Τα βασικά της Τηλεπισκόπησης στην γεωργία

Από RemoteSensing Wiki

John Nowatzki

Geospatial Technology Specialist NDSU Extension Service

Robert Andres

Professor UND Department of Space Studies

Karry Kyllo

Graduate Student UND Department of Space Studies

ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Όταν οι αγρότες ή οι κτηνοτρόφοι επιτηρούν τα χωράφια ή τα βοσκοτόπια τους για να αξιολογήσουν την κατάστασή τους, χωρίς φυσική επαφή με αυτά, είναι μια μορφή της τηλεπισκόπησης. Παρατηρώντας τα χρώματα των φύλλων ή της συνολικής εμφάνισης των φυτών μπορούν να καθορίσουν την κατάσταση της φυτείας. Τηλεπισκοπικές εικόνες που λαμβάνονται από δορυφόρους και αεροσκάφη παρέχουν ένα μέσο για την αξιολόγηση της καλλιεργητικής κατάστασης από μια οπτική γωνία, ψηλά πάνω από το πεδίο. Οι περισσότεροι τηλεπισκοπικοί αισθητήρες «βλέπουν» τα ίδια ορατά μήκη κύματος του φωτός που διακρίνονται και από το ανθρώπινο μάτι, αν και στις περισσότερες περιπτώσεις τηλεπισκοπικοί αισθητήρες μπορούν επίσης να ανιχνεύσουν την ενέργεια από μήκη κύματος που δεν είναι ανιχνεύσιμα από το ανθρώπινο μάτι. Η απομακρυσμένη οπτική γωνία του αισθητήρα και η ικανότητα να αποθηκεύει, αναλύει, και να εμφανίζει τα δεδομένα που ανιχνεύονται σε χάρτες πεδίου είναι αυτό που κάνει την τηλεπισκόπηση ένα δυνητικά σημαντικό εργαλείο για τους παραγωγούς γεωργικών προϊόντων. Η γεωργική τηλεπισκόπηση δεν είναι καινούργια και χρονολογείται από τη δεκαετία του 1950, αλλά οι πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις έχουν καταστήσει τα οφέλη της τηλεπισκόπησης προσιτά στους περισσότερους παραγωγούς γεωργικών προϊόντων.

ΣΤΟΧΟΙ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Οι τηλεπισκοπικές εικόνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό ελλείψεων θρεπτικών συστατικών, ασθενειών, έλλειψης ή πλεονάσματος νερού, ζιζανίων, εντόμων, ζημιών από χαλάζι, ανέμους και ζιζανιοκτόνα, και να προσδιορίσει των πληθυσμό των φυτών. Πληροφορίες από την τηλεπισκόπηση μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βάση για μεταβλητές εφαρμογές λιπασμάτων και φυτοφαρμάκων. Οι πληροφορίες από τις τηλεπισκοπικές εικόνες επιτρέπουν στους γεωργούς να επέμβουν μόνο για περιοχές των αγροτεμαχίων οι οποίες επηρεάζονται. Προβλήματα εντός ενός αγροτεμαχίου μπορούν να αναγνωριστούν από απόσταση πριν να μπορούν να αναγνωριστούν οπτικά. Κτηνοτρόφοι χρησιμοποιούν την τηλεπισκόπηση για τον εντοπισμό προνομιακών περιοχών βοσκής, ή περιοχών που έχουν μολυνθεί με ζιζάνια. Πιστωτικά ιδρύματα χρησιμοποιούν τα δεδομένα της τηλεπισκόπησης για να αξιολογήσουν τις σχετικές αξίες της γης με τη σύγκριση αρχειοθετημένων εικόνων με αυτές των γύρω χωραφιών.

ΠΑΛΑΙΟΤΕΡΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ

Η πιο διαδεδομένη ακόμα και σήμερα μέθοδος εκτίμησης της παραγωγής και διαχείρισης ενός αγροτεμαχίου ή βοσκότοπου είναι η δειγματοληπτική επιτόπια παρατήρηση στο αγροτεμάχιο 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

Οι βασικές αρχές της τηλεπισκόπησης με δορυφόρους και αεροσκάφη είναι παρόμοια με τις οπτικές παρατηρήσεις. Ενέργεια με τη μορφή κυμάτων φωτός ταξιδεύει από τον ήλιο στη Γη. Κύματα φωτός ταξιδεύουν παρόμοια με τα κύματα που ταξιδεύουν σε μια λίμνη. Η απόσταση από την κορυφή του ενός κύματος στην κορυφή του επόμενου κύματος είναι το μήκος κύματος. Η ενέργεια από το φως του ήλιου ονομάζεται ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Τα μήκη κύματος που χρησιμοποιούνται στις περισσότερες εφαρμογές γεωργικής τηλεπισκόπησης καλύπτουν μόνο μια μικρή περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Τα μήκη κύματος μετρώνται σε μικρόμετρα (μm) ή νανόμετρα (nm). Ένα μm είναι περίπου .00003937 ίντσες και ισούται με 1.000 nm. Η ορατή περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος είναι περίπου από 400 nm έως περίπου 700 nm. Το πράσινο χρώμα που συνδέεται με την ευρωστία του φυτού έχει μήκος κύματος που επικεντρώνεται κοντά στα 500 nm (Σχήμα 1).

Μήκη κύματος μεγαλύτερα από εκείνα στην περιοχή του ορατού και μέχρι περίπου 25 μm είναι στην υπέρυθρη περιοχή. Η περιοχή του υπέρυθρου που είναι πλησιέστερη προς εκείνη του ορατού είναι η περιοχή του εγγύς υπερύθρου (NIR). Τόσο οι ορατές όσο και οι περιοχές του υπέρυθρου χρησιμοποιούνται στις εφαρμογές γεωργικής τηλεπισκόπησης.

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

Όταν ηλεκτρομαγνητική ενέργεια από τον ήλιο προσπίπτει στα φυτά, τρία πράγματα μπορεί να συμβούν. Ανάλογα με το μήκος κύματος της ενέργειας και τα χαρακτηριστικά των μεμονωμένων φυτών, η ενέργεια ανακλάται, απορροφάται, ή σκεδάζεται. Η ανακλώμενη ενέργεια αναπηδά από τα φύλλα και αναγνωρίζεται εύκολα από το ανθρώπινο μάτι, ως το πράσινο χρώμα των φυτών. Ένα φυτό φαίνεται πράσινο επειδή η χλωροφύλλη στα φύλλα απορροφά μεγάλο μέρος της ενέργειας στα ορατά μήκη κύματος και το πράσινο χρώμα αντανακλάται. Το φως του ήλιου που δεν ανακλάται ή απορροφάται σκεδάζεται μέσα από τα φύλλα στο έδαφος. Αλληλεπιδράσεις μεταξύ ανάκλασης, απορρόφησης, και σκέδασης ενέργειας μπορούν να ανιχνευθούν με την τηλεπισκόπηση. Η σχέση μεταξύ ανακλώμενης, απορροφώμενης και σκεδαζόμενης ενέργειας χρησιμοποιείται για να καθορίσει τις φασματικές υπογραφές των φυτών. Οι φασματικές υπογραφές είναι μοναδικές για κάθε είδος φυτών. Οι φασματικές υπογραφές των καταπονημένων φυτών εμφανίζονται διαφορετικές από εκείνες των υγιών. Στο Σχήμα 3 συγκρίνονται οι φασματικές υπογραφές των υγιών και μη ζαχαροτεύτλων.

Η σύγκριση των τιμών ανάκλασης σε διαφορετικά μήκη κύματος που ονομάζεται φυτικός δείκτης, συνήθως χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της ευρωστίας των φυτών. Ο πιο κοινός φυτικός δείκτης είναι ο βλαστικός δείκτης κανονικοποιημένης διαφοράς (NDVI). Ο NDVI συγκρίνει τις τιμές ανακλαστικότητας των περιοχών του κόκκινου και του εγγύς υπέρυθρου του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Η τιμή του NDVI σε μια εικόνα βοηθά στον εντοπισμό περιοχών διαφόρων επιπέδων ευρωστίας στο πεδίο.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Υπάρχουν πολλοί παράγοντες για να εξετάσει κάποιος, όταν επιλέγει ένα σύστημα τηλεπισκόπησης για μια συγκεκριμένη εφαρμογή, συμπεριλαμβανομένων της χωρικής ανάλυσης, της φασματικής ανάλυσης, της ραδιομετρικής ανάλυσης , και της χρονικής ανάλυσης. Η χωρική ανάλυση αναφέρεται στο μέγεθος του μικρότερου αντικειμένου που μπορεί να βρίσκεται στο πεδίο ή να ανιχνεύεται σε μια εικόνα. Η φασματική ανάλυση αναφέρεται στον αριθμό των ζωνών και το πλάτος του μήκους κύματος κάθε μπάντας. Μια μπάντα είναι ένα στενό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος Η ραδιομετρική ανάλυση αναφέρεται στην ευαισθησία ενός αισθητήρα τηλεχειρισμού στις διάφορες διακυμάνσεις των επιπέδων ανάκλασης Η χρονική ανάλυση αναφέρεται στο πόσο συχνά μια πλατφόρμα ανίχνευσης μπορεί να παρέχει κάλυψη μιας περιοχής. Το Σχήμα 4 απεικονίζει ένα δορυφορικό σύστημα τηλεανίχνευσης όπως εφαρμόζεται σε διαδικασίες γεωργικής παρακολούθησης. Ο ήλιος (Α) εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ενέργεια (Β) για τα φυτά (C). Ένα τμήμα της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας μεταδίδεται μέσω των φύλλων. Ο αισθητήρας του δορυφόρου ανιχνεύει την ανακλώμενη ενέργεια (D). Τα δεδομένα στη συνέχεια διαβιβάζονται στο σταθμό εδάφους (Ε). Τα δεδομένα αναλύονται (F) και εμφανίζονται σε χάρτες πεδίου (G).

Πηγή: http://articles.extension.org/pages/9693/agricultural-remote-sensing-basics