5 Расчет и анализ вегетационных индексов для оценки состояния сельскохозяйственных культур

Для оценки состояния сельскохозяйственных культур ключевым направлением работы является расчет и анализ вегетационных индексов для дальнейшего анализа.

Современное сельское хозяйство активно внедряет технологии дистанционного зондирования Земли и практическое применение в повседневной работе беспилотных летательных аппаратов. Данные технологии позволяют быстро получать информацию о состоянии посевов, выявлять проблемные участки поля и принимать своевременные решения по уходу за растениями при необходимости. Одним из наиболее эффективных инструментов такого анализа являются вегетационные индексы. Вегетационный индекс представляет собой математический показатель, который рассчитывается на основе отражательной способности растений, фиксируемой в различных спектральных диапазонах. Здоровая растительность активно поглощает красный свет для фотосинтеза и отражает свет в ближнем инфракрасном диапазоне, благодаря этой особенности можно определить степень и стадию развития растений, их обеспеченность питательными веществами, а также выявить наличие стрессовых факторов.

После завершения обработки снимков и построения ортомозаики выполняется расчет вегетационных индексов. Для этого в верхней части левой панели программы выбирается инструмент «Индекс» (рисунок 118), после чего открывается окно «Генератор индексов» (рисунок 119). В качестве исходного слоя выбирается ранее созданная ортомозаика, после чего пользователю становится доступен список вегетационных индексов, перечень зависит от типа используемой камеры. При обработке данных, полученных с мультиспектральной камеры, чаще всего доступными индексами являются такие как: NDVI, NDRE, GNDVI, MCARI, LCI и другие. Если, например, съемка выполнялась только RGB-камерой, можно рассчитать, например, индексы VARI и SIPI2. Для построения карты необходимо отметить нужный индекс и нажать кнопку «Создать» (рисунок 119). После этого программа автоматически выполнит вычисления и сформирует новый тематический слой (например, карту индекса NDVI) (рисунок 120). Для карты вегетационного индекса NDVI также на правой боковой панели доступны разделы «Вид» (рисунок 121) и «Инфо» с ключевыми данными карты (рисунок 122). Дополнительно можно построить карты других вегетационных индексов, которые доступны по умолчанию (рисунок 123) с получением соответствующих тематических карт (рисунок 124-128).

Рисунок 118 – Инструмент «Индекс»

Рисунок 119 – Выбор индекса NDVI по умолчанию в окне «Генератор указателей/индексов»

Рисунок 120 – Сформированная карта индекса NDVI

Рисунок 121 – Раздел «Вид» на правой боковой панели слоя индекса NDVI с выравниванием цветового покрытия

Рисунок 122 – Раздел «Инфо» на правой боковой панели слоя индекса NDVI с ключевыми данными карты

Рисунок 123 – Выбор индексов по умолчанию в окне «Генератор указателей/индексов»

Рисунок 124 – Карта индекса GNDVI

Рисунок 125 – Карта индекса LCI

Рисунок 126 – Карта индекса MCARI

Рисунок 127 – Карта индекса NDRE

Рисунок 128 – Карта индекса SIPI2

Программа также позволяет рассчитывать пользовательские индексы (рисунок 129), для чего используется встроенный калькулятор (рисунок 130). Сначала выбирается исходный слой, как правило, им является ортомозаика, затем в поле «Индекс» вводится название необходимого индекса, где программа автоматически отображает соответствующую формулу расчета или же при необходимости пользователь может самостоятельно составить и указать необходимую формулу, используя доступные спектральные каналы и математические операции (рисунок 131). Перед построением карты можно воспользоваться функцией «Предпросмотр» (рисунок 132), которая позволяет оценить результат вычислений. После проверки параметров нажимается кнопка «Применить» и затем программа создает карту выбранного индекса (рисунок 133).

Полученная карта представляет собой тематическое изображение, где каждому значению индекса соответствует определенный цвет: красные и оранжевые оттенки обычно указывают на низкие значения индекса, что может свидетельствовать о слабом развитии растений, недостатке влаги, дефиците элементов питания или наличии влияния стрессовых факторов; желтые оттенки характеризуют участки со средним состоянием растительности; зеленые оттенки соответствуют хорошо развитым и здоровым посевам с высокой фотосинтетической активностью. При необходимости пользователь может изменить цветовую шкалу в разделе «Вид» на правой боковой панели (рисунок 134): оттенки серого (рисунок 135), Glow (рисунок 136), Turbo (рисунок 137). Также можно настроить диапазон отображаемых значений и уровень прозрачности слоя, что делает анализ карты более удобным.

Рисунок 129 – Выбор функции создания пользовательских индексов

Рисунок 130 – Переход к калькулятору индексов

Рисунок 131 – Выбор исходного слоя и задание формулы индекса в калькуляторе

Рисунок 132 – Предпросмотр карты заданного индекса

Рисунок 133 – Сформированная карта пользовательского индекса

Рисунок 134 – Раздел «Вид» на правой боковой панели слоя индекса NDVI

Рисунок 135 – Отображение карты индекса NDVI в градациях серого

Рисунок 136 – Отображение карты индекса NDVI в цветовом режиме Glow

Рисунок 137 – Отображение карты индекса NDVI в цветовом режиме Turbo

После построения карт результаты можно экспортировать, для чего в верхней панели программы выбирается команда «Экспорт» (рисунок 138), где затем открывается мастер экспорта (рисунок 139). В нем пользователь может поделиться обработанными данными или созданными картами (рисунок 140), выбирать необходимые слои (рисунок 141), сформировать статистические данные (рисунок 142), выбрать межи (рисунок 143) и (или) раннее заданные маркеры (рисунок 144), сохранить изображения (рисунок 145), цвет отображения маркеров (рисунок 146) или создать отчет в формате PDF с выбором содержания (рисунок 147) и слоев (рисунок 148). После выбора слоев нажимается кнопка «Продолжить» и затем настраиваются параметры экспорта: пользователь выбирает тип выходных данных, масштаб изображения и использование пирамид изображений, после этого указывается папка для сохранения результатов. Соответственно, для формирования PDF-отчета используется соответствующий раздел мастера экспорта: сначала выбираются необходимые слои, затем вводится описание проекта, после этого выбирается стандартный или пользовательский шаблон отчета с последующей настройкой параметров отображения. При необходимости изменяется цвет маркеров (рисунок 147), включается или отключается базовая карта и выбирается формат документа (рисунок 148). После завершения всех настроек нажимается кнопка «Экспорт» и экспортируемый отчет сохраняется.

Рисунок 138 – Функция «Экспорт» на верхней панели интерфейса

Рисунок 139 – Боковая панель настроек экспорта

Рисунок 140 – Боковая панель «Поделиться»

Рисунок 141 – Боковая панель выбора слоев для экспорта

Рисунок 142 – Боковая панель статистики слоев для экспорта

Рисунок 143 – Боковая панель выбора межей для экспорта

Рисунок 144 – Боковая панель выбора маркеров для экспорта

Рисунок 145 – Боковая панель выбора параметров снимка для экспорта

Рисунок 146 – Выбор маркеров для экспорта

Рисунок 147 – Боковая панель выбора содержания PDF-отчета для экспорта

Рисунок 148 – Выбор необходимых слоев, указание названия и описания отчета для дальнейшего экспорта

Сформированный отчёт содержит подробную информацию по каждому выбранному слою, включая карты рассчитанных индексов, сведения о проекте, времени и месте выполнения съёмки, GPS-координатах и площади обследованной территории. Для каждого индекса отображается гистограмма распределения значений, легенда цветового отображения, параметры визуализации и основные статистические показатели, позволяющие оценить диапазон и характер распределения полученных значений на исследуемой территории. Такое представление результатов обеспечивает наглядное отображение пространственной неоднородности посевов и позволяет сопоставлять различные участки по значениям соответствующих спектральных индексов. Сформированный отчёт объединяет картографические, пространственные и статистические данные, обеспечивая комплексную оценку результатов мультиспектрального мониторинга и создавая основу для дальнейшей интерпретации состояния сельскохозяйственных культур.

После построения карт выполняется их анализ, где сначала оценивается общее состояние посевов, далее выявляются неоднородные участки поля, после этого сравниваются значения индексов в различных зонах. По результатам проведенного анализа определяются территории, требующие дополнительного обследования и при необходимости выполняется зонирование поля, что позволяет выделять участки с различным состоянием растительности. В результате, на основе полученных зон создаются карты-задания, которые используются для дифференцированного внесения удобрений и средств защиты растений; а также есть возможность экспорта готовых карт в форматы, совместимые с современными системами точного земледелия и сельскохозяйственной техникой.

Таким образом, анализ спектральных индексов позволяет оценить общее состояние посевов, уровень развития растительности и пространственную неоднородность растительного покрова на исследуемой территории. На основе полученных данных определяются участки с признаками стрессового состояния растений, недостатком влаги или возможным дефицитом питательных веществ, а также зоны, характеризующиеся пониженной интенсивностью развития растительности. Сопоставление пространственного распределения значений индексов позволяет выявить наиболее проблемные участки и определить необходимость проведения дополнительного обследования непосредственно в полевых условиях. По результатам комплексного анализа разрабатываются рекомендации по проведению соответствующих агротехнических мероприятий и дополнительного фитосанитарного обследования растений при необходимости определения причин выявленных отклонений. Такой подход позволяет своевременно реагировать на изменения состояния посевов, более рационально использовать имеющиеся ресурсы и повышать эффективность управления сельскохозяйственными территориями.