Διαχείριση νερού άρδευσης σε ευπαθείς καλλιέργειες στην Κεντρική Ελλάδα.

Από RemoteSensing Wiki

1. Αντικείμενο Εφαρμογής

Η εφαρμογή καινοτόμων τεχνολογιών ακριβείας για τη βελτιστοποίηση της άρδευσης και την ολοκληρωμένη διαχείριση καλλιεργειών σε περιοχές που αντιμετωπίζουν προβλήματα διαθεσιμότητας νερού. Τα έργα (PLEIADeS, SMART και HYDROSENSE) αποσκοπούν στην ορθολογική χρήση του νερού, των ανόργανων λιπασμάτων και των φυτοπροστατευτικών προϊόντων σε μια σημαντική για την οικονομία των μεσογειακών χωρών καλλιέργεια - την καλλιέργεια του βαμβακιού - συνδυάζοντας τις αρχές της γεωργίας ακριβείας με προηγμένες τεχνολογίες τηλεπισκόπησης.

2. Στόχος της Εφαρμογής

Το νερό που χρησιμοποιείται για την παραγωγή τροφής αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο ποσοστό, σε σχέση με άλλες χρήσεις, ενώ οι απαιτήσεις αυξάνονται συνεχώς με την αύξηση του πληθυσμού. Όμως η διαφορά ανάμεσα στο αρδευόμενο νερό και σε εκείνο που δεσμεύεται τελικά από τις καλλιέργειες για παραγωγή βιομάζας (water use efficiency) είναι συνήθως μεγάλη. Οι νέες τεχνολογίες των δορυφορικών δεδομένων και των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (ΓΣΠ) παρέχουν τα εργαλεία για μια πιο ουσιαστική διαχείριση της άρδευσης.

3. Υλικά και μέθοδοι

Το πείραμα πραγματοποιήθηκε από το Εργαστήριο Αγρομετεωρολογίας του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας, στο πλαίσιο των έργων PLEIADeS, SMART και HYDROSENSE. Για τον πειραματικό σχεδιασμό επιλέχθηκε η λεκάνης απορροής του Πηνειού ποταμού, στη Θεσσαλία (Εικόνες 1, 2). Μια περιοχή με ψηλή παραγωγή αγροτικών προϊόντων, υψηλής ποιότητας. Στην περιοχή αυτή η έντονη και εκτατική καλλιέργεια ειδών απαιτητικών σε νερό, οδηγεί σε υπερεκμετάλλευση του εδαφικού νερού. Η καλλιέργεια που επιλέχτηκε ήταν το βαμβάκι, η οποία είναι η κύρια καλλιέργεια στην περιοχή και από τις πιο απαιτητικές σε νερό. Την άνοιξη και το φθινόπωρο οι καιρικές συνθήκες δεν είναι σταθερές κι αυτό έχει επίπτωση στην καλλιέργεια του βαμβακιού, καθώς και οι δύο αυτές περίοδοι είναι κρίσιμες για την καλλιέργειά του (περίοδος σποράς και συλλογής). Η βροχόπτωση την περίοδο ανάπτυξης του βαμβακιού (Απρίλιο – Σεπτέμβρη) είναι πολύ χαμηλή, έτσι χρειάζεται άρδευση για κάλυψη των αναγκών. Το νερό για την άρδευση προέρχεται από ποτάμια (~ 46%) και από υπόγεια ύδατα (~ 54%). Χρονιές με ξηρούς χειμώνες, συνεπάγονται έλλειψη αρδευτικού νερού.

Εικόνα 1. Θεσσαλία

Εικόνα 2. Η περιοχή μελέτης

Η παρακολούθηση των αναγκών σε νερό για τη γεωργία, στο πλαίσιο των προαναφερθέντων έργων, απαιτεί ένα συνδυασμό παρατηρήσεων πεδίου σε πιλοτική περιοχή, μικρο-μετεωρολογικών στοιχείων και ανάλυση δορυφορικών δεδομένων.

3.1 Παρατηρήσεις πεδίου

Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις εδάφους στους πειραματικούς αγρούς, για τον καθορισμό εδαφικών ζωνών. Τα δεδομένα συλλέχθηκαν με φορητό φασματόμετρο και με GPS. Για τη διόρθωση των δεδομένων, χρησιμοποιήθηκε η τεχνική Kriging, λογισμικού της Geomatica, μια στατιστική τεχνική που ελαχιστοποιεί την διακύμανση του σφάλματος για τις εκτιμώμενες τιμές. Καταγράφηκαν οι κλασματικές καλύψεις και τα φαινολογικά στάδια για την καλλιέργεια βαμβακιού για το έτος 2007 (Εικόνα 3). Σε κάθε πειραματικό αγρό δημιουργήθηκαν δύο πολύγωνα (93 εκατοστά * 93 εκατοστά) για το βαμβάκι. Οι μετρήσεις ξεκίνησαν το Μάιο και επαναλαμβάνονταν δύο φορές την εβδομάδα μέχρι και το Σεπτέμβριο και περιελάμβαναν:

Εικόνα 3. Η διαδικασία που εφαρμόστηκε στους πειραματικούς αγρούς

- φωτογραφίες

- εντοπισμό των αγρών

- ύψος της καλλιέργειας

- δεδομένα άρδευσης

- χρήση φυτοφαρμάκων

- μετεωρολογικά δεδομένα

3.2 Μετεωρολογικές μετρήσεις

Οι μικρο-μετεωρολογικές μετρήσεις των περιόδων αναφοράς για την κάθε περιοχή περιλαμβάνουν τη θερμοκρασία του αέρα, την ταχύτητα του ανέμου, την υγρασία και τη βροχόπτωση, σε καθημερινή βάση, προκειμένου να υπολογιστούν η εξατμισοδιαπνοή αναφοράς (ETo) και η εξατμισοδιαπνοή (ETc) της καλλιέργειας βαμβακιού. Η εξίσωση για τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής καλλιεργειών δίνεται από τη σχέση:

ETc=Kc*ETo

όπου: - ETc : εξατμισοδιαπνοή καλλιεργειών

- Kc : φυτικός συντελεστής

- ETo: εξατμισοδιαπνοή αναφοράς

Για την επίλυση της εξίσωσης της εξατμισοδιαπνοής καλλιεργειών ήταν απαραίτητοι και οι υπολογισμοί του φυτικού συντελεστή και της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς με τη χρήση των μετεωρολογικών δεδομένων της περιοχής, σε συνδυασμό με τις πειραματικές μετρήσεις. Επίσης, τα δεδομένα από 20 υδρολογικά έτη, από τον Οκτώβριο του 1981 έως το Σεπτέμβριο 2001 χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση της ανάπτυξης σε περιβάλλον με έλλειμμα νερού (Water Limited Growth Environment - WLGE).

4. Είδη δορυφορικών ή αερομεταφερόμενων συστημάτων

- NOAA / AVHRR.

- Landsat TM

5. Είδη δεκτών και καναλιών και χρησιμότητα αυτών

Για την εκτίμηση της ανάπτυξης σε περιβάλλον με έλλειμμα νερού (WLGE) χρησιμοποιήθηκε η βάση δεδομένων του NOAA / AVHRR. Πιο συγκεκριμένα:

• ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης (NDVI), θερμοκρασίες λαμπρότητας (ΒΤ) από τα κανάλια 4 και 5, συνθετικές απεικονίσεις δεκαημέρου με 8x8 τετραγωνικά χιλιόμετρα χωρική διακριτική ικανότητα,

• μηνιαίοι χάρτες βροχής με μέγεθος πλέγματος, 50x50 χλμ. (ISPRA, 2006),

• Οι μέσες μηνιαίες μετρήσεις θερμοκρασίας του αέρα από το μετεωρολογικό σταθμό στη Λάρισα (Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία),

• χάρτης του εδάφους της περιοχής μελέτης και

• ψηφιακό μοντέλο εδάφους.

Ο πρώτος δείκτης που χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της ανάπτυξης σε περιβάλλον με έλλειμμα νερού είναι ο VHI. Είναι ένας συνδυασμός του VCI και του TCI που προκύπτει από ένα μακροχρόνιο κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης και εικόνες του Καναλιού 4 του NOAA / AVHRR. Ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης προκύπτει από συνδυασμό των Καναλιών 1 και 2, το ορατό και το εγγύς υπέρυθρο, αντίστοιχα. Ο VCI και ο TCI χαρακτηρίζουν την υγρασία και τη θερμική κατάσταση της βλάστησης, αντίστοιχα και υπολογίζονται από τις εξισώσεις:

Ο VHI αντιπροσωπεύει την υγεία της βλάστησης και υπολογίζεται από την εξίσωση:

VHI = 0.5*(VCI) + 0.5*(TCI)

Ο άλλος δείκτης που χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση της ανάπτυξης σε περιβάλλον με έλλειμμα νερού είναι ο AΙ. Ο AI είναι μια συνάρτηση της σχέσης της βροχόπτωσης προς τη δυνητική εξατμοδιαπνοή. Σε αυτή τη μελέτη, αντιπροσωπεύει την κλιματική ξηρασία και χρησιμοποιείται για να καθορίσει την επάρκεια των βροχοπτώσεων για την ικανοποίηση των αναγκών των καλλιεργειών σε νερό. Ο δείκτης υπολογίζεται σε πολυετή βάση, με βάση μηνιαίες τιμές. Εκτιμά τη δυνητική εξατμισοδιαπνοή λαμβάνοντας υπόψιν τη θερμοκρασία του αέρα, τη διάρκεια της ημέρας και το σταθμισμένο συντελεστή καλλιεργειών (C). Οι τιμές του C ορίζονται ανάλογα με τη χρήση γης και παρέχονται από τη βάση δεδομένων του CORINE 2001. Στη συνέχεια με την επιβλεπόμενη ταξινόμηση των ζωνών WLGE, ενός χάρτη εδάφους και ενός υψομέτρων της περιοχής μελέτης, καθορίζονται οι βιώσιμες παραγωγικές περιοχές. Η χωρική κατανομή της εξατμισοδιαπνοής εκτιμήθηκε με χρήση δορυφορικών εικόνων (Landsat-5 TM) που καλύπτει την περιοχή της λεκάνης απορροής του ποταμού Πηνειού, οι οποίες ήταν διαθέσιμες κατά τη διάρκεια του πειράματος, κατά τις ακόλουθες ημερομηνίες: 07/05, 24/06, 10/07, 26/07, 27/08 και 28/09/2007, χωρικής διακριτής ικανότητας 30 Χ 30 μ.

6. Προεπεξεργασίες και ειδικές επεξεργασίες GIS

Η προεπεξεργασία των δορυφορικών εικόνων περιλαμβάνει ατμοσφαιρική και γεωμετρική διόρθωση και ταξινόμηση των καλλιεργειών. Η ατμοσφαιρική διόρθωση έγινε με το ATCORE2 μοντέλο, στο ERDAS IMAGINE 9.1. Η γεωμετρική διόρθωση εκτελέστηκε στο λογισμικό ArcGIS με τη χρήση 12 ψηφιακών, γεωαναφερμένων χαρτών κλίμακας 1:50000 που καλύπτουν χωρικά την ευρύτερη περιοχή των δορυφορικών εικόνων (Εικόνα 4). Χρησιμοποιήθηκαν πάνω από ογδόντα σημεία ελέγχου εδάφους (GCPs) και μια πολυωνυμική εξίσωση τρίτου βαθμού για το γεωμετρικό μετασχηματισμό κάθε εικόνας. Όλες οι εικόνες συν-καταχωρίστηκαν στο Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστημα Αναφοράς (EGSA'87) με τη χρήση του ArcGIS.

Εικόνα 4. Γεωμετρική διόρθωση των δορυφορικών εικόνων

Εικόνα 5. Ταξινόμηση καλλιεργειών

Πενήντα σημεία ελέγχου (GCPs) χρησιμοποιήθηκαν για την ταξινόμηση των καλλιεργειών στην περιοχή, η οποία έγινε με το ERDAS IMAGINE 9.1. Οι πιο κοινές καλλιέργειες στην λεκάνη απορροής του Πηνειού είναι το βαμβάκι, το τριφύλλι, το καλαμπόκι και τα χειμερινά σιτηρά (Εικόνα 5). Η ανάπτυξη των δεικτών βλάστησης από δορυφορικές εικόνες έχουν διευκολύνει τη διαδικασία της διαφοροποίησης και της χαρτογράφησης βλάστησης.

Ο υπολογισμός γίνεται από τον τύπο:

NDVI = (NIR-RED) / (NIR + RED)

Για το Landsat χρησιμοποιούνται το κανάλι 3 (0,63 - 0,69) και το κανάλι 4 (0,76 - 0,90) για τον υπολογισμό του. Ο συντελεστής Kc ενσωματώνει την επίδραση των χαρακτηριστικών που διακρίνουν μια τυπική καλλιέργεια από το γρασίδι, το οποίο έχει μια ομοιογενή εμφάνιση και καλύπτει πλήρως το έδαφος. Οι τιμές του Kc επηρεάζονται από τον τύπο καλλιέργειας, το κλίμα, την εξάτμιση του εδάφους και τα στάδια ανάπτυξης των καλλιεργειών. Η εξατμισοδιαπνοή μιας καλλιέργειας υπό κανονικές συνθήκες ETp, είναι η εξατμισοδιαπνοή από καλλιέργεια απαλλαγμένη από ασθένειες, καλά λιπασμένες, που αναπτύσσονται σε μεγάλους αγρούς, υπό τις καλύτερες δυνατές συνθήκες εδαφικού νερού και την επίτευξη πλήρους παραγωγής υπό τις δεδομένες κλιματολογικές συνθήκες. Στον FAO υπολογίζεται ως εξής:

ETp = Kc * ETo

όπου Kc : τηλεπισκόπησης και ETo : εδάφους.

7. Αποτελέσματα

Η χρήση των εδαφικών ζωνών αποκλείει εκτάσεις ακατάλληλες για γεωργική δραστηριότητα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση της εύφορης γης (Εικόνα 6).

Εικόνα 6. Εδαφική ζωνοποίηση εδαφών ενός πειραματικού αγρού

Εικόνα 7. Ζώνες WLGE του υδατικού διαμερίσματος της Θεσσαλίας

Η εκτίμηση των ζωνών WLGE (ανάπτυξη σε περιβάλλον με έλλειμμα νερού) είναι σημαντική, γιατί οριοθετούνται οι περιοχές όπου η ανάπτυξη των φυτών περιορίζεται από τη διαθεσιμότητα του νερού (Εικόνα 7). Ο συνδυασμός των ζωνών αυτών, με τους χάρτες εδάφους και υψομέτρου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό των βιώσιμων ζωνών παραγωγής (Εικόνα 8). Αυτές οι ζώνες είναι απαραίτητες για την ανάπτυξη κάθε σχεδίου βιώσιμης ανάπτυξης καλλιεργειών (Εικόνα 9).

Εικόνα 8. (a) Ζώνες της αειφόρου χρήσης, σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά του εδάφους της Θεσσαλίας, (b) Ζώνες ανάπτυξης των καλλιεργειών με βάση το υψόμετρο του υδατικού διαμερίσματος της Θεσσαλίας

Εικόνα 9. Βιώσιμες ζώνες παραγωγής του υδατικού διαμερίσματος της Θεσσαλίας

Τα αποτελέσματα που αφορούν την εκτίμηση των καλλιεργειών και την εξατμισοδιαπνοή με τη χρήση δορυφορικών δεδομένων επαληθεύτηκαν με επίγειες παρατηρήσεις για την αντίστοιχη χρονική περίοδο (Εικόνες 10, 11).

Εικόνα 10. Χάρτες καλλιεργειών στην περιοχή μελέτης

Εικόνα 11. Χάρτες εξατμισοδιαπνοής καλλιεργειών στην περιοχή μελέτης

8. Συμπεράσματα και αξιολόγηση των μεθόδων

Η μεθοδολογία βασίζεται σε νέες τεχνολογίες (GIS σε συνδυασμό με δορυφορικά δεδομένα) για τη διαχείριση των υδάτων. Τα δορυφορικά δεδομένα παρέχουν τη δυνατότητα να καλύπτονται μεγάλες περιοχές και να παρακολουθούνται οι καλλιέργειες σε όλα τα στάδια ανάπτυξής τους. Μπορεί να εφαρμοστεί σε μεγάλης κλίμακας περιοχές για τον υπολογισμό του Kc και να επεκταθεί και σε άλλες καλλιέργειες. Τα αποτελέσματα είναι σε καλή συμφωνία με τις επίγειες παρατηρήσεις. Οι ζώνες WLGE είναι σημαντικές, δεδομένου ότι οριοθετούν περιοχές όπου η ανάπτυξη των φυτών περιορίζεται από τη διαθεσιμότητα του νερού. Επιπλέον, η χρήση των εδαφικών χαρτών αποκλείει εκτάσεις ακατάλληλες για γεωργική δραστηριότητα. Τα εργαλεία και οι υπηρεσίες που έχουν αναπτυχθεί με το έργο PLEIADeS και θα ολοκληρωθούν με τα SMART και HYDROSENSE θα δώσουν τη δυνατότητα στους γεωργούς να βελτιώσουν τη διαχείριση της άρδευσης στα αγροκτήματά τους. Οι νέες τεχνολογίες παρέχουν εύκολη πρόσβαση σε πληροφορίες για όλους τους ενδιαφερόμενους φορείς (αγρότες, Συμβουλευτικές Υπηρεσίες Άρδευσης, Οργανισμούς Τοπικής Αυτοδιοίκησης και Εγγείων Βελτιώσεων), ενώ η ενεργός συμμετοχή θα είναι αποτελεσματική.

Πρωτότυπος τίτλος: REMOTELY SENSED COTTON EVAPOTRANSPIRATION FOR IRRIGATION WATER MANAGEMENT IN VULNERABLE AGRICULTURE OF CENTRAL GREECE

N. R. DALEZIOS, A. MPLANTA and C. DOMENIKIOTIS

Πηγή: Journal of Information Technology in Agriculture. Vol 4, No 1 (2011) http://www.jitag.org/ojs/index.php/jitag/article/view/123