ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АНТОНЕНКО ВОЛОДИМИР СТЕПАНОВИЧ

УДК [ 551.501+551.507.362.2+63;551.5 +633] (477)

АГРОМЕТЕОРОЛОГІЧНИЙ МОНІТОРИНГ ПОСІВІВ CІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ КУЛЬТУР В УКРАЇНІ

АЕРОКОСМІЧНИМИ ЗАСОБАМИ

(ТЕОРЕТИЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ, МЕТОДИ РЕАЛІЗАЦІЇ)

11.00. 09 – метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора географічних наук

ОДЕСА -2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному екологічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

доктор географічних наук, професор Польовий Анатолій Миколайович, Одеський державний екологічний університет, завідувач кафедри агрометеорології та агрометеорологічних прогнозів

Офіційні опоненти:

-

-

-

Провідна установа:

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

кафедра метеорології та кліматології, м. Київ.

Захист відбудеться “12“ грудня 2002 р. о 10 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 при Одеському державному екологічному університеті за адресою: 65016, м. Одеса-16, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського державного екологічного університету за адресою: 65016, м. Одеса-16, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ.

Автореферат розісланий “ 11 “ листопада 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Лобода Н.С

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть теми. Підвищення ефективності сільського господарства вимагає впровадження прогресивних технологій вирощування різних культур і систем оперативного управління, особливо враховуючи істотну залежність сільськогосподарського виробництва від погодно-кліматичних умов, під впливом яких в останнє десятиріччя спостерігаються значні коливання врожайності сільськогосподарських культур в Україні. Однією з важливих складових частин системи автоматизованого управління сільськогосподарським виробництвом мають стати методи дистанційної діагностики стану посівів. Розробка таких методів ведеться в різних установах і відомствах з використанням технічних засобів різних рівнів, починаючи із спостережень з космосу і закінчуючи вимірюваннями з використанням малої авіації на низьких висотах. Значний внесок в рішення цієї проблеми внесено К.Я. Кондратьєвим, О.Д. Клещенком, В.І. Рачкуліком, М.В. Ситниковою, П.П. Федченком та ін.

Однак, незважаючи на те, що дистанційні дослідження об'єктів сільськогосподарського виробництва ведуться вже протягом багатьох років, досі практично відсутня тією чи іншою мірою ефективна методологія, яка могла б забезпечити цілеспрямоване управління технологічним процесом вирощування хоч би однієї сільськогосподарської культури. Відомі в цей час методи з різних причин є малоефективними з точки зору їх широкомасштабного впровадження. Питання виробничого використання аерокосмічної інформації найбільш вирішені О.Д. Клещенком (1986) для території Росії.

Виходячи з цього, вимагає принципової зміни стратегія дистанційних досліджень, починаючи з розробки ідеології методів вимірювання необхідних параметрів, інтерпретації цих результатів за допомогою методів оцінки агрометеорологічних умов вирощування сільськогосподарських (с.-г.) культур і прогнозування їх врожайності та закінчуючи вдосконаленням організаційних форм впровадження методів дистанційного обстеження посівів, тобто створення єдиної багатофукціональної системи агрометеорологічного моніторингу посівів с.-г. культур.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження пов’язані з виконанням науково-дослідних робіт Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту (УкрНДГМІ):–

Тема Ш.17.04 плану НДР і ДКР Держкомгідромету СРСР на 1985 р. “Розробити методику врахування та використання гідрометеорологічної інформації з метою оптимізації агротехнічних і меліоративних заходів в умовах зрошуваного землеробства України”, № державної реєстрації 01830003082.–

Тема П.12.07 р.03.01 плану НДР і ДКР Держкомгідромету СРСР на 1987 р. “Розробити методику оцінки стану посівів озимої пшениці в осінній і весняний період вегетації на території УРСР за даними аерофотометричних обстежень. Вивчити зв'язок продуктивності посіву сільськогосподарських культур із СКЕЯ і температурою посіву”, № державної реєстрації 01860048558. –

Тема Р3.2.4 плану НДР і ДКР Держкомгідромету СРСР на 1990 р. “Розробити методику оцінки стану посівів ярих і озимих зернових культур в різні періоди вегетації по областях, краях, республіках з використанням результатів інструментальних аерофотометричних обстежень. Розробити методику оцінки сільгоспкультур з використанням аерофотометричної інформації на Україні”, № державної реєстрації 01860048558. –

Тема 1.5.3 плану Держкомгідромету України на 1993 р. “Розробити методику прогнозу врожайності озимої пшениці з використанням матеріалів авіаційних спектрометричних спостережень і даних гідрометеорологічної мережі”, № державної реєстрації 01910031077. –

Тема П.2.2. плану Держкомгідромету України на 1994 р. “Розробити і випробувати із застосуванням авіації методику проведення та інтерпретації результатів аерофотометричних обстежень стану посівів цукрового буряка і соняшника в різні періоди вегетації”, № державної реєстрації 0194U034003.–

Тема УШ.9 плану НДР і ДКР Держкомгідромету України на 1997 р. “Дослідження просторово-часової мінливості спектральних характеристик антропогенних та природних об'єктів земної поверхні. Наукове обґрунтування системи аерокосмічного моніторингу посівів сільськогосподарських культур", № державної реєстрації 0196U021603.–

Тема плану НДР Держкомгідромету України на 1998–1999 рр. “Методика оцінки ступеня пожежної небезпеки та оперативна технологія виявлення районів надзвичайної пожежної небезпеки в Україні за даними супутникових спостережень”, № державної реєстрації 0198U003806.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка науково-методичних основ агрометеорологічного моніторингу посівів с.-г. культур в Україні з застосуванням аерокосмічних методів. Основні задачі наукового дослідження:–

сформулювати та обґрунтувати принципи побудови і функціонування системи агрометеорологічного моніторингу посівів основних с.-г. культур в Україні з застосуванням аерокосмічних методів;–

установити закономірності впливу параметрів рослинного покриву та оводненості рослин на формування спектральних відбивних характеристик у різних умовах агротехніки і зовнішнього середовища;–

установити закономірності просторово-часової мінливості характеристик спектральної відбивної і випромінюваної здатності посівів основних с.-г. культур в Україні;–

розробити для набору основних польових культур в Україні метод визначення параметрів рослинного покриву за їх спектральними відбивними характеристиками з урахуванням параметрів зовнішнього середовища;–

розробити комплекс методів оцінки стану посівів і прогнозування урожайності основних с.-г. культур в Україні з використанням аерокосмічної інформації.

Об’єктом дослідження є посіви основних сільськогосподарських культур в Україні.

Предметом дослідження є закономірності формування спектральних відбивних характеристик рослинного покриву як непрямих показників продуктивності та стану посівів, їх просторово-часова мінливість, моніторинг характеристик посівів аерокосмічними засобами.

Методи досліджень. Робота виконувалась на основі комплексного підходу до вирішення поставленої проблеми з використанням експериментально-польового методу досліджень просторово-часової мінливості спектральних характеристик рослинного покриву та їх зв’язку з показниками продуктивності на різному рівні просторової генералізації (окреме поле – господарство – район – область – ґрунтово-кліматична зона), біометричних методів визначення фітометричних характеристик посівів, статистичного аналізу даних спостережень, математичного моделювання продуційного процесу, методів автоматизованої обробки багатоспектральних супутникових зображень для їх тематичної інтерпретації.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що результати досліджень являють собою теоретичне узагальнення і розв'язання важливої проблеми агрометеорологічного моніторингу посівів с.-г. культур в Україні із застосуванням наземних та аерокосмічних засобів, спрямованого на поліпшення агрометеорологічного забезпечення сільського господарства України, що має важливе народногосподарське значення. Автором вперше:–

на основі теоретичного узагальнення сучасного стану проблеми і результатів власних досліджень виконано теоретичне обґрунтування вимог до принципів побудови системи агрометеорологічного моніторингу посівів с.-г. культур та її інформаційного забезпечення, засобів і методів вимірювань, функціонування стаціонарних аерокосмічних полігонів;–

встановлено закономірності просторово-часової мінливості характеристик спектральної відбивної здатності посівів основних с.-г. культур на різних рівнях просторової генералізації (окреме поле – господарство – адміністративний район – область – ґрунтово-кліматична зона), а також закономірності формування спектрального відгуку посівів з урахуванням біологічних особливостей с.-г. культур, наявності бур’янів в посівах, впливу чинників зовнішнього середовища і параметрів рослинного покриву;–

встановлено кількісні характеристики зв’язку відношень спектральних коефіцієнтів енергетичної яскравості посівів (СКЕЯ) Кпр посівів основних с.-г. культур з елементами їхньої продуктивності; отримані градуювальні характеристики спектрофотометра (ГХС) для посівів основних с.-г. культур та оцінена їх просторово-часова мінливість. На основі узагальнення даних запропоновано універсальний метод розрахунку ГХС для будь-якого моменту вегетації в основних ґрунтово-кліматичних зонах України. Визначено кількісні характеристики граничних значень надземної маси посівів та Кпр протягом вегетації, при яких використання спектрофотометричного методу задовольняє вимогам практики;–

встановлено кількісні показники зв'язку радіаційних характеристик посівів с.-г. культур в області фотосинтетично активної радіації (ФАР) із Кпр і на цій основі запропоновано напівемпіричну модель взаємозв'язку Кпр і радіаційних характеристик (функцій поглинання та пропускання ФАР) посівів озимої пшениці;–

встановлено закономірності добового і вегетаційного ходу формування поля радіаційної температури посівів зернових колосових культур залежно від параметрів рослинного покриву. Показано можливість дистанційної діагностики стану посівів за даними вимірювань їх радіаційної температури;–

на основі встановлених закономірностей впливу водного дефіциту листя с.-г. культур на СКЕЯ розроблено метод обліку впливу оводненості рослин на їх спектральну відбивну здатність;–

розроблено динамічну модель впливу агрометеорологічних умов на формування урожаю озимої пшениці, що описує весь життєвий цикл культури: проростання насіння і формування сходів, період осінньої вегетації, перезимівлі і період весняно-літньої вегетації;–

розроблені методи оцінки стану посівів основних с.-г. культур в Україні у різні періоди вегетації за даними дистанційних спектрофотометричних обстежень посівів;–

запропоновано комплекс методів прогнозування врожайності с.-г. культур в Україні, який базується на різноманітних за складністю динамічних моделях врожайності та використанні дистанційної спектрометричної і стандартної агрометеорологічної інформації.

Практичне значення одержаних результатів. Встановлені закономірності просторово-часової спектральної відбивної і випромінювальної здатності посівів с.-г. культур стали основою для створення методів оцінки стану посівів і прогнозування їх врожайності, що уже впроваджені в практику, та будуть використані в подальшому при розробці нових методів.

Теоретичне узагальнення градуювальних характеристик спектрофотометра для набору польових культур та розроблена універсальна методика побудови ГХС будуть використані в системі агрометеорологічного моніторингу посівів із застосуванням аерокосмічних методів спостережень.

Метод визначення характеристик радіаційного режиму посіву за даними вимірювань спектральних коефіцієнтів енергетичної яскравості може бути використаний при оптимізації структури посівів.

Закономірності зв'язку характеристик поля радіаційної температури системи “ґрунт – рослина” з оводненістю рослин у різні періоди і показана на цій основі принципова можливість визначення водного дефіциту рослинної тканини за характеристиками випромінювальної здатності відкривають нові можливості для дослідження вологозабезпеченості посівів.

Розроблені загальні підходи до оцінки стану посівів у різні періоди вегетації можуть бути використані при дослідженнях стану посівів широкого набору сільськогосподарських культур.

Методи тематичної обробки багатоспектральних супутникових знімків посівів можуть бути використані при вивченні різноманітних об’єктів природного середовища за даними космічної зйомки.

Викладені в дисертації результати досліджень впроваджені в практику агрометеорологічного забезпечення сільського господарства:

- “Методичні вказівки з проведення фітометричних спостережень за посівами цукрового буряка” (автори Антоненко В.С., Гаценко Р.В.). Впроваджені в УкрГМЦ, акт впровадження від 02.03.1989 р.;

- “Методичні вказівки з аерофотометричних обстежень стану посівів озимої пшениці на Україні і інтерпретація їх результатів” (автори Антоненко В.С., Гойса М.І.). Впроваджені в УкрГМЦ, акт впровадження від 17.01.1990 р.;

- “Методичні вказівки з аерофотометричних обстежень стану посівів ярого ячменю і кукурудзи на Україні і інтерпретації їх результатів” (автори Антоненко В.С., Гаценко Р.В.) рекомендовані до впровадження Технічною радою ГМЦ Держкомгідромету (рішення від 14.12.1992 р.);

- “Методичні вказівки з прогнозу врожайності зерна озимої пшениці з використанням материалів аерофотометричних обстежень посівів і даних гідрометеорологічної мережі” (автор Антоненко В.С.) рекомендовані до впровадження ЦМК Держкомгідромету ( рішення від 9.02.1996 р.);

- “Методичні вказівки з аерофотометричних обстежень посівів цукрового буряка і соняшника на Україні і інтерпретації їх результатів” (автори Антоненко В.С., Гаценко Р.В.) рекомендовані до впровадження ЦМК Держкомгідромету (рішення від 05.04.1995 р.);

- “Рекомендації по використанню супутникової інформації для створення аерокосмічної системи моніторингу посівів сільськогосподарських культур в Україні” (науковий керівник Антоненко В.С.). Впроваджені в УкрГМЦ, акт впровадження від 26.09.1998 р.

Особистий внесок здобувача. На основі теоретичного узагальнення і аналізу результатів досліджень автором розроблено обґрунтування побудови системи агрометеорологічного моніторингу посівів сільськогосподарських культур в Україні із застосуванням аерокосмічних методів спостережень.

Автором самостійно розроблені програми і методики спостережень, особисто виконаний великий обсяг польових експериментальних і льотних робіт, результати яких покладені в основу дисертації. Автор брав безпосередню участь у виконанні наукових досліджень, був науковим керівником або відповідальним виконавцем НДР, науковим керівником аерофотометричної експедиції (1986–1993 рр.) і агрометеорологічних груп польових експериментальних баз УкрНДГМІ, тематичних спостережень на гідрометеорологічній мережі.

Автором спільно з колективом виконавців розроблені та впроваджені в практику методи оцінки стану посівів в Україні у різні періоди вегетації за даними аерофотометричних обстежень і комплекс методів прогнозування врожайності с.-г. культур. В опублікованих в співавторстві наукових роботах, що входять до списку ВАК України, здобувачу як відповідальному виконавцю або науковому керівнику НДР належать розробка теоретичних засад та методології досліджень, способів адаптації аерокосмічної інформації в динамічних моделях продуктивності с.-г. культур, інтерпретація отриманих результатів досліджень

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися на Всесоюзній нараді-семінарі “Аэрокосмические методы исследования сельхозугодий” (Обнінськ, 1987 р.), Всесоюзній конференції “Применение методов дистанционной диагностики в сельском хозяйстве” (Чернігів, 1987 р.), науковому семінарі АН УРСР з проблем дистанційного зондування природного середовища (Славське, 1988 р.), Всесоюзних нарадах “Гидрометеорологическое обеспечение агропромышленного комплекса страны” (Целіноград, 1988 р.; Ташкент, 1989 р.), Республіканській науково-практичній конференції “Агрометеорологические ресурсы и продукционные процессы в растениеводстве” (Київ, 1991р.), на Міжнародному науковому семінарі з аерокосмічного моніторингу земних покривів та атмосфери (Київ, 1993 р.), на французько-українському науковому семінарі з дистанційного зондування земної поверхні (Київ,1994 р.), на другій Всеукраїнській міжнародній конференції “УкрОБРАЗ–94” (Київ,1994 р.), на VII з’їзді Українського географічного товариства (Київ, 1995 р.), на четвертому Українсько-китайсько-російському симпозіумі з космічної науки і технології (Київ, 1996 р.), Міжнародному симпозіумі наук про Землю та навколишнє середовище (IGARSS-1995), Міжнародному науково-технічному семінарі “Системы контроля окружающей среды – 2002” (Севастополь, 2002 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища – 2002” (Одеса, 2002 р.).

Попередні результати досліджень обговорювалися на наукових семінарах та засіданнях секцій Вченої ради УкрНДГМІ (1986–1999 рр.), Вченої ради Всесоюзного науково-дослідного інституту сільськогосподарської метеорології (1987 р.), а також кафедри агрометеорології та агрометеорологічних прогнозів Одеського гідрометеорологічного інституту (1996–1998, 2001–2002 рр.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 30 монографіях, статтях у наукових журналах, збірниках праць, матеріалах і тезах наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, двох частин по три розділи кожна, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертаційної роботи становить 368 сторінок, у тому числі рисунків 76, таблиць 51, додатків на 16 сторінках; список використаних джерел містить 191 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладено стан проблеми, актуальність теми, мета та задачі роботи, характеристика методів досліджень та використаних матеріалів спостережень. Сформульовані основні положення, що становлять наукову новизну та предмет захисту.

У першій частині роботи викладаються теоретичні та методичні основи агрометеорологічного моніторингу посівів с.-г. культур в Україні з використанням аерокосмічних методів.

У першому розділі роботи розглянуто теоретичні аспекти побудови і функціонування системи інформаційного забезпечення системи агрометеорологічного моніторингу посівів с.-г. культур із застосуванням аерокосмічних методів спостережень, викладено основні вимоги до структури і наповнення баз даних системи.

Система агрометеорологічного моніторингу посівів с.-г. культур аерокосмічними методами (АМСГАМ) розглядається як складова частина ГІС (геоінформаційної системи – комп’ютерної системи обробки просторово-розподіленої інформації багатоцільового призначення) загального екологічного моніторингу території України. Функціонально АМСГАМ має блокову структуру і складається з чотирьох головних підсистем: –

одержання та первинної обробки інформації (дистанційного зондування), фізичного еталонування;–

збереження матеріалів (банків даних); –

аналізу результатів і оцінок дистанційного зондування; –

одержання результатів (прогнозів, рекомендацій та ін.).

В АМСГАМ найбільш важливим є блок обробки даних дистанційного зондування, в основу якого покладено автоматизовану обробку інформації з використанням сучасних обчислювальних засобів. До блоку обробки даних зворотним зв'язком підключені блоки наземного еталонування, а також блоки банків картографічної, космічної та аерофотознімальної інформації, банк спектрів відбиття, випромінювання, флюоресценції посівів та різних об'єктів природного середовища.

Основним способом наземного еталонування є проведення синхронного аерокосмічного і наземного експерименту, що передбачає зйомку досліджуваних об'єктів з авіаційних носіїв і штучних супутників Землі (ШСЗ) однотипною апаратурою, а також наземні вимірювання кількісних характеристик об'єкта та їх спектральних властивостей. Ланкою зворотного зв'язку з блоком обробки також повинні бути об'єднані банки даних попередніх аероспектрометричних і космічних зйомок об'єктів досліджень. Це дає змогу вивчати динаміку процесів і об'єктів, оскільки найбільш коректні аерокосмічні методи засновані на порівнянні попередніх матеріалів зйомки з новими.

Важливою складовою частиною системи АМСГАМ є комп'ютерний банк топографічних карт різного масштабу для об'єктів національного, регіонального і локального моніторингу.

Банк даних дистанційних зйомок посівів містить у собі різноманітну інформацію про об'єкти спостережень:–

спектральні криві рослинних об'єктів для різних умов вирощування та технологій обробки посівів, банк спектральних даних хворих і пошкоджених посівів, інформацію про наявність і відбивну здатність рослин-індикаторів забруднення навколишнього середовища та ін.;–

контури об'єктів спостережень на цифровій топографічній основі для вирішення питань моніторингу (інвентаризації) с.-г. угідь.

Підсистема оцінки стану і прогнозу розвитку посівів с.-г. культур містить у собі банк імітаційних динамічних та динаміко-статистичних моделей розвитку агроценозів, методів прогнозу врожайності й оцінки стану посівів та ін. Головним критерієм розробки цих методів прогнозів є їх адаптованість до дистанційної інформації про стан посівів і навколишнього середовища.

За допомогою блоку експертних знань на виході автоматизованої системи моніторингу отримуються різноманітні оцінки та прогнози, рекомендації про проведення агротехнічних заходів та ін.

Структуру баз даних (БД) АМСГАМ необхідно розглядати як складову системи загального екологічного моніторингу з урахуванням структур самої системи. БД повинні бути розподілені не тільки тематично, але й функціонально відповідно до структурних підрозділів системи моніторингу. Вони повинні бути підпорядковані тим задачам і рівню узагальнення інформації, яка характеризує функції відповідного підрозділу, виконаними в єдиному підході й об'єднаними в мережні комп'ютерні структури, відкритими для обміну даними як у самій системі, так і з іншими близькими по суті системами.

При обґрунтуванні структури БД особлива увага була приділена питанням структури і складу інформації, яка надходить у систему; характеру інформації (з урахуванням джерел одержання, форм її подання, особливостей машинного відображення, накопичення, збереження і відображення); особливостям задач, що розв'язуються, і пов’язаними з цим формами запитів; особливостям організаційних структур системи моніторингу.

В роботі сформульовані вимоги до створення та функціонування системи еталонування даних дистанційного зондування, яка охоплює як дешифровочне та польове підсупутникове еталонування, вибір тестових (калібрувальних, перевірочних, екстраполяційних) ділянок, так і створення тестових полігонів для прив'язки аерокосмічної інформації. Ефективна система підсупутникового еталонування забезпечує екстраполяцію даних спостережень, що зменшує обсяг польових робіт (іноді в десятки разів), значно поліпшує процедуру отримання достовірної оперативної інформації про стан досліджуваних систем.

На основі власного досвіду виконання експериментальних досліджень та літературних даних розроблено блок–схему організації та функціонування тестового аерокосмічного полігону в системі АМСГАМ. Необхідною умовою функціонування тестового аерокосмічного полігона є наявність паспорта полігона – документально зафіксованих особливостей полігона, об'єктів і складу спостережень та ін., структура якого розроблена та наведена в роботі.

Наводиться короткий огляд основних засобів і методів аерокосмічного моніторингу рослинних екосистем, виконана порівняльна характеристика основних методів дистанційного зондування рослинних екосистем, визначені їх недоліки, переваги та можливості використання в системі АМСГАМ.

Аналіз методів і способів аерокосмічних досліджень посівів с.-г. культур приводить до висновку, що тільки поєднання різноманітних методів і приладів у різних спектральних діапазонах з різною роздільною здатністю, оглядовістю та частотою зйомки може дати повноцінну інформацію про природу об'єкта, яка задовольняє комплексністю, детальністю, точністю і вірогідністю.

У другому розділі розглядаються закономірності просторово-часової мінливості характеристик спектральної відбивної здатності посівів основних с.-г. культур в Україні.

Як показники спектральної відбивної здатності посівів використовувалися нормовані на відношення СКЕЯ еталона значення відношення СКЕЯ системи “ґрунт–рослина” Кпр і ґрунту Кп:

Кпр = (іч /ч )іч · (іч /ч)ет-1 ; (1)

Кп = (іч /ч)ч ·( іч /ч)ет-1 ,

де (іч /ч)іч , (іч /ч)ч , (іч /ч)ет – відповідно відношення СКЕЯ системи “ґрунт–рослина” пр, ґрунту п і еталона ет у ближній інфрачервоній іч та червоній ч областях спектра.

Для дослідження просторово-часової мінливості спектральних відбивних характеристик були використані дані створеного нами унікального банку наземних та літакових вимірювань СКЕЯ посівів с.-г. культур та угідь, природних та антропогенних об’єктів. Дослідження велись протягом 1986–1992 рр. у 19 областях України та на експериментальних полігонах УкрНДГМІ у Дніпропетровській та Київській областях. Вимірювання СКЕЯ проводилося двоканальним спектрофотометром ДПФ конструкції Бондаря та восьмиканальним літаковим комплексом фотометричної апаратури ЛКФА-2, що були установлені на базі літаків Іл-14, АН-2, Л-410. Літакові вимірювання СКЕЯ з висоти 100 м супроводжувалися комплексом аеровізуальних спостережень за станом посівів. Усього у банку даних понад 10 тисяч вимірювань відношень СКЕЯ у інфрачервоному (l=0,87 мкм) та червоному (l=0,67 мкм) спектрах і понад 2 тисячі значень СКЕЯ у восьми спектральних каналах.

Встановлені закономірності та отримані кількісні характеристики просторової мінливості СКЕЯ різних за біологічними особливостями с.-г. культур на площах різного рівня генералізації. Варіаційні криві відношення СКЕЯ по території окремого поля, господарства та адміністративної області характеризуються тим, що в більшості випадків розподіл Кпр полів близький до нормального. Виняток становлять варіаційні криві Кпр різних с.-г. культур по території окремої області. Однією з основних причин відхилення розподілу від нормального є порушення однорідності експериментальних даних за рахунок того, що літакове обстеження статистично обґрунтованої для території області кількості полів (80–120) виконується за 2–3 год., протягом яких висота Сонця може змінитися на 20–30°.

Коефіцієнти варіації Кпр посівів змінюються від 12 до 23 %. Загальною закономірністю у різних ґрунтово-кліматичних зонах України є більша мінливість Кпр у ранні фази вегетації с.-г. культур, ніж у фази репродуктивного розвитку.

Встановлено особливості денного (у зв’язку зі зміною висоти Сонця) і вегетаційного (у зв’язку зі зміною забарвленості і архітектоніки посіву) ходу Кпр Для всіх с.-г. культур простежується зменшення відношень СКЕЯ із збільшенням висоти Сонця. Різниця в значеннях Кпр одного й того ж посіву при висоті Сонця 30° і 60° може досягати залежно від структури посіву до 40 %. Найбільші варіації у денному ході відношень СКЕЯ спостерігаються у відносно рідких посівах.

Для отримання однорідних вибірок спектральних характеристик посівів запропоновано метод приведення цих даних до реперної висоти Сонця з урахуванням структури та вегетаційної мінливості посіву за допомогою коефіцієнту приведення:

, (2)

де K*пр – значення Кпр для реперної висоти Сонця hо, що дорівнює 30°; Khпр – значення Кпр при фактичній висоті Сонця hо.

Проведені дослідження вегетаційної мінливості гh посівів різної структури дали змогу розробити модель врахування впливу висоти Сонця і структури посіву на Кпр для j -го періоду вегетації:

, (3)

де с – емпіричний коефіцієнт; j (Kпр) – нормована функція (0ЈjЈ1), яка характеризує вплив структури посіву на значення Кпр.

Відносні погрішності розрахунків Кпр становлять 11 %.

Вcтановлення кількісних характеристик зв’язку Кпр посівів с.-г. культур з основними елементами їхньої продуктивності (надземною рослинною масою М, індексом асимілюючої поверхні L, густотою посіву N, висотою рослин H, кущистістю кк) є одним з найбільш важливих науково-методичних питань АМСГАМ. Показано, що найбільш тісний зв’язок Кпр простежується з надземною рослинною масою посіву.

Зв'язок відносин СКЕЯ системи “ґрунт – рослина” Кпр з окремим елементом продуктивності посіву Еi в широкому діапазоні зміни значень цього елемента являє собою ГХС даного елемента, для оцінки якої (в діапазоні висоти Сонця 28–35?) запропоноване узагальнене рівняння виду: |

, Еі М, L |

(4)

де i – параметр рівняння, що характеризує кут нахилу градуювальної характеристики в точці Kпр = Kп ; Kp – розрахункове значення відношення СКЕЯ гранично-щільного рослинного покриву, що цілком екранує ґрунт.

Параметри рівняння (4) визначені для зазначених культур і всіх ґрунтово-кліматичних зон України, оцінена їх просторова та часова мінливість. Оцінена сортова мінливість ГХС для зернових колосових культур; визначено кількісні характеристики граничних максимальних значень М та Кпр протягом вегетації, при яких використання спектрофотометричного методу оцінки параметрів продуктивності посівів задовольняє вимоги практики.

Похибки розрахунку надземної рослинної маси посівів у різні періоди вегетації культур по універсальній ГХС не перевищують для зернових колосових 8для проcапних – 12 %.

Показано, що при однакових значеннях Кпр похибка визначення надземної маси посівів просапних культур може досягати 100 % при забур'яненості 4–5 балів. На даних 146 серій спостережень запропоновано метод побудови ГХС просапних культур (на прикладі кукурудзи), в основу якого покладене врахування кількісних характеристик вегетаційних змін маси бур'янів. Похибки розрахунку Кпр не перевищують 11 % для посівів без бур'янів і 17 % – для забур'янених посівів.

Результати дистанційних визначень параметрів рослинного покриву (РП) можуть бути ефективно використані в системі АМСГАМ як вхідні і реперні дані при практичному використанні динамічних моделей продуктивності посівів с.-г. культур. Точність розрахунків продуційного процесу може бути підвищена за рахунок використання в моделях фактичних характеристик радіаційного режиму посіву.

Виконані дослідження режиму ФАР у посівах озимої пшениці, з врахуванням робіт М.І. Гойси (1972), включали вимірювання за допомогою фотоінтегратора з насадкою Гуляєва (1971) падаючої на верхню границю посіву сумарної ФАР Qф, тієї частини ФАР, що надійшла крізь шар рослинності до поверхні ґрунту Рф , також відбитої Rк,ф від посіву та оголеного ґрунту Rп,ф ФАР. Функції пропускання ат,ф і поглинання ап,ф ФАР з урахуванням альбедо посіву Арп,ф і ґрунту Ап,ф розраховувалися за формулою:

ап.ф. = 1- ат.ф. + Ап.ф. ат.ф.- Aрп.ф , (5)

Як характеристики спектральної відбивної здатності досліджуваних об'єктів використовувалися значення Кпр і Кп.

Встановлені сортові особливості мінливості цих характеристик для суттєво різних за архітектонікою РП сортів озимої пшениці (напівкарликових та високостебельних). Показано, що для обох сортів просліджується досить тісний зв'язок ат,ф з Кпр і ап,ф з Кпр, який характеризується кореляційними відношеннями, відповідно рівними 0,83–0,91 та 0,76–0,88.

Зв'язок ат,ф і ап,ф з Кпр у j-й період вегетації для досліджуваних сортів досить надійно апроксимований рівняннями виду: |

(6)

(7)

де – розраховане значення Кпр гранично-щільного посіву у j-й період вегетації; – емпіричний параметр рівнянь, що характеризує онтогенетичні зміни оптичної щільності (структури) рослинного покриву; Ар.ф – альбедо ФАР гранично-щільного посіву. Отримані кількісні характеристики онтогенетичного ходу параметрів та Ар.ф .

Зв'язок Апр,ф із Кпр апроксимований рівнянням виду:

Aпр,ф = Ап,ф (1– 0,063), (8)

Кількісно оцінений зв’язок альбедо ФАР оголеного ґрунту Ап,ф і Кп .

Cередня відносна похибка розрахунку характеристик режиму ФАР в посівах озимої пшениці за даними вимірювань Кпр та Кп посівів значення ат,ф становить 9,2 %, ап,ф – 10,6 %.

У третьому розділі розглядається радіаційна температура (РТ) системи “ґрунт-рослина” як фактор стану посівів с.-г. культур, досліджується мінливість фітометричних характеристик посівів цукрового буряка. Наводиться короткий огляд методів та апаратури для вимірювання радіаційної температури підстильної поверхні.

Для дослідження зв'язку РТ посівів с.-г. культур ТR,рп з елементами їхньої продуктивності (М, L та N), умовами опромінення і термічним режимом автором були проведені в 1987-1988 рр. у Київській, Дніпропетровській і Миколаївській областях експериментальні спостереження на посівах озимої пшениці, ярого ячменю і цукрового буряка. Для вимірювання РТ посівів використовувався інфрачервоний радіометр “Київ–агромет” конструкції ЛЕТІ. Вимірювання РТ підстильної поверхні супроводжувалися комплексом метеорологічних спостережень.

Визначено тісний зв'язок РТ із зазначеними показниками продуктивності: кореляційні відношення = 0,95-0,99 у полуденні і = 0,81-0,86 у нічні години.

Для оцінки впливу РП на температурний режим більш зручним показником, ніж сама РТ, є “температурний контраст” TR,рп – різниця між РТ оголеного ґрунту TR,п і РТ посівів TR,рп: TR,рп=ТR,п–ТR,pп, який є характеристикою збурювання термічного режиму підстильної поверхні, що викликаний наявністю рослинності.

Дослідження впливу РП на його температурний режим проводилися шляхом дослідження зв'язку ТR,рп з індексом асимілюючої поверхні L у різні фази вегетації в широкому діапазоні інтенсивності Q і при постійних умовах зволоження ґрунту. Встановлені закономірності добового ходу ТR,рп посівів різної структури. Отримано рівняння розрахунку L за виміряними значенням ТR,рп і TR,п

, (9)

де с1 і с2 – емпіричні параметри, що залежать від фази розвитку посіву

Для характеристики температурного поля в приземному шарі повітря до висоти 2 м Тв при наявності РП в дослідженнях використано “стрибок температури” ?TR,вр, що являє собою різницю між Тв та РТ посіву. Встановлена залежність величини “стрибка температури” ?TR,вр від параметрів продуктивності рослинного покриву.

Наведені результати свідчать про принципову можливість використання РТ посівів і оголеного ґрунту для оцінки стану посівів с.-г. культур.

За допомогою експериментальних даних оцінена просторова та часова мінливість фітометричних характеристик посівів цукрового буряка; запропоновані непрямі методи розрахунку маси рослини та коренеплоду залежно від кількості пар листя та діаметра коренеплоду. На підставі детального вивчення мінливості морфологічної структури окремого листка цукрового буряка обґрунтована мінімальна кількість висічок з листя різного фізіологічного віку та встановлені на листковій пластині репрезентативні місця взяття висічок для визначення площі та водного дефіциту листка dl. Розробка зазначених методик дає змогу оцінювати параметри продуктивності посівів цукрового буряка з прийнятною для практики точністю та достовірністю.

Спектральні відбивні характеристики рослин значною мірою залежать від їх оводненості. Цим зумовлена несиметричність денного ходу Кпр посівів відносно полудня: при одній і тій висоті Сонця в різні години дня значення Кпр можуть відрізнятися більш ніж на 30 %, при цьому характерно, що післяполуденні значення Кпр завжди нижчі при однакових висотах Сонця, що зумовлено недостатньою оводненістю рослинних тканин. Проведені автором на посівах цукрового буряка експериментальні дослідження dl підтвердили істотні розбіжності в оводненості листя (до 1/3 маси листка) в дополуденні та в післяполуденні години дня.

Встановлено лінійну залежність dl від Тв у широкому діапазоні зміни вологозапасів у ґрунті. Таким чином, характеристики термічного режиму посіву, а, зокрема, його РТ можуть розглядатися як непрямі показники оводненості рослинних тканин. З метою оцінки цієї можливості на посіві цукрового буряка проведені визначення dl з паралельними вимірами РТ та Кпр посівів. Встановлено, що денний хід ТR,рп близький по виду до денного ходу dl, що підтверджується практично лінійним характером зв'язку водного дефіциту листя з РТ.

Розроблена методика врахування впливу недостатньої вологозабезпеченості посівів на їх спектральні відбивні характеристики для одержання однорідної вибірки і зниження погрішності визначення параметрів. Введена додаткова функція врахування впливу dl на коефіцієнт приведення відношення СКЕЯ до реперної висоти Сонця в моделі врахування впливу висоти Сонця і структури посіву на Кпр: шd =Д(ho, Кпр)/Д(ho, Кпр, Дdl). Розрахунок приведеного до реперної висоти Сонця значення К*пр виконується за формулою:

К*пр = Кпр ·[Д (ho, Кпр) шd-1 (Кпр)+ 1,0]. (10)

Використання функції шd дає змогу знизити середню відносну похибку визначення Кпр, яка обумовлена післяполуденним збільшенням величини dl з 27 до 12

Проведені поглиблені лабораторні дослідження інфрачервоних спектрів (?= 2,5–18,0 мкм) листків різних с.-г. культур (озимої пшениці, буряка та гороху) в широкому діапазоні змін оводненості листка (0–40 %). Визначені інформативні ділянки спектру, які найбільш чутливі до змін оводненості рослинних тканин, з середніми значеннями ?6,1; 7,2; 9,3 та 13,7 мкм (максимальне поглинання енергії) та ? = 8,2 та 10,6 мкм (мінімум поглинання). На підставі цих даних отримані функції зв'язку зміни поглинаючої здатності листка від водного дефіциту для зазначених ділянок спектра. Результати цих досліджень можуть бути покладені в основу розробки непрямих інструментальних методів визначення оводненості посівів за вимірами спектрів відбиття у декількох інформативних каналах.

У другій частині роботи наведено методичні основи тематичної інтерпретації даних авіаційних обстежень та матеріалів космічної зйомки посівів с.-г. культур в Україні.

Четвертий розділ присвячений моделюванню впливу агрометеорологічних умов на ріст, розвиток та формування врожаю озимої пшениці.

За теоретичну основу при розробці моделі нами використані загальнобіологічні уявлення та експериментальні дані про вплив агрометеорологічних умов на продуктивність озимої пшениці. На цій підставі сформульовані основні положення концепції моделювання.

Виділено чотири періоди в життєвому циклі озимої пшениці, що значно відрізняються один від одного по протіканню біологічних процесів і типу обміну речовин у рослині, а також впливу агрометеорологічних умов на ці процеси.

Блок-схема запропонованої моделі подана на рис. 1. Вона містить блок агрометеорологічної інформації, а також чотири основних блоки відповідно виділеним періодам життєвого циклу рослин.

Період проростання насіння та формування сходів. Початок відновлення ростової діяльності в зародку зернівки починається при її набубнявінні. Поглинання води насінням dWсем/dt визначається різницею водяних потенціалів насіння сем та ґрунту n на глибині загортання насіння.

З набубнявінням насіння активізується діяльність ферментів, що перетворюють крохмаль і запасні білки ендосперму насіння у форми, доступні для живлення, їх кількість визначається інтенсивністю процесів гідролізу запасних речовин насіння . Поживні речовини, що утворюються в процесі гідролізу, витрачаються на дихання насіння dRсем /dt та ріст осьових органів. Частина поживних речовин, що залишилася від витрат на дихання, становить резерв поживних речовин для росту зародкових коренів та колеоптіле.

Період осінньої вегетації та формування зимостійкості. Після появи сходів завершується перехід молодого пагона на самостійне кореневе і автотрофне живлення. Для розрахунку інтенсивності фотосинтезу листків dФ/dt введемо у формулу Дж. Торнлі (1982) додаткові функції, що відображають вплив на інтенсивність фотосинтезу забезпеченості рослин азотом kN, а також враховують вплив волого-температурного режиму kWT на інтенсивність процесу фотосинтезу.

Слідом за появою зародкових листків та коріння утворюється підземний вузол кущіння. Запишемо рівняння швидкості утворення бокових пагонів кущіння dNб.п./dt у вигляді: |

, (11)

де – максимально можлива в даних умовах кількість пагонів кущіння; kNPK – коефіцієнт забезпеченості елементами мінерального живлення; kб.п.(Q) і kб.п.(Тэф) – функції забезпеченості необхідної кількості сонячної радіації та тепла; – критичне утримання вологи в орному шарі ґрунту; аб.п і bб.п. – параметри.

У другій половині осені на фоні зниження середньодобового рівня термічного режиму починається підготування рослин озимої пшениці до перезимівлі. Розглядається дві фази загартування рослин.

Процес утворення дисахаридів у надземній частині dCDнадз /dt та вузлі кущіння dCDу.к. /dt рослин залежно від концентрації виникаючих резервних продуктів фотосинтезу визначимо за рівнянням типу Михаеліса-Ментен: |

, |

(12)

де – потенційна швидкість утворення дисахаридів у надземній частині рослин; – константа Михаеліса-Ментен для надземної частини рослин; mcрез – резерв продуктів фотосинтезу.

Аналогічним способом визначається швидкість накопичення моносахарів у надземній частині рослин та у вузлі кущіння .

У другу фазу загартовування ріст надземних і підземних органів відсутній. У зв'язку з цим усі продукти фотосинтезу будуть становити резервний фонд.

Перезимівля рослин. При моделюванні цього періоду враховується, що в зимуючих рослинах озимої пшениці відбувається гідроліз дисахаридів СD та істотно збільшується частка моносахарів СМ.

Процес гідролізу дисахаридів на моносахари у вузлі кущіння описано рівнянням ферментативної кінетики з врахуванням впливу низьких негативних температур ґрунту на інтенсивність процесу.

Баланс дисахаридів у вузлі кущіння визначається як різниця двох, що йдуть на фоні різного ходу температур повітря, протилежних процесів – гідролізу дисахаридів та їх синтезу : |

, |

(13)

де – функція переміщення моносахарів із надземної частини у вузол кущіння; СМнадз - вміст моносахарів у надземній частині; dRу.к./dt – витрати на дихання підтримки життєдіяльних структур вузла кущіння.

Розрахунок динаміки сахарів зимою і в ранньовесняний період дає змогу визначити критичну температуру вимерзання та коефіцієнт перезимівлі, кількість рослин, що перезимували та їх параметри на початок весняно-літньої вегетації.

Період веснняно-літньої вегетації. Моделювання здійснювалося за умов, що в ранньовесняний період завершується процес кущіння рослин і після їхнього переходу у фазу виходу в трубку починається процес стеблевідбору. Процес весняного кущіння моделювався нами рівняннями, аналогічними (11).

З цього ж моменту приймається, що фонд (резерв) поживних речовин dmрез/dt складається із продуктів фотосинтезу та продуктів розпаду речовин при старінні вегетативних органів рослин: |

(14)

де – перетікання поживних речовин із вегетативних органів, що старіють, відповідно головного стебла, продуктивних і непродуктивних бокових стебел, а також коренів.

Розподіл фонду dmрез/dt між надземною та підземною частинами рослин проводиться з використанням концепції існування функціональної рівноваги між цими частинами.

Передбачається пріоритетність у розподілі приросту надземної маси dmнадз/dt між стеблами; спочатку цей приріст розподіляється у головний пагін, потім послідовно в продуктивні і непродуктивні бокові пагони. Пагони, які не досягли репродуктивної стадії розвитку, поступово відмирають. Динаміку приросту маси головного, продуктивних та непродуктивних бокових стебел при моделюванні описано рівняннями виду: |

; (15)

; (16)

, (17)

де , , , – приріст біомаси відповідно головного стебла, продуктивних і непродуктивних бокових стебел; , , – ростові функції головного стебла, продуктивних і непродуктивних бокових стебел.

Ідентифікація параметрів моделі проводилася на основі експериментальних даних автора, отриманих