Метод получения информации о местах произрастания сельскохозяйственных культур на основе хода индекса NDVI на поле

В данном разделе описываются разработанные в ИКИ РАН методы верификации и классификации информации о сельскохозяйственных культурах на полях, основанные на анализе хода среднего значения индекса NDVI на поле в течение сезона. В качестве входной информации выступают контура полей, ряды ежедневных или семидневных композитных изображений на основе спутниковых данных, а также наземная или экспертная информация о культурах на полях. Разработанные методы позволяют только на основе спутниковых данных определить степень достоверности полученной наземной или экспертной информации, найти возможные ошибки и провести классификацию культур на других полях.

Актуальность работы обусловлена тем, что при проведении дистанционного мониторинга в области сельского хозяйства часто возникают различные прикладные задачи, в которых без масштабных наземных обследований нужно получить объективную информацию о местах произрастания сельскохозяйственных культур на полях. В независимом способе получения информации о сельскохозяйственных культурах на полях заинтересованы органы исполнительной власти, сельхозпроизводители, научные организации. В каждом случае набор, полнота и качество имеющейся информации сильно разнится, она может быть недостоверна и неполна. Например, имеющаяся у органов исполнительной власти информация о типах культур в отдельных районах может содержать в рамках одного класса ошибки, превышающие половину всей выборки. Кроме того, получение информации о сельскохозяйственных культурах на полях может потребоваться как на достаточно ограниченной территории, так и в масштабах нескольких регионов или страны.

В основе подхода лежат две гипотезы:

• Полученный по спутниковым данным ход индекса NDVI различен у разных культур. В случае одинакового хода для разных культур они считаются неразделимыми и учитываются как одна.
• Все поля с одной сельскохозяйственной культурой ведут себя одинаково в пределах локальной территории.
   

Вне зависимости от особенностей имеющейся наземной информации, разработанный подход предполагает следующие основные операции:

• Расчет для каждого поля средних значений и формирование рядов хода NDVI в течение сезона по спутниковым данным.
• Выделение основных трендов на основе кластеризации.
• Сопоставление трендов и культур по входной информации или с помощью эксперта.
• Поиск ошибок во входных данных и их переклассификация.
• Классификация культур на неразмеченных полях (с отсутствующей информацией о культурах).
   

Ряды NDVI на полях формируются в базовом варианте по данным прибора MODIS (спутники AQUA и TERRA). Используются сглаженные интерполированные ежедневные или семидневные ряды композитных изображений индекса NDVI. Несмотря на низкое пространственное разрешение, эти данные обладают высоким временным разрешением. Возможность использования данных с низким пространственным разрешением для полей субпиксельного размера была оценена ранее, в 2022 г. Также в отдельных случаях возможно формирование рядов по данным приборов MSI (спутники серии Sentinel-2), КМСС (спутники серии Метеор), VIIRS (спутники серии NOAA, Suomi NPP).

Кластеризация выполняется методом OPTICS, ее главная задача — найти в выборке все характерные тренды. Далее на основе расстояния между средним за каждую неделю для каждой культуры каждый выделенный тренд сопоставляется с одной или несколькими культурам. В качестве метрики используется евклидово расстояние. На последнем этапе для каждого поля оценивается его расстояние до каждого выделенного тренда. В случае расхождения поле не проходит проверку и ему приписывается культура ближайшего тренда. Пороги для сопоставления и настройки кластеризации подбираются в интерактивном режиме для каждого случая.

Примеры результатов верификации приведены на рисунке 1. Выборка и тренды, приведенные на рисунке 1, получены для культур 2020 г. для одного из районов Воронежской области. Для краткости приведены не все культуры выборки. Зеленым цветом приведен ход NDVI в сезоне для полей с подтвержденной культурой, красным цветом — культура для которых не подтверждена. Также приведены все поля каждой указанной культуры после переклассификации, тогда синим цветом указаны поля, культура для которых была изменена в результате обработки.

Результаты работы могут использоваться для контроля достоверности получаемой информации о культурах, планирования наземных обследований и принятия управленческих решений.

 

Рисунок 1 — Ход среднего значения индекса NDVI на полях выборки с разными сельскохозяйственными культурами. По оси абсцисс везде указан номер недели года. По оси ординат указано значение индекса NDVI