Угловое распределение отражательных характеристик агроценозов по наземным дистанционным измерениям

растительности. Результаты показывают, насколько велико число различных факторов, влияющих на спектральную яркость и отражательную способность растительности [3, 8, 10].

Настоящая статья посвящена исследованию углового распределения спектральных отражательных характеристик различных видов сельскохозяйственных посевов на основе наземных дистанционных измерений в зависимости от углов визирования и высоты Солнца h0 в летний период вегетации.

Методика и объекты исследования

Исследования спектральных характеристик посевов сельскохозяйственных культур проводили одновременно в Центральных и Южных районах Красноярского края в летний период вегетации растений. В качестве основных растительных объектов исследования использовали посевы пшеницы (Triticum acstivum L.) и ячменя ( Hordeum disticxon L.) сорта Винер. Площади исследуемых участков посевов составляли от 200 га и более. Регистрация отражательной способности РП проводилась в полевых условиях в июне–июле. На рис. 1 представлен общий вид, а на рис. 2 – оптическая схема регистрации спектрально-отражательных характеристик посевов.

Выбор этих объектов обусловлен следующими соображениями: культуры пшеница и ячмень – основные зерновые культуры, высеваемые и культивируемые на большей территории нашей страны. Посевы сельскохозяйственных культур признаны удобными модельными объектами для изучения их спектральной яркости и отражательной способности дистанционными методами [9]. Данные культуры к настоящему времени достаточно хорошо изучены с физиологической и биологической точек зрения, это основные зерновые культуры, высеваемые и культивируемые на большей территории нашей страны.

Наиболее удобными характеристиками, позволяющими идентифицировать оптические свойства растительных ценозов, являются их спектральная яркость и отражательная способность [1, 2]. Под спектральным коэффициентом яркости исследуемого объекта (поверхности)

Рис. 1. Дистанционная регистрация спектральных коэффициентов яркости посевов агроценозов спектрофотометром, установленным в корзине автовышки

Рис. 2. Оптическая схема регистрации спектральноотражательных характеристик посевов

рХ( 9 , ф ) понимают отношение яркости исследуемой B _X ( 9 , ф ) поверхности в направлении ( 9 , ф ) в интервале длин волн ( X , X + d X ) к яркости идеально рассеивающей ортотропной поверхности B ₀( 9 , ф ), в том же направлении, находящейся в тех же условиях освещения:

В г д , ф ) А( 9 , Ф ) - в 0^, ф ) ,

где ( 9 , ф ) - полярный и азимутальный углы соответственно.

Регистрация спектров яркости РП проводилась нами с автовышки с высоты от 10 до 18 м в ясную безоблачную погоду двулучевым спектрофотометром ПДСФ. Двулучевой дифференциальный спектрофотометр (ПДСФ) является собственной разработкой. Он регистрирует дифференциальный спектр яркости объекта исследований и эталонной поверхности. Спектрофотометр регистрировал спектры отражения от посевов сельскохозяйственных культур с площади 1,2-1,3 м². В объектив спектрофотометра попадали не отдельные фитоэлементы (листья), а участки посевов. Время сканирования составляло 60 с в спектральном диапазоне от 400 до 850 нм. Измерение спектров производилось со спектральным разрешением ± 2 нм. [17]. В качестве эталона сравнения использовалась свеженапыленная алюминиевая площадка (1 м²), покрытая окисью магния (MgO) (рис. 1 и 2). Данный эталон обладает наилучшими фотометрическими отражающими свойствами и наиболее полно отвечает условиям ортотропных поверхностей, что способствует получению наиболее точных значений спектральных коэффициентов яркости исследуемых объектов в полевых условиях. Для получения более полной картины о распределении КСЯ по исследуемому объекту регистрировали от 20 до 30 спектров, по которым рассчитывали их средние значения [6, 7]. Регистрируемые спектры яркости были оцифрованы и занесены в специально разработанную базу данных «Информационная база данных спектров яркости отражения посевов» в среде Microsoft Access, которая позволила упорядочить хранение данных, облегчить их ввод, поиск и обработку. База данных содержит сведения о дате регистрации растительных объектов, спектральном разрешении и значениях КСЯ [9, 11, 12].

Геометрия растительных покровов очень сложна и практически не поддается точному математическому описанию. В общем случае оптические свойства РП определяются пятью физическими факторами:

• 1)    оптическими свойствами листа;

• 2)    геометрией растительного покрова (индексом листовой поверхности LAI и угловым распределением фитоэлементов растения);

• 3)    отражательной способностью системы почва - растительность (проективное покрытие В );

• 4)    углом освещения и визирования;

• 5)    атмосферным пропусканием солнечного излучения.

Оптические свойства растительного покрова определяются отражательной и поглощательной способностью фитоэлементов растений (стебли, листья, колосья), а также их наземной растительной массой [2, 18].

Листовой индекс LAI (м2/м2) или относительная поверхность растительного ценоза определяется отношением суммарной односторонней площади листьев растения к площади почвы, занятой этим растением [2]:

LAI = k • I • d • N , (2) где l – длина листа; d – наибольшая ширина листа; k – коэффициент пропорциональности, определенный экспериментально для листьев данной культуры; N - количество листьев растений, отнесенных к единице площади почвы.

Проективное покрытие (В) определяется как доля почвы, закрытая растительностью при вертикальном наблюдении (в надир), которая существенно зависит от листового индекса растений и углового распределения фитоэлементов [2]. В общем виде коэффициент проективного покрытия В определяется из соотношения для доли просветов фитоэлементов растений относительно почвы:

B = 1– e 1–1/D–( G / cos(φ)) L

где D - относительная дисперсия - параметр, характеризующий тип размещения фитоэлементов в пространстве; φ – угол визирования; G – интегральная функция распределения углов наклона фитоэлементов.

Как уже отмечалось, коэффициент проективного покрытия (В) тесно связан с угловым распределением фитоэлементов растений (φ), а следовательно, существенно влияет на спектры и индикатрису отражения от растительного посева в целом. Поскольку спектральный коэффициент яркости системы почва – растительность зависит от величины наземной растительной массы, то форма индикатрисы тоже зависит от растительной массы, и каждый вид растений характеризуется собственным семейством индикатрис (диаграмм) яркостей [2, 19, 20].

Результаты и обсуждение

Ранее проведенные исследования показали, что растительный покров посева с различной архитектоникой, структурой фитоэлементов и различными оптическими свойствами листа имеет зависимость коэффициента спектрального яркости от угла визирования ф [18]. В результате исследований КСЯ агроценозов не в надир показано, что они могут служить источником дополнительной информации по распознаванию и классификации растительности, в том числе при различных стрессах [2, 21, 22].

Шероховатая, неровная поверхность верхней границы растений, взаимное экранирование и затенение фитоэлементов внутри посева определяет максимум обратного рассеяния - обратный блеск. В этом случае происходит увеличение яркости растений посева при увеличении угла между линией визирования и направлением падения солнечных лучей. Коэффициенты отражения фитоэлементов (листья, колосья) растений посева, как правило, превышают коэффициенты пропускания, и это проявляется в асимметрии углового распределения яркости посева в целом в сторону обратного отражения (обратный блеск). На рис. 3 представлены результаты зависимости КСЯ посева ячменя от углов визирования в период всходов (стадия кущения), когда высота растений не превышала 12-15 см. При этом коэффициент проективного покрытия ( В ) составлял (0.4÷0.5). В этот период развития растения не полностью перекрывают почву.

Результаты исследований показали, что на начальной стадии вегетации посева при наблюдении в надир сказывается влияние почвы (кривая 4), но по мере увеличения угла визирования от надира влияние почвы уменьшается (кривые 1, 2, 3). При этих углах визирования доминирующим фактором становится отражение от фитоэлементов растений. Минимум яркости – 669 –

Рис. 3. Кривые КСЯ посева ячменя в стадии кущения в зависимости от угла визирования φ относительно надира: 1 - (70-75°); 2 - (60-70°); 3 – (25–30°); 4 – 0°, 5 – почва у края поля

Рис. 4. Кривые КСЯ посева пшеницы в стадии выхода в трубку в зависимости от угла визирования φ относительно надира: 1 – (70–75°); 2 – (50–55°); 3 – (15–20°) и 4 – 0°

приходится на углы визирования φ = 25–30° относительно надира. С дальнейшим увеличением угла визирования относительно надира (кривая 1 и 2) начинает проявляться эффект обратного блеска, особенно в красной и инфракрасной областях спектра (БИКР), что приводит к резкому увеличению значений КСЯ в этих областях. При этом высота Солнца в зените в районе проводимых исследований составляла 33–34°.

На рис. 4 показаны спектры яркости посева пшеницы р в стадии выхода в трубку, высота растений составляла 30–35 см, при этом почва была полностью закрыта. Коэффициент проективного покрытия ( В ) равнялся 1. Регистрация спектров производилась при тех же условиях. Исследования показали, что в этот период развития растений различия КСЯ при изменении угла визирования ф относительно надира изменяются незначительно. Эти отличия не превышали 25 % в области БИКР и 10–13 % в зеленой области (кривые 1 и 4). Это обусловлено тем, что фитоэлементы посева расположены преимущественно горизонтально, растения однородны и система почва - растительность близка к ламбертовским рассеивателям. Для показа наибольших контрастов спектры яркости посевов приведены в логарифмическом масштабе.

Типичные кривые результатов углового распределения интенсивности отражения КСЯ посева пшеницы в стадии колошения представлены на рис. 5. Показаны индикатрисы отражения яркости посева пшеницы, полученные для характерных точек перегиба кривой КСЯ (λ = 820, 680 550 нм). Наблюдение проводилось под различными углами визирования. Угол визирования прибора ф менялся (от 15 до 85°). Высота Солнца h0 менялась от 80 до 20° над линией горизонта. Регистрация проводилась в июле с 9.30 до 18. 30 с интервалом в 2 ч.

Исследования индикатрис отражения КСЯ р _Л посевов пшеницы в стадии колошения показали, что в утренние и вечерние часы, когда высота Солнца h o над уровнем горизонта имеет минимальные значения (10–25°), наблюдается эффект «зеркального блеска». При малых высотах Солнца h₀ наблюдается два отчетливо выраженных максимума интенсивности - в направлении – 670 –

Рис. 5. Индикатрисы отражения посева пшеницы в стадии колошения от углов визирования – ϕ и высоты Солнца – h0: 1 – h0 = 55°; 2 – h0 = 45°; 3 – h0 = 35°; 4 – h0 = 20°. Угол визирования φ менялся от 15 до 85°. Индикатрисы представлены в полярных координатах зеркального отражения и в противоположном направлении. Данный эффект наблюдается при спектрофотометрировании посева с автовышки по лучу Солнца. Прибором фотометрируется не вся толща посева, а лишь его вертикальная часть – колосья. Колосья представляют собой цилиндрические поверхности. Величина данного эффекта может достигать более 100 % в ближней инфракрасной области (БИКР) и монотонно убывает в коротковолновой области. Так, в области 550 нм он уже составляет 20–30 % от реальных значений КСЯ. Начиная с 10 и до 17 ч местного времени значения КСЯ ρλ посева в стадии колошения принимают свои истинные, достоверные значения. Значения ρλ не меняются при регистрации их как по направлению Солнца, так и против Солнца. При большой высоте его (h0>60°) индикатрисы отражения по своей форме яркости близки к сферическим (рис. 5) [2, 19]. Следовательно, подстилающую поверхность можно считать ортотропной.

Проведенные исследования индикатрис отражения в работе [23] различных видов посевов показали, что они также имеют существенные различия, которые зависят от высоты Солнца h0 и характеризуются наличием зеркального и антизеркального отражения. Зеркальное отражение обусловлено структурой растений и проявляется более ярко в области БИКР, где доминирует однократное отражение, а пропускание света фитоэлементами ценоза (листья) незначительно. Зеркальное отражение от фитоэлементов растений происходит на границе между воздухом и – 671 – восковым слоем кутикулы листа. Необходимо отметить, что для различных культур данный эффект будет различным, что закладывает основу для видовой диагностики растительных покровов [14, 15]. Эффект смещения максимума яркости от надира в зеркальную сторону – сторону, противоположную падению солнечных лучей, – обусловлен зеркальным отражением падающего светового потока от листьев. При этом смещение максимума КСЯ обнаруживается сильнее в плоскости вертикали Солнца в спектральных областях сильного поглощения света растениями, где отраженный поток радиации определяется однократным рассеянием [2, 23].

Следовательно, основными факторами, влияющими на отражательную способность РП, являются: содержание фитопигментов, наземная фитомасса, листовой индекс, архитектоника растений, проективное покрытие в системе почва – растительность, фаза фенологического развития растения, высота Солнца h0 и угол визирования покрова ф.

Заключение

Спектрофотометрическая информация об угловом распределении КСЯ посевов агроценозов, полученная в полевых условиях дистанционными методами, может быть применена для построения имитационных моделей спектрально отражательной способности системы почва – растительность в направлении надир. Это позволит рассматривать растительность (посева) как оптически тонкий слой рассеивающей и подстилающей среды и делать прогнозы динамики пространственного распределения видового состава и морфофизиологического состояния. Показано, что угловые измерения спектральной яркости посевов могут быть использованы при изучении пространственного распределения различных видов растительности и ее экологического состояния. Анализ и обработка электронной базы спектрофотометрической информации, полученной на основании полевых наземных измерений динамики КСЯ различных видов растительных покровов в период их вегетации, позволяют сделать следующие выводы:

Выводы

• 1.    Показано, что основными факторами, влияющими на отражательную способность растительных покровов, являются морфофизиологические параметры, архитектоника растений, высота Солнца - h₀ и угол визирования - j.

• 2.    Установлено, что минимум яркости посевов приходится на углы 25–30° относительно надира. При увеличении угла визирования начинает проявляться эффект обратного блеска, особенно в красной и инфракрасной областях спектра (NIR), что приводит к резкому увеличению значений коэффициентов спектральной яркости в этих областях.

• 3.    Установлено, что оптимальное время проведения измерений КСЯ посевов для идентификации агроценозов – период с 11 до 16 часов.

Работа выполнена при поддержке Программой РАН, Проектом № 12 “Арктика”.