Оперативное решение задач космического мониторинга зерновых культур
в Южном Казахстане на основе данных Sentinel-2, Landsat-8, PlanetScope

Производство зерновых культур является основной отраслью земледелия в Казахстане. Современные средства дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) позволяют получать оперативную пространственную информацию о проведении сельскохозяйственных работ на полях, состоянии и прогнозировании урожайности сельскохозяйственных культур на больших площадях. Преимущество использования данных ДЗЗ заключается в возможности получения оперативных отчетов по площадям и срокам сева и уборки на полях, происходящих изменениях в развитии и состоянии сельскохозяйственных культур на определенные даты и в целом за вегетационный период в виде карт-схем, таблиц и графиков на различном административном уровне (поле, хозяйство, район, область).
Землепользование Южного Казахстана охватывает земледельческие районы Алматинской, Жамбылской, Туркестанской, Кызылординской областей. Осуществление спутникового мониторинга зерновых культур на юге РК сталкивается с рядом особенностей региона, которые выражаются в большом наборе сельскохозяйственных культур: озимые и ранние яровые зерновые культуры, поздние зерновые культуры (кукуруза, рис), масличные (сафлор, подсолнечник, соевые бобы), бахчевые, овощные, корне- и клубнеплоды, технические культуры (сахарная свекла, хлопчатник), многолетние и однолетние сеяные травы и др.. Площадь сева озимых и яровых зерновых культур (согласно статистическим данным), составляет в южных областях Казахстана более 1 млн. га или свыше 40 % от всех засеваемых площадей. Объектом наших исследований являются посевы ранних зерновых культур, которые представлены озимыми зерновыми (основная культура озимая пшеница) и ранние яровые зерновые (преимущественно яровой ячмень, незначительно яровая пшеница, овес, просо, зернобобовые). Основные площади ранних яровых и озимых зерновых культур на юге РК располагаются в Алматинской, Жамбылской, Туркестанской областях, где посевы возделываются преимущественно на полях в богарных условиях, и на очень небольших площадях в севооборотах в орошаемой зоне.
Космический мониторинг зерновых культур предусматривает подготовку оперативных отчетов в виде карт-схем и таблиц векторного и растрового формата:
- посевные площади и сроки сева и уборки сельскохозяйственных культур с недельной детализацией;
- определение площадей парования полей;
- оценка состояния отдельно для маски озимых зерновых культур и яровых зерновых культур;
- оценка степени засоренности посевов;
-прогноз урожайности озимых и яровых зерновых культур.
Для решения тематических задач по зерновым культурам была разработана Технология по проведению спутникового мониторинга зерновых культур в Южном Казахстане, которая предусматривает совместное использование спутниковой и наземной информации. На юге РК, в отличие от северного региона республики с огромными полями по 400- 600 га и более, посевы расположены на небольших по площади полях (по 50-200 га - в богарной зоне и крайне мелких орошаемых поля от 0,5-3,0 до 4,0-5,0 га – в зоне орошения. Поэтому использование информации одной спутниковой системы является недостаточным условием. Основная часть исходных данных дистанционного зондирования, используемых для различных задач спутникового мониторинга зерновых культур в Южном Казахстане представлена космоснимками Sentinel-2, Landsat-8, с периодичностью от 3 до 8 дней. Спутниковые данные позволяют корректно и оперативно отслеживать недельные итоги посевной и уборочной кампании в южных областях РК. Для орошаемых территорий с наличием многочисленных мелких полей применяются дополнительно снимки высокого разрешения от источника PlanetScope (3 м). Оценка уборочных площадей зерновых культур проводилась по космоснимкам Sentinel-2, в отдельных случаях Landsat – 8 за период июль-август, а с сентября для формирования ежедневных отчетов были задействованы дополнительно снимки PlanetScope.
Решение разнообразных задач по космическому мониторингу зерновых культур требует в условиях каждого года корректировки маски сева озимых и яровых сельскохозяйственных культур, а в вегетационный период на колошение – цветение зерновых культур – дистанционное уточнение и выделение маски озимых зерновых культур (преимущественно посевы озимой пшеницы) и ранних яровых зерновых (преобладает яровой ячмень).
Дистанционная оценка маски полей озимых и яровых сельхозкультур основана на анализе мельчайших различий в спектральных характеристиках засеянных полей, которые проявляются на космоснимках при распашке полей в период проведения осенних или весенних полевых работ. Для озимых посевов оценочным периодом осенью является период с сентября по ноябрь, совпадающий с осенней распашкой и севом полей и началом вегетации озимых посевов, и апрель – июнь, когда происходит выраженное увеличение биомассы у озимых посевов и значений NDVI. Для яровых зерновых посевов оптимальный период для их распознавания наступает в южных областях Казахстана с мая по июнь, когда у многих видов посевов происходит активный рост и накопление биомассы растений.
Методическую основу для распознавания зерновых посевов составляют полевые измерения и наблюдения в сочетании с индексами отношений спектральных яркостей: вегетационные индексы с поправкой на влияние почв и атмосферы (NDVI, классификация на основе преобразования Tasseled Cap, и др.), экспертное дешифрирование на основе различных комбинаций каналов («естественные», «искусственные цвета»). Для зоны предгорных районов для выделения определенных классов объектов также использовалось преобразование Tasseled Cap, которое представляет комбинацию каналов для спутников Sentinel-2 (2-4,8,11,12) и Landsat-8 (2-7), и является эффективным методом обработки многоспектральных снимков. На основе коэффициентов преобразования для конкретной съемочной системы, было выполнено дешифрирование полученных снимков с более высокой точностью. В качестве примеров, в работе продемонстрированы некоторые результаты распознавания маски озимых и яровых зерновых культур на основе преобразования Tasseled Cap, а также с использованием разновременного композита снимков Sentinel-2 за поздне - весенний и ранне- летний период, а также с использованием комбинаций каналов «натуральные цвета» (12,8,3) и «псевдоцвета» (8,4,3) на разные весенние периоды вегетации посевов. Для более качественного и детального разделения сельскохозяйственных культур по видовому составу методикой предусмотрен учет условий фенологического развития растений на основе анализа динамики развития сельскохозяйственных культур по серии снимков, получаемых в течение вегетационного периода и данным результатов маршрутного обследования. Полученные окончательные маски посевов озимых зерновых культур и ранних яровых зерновых культур, составляют основу для выполнения последующих тематических задач по растениеводству.
Решение задач мониторинга на основе ДЗЗ учитывает различия произрастания зерновых культур в отличающихся почвенно-климатических зонах и различных формах рельефа (равнинные степные засушливые районы с богарным земледелием и на орошении; предгорные долины и распаханные хребты, высотой от 600 - 800 до 1000-1200 м над уровнем моря). Для учета особенностей возделывания, роста и развития посевов территория Южного Казахстана была районирована на однородные зоны увлажнения в 2018 г., с учетом рельефа местности. Определение однородных агрометеорологических условий в 2018 году проводилось на основе сумм активных температур, количества осадков и расчетов значений гидротермического коэффициента Г. Т. Селянинова (ГТК) за период с апреля по июнь 2018 г. Для учета условий осенней вегетации озимых культур также был рассчитан коэффициент увлажнения К, включающий в себя дополнительно суммы осадков за предшествующий осеннее-зимний период с сентября 2017 г. по март 2018 г. Для анализа результатов также привлекались данные карты-схемы рельефа местности, выраженные значениями высот над уровнем моря (м). Проведенный анализ агрометеорологических условий 2018 г. позволил районировать территорию Южного Казахстана на влажные, засушливые зоны, в отдельных случаях выделить территории с переходными зонами увлажнения и орошаемым земледелием. В пределах выделенных различных зон увлажнения были разработаны маршруты обследования посевов зерновых культур.
Наземные обследования в Туркестанской, Жамбылской, Алматинской областях были проведены с 25 мая по 14 июня 2018 г. Они были приурочены к накоплению максимальной биомассы посевов на колошение и начало налива зерна. В границах выделенных зон увлажнения и рельефа были обследованы различные классы состояния, оценены элементы продуктивности и засорение зерновых культур. Всего было обследовано более 2000 полей с различными сельхозкультурами (озимая пшеница, яровой ячмень, кукуруза, рис, масличные, технические культуры, бахчевые, многолетние травы и др.). При обследовании по основным зерновым культурам были определены GPS-координаты полей, фенологическое развитие, высота, густота, продуктивность колоса, степень засоренности, повреждения неблагоприятными погодными условиями или болезнями. На тестовых полях для каждого класса состояния посевов оценена величина биологической урожайности для районов с влажными, засушливыми условиями и для орошаемых территорий.
Для решения задач мониторинга по оценке состояния и прогнозированию урожайности зерновых культур в районах Южного Казахстана разработана и применена технология последовательной обработки спутниковой и наземной информации в 2 этапа. На первом этапе выполняется расчет площадей различного класса состояния зерновых посевов на уровне районов на основе максимальных за вегетационный период значений NDVI по Sentinel-2, наземной информации (данные обследования, статистическая и агрометеорологическая информация). На втором этапе, расчет прогнозируемой урожайности отдельно для маски озимых зерновых и ранних яровых зерновых культур по районам и областям в зависимости от оцененных площадей различного состояния зерновых по районам, значений NDVI, а также наземной биологической урожайности для разных классов состояния посевов и зон увлажнения.
Классификация состояния посевов озимых зерновых и ранних яровых зерновых культур с учетом агрометеорологических условий 2018 г. была проведена на основе пороговых значений и корреляционных зависимостей индекса NDVI по Sentinel-2, (по отдельным непокрытым снимками территориям или облачным районам по данным Landsat – 8) за период с мая по июнь, верифицированными с наземными данными.
Совместный анализ значений NDVI и наземных данных отдельно для масок озимых и яровых зерновых культур с учетом зональных особенностей, позволил определить пороговые значения NDVI и оценить состояние посевов по 4 классам (отличное, хорошее, удовлетворительное, плохое). По данным ДЗЗ и наземной информации класс посевов с очень плохим состоянием в агрометеорологических условиях 2018 г. отсутствовал. Площади каждого класса состояния посевов отдельно для маски полей озимых зерновых и ранних яровых зерновых культур в пределах отдельно взятой области были рассчитаны на основе программного продукта ArcGis. Полученные площади классов состояния посевов, значения NDVI на максимум биомассы на полях и данные наземных обследований по биологической урожайности соответствующих классов полей в разных зонах использовались в качестве методической основы для подготовки спутникового прогноза урожайности зерновых культур в разрезе районов южных областей РК. Таким образом, прогноз урожайности озимых и яровых зерновых культур выполнен преимущественно по космоснимкам Sentinel-2 на основе оценки сезонного максимума величины вегетационного индекса NDVI для различных классов состояния посевов с учетом зональных особенностей произрастания посевов в условиях 2018 г. При подготовке прогнозов и площадных данных используется также статистическая информация в разрезе районов южных областей Казахстана за последние 5 лет.
В настоящей работе демонстрируются результаты космического мониторинга зерновых культур в условиях 2018 г., выполненного на основе сочетания данных спутников Sentinel-2, с привлечением космоснимков Landsat – 8, PlanetScope. В качестве примеров, приводятся карты-схемы и табличные данные спутниковой оценки площадей сева, темпов и площадей уборочных работ, парования полей, состояния и прогнозной урожайности зерновых культур по отдельным районам и областям в Южном Казахстане для погодных условий 2018 г. и верификация результатов. По результатам космического мониторинга и наземным данным в 2018 г. определено, что на преобладающей территории Южного Казахстана рост, развитие и формирование урожайности зерновых культур проходили при благоприятных агрометеорологических условиях. В связи с этим состояние посевов в Акмолинской и Жамбылской областях на 67-73 % площади зерновых культур оценено как хорошее и отличное, на 26-30 % - удовлетворительное, и только на 1-3 % - плохое. В Туркестанской области из-за засушливых условий в отдельных равнинных районах состояние посевов оценивается несколько хуже. Здесь у 51 % -состояние хорошее и отличное, у 35 % площади – удовлетворительное и у 14 % площади – плохое. Соответственно и прогнозируемые значения урожайности зерновых культур по данным ДЗЗ и наземной информации в этой области оказались ниже, чем в двух других южных областях: Туркестанская область – 16-17 ц/га, в Алматинской, Жамбылской областях – свыше 20-22 ц/га, погрешность прогноза 6-9 %. По мере созревания посевов в зависимости от сроков сева и условий вегетации к массовой уборке зерновых культур приступили в начале июля и продолжались уборочные работы в горных зонах южных областей до сентября. К началу октября уборка ранних зерновых культур в 2018 г. была завершена. По данным космического мониторинга подготовлены карты-схемы размещения убранных полей по срокам уборки, а также рассчитаны площади уборки зерновых культур по неделям в виде таблиц и графиков в разрезе районов Южного Казахстана.
В результатах спутникового мониторинга крайне заинтересованы сельскохозяйственные государственные организации, страховые компании, банковские структуры, аграрные биржи и корпорации, занимающиеся поставками зерна на внутренний рынок и на экспорт, а также непосредственно сами сельхозпроизводители в хозяйствах.