Μια επισκόπηση των τρεχουσών και πιθανών εφαρμογών της θερμικής τηλεπισκόπησης στην γεωργία ακριβείας
Από RemoteSensing Wiki
Μια επισκόπηση των τρεχουσών και πιθανών εφαρμογών της θερμικής τηλεπισκόπησης στην γεωργία ακριβείας
Πρωτότυπος τίτλος: An overview of current and potential applications of thermal remote sensing in precision agriculture
Συγγραφείς: Sami Khanal, John Fulton, Scott Shearer
Λέξεις κλειδιά: Γεωργία Ακριβείας, Θερμική Τηλεπισκόπηση
Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Η γεωργία ακριβείας (Precision Agriculture - PA) χρησιμοποιεί εργαλεία και τεχνολογίες για τον προσδιορισμό της ποικιλότητας των καλλιεργειών και τα εδάφη πεδίου για τη βελτίωση των γεωργικών πρακτικών και τη βελτιστοποίηση των αγροτικών εισροών. Παραδοσιακά, η τηλεπισκόπηση (Remote Sensing - RS) που χρησιμοποιεί περιοχές ορατού φωτός και υπέρυθρες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος έχει χρησιμοποιηθεί ως αναπόσπαστο τμήμα της γεωργίας ακριβείας για την παρακολούθηση των καλλιεργειών και του εδάφους. Η οπτική τηλεπισκόπηση, ωστόσο, είναι αργή στη διαφοροποίηση των επιπέδων στρες στις καλλιέργειες μέχρι τα οπτικά συμπτώματα να γίνουν αισθητά. Η θερμοκρασία της επιφάνειας θεωρείται μια μεταβλητή ταχείας αντίδρασης η οποία μπορεί να υποδείξει καλλιέργειες υπό στρες πριν από τα οπτικά τους συμπτώματα. Με τη μέτρηση των εκτιμήσεων της θερμοκρασίας της επιφάνειας, η θερμική τηλεπισκόπηση έχει βρεθεί ότι είναι ένα πολλά υποσχόμενο εργαλείο για την γεωργία ακριβείας. Αυτή η εργασία επικεντρώνεται στις τρέχουσες και δυνητικές εφαρμογές της θερμικής τηλεπισκόπησης στην γεωργία ακριβείας, καθώς και σε κάποιες ανησυχίες σχετικά με την εφαρμογή της. Οι τομείς εφαρμογής της θερμικής τηλεπισκόπησης στη γεωργία που συζητήθηκαν εδώ περιλαμβάνουν τον προγραμματισμό της άρδευσης, την παρακολούθηση της ξηρασίας, την ανίχνευση ασθένειας των καλλιεργειών και τη χαρτογράφηση των ιδιοτήτων του εδάφους, των υπολειμμάτων και του οργώματος, της ωριμότητας και της απόδοσης των καλλιεργειών. Ορισμένα από τα θέματα που σχετίζονται με την κάθε εφαρμογή της περιλαμβάνουν τη χωρική και χρονική ανάλυση, τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και τα στάδια ανάπτυξης των καλλιεργειών.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η γεωργία ακριβείας (PA) είναι μια συγκεκριμένη μορφή της γεωργίας που στοχεύει στη βελτιστοποίηση των γεωργικών εισροών, τη βελτίωση της αποδοτικότητας και τη μείωση των περιβαλλοντικών αποτυπωμάτων, εστιάζοντας στη σωστή πρακτική διαχείρισης με τον κατάλληλο ρυθμό την κατάλληλη στιγμή στη σωστή θέση (Gebbers και Adamchuk, 2010). Σε αντίθεση με τις συμβατικές γεωργικές πρακτικές στις οποίες οι τομείς λαμβάνουν γενικές εφαρμογές γεωργικών εισροών, με την γεωργία ακριβείας, τα πεδία λαμβάνουν διαφορετικές τιμές εισροών με βάση τον τύπο του εδάφους, τη θέση του τοπίου και το ιστορικό διαχείρισης. Οι πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις, συμπεριλαμβανομένου του παγκόσμιου συστήματος εντοπισμού θέσης (GPS) για την καθοδήγηση μηχανών, οι παρακολουθήσεις των αποδόσεων σιτηρών, οι τεχνολογίες μεταβλητού ρυθμού (VRT), τα δίκτυα αισθητήρων και η τηλεπισκόπηση (RS), βοήθησαν τους αγρότες να εντοπίσουν τη μεταβλητότητα των συνθηκών της καλλιέργειας και του εδάφους καθώς επίσης και στην εφαρμογή πρακτικών γεωργικής εκμετάλλευσης.
Η ΘΕΡΜΙΚΗ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ Η ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΣΤΟΝ ΑΓΡΟΤΙΚΟ ΤΟΜΕΑ
Η τηλεπισκόπηση στην γεωργία ακριβείας χρησιμοποιείται για τη συλλογή και την ανάλυση πληροφοριών σχετικά με τα χαρακτηριστικά των καλλιεργειών και του εδάφους χρησιμοποιώντας αισθητήρες τοποθετημένους σε δορυφόρους, αεροσκάφη ή εξοπλισμό εδάφους. Ένα από τα πλέον συχνά εκμεταλλευόμενα συστήματα τηλεπισκόπησης στον αγροτικό τομέα είναι η οπτική τηλεπισκόπηση. Χρησιμοποιεί αισθητήρες ορατού, NIR και SWIR για τη δημιουργία εικόνων της επιφάνειας της γης ανιχνεύοντας την ενέργεια που ανακλάται από την επιφάνεια της περιοχής στόχου (Prasad et al., 2011). Διάφοροι δείκτες βλάστησης (VIs) έχουν αναπτυχθεί με βάση τον συνδυασμό διαφορετικών κυματικών ζωνών για την εκτίμηση των διαφόρων παραμέτρων των φυτών, π.χ. περιοχή φύλλων, κάλυψη εδάφους, βιομάζα, περιεκτικότητα χλωροφύλλης στα φύλλα, κάλυψη υπολειμμάτων κλπ.
Η θερμική τηλεπισκόπηση είναι μια διαδικασία μέτρησης της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από την επιφάνεια ενός αντικειμένου και μετατροπής του σε θερμοκρασία χωρίς να υπάρχει άμεση επαφή με το αντικείμενο. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του σώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η ένταση της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το αντικείμενο. Γενικά, η θερμοκρασία επιφανείας του θόλου καλλιέργειας είναι συνάρτηση του ποσοστού διαπνοής και αυτό καθαυτό αποτελεί συνάρτηση της ζήτησης ατμοσφαιρικής εξάτμισης και της διαθέσιμης ποσότητας νερού στο έδαφος. Η πίεση (δηλαδή νερό, ζιζάνια, θρεπτικά συστατικά) στις καλλιέργειες επηρεάζει τη θερμοκρασία του θόλου του, η οποία μπορεί να μετρηθεί κατά τη διάρκεια κρίσιμων φαινολογικών φάσεων για χρήση στον σχεδιασμό, τη διαχείριση και τη βελτιστοποίηση των γεωργικών εισροών και δραστηριοτήτων.
Η θερμική τηλεπισκόπηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλές πτυχές της παρακολούθησης των καλλιεργειών και του εδάφους στον αγροτικό τομέα, συμπεριλαμβανομένης της εκτίμησης του υδατικού στρες στο έδαφος και τις καλλιέργειες για τον προγραμματισμό της άρδευσης, τον προσδιορισμό των μολυσμένων και άρρωστων από ασθένειες καλλιεργειών, τη χαρτογράφηση της υφής του εδάφους, την εκτίμηση της κάλυψης των υπολειμμάτων, την παρακολούθηση της ωριμότητας της συγκομιδής και τη χαρτογράφηση της απόδοσης της καλλιέργειας. Ο Πίνακας 1 συνοψίζει ορισμένες από τις μελέτες σχετικά με την εφαρμογή της θερμικής απεικόνισης στη γεωργία.
Προγραμματισμός άρδευσης
Η άρδευση αποτελεί ουσιώδες μέρος της γεωργικής παραγωγής, ιδιαίτερα σε περιοχές όπου οι βροχοπτώσεις κατά τη διάρκεια της εποχής είναι ανεπαρκείς για την κάλυψη της ζήτησης ύδατος της καλλιέργειας. Γνωρίζοντας πού, πότε και πόσο πρέπει να ποτίζεται η καλλιέργεια, συμβάλλει στην ελαχιστοποίηση απωλειών που σχετίζονται με το υδατικό στρες, μεγιστοποιεί την ανταπόκριση σε άλλες πρακτικές διαχείρισης και βελτιστοποιεί την απόδοση ανά εφαρμοζόμενη μονάδα νερού που με τη σειρά της μπορεί να μεγιστοποιήσει το κέρδος του αγρότη.
Η ανάγκη για άρδευση καθορίζεται κυρίως από τέσσερις παράγοντες: τη διαθεσιμότητα του νερού στο έδαφος, τις ανάγκες της καλλιέργειας σε νερό, την ποσότητα των βροχοπτώσεων και την αποτελεσματικότητα του συστήματος άρδευσης (Rhoads and Yonts, 2000). Υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις για τον ποσοτικό προσδιορισμό αυτών των παραγόντων, συμπεριλαμβανομένης της μέτρησης της υγρασίας του εδάφους, της φυτικής θερμοκρασίας και της εξατμισοδιαπνοής. Μελέτες έχουν διερευνήσει τη δυνατότητα χρήσης θερμικών εικόνων από διάφορες πλατφόρμες (π.χ. δορυφόρους, εναέριους και UAV) ως εργαλείο μέτρησης αυτών των μεταβλητών (Shafian and Maas, 2015, Hillel, 2013, Soliman κ.ά., 2013, Chávez et al. , 2008), και απέδειξε ότι η έγκαιρη διαθεσιμότητα αυτών των δεδομένων κατά τη διάρκεια των κρίσιμων φαινολογικών φάσεων των καλλιεργειών θα μπορούσε να βελτιστοποιήσει τόσο τη συχνότητα όσο και τη χρονική διάρκεια των χρονοδιαγραμμάτων άρδευσης.
Ανίχνευση υγρασίας εδάφους
Μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει την θερμική τηλεπισκόπηση για την ανίχνευση της υγρασίας του εδάφους για να βοηθήσει στον προγραμματισμό της άρδευσης (Shafian and Maas, 2015, Soliman et al., 2013, Carlson, 2007). Ο δείκτης υγρασίας εδάφους και η μέθοδος τριγώνου είναι ευρέως χρησιμοποιούμενες προσεγγίσεις για τη μέτρηση της υγρασίας του εδάφους με τη χρήση θερμικών εικόνων.
Η μέθοδος του τριγώνου βασίζεται σε μια ερμηνεία της κατανομής της εικόνας (pixel) στην επιφανειακή ακτινοβολούμενη θερμοκρασία έως τον κλασματικό χώρο κάλυψης της βλάστησης. Ένα τρίγωνο αναδύεται επειδή το εύρος των επιφανειακών ακτινοβολιών μειώνεται καθώς αυξάνεται η βλάστηση. Εμφανίζεται μια κορυφή που δείχνει το στενό εύρος της θερμοκρασίας ακτινοβολίας της επιφάνειας πάνω από την πυκνή βλάστηση (Carlson 2007).
Η βλάστηση που υπόκειται σε υδατικό στρες συνήθως παρουσιάζει αύξηση της θερμοκρασίας της ακτινοβολίας σε σύγκριση με τη βλάστηση που είναι καλά ποτισμένη. Οι Shafian και Maas (2015) ανέπτυξαν τον δείκτη υγρασίας ανάστροφου εδάφους (Perpendicular Soil Moisture Index - PSMI) χρησιμοποιώντας δεδομένα πρώτης ψηφιακής μέτρησης στις κόκκινες, NIR και θερμικές ζώνες από δορυφορικές εικόνες Landsat και κατέδειξαν ότι ο PSMI συσχετίζεται έντονα με την παρατηρούμενη υγρασία του εδάφους.
Παρακολούθηση της καταπόνησης του νερού
Χρησιμοποιώντας θερμικές εικόνες, οι μελέτες έχουν παρακολουθήσει τη θερμοκρασία του κελύφους και την ατομική αγωγιμότητα για τον προσδιορισμό της τάσης του νερού καλλιέργειας. Χρησιμοποιώντας τη θερμοκρασία του κελύφους, ο Jackson και οι συνάδελφοί του (Jackson et al., 1981) πρότειναν την έννοια του CWSI για την ανίχνευση της πίεσης του νερού καλλιέργειας. Ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ της θερμοκρασίας του αέρα (Ta) και του θόλου (Tc), ομαλοποιημένη για τη ζήτηση λόγω εξατμίσεων, όπως προσδιορίζεται με τη βοήθεια ενός κατώτατου ορίου και ένα ανώτερο όριο με το θόλο, όπως φαίνεται στην εξίσωση:
CWSI = (Tc – Ta) - (Tc – Ta)LL/ (Tc – Ta)UL – (Tc – Ta)LL
όπου UL και LL είναι το ανώτερο και κατώτερο όριο, αντίστοιχα. Υπάρχουν αρκετές συνθέσεις για τον προσδιορισμό του CSWI και ποικίλλουν με βάση την προσέγγιση που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των UL και LL (Agam et al., 2013, Gonzalez-Dugo et al., 2014).
Παρακολούθηση του εξατμισοδιαπνοής και της ξηρασίας
Η εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ) μεταφέρει ένα μεγάλο όγκο νερού από το έδαφος, μέσω της εξάτμισης, και τη βλάστηση, μέσω της διαπνοής, στην ατμόσφαιρα. Επομένως, οι αξιόπιστες εκτιμήσεις ΕΤ είναι ουσιώδεις για τη βελτίωση της διαχείρισης άρδευσης των καλλιεργειών σε κλίμακες τόσο σε επίπεδο καλλιέργειας όσο και σε περιφερειακό επίπεδο. Στο πλαίσιο μιας προσέγγισης προγραμματισμού άρδευσης που βασίζεται στην ΕΤ, οι απώλειες ΕΤ αντικαθίστανται στη ζώνη ρίζας για την κάλυψη των αναγκών των φωτών σε νερό. Η εξατμισοδιαπνοή είναι μια ενεργειακά απαιτητική διαδικασία. Οι υψηλότερες τιμές ΕΤ μειώνουν τη θερμοκρασία επιφάνειας των φύλλων και των φυτών.
Χρησιμοποιώντας θερμικές εικόνες, μελέτες έχουν επίσης εκτιμήσει εμπειρικούς δείκτες όπως ο δείκτης υγείας της βλάστησης (VHI) και ο δείκτης στρες εξάτμισης (ESI) που παρέχουν ειδοποιήσεις επερχόμενης ξηρασίας (Anderson et al., 2013). Το ESI περιγράφει ανωμαλίες στον πραγματικό λόγο αναφοράς ΕΤ και προκύπτει με βάση την θερμοκρασία επιφάνειας των φύλλων (LST) και τους δείκτες της περιοχής των φύλλων. Το VHI που παρουσιάζεται στην εξίσωση (i) είναι μια σύνθεση του δείκτη της κατάστασης της βλάστησης (VCI), υπολογιζόμενο από τον κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης (NDVI) (Εξίσωση (ii)) και ii) τον δείκτη θερμοκρασίας (TCI) ) υπολογιζόμενο από τη θερμοκρασία φωτεινότητας (TB) από τα θερμικά δεδομένα. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υποκατάστατο για την παρακολούθηση της υγείας της βλάστησης, της ξηρασίας, της υγρασίας και των θερμικών συνθηκών (Choi et al., 2013).
VHI = (VCI + TCI) / 2 (i)
VCI = 100(NDVI – NDVImin) / (NDVImax – NDVImin) (ii)
TCI = 100(TBmax – TB) / (TBmax – Tbmin) (iii)
Ανίχνευση ασθένειας φυτών
Η ασθένεια των φυτών έχει ως αποτέλεσμα σημαντικές απώλειες στην παραγωγή και την οικονομία της γεωργίας. Με τη χρήση της θερμικής τηλεπισκόπησης, μελέτες έχουν δείξει τη δυνατότητα εκτίμησης και παρακολούθησης των χωρικών και χρονικών προτύπων των ασθενειών της καλλιέργειας πριν από την ολική ανάπτυξή τους κατά τη διάρκεια των διαφόρων φάσεων ανάπτυξης τους (Πίνακας 2).
Επίσης, μελέτες (Mahlein, 2016, Mahlein et al., 2012, Stoll et al., 2008) έδειξαν ότι οι θερμικοί αισθητήρες είναι πιο αποτελεσματικοί στην ανίχνευση των πρώιμων αλλαγών που προκαλούνται από ασθένειες στην αναπνοή των φυτών, στην υδατική τους κατάσταση, και στην θερμοκρασία των φύλλων, σε σχέση με τους οπτικούς, πολυφασματικούς και υπερφασματικούς αισθητήρες. Οι θερμικές εικόνες θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση των περιβαλλοντικών συνθηκών (π.χ. υγρασία των φύλλων και της διάρκειας των περιόδων υγρασίας) ευνοϊκών για λοιμώξεις από παθογόνους μικροοργανισμούς, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μοντέλα που ποσοτικοποιούν την πιθανότητα του κινδύνου ασθένειας των καλλιεργειών (Mahlein et al., 2012).
Χαρτογράφηση απόδοσης των καλλιεργειών
Η ακριβής και έγκαιρη εκτίμηση της απόδοσης των καλλιεργειών είναι χρήσιμη για τους αγρότες για πολλούς λόγους, συμπεριλαμβανομένης της ασφάλισης των καλλιεργειών, του προγραμματισμού των απαιτήσεων συγκομιδής και αποθήκευσης και του προϋπολογισμού των ταμειακών ροών. Οι θερμικές εικόνες έχουν στενή σχέση με την απόδοση των καλλιεργειών και έτσι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση και την εκτίμηση της απόδοσης των καλλιεργειών (Εικόνα 1).
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Αυτή η εργασία έχει παρουσιάσει εν συντομία την τρέχουσα κατάσταση της τεχνολογίας και την πιθανή εφαρμογή της θερμικής τηλεπισκόπησης στην γεωργία ακριβείας. Οι πιθανές εφαρμογές των θερμικών εικόνων στην γεωργία ακριβείας περιλαμβάνουν, χωρίς περιορισμό, την παρακολούθηση του υδατικού στρες στα φυτά, την παρακολούθηση της ξηρασίας, την ανίχνευση ασθενειών στα φυτά, την χαρτογράφηση των εδαφικών ιδιοτήτων, την κάλυψη των υπολειμμάτων και τη χαρτογράφηση του εδάφους, την χαρτογράφηση της ωριμότητας των καλλιεργειών και την εκτίμηση της απόδοσης. Αν και η θερμική τηλεπισκόπηση έχει πολλά πιθανά πλεονεκτήματα έναντι της οπτικής στην παρακολούθηση των καλλιεργειών και του εδάφους, υπάρχουν ορισμένες πρακτικές δυσκολίες στην χρήση της, συμπεριλαμβανομένης της ατμοσφαιρικής εξασθένησης και απορρόφησης, της βαθμονόμησης, των κλιματικών συνθηκών, των σταδίων ανάπτυξης των καλλιεργειών καθώς και της σύνθετης αλληλεπίδρασης εδάφους και φυτών που μέχρι στιγμής έχουν περιορίσει τη χρήση τους στον γεωργικό τομέα. Ωστόσο, η πρόοδος στις τεχνολογίες UAV και οι πιέσεις για μεγαλύτερη ακρίβεια στις γεωργικές εφαρμογές είναι πιθανό να προσφέρουν πραγματική ώθηση για την αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων και την αυξημένη ενσωμάτωση της θερμικής τηλεπισκόπησης στη λήψη αποφάσεων στον τομέα της γεωργίας.
