Επισκόπηση της συνεισφοράς της μεθόδου της τηλεπισκόπησης στην παραγωγή πρώτων υλών από βιομάζα
Από RemoteSensing Wiki
Επισκόπηση της συνεισφοράς της μεθόδου της τηλεπισκόπησης στην παραγωγή πρώτων υλών από βιομάζα
A review of remote sensing methods for biomass feedstock production
T. Ahamed, L. Tian, Y. Zhang, K.C. Ting
πηγή: [[1]]
Στο παρόν άρθρο αρχικά συζητείται η δυνατότητα παραγωγής ενέργειας από βιομάζα στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής, στη συνέχεια συζητούνται ιδέες σχετικά με την χρήση της μεθόδου της τηλεπισκόπησης στις ενεργειακές καλλιέργειες, σε επόμενο βήμα γίνεται μια επισκόπηση των μεθόδων εκτίμησης των βιοφυσικών ιδιοτήτων των ενεργειακών καλλιεργειών όπως ο δείκτης που χαρακτηρίζει τους θόλους των φυτών (Leaf Area Index- LAI), και το περιεχόμενο σε χλωροφύλλη. Τέλος, γίνεται μια απόπειρα αναγνώρισης των δυνατοτήτων που προσφέρει η μέθοδος της τηλεπισκόπησης των ενεργειακών καλλιεργειών, στην εκτίμηση της παραγωγής πρώτης ύλης από επιφανειακή βιομάζα.
Σενάριο παραγωγής ενέργειας από βιομάζα
Η βιομάζα αντιπροσωπεύει την πιο πολλά υποσχόμενη ανανεώσιμη μορφή ενέργειας και θεωρείται μια βιώσιμη εναλλακτική λύση έναντι των ορυκτών καυσίμων. Οι ενεργειακές καλλιέργειες προσφέρουν δυνατότητα βελτίωσης της ενεργειακής ασφάλειας σε περιοχές χωρίς πολλά αποθέματα σε ορυκτά καύσιμα, με στόχο την αύξηση της προμήθειας καυσίμων μεταφοράς και τη μείωση των καθαρών εκπομπών άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Κατά συνέπεια η παρακολούθηση των ενεργειακών καλλιεργειών γίνεται πρόκληση προκειμένου να διασφαλισθεί η μέγιστη απόδοσή τους για την κάλυψη των ολοένα και αυξανόμενων αναγκών παραγωγής βιομάζας.
Αντιλήψεις γύρω από την παρακολούθηση της βιομάζας από ενεργειακές καλλιέργειες
Η τηλεπισκόπηση επιτρέπει τη συγκέντρωση πληροφοριών για μια καλλιέργεια-στόχο, μέσω της μέτρησης της έντασης της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας που ανακλάται ή εκπέμπεται από τα φυτά. Βιοφυσικές ιδιότητες όπως η φυτική ανάπτυξη , το περιεχόμενο της χλωροφύλλης, η φωτοσυνθετική παρεμποδισμένη ακτινοβολία είναι σημαντικοί παράγοντες για την παραγωγή πρώτης ύλης από βιομάζα. Η ορθή παρακολούθηση ενεργειακών καλλιεργειών θα βοηθήσει στην εκτίμηση τέτοιων ιδιοτήτων και η μέθοδος της τηλεπισκόπηση παρέχει πλεονεκτήματα για την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο.
- Φυτικοί Δείκτες
Ο δείκτης LAI, η περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη και το κλάσμα της παρεμποδιζόμενης φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας (Fraction of Intercepted Photo-synthetically Active Radiation-fIPAR) αποτελούν σημαντικά βιοφυσικά χαρακτηριστικά των καλλιεργειών που χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της αρχικής παραγωγής βιομάζας. Ο φυτικός δείκτης DVI (Difference Vegetative Index) προτείνεται για τον εντοπισμό αλλαγών στην ώριμη βλάστηση σε μεγάλες περιοχές και τα VI μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά σε εκτίμηση θόλων καλλιέργειας μεγάλης κλίμακας. Η χρήση των δεικτών υγρασίας ή νερού (Normalized difference Moisture-NDMI ή Normalized difference Moisture or Water-NDWI) σε εικόνες Landsat TM κοντά σε μεσαίες υπέρυθρες ζώνες συσχετίζεται με τη περιεκτικότητα σε νερό στους θόλους και με περισσότερο ακριβή εντοπισμό αλλαγών στη βιομάζα των φυτών καλύτερα από ότι μέσω της χρήσης NDVI. Ο δείκτης νερού LWCI μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό της διαταραχής παροχής νερού στα φύλλα. Υπάρχουν βελτιωμένοι δείκτες που ενσωματώνουν και το υπόβαθρο του εδάφους ή/και παράγοντες ατμοσφαιρικής διόρθωσης και λέγονται SAVI.
- Περιεχόμενο χλωροφύλλης
Τα φασματικά δεδομένα της τηλεπισκόπησης για την περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη μπορούν να παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τις ανάγκες σε θρεπτικά συστατικά που χρειάζονται οι καλλιέργειες.
- LAI και PAR
Οι επιπτώσεις της φθοράς των καλλιεργειών λόγω έλλειψης θρεπτικών ουσιών δε μπορεί να ανιχνευθεί εύκολα. Οι σχέσεις μεταξύ LAI, flPAR και ξηρής ύλης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη πρόβλεψη της περιεκτικότητας σε ενέργεια της βιομάζας. Η μέθοδος της τηλεπισκόπησης με αισθητήρες εδάφους βοηθάει στην απόκτηση τιμών για την παρεμποδιζόμενη ακτινοβολία.
- Θρεπτικά συστατικά εδάφους
Ο έγκαιρος και ταχύς εντοπισμός της φθοράς των καλλιεργειών μπορεί να οδηγήσει σε λήψη κατάλληλων διορθωτικών μέτρων για τη πρόληψη μη αναστρέψιμων ζημιών. Οι δείκτες NDVI,GNDVI που προκύπτουν από SPOT εικόνες έχουν υψηλή συσχέτιση με τη φθορά του αζώτου στις καλλιέργειες.
- Διαταραχή της παροχής νερού
Το τμήμα αντανάκλασης του φάσματος και οι δείκτες Vl ανταποκρίνονται στην αλλαγή της αρχιτεκτονικής του θόλου που προκαλείται από τη διαταραχή παροχής νερού στα φυτά, όπως ο μαρασμός και η κύλιση των φύλλων. Οι θερμικοί δείκτες μπορούν να οδηγήσουν σε υπερεκτίμηση της διαταραχής παροχής νερού όταν το κάλυμμα του θόλου είναι ελλιπές και οι αισθητήρες παρατηρούν την συνύπαρξη δροσερών φυτών και μεγάλης θερμοκρασίας εδάφους.
- Διαταραχή της αλατότητας
Τα άλατα στο έδαφος περιορίζουν την παραγωγικότητα σε πολλές καλλιεργήσιμες εκτάσεις. Για τη λύση του προβλήματος απαιτείται χαρτογράφηση των πληγεισών περιοχών μέσω μεθόδων τηλεπισκόπησης. Η αλλαγή στη μείωση της βιομάζας ή αλλαγές στις φασματικές ιδιότητες των φυτών μπορεί να υποδεικνύουν συσσώρευση αλάτων στις πληγείσες καλλιέργειες.
Μέθοδοι τηλεπισκόπησης για παρακολούθηση ενεργειακής καλλιέργειας
Οι χωρικές, χρονικές και φασματικές αναλύσεις αποτελούν τα κυριότερα κριτήρια επιλογής της καταλληλότερης μεθόδου επιλογής για τη διαχείριση συγκεκριμένης παρακολούθησης
- Δορυφορικές εικόνες
Με τη χρήση δορυφορικών εικόνων, οι πληροφορίες που αντλούνται δύναται να ενημερώνονται τακτικά για τη παρακολούθηση αλλαγών, ενώ οι μη ορατές ζώνες κυμάτων φάσματος μπορούν να παράγουν πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με τις συνθήκες μιας καλλιέργειας. Συνηθέστερα χρησιμοποιούνται δεδομένα εικόνων LANDSAT για την εκτίμηση της βιομάζας σε περιφερειακή και τοπική κλίμακα. Τα δεδομένα AVHRR αποτελούν τη πρωταρχική πηγή για έρευνες μεγάλης έκτασης και για χρήση σε μελέτες δυναμικής της βλάστησης σε ηπειρωτική κλίμακα. Η χρήση μεθόδων τηλεπισκόπησης αντιμετωπίζει προβλήματα χρονικής ανάλυσης, κόστους, κάλυψης των περιοχών από σύννεφα και περιορισμένης χωρικής ανάλυσης.
- Εναέρια φωτογράφηση
Οι εναέριες φωτογραφίες είναι πιο χρήσιμες όταν η λεπτομερής χωρική ανάλυση είναι πιο κρίσιμη από την παροχή φασματικών πληροφοριών, δεδομένου ότι η φασματική ανάλυση τέτοιων εικόνων είναι πιο χονδροειδής από τα δεδομένα που καταγράφονται με ηλεκτρονικές συσκευές ανίχνευσης. Η χρήση UAV (Unmanned Aerial Vehicle) συστημάτων είναι ιδανική για την παρακολούθηση καλλιεργειών, παράκτιων περιοχών καθώς παρέχει μεγάλη ευελιξία στη συλλογή εικόνων καλλιεργειών.
- RADAR και LIDAR
Το σύστημα RADAR συλλέγει δεδομένα χαρακτηριστικών της γης ανεξάρτητα των καιρικών φαινομένων που επικρατούν. Τα χαρακτηριστικά του τοπίου είναι ένας από τους παράγοντες εκτίμησης της δασικής βιομάζας από το σύστημα RADAR. Τα δεδομένα LIDAR είναι μια καλή προσέγγιση για την εκτίμηση βιοφυσικών ιδιοτήτων ενός θόλου. Ο θόρυβος και η χρονική ανάλυση είναι από τα κύρια μειονεκτήματα εφαρμογής μεθόδων τηλεπισκόπησης για τη διαχείριση ενεργειακών καλλιεργειών.
- Τηλεπισκόπηση με συστήματα εδάφους
Ανάμεσα σε μια μεγάλη ποικιλία μεθόδων διαχείρισης, βρέθηκε ότι οι σοδειές των καλλιεργειών συσχετίζονται σημαντικά με τα φασματικά κανάλια και τους δείκτες βλάστησης κατά την παραγωγική διαδικασία της ανάπτυξής τους. Επίσης τα πολυφασματικά δεδομένα έχουν χρησιμοποιηθεί στον εντοπισμό της διαταραχής παροχής νερού σε λιβάδια βαμβακιού, αλλά και στην πρόβλεψη της σταθερότητας στην παραγωγή φρούτων.
Διαθέσιμα λογισμικά για τηλεπισκόπηση
Πολλοί ερευνητές χρησιμοποιούν το λογισμικό ERDAS και ENVI για αποκωδικοποίηση και ανάλυση των γεωχωρικών δεδομένων μαζί με τα EDRISI, Earth, Autodesk, PCI geometica και λογισμικά ελεύθερης πρόσβασης όπως τα QGIS και GRSS. Τα OSSIM και Opticks είναι λογισμικά υψηλής απόδοσης και ελεύθερης πρόσβασης που περιέχουν επεκτάσεις οι οποίες εκτελούν υπερφασματικές, πολυφασματικές αναλύσεις στους τομείς δασοκομίας, γεωργίας και χαρτογραφίας.
Προκλήσεις και ευκαιρίες από την παραγωγή πρώτης ύλης
Η λήψη εικόνων μέσω τηλεπισκόπησης κοντά τον πραγματικό χρόνο διευκολύνει την ακριβή και έγκαιρη διάγνωση των διαταραχών, ώστε οι καλλιεργητές να είναι σε θέση να κάνουν άμεσα διορθωτικές ενέργειες για την ενεργειακή καλλιέργεια. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι πρόβλεψης της απόδοσης της παραγωγής βιομάζας και δύο μέθοδοι που συνηθέστερα χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση της ακρίβειας των μεθόδων πρόβλεψης. Η πρώτη βασίζεται στον προσδιορισμό του συντελεστή (R2) όταν τα μοντέλα πρόβλεψης αναπτύσσονται με ανάλυση πολλαπλής παλινδρόμησης και η δεύτερη στην εύρεση της ρίζας του σφάλματος RMSE. Υψηλή τιμή R2 ή χαμηλό RMSE σημαίνει ένα καλό μοντέλο. Μέθοδοι τηλεπισκόπησης με συστήματα εδάφους μπορούν να διασφαλίσουν τη ποιότητα των δεδομένων, την υψηλή ανάλυση και αυτονομία σε πραγματικό χρόνο. Η ελάχιστη χωρική ανάλυση απαιτεί 1m ανά πίξελ για πολυφασματικές ή υπερφασματικές εικόνες προκειμένου να εκτιμηθεί η χωρική διακύμανση της περιεκτικότητας σε υγρασία, που προσδιορίζει την ποιότητα της ξηρής ύλης και του ενεργειακού περιεχομένου της πρώτης ύλης από βιομάζα.
Συμπεράσματα
Οι καλλιέργειες απαιτούν ανίχνευση σε πραγματικό χρόνο. Η τηλεπισκόπηση μέσω συστημάτων εδάφους ενδείκνυται για την απόκτηση σε πραγματικό χρόνο πληροφοριών για τις ενεργειακές καλλιέργειες κατά τη διάρκεια της ανάπτυξής τους. Η επεξεργασία δορυφορικών εικόνων μπορεί να βοηθήσει τον επιστήμονα-ερευνητή να αξιοποιήσει και να βελτιστοποιήσει τη παραγωγή και διανομή βιοενέργειας σε όλη τη χώρα με τη χρήση χωρικά προβλεπόμενης απόδοσης.
