Что такое индекс NDVI и как он делает жизнь фермера проще

Время чтения: 15 минут
Рассказываем простыми словами, что такое индекс вегетации NDVI и как его использовать при анализе своих полей.
What is NDVI index_OneSoil Blog

Как свет показывает здоровье растений

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. Здоровое растение, в котором много хлорофилла и хорошая клеточная структура, активно поглощает красный свет и отражает ближний инфракрасный.

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.
NDVI vs real field photo_OneSoil blog
Формула 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.

Что NDVI может рассказать на разных этапах сезона

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:
1
Если NDVI ниже 0,15 — вероятно, на участке все растения погибли. Обычно такие показатели соответствуют вспаханной почве без вегетации.
2
0,15−0,2 — тоже низкий показатель. Это может говорить о том, что растения вошли в зимовку на ранней фенологической фазе, до кущения.
3
0,2−0,3 — относительно хороший показатель. Вероятно, растения успели войти в фазу кущения и возобновляют вегетацию.
4
0,3−0,5 — хороший показатель. Учитывайте, что высокие значения NDVI могут говорить о том, что растения ушли на зимовку на поздней стадии развития. Если спутниковый снимок был получен до момента возобновления вегетации, то надо будет ещё раз проанализировать состояние участка после начала периода роста и развития растений.
5
Выше 0,5 — аномальный показатель после зимовки. Этот участок лучше проверить самостоятельно.
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.
NDVI vs фото поля_Блог OneSoil
Вот как соотносится отображение NDVI в веб-платформе OneSoil
и реальное состояние растений на поле
В середине сезона по индексу NDVI можно понять, как развиваются растения на поле. Если значения индекса средние и высокие (0,5−0,85), то, вероятнее всего, на участке всё хорошо. Если индекс низкий — похоже, на участке растениям чего-то не хватает, например, влаги или питательных элементов. Такую зону лучше проверить самостоятельно.

По индексу NDVI мы создаём карты для дифференцированного внесения азотной подкормки. Мы выделяем зоны высокой, средней и низкой вегетации, а затем фермер самостоятельно задаёт норму удобрений. По нашему опыту, оптимальная схема внесения азота следующая:
1
Если вегетационный индекс на участке высокий, то дозу удобрений нужно уменьшить на 10−30% от средней нормы.
2
Если средний, то увеличить — максимум на 20−25% от средней нормы.
3
Если низкий, то сначала нужно определить причину плохого состояния участка.
Ещё мы используем индекс NDVI для моделирования относительной урожайности поля. На основании этой информации делаем карты для дифференцированного внесения фосфорных и калийных 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.

Преимущества и недостатки NDVI

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.

Статьи по теме
Обсудить статью и насущные проблемы сельского хозяйства можно в нашем Телеграм-сообществе или WhatsApp-чате!
OneSoil
Про людей, поля и технологии
Подпишитесь на рассылку и получайте новые статьи прямо на почту. Можно читать даже в поле.