Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Оценка состояния сельскохозяйотвенных культур и почв с применением функции Харрингтона

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Оценка состояния сельскохозяйотвенных культур и почв с применением функции Харрингтона"

Г 3

I .

Федеральная служба Российской Федерации по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Гидрометцентр Российской федерации

на правах рукописи

Туев

Владимир Владимирович

Оценка состояния сельскохозяйственных культур и почв с применением функции Харрингтона.

11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва -1997

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте сельскохозяйственной метеорологии.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор географических наук,

Клещенко Александр Дмитриевич

доктор технических наук,

Федченко Петр Петрович

доктор физико - математических наук

Козодеров Владимир Васильевич

кандидат географических наук

Ляхов Алексей Алексеевич

Главный вычислительный центр Росгидромета

в"//

йс

"часов на

Защита диссертации состоится заседании диссертационного совета К.024.05.02 Гидромеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации ( Гидрометцентра России) по адресу: 123242, г. Москва, Большой Лредтеченский переулок, д. 9-13, Гидрометцентр России.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке в библиотеке Гидрометцентра России.

Автореферат разослан -Л 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Кандидат географических наук

А. И. Страшная

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы определяется практической потребностью специалистов сельского хозяйства в оперативной и полной информации о состоянии сельскохозяйственных культур, полумаемой регулярно с больших площадей в течение всего периода вегетации эта информация необходима для принятия решений о пересеве посевов при наличии сильных их повреждений, а также для составления прогнозов будущего урожая.

Цели и задачи исследований. Основная цель диссертационной работы заключалась в разработке модели оценки состояния сельскохозяйственных культур и почв с помощью функции "желательности" Харрингтона.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Выбрать информативные признаки и решающее правило для построения математической модели оценки состояния сельскохозяйственных культур и почв с помощью функции" желательности" Харрингтона.

2. Изучить факторы, влияющие на спектрально-отражательные свойства растительности и почв, разработать конкретные рекомендации по их учету.

3. Изучить динамику гумуса в почвах по их спектрам отражения.

4. Разработать метод оценки степени повреждения озимых культур после их перезимовки.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые разработана математическая модель, основанная на применении функции " желательности " Харрингтона, позволяющая в реальном масштабе

времени оценивать состояние сельскохозяйственных культур и почв по их спектрам отражения.

2. Впервые с применением функции " желательности " Харрингтона разработана математическая модель оценки изменчивости содержания гумуса в почвах.

3. Предложен новый метод определения площадей погибших озимых культур после их перезимовки с использованием функции " желательности " Харрингтона.

4. Впервые предложен новый способ учета природных факторов, влияющих на спектральные отражательные свойства растительности и почв, основанный на применении функции " желательности " Харрингтона.

Практическая значимость работы определяется тем, что в ней на основе разработанной автором математической модели решены важные практические задачи агромеорологического обеспечения сельского хозяйства: разработана методика оценки динамики гумуса в почвах и разработан метод оценки состояния озимых культур после их перезимовки.

Личный вклад автора диссертации заключается в проведении теоретических и методических исследований по изучению взаимодействия солнечного излучения с растительностью и почвенным покровом, в выявлении основных факторов, влияющих на спектрально-отражательные свойства растительности и почв, в разработке модели, позволяющей количественно оценить состояние объекта в реальном масштабе времени по их спектрам отражения.

Апробация работы. Основные положения диссертации опубликованы в 5-ти печатных работах. Результаты исследований применения функции "желательности" Харрингтона доложены на конференции Молодых ученых и специалистов в НИИМР АМН СССР в 1985 г., на межотраслевом совещании "Использование результатов

авиционных и космических исследований Земли а исследованиях Агропрома СССР" Москва АИУС - агрорессурсы 1987 г., на Всероссийской конференции "Радиационный баланс Земли аэрозоль и облака" С.П. МИЦЭБ 1995 г., обобщенном семинаре и Ученом совете ВНИИСХМ в 1997 г.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 143 наименования. Она содержит 138 страниц машинописного текста, 15 рисунков, 21 таблицу.

Содержание работы

Во введении отмечается актуальность выбранной темы. Освещается современное состояние аэрокосмических исследований в области агрометеорологии и сельского хозяйства, указывается практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе диссертации изложены физические основы изучения спектральной отражательной способности и цвета природных объектов. Показано, что основными величинами, характеризующими спектральные отражательные свойства природных объектов является спектральные коэффициенты яркости (СКЯ) и спектральные коэффициенты отражения (СКО).

Большое внимание в этой главе уделяется основным понятиям колориметрии и способам выражения цвета природных объектов.

Существует два хорошо известных метода расчета координат цвета и координат цветности: метод взвешенных ординат и метод избранных ординат.

При использовании метода взвешенных ординат вся спектральная кривая отражения разбивается на узкие участки спектра дА, а координаты цвета определяются путем вычисления следующих сумм (Кондратьев, Козодеров, Федченко 1986г.):

Х=к 13(Л)т(Л) х(Л)лЛ,

1 = 1

У -к 1у(Л)аЛ , (1)

Л = 1

1=к I Б(Л)т(Л) ¿(Л)дЛ,

X = 1 I, 100

где к - —---, (2)

Е5(А)у(А> ЛЛ

1 = 1

Б {Л)-спектральная интенсивность излучения, падающего на исследуемый объект в участке спектра ДЛ; Т(Л)- спектральный коэффициент яркости исследуемого

объекта, измеренный в том же участке спектра; х(Л) , у {Л) , 2(Л)- функции сложения; п - число участков спектра.

Зная координаты цвета, можно рассчитать координаты цветности:

X =---; у =-£-=---. (3)

х Л+У+г У Х+у+2 Х+у+2

Метод избранных ординат основан на том, что спектр также разбивается на

точное число интервалов, но различных по ширине; ширина дЛ зависит от спек-

трального распределения энергии излучения S(A)n функции сложения, т.е. дЛ выбирается так, чтобы произведение S(A) х{А)аА , входящее в формулу (1), для каждого интервала лА было постоянным. Другая группа интервалов лА выбирается так, чтобы было обеспечено постоянство значений произведения S(A) у(А)дА;

третья фуппа - для значений произведения S(A) 2Г(А)лА .

Во второй главе изложены исследования по разработке математической модели оценки состояния сельскохозяйственных культур и почв с использованием функции " желательности " Харрингтона ( Harrington 1965г.).

В настоящее время разработано большое количество математических методов, позволяющих достаточно надежно оценивать состояние сельскохозяйственных культур и почв в реальном масштабе времени. Многие из используемых методов основаны на использовании регрессионного анализа. Применение же методов регрессионного анализа для исследования влияния гидрометеорологических условий на формирование урожая и для построения соответствующих многомерных прогностических схем требует обработки больших объемов статистической информации и в ряде случаев не может дать удовлетворительного результата.

В основе построения функции " желательности " Харрингтона лежит идея преобразования значений частных признаков в безразмерную шкалу желательности. Ее назначение - установление соответствия между физическими параметрами объекта и оценкой его качественного состояния. Чтобы получить шкалу желательности удобно пользоваться разработанными таблицами соответствия между субъективной оценкой, выраженной в качественной и числовой системах (табл. 1).

В своей работе Harrington (1965г.) предложил считать величину желательности, равную 0.37 (1/е - точка перегиба логарифмической функции), за нижнюю границу удовлетворительного состояния объекта, а величина 0.6Э (1-1/е) соответствует границе наилучшего состояния объекта. Значение частного признака, переведенное в безразмерную шкалу желательности, обозначается через d, (к= 1, 2, .... р) и называется частной желательностью. Самыми простыми критериями качества являются случаи, когда d = 0.00 и d = 1.00, т.е. самая низкая и самая высокая оценка состояния.

Таблица 1

Соотношение количественной и качественной оценок

Шкала d Описание качественных эквивалентов шкалы d

1.00 Представляет конечное, наилучшее качество - дальнейшее улучше

ние невозможно или бессмысленно.

1.00- 0.80 Отлично. Представляет необычайное высокое качество.

0.80- 0.63 Хорошо. Представляет собой улучшение по отношению к премлемому

0.6Э- 0.37 Приемлемо, но низкого качества - желательно улучшение.

0.37- 0.30 Удовлетворительное состояние объекта, но требуется заметное

улучшение качества причем нижнее значение качества будет соответствовать

d = 0,37 = 1./е.

0.30- 0.00 Неприемлемо качество объекта.

0.00 Совершенно неприемлемо качество объекета.

Однако на практике условия, когда d = 0.00 и й = 1.00 выполняются редко. Применительно к нашему случаю это значит, что растения на обследованных полях ас» погибшие или все здоровые. Поэтому реально всегда будут встречаться поля с какими-то промежуточными значениями ( частично растение больное или здоровое). Тогда графически эту процедуру можно продемонстрировать на рис. 1.

В аналитической форме в случае двустороннего ограничения параметра можно выразить следующим уравнением:

d = ехр

(4)

любое натуральное значение Y, можно преобразовать в Yi -безразмерный параметр, который вычисляется по формуле:

2Y - (Y + Y )

у' — ___max_3ÜJI.

J' Y — Y

max min

где EXP - логарифмическая постоянная (е = 2.71828); п - положительное число (0<п<да), необязательно целое; Ym„ соответствует такому Y,, при котором d=1/e; Y^ соответствует такому Y,, при котором d=1/e. Здесь Ymm и Y™, условные, т.е. соответствующие данному уровню знания и установлены из имеющихся на текущий момент опытных и экспериментальных данных. Следует заметить, что уравнение (4) представляет собой семейство кривых, все из которых :

а) приближаются к d=0, как абсолютному значению V. |Y 'J превышает 1.0;

б) проходят через d = 1/е = 0.37, когда абсолютная величина V равняется 1.00 (это одна причина выбора d = 0.37 для представления величины оценки состояния объекта);

в) проходят через d = 1.00 в среднем значении между самым низким и самым высоким значениями оценки качества.

Практически любая шкала желательности, отвечающая уравнению (4), может быть рассчитана путем выбора некоторой величины d ( предпочтительно между d =

0.60 и d = 0.90), находя соответствующее [Y'l и заменяя в уравнении:

ln (lnl / d) n = .- ----. . (6)

lnly'l

В случае наличия одностороннего ограничения, налагаемого на исследуемый параметр, функция "желательности" имеет вид:

d = ехр[-(ехр{-!"))]. <7)

В графическом виде этот случай представлен на рис. 1. В уравнении (7) изгиб кривой определяется нанесением У, и У,'. Причем, нанесение выполняется выбором двух величин измеренного семейства У, и назначения им величин "желательности" в соответствии с табл. 1. Эти две величины "желательности" преобразуются на равные им У/, либо графически (используя рис.1), либо уравнением:

У' = -\Ln(-Lnd)\ (8)

В большинстве случаев достаточно легко определить такое значение натурального показателя У>, при котором с1 = 0,37. В этом случае качество объекта определяется как в табл. 1. Обезразмеривание У, выполняется следующим образом:

, т. - у.)

У =--!-----(9)

' У

о

В выражении (0) У0 соответствует значению У,, при котором значение изучаемого параметра объекта изменяется на 37% от минимального. Величина Ь в выражении (9) характеризует крутизну кривой и физического смысла не имеет. Ее значение, как правило, устанавливается исходя из удобств работы исследователя с графическим материалом. Значение Ь определено а настоящих исследованиях Ь=5,75. Следует

отметить, что изучаемый параметр У, всегда отражает какое-либо состояние объекта, например, при увеличении натурального значения У, состояние объекта

"d"

} отлична •л • >

•л) ■ | хороша |

• 44 ■

' } УД0»Л(ТК0РИТ(ЛЫЮ «41; _________{ грдиши^качгст»»

, л. ршохо

•л ■

, I, Л 04. плохо ' ' «м __

-4.1 -1.1 гл -1.1 м! Г» 1Л з.» обордэи. лич.

Рис. 1. График функции "желательности" Харрингтона для одностороннего ограничения параметра улучшается или ухудшается, в качественном понимании этого слова. В тех случаях, если качество объекта ухудшается при увеличении Уь следует использовать иную формулу для расчета У,:

b(Y - Y) у' = _ -1 о

(10)

Зная значения частных функций "желательности" d, можно рассчитать обобщенную функцию желательности, которую можно записать в следующем виде:

D = nldd...d . (11)

V 1 2 л

Видим, что в случав d, = 0, связанное с ним 0 тоже будет равно 0.

Описанный выше диагностический аппарат позволяет построить диагностическую систему. На рис. 2 представлена предлагаемая диагностическая система. Суть ее состоит в следующем. Объект Р характеризуется набором различных параметров аДс и после преобразования с помощью функции " желательности " РН мы получаем набор частных функций "желательности" с/, с/ь. с/с для каждого параметра в отдельности. Далее с помощью преобразования Б строим обобщенную характеристику объекта О, которая характеризует его в целом. В блоке О оцениваем объект с точки зрения предъявляемых ему требований с применением табл. 1. В том случае, если объект не отвечает нашим требованиям, мы выдаем рекомендации на изменения параметров объекта с помощью управляющих функций {е . Таким образом, мы получаем замкнутую систему, которая позвопяет оценивать и, при желании, контролировать состояние объекта Р. Прежде всего, для построения интересующей нас функции "желательности", необходимо определить следующее необходимое условие: множества значений, которые принимают параметры обьекта

Рис. 2 Диагностическая система, на всем изучаемом интервале времени.

К достоинствам такого подхода в оценке состояния объектов следует отнести:

- во-первых, можно оценивать объекты по набору параметров, определяемых как количественно, так и качественно;

- во-вторых, количество измерений самих параметров, определяющих состояние объекта, не требует больших выборок. Главное необходимо знать значения изучаемых параметров, сответствующех значению d=1/e, соответствующее значение Y, обычно получают из экспертных оценок или специальных экспериментов.

- в-третьих, при сравнении полученных результатов (d,, О) с табл. 1 мы фактически подключаем для оценки весь ранее накопленный опыт и знания в этой области;

- в-четвертых, при исследовании динамических объектов частота изменения параметров не является ограничением для применения функции "желательности"; в-пятых, предлагаемая диагностическая система позволяет в реальном масштабе времени, т.е. в режиме "on-line" проводить оценку состояния объекта.

Третья глава посвящена исследованиям по изучению спектральных отражательных свойств растительности. В ней изложена оценка состояния посевов озимых культур после их перезимовки с применением функции " желательности " Харринг-тона.

Решение любой задачи дистанционной индикации природных объектов связано с выбором совокупности наиболее информативных признаков и наилучшего решающего правила.

В качестве признака, по которому решалась настоящая задача, использовалась сумма координат цвета, а в качестве решающего правила - обобщенная функция "желательности" Харрингтона.

Изложенный алгоритм был предложен для решения задачи определения площадей погибших и поврежденных посевов озимых культур после их перезимовки.

В таблице 2 приведен пример построения обучающей выборки, представляющий собой сумму координат цвета и процент здоровых растений. Из этой таблицы видно, что с уменьшением суммы координат цвета состояние попя ухудшается (уменьшается процент здоровых растений). Для нашего случая У, при котором 6=1/е. как видно из таблицы 2, равно 47.9.

После того, как был получен большой экспериментальный материал лабораторных и наземных измерений спектральных отражательных свойств погибших и здоровых растений и разработан алгоритм оценки состояния озимых культур в весенний период, были выполнены самолетные измерения СКЯ посевов озимых культур.

Самолетные измерения производились весной 1985 г. В Херсонской области в Великолепетихенском районе. Измерения выполнялись на отдельных полях по заранее намеченному маршруту. Причем маршруты были расположены так, чтобы обследовать практически все поля, засеянные озимыми.

Таблица 2

Сумм» координат цвета (№) и процент здоровых растений (обучающая выборка)

УУ 69.7 65,9 62,1 58,3 54,5 50,7 47,9 46,9 43,1 39,3 35,5

Здоровые растения, % 100 89 78 67 56 45 37 34 23 12 0

Конечной целью исследований было построение карты оценки состояния озимых культур на примере Херсонской области. Эта карта имела целью, во-первых, показать возможность использования координат цвета для количественной оценки

площадей погибших и поврежденных посевов и, во-вторых оценить достоверность изложенного алгоритма. Всего по Херсонской области было обследовано около 200 полей. По полученным на этих полях СКЯ были рассчитаны координаты цвета, по которым производилась оценка состояния каждого поля. Была оценена достоверность полученной карты. Для этой цели были выполнены синхронные измерения спектральных отражательных свойств части полей Херсонской области и наземные измерения на этих же полях. Наземные измерения выполнялись сотрудниками МГУ им. М.В. Ломоносова по следующей методике. На каждом заранее подобранном поле по диагонали через равные расстояния накладывалась рамка размером 1 х 1 м. На этих делянках определялись следующие параметры: проективное покрытие, биомасса растений и густота. Всего синхронно было измерено 30 полей. В табл. 3 представлены результаты наземных и самолетных измерений на контрольных полях и оценка их состояния, рассчитанная по приведенному алгоритму. Анализ этой таблицы показывает, что по данным самолетных измерений достаточно точно можно оценить состояние сельскохозяйственных культур.

В четвертой главе изложены результаты исследований по спектральной отражательной способности почв.

В начале главы приведены результаты исследований по изучению факторов, влияющих на спектральные отражательные свойства почв. Исследовались такие факторы как: влажность, степень обработки почв и высота Солнца. Показано, что степень влияния влажности и высоты Солнца на изменения СКЯ почв в несколько раз выше, чемстепень обработки почв.

Большое внимание в этой главе уделено оценке динамики гумуса а почвах с применением функции " желательности " Харринсгона. В качестве исходного

Таблица 3

Некоторые параметры озимых культур и оценки их состояния по данным наземных (Н) и самолетных измерений (С)

№ Проективное покрытие, */• Высота, см Густота, см"1 Биомасса, ц/га Оценка состояния

сырая сухая Н С

1 10,10 8,13 470,8 74.25 16,15 Уд. УД.

2 11.21 10,26 643,1 139,50 33,84 Уд. Хор.

3 12,00 10,40 486,0 113,45 25,33 Уд. Отл.

4 14,50 11,01 848,0 175,80 35,09 Уд. Уд.

5 20,14 16,38 767,0 188,88 42,79 Хор. Хор.

6 20,71 9,90 762,8 154,50 33,55 Хор. Хор. .

7 24,50 12,77 1071,0 303,90 62,77 Хор. Отл.

8 21,66 15,74 563,0 244,90 46,11 Хор. Хор.

9 25,46 12,67 912,6 230,20 49,72 Хор. Отл.

10 25,83 14,50 1062,0 332,60 67,08 Отл. Отл.

11 28,85 16,28 1761,0 315,40 64,24 Отл. Отл..

12 31,73 12,42 1120,2 301,53 61,18 Отл. Отп.

13 34,58 16,38 972,0 394,30 78,30 Отл. Отл.

14 39,71 15,49 1212,3 503,70 104,80 Отл. Отл.

IS 17.20 12,30 - - 39,32 Хор. Хор.

1в 12,30 10,90 - - 26,58 Уд. УД.

Таблица 3 (продолжение)

1 II III 1У У У1 УН УШ

17 24,80 18,20 - - 59,08 Отл. Отл.

18 16,70 18,20 - - 38,02 Хор. Хор.

19 18,90 17,70 - - 43,74 Хор. Хор.

20 4,20 10,68 - - - Оч. пл. Оч. пл.

21 3,17 8,71 - - - Пл. Пл.

22 3,50 9,40 - - - Оч. пл. Оч. пл.

23 4,20 6,00 - - - Оч. пл. Оч. пл.

24 6,40 8,20 - - 11,24 Оч. пл. Оч. пл.

25 3,77 9.79 - - - Оч. пл. Оч. пл.

26 10,30 12,50 - - 21,38 Уд. Уд.

27 12,90 15,40 - - 28,14 Уд. Уд.

28 16,20 10,20 - - 36,72 Хор. Хор.

29 31,60 20,90 - • - 76,77 Отл. Отл.

30 33,80 18,80 - - - Хор. Хор.

материала для решения поставленной задачи использовался экспериментальный материал, полученный во ВНИИСХМ по спектральной отражательной способности почв Украины, полученные в 1973 и 1991 г.г. т.е. с разрывом во времени - 18 лет.

С помощью построения функции Харринггона, описанной в Гл. II, были построены кривые распределения гумуса по территории Киевской и Днепропетровской областей за 1973 и 1991 гг., при этом за нормальное содержание гумуса в

почвах было принято 3,68 %. Для дальнейшего исследования динамики гумуса рассчитывалась площадь под полученными кривыми, соответственно, для каждой из областей отдельно. Такой метод позволяет однозначно связать общее содержание гумуса а исследуемых точках с некоторой относительной величиной, которая прямо пропорционально связана с натурными значениями. Полученные результаты представленны в табл. 4.

Как видно из представленных данных можно сделать вывод, что, как и следовало ожидать, количество гумуса на территории Киевской и Днепропетровской (а, следовательно, и на всей Украине) областей уменьшилось. Причины такого уменьшения хорошо известны: эрозия, недостаточное внесение удобрений и т.д.

Таблица 4

Площади под кривыми распределения гумуса для Киевской и

Днепропетровской областей (в усл. ед.)

Киевская область Днепропетровская облает

Время измерений 1973 г. 1991 г. 1973 г. 1991 г.

Площадь под кривыми 37,01 36,06 85,08 76,78

Основные результаты работы,

1. Впервые разработана модель, позволяющая в реальном масштабе времени оценивать состояние сельскохозяйственных культур и почв по их спектрам отражения с применением функции" желательности" Харрингтона.

2. По данным лабораторных и натурных исследований выбран наиболее информативный признак и наилучшее решающее правило, с помощью которых давалась оценка состояния озимых культур после их перезимовки. В качестве признака, по

которому решалась настоящая задача, использовалась сумма координат цвета, а э качестве решающего правила - обобщенная функция " желательности " Хар-рингтона.

3. Впервые, на основании большого экспериментального материала и разработанной автором модели оценена изменчивость содержания гумуса в почвах за восемнадцатилетний период с применением функции "желательности" Харринггона. Эта информация необходима для принятия мер для принятия мер по сохранению гумуса в почвах

4. Впервые автором предложен новый подход и даны конкретные рекомендации по учету факторов, влияющих на спектральные отражательные характеристики поча на основании предложенной автором модели.

Численные расчеты были выполнены с помощь разработанного комплекса программ, позволяющего получать значения функции "желательности" Харрингтона, Апробация модели на большом экспериментальном материале позволила не только оценить состояние озимых культур после их перезимовки, но и выработать конкретные рекомендации по подсеву и пересеву посевов.

Список опубликованных работ

1.Туев В.В., Каплан М.А.,КругловаЗ.Г. Применение функции желательности Харрингтона для определения стадии заболевания и оценки эффективности лечения. Сб.: Применение математических и физико-технических методов в рентгенорадиологи-ческих исследованиях., г Обнинск: НИИМР АМН СССР, 1985

2.Кондратьев К.Я., Сомова С.М., Туев В.В., Федченко П.П. К методике дистанционного изучения состояния озимых культур после их перезимовки.//Исследование Земли из KOCMOca.-1987.-Nal.-С. 72-76.

3.Туев В.8., Федченко П.П. Применение функции "желательности" Харрингтона для оценки динамики гумуса лочв.//Исследование Земли из космоса.-1997.-№1.-С. 98104.

4.Туев В.В., Федченко П.П. Применение функции "желательности" Харрингтона для оценки влияния природных факторов на спектральные отражательные свойства почв. Сб.: Вопросы агрометеорологии и агроклиматологии. Труды ВНИИСХМ, 1997,-Вып. 32,- В печ..

5. Туев В.В., Федченко П.П. Применение функции "желательности" Харрингтона для оценки динамики гумуса почв. Сб.: Вопросы агрометеорологии и агроклиматологии. Труды ВНИИСХМ, 1997.- Вып. 32.- В печ.

Зак./Ц?. Жир. ¡¿О. -Роп-9?.