Разработка методов обработки данных для анализа изменений среднемноголетней временной динамики вегетационных индексов различных сельскохозяйственных культур

В рамках работ по анализу состояния растительности в ИКИ РАН в 2018 году проводились работы по созданию методов обработки данных для анализа изменений среднемноголетней временной динамики вегетационных индексов различных сельскохозяйственных культур.

Для анализа состояния растительности традиционно используются различные вегетационные индексы (ВИ). Самый популярный из них NDVI. В информационных системах семейства «Созвездие-Вега» он так же является одним из основных вегетационных индексов. Для получения значений ВИ для районов и субъектов используется метод осреднения значений ВИ не по всей территории, а по различным классам растительности с использованием карт типов территории. Таким образом, можно анализировать изменение ВИ конкретного класса растительности в любом районе или субъекте.

При проведении анализа состояния объекта  анализируется не только его текущее состояние, но и  проводится сравнение с историческими данными этого объекта или, что более интересно, с неким «нормальным» состоянием. Под «нормальным» подразумевается некоторое среднее (обычное) состояние в котором находятся объекты определенного класса растительности на заданной территории. Т.е., «нормой» можно считать некое усредненное среднемноголетнее состояние растительности, характерное для заданной территории и класса. В качестве такой «нормы» обычно предлагается использовать среднемноголетнее значение для данного класса растительности в административном районе, где расположен объект.

В качестве среднемноголетнего значения, как правило, используются данные усредненные за достаточно большой промежуток времени. В архивах систем семейства «Созвездие-Вега» для ВИ NDVI это диапазон с 2001г по настоящее время. То есть, более 15 лет. Использовать среднее значение за более чем 15 лет возможно уже не совсем корректно, поскольку на таком большом промежутке времени уже начинают  сказываться климатические изменения, которые неизбежно происходят. Климатические изменения  выражаются в повышении температуры, неравномерном увеличении или уменьшении осадков, сдвиге вегетационных сезонов, что неизбежно сказывается на условиях вегетации растений.

Предложенные  методы построения среднемноголетних значений и их анализа позволяют более гибко использовать среднемноголетние значения для «норм» при анализе динамики ВИ. В качестве основного варианта предлагается использование среднемноголетних значений усредненных за 5 лет. Использование 5 летних интервалов и скользящего окна позволяет построить целый ряд таких 5 летних «норм». Набор полученных таким методом интервалов представлен на рисунке 1. Инструменты анализа временных рядов систем семейства «Созвездие-Вега» позволяют проводить анализы изменчивости  «норм» с течение  времени для различных классов растительности и культур на любой территории не только РФ, но и любой части мира (при условии наличия данных в архивах).

 В настоящий момент в информационных системах семейства «Созвездие-Вега» доступны к анализу 5 летние нормы более чем по 10 классам растительности во всех районах РФ. При достаточном накоплении многолетних данных по культурам на полях аналогичные нормы будут построены по каждой отдельной культуре.

Рис. 1 - Набор временных интервалов 5-летних «скользящих» норм

 При анализе состояния растительности целесообразно использовать ближайшую к сезону исследования 5 летнюю норму. Пример анализа для Московской области, Рузского района и яровых культур представлен на рисунке 2. При анализе отклонений текущего сезона, в случае использования ближайшей 5 летней нормы, состояние в начале развития (до максимума) будет оценено как «среднее» или «лучше среднего», тогда как при использовании среднемноголетней нормы состояние будет оценено как «хуже среднего».

Риc. 2 -  Пример анализа 2018 года для Московской области, Рузского района и яровых культур

При анализе межгодовой динамики ВИ имеет смысл использовать не просто среднемноголетнее значение ВИ, а среднее 5 летнее значение за последнее время. Это позволяет уменьшить вклад климатических изменений при анализе отклонений развития растительности в текущем сезоне по отношению к среднемноголетней норме. В итоге, это позволяет проводить более точную оценку состояния растительности. 5 летний интервал выбран как  наиболее часто используемый и упоминаемый в литературе при решении схожих задач и может быть изменен при необходимости.