Полевое спектрометрирование является одним из наиболее востребованных методов ДЗЗ и имеет широкое практическое применение. Особенное значение методы спектрометрирования приобретают в относительно новой сфере сельского хозяйства – точном земледелии, а также могут быть использованы природоохранными организациями для мониторинга состояния естественных ландшафтов заповедных территорий.
Одним из сдерживающих факторов применения методов полевого спектрометриования является высокая стоимость импортного оборудования, а также недостаточное его импортозамещение. В связи с этим разработка оборудования, а также теоретических и методических основ применения метода полевого спектрометрирования в точном земледелии, а также для оценки состояния естественных ландшафтов является актуальной.
Цель данного исследования состоит в разработке алгоритма, позволяющего получать достоверные спектральные характеристики (на примере индексных изображений NDVI – Normalized Difference Vegetation Index) с помощью инфракрасных фотокамер.
В ходе работы было использовано оборудование: спектрометры Hamamatsu C10083CAH (спектральный диапазон 280–1100 нм), Avantes S41 (LaserLS) (спектральный диапазон 388,59–808,91 нм) – ранее применялся для исследования содержания хлорофилла а (СХЛа) в мутных продуктивных водах (Сухоруков и др., 2017), инфракрасные модифицированные фотокамеры Canon PowerShot A495, Sony Alpha NEX-C3. Модификация цифровых фотокамер заключалась в удалении установленных в них фильтров «Hot Mirror», пропускающих только видимый свет. В фотокамерах Canon A495 установили красный пленочный фильтр Rosco #19 (630 нм) и оранжевый стеклянный фильтр ОС-12 (550 нм). Из фотокамеры Sony NEX-С3 также извлекли «Hot Mirror», на объектив устанавливались фильтры: стеклянный инфракрасный фильтр (760 нм), полосовой фильтр IR CUT (пропускает только видимый свет 460–680 нм).
Эксперименты по разработке алгоритма полевого спекторометрирования растительности и почв с помощью цифровых фотокамер, модифицированных в инфракрасные камеры, проводились в два этапа. На первом этапе эксперименты по спектрометрированию были осуществлены в 2018 году на базе научно-экспедиционного стационара (НЭС) Южного научного центра Российской академии наук (ЮНЦ РАН) «Маныч». НЭС «Маныч» расположен в поселке Маныч Орловского района Ростовской области. Всего было проведено 3 экспедиции: 26-30 марта, 24-28 апреля и 14-18 мая 2018 года. Объектом исследований послужили естественные сухостепные ландшафты. Работы проводились на мониторинговых площадках методом спектрометрирования и геоботанических профилей по градиенту пастбищной нагрузки (Немцева и др., 2018). На втором этапе, в 2019 году, эксперименты были проведены на территории парковой зоны Южного научного центра РАН (ЮНЦ РАН) в городе Ростове-на-Дону. Образцами для измерений послужили листья липы крупнолистной (Tilia platyphyllos), почва и декоративная травянистая растительность.
При разработке алгоритмов полевой съемки инфракрасными цифровыми фотокамерами применялся метод вегетационного индекса NDVI. В ходе работы было протестировано 2 алгоритма получения спектральных данных для последующего расчета
по ним значений вегетационного индекса NDVI:
1. Однокадровый метод предполагает съемку одной инфракрасной камерой в двух каналах одним кадром. Метод основан на том, что данные инфракрасного и видимого спектра могут быть получены в разных цветовых каналах одного и того же изображения. Съемка производилась с одним фильтром (красным или оранжевым).
2. Двухкадровый метод предполагает съемку одной инфракрасной камерой в двух цветовых каналах отдельными кадрами. Первый кадр снимается в ближнем инфракрасном диапазоне с использованием инфракрасного фильтра 760 нм, а второй - в диапазоне видимого света с использованием фильтров: полосовой IR CUT (460-680 нм) и красный фильтр (620 нм). Съемка производиться в монохромном режиме.
В 2018 году при полевых экспериментах по спектрометрированию сухостепных ландшафтов на базе НЭС «Маныч» был разработан однокадровый метод съемки инфракрасной камерой Canon A495 с красным фильтром Rosco #19. Было проведено сравнение значений NDVI рассчитанных по данным наземного спектрометрирования и данным космических снимков Landsat 8 OLI. Графики, построенные по материалам спутниковой съемки и данным наземного спектрометрирования, имеют общие тенденции пространственной изменчивости значений индексов при удалении от ферм и поселка. Однако, значения NDVI полученные по данным инфракрасной камеры были занижены по сравнению NDVI рассчитанными по данным космических снимков. Наилучшие результаты наземного спектрометрирования были получены в период мартовской экспедиции, когда измерения проводились в условиях пасмурной погоды.
В весенне-летний период 2019 года, на территории парковой зоны ЮНЦ РАН были продолжены эксперименты по усовершенствованию инструментов и методов наземного спектрометрирования растений и почв. С помощью модернизированных инфракрасных камер Canon A495 и Sony NEX апробированы 2 метода съемки: однокадровый и двухкадровый. Проведена кросс-калибровка данных (на примере индекса NDVI), полученных инфракрасными камерами и спектрометрами Hamamatsu C10083CAH, Avantes S41 (LaserLS). Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:
– результаты съемки наиболее близкие к данным спектрометра можно получить, используя однокадровый метод с помощью инфракрасной камеры Canon A495 с красным фильтром, но только в условиях тени;
– двухкадровый метод с применением инфракрасных камер Sony NEX и Canon A495 с фильтром IR CUT, инфракрасным (760 нм) и красными (620 нм/630 нм) фильтрами показал наилучшие результаты при кросс-калибровке с данными Hamamatsu C10083CAH.
Сопоставление данных измерений профессиональными спектрометрами и модернизированными инфракрасными фотокамерами позволяет говорить о перспективности применения методов полевого спектрометрировния с помощью модернизированных камер. Методика съемки инфракрасными фотокамерами требует усовершенствования, будут продолжены исследования, в ходе которых планируется проводить повторные эксперименты на различных объектах растительности и почв.
Публикация подготовлена в рамках реализации ГЗ ЮНЦ РАН, № гр. проекта 01201363188, ПФИ Президиума РАН №20 "Новые вызовы климатической системы Земли" Подпрограмма «Обеспечение устойчивого развития Юга России в условиях климатических, экологических и техногенных вызовов, № госрегистрации AAAA-A18-118011990300-9.