в полной мере обеспечить возрастающие потребности аграрного сектора экономики в целом [1].

Цель: применить технологии ДЗЗ в аграрной сфере — создать системы оперативного, периодического и базового наблюдения за изменением качественного и количественного состояния растений сельскохозяйственного назначения.

Достижению цели служат следующие задачи:

• обеспечение текущего контроля за состоянием посевов сельскохозяйственных культур;

• раннее прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур;

• мониторинг темпов уборки урожая одновременно по территориям крупных регионов;

• определение ёмкости пастбищ различных типов и продуктивности сенокосов.

В результате этого возникает необходимость комплексного исследования состояния растительного покрова и сельскохозяйственных земель, определения основных путей рационального использования материально-технической базы, природных ресурсов, окружающей среды, снижения энерго- и ресурсоёмкости и выявления резервов повышения эффективности использования земель сельскохозяйственного назначения.

Решение задач возможно путём постепенного внедрения методов дистанционного зондирования земель, выполнения следующих этапов:

— создание электронной карты полей всех районов Ростовской области;

— сбор информации о полях;

— прогноз урожайности сельскохозяйственных культур;

— создание тематических картограмм;

— мониторинг землепользования, севооборотов, плодородия почв;

— изучение растительного покрова на протяжении временного промежутка (до 10—20 лет);

— проведение аэро- и космических съёмок для изучения почвенного покрова, а также получение данных инфракрасной, радиотепловой и радиолокационной съёмок для сельскохозяйственных целей (технологические карты, контроль за ростом и развитием растений, контроль за техникой, удобрениями, ядохимикатами).

Материалы и методы исследований. Для проведения мониторинга землепользования использовали спутниковые данные MODIS за предыдущие годы и за текущий год.

Сервис «Вега» Института космических исследований РАН был использован для проведения анализа значений вегетационного индекса растительности внутри оцифрованных полигонов в исторической перспективе, что позволило с высокой степенью достоверности выявить поля, отличающиеся друг от друга по активности хозяйственной деятельности [2]. Обработав данные по полям в геоаналитической системе «Агроуправление», мы смогли создать тематические карты полей.

Основой методики идентификации посевов озимых зерновых и оценки их состояния является использование такого дешифрованного

1. Содержание хлорофилла в листьях подсолнечника

№ поля ^©1 **8 Фаза развития Содержание белка Хлорофилл, мг/дм2 Среднее содержание хлорофилла а + б, мг/дм2 Содержание катина, мг/100 г Среднее содержание катина, мг/100 г

1 21,48 2,63 46,46

2 образование 20,21 2,87 50,96

1 3 соцветия - 20,31 2,61 2,58 47,28 46,57

4 цветение 18,56 2,33 43,50

5 18,72 2,45 44,67

1 15,73 2,14 40,63

2 цветение 13,81 1,90 36,37

5 3 и созревание 16,35 2,22 2,20 41,73 39,64

4 семянок 15,37 2,22 37,34

5 15,29 2,51 42,14

1 20,14 2,17 40,70

2 цветение 20,79 2,00 39,12

2 3 и созревание 19,64 2,32 2,29 41,74 40,25

4 семянок 18,21 2,34 37,44

5 17,67 2,61 42,24

2. Содержание хлорофилла в листьях озимой пшеницы в зависимости

от фазы развития

№ поля Фаза развития Среднее содержание белка, % Среднее содержание хлорофилла а + б, мг/дм2 Среднее содержание первичной влаги, %

631 созревание 19,85 2,57 77,80

647 цветение 15,31 2,19 77,08

628 цветение 19,29 2,28 78,55

признака, как индекс вегетации/отношение яркостей в инфракрасной и красной областях оптического спектра. Индекс вегетации прямо коррелирует с уровнем фотосинтетической активности растений и служит индикатором состояния культурного агроценоза [3].

Результаты исследований. Проведя исследования по оценке состояния сельскохозяйственных культур и их инвентаризацию на больших и малых площадях, осуществляя мониторинг земель на основе информационных технологий и материалов дистанционного зондирования (ДЗ), мы получили возможность использования этих данных в управлении ростом и развитием (фенологическое и инфракрасное наблюдение) сельскохозяйственных растений (подсолнечник и озимая пшеница) на полях Донского зонального НИИСХ РАСХН.

У большинства растений в естественных условиях общее содержание хлорофилла в листе, поглощающего в основном коротковолновое излучение видимой части спектра, колеблется от 4,0 до 12,0 мг/дм2. Зато в листе много воды — 75—90%, которая поглощает ифракрасное излучение [4].

Анализируя данные, полученные на агрополигоне п. Рассвет в 2010—2012 гг., можно сказать, что содержание хлорофилла в листьях озимой пшеницы находится в зависимости не только от спектральных свойств листьев, но и от фазы развития самого растения [1]. В таблице 1 рассмотрены следующие фазы развития озимой

пшеницы: налив и созревание семян, цветение и формирование корзинок. В фазу налива и созревания семян отмечается наибольшее содержание хлорофилла и белка, а количество первичной влаги меньше, соответственно — 2,57 мг/дм2, 19,85% и 77,8%; хлорофилл — 0,34 мг/дм2; содержание белка — 2,55% и первичной влаги +0,01% (табл. 1, 2).

Индекс вегетации очень высок по сравнению с остальными элементами севооборотов у озимых зерновых в осенне-весенний период, что позволяет надёжно выделять целевые посевные площади. Использование цифровых планов землепользования для построения специальных растровых масок делает возможным уверенно дешифрировать посевы озимых зерновых по данным радиометра МОДИС с пространственным разрешением 250 м (MODIS Technical Specifications http://modis.gsfc.nasa.gov/news).

Таким образом, в результате проведённых исследований сделаны следующие выводы:

1. Методика распознавания природных образований и их идентификации по спектрам отражения может рассматриваться как часть общей задачи теории распознавания образов на основе существующих методик дистанционного определения площадей, состояния и оценки урожая сельскохозяйственных культур.

2. Изучение сельскохозяйственных растений с помощью аэро- и космических съёмок, а также получения инфракрасной, радиотепловой и радиолокационной съёмок для почвенно-

сельскохозяйственных целей является важнейшей задачей, которую необходимо в первую очередь решать с помощью данных ДЗЗ.

Литература

1. Зинченко В.Е., Повх В.И., Лохманова О.И. и др. Планирование урожайности озимой пшеницы по спектру отражения и коэффициенту накопления хлорофилла в растительном покрове объекта дистанционного зондирования Земли // Инновации в науке, образовании и бизнесе — основа эффективного развития АПК: матер. Междунар. науч.-практич. конф. 1—4 февраля 2011 г. Пос. Персиановский, 2011. С, 119-124.

2. Зинченко В.Е., Повх В.И., Лохманова О.И. и др. Использование космических съёмок и наземных обследований для

оценки состояния посевов сельскохозяйственных культур // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. 2012. № 1. С, 45-47.

3. Зинченко В.Е., Повх В.И., Калиниченко В.П. и др. Использование данных космических съёмок для наземного обследования растений // Аграрная наука. 2011. № 10. С, 12-14.

4. Зинченко В.Е., Кононов В.М., Лохманова О.И. и др. Использование данных дистанционного зондирования Земли для мониторинга землепользования и размещения культур в Ростовской области // Высокие технологии, экономика, промышленность: сб. стат. XIII междунар. науч.-практич. конф. «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике». 24—26 мая 2012 г., СПб., Россия / под ред. А.П. Кудинова.Т. 1. СПб.: Изд-вополитех, ун-та, 2012. 346 с.