3 Анализ пространственно-временной динамики агроценозов яровой пшеницы с использованием данных дистанционного мониторинга и наземных наблюдений

В рамках реализации научного проекта ИРН AP22784689 в 2024–2026 гг. исследована пространственно-временная динамика агроценозов яровой пшеницы с применением методов мультиспектрального дистанционного зондирования и контактных наземных наблюдений. Исследования направлены на изучение закономерностей изменения спектральных характеристик растительного покрова в различные фазы вегетации, оценку пространственной неоднородности посевов, выявление участков с признаками физиологического угнетения растений и совершенствование методов интерпретации дистанционных данных в системе прецизионного земледелия.

Методологической основой исследования являлось комплексное использование мультиспектральных изображений, полученных с применением беспилотных летательных аппаратов, и результатов наземных агробиологических и фитосанитарных обследований. Такой подход обеспечивает возможность сопоставления спектральных показателей с фактическим состоянием растений, учитывая фенологические особенности культуры, условия произрастания, агротехнологические мероприятия и воздействие стрессовых факторов различного происхождения.

Оценка динамики состояния посевов осуществлялась на основе анализа вегетационных индексов NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), EVI (Enhanced Vegetation Index), NDRE (Normalized Difference Red Edge Index), GNDVI (Green Normalized Difference Vegetation Index), а также индекса листовой поверхности LAI (Leaf Area Index). Совместное использование указанных показателей позволяет комплексно характеризовать развитие фотосинтетического аппарата, изменение содержания фотосинтетических пигментов, пространственную неоднородность растительного покрова и возможные отклонения от нормального физиологического состояния растений.

Особое значение при интерпретации результатов имело разграничение сезонной и межгодовой изменчивости спектральных характеристик. Сезонная динамика определялась последовательной сменой фенологических фаз яровой пшеницы, тогда как межгодовые различия могли быть обусловлены изменением метеорологических условий, водообеспеченности растений, агротехнологических приёмов и фитосанитарной обстановки. Для корректного сопоставления результатов разных лет необходимо учитывать даты съёмки, фенологическую фазу культуры, условия освещения и сопоставимость радиометрической обработки изображений.

Общая схема пространственно-временного мониторинга агроценозов яровой пшеницы за 2024–2026 гг. представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Концептуальная схема комплексного анализа пространственно-временной динамики агроценозов яровой пшеницы с использованием данных дистанционного мониторинга и наземных наблюдений в 2024–2026 гг.

3.1 Пространственно-временная динамика агроценозов яровой пшеницы в 2024 году

В вегетационный период 2024 года выполнен ретроспективный анализ мультиспектральных данных дистанционного мониторинга агроценозов яровой пшеницы за май–август. Особое внимание уделялось изучению сезонной изменчивости спектральных показателей и установлению их взаимосвязи с фенологическими особенностями развития растений.

На начальном этапе вегетации, охватывающем май и начало июня, наблюдалось активное формирование вегетативной массы растений. Согласно представленным результатам, значения NDVI находились в пределах 0,45–0,55, EVI – 0,35–0,45, NDRE и GNDVI – около 0,48–0,52. Указанные показатели соответствовали периоду развития листового аппарата и формирования растительного покрова. Значения LAI варьировали от 2,0 до 2,8, характеризуя увеличение площади ассимиляционной поверхности растений.

В период выхода в трубку, приходившийся на конец июня и начало июля, отмечалось увеличение вегетационных индексов. Значения NDVI достигали 0,65–0,70, NDRE и GNDVI – 0,55–0,60, а LAI возрастал до 4,0–4,5. Такая динамика свидетельствовала об увеличении площади фотосинтетически активной поверхности и дальнейшем развитии надземной биомассы. Пространственные различия индексных значений могли отражать неоднородность густоты стояния растений, условий минерального питания, водообеспеченности и применяемых агротехнологических приёмов.

В фазу колошения, наблюдавшуюся в июле, зарегистрированы максимальные значения исследуемых показателей. NDVI достигал 0,75–0,80, NDRE – 0,60–0,65, GNDVI – 0,62–0,68, LAI – 5,0–5,5. Увеличение индексов соответствовало периоду интенсивного развития листового аппарата и формирования высокой плотности растительного покрова.

В конце июля на отдельных участках отмечалось снижение NDVI до 0,55–0,60. Такие изменения могли быть связаны с пространственной неоднородностью влагообеспеченности, локальным угнетением растений и воздействием стрессовых факторов. Однако установление конкретных причин снижения индекса требует сопоставления дистанционных данных с результатами наземных обследований.

В августе, в период созревания яровой пшеницы, отмечалось закономерное снижение значений вегетационных индексов, связанное с процессами физиологического старения растений, деградацией хлорофилла и перераспределением ассимилятов в генеративные органы. NDVI и EVI уменьшались до 0,40–0,50, NDRE и GNDVI – до 0,42–0,48, LAI – до 3,0–3,5.

На отдельных участках зафиксированы пониженные значения NDVI, составлявшие 0,31–0,38. Согласно материалам исследования, такие зоны пространственно совпадали с участками распространения фитопатологических поражений и повреждений растений вредителями. Вместе с тем снижение значений вегетационных индексов не является специфическим диагностическим признаком отдельного заболевания и должно интерпретироваться с учётом фенологической фазы растений и результатов фитосанитарной экспертизы.

Анализ временных рядов, представленный в материалах проекта, показал более раннее изменение NDRE и GNDVI по сравнению с NDVI при воздействии стрессовых факторов. Указанный временной интервал составлял 5–7 суток. Для подтверждения данной закономерности как устойчивого диагностического признака необходимо учитывать повторность наблюдений, даты регистрации отклонений и результаты наземной диагностики.

В представленном анализе также приведены коэффициенты корреляции между индексными показателями в диапазоне r = 0,84–0,89. Эти значения характеризуют согласованность исследуемых спектральных и биофизических характеристик, однако их статистическая интерпретация должна учитывать объём выборки, используемый метод корреляционного анализа и уровень значимости.

Таким образом, результаты мониторинга 2024 года характеризуют выраженную сезонную динамику состояния агроценозов яровой пшеницы, сопровождающуюся последовательным увеличением индексных показателей в период активной вегетации и их последующим снижением на этапе созревания. Полученные данные формируют основу для дальнейшего анализа пространственной неоднородности посевов и сопоставления результатов последующих вегетационных сезонов.

3.2 Пространственно-временной мониторинг агроценозов яровой пшеницы в 2025 году

В 2025 году исследования были ориентированы на дальнейшее развитие комплексного подхода к оценке состояния агроценозов яровой пшеницы на основе сочетания дистанционного зондирования и контактных методов фитосанитарного мониторинга.

В рамках данного подхода особое значение приобретает пространственная интерпретация мультиспектральных изображений, позволяющая выделять относительно однородные зоны растительного покрова и участки с отклонениями спектральных характеристик. Анализ индексных карт NDVI, NDRE и GNDVI обеспечивает возможность предварительного определения территорий, требующих более детальных наземных обследований.

Особое внимание необходимо уделять оценке пространственного распределения вегетационных индексов в пределах отдельных полей. Участки с высокими значениями индексов могут характеризоваться развитым фотосинтетическим аппаратом и высокой плотностью растительного покрова, тогда как зоны пониженных значений могут отражать недостаточное развитие растений, влияние почвенного фона, дефицит влаги, нарушения минерального питания либо воздействие биотических факторов.

Важной особенностью комплексного анализа является необходимость подтверждения предварительно выявленных спектральных аномалий методами наземной диагностики. Для этого могут использоваться результаты учёта распространённости и интенсивности развития болезней, численности вредителей, степени засорённости, а также биометрических и физиологических измерений растений.

Сопоставление дистанционных и контактных данных позволяет переходить от общего картографирования неоднородности растительного покрова к биологически обоснованной интерпретации причин наблюдаемых изменений.

В контексте реализации проекта мультиспектральные материалы также представляют интерес как информационная основа для выбора репрезентативных участков последующего гиперспектрального обследования. Применение гиперспектральной визуализации обеспечивает более детальное изучение спектральных характеристик растений и фитосанитарных объектов на уровне отдельных образцов и участков растительных тканей.

Для количественной характеристики результатов мониторинга 2025 года необходимо дополнительно представить диапазоны и средние значения вегетационных индексов, площади выделенных зон, сроки проведения съёмки и результаты наземной проверки. Это позволит выполнить достоверное сопоставление спектральных показателей с результатами предыдущего вегетационного сезона.

3.3 Комплексная оценка пространственной структуры посевов яровой пшеницы в 2026 году

Исследования заключительного года реализации проекта имеют особое значение для обобщения разработанных методических подходов и оценки возможностей интегрированной системы дистанционного мониторинга агроценозов яровой пшеницы.

На данном этапе принципиальное значение приобретает совместная интерпретация мультиспектральных изображений, результатов гиперспектральной визуализации и контактных наземных наблюдений. Такая интеграция позволяет формировать более полное представление о пространственной неоднородности посевов, выявлять диагностически значимые участки и совершенствовать методы принятия агротехнологических решений.

Мультиспектральный мониторинг обеспечивает получение пространственно распределённой информации о состоянии растительного покрова на уровне поля. Гиперспектральная визуализация позволяет детализировать оптические характеристики отдельных растений и фитосанитарных объектов, а наземные исследования выполняют функцию биологической верификации установленных спектральных различий.

При анализе индексных карт особое внимание уделяется пространственной устойчивости зон с пониженными значениями вегетационных показателей. Повторное обнаружение спектральных аномалий на одном участке может свидетельствовать о действии устойчивых факторов неоднородности, однако их природа должна определяться с использованием дополнительных агробиологических данных.

Значительную практическую ценность представляет преобразование результатов мультиспектрального мониторинга в тематические карты и карты дифференцированного управления. Методика их построения предполагает классификацию растительного покрова по совокупности диагностических показателей, определение границ однородных зон и последующее формирование пространственных рекомендаций по проведению агротехнологических мероприятий.

При этом индексные значения не должны непосредственно интерпретироваться как нормы внесения удобрений или средств защиты растений. Разработка карт-предписаний требует дополнительного учёта результатов агрохимического анализа, фитосанитарных обследований, характеристик почв и технологических параметров сельскохозяйственной техники.

Представление фактических карт и количественных результатов за 2026 год позволит оценить возможности разработанного методического подхода применительно к условиям заключительного вегетационного сезона и определить его практическое значение для перехода к прецизионному земледелию.

3.4 Обобщение результатов пространственно-временного мониторинга за 2024–2026 годы

Комплексный анализ результатов дистанционного мониторинга агроценозов яровой пшеницы за трёхлетний период предусматривает сопоставление сезонной и межгодовой изменчивости спектральных характеристик растительного покрова с результатами контактных наземных наблюдений.

Методологически важным является использование единой системы пространственной привязки, сопоставимых способов радиометрической обработки снимков и унифицированных подходов к расчёту вегетационных индексов. Это необходимо для разграничения реальных биофизических изменений растительности и различий, обусловленных условиями получения и обработки дистанционных данных.

Особое значение в интегрированной системе имеет взаимодополняющий характер используемых технологий. Мультиспектральная съёмка позволяет осуществлять оперативное картографирование состояния посевов на больших площадях и определять пространственную структуру спектральной неоднородности. Гиперспектральная визуализация обеспечивает получение детализированных спектральных характеристик объектов исследования, а контактные методы позволяют установить биологическую природу наблюдаемых изменений.

Совместное использование данных различных уровней пространственного и спектрального разрешения создаёт методическую основу для перехода от описательной оценки состояния посевов к пространственно дифференцированному управлению агротехнологическими процессами.

Практическая значимость такого подхода заключается в возможности повышения адресности фитосанитарных обследований, оптимизации маршрутов полевых исследований, выделения проблемных участков и формирования информационной базы для разработки карт-предписаний.

Таким образом, результаты исследования 2024 года и методические направления последующих этапов формируют основу для комплексной оценки состояния агроценозов яровой пшеницы на основе интеграции дистанционных и наземных данных. Окончательная количественная оценка межгодовых закономерностей, достоверности выявленных спектральных различий и эффективности применения интегрированной системы должна основываться на сопоставимых экспериментальных материалах всех трёх вегетационных сезонов.

3.5 Контактные методы верификации данных мультиспектрального мониторинга

Для обеспечения достоверности интерпретации результатов мультиспектрального дистанционного зондирования агроценозов яровой пшеницы в 2024–2026 гг. применялся комплекс контактных (наземных) методов исследования, направленных на установление взаимосвязей между спектральными характеристиками растительного покрова и фактическим агробиологическим и фитосанитарным состоянием посевов.

Методологический подход основывался на сопряжённом использовании данных мультиспектральной съёмки и результатов наземных обследований, выполняемых в основные фенологические фазы развития яровой пшеницы. Синхронизация дистанционных и контактных наблюдений обеспечивала возможность сопоставления пространственно распределённых значений вегетационных индексов с количественными и качественными характеристиками растений.

Наземные исследования включали фенологические наблюдения, биометрические измерения, оценку фитосанитарного состояния посевов и регистрацию отдельных агроэкологических факторов. Фенологическое состояние растений определялось с учётом основных этапов онтогенеза, включая кущение, выход в трубку, колошение, цветение и созревание. Биометрическая оценка предусматривала определение высоты растений, густоты стояния, надземной фитомассы и характеристик листового аппарата.

Фитосанитарное обследование осуществлялось посредством визуальной диагностики симптомов заболеваний, учёта повреждений растений вредителями и оценки распространения сорной растительности. Полученные показатели использовались для установления возможных причин пространственной неоднородности спектрального отражения и уточнения характера выявленных стрессовых изменений.

Особое внимание уделялось сопоставлению результатов наземных измерений с индексами NDVI, NDRE, GNDVI, EVI и расчётным показателем LAI. При этом NDVI использовался для характеристики общего состояния растительного покрова, NDRE и GNDVI – для анализа изменений спектральных свойств, связанных с состоянием фотосинтетического аппарата, EVI – для дополнительной оценки растительности с учётом влияния фоновых факторов, а LAI – для характеристики площади листовой поверхности.

Для пространственного сопряжения контактных и дистанционных данных использовалось сопоставление мест проведения наземных наблюдений с соответствующими участками индексных карт. Такой подход позволял оценивать согласованность спектральных показателей и фактических характеристик растительного покрова, выявлять участки с аномальными значениями индексов и уточнять причины их формирования.

Наземная верификация имела принципиальное значение при интерпретации зон пониженных значений вегетационных индексов, поскольку спектральные изменения растительности могут быть обусловлены различными факторами, включая недостаток влаги, нарушения минерального питания, развитие заболеваний, повреждения вредителями и особенности фенологического состояния растений.

Таким образом, применение контактных методов верификации обеспечивало биологическую обоснованность интерпретации мультиспектральных данных и формировало методическую основу для комплексной оценки пространственно-временной динамики агроценозов яровой пшеницы. Совместное использование дистанционных и наземных наблюдений способствовало повышению достоверности выявления пространственной неоднородности посевов и обоснованию выделения диагностически значимых участков для последующего гиперспектрального анализа.