Большинство современных технологий анализа растительности и прогнозирования урожая сельскохозяйственных культур на основе данных дистанционного зондирования используют такие физические свойства растений, как спектральная отражательная способность. Информация о состоянии растительности с ее спектральной отражательной способностью позволяют использовать аэрокосмические снимки для идентификации типов растительности и ее состояние. Для расчетов спектральной информации применяют так называемые индексные изображения. Спектральные индексы, используемые для изучения и оценки состояния растительности, получили название «вегетационных индексов».
В настоящее время известны около 160 вариантов вегетационных индексов, которые подбираются эмпирически с использованием особенностей кривых спектральной отражательной способности растительности и почв.
Сейчас имеется ряд программных комплексов, которые позволяют каким-либо образом рассчитать вегетационные индексы. Это, например, такие программы как ERDAS imagine, ER Mapper, PCI(EASI/PACE), TNTmips, ENVI Research systems со встроеннным языком IDL, VISTA, IDRISI, Ракурс, LESSA и др. Каждая из этих систем ориентирована либо на общие задачи обработки изображений, такие как улучшение качества, наложение растровой и векторной график, добавление базы данных. Более универсальным является ENVI Research systems.
В целом ГИС является результатом объединения различных технологий обработки данных. Обычно для работы ГИС необходимо специализированное программное обеспечение для обработки пространственно-распределенных данных, состоящих из нескольких слоев – спектральных составляющих. Необходимы также средства анализа, сегментации и интерпретации вычисляемых характеристик для конкретных целей интерпретации.
В ИФТПиМ НАН КР[1,2] проводятся исследования, направленные на создание и поддержку географической информационной системы «Цифровой Кыргызстан» на основе аэрокосмических изображений, а также развитие оптических, голографических, оптико-электронных и цифровых методов обработки визуальной информации в целях межотраслевого изучения природных ресурсов.
Программный комплекс, разрабатываемый в Центре наблюдения Земли и цифровая Земля ИФТПиМ НАН КР соответствует основным требованиям, необходимым при обработке изображений:
- визуализация данных ДЗЗ;
- анализ мультиспектральных и гиперспектральных изображений;
- интерактивное дешифрирование и классификация объектов;
- анализ растительности с использованием вегетационных индексов (NDVI);
- улучшение качества изображений;
- поддержка широкого диапазона растровых и векторных форматов;
- обеспечение поддержки данных ДЗЗ, полученных с различных спутников
Важное место в ГИС занимают алгоритмы и программы выделения спектральных составляющих изображения, которые (как показано ниже) используются в различных задачах интерпретации полученных снимков для конкретных задач экологии, геологии и сельского хозяйствах[2].
Следующей после выборки изображений и выделения нужной спектральной составляющей важной составной частью программного обеспечения является улучшение качества и препарирование изображений. Базовые программы для этой системы были описаны в [1]. Пример выполнения таких модулей для выделения контурных элементов изображения приведен в [2].
Индексы, рассчитываемые с помощью данного программного обеспечения
Программное обеспечение позволяет в автоматическом режиме рассчитывать и интерпретировать карты различных индексов для целей сельскохозяйственного мониторинга, экологического анализа или геологического дешифрирования. В названных выше программных системах такой расчет не полностью автоматизирован и вероятность внесения ошибок выделения и расчета большая.
Отражение растительного покрова в красной и ближней инфракрасной областях электромагнитного спектра тесно связано с его зеленой фитомассой. Первый вегетационный индекс является отношением яркостей, который вычисляется по формуле:
RVI=NIR / Red
Для того чтобы количественно оценить состояние растительности, широко применяется нормализованный разностный вегетационный индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). NDVI характеризует плотность растительности, позволяет растениеводам оценить всхожесть и рост растений, продуктивность угодий. Индекс рассчитывается как разность значений отражения в ближней инфракрасной (NIR) и красной (Red) областях спектра, деленная на их сумму (Рис.1).
Этот индекс рассчитывается по формуле
где ρ(R) – коэффициент отражения в красном спектре, ρ(NIR) – коэффициент отражения в ближней инфракрасной спектральной зоне.
Для растительности индекс принимает положительные значения, и чем больше зеленая фитомасса, тем значения индекса выше. Для зеленой растительности индекс принимает значения от 0,2 до 0,8. На значения индекса влияет видовой состав растительности, цвет почвы под растительностью, состояние и экспозиция.
Рис.1. Пример расчета вегетационного индекса NDVI для вычисления площадей культур
Индекс VCI вычисляется следующим образом:
VCIj = (NDVIj –NDVImin)/(NDVImax–NDVImin)×100%,
где VCIj – значение индекса условий роста растительности для даты j;NDVIj – индекс NDVI значений для даты j; NDVImax – максимальное значение NDVI внутри всего набора данных;NDVImin – минимальное значение NDVI внутривсегонабораданных.
Использование индекса условий вегетации VCI позволяет учесть естественное изменение спектральных характеристик растительности в течение вегетационного периода, уменьшает влияние природных факторов (погодных условий, экосистемных изменений, почвенных, топографических условий), позволяет сравнивать между собой отсчеты NDVI в разных природных зонах, разных ландшафтах и при разных погодных условиях.
В целом вегетационные индексы дают только относительные оценки свойств растительного покрова, которые могут быть интерпретированы с привлечением полевых данных, так называемой «калибровкой», могут быть пересчитаны в абсолютные.
Литература
- К. К. Талыпов, А. Дж. Аккозов, Г. Самудин кызы. Программный комплекс обработки цифровых аэрокосмических снимков для ГИС.//Научный и информационный журнал «Материаловедение». Труды I Международной межвузовской научно-практической конференции-конкурса научных докладов студентов и молодых ученых «Инновационные технологии и передовые решения».-г.Бишкек, 2013 г. –с. 219-222.
- К. К. Талыпов, А. Дж. Аккозов, Н. С. Тиленбаева. О специальном программном обеспечении обработки данных дистанционного зондирования Земли для ГИС «Цифровой Кыргызстан». // Научный и информационный журнал «Материаловедение» № 2/2014(5). Труды II Международной межвузовской научно-практической конференции-конкурса научных докладов студентов и молодых ученых «Инновационные технологии и передовые решения». -г. Бишкек 2014г. –с. 178-182.[schema type=»book» name=»ОБ ОДНОЙ ПРОГРАММЕ РАСЧЕТА ВЕГЕТАЦИОННЫХ ИНДЕКСОВ НА ОСНОВЕ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ» description=»В статье приводятся некоторые результаты разработки программного обеспечения для расчета вегетационных индексов на основе спутниковых снимков и их место в системе «Цифровой Кыргызстан» развиваемого в Центре наблюдения Земли и Цифровая Земля Института физико-технических проблем и материаловедения НАН КР для решения задач мониторинга сельскохозяйственных угодий с использованием данных ДЗЗ.» author=»Талыпов Кубатбек Кемелович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-27″ edition=»euroasia-science.ru_26-27.02.2016_2(23)» ebook=»yes» ]