Zmienność charakterystyk spektralnych zbóż ozimych i nieużytków porolnych w sezonie wegetacyjnym

Transkrypt

1 Jan Piekarczyk M. Kistowski (red.), Studia ekologiczno-krajobrazowe w programowaniu rozwoju zrównoważonego. Przegląd polskichdoświadczeń u progu integracji z Unią Europejską, 2004, Gdańsk, s Zmienność charakterystyk spektralnych zbóż ozimych i nieużytków porolnych w sezonie wegetacyjnym Wstęp W związku ze zmianami strukturalnymi, jakim w ostatnichlatachpodlega polskie rolnictwo, następują istotne przekształcenia w strukturze użytkowania gruntów. Duża część ziemi uprawnej wypada z użytkowania rolniczego. Takie opuszczone, nie uprawiane przez szereg lat ziemie określane są jako odłogi lub grunty porolne (Balcerkiewicz, 1997). W bliskiej przyszłości zjawisko powiększania się areału gruntów porolnychbędzie się prawdopodobnie nasilać i istotnego znaczenia nabiera jego śledzenie oraz prognozowanie. Poprawna prognoza pozwoli właściwie zarządzać obszarami wiejskimi i podejmować odpowiednie decyzje o kierunku ichrozwoju w nowychwarunkachekonomicznych. Porzucenie terenów rolniczych bez właściwego zagospodarowania często może wiązać się z utratą walorów przyrodniczychsiedliska (Van Dijk, 1996a). Obserwację zmian zachodzącychw ekosystemachrolniczych, związanychz wyłączaniem z produkcji części pól uprawnych, może znacznie ułatwić zastosowanie metody teledetekcyjnej, w której wykorzystuje się obrazy satelitarne i lotnicze. Właściwa interpretacja danychteledetekcyjnychwymaga wcześniejszego poznania charakterystyki spektralnej badanego obiektu, którym może być roślinność porastająca odłogi oraz pola uprawne. Charakterystyki spektralne sporządza się na podstawie danychzebranychw trakcie polowychpomiarów odbicia promieniowania fal elektromagnetycznychz różnychzakresów widma za pomocą luminancjometru. W badaniachteledetekcyjnychroślinności powszechnie stosuje się tak zwane wskaźniki wegetacyjne, obliczane na podstawie pomiarów odbicia fal elektromagnetycznycho różnychdługościachod tego samego obiektu w tym samym czasie. Celem pracy było prześledzenie zmienności charakterystyk spektralnych nieużytków porolnychi trzechozimychupraw zbożowychw sezonie wegetacyjnym, wskazanie terminów, w którychzróżnicowanie między nimi jest największe, oraz wskaźników wegetacyjnych, które w największym stopniu ułatwiają odróżnienie odłogów od pól uprawnych. Metoda Odbicie spektralne od trzechpól uprawnychi dwóchodłogów należącychdo wsi Wysogotowo (N 52 24, E ) mierzono w 9 terminachw ciągu sezonu wegetacyj- 215

2 216 Jan Piekarczyk nego w roku Daty wykonania pomiarów spektralnych, fazy rozwojowe, w jakich znajdowały się wówczas rośliny, oraz stopień, w jakim pokrywały glebę, przedstawia tabela 1. We wszystkichdziewięciu terminachna każdym polu i odłogu wykonywano trzy pomiary odbicia spektralnego w pięciu losowo wybranychpunktach. Odłogi były porośnięte roślinnością o zbliżonym składzie botanicznym, w którym dominowały trawy (tab. 2). Wyniki pomiarów spektralnych uzyskane na odłogach zostały uśrednione. Odbicie promieniowania słonecznego mierzono przy użyciu luminancjometru polowego CIMEL CE , o polu widzenia wynoszącym 10, rejestrującego luminancję w pięciu następującychkanałach: 450, 550, 650, 850 i 1650 nm. Głowica luminancjometru była zamontowana na ręcznym statywie, na wysokości 250 cm. Pomiary wykonywano w dni bezchmurne, w kierunku nadirowym, przy najwyższym położeniu zenitalnym Słońca w danym dniu. Przed rozpoczęciem i po zakończeniu każdej serii pomiarowej rejestrowano wartość luminancji halonowego wzorca bieli, dzięki czemu dla każdej fali można było obliczyć spektralny współczynnik odbicia (SWO), definiowany jako stosunek Tabela 1. Fazy rozwojowe trzechgatunków zbóż ozimych() i stopień pokrycia gleby przez rośliny () w dniach, gdy wykonywano pomiary spektralne w sezonie wegetacyjnym 2002 roku Table 1. Growing stages of winter grain crops () and ground cover () on dates of spectral measurements Gatunki zbóż Pszenica ozima Winter wheat Jęczmień ozimy Winter barley Żyto ozime Winter rye Odłogi Fallow Główne fazy rozwojowe zbóż wg BBCH (2002): 2 krzewienie, 3 strzelanie w źdźbło, 5 kłoszenie, 6 kwitnienie, 7 rozwój ziarniaków, 8 dojrzewanie Main growing stages of grain crops according to BBCH (2002) Tabela 2. Gatunki roślin występujące na dwóchodłogach, na którychwykonywano pomiary spektralne Table 2. Plant species on two fallow fields on which spectral measurements were taken kostrzewa czerwona (Festuca rubra L. s. s.) Odłóg 1 Odłóg 2 miotła zbożowa (Aspera spica-venti (L.) P. Beauv.) miotła zbożowa (Aspera spica-venti (L.) P. Beauv.) samosiewy żyta (Secale cereale L.) przymiotno kanadyjskie (Erigeron canadensis L.) mietlica pospolita (Agrostis capiliaris L.) perz właściwy (Agropyron repens L.) miotła zbożowa (Aspera spica-venti (L.) P. Beauv.) przymiotno kanadyjskie (Erigeron canadensis L.) szczaw polny (Rumex acetosella L.) 216

3 Zmienność charakterystyk spektralnych zbóż ozimych i nieużytków porolnych całkowitej luminancji obiektu do całkowitej luminancji powierzchni wzorcowej dla określonej długości fali. Zdjęcia powierzchni upraw i nieużytków w punktach pomiarowych odbicia spektralnego wykonano aparatem cyfrowym AGFA ephoto Zdjęcia te przetwarzano następnie za pomocą oprogramowania TNTMips w celu obliczenia stopnia pokrycia gleby przez rośliny. Wyniki Wyniki pomiarów spektralnychodłogów i trzechupraw zbożowychprzedstawiono w postaci spektralnychwspółczynników odbicia trzechfal elektromagnetycznycho długościach650 nm (SWO 650 ), 850 nm (SWO 850 ) i 1650 nm (SWO 1650 ) oraz obliczonego na ich podstawie wskaźnika wegetacyjnego: STVI = (SWO 1650 * SWO 650 )/ SWO 850, (Gardner, 1983). Zmienność trzechspektralnychwspółczynników odbicia oraz wskaźnika wegetacyjnego STVI dla trzechupraw zbożowychi średnichwartości dla dwóchodłogów w sezonie wegetacyjnym 2002 przedstawia rycina 1. O wielkości odbicia spektralnego od nieużytków porolnychw ciągu całego sezonu wegetacyjnego decydowało występowanie w polu widzenia luminancjometru suchej, obumarłej masy roślinnej, która w mniejszym stopniu niż zielona roślinność upraw rolniczychodbijała promieniowanie z zakresu bliskiej podczerwieni, a w większym odbijała promieniowanie czerwone i z zakresu środkowej podczerwieni. Na początku sezonu wegetacyjnego, gdy w całej masie roślinnej pokrywającej nieużytki dominowały zaschnięte rośliny z poprzedniego sezonu, odbicie promieniowania czerwonego i z zakresu środkowej podczerwieni od nichbyło w stosunku do roślin uprawnychwysokie i wynosiło odpowiednio około 9 i 37%, natomiast odbicie fal z zakresu bliskiej podczerwieni przekraczało nieznacznie 20%. W tym czasie odbicie fal czerwonychi z zakresu środkowej podczerwieni od trzechozimychupraw zbożowychśrednio wynosiło odpowiednio 6,6% i 23,9%, a fal z zakresu bliskiej podczerwieni 36,1%. Wielkość odbicia każdej z trzechanalizowanychfal była zróżnicowana w zależności od gatunku zboża. Rośliny jęczmienia ozimego, krzewiąc się przed zimą intensywniej, na wiosnę są bardziej rozwinięte, a ichliście w większym stopniu pokrywają glebę niż rośliny pszenicy i żyta. Pszenica rozpoczyna krzewienie dopiero po przezimowaniu i na początku sezonu wegetacyjnego jest najsłabiej rozwinięta spośród wszystkichtrzechzbóż ozimych. Uprawa jęczmienia ozimego, w której rośliny w największym stopniu pokrywały glebę na początku sezonu wegetacyjnego, najbardziej różniła się spektralnie od odłogów. Wartości współczynników SWO 650 i SWO 1650 dla uprawy tego gatunku były ponad dwukrotnie mniejsze, a współczynnika SWO 850 ponad dwukrotnie większe niż wartości tych współczynników uzyskane dla nieużytków porolnych. Jednak największe zróżnicowanie wykazywał wskaźnik STVI, którego wartości dla jęczmienia były około 10 razy mniejsze niż dla nieużytków. 217

4 218 Jan Piekarczyk Ryc. 1. Zmienność trzechspektralnychwspółczynników odbicia (SWO 650 ), (SWO 850 ) i (SWO 1650 ) oraz wskaźnika wegetacyjnego STVI dla trzechupraw zbóż ozimychi odłogu w sezonie wegetacyjnym 2002 Fig. 1. Seasonal variation of reflectance factors (SWO 650 ), (SWO 850 ) i (SWO 1650 ) and vegetation index STVI of three winter grain crops and fallow during vegetation season 2002 Wraz ze wzrostem młodychroślin na nieużytkachi zwiększaniem udziału ichmasy w stosunku do masy suchych roślin odbicie fal czerwonych i z zakresu środkowej podczerwieni malało, osiągając najniższe wartości w drugiej połowie maja, odpowiednio 4,4 i 29,8%. W tym samym czasie odbicie fal z zakresu bliskiej podczerwieni od nieużytków było najwyższe w ciągu całego sezonu i wynosiło 28,1%. Roślinność trawiasta na nieużytkachznajdowała się wówczas w końcu fazy strzelania w źdźbło i ichzielona masa była największa. Zboża rozwijały się szybciej niż trawy i wcześniej, bo w pierwszej połowie maja, osiągnęły fazę strzelania w źdźbło, w której ichbiomasa jest największa. Dzięki tej rozbieżności w tempie rozwoju zbóż i roślinności trawiastej nieużytków, zróżnicowanie spektralne między nimi było w tym czasie bardzo duże. Wartości współczynnika SWO 650 jęczmienia były wówczas około 2,5-krotnie mniejsze, a współczynnika SWO 850 tej uprawy dwukrotnie większe niż wartości tychwspółczynników dla nieużytków. Znacznie 218

5 Zmienność charakterystyk spektralnych zbóż ozimych i nieużytków porolnych większe było zróżnicowanie wskaźnika STVI między zbożami i nieużytkami w tym czasie. Wartości tego wskaźnika dla jęczmienia ozimego były prawie 14-krotnie, a dla pszenicy i żyta ponad pięciokrotnie niższe niż dla nieużytków. Od momentu rozpoczęcia dojrzewania traw, co nastąpiło w pierwszej połowie czerwca, wzrastało odbicie fal czerwonych i z zakresu środkowej podczerwieni oraz zmniejszało się odbicie od nieużytków fal z zakresu bliskiej podczerwieni. W tym samym czasie podobne zmiany w wielkości odbicia spektralnego trzechanalizowanychfal obserwowano u upraw zbożowych. Do zbioru zbóż zróżnicowanie współczynników spektralnych, jak i wskaźników wegetacyjnych między nimi i nieużytkami było małe. Wnioski Największe zróżnicowanie między charakterystykami spektralnymi zbóż ozimych i odłogów obserwowano w pierwszej części sezonu wegetacyjnego. Zróżnicowanie to w znacznym stopniu wynikało z dużego udziału w masie roślinnej odłogów zaschniętych roślin z poprzednichsezonów. Sucha masa roślinna w mniejszym stopniu niż zielona masa pochłania fale czerwone i odbija promieniowanie z zakresu bliskiej podczerwieni. Pozbawione wody, obumarłe tkanki roślinne również w istotny sposób zwiększają odbicie fal z zakresu środkowej podczerwieni. Dzięki temu większe zróżnicowanie między odłogami i uprawami zbóż wykazywał wskaźnik STVI obliczony na podstawie odbicia fal z wszystkichtrzechwspomnianychzakresów widma. Wielkość zróżnicowania spektralnego między odłogami i ozimymi uprawami zbóż zmieniała się w ciągu sezonu wegetacyjnego wraz z rozwojem roślin. Największe zróżnicowanie spektralne między zbożami ozimymi i odłogami rejestrowano w pierwszej połowie maja, gdy rośliny uprawne znajdowały się w fazie strzelania w źdźbło i ichbiomasa była największa. W sezonie 2002 roku był to najdogodniejszy okres do odróżnienia upraw zbożowychod odłogów na podstawie odbicia spektralnego. Uzyskane w trakcie pomiarów polowychcharakterystyki spektralne odłogów oraz upraw rolniczychbędą stanowiły podstawę do opracowania w przyszłości właściwej procedury interpretacyjnej obrazów satelitarnychumożliwiającej identyfikację na nichpól wyłączonychz użytkowania rolniczego, która może znaleźć zastosowanie np. w systemie IACS, wspomagającym dopłaty dla rolników w Unii Europejskiej. Temporal variation of winter grain crops and fallows spectral characteristics Summary Land use structure in Poland has been changing very rapidly recently and these transformations needs to be put under observation. Remote sensing methods could be successfully used for monitoring of these changes. The aim of this study was to collect spectral characteristics of three winter grain crops and fallow fields and find the best time during the growing season to separate them on the basis of spectral data. During the field campaign spectral characteristics of winter wheat, barley and rye fields were collected. Ground reflectance measurements were carried out using luminancemeter CIMEL CE Among four spectral vegetation indices derived from 219

6 220 Jan Piekarczyk reflectance factors of red, near-infrared or mid-infrared wavelengths the most useful for distinguishing winter grain crop fields from fallow was STVI index. The best time for separate the three winter grain crops from fallow on the basis of spectral data was in the middle of May. Literatura Adamczewski K., Matysiak K., 2002, Klucz do określania faz rozwojowychroślin jedno- i dwuliściennych w skali BBCH, Poznań. Balcerkiewicz S., 1997, Wokół krajobrazu porolnego słów kilka, Przegląd Przyrodniczy 8, 1/2, s Gardner B.R., 1983, Techniques for remotely monitoring canopy development and estimating grain yield of moisture stressed corn. CAMAC Progress Report 83 9, Center For Agricultural Meteorology and Climatology, The Institute for Agricultural and Natural Resources, University of Nebrasca, Lincoln. Ripple W.J., 1985, Asymptotic reflectance characteristic of grass vegetation, Photogrammetric Engineering & Remote Sensing 5, s Van Dijk G., 1996, Nature conservation and agriculture in Europe, Institut for European Environmental Policy, Fundacja na rzecz Rozwoju Polskiego Rolnictwa. 220