Гиперспектральды өсімдік индексіне негізделген дақылдық стрессті талдау

Өсімдіктердің атрибуттары әдетте шағылысу спектрлерін бір сандық мәнге немесе өсімдік индексіне түрлендіру арқылы өлшенеді. Гиперспектральды немесе тар жолақты өсімдік индекстері тек гиперспектральды құралдармен ғана түсірілетін тар жолақты өсімдік сипаттамаларын және толқын ұзындығы туралы ақпаратты қамтиды.

Гиперспектрлік өсімдіктер индекстерімен анықталатын өсімдіктердің қасиеттерін үш негізгі санатқа бөлуге болады: 1. Құрылым; 2. Биохимиялық қасиеттер; 3. Өсімдік физиологиясы/стресс.

Өлшенетін құрылымдық қасиеттерге өсімдік жамылғысы, жапырақ биомассасы, жапырақ ауданының индексі (LAI), қартайған жапырақтардың биомассасы және фотосинтетикалық белсенді сәулеленуді сіңіру коэффициенті (FPAR) кіреді. Қазіргі уақытта құрылымдық талдау үшін қолданылатын индекстердің көпшілігі кең жолақты жүйелерде жасалған, ал тар жолақты гиперспектрлік индекстер де бар.

Биохимиялық қасиеттерге су мөлшері, пигменттер (хлорофилл, каротиноидтар және антоцианиндер), азотқа бай басқа қоспалар (мысалы, ақуыздар) және өсімдік құрылымдық материалдары (лигнин және целлюлоза) жатады. Физиологиялық және стресстік индекстер ксантофилл күйіндегі, хлорофилл мөлшеріндегі, флуоресценция әсерлеріндегі немесе жапырақ ылғалдылығындағы стресс тудыратын өзгерістер сияқты факторлардан туындаған шағын өзгерістерді өлшеу үшін қолданылады. Жалпы, биохимиялық қасиеттер мен физиологиялық/стресстік индекстер негізінен зертханалық және далалық құралдарды өлшеу арқылы жасалады (спектрлік іріктеу аралықтары ≤10 нм) және өте ерекше спектрлік сипаттамалар болып табылады. Сондықтан, бұл индекстер қатаң түрде гиперспектрлік индекстер болып табылады.

Кеңжолақты өсімдіктер индекстерімен салыстырғанда, гиперспектрлік өсімдіктер индекстерінде кеңжолақты жүйелерде іріктелмеген жолақтар және нақты жолақ орталықтары бар, бұл оларға нәзік сіңіру ерекшеліктерін анықтауға және алуға, осылайша дақылдардың қасиеттерін жақсы бағалауға мүмкіндік береді.

Нүктелік спектрлік өлшеулермен салыстырғанда, гиперспектрлік кескіндеу кеңістіктік өлшем туралы ақпаратты қосады, бұл дәл ауыл шаруашылығы үшін өте маңызды. Ол топырақ пен дақылдарды кластерлеу, ыстық нүктелер мен бөгде талдау сияқты дәл ауыл шаруашылығында кеңінен қолданылатын аналитикалық әдістерді қолдай алады және дақылдардың атрибуттарын бағалауға көмектесу үшін әртүрлі деңгейлерде кеңістіктік ақпаратты енгізе алады. Ол дақылдардың атрибуттарының кеңістіктік таралу заңдылықтары мен сипаттамаларын нүктеден бетке дейін ашып, дәл ауыл шаруашылығының инженерлік тәжірибесі үшін қуатты құрал бола алады.

Әдістер мен қағидаттар

Біз әртүрлі гиперспектрлік өсімдіктер индекстерін есептеу үшін 2025 жылдың 6 сәуірінде Xiguang-1 05 спутнигі түсірген Сиань аймағының гиперспектрлік суреттерін пайдаландық. Индекстерге сәйкес келетін құрылымдық/биохимиялық/физиологиялық көрсеткіштерге сүйене отырып, біз 2024-2025 маусымындағы буын түзілу кезеңінде Сианьдағы күздік бидайдың дақылдарының денсаулығы мен стресстік талдауын жүргіздік және ықтимал стресстік аймақтарды анықтадық.

1-сурет. Деректерді енгізу

процесс:

Радиацияны калибрлеу:Көрінетін сәулелену деректерін алу үшін бастапқы DN мәнінің деректері радиометриялық калибрлеу коэффициенттерін пайдаланып радиометриялық түрде түзетіледі.

Атмосфералық түзету:Беттік шағылысу деректерін алу үшін 6S моделін пайдаланып атмосфералық түзету жүргізілді.

Спектрлік тегістеу:Беттік шағылысу деректерін тегістеу үшін Савицкий-Голай (SG) алгоритмі пайдаланылды, бұл спектрлік шуды азайта отырып, қызыл жиек корреляциясының индексін есептеудің сенімділігін арттырды.

Суретті тіркеу:Содан кейін өңделген деректер базалық карта негізінде георташаланады.

Индексті есептеу:Гиперспектрлік өсімдіктер индексі тіркелген деректерден есептелді.

Өсімдік алқабын жасыру/жер телімін алу:Есептелген ішінара индекстерді пайдалана отырып, өсімдік жамылғысының маскировкасы бекітілген шекті әдісті қолдана отырып алынды. Сары өзен бассейніндегі бидай өсірілетін учаскелердің бұрын толтырылған векторлық деректер жиынтығы да пайдаланылды.

Аймақтық статистика:Жер учаскесінің векторына сүйене отырып, әрбір индекс аймақ бойынша статистикалық тұрғыдан талданады, ал статистикалық әдіс орташа мән болып табылады.

Көп индексті кешенді талдау:Статистикалық векторларға сүйене отырып және әртүрлі индекстермен көрсетілген физикалық мағынаға сілтеме жасай отырып, кейбір құбылыстарды түсіндіру үшін әртүрлі индекстердің таралуы талданады.

Төмендегі кестеде құрылымдық, биохимиялық (пигмент, хлорофилл, антоцианин, каротиноид, су, лигнин және целлюлоза, азот) және физиологиялық (жарықты пайдалану тиімділігі, кернеу) болып жіктелген гиперспектрлік өсімдіктер индекстері келтірілген. Әрбір индекс өзінің қытайша атауын, ағылшынша аббревиатурасын және тар жолақты шағылыстыруға негізделген формуласын қамтиды (Rλ толқын ұзындығы λ кезіндегі шағылыстыруды білдіреді, нм).

1-кесте. Кейбір гиперспектрлік өсімдіктер индекстері және есептеу формулалары

Нәтижелерді бағалау

Шынайы түсті композиттік кескін - Сигуан-1 05 спутнигі (аспан сіріңкесі) - 20250406

Әртүрлі жер бетіндегі нысандардың шағылысу қисықтары - шағылысу 10 000 есе үлкейтілген - Сигуан-1 05 спутнигі (Тяньсяньпэй) - 20250406

Өсімдік жамылғысының нормаланған айырмашылығының индексі (NDVI) таралу картасы - Сигуан № 1 05 жерсерігі (Тяньсяньпэйхао) - 20250406

Фотохимиялық шағылысу индексінің (PRI) таралу картасы - Сигуан-1 05 спутнигі (Тяньсяньпей) - 20250406

Жақсартылған қалыпқа келтірілген қызыл жиек индексінің таралу картасы - Сигуан-1 05 жер серігі (Тяньсяньпей) - 20250406

Құрылымға сезімтал емес хлорофилл индексінің (SIPI) таралу картасы - Сигуан № 1 05 спутнигі (Тяньсяньпэйхао) - 20250406

Vogelmann Red Edge Index 1VOG1 таралу картасы - Сигуан №1 05 жерсерігі (Тяньсяньпэйхао) - 20250406

Атмосфералық импеданс өсімдіктер индексінің (ARVI) таралу картасы - Сигуан-1 05 спутнигі (Тяньсяньпэйхао) - 20250406

Антоцианиннің шағылысуының 2ARI2 таралу картасы - Сигуан-1 05 спутнигі (Тяньсяньпей) - 20250406

Каротиноидтардың шағылысу индексі 2CAI2 таралу картасы - Сигуан №1 05 спутнигі (Тяньсяньпэйхао) - 20250406

Жоғарыда аталған гиперспектрлік өсімдік индекстерінің көпшілігі әртүрлі жолақтар арасындағы сіңіру/шағылысу айырмашылықтарына негізделген. Дегенмен, дәстүрлі кеңжолақты индекстермен (мысалы, NDVI) салыстырғанда, олар белгілі бір пигменттердің концентрациясы мен таралуын сезімталырақ көрсете алады, бұл дақылдарды жіктеудің, фенологиялық кезеңді анықтаудың, дақылдың физиологиялық және биохимиялық индексінің инверсиясының және дақыл стрессін бағалаудың дәлдігін арттырады. Мысалы, күздік бидай үшін антоцианиндер түптеу кезеңінен піскенге дейін біртіндеп жиналады, сондықтан дақылдың ағымдағы фенологиялық кезеңін антоцианин индексі арқылы анықтауға болады. Қоршаған орта стрессіне ұшыраған кезде антоцианин биосинтезіне байланысты гендердің (мысалы, CHS, CHI және F3H) экспрессиясы индукцияланады, бұл антоцианин мөлшерінің артуына әкеледі. Сонымен қатар, қызыл жиектің орналасуы да қысқа толқын ұзындықтарына қарай ауысады. Сондықтан, кешенді стрессті бағалауды бірнеше фотохимиялық индекстер және қызыл жиек морфологиясы арқылы жүргізуге болады.

Антоцианиннің шағылысу индексі 2ARI2 график деңгейіндегі таралу картасы - Сигуан №1 05 спутнигі (Тяньсяньпэйхао) - 20250406

Жер учаскесінің қызыл жиек деңгейіндегі орналасу индексі (REPI) таралу картасы - Сигуан № 1 05 жұлдыз (аспандық сәйкестік нөмірі) - 20250406

Жер учаскесінің шекаралық векторларын біріктіру арқылы учаске деңгейіндегі дәлірек талдау жүргізуге болады, осылайша ықтимал проблемалық аймақтар мен сәйкес учаскелерді анықтап, содан кейін егжей-тегжейлі статистикалық талдау жүргізуге болады.

Жергілікті Қызыл Шет Өсімдіктерінің Индексі (RENDVI) Таралу Картасы - Сигуан № 1 05 (Тяньсяньпэйхао) - 20250406

Каротиноидтардың шағылысу индексінің (CRI2) локализацияланған таралу картасы - Сигуан-1-05 спутнигі (Тяньсяньпэйхао) - 20250406

Жергілікті антоцианиннің шағылысу коэффициенті 2ARI2 таралу картасы - Сигуан-1 05 спутнигі (Тяньсяньпей) - 20250406

Жергілікті фотохимиялық шағылысу индексінің (PRI) таралу картасы - Xiguang-1 05 спутнигі (Тяньсяньпей) - 20250406

Жоғарыда жергілікті график деңгейіндегі индекс таралу картасы көрсетілген. Картаның орталық аймағында қызыл жиекті өсімдіктер индексі (RENDVI), каротиноид индексі (2CRI2) және фотохимиялық шағылысу индексі (PRI) салыстырмалы түрде жоғары, ал батыс аймағында төмен. Бұл батыс аймағындағы пигмент мөлшерінің де салыстырмалы түрде төмен екенін көрсетеді. Дегенмен, антоцианин индексінің (2ARI2) таралу картасында батыс аймағы орталық аймаққа ұқсас және жоғарырақ, бұл аймақтың бірдей стрессте болуы мүмкін екенін көрсетеді, бірақ стресс орталық аймаққа салыстырмалы түрде аз әсер етеді, бұл орталық аймақтағы каротиноид концентрациясының жоғарылауымен байланысты болуы мүмкін. Каротиноидтар фотосинтетикалық бірлескен пигменттер болып табылады және антиоксиданттар ретінде реактивті оттегі түрлерін (ROS, мысалы, супероксид анионы және сутегі асқын тотығы) тазарта алады, жасуша мембраналары мен фотосинтетикалық құрылымдарды тотығу стрессінен қорғайды, осылайша хлорофилл концентрациясының төмендеуіне әкелмейді. Дегенмен, батыс аймағы үшін каротиноидтардың шағылысу индексінің айтарлықтай өсуі байқалмады, бұл стресстің бұл түрінің үлкен әсер ететінін көрсетеді.

Бірнеше гиперспектрлік өсімдік индекстерін жан-жақты талдап, оларды дақыл жамылғысы мен топырақ ылғалдылығының таралу карталарымен біріктіру арқылы біз стресс түрін және оның әсерін одан әрі анықтай аламыз, бұл ауылшаруашылық араласуларын ерте кезеңде ірі көлемді отырғызу жүйелерінің қоршаған ортаға төзімділігін жақсартуға және дән өнімділігі мен сапасының тұрақтылығын қамтамасыз етуге мүмкіндік береді.