Παρακολούθηση καλλιέργειας καλαμποκιού και συγκομιδής με τη χρήση οπτικών και RADARSAT-2 εικόνων
Από RemoteSensing Wiki
Jesus Soria-Ruiz
Geomatics Lab. National Institute of Research for Forestry, Agriculture and Livestock (INIFAP) Zinacantepec, Mexico
Heather McNairm
Remote Sensing Application Agriculture and Agri-food Canada -Lethbridge, Alberta, Canada
Yolanda Fernandez-Ordonez
Geo-Informatics Program Colegio de Postgraduados - Montecillo, Mexico
Joni Bugden-Storie
Department of Geosciences Western Carolina University - Collowhee, NC 28723, USA
ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ
Η γεωργία είναι σήμερα ένας οικονομικά, κοινωνικά και περιβαλλοντικά ευαίσθητος τομέας. Η Δορυφορική Τηλεπισκόπηση στηρίζει στις μέρες μας μια αντικειμενική, σφαιρική και ακριβή προσέγγιση για τη διαχείριση των πόρων και έχει γίνει ζωτικής σημασίας για τα γεωργικά αποθέματα, την παρακολούθηση της υγείας των καλλιεργειών και την πρόβλεψη των αποδόσεών τους. Στον τομέα της γεωργίας, οι συνθήκες του εδάφους και των καλλιεργειών αλλάζουν μέρα με τη μέρα και όλη την καλλιεργητική περίοδο. Επιπλέον η ετερογένεια των τρόπων καλλιέργειας του καλαμποκιού στο Μεξικό είναι πολύ μεγάλη και για το λόγο αυτό στοιχεία σχετικά με την ποικιλία του καλαμποκιού, την καλλιεργητική κατάσταση των φυτειών και την πρόβλεψη των τελικών τους αποδόσεων είναι δύσκολο να αποκτηθούν. Με την υπό εξέταση εφαρμογή η Ομοσπονδιακή Κυβέρνηση στο Μεξικό επιχειρεί να προβλέψει το μέγεθος της παραγωγής καλαμποκιού στο κεντρικό Μεξικό, ώστε να εκτιμήσει –πριν τη συγκομιδή- τις ποσότητες καλαμποκιού που θα πρέπει να εισαχθούν για να αντιμετωπιστεί πιθανό εγχώριο έλλειμμα στην αγορά του προϊόντος (Εκτίμηση παραγωγής-Crop Monitoring). Στην εν λόγω εφαρμογή για το σκοπό που προαναφέρθηκε αναπτύσσεται μια μεθοδολογία η οποία χρησιμοποιεί ραντάρ σε συνδυασμό με οπτική τηλεπισκόπηση. Η ταξινόμηση της ποικιλίας του καλαμποκιού μέσω ραντάρ απαιτεί σύνολα δεδομένων με πολλαπλές πολώσεις. Έχει επίσης αναφερθεί πρόσφατη έρευνα η οποία αξιολογεί με σχετική ακρίβεια την ταξινόμηση καλλιεργειών-στόχων και η οποία χρησιμοποιεί συνδυασμό πολλαπλών πολώσεων χρησιμοποιώντας αερομεταφερόμενα δεδομένα. Επιπλέον για τον προσδιορισμό του τύπου ή της ποικιλίας του καλαμποκιού είναι πολύτιμο να προσδιοριστεί το επίπεδο ανάπτυξης των φυτών. Η καλλιεργητική κατάσταση της φυτείας χαλαρά οριζόμενη ως ευρωστία σε συγκεκριμένο στάδιο ανάπτυξης, σχετίζεται με την παραγωγικότητα και την τελική απόδοση των φυτειών εν τούτοις η σχέση μεταξύ τους είναι περίπλοκη. Κύριοι δείκτες της κατάστασης των καλλιεργειών είναι η βιομάζα, το ύψος, η φυλλική επιφάνεια και η περιεκτικότητα των φυτών σε νερό, χλωροφύλλη και άζωτο. Η χαρτογράφηση των ποικιλιών μιας καλλιέργειας και της καλλιεργητικής της κατάστασης είναι μεταξύ των εφαρμογών που αναμένεται να ωφεληθούν περισσότερο από τις τεχνικές βελτιώσεις που ενσωματώνονται στο RADARSAT-2. Η δυναμική των RADARSAT-1 δεδομένων για τις εφαρμογές αυτές έχει αξιολογηθεί ως «περιορισμένη», ενώ αντίθετα για RADARSAT-2 δεδομένα η αντίστοιχη δυναμική αναμένεται να είναι "ισχυρή".
ΣΤΟΧΟΙ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ
Οι στόχοι της υπό εξέταση εφαρμογής είναι: α) να χρησιμοποιήσει RADARSAT-2 και οπτικά δεδομένα για τον προσδιορισμό των καλλιεργούμενων εκτάσεων και την παρακολούθηση της καλλιεργητικής κατάστασης για την καλύτερη εκτίμηση της απόδοσης των καλλιεργειών β) να αποκτήσει υπογραφές πόλωσης από τα RADARSAT-2 δεδομένα για το καλαμπόκι και να τις συσχετίσει με το Leaf Area Index, τη φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία (PAR), καλλιεργητικές παραμέτρους και δείκτες βλάστησης ώστε να καθορίσει τους δείκτες της κατάστασης των καλλιεργειών και να παράγει εκτιμήσεις για την απόδοσή τους γ) να χρησιμοποιήσει δεδομένα τα οποία έχουν ληφθεί από επιτόπια παρατήρηση, τα οποία έχουν συλλεχθεί για 3 βασικά στάδια ανάπτυξης από πάνω από 300 πιλοτικά αγροτεμάχια κατά τη διάρκεια της περιόδου 2001-2006, και να αυξήσει τον αριθμό των αγροτεμαχίων για την κατασκευή μιας βάσης δεδομένων για την υποστήριξη μελετών ακριβείας οι οποίες χρησιμοποιούν RADARSAT-2 δεδομένα Τα αναμενόμενα οφέλη αυτού του προγράμματος είναι: - να αποκτηθούν γνώσεις σχετικά με το είδος των καλλιεργειών, την κατάσταση των καλλιεργειών και την απόδοσή τους με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό, τι με τις τρέχουσες μεθόδους - να υποστηριχθούν οι εθνικές ενώσεις των παραγωγών ώστε να σχεδιάσουν τις δραστηριότητες που σχετίζονται με τα εθνικά στρατηγικά πλάνα -να υποστηριχθεί η βιομηχανία που σχετίζεται με το καλαμπόκι και ο κυβερνητικός μηχανισμός λήψης αποφάσεων Σχετικά αποτελέσματα με οικονομικές επιπτώσεις συνεπάγονται επιχειρησιακή χρήση των RADARSAT- 2 δεδομένων στον αγροτικό τομέα στο Μεξικό.
ΠΑΛΑΙΟΤΕΡΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ
Η πιο διαδεδομένη ακόμα και σήμερα μέθοδος εκτίμησης της παραγωγής είναι η δειγματοληπτική επιτόπια παρατήρηση στον αγρό η οποία απαιτεί πολύ χρόνο και ανθρώπινο δυναμικό ενώ η ακρίβειά της σχετίζεται με τον αριθμό των επαναλήψεων και την εμπειρία του προσωπικού που διενεργεί τους ελέγχους
Η ΥΠΟ ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ
Το ορατό φάσμα, μήκη κύματος υπερύθρων και μικροκυμάτων είναι ευαίσθητα σε πολύ διαφορετικά χαρακτηριστικά των καλλιεργειών. Δεδομένα από οπτικούς και ραντάρ αισθητήρες συνεπώς είναι συμπληρωματικά. Το Ραντάρ συνθετικού διαφράγματος (SAR) ανταποκρίνεται στη δομή μιας μεγάλης κλίμακας καλλιέργειας (μέγεθος, σχήμα και προσανατολισμός των φύλλων, των μίσχων, των καρπών) και στις διηλεκτρικές ιδιότητες της βλάστησης των καλλιεργειών. Ο αισθητήρας RADARSAT-2 ενσωματώνει state-of-the-art τεχνολογία και παρέχει τις πιο προηγμένες εμπορικά διαθέσιμες εικόνες ραντάρ στον κόσμο. Ο RADARSAT-2 είναι σε θέση να δίνει εικόνα χωρικής ανάλυσης που κυμαίνεται από 3 έως 100 μέτρα με πλάτη σάρωσης που κυμαίνονται από 10 έως 500 χιλιόμετρα. Επιπλέον, ο RADARSAT-2 είναι ο πρώτος εμπορικός δορυφόρος ραντάρ που προσφέρει πολλαπλή-πόλωση, μια δυνατότητα που βοηθά στον εντοπισμό ενός μεγάλου φάσματος χαρακτηριστικών και στόχων επιφανείας. Ο δορυφόρος είχε προγραμματιστεί για εκτόξευση το 2007. Εδώ εξετάζεται το όφελος από το συνδυασμό SPOT 5 εικόνων με χωρική ανάλυση 2.5 m στο παγχρωματικό που χρησιμοποιούνται για τη διάκριση καλλιεργειών καλαμποκιού από άλλες καλλιέργειες, με πολύ-πολωμένα RADARSAT-2 δεδομένα (HV και VH) υπό διαφορετικές γωνίες πρόσπτωσης.
Η εισαγωγή της λειτουργίας επιλεκτικής διπλής πόλωσης (SDP) και σε μεγαλύτερο βαθμό η λειτουργία τετράδυμης πόλωσης (QP) θα αυξήσει το δυναμικό για την απόκτηση ακριβών τιμών για τις παραμέτρους του τύπου των καλλιεργειών και τον προσδιορισμό της απόδοσης Η πόλωση των οπισθοσκεδαζόμενων μικροκυμάτων είναι συνάρτηση της πόλωσης των μεταδιδόμενων μικροκυμάτων και τα δομικά χαρακτηριστικά των υπό παρατήρηση παραμέτρων. Επιπλέον, η πόλωση των μεταδιδόμενων μικροκυμάτων δείχνει ποια στοιχεία της βλάστησης και του εδάφους συμβάλλουν στο συνολικό ποσό της ενέργειας που σκεδάζεται πίσω στον αισθητήρα SAR. Διασταυρωτικά πολωμένες επιστροφές ραντάρ (HV ή VH) προκύπτουν από πολλαπλές αντανακλάσεις στο εσωτερικό του όγκου της βλάστησης. C-HV και C-VH εικόνες είναι ευαίσθητες στη δομή των καλλιεργειών και έτσι παρέχουν πληροφορίες που είναι συμπληρωματικές προς HH και VV εικόνες.
ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ
-Απόκτηση και επεξεργασία SPOT 5 δεδομένων και RADARSAT-2 εικόνων που καλύπτουν την περιοχή μελέτης. -Εργασίες πεδίου για τη μέτρηση παραμέτρων των καλλιεργειών σε πιλοτικά αγροτεμάχια, όπως LAI και PAR. -Δοκιμή διαφορετικών συνδυασμών πόλωσης ώστε να προκύψουν δομικά χαρακτηριστικά του καλαμποκιού. Χρησιμοποίηση QP για τον τύπο των καλλιεργειών και την καλλιεργητική κατάσταση και QP εξαιρετικά ακριβής για την εκτίμηση της απόδοσης. -Απόκτηση πληροφοριών οπισθοσκέδασης για την εκτίμηση καλλιεργητικών συνθηκών και των αποδόσεων και συσχετισμός με LAI από επιτόπιες μετρήσεις για να ληφθούν μοντέλα τα οποία εξηγούν τη σχέση αυτών των μεταβλητών -Χαρτογράφηση είδους, κατάστασης και της απόδοσης των καλλιεργειών και καθορισμός της σχετικής ακρίβειας των μετρήσεων.
ΠΡΟΚΑΤΑΡΚΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Από ανάλυση των καλλιεργούμενων εκτάσεων το 2004, το 2005 και το 2006 με τα δεδομένα SPOT παρουσιάζεται μια φθίνουσα τάση της έκτασης η οποία οφείλεται εν μέρει στη χαμηλή τιμή αγοράς καλαμποκιού, αλλά και στη συνεχή επέκταση των αστικών περιοχών. Η ποιότητα των δεδομένων επαληθεύτηκε με ένα Πίνακα confusion. H ακρίβεια των SPOT δεδομένων ήταν 78% και αναμένεται ότι θα βελτιωθεί με την πληροφορία που θα προκύψει από RADARSAT-2 δεδομένα τα οποία συμπληρώνονται με τα αποτελέσματα SPOT. Αυτό αναμένεται σε σχέση και με προηγούμενη παρόμοια εργασία σε μια περιοχή γειτονική της περιοχής της τρέχουσας μελέτης όπου συγχωνεύθηκαν Landsat 7 και RADARSAT-1 δεδομένα.
Πηγή εργασίας: https://www.researchgate.net/publication/224301329_Corn_monitoring_and_crop_yield_using_optical_and_RADARSAT-2_images
