Введение

Сельское хозяйство – важнейшая сфера экономики Республики Казахстан, обеспечивающая продовольственную безопасность. Именно на аграрном секторе лежит ответственность за производство достаточного количества сырья и продуктов питания для постоянно увеличивающегося населения страны.

Современные реалии требуют трансформации традиционного землеустройства в цифровое и переориентации его на разработку методики дифференциации территорий по комплексу показателей качества земель с одновременным созданием динамических картографических изображений и базы геопространственных данных по количественным и качественным характеристикам агроэкосистем.

Развитие методов дистанционной диагностики состояния посевов требует разработки не только теоретических основ, но и новых методических подходов к постановке полевых опытов, а так же программно-аппаратного оснащения мониторинга почвенно-растительного комплекса на базе технологии спектральной визуализации.

Дистанционный мониторинг не только даёт возможность улучшить сбор сельскохозяйственной статистики, повышая точность, однородность, объективность и частоту наблюдений, но и позволяет существенно усовершенствовать методы оперативного контроля за состоянием посевов и прогноза урожая, как в глобальном, так и локальном масштабе. Поскольку данные дистанционного мониторинга являются неконтактной информацией, то для достоверной интерпретации полученных значений съемки необходимо использовать данные контактных наземных наблюдений за состоянием посевов. Синхронно полученные данные о фазе развития культуры, сухой и сырой фитомассе, количестве и высоте растений, засоренности, биологической урожайности и т. д. служат критерием точности и нормировки идентификационных параметров дистанционного мониторинга.

Цель исследования: усовершенствование методических основ использования данных дистанционного мониторинга на основе технологии спектральной визуализации для определения диагностических показателей посевов яровой пшеницы в отечественном сельском хозяйстве.

Для достижения цели и успешного выполнения запланированных исследований необходимо было решить следующие задачи:

1) провести дистанционно-контактный мониторинг посевов яровой пшеницы на разных фазах вегетации культуры с помощью применения мультиспектрального и гиперспектрального зондирования, а также стандартных общепринятых методов исследования состояния агроэкосистем;

2) на основе применения многозональных изображений, полученных при мультиспектральной съемке, проанализировать состояние посевов яровой пшеницы, интерпретируя показатели вегетационных индексов и используя информацию, полученную наземными контактными измерениями;

3) изучить пространственно-временную динамику агроценозов на основе учета фитомассы, морфометрических параметров, водного режима и пигментного состава, используя данные дистанционного мониторинга и наземные данные для анализа пространственной структуры посевов яровой пшеницы;

4) исследовать потенциал применения гиперспектральной съемки ближнего радиуса действия для фенотипирования и классификации объектов агроценоза яровой пшеницы, оценки посевов культуры на основе машинного обучения;

5) изучить потенциал гиперспектральной визуализации для обнаружения и идентификации фитосанитарной ситуации в ароценозах исследования, сравнивая с показателями фитосанитарной обстановки, выявленной в посевах яровой пшеницы стандартными методами исследования;

6) сформировать обобщенную модель сегментации мультиспектрального и гиперспектрального изображений, включающей в себя выделение ядра «понимания изображений» в пространстве признаков.

Научная новизна. Интеграция мультиспектральной и гиперспектральной съемки – это новый шаг в развитии сельского хозяйства, данная технология предоставит фермерам почти мгновенную максимально детальную информацию о том, что происходит на поле. Мультиспектральные камеры широко применяются фермерскими хозяйствами по всему миру для мониторинга изменений показателей растительности с использованием видимого и ближнего инфракрасного спектра. Однако, применение гиперспектральной съемки, которая дает детальную информацию по засоренности посевов видами сорняков, показывает степень повреждения культуры фитопатогенами, выявляя точное заболевание растения, имеют лишь локальные научные разработки.

Новизна научного проекта основана на интегрированной системе спектральной оценки агроэкосистем, основанной на контактном мониторинге за состоянием посевов в период всех фаз вегетации яровой пшеницы с применением гиперспектральной съемки, которая ранее не была использована для оценки агроэкосистем, в частности агроценозов яровой пшеницы. Разработанный метод дистанционного мониторинга позволит обнаруживать изменения растительности в агроценозах задолго до того, как они проявятся в видимом спектре.

Практическая значимость. Практическая значимость научно-исследовательской работы основана на разработке комплексной системы дистанционного мониторинга агроценозов яровой пшеницы с подробным научным раскладом полученных экспериментальных данных на основе машинного обучения. Данная интеллектуальная разработка может быть коммерциализована и внедрена в сельскохозяйственные организации, что служит перспективой для активного перехода на точное земледелие в Казахстане.

Монография написана в рамках проекта ИРН AP22784689 «Разработка интегрированной системы дистанционного мониторинга агроценозов яровой пшеницы на основе технологии спектральной визуализации для создания прецизионного земледелия», финансируемого Комитетом науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан.