Каждый агроном знает, как вырастить хороший урожай. Но не каждый год урожай бывает хорошим. Можем ли мы заранее предсказывать урожайность? Теперь это стало гораздо проще! Учёные аграрии, вооруженные современными технологиями, давно знают и применяют «волшебную формулу», когда прогнозный урожай рассчитывается с высокой точностью по растительному индексу NDVI посевов во время вегетации. Теперь это доступно и простому агроному. Как? Прочитайте 4 раздела и пользуйтесь бесплатным и удобным агрономическим сервисом!

Что такое индекс NDVI и как он измеряется?

Как урожайность связана с NDVI?

Как оперативно узнать NDVI посевов?

Как влияет погода на NDVI и на урожайность?

1. Что такое индекс NDVI?

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) – нормализованный относительный индекс растительности, по которому можно судить о развитии биомассы растений во время вегетации. Зелёные листья растений поглощают электромагнитные волны в красном диапазоне и отражают волны в ближнем инфракрасном. Чем больше листовая поверхность растений и чем больше хлорофилла в листьях, тем сильнее растения поглощают попадающий на них красный свет (и меньше его отражают). По сумме и разности отражений в красном и ближнем инфракрасном диапазонах вычисляется индекс NDVI:

NDVI = (ρ_NIR – ρ_RED)/(ρ_NIR + ρ_RED),

где ρ_NIR – коэффициент отражения в ближней инфракрасной области спектра, ρ_RED – коэффициент отражения в красной области спектра.

Диапазон абсолютных значений индекса NDVI лежит в интервале от –1 до +1. Для растительности индекс принимает положительные значения (примерно от 0,2 до 0,9), и чем больше зелёная фитомасса растений в момент измерения, тем значение NDVI ближе к единице. Показатель NDVI – относительный, он не показывает абсолютных значений биомассы зеленых листьев (в т/га, например), но по нему можно достоверно оценить, насколько хорошо или плохо развивается посев.

NDVI посевов можно измерить наземными методами (с помощью оптических датчиков) и дистанционными (на основе спутниковой или аэрофотосъёмки). У каждого из этих методов есть свои преимущества и недостатки.

2. Как урожайность связана с NDVI?

По данным многочисленных научных публикаций, по индексу NDVI с высокой точностью можно прогнозировать урожайность посевов. Вегетационный индекс NDVI изменяется весь сезон и его значения 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 пика значения NDVI. Например, для посевов озимой пшеницы при возделывании по интенсивной технологии, значение NDVI во время пика 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).

3. Как оперативно узнать NDVI посевов?

- с помощью оптических датчиков (выезд в поле с обследованием);

- по результатам аэрофотосъёмки с беспилотного летательного аппарата (облёт и съёмка полей с последующей обработкой данных);

- на сайте https://apps.sentinel-hub.com/eo-browser/ - бесплатном онлайн-сервисе для управления полями, где индекс NDVI показан в режиме реального времени на основе спутниковых снимков (данные обновляются ежедневно, при условии безоблачной погоды). 

График NDVI в сервисе EO-browser

В EO-browser агроному следует только указать границы своих полей, после чего сервис покажет оперативную информацию о значении NDVI на выбранных пользователем полях. Эти значения можно сравнить со среднемноголетними данными по NDVI на данном поле (такую информацию сервис также предоставляет бесплатно). Сравнивая «сегодняшний» показатель NDVI со среднемноголетними значениями и сопоставляя эти данные с урожайностью культур за прошлые годы (учёты прошлых лет), можно прогнозировать урожайность в текущем году.

Но опытного агронома не проведешь, он обязательно спросит: А как же влияние погоды? Мы же не можем погоду угадать?

4. Как влияет погода на NDVI и на урожайность?

На этот вопрос у учёных-аграриев тоже есть ответ. Прогноз урожайности можно делать не только по индексу NDVI, но и по метеоданным. 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.

Очевидно, что метеоусловия вегетационного сезона являются важным фактором, определяющим развитие и продуктивность растений. Современные технические средства и он-лайн сервисы дают точные метеопрогнозы, позволяющие фермерам оценивать возможные сценарии развития посевов.

Сравнение текущих наблюдений со среднемноголетними позволяет заглядывать вперед до конца сезона и планировать следующий сезон (стратегия), а также принимать оперативные решения по обработке посевов в соответствии с текущими потребностями (тактика). Все это стало возможным благодаря современному онлайн-сервису, предоставляющему оперативные и архивные данные по спутниковой съёмке https://apps.sentinel-hub.com/eo-browser/

Преимущества и недостатки разных методов обследования NDVI посевов (*в данном сравнении не оценивается материальная составляющая процесса обследования, стоимость оборудования, проведения работ и суммарные затраты на получения результата).

1. Применение оптических датчиков с активным источником излучения (например, GreenSeeker® от Trimble)

+ отсутствие искажений: датчик с активным источником света работает одинаково хорошо в любых условиях освещения и выдаёт значения NDVI без искажений;

+ оперативность получения информации: в момент обследования на экране сразу высвечивается текущее значение NDVI (разные модели датчиков имеют/не имеют возможность автоматической записи оперативных данных с географическими координатами места наблюдения);

+ независимость от метеоусловий: облачность, ветер, холодная погода не влияют на результат, единственное ограничение – нельзя снимать NDVI мокрых растений (во время дождя или после дождя);

- медленная производительность обследования: для обследования больших площадей посева необходимы затраты времени и топлива машины-носителя; по факту скорость обследования составляет около 5–10 га/час;

2. Применение аэрофотосъёмки с беспилотного летательного аппарата

+ высокая подробность съёмки: высокодетальные фотоизображения с разрешением на местности 10-20 см/пиксель;

+ возможность работать в облачную погоду: плотная облачность не создает помех съёмке, но отдельные кучевые облака создают помехи за счёт теней, отбрасываемых на землю;

+ более высокая производительность обследования: по факту, за световой день в зависимости от модели самолета-носителя, возможно обследовать от 500 до 5000 га;

+ помимо индекса NDVI по результатам съёмки можно получить изображения в естественных цветовых шкалах, ортофотоплан, рассчитать характеристики мезорельефа полей;

- ограничения по метеоусловиям: в сильный ветер (более 8–10 м/сек) съёмка с беспилотного самолёта невозможна;

- чувствительность метода к условиям освещенности в момент съёмки: пассивные камеры по сравнению с активными датчиками всегда дают искаженный результат, следовательно, существует необходимость ввода поправочных коэффициентов, в разных условиях они будут разными;

3. Применение спутниковых снимков

+ наивысшая производительность и возможная оперативность: один снимок покрывает площадь в сотни квадратных километров; бесплатно поставляемые снимки низкого разрешения обновляются ежедневно (MODIS, разрешение 250 м/пиксель), более высокого разрешения – 1 раз в 16 дней (Landsat, разрешение 30 м/пиксель);

- низкая разрешающая способность: 30–250 м/пиксель; снимки более высокого разрешения (1–6 м/пиксель) бесплатно не поставляются;

- потеря информации и искажение за счёт атмосферных явлений: снимки, полученные в облачную погоду, не дают необходимой информации; для оценки NDVI по спутниковым снимкам необходимо вносить поправочные коэффициенты (проводить атмосферную коррекцию снимков)

Если подвести итог вышесказанному, то оптические датчики дают самую достоверную оценку NDVI, но имеют низкую производительность, спутниковая съёмка наиболее производительна, но сильно зависит от облачности, а беспилотная съёмка занимает промежуточную позицию.​

В общем приятного использования сервиса EO-browser

Программы для агронома:

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА >>

АГРОПЛАН >>

АГРОКИП >>

АНДРОЗИК >>

САС ПЛАНЕТА >>

РАСЧЕТ НОРМ УДОБРЕНИЙ >>