Индекс вегетации растений NDVI

Точное земледелие (ТЗ) оперирует так называемыми индексами, выражающими динамику качественных и количественных показателей в хозяйственной деятельности. Одним из таких индексов является вегетационный или NDVI, как его обозначают в исследованиях состояния посевов.
Агрономы многих современных хозяйств обращаются именно к этому показателю для того, чтобы сделать более-менее точный прогноз урожайности возделываемых культур и систематически оценивать состояние растений на протяжение всего периода вегетации. Аппаратное обеспечение в с/х дает широкие возможности для сбора информации в полевых условиях в режиме онлайн.

ЗАМОВЛЯЙТЕ У НАС
НасінняГербіцидиДобриво

Запрошуємо до співпраці!

Для отримання консультації та замовлення товару Телефонуйте!

✆0676613009 ✆0662156358

Что такое индекс NDVI

Normalized difference vegetation index (NDVI) дословно переводится как «нормализованный относительный вегетационный индекс) — это показатель способности растений отражать и поглощать световые волны.

Казалось бы, причем тут урожай?

Ответ лежит на поверхности: растения имеют зеленый цвет, потому что хлорофилл, входящий в состав их клеток отражает зеленые волны светового спектра и поглощает красные.

Количество хлорофилла, в свою очередь характеризует мощность листовых пластин и других фотосинтезирующих органов.

Мы не будем углубляться в теоретические знания о роли хлорофилла в реакциях фотосинтеза, поскольку очевидно, что его содержание в растениях напрямую говорит о нормальном приросте зеленой массы растения.

У здоровых побегов в клетках содержится достаточно хлорофилла, у больных — напротив, наблюдаются признаки недоразвитости и увядания.

Диапазон значений индекса вегетации

Диапазон значений индекса вегетации колеблется от -1 до +1. Это объясняет, почему данный показатель «нормализованный»: он выражает разность между минимальным и максимальным отражением зеленого цвета. Следуя этому алгоритму можно отличить объекты неживой природы от растительности:

  • для снега, воды, почвы, камней и т.п. индекс принимает значение от -1 до 0;
  • у растений NDVI — в диапазоне от 0 до 1 (чем больше зеленая масса, тем значение ближе к 1).

Заметим, что индекс вегетации — относительный, он не имеет единицы измерения и не дает конкретных характеристик для растений, а лишь позволяет дать оценку общего состояния развития посевов.

Со времени разработки алгоритма для расчета NDVI (Rouse BJ, 1973) у него появилось довольно много модификаций предназначенных для уменьшения влияния различных помехообразующих факторов. Таких, к примеру, как поглощение аэрозолями атмосферы (atmospheric – resistant vegetation index – ARVI), отражение от почвенного слоя (soil adjusted vegetation index – SAVI) и др. Для расчета этих индексов используются формулы, учитывающие отношения между отражающей способностью различных природных объектов и растительностью в других диапазонах, помимо красного и инфракрасного, что делает их более сложными в применении. Существуют также индексы, основанные на NDVI, но корректирующие сразу несколько помехообразующих факторов, как, например EVI (Enhanced vegetation index).

Дискретная шкала NDVI
Для отображения индекса NDVI используется стандартизованная непрерывная градиентная или дискретная шкала, показывающая значения в диапазоне от -1..1 в % или в так называемой масштабированной шкале в диапазоне от 0 до 255 (используется для отображения в некоторых пакетах обработки ДЗЗ, соответствует количеству градаций серого), или в диапазоне 0..200 (-100..100), что более удобно, так как каждая единица соответствует 1% изменения показателя. Благодаря особенности отражения в NIR -RED областях спектра, природные объекты, не связанные с растительностью, имеют фиксированное значение NDVI, (что позволяет использовать этот параметр для их идентификации):

Тип объекта
Отражение в красной области спектра
Отражение в инфракрасной области спектра
Значение NDVI
Густая растительность
0.1
0.5
0.7
Разряженная растительность
0.1
0.3
0.5
Открытая почва
0.25
0.3
0.025
Облака
0.25
0.25
0
Снег и лед
0.375
0.35
-0.05
Вода
0.02
0.01
-0.25
Искусственные материалы (бетон, асфальт)
0.3
0.1
-0.5

Но, как правило, для задач связанных с картографированием растительности используют немасштабированную шкалу, начинающуюся с 0 (значения NDVI меньше 0 растительность принимать не может). Для перевода из шкалы -1..1 в 0..200 (масштабирование) используется следующая формула:

масштабированный NDVI = 100(NDVI + 1)
Будучи искусственным безразмерным показателем NDVI предназначен для измерения эколого-климатических характеристик растительности, но в тоже время может показывать значительную корреляцию с некоторыми параметрами, совсем другой области:

  • Продуктивностью (временные изменения)
  • Биомассой
  • Влажностью и минеральной (органической) насыщенностью почвы
  • Испаряемостью (эвапотранспирацией)
  • Объемом выпадаемых осадков
  • Мощностью и характеристиками снежного покрова

Зависимость между этими параметрами и NDVI, как правило, не прямая и связана с особенностями исследуемой территории, ее климатическими и экологическими характеристиками, кроме этого, часто приходиться учитывать временную разнесенность параметра и ответной реакции NDVI.

Благодаря всем этим особенностям, карты NDVI часто используются как один из промежуточных дополнительных слоев для проведения более сложных типов анализа. Результатами которых могут являться карты продуктивности лесов и сельхозземель, карты типов ландшафтов, растительности и природных зон, почвенные, аридные, фито-гидрологические и другие эколого-климатические карты. Так же, на его основе возможно получение численных данных для использования в расчетах оценки и прогнозирования урожайности и продуктивности, биологического разнообразия, степени нарушенности и ущерба от различных естественных и антропогенных бедствий, аварий и т.д. Часто эти данные используются для вычисления других, универсальных и территориально-привязанных индексов: LAI – индекс листовой поверхности , FPAR – индекс фотосинтетической активной радиации, поглощаемый растительностью и пр.

В целом, главным преимуществом NDVI является легкость его получения: для вычисления индекса не требуется никаких дополнительных данных и методик, кроме непосредственно самой космической съемки и знания ее параметров.

Измерения производятся двумя способами:

  • при помощи наземных датчиков, которые крепятся к с/х-технике;
  • дистанционно — за счет съемки с беспилотника/самолета, оснащенного камерой с ИК-фильтром;
  • фото со спутника Sentinel-1, Sentinel-2.

Так, благодаря минимальному временному разрешению данных MODIS/Terra, вычисление NDVI на их основе может давать оперативную информацию об эколого-климатической обстановке и возможность отслеживать динамику различных параметров с периодичностью до 1 недели! А большой пространственный охват позволяет проводить мониторинг территорий, соразмерный с площадями областей и целых стран. Данные же камер высокого разрешения, типа Landsat, IRS, Aster позволяют следить за состоянием объектов размерами вплоть до отдельного поля или лесного выдела.

Урожай и NDVI

Индикатор NDVI — комплексный и качественный показатель. Он позволяет оценить потенциальный урожай на поле, но совершенно не объясняет причины, из-за которых тот может снизиться.

Это общая картина происходящего, на основании которой специалисты решают ряд возникающих перед ними задач.

NDVI-анализ актуален в любой фазе развития растений, при этом нужно осознавать закономерности изменения значений индекса:

  • в начале вегетации, когда растения набирают массу — он растет,
  • в момент цветения/формирования зерна — приостанавливается,
  • по мере созревания урожая — снижается.

Следовательно, по NDVI можно произвести сравнительный анализ состояния посевов в одно и то же время. Рассмотрим эти зависимости подробнее:

Что расскажет NDVI на разных стадиях сезона

Надо понимать, NDVI — это индикатор состояния растения, который ничего не говорит о причинах той или иной ситуации. Это скорее подсказка о том, что происходит на поле. Рассмотрим три сценария использования индекса вегетации NDVI — в начале, середине и конце сельскохозяйственного сезона.

В начале сезона по индексу NDVI можно понять, как растение перезимовало. Как правило, логика следующая.

1) Если NDVI ниже 0,15 — вероятно, на участке все растения погибли. Обычно такие показатели соответствуют вспаханной почве без вегетации.
2) 0,15−0,2 — тоже низкий показатель. Это может говорить о том, что растения вошли в зимовку на ранней фенологической фазе, до кущения.
3) 0,2−0,3 — относительно хороший показатель. Вероятно, растения успели войти в фазу кущения и возобновляют вегетацию.
4) 0,3−0,5 — хороший показатель. Учитывайте, что высокие значения NDVI могут говорить о том, что растения ушли на зимовку на поздней стадии развития. Если спутниковый снимок был получен до момента возобновления вегетации, то надо будет ещё раз проанализировать состояние участка после начала периода роста и развития растений.
5) Выше 0,5 — аномальный показатель после зимовки. Этот участок лучше проверить самостоятельно.
Вывод такой — если вы видите аномальные значения NDVI, то есть те, которые сильно отличаются от показателей всего поля, то нужно проверять этот участок. Узнать NDVI для своих полей, промониторить их и оставить заметки можно бесплатно — при помощи нашего приложения для Android OneSoil Scouting или в веб-платформе OneSoil. В безоблачную погоду снимки обновляются каждые 3−5 дней.

Вот как соотносится отображение NDVI в веб-платформе OneSoil и реальное состояние растений на поле.

В середине сезона по индексу NDVI можно понять, как развиваются растения на поле. Если значения индекса средние и высокие (0,5−0,85), то, вероятнее всего, на участке всё хорошо. Если индекс низкий — похоже, на участке растениям чего-то не хватает, например, влаги или питательных элементов. Такую зону лучше проверить самостоятельно.

По индексу NDVI мы создаём карты для дифференцированного внесения азотной подкормки. Мы выделяем зоны высокой, средней и низкой вегетации, а затем фермер самостоятельно задаёт норму удобрений. По нашему опыту, оптимальная схема внесения азота следующая.

1) Если вегетационный индекс на участке высокий, то дозу удобрений нужно уменьшить на 10−30% от средней нормы.
2) Если средний, то увеличить — максимум на 20−25% от средней нормы.
3)Если низкий, то сначала нужно определить причину плохого состояния участка.

Ещё мы используем индекс NDVI для моделирования относительной урожайности поля. На основании этой информации делаем карты для дифференцированного внесения фосфорных и калийных удобрений.

В конце сезона по индексу NDVI можно определять, какие поля готовы к уборке урожая — чем ниже индекс, тем ближе к созреванию участок поля. Оптимальное значение индекса в таком случае — 0,3−0,35. А ещё мы предполагаем, что по индексу NDVI можно определять нормы внесения десикантов — химических препаратов, которые обезвоживают растения. Это ускоряет их созревание и облегчает уборку урожая.

Как установить индекс NDVI

В тексте уже было приведено 2 способа выявления данного показателя при помощи аппаратного оснащения хозяйства.

Беспилотники требуют особенного подхода к работе, датчики в свою очередь предназначены для техники, способной вносить удобрения в регулируемых дозировках.

Известен еще один способ, который является менее затратным и дает сравнительно точные результаты — EO-browser. Это онлайн-сервис для управления полями в режиме реального времени.

Индекс определяют на основе спутниковой съемки, данные обновляются ежедневно. Нужно только указать границы полей, а так же предусмотрена возможность сравнивать новые значения со среднемноголетними, и сопоставлять результаты с урожайностью за прошлые годы.

Возможности индекса NDVI

В основном, это показатель необходим для создания электронных карт внесения азотных удобрений (подкормок), фосфора, калия.

Этот индекс позволяет обнаруживать зоны с высокой, средней и низкой вегетацией, ориентируясь на которые специалисты рассчитывают нормы удобрений.

Так, для NDVI от 0,5 дозу удобрений уменьшают на 10-30% от нормы; от 0,2 до 0,5 — норма остается средней; ниже 0,2 — следует провести диагностику состояния растительности на данном участке поля.

То же самое можно сказать и об ускорении созревания урожая — индекс позволяет определять, есть ли необходимость опрыскивать поля десикантами для обезвоживания растений.

Преимущества и недостатки метода прогнозирования урожая по индексу NDVI

Рассмотрим преимущества и недостатки метода прогнозирования урожая по индексу NDVI в разрезе разных способов его определения:

Существует множество вегетационных индексов, они в значительной степени похожи между собой. Но NDVI — это самый популярный и распространённый, к тому же и у него есть одно важное преимущество: высокое разрешение снимков, если использовать данные спутника Sentinel – 2. В таком случае для расчёта индекса NDVI используются каналы с разрешением 10 метров — то есть 1 пиксель это 10 на 10 метров. Индексы, которые используются дополнительные световые каналы (в основном крайние красные), имеют разрешение 20 метров — то есть 1 пиксель это 20 на 20 метров. В OneSoil мы используем только космические снимки спутника Sentinel-2, предоставленные программой Copernicus.

Из недостатков NDVI — при достижении определённого порога развития растения индекс теряет чувствительность. Иными словами, если растение развивается очень активно, то по NDVI нельзя отличить аномально зелёное растение от «обычного» зелёного. Ну и как со всеми остальными индексами, их точность зависит от погоды: если над каким-то полем долгое время висят облака, то спутниковый снимок будет неточным. Поэтому для решения некоторых задач — например, для распознавания культур — в OneSoil мы используем радарную съёмку спутника Sentintel-1.

Оптические датчики с активным источником света работают при любом освещении и погодных условиях, моментально передают данные о состоянии посевов в координатах места диагностики. Однако, дожди являются препятствием для съемки. Кроме того, исследование полей наземным способом требует сравнительно больших затрат времени/топлива. Поэтому целесообразнее оснащать такими датчиками с/х-машины.

Аэрофотосъемка с беспилотника дает более масштабные и подробные данные в высоком разрешении ( в том числе, цифровые снимки), позволяют работать в любую погоду (кроме ветра), обследуют до 5000 га посевов. Однако, важным условием для корректного функционирования камеры является достаточное освещение.

Метод NDVI — является наиболее популярным для определения порога развития растений на полях.

Он быстрый и подробный в отличие от большинства классических методик исследования. Благодаря такому подходу к мониторингу посевов формируется обширная база данных, которой можно пользоваться в том числе и для планирования урожаев будущих лет.

Однако точность измерений зависит от некоторых факторов, которые необходимо брать в расчет — главным образом, атмосферные явления, так как свет гораздо хуже проходит через облака, нежели в ясную погоду. Но в целом, точность технологии довольно высока и является перспективным направлением в управлении агропредприятием.

Источник:

ПУБЛІКАЦІЇ ЯКІ МОЖУТЬ БУТИ ДЛЯ ВАС ЦІКАВИМИ
data-matched-content-ui-type="image_sidebyside" data-matched-content-rows-num="2" data-matched-content-columns-num="1" data-ad-format="autorelaxed">

Метки: ,