2019. augusztus 18. vasárnap
Tanulmányok

OMSZ: 2019. március 11. 10:49

Műholdas vegetációs indexek és szántóföldi kultúrák termésátlagainak vizsgálata

A természetes- és a kultúrnövények globális műholdas megfigyelése mintegy 30 évvel ezelőtt kezdődött. Az azóta eltelt időben a mérések nagyon sokat fejlődtek: a térbeli felbontás bizonyos paraméterek esetében 10 m-es nagyságrendre nőtt, (melyen már az egyes mezőgazdasági táblákat is nyomon lehet követni), tucatnyi vegetációs index került kidolgozásra, melyek mindegyike a földi növényzetet jellemzi különböző szempontok szerint. Az alábbiakban ezeket az indexeket tanulmányozzuk, vizsgáljuk azok elérhető idősorait búza, repce, kukorica és napraforgó termésátlagokkal összevetve. Jelen írás az indexeket részletesen bemutató, „A növényzet műholdas megfigyelése – vegetációs indexek” című tanulmány folytatása.

Kovács Attila, Erdődiné Molnár Zsófia

Vegetáció műholdas megfigyelésének alapjai

A vegetáció globális megfigyelését műholdakon elhelyezett mérőeszközök végzik. A technika sokat fejlődött az elmúlt évtizedek alatt, a mérésekből például vegetációs indexeket fejlesztettek ki, a már meglévő indexeket pedig műholdas mérésekkel becsülték. Az adatok mennyisége mára hihetetlen méreteket öltött. A vegetációs indexek felhasználása széleskörű: a környezet megfigyelésében és az éghajlatváltozás hatásainak nyomon követésében alapvetőek. Ma már ilyen információkat is fölhasználnak a mezőgazdasági kultúrák monitorozására, előrejelzésére, termésbecslésre, de a mind nagyobb teret hódító precíziós gazdálkodásban is nő a szerepük.

A növényzet műholdas megfigyelésének elvi alapja a következőképpen világítható meg. A műholdakon elhelyezett mérőeszközök elektromágneses sugárzást érzékelnek, a vegetáció megfigyelésére kifejlesztett eszközök pedig a spektrum azon részeit, sávjait érzékelik, melyek a növényzettel összefüggésben vannak. A több sávban mért adatok okos kombinációjával pedig különböző indexek keverhetők, számíthatók ki egy kis matematikával, melyek a növényzet különböző jellemzőit írják le. Az indexek többnyire szoros kapcsolatban állnak a növényzet zöldességével, zöld tömegével és víztartalmával, így a vegetációs cikluson kívül azok értéke nagyon alacsony, miközben a növény legfejlettebb fenológiai fázisában a legmagasabb.

A műholdas vegetációs indexeket sok-sok éven át mindig ugyanazzal az eszközzel mérik és ugyanazzal a módszerrel számítják ki, így hosszú, homogén adatsorok állnak elő. Használatuknak azonban vannak korlátai, ezért az index értékeket önmagukban óvatosan, körültekintően kell kezelni. A vegetációs index használata korlátozott például a sűrű erdőkkel borított trópusi területeken, de köves, sziklás, hóval-jéggel fedett, vízzel borított, beépített területeken is. A mérsékelt szélességeken, így hazánkban is a mezőgazdasági kultúrák, erdők monitorozására viszont kiválóan alkalmasak. Azt kell megtalálni, hogy melyik index mire és hogyan használható - erre teszünk kezdeti lépéseket jelen tanulmányban.

Nem az index értékek abszolút nagyságát, hanem elsősorban a változást, az átlagtól való eltérést, a területi különbségeket érdemes vizsgálni, méghozzá a vegetációs időszakra, ezek hordozzák magukban a legtöbb hasznos információt. Az NDVI adatok 300 m-es, a többi index pedig 1 km-es területi felbontásban áll rendelkezésre 2013. októberétől. A FAPAR és FCOVER index 1998. levégétől került meghatározásra műholdas mérések által. A műholdas adatok idősorainak forrása az Európai Űrügynökség (ESA), a termésátlag és területhasználat adatok forrása a Központi Statisztikai Hivatal (KSH), a 2018-as termésátlag adatok részben még csak becslések.

A következőkben röviden áttekintünk néhány széles körben elterjedt indexet, és vizsgáljuk a négy főbb szántóföldi növényünk, a búza, a repce, a kukorica és a napraforgó termésátlagaival való kapcsolatot.


Vegetációs indexek

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) – Normalizált Vegetációs Index

Az NDVI a legszélesebb körben használt műholdas vegetációs index, mely a felszín „zöldességével”, fotoszintetikus aktivitásával van kapcsolatban. A 0 és 1 között változó, mértékegység nélküli NDVI értékek egy adott helyen a biomassza mennyiségét tükrözik, nevezetesen a levelek klorofill- és víztartalmát. A csupasz (szántott, tárcsázott, növényzet nélküli) talaj NDVI értéke például 0,0 – 0,05 körüli, míg a dús vegetáció értéke 0,9. Minél magasabb a vegetációs index értéke, annál sötétebb zöld a terület, vagyis annál nagyobb a zöld tömeg, ami egészséges, vízzel és tápanyaggal jól ellátott, erős, növekedésben lévő növényállományt jelez. A sűrű erdőknél találjuk a legzöldebb területeket (0,8-0,9). Kisebb az index értéke, amikor a növényállomány még kicsi, és sok csupasz talaj „látszik” körülötte, vagy amikor azt víz- illetve tápanyaghiány, vagy valamilyen betegség, kártevő sújtja. De csökken az értéke egyes fenológiai fázisokban is, amikor például a repce éppen virágzik, vagy a vegetációs időszak vége felé, az érés során, amikor is csökken a zöld növényi részek mennyisége. Az NDVI indexet többek között a növények fejlődésének, egészségének, a legelők állapotának nyomon követésére, a biomassza mennyiségének becslésére lehet használni.

Az Országos Meteorológiai Szolgálat a honlapjának agrometeorológiai oldalán az NDVI hazai területi eloszlásáról, a nyolc nap alatt bekövetkezett változásáról és az átlagtól vett eltéréséről nagy felbontásban, operatívan tájékoztat.


LAI (Leaf Area Index) – Levélfelületi Index

A növényi levelek (egy oldalas) felületének egy négyzetméter talajfelszínre vonatkoztatott nagyságát levélfelületi indexnek nevezzük, mértékegysége m2/m2. Meghatározza a növény és a légkör közötti energia és tömeg áramlás felületének nagyságát. A LAI szoros kapcsolatban áll a növénymagassággal és az állománysűrűséggel, maximális értéke a növényfajokra jellemzően más és más (például az őszi búzának 4,5-6,5; a kukoricának 1,8-3,5). A műholdas mérések alapján becsült LAI érték az összes zöld növényi szint összességét adja meg beleértve a legalsó szinteket is. Erdők estén így beleszámolja az aljnövényzetet is, mely az index értékében komoly hozzájárulást jelent. A műholdas LAI csak az aktív (zöld) levélfelületet adja meg, gyakorlatilag a növényborítottság vastagságát számszerűsíti. A LAI indexet többek között éghajlati és hidrológiai modellekben használják.

A LAI-t a Globális Éghajlati Megfigyelő Rendszer (GCOS) alapvető klímaváltozóként (ECV) ismeri el.


FAPAR (Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation) – Fotoszintetikusan aktív sugárzás elnyelési aránya

A földi növényzet állapotát és fejlődését számos fizikai, biokémiai és fiziológiai változó jellemzi. Néhány ilyen mennyiség közvetlenül az űrből is megfigyelhető, melyek kombinációjával meghatározható a növények által elnyelt fotoszintetikusan aktív sugárzás aránya (FAPAR). A FAPAR így egy komplex mutatója a növényi zöld tömeg állapotának és egészségének. A különböző műholdakon elhelyezett eltérő mérőeszközökhöz más és más módszereket fejlesztettek ki a FAPAR index kiszámítására.

A FAPAR index számszerűsíti az élő zöld növényzet által elnyelt, a fotoszintézishez szükséges napsugárzás arányát. A LAI indexből származtatott mennyiség, értéke 0 és 1 között változik, mértékegység nélküli arányszám. Nagysága függ a lombkorona szerkezetétől, a vegetációs elem optikai tulajdonságaitól és a megvilágítási viszonyoktól. Az egy adott nap során mért értékek folyamatosan változnak, ezért a gyakorlatban napi összegzett értéket használnak. A FAPAR kulcsszerepet játszik a szén globális körforgásának a bioszférára eső részarányában, valamint a szárazföldi növényi produkcióban. A FAPAR indexet ezért például a földi bioszféra analizálására, aszály- és fenológiai vizsgálatokra, valamint termés előrejelző számításokban használják.

A FAPAR index az ENSZ Globális Éghajlati Megfigyelő Rendszere (GCOS) által elismert 50 alapvető klímaváltozó (ECV)  egyike a Föld éghajlatának jellemzéséhez.


DMP (Dry Matter Productivity) – Szárazanyag produktivitás

A DMP index a vegetáció általános növekedési ütemét, vagy a biomassza szárazanyag tartalmának növekedést mutatja. A FAPAR indexből származtatott mennyiség, műholdas méréseket és időjárási adatokat is felhasználnak számítása során. Mértékegysége a kg/ha/nap, azaz azt mutatja meg, hogy naponta hektáronként hány kilogramm növényi szárazanyag termelődik.

Szoros összefüggésben van az ökológiában és a mezőgazdaságban is használatos Nettó Elsődleges Produkcióval (NEP, Net Primary Productivity – NPP), vagy más néven az elsődleges biomassza produkcióval: NEP=0,45*DMP.


FCOVER (Fraction of vegetation Cover) – Zöld növényzettel való borítottság aránya

Az FCOVER index a zöld növényzet által lefedett terület nagyságát jellemzi, gyakorlatilag számszerűsíti a növényzet térbeli kiterjedését. A LAI indexből és a növényzet struktúráját jellemző más értékekből származtatott mennyiség, értéke 0 és 1 között változik, mértékegység nélküli arányszám. Mivel az FCOVER független a megvilágítási iránytól, és érzékeny a növényzet mennyiségére, ezért nagyon jó index az ökoszisztéma globális megfigyelésére.

Az FCOVER-t a Globális Éghajlati Megfigyelő Rendszer (GCOS) alapvető klímaváltozóként (ECV) ismeri el.

 


 

Az itt felsorolt vegetációs indexeket 2014. és 2018. között szántóföldi kultúrák területére vizsgáljuk az 1-4. ábrákon főbb növényi kultúrák országos termésátlagaival együtt. Kukoricából a 2016-os évben rekordtermés volt, míg a vizsgált évek közül a legkisebb termés 2015-ben fordult elő. Az indexeket a nyári hónapokban kell nagyító alá tennünk, döntően ekkor dől el a termés mennyisége. A nyár második felében találunk nagy különbségeket a két év indexei között (július-augusztusban), ez mindegyik indexnél megfigyelhető (a kalászosok ekkor már nem játszanak szerepet az indexekben, a napraforgó pedig jórészt a kukoricával együtt halad). A LAI és a FAPAR már júniusban jelentős eltérést mutat, a másik két index csak júliusban mutat különbséget. Érdekes a 2014-es év szintén a kukoricát figyelve, ugyanis a termésátlag egészen jól alakult, viszont az indexeknél már nem ilyen egyértelmű a kép. Júniusban a DMP kivételével minden index az 5 év közül a legalacsonyabb értékeket mutatja, majd július-augusztusban már meghaladja a többi évet. Rosszul indult a 2014-es nyár, de a kukoricatermés mennyisége szempontjából a július és az augusztus kulcsfontosságú, ha akkor még kap esőt a növény, akkor lehet jó termés. 2014-ben nagyon száraz volt a június, majd júliusban és augusztusban is sok csapadék hullott. Ez látható a vegetációs indexeken is: a kezdetben gyengélkedő növény a nyár második felére magára talált, és jó termést hozott.

A növények adott évi fenológiai fázisait is szem előtt kell tartani. Például 2018. augusztusában a gyenge évekre jellemző alacsony index értékeket találunk, ennek ellenére jó lett a termés. Meg kell azonban fontolnunk azt is, hogy a magas hőösszegek miatt a szemfejlődés a szokásosnál hamarabb következett be, az augusztusi szárazság ezt az átlagosnál kevésbé befolyásolta, ez indokolja a jó termést.

2018-ban tavasszal is volt az ideálistól eltérő körülmény. Márciusban ugyanis nagy területen alakult ki belvíz, majd pedig április-május során nagyon meleg és száraz idő uralkodott, ezek miatt időben késtek, és nehezen keltek a tavaszi vetések. Ezeket a viszonyokat az FCOVER index ki is mutathatná, de sem az, sem a többi vizsgált index nem láttatja. Ennek oka, hogy az országos átlag ezt elsimítja: az áprilisi nagy melegben az őszi vetések nagyon intenzíven fejlődtek, ami kompenzálta a tavaszi vetések időbeli elmaradását.

Az őszi vetések termésmennyiségét nagyban befolyásolja az aratás körüli időjárás is. Például a 2014-es gyenge búzatermés évében május végén-júniusban alacsony vegetációs index értékek figyelhetők meg, ami a szemfejlődés miatt a legkritikusabb időszak.

 1. ábra

1. ábra
Az NDVI index országos értéke 2014–2018. között szántóföldi kultúrákra (a 2018-as adatok részben becslések)

 2. ábra
2. ábra
A LAI index országos értéke 2014-2018. között szántóföldi kultúrákra

 3. ábra
3. ábra
A DMP index országos értéke 2014–2018. között szántóföldi kultúrákra

 4. ábra
4. ábra
A FAPAR index országos értéke 2014–2018. között szántóföldi kultúrákra


Megvizsgáltuk 2014–2018. között a FAPAR index sokevés átlagától (sokéves átlagról csak a FAPAR és az FCOVER index esetén beszélhetünk) vett eltérésének éves menetét (5. ábra). 2016-ban a kukorica számára kritikus időszakban végig az átlag fölött alakult az érték (az ábrán 0 fölött), ennek köszönhető a rekordtermés. Ezzel ellentétben 2015-ben végig alatta volt, melynek eredménye a gyenge termés lett. 2014-ben a nyár második felében növekszik az átlagos érték fölé az index, a nyár második felében érkezett csapadék nagyon jót tett az állományoknak, és jelentősen megemelte a termésátlagokat. Érdekes még a 2018-as év is, amikor ezzel szinte ellentétes időzítés volt a jellemző: júniusban átlag körül, kissé az alatt, július első felében a fölött alakult az index, majd ez után nagyon lecsökkent az értéke, mégis nagyon jó termésátlagok születtek. Egy kevésbé meleg évben nem lett volna ilyen jó a termés, de mint ahogy már többször említettük, a nagyon magas hőösszegek miatt minden növény hetekkel az átlagos időpont előtt érte el a fenológiai fázisait. A kukoricánál is hamarabb, még akkor következett be a virágzás és a szemfejlődés, amikor a talaj még elegendő nedvességet tartalmazott.

 5. ábra
5. ábra
A FAPAR index sokéves átlagtól vett eltérése 2014–2018. között szántóföldi kultúrákra


Kiválasztottuk az 1999. óta eltelet időszakból a kukorica országos termésátlagai közül a három legrosszabb és a három legjobb évet, és megvizsgáltuk erre a hat évre a FAPAR index sokéves átlagától vett eltérését (6. ábra). Nem meglepő módon, a legalacsonyabb termésátlagú három évben szinte végig jóval az átlag (az ábrán 0) alatt alakult a FAPAR index értéke. Míg a másik három évben jobbára a fölött, vagy legalábbis a kritikus időszakokban a fölött alakult az értéke.

 6. ábra
6. ábra
A FAPAR sokéves átlagtól vett eltérése 1999–2018. között szántóföldi kultúrákra három magas és három alacsony
kukorica-termésátlagú évre

Megvizsgáltuk az NDVI index menetét tábla szinten is, bár a 300 m-es térbeli felbontás miatt ezzel óvatosan kell bánni. Ugyanis elég nagy táblát kell választani, hogy ne mérjünk bele a szomszédos, más növénnyel fedett területbe, vagy a tábla szegélyén lévő fasorba. Kiválasztottunk Békés megyében, Kétegyháza környékén egy nagy táblát (7. ábra), valamint Csongrád megyében Hódmezővásárhely térségében három, egymás mellett fekvő nagy területű táblát. A Békés megyei táblán 2014–2017. között nincs egyértelmű utalás a termesztett növényi kultúrára, valószínűleg többféle növényt termesztettek a területen. 2018-ban azonban őszi vetésű növény látható, magas tavaszi NDVI értékekkel, majd az éréssel júniustól drasztikusan csökken az NDVI értéke. Júliusban, augusztusban, aratás után nagyrészt csupasz volt a talaj, mert alacsony (0,2-0,3) az NDVI értéke, majd szeptembertől ismét emelkedés figyelhető meg, így valószínűleg őszi káposztarepce az idei növény.

 7. ábra
7. ábra
Az NDVI index alakulása 2014–2018. között egy Békés megyei szántóföldi táblára


A Csongrád megyei táblákon sokkal jobban elkülöníthetőek a kultúrák. Az 1-es táblán (8. ábra) 2014-ben és 2016-ban őszi vetés lehetett, 2017-ben és 2018-ban nyári kapásnövény, a nyár első felében aszályos 2015-ös évben pedig egy másodvetésű kultúra figyelhető meg a nyár második felében.

 8. ábra
8. ábra
Az NDVI index alakulása 2014–2018. között egy Csongrád megyei (1-es) szántóföldi táblára


A 2-es táblán (9. ábra) 2014., 2015., 2016-ban nyári kapásnövény, 2017-ben őszi kalászos, 2018-ban repce lehetett a termesztett növénykultúra. A 2015-ös magas indexek és az aszályos év miatt öntözésre is sor kerülhetett.

 9. ábra

9. ábra
Az NDVI index alakulása 2014–2018. között egy Csongrád megyei (2-es) szántóföldi táblára


A 3-as táblán (10. ábra) 2016-ban őszi vetés (feltehetően kalászos), majd egy másodvetésű kultúra lehetett a táblán. A többi négy év során nyári kapásnövényt termeltek. Érdemes megfigyelni a 2015-ös, a 2-es táblánál jóval alacsonyabb értékeket.

Összességében elmondható, hogy az NDVI index maximális értéke 0,9 körül alakul a kultúrák legnagyobb zöld tömeggel rendelkező, legfejlettebb időszakában, legyen az repce, őszi kalászos, vagy nyári kapásnövény. Egyébként ezt láttuk az erdők vizsgálatánál is korábbi tanulmányunkban. A csupasz talajnál az index értéke 0 körüli, bár a téli időszakban az estleges hó- és gyakori felhőborítottság miatt az kevésbé megbízható (de elsősorban nem is ez érdekel bennünket). A növénykultúra fejlődési ütemét az index növekedése, érését annak csökkenése szépen leírja, ha egy fajta növénykultúrát tartalmazó táblát vizsgálunk. Ugyancsak megállapítható a főbb fenológiai fázisok bekövetkezésének időpontja is.

 10. ábra
10. ábra
Az NDVI index alakulása 2014–2018. között egy Csongrád megyei (3-as) szántóföldi táblára


Az eddigiekben az indexek és a termésátlagok közötti kapcsolatról megállapítottuk, hogy a magas indexek magas termésátlagokkal járnak együtt. Igaz ez fordított esetben is, alacsony értékekre. A folytatásban közvetlenebb kapcsolatot keresünk a mennyiségek között.

A legjobb eredményeket a DMP indexnél kaptuk. A vegetációs időszak különböző intervallumaira kiszámoltuk az index összegzett értékeit. A búza és a repce termésátlagokat a DMP index meglehetősen jól leköveti: a búzát a DMP májusi összege (11. ábra) – kivéve a 2018-as évet – míg a repcét az áprilisi-májusi összeg (12. ábra) jellemzi. Nem az index abszolút nagyságát, hanem az egyes évek közötti változást érdemes figyelni. A többi index nem mutat ilyen egyezést a magas és alacsony termésátlagokkal ezeknél a növényeknél. Figyelembe kell azt is venni, hogy a vizsgált öt éves adatsor nagyon rövid, és a termés mennyiségét a betakarítás időszakának időjárása is jelentősen csökkentheti.

  11. ábra
11. ábra
A DMP index országos értékének májusi összege 2014–2018. között szántóföldi kultúrákra, valamint
az országos búza és repce termésátlagok

 12. ábra

12. ábra
A DMP index országos értékének április-májusi összege 2014–2018. között szántóföldi kultúrákra, valamint
az országos búza és repce termésátlagok


Kukoricánál ez utóbbi tényező a termés mennyiségét annyira már nem befolyásolja, ez is oka lehet annak, hogy ennél a növénynél sokkal nagyobb egyezőséget találunk. Minden index leköveti a magas és alacsony hozamú éveket, de a legjobb egyezés a DMP index május és augusztus között összegzett értékeivel adódik (13. ábra). A termésátlagok és az egyszerű meteorológiai elemek, például a csapadékösszeg adatok közel sem mutatnak ilyen szoros összefüggést! Bár meglehetősen rövid, mindössze öt éves adatsor áll rendelkezésünkre, de ez alapján az a sejtésünk, hogy augusztus végén, szeptemberben a DMP index alapján már elég pontos országos termésbecslést lehet készíteni. Napraforgónál nem ennyire egyértelmű a helyzet, viszont hangsúlyozzuk, hogy ezekben az indexekben minden szántóföldi növény értéke egyszerre benne van, tehát nem is lehet csodát várni.

 13. ábra

13. ábra
A DMP index országos értékének május-augusztusi összege 2014–2018. között szántóföldi kultúrákra, valamint
az országos kukorica és napraforgó (jobb oldali tengely) termésátlagok


Összehasonlítottunk megyei DMP index értékeket és megyei búza, repce, kukorica és napraforgó termésátlagokat is 2014. és 2017. között (a tanulmány készítésekor 2018-as megyei termésátlagok nem álltak rendelkezésre). A szórás ebben az esetben nagyobb: míg az egyik megyében bizonyos növényekre kiváló egyezőségeket találhatunk, más megyékben nagyok a különbségek.


Összefoglalás

Az indexek jól jellemzik a vegetáció egészségi és fenológiai állapotát, és megmutatják a környezeti zavarokat globális és regionális skálán is.

Összességében elmondható, hogy az NDVI index maximális értéke 0,9 körül alakul a kultúrák legnagyobb zöld tömeggel rendelkező, legfejlettebb időszakában, legyen az repce, őszi kalászos vagy nyári kapásnövény. Egyébként ezt láttuk az erdők vizsgálatánál is korábbi tanulmányunkban. A csupasz talajnál az index értéke 0 közeli. A növénykultúra fejlődési ütemét az index növekedése, érését annak csökkenése szépen leírja, ha egyfajta növénykultúrát tartalmazó táblát vizsgálunk. Ugyancsak megállapítható a főbb fenológiai fázisok bekövetkezésének időpontja is.

A növények egészségi állapotát, fejlettségét legjobban az NDVI és a FAPAR index írja le, kimutathatók a jó és a gyenge évek is, ha figyelembe vesszük a sokéves átlagoktól való eltérést.

A termés mennyiségének becslésére a DMP index bizonyult használhatónak. A búza és a repce termésátlagokat a DMP index meglehetősen jól leköveti: a búzát a DMP májusi összege, míg a repcét az április-májusi összeg jellemzi a legjobban. Kukoricánál még sokkal jobb eredményeket kaptunk, a DMP index május és augusztus között összegzett értékei országos átlagban szorosan együtt mozognak a termésátlagokkal. A rendelkezésre álló adatsor azonban meglehetősen rövid, így az eredmények további alapos vizsgálatára van szükség a folytatásban.


 

Tanulmányok