Volume № 39 (2021)

УДК

551.501.8

DOI

10.53988 /24136573-2021-01-02

Используйте это описание для цитирования: 

Cite this article as:

Денисов П.В., Лупян Е.А., Толпин В.А., Трошко К.А. Спутниковый сервис «ВЕГА-PRO» для сельскохозяйственного мониторинга // Управление рисками в АПК. 2021. Вып. 39 С. 22-36. DOI: 10.53988/24136573-2021-01-02

Denisov P.V., Loupian E.A., Tolpin V.A., Troshko K.A. “VEGA-PRO” satellite service for agricultural monitoring // Agricultural Risk Management, 2021, Vol. 39, pp. 22-36. DOI: 10.53988 /24136573-2021-01-02

НАУКИ О ЗЕМЛЕ | EARTH SCIENCES
ДЕНИСОВ П.В., ЛУПЯН Е.А., ТОЛПИН В.А., ТРОШКО К.А.

СПУТНИКОВЫЙ СЕРВИС «ВЕГА-PRO» ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО МОНИТОРИНГА

Денисов Павел Валерьевич – руководитель направления по внедрению технологий и сервисов дистанционного мониторинга сельского хозяйства, ООО «Институт космических исследований Земли», Москва, Россия.
E-mail: denisov_pv@inbox.ru

Лупян Евгений Аркадьевич – доктор технических наук, заведующий отделом технологий спутникового мониторинга, заместитель директора Института космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН), Москва, Россия.
E-mail: evgeny@d902.iki.rssi.ru
SPIN-код: 5841-7796

Толпин Владимир Аркадьевич – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, отдел технологий спутникового мониторинга, Институт космических исследований Российской академии наук, Москва, Россия.
E-mail: tolpin@d902.iki.rssi.ru
SPIN-код: 6948-9270

Трошко Ксения Анатольевна – кандидат географических наук, ведущий специалист, отдел технологий спутникового мониторинга, Институт космических исследований Российской академии наук,Москва, Россия.
E-mail: k.a.troshko@igras.ru
SPIN-код: 6839-0094

Аннотация

В работе рассматриваются возможности применения спутникового сервиса «Вега-PRO» для наблюдения за сельскохозяйственными землями и посевами. Охарактеризованы доступные в сервисе спутниковые данные и продукты, а также получаемые на их основе тематические карты. Представлены сведения о реализованных инструментах обработки и анализа данных и о возможностях их применения для решения различных задач сельскохозяйственного мониторинга. Приводится перечень организаций и ведомств, потенциально заинтересованных в возможностях сервиса.

Ключевые слова

Дистанционное зондирование, спутниковые системы наблюдения Земли, информационные сервисы, сельское хозяйство, мониторинг.

DENISOV P.V., LOUPIAN E.A., TOLPIN V.A., TROSHKO K.A.

“VEGA-PRO” SATELLITE SERVICE FOR AGRICULTURAL MONITORING

Pavel V. Denisov – Head of Department of Technologies and Services Implementation for Remote Agricultural Monitoring, Space Research Institute for the Earth (IKIZ), Moscow, Russia.
E-mail: denisov_pv@inbox.ru

Evgeny A. Loupian – D.Sc. (Technology), Head of Department of Satellite Monitoring Technologies, Deputy Director, Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia.
E-mail: evgeny@d902.iki.rssi.ru

Vladimir A. Tolpin – Ph.D., Senior Researcher, Department of Satellite Monitoring Technologies, Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia.
E-mail: tolpin@d902.iki.rssi.ru

Ksenia A. Troshko – Ph.D., Leading Specialist, Department of Satellite Monitoring Technologies, Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia.
E-mail: k.a.troshko@igras.ru

Annotation

Possibilities of “Vega-PRO” satellite service use for agricultural lands and crops observation are discussed in the paper. Satellite data and products available in the service as well as thematic maps derived from them are characterized. Information about the data processing and analysis instruments realized in the service is presented. Recommendations on these instruments application for agricultural purposes are given. The list of organizations potentially interested in the service capabilities is performed.

Keywords

Remote sensing, Earth observation satellite systems, information services, agriculture, monitoring.

Текст статьи

Введение. Съемка Земли из космоса является важнейшим инструментом для оценки и мониторинга состояния и использования сельскохозяйственных земель, поскольку она обладает рядом преимуществ перед наземными и авиационными способами наблюдения:
– возможностью одновременного наблюдения больших территорий (например, свободно распространяемые спутниковые данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), о которых в основном будет вестись речь ниже, имеют пространственный охват от нескольких сотен до нескольких тысяч километров);
– высокой периодичностью съемки (от раза в неделю до нескольких раз в сутки) и оперативностью получения изображений земной поверхности (в течение нескольких часов после съемки), что важно при наблюдении быстро происходящих на сельскохозяйственных землях процессах, быстро меняющихся фенологических фаз развития посевов;
– достаточной для решения большинства сельскохозяйственных задач детальностью изображений (от десятков до нескольких сотен метров).

Важным свойством спутниковых наблюдений является также объективность предоставляемой информации и возможность получения на её основе множества характеристик сельскохозяйственных земель и посевов.

Учитывая значительные площади земель сельскохозяйственного назначения в Российской Федерации (по данным [1] на 01.01.2020 – 381,7 млн га, из них сельскохозяйственных угодий – 197,8 млн га, пашни – 116,2 млн га; посевами сельскохозяйственных культур в 2020 г. по данным Росстата (https://www.fedstat.ru/) было занято около 80 млн га), для получения объективной информации о них в пределах всей страны важно иметь платформу, обеспечивающую возможность работы с большими массивами разновременных спутниковых данных ДЗЗ.

press to zoom
1/1

Одной из таких платформ, описанию возможностей которой и посвящена настоящая работа, является информационный сервис «Вега-PRO» (http://pro-vega.ru/), разработанный в начале 2010-х гг. ИКИ РАН и ООО «ИКИЗ» при поддержке фонда «Сколково» [2].

Доступные в «Вега-PRO» данные и продукты. Сервис «Вега-PRO» обеспечивает возможность удаленной работы с архивными и оперативными данными различных спутниковых систем ДЗЗ, полученными по всей территории Российской Федерации и некоторым сопредельным территориям. Детальная информация об архивах спутниковых данных, с которыми обеспечивается работа сервиса, в том числе схемы покрытия данными, приведены по адресу http://pro-vega.ru/archives.shtml.

В таблице 1 представлены сведения об основных доступных спутниковых данных среднего и высокого пространственного разрешения, которые могут быть использованы для решения задач сельскохозяйственного мониторинга.

При необходимости в сервисе могут быть организованы доступ и возможность работы с другими данными, например, со спутников Ресурс-П и Канопус-В, получаемыми пользователем от Государственной корпорации по космической деятельности «Роскосмос».
Помимо исходных спутниковых данных сервис обеспечивает возможность работы с различными продуктами, формируемыми на их основе.

К таким продуктам относятся, например, различные индексные изображения (широко используемый при наблюдении растительного покрова нормализованный разностный вегетационные индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) и многие другие), безоблачные композитные изображения, получаемые с различной частотой. Например, с начала 2000-х гг. на всю территорию России в еженедельном режиме формируются безоблачные композитные изображения NDVI средней детальности (по данным прибора MODIS), которые широко используются при оценке состояния посевов сельскохозяйственных культур.

press to zoom

press to zoom
1/2

В последние годы также была разработана и реализована уникальная схема формирования ежедневных безоблачных изображений (как многозональных, так и индексных) по данным съемочных систем MODIS, КМСС [3] и MSI (рис. 1). Использование такой информации способствует более точному установлению сроков мероприятий, проводимых на сельскохозяйственных землях (например, укосов трав), картографированию сельскохозяйственных культур одновременно на больших площадях.

На рисунке представлены примеры безоблачных изображений NDVI, полученных по данным Sentinel-2/MSI на территорию Гаврилово-Посадского района Ивановской области:
а – 15.06.2020,
б – 15.07.2020,
в – 15.08.2020,
г – многовременной RGB-композит (R – июнь, G – июль, B - август)

На основе спутниковых данных в масштабах всей страны также формируются и предоставляются пользователям различные тематические продукты, среди которых можно отметить следующие:
– доступные с начала 2000-х гг. автоматически формируемые карты обрабатываемой пашни, озимых и яровых культур, земель под паром;
– автоматически формируемые в ежедневном режиме карты пожаров, включающие в том числе сельхозпалы (рис. 2). Такая информация может представлять особый интерес для органов управления агропромышленным комплексом ввиду активно обсуждаемого в последнее время вопроса непредоставления субсидий сельхозтоваропроизводителям, допускающим сельхозпалы на своих участках (http://government.ru/news/41478/).

Смотрите на рисунке 2 пожарную обстановку в Веневском и Ясногорском районах Тульской области и в г.о. Кашира Московской области по спутниковым данным:
а – многовременной RGB-композит (R - Sentinel-2, 11.04.2021, 1565-1655 нм, G и B - Landsat-8, 17.04.2021, 1570-1650 нм (красным цветом отображаются свежие гари, возникшие к 17.04.2021),
б – карта автоматически выделенных за период 11-17.04.2021 «горячих точек».

1/1

Кроме того, в сервисе обеспечивается возможность работы с полученными на основе спутниковых данных цифровыми моделями рельефа с детальностью от 90 до 30 м.

Наряду со спутниковыми данными и продуктами в «Вега-PRO» обеспечивается доступ к более чем 20-летнему архиву метеорологических данных, представленных несколькими десятками показателей, включая температуру воздуха, количество осадков, температуру и влажность почвы на разных глубинах, глубину снежного покрова и др.), отображаемых в виде карт и графиков (при этом графики могут строиться для разных территорий: отдельного поля, района или субъекта Российской Федерации). Возможна также загрузка и работа с различными пользовательскими растровыми продуктами (например, картами внутрихозяйственного землеустройства), имеющими географическую привязку.

Инструменты обработки и анализа данных, доступные в «Вега-PRO. Помимо визуализации данных в сервисе реализовано множество инструментов их интерактивной обработки и анализа. Работа пользователей «Вега-PRO» со всеми данными, инструментами их обработки и анализа обеспечивается в веб-браузере с использованием специализированного картографического интерфейса.

Как показывает многолетний опыт эксплуатации сервиса, для решения значительной части задач наблюдения за сельскохозяйственными землями и посевами требуется наличие векторных границ полей. Помимо импорта границ обеспечивается возможность их выделения по космическим снимкам непосредственно в сервисе с использованием векторного редактора. Отметим, что в начале 2021 г. была проведена его существенная модернизация: так, наряду с существовавшими ранее функциями создания, сохранения, удаления полигонов и сдвига узлов появились новые функции: сдвиг, разрезание, упрощение, объединение полигонов, вырезание «дырок» в полигонах, разделение мультиполигонов.

press to zoom

press to zoom

press to zoom
1/5

С применением разработанных инструментов возможно проведение как стандартной, так и тематической обработки спутниковых данных. К стандартной обработке можно отнести, например, такие распространенные операции, как коррекция гистограмм, допривязка, алгебра изображений, цветовой синтез многозональных и разновременных изображений и др. Возможности тематической обработки в «Вега-PRO» представлены инструментами двух типов:
1) «классическими», доступными в большинстве программных продуктов, предназначенных для обработки данных ДЗЗ (например, сегментация, контролируемая и неконтролируемая классификация). Инструмент сегментации, например, позволяет выделять границы полей по спутниковым изображениям в автоматизированном режиме.

На рисунке 3 пример работы инструмента сегментации:
а – исходное спутниковое изображение,
б – автоматически выделенные поля, расположенные под точками

2) «специализированными», работа большинства из которых основана на использовании временных рядов вегетационных индексов, усредненных в пределах различных объектов. Ниже приведено описание основных инструментов, относящихся к этому классу.

По каждому векторному полю, заведенному в сервисе, возможен расчет еженедельных значений NDVI по данным прибора MODIS с начала 2000-х гг. (при необходимости по данным этой съемочной системы могут рассчитываться ряды 1-дневных значений индекса; в последние годы также реализована возможность расчета ежедневных значений индекса по данным приборов MSI и КМСС). На текущий момент временные ряды NDVI по данным MODIS рассчитаны для нескольких миллионов полей, заведенных разными пользователями сервиса. По каждому полю возможна визуализация графиков сезонной динамики NDVI, в т.ч. совместно с метеопараметрами. По кривым NDVI за несколько лет можно, например, анализировать историю севооборота на каждом поле (рис. 4) по графикам NDVI.

На основе этой же информации в сервисе формируется набор карт, характеризующих состояние посевов в пределах полей (например, карты изменения NDVI на полях относительно предыдущей недели или карты отклонения состояния посевов той или иной культуры на полях относительно «нормального» состояния этой культуры на заданной территории в конкретный промежуток времени.

Рисунок 5 демонстрирует пример анализа состояния озимых культур в г.о. Серебряные Пруды Московской области:
а – карта отклонения состояния посевов на отдельных полях от «нормы» на 20 неделю 2020 г.,
б – графики хода NDVI на этих полях в 2019 и 2020 гг. с указанием культур-предшественников.

Работа инструмента оценки используемости угодий основана на различиях в сезонном ходе NDVI используемых и неиспользуемых полей. Примеры «временных портретов» заброшенных и обрабатываемых полей, занятых разными культурами, а также результаты работы этого инструмента по одному из районов Смоленской области приведены в статье [5]. Наличие инструмента автоматизированной оценки используемости сельскохозяйственных земель на больших площадях приобретает особую актуальность ввиду утверждения Правительством Российской Федерации Государственной программы эффективного вовлечения в оборот земель сельскохозяйственного назначения и развития мелиоративного комплекса Российской Федерации в мае 2021 года

Инструмент верификации сведений о культурах основан на сравнении сезонного хода вегетационного индекса, усредненного в пределах поля с заявленной культурой, с «нормальным» ходом индекса, свойственным этой культуре в выбранном районе и сезоне [6]. В настоящее время проводится доработка этого инструмента, которая позволит не только подтверждать или опровергать достоверность заявленных сведений о культурах, но и определять наиболее вероятную культуру в случае выявленной ошибки.

Набор инструментов, нацеленных на проведение оценки состояния посевов в рамках единиц административно-территориального деления, базируется на сопоставлении сезонного хода NDVI, усредненного в пределах земель, занятых озимыми или яровыми культурами в районах или регионах России, с ходом NDVI в любом выбранном году, начиная с начала 2000-х гг., или со среднемноголетней «нормой». Для поиска возможных причин отклонения состояния посевов в рассматриваемом году от другого выбранного периода в сервисе реализована возможность совместного анализа временных рядов NDVI и метеорологических данных.

С примерами применения этих инструментов можно ознакомиться, например, в работе [4] или в регулярно публикуемых на сайте «Вега-PRO» информационных бюллетенях о состоянии посевов (http://pro-vega.ru/bulletins.shtml). В частности, в этих материалах показан опыт комплексирования многолетних данных о значениях NDVI посевов озимых культур с архивными статистическими данными об урожайности озимой пшеницы, который позволил сделать заблаговременные оценки урожайности этой культуры в некоторых регионах России в 2020 году.

Задачи в области сельского хозяйства, решаемые с использованием «Вега-PRO», и пользователи сервиса. Многолетний опыт эксплуатации «Вега-PRO» позволил сформировать перечень основных сельскохозяйственных задач, которые могут быть решены с его использованием. Список этих задач, а также некоторые рекомендации по применению возможностей сервиса для их решения приведены в таблице 2.

Большие наборы данных, инструментов их обработки и анализа, предоставляемые «Вега-PRO», обусловливают возможность его практического применения широким кругом пользователей [7], решающих сельскохозяйственные задачи на разных масштабных уровнях: от локального до федерального (таблица 3).

1/1

Заключение. В целом можно отметить следующие преимущества «Вега-PRO»:
– комплексное использование всей доступной в сервисе информации позволяет повысить эффективность принятия решений в сфере управления сельскохозяйственными землями, прежде всего за счет оперативного получения информации о проводимых на них мероприятиях и происходящих процессах;
– большая глубина архивов доступных спутниковых данных позволяет при необходимости получить историческую (вплоть до середины 1980-х гг.) информацию об особенностях использования и состоянии земельных участков на всей территории страны, проследить историю происходящих на них изменений;
– высокая степень автоматизации процессов обработки спутниковых данных позволяет значительно сократить временные затраты на получение пользователем интересующей его информации, в т.ч. одновременно на больших площадях;
– использование возможностей спутникового мониторинга в формате онлайн-сервиса, обеспечивающего доступ к данным, инструментам их обработки и анализа, существенным образом снижает материальные затраты по сравнению с подходом, в рамках которого пользователю приходилось бы осуществлять самостоятельное поддержание всей необходимой для работы со спутниковыми данными инфраструктуры.

В завершение отметим, что значительной частью возможностей сервиса «Вега-PRO» обладает другая разработка ИКИ РАН – сервис «Вега-Science», отличительной особенностью которого является его направленность на реализацию не коммерческих, а научных и образовательных проектов. Доступ к «Вега-Science» предоставляется на безвозмездной основе в соответствии с правилами, приведенными на сайте http://sci-vega.ru/.

1/0

Источники:

1. Доклад о состоянии и использовании земель сельскохозяйственного назначения Российской Федерации в 2019 году. – М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2020. – 514 с.
2. Лупян Е.А., Савин И.Ю., Барталев С.А., Толпин В.А., Балашов И.В., Плотников Д.Е. Спутниковый сервис мониторинга состояния растительности («Вега») // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 1. С. 190-198.
3. Плотников Д.Е., Колбудаев П.А., Жуков Б.С., Матвеев А.М., Барталев С.А., Егоров В.А., Кашницкий А.В., Прошин А.А. Публикация коллекции мультиспектральных измерений прибором КМСС-М (КА «Метеор-М» №2) для количественной оценки характеристик земной поверхности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. №7. С. 276–282.
4. Денисов П.В., Середа И.И., Трошко К.А., Лупян E.А., Плотников Д.Е., Толпин В.А. Возможности и опыт оперативного дистанционного мониторинга состояния озимых культур на территории России // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из