Giperspektral sun'iy yo'ldoshlar o'simliklar xilma-xilligini qanday qilib "ko'radi"? — Gibrid piksel dekompozitsiyasi: bitta pikseldan bir nechta o'simlik turlarini aniqlash texnologiyasi.

An'anaviy turlarning xilma-xilligini o'rganish yer maydonlariga tayanadi, ular ishchi kuchi, transport va relyef sharoitlari bilan cheklangan bo'lib, katta maydonlarni qamrab olishni qiyinlashtiradi. Ekologiya va atrof-muhitni muhofaza qilish vazirligining tegishli texnik xususiyatlari xilma-xillikni baholash usullarini ishlab chiqqan bo'lsa-da, yer kuzatuv ma'lumotlarini olishdagi qiyinchiliklar tufayli bu ko'rsatkich uzoq vaqtdan beri amaliy keng qamrovli baholashlarda yo'q bo'lib kelgan. Bizga osmondan o'simliklar xilma-xilligini "ko'ra" oladigan texnologiya kerak.

Barcha texnik yo'nalish to'rtta asosiy bosqichdan iborat:

1-qadam: "O'simliklarning nechta turi borligini" aniqlang (virtual o'lchamlarni baholash)

HFC algoritmi statistik gipoteza sinovlari orqali tasvirlardagi mustaqil o'simlik signal manbalari sonini avtomatik ravishda aniqlash uchun ishlatilgan. Ushbu tahlilda Qinling tog'lari mintaqasidagi yetti xil o'simlik turi yoki holatini ifodalovchi yettita asosiy element avtomatik ravishda aniqlandi.

2-qadam: "Har bir o'simlik turi qanday ko'rinishini" ajratib oling (oxirgi qismni ajratib olish)

VCA (Vertex Component Analysis) algoritmidan foydalanib, millionlab piksellardan yettita eng sof spektral xususiyatlar avtomatik ravishda aniqlandi. Bu elementlar doimiy yashil ignabargli o'rmonlar, bargli keng bargli o'rmonlar, butazorlar, aralash o'rmonlar va qishloq xo'jaligi yerlari kabi turli o'simlik turlariga mos kelishi mumkin.

3-qadam: "Har bir turdan qanchasini" hisoblangMo'llik inversiyasi)

Har bir piksel uchun har bir tugun elementining mo'lligi FCLS (To'liq cheklangan eng kichik kvadratlar) algoritmi yordamida hisoblanadi. Cheklov shundaki, barcha mo'lliklar manfiy emas va 1 ga teng - bu fizik ma'noning oqilona ekanligini ta'minlaydi. Natijada yettita mo'llik taqsimoti xaritalari hosil bo'ladi, ularning har biri ma'lum bir o'simlik turining fazoviy tarqalish zichligini ifodalaydi.

1-rasm.7 ta o'simlik elementlarining fazoviy taqsimoti (har bir piksel bir nechta komponentlarga bo'linadi)

4-qadam: Xilma-xillik indeksini hisoblang

Har bir piksel ichidagi mo'llik "tur tarkibi" sifatida qaraladi va klassik xilma-xillik indeksi, Shannon-Wiener indeksi (boylik va bir tekislikni birlashtiradi) hisoblanadi.Simpson indeksi(Turli turlarga mansub ikkita individni tasodifiy tanlash ehtimoli), boylik (samarali tugun a'zolari soni) va bir tekislik (taqsimot muvozanatlanganmi yoki yo'qmi). Nihoyat, keng qamrovli bioxilma-xillik indeksi BDI ni olish uchun og'irlikli birlashtirish amalga oshiriladi (0-1, yuqori xilma-xillik yaxshiroq).

Asosiy afzalliklari: Yuqori aniqlikdagi sun'iy yo'ldoshlar yamoq o'zgarishlarini aniqlash uchun mos keladi va ko'p spektrli sun'iy yo'ldoshlar NDVI kabi o'simliklarning hayotiylik ko'rsatkichlarini olishlari mumkin, ammo ikkalasi ham spektral darajada piksel ichidagi o'simliklar turi tarkibini aniqlay olmaydi. Giperspektral aralashtirish texnologiyasi bu bo'shliqni to'ldiradi - u subpiksel darajasida o'simliklar xilma-xilligi haqida miqdoriy ma'lumot beradi, bu hozirda boshqa turdagi masofaviy zondlash sun'iy yo'ldoshlarida mavjud emas.

Tog'li hududning ichki qismida taxminan 6400 km² maydonni (taxminan 4 million samarali o'simlik pikseli) tahlil qilish quyidagilarni ko'rsatadi:

1. Umumiy xilma-xillik o'rtacha yoki yuqori.O'rtacha BDI 0,568 ni tashkil qiladi va piksellarning aksariyati uchta o'simlikning oxirgi a'zolari aralashmasidan iborat (65,5% ni tashkil qiladi), bu mintaqadagi o'simliklarning heterojenligini aks ettiradi.

2. "Yashil" "xilma-xillik"ga teng emasBioxilma-xillik indeksi (BDI) va o'simliklarning hayotiylik indeksi (NDVI) o'rtasidagi o'zaro bog'liqlik juda zaif edi (r=0.369), bu o'simlik qoplami mo'l bo'lgan hududlar turlarga boy bo'lishi shart emasligini ko'rsatadi (masalan, sof ignabargli o'rmonlarda NDVI yuqori, ammo bioxilma-xillik past). Bu zararsizlantirish usulining noyob qiymatini tasdiqlaydi.

2-rasm.Turli xillik ko'rsatkichlarining Pearson korrelyatsiya koeffitsienti matritsasi

3-rasm.NDVI o'simliklar indeksi taqsimot xaritasi

4-rasm.Kompozit biologik xilma-xillik indeksining (BDI) fazoviy taqsimoti – Yashil rang yuqori xilma-xillikka ega hududlarni bildiradi.

3. Balandlik gradiyenti naqshi aniq.：KombinatsiyaSRTM DEM ma'lumotlariXilma-xillik balandlik bilan sezilarli darajada kamayadi (r=-0.623), bu uch pog'onali naqshni namoyish etadi.

Past balandlik (Bargli keng bargli va doim yashil aralash oʻrmon, BDI=0.65~0.75, eng yuqori xilma-xillikka ega;

O'rta balandlik (1000-1800 m)O'tish zonasi: biologik xilma-xillik tez pasayadi, ignabargli o'rmonlarning ulushi esa ortadi;

Balandlik (>1800 m)Archa va sekvoya ustunlik qiladigan sof ignabargli o'rmonlarning BDI 0,13 dan 0,21 gacha va past, ammo barqaror biologik xilma-xillikka ega.

5-rasm.Tadqiqot hududida DEM taqsimoti

6-rasm.Balandlik gradiyenti bilan xilma-xillik ko'rsatkichlaridagi tendentsiyalar

7-rasm.BDI va balandlik o'rtasidagi salbiy korrelyatsiya (r=-0.623)

Giperspektral aralash pikselli dekompozitsiya katta maydonlarda o'simliklar xilma-xilligini kuzatish uchun mutlaqo yangi yo'l ochdi. An'anaviy kvadrat tadqiqotlar bilan taqqoslaganda, u keng qamrovga ega (bitta sahna minglab kvadrat kilometrlarni qamrab olishi mumkin) va yuqori o'z vaqtida bajarilishi mumkin (tahlil bir necha soat ichida yakunlanishi mumkin); yuqori aniqlikdagi va ko'p spektrli sun'iy yo'ldoshlar bilan taqqoslaganda, u o'simliklar tarkibini spektral o'lchamdan ajratishning noyob qobiliyatiga ega va shunchaki "yashillik" haqida bilvosita ma'lumot berish o'rniga, xilma-xillikning miqdoriy ko'rsatkichlarini to'g'ridan-to'g'ri ishlab chiqarishi mumkin.

Kelajakda ko'p vaqtli ma'lumotlarni birlashtirish turli yillik dinamik o'zgarishlarni kuzatish imkonini beradi va yerga asoslangan kvadratlarni tasdiqlash [tizim/mexanizm] ni yaratishga imkon beradi.Spektral xilma-xillikBioxilma-xillik va turlarning xilma-xilligi o'rtasidagi miqdoriy bog'liqlik. Ushbu usul "xilma-xillik" ko'rsatkichlarining yo'qligi bilan bog'liq milliy ekologik funksiyani baholashdagi uzoq vaqtdan beri mavjud bo'lgan bo'shliqni to'ldirishi va ekologik boshqaruv samaradorligini miqdoriy baholash uchun ob'ektiv va takrorlanadigan texnik yordam ko'rsatishi kutilmoqda.