Исследование оптико-спектральных свойств растительности и их применение для оценки состояния растительных покровов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ргь ОЛ

1 г) лр

ИНСТИТУТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И АТОМНОЙ ФИЗИКИ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ

УДК 543.42

ЖУМАРЬ АНДРЕЯ ЮРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-СПЕКТРАЛЬНЫХ СВОЙСТВ РАСТИТЕЛЬНОСТИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОКРОВОВ.

01,04.05. - оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск - 1996

Работа выполнена в Институте физики им.Б.И.Степанова Академии наук Беларуси

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Нлюта В.Е.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Предко К.Г.:

кандидат физико-математических наук Длугунович В.А.

Оппонирующая организация: НИИ прикладных физических проблем

им. А.Н.Севченко

Защита состоится п 1996 г. в 143° на

заседании совета по защите диссертаций Д 01.01.01 в Институте

молекулярной и атомной физики АНБ (220072, г.Минск, просп. Ф. Скорины 70).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института молекулярной и атомной физики АНБ.

Автореферат разослан " ^ " 1996г.

Ученый секретарь

Совета по защите диссертаций, О

кандидат физико-математических наук /¡Ч/'Г ^ В.А-Кузьмицкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность разработки дистанционных оптических методов определения состояния растительно-почвенных объектов обусловлена проблемами экологического мониторинга окружающей среда, а также задачами сельскохозяйственного производства, нуждающегося в объективной и оперативной информации о состоянии посевов.

Наиболее развптши является дистанционные спектральные метода, использущие данные о спектральной распределении параметров электромагнитного излучения, рассеянного природными объектами. Эти метода можно подразделить на использующие широкие и узкие спектральные каналы. Обычно сведения о исследуемом объекте содержатся в совокупности амплитудных,фазовых, частотных , угловых характеристик отраженного излучения* Однако для ширококанальных методов характерно использование в первую очередь непосредственна амплитудной: информации (коэффициентов отражения и их-комбинаций), в тоже время узкоканальные методы отличает возможность использования спектральных особенностей кривых коэффициентов отражения исследуемых объектов.

Применение методов , использущих узкие спектральные каналы , позволяет использовать производные разных порядков от коэффициентов отражения.Такое представление информации имеет ряд преимуществ: 1. Процедура дифференцирования позволяет ослабить влияние нежелательных шумов , в частности, влияние отражательной способности почва на спектр отражения растительности. 2. Используя спектральные особенности различных компонент, составляющих сложный спектр исследуемой земной поверхности, можно выделить интересующую компоненту и связать ее- с параметрами исследуемого объекта. 3.Методы , использущие узкие спектральные каналы по сравнению с широкополосными позволяют использовать более полно частотные характеристики для определения состояния исследуемого объекта.

Все это привело к необходимости исследования связей между, амплитудно-частотными и биометрическими характеристиками сложных растительно-почвенных объектов, включапцего лабораторные, натурные и модельные эксперименты, и разработки на их основе методик, оценки параметров состояния сложных растительно-почвенных систем.

Связь работы с научными программами.

Задачи, вошедшие в диссертации,определялись плановыми заданиями по темам:Оптика 3.02, Оптика 2.29.

Цель диссертационной работы заключалась в разработке методов оценки состояния растительно-почвенных систем по данным дистанционных спектральных измерений.

В диссертации необходимо решить следующие конкретные задачи

1. На основе проведения комплексных лабораторных, натурных экспери ментов, а также математического моделирования выявить взаимосвяз: между спектральными характеристиками отраженного растительно-почвен вши объектами излучения и параметрами их состояния.

2. Разработать методики оценки состояния растительных объектов по спектральным данном.

Научная новизна работы заключается в следующем;

1. Впервые изучено взаимное расположение точек перегиба спектральных кривых коэффициентов отражения и поглощения листьев растений в зависимости от содержания хлорофилла и степени перекрытия листьев. Показано, что существует два типа расположения точек перегиба спектральных кривых коэффициентов отражения и поглощения: а) положение точек перегиба спектральных кривых коэффициентов отражения и поглощения совпадают, Ь) положение точек перегиба спектральных кривых коэффициентов отражения и поглощения смещены одна относительно другой.

2. Выявлены условия, при которых проективное покрытие влияет на по ложение длинноволновой точки перегиба спектральных кривых коэффи циентов отражения растительных покровов.

•3.Впервые показано , что положение длинноволновой точки перегиба кривой отражения растительности может зависеть от углов наблюдения.

4. Установлены количественные взаимосвязи между производными от ко эффициентов яркости и индексом листовой поверхности (Ь&1) ил биомассы (М) зерновых культур. Найдены условия нахождения оптимальных длин волн, на которых следует проводить расчеты по оценке 1А1 М. Для адаптации данной методики к условиям Беларуси определен оптические постоянные для типичных почв Беларуси, являющиеся январи антами к содержанию гумуса, влажности, степени обработки почвы.

5. Изучено влияние ряда элементов генерального питания на спектр отражения картофеля, на основании чего предложены спектральные инде ксы для оценки содержания азота в листьях картофеля.

Основные положения выносимые на защиту;

1. Эффект смещения положения длинноволновой точки перегиба криво коэффициентов отражения в области 0.68-0.75 мкм, вызванный изменени величины проективного покрытия и углов наблюдения.

2. Увеличение величины сдвига положения длинноволновой точки переги ба кривой коэффициентов отражения растительного покрова, вызванно изменением количества растительности, при уменьшении содержани хлорофилла в листьях растений.

3. Методика оценки индекса листовой поверхности по величине первой производной спектральных коэффициентов яркости (СКЯ) растительного покрова, позволяющая уменьшить число наземных измерений и увеличить точность оценки индекса листовой поверхности.

Практическая значимость.

Результаты исследования структур! точек перегибов кривой отражения растительности могут быть положены в основу экспресс. - анализа состояния растительных покровов (количества растительности и содержания хлорофилла).

Предложенная методика оценки индекса листовой поверхности или биомассы по величине первых производных СКЯ растительности была использована при составлении прогноза урожайности зерновых культур.В настоящее время она принята к производственным испытаниям Минсельхозпродом Республики Беларусь.

Экономическая значимость полученных результатов заключается в том, что применение разработанного метода оценки индекса листовой поверхности (биомассы) приводит к сокращению материальных и трудовых затрат при составлении прогноза урожайности зерновых культур.

Апробация результатов работы.

Вошедшие в диссертацию результаты исследований докладывались на научной конференции при международной специализированной выставке "Оптическое, спектрометрическое и радиометрическое оборудование для экологического мониторинга" (г.Минск 1992 ), на всесоюзной конференции * * Дистанционное зондирование агропочвенных и водных ресурсов " (г.Барнаул 1990 ), на всесоюзной конференции " Региональные биосферные и экологические исследования космическими средствами'' (г.Звенигород 1990 ).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ,включая 6 статей, 3 тезиса докладов в трудах конференций и 1 ярепринта РНТЦ •* Зкомир '* АНБ и ПС по экологии.

Личный вклад автора. Диссертация отражает личный вклад автора.Научное руководство работой осуществлял В.Е.Плюта. Модельные расчеты СКЯ посевов по модели Нильсона-Кууска проведены Яновской Е.А. совместно с Чиберкусом D.H. Оценки содержания элементов минерального питания,хлорофилла,индекса листовой поверхности, биомассы проводились сотрудниками НИИ почвоведения и агрохимии и НИИ экспериментальной ботаники АН Беларуси.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Материал диссертации изложен на 128 страницах

машинописного текста и включает 38 рисунков, 8 таблиц и библиогра из 172 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко рассмотрено состояние исследуемой проблек

В общей характеристике работы сформулированы цель и задач? работы, дана оценка новизны полученных результатов, сформулировав основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются спектральные отражательны« свойства растительно-почвенных систем. Приведен обзох теоретических моделей, описывающих процесс отражения падагацегс излучения как листьями, так и растительными покровами в целом. Рассмотрены возможности использования дистанционных оптически? методов для оценки состояния растительных покровов. Приводите! анализ существующей спектральной аппаратуры для оценки параметра растительных покровов.

Во второй главе описана измерительная аппаратура, методикт проведения экспериментов, а также модельных расчетов.

Для проведения лабораторных исследований спектров отражения I пропускания листьев растений использовались спектрофотометр!. СФ-18 и СФ-26 с приставкой диффузного отражения.

Дистанционные наземные и самолетные измерения спектральные характеристик отраженного растительно-почвенными системам! излучения проводились с помощью комплекса аппаратуры,включащегс спектрометр МСС-2 (спектральный диапазон 0.4-0.8 мкм, спектральное разрешение 5 нм).

Производные коэффициентов отражения, пропускания и поглощения вычислялись с помощью интерполяционного полинома Лагранжа.Степеш полиномов Лагравжа не превышала 5.

Для модельных расчетов спектральных характеристик отраженной растительными покровами излучения была использована модель Нильсона-Кууска /1/. В данной модели растительный покрот рассматривается как горизонтальная однородная оптичеекк анизотропная мутная среда, состоящая из случайно и независимо дру1 от друга размещенных фотоэлементов с заданными оптическим? свойствами, пространственной ориентацией и вертикальные распределением. Входными параметрами модели являются зенитный уго.т Солнца, угол наблюдения, разность азимутов углов наблюдения ж Солнца, коэффициенты направленно-диффузного отражения и

пропускания листьев, коэффициенты яркости почвы.

Для установления взаимосвязей между биометрическими и спектральными характеристиками отраженного излучения были проведены модельные эксперименты.

Эксперимент 1. Данный эксперимент проводился с листьями картофеля спектрометром МСС-2 Проективное покрытие (В) изменялось от 0.3 до 1.0, индекс листовой поверхности - от 0.3 до 5.0, индекс перекрытия листьев (Ь01) - от 1.0 до 5.0.

Эксперимент 2. Данный эксперимент проводился с реальным посевом пшеницы. Проективное покрытие изменялось от 0 до 1.0, индекс листовой поверхности- от 0 до 5.75, индекс перекрытия листьев был постоянен и равнялся 5.3.

Эксперимент 3. Полевые эксперименты проводились на опытных участках Бе-лорусского института почвоведения и агрохимии в течении ряда лет. Исследуемой культурой являлся картофель. На экспериментальных участках варьировались условия произрастания растений. Так величина азота в почве колебалась от 0 до 180 кг/га. Участки закладывались в четырехкратной повторности. На каждом участке спектрометрирование выполнялось в трех точках в надир и при Q=50° , при зенитном угле Солнца 40-50°. В течении вегетации со всех вариантов опытов проводился отбор листьев, в которых после предварительной подготовки определяли содержание основных элементов минерального питания (N,P,K), а также содержание хлорофилла. Синхронно с этим отбирались образцы листьев для исследований их оптических характеристик в лабораторных условиях.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований спектральной структуры первых производных коэффициентов отражения растительности.

Экспериментально показано, что существует два типа точек перегиба кривой коэффициентов отражения листьев растений рис.1 :1. положение точек перегиба кривых коэффициентов отражения и поглощения (х*) совпадают; 2.положение точек перегиба кривых коэффициентов отражения и поглощения смещены одна относительно другой.

Всего можно выделить следующие экспериментальные закономерности поведения положения длинноволновых точек перегиба

кривых отражения листьев (\*>0.71мкм).

1.Положение длинноволновой точки перегиба спектральной кривой коэффициентов отражения листа зависит как от степени перекрытия листьев,так и от содержания хлорофилла в листе.

Рис.1. Спектральные распределения первых производных коэффициентов отражения и поглощения: 1,1' - р'(х), 2,4' - К' (X) при Ш>1; 3,2' -р*(Х), 4,3* - К'(Х) при 1А1=3; а- N^=6.0 мг/дм2,б- N.=1.5 иг/т2

2.Появление длинноволновой точки перегиба только начиная со значения (NXJI LAI объясняет отсутствие длинноволновых точек перегиба для малых значений NXJI при незначительном перекрытии листьев.

3.При резком увеличении значений (N__ LAI) происходит заметное сниже-

* *

зле чувствительности х к этому параметру ,т.е.х стремиться к некоторому предельному значению. Это объясняет то, что при больших значениях N^, величина х* нечувствительна к изменению Ю1 и В. . 4. Видно,что чем больше значение содержания хлорофилла в листе,тем меньше величина максимально возможного сдвига положения точки перегиба спектральной кривой коэффициентов отражения . вызванного увеличением слоев листьев.На рис.2 приведено

экспериментальное подтверждение данной закономерности.Так для Н;0=5.3мг/дмг при максимальном возможном изменении ЬА1 от 1 до 3 »величина сдвига дх* составила 5нм ,в то а время как для NjjjH-2мг/дм2 при изменении LAI от 3 до 6 , дх*=15нм.

Основным механизмом .ответственным за данные закономерности, является многократное рассеяние излучения на внутренней структуре листьев ,а также между самими листьями.

Для доказательства данных утверждений были проведены расчеты суммарных коэффициентов отражения стопы листьев по формуле Стокса : р (х)=р (х) + р fx) Т*(х)/-(1-р ,(х) р„(х)) ,

Т> О П — I О Л—1 о

где-р„,Т ,р .,Т . -коэффициенты отражения и пропускания одного

О О п-1 г» - 1

листа и стопы из п-1 листа.После чего были рассчитаны первые производные коэффициентов отражения для стопы листьев. На рис.3. кривые 1-3 представляют спектральное.

распределение первых производных от коэффициентов отражения. Видно, что увеличение слоев листьев, которое приводит к усилению роли рассеяния в процессе взаимодействия листьев с излучением,обуславливает смещение х* в -длинноволновую область спектра.Так различие в положении х*. для одного листа и система из двух листьев составило 5нм.Для одного листа и системы из трех листьев было равно 20нм.

Уменьшение перекрытия листьев должно приводить к уменьшению кратности рассеяния отраженного излучения.

Следовательно,коэффициент отражения системы двух листьев с учетом только однократного рассеяния примет вид: p(x)=pQ(x)+po(x) Т2(х).Для системы трех листьев:р(х)=ро(х)+ро(х) Т2(х)+ро(х) Тд(х).

На рис.3 приведены спектры первых производпых для системы двух и трех листьев при однократном рассеянии,соответствующие

Рис.2. Спектральное распределение первых производных коэффициентов отражения: 1^= 5.3 (1,2), 1.2 мг/дн2 (3,4,5); 1Д1=1 (1,3), 3(2,4), 6(5).

а ^'(ЛЬ/а* <Г

Ряс.З. Спектральное распределение расчетных значений первых производных коэффициентов отражения: а- многократное рассеяние, б-однократное рассеяние;1-для одного. 2 и Г-для системы двух, 3 и 2'- для системы трех листьев.

кривым 1'-2'.Если сравнить кривые 3 и 2',то наблюдается смещение позиции х* в длинноволновую область спектра на 15нм при вариации кратности рассеяния от 1 до « для системы из трех листьев.В то же время в случае однократного рассеяния увеличение степени перекрытия листьев не приводит к смещению положения длинноволновой точки перегиба кривой коэффициентов отражения.

На положение коротковолновых точек перегиба оказывает влияние только содержание хлорофилла в листе. Очевидно, что это связано с процессом однократного рассеяния излучения листьями растений.

Для расчетов спектральных характеристик отраженного посевам! излучения была использована модель Нильсона-Кууска .

Коэффициенты яркости растительного покрова рассчитывались да 1А1-.0,5,0.7,1.0,1.5,2.0,3.0,7.0 при углах наблюдеши

0,15,30,45,60,70°:Высота Солнца считалась равной 45° .Данные о СК5 дерново-подзолистой песчаной и торфяника,типичных почв Беларуси,был] получены в полевых условиях с помощью спектрометра МСС-2.В качест] исследуемой культуры был выбран картофель.Изменение содержание хлорофилла в листьях картофеля осуществлялось путем внесения разных до; азотных удобрений в почву.Эти дозы изменялись в пределах от О д< 180кг/га.На делянках, различающихся дозами внесенных удобрений,проводился отбор листьев.Данные о направленно-полусферических коэффициентах отражения и пропускания листьев были получены при лабораторных измерениях на спектрофотометре СФ-18.Были рассчитаны спектры коэффициентов яркости растительного покрова в диапазоне 0.68-0.75мкм через 5нм.Полученные спектры были проинтерполированы полиномами Лагранжа и продифференцированы.

Получены подтверждения следующих экспериментальных закономерностей:

1. Спектральные особенности почвы не влияют на положение точек перегиба кривых коэффициентов яркости.Объяснить это можно тем,что во-первых, в ближней-ИК области спектра первые производные от СКЯ растительности значительно больше,чем аналогичные производные почвы а, во-вторых, производные от СКЯ почвы практически постоянны по спектру ,и тем.самым вклад почвы в спектр производных коэффициентов яркости системы почва-растительность не существенен.

2. Положение длинноволновой точки перегиба кривой коэффициентов яркости растительного покрова с увеличением проективного покрытия сдвигается в длинноволновую область спектра, если содержание хлорофилла в листе меньше 5мг/дм2 и степень перекрытия листьев

больше двух.

3. Для индекса листовой поверхности меньше 2-х и содержания хлорофилла меньше 5мг/дм2 имеет место зависимость положения длинноволновой точки перегиба от углов наблюдения. Связать это можно с изменением степени перекрытия листьев при варьировании углов наблюдения.

4. Величина смещения длинноволновой точки перегиба зависит от содержания хлорофилла в листьях. Так для посева с содержанием хлорофилла в листьях равным 1.2 мг/дм2, при изменении индекса листовой поверхности от 0.5 до 7.0 , положение длинноволновой точки перегиба сместилось на 15 нм в длинноволновую область спектра, в то время как, для посева с содержанием хлорофилла 5.6 мг/дм2 подобного смещения не наблюдается .

Таким образом, положение точек перегиба кривой коэффициентов яркости сложных растительно-почвенных систем может быть использовано для оценок содержания хлорофилла в посеве , которые послужат ключом к решению задач определения таких физиологических особенностей состояния растительности как :фотосинтетическая способность, фенологическая фаза, продуктивность, стрессы.

В четвертой главе рассмотрены дистанционные спектральные методики оценки индекса листовой поверхности (биомассы), а также содержание азота в растительном покрове.

С целью разработки методики оценки индекса листовой поверхности по данным дистанционного зондирования рассмотрена возможность применения первых производных коэффициентов яркости растительного покрова в области 0.71-0.74 мкм для оценки индекса листовой поверхности. Найдено, что значения первых производных коэффициентов яркости по длине волны в области 0.71-0.74 мкм могут быть использованы для оценки LAI. Чем ближе к длинноволновой границе определенной спектральной области берется производная для оценки LAI, тем меньше влияют на ее величину вариации спектральных свойств почвы и листьев, условий наблюдения. Причем для ЬА1<1.0, наибольший вклад в погрешности определенич LAI вносят вариации спектральных свойств почвы, для LAI>1.0 - изменения содержания хлорофилла в листьях. Влияние условий наблюдения практически одинаково сказывается па величинах производных во всем диапазоне изменений LAI.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований взаимосвязей спектральных характеристик отраженного излучения с параметрами состояния посева была разработана методика

оценки LAI (биомассы), основанная на взаимосвязи:

г' (х)=г;(х)(1- exp(-apU) Р)) , (1)

где г'(х), г^(х)- первые производные коэффициентов яркости системы почва-растительность и предельно плотного растительного покрова соответственно, Эр(х)- параметр зависящий от поглощательной и рассеивающей особенностей растительности, Р- индекс листовой поверхности (биомассы).

Для оптимального нахождения спектральных констант 8р(х) и г'(х) следует решить систему двух уравнений вида (1), причем IAIj.LAIJ^.O , a LAI1/LAI1>1.5.

Алгоритм реализации данной методики заключался в следующем:

1. В качестве эталонных выбираются 2 поля с минимальными коэ$ фициентами вариации коэффициентов яркости в области спектра 0.71-0.74MKM и на этих полях производится наземное обследование, с целью определения LA.I или М посева контактным методом.

2. По определенным значениям г^(х), г^(х), LAI-p LAI^ (IL, Mj) находятся оптические константы из системы уравнений :

г' (я) = г;(х)(1 - ехр(-Р apU)). где Р - индекс листовой поверхности или биомасса, Эр(х) - козффицг ент, описывающий поглощательные и рассеивающие свойства растительнс покрова, для LAI или М соответственно.

3. По найденным значениям г^(х) и Эр(х) проводится оценка LI или М по формуле :

Р =-1п(1 - г'(х)/г;(х))/Эр(х) .

В системе регионального экологического мониторинга важное место занимает контроль за уровнем минерального питания растений, так как широкое применение минеральных удобрений далеко не безвредно для окружающей среды и человека. Оценка минерального питания посевов в региональном масштабе возможна на основе привлечения дистанционных спектральных методов.

В результате комплексных натурных и лабораторных экспериментов установлены взаимосвязи между биометрическими параметрами посевов с различным уровнем минерального питания и спектральными характеристиками отраженного излучения. Проведена коррекция полевых спектральных данных с учетом геометрической структуры посева и отражательной способности почвы. Для оценки обеспеченности растений азотным питанием предложен новый спектральный индекс, использующий коэффициенты яркости на 3-х

длинах волн в зеленой, красной и ближней ИК областях спектра. Экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами расчетов по модели Нильсона-Кууска. Модельные расчеты позволили оценить влияние различных условий съемки на зависимости Между спектральным индексом и содержанием азота в растениях.

В заключении приведем алгоритм предлагаемой методики оценки содержания азота в посеве по спектральным измерениям:

1. Строятся калибровочные зависимости содержания азота в посеве от спектрального индекса для различных х* в диапазоне 0.72-0.75 мкм (где длина волны,на которой значения коэффициентов яркости растительности и почвы совпадают) и индексов листовой поверхности.

2. Находятся х* для каждого оцениваемого поля по величине минимума коэффициента вариации коэффициентов яркости в ближней ИК области спектра растительного покрова.

3. Определяется LAI по значениям первых производных коэффициентов яркости растительного покрова.

4. По калибровочной кривой , которой соответствуют определенные ЬА1 и х* , проводится оценка содержания азота в посеве по величине спектрального индекса.

Оценки .полученные дистанционным спектральным и химическим методами, отличались не более чем па 10-15Ж.

Цитированная литература:' 1. Нильсон Т., Кууск А. Приближенные аналитические формулы для расчета коэффициентов спектральной яркости сельскохозяйственной растительности // Исслед. Земли из космоса.- 1984. - N.5.-с.76-83.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РА60ТЫ

1. Показано, что существует два типа точек перегиба спектральной кривой коэффициентов отражения листьев растений :а) положение точек перегиба кривых коэффициентов отражения и поглощения совпадают ,б) положение точек перегиба кривых коэффициентов отражения и поглощения смещены одна относительно другой.

2. Изучены факторы, влияющие на формирование спектральной функции коэффициентов отражения листьев растений в области 0.68-0.75 мкм. Показано,что: а) наличие длинноволновой точки перегиба связано с критическим значением величины как содержания хлорофилла в листе, так и степени перекрытия листьев, для значений данных величин меньше критических точка перегиба не

проявляется; б) значение возможного сдвига положения точки перегиба, вызванного увеличением слоев листьев, тем меньше, чем больше содержание хлорофилла в листе.

3.Найдено, что при значениях индекса перекрытия листьев больше 2-х и содержания хлорофилла менее 5 мг/дм2 положение длинноволновой точки перегиба кривой отражения растительности зависит от величины проективного покрытия.

4. Показано, что для посевов положение длинноволновой точки перегиба может зависеть от углов наблюдения .Найдено,что это связано с изменением степени перекрытия листьев и величины проективного покрытия посева.Показано ,что зависимость положения длинноволновой точки перегиба кривой отражения от углов наблюдения может быть использована для минимизации влияния структуры посева в задачах оценки состояния растительности.

5. Показано, что величины первых производных от коэффициентов яркости по длине волны в диапазоне 0.71-0.74 мкм могут быть использованы для оценки индекса листовой поверхности, при этом установлено ,что вблизи верхней границы диапазона величина производной в меньшей степени зависит от вариаций спектральных свойств почвы и листьев, условий наблюдения. В результате проведенных исследований взаимосвязей спектральных характеристик отраженного излучения с параметрами состояния растительно-почвенных систем разработана методика оценки индекса листовой поверхности {биомассы), основанная на использовании первых производных коэффициентов яркости растительного покрова по длине волны.

6. Рассмотрено влияния основных элементов минерального питания на спектры отражения листьев картофеля. Выбран спектральный индекс, чувствительный только к содержанию азота в листьях. Этот индекс представляет собой отношение произведения коэффициентов яркости в красной и зеленой областях спектра к квадрату значений коэффициентов яркости , взятых в ближней инфракрасной области спектра. По экспериментально полученным калибровочным зависимостям были проведены оценки содержания азота в посевах картофеля, на основе чего показана возможность применения дистанционных методов определения обеспеченности посевов картофеля азотными удобрениями в диапазоне содержания азота в растениях менее 5.5% .

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Жумарь А.Ю Исследование влияния параметров растительного покро-

ва на положение максимума наклона " красного края " // Исслед. Земли из космоса.- 1992.-N.4.-с.15-21.

2. Жумарь А.Ю., Яновская Е.А. Влияние структуры растительного пок-

рова и угла наблюдения на положенние максимума наклона кривой отражения в области 0.68-0.75мкм // Исслед. Земли из космоса.-Í993.-N.1.-с.25-31.

3. Жумарь А.Ю., Яновская Е.А. Использование первых производных

кривой отражения растительных покровов в области 0.69-0.74мкм для оценки индекса листовой поверхности // Журнал прикладной спектроскопии.- 1994.-Т.60.-N.1-2.-с. 158-163.

4. Жумарь А.Ю. Влияние процессов рассеяния и поглощения излучения

листьями растений на формирование спектров отражения растительности в диапазоне 0.68~0.75мкм // Журнал прикладной спектроскопии.- 1994.-Т.60.- N.5-6.- с.522-526.

5. Жумарь А.Ю., Чиберкус Ю.Н., Яновская Е.А. Оценка индекса листо-

вой поверхности растительных покровов по данным дистанционных измерений спектральных характеристик отраженного излучения // Исслед. Земли из космоса.- 1994.-N.2.-с.51-57.

6. Жумарь A.D., Ковалев A.A., Кононович С.И. и др. Исследование

оптических и физико-химических свойств почв Беларуси // Препринт/ИГЩ "Экомир" АНБ и ГК по экологии.- Минск, 1992.- 108с.

7. Жумарь А.Ю., Яновская Е.А. Использование спектральной информа-

ции в задачах оценки уровня минерального питания сельскохозяйственных посевов // Исслед. Земли из космоса.- 1992.-N.1.- с.85-91.

8. Жумарь А.Ю., Плюта В.Е., Яновская Е.А., lana B.B. Использование

дистанционной информации в системе регионального экологического мониторинга // Тез. докл. междунар. конф. "Спектр-92" .Минск.- 1992.- с.51-52.

9. Жумарь А.Ю., Яновская Е.А. Информативность спектральных данных

при дистанционной оценке состояния растительности // Тез. докл. конф. "Дистанционное зондирование агропочвенных и водных ресурсов".- Барнаул.- 1990.- с.94-95.

10. Жумарь А.Ю., Яновская Е.А. Применение дистанционных спектральных методов для решения региональных экологических задач // Тез. докл. конф. "Региональные биосферные и экологические исследования космическими средствами"-Звенигород.-1990.-с.19.

РЭЗШЭ Жумар Андрэй Юр'ев1ч Даследаванне оптыка-спектральных уласц!васцей расл1внасц1 i 1х уж-ывання для аценк! стану расл1нных покрывау. Ключавыя словы: Расл!ннасць, 1ндэкс л1ставой паверхн!, хлараф!л, адбздце, кропка nepariHy, вытворная.

Даследаваны уплыу нрацэсау рассеяния и паглынання на палажэнне кропак нераг!ну кривой каэф!цыентау адб!дця у вобласц1 680-750нм. Знойдзена, што палажэнне кропак пераг1ну у вобласц! 710-740Ш залежыць ад индэкса перакрыцця л!сця (IOI) ! праектыунага пакрыцця, кал! L0I>2 1 утрыманне хлараф!лу у л1сцях не перавышае вел!чын! 5 мг/дм2. Паказана, што мае месца залежнасць пам!ж вугла-ми наз!рання и палажэннем кропк! пераг!ну 1фывой казф1дыента5 адб!цця для разрэджанных пасевау.-Знойдзена, што з павел!чэннеы утрымання хлараф1лу у пасеве чуласць палажэння кропк! пераг!ну да-колькасц! расл1ннасц! зменыиаеода. Разгледжаны уплыу варыяцый спектральных уласц!васцей глебы, л!сця i вуглоу наз1рання на значэнне першых вытворных каэф!цыентау зыркасц1 расл1ннага покрыва. Прапа-навана методыка адэнк1 индэкса л!ставой паверхн! па вел!чыш першых вытворных у вобласц! 720-740нм. Разгледжаны. уыовы для апты-мальнага вызначзывя аптычных канстант пры инвэрсИ мадэй. На пад-ставе праведзеных лабараторных ! палявых эксперимента? , а таксамг матэматычнага мадэлявання поля адб!тага пасевам . выпраменьваншз даследаваны уплыу розных элементау м!неральнага с!лкавання на спектр« каэфхцыентау адб!цця л!сця i пасевау бульбы. Прапанавань спектральны 1ндэкс, зфектыуны для дыстанцыйнага вызначэння забяспечанасц! пасевау бульбы азотным! угнаенням!.

РЕЗЮМЕ . '

Жумарь Андрей Юрьевич Исследование оптико-спектральных свойств • растительности и из применения для оценки состояния растительных покровов. Ключевые слова Растительность, г-:. индекс листовое

поверхности, хлорофилл, отражение, производная, точка перегиба.

Исследовано влияние процессов рассеяния и поглощения на положение точек перегиба кривой коэффициентов отражения в области 680-750нм. Найдено, что положение точки перегиба в области 710-740нм зависит от индекса перекрытия листьев (LOI) и проективного покрытия npï

L0I>2.0, если содержание хлорофилла в листьях не превышает величины 5мг/дм2.Показано, что имеет место зависимость между углами наблюдения и положением точки перегиба кривой коэффициетов отражения для разреженных посевов. Найдено, что с увеличением содержания хлорофилла в посеве чувствительность положения точки перегиба к количеству растительности уменьшается. Рассмотрено влияние вариаций спектральных свойств почвы, листьев, углов наблюдения на значения первых производных коэффициентов яркости растительного покрова с различными значениями индексами листовой поверхности. Предложена методика оценки индекса листовой поверхности по величинам первых производных коэффициентов яркости растительного покрова в диапазоне 720-740нм. Рассмотрены условия для оптимального определения оптических констант при инверсии модели. На основании проведенных лабороторных и полевых экспериментов , а также математического моделированияполя отраженного посевами излучения исследовано влияние различных элементов минерального питания на спектры коэффициентов отражения листьев и посевов картофеля.- Предложен спектральный индекс, эффективный для дистанционного определения обеспеченности посевов картофеля азотными удобрениями.

ABSTRACT Zhumar Andrew Yur'evlch Investigation of the optical-spectral' properties of the vegetation and using them to the assessig of the plant canopy state. Keywords:Plant canopy, leal area index, chlorophyll, reflectance, inflection point, derivative.

The influence of the leave radiation scattering and absorption processes on the position of the reflectance curve inflection point is investigated. It was found that inflection point position of the reflectance curve in region 710-740nm depends on the leaf overlap index (LOI) and cover percent when L0I>2.0, if the leave's chlorophyll content less than 5.0 mg/dm2 . It has been shown that relationship between the viewing angles and the position of the inflection point occurs for the sparse crops. It was found that when the crop's chlorophyll content increasses then the sensetivity of the inflection point position reduces to the quantity of vegetation. The influence of the soils, leaver, spectral propertins and view angles variations at the first

derivatives of the reflectance for different values of' leaf area index have been considered. The method of leaf area index assessing with using the first derivative of the plant canopy reflectanco at the range 720-740nro are proposed. The conditions for the optimum determination of the optical constants are considered to inverse the reflectance model. On the basis of laboratory and in-situ experiments as well as ma theme t ical modelling of the crop-reflected radiation field the effect of the varios mineral nutrient components on the reflectance spectra of potato leaves and crops was studied. Spectral index for efficient remote definition of the nitrogen nutrient concentration were proposed.

ЖУМДРЬ АНДРЕИ ЮРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-СПЕКТРАЛЬШХ СВОЙСТВ РАСТИТЕЛЬНОСТИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОКРОВОВ.

Подписано к печати 29.02.1996 г. Формат 60x90 1/16 Тип бумаги-типографская. Печать офсетная. Печ.л. 1,25. Уч.изд.л.1,5. Тираж 100 экз. Заказ ЗУ . Бесплатно.

Институт молекулярной и атомной физики АНБ 220602, Минск, пр-кт Ф.Скорины, 70.

Отпечатано на ризографе Института физики им.Б.И.Степанова АНБ. Лицензия ЛВ N 685 от 23.12 1993 г.