МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Развитие аппаратуры дистанционного зондирования позволило получать детальную информацию высокого разрешения в различных спектральных диапазонах, что определило новые возможности для эффективного решения задач точного земледелия с использованием космических систем и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

1. Использование данных дистанционного зондирования космического аппарата World View-3 для решения задач точного земледелия

К настоящему времени лучшим пространственным разрешением (до 30 см/пиксел) обладают данные дистанционного зондирования космических аппаратов World View-3, что позволяет на их основе создавать тематические картографические данные до масштаба 1:2000 для решения задач точного земледелия. Стоимость космических снимков World View-3 составляет 58 $/км.кв.

На рисунке 1 приведен космический снимок World View-3 территории Алматинской области

Рисунок 1 - Космический снимок World View-3

Как известно, отражение растительного покрова в красной и ближней инфракрасной областях электромагнитного спектра тесно связано с его зеленой фитомассой. Для того, чтобы количественно оценить состояние растительности, широко применяется так называемый вегетационный индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), который характеризует также плотность растительности и позволяет количественно оценить всхожесть и рост растений, продуктивность угодий.

Наличие в аппаратуре дистанционного зондирования космического аппарата World View-3 инфракрасного канала (NIR) позволяет с помощью специального программного обеспечения вычислять значения вегетационного индекса NDVI, характеризующего состояние растительного покрова исследуемого сельскохозяйственного угодья (Рис. 2)

Рисунок 2 - Мониторинг состояния растительного покрова по вегетационному индексу NDVI

Система космических аппаратов компании Black Bridge представляет группировку из пяти Канадских мини-спутников дистанционного зондирования RapidEye, оснащенных мультиспектральной оптико-электронной камерой с пространственным разрешением 6,5 м. Следует отметить, что аналогичной разрешающей способностью (6,5 м.) обладает аппаратура дистанционного зондирования казахстанского космического аппарата KazEOSat-2.

2. Использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для решения задач точного земледелия

Развитие современной аэросъемочной аппаратуры представило новые возможности для эффективного использования данных дистанционного зондирования, получаемых с БПЛА для решения задач точного земледелия.

Результатом оперативного БПЛА-мониторинга являются данные высокого разрешения о состоянии земельных угодий, которые могут быть эффективно использованы для решения следующих задач точного земледелия:

Создание ортофотопланов, цифровых карт земельных угодий и контуров полей.
Создание карт состояния растительности на основе анализа вегетативных индексов NDVI, полученных с использованием инфракрасных фотокамер, установленных на БПЛА.
Экспорт полученных пространственных и атрибутивных данных в форматах, совместимых со специализированным программным обеспечением, в том числе с 1С-предприятие.
Планирование мелиоративных мероприятий.
Контроль агротехнических мероприятий.

2.1. Состав эксплуатируемых БПЛА

В АО «Национальный центр космических исследований и технологий эксплуатируются два типа БПЛА (Рис. 3).

Рисунок 3 - Эксплуатируемые БПЛА

2.1.1. Технические характеристики БПЛА - Гексакоптер

2.1.2. Технические характеристики планера БПЛА – ГЕОСКАН 101

Гексакоптеры используются для съемки небольших (до 10 – ти км.кв.) территорий. Планер - для съемки больших (100 – 200 км.кв.) территорий.

2.2. Проведение аэросъемочных работ. Создание ортофотопланов и цифровых карт

Для проведения аэрофотосъемки в целях картографии используются цифровые камеры SONY-NEX 5N с разрешением 16 Мп укрепленные на гиростабилизирующей платформе. Полет БПЛА осуществляется в режиме автопилотирования по заранее спланированному маршруту, обеспечивающему необходимое перекрытие аэросъемочных кадров. Разрешение полученных с высоты 200 метров снимков составляет 5 см. (Рис. 4).

Рисунок 4 - Фрагмент автодороги. Высота съемки 200 м. Разрешение 5 см

Фотограмметрическая обработка аэросъемочных кадров позволяет построить рельеф местности и координатно привязанный ортофотоплан (Рис. 5).

Рисунок 5 – Процесс создания ЦМР и ортофотоплана по данным БПЛА

Дальнейшая векторизация построенного ортофотоплана позволит получить набор тематических карт, отражающих контуры сельскохозяйственных угодий и их количественные характеристики.

Немаловажным преимуществом использования БПЛА для мониторинга сельскохозяйственных земель является использование видеокамеры. Видео может оказаться более ценным, чем статичные изображения. В этом случае создаётся ощущение, как будто фермер следит за территорией своими собственными глазами. Иногда собственный взгляд в режиме реального времени позволяет оперативно выявить скрытые проблемы и направить БПЛА туда, куда нужно. Несомненно, подобный манёвр целесообразнее проводить с использованием БПЛА мультироторного типа. На рисунке 6 приведены кадры из видеоролика, снятого камерой SONY-NEX 5N с разрешением 16 Мп.

Рисунок 6 – Примеры кадров из видеоролика, снятого камерой SONY-NEX 5N с высоты 300 метров

3. Мониторинг состояния растительности на основе анализа вегетативных индексов NDVI, полученных с использованием инфракрасных фотокамер, установленных на БПЛА

В настоящее время в сельском хозяйстве широкое применение получают технологии точного земледелия. Они базируются на использовании спектрозональных аэросъемочных данных высокого разрешения, получаемых с инфракрасных фотокамер, установленных на БПЛА (Рис. 7).

Рисунок 7 - ИК-фотоаппарат для мультиспектральной съемки на базе Sony-Alpha A5000(NIR). Спектральный диапазон 400 - 1000 н.м.

Использование ИК-фотоаппарата позволяет количественно оценить состояние растительности на основе вычисления вегетационного индекса NDVI. В таблице 1 приводятся значения вегетационного индекса NDVI, полученные ИК-камерой, которые могут быть использованы в задачах мониторинга состояния растительного покрова с использованием БПЛА.

Таблица 1

Программное обеспечение адаптированное для обработки данных NDVI – мониторинга, полученных с БПЛА позволяет выявлять зоны засушливых, переувлажненных и угнетенных сельскохозяйственных угодий, а также обнаружить участки, наиболее нуждающиеся во внесении удобрений. На рисунке 8 приведен пример мониторинга состояния поливных земель с использованием ИК-камеры.

Рисунок 8 - Мониторинг состояния поливных земель с использованием ИК-камеры

При проведении регулярных аэрофотосъёмок сельскохозяйственных земель ежедневно или раз в неделю и их постобработке в специализированном ПО, можно проследить динамику изменений в пределах одного и того же поля, и эти данные можно будет точно соотнести с продуктивностью земельных угодий.

4. Стоимость аэросъемочных работ

Стоимость аэросъемочных работ включает затраты на проведение аэросъемки с использованием БПЛА и на камеральную обработку полученных аэросъемочных данных, которые составляют:

проведение аэросъемочных работ (за 1км.кв.) - 50 долларов США;
камеральная обработка, включая создание ортофотоплана местности и расчет вегетационного индекса NDVI (1км.кв.) - 550 долларов США;
всего - 600 долларов США за 1км.кв.

5. Экспорт полученных пространственных и атрибутивных данных в форматах, совместимых со специализированным программным обеспечением

Тематические картографические данные о состоянии земельных угодий, построенные в форматах ArcGIS по данным аэросъемки с БПЛА могут быть экспортированы в базу данных 1С-предприятие. Такая интеграция ArcGIS и 1С достигается с помощью предварительного экспорта атрибутивных табличных данных построенных тематических карт в форматы Excel файла при помощи специализированного картографического программного обеспечения ESRI ArcGIS. Далее табличный Excel файл автоматически подгружается в систему 1С-предприятие для дальнейшего использования по выбранному назначению - статистика, принятие управленческих решений, экономический анализ, и т.п. (Рис. 9).