Применение геоинформационных технологий и методов дистанционного зондирования Земли для оценки состояния сельскохозяйственных культур

В последнее время в Ростовской области наблюдается активное развитие внутрихозяйственного землеустройства, что связано с необходимостью к адаптации к новым экономическим условиям, внедрением современных технологий и повышением требований к качеству сельскохозяйственной продукции. Активизация мероприятий по внутрихозяйственному землеустройству обусловлена требованиями повышения эффективности аграрного производства и улучшения условий для ведения сельского хозяйства. Одним из основных направлений этой работы стало внедрение современных технологий землеустройства, таких как ГИС, которые позволяют более точно и эффективно планировать использование земельных ресурсов, а также контролировать их состояние.
Рассмотрим основные возможности использования методов ГИС и ДЗЗ на примере хозяйств Зимовниковского района ОАО «Племенной завод «Гашунский» и Донагро , расположенного в Миллеровском и Чертковском районе.
Основными источниками информации являются прямые полевые измерения с последующей интерполяцией, а также обработка данных ДЗЗ.
Прямые полевые измерения представляют собой наиболее точный и надежный метод получения данных на уровне отдельного хозяйства или региона. Они позволяют проводить замеры множества параметров, таких как урожайность, плотность посевов, влажность почвы и другие характеристики, непосредственно на местности. Однако данный метод обладает высокой стоимостью, особенно при применении на обширных территориях.
Дистанционное зондирование предоставляет возможность мониторинга различных параметров сельскохозяйственных угодий. Аэрофотосъемка с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и спутниковые снимки позволяют контролировать объем биомассы, оценивать равномерность роста растений, анализировать состояние почвы и другие показатели. Интеграция прямых полевых измерений и данных дистанционного зондирования с использованием ГИС позволяет создавать комплексные и точные модели сельскохозяйственных процессов, способствуя повышению эффективности управления аграрными ресурсами и оптимизации аграрного производства
В большинстве программных средств для обработки ДЗЗ встроен алгоритм расчета NDVI. Применение расчета индекса NDVI обеспечивает повышение точности измерительных данных, а также минимизирует влияние таких факторов, как неоднородность освещения, атмосферная дымка, облачность и поглощение излучения атмосферными компонентами.
Рассмотрим случаи применения индекса NDVI для оценки состояния озимой пшеницы в различные периоды сельскохозяйственного сезона: в начале, середине и конце
В середине вегетационного периода на основании анализа NDVI можно провести оценку состояния агрокультуры на сельскохозяйственных угодьях. Значения индекса в диапазоне от 0,5 до 0,85 свидетельствуют о нормальном состоянии растений. Если значения индекса ниже указанного диапазона, это может указывать на дефицит влаги или недостаток питательных веществ, что требует проведения дополнительных исследований на участке. На основе данных NDVI, характеристик рельефа и других параметров формируются карты для дифференцированного внесения азотных удобрений. Эти карты позволяют выделить зоны с высокой, средней и низкой сельскохозяйственной продуктивностью. Фермер самостоятельно определяет оптимальные нормы внесения удобрений на основе полученных данных.
В качестве исходных данных использованы табличные данные предприятия за 2021, 2022, 2023 и 2024 годы для Зимовниковского района и снимки с 2014 по 2018 год для хозяйства ДонАгро. . Исследование основывается на спутниковых данных, полученных из коллекции Landsat 8-9 OLI-TIRS Collection уровня 2. Для выполнения работы были выбраны данные видимого канала (Band 4 – Red) и ближнем инфракрасном (Band 5 – Near Infrared) с разрешением 30 м. Даты съемок выбирались в соответствии со следующими критериями: отражательные характеристики сельскохозяйственных культур на полях должны максимально отличаться, облачность на снимках не должна превышать 10-20% или отсутствовать. В проекте использована система координат Pulkovo_1942_GK_Zone_7N.
После визуализации в ArcGIS Pro снимки были обрезаны по охвату выбранной территории, представляющей интерес для дистанционного анализа
Для оценки посевов зерновых культур на полях были созданы индексные карты NDVI на основе снимков серии Landsat 8-9 . Индексные карты NDVI полей отражают динамику изменения биомассы пшеницы и биологические особенности. В процессе исследований на основании средних значений NDVI выявлено, что наибольшая степень вегетации приходится на май.
В течение вегетационного периода года динамика NDVI посевов, построенная по мультиспектральным снимкам по месяцам, точно отражала фазы развития озимой пшеницы
В середине сезона по индексу NDVI можно понять, как развиваются растения на поле. Если значения индекса средние и высокие, что соответствует светло-зеленому и зеленому цвету, то вероятнее всего, все хорошо. Визуальная оценка растровых изображений отображают неоднородность развития сельскохозяйственных культур в пределах полей, что показывает неравномерный рост озимой пшеницы. Наличие высоких, нехарактерных для этого вегетационного периода, показателей, вероятно связано с присутствием сорняков. По всем полям наблюдается снижение значений индекса NDVI к моменту созревания посевов
Выводы Индексные карты NDVI наглядно отражают динамику изменения стадий роста озимой пшеницы. Если присутствует неоднородность в границах поля, создаются карты для дифференцированного внесения удобрений с выделением зон, высокой, средней и низкой вегетации для определения нормы внесения.
Динамика сезонных изменений NDVI показывает на прирост биомассы с марта по май, когда вегетационный индекс достигает максимальных значений. В июле происходит резкое снижение значений, что обусловлено наступлением фазы колошения, при которой содержание хлорофилла сокращается и приводит к уменьшению NDVI. На последних стадиях вегетации по индексу NDVI можно определить, какое поле готово к уборке урожая – чем ниже индекс, тем ближе к созреванию участок поля.
В границах полей с посевами озимой пшеницы NDVI показывает сезонную динамику роста зеленой биомассы по мере развития растений и её снижение при созревании зерна. Различия в значениях вегетационного индекса может свидетельствовать о неоднородности отдельных опытных полей.