Мы продолжаем публикацию рекомендаций для сельхозтоваропроизводителей от НАО «Национальный аграрный научно-образовательный центр» ТОО «Сельскохозяйственная опытная станция «Заречное» (начало №№ 16-19). В этом номере учёные предлагают рекомендации по созданию и использованию баз данных дистанционного зондирования в растениеводстве.
Дистанционное зондирование в современном сельском хозяйстве играет одну из ключевых ролей в современном растениеводстве, позволяя агрономам, фермерам и директорам крупных хозяйств осуществлять контроль и принимать обоснованные решения на основе точных и своевременных данных.
Способы использования систем дистанционного зондирования в растениеводстве можно разделить на следующие основные задачи:
1. Мониторинг роста и развития растений, прогнозирование урожайности.
2. Определение уровня увлажнения почвы и растений.
3. Выявление очагов поражения посевов сорняками, заболеваниями или вредителями.
4. Оценка продуктивности почв и определение зон дифференцированного управления.
5. Мониторинг изменений землепользования.
6. Оценка эффективности агротехнических мероприятий.
Выполнение этих задач посредством ДЗЗ помогает улучшить качество и количество урожая, оптимизировать использование ресурсов и своевременно реагировать на возникающие проблемы.
Специалистами ТОО «Сельскохозяйственная опытная станция «Заречное» были подготовлены рекомендации по использованию и созданию баз данных дистанционного зондирования для выполнения вышеуказанных задач.
Принципы и методы дистанционного зондирования
Основные принципы ДЗ
Дистанционное зондирование представляет собой метод получения информации о поверхности Земли или других объектов с использованием датчиков, находящихся на некотором расстоянии от зондируемой поверхности. В основе этого метода лежат следующие принципы.
Электромагнитное излучение: ДЗ базируется на электромагнитном излучении, которое отражается или излучается зондируемыми объектами. Источниками этого излучения могут быть солнечные лучи или искусственные источники (например, радары).
Спектральная чувствительность: датчики способны фиксировать интенсивность и характер отражённого или испущенного излучения в различных спектральных диапазонах, что позволяет анализировать химические, биологические и физические свойства объектов.
Пространственное разрешение: определяет минимальный размер объекта на поверхности Земли, который можно различить на изображении, обеспечивая его узнаваемость и разделимость от смежных объектов. Этот параметр имеет особое значение, поскольку детализация изображений напрямую связана с возможностью анализа и интерпретации объектов и явлений на Земной поверхности.
Высокое пространственное разрешение характеризует изображения, которые могут предоставлять очень детальную информацию, позволяя наблюдать мелкие объекты на поверхности. Примерами значений высокого пространственного разрешения являются измерения менее 1 метра на пиксель. Этот уровень разрешения особенно ценен в задачах, где критично выявлять мелкие детали, например, в градостроительных планировках или мониторинге мелкомасштабных объектов.
Изображения со средним пространственным разрешением предоставляют умеренную детализацию, со значениями от 1 до 30 метров на пиксель, обеспечивая сбалансированный уровень детализации и покрытия территории. Они полезны для обзорных исследований, таких как мониторинг состояния растительности или анализ использования земель на региональном уровне.
Наименьшую детализацию предоставляют изображения с низким пространственным разрешением, где каждый пиксель представляет область более 30 метров. Несмотря на относительную грубость деталей, такие данные могут быть крайне полезными для глобальных исследований и наблюдений в широком масштабе, включая изучение глобальных климатических изменений или масштабных паттернов погоды.
Выбор определённого уровня пространственного разрешения определяется исследуемой проблемой и задачами, стоящими перед специалистами по дистанционному зондированию, а также доступными технологиями и ресурсами. Часто исследования могут комбинировать данные различного пространственного разрешения для обеспечения наиболее полного и точного анализа.
Временное разрешение: это частота, с которой проводятся зондирования определённой территории. Она играет ключевую роль при мониторинге динамически изменяющихся явлений (например, рост растений или движение облаков). Например, некоторые спутники могут просматривать одно и то же место каждый день или каждую неделю.
Высокое временное разрешение обозначает способность системы дистанционного зондирования наблюдать одну и ту же область с высокой периодичностью – например, каждый день или даже несколько раз в день. Такое разрешение особенно ценно для отслеживания быстро меняющихся явлений и процессов.
Среднее временное разрешение может включать наблюдения, проводимые с периодичностью от нескольких дней до нескольких недель. Это позволяет зафиксировать более медленные изменения в окружающей среде и может быть особенно полезно в агрономии, лесоводстве и других областях.
Низкое временное разрешение характеризуется редкими наблюдениями, возможно, с интервалом в несколько месяцев или даже лет. Данные с таким разрешением могут быть использованы для анализа долгосрочных тенденций и изменений в климате, ландшафте и экосистемах.
Активное и пассивное ДЗ: при пассивном зондировании, сенсоры записывают естественное излучение или отражённое солнечное излучение от объектов. С другой стороны, при активном зондировании, сенсоры излучают свой сигнал и анализируют отражённый от объектов сигнал.
Пассивные сенсоры (сканеры, радиометры) подходят для исследования свойств атмосферы и поверхностных характеристик, таких как состав и состояние растительности, благодаря меньшей сложности и стоимости аппаратуры. Однако, их использование ограничено условиями, такими как хорошая видимость и дневной свет.
Активные системы ДЗ, включающие радары и лидары, могут проводить зондирование в ночное время и в условиях облачности, поскольку они не зависят от солнечного света. Они подходят для изучения таких свойств поверхности объектов, как текстура и форма, благодаря способности генерировать собственные сигналы.
Выбор между активным и пассивным ДЗ обусловлен конкретной задачей, условиями зондирования и доступностью технологий. При хорошей видимости и в дневное время пассивное ДЗ может предоставить ценные данные с меньшими затратами. В условиях высокой облачности или при необходимости ночных измерений активное ДЗ может быть более предпочтительным. Во многих исследованиях используются оба подхода для обеспечения максимальной информативности и точности данных.
Геометрия зондирования: обычно включает в себя два основных угла: угол падения исходного излучения и угол регистрации отражённого излучения.
Угол падения – это угол между направлением падающего излучения (от солнца или искусственного источника света) и нормалью (перпендикуляром) к поверхности объекта.
Угол регистрации – это угол, под которым сенсор зондирующего устройства регистрирует отражённое от объекта излучение.
Именно эти углы играют важную роль в интерпретации данных, особенно при анализе рельефных и текстурных характеристик поверхности. Важность геометрии зондирования может быть проиллюстрирована тем, что при разных углах падения и наблюдения одна и та же поверхность может визуализироваться по-разному. Специфические характеристики отражённого излучения могут изменяться, что особенно критично при анализе текстур и рельефа местности.
Калибровка и коррекция: изображения, полученные от сенсоров, часто требуют калибровки (для учёта искажений сенсора) и коррекции (для учёта атмосферных искажений).
Эти основные принципы формируют фундамент для понимания методологии дистанционного зондирования и её применения в различных областях, включая агрономию и многие другие.
Методы сбора данных: спутниковые данные и аэрофотосъёмка
Спутниковое дистанционное зондирование относится к сбору данных об объектах или явлениях с использованием сенсоров, размещённых на искусственных спутниках, обращающихся вокруг Земли. Спутниковые системы способны осуществлять мониторинг больших территорий, обеспечивая данные с различным пространственным и временным разрешением.
Преимущества спутниковых данных включают в себя высокую частоту обновления информации и возможность сбора данных на глобальном масштабе. Однако, они также могут иметь некоторые ограничения, связанные с пространственным разрешением и воздействием атмосферы на данные.
Аэрофотосъёмка – это метод дистанционного зондирования, при котором фотографические изображения поверхности Земли получаются с воздушных судов (например, самолётов, беспилотников).
Данный метод даёт возможность получения изображений с высоким пространственным разрешением и контроля условий съёмки, но при этом покрытие территории обычно ограничено в сравнении со спутниковым методом. Аэрофотосъёмка часто используется для местных исследований и проектов, требующих детализированной информации о конкретной территории.
Оба метода предлагают уникальные преимущества, и выбор между ними зависит от конкретных потребностей проекта, таких как масштаб исследования, требуемое пространственное и временное разрешение, бюджет и доступность технологий. Стоит отметить, что в некоторых случаях эти подходы могут быть комбинированы для получения более детальной и обширной информации об изучаемой территории.
(Продолжение в следующем номере)
