Гиперспектральное дистанционное зондирование и инверсия биохимических параметров на уровне листьев и растительного покрова.

Экосистемы играют жизненно важную роль в обмене водой, энергией и парниковыми газами между почвой, растительностью и атмосферой. Способность выявлять изменения в экосистемных процессах, таких как секвестрация углерода, круговорот питательных веществ, чистая первичная продуктивность и разложение подстилки, является важным компонентом для определения глобальных биогеохимических циклов и выявления изменений климата. В моделях лесных экосистем эти процессы связаны с биохимическим составом растительного покрова, в частности, с концентрациями азота, лигнина и целлюлозы.

поэтому, Понимание пигментов, присутствующих в листьях растений, является важной предпосылкой для улучшения оценки и количественного определения физиологии и жизнеспособности растений.Поскольку оценка химического состава растительного покрова с использованием традиционных методов полевого отбора проб занимает много времени и не подходит для крупномасштабных региональных и глобальных исследований, технологии дистанционного зондирования биохимии листьев (питательные вещества, пигменты) как индикатора стрессовых явлений, вредителей, болезней растений и других бедствий давно представляют интерес для лесоводов и экологов.

Рисунок 1. Определение биохимических параметров на уровне леса и полога леса.

Цвет листьев определяется тремя типами пигментов, избирательно поглощающих свет: хлорофиллом (два основных типа у высших растений, хлорофилл а и хлорофилл b), каротиноидами (включая β-каротин и ксантофилл) и антоцианами. Содержание и состав этих пигментов зависят от физиологического состояния листьев и существуют в разных пропорциях в процессе дифференциации и старения листьев. Определенные условия могут препятствовать их образованию, такие как дефицит питательных веществ и воздействие абиотических стрессов — загрязнение воздуха озоном или диоксидом серы, тяжелые металлы, вирусные атаки или нехватка воды, — что может привести к изменению оптических свойств растительности. Концентрация хлорофилла указывает на фотосинтез и потенциальную максимальную скорость усвоения углекислого газа. Каротиноиды помогают улавливать свет, но также играют фотозащитную роль и указывают на снижение фотосинтеза.Содержание азота и лигнина коррелирует со скоростью распределения углерода и круговорота питательных веществ соответственно, благодаря их влиянию на скорость разложения. Концентрация хлорофилла также сильно коррелирует с содержанием азота, поэтому она стала ключевым параметром для изучения растительного покрова.

Многочисленные исследования продемонстрировали корреляцию между данными, полученными с помощью спектрометров, и биохимическими свойствами листьев. В ранних исследованиях для установления прогностических связей между данными дистанционного зондирования в узком спектральном диапазоне и интересующими биохимическими переменными (например, целлюлозой, хлорофиллом, лигнином, азотом и крахмалом) в основном использовалась пошаговая регрессия. В последующих исследованиях были предложены альтернативные методы, а именно оценка биохимических переменных с использованием моделей отражательной способности.

Переход от уровня листа к уровню растительного покрова приводит к сильным интерференционным эффектам, таким как влияние структуры растительного покрова (индекс листовой поверхности, распределение углов наклона листьев) и почвенного фона. По сравнению с контролируемыми лабораторными условиями, данные, полученные с помощью аэрофотосъемки или космических аппаратов, дополнительно подвержены влиянию таких факторов, как переменная интенсивность солнечного света и атмосферные условия, а также характеристики прибора (отношение сигнал/шум, спектральная ширина полосы пропускания, геометрия наблюдения). В совокупности эти факторы приводят ко многим проблемам при определении биохимического состава листьев с использованием данных дистанционного зондирования. Тем не менее, соответствующие исследования показали, что измерения спектральной освещенности растительного покрова коррелируют с изменениями химического состава растительного покрова, включая концентрации лигнина, азота и целлюлозы.

Рисунок 2. Диаграмма рассеяния, показывающая взаимосвязь между различными индексами отражения и общим содержанием хлорофилла.