Возможность дистанционно отслеживать обеспеченность культуры влагой, водный стресс и доступность влаги — важная часть управления посевами с помощью данных дистанционного зондирования.
Такие инструменты широко используются в точном земледелии, лесном хозяйстве и управлении рисками стихийных бедствий.
Их значение продолжает расти по мере увеличения риска экстремальных погодных явлений и ухудшения климатических условий для выращивания сельскохозяйственных культур во многих регионах мира.
Ниже я рассмотрю эти индексы на примере их использования на платформе OneSoil.
Три широко используемых индекса дистанционного зондирования — Нормализованный индекс влажности (NDMI), Индекс влажности почвы (SMI) и Нормализованный индекс водообеспечения (NDWI) — часто ошибочно считают взаимозаменяемыми. На самом деле они основаны на разных физических механизмах, отражают разные компоненты водного цикла в системе «почва — растение» и поэтому требуют разной интерпретации.
💧 Индексы влажности и содержания воды
Индекс | Описание | Когда лучше использовать |
NDMI (Нормализованный индекс влажности) | Оценивает содержание влаги в растениях. | Для выявления засухи или потребности в орошении. |
SMI (Индекс влажности почвы) | Измеряет влажность непосредственно в почве. | Для оценки доступности влаги на ранних стадиях развития. |
NDWI (Нормализованный индекс водообеспечения) | Выделяет поверхностную воду и зоны с высокой влажностью. | Для анализа затопления или переувлажнения. |
🌿 NDMI — индекс, который вы будете использовать чаще всего
NDMI показывает содержание воды в растениях. Он работает благодаря тому, что вода в клетках растений по-разному взаимодействует с ближним инфракрасным и коротковолновым инфракрасным излучением. Разница между этими двумя диапазонами напрямую помогает оценить, насколько хорошо или плохо культура обеспечена влагой.
Почему это важно: индекс фиксирует водный стресс ещё до того, как его можно увидеть. Культура может сохранять свой цвет — и значение NDVI — в то время как тургор уже начинает снижаться. К тому моменту, когда изменения листьев становятся заметны, время, когда эта информация ещё позволяла вовремя принять меры, уже может быть упущено.
Но есть один нюанс: для NDMI нужны листья. При разреженном растительном покрове или в начале сезона, когда на спутниковом снимке преобладает сигнал от открытой почвы, значения NDMI хуже отражают состояние самой культуры.
NDMI помогает фермерам отслеживать обеспеченность культуры влагой и видеть, как она меняется в течение сезона.
Выявление водного стресса
Снижение NDMI может показать участки, где растения начинают испытывать нехватку влаги. Это может произойти ещё до того, как признаки стресса станут хорошо заметны в поле.Улучшение орошения
NDMI помогает находить более сухие участки поля и проверять, как растения реагируют на орошение или осадки. Индекс также можно использовать для дифференцированного орошения.Выявление избытка влаги
После сильных осадков необычно высокие значения NDMI могут указывать на участки с избытком влаги или возможным переувлажнением.Более эффективный скаутинг полей и планирование уборки
NDMI может показать, какие части поля высыхают быстрее, а какие дольше остаются влажными. Эти участки можно проверить в первую очередь или учитывать при планировании полевых работ и уборки урожая.
Самую полезную информацию обычно даёт сравнение карт NDMI за разные даты, а не один отдельный снимок.
1. Май — пшеница, выращиваемая на поле с неоднородными почвенными условиями. Хорошо видны участки, где культуре доступно меньше влаги.
2. 30 июня — зерновая культура приближается к созреванию. На одном из участков поля всё ещё сохраняется очень высокий уровень влаги в растениях. На снимке в естественных цветах эту разницу трудно заметить.
3. Рост значений NDMI по всему полю после дождя 18 апреля.
Когда NDMI менее полезен?
NDMI становится менее надёжным, когда растительный покров разрежен и спутниковый сенсор видит значительную долю открытой почвы.
Поскольку NDMI в первую очередь чувствителен к содержанию воды в растительности, он становится менее информативным, когда на спутниковый сигнал сильно влияет открытая почва.
В таких условиях SMI может дать более полезную информацию.
Частые вопросы о NDMI
Что такое NDMI?
Что такое NDMI?
NDMI (Нормализованный индекс влажности) — спутниковый индекс, используемый для отслеживания содержания воды в растительности.
Как рассчитывается NDMI?
Как рассчитывается NDMI?
Он основан на особенностях оптических свойств листьев растений в двух диапазонах электромагнитного спектра: ближнем инфракрасном (NIR, примерно 780–860 нм) и коротковолновом инфракрасном (SWIR, примерно 1 550–1 750 нм).
Различия в поглощении и рассеивании излучения на этих длинах волн, особенно связанные с водой в тканях растений, позволяют оценивать обеспеченность культуры влагой.
NDMI = (NIR − SWIR) / (NIR + SWIR)
Как интерпретировать NDMI?
Как интерпретировать NDMI?
В целом более высокие значения NDMI указывают на более высокое содержание влаги в растительности, а более низкие значения могут указывать на снижение содержания влаги в растениях или развитие водного стресса.
💧 SMI — особенно полезен в начале сезона
Индекс влажности почвы (SMI) используется для оценки различий в влажности почвы и доступности влаги для растений. В отличие от NDMI, который в основном отражает содержание влаги в растительности, SMI объединяет информацию о температуре поверхности земли и растительном покрове.
Он особенно полезен на ранних стадиях развития, когда растения ещё небольшие и значительная часть поверхности почвы остаётся видимой. SMI помогает находить сухие участки, отслеживать реакцию на осадки или орошение и определять части поля, где доступность влаги может стать ограничивающим фактором.
Поскольку SMI рассчитывается по спутниковым данным с пространственным разрешением 20 м, полученные карты могут выглядеть менее детализированными, чем карты некоторых других индексов растительности или влажности. Поэтому SMI лучше подходит для выявления более крупных зон и закономерностей распределения влаги, а не очень небольших различий внутри поля.
Частые вопросы о SMI
Что показывает SMI?
Что показывает SMI?
SMI используется для отображения различий в условиях увлажнения по полю, особенно там, где растительный покров ещё недостаточно развит и поверхность почвы сильнее влияет на спутниковый сигнал.
Как рассчитывается SMI?
Как рассчитывается SMI?
SMI использует два спектральных канала Sentinel-2: B8A (NIR) и B11 (SWIR):
SMI = (SWIR − NIR) / (SWIR + NIR)
Разница в отражении ближнего инфракрасного и коротковолнового инфракрасного излучения помогает выявить различия, связанные с условиями увлажнения.
Как интерпретировать SMI?
Как интерпретировать SMI?
SMI лучше всего использовать для сравнения разных участков одного и того же поля и отслеживания изменений во времени, а не ориентироваться на одно универсальное пороговое значение.
Какое пространственное разрешение у SMI?
Какое пространственное разрешение у SMI?
Оба канала Sentinel-2 — B8A и B11 — имеют исходное пространственное разрешение 20 м. Это значит, что SMI показывает меньше пространственных деталей, чем индексы на основе 10-метровых каналов Sentinel-2, но при этом хорошо подходит для выявления более крупных закономерностей распределения влаги на сельскохозяйственных полях.
🌧️ NDWI — отвечает на совсем другой вопрос
Если применить NDWI к здоровому полю пшеницы, результат может показаться неправильным: значения будут ровными, отрицательными и почти одинаковыми при самых разных состояниях культуры. Но индекс работает правильно. В формуле, которую использует OneSoil, — формуле МакФитерса (McFeeters) — NDWI предназначен для поиска открытой воды, а не для оценки состояния культуры.
Почему это важно: если вы сталкиваетесь с затоплением поля — после продолжительных дождей или после зимы — NDWI точно покажет участки, где скопилась вода. В этом и заключается разница между приблизительной оценкой потерь и их фактическим измерением. Причём такой анализ можно проводить как для одного поля, так и для целого региона.
Но есть один нюанс: это не слой для оценки состояния культуры, и воспринимать его как такой слой — одна из самых серьёзных ошибок в этом списке.
В сельском хозяйстве этот индекс особенно полезен для быстрого и однозначного выявления поверхностной воды, затопленных и переувлажнённых участков, а также мест скопления воды на полях.
5. NDWI для поля, покрытого пшеницей.
6. Сравнение NDWI и NDMI на снимке с поверхностной водой.
NDWI чётко выделяет участки, покрытые водой. На том же спутниковом снимке индекс влажности NDMI показывает гораздо большую изменчивость на поверхности суши, поэтому по нему сложнее отличить открытую воду или затопленные участки.
Частые вопросы о NDWI
Что показывает NDWI?
Что показывает NDWI?
NDWI используется главным образом для обнаружения поверхностной воды, включая затопленные участки, стоячую воду и зоны переувлажнения.
Как рассчитывается NDWI?
Как рассчитывается NDWI?
NDWI по МакФитерсу использует зелёный (GREEN) и ближний инфракрасный (NIR) каналы:
NDWI = (GREEN − NIR) / (GREEN + NIR)
Как интерпретировать NDWI?
Как интерпретировать NDWI?
В целом более высокие положительные значения связаны с поверхностной водой, тогда как растительность и сухая поверхность обычно имеют более низкие или отрицательные значения.
Для чего NDWI используется в сельском хозяйстве?
Для чего NDWI используется в сельском хозяйстве?
Основные задачи — выявление затопления, переувлажнения, скоплений воды и влажных участков внутри полей, особенно после сильных осадков.
Почему NDWI часто имеет отрицательные значения на полях с посевами?
Почему NDWI часто имеет отрицательные значения на полях с посевами?
Потому что индекс предназначен главным образом для того, чтобы отделять открытую воду от суши и растительности. Поэтому у здоровой культуры значение NDWI вовсе не обязательно должно быть положительным.
🧑🌾 Почему это различие имеет практическое значение
После дождя индекс влажности повышается по всему полю. Это влияние погоды.
Равномерное изменение по всему полю говорит о том, что выпало с неба. И только разница, которая сохраняется между разными датами, может рассказать что-то о самом поле.
Если смотреть только на одну дату без этого контекста, карта может показывать улучшение там, где на самом деле ничего не изменилось. А если выбрать неподходящий для ситуации индекс, вы получите не просто менее точный ответ — вы получите неправильный ответ, который будет выглядеть так же убедительно, как правильный.
🛰️ Если посмотреть на них рядом
Три индекса, каждый из которых отвечает на свой вопрос, действительно полезны, только когда их можно сравнить друг с другом. В OneSoil все три доступны для одного и того же поля и одной и той же даты, и между ними можно переключаться одним нажатием. Недавно мы также улучшили отображение NDMI, SMI и NDWI, поэтому теперь различия между ними намного легче увидеть.
Наша команда R&D протестировала обновление на самых разных полях: на орошаемых землях Ближнего Востока, европейских фермах и рисовых полях Азии.