Проще говоря, NDVI (Normalized difference vegetation index) - это показатель здоровья растения, основанный на том, как растение отражает различные световые волны.

Например, для человеческого глаза растение зеленое, потому что содержащийся в нем хлорофилл отражает зеленые волны. Хлорофилл также поглощает красные волны и поэтому происходит фотосинтез. Другими словами, растение растет и развивается. Клеточная структура растения отражает волны ближнего инфракрасного диапазона. Таким образом, здоровое растение с большим количеством хлорофилла и хорошей клеточной структурой активно поглощает красный свет и отражает ближний инфракрасный. А с больным растением происходит прямо противоположное.

Здоровое растение активно поглощает красный свет и отражает ближнюю инфракрасную область

Чтобы понять состояние здоровья растения, нужно сравнить значения поглощения и отражения красного и инфракрасного света. Для этого используется индекс NDVI. Он рассчитывается по следующей формуле (боковое изображение).

Индекс стал “нормализованным” в 1973 году, когда группа ученых из Техасского университета A&M начала вычислять не отношение инфракрасного света к красному, а отношение их разности к сумме — это фактически современная формула. Это позволило варьировать все значения индекса от -1 до 1, нормализовать их для удобства сравнения. Значения NDVI от -1 до 0 соответствуют таким поверхностям, как снег, вода, песок, камни и объекты инфраструктуры, такие как дороги и дома. Значения NDVI для растений колеблются от 0 до 1.

Что NDVI может рассказать вам на разных этапах сезона?

Важно понимать, что NDVI является показателем здоровья растения, но ничего не говорит о причине того или иного состояния. Вегетационный индекс скорее намекает на то, что сейчас происходит на поле. Рассмотрим три сценария использования NDVI для полевого анализа: в начале, в середине и в конце вегетационного периода.

В начале сезона индекс NDVI помогает понять, как растение пережило зиму.

• Если NDVI ниже 0,15, то, скорее всего, все растения погибли в этой части поля. Как правило, эти цифры соответствуют вспаханной почве без всякой растительности.
• 0,15−0,2-это тоже низкое значение. Это может свидетельствовать о том, что растения начали зимовать в ранней фенологической фазе, еще до кущения.
• 0,2−0,3-это относительно хорошее значение. Вероятно, растения вступили в стадию кущения и возобновили вегетацию.
• 0.3−0.5-это хорошее значение. Тем не менее следует иметь в виду, что высокие значения NDVI могут свидетельствовать о том, что растения зимовали на поздней фенологической стадии. Если спутниковый снимок был сделан до возобновления растительности, то необходимо проанализировать зону и после возобновления растительности.
• Выше 0,5-это ненормальное значение для периода после зимовки. Лучше проверить эту зону поля самостоятельно.

Подводя итог, можно сказать, что если вы видите аномальные значения NDVI (те, которые сильно отличаются от средних значений для данного поля), вам необходимо проверить эту область поля. Вы можете увидеть индекс NDVI для ваших полей, следить за ними и бесплатно оставлять заметки в нашем Android-приложении OneSoil Scouting или на веб-платформеOneSoil . Когда погода безоблачная, изображения обновляются каждые 3-5 дней.

В середине сезона индекс NDVI помогает понять, как растут и развиваются растения. Если значения индекса от средних до высоких (0,5−0,85), то, скорее всего, в этой части поля нет никаких серьезных проблем. Если индекс низкий, вероятно, есть определенные проблемы, такие как недостаток влаги или питательных веществ. Лучше проверить эту часть поля самостоятельно.

Используя индекс NDVI, мы создаем карты дифференцированного применения азота. Мы выявляем участки с низкими, средними и высокими показателями растительности, а затем фермер сам может определить требуемую норму удобрений. По нашему опыту, оптимальная схема применения азота заключается в следующем:

• Если вегетационный индекс в данном районе высок, дозу удобрения следует уменьшить на 10-30% от средней нормы.
• Если вегетационный индекс средний, то дозу удобрения следует увеличить на 20-25% от средней нормы.
• Если вегетационный индекс низкий, то сначала нужно определить его причину.

Мы также используем индекс NDVI для восстановления урожайности на поле. Используя эту информацию, мы создаем карты дифференцированного внесения фосфорных и калийных удобрений.

В конце сезона индекс NDVI помогает определить, какие поля готовы к уборке урожая — чем ниже индекс, тем ближе часть поля находится к стадии созревания. Оптимальное значение индекса в этом случае составит 0,3−0,35. Мы также предполагаем, что индекс NDVI может помочь определить норму предуборочных гербицидов для части поля.

Чтобы проверить нашу гипотезу, мы проводим полевые эксперименты в течение всего 2019 года. Без каких-либо затрат мы будем анализировать поля и разрабатывать файлы заданий для дифференцированного применения семян и пестицидов. Каждый фермер, имеющий необходимую сельскохозяйственную технику, может принять участие в нашем испытании! Просто заполните эту форму в Google. Если вы хотите получить более подробную информацию о целях и схеме эксперимента, пожалуйста, прочтите эту статью.

Плюсы и минусы NDVI

Существует множество растительных индексов, и большинство из них похожи друг на друга. Но NDVI-самый популярный и распространенный, и он также имеет одно важное преимущество: высокое разрешение изображений с данными со спутника Sentinel-2. В таких случаях для расчета индекса NDVI используются каналы с разрешением 10 метров (1 пиксель равен 10 на 10 метров). Те индексы, которые используют дополнительные световые каналы, в основном red age, имеют разрешение 20 метров (1 пиксель равен 20 на 20 метров). В OneSoil мы используем только космические снимки со спутника Sentinel-2.

Одним из недостатков NDVI является то, что индекс теряет чувствительность, когда растение достигает определенного порога развития. Другими словами, если растение развивается очень активно, становится невозможным отличить аномально зеленое растение от “нормально” зеленого. Индекс NDVI также зависит от погоды: если облака нависают над полем в течение длительного времени, изображение со спутника будет неясным. Однако это справедливо для любого индекса, а не только для NDVI. Чтобы решить эту проблему, мы в OneSoil используем радиолокационные данные со спутника Sentinel-1 для некоторых задач, таких как распознавание культур.