RU2497112C1 - Method for remote determination of degradation of soil cover - Google Patents

Method for remote determination of degradation of soil cover Download PDF

Info

Publication number
RU2497112C1
RU2497112C1 RU2012123643/28A RU2012123643A RU2497112C1 RU 2497112 C1 RU2497112 C1 RU 2497112C1 RU 2012123643/28 A RU2012123643/28 A RU 2012123643/28A RU 2012123643 A RU2012123643 A RU 2012123643A RU 2497112 C1 RU2497112 C1 RU 2497112C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
degradation
index
soil
indices
values
Prior art date
Application number
RU2012123643/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Григорьевич Бондур
Александр Борисович Мурынин
Вячеслав Федорович Давыдов
Константин Юрьевич Гороховский
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС"
Priority to RU2012123643/28A priority Critical patent/RU2497112C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2497112C1 publication Critical patent/RU2497112C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method involves probing an underlying surface having test areas with a multichannel spectrometer mounted on a space vehicle to obtain images on each channel; calculating, through zonal ratios of signal amplitude values in channels, partial degradation indices, specifically percentage content of humus (H), salinity index (NSI) and moisture loss index (W); determining the integral degradation index D based on a multi-parameter regressive relationship of the type: D = ( H 0 H ) 1,9 ( N S I N S I 0 ) 0,5 ( W 0 W ) 0,3 ;
Figure 00000021
recalculating image brightness pixel values in the scale of the calculated degradation index for each pixel; selecting outlines of resultant images thereof with the established gradations of the degree of degradation. (H0, NSI0, W0) are values of partial degradation indices for reference areas.
EFFECT: faster and more reliable determination of degree of degradation of soil cover.
5 dwg, 3 tbl

Description

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может найти применение при составлении государственного кадастра пахотных земель.The invention relates to agriculture and may find application in the compilation of the state inventory of arable land.

Почва - многокомпонентная среда. По определению основоположника почвоведения В.В. Докучаева [см, Н.Ф. Ганжара, «Почвоведение», учебник, межрегиональная ассоциация "Агрообразование", 2001 г., стр.5-9] почва - самостоятельное, естественноисторическое биокосное природное тело, представляющее собой открытую четырехфазную динамичную систему, включающую твердую фазу (полимерная органоминеральная система), жидкую фазу (вода, занимающая часть перового пространства с растворенными органическими и минеральными веществами), газовую фазу (почвенный воздух), живую фазу (почвенная биота, населяющие почву микроорганизмы).Soil is a multicomponent medium. By definition of the founder of soil science V.V. Dokuchaev [see N.F. Ganzhara, “Soil Science”, textbook, inter-regional association “Agro-education”, 2001, pp. 5-9] soil - an independent, natural-historical biocos natural body, which is an open four-phase dynamic system that includes a solid phase (polymer organic-mineral system), liquid phase (water, which occupies part of the feather space with dissolved organic and mineral substances), the gas phase (soil air), the living phase (soil biota, microorganisms inhabiting the soil).

По мере развития промышленности, прилегающие к промышленным зонам территории, подвергаются все усиливающемуся потоку техногенных выбросов и антропогенных нагрузок, приводящих к деградации почв.As the industry develops, the territories adjacent to the industrial zones are subject to an ever-increasing flow of technogenic emissions and anthropogenic pressures leading to soil degradation.

Однако, на настоящий момент нет согласованного перечня как показателей деградации почв, так и методов их определения. Не установлены так же ПДК фоновых уровней загрязнителей.However, at the moment there is no agreed list of both soil degradation indicators and methods for their determination. Maximum concentration limits for background levels of pollutants have not been established.

Известен способ оценки устойчивости почв в условных баллах (см, «Почвенно-экологический мониторинг» учебное пособие под редакцией Д.С. Орлова, из-во МГУЛ, 1994, стр.77-76, таблица 18, «Экспертная оценка почвенного покрова по показателям, определяющим его интегральную устойчивость (баллы)» - аналог).There is a method of assessing soil sustainability in arbitrary points (see, "Soil-ecological monitoring" textbook edited by DS Orlov, from Moscow State University, 1994, pp. 77-76, table 18, "Expert assessment of soil cover by indicators determining its integral stability (points) ”- analogue).

В способе-аналоге для оценки интегральной устойчивости определенной группы почв использованы 10 показателей: кислотность, увлажненность, интенсивность разложения растительных остатков, запас гумуса, рельеф, сельскохозяйственная освоенность, годичный прирост, насыщенность основания, почвообразующие породы, теплообеспеченность.In the analogue method, 10 indicators were used to assess the integral stability of a certain group of soils: acidity, moisture, decomposition rate of plant residues, humus supply, relief, agricultural development, annual growth, base saturation, parent rocks, heat supply.

По сумме баллов выделены зоны: до 14 баллов - неустойчивая, от 18 до 20 - малоустойчивая, от 23 до 26 относительно устойчивая и устойчивая от 26 до 30 баллов.By the sum of the points, zones are identified: up to 14 points - unstable, from 18 to 20 - unstable, from 23 to 26 relatively stable and stable from 26 to 30 points.

Недостатками аналога следует считать:The disadvantages of the analogue should be considered:

- субъективность балльной экспертной оценки каждого из 10 показателей;- subjectivity of a point expert assessment of each of 10 indicators;

- неоперативность и трудоемкость наземного обследования больших площадей;- the inoperability and the complexity of the ground survey of large areas;

- недопустимо большое количество частных показателей, затрудняющих практическую применимость;- unacceptably large number of private indicators that impede practical applicability;

- отсутствие документально установленных границ зон.- lack of documented boundaries of zones.

Известна шкала ступеней (от 0 до 6) деградации почвы: [см, журнал, «Географический вестник», №2(17), 2011 г, статья «Экология и природопользование», стр.49-50] - аналог.The scale of steps (from 0 to 6) of soil degradation is known: [see, magazine, “Geographical Bulletin”, No. 2 (17), 2011, article “Ecology and Nature Management”, pp. 49-50] - analogue.

Таблица 1Table 1 Критерии для определения степени деградации почвыCriteria for determining the degree of soil degradation КритерииCriteria Степень деградацииDegree of degradation 00 1one 22 33 4four 55 Площадь обнаженного гумусового горизонта (А), %The area of the exposed humus horizon (A),% 00 <10<10 10-2010-20 21-5021-50 51-9051-90 >90> 90 Мощность абиотического наноса, смPower of abiotic sediment, cm 00 <2<2 2-102-10 11-2011-20 21-4021-40 >40> 40 Площадь обнаженной почвообразующей породы (С) или подстилающей породы (D), % от общей площадиArea of exposed parent rock (C) or underlying rock (D),% of total area 0-20-2 3-53-5 6-106-10 11-1511-15 16-2516-25 >25> 25 Уменьшение мощности почвенного профиля (А+В), % от исходногоThe decrease in the thickness of the soil profile (A + B),% of the original 0-10-1 1-31-3 3-253-25 26-5026-50 51-7551-75 >75> 75 Уменьшение запасов гумуса в профиле почвы (А+В), % от исходногоThe decrease in humus reserves in the soil profile (A + B),% of the original <5<5 5-105-10 11-2011-20 21-4021-40 41-8041-80 >80> 80

Таблица 2table 2 Дополнительные критерии определения степени деградации почвAdditional criteria for determining the degree of soil degradation КритерииCriteria Степень деградацииDegree of degradation 00 1one 22 33 4four 55 Уменьшение содержания микроэлементов (Mn, Co, Mo, В, Cu, Fe) в % от средней степени обеспеченностиThe decrease in the content of trace elements (Mn, Co, Mo, B, Cu, Fe) in% of the average degree of security <5<5 5-105-10 11-2011-20 21-4021-40 41-8041-80 >80> 80 Уменьшение содержания подвижного фосфора, в % от средней степени обеспеченностиThe decrease in the content of mobile phosphorus, in% of the average degree of security <5<5 5-105-10 11-2011-20 21-4021-40 41-8041-80 >80> 80 Уменьшение степени кислотности (pH сол.), в % от средней степени кислотностиDecrease in degree of acidity (pH salt), in% of the average degree of acidity <5<5 5-105-10 11-1511-15 16-2016-20 21-2521-25 >25> 25 Потери почвенной массы т/га/годLoss of soil mass t / ha / year <2<2 2-52-5 6-256-25 26-10026-100 100-200100-200 >200> 200

К недостаткам способа-аналога следует отнести:The disadvantages of the analogue method include:

- неопределенность расчета интегрального показателя при разных значениях частных составляющих;- the uncertainty of the calculation of the integral indicator for different values of the private components;

- субъективность определения значений частных составляющих, неоперативность и большая трудоемкость их количественного расчета;- the subjectivity of determining the values of the private components, the inoperability and the great complexity of their quantitative calculation;

- отсутствие документальных измерений границ выделенных зон.- lack of documentary measurements of the boundaries of the selected zones.

Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является способ дистанционных измерений коэффициента спектральной яркости почв и обнажений посредством спектрометров (типа СПИ-2, СПИ-74), установленных на самолетном носителе [см Л.И. Чапурский «Отражательные свойства природных объектов в диапазоне 400-2500 нм», часть 1, Министерство Обороны СССР, 1986 г, §5. Коэффициенты спектральной яркости (КСЯ) почв и обнажений, стр.20-39]. В способе ближайшего аналога измеряют КСЯ различных типов почв, вдоль трассы полета носителя, представляющих собой семейство практически не пересекающихся функций ρ(λ), ординаты которых увеличиваются с ростом длины волны (λ).The closest analogue to the claimed technical solution is a method for remote measurements of the spectral brightness coefficient of soils and exposures using spectrometers (type SPI-2, SPI-74) mounted on an aircraft carrier [see L.I. Chapursky "Reflective properties of natural objects in the range 400-2500 nm", part 1, Ministry of Defense of the USSR, 1986, §5. Coefficients of Spectral Brightness (CSW) of Soils and Exposures, pp. 20-39]. In the closest analogue method, the QWs of various soil types are measured along the carrier flight path, which are a family of practically disjoint functions ρ (λ) whose ordinates increase with increasing wavelength (λ).

Вариации КСЯ как по амплитуде, так и по спектру зависят от концентрации гумуса, минерализации почв и влажности почвенных покровов. В частности, получены эмпирические зависимости КСЯ (ρλ=750) на длине волны λ=750 нм от концентрации гумуса в почве Нгум(%) вида ρ 750 = A × B × ( 1 + 1 K × H г у м )

Figure 00000001
, (А=50; K=0,026; В=8,4) при коэффициенте корреляции между ρ750 и Нгум (%) порядка 0,9.Variations in the QWS, both in amplitude and in spectrum, depend on the concentration of humus, soil mineralization, and soil moisture. In particular, the empirical dependences of the QWN (ρ λ = 750) at a wavelength of λ = 750 nm on the concentration of humus in the soil N hum (%) of the form ρ 750 = A × B × ( one + one K × H g at m )
Figure 00000001
, (A = 50; K = 0.026; B = 8.4) with a correlation coefficient between ρ 750 and H gum (%) of the order of 0.9.

Недостатками способа ближайшего аналога являются:The disadvantages of the method of the closest analogue are:

- отсутствие установленной интегральной зависимости между деградацией почвенного покрова и измеренными значениями КСЯ;- the lack of an established integral relationship between soil degradation and measured values of the QWS;

- невысокое пространственное разрешение спектрометров типа СПИ, не позволяющее выделить на изображениях участки деградации почвенных покровов площадью менее ~2 км2.- low spatial resolution of spectrometer type SPI, which does not allow us to highlight in the images the areas of degradation of soil cover with an area of less than ~ 2 km 2 .

Задача, решаемая изобретением состоит в оперативном, количественном измерении степени деградации почвенных покровов, по дистанционным мультиспектральным изображениям, с выделением и оконтуриванием участков деградации, размерами 0,1 га, пригодных для составления кадастра пахотных земель.The problem solved by the invention consists in the operational, quantitative measurement of the degree of degradation of soil cover, by remote multispectral images, with the allocation and contouring of degradation sites, 0.1 hectares in size, suitable for compiling an inventory of arable land.

Технический результат достигается тем, что способ дистанционного определения деградации почвенного покрова включает регистрацию полей яркости I(x,y) пахотных земель, содержащих тестовые эталонные участки многоканальным спектрометром, установленным на аэрокосмическом носителе в зональных диапазонах 450-515, 525-605, 630-690, 750-900 и 15 50-17 50 нм с одновременным получением цифровых изображений в каждом канале, расчет частных индексов состояния по комбинации зональных отношений сигналов I(x,y) в каналах для каждого пикселя изображения; индекса содержания гумуса [H, %], индекса засоленности NSI и влажностного индекса NDWI, выбор в качестве интегрального критерия деградации почв многопараметрической функции регрессии произведения перечисленных индексов, пронормированных относительно их значений для эталонных тестовых участков в виде степенных зависимостей:The technical result is achieved by the fact that the method for remote determination of soil degradation involves recording the brightness fields I (x, y) of arable land containing test reference plots with a multi-channel spectrometer mounted on an aerospace carrier in the zonal ranges 450-515, 525-605, 630-690 , 750-900 and 15 50-17 50 nm with the simultaneous receipt of digital images in each channel, the calculation of the partial state indices by a combination of the zonal relations of the signals I (x, y) in the channels for each pixel of the image; the index of humus content [H,%], the salinity index NSI and the moisture index NDWI, the choice as an integral criterion for soil degradation of the multi-parameter regression function of the product of the listed indices normalized relative to their values for the reference test plots in the form of power-law dependencies:

D = ( H 0 H ) 1,9 ( N S I N S I 0 ) 0,5 ( N D W I 0 N D W I ) 0,3

Figure 00000002
D = ( H 0 H ) 1.9 ( N S I N S I 0 ) 0.5 ( N D W I 0 N D W I ) 0.3
Figure 00000002

пересчет математическими процедурами значений каждого пикселя изображения в масштаб интегрального показателя D, выделение контуров деградации на результирующей матрице и их визуализацию в виде обработанных снимков, где:recalculation by mathematical procedures of the values of each pixel of the image to the scale of the integral indicator D, the selection of the contours of degradation on the resulting matrix and their visualization in the form of processed images, where:

D - степень (категория) деградации 1, 2, 3, 4;D - degree (category) of degradation 1, 2, 3, 4;

1,9; 0,5; 0,3 - показатели чувствительности D к частным индексам.1.9; 0.5; 0,3 - indicators of sensitivity D to private indices.

Изобретение поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

фиг.1 - спектральные кривые гумусовых горизонтов;figure 1 - spectral curves of humus horizons;

фиг.2 - спектральные кривые засоленных горизонтов (солончаки);figure 2 - spectral curves of saline horizons (salt marshes);

фиг.3 - спектральная характеристика почвенного покрова в полосе 750 нм от концентрации гумуса;figure 3 is a spectral characteristic of the soil cover in the band of 750 nm from the concentration of humus;

фиг.4 - вид обработанного снимка с оконтуренными участками деградации;figure 4 - view of the processed image with contoured areas of degradation;

фиг.5 - функциональная схема устройства, реализующая способ.5 is a functional diagram of a device that implements the method.

Техническая сущность изобретения состоит в следующем. Особенностью дистанционного зондирования Земли из космоса является зависимость сигнала измерений от характеристик среды (атмосферы, условий съемки: угла визирования на объект, высоты Солнца, времени суток и т.д.), что вызывает необходимость калибровки тракта измерений. Последнее в заявленном способе достигается путем одновременной съемки тестовых (эталонных) участков, по значениям сигналов от которых осуществляют в дальнейшем калибровку трактов измерений объектов подстилающей поверхности.The technical essence of the invention is as follows. A feature of remote sensing of the Earth from space is the dependence of the measurement signal on the characteristics of the environment (atmosphere, shooting conditions: angle of sight on the object, the height of the Sun, time of day, etc.), which necessitates the calibration of the measurement path. The latter in the claimed method is achieved by simultaneously shooting test (reference) sections, according to the values of the signals from which the calibration of the measurement paths of objects of the underlying surface is carried out in the future.

Из математики известно, что для однозначного решения системы уравнений, количество уравнений должно быть равным числу неизвестных.From mathematics it is known that for a unique solution of a system of equations, the number of equations must be equal to the number of unknowns.

Неизвестными в заявленном способе являются индексы - параметры: концентрация гумуса, засоленность, влагопотери. Следовательно, для однозначного их расчета необходимо иметь не менее трех независимых сигналов, что реализуется синхронными измерениями в перечисленных зонах спектрометра.Unknown in the claimed method are the indices - parameters: humus concentration, salinity, moisture loss. Therefore, for their unambiguous calculation, it is necessary to have at least three independent signals, which is realized by synchronous measurements in the indicated zones of the spectrometer.

При количественном расчете самих индексов - параметров используют различные комбинации зональных отношений [см, например, Виноградов Б.В. «Аэрокосмический мониторинг экосистем», Наука, М, 1984 г]. Основное требование к зональным отношениям - адекватность измерений физическому процессу, высокий коэффициент корреляции между сигналом и расчетным параметром, устойчивость к внешним условиям съемки.In the quantitative calculation of the indices themselves, the parameters use various combinations of zonal relations [see, for example, Vinogradov B.V. "Aerospace Monitoring of Ecosystems", Science, M, 1984]. The main requirement for zonal relationships is the adequacy of measurements to the physical process, a high correlation coefficient between the signal and the calculated parameter, and resistance to external shooting conditions.

Концентрацию гумуса в почве (H) рассчитывают из соотношения [Виноградов Б.В.]:The concentration of humus in the soil (H) is calculated from the ratio [Vinogradov B.V.]:

H [ % ] = 1 k ln ρ 0 ρ min ρ λ ρ min

Figure 00000003
, H [ % ] = one k ln ρ 0 - ρ min ρ λ - ρ min
Figure 00000003
,

где:Where:

ρλ - коэффициент спектрального отражения почвы λ=750-900 нм,ρ λ is the spectral reflection coefficient of the soil λ = 750-900 nm,

ρ0 - тоже для безгумусовой почвообразующей породы,ρ 0 - also for a humus-free parent rock,

ρmin - тоже для многогумусовой почвы,ρ min - also for multi-humus soil,

k - для почв средней полосы ~0,6.k - for soils of the middle band ~ 0.6.

Индекс засоленности N S I = S I max S I S I max S I min

Figure 00000004
, где S I = ρ 1 2 + ρ 3 2
Figure 00000005
,Salinity index N S I = S I max - S I S I max - S I min
Figure 00000004
where S I = ρ one 2 + ρ 3 2
Figure 00000005
,

ρ1, ρ3 - КСЯ пикселя в первом и третьем каналах.ρ 1 , ρ 3 - the QW of the pixel in the first and third channels.

Для определения нормализированного влажностного индекса (NDWI) используется измерения интенсивности в ближнем инфракрасном диапазоне ρNIR с характерной длинной волны λ=750-900 нм а также в коротковолновом инфракрасном диапазоне ρSWIR с длинами волн λ=1550-1750 нм. При вычислении индекса NDWI используется следующая формула:To determine the normalized humidity index (NDWI), intensity measurements in the near infrared range ρ NIR with a characteristic wavelength λ = 750-900 nm and in the short-wave infrared range ρ SWIR with wavelengths λ = 1550-1750 nm are used. When calculating the NDWI index, the following formula is used:

N D W I = ρ N I R ρ S W I R ρ N I R + ρ S W I R

Figure 00000006
N D W I = ρ N I R - ρ S W I R ρ N I R + ρ S W I R
Figure 00000006

Для выявления скрытых закономерностей между измеряемыми индексами - параметрами деградации, и их вклада в результирующий (интегральный) показатель деградации использована многопараметрическая функция регрессии.To identify hidden patterns between the measured indices - degradation parameters, and their contribution to the resulting (integral) degradation index, a multi-parameter regression function was used.

В соответствии с рекомендациями математического института им. Стеклова, в качестве монотонных(не разрывных) функций следует выбирать степенные функции вида:In accordance with the recommendations of the Mathematical Institute. Steklov, as monotone (non-discontinuous) functions, one should choose power functions of the form:

D = a x b y c z

Figure 00000007
, D = a x b y c z
Figure 00000007
,

где:Where:

D - интегральный показатель деградации;D is an integral indicator of degradation;

a, b, c - индексы-параметры, определяющие степень деградации;a, b, c - indices-parameters that determine the degree of degradation;

x, y, z - показатели степени чувствительности единичного индекса-параметра в интегральном показателе.x, y, z - indicators of the degree of sensitivity of a single index-parameter in the integral indicator.

Количественный расчет индексов-параметров и показателей степеней многопараметрической функции приведен в примере конкретной реализации.The quantitative calculation of index-parameters and exponents of the multiparameter function is given in the example of a specific implementation.

Пример реализации способаAn example implementation of the method

Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг.5. Функциональная схема устройства содержит космическую систему LandSat (1) на космических аппаратах (2) которой установлены многоканальные радиометры (3), осуществляющие регистрацию отраженного от подстилающей поверхности солнечного потока в полосе сканирования (4), шириной 185 км с пространственным разрешением на пиксель ~30 м, в четырех зональных каналах.The claimed method can be implemented according to the scheme of figure 5. Functional diagram of the device contains the LandSat space system (1) on spacecraft (2) which has multichannel radiometers (3) that record the solar flux reflected from the underlying surface in the scanning strip (4), 185 km wide with a spatial resolution of ~ 30 m per pixel , in four zonal channels.

Трассовую съемку запланированных регионов осуществляют по командам от бортового комплекса управления (5) на основе суточной программы управления полетом космического аппарата, передаваемой из центра управления системой (6), по заявкам потребителей.Route survey of planned regions is carried out according to commands from the onboard control complex (5) based on the daily program of spacecraft flight control transmitted from the system control center (6), at the request of consumers.

Результаты измерений записываются в буферное запоминающее устройство (7) и в зонах радиовидимости космического аппарата с наземных пунктов приема (8) (г.Москва, г.Красногорск, г.Новосибирск) сбрасываются по каналу передачи данных (9).The measurement results are recorded in a buffer memory (7) and in the radio visibility zones of the spacecraft from ground-based reception points (8) (Moscow, Krasnogorsk, Novosibirsk) are dumped via the data transmission channel (9).

После предварительной обработки информации по служебным признакам (номер витка, время съемки, координаты) на средствах (10) пункта приема информация попадает на сервер хранения данных (11).After preliminary processing of the information according to official features (number of revolution, time of shooting, coordinates), using the means (10) of the receiving point, the information goes to the data storage server (11).

Тематическую обработку изображений потребители осуществляют в центре обработки (12), где через устройство ввода и передачи (13) информация из сервера хранения поступает в электронно-вычислительную машину (14) со стандартным набором периферийных устройств: процессор (15), оперативное запоминающие устройство (16), накопитель на магнитных дисках (17), устройство отображения информации (18), печатающие устройство (19), клавиатура (20).Consumers perform thematic image processing at the processing center (12), where through the input and transmission device (13) information from the storage server enters an electronic computer (14) with a standard set of peripheral devices: a processor (15), random access memory (16) ), a magnetic disk drive (17), an information display device (18), a printing device (19), a keyboard (20).

Обработанные снимки участков с расчетными значениями деградации почвенного покрова для пахотных земель региона помещают на сервер хранения (21) результатов обработки.The processed images of the plots with the calculated values of soil degradation for arable land in the region are placed on the storage server (21) of the processing results.

Состояние почвенных покровов оценивалось на примере участка в Рузском районе Московской области. Обработке подверглись 46 мультиспектральных снимков LandSat 4-5 ТМ с прилегающими окрестностями за период наблюдения с 2005 по 2011 годы. Пространственное разрешение снимков ~30 м/пиксель, сторона квадрата обработанного участка составляет 3030 м.The condition of the soil cover was evaluated on the example of a site in the Ruzsky district of the Moscow region. 46 multispectral LandSat 4-5 TM images with adjacent surroundings were processed during the observation period from 2005 to 2011. The spatial resolution of the images is ~ 30 m / pixel, the square side of the treated area is 3030 m.

Состояние недеградированного пахотного слоя суглинистых почв Московской зоны оценивается следующими показателями: мощность гумусового горизонта 10-15 см, запасы гумуса порядка 50 т/га, процентное содержание гумуса Н0 (%) ~3%, индекс засоленности ~0,03, влажностный индекс ~0,24.The condition of the non-degraded arable layer of loamy soils in the Moscow zone is estimated by the following indicators: thickness of the humus horizon 10-15 cm, humus reserves of about 50 t / ha, percentage of humus H 0 (%) ~ 3%, salinity index ~ 0.03, moisture index ~ 0.24.

Усредненный данные результатов обработки сигналов на всем периоде наблюдений, представлены в таблице 3.The averaged data of the signal processing results for the entire observation period are presented in table 3.

Таблица 3Table 3 Усредненные результаты обработки по всему периоду наблюденийAveraged processing results over the entire observation period Категория состоянияStatus Category Степень деградацииDegree of degradation Потеря гумуса H 0 H

Figure 00000008
Humus loss H 0 H
Figure 00000008
Индекс соленостиSalinity index Влагопотери W 0 W
Figure 00000009
Moisture loss W 0 W
Figure 00000009
1one нормаnorm 1,01,0 1,01,0 1,01,0 22 низкаяlow 1,41.4 1,121.12 1,051.05 33 средняяaverage 1,621,62 1,31.3 1,071,07 4four высокаяhigh 1,751.75 1,61,6 1,141.14

По данным таблицы 3, для получения многопараметрической функции регрессии, записывают следующую систему уравнений:According to table 3, to obtain a multi-parameter regression function, write the following system of equations:

{ D = 2 = ( 1,4 ) x × ( 1,12 ) y × ( 1,05 ) z D = 3 = ( 1,62 ) x × ( 1,3 ) y × ( 1,07 ) z D = 4 = ( 1,75 ) x × ( 1,6 ) y × ( 1,14 ) z

Figure 00000010
{ D = 2 = ( 1.4 ) x × ( 1.12 ) y × ( 1.05 ) z D = 3 = ( 1,62 ) x × ( 1.3 ) y × ( 1,07 ) z D = four = ( 1.75 ) x × ( 1,6 ) y × ( 1.14 ) z
Figure 00000010

После логарифмирования система степенных уравнений сводиться к линейной алгебраической. Решение системы осуществляют методами Крамера и Саррюса. Определитель системы:After logarithm, the system of power equations reduces to linear algebraic. The solution of the system is carried out by the methods of Cramer and Sarrus. System identifier:

Δ = | lg 1,4 lg 1,2 lg 1,05 lg 1,62 lg 1,3 lg 1,07 lg 1,75 lg 1,6 lg 1,14 |

Figure 00000011
Δ = | lg 1.4 lg 1,2 lg 1.05 lg 1,62 lg 1.3 lg 1,07 lg 1.75 lg 1,6 lg 1.14 |
Figure 00000011

Алгебраические дополнения Δx, Δy, Δz получают путем замены коэффициентов при неизвестных свободными членами, т.е. столбцом из lg2, lg3, lg4. Получены следующие цифровые характеристики:Algebraic complements Δx, Δy, Δz are obtained by replacing the coefficients for unknowns with free terms, i.e. column from lg2, lg3, lg4. The following digital characteristics are obtained:

x = Δ x Δ = 1,9

Figure 00000012
x = Δ x Δ = 1.9
Figure 00000012

y = Δ y Δ = 0,5

Figure 00000013
y = Δ y Δ = 0.5
Figure 00000013

z = Δ z Δ = 0,3

Figure 00000014
z = Δ z Δ = 0.3
Figure 00000014

Для каждого пикселя изображения рассчитывают показатель D и формируют интегральную матрицу изображения D(x,y).For each pixel in the image, the indicator D is calculated and an integrated image matrix D (x, y) is formed.

Психологически, восприятие образа человеком-оператором происходит на уровне контурного рисунка. Контурный рисунок получают путем вычисления градиента скалярной функции D(x,y) как:Psychologically, the perception of the image by the human operator occurs at the level of the contour drawing. The outline drawing is obtained by calculating the gradient of the scalar function D (x, y) as:

g r a d D ( x , y ) = D x i + D y j

Figure 00000015
g r a d D ( x , y ) = D x i + D y j
Figure 00000015

[см. пример «Производная по направлению» в учебнике Н.С. Пискунов, «Дифференциальные и интегральные исчисления для ВТУЗов», 5-ое изд., т.1, Наука, М, 1964 г., стр.264-268][cm. example "Derivative in direction" in the textbook N.S. Piskunov, “Differential and Integral Calculus for Higher Technical Schools,” 5th ed., Vol. 1, Science, M, 1964, pp. 264-268]

Для получения контурного рисунка выбирают регулярный оператор с апертурой окна 2 на 2 элемента.To obtain a contour drawing, a regular operator with an aperture of a window of 2 by 2 elements is selected.

i, ji, j i, j+1i, j + 1 i+1, ji + 1, j i+1, j+1i + 1, j + 1

Элементы окна связанны по диагоналям (двум взаимно ортогональным направлениям) операцией вычитания. Известны поераторы Собеля, Робертса, Лапласа [см. например Дуда Р.О., Харт П.Е., «Распознавание образов и анализ сцен», перев. с англ., М, Мир, 1976 г, стр.287-288, §7.3 Пространственное дифференцирование].Window elements are connected along diagonals (two mutually orthogonal directions) by a subtraction operation. The well-known poets of Sobel, Roberts, Laplace [see for example, Duda R.O., Hart P.E., "Pattern Recognition and Scene Analysis", trans. from English., M, Mir, 1976, pp. 287-288, §7.3 Spatial differentiation].

В частности, оператор Робертса R(i,j) в каждой точке вычисляют как:In particular, the Roberts operator R (i, j) at each point is calculated as:

R ( i , j ) = | D ( i , j ) D ( i + 1, j + 1 ) | | D ( i + 1, j ) D ( i , j + 1 ) |

Figure 00000016
R ( i , j ) = | D ( i , j ) - D ( i + one, j + one ) | - | D ( i + one, j ) - D ( i , j + one ) |
Figure 00000016

Выводят на экран точки, для которых величина R(i,j) больше порогового значения, установленного оператором.The points for which the value of R (i, j) is greater than the threshold value set by the operator are displayed.

Рассмотренный алгоритм реализуют следующей программой.The considered algorithm is implemented by the following program.

Программа выделения контуров на изображенииThe program for selecting contours in the image

Figure 00000017
Figure 00000017

Результаты определения деградации почвенного покрова тестового участка в Московской области показаны в виде контуров деградации на карте схеме, иллюстрируются рисунком фиг.4. Области под номером (1) - водоемы, (2) - области с малой деградацией, (3) - области со средней деградацией, (4) - области с сильной деградацией.The results of determining the degradation of the soil cover of a test site in the Moscow region are shown in the form of degradation contours on a map diagram, illustrated by the figure in Fig. 4. Areas numbered (1) are water bodies, (2) are areas with low degradation, (3) are areas with medium degradation, (4) are areas with strong degradation.

Эффективность заявленного способа характеризуется оперативностью, достоверностью, масштабностью и документальностью получаемых результатов.The effectiveness of the claimed method is characterized by the efficiency, reliability, scale and documentation of the results.

Claims (1)

Способ дистанционного определения деградации почвенного покрова, включающий регистрацию полей яркости I(х,у) пахотных земель, содержащих тестовые эталонные участки, многоканальным спектрометром, установленным на аэрокосмическом носителе в зональных диапазонах 450-515, 525-605, 630-690, 750-900 и 1550-1750 нм, с одновременным получением цифровых изображений в каждом канале, расчет частных индексов состояния по комбинации зональных отношений сигналов I(х,у) в каналах для каждого пикселя изображения, в том числе индекса содержания гумуса [H, %], индекса засоленности NSI и влажностного индекса NDWI, выбор в качестве интегрального критерия деградации почв многопараметрической функции регрессии произведения перечисленных индексов, пронормированных относительно их значений для эталонных тестовых участков в виде степенных зависимостей:
D = ( H 0 H ) 1,9 ( N S I N S I 0 ) 0,5 ( N D W I 0 N D W I ) 0,3 ,
Figure 00000018

пересчет математическими процедурами значений каждого пикселя изображения в масштаб интегрального показателя D, выделение контуров деградации на результирующей матрице и их визуализацию в виде обработанных снимков, где
D - степень (категория) деградации 1, 2, 3, 4;
1,9; 0,5; 0,3 - показатели чувствительности D к частным индексам.
A method for remote determination of soil degradation, including the registration of brightness fields I (x, y) of arable land containing test reference sites, with a multi-channel spectrometer mounted on an aerospace carrier in the zonal ranges 450-515, 525-605, 630-690, 750-900 and 1550-1750 nm, with the simultaneous receipt of digital images in each channel, the calculation of private state indices by combining the zonal relationships of the I (x, y) signals in the channels for each pixel of the image, including the humus content index [H,%], index salting Nost NSI and humidity index NDWI, choice as integral criterion multiparameter regression function of soil degradation product of these indices, normalized with respect to their values for the reference test sites in the form of power relationships:
D = ( H 0 H ) 1.9 ( N S I N S I 0 ) 0.5 ( N D W I 0 N D W I ) 0.3 ,
Figure 00000018

recalculation by mathematical procedures of the values of each pixel in the image to the scale of the integral indicator D, the selection of the degradation contours on the resulting matrix and their visualization in the form of processed images, where
D - degree (category) of degradation 1, 2, 3, 4;
1.9; 0.5; 0,3 - indicators of sensitivity D to private indices.
RU2012123643/28A 2012-06-08 2012-06-08 Method for remote determination of degradation of soil cover RU2497112C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012123643/28A RU2497112C1 (en) 2012-06-08 2012-06-08 Method for remote determination of degradation of soil cover

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012123643/28A RU2497112C1 (en) 2012-06-08 2012-06-08 Method for remote determination of degradation of soil cover

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2497112C1 true RU2497112C1 (en) 2013-10-27

Family

ID=49446827

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012123643/28A RU2497112C1 (en) 2012-06-08 2012-06-08 Method for remote determination of degradation of soil cover

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2497112C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2635823C1 (en) * 2016-09-30 2017-11-16 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Method of monitoring above-ground cover in impact arctic regions
CN112858632A (en) * 2021-01-14 2021-05-28 中国科学院空天信息创新研究院 Grassland drought monitoring method comprehensively considering temperature and water stress

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU185142A1 (en) * Среднеазиатский научно исследовательский гидрометеорологический METHOD FOR DETERMINING A CROP, DESERT-PASTURE VEGETATION
SU1500918A1 (en) * 1987-10-14 1989-08-15 Ленинградский государственный университет Method of determining humus contents in apable soils
RU2105974C1 (en) * 1992-12-30 1998-02-27 Почвенный институт им.В.В.Докучаева Method of soil cover diagnosis by remote information data
RU2132606C1 (en) * 1998-04-30 1999-07-10 Московский государственный университет леса Method for ecological zoning of regions

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU185142A1 (en) * Среднеазиатский научно исследовательский гидрометеорологический METHOD FOR DETERMINING A CROP, DESERT-PASTURE VEGETATION
SU1500918A1 (en) * 1987-10-14 1989-08-15 Ленинградский государственный университет Method of determining humus contents in apable soils
RU2105974C1 (en) * 1992-12-30 1998-02-27 Почвенный институт им.В.В.Докучаева Method of soil cover diagnosis by remote information data
RU2132606C1 (en) * 1998-04-30 1999-07-10 Московский государственный университет леса Method for ecological zoning of regions

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2635823C1 (en) * 2016-09-30 2017-11-16 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Method of monitoring above-ground cover in impact arctic regions
CN112858632A (en) * 2021-01-14 2021-05-28 中国科学院空天信息创新研究院 Grassland drought monitoring method comprehensively considering temperature and water stress
CN112858632B (en) * 2021-01-14 2023-01-13 中国科学院空天信息创新研究院 Grassland drought monitoring method comprehensively considering temperature and water stress

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Vaudour et al. Sentinel-2 image capacities to predict common topsoil properties of temperate and Mediterranean agroecosystems
Duda et al. Soil characterization across catenas via advanced proximal sensors
Konings et al. Vegetation optical depth and scattering albedo retrieval using time series of dual-polarized L-band radiometer observations
Small High spatial resolution spectral mixture analysis of urban reflectance
Meng et al. Large area forest inventory using Landsat ETM+: A geostatistical approach
Bilgili et al. The use of hyperspectral visible and near infrared reflectance spectroscopy for the characterization of salt-affected soils in the Harran Plain, Turkey
Agapiou et al. Spectral sensitivity of ALOS, ASTER, IKONOS, LANDSAT and SPOT satellite imagery intended for the detection of archaeological crop marks
Gerighausen et al. Spatially Explicit Estimation of Clay and Organic Carbon Content in Agricultural Soils Using Multi‐Annual Imaging Spectroscopy Data
Kiani-Harchegani et al. Practicing land degradation neutrality (LDN) approach in the Shazand Watershed, Iran
Sawut et al. Estimating soil sand content using thermal infrared spectra in arid lands
Zhang et al. Synergistic use of hyperspectral imagery, Sentinel‐1 and LiDAR improves mapping of soil physical and geochemical properties at the farm‐scale
Cosh et al. Microscale structural aspects of vegetation density variability
Ojo et al. Geospatial analysis for irrigated land assessment, modeling and mapping
Pozdnyakova et al. Estimation of spatial and spectral properties of phytophthora root rot and its effects on cranberry yield
Shahrayini et al. Modeling and mapping of soil salinity and alkalinity using remote sensing data and topographic factors: a case study in Iran
RU2497112C1 (en) Method for remote determination of degradation of soil cover
Chen et al. Field scale mapping of surface soil clay concentration
Challis et al. The role of lidar intensity data in interpreting environmental and cultural archaeological landscapes
Peng et al. Modelling of the biodiversity of tropical forests in China based on unmanned aerial vehicle multispectral and light detection and ranging data
Kong et al. Near‐surface soil moisture retrieval from ASAR wide swath imagery using a principal component analysis
Al-Bakri et al. A comparison of two models to predict soil moisture from remote sensing data of RADARSAT II
Blount et al. Lidar derived salt marsh topography and biomass: Defining accuracy and spatial patterns of uncertainty
RU2531765C1 (en) Method of tracking boundary of &#34;forest-fenland&#34; zone
Sayão Land surface temperature and reflectance spectra integration obtained from Landsat on the soil attributes quantification
Abuzar et al. Measuring spatial variability of crops and soils at sub-paddock scale using remote sensing technologies