Rolnictwo precyzyjne
NDVI, NDMI i NDRE: jak czytać mapy satelitarne pola
NDVI to wskaźnik wegetacji wyliczany ze zdjęć satelitarnych. Porównuje ilość światła czerwonego pochłanianego przez rośliny z ilością odbijanej bliskiej podczerwieni. Im wartość jest bliższa 1, tym więcej zielonej, aktywnej biomasy. Na mapie zwykle widać to jako zieleń, a niższe wartości jako żółć lub czerwień. Najważniejsze jest jednak porównanie: szukasz fragmentów, które różnią się od reszty pola, a potem sprawdzasz je w terenie.
Jak satelita „widzi” roślinę
Satelita nie robi zwykłego zdjęcia w kolorach, które widzi oko. Rejestruje odbite światło słoneczne w kilkunastu wąskich zakresach fal, tzw. kanałach. Dla rolnictwa najważniejsze są cztery: czerwony, red-edge (wąski pas na granicy czerwieni i podczerwieni), bliska podczerwień (NIR) i krótkofalowa podczerwień (SWIR).
Zdrowy liść zachowuje się bardzo charakterystycznie. Chlorofil pochłania światło czerwone, bo roślina zużywa je do fotosyntezy. Jednocześnie wewnętrzna struktura liścia silnie odbija bliską podczerwień. Im więcej zielonych, dobrze funkcjonujących liści, tym większa różnica między tymi dwoma kanałami. Goła gleba odbija oba zakresy podobnie, więc różnica jest mała.
Wskaźniki takie jak NDVI, NDRE i NDMI to po prostu sposób, żeby tę różnicę zamienić w jedną liczbę dla każdego piksela. Dzięki normalizacji (dzielenie przez sumę kanałów) wynik mieści się w przedziale od −1 do 1 i jest mniej wrażliwy na to, czy dzień był jaśniejszy, czy ciemniejszy.
W Polsce najczęściej korzysta się z danych Sentinel-2 z europejskiego programu Copernicus. Dwa satelity tej misji przelatują nad tym samym obszarem co kilka dni. Kanały czerwony i NIR mają rozdzielczość 10 m, czyli jeden piksel to 10 × 10 m, a kanały red-edge i SWIR mają 20 m. Z tych danych korzysta też monitoring satelitarny pól w Nirby, który liczy NDVI, NDMI i NDRE dla każdego pola.
Wskaźnik NDVI: co to jest i jak czytać kolory
NDVI (Normalized Difference Vegetation Index, znormalizowany różnicowy wskaźnik wegetacji) liczy się ze wzoru NDVI = (NIR − Red) / (NIR + Red). Jeśli roślina mocno odbija podczerwień i mocno pochłania czerwień, licznik jest duży, a wynik zbliża się do 1.
Na mapie wartości są zamienione na kolory. Najczęściej stosuje się skalę od czerwieni przez żółty do ciemnej zieleni. Czerwony oznacza niskie NDVI, czyli mało zielonej biomasy albo glebę. Ciemnozielony oznacza gęsty, aktywny łan. Konkretna paleta zależy od programu, więc zawsze patrz na legendę, a nie tylko na kolor.
| NDVI (w przybliżeniu) | Co zwykle oznacza | Przykład na polu |
|---|---|---|
| poniżej 0 | woda, śnieg, chmury | zastoisko wody w obniżeniu, oczko wodne |
| 0 – 0,2 | goła gleba, bardzo mało roślin | pole po siewie, ściernisko, wypadnięte miejsca |
| 0,2 – 0,4 | rzadka lub słaba roślinność | wschody, przerzedzony łan, wczesna wiosna |
| 0,4 – 0,6 | umiarkowana biomasa | rozwijający się łan, rośliny pod lekkim stresem |
| 0,6 – 0,8 | gęsty, zdrowy łan | zboża w strzelaniu w źdźbło, rzepak przed kwitnieniem |
| powyżej 0,8 | bardzo gęsta biomasa | zwarte łany w pełni wegetacji, wskaźnik bliski nasycenia |
Wartości bezwzględne mają ograniczone znaczenie. NDVI 0,5 w kwietniu dla ozimej pszenicy może być w porządku, a w czerwcu już sygnałem problemu. Dlatego mapę czytasz przede wszystkim względnie: gdzie na tym polu, na tym zdjęciu, rośliny odstają od reszty.
Kiedy NDVI działa najlepiej
NDVI najlepiej różnicuje pole od wschodów do mniej więcej zwarcia łanu. W tym okresie widać przezimowanie, nierówne wschody, uszkodzenia przez zwierzynę, zastoiska wody i różnice w glebie. Później, gdy łan jest gęsty na całym polu, wartości zbliżają się do górnej granicy i mapa robi się jednolicie zielona. To zjawisko nazywa się nasyceniem NDVI.
NDRE: gdy NDVI przestaje pokazywać różnice
NDRE (Normalized Difference Red Edge) liczy się podobnie, ale zamiast kanału czerwonego używa kanału red-edge: NDRE = (NIR − RedEdge) / (NIR + RedEdge). Światło z pasma red-edge wnika głębiej w łan i jest mniej pochłaniane niż czerwień, więc wskaźnik później się nasyca.
W praktyce oznacza to, że NDRE nadal pokazuje różnice w gęstym łanie, kiedy NDVI jest już wysoki wszędzie. Jest też bardziej wrażliwy na zawartość chlorofilu, dlatego często używa się go do oceny kondycji roślin w drugiej połowie sezonu, np. przed kolejną dawką azotu.
- Zboża od strzelania w źdźbło i później: NDVI często jest już wysoki na całym polu, NDRE dalej rozróżnia słabsze i mocniejsze fragmenty.
- Rzepak i kukurydza w pełni rozwoju: gęsta, wysoka biomasa, przy której NDVI traci czułość.
- Ocena przed nawożeniem pogłównym: jaśniejsze plamy na NDRE mogą wskazywać miejsca z gorszym zaopatrzeniem roślin, ale przyczynę trzeba potwierdzić w polu.
Wartości NDRE są z natury niższe niż NDVI dla tego samego łanu, więc nie porównuj ich liczbowo ze sobą. Kanał red-edge w Sentinel-2 ma rozdzielczość 20 m, więc obraz jest nieco mniej szczegółowy niż mapa NDVI.
NDMI: woda w roślinach i stres wodny
NDMI (Normalized Difference Moisture Index) porównuje bliską podczerwień z krótkofalową: NDMI = (NIR − SWIR) / (NIR + SWIR). Woda w tkankach silnie pochłania promieniowanie SWIR. Im więcej wody w liściach, tym mniej SWIR wraca do satelity i tym wyższy NDMI.
NDMI nie mierzy wilgotności gleby. Pokazuje stan uwodnienia roślin, który od wilgotności gleby zależy, ale z opóźnieniem. Na glebie bez roślin wynik bardziej mówi o powierzchni gleby niż o wodzie dostępnej w profilu.
Najwięcej daje w okresach suszy. Kiedy na mapie NDMI pojawiają się wyraźnie niższe wartości na lżejszych glebach, wzniesieniach czy piaszczystych pasach, zwykle są to miejsca, gdzie rośliny pierwsze zaczynają cierpieć z braku wody. Często wychodzą tam wcześniej, niż zobaczysz to na NDVI, bo roślina traci wodę, zanim zmieni kolor. Podobnie jak NDRE, NDMI z Sentinel-2 bazuje na kanale 20 m.
NDVI, NDRE i NDMI: porównanie
| Wskaźnik | Co pokazuje | Kiedy używać | Ograniczenia |
|---|---|---|---|
| NDVI | ilość zielonej biomasy, wigor roślin | od wschodów do zwarcia łanu, ocena przezimowania, porównanie pól | nasyca się w gęstym łanie; wrażliwy na glebę przy rzadkich roślinach |
| NDRE | kondycję i zawartość chlorofilu w gęstym łanie | druga połowa sezonu, przed nawożeniem pogłównym, rzepak i kukurydza | niższe wartości niż NDVI, rozdzielczość 20 m, mało przydatny przy rzadkich roślinach |
| NDMI | zawartość wody w roślinach | okresy suszy, wskazanie lżejszych, szybciej przesychających fragmentów | nie mierzy wilgotności gleby, rozdzielczość 20 m, reaguje też na biomasę |
W praktyce najczęściej zaczynasz od NDVI, a pozostałe dwa wskaźniki traktujesz jako uzupełnienie. Jeśli ten sam fragment pola wychodzi słabo na wszystkich trzech mapach i powtarza się to w kolejnych sezonach, to mocny sygnał, że przyczyna leży w glebie lub w ukształtowaniu terenu.
Typowe błędy przy czytaniu map satelitarnych
Chmury, cienie i mgła
Sentinel-2 to satelita optyczny, więc nie widzi przez chmury. Całkowicie zachmurzone zdjęcia są zwykle odrzucane, ale cienkie chmury, smugi i ich cienie mogą przejść. Cień chmury wygląda na mapie jak wyraźna, ostro zakończona plama niskich wartości, często o kształcie niezwiązanym z polem. W pochmurnych tygodniach czystych zdjęć może być niewiele.
Uwrocia, krawędzie i drogi
Piksel 10 × 10 m na granicy pola obejmuje częściowo drogę, rów, zadrzewienie albo sąsiednią uprawę. Dlatego pas wzdłuż krawędzi często ma zaniżone lub zawyżone wartości. Do tego uwrocia są bardziej ugniecione i dostają nierówne dawki. Nie oceniaj pola po jego obrzeżach.
Nasycenie i porównywanie różnych dat
Jednolicie zielona mapa NDVI w czerwcu nie oznacza, że pole jest wyrównane. Może oznaczać tylko nasycenie wskaźnika, więc sprawdź NDRE. Z kolei porównując zdjęcia z różnych dni, pamiętaj, że zmieniają się warunki oświetlenia, stan atmosfery, faza roślin i wilgotność. Porównuj raczej układ plam na polu niż wartości co do setnej.
Mylenie objawu z przyczyną
Niski NDVI może oznaczać niedobór azotu, suszę, zastoisko wody, zachwaszczenie, choroby, szkody od zwierzyny, słabe wschody, zbitą glebę albo po prostu inną odmianę na części pola. Mapa tego nie rozróżni. Chwasty potrafią nawet podnieść NDVI, bo to też zielona biomasa.
Od mapy do decyzji w polu
Mapa satelitarna jest najbardziej przydatna, kiedy prowadzi do konkretnego działania. Poniżej typowa kolejność, od najprostszego zastosowania do najbardziej zaawansowanego.
- Lustracja celowana. Zamiast obchodzić całe pole, jedziesz w dwa lub trzy miejsca, które odstają na mapie, i jedno miejsce „normalne” do porównania. Sprawdzasz rośliny, glebę, obecność chorób i szkodników.
- Porównanie z historią. Jeśli słabsza plama pojawia się w tym samym miejscu przez kilka sezonów i w różnych uprawach, przyczyna jest raczej trwała: gleba, woda, ukształtowanie terenu.
- Strefy pola. Z historii zdjęć wyznaczasz stabilne strefy o podobnym potencjale plonowania. Na nich opierają się kolejne kroki.
- Pobór prób glebowych w strefach. Zamiast jednej próby z całego pola pobierasz próby osobno w każdej strefie. Jak to zaplanować, opisujemy w poradniku o pobieraniu prób glebowych w strefach.
- Zmienne dawkowanie. Kiedy znasz zasobność gleby w strefach, możesz przygotować plan nawożenia i mapę zmiennego dawkowania VRA dla terminala maszyny.
Przykład: na mapie NDVI z kwietnia pole ozimej pszenicy ma wyraźnie słabszy pas na wzniesieniu. Na NDMI w maju ten sam pas przesycha pierwszy, a zdjęcia z trzech poprzednich sezonów pokazują go w tym samym miejscu. To dobry kandydat na osobną strefę, w której warto sprawdzić zasobność gleby i odczyn, zanim zdecydujesz o dawkach.
W Nirby ta ścieżka jest połączona: strefy wyznaczane są z historii zdjęć satelitarnych, badania gleby przypisujesz do stref, a z planu nawożenia powstaje mapa zmiennego dawkowania w formacie ISOXML lub Shapefile.
Lista kontrolna: jak czytać mapę satelitarną pola
- Sprawdź datę zdjęcia i obraz w naturalnych kolorach: czy nie ma chmur, cieni, mgły.
- Spójrz na legendę, a nie tylko na kolory. Każdy program może mieć inną skalę.
- Dobierz wskaźnik do fazy: NDVI na początku sezonu, NDRE w gęstym łanie, NDMI przy suszy.
- Czytaj mapę względnie: szukaj miejsc, które odstają od reszty tego samego pola.
- Pomijaj pas przy krawędziach i uwrociach, chyba że problem wychodzi daleko w głąb pola.
- Porównaj z poprzednimi zdjęciami i sezonami: czy plama jest nowa, czy powtarza się.
- Zestaw mapę z tym, co wiesz o polu: historia zabiegów, odmiany, drenaż, ukształtowanie.
- Jedź w teren i sprawdź przyczynę, zanim zmienisz dawkę lub wykonasz zabieg.
- Stałe różnice przełóż na strefy, próby glebowe i nawożenie zmienną dawką.
Najczęstsze pytania
Co oznacza niski NDVI?
Niski NDVI oznacza mało zielonej, aktywnej biomasy w danym miejscu. Przyczyną może być goła gleba, słabe wschody, susza, zastoisko wody, niedobór składników, choroba lub szkody od zwierzyny. Na początku sezonu niskie wartości są naturalne. Wskaźnik nie wskazuje przyczyny, dlatego miejsca z niskim NDVI trzeba sprawdzić w polu i porównać z resztą pola oraz poprzednimi zdjęciami.
Jaka wartość NDVI jest dobra?
Nie ma jednej dobrej wartości. Orientacyjnie gęsty, zdrowy łan w pełni wegetacji ma NDVI mniej więcej od 0,6 do 0,8 i więcej, a rośliny we wczesnych fazach dużo mniej. Wartość zależy od uprawy, fazy rozwoju i daty zdjęcia. Dlatego lepiej oceniać różnice w obrębie pola i zmiany w czasie niż porównywać liczbę z jednym progiem.
Jak często są zdjęcia Sentinel-2?
Dwa satelity Sentinel-2 wykonują zdjęcia tego samego obszaru co kilka dni. Nie każde zdjęcie da się wykorzystać, bo satelity optyczne nie widzą przez chmury. W pochmurnych okresach czystych zdjęć bywa mało, a w pogodne tygodnie więcej. Dlatego warto patrzeć na datę każdego obrazu i sprawdzać, czy nie ma na nim chmur ani ich cieni.
Czym różni się NDVI od NDRE?
Oba wskaźniki porównują bliską podczerwień z innym kanałem: NDVI z czerwonym, NDRE z red-edge. Światło red-edge jest słabiej pochłaniane i wnika głębiej w łan, więc NDRE później się nasyca. Dzięki temu nadal pokazuje różnice w gęstych łanach w późniejszych fazach rozwoju, gdy NDVI jest wysoki na całym polu. We wczesnych fazach zwykle lepiej sprawdza się NDVI.
Czy NDMI pokazuje wilgotność gleby?
Nie bezpośrednio. NDMI porównuje bliską i krótkofalową podczerwień i reaguje głównie na wodę zawartą w roślinach. Pośrednio wskazuje miejsca, gdzie rośliny najszybciej odczuwają niedobór wody, np. lżejsze gleby czy wzniesienia. Na polu bez roślin wynik mówi raczej o powierzchni gleby niż o wodzie dostępnej w głębszym profilu, więc nie zastępuje pomiaru wilgotności.
