Спутниковый мониторинг в сельском хозяйстве

Определение неблагоприятных условий для роста растений, нарушений их нормального развития — важнейшие задачи сельскохозяйственного мониторинга. Оперативный контроль нормального вегетационного развития культур на больших площадях способен улучшить спутниковый мониторинг.

Спутниковый мониторинг может помочь фермеру решить много задач. Среди основных — своевременное информирование фермера о состоянии почв, однородности посевов, стрессовом состоянии растений. Полученную информацию можно использовать для оценки пригодности земель, разработки плана мелиоративных мероприятий, оценки потенциальной урожайности.

Что такое спутниковый мониторинг

Поверхность Земли изучается сотнями исследовательских спутников. Снимки, полученные в процессе их работы, важнейший ресурс для научных изысканий в различных областях. Особенную ценность для сельскохозяйственного использования представляют спектральные изображения отражений с земной поверхности занятой землями сельскохозяйственного назначения.

При изучении сельскохозяйственных земель источником информации служит исходящее от них излучение, фиксируемое установленными на спутниках спектрометрами высокой разрешительной способности.

Спектральная отражательная способность сельскохозяйственных культур индивидуальна и различается спецификой отражения разных длин волн. Зная отражательную способность растения можно идентифицировать его на спектральных снимках и оценить стрессовость его состояния.

Съемка производится в нескольких спектральных диапазонах. Фотосинтетическая активность ведет к более низким значениям коэффициентов отражения в красной зоне спектра и большим значениям в ближней инфракрасной. Для обработки и интерпретации снимков применяются спектральные индексы, учитывающие факторы съёмки — облачность, тени, рельеф участка, разные углы падения солнечных лучей, разницу угла съёмки, влияние окружающей среды.

Снимки множества исследовательских спутников имеются в интернете в свободном доступе (на сайтах NASA, Европейского Космического Агентства), но их информативность без применения спектральных индексов минимальна.

Продукт компаний предоставляющих услуги спутникового мониторинга — алгоритм обработки, применяемый к снимкам. При этом учитываются спектральные индексы, используемые для оценки состояния растительности, содержания пигментов, азота, углерода, воды.

Вегетационный индекс. Принцип работы системы спутникового мониторинга

Вегетационные индексы — спектральные индексы, применяемые для оценки состояния растений. Существует более 160 различных вегетационных индексов, наиболее распространённый — NDVI.

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index — нормализованный дифференцированный вегетационный индекс) — количественный показатель фотосинтетической биомассы, учитывает красную и инфракрасную зону электромагнитного спектра. На красную зону спектра (0,62 - 0,75 мкм) приходится максимум поглощения солнечной радиации хлорофиллом, а на ближнюю инфракрасную зону (0,75 - 1,3 мкм) максимальное отражение энергии клеточной структурой листа.

Источник: smartfarming.ua

Угнетенность, густоту и однородность культуры также поможет оценить индекс LAI (Leaf Area Index), числовой показатель отношения площади листовой мозаики к общей площади поверхности.

От количества спектральных диапазонов в которых ведётся съёмка, зависит количество применяемых при обработке вегетационных индексов. Программный комплекс ENVI позволяет рассчитать  27 индексов при обработке гиперспектральных снимков, и лишь два индекса (NDVI и RVI) при работе со снимками, содержащими красную и инфракрасную спектральные зоны.

Результат обработки данных дистанционного зондирования Земли — построение карт вегетации и векторных карт по неоднородным зонам. Для увеличения точности анализа при построении карт желательно руководствоваться данными с нескольких спутников.

Одним из главных преимуществ применения спутникового мониторинга является возможность сравнительного анализа данных за продолжительный период времени. Съёмка одних и тех же территорий осуществлялась годами с периодичностью один раз в несколько дней. Это позволяет рассматривать динамику урожайности отдельных полей и участков на протяжении нескольких лет, сравнивая методы ведения хозяйства с получаемым в конце сезона урожаем.

Какую информацию предоставляет анализ спектральных карт?

Крупным хозяйствам с земельным банком в тысячи гектар спутниковый мониторинг позволяет получать оперативную информацию со всей площади.

При помощи спутникового мониторинга определяются проблемные участки поля. На участках с неоднородными всходами нужно провести агрохимический анализ почв с целью установления причин недорода. Также неоднородность всходов указывает на необходимость дифференцированного внесения удобрений.

Результаты мониторинга заменяют полевые наблюдения и позволяют оценить состояние использования территорий, идентифицировать виды культур, определить динамику роста биомассы и вовремя обнаружить отклонения.

Обработка мультиспектральных изображений сообщит о дефиците азота и о необходимости внесения удобрений и ядохимикатов в конкретных частях поля. Также поможет узнать о степени созревания урожая и прогнозируемой урожайности, ходе и эффективности поливов, предоставит отчёты в разрезе отдельных культур.

Космоснимки в естественных цветах помогут определить эффективность использования территории, процент необрабатываемых земель.

Результаты ДЗЗ не способны дать исчерпывающий причинный анализ состояния агроценоза. Мониторинг не отменяет необходимости полевых исследований, заборов проб почвы и других мероприятий по мониторингу состояния посевов. Но он в значительной степени облегчает их планирование указывая на проблемные участки.

Исследовательские спутники, производящие съемку

Спутники ДЗЗ условно можно разделить на бесплатные (исследовательские спутники информация о наблюдении которых имеется в свободном доступе) и коммерческие (снимки необходимо приобретать). Запуск бесплатных, как правило, финансировался правительством и производился с целью выполнения определённых исследовательских миссий.

Наиболее часто используются снимки следующих спутников:

Landsat 7, 8 — производят съемку с периодичность 1 раз в 8 дней. Landsat 7 предоставляет снимки в 8 спектральных диапазонах с разрешением от 15 до 60 м на пиксель, Landsat 8 - 30 м на пиксель.

Terra и Aqua — запущены в 1999 и 2002 годах. Оборудованы спектрорадиометрами среднего разрешения MODIS (производит съёмку в 36 диапазонах спектра с разрешением от 250 м до 1 км). Съемка производится раз в день.

Sentinel 2а, 2b — запущены в 2015 и 2017 годах. Оборудованы широкоугольными многозональными спектрометрами высокого разрешения с 13 спектральными каналами. Производят съемку одной территории с частотой 1 раз в 5 дней.

landsat-8. Источник:  earthzine.org

Размер пикселя, периодичность съемки, разрешительная способность спектрометра важные характеристики, но в большей мере достоверность получаемых результатов будет зависеть от способа обработки снимков. Применяемые вегетационные индексы определяются эмпирически и базируются на физических свойствах света, отражательной способности растений и других важных характеристиках.

При выборе фирмы, предоставляющей услуги спутникового мониторинга следует обратить внимание на ее опыт, поинтересоваться какие индексы используются для обработки снимков и данные каких спутников обрабатываются.

Недостатки метода

Значительный недостаток метода — зависимость получения данных от облачности. При съёмке один раз в несколько дней отсутствие сведений в пасмурные дни может сказаться на точности и оперативности прогноза.

Кроме того, разрешительная способность при космоснимке ниже, чем при съёмке с дрона, на работу которого не влияет затянутость неба. Использование дрона эффективнее для фермерских хозяйств с небольшим земельным банком.

Съёмка малоинформативна на ранних стадиях вегетации растений. Отражательная способность растений — основа метода, точность которого зависит от количества наблюдаемой биомассы.

Условия роста и развития растений специфичны для разных климатических зон и зависят от множества природных факторов. При обработке снимков учитываются результаты на тестовых участках. Информация со спектральных изображений таких участков поверяется с результатами полевых исследований. Полученные сведения позволяют скорректировать алгоритм обработки для уточнения измерения и прогнозирования количественных показателей (расчет количества биомассы, прогноз урожайности и др.).  

Предложения украинского рынка услуг ДЗЗ

В Украине услуги спутникового мониторинга как правило предлагаются наряду с мониторингом дронами. Спутниковый мониторинг стоит меньше, поскольку для сбора сведений не требуется никаких затрат.

Так компания SmartFarming предлагает услуги спутникового мониторинга за 5 грн/ га. Компания предоставляет клиенту NDVI-карты состояния посевов, векторные карты с указанием зон неоднородности, отчёт по культурам.

Один из мировых лидеров по предоставлению услуг спутникового мониторинга сельскохозяйственных территорий — компания Cropio. Офисы компании есть в четырёх городах Украины, включая Киев. Клиент предоставляет координаты своих полей, информацию о выращиваемых культурах, методах обработки грунта, вносимых удобрениях и др., а также ретроспективную информацию (севооборот, урожайность и др.). На основе этих сведений компания предоставляет индивидуальную модель анализа с ежедневным обновлением прогноза.

Составление карт вегетации, контроль всходов, мониторинг физических повреждений, анализ использования земельного банка на основе спутникового мониторинга предоставляют компании АгроOnline, AgriLab и др.

Компания Xarvio предлагает приложение для телефона Field Manager предоставляющее рекомендации по управлению полевыми работами и информацию об имеющихся рисках на основе обработки спутниковых снимков. Вся информация поступает на мобильный телефон. Система идентифицирует и рассчитывает возможность возникновения характерных заболеваний для пшеницы, ячменя, сахарной свёклы, рапса, картофеля; анализирует риск появления вредителей. Система помогает определить время и норму внесения фунгицидов, формирует карты дифференцированного внесения. Надёжная и экономная защита растений обеспечивается на весь период вегетации.

Еще один способ осуществить мониторинг полей — использовать дроны. Подробнее — в нашем материале.