Детектирование растительных остатков озимой пшеницы по данным БПЛА

Растительные остатки являются одним из основных источников поступления органического углерода в пахотные почвы и важным компонентом их углеродного баланса. В настоящее время количество растительных остатков преимущественно оценивается косвенно по статистическим данным об урожайности, что позволяет получать достаточно грубые оценки на уровне регионов. Дистанционное зондирование, в частности БПЛА-съемка, предоставляет возможность осуществлять оперативный пространственный мониторинг растительных остатков на уровне отдельных полей и проводить более точную оценку связанного с ними поступления углерода в почву.
Целью исследования являлась разработка подхода для детектирования растительных остатков озимой пшеницы по данным БПЛА и его апробация на тестовом участке, расположенном в Щекинском районе Тульской области. На исследуемой территории была проведена съемка спектральной отражательной способности посевов озимой пшеницы, также были получены спектры открытой поверхности пахотных почв и спектры сорной растительности. Для съемки спектров использовался спектрорадиометр HandHeld-2, ведущий съемку в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах (анализируемый диапазон 350-900 нм). В точках съемки спектров также были сделаны фотографии посевов с помощью камеры FishEeye. Во время съемки спектров и фотографий проводилась БПЛА-съемка, в результате которой было получено RGB-изображение тестового поля.
Спектр поверхности посевов озимой пшеницы рассматривался как линейная спектральная смесь спектров растительных остатков, открытой поверхности почвы, зеленой сорной растительности с учетом затененных участков. Проективное покрытие каждого компонента определялось по фотографиям посевов. Спектр растительных остатков озимой пшеницы вычислялся методом спектрального разделения. Спектральная отражательная способность затененных участков моделировалась как спектральная смесь открытой поверхности почвы, растительных остатков и сорной растительности при пониженной освещенности. Для спектров зеленой сорной растительности дополнительно применялся зависящий от длины волны поправочный коэффициент, чтобы скорректировать влияние данного компонента в ближнем инфракрасном участке спектра. Сравнение полученного спектра растительных остатков озимой пшеницы с референсным спектром, снятом на другом тестовом поле, показало высокое соответствие формы спектральной кривой: коэффициент корреляции составил 0.99, RMSE = 0.034, спектральный угол — 3.2°. Для дополнительной проверки восстановленный спектр использовался для реконструкции исходных спектров посевов озимой пшеницы, при этом средняя ошибка при сравнении реконструированных и полевых спектров составила 0.0148.
При переходе к анализу данных БПЛА полевые спектры открытой поверхности почвы, сорной растительности и растительных остатков озимой пшеницы пересчитывались в RGB-пространство и нормировались на среднюю интенсивность RGB-отражения. Для учета различий между полевыми спектральными измерениями и цифровыми изображениями выполнялся перенос относительных RGB-характеристик в RGB пространство БПЛА путем поканальной коррекции, при которой для каналов R, G и B использовались отдельные коэффициенты, общие для всех компонентов поверхности. Это позволило существенно уменьшить различия между RGB-характеристиками основных компонентов поверхности, полученными по полевым спектральным данным и изображениям БПЛА: среднее евклидово расстояние снизилось с 0.275 до 0.095, а средний спектральный угол — с 8.90 до 3.12°. Для растительных остатков уменьшение евклидова расстояния составило 79.4 %.
Далее методом спектрального разделения на основе RGB-изображений БПЛА оценивалась оптическая доля растительных остатков озимой пшеницы. Для перехода к проективному покрытию проводилась калибровка по данным наземной фотосъемки с учетом оптической доли растительных остатков и устойчивости ее определения. Откалиброванная модель использовалась для построения карты проективного покрытия растительными остатками. По результатам внутренней перекрестной проверки модели R² составил 0.82 и RMSE = 3.2 %.
Таким образом, разработанный подход позволяет детектировать пространственную неоднородность распределения растительных остатков озимой пшеницы. Полученные результаты в сочетании с данными о биомассе растительных остатков и содержании углерода в них могут использоваться для оценки поступления органического углерода в пахотные почвы на уровне отдельных полей.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-46-02010, https://rscf.ru/project/25-46-02010/.