Что такое индекс NDVI и как он делает жизнь фермера проще

NDVI (Normalized difference vegetation index, Нормализованный вегетационный индекс) — это числовой показатель качества и количества растительности на участке поля. Он рассчитывается по спутниковым снимкам и зависит от того, как растения отражают и поглощают световые волны разной длины.

Например, растения для нашего глаза зелёные потому, что пигмент хлорофилл хорошо отражает зелёные волны. Также хлорофилл поглощает красные волны: за счёт этого происходит фотосинтез, то есть культура растёт и развивается. А клеточная структура растения отражает ближние инфракрасные волны. Получается, что здоровое растение, в котором много хлорофилла и хорошая клеточная структура, активно поглощает красный свет и отражает ближний инфракрасный. Больное растение — с точностью до наоборот.

Чтобы понять состояние здоровья растения, надо вычислить отношение между разностью интенсивностей отраженного света в красном (Red) и инфракрасном диапазоне (Nir) и их суммой. Это и есть NDVI.

«Нормализованным» индекс стал в 1973 году, когда группа учёных из Техасского университета A&M стала считать не просто соотношение инфракрасного света к красному, а отношение их разницы к сумме. Это позволило привести все значения индекса к диапазону от -1 до 1, то есть «нормализовать» для более лёгкого сравнения между собой. Значения NDVI от -1 до 0 это объекты неживой природы и инфраструктуры — снег, вода, песок, камни, дома, дороги и т. п. Значения для растений лежат в диапазоне от 0 до 1.

Надо понимать, NDVI — это индикатор состояния растения, который ничего не говорит о причинах той или иной ситуации. Это скорее подсказка о том, что происходит на поле. Рассмотрим три сценария использования индекса вегетации NDVI — в начале, середине и конце сельскохозяйственного сезона.

В начале сезона по индексу NDVI можно понять, как растение перезимовало. Как правило, логика следующая:

Вывод такой — если вы видите аномальные значения NDVI, то есть те, которые сильно отличаются от показателей всего поля, то нужно проверять этот участок. Узнать NDVI для своих полей, промониторить их и оставить заметки можно бесплатно — при помощи мобильного приложения OneSoil Scouting или в веб-приложении OneSoil. В безоблачную погоду снимки обновляются каждые 3−5 дней.

Ещё мы используем индекс NDVI для моделирования относительной урожайности поля. На основании этой информации делаем карты для дифференцированного посева и внесения удобрений.

В конце сезона по индексу NDVI можно определять, какие поля готовы к уборке урожая — чем ниже индекс, тем ближе к созреванию участок поля. Оптимальное значение индекса в таком случае — ниже 0,25.

Существует множество вегетационных индексов, они в значительной степени похожи между собой. Но NDVI — это самый популярный и распространённый, к тому же и у него есть одно важное преимущество: высокое разрешение снимков, если использовать данные спутника Sentinel - 2. В таком случае для расчёта индекса NDVI используются каналы с разрешением 10 метров — то есть 1 пиксель это 10 на 10 метров. Индексы, которые используются дополнительные световые каналы (в основном крайние красные), имеют разрешение 20 метров — то есть 1 пиксель это 20 на 20 метров. В OneSoil мы используем только космические снимки спутника Sentinel-2, предоставленные программой Copernicus.

Из недостатков NDVI — при достижении определённого порога развития растения индекс теряет чувствительность. Иными словами, если растение развивается очень активно, то по NDVI нельзя отличить аномально зелёное растение от «обычного» зелёного. Ну и как со всеми остальными индексами, их точность зависит от погоды: если над каким-то полем долгое время висят облака, то спутниковый снимок будет неточным. Поэтому для решения некоторых задач — например, для распознавания культур — в OneSoil мы используем радарную съёмку спутника Sentintel-1.