Kosmik giperspektrometr asosida quyosh nuri ta'sirida xlorofill floresansini aniqlash va qo'llash

1-rasm. 2025-yil 8-aprel holatiga ko'ra, Shimoliy Nigeriya, Afrikada SIFning tarqalishi.

Hozirgi vaqtda quyosh nuri ta'sirida hosil bo'lgan xlorofill lyuminestsensiyasi (SIF) ma'lumotlarining aksariyati siyrak fazoviy qamrov bilan diskret nuqta shaklida.

Biz yuqori aniqlikdagi xlorofill floresansini tadqiq qilish uchun 0,48 nm spektral aniqlikka ega giperspektral asbobdan foydalandik, bu esa quyosh nuri ta'sirida xlorofill floresansini yuqori fazoviy aniqlik bilan ta'minlash uchun mavjud sun'iy yo'ldosh platformasidagi bo'shliqni to'ldirishga umid qildi.

1-jadval. SIF aniqlash qobiliyatiga ega ba'zi kosmik sensorlarning asosiy ishlash ko'rsatkichlari

*Ma'lumotnoma: Zhang, Lifu; Wang, Siheng; Huang, Changping. 2018. Quyosh ta'sirida xlorofill lyuminestsensiyasi uchun sun'iy yo'ldosh masofadan zondlash inversiyasi usuli. Masofaviy zondlash jurnali, 22(1): 1-12

SIF hisoblash asoslari

O'simliklar tomonidan yutilgan yorug'lik energiyasining bir qismi fotosintez uchun ishlatilmaydi, balki uzun to'lqin uzunliklari ko'rinishida lyuminestsentsiya sifatida chiqariladi. Xlorofill lyuminestsensiyasi o'simliklarning qizil va uzoq qizil yorug'lik mintaqalarida (650-800 nm) joylashgan. Fotosintezning qo'shimcha mahsuloti sifatida lyuminestsentsiya fotosintez mexanizmi bilan organik ravishda bog'liq va o'simliklarning fotosintez qobiliyatini bevosita aks ettirishi mumkin.

Floresan soyabonning ko'rinadigan aks ettirishiga hissa qo'shadi; 685 va 760 nm da aks ettirish cho'qqilarini subnanometr o'lchamlari spektrometri yordamida kuzatish mumkin. 685 nm da fluoresans ko'rinadigan aks ettirishga 10%–20%, 740 nm da esa 2%–6% hissa qo'shadi.

O'simliklarning qizil chegara mintaqasida (650-800 nm) lyuminestsentsiya ko'rinadigan aks ettirishga hissa qo'shadi.

SIF ning o'simlik indekslariga nisbatan afzalliklari: Aks ettirishga asoslangan o'simlik indekslari atrof-muhit anomaliyalarining dastlabki bosqichlarida g'ayritabiiy o'simliklar o'sishining dastlabki belgilarini tezda aniqlay olmaydi va kechikishni ko'rsatadi. Boshqa tomondan, SIF anomaliyalarni yanada sezgirroq aniqlay oladi.

2-rasm. Fraunhofer va Fehème yashirin chiziqlarining joylashuvi

Fraunhofer qorong'u chizig'ini to'ldirish usuli: Atmosfera yutilishi tufayli quyosh spektrida Fraunhofer qorong'u chiziqlari deb nomlanuvchi ko'plab mayda qorong'u chiziqlar mavjud. Floresan signallarini quyosh spektri tomonidan susaytiradigan ma'lum to'lqin uzunliklarida miqdoriy jihatdan o'lchash mumkin.

Quyosh nurlanishi qizil va yaqin infraqizil mintaqalarda uchta asosiy yutilish diapazoniga ega: 656,3 nm da Hα chizig'i (atmosfera vodorodining yutilishi bilan ifodalanadi) va Yer atmosferasidagi O2 yutilish chiziqlari 687 nm va 760 nm da. Bu diapazonlar odatda xlorofil lyuminestsentsiya emissiya spektri bilan bir-biriga mos keladi. Lyuminestsentsiya masofaviy zondlash texnologiyasi quyosh nurlanishining spektral chiziqlari chuqurligini o'simlik nurlanishining spektral chiziqlari chuqurligi bilan taqqoslaydi, qisqa to'lqinli qo'zg'alishdan Fraunhofer "qudug'i"ni ma'lum darajada to'ldirish uchun chiqarilgan lyuminestsentsiya miqdorini o'lchaydi. Fraunhofer "qudug'i" ma'lum bir to'lqin uzunligi diapazonidagi yutilish chizig'ini ifodalaydi, bu "quduq"ga o'xshaydi.

Fraunhofer qorong'u chizig'i va unga tutash spektral mintaqalardagi o'simliklarning soyabon spektral aks ettirish koeffitsienti R teng deb faraz qilsak, Fraunhofer qorong'u chizig'i va unga tutash spektral mintaqalardagi o'simliklarning lyuminestsentsiya intensivligi f quyidagi formula yordamida hisoblanadi:

3-rasm. Fraunhoferning qorong'u chiziqli lyuminestsentsiyani aniqlash printsipi

a, b: Fraunhofer qorong'u chizig'i va unga tutash spektral mintaqalarda mos yozuvlar plastinkasi yordamida o'lchangan quyosh nurlanish spektrining intensivligi.

c, d: Fraunhofer qorong'u chizig'i va unga tutash spektral mintaqalardagi o'simlik soyaboni tomonidan aks ettirilgan nurlanish spektrining intensivligi.

λ0: Fraunhofer qorong'u chizig'ining markaziy to'lqin uzunligi.

R lyuminestsentsiyadan mustaqil bo'lgani uchun, xlorofill lyuminestsentsiyasini shunchaki Fraunhofer qorong'u chiziqli tasmasida spektral aks ettirish, quyosh nurlanishi va soyabon aks ettirishini o'lchash orqali o'lchash mumkin.

Turli xil o'simlik turlari va ularning sharoitlari FLD tomonidan hisoblangan 760 nm va 687 nm da nisbiy lyuminestsentsiya intensivligi qiymatlarining turli nisbatlariga olib keladi, bu esa o'simliklarning fiziologik holatini baholash uchun asos sifatida ishlatilishi mumkin.

Ma'lumotlar namunasi

4-rasm. O'simliklar piksel spektriga misol

5-rasm. O2A yutilish cho'qqisi

Yuqoridagi rasmda 04 sun'iy yo'ldoshining odatiy o'simlik spektri ko'rsatilgan. O2B yutilish cho'qqisi 687 nm ga yaqin, O2A yutilish cho'qqisi 760 nm ga yaqin va H2O yutilish cho'qqisi 720 nm ga yaqin kuzatilishi mumkin. Standart Fraunhofer yutilish spektri bilan taqqoslaganda, spektral pozitsiyalar aniq va spektral siljishning ta'siri ahamiyatsiz (

SIF hisoblash

Fraunhoferning qorong'u chiziqni to'ldirish usuli (iFLD) ning takomillashtirilgan spline interpolatsiyasi

Fraunhoferning qorong'u chiziqni to'ldirish usuli (FLD) asosida mos yozuvlar polosalari va qo'shni polosalarni tanlashda yaxshilanishlar amalga oshirildi. Yutish cho'qqisining kengligiga qarab jami 8 ta polosa tanlandi va fon spektriga moslashish uchun spline funksiyalaridan foydalanildi.

6-rasm. O'rnatish uchun ishlatiladigan tasma diapazoni

7-rasm. Spline funksiyasini moslashtirish va interpolatsiya natijalari (Pixel1, 2 va 3 mos ravishda buta, qishloq xo'jaligi yerlari va bino piksellarini ifodalaydi).

Yuqoridagi rasmda ko'rsatilgandek, punktir chiziq O2A yutilish cho'qqisi yaqinidagi sakkizta tasma yordamida moslashtirish natijalarini ifodalaydi. 211 va 212 tasmalari O2A yutilish cho'qqisining ikkala tomonida joylashganligi sababli, o'rtacha qiymat, 760.43195 nm, SIF ta'sir qiladigan nurlanish qiymati sifatida, shuningdek, spline funktsiyasi moslashuvi uchun maqsadli to'lqin uzunligi sifatida ishlatiladi. Yuqoridagi rasmda, kvadratik funktsiyaning pastki qismida, asl spektral qiymat va spline funktsiyasi moslashtirilgan qiymati o'rtasidagi farq SIF bilan to'ldirilgan qism bo'lib, bu SIF intensivligidir.

Haqiqiy relyef sharoitlariga asoslanib, Pixel 1 buta piksellarining o'simlik qoplami qishloq xo'jaligi yerlariga qaraganda ancha past va fotosintetik intensivlik ham ularning jadal o'sish davridagi ekinlarga qaraganda pastroq. Shuning uchun, SIF qiymati Pixel 1 qishloq xo'jaligi yerlariga qaraganda ancha past. Pixel 3, aholi punkti bo'lganligi sababli, SIFga oz miqdorda landshaft va yashil daraxtlar beradi, natijada eng past SIF qiymatiga ega.

SIF natijalarini tekshirish

8-rasm. Turli yutilish polosalari uchun hisoblash natijalarini taqqoslash

Yuqoridagi rasmda turli diapazon pozitsiyalaridan foydalangan holda SIF natijalari ko'rsatilgan va ularni bir xil Sentinel-2 ma'lumotlaridan olingan NDVI bilan taqqoslaydi. Ko'rsatilganidek, O2A diapazonidan foydalanadigan SIF eng kam shovqinga ega va ma'lumotlar taqsimoti NDVI taqsimotiga yaqin. O2B diapazoni, sayozroq yutilish chuqurligi tufayli sezilarli shovqinni ko'rsatadi, ammo taqsimot tendentsiyasi hali ham sezilarli. SIF bo'lmagan xarakterli diapazonlardan hisoblangan natijalar deyarli hech qanday foydali ma'lumot bermaydi. Ushbu taqqoslash bizning usulimizning samaradorligini ko'rsatadi.

Ariza holatlari

9-rasm. Qishloq xo'jaligi yerlari va o'rmon maydonlarida SIF ning tarqalish xaritasi

 10-rasm. Qishloq xo'jaligi yerlari va o'rmon maydonlarining NDVI tarqalish xaritasi 

11-rasm. Qishloq xo'jaligi yerlarida NDVI ning yuqori aniqlikdagi tarqalish xaritasi

12-rasm. Ekin va o'rmon hududlarida ildiz zonasi tuproq namligi va yog'ingarchilikning statistik taqqoslashi.

Yuqorida aytib o'tilgan o'rmon va ekin maydonlaridagi SIF qiymatlari sezilarli farqlarni ko'rsatadi va NDVI taqsimotidan biroz farq qiladi. Ekin maydonida, qo'riqchi tasvirining asl o'lchamlari 10 metr bo'lganligi sababli, SIF o'lchamiga mos kelish uchun qayta namunalar olingandan so'ng, pastki chap qishloq xo'jaligi hududida ekinlar va tuproqning aralashishi umumiy NDVI qiymatini pasaytirdi. Biroq, qishloq xo'jaligi yerlaridagi yuqori SIF hodisasi SIF natijalarida aniq kuzatiladi. Tog'li relyefi va o'simliklari asosan past butalar va ba'zi daraxtlardan iborat bo'lgan o'rmon maydoni qishloq xo'jaligi hududiga qaraganda pastroq o'simlik qoplamiga ega, bu esa SIF qiymatining sezilarli darajada past bo'lishiga olib keladi. Bundan tashqari, yuqoridagi statistik jadvallarga ko'ra, mart oyidan keyin ikkala hududda ham yog'ingarchilik kamaydi, bu tuproq namligining sezilarli darajada pasayishiga olib keldi, o'rmon maydoni ekin maydoniga qaraganda ko'proq kamaydi. Ekin maydonida odatda sug'orish inshootlari mavjud bo'lganligi sababli, tog'li hududda odatda sug'orish inshootlari mavjud emasligi sababli, o'rmon maydoni qurg'oqchilik stressini boshdan kechirayotgan bo'lishi mumkin, bu esa SIFning yanada pasayishiga olib keladi deb taxmin qilinmoqda. Bu shuni ko'rsatadiki, NDVI bilan solishtirganda, SIF ekinlardagi stress hodisalarini sezgirroq kuzatishi va stressli hududlarni aniqlashi mumkin, bu esa ekologik muhitni baholash va aniq qishloq xo'jaligi uchun yanada kuchli vositani taqdim etadi.