Влияние внешних факторов на спектральные характеристики растений

Развитие и состояние растительности (фитоценозов) опре­деляются значительным рядом факторов: типом почв, характе­ристикой питательных веществ в почве, характеристикой вод и влажностью, морфологией рельефа, климатическими условия­ми, ежегодными изменениями и загрязнением окружающей среды, возрастом растительности (фенология) и др. Все эти факторы влияют на развитие и внутреннее строение листа, его размер. Но при этом различные виды и типы растительности реагируют на изменение условий среды по-разному, что неоди­наково проявляется в спектре ЭМИ.

Контрастно отличаются по своим свойствам здоровые и по­врежденные листья (рис. 3.17). В видимой части спектра излу­чения здоровые листья имеют значительно меньшую отража­тельную способность чем поврежденные, а в ближней ИК-об-ласти (>700 мкм) их отражательные свойства резко возраста­ют и становятся значительно выше, чем свойства поврежден­ной листвы. Эта увеличивающаяся яркость используется как признак для аномального спектра растительности, который во многих случаях при интерпретации становится индикатором локальных или региональных заболеваний или угнетенности растений.

Спектральная отражательная способность здоровых и поврежденных листьев сахарной свеклы [137]. 1 – здоровые; 2 – поврежденные (Kadro, 1981).

Рассмотрим спектральные характеристики растений, произрастающих на незагрязненных почвах и почвах с высокой концентрацией тяжелых металлов. В обоих примерах отражательная способность угнетенных растений намного сильнее, чем у здоровых деревьев, вероятно, вследствие изменения в строении хлоренхимы.

Качество питательной среды и характер биохимических процессов идущих в растениях очень сильно зависят от со­держания многих тяжелых металлов в почвах (Mo, Zn, Mn, Pb, Сu, Hg, Cd и др.). Высокое со­держание тяжелых металлов в первую очередь влияет на качество питательных раство­ров, в частности они мешают поглощению основных биофильных элементов: Fe, P, Са и др., что резко изменяет от­ражательные свойства ли­ствы. В свою очередь высо­кое содержание этих метал­лов в почвах может быть обусловлено высоким их со­держанием в подстилающих почвообразующих породах (геохимически специализированные породы, аномальные и рудоносные зоны), а также указывает на возможность применения дистанционных мето­дов исследования растительности как при поисках месторож­дений полезных ископаемых, так и для оценки масштабов и степени воздействия на окружающую среду промышленных предприятий.

На рисунке 3.18 показано изменение отражательной спо­собности двух видов сосен, растущих, в одном случае, на по­чвах с субкларковыми содержаниями молибдена (5-6 г/т) и меди (7-8 г/т), а в другом случае, на почвах с явно аномаль­ными (молибден 225-975 г/т, медь 500-7700 г/т) на уровне их концентраций в рудах или в зонах контрастного техноген­ного загрязнения. У бальзамовой сосны, растущей на аномаль­ных почвах, отражательная способность значительно выше, чем у деревьев, растущих на нормальных почвах. У красной сосны также существенно меняется отражательная способность, но в видимой части спектра она выше на аномальных почвах, а в ближнем ИК-диапазоне выше на нормальных почвах.

Различия в отражательной способности красной и бальзамовой сосны на почвах с нормальным и повышенным содержанием металлов. Жирной линией обозначены спектральные зоны, важные для дистанционного зондирования (в соответствии с проспектом).

а – бальзамовая сосна, б – красная сосна; I, IV – аномальная группа; II, III – контрольная группа

 

Отражательная способность листьев существенно меняет­ся с возрастом. Молодые листья имеют более высокое отраже­ние в видимом диапазоне, а в ближнем ИК-диапазоне более высокой отражательной способностью выделяются зрелые ли­стья (рис. 3.19).

Различие в спектральной отражательной способности зрелых (1) и молодых (2) листьев (Ьоукыб 1975).

Характерные различия в коэффициентах спектров яркостей растений на нормальной и минерализованной почве особенно выделяются при очевидном проявлении старения, т.е. при пожелтении листьев [169].

Так, например, повышенные концентрации Cu, Zn и Мо в некоторых видах растений обнаруживаются как в начале листообразования, так и во время цветения, а аномальные концентрации Ni, Pb, Cr, Co, Fe, Al, В и Mn появляются в листьях растений только незадолго до пожелтения осенью [56]. Кроме того, поглощение металлов в середине периода вегетации того или иного вида растений меняется и в определенное время мешает поглощению железа и других питательных веществ из почвы [87].

Геоботанические аномалии, вызванные тяжелыми металлами, локализуются даже на относительно грубых по разрешению изображениях мультиспектрального сканера «Лэндсат», на снимках, сделанных весной в апреле-мае [56]. Спектральные каналы многозонального сканера, снимающего в видимом и среднем (отраженном) инфракрасном диапазонах (как, например, установленные для тематического картирования на спутниках «Лэндсат-4 и -5» (камера ТМ – «Тематик-Маппер»), имеют лучшие предпосылки для локализации стрессовых фитоценозов, т.е. сообществ растений, находящихся на угнетенном состоянии.

Как уже описывалось выше, изменения пигмента (хлорофилла) и содержания воды в листве могут вызывать значительные изменения ее спектрального отражения.

Камера ТМ поставляет соответствующие данные в каналах 3 (0,63-0,69 мкм) и 5 (0,155-1,75 мкм). К моменту установки этой камеры, конечно, еще не было известно, каков физический и химический механизм воздействия металлокомплексов на нормальное развитие растений. Но уже было известно, что зелено-красные (с малым содержанием хлорофилла) листья у растущего растения означают недоразвитость или старение, а также другие признаки ослабления его жизнедеятельности.

Растения, находящиеся в неблагоприятных условиях или больные, часто имеют более мелкие листья, чем здоровые растения того же вида. Поэтому уменьшаются число отражающих поверхностей листвы и толщина лиственного покрова. Добавим к этому, что при замедленном развитии растений и уменьшении количества листьев сокращаются регистрируемые сенсором теневые участки, так как увеличивается площадь не покрытых листвой поверхностей (стволы, ветви, участки почвы). Это те поверхности, которые в ближнем инфракрасном диапазоне имеют намного меньшую отражательную способность, чем листва. Поток энергии, отражающийся от таких поверхностей, количественно и качественно отличается от потока, отраженного здоровой и сильной растительностью, хотя интенсивность отражения от отдельных листьев может различаться не очень сильно.

Спектральные характеристики многих растений изменяются в течение периода вегетации (рис. 39). Для развития возможностей дистанционного зондирования при картировании растительности немаловажно, что различия спектральных характеристик определенных растений в одни сезоны года более четкие, чем в другие. Эти времена года больше подходят для съемок, чем другие, в которые интенсивность отражения различными видами растений различается мало.

Рис. 39. Изменения отражательной способности различных деревьев в течение вегетационного периода. Отметим, что для прямостоящих мачтовых стволов эффект от солнечной радиации не на много сильнее и излучение отражается с небольшими колебаниями (по Бакстрему и Виландеру, см. [40]): 1 – осина; 2 – дуб; 3 – бук; 4 – сосна обыкновенная; 5-сосна кедровая.

В целом изменения спектральных характеристик у лиственных деревьев в вегетационный период выражены более четко, чем у хвойных (рис. 39). Последние поглощают солнечную энергию в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах сильнее других растений. Для видимого, светового излучения это поглощение составляет около 95%, а для инфракрасного – примерно 65%. В процессе старения листвы происходят изменение ее пигментации, уменьшение содержания воды и в конечном итоге разрушение мезофилла. Благодаря распаду хлорофиллового пигмента, снижается прежде всего поглощение светового потока в красной и отражение в зеленой частях спектра. В голубой части спектра абсорбция продолжается благодаря другим пигментам листа. В результате этих процессов листья приобретают осенью желтый или красный цвет. Благодаря обезвоживанию листьев в процессе старения и разрушению оболочек клеток мезофилла влажность листьев уменьшается, и солнечное излучение в ближнем инфракрасном диапазоне отражается сильнее.

Спектральные свойства групп кустарника или деревьев в целом сопоставимы со спектральными характеристиками листвы того вида растений, из которого состоит эта группа кустарников или деревьев. Но есть и раз­личия, т.к. в группах деревьев влияет отражение и нижних листьев.

Во многих случаях верхние листья растительного покрова (в том числе и крон) пропускают большую часть падающего потока ближнего инфракрасного излучения и только потом он отражается от нижних листьев крон. Эта проникшая в нижний слой листвы часть инфракрасного потока излучения еще раз пройдет через верхний слой листьев в шатре крон и усилит отражательную способность растительного покрова в ближнем инфракрасном диапазоне по сравнению со спектральной яркостью единичных листьев того вида, кроны которых его образуют. В этом процессе очень существенна относительно высокая проницаемость листьев для инфракрасного излучения (см. рис. 41). Анализ математической модели прохождения потока солнечной радиации через сплошной растительный покров показал, что спектральное отражение и проницаемость покрова можно рассматривать как функцию от суммарной поверхности листьев, коэффициента абсорбции, коэффициента рассеяния и отражательной способности нижележащего субстрата [5]. Эти коэффициенты находятся в зависимости от геометрии растительного покрова и оптических свойств его листьев. Усиление отражения от сплошного покрова крон в ближнем инфракрасном диапазоне многократно повторяющимся отражением или рассеянием от разно расположенных и разно ориентированных к потоку энергии листьев увеличивает и без того сильное различие в спектральном отражении потока солнечной радиации в видимом и в ближнем инфракрасном диапазонах. Этим разрывом в интенсивности спектрального отражения, т.е. скачком спектральных яркостей, можно воспользоваться для определения изменений плотности или густоты растительного покрова и в лучшем случае для определений видового состава растений на изображениях со спутника «Лэндсат». Соотношение интенсивности отражения растительных сообществ между каналами 5 и 6 МСС-сканера изменяются в зависимости от плотности растительности. Если плотность растений увеличивается, то получается уменьшение спектральной яркости в канале 5 (0,6-0,7 мкм) вследствие сильного поглощения хлорофиллом и увеличение отражения кронами растений в канале 6 (0,7-0,8 мкм) из-за сильного рассеяния в этом интервале длин волн [247]. Проблема качественной и прежде всего количественной обработки спектральных данных о растительных сообществах заключается в том, что взаимодействие между потоком солнечного излучения и зарослями кустарника или лесом очень сложно. На спектральные характеристики отражения растительностью, если это сплошной покров крон, влияют следующие факторы: отражательная способность и «прозрачность» (проницаемость) отдельных листьев растительного покрова; порядок размерности поверхности листьев, оцененный в целом в связи с этим взаимодействием; расположение листьев по отношению к общей поверхности растительного покрова и по вертикали, вдоль стволов, деревьев или кустарников; способность и характер отражения и пропускания потока излучения различными частями кроны и ствола; отражательные свойства подлеска на разных по высоте уровнях (кустарниковые заросли, травы, мхи, лиственный покров почвы, ее тип, состав, влажность, мощность, горные породы субстрата, наконец, общая влажность поверхности почвы); стояние Солнца (высота и азимут, меняющиеся в течение суток и года), а также направление и высота съемки [35]. Все эти факторы могут изменяться не только от одного района съемки к другому, но и в пределах одного снимка. Мешает изучению и классификации объектов прежде всего существование разных видов теней, что наблюдается даже в одинаковых условиях съемки, а тем более в разные периоды наблюдений. (Это относится и к аэрокосмическим съемкам.) Если к этому еще присовокупить ожидаемые ежегодные изменения спектральных характеристик растительного покрова в период вегетации, то, без всяких сомнений, составление видового каталога спектральных характеристик растительности или отождествление того или иного вида по спектральному сигналу представляет значительные трудности. Ведь даже в растениях одного вида может меняться характер их развития и физиологического состояния в зависимости от климатической зональности Земли и микроклимата региона, особенно если эти различия относятся к освещенности солнцем в течение дня и отражаются на их развитии [262]. Из всего вышеизложенного опять приходим к выводу о преобладающей роли локальных факторов, таких, как положение на местности и освещенность и совпадение признаков одного вида с признаками других видов растительности.

В табл. 3 представлены необходимые для картирования растительности диапазоны длин волн и комбинации спектральных каналов сканера МСС.

Таблица 3. Оптимальные каналы (мкм) многозональных сканеров для проведения дистанционных исследований в сельском и лесном хозяйстве.