Построение и анализ карт высот растительности агроценозов по данным беспилотной съемки в различные фазы вегетации

Цитирование: Емельянов, Д. В. Построение и анализ карт высот растительности агроценозов по данным беспилотной съемки в различные фазы вегетации / Д. В. Емельянов, И. Ю. Ботвич, В. К. Ивченко, А. П. Шевырногов // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2022, 15(3). С. 308–317. DOI: 10.17516/1999-494X-0393.

та растений как фактор оценки состояния посевов используется во множестве литературных источников, как отечественных, так и зарубежных [3–6]. В Xiongzhe Han и др. [3] показана возможность использования беспилотных воздушных судов (БВС) для оценки высоты расте-ний с высокой точностью на относительно большом сельскохозяйственном поле. Корреляция между оценками, основанными на БВС, и контактными данными была сильной во все даты измерений (R ² > 0.80). Однако было обнаружено, что возможно снижение среднеквадратичной ошибки (RMSE) оценок высоты объекта на основе данных БВС примерно на 20 % при использовании многоуровневых наземных контрольных точек (GCP). В Virginia E. [6] c помощью цифровой 3D-реконструкции растительного покрова показана разница в высоте растений при резких изменениях уклона, связанных с повреждениями. Показана возможность определения площадей поврежденных посевов. Предлагаемые методы могут быть использованы с применением БВС.

Цель исследований : изучение изменений высоты растений посевов сельскохозяйственных культур по данным беспилотных воздушных судов (БВС).

Задачи исследований:

– проведение измерений высоты растений контактными и дистанционными методами;

– построение карты пространственного распределения высот растений посевов ячменя и яровой пшеницы.

Объект и методы исследований. Исследования проводились в учебно-опытном хозяйстве «Миндерлинское» Сухобузимского района Красноярского края в течение периода вегетации 2021 г . Опытное поле, состоящее из отдельных участков, представлено на рис. 1. Внесение удобрений производилось по северной части каждой полосы (шириной 10 м), южная оставалась без удобрений [7, 8]. Каждая полоса засеяна определенным видом сельскохозяйственных культур. В работе представлен анализ результатов обработки данных по полосе № 1, засеянной яровой пшеницей сорта “Новосибирская-15”, № 2 - яровой пшеницей сорта “Новосибирская-15”, № 3 – ячменем сорта “Ача” . Все полосы разделены на варианты в соответствии с четырьмя видами обработки почв: “ а” - вспашка (ПН-5-35 на 20-22 см); “b” - плоскорезная обработка (КПШК-3,8 на 20–22 см); “c” – поверхностная обработка (дискатор БДШ-5,6 на 8–10 см); “d” - прямой посев при нулевой обработке почвы (Агратор 4,8). В работе представлены данные по обработке “ a” – вспашка.

Исследование основывается на данных, полученных с помощью беспилотного воздушного судна DJI Matrice 210 RTK V2, с полезной нагрузкой в виде камер ZENMUSE X5S. БВС имеет систему RTK, которая позволяет достигать точности географической привязки до 2 см.

Камера ZENMUSE X5S дает возможность получения цифровых изображений с разрешением 5120х2880 пикселей, что приводит к достижению высокой детализации изображения с больших высот. На основе полученных данных произведено построение 3D-модели местности. Данная возможность позволяет получать информацию о высоте объектов (в том числе растений), состоянии рельефа и т.д.

Построение полетных заданий выполнялось в программном обеспечении DJI Pilot, поставляемом в комплекте c DJI Matrice 210 RTK V2. Высота полета от точки взлета 60 м. Каждая съемка проводилась в пять этапов и состояла из двух видов: надирная и наклонная. Во время первого этапа камера устанавливалась в надир. В последующие этапы наклон камеры состав- – 310 –

Рис. 1. Месторасположение опытного поля учхоза “Миндерлинское” и его структура по видам обработки, культурам

Fig. 1. Study site (educational experimental farm “Minderlinskoe”) and its structure by types of treatment лял 70° от вертикали, но менялось направление камеры: северное, восточное, южное, западное. Надирная съемка позволяет построить ортофотоплан и цифровую модель местности, однако для создания 3D-модели требуются измерения с наклоном камеры. Благодаря этому хорошо видны морфологические особенности растений. Также такие комбинированные съемки позволяют определять высоты объектов. Пространственное разрешение изображений составило 2,7 см.

Обработка полученных данных проводилась в специализированной программе AgisoftMetashapeи QGis.

Для построения карты высот растительности посевов (cropsurfacemodels – CSMs) использовались программы AgisoftMetashape и QGis. В AgisoftMetashape после построения плотного облака точек вручную классифицировались участки с растительностью и незасеянной почвой. Далее отдельно строились цифровые модели местности (ЦММ) с использованием облака точек растительности (DSM – digitalsurfacemodel) и без нее (DTM – digitalterrainmodel). В итоге за каждую дату получено две ЦММ: с растительным покровом и без растительного покрова. В QGis при помощи калькулятора растров из ЦММ с растительностью (DSM) вычиталась ЦММ без растительности (DTM) для получения растра со значениями высоты (CSMs).

CSM представляет собой множество параллелепипедов с одинаковым основанием, но разной высотой. Для вычисления занимаемого объема растительностью использовалась формула для расчета объема параллелепипеда

V = a * b * h, где a - длина, b - ширина, h - высота параллелепипеда. Так как в данном случае длина и ширина параллелепипеда являются разрешением изображения - 2,7 см, площадь основания каждого параллелепипеда составляет 7,29 см2. В программе QGis при помощи инструмента «Калькулятор растра» растр CSM умножался на 7,29 для вычисления объема каждого параллелепипеда. Из полученного растра при помощи инструмента «Зональная статистика» извлекалась сумма значений по исследуемому участку.

Результаты исследований

На рис. 2 представлены карты пространственного распределения высот растений посевов пшеницы и ячменя в разные фазы вегетации (с 16 июня по 30 сентября 2021 г.) с пространственным разрешением 2.7 см. В начале периода вегетации, когда высота растений еще не достигла 10 см, затруднительно разделение растительного покрова от почвенного. По мере нарастания фитомассы расчет ЦММ происходит с наименьшей ошибкой, следовательно, ошибка определения высоты становится меньше. На рис. 2 видно, что на всех трех исследуемых полосах высота культур на удобренном фоне выше. Также отчетливо видны участки с высокими и низкими значениями высоты во все фазы вегетации.

На карте пространственного распределения высоты растений посевов от 30 сентября 2021 г. полосы оранжевого цвета показывают технологические участки уборки урожая комбайном Террион. Прямое комбайнирование Террионом проводится в 4–6-кратной повторности для учета урожая зерновых культур.

На рис. 2 хорошо видна изменчивость высот посевов в течение вегетационного периода. Карты пространственного распределения высоты растений позволяют оценивать внутрипольную неоднородность посевов. На полосе № 1 возрастает контрастность продольных полос к 9-27 августа 2021 г., на полосе № 2 ярче с 22.07.2021 по 27.08.2021 в восточной части участка проявляется устойчивая структура различных высот малого размера. На полосе № 3 структура, появившаяся 2.07.2021–22.07.2021 в период роста, к 9.08.2021, 27.08.2021 исчезает, что говорит о неравномерности темпов роста посевов ячменя на различных участках поля.

Расчет значений средней высоты растений по контурам 1, 2, 3 с учетом разделения на удо-бренный/неудобренный фон показал, что наибольшая высота растений зафиксирована 9 августа (рис. 3). Самые высокие значения зафиксированы на удобренных фонах: пшеница по кукурузе – 69 см, пшеница по пару – 66 см, ячмень – 68 см. В этот момент можно отследить разницу между удобренным и неудобренным фоном. Наибольшая разница зафиксирована на пшенице по кукурузе – 19 см, ячменю – 14 см, пшенице по пару – 5 см.

Использование карт высот растительности позволяет проводить расчет объема, занимаемого растительностью. Проведенные расчеты позволили установить объем, занимаемый растительностью, с учетом фона – удобренного (неудобренного) 9 августа 2021 г. (табл. 1).

Height, m

Legend

1 - Wheat (forecrop corn)

2 - Wheat (forecrop fallow)

3 - Barley

Рис. 2. Карта пространственного распределения высоты растений посевов сельскохозяйственных культур в разные фазы вегетации с пространственным разрешением 2.7 см. Периоды вегетации: 16.06.2021 – кущение, 02.07.2021 – начало выхода в трубку, 22.07.2021 – колошение, 09.08.2021, 27.08.2021, 30.09.2021 – созревание

Fig. 2. CSM map in different phase of vegetation with 2.7 cm spatial resolution. Vegetation stages: – 16.06.2021-tillering, 02.07.2021- stem elongation, 22.07.2021 – earing, 09.08.2021, 27.08.2021, 30.09.2021 – maturation

Рис. 3. Изменение высоты растений посевов зерновых культур в течение периода вегетации

Fig. 3. Change in cereal crops height during the vegetation season

Таблица 1. Объем, занимаемый растительностью 9 августа 2021 г.

Table 1. Volume occupied by vegetation on August 9, 2021

№ полоса	Объем, занимаемый растительностью (фон удобренный), м 3	Объем, занимаемый растительностью (фон неудобренный), м 3
1	918.2	644.4
2	979.7	836.2
3	938.4	814.7

Проведен анализ динамики высот растений на поперечных срезах полос 1–3 (рис. 4–6). Срезы выполнены на расстоянии 0,5 м от западного края посева. Установлено, что внутри срезов по полосам 1–3 наблюдается ряд особенностей, максимальные значения высот для различных посевов различны: полоса № 1 (пшеница по кукурузе) – 0,7–0,9 м; полоса № 2 (пшеница по пару) – 0,6–0,75 м; полоса № 3 (яровой ячмень) – 0,5–0,7 м. По приведенным срезам видно, что основной рост идет от 0 до максимума с 16 июня по 9 августа 2021 г. Наблюдаются устойчивые во времени участки с выпадением высот вниз (рис. 6, положение 14,6). Это может быть обусловлено свойствами почвы или локальными негативными условиями. На срезах такие особенности проявляются как точки, на картосхемах – как локальные участки. Отличия динамики высот по типам посевов показывает, что на полосе № 1 более высокое значение максимума; на полосе № 2 быстрее выходит на максимум (22 июля уже почти максимум). Динамика нарастания надземной фитомассы ячменя существенно отличается от таковой яровой пшеницы. Максимальные значения этого показателя синхронно меняются на фоне убранных растений, что может отражать уровень почвенного плодородия.

Установлена особенность влияния наличия удобренного фона на высоту растений. На полосах № 1 и 2, засеянных яровой пшеницей, различия на удобренном и неудобренном фоне незначительны. Максимальные отличия по средней высоте зафиксированы 16 июня во время кущения 46,4 и 38,6 % соответственно. В целом в период прохождения растениями таких фаз роста и развития, как выход в трубу, колошение и созревание, различие по высоте на разных фонах, не превышает 6 %.

Наиболее отличительным является изменение высоты растений на полосе № 3, засеянной ячменем. Во время кущения высота растений на разных фонах отличается незначительно (на 1,3 %). В последующие фазы роста и развития растений ячменя разница по высоте составляет от 15 до 61 %. Величина среднеквадратического отклонения на неудобренном фоне с 22 июля существенно не меняется и остается высокой.

1,0

0     0,9 1,7 2,6 3,5 4,3 5,2 6,0 6,9 7,8 8,6 9,5 10,3 11,2 12,1 12,9 13,8 14,6 15,5 16,4 17,2 18,1 18,9 19,8

Profile length, m unfertilized soil fertilized soil

Рис. 4. Профиль высот поперечного среза посева яровой пшеницы, высеваемой после кукурузы, полоса № 1

Fig. 4. Height profile of a cross-section of wheat (forecrop corn), line 1

Рис. 5. Профиль высот поперечного среза посева яровой пшеницы, высеваемой после сидерального пара, полоса № 2

Fig. 5. Height profile of a cross-section of wheat (forecrop fallow), line 2

Рис. 6. Профиль высот поперечного среза посева ячменя, полоса № 3

Fig. 6. Height profile of a cross-section of barley, line 3

Выводы

В результате исследований проведено изучение изменений высоты растений посевов зерновых культур в течение периода вегетации. Построены карты пространственного распределения высоты растений посевов сельскохозяйственных культур в разные фазы вегетации. Представлена оценка динамики роста яровой пшеницы и ячменя методами дистанционного зондирования. Показана эффективность применения беспилотных летательных аппаратов для определения высот растений в посевах сельскохозяйственных культур. Установлена возможность выявления внутрипольной неоднородности посевов на различных стадиях роста и развития сельскохозяйственных культур.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что разработанную методику можно использовать для мониторинговой оценки состояния посевов сельскохозяйственных культур с целью дифференцированного внесения минеральных удобрений, выполнения некорневой подкормки посевов в период вегетации, а также для борьбы с вредителями, болезнями и сорняками, прогнозирования уровня урожайности.