Геоинформационный мониторинг агроландшафтов по спутниковым данным
Геоинформационный мониторинг агроландшафтов по спутниковым данным
Новосибирская область
ФГБУ «Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии «Планета» обрабатывает информацию с отечественных и зарубежных космических аппаратов (КА) метеорологического, океанографического и природно-ресурсного назначения.
Проголосовало:

Авторы проекта:

Антонов В.Н. (руководитель), Сладких Л.А., Сахарова Е.Ю.

Номинация:

Лучший социально-информационный проект по сохранению природного и историко-культурного наследия

Наименование проекта:

Геоинформационный мониторинг агроландшафтов по спутниковым данным

Описание проекта:

ФГБУ «Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии «Планета» обрабатывает информацию с отечественных и зарубежных космических аппаратов (КА) метеорологического, океанографического и природно-ресурсного назначения.

Основные преимущества использования спутниковых данных: высокая достоверность информации, оптимальная периодичность получения информации, широкий охват исследуемой территории, получение данных в едином стандартизированном виде, возможность накопления статистической информации и дальнейший ретроспективный анализ для оценки состояния посевов. Использование спутниковых данных находит широкое применение в различных областях, в том числе в вопросах информационного обеспечения сельскохозяйственной отрасли. Исследование сельскохозяйственных культур осуществляется посредством измерения приборами, размещенными на борту КА, коэффициентов спектральной яркости подстилающей поверхности. По данным измерениям рассчитываются вегетационные индексы (ВИ), наиболее распространенным среди которых является нормализованный разностный вегетационный индекс (Normalized Difference Vegetation Index, NDVI). Индекс вегетации позволяет осуществлять мониторинг фенологического развития культуры, оценивать состояние посевов на каждый день вегетационного периода, рассчитывать урожайность сельскохозяйственных культур и решать прочие прикладные задачи. Снижение значений ВИ в период активной вегетации свидетельствует о стрессовом состоянии посевов, это может быть поражение посевов вследствие стихийных явлений (град, ливни, вымокание, засуха, пожары, а также поражение вредителями и болезнями).

С 2005 года и по настоящее время в Сибирском центре «НИЦ «Планета» для ряда хозяйств Новосибирской области выполняется расчет урожайности яровой пшеницы на основе обработки значений ВИ (NDVI). Для проведения исследования изначально были выбраны хозяйства разного уровня земледелия (в соответствии с агроклиматическим районированием). Одновременно с приемом и обработкой спутниковой информации проводились синхронные подспутниковые измерения коэффициентов спектральной яркости наземными средствами и наблюдения за состоянием культур. Анализ спутниковых данных (NDVI) и фактической урожайности (за период с 2001 по 2011 годы) показал, что между ними существует достаточно хорошая связь. В 2012 году был разработан алгоритм, который позволяет в соответствии с агрометеорологическим делением получать карты оценки состояния посевов зерновых культур с процентным соотношением каждой градации: плохое, удовлетворительное или хорошее состояние посевов. Район исследования распространяется на сельскохозяйственные угодья юга Западной Сибири, а именно на территории Новосибирской, Омской и Кемеровской областей, а также на территорию Алтайского края. С момента появления всходов на полях и до окончания вегетационного периода карты оценки позволяют в оперативном режиме получать информацию о соотношении каждой из трех градаций, а на основе анализа временного ряда карт оценок можно осуществить анализ динамики развития культур со временем.

Среди основных типов агроландшафтов можно выделить полевой, садовый, лугопастбищный и сельский селитебный. В данной работе главный интерес вызывает полевой тип агроландшафтов, характеризующийся ежегодной вспашкой почвы, внесением удобрений, проведением агротехнических мероприятий. Для реализации работы алгоритма и оптимизации количества вычислений необходимо было исключить из обработки территории неиспользуемых в сельском хозяйстве земель. По спектрально- динамическим признакам распознавания растительности проведена инвентаризация земель земледельческой зоны Западной Сибири, выделены пахотные земли и земли неиспользуемые под посевы и на каждую исследуемую территорию (область, край) подготовлена маска неиспользуемых земель. В данном случае к неиспользуемым землям относятся: лесные массивы, пастбищные луга и сенокосные угодья, населённые пункты, элементы гидрографии и т.д.

Работа алгоритма построена на использовании ВИ, анализ общих закономерностей развития зерновых культур в течение всего вегетационного периода позволил получить пороговые значения индекса NDVI для каждой градации. Помимо маски неиспользуемых земель также при обработке используется маска облачности. Для неисключенных масками пахотных земель значения NDVI делятся на три градации, в соответствии с рассчитанными ранее пороговыми значениями: хорошее состояние посевов, удовлетворительное и плохое. После этого на полученное изображение проецируются элементы гидрографии, административные границы и населённые пункты, формируется легенда карты и выполняется оформление конечного продукта. Алгоритм позволяет отслеживать изменения состояния посевов, происходящих как на территории целой области или края, так и давать более детальную оценку по районам и отдельным хозяйствам.

Для проверки правильности работы алгоритма выполняется сравнение результатов оценки состояния посевов, полученных с помощью дистанционных методов, с данными наземных агрометеорологических маршрутных обследований. Наземные маршрутные обследования проводятся агрометеорологами гидрометеостанций совместно с работниками сельского хозяйства. Стоит отметить, что на территории Кемеровской области наземные обследования проводят только в годы с экстремальными погодными условиями, поэтому наличие дистанционных методов получения информации является особенно актуальным в подобных ситуациях.

География проекта:

Западная Сибирь (земледельческая зона)

Цели и задачи:

Цель: Оперативный спутниковый мониторинг состояния посевов зерновых культур на территории Западной Сибири.

Задачи:

— мониторинг использования земель сельскохозяйственного назначения;

— оценка состояния посевов, как на областном, региональном уровне, так и на уровне отдельных полей;

— помощь в проведении оценки негативного влияния на формирование и развитие посевов внешних факторов, таких как климатические аномалии, негативное воздействие стихийного или техногенного характера (полезно для страховых и оценочных компаний при возмещении ущерба);

— применение мониторинга оценки состояния посевов как элемента в системе регулирования агропромышленного комплекса;

— возможность проведения точечных агротехнических мероприятий (внесение удобрений и подкормок), там где это наиболее необходимо исходя из полученной информации.

Итоги реализации:

В течение вегетационного периода 2016 года в СЦ «НИЦ «Планета» в оперативном режиме проводился мониторинг состояния посевов зерновых культур на территории Западной Сибири, результатом которого являлось создание карт оценки состояния посевов с процентным соотношением каждой градации (хорошее, удовлетворительное и плохое состояние посевов). Всего за данный период было получено порядка 32 карт оценки состояния посевов зерновых культур различного уровня детальности (областные, районные карты и карты с детализацией до отдельных полей), а также по спутниковым данным определялись участки полей со стрессовым состоянием сельскохозяйственных культур. Выполнение оценки состояния посевов с детализацией до отдельного поля стало возможно благодаря использованию автоматических измерений индекса вегетации в реперных точках, созданных специально для каждого тестового хозяйства.

Карты оценки состояния посевов в оперативном режиме передавались в отделы агрометеорологических прогнозов ФГБУ «Западно-Сибирское УГМС», а также районные управления сельского хозяйства. Также данный вид информации актуален для представителей областных и районных органов власти, руководителей агрохолдингов, сотрудников страховых компаний (как инструмент анализа сложившейся ситуации при возмещении ущерба сельхозпроизводителям).

Получены следующие патенты:

1. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015616642 «Программный комплекс «Мониторинг посевов»«;

2. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2015620936 «Маски неиспользуемых земель, созданные по спутниковым данным»;

3. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2015620924 «Формирование и хранение многолетних данных спутниковых измерений, характеризующих состояние сельскохозяйственных культур».

По результатам проведенных исследований в 2016 году был опубликован ряд статей:

1. Сладких Л.А., Захватов М.Г., Сапрыкин Е.И., Сахарова Е.Ю. Технология мониторинга состояния посевов по данным дистанционного зондирования Земли на юге Западной Сибири // Геоматика. — 2016. — №2 (31). — С. 39—48.

2. Sakharova E.Yu., Sladkikh L.A., Kulik E.N. Satellite Monitoring of Grain Crops in the South Part of Western Siberia // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2016. — №9 (7). — P. 1019—1024.

3. Сахарова Е.Ю. Применение спутниковых данных для оценки влияния погодных условий на формирование и развитие сельскохозяйственных культур на территории Новосибирской области // Геодезия и картография. — 2016. — № 7. — С. 31-37.

4. Сахарова Е.Ю., Сладких Л.А., Кулик Е.Н. Идентификация сельскохозяйственных культур по спектрозональным спутниковым данным // Региональные проблемы дистанционного зондирования Земли: материалы III Муждунар. науч. конф. (Красноярск, 13—16 сентября 2016 г.) / науч. ред. Е.А. Ваганов; отв. ред. М.В. Носков. — Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2016. — С. 320—323.

Помимо этого ранее по данной тематике были изданы публикации в материалах 5-ой Международной научно-практической конференции «АГРОИНФО-2012» (2012 г.); X и XI Международного научного конгресса «Интерэкспо ГЕО-Сибирь» (2014 г., 2015 г.);

I и II Международной научной конференции «Региональные проблемы дистанционного зондирования Земли» (2014 г., 2015 г.); журнале СФУ (серия «Техника и технологии», Т.8, №6, 2015).

Результаты работы были доложены на XII Международном научном конгрессе «ИнтерЭкспо ГЕО-Сибирь 2016»; III Международной научной конференции «Региональные проблемы дистанционного зондирования Земли» (доклад был награжден почетной грамотой за II место в конкурсе молодых ученых).

Сроки реализации:

Работа начата с 2012 года и продолжается по настоящее время в течение вегетационного периода с мая по октябрь.