Взгляд из космоса
Текст: И. Ю. Савин, член-корр. РАН, ФГБНУ «Почвенный институт им. В. В. Докучаева», Аграрно-технологический институт ФГАОУ ВО «Российский университет дружбы народов»
Точная, своевременная и объективная информация о состоянии посевов сельскохозяйственных культур необходима административным органам разных уровней, страховым компаниям и, безусловно, аграриям. Поэтому с начала применения данных спутниковой съемки для гражданских целей одним из основных направлений стал именно сельскохозяйственный мониторинг.
Для аграриев, чьи владения занимают большие площади, важно получать оперативные и точные сведения о посевах на различных участках и ходе полевых работ, чтобы иметь возможность вносить коррективы в работу персонала и техники для обеспечения ожидаемой урожайности сельскохозяйственных культур. Исполнительные органы власти всех уровней, то есть от муниципалитетов до министерств, теоретически могут использовать мониторинг для оценки хода сезона вегетации на подведомственной им территории. Спутниковые данные также пригодны для анализа площадей с посевами, пострадавшими от неблагоприятных факторов, заблаговременного определения объемов урожая, контроля и проверки сведений, поступающих от местных аграриев. Страховым компаниям подобная информация позволяет оценить ущерб и риски наступления страховых случаев.
СИСТЕМЫ ОТСЛЕЖИВАНИЯ
Обозначенные возможности предопределили большую перспективность использования спутников как источников данных о состоянии посевов. Как правило, такие сведения отличаются оперативностью, объективностью и одновременным охватом больших территорий. Уже в 1972 году США реализовали проект Lacie, в рамках которого было проведено наблюдение за сельскохозяйственными землями СССР и впервые составлен прогноз урожайности на основе показателей космической съемки. С тех пор накоплен большой опыт применения спутников для мониторинга соответствующих угодий.
Сегодня созданы и действуют в оперативном режиме глобальные или охватывающие несколько стран программы наблюдения за посевами в Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, США, Европейском союзе и Китае. В России работы по формированию системы дистанционного мониторинга сельскохозяйственных земель (СДМЗ) для Министерства сельского хозяйства РФ были начаты около 20 лет назад. До сих пор данный проект не завершен, но на его основе Институтом космических исследований РАН был подготовлен специализированный интернет-сервис, который уже несколько лет во многом выполняет функции СДМЗ и доступен в режиме реального времени. Ключевой спутниковой информацией на этой онлайн-площадке являются данные Modis — ежедневные изображения с пространственным разрешением в 250 м на местности. Мониторинг посевов ведется на основе анализа временных рядов вегетационных индексов NDVI и PVI. Ежегодно уточняются площади пахотных земель в России и территории под посевами озимых культур, еженедельно — состояние растений, на основе чего делается прогноз урожайности. На сайтах главных дистрибьюторов спутниковых данных в России также декларируется, что эта информация может использоваться в сельском хозяйстве для решения многих задач.
ВЫСОКОЕ РАЗРЕШЕНИЕ
Подобные сведения создают впечатление, что достаточно приобрести или скачать спутниковые данные, и проблемы контроля посевов в стране будут решены. Однако такое мнение не соответствует действительности, что связано с рядом обстоятельств. Так, для качественного обычного мониторинга состояния сельскохозяйственных площадей необходимо иметь как минимум одно изображение в неделю в течение всего сезона вегетации. В некоторых случаях требуется более частая съемка, например при отслеживании палов, воздействии заморозков и тому подобного, в течение коротких периодов — до события, во время и после него. Кроме того, сегодня создание спутниковых изображений высокого пространственного разрешения больших территорий часто технически невозможно. Дополнительно к этому во многих регионах получение изображений затрудняет облачность. Теоретически для малых площадей и отдельных полей можно решить эту задачу, однако стоимость заказа подобной съемки будет настолько велика, что говорить о ее экономической рентабельности невозможно. По этим причинам все основные системы мониторинга посевов в мире, в том числе в России, сегодня базируются на изображениях Modis, которые можно получать ежедневно с пространственным разрешением от 250 до 1000 м. Такие величины позволяют осуществлять наблюдения за посевами лишь на крупных участках и, естественно, без учета внутриполевых неоднородностей. Описанные территории в нашей стране есть только на Северном Кавказе и в некоторых местах Черноземной зоны. В остальных же регионах изображения заведомо будут недостаточно детальными для проведения качественного анализа.
НЕИДЕАЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ
В большинстве систем спутникового мониторинга в качестве основного критерия состояния посевов используется вегетационный индекс NDVI. О возможности применения этой величины как индикатора надземной фитомассы написано большое количество научных публикаций. Более того, NDVI часто используется для прогнозирования урожайности разнообразных сельскохозяйственных культур. Многие участники рынка космических данных в аграрной отрасли, а в последнее время и сведений, получаемых с БПЛА, предлагают потребителям именно этот продукт как некую интегральную характеристику состояния посевов. Однако из научной литературы давно известно, что NDVI не является идеальным показателем степени развития культур и надземной фитомассы. Недостатки этого индекса связаны с так называемым «насыщением» при большом количестве растений и его выходом на плато, а также с влиянием отражательных свойств поверхности почв на величину этого параметра при низкой сомкнутости. Кроме того, насыщение NDVI, как правило, наблюдается при высоких густоте и урожайности культур, то есть при достижении определенного уровня надземной фитомассы индекс перестает расти при дальнейшем увеличении, что препятствует индикации состояния участков. Также известно, что на размер данного параметра оказывает воздействие цвет почвы. Необходимо отметить, что недостаточно изученной является сезонная динамика NDVI отдельных культур и сортов. Кроме того, на этот индекс влияет засоренность посевов, причем в те или иные фазы вегетации по-разному, и комбинированное возделывание некоторых растений. Все обозначенные факторы привносят дополнительные неточности и ошибки в спутниковый мониторинг.
АРХИВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Следует также отметить недостаточную методическую проработанность подходов к системе в целом. В большинстве случаев они базируются на сравнении динамики NDVI в текущем сезоне со средними многолетними значениями, в связи с чем для оценки состояния посевов требуется архив спутниковых данных. Однако он существует лишь для информации от NOAA VHRR с пространственным разрешением в один километр и Modis. Появившиеся в последние годы данные со спутника Sentinel с точностью 10–20 м имеют шансы стать хорошей альтернативой Modis, но архив этой информации, достаточный для решения задач сельскохозяйственного контроля, будет накоплен в лучшем случае через 10 лет.
Использование больших архивов спутниковых данных таит в себе дополнительные погрешности, связанные с тем, что за долгий период происходит смена возделываемых сортов. Нередко меняется и набор культур, выращиваемых в том или ином регионе. При этом в действующих системах спутникового мониторинга сельскохозяйственных угодий не учитываются севообороты, так как до сих пор отсутствуют надежные алгоритмы детектирования отдельных культур на больших территориях. Существующие методические подходы можно модернизировать или создать альтернативные варианты, однако для этого необходимы годы детального изучения спектральных отражательных свойств посевов и почв в динамике.
БОЛЬШОЙ ПОТЕНЦИАЛ
Обозначенные проблемы приводят к тому, что, несмотря на достигнутые успехи в области спутникового мониторинга посевов на больших территориях, точность получаемых результатов невелика. При этом пользователи этих систем сталкиваются как с мелкими погрешностями, так и с серьезными ошибками. Спутниковые данные, без сомнения, обладают огромным потенциалом для создания систем оперативного мониторинга посевов, однако сейчас он реализуется менее чем на половину. Для изменения ситуации необходимы дополнительные практические исследования и эксперименты, которые в постоянном режиме ведутся рядом научных организаций в России. Тем не менее их недостаточно, чтобы сделать прорыв в этом направлении в ближайшие годы. При этом нельзя отрицать большие возможности спутникового мониторинга посевов на территориях, ограниченных одним или несколькими полями, для которых гораздо проще построить алгоритмы анализа данных, чем для масштабных участков. В этой ситуации основным ограничителем является высокая стоимость данных достаточного пространственного разрешения. В любом случае пользователи результатов функционирования спутниковых систем должны относиться к ним с осторожностью, имея в виду существующие недостатки.