NDVI
Синонимы: нормализованный вегетационный индекс, индекс NDVI, Normalized Difference Vegetation Index
NDVI — вегетационный индекс: разность отражения в ближнем ИК и красном каналах, делённая на их сумму. Показывает плотность и состояние зелёной массы поля.
NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) — нормализованный вегетационный индекс: разность отражения в ближнем инфракрасном и красном каналах, делённая на их сумму. Значения укладываются в диапазон от −1 до +1 и показывают, сколько на участке живой зелёной массы: голая почва даёт около 0,1–0,2, сомкнутый здоровый посев — 0,7–0,9. С дрона NDVI снимают мультиспектральной камерой.
Формула NDVI и физика двух каналов
Формула короткая: NDVI = (NIR − RED) / (NIR + RED), где NIR — отражение в ближнем инфракрасном канале, RED — в красном. Деление на сумму нормирует результат, поэтому индекс слабо зависит от того, ярко светит солнце или сквозь дымку, и всегда лежит между −1 и +1. Придумала его группа Джона Роуза из Техасского университета A&M в 1973–1974 годах по снимкам спутника ERTS-1, который позже переименовали в Landsat-1. С тех пор формула не менялась.
За контраст двух каналов отвечает сам лист. Хлорофилл жадно поглощает красный свет: на длине волны около 660 нм здоровый лист отражает единицы процентов. Ближний инфракрасный фотосинтезу не нужен — его рассеивает губчатая ткань мезофилла, и отражение здесь в разы выше. Как только растение теряет хлорофилл из-за засухи, дефицита азота или болезни, красного оно отражает больше, а повреждённый мезофилл отдаёт меньше инфракрасного. Разница между каналами схлопывается, и NDVI проседает, как правило, раньше, чем изменение станет заметно глазом.
| Значение NDVI | Что обычно под камерой |
|---|---|
| −1…0 | вода, снег, облака: инфракрасного отражается меньше, чем красного |
| 0…0,1 | камень, песок, кровля, укатанная грунтовка |
| 0,1…0,2 | открытая почва, поле после сева, стерня |
| 0,2…0,3 | редкая растительность, всходы в начале развития |
| 0,3…0,6 | травы, кустарник, культура в фазе активного роста |
| 0,6…0,9 | густой сомкнутый полог: пшеница в колошении, кукуруза в июле |
Границы в таблице — ориентир, а не норматив. Одна и та же пшеница даст разный NDVI на чернозёме и на светлом суглинке, в десять утра и в три часа дня, на камере с шириной красного канала 14 нм и 32 нм. Поэтому в работе значение почти никогда не читают в одиночку: смотрят на разброс внутри поля и на динамику между съёмками.
Чем снимают NDVI с дрона
Нужна камера, которая видит ближний инфракрасный отдельным каналом. Штатный RGB-сенсор не подходит: перед матрицей стоит фильтр, отсекающий ИК-диапазон. На борт ставят мультиспектральную камеру — блок монохромных сенсоров, у каждого свой узкий светофильтр.
- DJI Mavic 3 Multispectral — четыре сенсора 1/2,8 дюйма по 5 Мп: зелёный 560±16 нм, красный 650±16 нм, крайний красный (red edge) 730±16 нм, ближний ИК 860±26 нм, плюс отдельная 20-мегапиксельная RGB-камера на матрице 4/3;
- MicaSense RedEdge-P — пять узких каналов: синий 475 нм, зелёный 560 нм, красный 668 нм, red edge 717 нм и ближний ИК 842 нм; в комплекте калибровочная панель и датчик освещённости DLS 2 с собственным приёмником GPS;
- конвертированная фотокамера с NGB-фильтром — у неё снят заводской ИК-фильтр, и в «красный» канал пишется инфракрасный. Вариант в разы дешевле, но значения выходят некалиброванными.
Рабочую съёмку от красивой картинки отличают две вещи. Первая — калибровочная панель с известным коэффициентом отражения: её снимают на земле до вылета и после, чтобы пересчитать сырые отсчёты сенсора в физическое отражение. Вторая — датчик солнечного излучения на верхней стороне аппарата: он записывает освещённость в каждый кадр, и обработка компенсирует уход солнца или набежавшую дымку за двадцать минут маршрута. Без этой пары карты можно сравнивать внутри одного вылета, но не с прошлой неделей.
Маршрут строят как для картографической съёмки: параллельные галсы, перекрытие обычно 70–80% вдоль линии полёта и 60–70% между галсами, постоянная высота. У Mavic 3M размер пикселя мультиспектральных каналов считается просто — высота полёта, делённая на 21,7, даёт сантиметры на пиксель: со 100 метров это около 4,6 см/пкс, а заявленный охват доходит до 200 га за вылет. Если карту нужно жёстко посадить на координаты, чтобы через год вернуться в тот же контур, к аппарату добавляют модуль RTK.
Как из снимков получается карта и как её читает агроном
Из сотен кадров программа обработки (DJI Terra, Agisoft Metashape, Pix4Dfields) собирает сшитую мозаику по каждому каналу и считает индекс попиксельно. На выходе — ортофотоплан в псевдоцветах: от красного и жёлтого на низких значениях до насыщенного зелёного на высоких, с легендой и статистикой по контуру.
Дальше начинается агрономия. Абсолютная цифра сама по себе ничего не решает, карту читают в двух измерениях.
- По площади — где индекс заметно ниже соседних участков той же культуры в той же фазе. У геометрии пятна есть подсказка: ровные полосы вдоль движения агрегата указывают на технику и огрехи сева, пятна в понижениях — на вымочку, контуры вдоль колеи — на уплотнение почвы.
- По времени — сравнение с предыдущим туром съёмки. Участок, где за неделю индекс вырос с 0,45 до 0,60, развивается штатно; соседний, замерший на 0,45, требует выезда.
Финальный шаг — зонирование. Поле делят по гистограмме индекса на 3–5 зон продуктивности и выгружают карту-задание: разбрасыватель или самоходный опрыскиватель меняет норму по координатам. Ту же логику поддерживает агродрон: задание готовят в наземном ПО и загружают на борт — так работают тяжёлые опрыскиватели вроде DJI Agras T50.
Ограничения индекса и ошибки съёмки
Главный недостаток NDVI известен давно: он насыщается. Когда полог сомкнулся и индекс листовой поверхности (LAI) переваливает за 3, красный канал поглощается почти полностью — дополнительный ярус листьев уже не меняет отражение. Индекс упирается в 0,8–0,9 и перестаёт отличать «хорошо» от «отлично».
Выход — считать индекс по каналу red edge (NDRE): крайний красный проникает в полог глубже и продолжает реагировать на хлорофилл нижних ярусов. Правило простое: ранние фазы — NDVI, середина и конец вегетации по густому посеву — NDRE. Ровно поэтому в агрокамерах есть отдельный канал на 717–730 нм.
Обратный край — ранние всходы, когда между рядками просвечивает почва. Тёмная влажная и светлая сухая почва дают разный фон, и индекс скачет не из-за растений. Здесь берут версии с почвенной коррекцией, например SAVI.
Что портит карту чаще всего
- переменная облачность: часть галсов снята на солнце, часть под облаком — мозаика распадается на полосы с разным уровнем;
- низкое солнце утром или вечером: длинные тени от растений занижают индекс неравномерно по полю;
- нет снимка калибровочной панели — сегодняшнюю карту не с чем сопоставить, кроме как саму с собой;
- разная высота между турами: меняется размер пикселя, а с ним доля почвы и тени внутри пикселя;
- роса и мокрый лист после дождя: отражение обоих каналов уходит в сторону;
- сравнение разных источников в лоб — индекс со спутника и с дрона по одному полю не обязан совпадать по абсолютной величине.
Дрон или спутник
Оба источника считают один и тот же индекс по одной формуле. Разница — в размере пикселя, оперативности и цене вопроса.
| Параметр | Дрон с мультиспектром | Sentinel-2 (Copernicus) |
|---|---|---|
| Размер пикселя | 3–8 см при высоте 60–150 м | 10 м в каналах B4 (665 нм) и B8 (842 нм) |
| Периодичность | в нужный день и час, хоть ежедневно | около 5 суток при двух аппаратах на орбите, минус облачные даты |
| Охват | порядка 100–200 га за вылет | целый район одним снимком |
| Что различимо | отдельные растения, рядки, огрехи сева | общий фон поля и крупные проблемные контуры |
| Стоимость | техника, оператор, обработка | данные Copernicus бесплатны |
Конкуренции тут нет. Спутник ведёт фоновый мониторинг по всему хозяйству и подсказывает, какое поле просело относительно прошлого года. Дрон вылетает на это поле и даёт детализацию, на которой видно, что причина — не болезнь, а пропущенный проход сеялки шириной в один агрегат.
Кому нужен этот навык
NDVI-съёмка складывается из трёх умений: отлетать площадной маршрут по заданию, корректно провести калибровку и обработку, прочитать результат вместе с агрономом. Первое умение базовое — без уверенного пилотирования, знания правил использования воздушного пространства и порядка допуска к полётам остальные два не пригодятся. Учебный центр «Единство» готовит операторов БПЛА: базовый курс идёт от двух недель, обучение бесплатное. Если планируете работать в агронаправлении, начните со ступени пилота — оставьте заявку на обучение.
Частые вопросы
Чем NDVI отличается от NDRE и когда переключаться?
Формула одинаковая, различается второй канал: NDVI считают по красному (около 650–670 нм), NDRE — по крайнему красному, red edge (717–730 нм). Красный свет поглощается уже верхними листьями, поэтому по сомкнутому пологу NDVI насыщается: при индексе листовой поверхности выше 3 он упирается в 0,8–0,9 и перестаёт различать участки. Крайний красный проникает в полог глубже и продолжает реагировать на хлорофилл нижних ярусов.
Практическое правило: всходы и ранние фазы — NDVI, он лучше отделяет растение от фона почвы; середина и конец вегетации по густому посеву — NDRE, особенно когда задача касается азотного питания. Агрокамеры снимают оба канала за один пролёт, так что выбирать индекс можно на этапе обработки, а не при планировании вылета.
Можно ли посчитать NDVI обычным дроном с RGB-камерой?
Штатной камерой потребительского дрона — нет. Перед матрицей стоит фильтр, отсекающий ближний инфракрасный диапазон, а без ИК-канала формулу считать не из чего. Псевдоиндексы по видимым каналам (VARI, ExG и подобные) существуют и показывают степень зелёности, но это другая величина, и с NDVI их значения не сопоставляют.
Промежуточный вариант — конвертированная камера: заводской ИК-фильтр снимают и ставят NGB-фильтр, после чего в «красный» канал пишется инфракрасный. Стоит это в разы дешевле мультиспектра, но значения остаются некалиброванными. Сравнительные исследования показывают систематическое занижение индекса на плотной растительности и завышение на слабой. Такой набор годится для относительного сравнения участков внутри одного вылета и не годится для рядов наблюдений и карт-заданий технике.
Какое значение NDVI считается нормой для пшеницы?
Универсального норматива нет — это первое, что усваивают перед работой с картами. Значение зависит от фазы развития, сорта, густоты стояния, типа почвы, высоты солнца в момент съёмки и даже от ширины спектральных каналов конкретной камеры. Грубый ориентир по озимой пшенице: всходы дают порядка 0,2–0,3, кущение — 0,4–0,6, колошение по здоровому сомкнутому посеву — 0,7–0,85, к созреванию значение падает.
Работают не с абсолютным числом, а с двумя сравнениями: распределением внутри поля (где просело относительно соседних участков той же культуры и фазы) и динамикой между турами съёмки. Поле с ровными 0,55 по всей площади бывает в лучшем состоянии, чем поле со средним 0,7 и разбросом от 0,3 до 0,9: во втором случае заметная доля контура работает вполсилы.
Нужен ли RTK для съёмки NDVI?
Для самой карты индекса — нет. NDVI считается по яркости пикселей в двух каналах, и точность привязки на его величину не влияет: карту строят и по обычному спутниковому позиционированию с точностью в несколько метров.
RTK нужен там, где карта становится геодезическим документом. Первый случай: вы сравниваете один и тот же контур год к году и хотите быть уверены, что смотрите на те же рядки, а не на соседние. Второй: вы выгружаете карту-задание для техники с посекционным управлением, где смещение на три-четыре метра означает, что удобрение уйдёт мимо зоны. Третий: индекс совмещают с картами урожайности комбайна или с сеткой почвенного обследования. Дополнительный плюс — точные координаты кадров упрощают сшивку больших массивов и сокращают время обработки.
В какую погоду и в какое время суток снимать поле?
Лучшее окно — около солнечного полудня, ориентировочно с 10 до 15 часов, когда солнце высоко и тени от растений короткие. Низкое утреннее или вечернее солнце удлиняет тени, в пиксель попадает больше затенённой почвы, и индекс занижается неравномерно по площади.
Хуже всего не пасмурная погода, а переменная облачность. Если половина галсов отснята при солнце, а половина под облаком, мозаика распадается на полосы с разным уровнем, и карта становится нечитаемой. Ровная сплошная облачность даёт мягкий рассеянный свет и вполне рабочий результат, если на борту есть датчик освещённости, а перед вылетом снята калибровочная панель. Съёмку по росе и сразу после дождя переносят: мокрый лист меняет отражение обоих каналов. Сильный ветер бьёт по геометрии сшивки и раскачивает посев.
Зачем калибровочная панель, если на дроне есть датчик освещённости?
Они закрывают разные задачи. Панель с известным коэффициентом отражения задаёт опорную точку: сняв её на земле, вы привязываете сырые отсчёты сенсора к физической величине — коэффициенту отражения. Без такой привязки цифры камеры остаются условными единицами конкретного экземпляра матрицы при конкретной экспозиции.
Датчик солнечного излучения работает в полёте: он пишет освещённость в каждый кадр, и обработка выравнивает снимки между собой, если за двадцать минут маршрута солнце ушло за дымку или сменило высоту. Панель без датчика не спасает от изменения света внутри вылета; датчик без панели не даёт сопоставимости между разными днями и разными камерами. Для рядов наблюдений — а карты и снимают ради динамики — нужны оба, плюс дисциплина оператора: панель снимают до и после вылета, в одной точке и в одном положении.
Сколько площади реально снять за один вылет?
Порядок величин для аппарата класса DJI Mavic 3 Multispectral — 100–200 гектаров: производитель заявляет до 200 га за вылет на большой высоте съёмки. Практическая цифра ниже заявленной и зависит от четырёх параметров: высоты, которая задаёт размер пикселя, перекрытия, скорости и ветра на маршруте.
Считать удобно от разрешения. У Mavic 3M размер пикселя мультиспектральных каналов равен высоте полёта, делённой на 21,7: со 100 метров получается около 4,6 см на пиксель. Чем ниже вы летите ради детализации, тем уже полоса захвата и тем больше галсов нужно на тот же контур — снижение высоты вдвое увеличивает налёт примерно вчетверо. Поэтому под регулярный мониторинг берут высоту побольше и грубый пиксель, а низкие полёты оставляют для отдельных проблемных участков.
Что делать с картой NDVI дальше?
Сценария три. Первый — скаутинг: по карте выбирают 5–10 аномальных точек и объезжают их в поле, чтобы установить причину. Индекс показывает, где смотреть, но не отвечает, что случилось: одинаково низкое значение бывает и при вымочке, и при дефиците азота, и при поражении корневой гнилью, и при пропущенном проходе сеялки.
Второй — зонирование: поле делят по гистограмме индекса на 3–5 зон продуктивности и формируют карту-задание, по которой разбрасыватель, опрыскиватель или дрон меняют норму внесения по координатам. Слабой зоне иногда добавляют азот, а иногда наоборот снимают норму, если отставание вызвано не питанием. Третий — история поля: серия карт за сезон и за несколько лет выделяет устойчиво слабые контуры, которые лечатся не удобрением, а мелиорацией, выравниванием или сменой культуры.