تحلیل حساسیت رفتار طیفی برگ گیاه در برابر متغیرهای بیوفیزیکی– بیوشیمیایی برگ با استفاده از مدل انتقال تابش PROSPECT
نویسندگان
1 مرکز مطالعات سنجش از دور و GIS، دانشکدۀ علوم زمین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
2 استادیار، گروه سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی، دانشکدۀ برنامهریزی و علوم محیطی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
3 دانشیار، گروه سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی، دانشکدۀ جغرافیا، دانشگاه تهران، تهران، ایران
4 استادیار، گروه سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی، دانشکدۀ جغرافیا و علوم محیطی، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران
doi
10.48308/gisj.2023.103728چکیده
سابقه و هدف: تعیین نحوۀ اثرگذاری محتوای بیوشیمیایی برگ در بازتاب و رفتار طیفی آن، ازطریق سنجش از دور، میتواند به درک فرایند اکوسیستم و پارامترهای آن، همچون تنش آبی گیاه، کمک شایان توجهی کند. ویژگیهای نوری تاجپوشش بسیار تحت تأثیر ویژگیهای نوری برگها و خاک زمینه است. همچنین بهدلیل دردسترسنبودن اطلاعات دقیق دربارۀ ویژگیهای نوری برگها، تفسیر اطلاعات طیفی را که ازطریق سنجش از دور گرد میآیند، با محدودیتهایی روبهرو کرده است. ساختار داخلی برگ میزان انعکاس و عبور را در کل طیف الکترومغناطیس، کنترل میکند اما، برای کسب اطلاعات دقیق و توصیف جامع دربارۀ ویژگیهای نوری برگ، مدلهای فیزیکی توسعه یافتهاند. مدلهای برگشتپذیر همانند PROSPECT علاوهبر محاسبۀ پاسخ طیفی برگ، امکان محاسبۀ مقدار کمّی ویژگیهای درونی برگ، مانند میزان کلروفیل، محتوای آب و ساختار برگ را فراهم میکنند. با استفاده از ویژگی برگشتپذیری، میتوان براساس طیف جمعآوریشده ازطریق سنجندهها، کمّیت آب برگها و زیستتودۀ آنها را مشخص کرد. بنابراین استفاده از این مدلها و تلفیق آن با دادههای دورسنجی که برای گیاه غیرتخریبی است، امکان پایش در بُعد زمان و مکان را فراهم میآورد و میتواند راهگشای مطالعات و مدلسازیهای مرتبط با ویژگیهای درونی برگ گیاهان باشد.مواد و روشها: در این پژوهش، اثر کمّی متغیرهای بیوفیزیکی– بیوشیمیایی برگ شامل محتوای کلروفیل برگ، ساختار برگ و محتوای آب آن در میزان بازتاب تحلیل شده است. برای این منظور، مدل انتقال تابش PROSPECT که برای شبیهسازی رفتار طیفی برگ گیاهان توسعه داده شده، به کار رفته است. در نتیجه، تأثیر کمّیت پارامترهای برگ شامل کلروفیل، محتوای آب و ساختار برگ در شکل منحنی طیفی برگ بررسی شده است. روش کار بدینترتیب است که بهمنظور مطالعۀ تأثیرات ناشی از هریک از پارامترها، دو پارامتر دیگر ثابت در نظر گرفته میشوند و با تغییر مقدار پارامتر مورد نظر، منحنیهای طیفی متناظر با مقادیر انتخابشده، با بهکارگیری مدل PROSPECT استخراج میشود. با مقایسۀ منحنیهای حاصل و تحلیل آنها، تأثیر پارامتر مورد نظر در بازتاب طیفی برگ مطالعه و بررسی میشود.نتایج و بحث: نتایج تحقیق حاکی از آن است که افزایش کلروفیل، با اثر در کاهش انعکاس، به افزایش میزان شاخصهای گیاهی مثلثی منجر میشود. براساس ساختار برگ و لایههای داخلی، در محدودۀ فروسرخ نزدیک، امکان تشخیص گیاهان تکلپهای، دولپهای و نیز گیاهان پیر وجود دارد. همچنین در محدودۀ فروسرخ نزدیک، میزان انعکاس در گیاهان پیر، گیاهان دولپهای و تکلپهای بهترتیب کاهش مییابد. در محدودۀ فروسرخ نزدیک، در گیاهان دولپهای که دارای پارانشیم اسفنجیاند، بیشتر از گیاهان تکلپهای انتظار بازتاب میرود. گیاهان تکلپهای، بهدلیل بازتاب کمترشان در محدودۀ 1400 تا 1900 نانومتر، از سایر گیاهان تفکیکپذیرند. اثرگذاری محتوای آب در بازتاب طیفی برگ از طولموج 1000 نانومتر آغاز میشود و تا پایان محدودۀ انعکاسی، 2500 نانومتر، ادامه دارد و با افزایش محتوای آب، کاهش بازتاب رخ میدهد. خشکشدن گیاه، تا مراحلی، تأثیر چندانی در بازتاب ندارد ولی خشکیدن آب برگ، بیشتر از مقداری معین (03/0 تا 04/0 گرم بر سانتیمتر مربع) باعث افزایش چشمگیر بازتاب، بهویژه خارج از باندهای جذبی آب میشود. بنابراین با پیداکردن نقاط بحرانی منحنی بازتاب در مقابل محتوای آب میتوان به تشخیص تنشهای شدید آبی در گیاهان کمک کرد. با بررسی نمودارها میتوان پی برد که نقطۀ بحرانی در حوالی محتوای آب 03/0 تا 04/0 گرم بر سانتیمتر مربع اتفاق میافتد.نتیجهگیری: با یافتن نقاط بحرانی منحنی بازتاب در مقابل محتوای آب، میتوان تنشهای شدید آبی در گیاهان را تشخیص داد. در مدل PROSPECT، اثر خاک زمینه در بازتاب طیفی گیاهان در نظر گرفته نمیشود؛ بنابراین استفاده از مدلهایی مانند SAIL و SLC پیشنهاد میشود که برای این منظور ارتقا یافتهاند. همچنین با توجه به اینکه خروجی مدل PROSPECT منحنی طیفی برگ گیاه است، میتوان استفاده از مدلهای انتقال تابش تاجپوشش گیاه، مانند مدل SAIL و SLC را نیز بررسی کرد.
