Agricultural Vegetation Phenology Monitoring by Modis Data Time Series Analysis

К настоящему времени разработано множество методов оценки состояния и фенологического развития посевов по временным рядам спутниковых данных. Большинство из них эффективны только при использовании наземных полевых измерений. В статье представлен новый метод определения времени начала и конца вегетационного периода посевов сельскохозяйственных культур. Данный метод основан на комплексном анализе отражательных – Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) и излучательных – Land Surface Temperature (LST) характеристик растительности. Изучены особенности фазовых портретов агрофитоценозов, построенных в двумерном пространстве значений LST и NDVI. Выполнен анализ фенологической изменчивости агрофитоценозов в периоды вегетации 2006, 2016-2017 гг. на юге Красноярского края и Республики Хакасия. Выявлены отличия фазовых портретов агрофитоценозов от других видов растительности в пространстве (LST, NDVI). Показана возможность определения времени и длительности фенологических состояний агрофитоценозов, особенностей перехода из одного состояния в другоеTo date, many methods have been developed for assessing the state and phenological development of crops using time series of satellite data. Most of them are effective when used ground field measurements. The article presents a new method for determining of the beginning and the end dates of the crops vegetation period. This method is based on a complex analysis of reflective – Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and radiative – Land Surface Temperature (LST) characteristics of vegetation. The features of agrophytocenoses phase portraits in the twodimensional space LST and NDVI are studied. An analysis of the phenological variability of agrophytocenoses during the vegetation periods of 2006, 2016-2017 in the south of the Krasnoyarsk Territory and the Republic of Khakassia has been performed. The distinctive features of phase portraits in space (LST, NDVI) of agrophytocenosis from other vegetation species are revealed. The possibility of determining the time and duration of the phenological states of agrophytocenosis, the features of the transition from one state to another, is show

Применение наземного спектрометрирования для оперативного мониторинга урожайности сельскохозяйственных культур

The purpose of this study is to analyze the relationship between crop yields and total chlorophyll potential of different barley and oats cultivars. For this purpose, we used the spectra of grain crops obtained from ground-based remote sensing, and laboratory data. Ground-based data were obtained at the experimental fields located in the Krasnoyarskii Krai. Experiments were carried out in different seasons and under various lighting conditions. Spectral measurements were done with a double-beam spectrophotometer. It was installed on the mobile work platform at heights of 5 to 18 m. The study showed good correlation between crop yields and total chlorophyll potential for barley and oats cultivarsЦелью данного исследования является анализ связи между урожайностью и суммарным хлорофилльным потенциалом посевов ячменя и овса. Для этого были использованы спектры зерновых культур, полученные при наземном дистанционном зондировании, и лабораторные данные. Наземные данные были получены на экспериментальных полях, расположенных в Красноярском крае. Эксперименты проводились в разные сезоны, при различных условиях освещения. Спектральные измерения осуществляли с использованием двухлучевого спектрорадиометра. Он был установлен на подвижной платформе на высоте от 5 до 18 м. Проведенное исследование показало хорошую корреляцию между урожайностью и суммарным хлорофилльным потенциалом для различных сортов ячменя и овс

Фенологические характеристики лесной растительности на территории России (Красноярский край) по спутниковым данным

The present study addresses phenology of forest vegetation based on satellite data, by analyzing the relationship between the long-term (2003–2016) series of NDVI of coniferous and deciduous tree stands and climate in the Krasnoyarskii Krai (Russia). The source data were the 8-day satellite data from MODIS (the MOD09Q1 product) and weather data from land-based weather stations. Positive trends were revealed for the average NDVI values of deciduous trees between May 1 and 16. This correlated with the trend of the accumulated air temperature (above + 5 °С) from January through May. The long-term variations in the dates of the onset of conifer seasonal growth were estimated using average NDVI values of the new shoots between May 17 and June 1: the difference between the average NDVI values of coniferous trees after the onset of the seasonal growth (June 1) and the NDVI values before the onset of the seasonal growth (May 17). Positive trends were obtained for the average NDVI values of the new shoots on coniferous trees. A tendency towards an earlier onset of the seasonal growth was obtained for a 14-year period of timeПроведено изучение фенологии лесной растительности по спутниковым данным на основе анализа связи многолетних рядов NDVI (2003–2016 гг.) хвойных и лиственных древостоев и климата в Красноярском крае (Россия). Исходными данными являлись 8-дневная спутниковая информация Modis (продукт MOD09Q1) и метеорологическая информация с наземных метеостанций. Обнаружены положительные тренды усредненной NDVI лиственной растительности с 1 по 16 мая. Это коррелирует с трендом накопленной температуры воздуха (выше 5 °С) с января до мая включительно. Для оценки многолетней динамики начала вегетации хвойной растительности использованы усредненные NDVI молодых приросших побегов с 17 мая по 1 июня, равные разнице усредненных NDVI хвойных деревьев после начала вегетации (1 июня) и NDVI до начала вегетации (17 мая). Получены положительные тренды усредненных NDVI молодых приросших побегов хвойной растительности. Установлена тенденция к более раннему началу вегетации лесной растительности за 14-летний перио

Technology to Detect Anomalies of Net Primary Production of Vegetation Dynamics on the Basis of Non-Linear Trends (MODIS NPP)

В статье предложена технология обнаружения аномалий динамики чистой первичной про- дукции растительности и сделан анализ полученных данных. Авторы представляют осно- ванную на экологической теории концептуальную технологию, которая позволяет проводить мониторинг протяженной территории, используя оценки ЧПП (MODIS NPP) в качестве инди- катора состояния растительного покрова. Для обнаружения территорий с аномальной дина- микой ЧПП использовался метод STL (Seasonal-Trend Decomposition Procedure Based on Loess). Исследование проводилось на территории юга Красноярского края, обладающего большим раз- нообразием природных ландшафтов – от степей до высокогорных альпийских лугов Саянских гор. Для анализа полученных аномалий динамики ЧПП использовались спутниковые данные по температуре и влажностиThe paper proposes a technology to detect anomalies of net primary production of vegetation dynamics and the authors have done an analysis of the data. The authors are based on ecological theory for conceptual technology that allows you to monitor an extended territory, using estimates NPP (MODIS NPP) as an indicator of the conditions of vegetation. For the detection of areas with anomalies NPP dynamics was used STL method (Seasonal-Trend Decomposition Procedure Based on Loess). The study was conducted in the south of the Krasnoyarsk region, which has a great variety of natural landscapes from the steppes to the high alpine meadows of the Sayan Mountains. For analysis of the dynamics of anomalies of NPP used satellite data in temperature and humidit

Agricultural Vegetation Phenology Monitoring by Modis Data Time Series Analysis

К настоящему времени разработано множество методов оценки состояния и фенологического развития посевов по временным рядам спутниковых данных. Большинство из них эффективны только при использовании наземных полевых измерений. В статье представлен новый метод определения времени начала и конца вегетационного периода посевов сельскохозяйственных культур. Данный метод основан на комплексном анализе отражательных – Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) и излучательных – Land Surface Temperature (LST) характеристик растительности. Изучены особенности фазовых портретов агрофитоценозов, построенных в двумерном пространстве значений LST и NDVI. Выполнен анализ фенологической изменчивости агрофитоценозов в периоды вегетации 2006, 2016-2017 гг. на юге Красноярского края и Республики Хакасия. Выявлены отличия фазовых портретов агрофитоценозов от других видов растительности в пространстве (LST, NDVI). Показана возможность определения времени и длительности фенологических состояний агрофитоценозов, особенностей перехода из одного состояния в другоеTo date, many methods have been developed for assessing the state and phenological development of crops using time series of satellite data. Most of them are effective when used ground field measurements. The article presents a new method for determining of the beginning and the end dates of the crops vegetation period. This method is based on a complex analysis of reflective – Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and radiative – Land Surface Temperature (LST) characteristics of vegetation. The features of agrophytocenoses phase portraits in the twodimensional space LST and NDVI are studied. An analysis of the phenological variability of agrophytocenoses during the vegetation periods of 2006, 2016-2017 in the south of the Krasnoyarsk Territory and the Republic of Khakassia has been performed. The distinctive features of phase portraits in space (LST, NDVI) of agrophytocenosis from other vegetation species are revealed. The possibility of determining the time and duration of the phenological states of agrophytocenosis, the features of the transition from one state to another, is show

Пространственное распределение трендов NDVI лесной растительности заповедника «Столбы» по спутниковым данным MODIS

The purpose of this work is to assess the long-term changes in the state of forest vegetation on the territory of the Nature Reserve “Stolby” for the period 2000-2018. An algorithm has been developed for this and a map of the spatial distribution of the average annual NDVI trends of forest vegetation according to MODIS satellite data has been created (May – September as averaging period). In the work, a map of vegetation cover was used according to the electronic ecological atlas of the Nature Reserve “Stolby”. The analysis of the distribution of the number of pixels on the values of the average annual NDVI trend revealed that for the class of coniferous vegetation negative values of the linear trend prevail (by 30%). For the deciduous vegetation class, the number of pixels with negative values of linear trend slope is 3.1% higher than with positive ones. In general, for most types of forest vegetation negative trends NDVI prevail. The negative NDVI trend slope of vegetation indicates degradation processes. The reasons for this are the changes of climatic factors, anthropogenic impact, fires, aging and forest vegetation diseasesЦелью работы является оценка многолетних изменений состояния лесной растительности на территории заповедника «Столбы» за период 2000-2018 гг. Для этого разработан алгоритм и создана карта пространственного распределения среднегодовых трендов NDVI лесной растительности по спутниковым данным MODIS (период усреднения май – сентябрь). В работе использована карта растительного покрова по данным электронного экологического атласа заповедника «Столбы». Анализ распределения количества пикселей по значениям среднегодового тренда NDVI выявил, что для класса хвойная растительность преобладают отрицательные значения линейного тренда (на 30 %). Для класса лиственная растительность количество пикселей с отрицательными значениями уклона линейного тренда на 3.1 % больше, чем с положительными. В целом для большинства видов лесной растительности преобладают отрицательные значения среднегодовых трендов NDVI. Отрицательный уклон тренда NDVI растительности указывает на деградационные процессы. Причиной этого являются изменения климатических факторов, антропогенное воздействие, пожары, старение и болезни лесной растительност

Angular Distribution of the Reflective Characteristics of Agrocenosis Ground Remote Sensing

В статье представлены результаты исследования угловых спектрально-отражательных характеристик посевов сельскохозяйственных культур, полученные в полевых условиях оптическими дистанционными методами. Установлено, что в летний период вегетации основными факторами, влияющими на отражательную способность агроценозов, являются морфологические и физиологические параметры, архитектоника посева, высота Солнца h0 и угол визирования φ. Установлено, что минимум яркости посевов приходится на углы 25–30° относительно надира. При увеличении угла визирования проявляется эффект обратного блеска в красной и инфракрасной областях спектра. Это приводит к увеличению значений коэффициента спектральной яркости в этих областях. Установлено, что оптимальное время проведения измерений отражательных характеристик посевов агроценозов – период с 11 до 16 часовThe article presents the results of a study of spectral reflectance characteristics of crops produced in the field of optical remote methods. It was established that during the vegetation period the main factors affecting the reflectance of agrocenosis, are morphological and physiological parameters , architectonic, height of the Sun h0 and the viewing angle φ. Found that the minimum brightness of crops accounted for angles 25 ° – 30 ° with respect to nadir . By increasing the angle of view is shown the effect of back shine in the red and infrared. This leads to an increase of spectral brightness coefficients in these areas. Found that the optimal time of measurement of reflection factor agrocenosis is between 11 to 16 hour

Determination of Chlorophyll Photosynthetic Potential in Vegetation Using Ground-Based and Satellite Methods

Potential productivity of agricultural crops can be evaluated using a new method based on chlorophyll photosynthetic potential (CPSP) derived from satellite information. The chlorophyll photosynthetic potential is determined by the amount of light absorbed by the plants in the region of the red band of chlorophyll absorption in a definite growth period. The value of parameter CPSP is determined as the area of the triangle whose vertex coordinates are exoatmospheric reflectance in the green, red, and near infrared bands and the respective mean wavelengths of bands. CPSPs of the crops have been examined using medium and high spatial resolution satellite (MODIS/Terra and Landsat7 ETM+) data obtained during the growing season of the plants. CPSP and crop productivity have been found to be interrelated. The obtained satellite evaluations are in good agreement with the ground-truth observation data.Представлена новая методика оценки потенциальной урожайности посевов сельскохозяйственных культур с помощью хлорофилльного фотосинтетического потенциала (ХФСП) на основе спутниковой информации. ХФСП определяется количеством поглощенного растениями света в области красной полосы спектра поглощения хлорофилла в определенные периоды вегетации. Величина параметра ХФСП определяется как площадь треугольника, координатами вершин которого являются значения СКО в зеленом, красном и ближнем инфракрасном каналах и средние значения длин волн в соответствующих каналах. Проведено изучение ХФСП сельскохозяйственных культур по спутниковым данным среднего и высокого пространственного разрешения (MODIS/Terra и Landsat7 ETM+) в течение периода вегетации. Определена степень взаимосвязи ХФСП и урожайности. Полученные спутниковые оценки хорошо согласуются с наземными наблюдениями

Связь хлорофилльного потенциала посева пшеницы и листового индекса при наземном дистанционном зондировании

The purpose of this study was a comparative study of seasonal dynamics of chlorophyll potential, leaf area index and fresh biomass of different varieties of wheat based on reflectance spectra obtained by ground-based remote measurements. The study reports data on seasonal dynamics of reflectance of wheat canopies composed of various wheat cultivars in the Krasnoyarskii Krai. The study presents an optical remote method for determining chlorophyll potential, S(t), of wheat plants, which is calculated based on reflectance spectra of the crops during the growing season. Chlorophyll potential of wheat plants, S(t), may serve as an indicator of their physiological state and potential biological productivity; also, it can be used to predict grain yield of wheat fields. Different wheat cultivars have different chlorophyll potentials, S(t), during the growing season. There is high positive correlation between dry and fresh wheat biomass, and chlorophyll potential, S(t), of wheat plants. A digital database has been compiled, which contains spectral data of the wheat canopies studiedЦелью данного исследования является сравнительное изучение сезонной динамики хлорофилльного потенциала, индекса листовой поверхности и свежей биомассы различных сортов пшеницы на основе спектров отражения, полученных с помощью наземных дистанционных измерений на территории Красноярского края. Исследование представляет собой оптический дистанционный способ определения хлорофилльного потенциала, S (t), из растений пшеницы, который рассчитывается на основе спектров отражения культур в период вегетации. Хлорофилльный потенциал растений пшеницы, S (t), может служить индикатором их физиологического состояния и биологической продуктивности. Различные сорта пшеницы имеют различные хлорофилльные потенциалы в течение вегетационного сезона. Существует положительная корреляция между сухой и свежей биомассой пшеницы и хлорофилльным потенциалом. Была составлена цифровая база данных, которая содержит спектральные показатели изученных посевов пшениц

Пространственное распределение NDVI посевов зерновых культур с различной степенью засоренности по спутниковым данным PlanetScope

The objective of the study is to assess the state of agricultural seeds (level of weediness) on the territory of the Krasnoyarsk Agricultural Research Institute of Federal Research Center «Krasnoyarsk Science Center of the SB RAS» near the village Minino according to satellite data. For this purpose, an algorithm for obtaining and processing PlaneScope satellite data for calculating the NDVI vegetation index of agricultural seeds has been developed. On its basis a map of the spatial distribution of NDVI wheat seeds with different levels of weediness has been created. According to PlanetScope satellite data, an opportunity to interpret areas of wheat seeds with high and low levels of weediness has been shown. It has been found that the NDVI value of pure plantation of wheat with a low level of weediness is greater than the NDVI value of wheat seeds with a high level of weedinessЦелью работы является оценка состояния сельскохозяйственных посевов (степени засоренности) на территории Красноярского НИИСХ ФИЦ КНЦ СО РАН вблизи пос. Минино по спутниковым данным. Для этого разработан алгоритм получения и обработки спутниковых данных PlanetScope для расчета вегетационного индекса NDVI сельскохозяйственных посевов. На его основе создана карта пространственного распределения NDVI посевов пшеницы с различной степенью засоренности. По спутниковым данным PlanetScope показана возможность дешифрирования участков посевов пшеницы с высокой и низкой степенью засоренности. Выявлено, что величина NDVI чистых посевов пшеницы и с низкой степенью засоренности больше величины NDVI посевов пшеницы с высокой степенью засоренност