Анализ рядов нормированных показателей NDVI посевов для оценки состояния и динамики сельскохозяйственных культур

В течение 2020 года с использованием сервисов семейства «Созвездие-Вега» регулярно осуществлялась оценка развития посевов озимых и яровых сельскохозяйственных культур на территории России. Мониторинг осуществлялся на основе карт размещения посевов и значений вегетационного индекса NDVI, полученных по данным дистанционного зондирования Земли, а также на основе метеорологических параметров. Особенностью подхода, применяемого при оценке состояния культур, является сопоставление показателей сезонной динамики вегетационного индекса NDVI с аналогичными данными предыдущих лет. Это позволяет формировать многолетнюю норму сезонного изменения NDVI, относительно которой проводится анализ отклонений.

Необходимо отметить, что более высокие или низкие значения NDVI не всегда характеризуют более хорошее или плохое состояние и развитие посевов. Они, в частности, могут быть связаны со сдвигом сезона на более ранние или поздние сроки из-за сложившихся метеорологических условий.

В связи с этим в 2020 году был реализован и применён инструмент, позволяющий нормировать временную динамику значений индекса NDVI (и различных других показателей, в том числе метеорологических) с учётом временного хода накопленных активных температур в различные годы. Например, при нормировке по среднемноголетнему ходу накопленной активной температуры временные шкалы различных лет преобразуются так, чтобы в каждой точке преобразованной шкалы накопленная активная температура анализируемого года равнялась накопленной активной среднемноголетней температуре. Это позволяет сравнивать различные параметры, наблюдавшиеся в анализируемом году (например, NDVI), не со значением в календарные даты разных лет (или усреднёнными на конкретную дату разных лет значениями), а в даты, в которые наблюдались одинаковые значения накопленных активных температур. Благодаря этому можно нивелировать особенности хода температуры в различные вегетационные сезоны. Используя такую перенормировку, можно, в частности, получать информацию об отклонении текущих значений NDVI от среднемноголетних нормальных значений, из которых исключены особенности конкретного вегетационного сезона (его отставание или опережение). Это позволяет анализировать информацию об отклонениях от норм на сопоставимых стадиях развития растений и более объективно представляет информацию о состоянии посевов.

В текущем году инструмент продемонстрировал свою эффективность на примере мониторинга озимых культур в связи с особыми погодными условиями на территории Европейской части России в зимний период 2019–2020 годы. После засушливой осени последовала тёплая и бесснежная зима. Это привело к тому, что на юге Европейской территории России озимые культуры находились в состоянии вегетации в течение всего этого периода. Благодаря этому, к началу февраля 2020 года значения NDVI озимых культур в большинстве южных субъектов достигли более высоких значений, чем в среднем за последние годы, а возобновление активного развития посевов началось на несколько (3-5 в различных регионах) недель раньше.

Наглядным примером возможностей, которые даёт инструмент нормирования временной динамики значений индекса NDVI, может служить ситуация, представленная на рисунке 2.4.1.1. Сравнивая результаты, получаемые на основе не нормированных (рисунок 2.4.1.1, слева) и нормированных (рисунок 2.4.1.1, справа) на ход накопленных активных температур данных, можно сделать вывод о том, что в конце марта 2020 года, несмотря на повышенные значения индекса NDVI, озимые культуры во многих районах Ростовской области, Краснодарского края и Республики Крым развивались близко к многолетней норме, а в некоторых районах несколько хуже неё.

    

Рисунок 2.4.1.1 — Отклонение NDVI озимых в % от среднемноголетней нормы по состоянию на 13-ю неделю 2020 года (23–29 марта): слева — до нормировки по накопленной температуре, справа — после неё

Работа инструмента наглядно может быть продемонстрирована в виде графиков. Так, на рисунке 2.4.1.2 приведены графики NDVI, накопленных осадков и температуры в Каневском районе Краснодарского края за 2019 и 2020 годы до использования инструмента нормирования по значениям суммы активных температур 2019 года (вверху) и после нормировки (внизу).

Рисунок 2.4.1.2 — Реализация инструмента нормирования временной динамики показателей в графическом интерфейсе сервисов Вега: вверху — до нормировки, внизу — после нормировки на накопленную температуру 2019 года

До использования инструмента нормирования временной динамики отклонение значений NDVI относительно 2019 года не отражает реальной ситуации с развитием посевов вследствие сдвига сезона в 2020 году. После нормирования становится очевидным, что показатели развития посевов (NDVI) в 2020 году. отстают от показателей 2019 года, и при этом динамика их роста значительно медленнее динамики предыдущего года.

В результате анализа состояния посевов озимых и яровых культур были детектированы такие явления, как: недостаток почвенной влаги на юге России весной 2020 года; заморозки в Ставропольском и Краснодарском крае, республике Крым; засуха на территории юго-востока Европейской части России, на южном Урале и в Южной Сибири.
По результатам мониторинга в сельскохозяйственном сезоне 2019–2020 годов на Европейской территории России также была отмечена ситуация, при которой максимальные значения NDVI озимых культур в центральном регионе существенно превосходили максимальные среднемноголетние значения индекса. В южных регионах, напротив, максимумы NDVI 2020 года находились либо на уровне среднемноголетних максимумов, либо ниже (рисунок 2.4.1.3).

Рисунок 2.4.1.3 — Разница максимальных значений NDVI 2020 года и среднемноголетних максимумов индекса для озимых культур Европейской части России

Рисунок 2.4.1.4 - Отклонение NDVI сельскохозяйственной растительности от многолетней нормы, 43-я неделя (19–25 октября) 2020 года

На основе проведённого анализа уже в июне 2020 г. были сделаны предположения о том, что урожайность озимых культур в южных регионах Европейской территории России (ЕТР) ожидается ниже среднемноголетних значений, в то время как в центральных регионах ЕТР и в Поволжье — выше. Определено, что значительное влияние на это оказало выпадение осадков в мае 2020 года, которое оказалось своевременным для посевов Центрального и Приволжского федеральных округов, но не смогло исправить ситуацию в ряде регионов Северо-Кавказского и Южного и федеральных округов.

Также проведён анализ состояния озимых культур под урожай 2021 года в осенний период 2020 года. Отмечено существенно более низкое значение NDVI относительно среднемноголетних значений (рисунок 2.4.1.4) и данных 2019 года для ряда регионов в Южном и Северо-Кавказском федеральных округах, а также на юге Центрального и Приволжского округов. Анализ метеорологических данных показал, что наиболее вероятной причиной этого является отсутствие или недостаточное развитие всходов озимых культур, вызванное засухой. При этом ситуация, сложившаяся в 2020 году, является уникальной, так как за период наблюдений с 2001 года столь продолжительная осенняя засуха не наблюдалась. Несколько похожая ситуация была замечена только в 2014 и 2015 годах.