pobierz

M. Kistowski (red.), Studia ekologiczno-krajobrazowe
w programowaniu rozwoju zrównoważonego.
Przegląd polskich doświadczeń u progu integracji
z Unią Europejską, 2004, Gdańsk, s. 215–220.
Jan Piekarczyk
Zmienność charakterystyk spektralnych zbóż
ozimych i nieużytków porolnych w sezonie
wegetacyjnym
Wstęp
W związku ze zmianami strukturalnymi, jakim w ostatnich latach podlega 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 porolnych będzie się
prawdopodobnie nasilać i istotnego znaczenia nabiera jego śledzenie oraz prognozowanie. Poprawna prognoza pozwoli właściwie zarządzać obszarami wiejskimi i podejmować odpowiednie decyzje o kierunku ich rozwoju w nowych warunkach ekonomicznych. Porzucenie terenów rolniczych bez właściwego zagospodarowania często może
wiązać się z utratą walorów przyrodniczych siedliska (Van Dijk, 1996a). Obserwację
zmian zachodzących w ekosystemach rolniczych, związanych z wyłączaniem z produkcji
części pól uprawnych, może znacznie ułatwić zastosowanie metody teledetekcyjnej, w
której wykorzystuje się obrazy satelitarne i lotnicze. Właściwa interpretacja danych teledetekcyjnych wymaga wcześniejszego poznania charakterystyki spektralnej badanego
obiektu, którym może być roślinność porastająca odłogi oraz pola uprawne. Charakterystyki spektralne sporządza się na podstawie danych zebranych w trakcie polowych pomiarów odbicia promieniowania fal elektromagnetycznych z różnych zakresów widma
za pomocą luminancjometru. W badaniach teledetekcyjnych roślinności powszechnie
stosuje się tak zwane wskaźniki wegetacyjne, obliczane na podstawie pomiarów odbicia
fal elektromagnetycznych o różnych długościach od tego samego obiektu w tym samym
czasie.
Celem pracy było prześledzenie zmienności charakterystyk spektralnych nieużytków
porolnych i trzech ozimych upraw zbożowych w sezonie wegetacyjnym, wskazanie terminów, w których zróżnicowanie między nimi jest największe, oraz wskaźników wegetacyjnych, które w największym stopniu ułatwiają odróżnienie odłogów od pól uprawnych.
Metoda
Odbicie spektralne od trzech pól uprawnych i dwóch odłogów należących do wsi
Wysogotowo (N 52° 24’, E 16° 47’) mierzono w 9 terminach w ciągu sezonu wegetacyj-
215
216
Jan Piekarczyk
nego w roku 2002. Daty wykonania pomiarów spektralnych, fazy rozwojowe, w jakich
znajdowały się wówczas rośliny, oraz stopień, w jakim pokrywały glebę, przedstawia tabela 1. We wszystkich dziewięciu terminach na każdym polu i odłogu wykonywano trzy
pomiary odbicia spektralnego w pięciu losowo wybranych punktach. 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 313–21, o polu widzenia wynoszącym 10°, rejestrującego luminancję w
pięciu następujących kanałach: 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 trzech gatunków zbóż ozimych (Fr) i stopień pokrycia gleby przez rośliny (Pg) w dniach, gdy wykonywano pomiary spektralne w sezonie wegetacyjnym 2002 roku
Table 1. Growing stages of winter grain crops (Gs) and ground cover (Gc) on dates of spectral measurements
Gatunki zbóż
18.03.
29.03.
23.04.
02.05.
10.05.
22.05.
04.06.
18.06.
19.08.
Fr
Fr
Fr
Fr
Fr
Fr
Fr
Fr
Fr
Pg
Pg
Pg
Pg
Pg
Pg
Pg
Pg
Pg
Gs Gc Gs Gc Gs Gc Gs Gc Gs Gc Gs Gc Gs Gc Gs Gc Gs Gc
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
Pszenica ozima
Winter wheat
2
44
2
49
2
97
3
100
3
100
5
100
6
99
7
95
–
–
Jęczmień ozimy
Winter barley
2
98
2
99
3
100
3
100
5
100
6
100
8
100
8
98
–
–
Żyto ozime
Winter rye
2
54
2
90
3
96
3
100
5
100
6
100
6
99
8
96
–
–
Odłogi
Fallow
2
97
2
100
2
100
3
100
5
100
6
100
6
100
7
100
8
100
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 dwóch odłogach, na których wykonywano pomiary spektralne
Table 2. Plant species on two fallow fields on which spectral measurements were taken
Odłóg 1
kostrzewa czerwona (Festuca rubra L. s. s.)
Odłóg 2
mietlica pospolita (Agrostis capiliaris L.)
miotła zbożowa (Aspera spica-venti (L.) P. Beauv.)
perz właściwy (Agropyron repens L.)
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.)
przymiotno kanadyjskie (Erigeron canadensis L.)
szczaw polny (Rumex acetosella L.)
216
Zmienność charakterystyk spektralnych zbóż ozimych i nieużytków porolnych...
217
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 1680. Zdjęcia te przetwarzano następnie za pomocą oprogramowania TNTMips w celu obliczenia stopnia pokrycia gleby
przez rośliny.
Wyniki
Wyniki pomiarów spektralnych odłogów i trzech upraw zbożowych przedstawiono w
postaci spektralnych współczynników odbicia trzech fal elektromagnetycznych o długościach 650 nm (SWO650), 850 nm (SWO850) i 1650 nm (SWO1650) oraz obliczonego na ich
podstawie wskaźnika wegetacyjnego:
STVI = (SWO 1650* SWO 650)/ SWO 850, (Gardner, 1983).
Zmienność trzech spektralnych współczynników odbicia oraz wskaźnika wegetacyjnego STVI dla trzech upraw zbożowych i średnich wartości dla dwóch odłogów w sezonie wegetacyjnym 2002 przedstawia rycina 1.
O wielkości odbicia spektralnego od nieużytków porolnych w ciągu całego sezonu
wegetacyjnego decydowało występowanie w polu widzenia luminancjometru suchej,
obumarłej masy roślinnej, która w mniejszym stopniu niż zielona roślinność upraw rolniczych odbijała 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 nich było w stosunku do roślin uprawnych wysokie i wynosiło odpowiednio około 9 i 37%, natomiast odbicie fal z zakresu bliskiej podczerwieni
przekraczało nieznacznie 20%. W tym czasie odbicie fal czerwonych i z zakresu środkowej podczerwieni od trzech ozimych upraw zbożowych średnio wynosiło odpowiednio
6,6% i 23,9%, a fal z zakresu bliskiej podczerwieni 36,1%. Wielkość odbicia każdej z
trzech analizowanych fal była zróżnicowana w zależności od gatunku zboża. Rośliny
jęczmienia ozimego, krzewiąc się przed zimą intensywniej, na wiosnę są bardziej rozwinięte, a ich liście 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 wszystkich trzech zbóż ozimych. Uprawa jęczmienia ozimego, w której rośliny w największym stopniu pokrywały glebę na początku
sezonu wegetacyjnego, najbardziej różniła się spektralnie od odłogów. Wartości
współczynników SWO650 i SWO1650 dla uprawy tego gatunku były ponad dwukrotnie
mniejsze, a współczynnika SWO850 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
218
Jan Piekarczyk
Ryc. 1. Zmienność trzech spektralnych współczynników odbicia (SWO650), (SWO850) i (SWO1650)
oraz wskaźnika wegetacyjnego STVI dla trzech upraw zbóż ozimych i odłogu w sezonie wegetacyjnym 2002
Fig. 1. Seasonal variation of reflectance factors (SWO650), (SWO850) i (SWO1650) and vegetation index
STVI of three winter grain crops and fallow during vegetation season 2002
Wraz ze wzrostem młodych roślin na nieużytkach i zwiększaniem udziału ich masy 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 nieużytkach znajdowała się wówczas w końcu fazy strzelania w źdźbło i ich zielona masa była
największa. Zboża rozwijały się szybciej niż trawy i wcześniej, bo w pierwszej połowie
maja, osiągnęły fazę strzelania w źdźbło, w której ich biomasa 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 SWO650
jęczmienia były wówczas około 2,5-krotnie mniejsze, a współczynnika SWO850 tej uprawy dwukrotnie większe niż wartości tych współczynników dla nieużytków. Znacznie
218
Zmienność charakterystyk spektralnych zbóż ozimych i nieużytków porolnych...
219
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 trzech analizowanych fal 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 poprzednich sezonów. 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 wszystkich trzech wspomnianych zakresów 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 ich biomasa była największa. W sezonie 2002
roku był to najdogodniejszy okres do odróżnienia upraw zbożowych od odłogów na podstawie odbicia spektralnego.
Uzyskane w trakcie pomiarów polowych charakterystyki spektralne odłogów oraz
upraw rolniczych będą stanowiły podstawę do opracowania w przyszłości właściwej procedury interpretacyjnej obrazów satelitarnych umożliwiającej identyfikację na nich pól
wyłączonych z 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 313–21. Among four spectral vegetation indices derived from
219
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 rozwojowych roślin jedno- i dwuliściennych w skali BBCH, Poznań.
Balcerkiewicz S., 1997, Wokół krajobrazu porolnego słów kilka, Przegląd Przyrodniczy 8, 1/2, s.
3–12.
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. 1915–1921.
Van Dijk G., 1996, Nature conservation and agriculture in Europe, Institut for European Environmental Policy, Fundacja na rzecz Rozwoju Polskiego Rolnictwa.
220