Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Модель взаимодействия естественного оптического излучения с посевами озимых и ее применение для интерпретации данных метеорологических ИСЗ

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Модель взаимодействия естественного оптического излучения с посевами озимых и ее применение для интерпретации данных метеорологических ИСЗ"

КОМИТЕТ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ МИНИСТЕРСТВА ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР

На правах рукописи ВИРЧЕНКО Олег Владимирович

УДК 633:551.501(043.2) МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОСЕВАМИ ОЗИМЫХ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ИСЗ

Специальность - 11.00.09 - Метеорология, климатология,

агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1992

Работа выполнена во Всесоюзном научно - исследовательском институте сельскохозяйственной метеорологии

Научный руководитель - кандидат географических наук, старший научный сотрудник Клещенко Александр Дмитровиевич

Официальные оппоненты - доктор физ.- мат. наук, старший научный сотрудник Успенский Александр Борисович, доктор географических наук, профессор Симонов Юрий Гавриллович

Ведущая организация - Одесский Гидрометеорологический

институт

Защита состоится 18 февраля 1992 г. в 16 часов на заседании специализированного совета К 024.05.02 при Гидрометеорологическо» научно - исследовательском центре

Адрес: 123242, г. Москва, Большевистская ул., 9-13

Автореферат разослан 16 января 1992 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Гидрометеорологического научно - исследовательского центра

Ученый секретарь Специализированного совета ' ^

кандидат географических наук

А.И.Страшная

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема мониторинга состояния больших энторий земной поверхности вообще и посевов с. ,- х. культур в гности приобрела в последние десятилетия особое значение, что зловлено как расширеным вовлечением в хозяйственный оборот все 31х территорий, так и все усиливающейся антропогенной нагрузкой эазличные экосистемы. Возникшие в конце шестидесятых, в семиде-ле годы спутниковые системы наблюдения и исследования подсти-дей поверхности дали пользователю адекватные инструментальные цства, позволившие от разовых, точечных измерений перейти к по-эникз площадных оценок на регулярной основе. При этом потребова-= разработка новых и усовершенствование существующих методов грпретацни спутниковой информации, обеспечивающих переход от стральных, яркостных характеристик подстилающей поверхности к 1ным, традиционно используемым параметрам. Применительно к по-ш с. - х. культур наиболее широко используются статистические 1симости между интересующими характеристиками посева и вегета-шыми индексами. Но для получения подобных зависимостей необхо-большой объем сопряженных данных.

Новые требования к методам интерпретации спутниковой информа-обусловлены сокращением количества наземных наблюдений, улуч-1ем характеристик спутниковых измерительных систем, разработкой >матизироваиных систем передачи и накопления материалов сетевых падений, появлением технических средств для комплексной обработ-'.путкнкоЕОй информации с привлечением больших объемов сопутст-1еЙ информации. Дальнейшее развитие методов интерпретации свя-

зано, прежде всего, с разработкой усовершенствованных моделей ф< мирования поля радиации, отраженной подстилающей поверхностью.

Таким образом, актуальность работы обусловлена возросшими i стороны потребителей требованиями к качеству и точности предмет] содержательных характеристик подстилающей поверхности, получаем на основе обработки и интерпретации цифровой информации с метес рологических и природно - ресурсных ИСЗ.

Цель работы состояла в разработке усовершенствованной модел трансформации естественного электромагнитного излучения оптиче кого диапазона растительными покровами предназначеной для орган] зации численных экспериментов для установления качественных и к( личественных закономерностей формирования поля отраженной расти тельным покровом радиации и для отработки процедур интерпретацш цифровой спутниковой информации, пригодных для работы в система: оперативного мониторинга состояния посевов сельскохозяйственных культур.

Методика исследования и исходная информация. На основе теории случайных процессов выполнена разработка имитационной модел! трансформации оптического излучения растительными покровами. Ра работана программная реализация данной модели с дружественным к пользователю интерфейсом и проведена серия численных эксперимен тов с этой моделью.

При разработке модели и оценке ее адекватности использован! материалы полевых спектрометрических и биометрических наблюдени ряда экспедиционных исследований ВНИИСХМ, материалы комлексного подспутникового эксперимента на Херсонском полигоне ( 1981 г. ), многоспектральные цифровые изображения подстилающей поверхности

иродно - ресурсных и метеорологических ИСЗ ( аппаратура МСУ - Э, НИИ ).

Исследования, проведенные при подготовке диссертации, осу-ствлялись в рамках планов научно - исследовательских работ Гос-дромета по проблеме "Разработка методов тематической обработки интерпретации данных дистанционных измерений с природно - ресур-ых и метеорологических космических систем" и соответствующих це-зых программ ГКНТ.

Научная новизна представленных в диссертации материалов сосет в том, что впервые процесс распространения и трансформации гественного оптического излучения в растительных покровах описан шде конечной однородной поглощающей марковской цепи. Доказана гойчивость процесса к малым возмущения элементов матрицы пере-щых вероятностей и, как следствие, сделан вывод о физической ¡снованности предложенной схемы. Впервые исследователю предостав-[а возможность в рамках одной модели варьировать полным набором >аметров, влияющих на структуру и характеристики поля отраженной ;иации. Предложены способы использования моделей трансформации ического излучения в спутниковых системах мониторинга состояния тительности и.процедура определения структуры посева.

Практическая ценность работы заключается в том, что разрабо-о доведенное до программного продукта средство, позволяющее" анавливать качественные и количественные закономерности отра-ия радиации от растительных покровов и использовать полученные исимости для разработки более совершенных алгоритмов и приемов этической обработки спутниковой информации различного прост-ственного разрешения.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждались на семинарах Института астрофизики и $ зики атмосферы АН Эстонии ( г. Тарту, 1982 - 1989 гг. ), Всесоюзном межведомственном совещании - семинаре "Аэрокосмические мето, исследования сельхозугодий" ( г. Обнинск, 1983 г. ), Всесоюзной конференции по исследованию гравитационного поля и ПРЗ ( г, Льве 1984 г. ), Всесоюзной конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования" ( г. Новосибирск, 1984 г. ), Всесоюзно! семинаре "Численные методы решения уравнения переноса" ( г. Тар: 1988 г. ), международном семинаре по переносу радиации в растительных средах ( г. Тарту, 1989 г. ), заседании межведомственно! совета по проблеме "Агрометеорология" ( г. Ашхабад, 1991 г.), К( ференции по экологии Восточных Карпат ( г. Кошице ЧСФР, 1991 г.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов. Диссертация изложена на 111 страниц; машинописного текста, в том числе 18 таблиц, 11 рисунков. Списо! цитируемой литературы состоит из 111 источников, из них 31 инс странный.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и важность темы дис сертации, формулируются цели и задачи исследований, определяете практическая ценность работы.

Глава 1. Моделирование отражения и распространения оптическог излучения в растительном покрове. В первом параграфе главы дается обзор существующих моделей

заимодействия электромагнитного излучения оптического диапазона растительными покровами ( РП ), рассматриваются общие качественно закономерности формирования поля отраженной растительным пок->вом радиации и формулируются некоторые нерешенные проблемы.

Во втором параграфе главы выдвигается гипотеза о возможности »едставления процесса взаимодействия естественного излучения оп-1ческого диапазона с растительным покровом в виде конечной однородной поглощающей марковской цепи, дается формальное определе-ie марковских цепей и обсуждаются проблемы корректного определе-:я состояний. Предлагается ограничить множество допустимых нап-влений распространения радиации в пространстве конечным набором пересекающихся телесных углов, сумма которых равна 4п, и любой ток радиации в растительном покрове и над ним представлять сум-й потоков в соответствующих телесных углах в предположении, что пределах отдельного телесного угла поток распределен равномерно.

Для небольших телесных углов ( плоский угол при вершине до °) и направлений, отличных от направления на Солнце и в область ркального блеска, данное предположение хорошо согласуется как с гпериментальными данными, так и с конструктивными особенностями немников излучения современных спутниковых систем. Для направ-яий на Солнце и в область обратного блеска угловое разрешение ажио быть существенно выше (плоский угол порядка 1-2 градусов).

При сделанных предположениях состояние определяется как элв-iT прямого произведения множества фитоэлементов на множество фавлений ( т. е. состояние - это фитоэлемент, на который с того направления падает поток излучения ). При таком их опре-1ении вероятностью перехода нэ одного состояния в д}./гое может

служить доля ( от пришедшего на элемент с данного направления ) потока, рассеяного в конкретный телесный угол и попавшего на соответствующий фитоэлемент.

В конце параграфа понятие состояния обобщается на случай структур реальных посевов.

В третьем параграфе главы дается формальное определение основных элементов разработанной модели и приводится в общем виде схема расчета интересующих пользователя характеристик.

Посев моделируется конечным набором элементарных фитоэлемен-тов, каждый из которых является одним из следующих простых геомет рнческих тел: пластины прямоугольной формы, пластины в форме эл липса, прямого кругового цилиндра.

Основными оптическими характеристиками элемента РГ1 являются коэффициенты отражения - пропускания в соответствующем спектраль ном интервале, причем верхняя и нижняя стороны листа могут отличаться по своим оптическим свойствам. Указанные коэффициенты зав! сят от угла падения ф и представляются в виде:

т(а) = b * COSÍ а ) + d, ( 1 ) где т - соответствующий коэффициент, a b и d - константы, опреде ляемые по величине т при некоторых фиксированных ф. Коэффициенты т задаются при нормальном и при касательном падении луча на элемент.

Индикатрису рассеяния предлагается представлять в виде суммы трех компонент: диффузной, зеркальной и обратной составляющих. Форма индикатрисы при этом зависит от вклада каждой из составляющих. Соотношение приходящихся на компоненты долей энергии включается в оптические параметры элемента РП. Предполагается, что эт

фаметры также являются функциями угла падения типа ( 1 ). Для [дикатрисы пропускания оставлена только диффузная компонента. 1я индикатрисы отражения соотношение между компонентами при эрмалыюм падении луча может быть произвольным, а для касательно падения принимается гипотеза о равенстве нулю диффузной и 5ратной компонент.

Глава 2. Обоснование физической реализуемости модели.

В первом параграфе главы анализируется устойчивость конеч-IX однородных поглощающих марковских цепей к малым возмущениям, частности, доказывается следующая теорема:

Для любой матрицы 0, описывающей поведение марковского процесса до выхода из невозвратных состояний, сущее-гвует такая ее степень п, меньшая порядка матрицы, что максимальная ( по строкам ) сумма элементов отдельной строки матрицы 0 в соответствующей степени меньше 1. Элементы матрицы 0га, при ш > п убывают не медленее геометрической прогрессии со знаменателем й, равным указанному максимуму.

Во втором параграфе главы рассматривается проблема корректно разбиения состояния на подсостояния и обратная ей - укрупнив состояний. Проблема связана с тем, что теория марковских це-й накладывает достаточно сильные ограничения на процедуры рзз-ения и агрегатирования отдельных состояний. Основным условием и этом является равенство соответствующих строк в матрице передних вероятностей.

Для реальных посевов и соответствующих им матриц переходных роятностей указанное предположение практически невыполнимо. В

связи с этим для оценки ошибки, допускаемой при уменьшении размерности произвольной матрицы переходных вероятностей была проведена серия численных экспериментов с двумя стохастическими мат рицами, элементы которых были получены при помощи генератора ел} чайных чисел. Эти матрицы С порядок 454 и 94 ) были приведены к матрице порядка 31, а затем проведено сравнение потоков, расчи-танных по исходным и редуцированным матрицам. Абсолютное максимальное расхождение не превышало 0.3 % для первой и 1.0 % для второй матрицы.

Следует отметить, что указанные ошибки относятся в обоих слу чаях к варианту, когда потоки между укрупненными состояниями оценивались с учетом только однократного рассеяния. Для более высок] кратностей рассеяния величина ошибки существенно уменьшается. Та для пятикратного рассеяния максимальные ошибки составляют 0.05 и 0.3 '/. соответственно.

На основании полученых результатов делается вывод о физической обоснованности принятой схемы расчета.

Глава 3 Особенности алгоритмической и программной реализации модели.

В первом параграфе главы подробно рассмотрен порядок работы модели. При этом основное внимание сосредоточено на вопросах вза имодействия пользователя и программного средства и особенностя: программной реализации модели.

Во втором параграфе главы рассматривается задача корректного выбора направлений распространения излучения в пространстве величины и формы соответствующих телесных углов. Анализируете;

два типа телесных углов - многогранные телесные углы и телесные углы в форме прямых круговых конусов. Обсуждаются достоинства и недостатки каждого из подходов. Предлагается процедура фиктивного увеличения плоского угла при вершине телесного для уменьшения доли просветов между конусами. Приводится схематическое изображение получаемой картины и оценки погрешностей для 14 направлений, равномерно распределенных по пространству.

В третьем параграфе главы рассматриваются особенности генерации описания посева и способов задания оптических характеристик фитоэлементов. В настоящее время реализованы генераторы трех типов посева - случайного распределения фитоэлементов, случайного распределения растений и регулярного распределения растений. Поскольку в двух последних случаях большинство требуемых характеристик задается пользователем в интерактивном режиме, большое внимание в разделе уделено вопросу построения многомерных последовательностей псевдослучайных чисел, т. к. многие свойства отдельного фитоэле-мента или всего растения ( длина, ширина, ориентация и многие другие ) могут изменяться независимым образом. Проведенные численные эксперименты с двумя процедурами формирования последовательностей зыявили недостаточно хорошие статистические свойства использованного датчика случайных чисел ( функция randO компилятора QC 2.5).

В заключение параграфа обсуждается вопрос о построении более реалистичных структур посева на основе фрактального подхода.

В четвертом параграфе главы приведен с необходимыми поясне-шями алгоритм расчета взаимной видимости фитоэлементов и формирования матрицы переходных вероятностей. Суммарная ошибка ( вы-шслительные и алгоритмические погрешности ) для одной ячейки мо-

дельного посева ( LAI = 0.9 ), в которой находилось 39 фитоэле-ментов, составила 0.0184 X от пришедшего на ячейку потока. Расчет был выполнен для ближнего инфракрасного диапазона.

Глава 4. Вопросы адекватности и использования модели В первом параграфе главы приведены материалы проверки адекватности результатов расчетов по модели с экспериментальными данными. В силу многообразия и значительной изменчивости факторов, влияющих на параметры поля отраженной посевом радиации, только в нескольких комплексных полевых экспериментах было определено почти максимальное количество спектро- и биометрических параметров, требуемых для корректного прогона модели.

В таблице 1 привены расчетные и экспериментальные данные по о. п. Михайловка ( комплексный эксперимент ВНИИСХМ, 1983 г. ).

Таблица 1 Расчетные и экспериментальные данные . Михайловка, 1983 г.

Угол зрения 4 градуса: Альбедо Эксперимент ИК/К

680нм :820нм:ИК / К: 680нм : 820нм :ИК / К: датчик: альбедо

0.00023 0.0012 5.2 0.044 0.293 6.7 6.4 7.1

Посев пшеницы высотой 22 см и густотой 580 стеблей на м^ в

30

фазе "выход в трубку" наблюдался в 15 при слабой облачности, когда прямая радиация составляла 40 7. рассеяной.

Над посевом на высоте 147 см были установлены двухканальные

фотометры с диаметром входного зрачка 4 см и углом зрения 4 градуса. Максимальная чувствительность приемников излучения соответствовала 680 и-820 нм.

Из - за отсутствия экспериментальных данных по оптическим характеристикам фитоэлементов, использовались соответствующие величины из работы В. И.Рачкулика "Отражательные свойства и состояние растительного покрова" ( Гидрометиздат, 1981 г. ).

Полученные результаты показывают вполне приемлемую сходимость. Имеющиеся расхождения вызваны, по видимому, недостаточно точным описанием листьев, имеющих излом.

Несколько более лучшая ситуация получается при сопоставлении расчетных данных с материалами, полученными группой Н.Н.Выгодской ( геофак МГУ ) в конце июля 1981 года на полях Верхне - Рогачик-ского района при осуществлении Херсонского комплексного подспутникового эксперимента. В момент наблюдений посев озимой пшеницы находился в фазе "молочная - молочно-восковая спелость", в связи с чем отмечено значительное пожелтение и отмирание нижних листьев, а также чередование желтых и зеленых зон вдоль стебля. В таблице 2 приведены результаты расчета и натурные измерения.

Таблица 2

Расчетные и экспериментальные данные .

Херсон, 1981 г.

Расчет : Эксперимент

680 нм : 820 нм : 680 нм : 820 нм !

0.327 0.432 0.35 0.44

Следует отметить, что хорошее совпадение экспериментальных и расчетных величин, удалось получить только после подбора оптических характеристик пожелтевших и засыхающих частей листьев и стеблей.

В разделе проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных еще для двух случаев и сделан вывод о работоспособности предложенной модели и соответствующих програмных средств с различными структурами посевов озимой пшеницы для спектральных интервалов, наиболее часто используемых при дистанционном зондировании растительности.

Во втором параграфе главы рассматриваются оптические и биометрические характеристики как в целом посева озимой пшеницы, так и отдельных растений. Обсуждается вопрос о возможности определения структуры посева и предлагаются следующие соотношения, характеризующие строение отдельного растения:

- количество листьев - от 4 до 7;

- соответствующие расстояния между точками прикрепления трех нижних листьев равны между собой;

- аналогично для расстояния от колоса до точки прикрепления верхнего листа и расстояния между верхними листьми;

- диаметр стебля изменяется в пределах 0.25 - 0.75 см, а ширина листа от 0.5 до 1.5 см;

- размеры верхних листьев равны между собой, предпоследний лист меньше верхних в 1.5 раза, последний ( самый нижний ) - в 2.5 раза;

- нижние листья расположены более полого по сравнению с верхними;

- в случае излома листа угол между жилкой листа и стеблем равен углу между горизонтальной плоскостью и проскостью дальней ( конечной ) части листа.

Эти соотношения позволяют по высоте и густоте посева ( данные агрометстанций ) и по оценке его листовой поверхности ( результаты расчета по динамическим моделям формирования урожая ) построить описание посева, похожего на реальный посев озимой пшеницы.

Третий параграф главы посвящен описанию результатов, полученных при небольшой серии численных экспериментов с моделью. Основное внимание при этом было обращено на оценку относительной чувствительности модели. Отмечается хорошая устойчивость результатов расчета к небольшим вариациям элементов матрицы переходных вероятностей. При расчете новых элементов матрицы переходных вероятностей по формуле

ри = тах[ 0.0, РиМ0р^Сн1.

( где £ - случайная величина, равномерно распределенная в диапазоне [ -1.0, 1.0 1, - среднеквадратичный разброс соответствующего элемента матрицы переходных вероятностей ) с параметром См = 0.2 различия в спектральном альбедо не превышали 1 X, а для потоков в фиксированном угле были менее 1.3 X.

В четвертом параграфе главы приведены краткие сведения о разработанной при участии автора первой очереди автоматизированной системы оценки состояния посевов озимых культур в отдельные периоды вегетации на основе информации с метеорологических ИСЗ и наземных данных и обсуждаются различные варианты возможного прямого ис-

пользования описываемой модели в данной системе. Предлагаемые процедуры планируется использовать во вновь разрабатываемых модулях создаваемой системы.

Выводы

1. Выдвинута и обоснована гипотеза о возможности представления процесса распространения и трансформации оптического излучения в растительных покровах в виде однородной конечной поглощающей марковской цепи.

2. Обоснована структура и разработана модель трансформации падающего на посев естественного оптического излучения, основаная

на представлении моделируемого процесса в.виде конечной однородной поглощающей марковской цепи.

3. Доказана устойчивость конечной однородной поглощающей марковской цепи к малым возмущениям матрицы переходных вероятностей и разработана процедура вычисления элементов указанной матрицы.

4. Впервые предоставлена возможность исследовать влияние оптических свойств отдельных фитоэлементов как функций угла падения на структуру и параметры поля отраженной радиации.

5. Разработана программная реализация данной модели с дружественным к пользователю интерфейсом.

Б. Разработаны методические основы процедуры определения геометрической структуры посева озимой пшеницы и оптических параметров отдельных фитоэлементов.

7. На примере серии численных экспериментов показаны воз-

можности модели для установления качественных и количественных закономерностей формирования поля отраженной радиации.

8. Проанализированно значение и обоснована роль подобных моделей в спутниковах системах оперативного мониторинга состояния посевов и предложена процедура выбора параметров модели при расчете поля отраженной подстилающей поверхностью радиации для изображений с метеорологических ИСЗ.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Вирченко О.В. Модель отражения радиации растительным покровом ( программное средство МОРЕ ). - ОФАП Госкомгидромета, per. номер Ж056391055, 1985, 79 с.

2. Вирченко О.В., Клещенко А.Д. Обработка информации со сканирующих систем высокого разрешения применительно к оценке состояния и продуктивности посевов озимой пшеницы. - Труды ВНИИСХМ, вып. 14, 1984 с. 14 - 24.

3. Вирченко О.В. Модель взаимодействия электромагнитного излучения с растительным покровом. - Труды ВНИИСХМ, вып. 14, 1984, с. 71 - 73.

4. Вирченко О.В. Влияние биометрических и спектральных характеристик посева на структуру поля отраженной радиации по материалам имитационного моделирования. - Тезисы докладов Всесоюзной конференции по исследованию гравитационного поля и ПРЗ, Львов, 1984.

5. Вирченко О.В.Имитационная модель трансформации оптического излучения растительным покровом и ее использование при обработ-

ке многоспектральных изображений подстилающей поверхности высокого разрешеш и - Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования", Новосибирск, 1984.

В. Вирченко О.В. Имитационная модель взаимодействия оптического излучения с растительным покровом. - Тезисы докладов Всесоюзного семинара '"Численные методы решения уравнения переноса" 17 - 20 мая 1988 г., Тарту, АН ЭССР, 1988, с. 37 - 60.

7. Вирченко 0'.В. Моделирование взаимодействия электромагнитного излучения оптического диапазона с растительным покровом. •• Труды ВНИИСХМ, вып. 25, 1989, с. Э - 18.

8. Клещенко А.Д., Вирченко О.В. К вопросу об использовании спутниковых данных при оперативном агрометобслуживашш народного хозяйства. - Труды ВНИИСХМ, вып. 25, 1989, с. 3-8.

Эйказ__£5— тира ж .

ГИДРОМЕТЦЕНТР

Москва, ул.Большевистская, 9-13