NDVI и мультиспектральная съёмка: как дрон помогает агроному

NDVI — вегетационный индекс, который по снимкам в красном и ближнем инфракрасном диапазонах показывает, где посев развит хорошо, а где отстаёт. Мультиспектральная съёмка с дрона даёт такую карту с разрешением в несколько сантиметров в нужный агроному день, а не тогда, когда над полем пройдёт спутник при ясном небе. Ниже — как работает камера, что значат NDVI и NDRE, как читать карту, зачем калибровка и как из карты получить задание для дифференцированного внесения.

Что снимает мультиспектральная камера

Обычная камера записывает три широких перекрывающихся канала — красный, зелёный и синий. Мультиспектральная снимает несколько узких каналов, каждый своей матрицей со своим фильтром. Типовой набор для сельского хозяйства:

• зелёный (около 560 нм) — отражение хлорофилла в видимом диапазоне;
• красный (около 650–670 нм) — здесь хлорофилл сильно поглощает свет, и здоровый лист выглядит тёмным;
• красный край (red edge, около 720–735 нм) — зона резкого роста отражения, чувствительная к содержанию хлорофилла и азотному питанию;
• ближний инфракрасный (NIR, около 790–860 нм) — его сильно отражает внутренняя структура здорового листа.

Например, у DJI Mavic 3M каналы 560, 650, 730 и 860 нм шириной ±16–26 нм; у других камер добавляется синий канал. Мультиспектральные матрицы невысокого разрешения — несколько мегапикселей, поэтому рядом обычно стоит RGB-камера для визуального контроля.

Растение под стрессом — от засухи, болезни, недостатка азота — раньше всего меняет отражение в красном крае и ближнем ИК, когда глазом изменения ещё не заметны. На этом построены все вегетационные индексы.

NDVI: что это и как считается

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index, нормализованный разностный вегетационный индекс) считают для каждого пикселя:

NDVI = (NIR − Red) / (NIR + Red)

Индекс меняется от −1 до +1. Вода, снег и облака дают отрицательные значения, открытая почва — около 0,1–0,2, всходы и угнетённые посевы — 0,2–0,5, густой здоровый посев — от 0,5–0,6 до 0,9.

NDRE и другие индексы

У NDVI есть известный недостаток: на густом сомкнутом посеве он «насыщается» — значения упираются в 0,85–0,9, и разница между хорошим и отличным состоянием теряется. Здесь помогает NDRE = (NIR − RedEdge) / (NIR + RedEdge): излучение красного края глубже проникает в полог и лучше реагирует на хлорофилл во второй половине вегетации. Поэтому NDRE используют для оценки азотного статуса на поздних фазах.

Другие индексы, которые встречаются в агросервисах:

• SAVI и OSAVI — с поправкой на почву; полезны на ранних фазах, когда между рядами видна земля;
• GNDVI — вместо красного канала берётся зелёный, индекс чувствительнее к содержанию хлорофилла;
• специализированные индексы влажности, засорённости и других показателей — их набор зависит от каналов конкретной камеры.

Как читать карту NDVI

Карта NDVI — раскраска поля, где низкие значения обычно показаны красным, высокие — зелёным. Несколько правил, которые экономят ошибки:

1. Сравнивайте внутри поля, а не между полями. Абсолютные значения зависят от культуры, сорта, фазы, камеры и освещения. Пятно 0,55 на фоне 0,75 значимо, а фраза «у соседа 0,8» — нет.
2. Смотрите на форму пятна. Полосы вдоль хода техники — огрехи сева или внесения; пятна в понижениях — вымокание или переуплотнение; размытые круги — очаги болезни или вредителей; прямоугольники — следы прошлой агротехники.
3. Проверяйте шкалу. Многие программы растягивают цвета от минимума до максимума конкретного поля, и даже ровное поле выглядит пёстрым. Для сравнения дат нужна единая фиксированная шкала.
4. Высокий NDVI — не всегда хорошо. Сорняки на пару или в междурядьях повышают индекс так же, как культура.
5. Выезжайте на точки. Карта показывает, где растения отличаются, но не почему. Причину — питание, болезнь, вредитель, почва, ошибка техники — устанавливает агроном на месте, по точкам, намеченным по карте.

Калибровка: отражательная панель и освещение

Камера фиксирует яркость, а не отражательную способность растений, а яркость зависит от высоты солнца, облачности и дымки. Чтобы карты разных дней можно было сравнивать, данные приводят к коэффициентам отражения:

• калибровочная панель — пластина с известным коэффициентом отражения в каждом канале; её снимают с земли до и после полёта, и программа по ней пересчитывает яркость в отражение;
• датчик освещённости сверху на дроне непрерывно меряет падающий свет и компенсирует его изменения во время полёта.

Условия съёмки:

• летать лучше в пределах примерно двух часов от солнечного полудня, при высоком солнце;
• хуже всего переменная облачность: тени облаков дают на карте пятна, похожие на проблемы посева; при ровной сплошной облачности данные пригодны, но контраст ниже;
• роса, свежий полив и ветер, раскачивающий растения, искажают отражение;
• для сравнения в динамике снимайте одной камерой, с одной высоты и в одно время суток.

Карты-задания для дифференцированного внесения

Главная экономическая польза мультиспектральной съёмки — переход от одной нормы на всё поле к разным нормам по зонам. Обычный порядок:

1. Съёмка и расчёт индекса: NDVI на ранних фазах, NDRE — позднее.
2. Разбиение поля на 3–5 зон по уровню индекса с учётом их формы и размера, чтобы техника успевала менять норму.
3. Проверка зон в поле и при необходимости отбор почвенных и растительных проб.
4. Назначение нормы для каждой зоны: больше или меньше азота, средства защиты, семян. Это решение агронома, а не программы.
5. Экспорт карты-задания в формат бортового терминала трактора или агродрона — shapefile, ISOXML и другие.

Для подкормок и обработок по карте всё чаще используют сами агродроны; о правилах их применения — в статье «Агродроны после новых СанПиН 2026».

Ограничения и спутник против дрона

Мультиспектральная съёмка — инструмент, а не диагноз:

• облачность и низкое солнце снижают сопоставимость данных;
• на ранних фазах индекс во многом отражает почву, на сомкнутом посеве NDVI насыщается, а при созревании падает естественным образом;
• индекс одинаково реагирует на любой стресс и причину не называет;
• без калибровки карты разных дат и камер несравнимы.

Спутник или дрон? Бесплатные снимки Sentinel-2 имеют разрешение 10 м в красном и ближнем ИК-каналах (каналы красного края — 20 м) и повторяются раз в несколько дней. Их достаточно для обзора больших площадей и истории полей. Но пиксель 10 × 10 м — это 100 м² поля: ряды и мелкие очаги в нём не видны, а в пасмурную неделю снимков нет вовсе. Дрон летает под облаками в нужный день и даёт сантиметры на пиксель — его используют для детальной проверки проблемных зон, опытных участков, оценки всходов и подробных карт-заданий. Разумная схема — спутник для мониторинга всех полей, дрон для точечной работы.

«Дронология» выполняет аэрофотосъёмку, а агрономов и операторов хозяйств учит снимать самостоятельно на курсе «Профессиональный пилот БПЛА» с направлением «сельское хозяйство». Как подобрать высоту и перекрытия под нужное разрешение, рассказано в статье «Как рассчитать аэрофотосъёмку», а о самой профессии — в материале «Профессия оператор БПЛА».

Частые вопросы

Что такое NDVI простыми словами?

Это число от −1 до +1 для каждого участка поля, которое показывает, сколько там активной зелёной биомассы. Чем выше значение, тем гуще и здоровее растительность.

Чем NDRE отличается от NDVI?

NDRE использует канал красного края вместо красного. Он медленнее насыщается на густых посевах и лучше подходит для оценки азотного питания во второй половине вегетации.

Можно ли посчитать NDVI по обычной камере дрона?

Нет: обычная камера не снимает ближний ИК-диапазон. Существуют модифицированные камеры и индексы по видимым каналам, но для агрономических решений нужна мультиспектральная камера с калибровкой.

Когда лучше проводить съёмку?

Около полудня, при ровном освещении, в ключевые фазы: на всходах и в кущение — для оценки густоты, перед азотными подкормками, в период активного роста — для поиска очагов стресса.