Оценка линейной корреляционной связи внутри полевой урожайности посева озимой пшеницы с результатами ДЗЗ высокого разрешения (Planet Lab)

Полевой урожай (ПУ) сельскохозяйственных посевов складывается из локальных ПУ квазиоднородных контуров. Соответствующие величины ПУ этих контуров зависят от целого ряда природных и антропогенных факторов и условий вегетации. Одним из таких факторов является рельеф земной поверхности, характеристики которого тесно связаны с характеристиками почвенного покрова, и влияющего на формирование запасов почвенной влаги в его корнеобитаемом слое в результате инфильтрации при таянии снегового покрова, выпадения дождевых осадков, а также реализации орошения. В докладе представлены результаты оценок достоверности линейной корреляционной связи геодатасета внутриполевой ПУ, полученного в результате картирования урожайности посева озимой пшеницы (площадь 32,1 га, средне полевая урожайность 3,55 т/га) при уборке комбайном (ширина захвата 8,5 м), оборудованного специализированным сенсором, с геодатасетами нормализованного вегетационного индекса (NDVI), полученными в результате съемок высокого пространственного разрешения (порядка 4 м) кубсатами группировки Planet Lab на 9 дат в течении вегетационного периода 2017 г., а также величин их сумм, охватывающих ряда периодов вегетации. Соответствующие данные были любезно предоставлены компаниями, соответственно, Агроноут и Planet Lab. Первый из упомянутых геодатасетов включал 10 024 строк с записями ряда параметров ведения уборки, включая время и координаты точек фиксации. При этом среднее расстояние между парами соседними по направлению уборки точками фиксации локальных ПУ (ЛПУ) составляло 3,4 м. Визуальный анализ гистограммы датасета ЛПУ выявил наличие двух хорошо выращенных максимумов. Значение первого составляло 2,9 т/га, а второго - 4,8 т/га. Рассчитанные значение коэффициента бимодальности Карне составило 0,501, несколько ниже соответствующего порогового значения 0,555.
Для формирования точечных геодатасетов NDVI_ЛПУ, соответствующих координатам записей ЛПУ, была использована специально разработанная процедура расчета по характеристикам пикселей кубсатов, попавших на соответствующий ЛПУ. Анализ сформированных при этом геодатасетов NDVI_ЛПУ на наличие у них бимодальности показал, что для дат съемок с мая вплоть до уборки, соответствующий значения соответствующего коэффициента Карне превышали это пороговое значение, что свидетельствовало о наличии бимодальности у их функций статистического распределения.
Для проверки наличия на исследованном пространстве посева контуров со значимо отличными распределениями ЛБУ был проведен геокластерный анализ геодатасета ЛПУ с использованием инструмента Оптимизированного анализа горячих и холодных точек ПО ArcGIS Pro 2.6, В результате проведенных расчетов каждой точке геодатасета ЛПУ было присвоено значений метрики Gi_Bin, соответствующей одному из семи классов. Визуальный анализ соответствующей картограммы позволил оценить распределение соответствующих классов ЛПУ по пространству посева, а также формированием из них контуров с разнообразными характеристиками. Было отмечено, что контур, группирующий местоположения ЛПУ с высокими значениями (среднее значение ЛБУ=5,5 т/га на площади, составляющей 17,9 % от площади поля), достаточно компактно расположен в юго-восточной части поля, с наиболее низкими отметками земной поверхности (согласно ЦМР, построенной по данным SRTM с разрешением порядка 30 м). В тоже самое время практически непрерывный контур, соответствующий наименьшим значениям ЛПУ (среднее значение ПУ=3,3 т/га на площади, составляющей 45,5 % от площади поля), занимает пространство в центре поля и вблизи его восточной границы, имеет достаточно сложную геометрическую форму. Северную и северо-восточную часть занимают отдельно-расположенные, небольшие по площади контура, рандомизированно группирующие местоположения ЛБУ со значениями, варьирующими от низких до высоких (среднее значение ПУ=4,4 т/га на площади, составляющей 36,6 % от площади поля).
Аналогичный анализ слоев геодатасета NDVI_ЛПУ по датам съемок кубсатами, выявил в целом сходное устойчивое пространственное распределение соответствующих контуров. Это может служить качественным подтверждением наличия пространственно-распределенных связей между ЛПУ и NDVI на внутри полевом уровне, формирование которых в условиях богарного земледелия обусловлено взаимосвязью с характеристиками рельефа и почвенного покрова.
С целью нахождения оценок достоверности линейной статистической корреляционной связи между геодатасетом ЛПУ и геодатасетами NDVI_ЛПУ был использован коэффициентов корреляции Пирсона для вариантов расчетов с использованием, как геодатасетов NDVI_ЛПУ на отдельные даты вегетации, так и сумм NDVI_ЛПУ, начало которых варьировала от начала стадии цветения до стадии формирования урожая, а окончание – последней датой перед уборкой. Полученные при этом значения коэффициентов Пирсона лежали в диапазоне от 0,45, соответствующих съемкам для ранних стадий вегетации, до 0,78, соответствующих съемкам в последующие.
Для проведения соответствующего количественного анализа наличия таких связей необходимо использовать ЦМР с высоким пространственным разрешением (метровым и лучше), которой в настоящее время авторы не располагают.
Наиболее интересные результаты были получены при оценке характеристик линейной корреляции между датасетами ЛПК и NDVI_ЛПУ, соответствующих отдельным классам Gi_Bin. Оказалось, что значения коэффициента Пирсона всех семи классов Gi_Bin на все использованные для расчетов даты съемок оказались в диапазоне от 0,05 до 0,35 - то есть существенно меньшими чем, рассчитанные без такой дифференциации.
В докладе обсуждаются возможные причины такого несоответствия, а также вытекающие из него следствия, связанные с использованием вегетационных индексов, рассчитанным для отдельных посевов для анализа и прогнозирования урожайности пшеницы.