Μέθοδοι τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της υγείας των καλλιεργειών και για την εξασφάλιση επισιτιστικής ασφάλειας στην Αφρική

Από RemoteSensing Wiki

Μέθοδοι τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της υγείας των καλλιεργειών και για την εξασφάλιση επισιτιστικής ασφάλειας στην Αφρική: Δυνατότητες και περιορισμοί

Πρωτότυπος τίτλος: Remote sensing of crop health for food security in Africa: Potentials and constraints

Συγγραφείς: Onisimo Mutanga, Timothy Dube, Omer Galal

Δημοσιεύθηκε: Remote Sensing Applications: Society and Environment, Volume 8, November 2017, Pages 231-239

ΛΕΞΕΙΣ-ΚΛΕΙΔΙΑ: Παράσιτα καλλιεργειών, Χαρτογράφηση ασθενειών, Γεωργία ακριβείας, Άμεση ανίχνευση, Στάδια μόλυνσης

Αντικείμενο

Αντικείμενο της παρούσας μελέτης είναι να παρουσιάσει τις διαδικασίες τηλεπισκόπησης με τις οποίες είμαστε ικανοί να χαρτογραφήσουμε τους επιβλαβείς οργανισμούς και τις ασθένειες στις καλλιεργητικές εκτάσεις. Η επισιτιστική ασφάλεια αποτελεί μείζονος σημασίας ζήτημα για τον πλανήτη μας, ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια που οι απαιτήσεις για τροφή ολοένα και αυξάνονται, ενώ ταυτόχρονα τα αποτελέσματα της κλιματικής αλλαγής αρχίζουν να γίνονται πιο εμφανή από ποτέ. Για τους λόγους αυτούς είναι σημαντικός ο ακριβής και διαχρονικός εντοπισμός, η χαρτογράφηση και η παρακολούθηση των καλλιεργητικών ασθενειών. Τα υψηλής ανάλυσης δεδομένα τηλεπισκόπησης έχουν τη δυνατότητα ανάδειξης των μολυσμένων περιοχών, αλλά και εκείνων που είναι ευάλωτες και ενδέχεται να μολυνθούν μελλοντικά.

Εισαγωγή

Οι ανθρωπογενείς δραστηριότητες, αλλά και η έντονη εκβιομηχάνιση της οικονομίας αποτελούν τις βασικότερες αιτίες για τις μεταβολές στο κλίμα και κατ’ επέκταση στην ποιότητα των καλλιεργειών. Φαινόμενα όπως οι ασυνήθιστα υψηλές θερμοκρασίες, η ξηρασία, τα κύματα καύσωνα και η υψηλή υγρασία πλήττουν ολοένα και περισσότερες περιοχές, ανάμεσα σε αυτές και η υποσαχάρια Αφρική, προκαλώντας διακυμάνσεις στην ποιότητα των γεωργικών προϊόντων. Η δομή και η φύση των ασθενειών μεταβάλλονται συνεχώς, με νέους τύπους να κάνουν την εμφάνισή τους, όπως αυτός της γκρίζας κηλίδωσης των φύλλων(Grey Leaf Spot)(GLS) που είναι υπαίτιος για απώλειες 30-60% της παραγωγής σε χώρες της Αφρικής. Παρόλο που το πρόβλημα των ασθενειών είναι γνωστό, η αντιμετώπισή του είναι εξαιρετικά δύσκολη, αφού απαιτεί υψηλό κόστος και ολοκληρωμένο σχεδιασμό. Ο ολοκληρωμένος σχεδιασμός απαιτεί συγκεκριμένη εκπαίδευση των αγροτών, η οποία προς το παρόν δεν πραγματοποιείται, κι έτσι παρατηρούνται τα φαινόμενα χρήσης λανθασμένων παρασιτοκτόνων ακόμη και σε περιοχές που δεν έχουν πληγεί, δημιουργώντας ζητήματα επισιτιστικής ασφάλειας και περιβαλλοντικής προστασίας. Η επιστήμη της τηλεπισκόπησης, εξ’ αιτίας των μοναδικών χαρακτηριστικών που διαθέτει όπως είναι η οικονομική αποδοτικότητα και η επαναληπτικότητα των διαδικασιών μπορεί να προσφέρει μια βιώσιμη λύση στο πρόβλημα παρέχοντας χωρικά στατιστικά δεδομένα και στοιχεία για τα επίπεδα παρασίτων, για την έκταση της μόλυνσης και για την ποσότητα του τελικού παραγόμενου προϊόντος. Η παρούσα μελέτη επιχειρεί να εντοπίσει κατακερματισμένα αγροτεμάχια και μικρές ιδιοκτησίες σε περιοχές της υποσαχάριας Αφρικής που έχουν μολυνθεί από ασθένειες, έχοντας σα βασικό κριτήριο φωτοερμηνευτικά κλειδιά όπως είναι ο ρυθμός έγχυσης, η χλώρωση, το χρώμα και η μορφολογία του φύλλου. Για κάθε περίπτωση, υγιούς ή μολυσμένης καλλιέργειας, τα παραπάνω στοιχεία αντανακλούν με διαφορετικό τρόπο.

Μεταβολές στην κατανομή επιβλαβών οργανισμών και ασθενειών ως αποτέλεσμα της κλιματικής αλλαγής

Οι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την εξέλιξη των καλλιεργειών, όπως είναι η θερμοκρασία και η συχνότητα των κατακρημνίσεων, μεταβάλλονται με ραγδαίους ρυθμούς τα τελευταία χρόνια εξ’ αιτίας της κλιματικής αλλαγής και των υψηλών εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου. Οι μεταβολές των παραγόντων αυτών έχουν σαν αποτέλεσμα αντίστοιχες μεταβολές και στον τρόπο με τον οποίο κατανέμονται οι ασθένειες και οι επιβλαβείς οργανισμοί κατά μήκος των καλλιεργειών. Κι αυτό γιατί επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό οι διάφορες βιοφυσικές διαδικασίες, όπως η φωτοσύνθεση, η διαπνοή και τα θερμικά και υδρολογικά συστήματα που ελέγχουν τον τρόπο λειτουργίας των φυτών. Συγκεκριμένα στην περιοχή της Αφρικής τα Παγκόσμια Κλιματικά Μοντέλα(GCMs) αποδεικνύουν πως σταδιακά εμφανίζονται αρκετά υψηλές θερμοκρασίες και σε υψηλότερα υψόμετρα, ενώ η θερινή περίοδος αυξάνεται ολοένα και περισσότερο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τύποι ασθενειών να εμφανίζονται σε ασυνήθιστες περιοχές καλλιέργειας. Οι υψηλές θερμοκρασίες δημιουργούν ευνοϊκές συνθήκες για την ανάπτυξη των παθογόνων μικροοργανισμών κι έτσι είναι πλέον ικανοί να προσβάλλουν την καλλιέργεια σε πρωταρχικά στάδια αυξάνοντας τη ζημιά στην τελική σοδειά.

Η τηλεπισκόπηση ως εργαλείο χαρτογράφησης επιβλαβών οργανισμών και ασθενειών

Η ανάπτυξη μεθόδων αξιολόγησης της χωρικής διάχυσης των καλλιεργητικών ασθενειών είναι εξαιρετικά σημαντική για τη λήψη αποφάσεων και τη χάραξη σχεδιασμού. Αρχικά χρησιμοποιήθηκαν κλιματικά μοντέλα για να εξεταστεί η κατανομή ασθενειών και ζιζανίων. Ωστόσο, γρήγορα έγινε αντιληπτό πως τα κλιματικά μοντέλα αυτά καθ’ αυτά δεν είναι αρκετά για να χαρτογραφήσουν την κατανομή και τις ευάλωτες περιοχές και έτσι εισήχθησαν κι άλλα εργαλεία που εντάσσονται στην οπτική τηλεπισκόπηση. Λαμβάνοντας υπ’ όψιν πως υπάρχει αλληλεπίδραση μεταξύ των φυτών και της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, μπορούμε εξετάζοντας το μήκος κύματος στο οποίο αντανακλά το φυτό να εξάγουμε χρήσιμα συμπεράσματα για τα χαρακτηριστικά του γνωρίσματα. Τα άρρωστα φυτά χαρακτηρίζονται από αλλοιώσεις στα φύλλα που συνδέονται με νεκρωτικές περιοχές ή περιοχές χλώρωσης. Το γεγονός αυτό αυξάνει την αντανακλαστικότητά τους στο ορατό φάσμα και ιδιαίτερα στην περιοχή του κόκκινου, προκαλώντας μια μετατόπιση του κόκκινου άκρου προς μικρότερα μήκη κύματος. Εάν μετρήσουμε το μέγεθος της μετατόπισης του κόκκινου άκρου μπορούμε να ποσοτικοποιήσουμε τα επίπεδα στρες που εμφανίζονται στα φυτά ως αποτέλεσμα της μόλυνσης. Επιπροσθέτως, η διαταραχή των χρωστικών των φύλλων μειώνει τη φωτοσύνθεση, αυξάνοντας έτσι τον φθορισμό και τις εκπομπές θερμότητας. Έτσι, ο φθορισμός και η ανίχνευση θερμότητας σηματοδοτούν μια πιθανή μέθοδο για την ποσοτικοποίηση της φωτοχημικής απόδοσης των φυτών που αποτελεί δείκτη της κατάστασης της υγείας τους. Τα χαρακτηριστικά συμπτώματα του κάθε φυτού από τη μόλυνση διαφέρουν ανάλογα με τον τύπο της ασθένειας απ’ τον οποίο έχουν προσβληθεί. Κατ’ αντιστοιχία, λοιπόν, διαφορετικά μήκη κύματος είναι κατάλληλα σε κάθε περίπτωση για τον εντοπισμό του διαφορετικού τύπου ασθένειας. Όταν τα συμπτώματα γίνονται ευδιάκριτα με γυμνό μάτι, τότε η δυνατότητα ανίχνευσης υφίστανται μόνο στις ζώνες απορρόφησης της χλωροφύλλης(470 και 670nm). Παρομοίως, περνώντας από το ορατό φάσμα στο υπέρυθρο, μια ενδεχόμενη ελάττωση στα ποσοστά βιομάζας και στα επίπεδα του Δείκτη Περιοχής των Φύλλων(LAI) που συνδέεται με την αποφύλλωση, θα προκαλέσει μια αντίστοιχη μείωση στην αντανακλαστικότητα των φυτών στο εγγύς υπέρυθρο κανάλι.

Διαθεσιμότητα αισθητήρων και κλίμακα διερεύνησης

Στη διαδικασία χαρτογράφησης και εντοπισμού των ασθενειών χρησιμοποιούνται αισθητήρες που βασίζονται σε θερμογραφικά, πολυφασματικά, υπερφασματικά και μικροκυματικά χαρακτηριστικά. Ανάλογα με τον τύπο του αισθητήρα αποδίδονται διαφορετικές χωρικές, φασματικές και χρονικές αναλύσεις που επηρεάζουν το μέγεθος του εντοπισμού και της χαρτογράφησης. Οι χωρικές κλίμακες των αισθητήρων κυμαίνονται από λίγα εκατοστά έως περίπου ένα χιλιόμετρο διακριτικής ικανότητας. Επίσης, η κλίμακα μέτρησης στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα κυμαίνεται μεταξύ του ορατού φάσματος, του εγγύς υπέρυθρου, του κοντινού υπέρυθρου και του θερμικού υπέρυθρου. Στην πρόσφατη περίοδο, στην περιοχή της Αφρικής χρησιμοποιήθηκαν ευρέως οι αεροφωτογραφίες ως μέσο αξιολόγησης της κατάστασης των καλλιεργειών. Ωστόσο, κάτι τέτοιο είναι αρκετά δύσκολο και πολύ πιο απαιτητικό από τη φωτοερμηνεία του τύπου καλλιέργειας για την καταγραφή των καλύψεων γης. Στο σημείο αυτό εισέρχεται η υπερφασματική τηλεπισκόπηση και παρέχει την προοπτική εντοπισμού των καλλιεργειών που έχουν μολυνθεί από ασθένειες και έχουν προσβληθεί από διάφορα παράσιτα.

Τοπική/αγροτική κλίμακα

Η ακριβής και πρώιμη διάγνωση των ασθενειών είναι ο κομβικός παράγοντας για την προστασία της γεωργικής παραγωγής σε τοπική και αγροτική κλίμακα. Οπτικοί αισθητήρες έχουν κατασκευαστεί για το λόγο αυτό, ικανοί να ταυτοποιήσουν τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των επιβλαβών οργανισμών στα αρχικά στάδια πριν την περαιτέρω εξάπλωσή τους. Η έκλυση θερμότητας και τα επίπεδα χλωροφύλλης αποτελούν ενδεικτικούς παράγοντες μόλυνσης, ωστόσο δεν είναι ικανά να μας παρέχουν τον ακριβή τύπο της ασθένειας, ώστε να γνωρίζουμε πώς θα επέμβουμε στην καλλιέργεια. Ορισμένες εφαρμογές και πλατφόρμες τηλεπισκόπησης μας παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες που αφορούν την έλλειψη θρεπτικών συστατικών ή την κηλίδωση των φύλλων σε πρώιμο στάδιο εξάπλωσης της ασθένειας, κι έτσι υπάρχει το χρονικό περιθώριο επέμβασης, ώστε να μην υπάρξουν μεγάλες απώλειες στην παραγόμενη σοδειά. Σε μεγάλη κλίμακα χρησιμοποιούνται πλέον και οι λήψεις αεροφωτογραφίας με Μη Επανδρωμένα Εναέρια Μέσα(UAV), όπως τα drones, τα οποία συνθέτουν μια τεχνική εξαιρετικά χαμηλή σε κόστος, η οποία προσφέρει εικόνες υψηλής ανάλυσης και διακριτικής ικανότητας. Πρόκειται για μια ανερχόμενη τεχνολογία που βρίσκει εφαρμογή με μεγάλη επιτυχία σε όλο και περισσότερους τύπους καλλιεργειών.

Περιφερειακή κλίμακα

Σε περιφερειακή κλίμακα μια αποδοτική και έγκαιρη πρόγνωση της ασθένειας είναι σημαντική για τη λήψη προληπτικών μέτρων. Οι θεματικοί χάρτες πρόγνωσης που παρέχονται μέσω τεχνικών τηλεπισκόπησης δίνουν μια πλήρη εικόνα στους αγρότες για τις περιοχές υψηλού ρίσκου. Ουσιαστικά, οι εφαρμογές τηλεπισκόπησης εξάγουν συμπεράσματα για την κατάσταση υγείας της καλλιέργειας μέσω της διαφορετικής φασματικής απόκρισης των φυτών. Εξετάζοντας τον τρόπο με τον οποίο τα φυτά αντανακλούν στα διαφορετικά μήκη κύματος καταλήγουμε σε χρήσιμα αποτελέσματα. Για παράδειγμα, το ορατό φάσμα μπορεί να μην είναι ικανό να μας δώσει τα επιθυμητά δεδομένα κι έτσι μεταφερόμαστε στο εγγύς υπέρυθρο όπου οι μολυσμένες καλλιέργειες γίνονται πιο διακριτές. Μέχρι στιγμής στην υποσαχάρια Αφρική η χαρτογράφηση των ασθενειών ευδοκιμεί μόνο σε τοπική κλίμακα, ωστόσο μελλοντικά απαιτείται και η μετάβαση σε περιφερειακό επίπεδο ώστε να επιτευχθεί ένας ολοκληρωμένος σχεδιασμός προστασίας.

Στάδια μόλυνσης

Οι εφαρμογές τηλεπισκόπησης που περιλαμβάνουν τη χρήση οπτικών συσκευών χειρός και ιπτάμενων αισθητήρων εστιάζουν στον εντοπισμό των καταστροφών από τη μόλυνση των καλλιεργειών στα διάφορα στάδια(πρώιμη, μέση και δριμεία μόλυνση). Η κατάσταση υγείας του φυλλώματος των καλλιεργειών μπορεί επίσης να παρακολουθείται και από τις μεταβολές στο περιεχόμενο χλωροφύλλης, που λειτουργεί ως ένδειξη για τη διάγνωση και πρόβλεψη ασθενειών. Η σωστή λειτουργία του φυτού τίθεται σε αναλογία με την ποσότητα χλωροφύλλης στα φύλλα, κι έτσι τα υγιή φύλλα αντανακλούν με διαφορετικό τρόπο από τα μολυσμένα στο αντίστοιχο μήκος κύματος.

Προσεγγίσεις στη χαρτογράφηση

Η διάγνωση των καλλιεργητικών ασθενειών καθίσταται εφικτή με τη χρήση είτε άμεσων είτε έμμεσων διαδικασιών. Η άμεση διαδικασία περιλαμβάνει την επί τόπου ανάλυση της κατάστασης της καλλιέργειας, ενώ η έμμεση βασίζεται στην φασματική αντανάκλαση των φυτών. Η βασική διαφορά που προκρίνει την έμμεση μεθοδολογία έναντι της άμεσης, είναι πως η πρώτη μπορεί να ελέγχει συγχρόνως μεγάλες εκτάσεις καλλιεργειών, είναι οικονομικά πιο αποδοτική, παρέχει ταχύτητα ώστε να αποκτούμε δεδομένα εγκαίρως πριν η κατάσταση γίνει μη αναστρέψιμη και παρέχει τη δυνατότητα δημιουργίας διαχρονικών βάσεων δεδομένων για την παρακολούθηση της εξέλιξης των ασθενειών.

Προκλήσεις στις εφαρμογές τηλεπισκόπησης

Η πρόληψη απέναντι στην εξάπλωση των ασθενειών στις καλλιέργειες αποτελεί κρίσιμο ζήτημα και η έρευνα πάνω σε αυτό πρέπει να εξελιχθεί ώστε να υπερκεραστούν τα οποιαδήποτε εμπόδια. Τέτοια εμπόδια είναι το υψηλό κόστος της διαδικασίας, η εξέταση περιοχών μικρής κλίμακας και τα χαμηλής ανάλυσης δεδομένα εξ’ αιτίας των χαμηλής ποιότητας αισθητήρων.

Συμπεράσματα

Καταλήγοντας στα βασικά σημεία της παρούσας μελέτης, παρατηρήθηκε πως η εφαρμογή της τηλεπισκόπησης στον τομέα χαρτογράφησης των επιβλαβών οργανισμών στις καλλιέργειες προσφέρει αρκετές προοπτικές, αλλά προς το παρόν χαρακτηρίζεται κι από ορισμένους περιορισμούς. Η ανάλυση των μέχρι πρότινος σχετικών με το θέμα μελετών απέδειξε πως η χρήση υπερφασματικών δεδομένων δορυφόρων βελτίωσε κατά πολύ την ακρίβεια εξέτασης των καλλιεργειών και τα αποτελέσματα που παρήχθησαν εμφανίζουν υψηλή λεπτομέρεια.

Συμβολή της τηλεπισκόπησης

Στην παρούσα μελέτη η συμβολή της τηλεπισκόπησης είναι καθοριστική, καθώς με τις καινοτόμες τεχνικές που εισάγει συμβάλλει στη μετάβαση από τις in situ διαδικασίες αναγνώρισης των ασθενειών στα αγροτεμάχια σε διαδικασίες εντοπισμού και καταγραφής των μολυσμένων εκτάσεων μέσω της εξέτασης των φασματικών υπογραφών στο μήκος κύματος των καναλιών του δορυφόρου. Η επεξεργασία και φωτοερμηνεία των δορυφορικών εικόνων και των αεροφωτογραφιών παρέχουν λεπτομερή στοιχεία για το είδος και τη διάχυση της ασθένειας, κι έτσι δίνεται η δυνατότητα στους καλλιεργητές να παρέμβουν ακριβώς στο σημείο που δημιουργείται το πρόβλημα σε πρώιμο στάδιο, όταν η κατάσταση είναι ακόμη αναστρέψιμη. Η εξέλιξη αυτή έχει διπλό όφελος, αφού πρώτον ο αγρότης γλιτώνει περιττά έξοδα καθιστώντας την καλλιέργεια οικονομικά πιο αποδοτική και δεύτερον μειώνεται το περιβαλλοντικό αποτύπωμα που θα άφηνε η περίσσεια παρασιτοκτόνων. Η όλη διαδικασία διάγνωσης των ασθενειών συνδέεται άμεσα με τον ολοκληρωμένο σχεδιασμό αντιμετώπισης των φαινομένων υποβάθμισης της επισιτιστικής ασφάλειας των τροφίμων στις αναπτυσσόμενες χώρες, όπως η Αφρική.

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]