Информационный потенциал радиояркостной температуры пашни а задаче спутникового мониторинга сельскохозяйственных культур

Спутниковый мониторинг за состоянием сельскохозяйственных культур является важной частью информационной системы рынка продуктов питания. Яровые пропашные сельскохозяйственные культуры, например яровая пшеница, ячмень и др., являются основой растениеводства многих стран, в том числе Казахстана и отчасти России. Для таких культур характерен достаточно длинный период между весенним сходом снежного покрова и появлением развитых всходов яровых культур. В этот период спутниковые оценки состояния пахотных земель с помощью вегетационных индексов затруднены отсутствием или незначительным покрытием почвы зеленой биомассой. Для Северного Казахстана, где расположены основные площади пашни Республики, этот период составляет свыше двух месяцев, с середины апреля до конца июня. Максимум вегетации яровых зерновых культур Северного Казахстана наблюдается в конце июля. Т.е., спутниковые вегетационные индексы являются информативными, примерно, с начала июля по середину августа, что составляет полтора месяца. Таким образом, система спутникового мониторинга за состоянием пашни, опирающаяся только на вегетационные индексы имеет недостаточное информационное обеспечение в первой половине сезона. Это затрудняет получение спутниковых прогнозных оценок по ожидаемому урожаю с заблаговременностью свыше двух месяцев и решение других задач.
Состояние пахотных земель может диагностироваться с помощью различных спутниковых параметров. Одним из них является радиояркостная температура подстилающей поверхности (Land Surface Temperature [LST]). Этот параметр рассчитывается по интенсивности уходящего ИК-излучения от безоблачной поверхности Земли. Восстановление температуры идет в предположении излучения «абсолютно черного тела» согласно формуле Планка с учетом атмосферной коррекции.
Абсолютные значения радиояркостной температуры, полученные на спутнике, имеют сложную связь со стандартными метеорологическими наземными характеристиками, такими как: температура воздуха, температура поверхности почвы и пр. Для диагностики пространственно неоднородных и не стабильных во времени видов подстилающей поверхности, например, пахотных земель, в течение вегетационного сезона, проще и эффективнее использовать относительные шкалы значений радиояркостной температуры. Анализ температурного режима удобно вести в относительной шкале температурных условий (Temperature Condition Index [TCI]), где 0 это минимальная температура, наблюдавшаяся в данном месте в данное время за все годы мониторинга, 100 – соответственно, максимальная. Поля радиояркостной температуры в шкале TCI, очищенные от следов влияния облачности, как правило, не имеют выраженной контрастной мозаичности, что снижает требования на качество маски посевов и пространственное разрешение спутниковых данных.
В качестве исходной информации удобно использовать открытые Интернет продукты, такие как, 8-дневный композит LST – MOD11 DAY с пространственным разрешением от 1 км, [http://glovis.usgs.gov] или продукт NEO Temperature Anomaly с 8-дневным окном накопления и пространственным разрешением 0.1 градус [http://www.earthobservatory.nasa.gov].
Радиояркостная температура пашни является комплексным параметром, формируемым температурой и долей проективного покрытия всеми компонентами подстилающей поверхности: зеленым листовым покрытием, морт-массой, открытым почвенным покровом. В условиях освещения Солнечным светом нагрев компонентов подстилающей поверхности диагностирует влагообеспеченность корнеобитаемого почвенного покрова – лимитирующий параметр продуктивности зерновых культур Северного Казахстана. Интенсивность эвапотранспирации зеленой растительностью, поверхностная влажность почвы, архитектоника растительного покрова, температура и влажность воздуха, скорость приземного ветра и пр., все это параметры, формирующие радиояркостную температуру подстилающей поверхности. При этом информационная насыщенность оценок остается примерно одинаковой в течение всего вегетационного сезона, поскольку она не привязана к одному выделенному, нестабильному компоненту подстилающей поверхности, как например, в случае вегетационного индекса, величина которого жестко связана с проективным покрытием зеленой биомассой.
Практической иллюстрацией применимости радиояркостной температуры в задаче спутникового мониторинга пашни в течение вегетационного периода являются построенные сезонные тепловые профили пашни (май-август) ряда областей Казахстана и России в период 2000-2014 гг. Сравнение профилей TCI и NDVI показывает лучшую информационную обеспеченность первой половины вегетационного сезона в случае использования спутникового мониторинга радиояркостной температуры подстилающей поверхности.
Работа выполнена при поддержке грантов № 0866/ГФ2 и 2308/ГФ3 МОН РК.