Разработка компьютерных методов и моделей оценки неоднородностей сельскохозяйственных угодий как способ повышения ресурсного потенциала АПК (на примере юга Хабаровского края)

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-11-20030

НазваниеРазработка компьютерных методов и моделей оценки неоднородностей сельскохозяйственных угодий как способ повышения ресурсного потенциала АПК (на примере юга Хабаровского края)

Руководитель Сорокин Алексей Анатольевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Хабаровский Федеральный исследовательский центр Дальневосточного отделения Российской академии наук , Хабаровский край

Конкурс №91 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-712 - Геоинформатика, дистанционное зондирование Земли и географическая картография

Ключевые слова модель, неоднородности сельскохозяйственных полей, урожайность, дистанционное зондирование Земли, индексы вегетации, цифровые технологии, Хабаровский край

Код ГРНТИ68.29.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
На современном этапе одной из важнейших задач, связанных с обеспечением продовольственной безопасности страны, является разработка системных и комплексных мер, направленных на цифровизацию сельского хозяйства, в том числе развитие цифрового земледелия. Информационное обеспечение цифрового земледелия тесно связано с количественной оценкой неоднородностей сельскохозяйственных полей, или, более точно, неоднородным распределением факторов, влияющих на продуктивность сельскохозяйственных культур, в рамках одного поля, хозяйства или региона. Достижение стратегической цели по переходу к цифровому сельскому хозяйству на региональном уровне, затруднено в том числе и из-за отсутствия научно-обоснованных подходов к моделированию пространственной изменчивости условий формирования урожая сельскохозяйственных культур с учетом географических и климатических особенностей субъектов РФ. В настоящее время в ДФО отсутствуют системные исследования вегетационных особенностей сельскохозяйственных культур, в том числе временной, сортовой и пространственной вариативности. При этом активное развитие систем дистанционного зондирования Земли позволяют рассматривать их возможности как эффективный инструмент мониторинга земель и планирования урожайности. Исследованию этих вопросов посвящен данный проект. Целью настоящего проекта является разработка компьютерных методов и моделей для оценки неоднородностей полей с использованием данных дистанционного зондирования для развития ресурсного потенциала сельскохозяйственных земель на примере юга Хабаровского края. Для достижения поставленной цели будут решены следующие основные задачи: 1. Разработать методологию для выявления неоднородности развития культур сельскохозяйственных угодий Хабаровского края на основе сравнительной оценки индексов вегетации, рассчитанных по мультиспектральным и радарным изображениям аэрокосмической съемки. Выявить функциональные зависимости между дистанционными характеристиками и динамикой изменяемых и неизменяемых факторов продуктивности. 2. Построить оптимизационные модели для прогнозирования урожайности культур на уровне отдельных полей, хозяйств и региона с учетом оценки издержек, направленных на снижение внутриполевой и территориальной неоднородностей пахотных земель юга Хабаровского края. 3. Создать информационную систему, содержащую агрохимическую, физико-химическую информацию по опытным полям для основных сельхозкультур Хабаровского района. В базу данных будет включена информация по севообороту и урожайности отдельных полей муниципальных образований Хабаровского края с учетом сортового разнообразия в проектном (2024-2026 гг.) и ретроспективном (начиная с 2020 года) временных периодах, обработанные мультиспектральные и радиолокационные изображения, показатели (коэффициенты спектральной яркости, индексы вегетации), полученные с помощью аэрофотосъемки и спутникового мониторинга в оптическом и радиолокационном диапазонах, картографическая информация. Подход, предлагаемый при реализации проекта, обладает научной новизной, впервые будут проведены системные исследования по оценке внутриполевых неоднородностей с использованием одновременно БПЛА, мультиспектральных и радиолокационных спутниковых данных. Осуществлено управляемое моделирование стрессовым воздействием на посевы с последующей корректировкой этих стрессовых воздействий в рамках оптимизационной модели, где в качестве параметра системы предполагается использование радарных и оптических индексов вегетации. В целом, решение задач проекта имеет большое теоретическое и практическое значение для сельскохозяйственной науки и АПК региона. Разработанные подходы могут быть использованы для моделирования способов повышения ресурсного потенциала пахотных земель Хабаровского края, а также прочих субъектов РФ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В период с мая по октябрь 2024 г. была проведена шестикратная аэрофотосъемка восьми опытных полей Хабаровского района Хабаровского края, рассчитаны значения каналов RED, Green, Red Edge и NIR и с помощью кусочно-кубических сплайнов сформированы аппроксимированные временные ряды NDVI. Для автоматизации операций по аппроксимации временных рядов и корегистрации изображений была разработана компьютерная программа, применение которой позволило избежать трудоемких операций, связанных с необходимостью построения геопривязанного ортофотоплана при каждой съемке. С использованием кригинга были построены вариограммы и карты пространственного распределения NDVI с выделением зон неоднородностей для сои и овса. Для двух опытных полей с соей были получены и обработаны безоблачные спутниковые снимки Sentinel-2, для каждого пикселя рассчитаны значения NDVI, а также построены карты пространственного распределения индекса. Было выявлено, что пространственное распределение NDVI (включая зоны неоднородностей), смоделированное по данным Sentinel-2, в период максимума набора биомассы соответствовало распределению NDVI, полученному по данным БПЛА. С помощью вариограммного анализа были построены карты пространственного распределения агрохимических и физико-химических характеристик, а также показателей продуктивности сои. Выявлены достоверные корреляционные связи между показателями продуктивности сои, физико-химическими характеристиками полей и значениями NDVI, полученными в результате обработки спутниковых и БПЛА изображений. В результате было установлено, что оценка неоднородности развития посевов в пределах поля может быть проведена с высокой точностью с использованием данных Sentinel-2 с разрешением 10 м, что позволяет избежать трудоемких операций, связанных с аэрофотосъемкой и обработкой изображений, полученных с БПЛА. Отбор почвенных проб дважды производился на тех же восьми опытных полях, до сева и внесения удобрения в почву (май) и после уборки всех сельхозкультур (октябрь). Установлено, что содержание подвижных форм азота, калия и фосфора соответствовало лугово-бурым тяжелосуглинистым почвам с низким естественным плодородием. Пространственная вариабельность показателей была достаточно высокой, от 36% до 47%, при этом к октябрю снизилась до 20-32%. Влажность верхнего слоя почвы на 8 полях находилась в диапазоне от 15% до 29%, кислотность почвы соответствовала кислым. Полученные результаты по оценке пространственных и временных распределений NDVI, NPK, влажности и кислотности подготовили основу для проведения дальнейших исследований, связанных с выявлением корреляционных связей и регрессионных зависимостей между рассчитанными показателями и оценке качества моделей для всех полей Хабаровского района, в том числе в ретроспективном периоде. Собрана и систематизирована информация о севообороте пахотных земель Хабаровского района за период 2020-2024 гг.: 261 поле в 2020 г., 321 поле в 2021 г., 428 полей в 2022 г., 520 полей в 2023 г., 521 поле в 2024 г. Все поля были отнесены к одному из 6 классов – соя, гречиха, кукуруза, зерновые культуры, многолетние травы, залежь. Для сельскохозяйственных полей Хабаровского района были подготовлены сезонные временные ряды значений NDVI (в период май-октябрь, с 2020 по 2024 гг.) для спутников Sentinel-2, Landsat-8/9, Meteor-M №2, а также в 2020 и 2021 гг. временные ряды еженедельных композитов сезонного хода DpRVI для спутника Sentinel-1. Обработка спектральных изображений и формирование временных рядов проводилось с использованием разработанного программного комплекса, позволившего автоматизировать и уменьшить трудоемкость процесса корегистрации снимков, обеспечившего возможность адаптации разрешения исходных снимков для сравнительного анализа результатов наблюдений с разных спутников. Для решения проблем неоднородности первичных временных рядов значений вегетационных индексов, а также различий в датах съемки одним и тем же спутником для разных сцен и лет наблюдения использовалась аппроксимация нелинейными функциями. Реализация данного подхода обеспечила возможность построения моделей машинного обучения для разных сцен и за нескольких лет наблюдений. Результаты исследований и разработок были представлены на XXII Международной конференции “Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (г. Москва, ИКИ РАН) и IV Всероссийской научной конференции с международным участием “Применение средств дистанционного зондирования Земли в сельском хозяйстве” (г. Санкт-Петербург, Агрофизический институт), а материалы направлены для публикации в следующие ведущие российские и зарубежные научные издания: а) “Enhancement of Comparative Assessment Approaches for Synthetic Aperture Radar (SAR) Vegetation Indices for Crop Monitoring and Identification – Khabarovsk Territory (Russia) Case Study” (журнал “Remote Sensing”, WoS Q1; опубликована в 2024 г.); б) “Опыт использования данных прибора КМСС КА Метеор-M №2 для задач мониторинга сельскохозяйственных угодий юга Хабаровского края” (журнал “Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса”, Scopus Q3; принята к публикации в 2025 г.).

Публикации

1. Илларионова Л.В., Фомина Е.А., Степанов А.С., Дубровин К.А., Сорокин А.А., Верхотурова А.Л., Елисеев В.А. Опыт использования данных прибора КМСС КА Метеор-M №2 для задач мониторинга сельскохозяйственных угодий юга Хабаровского края Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (год публикации - 2025)

2. Сорокин А.А., Степанов А.С., Дубровин К.Н., Верхотуров А.Л. Enhancement of Comparative Assessment Approaches for Synthetic Aperture Radar (SAR) Vegetation Indices for Crop Monitoring and Identification—Khabarovsk Territory (Russia) Case Study Remote Sensing, Том 16, Номер 14 (год публикации - 2024)
10.3390/rs16142532

3. Илларионова Л.В., Елисеев В.А., Федосеев Д.В., Сорокин А.А., Степанов А.С., Бордаков А.С., Шамурина А.И. Информационное обеспечение спутникового мониторинга земель сельхозназначения Хабаровского края Материалы IV Всероссийской научной конференции с международным участием «Применение средств дистанционного зондирования земли в сельском хозяйстве», Материалы IV Всероссийской научной конференции с международным участием «Применение средств дистанционного зондирования земли в сельском хозяйстве», ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, 19–20 сентября 2024 года. – СПб.: ФГБНУ АФИ, 2024.– С. 42-47. (год публикации - 2024)

4. Дубровин К.Н., Фомина Е.А., Бордаков А.С. Использование данных дистанционного зондирования Земли для мониторинга пахотных земель Хабаровского края Институт космических исследований Российской академии наук, Материалы Двадцать второй международной конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, ИКИ РАН, c. 179 (год публикации - 2024)
10.21046/21DZZconf-2023a

5. Степанов А.С., Илларионова Л.В., Дубровин К.Н., Фомина Е.А., Верхотуров А.Л. Картографирование пахотных земель муниципальных образований Хабаровского края по данным спутника «Метеор-М» № 2 Системы и средства информатики (год публикации - 2025)
10.14357/08696527250408

6. Верхотуров А.Л., Холодков А.А. Анализ временных рядов радиолокационных данных Sentinel-1 для мониторинга сельскохозяйственных культур Хабаровского края Институт космических исследований Российской академии наук, Материалы Двадцать второй международной конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, ИКИ РАН, с. 167 (год публикации - 2024)
10.21046/22DZZconf-2024a

7. Верхотуров А.Л., Степанов А.С. Возможности спутниковой радиолокации для мониторинга пахотных земель Новосибирск: СГУГиТ, Интерэкспо ГЕО-Сибирь. XXI Международный научный конгресс, 21-22 мая 2025 г., Новосибирск : сборник материалов в 8 т. Т. 4: Международная научная конференция «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология». С. 177-181 (год публикации - 2025)
10.33764/2618-981X-2025-4-177-181

8. Верхотуров А.Л., Степанов А.С. Перспективы применения сезонных временных рядов радиолокационных данных (на примере спутника Sentinel-1) для распознавания посевов сельскохозяйственных культур Хабаровского края ВЕСТНИК СГУГИТ (СИБИРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ГЕОСИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ) (год публикации - 2025)

9. Степанов А.С., Бордаков А.С., Фомина Е.А., Асеева Т.А., Дубровин К.Н. Мониторинг сельскохозяйственных полей Хабаровского края по данным ДЗЗ и наземных наблюдений Красноярск: Сибирский федеральный университет, Региональные проблемы дистанционного зондирования Земли : материалы XII Междунар. науч. конф. Красноярск, 09–12 сентября 2025 г. С. 336-340 (год публикации - 2025)

10. Илларионова Л.В., Дубровин К.Н., Фомина Е.А., Степанов А.С., Сорокин А.А., Верхотуров А.Л. Multi-Sensor NDVI Time Series for Crop and Fallow Land Classification in Khabarovsk Krai, Russia Sensors, 25(18), 5746 (год публикации - 2025)
10.3390/s25185746

11. Бордаков А.С., Степанов А.С., Фомина Е.А. Построение временных рядов NDVI по результатам БПЛА съёмки сельскохозяйственных полей Хабаровского края Хабаровский Федеральный исследовательский центр, Хабаровск, Информационные технологии и высокопроизводительные вычисления. Материалы VIII Международной научно-практической конференции. С. 32-34. (год публикации - 2025)

12. Дубровин К.Н., Верхотуров А.Л., Бордаков А.С. Оценка мелиоративного состояния пахотных земель Хабаровского края с использованием данных дистанционного зондирования Земли из космоса Институт космических исследований Российской академии наук (г. Москва), Материалы 23-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». C. 363. (год публикации - 2025)
10.21046/23DZZconf-2025a

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В период с апреля по октябрь 2025 года на опытных полях была выполнена семикратная аэрофотосъёмка с помощью БПЛА DJI Mavic 3M с интервалом в 30 дней. На основе полученных данных для каждого пикселя рассчитаны значения спектральных каналов (RED, Green, Red Edge, NIR) и методом аппроксимации нелинейными функциями построены временные ряды NDVI. Точность аппроксимации временных рядов составила: для посевов сои – 4,5–6%, для залежных земель – 1,9–2,9%, для овса – 6,3–9,1%. Установлено, что съёмка с 30-дневным интервалом достаточна для построения устойчивых эталонных кривых сезонной динамики NDVI для каждого выделенного класса растительности. Для сои, овса и залежи определены ключевые фенологические параметры: максимальное значение NDVI и дата его достижения по данным как БПЛА, так и спутниковых измерений. Статистический анализ подтвердил, что кривые сезонного хода NDVI для залежных земель достоверно отличаются от кривых для основных сельскохозяйственных культур Хабаровского края. На основе сопоставления временных рядов NDVI, полученных со спутника Sentinel-2 и с БПЛА, разработан метод оценки засорённости посевов сои. Анализ характеристик сезонных кривых NDVI для засорённых и чистых участков показал, что данный метод применим для оценки неоднородности (засорённости) полей на уровне муниципальных образований. На тех же полях проведён двукратный отбор почвенных проб: до посева и внесения удобрений и после уборки урожая. Содержание минерального азота (N-NO₃, N-NH₄) и подвижных форм фосфора (P₂O₅) и калия (K₂O) соответствовало типичным для лугово-бурых тяжелосуглинистых почв с низким естественным плодородием. К концу вегетационного периода (октябрь) отмечена следующая динамика пространственной вариабельности: содержание N-NO₃, N-NH₄ и K₂O стало более однородным (вариабельность снизилась до 23,1%, 26,8% и 42,7% соответственно), в то время как вариабельность содержания P₂O₅ возросла до 39,6%. Значения кислотности почв (pH) варьировали в диапазоне от сильнокислых до слабокислых. Полученные пространственно-временные распределения агрохимических показателей (NPK, влажность, кислотность) создают основу для последующего выявления корреляционных связей между этими параметрами и вегетационными индексами, рассчитанными по данным дистанционного зондирования Земли, в рамках многолетних наблюдений (планируемый период 2024–2026 гг.). С использованием ранее разработанного по проекту программного комплекса подготовлены и проанализированы многолетние временные ряды данных дистанционного зондирования для ключевых сельскохозяйственных районов Хабаровского края (Хабаровский, Вяземский, Бикинский районы, район имени Лазо). Сформированы временные ряды спутниковых изображений оптического диапазона (Sentinel-2, Landsat-8/9, «Метеор-М» №2) и радиолокационных данных (Sentinel-1, ALOS L-диапазона) за вегетационные сезоны 2020, 2021 и 2024–2025 гг. в границах опытных полей. На основе данных Sentinel-1 рассчитаны временные ряды еженедельных композитов сезонной динамики радиолокационного вегетационного индекса (DpRVI). Для территории юга Хабаровского края рассчитаны значения индексов NDWI (нормализованный разностный водный индекс) и LSWI (индекс влажности поверхности), построены соответствующие тематические карты. Проведённый анализ подтвердил возможность эффективного использования данных ДЗЗ для мониторинга мелиоративного состояния пахотных земель. Для восстановления и уточнения данных о севообороте была разработана и валидирована модель автоматизированной классификации сельскохозяйственных полей на основе методов машинного обучения. По данным Sentinel-2 (2024 г., Хабаровский район) общая точность (Overall Accuracy) классификации пахотных земель составила 93%. Значения метрики F1-score по классам: соя – 0.97, зерновые – 0.95, гречиха – 0.88, многолетние травы – 0.74, залежные земли – 0.91. По данным спутника «Метеор-М» (2024 г., Вяземский, Бикинский районы, район имени Лазо) общая точность классификации достигла 87%. На основе разработанных методов и решений автоматизированного распознавания посевов сельскохозяйственных культур были систематизированы данные о севообороте для четырёх муниципальных районов Хабаровского края охватывающие свыше 3 000 полей с общей площадью около 300 тыс. га. Все материалы были загружены в базу данных для последующего использования на следующих этапах проекта и в практической работе. Результаты исследований и разработок были представлены на XXIII Международной конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" (г. Москва, ИКИ РАН), XXI Международном научном конгрессе «Интерэкспо ГЕО-Сибирь» (г. Новосибирск), XII Международной научной конференции «Региональные проблемы дистанционного зондирования Земли» ( г. Красноярск), VIII Международной научно-практической конференции «Информационные технологии и высокопроизводительные вычисления» (г. Хабаровск), а материалы направлены для публикации в ведущие российские и иностранные научные издания (“Sensors”, “Системы и средства информатики”, “Вестник СГУГИТ” и др.).

Публикации