تحليل إجهاد المحاصيل بناءً على مؤشر الغطاء النباتي فائق الطيف

تُقاس خصائص الغطاء النباتي عادةً بتحويل أطياف الانعكاس إلى قيمة عددية واحدة أو مؤشر نباتي. تحتوي مؤشرات الغطاء النباتي فائقة الطيف أو ضيقة النطاق على خصائص نباتية ضيقة النطاق ومعلومات عن الطول الموجي لا يمكن الحصول عليها إلا بواسطة أجهزة فائقة الطيف.

يمكن تقسيم خصائص الغطاء النباتي التي تحددها مؤشرات الغطاء النباتي الطيفية الفائقة إلى ثلاث فئات رئيسية: 1. التركيب؛ 2. الخصائص البيوكيميائية؛ 3. فسيولوجيا النبات / الإجهاد.

تشمل الخصائص الهيكلية المقاسة الغطاء النباتي، والكتلة الحيوية للأوراق، ومؤشر مساحة الورقة (LAI)، والكتلة الحيوية للأوراق المتساقطة، ونسبة امتصاص الإشعاع النشط ضوئيًا (FPAR). تُبنى معظم المؤشرات المستخدمة حاليًا في التحليل الهيكلي على أنظمة النطاق العريض، بينما توجد أيضًا مؤشرات طيفية فائقة ضيقة النطاق.

تشمل الخصائص البيوكيميائية محتوى الماء، والأصباغ (الكلوروفيل، والكاروتينات، والأنثوسيانين)، ومخاليط أخرى غنية بالنيتروجين (مثل البروتينات)، والمواد البنائية النباتية (اللجنين والسليلوز). تُستخدم المؤشرات الفسيولوجية ومؤشرات الإجهاد لقياس التغيرات الطفيفة الناتجة عن عوامل مثل التغيرات الناجمة عن الإجهاد في حالة الزانثوفيل، ومحتوى الكلوروفيل، وتأثيرات الفلورة، أو رطوبة الأوراق. عمومًا، تُبنى الخصائص البيوكيميائية والمؤشرات الفسيولوجية/مؤشرات الإجهاد في الغالب من خلال قياسات الأجهزة المخبرية والميدانية (بفواصل أخذ عينات طيفية ≤ 10 نانومتر)، وهي خصائص طيفية عالية التخصص. لذلك، تُعد هذه المؤشرات مؤشرات طيفية فائقة الدقة.

بالمقارنة مع مؤشرات الغطاء النباتي ذات النطاق العريض، فإن مؤشرات الغطاء النباتي فائقة الطيف تحتوي على نطاقات لا يتم أخذ عينات منها في أنظمة النطاق العريض ومراكز نطاق محددة، مما يتيح لها تحديد واستخراج ميزات امتصاص أكثر دقة، وبالتالي تقدير سمات المحاصيل بشكل أفضل.

بالمقارنة مع القياسات الطيفية النقطية، تُضيف الصور فائقة الطيف معلوماتٍ مكانيةً بالغة الأهمية للزراعة الدقيقة. فهي تدعم أساليب التحليل الشائعة في هذا المجال، مثل تجميع التربة والمحاصيل، وتحليل النقاط الساخنة والشاذة، كما تُتيح إدخال معلومات مكانية على مستويات مختلفة للمساعدة في تقدير خصائص المحاصيل. وتكشف هذه الصور أنماط التوزيع المكاني وخصائص المحاصيل من النقطة إلى السطح، مما يوفر أداةً أكثر فعاليةً لتطبيقات الزراعة الدقيقة.

الأساليب والمبادئ

استخدمنا صورًا طيفية فائقة الدقة لمنطقة شيآن، التقطها القمر الصناعي شيغوانغ-1 05 في 6 أبريل 2025، لحساب مؤشرات نباتية طيفية فائقة الدقة متنوعة. واستنادًا إلى المؤشرات الهيكلية/الكيميائية الحيوية/الفسيولوجية المقابلة لهذه المؤشرات، أجرينا تحليلًا لصحة محصول القمح الشتوي وإجهاده في شيآن خلال مرحلة التفرع في موسم 2024-2025، وحددنا المناطق المعرضة للإجهاد.

الشكل 1. مقدمة البيانات

عملية:

معايرة الإشعاع:يتم تصحيح بيانات قيمة DN الأصلية إشعاعيًا باستخدام معاملات المعايرة الإشعاعية للحصول على بيانات الإشعاع الظاهري.

تصحيح الغلاف الجوي:تم إجراء التصحيح الجوي باستخدام نموذج 6S للحصول على بيانات انعكاس السطح.

التنعيم الطيفي:تم استخدام خوارزمية سافيتزكي-جولاي (SG) لتنعيم بيانات انعكاس السطح، مما أدى إلى تحسين موثوقية حساب مؤشر ارتباط الحافة الحمراء اللاحق مع تقليل الضوضاء الطيفية.

تسجيل الصورة:ثم يتم تحديد الموقع الجغرافي للبيانات المعالجة بناءً على الخريطة الأساسية.

حساب المؤشر:تم حساب مؤشر الغطاء النباتي الطيفي الفائق من البيانات المسجلة.

إخفاء مناطق الغطاء النباتي/استخراج القطع الأرضية:باستخدام المؤشرات الجزئية المحسوبة، تم استخراج إخفاء مساحة الغطاء النباتي باستخدام طريقة العتبة الثابتة. كما تم استخدام مجموعة بيانات المتجهات المكتملة مسبقًا لقطع زراعة القمح في حوض النهر الأصفر.

إحصاءات إقليمية:استنادًا إلى متجه قطعة الأرض، يتم تحليل كل مؤشر إحصائيًا حسب المنطقة، والطريقة الإحصائية هي المتوسط.

تحليل شامل متعدد المؤشرات:استنادًا إلى المتجهات الإحصائية، وبالإشارة إلى المعنى الفيزيائي الذي تمثله المؤشرات المختلفة، يتم تحليل توزيع المؤشرات المختلفة لشرح بعض الظواهر.

يُبين الجدول أدناه مؤشرات الغطاء النباتي فائقة الطيف، مصنفةً إلى مؤشرات هيكلية، وكيميائية حيوية (الصبغة، الكلوروفيل، الأنثوسيانين، الكاروتينويد، الماء، اللجنين، السليلوز، النيتروجين)، وفيزيولوجية (كفاءة استخدام الضوء، الإجهاد). يتضمن كل مؤشر اسمه الصيني، واختصاره الإنجليزي، وصيغته، والتي تعتمد على انعكاس النطاق الضيق (Rλ يمثل الانعكاس عند الطول الموجي λ، بالنانومتر).

الجدول 1. بعض مؤشرات الغطاء النباتي الطيفية الفائقة وصيغ حسابها

تقييم النتائج

صورة مركبة بالألوان الحقيقية - القمر الصناعي Xiguang-1 05 (مطابقة فلكية) - 20250406

منحنيات الانعكاس لخصائص أرضية مختلفة - تكبير الانعكاس 10000 مرة - القمر الصناعي Xiguang-1 05 (تيانشيانبي) - 20250406

خريطة توزيع مؤشر اختلاف الغطاء النباتي المعياري (NDVI) - شيغوانغ رقم ​​1 05، القمر الصناعي (تيانشيانبيهاو) - 20250406

خريطة توزيع مؤشر الانعكاس الكيميائي الضوئي (PRI) - القمر الصناعي شيغوانغ-1 05 (تيانشيانبي) - 20250406

خريطة توزيع مؤشر الحافة الحمراء المعياري المحسّنة - القمر الصناعي شيغوانغ-1 05 (تيانشيانبي) - 20250406

خريطة توزيع مؤشر الكلوروفيل غير الحساس للبنية (SIPI) - القمر الصناعي Xiguang رقم 1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

خريطة توزيع مؤشر الحافة الحمراء لفوغلمان 1VOG1 - القمر الصناعي شيغوانغ رقم ​​1 05 (تيانشيانبيهاو) - 20250406

خريطة توزيع مؤشر مقاومة الغلاف الجوي للغطاء النباتي (ARVI) - القمر الصناعي Xiguang-1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

خريطة توزيع انعكاس الأنثوسيانين 2ARI2 - القمر الصناعي Xiguang-1 05 (تيانشيانبي) - 20250406

خريطة توزيع مؤشر انعكاس الكاروتينويد 2CAI2 - القمر الصناعي Xiguang No.1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

تعتمد معظم مؤشرات الغطاء النباتي الطيفية المذكورة آنفًا على الاختلافات في الامتصاص/الانعكاس بين نطاقات طيفية مختلفة. ومع ذلك، بالمقارنة مع مؤشرات النطاق العريض التقليدية (مثل مؤشر NDVI)، فإنها تعكس بدقة أكبر تركيز وتوزيع أصباغ محددة، مما يزيد من دقة تصنيف المحاصيل، وتحديد مراحل نموها، وعكس المؤشرات الفسيولوجية والكيميائية الحيوية، وتقييم إجهاد المحاصيل. على سبيل المثال، بالنسبة للقمح الشتوي، تتراكم الأنثوسيانينات تدريجيًا من مرحلة التفرع حتى النضج، لذا يمكن تحديد المرحلة الفينولوجية الحالية للمحصول من خلال مؤشر الأنثوسيانين. عند تعرض المحصول للإجهاد البيئي، يتم تحفيز التعبير عن الجينات المرتبطة بتخليق الأنثوسيانين (مثل CHS وCHI وF3H)، مما يؤدي إلى زيادة محتوى الأنثوسيانين. في الوقت نفسه، ينزاح موضع الحافة الحمراء نحو أطوال موجية أقصر. لذلك، يمكن إجراء تقييم شامل للإجهاد من خلال مؤشرات كيميائية ضوئية متعددة وشكل الحافة الحمراء.

خريطة توزيع مؤشر انعكاس الأنثوسيانين 2ARI2 على مستوى القطعة الأرضية - القمر الصناعي Xiguang No.1 05 (Tianxianpeihao) - 20250406

خريطة توزيع مؤشر موقع الحافة الحمراء على مستوى قطعة الأرض (REPI) - شيغوانغ رقم ​​1 05 نجمة (رقم التطابق السماوي) - 20250406

من خلال الجمع بين متجهات حدود قطع الأراضي، يمكن إجراء تحليل أكثر دقة على مستوى القطع، وبالتالي تحديد مناطق المشاكل المحتملة والقطع المقابلة لها، ثم إجراء تحليل إحصائي أكثر تفصيلاً.

خريطة توزيع مؤشر الغطاء النباتي ذي الحافة الحمراء الموضعية (RENDVI) - شيغوانغ رقم ​​1 05 (تيانشيانبيهاو) - 20250406

خريطة التوزيع الموضعي لمؤشر انعكاس الكاروتينويد (CRI2) - القمر الصناعي Xiguang-1-05 (Tianxianpeihao) - 20250406

خريطة توزيع انعكاس الأنثوسيانين المحلي 2ARI2 - القمر الصناعي Xiguang-1 05 (تيانشيانبي) - 20250406

خريطة توزيع مؤشر الانعكاس الكيميائي الضوئي المحلي (PRI) - القمر الصناعي Xiguang-1 05 (تيانشيانبي) - 20250406

تُظهر الخريطة أعلاه توزيع المؤشرات على مستوى قطعة الأرض. في المنطقة الوسطى من الخريطة، تكون مؤشرات الغطاء النباتي عند الحافة الحمراء (RENDVI) ومؤشر الكاروتينات (2CRI2) ومؤشر الانعكاس الضوئي الكيميائي (PRI) مرتفعة نسبيًا، بينما تكون أقل في المنطقة الغربية. يشير هذا إلى أن محتوى الصبغة في المنطقة الغربية منخفض نسبيًا أيضًا. مع ذلك، في خريطة توزيع مؤشر الأنثوسيانين (2ARI2)، تتشابه المنطقة الغربية مع المنطقة الوسطى، بل وتكون أعلى، مما يشير إلى أن هذه المنطقة قد تتعرض لنفس الضغط، لكن تأثير هذا الضغط أقل نسبيًا على المنطقة الوسطى، وربما يعود ذلك إلى زيادة تركيز الكاروتينات فيها. الكاروتينات هي أصباغ مساعدة في عملية التمثيل الضوئي، وبصفتها مضادات أكسدة، يمكنها التخلص من أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS، مثل أنيون فوق الأكسيد وبيروكسيد الهيدروجين)، مما يحمي أغشية الخلايا وهياكل التمثيل الضوئي من الإجهاد التأكسدي، وبالتالي لا يؤدي إلى انخفاض تركيز الكلوروفيل. أما بالنسبة للمنطقة الغربية، فلم يتم ملاحظة أي زيادة كبيرة في مؤشر انعكاس الكاروتينويد، مما يشير إلى أن هذا النوع من الإجهاد له تأثير أكبر.

من خلال التحليل الشامل لمؤشرات الغطاء النباتي متعددة الأطياف ودمجها مع خرائط توزيع غطاء المحاصيل ورطوبة التربة، يمكننا تحديد نوع الإجهاد وتأثيره بشكل أكبر، مما يتيح التدخلات الزراعية في مرحلة مبكرة لتحسين المرونة البيئية لأنظمة الزراعة واسعة النطاق وضمان استقرار محصول الحبوب وجودتها.