Vegetačné indexy

Satelit Aqua so spektrorádiometrom so stredným rozlíšením MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) navrhnutým na monitorovanie atmosféry, oceánov a zemského povrchu, zdroj NASA

Rozvoj prostriedkov a metód diaľkového prieskumu Zeme otvára neustále nové možnosti veľkoplošného, časovo a finančne efektívneho monitoringu stavu ekosystémov kdekoľvek na Zemi.

Spektrorádiometre, prístroje umiestnené na družiciach obiehajúcich našu planétu, zaznamenávajú spektrálnu odrazivosť rozsiahlych území. Využitím týchto záznamov je možné hodnotiť sezónne, medziročné a dlhodobé zmeny vegetačnej pokrývky.

Spektrálna odrazivosť

Spektrálna odrazivosť nadzemných častí stromu buka lesného v jednotlivých spektrálnych oblastiach. Vlnové dĺžky použité pri kalkulácii vegetačného indexu NDVI (RED a NIR) sú zvýraznené sivými stĺpcami.

Pri analýzach množstva a stavu vegetácie pomocou metód diaľkového prieskumu Zeme sa používajú vegetačné indexy odvodené z odrazivosti elektromagnetického žiarenia (EMŽ) vegetačného povrchu v dvoch alebo viacerých spektrálnych pásmach.
Spektrálna odrazivosť, teda miera medzi dopadajúcim a odrazeným žiarením, je pri vegetácii ovplyvnená predovšetkým bunkovými štruktúrami. Napríklad zdravá (zelená) vegetácia absorbuje dopadajúce viditeľné svetlo (400 až 700 nm) prostredníctvom rastlinných pigmentov, chlorofylov a karotenoidov, preto je hodnota jej odrazivosti v tejto časti spektra nízka. K slabej odrazivosti spôsobenej vysokou absorpciou EMŽ dochádza hlavne v modrej (400 až 500 nm) a v červenej (620 až 700 nm) spektrálnej oblasti. V zelenej spektrálnej oblasti (500 až 620 nm) je absorpcia EMŽ redukovaná (zvýšená odrazivosť), preto vnímame zdravú vegetáciu v odtieňoch zelenej farby.
Naopak, odumretá alebo poškodená (suchá) vegetácia odráža veľkú časť EMŽ predovšetkým v červenej časti viditeľného spektra. V blízkej infračervenej spektrálnej oblasti (740 až 1 100 nm) dochádza k vysokej odrazivosti EMŽ, čím sa rastliny chránia pred prehriatím.

Fenologická krivka opadavého lesa modelovaná dvojitou sigmoidnou funkciou. Na krivke sú identifikované: maximum (MAX), inflexné body (S2, A2), body maximálneho zrýchlenia a spomalenia vzostupnej (S1, S3) a zostupnej (A1, A3) časti funkcie charakterizujúce fenologické fázy v období zalisťovania (S1, S2, S3), maximálneho olistenia (MAX) a žltnutia lístia (A1, A2, A3) počas vegetačného obdobia.

V našom výskume sme pri hodnotení zmien krajinnej pokrývky zo satelitných záznamov použili vegetačný index NDVI (Normalized Difference Vegetation Index; normalizovaná diferencia vegetačného indexu), ktorého výpočet zahŕňa hodnoty odrazivosti v červenom spektrálnom pásme (RED: 620 až 670 nm) a v blízkom infračervenom spektrálnom pásme (NIR: 841 až 876 nm): NDVI = (NIR – RED) / (NIR + RED). Vysoké hodnoty NDVI (blízke 1) sú typické pre vrchol vegetačného obdobia pri maximálnej listovej ploche, kým nízke hodnoty sú typické pre obdobie po zhnednutí listov alebo pre vyschnuté, poškodené ekosystémy, prípadne pri výskyte snehovej pokrývky.

Fenologický monitoring

Fenológia je veda, ktorá sa zaoberá skúmaním každoročne sa opakujúcich životných prejavov organizmov. V prípade rastlinnej fenológie rozlišujeme monitoring vegetatívnych (týkajúcich sa olistenia) a generatívnych (týkajúcich sa plodenia) fenologických fáz.

Lokalita vo Vysokých Tatrách, kde prebiehal bioklimatologický výskum borovice horskej – kosodreviny (oblasť ohraničená čiernou farbou). SPO označuje observatórium pri Skalnatom plese.

Významné postavenie fenologických pozorovaní v dejinách ľudstva súviselo predovšetkým so zabezpečovaním potravy. V súčasnosti je načasovanie fenologických fáz významným ukazovateľom pri hodnotení dopadov klimatickej zmeny. Monitoring vegetatívnych fenologických fáz, keď sa v priebehu vegetačného obdobia mení množstvo zelenej listovej plochy v lesných porastoch, je jednou z možností využitia vegetačných indexov.
V našom výskume nás zaujímalo, akým spôsobom je možné využiť vegetačný index NDVI odvodený z družicových spektrálnych záznamov pri hodnotení fenologických fáz lesných drevín. V tejto súvislosti sme sa zaoberali vývojom a validáciou metódy na modelovanie priebehu fenologických fáz ako rozpuk listových púčikov, začiatok a plné olistenie, ako aj jesenné žltnutie (hnednutie) listov v bukových porastoch.

Hodnotenie zmien vegetácie

Vegetačný index NDVI sme použili aj pri hodnotení vplyvu extrémov počasia počas zím na stav borovice horskej – kosodreviny v subalpínskom pásme vo Vysokých Tatrách. Hodnotili sme vplyv priemerných teplôt v zimnom období, výšky snehovej pokrývky a výskytu teplých epizód prerušujúcich mrazivé obdobia.
Zistili sme, že nadmorská výška a hustota porastov kosodreviny sú významnými faktormi ovplyvňujúcimi mieru poškodenia asimilačných orgánov – ihlíc v extrémnom počasí. Teplé epizódy a nízka snehová pokrývka pôsobili negatívne na stav hustejších porastov kosodreviny na spodnej hranici subalpínskeho pásma. Tu boli ihlice nechránené snehovou pokrývkou vystavené poškodzovaniu abráziou (obrusovanie vetrom nesenými ľadovými kryštálikmi), zimným vysychaním a fotoinhibíciou, ktorá môže viesť k poškodeniu chloroplastov. Takéto poškodenia sa následne prejavili poklesom hodnôt NDVI.

Vegetačný index NDVI vypočítaný z odrazivosti v červenom (RED) a blízkom infračervenom spektre (NIR) na začiatku (vľavo) a na konci (vpravo) vegetačného obdobia v bukovom poraste

Naopak, miernejšie zimy pôsobili pozitívne na kosodrevinu, pričom vyhovovali hlavne redším porastom vo vysokých nadmorských výškach, kde sme zaznamenali aj mierny nárast NDVI koncom druhej dekády 21. storočia v porovnaní s jeho začiatkom. Tu sa prejavil aj priaznivý vplyv vyšších teplôt v decembri, ktoré umožňujú predĺženie obdobia lignifikácie (drevnatenia), a tým prispievajú k väčšej odolnosti nových výhonkov.
Na základe našich výsledkov očakávame, že v prípade ďalšieho otepľovania zimných období bude mať kosodrevina vhodné podmienky na rozširovanie sa v pásme alpínskych lúk, čo môže negatívne ovplyvniť zloženie ekosystémov a prítomnosť endemických rastlín. Na dolnej hranici bude zároveň kosodrevina súperiť s inými drevinami, ako napríklad smrekom, ktoré budú v teplejšej klíme lepšie prosperovať.

Text a ilustrácie Ing. Veronika Lukasová, PhD.
Geofyzikálny odbor
Ústav vied o Zemi SAV v Bratislave
Článok vznikol v spolupráci s platformou Mladí vedci SAV.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 11/2021. Ak ešte nie ste našou predplatiteľkou/naším predplatiteľom a chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.
Komentáre