Про­бле­ми іден­тифікації сіль­сько­го­с­по­дарсь­кої рос­лин­ності на ос­нові ае­ро­фо­тозй­ом­ки

Cільське гос­по­дар­ст­во — це га­лузь, яка для успішно­го вирішен­ня про­до­воль­чо­го за­без­пе­чен­ня країни по­тре­бує постійно­го роз­вит­ку. Тож на­уко­ва дум­ка ніко­ли не стоїть на місці, ад­же су­час­не жит­тя ви­ма­гає но­вих рішень.

М. Со­ло­ха, ст. на­ук. співробітник,
ННЦ «Інсти­тут грун­тоз­нав­ст­ва та аг­рохімії імені О.Н. Со­ко­ловсь­ко­го»

Ос­танні події, які відбу­ва­ють­ся на про­сто­рах на­шої країни, тільки при­швид­шу­ють тем­пи опа­ну­ван­ня ефек­тив­ни­ми прий­о­ма­ми об­робітку грун­ту, які спри­я­ють при­ско­рен­ню рос­ту рос­лин та успішно­му їхньо­му за­хи­с­ту. Політичні події впли­ва­ють та­кож на ри­нок с.-г. про­дукції шля­хом по­до­рож­чан­ня як міне­раль­них до­б­рив, так і техніки.
Ці фак­то­ри обу­мов­лю­ють по­тре­бу інтен­сифіко­ва­но­го ве­ден­ня сільсько­го гос­по­дар­ст­ва в Ук­раїні. Од­ним із еле­ментів інтен­сифікації є ви­ко­ри­с­тан­ня да­них дис­танційно­го зон­ду­ван­ня. Влас­не, всі роз­ви­нуті країни вже роз­ро­би­ли відповідні про­гра­ми роз­вит­ку аг­ро­сфе­ри на ос­нові да­них дис­танційно­го зон­ду­ван­ня й успішно роз­ви­ва­ють цей на­прям.
В Ук­раїні час від ча­су та­кож мож­на по­чу­ти про роз­ви­ток цьо­го на­пря­му. Але, на жаль, досі ще Ук­раїна не має влас­но­го штуч­но­го су­пут­ни­ка, що на­кла­дає певні труд­нощі на ви­ко­ри­с­тан­ня да­них дис­танційно­го зон­ду­ван­ня. Ко­ри­с­ту­вачі в Ук­раїні мо­жуть от­ри­му­ва­ти космічні знімки тільки з-за кор­до­ну.
За­кор­донні знімки, на­сам­пе­ред кос­міч­но­го сег­мен­та (які про­по­ну­ють на рин­ку) на те­ри­торії Ук­раїни і які мо­жуть бу­ти ви­ко­ри­с­тані для ве­ден­ня сільсько­го гос­по­дар­ст­ва, ма­ють ча­со­вий фраг­мен­тар­ний ха­рак­тер. Са­ме не­мож­ливість на­дан­ня опе­ра­тив­ної інфор­мації кож­но­му кон­крет­но­му гос­по­да­рю або аг­ро­но­мові са­ме у фор­маті, зруч­но­му для ви­ко­ри­с­тан­ня (у ви­гляді кар­то­схе­ми, а не знім­ків), галь­мує роз­ви­ток цьо­го на­пря­му.
Але «галь­ма» містять­ся не тільки тут. З дру­го­го бо­ку, прак­тич­но всі по­ста­чаль­ни­ки (про­давці) цієї інфор­мації під час ук­ла­дан­ня до­го­ворів на за­без­пе­чен­ня знімка­ми гос­по­дар­ст­ва постійно на­го­ло­шу­ють, що для точнішо­го аналізу знімку(-ів) потрібна інфор­мація про на­зву сортів або повні відо­мості про сівоз­міну в цьо­му гос­по­дарстві. Це ро­бить­ся для уник­нен­ня по­ми­лок під час роз­ра­хун­ку різних ве­ге­таційних індексів біо­ма­си на по­лях кон­крет­но­го гос­по­дар­ст­ва.
Чо­му досі не бу­ло її ство­ре­но? Пе­ре­шко­дою цьо­му бу­ла низ­ка об’єктив­них при­чин.
   По­чи­на­ю­чи із кінця 90-х без­лад в еко­номіці призвів до за­нед­бан­ня цьо­го на­уко­во­го на­пря­му. Бу­ло втра­че­но на­сам­пе­ред інстру­мен­тарій (су­пут­ни­ки), а потім — і на­укові ка­д­ри (а з ни­ми — й ме­то­до­логію досліджень).
   Нові за­кор­донні космічні знімки не пе­ре­кри­ва­ють по­треб на­ко­пи­чен­ня не­обхідних ста­ти­с­тич­них да­них для ство­рен­ня та­ко­го ро­ду да­них. Ок­ремі за­яви при­ват­них струк­тур про ство­рен­ня та­кої ба­зи для ве­ден­ня бізне­су не ви­прав­ля­ють си­ту­ації, бо ви­ко­ну­ють тільки свої вузь­ко­с­пеціалізо­вані за­вдан­ня для за­мов­ників.
   Ме­то­дичні підхо­ди до оціню­ван­ня спе­к­т­раль­них ха­рак­те­ри­с­тик с.-г. рос­лин­ності на­разі вже за­старіли, бо грун­ту­ють­ся на фак­тич­них да­них ще ра­дян­сь­ко­го періоду (як ае­ро­фо­тозй­ом­ка, так і космічні знімки).
Роз­г­ля­не­мо цей чин­ник де­тальніше, оскільки від ме­то­дич­них підходів за­ле­жить якість та кінце­ва оцінка про­дук­тив­­ності с.-г. рос­лин­ності.
Спе­к­т­ральні ха­рак­те­ри­с­ти­ки с.-г. рос­лин­ності вже тра­диційно роз­ра­хо­ву­ють на ос­нові різних ве­ге­таційних ін­дек­сів. По суті, ве­ге­таційний індекс — це емпірич­не (роз­ра­хун­ко­ве) зна­чен­ня, яке не має влас­ної вимірю­валь­ної оди­ниці і роз­ра­хо­вується як відно­шен­ня різниць між інфра­чер­во­ни­ми та чер­во­ним ка­на­ла­ми. Фізич­но та на прак­тиці та­ким чи­ном поз­бав­ля­ють­ся впли­ву як оп­тич­ної тов­щи­ни ат­мо­сфе­ри (во­дя­но­го пи­лу, су­с­пензій то­що), так й інших ме­те­о­ро­логічних та при­род­них (у цьо­му разі — не­га­тив­них) чин­ників.
Най­по­ши­реніший у ви­ко­ри­с­танні ін­декс NDVI при­зна­че­но для вимірю­ван­ня еко­ло­го-кліма­тич­них ха­рак­те­ри­с­тик рос­­лин­ності, але вод­но­час він мо­же по­ка­зу­ва­ти знач­ну ко­ре­ляцію по­каз­ників у інших об­ла­с­тях, а са­ме: що­до про­дук­тив­ності (за ча­со­вих змін), біома­си, во­ло­гості, ви­па­ро­ву­ван­ня, об’єму опадів, що ви­па­ли, по­туж­ності сніго­во­го по­кри­ву. Навіть більше — за­лежність між ци­ми чи­н­ни­­ка­ми не­пря­ма й пов’яза­на з особ­ли­во­с­тя­ми  дослідної те­ри­торії (як кліма­тич­ни­ми, так і еко­логічни­ми). Слід вра­ху­ва­ти та­кож ча­со­вий «зсув» відповідної ре­акції під час роз­ра­хун­ку NDVI й вплив різкої зміни ста­ну рос­лин­ності.
Уже є ре­зуль­та­ти прак­тич­них дос­ліджень, які до­во­дять, що спе­к­т­ральні ха­­рак­те­ри­с­ти­ки рос­лин­ності, на­сам­пе­ред сільсько­го­с­по­дарсь­кої, зміню­ють­ся (на­при­клад у ярої пше­ниці — різко збільшу­ють­ся) після ви­падіння опадів та по­вер­таються до по­пе­ред­нь­о­го ста­ну за декілька діб. Ве­ге­таційний індекс про­сто фізич­но не в змозі пра­виль­но інтер­пре­ту­ва­ти че­рез ці зміни (бо не­має не­обхідної ча­с­то­ти зйом­ки).
Більше то­го, досвідчені ко­ри­с­ту­вачі ак­тив­но впро­ва­д­жу­ють індекс NDVI в оцінці с.-г. куль­тур як проміжний крок під час оціню­ван­ня та про­ве­ден­ня склад­нішо­го ти­пу аналізу (і вже для по­треб не тільки аг­рар­но­го бізне­су).
Та­ким чи­ном роз­ра­хун­ки NDVI на­разі вже є за­старіли­ми для ви­ко­ри­с­тан­ня у су­час­них умо­вах ве­ден­ня аг­робізне­су. За­старіли во­ни із по­явою по­тужнішо­го інстру­мен­тарію — ае­ро­фо­тозй­ом­ки із безпілот­ників.

Що може запропонувати аграрна наука замість застосування індексів?
Ви­ко­ри­с­тан­ня пря­мих спо­с­те­ре­жень за ста­ном рос­лин­ності в оп­тич­но­му діапа­зоні (вимірю­ван­ня спе­к­т­раль­них яс­к­ра­во­с­тей (СЯ)), які вимірю­ва­ти­муть уп­ро­довж ве­ге­тації са­ме у виз­на­чені терміни (за до­по­мо­гою
ае­ро­фо­тозй­ом­ки).
Які пе­ре­ва­ги це дає порівня­но із ве­ге­таційни­ми індек­са­ми?
   Вимірю­ван­ня про­во­дять без­по­се­ред­ньо на от­ри­ма­но­му ор­то­фо­то­плані за до­по­мо­гою відповідно­го про­грам­но­го за­без­пе­чен­ня. Ета­ло­ном є при­та­ман­ний зе­ле­ний колір відповідно­го кла­су с.-г. рос­лин­ності, для яко­го бу­ло по­пе­ред­ньо про­ве­де­но заміри впро­довж усієї ве­ге­тації на цьо­му полі, у то­му числі кон­такт­ни­ми ме­то­да­ми (для ве­рифікації). На відміну від індексів, де тре­ба в якості ета­ло­на ви­ко­ри­с­то­ву­ва­ти барієву пла­с­тин­ку.
   Про­сто­ро­ва здатність ор­то­фо­то­пла­ну дає змо­гу розрізня­ти ок­ремі ряд­ки с.-г. рос­лин­ності та осе­ред­ки бур’янів, ви­яв­ля­ти мікро­рельєф на полі, від яко­го за­ле­жить на­ко­пи­чен­ня во­ло­ги та швидкість/ре­г­рес ве­ге­тації за­леж­но від кла­су та сор­ту с.-г. рос­лин.
   Ви­со­ка ча­с­то­та зйом­ки пе­ре­кри­ває по­тре­бу в постійно­му спо­с­те­ре­женні за ста­ном с.-г. рос­лин­ності та дає мож­ливість ефек­тивніше втілю­ва­ти еле­мен­ти точ­но­го зем­ле­роб­ст­ва (за­вдя­ки еко­номії міне­раль­них до­б­рив шля­хом їх­ньо­го вне­сен­ня тільки за кон­ту­ра­ми пев­ної ділян­ки по­ля із рос­линністю, яка цьо­го по­тре­бує).

Методика послідовного отримання спектральних характеристик с.-г. культур
Ае­ро­фо­тозй­ом­ка про­во­дить­ся з різних ра­курсів на ви­соті від 80 до
100 м. Пер­спек­тивні та пла­нові знімки «зши­ва­ють­ся» в ор­то­фо­то­план за до­по­мо­гою відповідно­го про­грам­но­го за­без­пе­чен­ня (фото 1, 2). На фото 3 по­ка­за­но зве­де­ну схе­му ча­с­ти­ни поліго­на, де проводили досліджен­ня що­до вста­нов­лен­ня спе­к­т­раль­них ха­рак­те­ри­с­тик сортів зер­но­вих, які ви­ко­ри­с­то­ву­ють на про­сто­рах Ук­раїни (мо­ва йде тільки про сор­ти, оригіна­то­ра­ми яких ви­с­ту­па­ють вітчиз­няні на­уко­во-дослідні ус­та­но­ви). Ко­жна мо­дель­ досліду потребувала декілька турів (для виз­на­чення не­обхідної ча­с­то­ти зйом­ки).
На фото 1 на­ве­де­но ор­то­фо­то­план, який відо­б­ра­жає стан зер­но­вих на 07.06.2013 р. на дослідно­му полігоні. Візу­аль­но відрізни­ти ко­жен ок­ре­мий сорт прак­тич­но не­мож­ли­во, од­нак, мож­на ска­за­ти про більш по­га­ний стан декількох сортів (ок­рес­лені чер­во­ни­ми ква­д­ра­та­ми), що по­тре­бу­ють ува­ги гос­по­да­ря на пред­мет вне­сен­ня до­б­рив або дис­ку­ван­ня. У чер­во­но­му овалі ок­рес­лені сор­ти, які, на­впа­ки, до­б­ре на­ко­пи­чу­ють хло­рофіл та ма­ють інтен­сив­ний зе­ле­ний колір.
Зйом­ка, яку бу­ло про­ве­де­но 23.07.2013 р. (фото 2) наочно до­во­дить, що бур’яни відмінно іден­тифіку­ють­ся у  мо­дель­них дослідах (зе­лені вкрап­лен­ня усе­ре­дині кож­но­го пря­мо­кут­ни­ка), але прак­тич­но­го зи­с­ку з цьо­го за­ма­ло, бо та­ка кар­ти­на потрібна гос­по­да­рю на по­чат­ку ве­ге­тації. То­му слід про­во­ди­ти ту­ри зйом­ки на по­чат­ку трав­ня, ко­ли с.-г. куль­ту­ри тільки по­чи­на­ють ве­ге­тацію, потім про­во­ди­ти спе­к­т­раль­ний аналіз та за різницею ко­ль­о­рів іден­тифіку­ва­ти кон­ту­ри бур’янів та ко­рис­ної рос­лин­ності.
З друго­го бо­ку, сор­ти цьо­го ту­ру зйом­ки різня­ть­ся за ко­ль­о­ром та мо­жуть бу­ти поділені на кла­си. Ме­то­дич­ний підхід поділен­ня на кла­си був за­про­по­но­ва­ний Ш.М. Девісом у 1978 р. Сут­тю методу є спільне ви­ко­ри­с­тан­ня різних спе­к­т­раль­них зна­чень од­но­го й то­го самого об’єкта досліджен­ня та йо­го на­ступ­ний аналіз. У прак­тичній пло­щині це ви­гля­дає, як три­вимірний графік (з декількох відкликів (ка­налів R, G, B)). Тоб­то як­що по­бу­ду­ва­ти графік на ос­нові зна­чень  трьох ка­налів мо­делі (а са­ме: R(чер­во­ний), G(зе­ле­ний), B(синій)), то мож­на от­ри­ма­ти зна­чен­ня кож­но­го сор­ту, який ма­тиме осе­ре­док на цьо­му графіку й де­мон­ст­ру­ва­тиме клас (унікаль­ний пе­релік зна­чень, при­та­ман­ний тільки цьо­му сор­ту
(-ам)) і від інших сортів бу­де ок­рес­ле­ний відсутністю зна­чень. Отже, за­да­ча аналізу та іден­тифікації зво­дить­ся до вирішен­ня за­вдан­ня роз­ме­жу­ван­ня ба­га­точис­ле­нних да­них спектрів кож­но­го сор­ту на об­ласті, які пов’язані з кож­ним кла­сом та­ким чи­ном, щоб будь-яке вимірю­ван­ня бу­ло од­но­знач­но відне­се­но до виз­на­че­но­го кла­су.

Який ви­гля­д має графік виз­на­чен­ня класів різних сортів зер­но­вих
На  рис. 1 показано графік у дво­вимірно­му ви­гляді. Су­купність зна­чень,  за­леж­но від дозріван­ня куль­тур, зміщується по шкалі RG вліво­ (рис. 1б  порівняно із ри­с. 1а). Це пов’яза­но із по­сту­по­вим руй­ну­ван­ням хло­рофільних зе­рен у ли­с­тко­вих пла­с­ти­нах с.-г. рос­лин­ності ближ­че до фа­зи дозріван­ня. Ця те­ма бу­ла ду­же ре­тель­но вив­че­на по­­пе­редніми дослідни­ка­ми на пред­мет виз­на­чен­ня особ­ли­во­с­тей с.-г. рос­лин­ності. На дво­вимірно­му графіку роз­поділен­ня СЯ за кла­сами не­мож­ли­ве. То­му про­аналізуємо от­ри­мані СЯ на три­вимірно­му тер­нар­но­му графіку (рис. 2).
На три­вимірно­му графіку до­б­ре іден­тифіку­ють­ся кла­си ос­нов­них зер­но­вих куль­тур не­за­леж­но від ту­ру зйом­ки. У разі значень, невластивих для цьо­го кла­су, слід провести уважніший аналіз щодо виявлення відхи­лен­ня від нор­маль­но­го ста­ну куль­ту­ри або на­яв­ності бур’янів, ділянок відкри­то­го грун­ту у разі відсут­ності рос­лин­ності, ан­т­ро­по­ген­но­го впли­ву під час дозріван­ня (фак­ти крадіжки то­що). От­ри­мані графіки по­ка­зу­ють так звані фраг­мен­ти сиг­на­тур кож­но­го сор­ту, але ви­ко­ри­с­тан­ня та­ко­го ро­ду вибірки є не­по­вноцінним без всьо­го цик­лу ве­ге­тації впро­довж се­зо­ну. То­му слід про­дов­жу­ва­ти та постійно роз­ши­рюва­ти ко­ло сиг­на­тур при­род­них об’єктів для по­бу­до­ви кла­сифіка­то­ра при­род­них об’єктів дис­танційним ме­то­дом досліджен­ня.
По­бу­до­вані графіки є при­кла­дом під час опе­ра­тив­но­го аналізу фак­тич­но от­ри­ма­них да­них із по­ля, їх не тре­ба постійно бу­ду­ва­ти, а тільки підстав­ля­ти от­ри­ма­ні зна­чен­ня. Та­ким чи­ном ми про­дов­жуємо на­ко­пи­чу­ва­ти інфор­мацію про стан с.-г. рос­лин­ності, яку постійно от­ри­муємо з ае­ро­фо­тознімка (ор­то­фо­то­пла­ну). Як­що оціни­ти цю інфор­мацію, мож­на прий­ти до вис­нов­ку, що ми її от­ри­ма­ли за­вдя­ки чітким ге­о­ме­т­рич­ним формам, які мож­на розрізни­ти на знімку із ви­со­кою про­сто­ро­вою роздільною здат­ністю. Тоб­то як­що про­сто­ро­ва роздільна здатність сен­со­ра має сан­ти­ме­т­ро­ву точність, то на знімках мож­на розрізни­ти де­ци­ме­т­рові об’єкти досліджен­ня (мікро­по­ни­жен­ня, мікро­рельєф, які впли­ва­ють на вро­жайність на кож­но­му полі, стан с.-г. рос­лин­ності, кон­ту­ри вне­сен­ня до­б­рив то­що).
Наявність та­ко­го інстру­менту вкрай важ­ли­ва для гос­по­да­ря, то­му що дає можливість в різні пе­ріоди ве­ге­тації опе­ра­тив­но виз­на­ча­ти площі бур’янів та по­тре­бу у вне­сенні пе­с­ти­цидів і до­б­рив, які роз­­ра­хо­вані не на ос­нові ба­лан­со­во­го ме­то­ду, а грунтуються на ре­аль­них фак­тич­них да­них, отриманих із кож­но­го по­ля гос­по­дар­ст­ва.