Ανίχνευση και χαρτογράφηση ζημιών από χαλάζι σε καλαμπόκι χρησιμοποιώντας δεδομένα που συλλέχθηκαν με τηλεπισκόπηση στην Κίνα
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος τίτλος: "Detection and mapping of hail damage to corn using domestic remotely sensed data in China"
Συγγραφείς: J. L. Zhao, D. Y. Zhang, J. H. Luo, S. L. Huang, Y. Y. Dong, and W. J. Huang - Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing, P.R. China, - Institute of Remote Sensing Applications, Chinese Academy of Sciences, Beijing, P.R. China, - Key Laboratory of Intelligent Computing & Signal Processing, Ministry of Education, Anhui University, P.R. China.
Πηγή: http://www.cropj.com/zhao_6_1_2012_101_108.pdf
Εισαγωγή
Ο στόχος αυτής της μελέτης ήταν να εκτιμηθεί η ζημιά από χαλάζι σε καλαμπόκι που έλαβε χώρα στις 14 Ιουλίου 2010 στο Gannan County, Qiqihar City, Κίνα, χρησιμοποιώντας δύο Jing Huan (HJ)-1-Β (προ-χαλαζόπτωση) και HJ-1-A (μετα-χαλαζοθύελλα) charge-coupled device (CCD) εικόνες της Κίνας. Σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά της αλλαγής του κανονικοποιημένου δείκτη βλάστησης (NDVI), τριάντα σημείων δειγματοληψίας στον τομέα της μετα-χαλαζοθύελλας, ένα τρίτης τάξης πολυώνυμο δημιουργήθηκε μεταξύ της NDIV , (Δ NDIV) και της Band 4 της εικόνας HJ-Α-CCD. Ως αποτέλεσμα, ο συντελεστής προσδιορισμού (R2) αυτού του μοντέλου έφθασε το 91,62% . Είκοσι μονάδες δειγματοληψίας χρησιμοποιήθηκαν για την επικύρωση του μοντέλου και ο (R2) έφθασε το 96,31%. Ως εκ τούτου, 8.575 εκτάρια του επηρεασθέντος καλαμποκιού παρακολουθήθηκαν και η περιοχή του καλαμποκιού που επλήγει σοβαρά ήταν 2.302,47 εκτάρια. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο βαθμός σοβαρότητας των ζημιωθέντων καλαμποκιών σταδιακά κατέβηκαν από το κέντρο προς τα άκρα, και η πιθανή απόδοση απώλειας έφθασε περίπου τους 10.840 τόνους Η τηλεπισκόπηση ανοίγει μια αποτελεσματική και μοναδική οδό για γρήγορη και ακριβή έρευνα σε καλλιέργειες που έχουν πληγεί από το χαλάζι.
Περιοχή μελέτης
Η περιοχή Gannan County βρίσκεται μεταξύ 122°54′6″ E and 124°28′12″ E, 47°35′7″ N and 48°32′5″ N). Σήμερα, υπάρχουν 4.140.000 acres καλλιεργούμενων εκτάσεων, κυρίως για σόγια, σιτάρι, ρύζι, καλαμπόκι και άλλες καλλιέργειες δημητριακών.(Εικ.1) Η μέση θερμοκρασία στην ευρύτερη περιοχή είναι 2,6 ° C και η μέση βροχόπτωση είναι 455 mm. Η μέγιστη θερμοκρασία και βροχοπτώσεις εμφανίζονται από τον Μάρτιο μέχρι τον Οκτώβριο και η ελάχιστη θερμοκρασία και βροχοπτώσεις συμβαίνουν απο το μήνα Νοέμβριο έως Μάρτιο
Υλικά και μέθοδοι
Τα δορυφορικά και βοηθητικά δεδομένα που χρησιμοποιούνται στη μελέτη μας αποτελούνται από προ-και μετα-χαλαζοθύελλας HJ-1 CCD δορυφορικές εικόνες (Πίνακας 1),
Πινάκας 1: Τεχνικές προδιαγραφές των απεικονίσεων HJ-1A/1B CCD
Τόσο HJ-1-Α και Β είναι εικόνες τεσσάρων καναλιών με 30 μέτρα χωρική ανάλυση. Αυτές οι HJ-1 CCD εικόνες που αποκτήθηκαν από το Κινέζικο Κέντρο Πόρων και Δορυφορικών Δεδομένων και Εφαρμογών (CRESDA, http://www.cresda.com.) επεξεργάζονται με γεωμετρικές και ατμοσφαιρικές διορθώσεις. Επιπλέον, τα κανάλια της HJ-1 CCD βρίσκονται στο οπτικό και εγγύς υπέρυθρο.
Στοιχεία της έρευνας πεδίου.
Μετά την εμφάνιση του χαλαζόπτωσης στις 14 του Ιούλη του 2010, διεξήχθησαν λεπτομερείς μετρήσεις πεδίου μετά την καταιγίδα για την εξαγωγή δεδομένων αναφοράς από το έδαφος. Μετά την εύρεση χαλάζο-κατεστραμμένων χωραφιών καλαμποκιού, τα επίπεδα βλάβης αξιολογήθηκαν από γεωπόνους, χρησιμοποιήθηκαν GPS (GPS, Trimble ® GeoXH),για τον ακριβή εντοπισμό των θέσεων που παρατηρήθηκε το φαινόμενο με ακρίβεια μικρότερη του 1 m. Στη συνέχεια, μερικές φωτογραφίες έδειξαν σαφείς οπτικές διαφορές από κανονικό σε σοβαρά κατεστραμμένο καλαμπόκι (Εικ. 2). Επίσης χρησιμοποιήθηκαν φορητό Φασματόμετρο Πεδίου ASD, LAI και Chl (χλωροφύλλη) μετρήθηκαν με την βοήθεια κατάλληλων οργάνων και λογισμικών.
Μεθοδολογική διαδικασία
Υπάρχουν συνολικά τέσσερα βήματα για να καθοριστεί το προσβεβλημένο από χαλάζι καλαμπόκι,
- να καθοριστούν τα επίπεδα βλάβης και να εκτιμηθεί η απώλεια της απόδοσης
- διασφάλιση του σταδίου της ανάπτυξης και η επιλογή διαθέσιμων HJ-1 CCD εικόνων τηλεπισκόπησης προ-και μετά-χαλαζοθύελλας,
- ο υπολογισμός της διαφορά NDVI (ΔNDVI) και
- ο προσδιορισμός του επιπέδου βλάβης και η εκτίμηση απωλειών.
Σε αυτή τη μελέτη, η καταιγίδα συνέβη σε φαινολογικό στάδιο του καλαμποκιού που η πράσινη βλάστηση κυριαρχούσε στα περισσότερα από τα χωράφια. Αφού το καλαμπόκι χτυπήθηκε από την χαλαζοθύελλα, έσπασαν φύλλα και η κάλυψη βλάστησης μειώθηκε. Ο δείκτης NDVI, ο οποίος είναι πολύ ευαίσθητο σε αλλαγές της βιομάζας (Rouse et al., 1974), από HJ-1 CCD δορυφορικών εικόνων, χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της χαλάζο-κατεστραμμένης περιοχής καλαμποκιού. Χρησιμοποιώτας δείγματα πεδίου και εικόνες των διαφόρων επιπέδων βλάβης, η ανάλυση πραγματοποιήθηκε για τις κατεστραμμένες εκτάσεις, τα επίπεδα ζημιών και την πιθανή απώλεια απόδοσης.
Υπολογισμός του NDVI και ΔNDVI.
Για την καλύτερη ανίχνευση αλλαγών στη βλάστηση, μια ΔNDVI εικόνα δημιουργήθηκε απλά αφαιρώντας τις τιμές μεταξύ της προγενέστερης εικόνας και της μετέπειτα εικόνας. NDVI και ΔNDVI υπολογίστηκαν με τον ακόλουθο τύπο:
- NDVI =(NIR- RED)/ (NIR+ RED)
Αναπαριστούν τις δυο φασματικες ζώνες των HJ-1-CCD εικόνων.
- ΔNDVI=NDVIpost- NDVI pre
Όπου NDVIpre and NDVIpost είναι NDVI εικόνες πριν και μετά από τη χαλαζοθύελλα- αντίστοιχα Με βάση την μέθοδο ανίχνευσης αλλαγής NDVI, η πληγείσα περιοχή καλαμποκιού ταυτοποιήθηκε
Καθορισμός σχετικών επιπέδων σοβαρότητας.
Μετά τον προσδιορισμό της πληγείσας περιοχής, καθορίστηκαν τα επίπεδα ζημιάς. Πρώτα απ ' όλα, οι περιοχές του δείγματος με συντεταγμένες GPS είχαν επικαλυφθεί από την ΔNDVI εικόνα και οι αντίστοιχες ΔNDVI τιμές υπολογίστηκαν. Λόγω της χαμηλής φασματικής ανάλυση της HJ-CCD, είναι πολύ δύσκολο να προκύψει λεπτομερής κατάταξη σε επίπεδα ζημιών. Συνεπώς, επιλέξαμε τρία σχετικά επίπεδα βλάβης σε αυτή τη μελέτη: σοβαρή, μέτρια και ελαφρά ανάλογα με τα κατώτατα όρια που λήφθηκαν χρησιμοποιώντας συγκεκριμένο τυπολόγιο. Πραγματοποιήθηκαν επίσης μετρήσεις επικύρωσης της ακρίβειας του προσδιορισμού.
Αποτελέσματα
Χαρακτηρισμός χαλάζο-κατεστραμμένου καλαμποκιού.
Οι χαλαζοπτώσεις επηρεάζουν πρωταρχικά τις αποδόσεις με την αποφύλλωση του αραβοσίτου, οπότε οι φασματικές υπογραφές του καλαμποκιού είναι διαφορετικές σε διαφορετικά επίπεδα χαλαζο-καταστροφής (Εικ.3α). Το Υγιές καλαμπόκι απεικονίζει τα αναμενόμενα τυπικά πρότυπα βλάστησης χαμηλής ανακλαστικότητας στο ορατό μήκος κύματος και υψηλής ανακλαστικότητας στο υπέρυθρο. Συγκριτικά, εντός του ορατού φάσματος, σοβαρά προσβεβλημένο καλαμπόκι παρουσιάζει αυξημένη φυλλόπτωση και οδηγεί σε υψηλότερη ανακλαστικότητα, ενώ στο υπέρυθρο, παρατηρείται χαμηλή ανακλαστικότητα. Συνεπώς, η ανάλυση αυτών των φασματικών υπογραφών υποδεικνύει ότι υπάρχει συσχέτιση μεταξύ της ανακλαστικότητας και των επιπέδων βλάβης. Ομοίως, οι τάσεις αλλαγής της Chl και LAI αναλόγως μειώνονται με μία αύξηση στη σοβαρότητα βλάβης (Εικ. 3b).
Προσδιορισμός χαλάζο-κατεστραμμένου καλαμποκιού.
Για να αποφασίσουμε γρήγορα αν ένα pixel είναι ένα επηρεασμένο καλαμπόκι, τριάντα σημεία δειγματοληψίας χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή τρίτης τάξης πολυωνυμικού μοντέλου μεταξύ της Band 4 μετα-χαλαζοθύελλας HJ-1-CCD εικόνας και τηs ΔNDI εικόναs. O συντελεστής προσδιορισμού (R2) ανήλθε σε 91,62%. Επιπλέον, είκοσι σημεία δειγματοληψίας χρησιμοποιήθηκαν για την επικύρωση του μοντέλου. Η εικονα. 4a και b αντιπροσωπεύουν τις εικόνες NDVI που λαμβάνονται από την προ-και μετα-χαλαζοθύελλα HJ-1-CCD, δείχνοντας εμφανή αλλαγή από μια σοβαρή χαλαζόπτωση στην περιοχή μελέτης, στις 14 Ιουλίου 2010. Υγιή βλάστηση και καλλιεργήσιμες εκτάσεις εμφανίζονται σε απαλούς τόνους γκρι. Οι περιοχές της προσβολής από χαλάζι είναι στις σκούρες γκρι αποχρώσεις. Η εικόνα 4c δείχνει την ΔNDVI εικόνα υποδεικνύωντας διαφορές μετά και πριν από τη χαλαζόπτωση. Όσο πιο σκούρο το χρώμα, τόσο πιο σοβαρή είναι η ένταση της βλάβης του καλαμποκιού. Στην ΔNDVI εικόνα η ανοιχτή απόχρωση υποδεικνύει μια αύξηση στην πυκνότητα βλάστησης μεταξύ δύο ημερομηνιών δειγματοληψίας και το αντίστροφο. Η εικόνα 4d δείχνει την τελική περιοχή καλαμποκιού που έχει εξαχθεί η οποία στη συνέχεια συγχωνεύθηκε με την αρχική σύνθετη εικόνα ψευδοχρωμάτων (4 3 2) με υγιή βλάστηση σε αποχρώσεις του κόκκινου. Τo κόκκινο περίγραμμα δείχνει την πληγείσα περιοχή καλαμποκιού μετά τη χαλαζόπτωση. Από τα αποτελέσματα που εντοπίστηκαν, μπορεί να θεωρηθεί ότι η χωρική κατανομή του επηρεασμένου καλαμποκιού ήταν μη-ομοιόμορφη λόγω διαφορετικού μεγέθους χαλαζιού και έντασης, αλλά πάντα συγκεντρωνόταν σε μια συγκεκριμένη περιοχή της χαλαζοθύελλας. Η εμφάνιση χαλαζιού έγινε από τα βορειοδυτικά προς τα νοτιοανατολικά.
Καθορισμός των επιπέδων των ζημιών από χαλάζι.
Στη βάση πληγείσας περιοχής καλαμποκιού, δημιουργήθηκε ένας χάρτης με επίπεδα ζημιών (Εικ. 5). Είναι προφανές ότι ο βαθμός της σοβαρότητας κατεβαίνει σταδιακά από το κέντρο προς τα άκρα, γεγονός που υποδηλώνει ότι η ένταση του χαλαζιού σε ορισμένο βαθμό μειώθηκε από το κέντρο προς τα άκρα αυτής της πληχθείσας από χαλαζοθύελλα περιοχής. Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι η περιοχή του κατεστραμμένου απο χαλάζι καλαμποκιού επικεντρώνεται κυρίως σε τρεις πόλεις: Zhongxing, Gannan και Changshan, ανάμεσα στις οποίες η ζημία στην Zhongxing φάνηκε να είναι η πιο σοβαρή.
Συμπεράσματα
Αυτή η μελέτη δείχνει ότι οι HJ-1 CCD εικόνες τηλεπισκόπησης μπορεί να εφαρμοστούν για την γρήγορη ανίχνευση χαλάζο-κατεστραμμένων εκτάσεων καλαμποκιού και των σχετικών επιπέδων ζημιάς του πληχθέντος καλαμποκιού από χαλάζι. Με έναν κύκλο επανάληψης δύο ημερών και μια χωρική ανάλυση των 30 μέτρων, η ΔNDVI εικόνα του HJ-1 CCD προ-και μετα-χαλαζόπτωσης μπορεί να είναι αποτελεσματική για τον εντοπισμό κατεστραμμένων χωραφιών καλαμποκιού από χαλάζι. Ωστόσο, λόγω της χαμηλής ανάλυσης, οι εικόνες αυτές δεν αρκούν για να εξαχθούν πιο λεπτά επίπεδα βλάβης. Όταν εξετάζεται η απώλεια απόδοσης που προκαλείται από μια χαλαζοθύελλα, μόνον το σοβαρό επίπεδο καλαμποκιού μπορεί να υπολογιστεί λόγω ολοκληρωτικού τραυματισμού.
