Влияние высоты съемки и зенитного угла солнца на вегетационные индексы пшеницы по данным БПЛА

Введение. Интенсивный рост использования беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) гражданского назначения ознаменовал новый период в дистанционном зондировании – стали доступны данные лучшего пространственного, спектрального и временного разрешения. Одной из наиболее важных областей применения БПЛА является сельское хозяйство. С помощью беспилотных систем проводят инвентаризацию и мониторинг состояния посевов, осуществляют контроль персонала и техники, вносят удобрения, пестициды, инсектициды и др. [1, 2].

Получаемые в результате оптической съемки изображения используют для расчета вегетационных индексов (ВИ) в различных участках электромагнитного спектра с целью анализа состояния растительности. ВИ, рассчитанные по данным обычных RGB-камер, получили название цветных, или хроматических, для которых в отличие от спектральных ВИ используют красную, зеленую и синюю области спектра [3, 4].

Беспилотные системы имеют ценовые и временные преимущества по сравнению с дорогими авиационными работами, зависящими от облачности спутниковыми аппаратами и трудоемкими наземными наблюдениями. Однако их использование в целях сельскохозяйственного мониторинга требует передовых навыков сбора, обработки и анализа разносторонних данных. Таким образом, актуальной общей проблемой является развитие научных основ беспилотного мониторинга агроценозов в разнообразных физикогеографических условиях.

Цель исследования – оценка влияния высоты съемки и зенитного угла Солнца на цветные и спектральные вегетационные индексы пшеницы, полученные по данным съемки с БПЛА в условиях засушливого климата Забай- калья.

Задачи: выполнить разновысотную аэрофотосъемку экспериментального поля при различных положениях Солнца; рассчитать ВИ и провести сравнительный статистический анализ полученных данных.

Объекты и методы. Исследование проведено на учебно-мелиоративном полигоне Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В.Р. Филиппова в пригороде

Таблица 1

Время аэрофотосъемки и соответствующие зенитные углы Солнца

Время	Угол, град.
13:00	36,5
14:10	39,5
15:05	45
15:45	50
16:20	55
16:55	60
17:30	65
18:00	70
18:30	74,5

В растровом калькуляторе ArcGIS Desktop проведен расчет следующих ВИ по данным спектральных цифровых значений изображений: NDI = (G-R)/(G+R), ExG = 2G-R-B, ExR = 1,4R-G, ExGR = 3G-2,4R-B, VARI = (G-R)/(G+R-B), GLI = (2G-B-R)/(2G+B+R) – цветные ВИ; NDVI = (NIR-R)/(NIR+R), DVI = NIR-R, RVI = NIR/R, SAVI = 1,5 (NIR-R)/(NIR+R+0,5) – спектральные ВИ. Отметим, что для цветных индексов проведена нормировка цифрового значения канала на сумму R + G + B, а для спектральных индексов – на максимально возможное значение канала (для камер Phantom 4 Multispectral – 65535).

г. Улан-Удэ 12 августа 2023 г. Экспериментальное поле площадью 600 м2 засеяно пшеницей сорта Селенга, выведенного для засушливых условий Республики Бурятия. Поле разделено на 4 полосы с различными уровнями полива и богарным вариантом. Каждая полоса представлена 3 опытами NPK в трехкратной повторности. В данной работе оценка зависимостей проводилась в пределах одного варианта, разделенного на 20 одинаковых сегментов с целью соблюдения однородности выборки.

Аэрофотосъемка осуществлена БПЛА DJI Mavic Pro и DJI Phantom Multispectral, осна- щенными соответственно камерами с каналами R-G-B и R-G-B-NIR-RE. Время полетов выбрано таким образом, чтобы угол Солнца изменялся с шагом около 5°. Высота съемки для Mavic составляла 40, 50, 60, 75, 100, 125, 150, 175, 200 м над уровнем земли. Из-за ограничений полетной зоны съемка Phantom проводилась только на высоте 60 м. Условия съемки – безоблачные, уровень экспокоррекции одинаковый – минус 1,3.

Для анализа тесноты связи между ВИ рассчитаны коэффициенты корреляции Спирмена при совпадающих высотах БПЛА и углах Солнца. Различия средних значений ВИ по условиям съемки оценены с помощью статистического критерия Уилкоксона для зависимых выборок.

Результаты и их обсуждение. В результате расчета попарных коэффициентов корреляции для всех ВИ при различных высотах и углах Солнца получено их общее количество – 1215. Среднее абсолютных значений коэффициентов составило 0,906, стандартное отклонение – 0,109, минимальное и максимальное значение – 0,363 и 0,999 соответственно. В большинстве случаев корреляции статистически достоверны при уровне 95 %. С целью краткого представления результатов подсчитаны процентные доли коэффициентов выше среднего значения, сгруппированных по высоте съемки и углу Солнца (табл. 2). Так, например, на высоте 100 м (по всем углам Солнца) доля коэффициентов корреляции между индексами ExR и GLI со значением выше 0,906 составляет 33 %; при зенитном угле Солнца 50° (время съемки 15:45) доля коэффициентов корреляции между индексами ExG и NDI со значением выше 0,906 составляет 44 % по всем высотам.

В таблице 2 из рассмотрения исключены связи для пар ExG/ExGR, ExGR/GLI, ExG/GLI, ExR/NDI, NDI/VARI, ExR/VARI, поскольку они во всех случаях показывают 100 %-ю долю высоких значений коэффициента корреляции Спирмена. Таким образом, можно сделать вывод о взаимозаменяемости индексов ExG, ExGR, GLI и ExR, NDI, VARI. Анализ таблицы 2 показывает, что с увеличением высоты съемки корреляционная связь между индексами ослабевает; аналогичная закономерность наблюдается при увеличении зенитного угла Солнца.

Таблица 2

Доля высоких значений коэффициентов корреляции ВИ для различных условий съемки

Показатель	ExGR / ExR	ExGR / NDI	ExG / ExR	ExR / GLI	ExGR / VARI	ExG / NDI	GLI / NDI	GLI / VARI	ExG / VARI
Высота съемки
h40	100	100	89	78	100	89	78	33	33
h50	100	100	67	67	56	56	56	33	33
h60	100	100	67	56	78	67	56	11	11
h75	100	100	56	44	44	22	11	0	0
h100	89	89	33	33	22	22	22	0	0
h125	89	78	33	33	33	11	22	0	0
h150	89	78	33	33	11	22	33	0	0
h175	78	78	11	11	22	0	11	0	0
h200	56	56	22	22	22	22	22	0	0
Время съемки
13:00	89	89	56	56	44	44	44	0	0
14:10	100	100	100	100	78	67	89	33	33
15:05	100	100	67	67	44	33	44	22	22
15:45	100	100	44	44	56	44	44	11	11
16:20	89	89	33	22	33	33	22	11	11
16:55	78	78	44	33	44	33	22	0	0
17:30	89	67	22	11	22	22	11	0	0
18:00	78	78	22	22	33	11	11	0	0
18:30	78	78	22	22	33	22	22	0	0

Корреляционная зависимость между спектральными индексами NDVI, RVI, DVI, SAVI выражается в их очень высокой связи для высоты съемки 60 м. Наибольшие значения корреляции (0,99) характерны для пар индексов NDVI-RVI и SAVI-DVI, которые могут быть взаимно заменены.

Связь между спектральными и цветными индексами значительно ниже. Высокая корреляция между ними на высоте 60 м наблюдается в

14:10 и в среднем составляет 0,87 ± 0,03, затем с увеличением зенитного угла Солнца постепенно уменьшается до –0,19 ± 0,07. Следовательно, наилучшее приближение съемка RGB-камерой к съемке мультиспектральными сенсорами дает в полуденное время.

Рассмотрим результаты теста Уилкоксона по сравнению средних значений ВИ на испытуемом участке поля при изменении условий аэрофото- съемки. Выше показано, что некоторые индексы взаимозаменяемы вследствие их высокой корреляционной связи. Это также проявляется и в сравнительном анализе. Для примера: на рисунке 1 представлена диаграмма размаха средних значений ВИ GLI, ExG и ExGR по высотам от 40 до 200 м при угле Солнца 60° (соответст-

Вестник КрасГАУ. 2024. № 5 (206) вует съемке в 16:55). Выявлено, что с увеличением высоты происходит уменьшение средних значений индексов, при этом различия между ними достоверны (p < 0,05), кроме высот 50 и 60 м. Подобная картина для указанных ВИ наблюдается при всех условиях съемки.

Рис. 1. Диаграмма размаха средних значений GLI, ExG и ExGR по высотам при угле Солнца 60°

Иная ситуация отмечается при фиксированной высоте съемки. Например, различия среднего значения GLI на высоте 125 м с углом Солнца 36,5° (время 13:00) со значениями, полученными во время съемки от 14:10 до 17:30, недостоверны. Схожие результаты с незначительными вариациями получены для ExG и ExGR (рис. 2, а) и для спектральных ВИ NDVI и

SAVI (рис. 2, б). Данный факт позволяет проводить съемку пшеницы в любое упомянутое время и получать одинаковые значения ВИ. Примечательной особенностью являются пониженные значения ВИ при больших зенитных углах Солнца в предзакатное время. Их средние значения отличаются от других положений Солнца.

а

Рис. 2. Диаграмма размаха средних значений GLI, ExG, ExGR по углам Солнца на высоте 125 м (а) и NDVI, SAVI на высоте 60 м (б)

б

Заключение. В результате исследования проведен сравнительный анализ вегетационных индексов, полученных с помощью БПЛА при различных углах Солнца и высоте съемки. Выявлено, что в группах ВИ ExG-ExGR-GLI, ExR-NDI-VARI, NDVI-RVI, SAVI-DVI в целях контроля состояния культур может быть выбран один из этих индексов. Индексы GLI, NDVI, SAVI являются оптимальными в случае съемки в дневное время. Значения ВИ уменьшаются по мере увеличения высоты съемки – этот факт указывает на необходимость учета данного показателя при беспилотном сельскохозяйственном мониторинге.

Результаты исследования получены для однородного участка поля, поэтому окончательный выбор индекса следует проводить исходя из наилучшей способности индекса оценивать тот или иной показатель определенной сельскохозяйственной культуры. Это требует проведения специальных экспериментов по примеру [5]. Динамика ВИ может различаться в зависимости от физико-географических условий агроценозов [6] и характеристик съемочного оборудования [7]. Поэтому данное исследование вносит вклад в общее знание об особенностях мониторинга сельскохозяйственных культур в условиях аридного резко континентального климата.