1 Ауыл шаруашылығы дақылдарының мультиспектрлік мониторингінің теориялық негіздері
Ауыл шаруашылығы дақылдарының мониторингіндегі заманауи әрі перспективалы технологиялардың бірі – мультиспектрлік қашықтықтан зондтау. Мультиспектрлік қашықтықтан зондтау зерттелетін объектімен тікелей жанаспай, одан шағылысқан немесе шығарылған электромагниттік сәулеленуді тіркеу арқылы ақпарат алу әдісі болып табылады. Бұл әдістің негізгі мәні электромагниттік сәулеленуді бірнеше спектрлік диапазонда бір мезгілде тіркеуге негізделген. Бұл тәсілдің маңызды ерекшелігі – сәулеленуді тек көрінетін диапазонда ғана емес, сонымен қатар егістіктердің жай-күйі туралы маңызды ақпарат алуға мүмкіндік беретін инфрақызыл спектрлік диапазондарда да тіркейтін мамандандырылған камераларды пайдалану (1-сурет) [1].
1-сурет – Электромагниттік спектр [1]
Адам көзі электромагниттік сәулеленудің көрінетін диапазонын ғана қабылдайды. Бұл диапазон қызыл, жасыл және көк түстерге сәйкес келетін спектрлік аймақтарды қамтиды. Мультиспектрлік камералардың ерекшелігі – дәстүрлі цифрлық түсіріліммен салыстырғанда тіркелетін спектрлік диапазондардың ауқымын кеңейтуінде. Бұл олардың электромагниттік сәулеленудің шағылысу қарқындылығын бірнеше жеке спектрлік арнада тіркеуіне байланысты. Мұндай камералардағы спектрлік арналардың саны құрылғының түрі мен моделіне қарай өзгереді және әдетте оннан аспайды (2-сурет) [2].
2-сурет – Мультиспектрлік кескінді қалыптастыру принципі [2]
Бұл жүйеде өсімдік жамылғысының мониторингі ерекше орын алады. Өсімдіктерді талдау кезінде қызыл, жақын инфрақызыл және «қызыл жиек» (red edge) спектрлік диапазондарының маңызы зор. Бұл диапазондарды таңдау өсімдіктердің спектрлік шағылысу ерекшеліктеріне байланысты. Хлорофилл көрінетін спектрдің қызыл бөлігіндегі сәулеленуді қарқынды сіңіреді, өйткені ол фотосинтез процесінде пайдаланылады. Ал жақын инфрақызыл диапазонда жапырақтың ішкі құрылымының ерекшеліктеріне байланысты сәулеленудің едәуір бөлігі шағылысады. «Қызыл жиек» аймағында өсімдіктердің шағылысу коэффициенті қысқа уақыт аралығында емес, спектр бойынша қызыл диапазоннан жақын инфрақызыл диапазонға қарай күрт артады. Бұл ерекшеліктер өсімдіктердің физиологиялық жағдайын бағалауға мүмкіндік береді (3-сурет) [3].
3-сурет – VIS-NIR диапазонында өсімдік ұлпасының сәулені шағылыстыруы [3]
Мультиспектрлік деректерді алу негізінен спутниктік жүйелер мен мультиспектрлік камералармен жабдықталған ұшқышсыз ұшу аппараттары (ҰҰА) арқылы жүзеге асырылады. Спутниктік жүйелердің мысалы ретінде Sentinel-2 спутниктер тобын келтіруге болады. Спутниктік түсірілімдер кең аумақтарды жүйелі түрде бақылауға және уақыт бойынша өзгерістерді анықтауға мүмкіндік береді. Сондай-ақ, ол жоғары уақыттық ажыратымдылықпен сипатталады, бірақ бұл ретте бір пиксельге орта есеппен 10 метрге жететін шектеулі кеңістіктік ажыратымдылықпен қатар жүреді. Сонымен қатар, спутниктік түсірілімдердің маңызды ерекшеліктерінің бірі – алынатын деректер сапасының метеорологиялық және атмосфералық жағдайларға тәуелділігі. Бұл ретте бұлттылық деректердің сапасына әсер ететін негізгі факторлардың бірі болып табылады.
Деректерді алудың екінші көзі – мамандандырылған мультиспектрлік камералармен жабдықталған ұшқышсыз ұшу аппараттары. Мұндай ұшқышсыз жүйелер жекелеген алқаптардың жиынтық мониторингін, сондай-ақ қажеттілікке қарай алқаптың белгілі бір бөліктерінің жан-жақты мониторингін орындауға мүмкіндік береді. Агроценоздардың жай-күйін зерттеудегі бұл тәсіл спутниктік түсіріліммен салыстырғанда кеңістіктік ажыратымдылығы жоғарырақ деректер алуға мүмкіндік береді. ҰҰА ажыратымдылығы бір пиксельге бірнеше сантиметрге дейін жететін спектрлік суреттерді алуды қамтамасыз етіп, бұл спутниктерге қарағанда әлдеқайда жоғары болып келеді. Сонымен қатар, түсірілімнің төмен биіктікте жүргізілуі бұлттылықтың әсерін азайтуға мүмкіндік береді де, нәтижесінде алынатын мультиспектрлік кескіндердің сапасы артады.
Жүргізілген мультиспектрлік түсірілім нәтижесінде интерпретациялау мүмкіндігі шектеулі «өңделмеген» мультиспектрлік деректер алынады, осыған байланысты оларды талдау үшін вегетациялық индекстерді есептеуге негіз болатын арнайы математикалық түрлендірулер қолданылады. Вегетациялық индекс – өсімдіктердің жай-күйін көрсететін және зерттелетін объектілердің әртүрлі спектрлік диапазондардағы спектрлік шағылыстыру қабілеті негізінде есептелетін сандық көрсеткіш. Өсімдіктердің жай-күйін көрсететін ең көп таралған индекстердің бірі – NDVI. Бұл индекс қызыл және жақын инфрақызыл диапазондардағы шағылысу мәндері негізінде есептеледі. Өсімдік жамылғысының тығыздығы жоғары және жағдайы жақсы болған кезде NDVI мәні бірге жақындайды (4-сурет) [4], ал құрғақшылық немесе ауру сияқты стресстік жағдайлар туындағанда, индекстің мәні төмендей бастайды (5-сурет) [5].
4-сурет – NDVI мәнінің өсімдік жамылғысының жай-күйімен байланысы [4]
5-сурет – Картадағы NDVI көрсеткіштерінің дала жағдайында байқалатын өсімдіктердің жай-күйімен арақатынасы [5]
Дегенмен, NDVI индексінің қолданылуына әсер ететін бірқатар шектеулер бар. Мысалы, өсімдік жамылғысының биомассасы жоғары болған кезде индекстің қанығу құбылысы байқалуы мүмкін. Бұл өсімдіктердің жай-күйіндегі өзгерістерге NDVI сезімталдығының төмендеуіне әкеледі. Осыған байланысты қазіргі зерттеулерде «қызыл жиек» спектрлік диапазонын пайдаланатын NDRE индексі де кеңінен қолданылады (6-сурет) [6]. Бұл индекс өсімдіктердің хлорофилл мөлшері мен физиологиялық жағдайындағы өзгерістерді бағалауға мүмкіндік береді де, әсіресе өсімдік жамылғысы қалың болған жағдайда пайдалы болуы мүмкін. Дегенмен, NDRE көрсеткіштерінің дәлдігі сенсордың спектрлік арналарына, түсіру жағдайларына және өсімдіктердің даму кезеңіне де байланысты.
Вегетациялық индекстер негізінде алынатын нәтижелер көбінесе бірқатар қолданбалы міндеттерді шешу үшін қолданылады. Олардың қатарына мультиспектрлік деректерді өңдеуді және вегетациялық индекстердің өзін тікелей есептеуді жатқызуға болады. Қосымша ретінде егістіктердің жай-күйінің кеңістіктік таралуын визуализациялауды орындау мүмкіндігі де бар, бұл тақырыптық карталарды қалыптастыруға, геоаналитикалық деректер негізінде басқару аймақтарын бөліп көрсетуге, сондай-ақ қосымша тексеруді қажет ететін аумақтарды анықтауға мүмкіндік береді. Алынған нәтижелер дәлме-дәл егіншілік жүйелерінде шешім қабылдауды қолдау үшін пайдаланылуы мүмкін.
6-сурет – Өсімдік жамылғысының спектрлік сипаттамалары [6]
Жалпы алғанда, мультиспектрлік технологиялар аграрлық салада кеңінен қолданылады. Негізінен олар егістіктердің жай-күйін қашықтықтан бағалау, өсімдіктердің стресстік факторларға бейімділігін анықтау, вегетациялық индекстерді пайдалану негізінде өсімдік жамылғысының күйін бағалау үшін қолданылады. Бұл технологиялар тыңайтқыштарды, сондай-ақ өсімдіктерді қорғау құралдары мен суармалы суды саралап енгізу кезінде қолданылатындықтан, дәлме-дәл егіншілікті дамытудың негізі болып табылады. Сонымен қатар, олар алқаптар мен өнімділік аймақтарының карталарын жасау, сондай-ақ өнімділікті болжау және агротехникалық іс-шараларды жоспарлау үшін пайдаланылады. Нәтижесінде өндірістік шығындар азайып, ауыл шаруашылығы өндірісінің тиімділігі айтарлықтай артады.
Осылайша, мультиспектрлік мониторингті цифрлық ауыл шаруашылығының негізгі құралдарының бірі деп айтуға болады, өйткені ол бүкіл шаруашылық ауқымында егістіктердің жай-күйін жедел бағалауға, ресурстарды пайдалануды оңтайландыруға және агроэкожүйелерге түсетін экологиялық жүктемені азайтуға мүмкіндік береді.