NDVI, погода та різні методи обстеження посівів
Чи можемо ми заздалегідь передбачати врожайність? Вчені аграрії, озброєні сучасними технологіями, давно знають та застосовують «чарівну формулу», коли прогнозний урожай розраховується з високою точністю за рослинним індексом NDVI посівів під час вегетації.
Що таке індекс NDVI?
NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) — нормалізований відносний індекс рослинності, за яким можна судити про розвиток біомаси рослин під час вегетації. Зелене листя рослин поглинає електромагнітні хвилі в червоному діапазоні і відображає хвилі в ближньому інфрачервоному. Чим більша листова поверхня рослин і чим більше хлорофілу в листі, тим сильніше рослини поглинають червоне світло, що потрапляє на них (і менше його відображають).
За сумою та різницею відображень у червоному та ближньому інфрачервоному діапазонах обчислюється індекс NDVI:
NDVI = (ρNIR – ρRED)/(ρNIR + ρRED),
де ρNIR — коефіцієнт відображення у ближній інфрачервоній області спектра,
ρRED — коефіцієнт відображення у червоній області спектра.
Діапазон абсолютних значень індексу NDVI лежить в інтервалі від –1 до +1. Для рослинності індекс приймає позитивні значення (приблизно від 0,2 до 0,9), і чим більша зелена фітомаса рослин у момент виміру, тим значення NDVI ближче до одиниці.
Читати по темі: Моделі родючості ґрунту: оптимальне поєднання поглинутих обмінних катіонів у складі ҐВК
Показник NDVI — відносний, він не показує абсолютних значень біомаси зеленого листя (у т/га, наприклад), але з ньому можна достовірно оцінити, наскільки добре чи погано розвивається посів. NDVI посівів можна виміряти наземними методами (за допомогою оптичних датчиків) та дистанційними (на основі супутникової або аерофотозйомки). У кожного з цих методів є свої переваги та недоліки.
Як врожайність пов'язана з NDVI?
За даними численних наукових публікацій, за індексом NDVI з високою точністю можна прогнозувати врожайність посівів. Вегетаційний індекс NDVI змінюється протягом всього сезону і його значення різні під час росту, цвітіння та дозрівання рослин. На початку вегетаційного сезону індекс наростає, у момент цвітіння його зростання зупиняється, потім у міру дозрівання NDVI знижується. Залежно від ґрунтової родючості, метеоумов та технології обробітку посівів, швидкість розвитку біомаси буде різною. Тому за середнім значенням NDVI на полі легко порівнювати стан посівів під час вегетації: на одних полях посіви розвиваються швидше (краще), на інших — повільніше (гірше).
Найточніший прогноз урожайності посівів за індексом NDVI можна дати в момент проходження піку значення NDVI. Наприклад, для посівів озимої пшениці при вирощуванні за інтенсивною технологією значення NDVI під час піку досягає 0,80–0,88. Пік NDVI зазвичай припадає на момент початку фази колосіння. Знаючи потенційну врожайність сорту, можна прогнозувати, що за такого значення NDVI урожайність буде максимальною для даного сорту. Якщо у фазу колосіння NDVI досягає значення всього 0,60-0,65, то це означає, що врожайність буде нижче максимальної на 25-30%. Адже NDVI пов'язаний із зеленою біомасою рослин, а врожайність — це певна (відома для кожної культури) відсоткова частина біомаси.
Читати по темі: Досвід упровадження точного землеробства у СТОВ Васюти на Волині
Таким чином, для передбачення врожайності агроному необхідно знати максимальну потенційну врожайність даного сорту та показник NDVI посіву у фазу колосіння (для зернових) або у фазу максимального розвитку листя (для решти всіх культур).
Як оперативно дізнатися про NDVI посівів?
За допомогою оптичних датчиків (виїзд у поле з обстеженням) або ж за результатами аерофотозйомки з безпілотного літального апарату (обліт та зйомка полів з подальшою обробкою даних).
Можна також створити графік NDVI в одному з мобільних додатків чи сервісів, де агроному слід лише вказати межі своїх полів, після чого сервіс покаже оперативну інформацію про значення NDVI на вибраних користувачем полях. Ці значення можна порівняти із середньо багаторічними даними по NDVI на даному полі (якщо така інформація раніше вносилась в сервіс). Порівнюючи «сьогоднішній» показник NDVI із середньо багаторічними значеннями та зіставляючи ці дані з урожайністю культур за минулі роки (обліки минулих років), можна прогнозувати врожайність у поточному році. Але досвідченого агронома не проведеш, він обов'язково запитає: «А як же вплив погоди? Ми ж не можемо погоду вгадати?»
Як впливає погода на NDVI та на врожайність?
На це питання вчені-аграрії теж мають відповідь. Прогноз урожайності можна робити не лише за індексом NDVI, але й за метеоданими. Відхилення метеоданих від середньобагатолітніх спостережень призведе, відповідно, і до відхилення врожайності. Адже швидкість приросту та зниження значень NDVI під час вегетації залежить насамперед від метеоумов поточного року (крім практики зрошуваного землеробства).
В умовах спекотної погоди період проходження фенофаз значно скорочується, пік значення NDVI не досягає можливого максимуму, а отже, прогнозний урожай знижується. Зворотний випадок – нестача тепла. Швидкість наростання NDVI у такому разі знижена, рослини повільно набирають біомасу, цвітіння може затриматися, і часу, а найголовніше, суми активних температур, на визрівання може не вистачити, урожай буде низький та поганої якості.
Крім того, від метеоумов значною мірою залежить розвиток хвороб рослин, що також може призводити до зниження показника NDVI, а з ним і врожайності. Очевидно, що метеоумови вегетаційного сезону є важливим фактором, що визначає розвиток та продуктивність рослин. Сучасні технічні засоби та онлайн-сервіси дають точні метеопрогнози, що дозволяють фермерам оцінювати можливі сценарії розвитку посівів. Порівняння поточних спостережень із середньо багаторічними дозволяє заглядати вперед до кінця сезону та планувати наступний сезон (стратегія), а також приймати оперативні рішення щодо обробки посівів відповідно до поточних потреб (тактика).
Читати по темі: Застосування літальних апаратів у вирощуванні сільгоспкультур — досвід США
Переваги та недоліки різних методів обстеження NDVI посівів
У цьому порівнянні не оцінюється матеріальна складова процесу обстеження, вартість обладнання, проведення робіт та сумарні витрати на отримання результату.
- Застосування оптичних датчиків із активним джерелом випромінювання. Перевагами є:
- відсутність спотворень: датчик з активним джерелом світла працює однаково добре за будь-яких умов освітлення і видає значення NDVI без спотворень;
- оперативність отримання: в момент обстеження на екрані відразу висвічується поточне значення NDVI (різні моделі датчиків мають/не мають можливість автоматичного запису оперативних даних із географічними координатами місця спостереження);
- незалежність від метеоумов: хмарність, вітер, холодна погода не впливають на результат, єдине обмеження — не можна знімати NDVI мокрих рослин (під час дощу або після дощу).
Недоліком є повільна продуктивність обстеження: для обстеження великих площ посіву необхідні витрати часу та палива машини-носія; за фактом швидкість обстеження становить близько 5-10 га/година.
- Застосування аерофотозйомки з безпілотного літального апарату. Переваги:
- висока детальність зйомки: високодетальні фотозображення з роздільною здатністю на місцевості 10-20 см/пікселів;
- можливість працювати в хмарну погоду: щільна хмарність не створює перешкод зйомці, але окремі купові хмари створюють перешкоди за рахунок тіней, що відкидаються на землю;
- вища продуктивність обстеження: за фактом, за світловий день залежно від моделі літака-носія, можна обстежити від 500 до 5000 га;
- крім індексу NDVI за результатами зйомки можна отримати зображення в природних колірних шкалах, ортофотоплан, розрахувати характеристики мезорельєфу полів.
Недоліками є обмеження за метеоумовами: у сильний вітер (понад 8–10 м/сек) зйомка з безпілотного літака неможлива; чутливість методу до умов освітленості в момент зйомки: пасивні камери в порівнянні з активними датчиками завжди дають спотворений результат, отже, існує необхідність введення поправочних коефіцієнтів, в різних умовах вони будуть різними.
- Застосування супутникових знімків. Переваги:
- найвища продуктивність та можлива оперативність: один знімок покриває площу в сотні квадратних кілометрів;
- безкоштовно знімки низької роздільної здатності оновлюються щодня (MODIS, роздільна здатність 250 м/піксель), більш високої роздільної здатності — 1 раз на 16 днів (Landsat, роздільна здатність 30 м/піксель).
Недоліками даного методу є:
- низька роздільна здатність: 30-250 м/піксель; знімки вищої роздільної здатності (1-6 м/піксель) безкоштовно не надаються;
- втрата інформації та спотворення за рахунок атмосферних явищ: знімки, отримані у хмарну погоду, не дають необхідної інформації;
- для оцінки NDVI за супутниковими знімками необхідно вносити поправочні коефіцієнти (проводити атмосферну корекцію знімків).
Якщо підбити підсумок, то оптичні датчики дають найдостовірнішу оцінку NDVI, але мають низьку продуктивність, супутникова зйомка найбільш продуктивна, але залежить від хмарності, а безпілотна зйомка займає проміжну позицію.
Олена Басанець, SuperAgronom.com
Думка редакції SuperAgronom.com може не збігатися з точкою зору автора. Редакція не несе відповідальності за достовірність і тлумачення наведеної інформації і виконує роль виключно носія.
