Вегетаційні індекси NDRE, MSAVI, NDMI та NDVI — це потужні інструменти для моніторингу стану рослинності в сільському господарстві. У цій статті ви дізнаєтеся, що вони означають, як розраховуються та як використовуються для оцінки здоров’я культур. Це буде корисно фермерам, які хочуть підвищити ефективність управління полями за допомогою цифрових технологій.
Що таке вегетаційні індекси
NDRE, MSAVI, NDMI та NDVI — це показники, які розраховуються на основі даних дистанційного зондування та дозволяють оцінити стан рослинного покриву. Вони враховують відбивну здатність рослин у різних діапазонах електромагнітного спектра, зокрема у видимій та ближній інфрачервоній зонах.
Використання показників дає можливість:
- виявляти проблемні ділянки поля;
- оптимізувати використання ресурсів (добрив, води, пестицидів);
- прогнозувати врожайність;
- планувати збір врожаю.
Розрахунок ВІ базується на тому, що здорова рослинність має специфічні особливості відбиття в різних спектральних діапазонах. Зелені листки містять пігменти (хлорофіл, каротиноїди, ксантофіли), які поглинають світло переважно в синій і червоній зоні спектра для фотосинтезу. Водночас близький інфрачервоний діапазон активно відбивається від покрову, що пов’язано з особливостями внутрішньої структури листа.
Коли рослини потерпають від стресу (як-от посуха, нестача поживних елементів, хвороби, шкідники), вміст хлорофілу знижується, і покров починає більше відбивати червоне світло. Відповідно знижується поглинання в червоній і синій зонах та зростає відбиття в зеленій і ближній інфрачервоній зонах спектра. Ці зміни можна зафіксувати за допомогою супутникових знімків та використати для розрахунку.
Є багато різних вегетаційних індексів, кожен із яких має свої переваги та обмеження. Розглянемо детальніше особливості чотирьох основних.
Читайте також: Дистанційне зондування Землі: види та перспективи
Індекс рослинності NDVI
NDVI — це нормалізований відносний індекс рослинності. Цей показник оцінює кількість фотосинтетично активної біомаси. Здорова рослинність поглинає більшу частину видимого світла та відбиває велику частину ближнього інфрачервоного випромінювання. Показник дозволяє виявити цю різницю.
Значення індексу NDVI
NDVI — один із найпоширеніших індексів для моніторингу рослинності. Його перевага в тому, що він мінімізує вплив таких факторів, як освітленість, схили, експозиція та інші. Показник може використовуватися для оцінювання стану рослин практично на всіх етапах вегетації.
Головна причина популярності цього показника — його універсальність. Normalized Difference Vegetation Index можна застосовувати в аналізі як окремого поля, так і цілого регіону. Він дозволяє не лише оцінити поточну ситуацію, але й відстежувати динаміку змін протягом сезону чи кількох років.
За допомогою Normalized Difference Vegetation Index можна вирішити багато практичних завдань точного землеробства, як-от:
- визначення зон із різною продуктивністю всередині поля;
- ідентифікація ділянок, що потребують додаткового обстеження;
- оптимізація відбору ґрунтових зразків;
- раннє виявлення проблем на полі (хвороби, шкідники, бур’яни);
- створення карт-завдань диференційованого висіву та внесення добрив;
- оцінка ефективності агротехнічних заходів.
Індекс рослинності NDVI став стандартом в індустрії точного землеробства завдяки надійності, простоті інтерпретації та доступності необхідних даних. Більшість безплатних (Landsat, Sentinel) та комерційних супутників мають сенсори, які підтримують розрахунок показника.
Розрахунок NDVI
Формула NDVI: (NIR — RED) / (NIR + RED), де NIR — відбиття в ближньому інфрачервоному діапазоні, RED — відбиття в червоному діапазоні.
Шкала NDVI
Значення показника лежать у діапазоні від -1 до 1. Розшифровка шкали NDVI:
| NDVI | Стан рослинності |
| <0 | Відсутність рослинності або нежива поверхня, як вода, сніг, каміння |
| 0–0,2 | Мертва рослинність або оголений ґрунт |
| 0,2–0,5 | Трава, чагарники |
| 0,5–1 | Густа рослинність, ліси |
NDVI-карта
NDVI-карти відображають щільність і стан рослинності. Зелений колір відповідає густій, жовтий і світло-зелений вказують на розріджену, коричневий і темно-коричневий — оголений ґрунт. Негативні значення відображаються синім кольором (вода, сніг).
Як використовуються дані NDVI в сільському господарстві
Normalized Difference Vegetation Index в сільському господарстві використовується у:
- визначенні проблемних зон на полі;
- оцінюванні стану рослинності й прогнозуванні врожайності;
- плануванні підживлення рослин;
- виявленні ділянок, які потребують зрошення;
- спостереженні за розвитком культури протягом сезону.
NDVI — це надійний інструмент моніторингу полів, який дозволяє агровиробникам приймати обґрунтовані рішення. Його інтеграція в системи точного землеробства допомагає підвищити ефективність господарства.
Використання вегетаційних індексів стає ще доступнішим завдяки нашому сервісу WEAGRO, який дозволяє придбати необхідне обладнання та технології моніторингу полів із відтермінуванням платежу. Це особливо актуально серед малих та середніх господарств, які прагнуть впроваджувати інновації, але мають обмежений доступ до фінансування.
Вегетаційний індекс NDRE
Нормалізований диференційний індекс Red Edge (NDRE) враховує відбиття в червоному краю спектра, який тісно пов’язаний із вмістом хлорофілу. NDRE чутливий до змін його концентрації за високої щільності рослинності.
Значення індексу NDRE
NDRE index допомагає оцінити вміст азоту в рослинах, оскільки між концентрацією хлорофілу й азоту існує сильний зв’язок. На відміну від Normalized Difference Vegetation Index, Normalized Difference Red Edge Index зберігає чутливість до змін у рослинах навіть наприкінці вегетаційного періоду.
Переваги використання:
- краща кореляція з вмістом азоту в рослинах порівняно з NDVI;
- можливість раннього виявлення нестачі азоту;
- висока ефективність для культур із великою зеленою масою (озимий ріпак, пшениця);
- збереження чутливості на пізніх стадіях вегетації;
- використання під час оцінювання якості продукції (вміст білка в зерні).
Головний недолік NDRE — менша поширеність показника та вища вартість даних. При розрахунку потрібні знімки з червоним краєм спектра (Red Edge), які є не в усіх супутників. Найбільш придатні для цього європейські Sentinel-2 та Worldview-2, 3. Безплатні дані Landsat не підходять.
Ще один нюанс NDRE — потреба в точнішому відборі пікселів для аналізу. Якщо на знімку є хмари, їхні тіні, водойми чи інші об’єкти, вони сильніше спотворюють значення NDRE, ніж NDVI. Тому для розрахунку краще використовувати маски, що вилучають небажані пікселі.
Загалом NDRE є перспективним показником для поглибленого аналізу стану рослин, але через обмежену доступність даних він поки що рідше застосовується в точному землеробстві, якщо порівняти з NDVI.
Розрахунок NDRE
Формула розрахунку NDRE: (NIR — RE) / (NIR + RE), де NIR — відбиття в ближньому інфрачервоному діапазоні, RE — відбиття в червоному краю спектра.
Шкала NDRE
Шкала Normalized Difference Red Edge Index схожа на шкалу Normalized Difference Vegetation Index і лежить в діапазоні від -1 до 1. Типова розшифровка значень:
| NDRE | Стан рослинності |
| <0 | Ґрунт, відсутня рослинність |
| 0–0,3 | Рідка рослинність, ранні стадії розвитку культури |
| 0,3–0,6 | Середня густота рослинності |
| 0,6–1 | Висока густота рослинності, пізні стадії вегетації |
NDRE-карти та графіки
NDRE-карти дозволяють наочно оцінити варіабельність вмісту азоту всередині поля. На графіку можна простежити динаміку вмісту хлорофілу протягом сезону і виявити періоди, коли рослини зазнають стресу.
Як використовуються дані NDRE в сільському господарстві
NDRE застосовують для:
- оцінювання забезпеченості рослин азотом;
- створення карт для диференційованого внесення азотних добрив;
- спостереження за дозріванням культур;
- моніторингу посівів із густим листям (соняшник, кукурудза).
Впровадження технологій аналізу вегетаційних індексів потребує інвестицій, але завдяки сучасним фінансовим рішенням, таким як наш сервіс WEAGRO, фермери можуть отримати необхідне обладнання без значного навантаження на оборотний капітал. Онлайн-сервіс пропонує швидке оформлення агророзстрочки без додаткових документів, що робить технології точного землеробства доступнішими.
Вегетаційний індекс MSAVI
MSAVI (Modified Soil Adjusted Vegetation Index) — вегетаційний показник, який враховує вплив ґрунту. Він корисний на початкових етапах розвитку рослин, коли велику частку поверхні займає відкритий ґрунт.
MSAVI дозволяє аналізувати стан рослинності навіть на ранніх стадіях вегетації, коли проєктивне покриття ще незначне. Шляхом корекції впливу ґрунту показник точніше оцінює фотосинтетичну активність порівняно з NDVI.
Переваги:
- зниження шумів, пов’язаних із відбиттям від ґрунту;
- підвищення контрасту між ґрунтом та рослинністю;
- збільшення діапазону значень порівняно з Normalized Difference Vegetation Index;
- можливість роботи за низького проєктивного покриття (< 40 %);
- ефективність для аналізу культур на ранніх стадіях розвитку.
Завдяки цим особливостям MSAVI успішно використовується в моніторингу посівів, садів і виноградників, особливо в регіонах із недостатнім рослинним покривом. Він також корисний в аналізі сходів культур, оцінки ефективності роботи сівалок, контролю забур’яненості.
Однак є й недоліки:
- потрібні знімки з високою роздільною здатністю (<10 м);
- менша чутливість на пізніх стадіях розвитку культур;
- нижча популярність порівняно з NDVI, NDRE.
Через ці фактори MSAVI рідше застосовується в комерційних системах агромоніторингу. Але для наукових цілей та специфічних завдань, що вимагають усунення впливу ґрунту, він залишається актуальним.
Розрахунок MSAVI
Формула розрахунку: MSAVI = (2 х NIR + 1 — sqrt((2 х NIR + 1)^2 — 8 ⋅ (NIR — RED))) / 2, де:
- NIR — відбиття в ближньому інфрачервоному діапазоні;
- RED — відбиття в червоному діапазоні;
- sqrt — квадратний корінь;
- ^ — піднесення до степеня.
Шкала MSAVI
На шкалі MSAVI від -1 до 1 значення інтерпретуються наступним чином:
| MSAVI | Стан рослинності |
| -1–0,2 | Ґрунт без рослинності |
| 0,2–0,4 | Дуже розріджений рослинний покрив, сходи |
| 0,4–0,6 | Помірне проєктивне покриття, рання вегетація |
| > 0,6 | Густий рослинний покрив, для аналізу краще NDVI |
MSAVI-карти та графіки
Карта MSAVI дозволяє виявити ділянки поля, де сходи нерівномірні або пригнічені. Графіки відображають динаміку розвитку культур на початкових етапах вегетації.
Як використовують дані MSAVI в сільському господарстві
MSAVI використовують для:
- аналізу сходів культур;
- виявлення зон із нерівномірними сходами;
- моніторингу впливу ґрунту на розвиток рослин;
- раннього прогнозування врожайності.
Вегетаційний індекс NDMI
NDMI (Normalized Difference Moisture Index) — нормалізований диференційний індекс вологості. Він чутливий до змін вмісту води в рослинних тканинах і ґрунті.
Значення індексу NDMI
NDMI допомагає виявити водний стрес рослин. На відміну від NDVI, NDMI використовує ближній і середній інфрачервоний діапазон. Це дозволяє оцінити вміст води в листі, а результат меншою мірою залежить від видового складу рослинності.
Переваги використання NDMI:
- висока чутливість до змін вмісту води в рослинах;
- можливість раннього виявлення водного стресу;
- слабка залежність від видових особливостей культур;
- ефективність оцінки потреби в зрошенні;
- застосування при аналізі ризиків пожеж, посухи.
До недоліків NDMI можна віднести чутливість до атмосферних завад, особливо хмар та імли. Для точного розрахунку NDMI потрібна якісна атмосферна корекція знімків. Також NDMI не завжди вдається розрізнити ґрунтову та рослинну вологу, що знижує точність при розрідженому покриві.
Загалом NDMI є перспективним індексом для регіонів зі змінним режимом зволоження, схильних до посух та нестачі вологи. Він доповнює інформацію, отриману за допомогою NDVI та NDRE, дає змогу краще контролювати вологозабезпеченість культур.
Читайте також: Дрони для сільського господарства: для чого вони і як обрати
Розрахунок NDMI
Формула розрахунку: NDMI = (NIR — SWIR) / (NIR + SWIR), де NIR — відбиття в ближньому інфрачервоному діапазоні, SWIR — відбиття в середньому інфрачервоному діапазоні.
Шкала NDMI
Шкала лежить в діапазоні від -1 до 1. Типові значення:
| NDMI | Стан вологості |
| < -0,1 | Дуже низька вологість, можливо, ґрунт без рослин |
| -0,1–0,1 | Низька вологість, помірний водний стрес |
| 0,1–0,3 | Середня вологість, рослини не відчувають стресу |
| 0,3–0,5 | Висока вологість, можливе перезволоження |
| > 0,5 | Дуже висока вологість, вільна водна поверхня |
NDMI-карти та графіки
Карта NDMI index відображає просторовий розподіл вмісту води в рослинному покриві. Графік NDMI ілюструє, як змінювалась вологість протягом вегетації. Це дозволяє побачити, в які періоди рослини страждали від водного стресу.
Як використовуються дані NDMI в сільському господарстві
NDMI застосовують для:
- виявлення водного стресу;
- оптимізації зрошення;
- ідентифікації перезволожених ділянок;
- моніторингу посухи;
- оцінки пожежної небезпеки.
NDMI доповнює інші вегетаційні індекси й дозволяє більш повно схарактеризувати стан посівів з урахуванням вологозабезпечення.
Висновок
Вегетаційні індекси — це потужні інструменти для дистанційного моніторингу посівів. Вони дозволяють на основі супутникових знімків оцінити стан рослинності, вміст хлорофілу, азоту та води в листі.
Кожен з індексів має свої особливості й переваги:
- NDVI — найбільш універсальний і поширений;
- NDRE — краще підходить для оцінки вмісту азоту;
- MSAVI — точніше характеризує рослинність на ранніх етапах розвитку;
- NDMI — дозволяє діагностувати водний стрес.
За допомогою нашого фінансового сервісу WEAGRO українські аграрії можуть ефективніше впроваджувати системи моніторингу посівів. Можливість придбати необхідне обладнання з відтермінуванням платежу без застави та додаткових документів дозволяє господарствам будь-якого розміру використовувати переваги вегетаційних індексів для підвищення ефективності свого виробництва.
