NDVI

Прогноз урожайности на основе NDVI. | Вегетационные индексы

« | Главная | »

Прогноз урожайности на основе NDVI.

Автор: Alexander | 12.12.2016

О том, что урожайность от года к году бывает различной, знают все. Но не все умеют прогнозировать урожайность, к счастью ученые постоянно нас удивляют своими открытиями, так они доказали, что урожайность можно прогнозировать с достаточно высокой точностью по растительному индексу NDVI посевов во время вегетации.

Для только начинающих изучать тему использования вегетационных индексов как элементов бизнес процесса работы аграрного предприятия, напомним, что такое NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) – нормализованный относительный индекс растительности, по которому можно судить о развитии биомассы растений во время вегетации. Расчет вегетационных индексов основанный на следующем принципе: при попадании световых волн излучаемых природным или искусственным источником света на зелёные листья растений значительная часть волн видимого диапазона поглощаются (особенно зеленого спектра), ближнего инфракрасного отражаются. Поглощение зеленого спектра волн листьями растений связано с наличием в составе их клеток органелл с хлоропластами которые растения используют в процессе фотосинтеза, таким образом, чем больше  у растений площадь листа тем более тем сильнее растения поглощают попадающий на них свет. По сумме и разности отражений в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах вычисляется индекс NDVI:

NDVI = (NIR — VIS(RGB)) / (NIR + VIS(RGB))

где,

NearIR (NIR) — отражение в ближней инфракрасной области спектра
(VIS) RGB— отражение в видимой области спектра

Измерить NDVI посевов можно несколькими способами (с помощью оптических датчиков) и дистанционными (на основе спутниковой или аэрофотосъёмки). Преимуществах каждого из методов будут описаны в рамках этой статьи.

Многочисленные научные публикации утверждают что, по индексу NDVI с высокой точностью можно прогнозировать урожайность посевов. Значения вегетационного индекса NDVI различны во время роста, цветения и созревания растений. В начале вегетационного сезона индекс нарастает, в момент цветения его рост останавливается, затем по мере созревания, NDVI снижается. В зависимости от почвенного плодородия, метеоусловий и технологии возделывания посевов скорость развития биомассы будет разной. Поэтому по среднему значению NDVI на поле легко сравнивать состояние посевов во время вегетации: на одних полях посевы развиваются быстрее (лучше), на других – медленнее (хуже).

Наиболее точный прогноз урожайности посевов по индексу NDVI можно дать в момент прохождения экстремума (пика) значения NDVI. Например, для посевов озимой пшеницы при возделывании по интенсивной технологии, значение NDVI во время экстремума достигает 0,80–0,88 (по данным Центра точного земледелия РГАУ – МСХА им. К.А.Тимирязева). Пик NDVI обычно приходится на момент начала фазы колошения. Зная потенциальную урожайность сорта, мы можем прогнозировать, что при таком значении NDVI урожайность будет максимальной для данного сорта. Если в фазу колошения NDVI достигает значения всего 0,60–0,65, то это значит, что урожайность будет ниже максимальной на 25–30 %. Ведь NDVI связан с зеленой биомассой растений, а урожайность – это некая (известная для каждой культуры) процентная часть биомассы.

Таким образом, для предсказания урожайности агроному необходимо знать максимальную потенциальную урожайность данного сорта и показатель NDVI посева в фазу колошения (для зерновых) или в фазу максимального развития листьев (для всех остальных культур).

Но обращаясь к новым технологиям необходимо не забывать о факторах которые могут влиять на прогнозирование урожайности, одним из таких факторов является погода. Отклонение метеоданных от среднемноголетних наблюдений приведет, соответственно, и к отклонению урожайности. Ведь скорость прироста и снижения значений NDVI во время вегетации зависит в первую очередь от метеоусловий текущего года (кроме практики орошаемого земледелия). В условиях жаркой погоды период прохождения фенофаз* значительно сокращается, пик значения NDVI не достигает возможного максимума, и следовательно, прогнозный урожай снижается. Обратный случай – недостаток тепла. Скорость нарастания NDVI в таком случае снижена, растения медленно набирают биомассу, цветение может задержаться, и времени, а самое главное, суммы активных температур, на вызревание может не хватить, урожай будет низкий и плохого качества. Кроме того, от метеоусловий в значительной степени зависит развитие болезней растений, что также может приводить к снижению показателя NDVI, а с ним и урожайности.

Преимущества и недостатки способов получения вегетационного индекса NDVI:

Оптические датчики с активным источником излучения

аэрофотосъёмка с беспилотного летательного аппарата

Спутниковые снимки

+ отсутствие искажений + высокая детализация съемки до 4 см./пиксель + самая большая производительность – сотни квадратных километров
+ оперативность получения информации + возможность работы в облачную погоду (калибровка изображения происходит за счет датчика яркости света) — низкая детализация съемки от 30 до 250 м/пиксель
+ независимость от метеоусловий + высокая производительность до 2000 га в течении светового дня — высокая чувствительность качества съемки к метеоусловиям, в облачную погоду не возможно получить качественное изображение
— малая(медленная) производительность мониторинга до 5-10 га/час + данные получены данным методом позволяют построить ортофотоплан, рассчитать другие вегетационные индексы такие как SAVI, ARI, TCARI и др.  
  — ограничение применения по силе ветра, съемка возможна при ветре до 10 м/с  

*Фенофаза – регулярно и закономерно повторяющиеся явления роста и развития растения и его отдельных органов. Цикл прохождения фенофаз составляет 1 год. Этот год делится на 2 основных периода: вегетация и покой. У листопадных растений периоды вегетации и покоя выражены достаточно четко. Период вегетации начинается с набухания почек и завершается листопадом.

[/mp_span]

[/mp_row]

Рубрики: Вегетационные индексы, От редакции сайта | 2 комментария »

2 комментария на «Прогноз урожайности на основе NDVI.»

  1. Олег пишет:
    20.11.2017 | 22:24

    добрый день! вот показатели ndvi с от -1 до +1. а что посередине? как скореллировать цвета, цифры и состояния?

  2. Alexander пишет:
    27.01.2018 | 15:31

    Добрый день, Олег.
    Сразу скажем, что вопрос о том, как коррелировать цвета, цифры и состояния — не такой простой. Над этой темой работают институты и пишутся научные работы. Если речь идет о том, как Вам в Ваших реальных условиях использовать карту вегетационных индексов, полученную Вами тем или иным способом, в привязке к конкретному типу культуры, то здесь есть три варианта. Да, и сразу скажем, что корреляция цвета (карта) и цифр (значение индекса, соответствующее цвету) — это, в принципе, не проблема. Сегодня, любой источник, откуда вы берете вегетационную карту, предоставляет ее расшифровку: указывается какую площадь (или % площади) поля занимает тот или иной цвет карты, и значение вегетационного индекса для этого цвета. Остается только вопрос привязки этих параметров к состоянию растения. Вот, это, как раз и есть основной вопрос (если рассматривать в общем) над которым и работают институты.
    1. Если вы используете только стандартные вегетационные индексы NDVI для оценки состояния растений, то в открытых источниках Вы можете найти информацию об усредненном значении того или иного NDVI индекса, для определенной культуры (без привязки к виду гибрида), соответствующего тому или иному состоянию. Далее, имеющуюся у вас информацию из вегетационной карты сопоставлять с этими данными и делать вывод.
    2. Вы можете самостоятельно нарабатывать статистику по конкретному гибриду, сопоставляя значения вегетационных индексов, с лабораторными исследованиями, привязываясь к этапу вегетации, сопоставляя выявленную проблему с показателем при этом вегетационного индекса NDVI и прочее. В общем, по сути, вести какое-то время научную работу, собирая и систематизируя данные, для того,чтобы в итоге иметь у себя корреляцию значения NDVI и состояния для конкретного гибрида.
    3. Использовать для оценки состояния современные системы для мультиспектрального анализа. В своем программном обеспечении такие системы имеют встроенные алгоритмы и аналитику, в основу которых закладываются результаты научных исследований, как теоретических, так и практических. Программные продукты таких систем позволяют достаточно точно производить обработку спектральных снимков и выдавать пользователю информацию (вегетационные карты) о состоянии культуры на поле. При этом, как правило, такие системы используют широкий спектр различных вегетационных индексов. А, заложенная в их ПО аналитика и алгоритмы, позволяют предоставлять пользователю достаточно точные данные, не привязываясь к конкретному типу культуры.

Отзывы