Spektral kanallar va spektral imzo

Kirish

Spektral imzo (spectral signature) — material yoki yer qoplamining turli to'lqin uzunliklarida energiyani qanchalik qaytarishini ko'rsatuvchi egri chiziqdir. O'simlik, tuproq va suv bir xil Quyosh nurini oladi, lekin uni turlicha qaytaradi. Shu farq tufayli sun'iy yo'ldosh tasvirida ularni bir-biridan ajratish mumkin.

Imzo bir to'lqin uzunligidagi bitta qiymat emas, butun spektr bo'yicha shakldir. Sensor bu shaklni uzluksiz emas, alohida kanallar orqali qayd etadi. Kanallar egri chiziqning qaysi nuqtalarini olishi esa natijani talqin qilish imkonini belgilaydi.

Qaytaruvchanlik va imzo

Qaytaruvchanlik (reflectance) — sirtga tushgan energiyaning qaytgan ulushi, odatda 0 dan 1 gacha yoki foizda ifodalanadi. Spektral imzo grafigida gorizontal o'qda to'lqin uzunligi, vertikal o'qda qaytaruvchanlik turadi.

Materialning kimyoviy tarkibi va ichki tuzilishi egri chiziqda "cho'qqi" va "chuqur" hosil qiladi. Chuqur — energiya yutiladigan, cho'qqi — kuchli qaytariladigan oraliq. USGS spektral kutubxonasi minerallar, o'simliklar va boshqa materiallarning laboratoriyada o'lchangan minglab imzolarini jamlaydi.

O'simlik, tuproq va suvning to'lqin uzunligi bo'yicha qaytaruvchanlik egri chiziqlari hamda ularning ko'rinadigan, yaqin infraqizil va qisqa to'lqinli infraqizil diapazondagi farqi

Uch asosiy imzo

Sog'lom o'simlik ko'k va qizil nurni xlorofill yutgani uchun ko'rinadigan diapazonda past, yashilda biroz yuqoriroq qaytaruvchanlikka ega. Taxminan 0,68–0,75 mkm oralig'ida egri chiziq keskin ko'tariladi — bu qizil chegara (red edge) deb ataladi. Yaqin infraqizilda barg ichki tuzilishi nurni kuchli qaytaradi, 1,45 va 1,94 mkm atrofida esa barg suvi tufayli chuqurlar paydo bo'ladi.

Quruq tuproq imzosi to'lqin uzunligi ortishi bilan asta-sekin ko'tariladi. Namlik va organik modda qaytaruvchanlikni butun spektr bo'ylab pasaytiradi, shuning uchun nam tuproq quruqdan qoramtirroq ko'rinadi.

Tiniq suv ko'rinadigan diapazonda past qaytaradi, infraqizilda deyarli hamma energiyani yutadi. Loyqa suvda muallaq zarrachalar ko'rinadigan va yaqin infraqizil qaytishini oshiradi.

Kanallar imzoni qanday qayd etadi

Multispektral sensor imzoni bir necha keng kanal bilan "namunalaydi". Har kanal o'z oralig'idagi qaytaruvchanlikning o'rtacha qiymatini beradi, shuning uchun tor yutilish chuqurlari kanal ichida "erib" ketishi mumkin. Giperspektral (hyperspectral) sensor esa yuzlab tor kanal bilan egri chiziqni deyarli uzluksiz qayd etadi.

Sentinel-2 o'simlik uchun qulay: ESA ma'lumotiga ko'ra uning qizil chegara oralig'ida ~704, ~740 va ~783 nm kanallari bor. Ular barg xlorofilli va o'simlik stressidagi kichik o'zgarishlarni oddiy qizil va yaqin infraqizil kanallardan aniqroq ko'rsatadi.

Keng multispektral kanallar va tor giperspektral kanallarning bir xil o'simlik imzosini turlicha namunalashi

O'simlik indeksi: NDVI

Ikki kanal farqi bitta kanaldan ko'ra barqarorroq belgi beradi. Keng tarqalgan o'simlik indekslaridan biri — NDVI (Normalized Difference Vegetation Index):

NDVI = (NIR − Qizil) / (NIR + Qizil)

Qiymat −1 dan +1 gacha. NASA tushuntirishiga ko'ra 0,1 va undan past qiymatlar tosh, qum yoki qorga, 0,2–0,3 buta va o'tloqqa, 0,6–0,8 zich o'rmonga mos keladi. Suv odatda manfiy qiymat beradi.

Masalan, Farg'ona vodiysidagi g'o'za maydonida avgustda NDVI yuqori bo'lsa, terimdan keyin u keskin tushadi. Bir dalaning o'zida past NDVI dog'i sug'orish yetishmovchiligi, kasallik yoki siyrak ekishni ko'rsatishi mumkin — sababni dala tekshiruvi aniqlaydi.

Sog'lom va so'lgan o'simlikning qizil hamda yaqin infraqizil qaytaruvchanligi va ulardan hisoblangan NDVI qiymatlari

Talqindagi cheklovlar

Imzo doimiy emas. O'simlik mavsum davomida o'zgaradi, tuproq namlikka qarab qorayadi, atmosfera esa qaytgan signalni buzadi. Shu sababli taqqoslanadigan tasvirlar o'xshash mavsumda olinadi va atmosfera tuzatishidan o'tgan qaytaruvchanlik mahsuloti ishlatiladi.

Bitta piksel ko'pincha bir nechta yer qoplamini qamrab oladi. Aralash piksel (mixed pixel) imzosi ularning o'rtachasi bo'lib, hech bir sof materialga o'xshamaydi. Turli materiallar o'xshash imzo berishi ham mumkin: masalan, quyuq asfalt va chuqur suv ko'rinadigan diapazonda bir-biriga yaqin. Bunday holatda qo'shimcha kanallar, vaqt qatori yoki dala namunalari yordam beradi.

Xulosa

Spektral imzo materialning to'lqin uzunligi bo'yicha qaytaruvchanlik shaklidir: o'simlik qizil chegarada keskin ko'tariladi, tuproq asta-sekin ortadi, suv infraqizilda deyarli yo'qoladi. Sensor kanallari bu shaklning bir necha nuqtasini qayd etadi.

Ishonchli talqin kanallar qaysi oraliqni o'lchashini bilish, NDVI kabi indekslarni to'g'ri qo'llash hamda mavsum, atmosfera va aralash piksel ta'sirini hisobga olishga tayanadi.