Геоинформационный анализ влияния сорных компонент посева озимой пшеницы на значения вегетационного индекса NDVI (Planet Lab)

ВВЕДЕНИЕ
Современный этап развития земледелия, характеризуется цифровизацией основных производственных процессов, с целью создания условий для получения экологически чистой сельскохозяйственной продукции, а также повышения его устойчивости с приоритетом охраны земельных и водных ресурсов на сельских территориях от их деградации. Реализация такого тренда базируется на применении цифровых технологий ведения земледелия, основанных на триаде «Геоинформационные технологии – Дистанционное зондирование Земли – Глобальные навигационные спутниковые системы» (ГИС-ДЗЗ-ГНСС). Одно из направлений развития такого экологически дружественного цифрового земледелия направлено на снижение недружественной химической нагрузки на объекты окружающей среды за счет глубокой модернизации традиционных технологий управления сорной компонентой агрофитоценозов посредством прецизионной идентификации, локализации и дезактивации ее экземпляров. Для создания соответствующих технологии ведется разработка методов ведения автоматизированного оперативного мониторинга с использованием сенсоров, расположенных на аэрокосмических и/или мобильных наземных самодвижущихся платформах, и методов обработки видеоданных, получаемых с этих сенсоров, с помощью технологий машинного обучения и интеллектуального анализ изображений.

ОБЪЕКТ
В представленном исследовании были использованы массивы пространственных данных группировки спутников Planet Lab для территории центра Точного земледелия (ЦТЗ) Опытной полевой дачи РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. Объектами исследования были посевы озимой пшеницы, возделываемые на опытных делянках поля № 4 ЦТЗ с площадью порядка 2,4 га. Это поле является одним из 4-х полей четырехпольного севооборота, на которых в последние 10-ть лет исследуется влияние основной обработки почвы (отвальная, минимальная, нулевая) на вегетационные характеристики 4-х возделываемых культур (картофель, ячмень, вико-овсяная смесь, озимая пшеница). В рамках этого многолетнего опыта 10.05.2018 на 4-х делянках с двумя вариантами обработки почвы под посев озимой пшеницы поля № 4, был проведен фитосанитарный учёт СК. В этот момент времени посевы озимой пшеницы на обоих вариантах обработки находились в фазе выход в трубку - колошение, а основной вид СК, представленный костром безостым – в фазе цветения.
До проведения учета посевы озимой пшеницы были обработаны гербицидом. При этом на варианте с нулевой обработкой до посева пшеницы провели опрыскивание гербицидом Торнадо (д.в. глифосат) в дозе 4 л/га. В фазе кущения провели комплексную обработку фунгицид + гербицид по всему полю в одинаковой дозе.
В сезоне 2018 г. на озимой пшенице применяли гербицид Алистер гранд и фунгицид Альто супер, одинаково на обоих варианта опыта с нулевой и отвальной обработками почвы. Таким образом, разница в обработке заключалась в количестве внесенных гербицидов. Однако, не смотря на двойную обработку гербицидом варианта с нулевой обработкой, численность СК на нём значительно превышала аналогичную численность СК на варианте с традиционной отвальной обработкой почвы.
Для проведения учета вся территория поля №4 была поделена на 564 прямоугольных учетных площадки с размерами 6х3 м. Качественный анализ результатов учета СК по этим площадкам показал, что на них в основном представлены такие однолетние виды, ка костер полевой (Bromus arvensis L.) и мятлик однолетний (Poa annua), а среди многолетних, такие виды, как бодяк полевой (Cirsium arvense), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale) и хвощ полевой (Equisetum arvense). Количественные анализ этого учета показал: а) близкое к стандартным состав и количество СК для данной климатической и почвенной зон; б) неравномерность пространственного распределения количественного отдельных видов СК. Сравнительный анализ количества СК на делянках с разной обработкой почвы показал, что их суммарное количество на делянках с минимальной обработкой больше, чем на делянках с традиционной вспашкой.

МЕТОД
Для оценки с помощью ДЗЗ влияния СК на урожайность посевов озимой пшеницы были использованы данные полевого фитосанитарного обследования поля №4 с посевом озимой пшеницы, а также данные) с разрешением ~ 4 м, полученные группировкой миниспутников Planet Lab по 2-м каналам (Red, NIR) на 4-е даты конца первой и начало второй декады мая 2018 г.
Данных проведенного учета были привязаны к площадкам, местоположение которых было определено с помощью координат их соответствующих углов. В таблицу атрибутов этих площадок были загружены данные проведенного учета. Это позволило получить картограммы пространственного распределения характеристик проведенного фитосанитарного мониторинга, отображающие неравномерность пространственного распределения основных видов СК.
Для этих же площадок учета на ряд дат ДЗЗ, предшествующих и последующих дате проведенного учета, были рассчитаны значения вегетационного индекса NDVI с использованием построенной в Model Builder (ArcGIS 10.4) модели пакетной обработки данных измерений.
Полученные результаты ДЗЗ были пересчитаны в слои значений вегетационного индекса NDVI (нормализованный дифференциальный вегетационный индекс), которые затем с помощью инструмента зональной статистики были пересчитаны в слои средних по площади значений полигонов учета значений этого индекса.

РЕЗУЛЬТАТЫ
Прослеживаемая по рассчитанным картограммам NDVI динамика изменения этого индекса в различных частях этого поля отображает пространственную неоднородность развития всходов озимой пшеницы. Это проявляется в устойчивости сформированных паттерн в пределах анализируемого периода времени на 4-х делянках, обрабатываемых по традиционной и безотвальной технологиям. При этом значимо выделяется различие значений NDVI на делянках озимой пшеницы, возделываемых с применением 2-х технологий обработки почв.
В качестве рабочей гипотезы для исследования указанных феноменов использовано предположение о наличии связи между количественными показателями учета СК и NDVI. Для проверки этой гипотезы был проведен корреляционный анализ функций суммарных значений СК и NDVI на 4-е момента ДЗЗ для 141 площадок, которые были расположены на делянках с технологией нулевой обработки посева озимой пшеницы, имевших на момент времени проведения учета СК значений, превышающие пороговое значение. Анализ статистических характеристик корреляции свидетельствует о наличии искомой связи между суммарным значением СК и значениями NDVI на моменты ДЗЗ в период, охватывающий моменты времени до и после проведения учета. Это свидетельствует не просто о наличии отмеченной корреляционной связи, но и об ее достаточно устойчивом характере на протяжении нескольких суток.
Поскольку доля СК в общем массе растительного покрова посева озимой пшеницы в момент проведения учета составляла не более десятой доли процента то можно предположить, что найденная корреляционная связь отражает влияние характеристик почвенного покрова, способствующих, с одной стороны снижению вегетационных характеристик культурной компоненты, а с другой повышению вегетационных характеристик СК.

ВЫВОД
В результате проведенного корреляционного анализа пространственного распределения СК и вегетационного индекса NDVI посева озимой пшеницы выявлена соответствующая устойчивая линейная связь, указывающая на снижение значений этого индекса при увеличении суммарного значения СК.

БЛАГОДАРНОСТИ
«Исследование выполнено при финансовой поддержке Фонда Содействия Инновациям в рамках проекта № 62ГС1ЦТС10-D5/56006 «Оперативный анализ и управление сорным компонентом агрофитоценозов на основе компьютерного зрения»

«При проведении исследовании использованы данные космического мониторинга созвездия PlanetScope, полученных по индивидуальной научно-образовательной лицензии фирмы PlanetLab»