Принцип работы «попсового» вегетационного индекса NDVI, полученного с помощью мультиспектральной камеры на БВС.

Прежде чем разобраться, что же такое вегетационные индексы, на примере самого популярного из них, давайте сначала разберёмся - какую информацию может дать нам отраженный свет от поверхности. В нашем случае, поверхностью конечно же будет являться листовая поверхность растения, ведь лист - наиважнейший орган растения, основными функциями которого является фотосинтез, газообмен и транспирация. (рис.1). Правильная работа этих функций залог высокой урожайности (высокая урожайность = высокая прибыль – формула проста).

Рис.1 Лист – основной источник информации о состоянии выращиваемой культуры.

Каждые спектры солнечного света, попадая на листовую поверхность поглощаются и отражаются по-разному. Взаимодействие между падающим солнечным светом и зеленой растительностью строго контролируется пигментами и структурой листьев (рис.2).

Рис. 2 Схематичная изображение листовой поверхности в разрезе.

Конечно же нас будет интересовать самый главный пигмент растения, отвечающий за фотосинтез – хлорофилл (зелёный пигмент). Именно хлорофилл окрашивает хлоропласты растений в зелёный цвет. (рис 3).

Рис. 3 Хлорофилл (зелёный пигмент) под микроскопом.

Кто-нибудь задумывался почему мы видим большинство растений в зелёном цвете?

Все дело в том, что разные спектры солнечного света попадая на листовую пластину отражаются (поглощаются) по-разному благодаря хлорофиллу (рис.4).

Рис.4 Разные спектры солнечного света отражаются и поглощаются по-разному.

Так вот, зелёный спектр, в отличие от других спектров, не сильно проникает в структуру клетки растения и отражается её верхними слоями (благодаря свойству хлорофилла) – это отраженный зелёный спектр попадает на сетчатку человеческого глаза, а сетчатка, в свою очередь, передаёт «информацию» мозгу, что этот объект зелёный. Тоже самое касается отражающей способности других цветов от поверхности (рис. 5).

Рис.5 Фиксация сетчаткой глаза отражённых спектров (RGB – красный, зелёный, синий)

По аналогии с фиксацией отражённого зелёного спектра сетчаткой глаза, были придуманы камеры, которые способными улавливать отражённые спектры солнечного света от поверхности. Эти камеры получили название – мультиспектральные.

Нас будут интересовать пять ключевых спектров солнечного света, фиксированные этими камерами (рис. 6)

• красный
• зелёный
• синий
• красный край
• инфракрасный

Рис.6 Широкополосные диапазоны, улавливаемые мультиспектральной камерой DJI

Знания о связи структуры, состояния растительности с ее отражательными способностями, позволяют использовать снимки с БВС для идентификации типов растительности и их состояния - ведь различное состояние листовой поверхности (обезвоженность, недостаток элементов питания, вирусная деградация, поражённость от вредителей и заболевания и т.п.) будет отражать выше упомянутые спектры по-разному (рис. 7)

Рис. 7 Пример отражающей способности здорового листа и нет

Сейчас на Российском рынке представлены три основных игрока мультиспектральных камер:

1. DJI модель FC6360 (рис.8)
2. MicaSense RedEdge модель Altum, MX, P (рис.9)
3. Parrot Sequoia + (рис.10)

Рис.8 Мультиспектральная камера DJI интегрированная в дрон

Рис.9 Отдельная мультиспектральная камера MicaSense RedEdge-P (новинка)

Рис.10 Отдельная мультиспектральная камера Parrot Sequoia +

Теперь вернёмся к принципу работы нормализованного относительного индекса NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) - показатель количества фотосинтетической активной биомассы на земной поверхности (оценка интенсивности вегетации растений).

Для его расчёта индекса NDVI нам будут необходимы данные с двух камер на мультиспектральной камере (немного тавтологии), улавливающих отраженный спектр в красном и ближнем инфракрасном диапазонах.

Чем лучше себя чувствует растение (хорошая клеточная структура – растению хватает элементов питания, влаги, света, нет негативных факторов, влияющих на его рост) – тем меньше от листовой пластины отражается красный спектр света и сильнее отражается ближний инфракрасный спектр (рис. 11)

И наоборот, если растению не хватает питания, влаги, света, его поражают вредители, заболевания и т.п., тогда лист начинает деградировать – от него начинает сильнее отражаться красный спектр и меньше отражаться ближний инфракрасный спектр (рис. 11).

Рис. 11 Принцип работы вегетационного индекса NDVI

Сам же NDVI – является математической комбинации значений отражений двух спектров (красного и инфракрасного). Так как он является математической комбинацией, то у него есть своя формула:

NDVI = (NIR – Red)/(NIR + Red) - в соответствии с формулой, в определенной точке изображения плотность растительности равняется разнице интенсивностей отраженного света в красном (RED) и инфракрасном диапазоне (NIR), деленной на их сумму интенсивностей.

NDVI рассчитывается по снимкам высокого, среднего и низкого пространственного разрешения, имеющим спектральные каналы в красном (0,55-0,75 мкм) и ближнем инфракрасном диапазоне спектра (0,75-1,0 мкм).

Диапазон значений индекса -1 – 1. Для растительности индекс NDVI принимает положительные значения, чем больше объем фитомассы, тем выше значения индекса.

На значения индекса влияет видовой состав растительности, ее сомкнутость, состояние, экспозиция склонов и угол наклона поверхности, цвет почвы под разреженной растительностью. В случае, если густота растительного покрова более 70 % индекс умеренно чувствителен к изменениям почвенного фона. Если густота растительного покрова меньше 30% и более 80% NDVI применять не стоит.

Наша цель понять, какое будет конечное значение индекса при применении формулы к сшитому ортофотоплану.

Пример:
У нас есть отражённый спектр от листовой поверхности (рис. 11). Здоровый лист отражает 50% спектра NIR и 8% спектра RED, в то время как, засохший лист отражает 40% спектра NIR и 30% спектра RED, чтобы применить эти значения в формуле NDVI, переводим все значения % отражения в десятичную дробь:

50% = 50/100 = 0.5
40% = 40/100 = 0.4
30% = 30/100 = 0.3
8% = 8/100 = 0.08
и вставляем их в нашу формулу:
NDVI = (NIR – Red)/(NIR + Red)
Здоровое растение:
NDVI = 0.5 – 0.08/0.5 + 0.08 = 0.72

Получаем значение индекса 0.72. Мы знаем, чем ближе значение индекса к 1, тем выше биомасса растение (не испытывает негативных факторов). Я ни разу не видел состояние листовой поверхности равную 1, максимум, который встречался в моей практики – это значение биомассы растения = 0.92

Теперь давайте применим формулу к погибшему растению и посмотри, какое значение индекса мы получим там:

NDVI = 0.4 – 0.3/0.4 + 0.3 = 0.14

Получили 0.14, значение NDVI от 0 до 0.15 соответствует головой почве без вегетации, это говорит о том, что растения на этом участке погибли.

Сейчас наступает пора, когда озимые культуры начнут выходить из перезимовки.

Благодаря снимкам с БВС и значению индекса NDVI мы можем оценить качество и состояние перезимовавших растений, какие ошибки в процессе подкормки и посева были сделаны, что ещё необходимо сделать (рис. 12)

Рис. 12 Оценка перезимовки озимой пшеницы по полученным значениям NDVI

Так же по индексу вегетации NDVI можно оценивать состояние выращиваемой культуры в разных фазах его развития, после проведения подкормок, внесения средств защиты растений и т.п. Что же касается применение других индексов вегетации (рис.13), то каждый индекс хорош для своих задач - с помощью одного необходимо выявить влагообеспеченность определённых зон, другой выявляет недостаток влаги в конкретном растении (актуален для лесных массивов),третий более активно показывает содержание азота, четвёртый убирает погрешность от почвенного фона (когда только появляются всходы), пятый наоборот лучше проводит анализ при очень высокой биомассе и т.п, но впрочем, это уже другой материал для следующих статей…

Рис. 13 Примеры формул других индексов вегетации.