Возможности спутникового радиолокационного мониторинга для решения задач сельского хозяйства

0

Ю.И. Кантемиров, В.Н. Семенов

ОБЗОР ПРОБЛЕМЫ

Космический мониторинг широко применяется для решения широкого круга задач сельского хозяйства во всем мире. Спутниковые снимки земной поверхности, сделанные в различных диапазонах электромагнитного спектра, позволяют оперативно, с необходимой  периодичностью, получать наглядную информацию о сельскохозяйственных угодьях без выполнения наземных наблюдений или с их выполнением лишь на небольшом эталонном участке. При этом информация, заверенная наземными наблюдениями на эталонном участке, затем экстраполируется на всю площадь снимка.

Препятствием для регулярного космического мониторинга в оптическом диапазоне может стать облачность, в связи с чем оптические снимки могут быть дополнены, а в некоторых случаях и заменены радиолокационными снимками, просвечивающими облачность и не зависящими от освещенности. Именно на применении радиолокационных съемок для задач сельского хозяйства хотелось бы остановиться подробнее, поскольку эта тема гораздо меньше освещена в отечественное печати, чем применение обычных оптических съемок.

В настоящее время на орбите находится 11 радиолокационных спутников. Есть возможность осуществить поиск архивных спутниковых радиолокационных снимков на заданный участок или подать запрос на новую целевую съемку, которая проводится в течение нескольких часов.

После получения снимков выполняется необходимая предварительная и тематическая их обработка. Для этих целей используется программный продукт SARscape.

Перспективным и наиболее экономически эффективным представляется организация на региональном уровне интернет-порталов с ограниченным доступом для подписавшихся абонентов (конкретных фермерских хозяйств). На этих геопорталах могут регулярно выкладываться сами космические снимки и результаты их обработки, в виде тематических карт, необходимых этим локальным пользователям.

ПРИМЕР МОНИТОРИНГА ТЕСТОВОГО УЧАСТКА

Рассмотрим конкретный пример космического радиолокационного мониторинга тестового участка в одном из хозяйств в Центральном федеральном округе России. Съемка этого участка была выполнена 6 раз в течение 2010 г. с канадского спутника RADARSAT-2. Пространственное разрешение снимков — 7 м.

Даты съемок: 24 июня, 18 июля, 11 августа, 4 сентября, 28 сентября, 22 октября 2010 г.

Результаты тематической обработки первого радарного снимка от 24 июня показаны на рис. 1 (обработка снимка была выполнена в программных модулях SARscape). На этом снимке хорошо различаются озимые и яровые культуры. В частности, озимые культуры характеризуются более зелеными оттенками, поскольку именно в зеленом канале находится кросс-поляризация HV, характеризующая объем биомассы. Яровые же культуры характеризуются более красными и коричневыми оттенками, поскольку сигнал в поляризации HH, находящийся в красном канале, просвечивает неплотную растительность и отражается от поверхности земли. Чистый пар характеризуется темно-синими оттенками, поскольку ровные поверхности наиболее детально отображаются в поляризации VV, а она в данном композите соответствует синему каналу.

ris_1Рис. 1. Результаты обработки снимка RADARSAT-2 от 24 июня 2010 г., сопоставленные с информацией с карты севооборота.

Из всех сельхозкультур наилучшим образом от всех остальных дифференцируется озимая рожь. Особенно интересно, что она очень сильно по типу отражения различается с озимой пшеницей (видимо это сорт ржи с очень мощной биомассой или высокими стеблями).

Необрабатываемые земли выделяются грязно-темно-зелеными оттенками.

Знаками вопроса помечены те участки, где наземная информация (карта севооборота) не соответствует снимку.

На радиолокационном снимке от 18 июля (рис. 2) отчетливо дешифрируются поля, на которых произошел сбор урожая озимых культур (пшеницы, ржи, ячменя). Это — участки, которые на предыдущем снимке от 24 июня характеризовались зелеными оттенками, а на этом снимке выделяются темно-синими оттенками, близкими по цвету к чистому пару.

ris_2Рис. 2. Результаты обработки снимка RADARSAT-2 от 18 июля 2010 г., сопоставленные с информацией с карты севооборота

В юго-западной части снимка видно, что были также убраны яровая пшеница и яровой ячмень. Участок чистого пара (по наземным данным) в южной части снимка, еще больше усилил зеленый оттенок, что говорит о том, что на самом деле это не чистый пар. Яровой рапс, который на снимке от 24 июня сливался по оттенку с озимой пшеницей (зеленовато-коричневый цвет), теперь — после ее уборки — ярко выделяется светло-голубым цветом, что говорит о том, что его биомасса к 18 июля увеличилась. То же самое можно сказать и о небольшом поле гречихи на западе снимка.

На снимке от 11 августа (рис. 3) отчетливо дешифрируются участки, на которых произошла уборка ярового рапса, гречихи и овса (их отражающая способность резко уменьшилась по сравнению с прошлым снимком от 18 июля). Темно-синие оттенки многих полей говорят об их подготовке к посеву озимых.

ris_3Рис. 3.Результаты обработки снимка RADARSAT-2 от 11 августа 2010 г., сопоставленные с информацией с карты севооборота

 На снимке от 4 сентября дешифрируются некоторые участки, на которых, видимо, произошел сев озимых культур, но большинство полей сохранили темно-синий оттенок, характерный для снимка от 11 августа, что говорит о том, что поля подготовлены к посеву озимых и ждут своей очереди.

ris_4Рис. 4. Результаты обработки снимка RADARSAT-2 от 4 сентября 2010 г., сопоставленные с информацией с карты севооборота

Отметим интересный участок в северо-западной части снимка, помеченный красной стрелкой и обозначенной на карте севооборота как чистый пар. Однако на снимках от 24 июня, 18 июля, 11 августа и 4 сентября заметно, что на этом участке произрастает какая-то культура, и достигает к 4 сентября максимума биомассы.

На снимке от 28 сентября (рис. 5) в первую очередь заметны изменения, связанные с увеличением отражающей способности многих полей и с усилением вклада зеленого цвета (т.е. объемного рассеяния), что может говорить о том, что эти поля засеяны озимыми и, возможно, о появлении их всходов (наиболее зеленые поля).

ris_5Рис. 5. Результаты обработки снимка RADARSAT-2 от 28 сентября 2010 г., сопоставленные с информацией с обновленной карты севооборота

Убрана растительность с поля, обозначенного ранее как чистый пар (участок в северо-западной части снимка, помеченный красной стрелкой).

Снимок от 22 октября характеризуется, в основном, увеличением вклада объемного рассеивания (об этом говорит усиление зеленых и коричневых оттенков). Это свидетельствует о дальнейшем появлении и развитии всходов озимых.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенный пример космического радиолокационного мониторинга одного из участков позволяет сделать следующие основные выводы:

  • радиолокационные снимки не зависят от облачности и освещенности, а поэтому могут обеспечить регулярную съемку с необходимой периодичностью любых по площади территорий;
  • на радиолокационных снимках конца июня — хорошо разделяются яровые культуры от озимых, а также озимая рожь от озимой пшеницы, кроме того, выделяются необрабатываемые земли и чистый пар;
  • на снимках середины июля — хорошо разделяются рапс и гречиха от яровой пшеницы, также на этом снимке видна уборка урожая озимых;
  • на снимках за середину августа видна уборка урожая овса, рапса и гречихи, также видна подготовка части полей к посеву озимых
  • на снимках начала сентября видна подготовка полей к посеву озимых, а также поля с только что посеянными озимыми;
  • на снимках конца сентября заметны работы, связанные с посевом озимых, а также заметны первые всходы озимых;
  • на снимках конца октября видны вновь появившиеся всходы озимых, а также развитие ранее появившихся всходов;
  • на всех снимках серии видны участки несовпадения карт севооборота с реальной ситуацией, что позволяет уточнять эти карты и проводить мониторинг использования сельхозземель.