Разработка методики коррекции индекса состояния растительности VCI системы ASIS FAO

Введение . Как сообщается в работе [1], Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (в дальнейшем – FAO) разработала методику для осуществления мониторинга состояния засухи на сельскохозяйственных участках и управления соответствующих рисков на основе спутниковых данных. Специфическая для каждой из стран версия данного методического средства базируется на методологических принципах глобальной системы индекса стреccа растительности (ASIS). ASIS является средством, используемым в штаб-квартире FAO для поддержания Глобальной системы информации и раннего предупреждения по проблемам продовольствия и сельского хозяйства (GIEWS). Основной задачей GIEWS является осуществление непрерывного мониторинга за продовольственным снабжением и спросом в масштабе всего мира, используя геопространственные данные для обнаружения проблем, возникающих из-за погодных условий.

В системе ASIS используется индекс состояния вегетации (VHI), вычисляемый на базе нормализованного разностного вегетационного индекса (NDVI). Этот индекс позволяет косвенно оценить первичную продукцию, так как в нем используются спектральные показатели, связан- ные с фотосинтетически активной оптической радиацией. Индекс VHI был предложен в программе подготовки спутника США, предназначенного для исследования окружающей среды.

В качестве первого шага в ASIS вычисляется усредненная величина индекса VHI. При этом используются данные METOP – AVHRR с разрешением 1 км. В качестве второго шага вычисляется процент засушливых сельскохозяйственных участков, в которых VHI < 35.

Далее, значения ASI могут быть использованы для прогноза сельскохозяйственного урожая с помощью многофакторной регрессии. Для этого проводится регрессионный анализ между показателем урожайности (количеством урожая) и индексами VCI (индекс состояния вегетации) и TCI (индекс состояния температуры) и составляется регрессионное уравнение для региона. Полученные весовые коэффициенты a и b позволяют оценить индекс VHI в качестве

VHI = a- VCI + b • TCI . (1)

При этом индексы VCI и TCI определяются следующим образом:

VCI, =

100 • ( NDVI i - NDVI m,n )    (2)

NDVImax - NDVImin , где NDVIi – значение NDVI за десятидневный период; NDVImax – максимальная величина NDVI в серии вегетационных индексов; NDVImin – минимальная величина NDVI в серии вегетационных индексов.

TCI. =

100-(T -T) max i

T max

—

T min

где TCI i – индекс состояния температуры за 10дневный период; T i – температура за 10дневный период; T max – максимальная температура в серии измерений; T min – минимальная температура в серии измерений.

Согласно [1, 2], в отличие от NDVI VCI позволяет регистрировать динамику осадков, оценить временную и пространственную изменчивость влияния климата растительности.

Отметим, что на сайте URL: country/AZE/MAP_ASI/HR регулярно выставляются соответствующие карты различных стран, включая Азербайджан, и отдельных их районов, отображающие значения ASI, графики годичной зависимости NDVI по районам, а также карты, отображающие декадные состояния VCI, а так- же VHI. В качестве примера на рисунке 1 показаны графики временного измерения NDVI по районам Бейлаган, Белоканы и Билесувар Азербайджанской Республики.

Рис. 1. Графики временных изменений NDVI в течение года по годам 2016, 2017 и в среднем за 1984–2011 гг.

На том же сайте приведены карты индекса  ке 1. В качестве примера на рисунке 2 приведе-

VCI, вычисленные на основе значений NDVI,  ны карты Азербайджана за август, июль 2017.

приведенных в графиках, показанных на рисун-

Первая декада                   Вторая декада                 Третья декада

Рис. 2. Карты распределения VCI на территории Азербайджана за август, июль 2017

Несмотря на наглядность данных, приведенных на сайте Earth Observation, они имеют существенный недостаток, заключающийся в не-учете эффекта насыщения индекса NDVI при высокой содержимости хлорофилла в растениях [2]. Указанное обстоятельство обусловливает некоторую неточность количественных и графических данных, приведенных на сайте EARTH OBSERVATION, и вызывает необходимость разработки методических мер по их устранению.

В настоящей статье рассмотрена возможность разработки методики корректировки указанных данных.

Цель исследования : разработка методики корректировки данных, приведенных на сайте EARTH OBSERVATION и базирующихся на основе вычисления индекса состояния растительности VCI системы ASIS FAO применительно к конкретным регионам мира.

Объекты, методы и результаты исследования . Основополагающим принципом предлагаемой методики корректировки указанных данных является необходимость учета свойства насыщения индексов NDVI и VCI при высокох значениях хлорофилла в растениях.

Подробно проанализируем влияние вышеуказанного недостатка на результаты исследований, приведенные на сайте EARTH OBSERVATION. Как было отмечено выше, индекс VCI формируется на базе нормализованной величины NDVI на основе формулы (2). Согласно работе [1], такое формирование вегетационного индекса имеет ряд преимуществ по отношению к NDVI. VCI позволяет прослеживать динамику осадков, изучать влияния климата на растительность, исследовать временную и пространственную изменчивость роста растений. Вместе с тем, можно показать, что эффект насыщения в индексе VCI проявляется сильнее, чем у NDVI. Покажем это математически. Для сравнения соответствующих относительных погрешностей прежде всего отметим, что согласно [3, 4] погрешность NDVI из-за насыщения может достигать 20 % при NDVI=0,4÷0,8.

На рисунке 3 приведена кривая NDVI, показывающая насыщение NDVI по сравнению с индексом LAI [3].

Рис. 3. Формирование погрешности насыщения у индекса NDVI и Δ H при сравнении индексов NDVI и LAI. Показан случай формирования Δ H при NDVI=0,5 [3]

Условие превышения относительной погрешности индекса VCI из-за насыщения соответствующей относительной погрешности индекса NDVI имеет следующий вид:

lg( NDVI) <  1g

( NDVI - NDVI mn ^

NDVI у 1 vis r ^m_ax

-NDVI min

Условие (4) перепишем в следующем виде:

1g( NDVI) <  1g ( NDVI - NDVI _ma ) - 1g( NDVI^ - NDVI_ma).

Применив к условию (5) известное правило взятия производных и замены дифференциала на приращение, получим

A NDV/н     ^ NDVI_H         ^ NDVI_H

HH   H

<                                                 ,

NDVI NDVI - NDVI_ NDVI max - NDVI_

где ΔNDVI H – абсолютная погрешность насыщения NDVI ; ΔNDVI max – абсолютная погрешность насыщения NDVI max .

Отметим, что при выводе выражения приняты два предположения:

• 1.    Абсолютная погрешность насыщения NDVI min равна нулю.

• 2.    Абсолютная погрешность насыщения NDVI max равна ΔNDVI.

При этом оба предположения не влияют на достоверность приводимого доказательства неравенства (4).

Из выражения (6) нетрудно получить следующее неравенство:

< 1

ND VI ^ NDVI - ND VI_mm

+

NDVI max

- NDVI mn J

Проведя дальнейшие преобразования, неравенство (7) можно привести к следующему виду:

'N'V . ( NDV m. - NDV mx ) < NDVI ( NDVI - NDVI m. )-       (8)

Несложный логический анализ полученного условия (8) дает основание утверждать, что это неравенство выполняется всегда, т. е. NDVI менее подвержен эффекту насыщения, чем VCI.

Следует отметить, что вышеуказанный факт является еще одним подтверждением целесообразности замены индекса VHI на предложенный автором индекс TCIM в работе [5].

Таким образом, актуальным можно считать задачу корректировки численных и графических данных, приводимых на сайте EARTH OBSERVATION.

На основе вышеизложенного можно предложить следующую методику предлагаемой корректировки данных системы ASIS FAO:

• 1.    На основе экспериментальных данных, приведенных в [3, 4], определяется погрешность насыщения NDVI.

• 2.    Осуществляется соответствующая корректировка графических данных зависимости NDVI от времени, приведенных на сайте EARTH OBSERVATION для изучаемого региона.

• 3.    Определяются контуры изучаемого региона на карте соответствующей страны, где показаны значения VCI для всех регионов, и в соответствии с легендой указанной карты определяется VCI данного региона.

• 4.    Вычисляется реальная величина VCIp для исследуемого региона.

• 5.    При значительном превышении VCIp величины VCI, указанной на карте, осуществляется соответствующая корректировка карты.

Выводы. Таким образом, показано, что явление насыщения индекса NDVI, указанное в работах [3, 4], приводит к относительно неточной оценке состояния стресса растительности, для устранения которой необходимо проведение вышеописанных корректировочных процедур. Основными выводами проводимого исследования являются следующие:

• 1.    В системе ASIS FAO в качестве базового используется индекс состояния вегетации VCI, формируемый на базе индекса NDVI. Указанное обстоятельство указывает на то, что индекс VCI также подвержен эффекту насыщения.

• 2.    Проведенные исследования показали, что степень подверженности насыщению у индекса VCI больше, чем у NDVI.

• 3.    Разработана методика корректировки количественных и графических данных системы ASIS FAO, представленных на сайте EARTH OBSERVATION.