Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе реализации проекта в 2024 г. проведена проксимальная гиперспектральная съемка побегов Thuja occidentalis, Platycladus orientalis, Pinus sylvestris и P. nigra subsp. pallasiana в лабораторных условиях, охватывающая весь годовой цикл фенологического развития этих хвойных растений. Проведена приповерхностная гиперспектральная съемка крон P. orientalis. В результате эксперимента сформирована база из 2064 гиперспектральных снимков. Параллельно велись фенологические наблюдения за всеми четырьмя видами хвойных растений, определялось содержание фотосинтетических пигментов и воды в побегах Platycladus orientalis. На этапе предварительной обработки данных гиперспектральной съемки все спектральные профили были сглажены с помощью фильтра Савицкого–Голея (шаг 15 нм). С помощью программно-реализованной авторами двухэтапной сегментации данных гиперспектральной съемки сформирована совокупность «чистых» пикселей (спектральных профилей) исследуемых хвойных растений. Для каждого спектрального профиля, состоящего из 125 спектральных каналов, было рассчитано по 84 узкополосных вегетационных индекса (ВИ). Проведен разведочный анализ полученных данных. Из совокупности данных были исключены сильно отклоняющиеся значения ВИ. С помощью тестов Шапиро-Уилка, χ2 - Пирсона и графика квантиль-квантиль (Q-Q plot) установлено, что большинство ВИ не распределялись по нормальному закону (распределение ВИ по значениям характеризовались левосторонней асимметрией и коэффициентом эксцесса выше 0). Поэтому в качестве среднего значения в дальнейшем анализе данных использовалась медиана признака. Сформирован датасет, представляющий подробные временные ряды значений ВИ и спектральных каналов побегов T. occidentalis, P. orientalis, P. sylvestris и P. nigra subsp. pallasiana, концентраций фотосинтетических пигментов и содержания воды в побегах P. orientalis за 2024 г. Установлено, что модели спектральных характеристик, полученных в результате проксимальной гиперспектральной съемки побегов хвойных растений в лабораторных условиях, эффективно работают на спектральных характеристиках, полученных в результате приповерхностной съемки крон растений в полевых условиях. Точность тестирования LDA-модели для P. orientalis, построенной по данным лабораторной съемки (побеги) на данных полевой съемки (кроны) составила 92.7%. Подтверждена эффективность LDA- и RF-моделей, созданных в результате реализации проекта в 2023 г., для идентификации состояний «вегетация» и «покой» у хвойных растений путем их тестирования на данных 2024 г. Предсказанные LDA- и RF-моделями периоды вегетации и покоя совпадают с метеорологическим (МВП) и фенологическим вегетационными периодами (ФВП) и соотносятся с динамикой среднесуточной температуры воздуха и динамикой фотосинтетических пигментов. В ходе реализации проекта, путем построения двойных логистических моделей было протестировано 79 ВИ на возможность использования их в качестве метрик для описания фенологии хвойных растений. Было показано, что фенология хвойных растений в пределах их МВП и ФВП может быть охарактеризована значительным количеством ВИ. Динамика их временных рядов имеет хорошо выраженный сезонный характер и точно описывается моделью двойной логистической кривой (R2˃0,7, RMSE от 0,110 до 0,260). Однако ни одна из 79 логистических моделей не дала одновременного совпадения предсказанных сроков начала и завершения ФВП (SOS и EOS) с фактическими сроками. Некоторые модели хорошо предсказывали начало вегетационного периода (ВП), другие – завершение ВП. Это подчеркивает проблему варьирования результатов оценки состояния растений по спектральным характеристикам в процессе их фенологического развития в зависимости от выбранных моделей и метрик, известную для листопадных растений. Наиболее точное предсказание сроков начала и завершения ВП дает усреднение результатов всех 79 моделей. Результаты исследования свидетельствуют о том, что для вечнозеленых деревьев многофакторные регрессионные модели (с использованием двух и более ВИ в качестве переменных) будут более перспективными для описания их фенологии, чем однофакторные модели. Установлено, что наиболее информативными для описания состояний хвойных растений в процессе их фенологического развития являются индексы Chlorophyll / Carotenoid Index (CCI) и Photochemical Reflectance Index (PRI), которые рассчитываются на основе спектральных каналов 528, 645 нм и 531, 570 нм соответственно. Эти индексы имеют высокую силу связи (r ≥ 0.7, p ≤0.001) со значениями среднесуточных температур и продолжительностью светового дня для всех четырех видов экспериментальных хвойных растений. Кроме того, установлено, что CCI и PRI являются значимыми для идентификации состояний «вегетация» и «покой» с помощью RF- и LDA-моделей. Показано, что побеги и кроны P. orientalis могут быть успешно разделены по состояниям «вегетация» и «покой» в плоскости этих двух индексов, без использования алгоритмов машинного обучения. Значимыми спектральными каналами для LDA-модели были каналы в синем, зеленом и красном диапазонах – 450, 530 и 686 нм. По результатам проведенного исследования, для создания мультиспектрального сенсора, предназначенного для оценки состояний хвойных растений в процессе их фенологического развития, рекомендуется использовать спектральные каналы, центрированные на 530, 570 и 645 нм.