Χαρτογράφηση δείκτη υδατικής καταπόνησης σε αμπελώνα της ποικιλίας Pinot noir
Από RemoteSensing Wiki
Χαρτογράφηση δείκτη υδατικής καταπόνησης σε αμπελώνα της ποικιλίας Pinot noir: σύγκριση επίγειων μετρήσεων με θερμικές εικόνες από μη επανδρωμένο αεροσκάφος
Mapping crop water stress index in a ‘Pinot-noir’ vineyard: Comparing ground measurements with thermal remote sensing imagery from an unmanned aerial vehicle
Συγγραφείς: Bellvert • P. J. Zarco-Tejada • J. Girona • E. Fereres
Δημοσίευση: 8 November 2013, Springer Science+Business Media New York 2013
Πηγή: 1
Αντικείμενο
Η αξιολόγηση της χωρικής μεταβλητότητας της υδατικής κατάστασης σε έναν αμπελώνα αποτελεί μια σημαντική προϋπόθεση στην άρδευση ακριβείας, οπότε ο δείκτης υδατικής καταπόνησης των καλλιεργειών (CWSI) χρησιμοποιήθηκε για τη χαρτογράφηση της χωρικής μεταβλητότητας των υδατικών ελλείψεων σε έναν αμπελώνα ποικιλίας "Pinot noir”. Ο δείκτης προσδιορίστηκε με βάση τις θερμοκρασίες του θόλου που μετρήθηκαν με αισθητήρες υπέρυθρης θερμοκρασίας οι οποίοι τοποθετήθηκαν στην κορυφή των πρέμνων. Έπειτα συσχετίστηκε με το υδατικό δυναμικό των φύλλων WL . Ένα μη επανδρωμένο εναέριο όχημα εξοπλισμένο με θερμική κάμερα πέταξε πάνω από τον αμπελώνα στις 7:30 στις 9:30 και στις 12:30. Την ίδια περίπου ώρα, μετρήθηκε το υδατικό δυναμικό WL. Χρησιμοποιώντας τα εναέρια δεδομένα αξιολογήθηκε ότι η τελευταία καταγραφή ώρας ήταν η ευνοϊκότερη ώρα για τη λήψη θερμικών εικόνων που συνδέονταν με τις τιμές WL. Η ανάλυση ευαισθησίας της μεταβολής του μεγέθους του εικονοστοιχείου έδειξε ότι ένα εικονοστοιχείο 0,3 m ήταν απαραίτητο για ακριβή χαρτογράφηση CWSI. Τέλος, οι χάρτες CWSI που προέκυψαν από τις αερομεταφερόμενες θερμικές εικόνες ήταν αποτελεσματικοί στην αξιολόγηση της χωρικής μεταβλητότητας της υδατικής καταπόνησης σε ολόκληρο τον αμπελώνα.
Σκοπός
Η συνετή και αποτελεσματική χρήση του αρδευτικού νερού είναι ιδιαίτερα σημαντική για τα αμπέλια καθώς καταλαμβάνουν τη μεγαλύτερη έκταση από όλες τις οπωροφόρες καλλιέργειες. Λύση σε αυτό αποτελεί η διερεύνηση του δείκτη υδατικής καταπόνησης της καλλιέργειας (CWSI), ο οποίος συσχετίζεται ισχυρά με το υδατικό δυναμικό WL. Σκοπός της μελέτης ήταν η χαρτογράφηση του CWSI σε έναν αμπελώνα με τη χρήση εναέριας απεικόνισης απο ένα μη επανδρωμένο αεροσκάφος και η συγκριη των αποτελεσμάτων αυτών με επίγειες μετρήσεις CWSI και WL. Για τον προσδιορισμό του CWSI απαιτείται η μέτρηση τριών περιβαλλοντικών μεταβλητών: της θερμοκρασία του θόλου (Tc), της θερμοκρασίας αέρα (Τa) και της διαφορά πίεσης υδρατμών (VPD). Η θερμοκρασία μετρήθηκε ως επί το πλείστον με αισθητήρες θερμοκρασίας υπέρυθρου ή με θερμικές εικόνες που ελήφθησαν κοντά στο έδαφος. Στόχο αποτέλεσαν επίσης και α) ο προσδιορισμός των επιπέδων του WL β)το ιδανικότερο μέγεθος εικονοστοιχείου με την υψηλότερη ακρίβεια και γ)ο προσδιορισμός της καλύτερης ώρας της ημέρας για τη συλλογή δεδομένων και τη χαρτογράφηση.
Υλικά και Μέθοδοι
Η έρευνα διεξήχθη κατά τις καλλιεργητικές περιόδους 2009 και 2010 σε μια έκταση 11 εκταρίων Pinot noir (vitis vinifera L.) που βρίσκεται στη Leida της Ισπανίας. Τα αμπέλια ήταν ηλικίας 16 ετών. Η έκταση χωρίστηκε σε τέσσερα μέρη και η άρδευση που εκτελέστηκε ήταν αυτή του προγράμματος του οινοποιείου. H συχνότητα άρδευσης κυμαινόταν από 3 έως 4 ημέρες ανά εβδομάδα με σύστημα στάγδην άρδευσης. Τέσσερις αισθητήρες θερμοκρασίας υπέρυθρου εγκαταστάθηκαν στην αρχή του πειράματος περίπου ένα μέτρο πάνω από δύο αμπέλια. Η θερμοκρασία του θόλου μετρήθηκε για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Τα βαθμονομημένα IRTS (αισθητήρες) εγκαταστάθηκαν κατά τέτοιο τρόπο ώστε με οπτική επιθεώρηση και με αρκετές μετρήσεις της θερμοκρασίας των φύλλων με χειροκίνητο θερμόμετρο να εξασφαλίζεται ότι το 100 % του σήματος θερμοκρασίας προερχόταν από τα φύλλα. Μια θερμική κάμερα εγκαταστάθηκε σε ένα UAV το οποίο πέταξε πάνω από τον αμπελώνα στις 07:30, 09:30 και στις 12:30 (η θερμοκρασία του αέρα ήταν 23,2 C στις 07:30, 26,6 C στις 09:30 h και 32,3 C στις 12:30 ). Οι εικόνες που ελήφθησαν είχαν χωρική ανάλυση 0,3 m που επέτρεψε την αποτύπωση μόνο του θόλου της αμπέλου και απέκλεισε το έδαφος και τις σκιές. Το υδατικό δυναμικό των φύλλων (WL) μετρήθηκε εβδομαδιαίως στις 12:00 μ.μ. στα τέσσερα αμπέλια πάνω από τα οποία είχαν εγκατασταθεί τα IRTS. Χρησιμοποιήθηκε θάλαμος πίεσης Scholander. Στις 28 Ιουλίου 2009, η WL και η αγωγιμότητα των στομάτων (gs) μετρήθηκαν σε έξι πρέμνα ανά μια ώρα από τις 07:30 έως τις 16:30 h. Παράλληλα με τις πτήσεις στις 09:30 και 12:30 h στις 31 Ιουλίου, μετρήθηκε η WL στις παρακολουθούμενες περιοχές για να συσχετιστεί η θερμοκρασία του θόλου που προέκυψε από τις εναέριες θερμικές εικόνες με τον δείκτη υδατικής καταπόνησης στο έδαφος. Το υδατικό δυναμικό των φύλλων μετρήθηκε σε 184 αμπέλια σε ένα φύλλο ανά αμπέλι, που επιλέχθηκαν εντός του πειραματικού αμπελώνα. Κάθε θέση προσδιορίστηκε γεωγραφικά με εξοπλισμό παγκόσμιου συστήματος εντοπισμού θέσης (GPS). Για τη διενέργεια των μετρήσεων αυτών, δύο ομάδες, εξοπλισμένες η καθεμία με ένα θάλαμο πίεσης σε ένα φορτηγό πραγματοποίησε όλες τις μετρήσεις ώστε να μπορούν να εκτελεστούν όλες μέσα στη 1 ώρα πτήσης. Χρησιμοποιήθηκαν μέθοδοι επεξεργασίας εικόνας από εικονοστοιχεία για την εξαγωγή της Tc στα αμπέλια όπου μετρήθηκε και το WL. Τα εικονοστοιχεία επιλέχθηκαν χειροκίνητα για κάθε αμπέλι για να διασφαλιστεί ότι μόνο τα εικονοστοιχεία του θόλου της αμπέλου ελήφθησαν. Τα ίδια εικονοστοιχεία χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση των σχέσεων CWSI-δυναμικού νερού των φύλλων. Το CWSI υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας εξίσωση και αναπτύχθηκε ένας χάρτης CWSI των αμπελώνων. Mε βάση την Tc για όλα τα αμπέλια έγιναν στατιστικές αναλύσεις.
Αποτελέσματα-Συζήτηση
Στην εικόνα 2 παρουσιάζεται η θερμική εικόνα του αμπελώνα που συλλέχθηκε στις 12:30 στις 31 Ιουλίου 2009 από το UAV και στην οποία μετρήθηκαν τα WL. Υπήρχε έντονη μεταβλητότητα στις θερμοκρασίες του θόλου σε ολόκληρο τον αμπελώνα.
Η Tc στις 7:30 ήταν 15 °C για τα καλά ποτισμένα αμπέλια και 23 °C για τα αμπέλια που είχαν υποστεί πίεση. Οι αντίστοιχες τιµές της θερµοκρασίας του εδάφους κυµάνθηκαν από 16 έως 34 °C. Αυτές οι διαφορές στις τιμές της θερμοκρασίας του εδάφους οφείλονταν στην επίδραση της φυτοκάλυψης στα καλά ποτισμένα τμήματα του αμπελώνα. Το δυναμικό νερού των φύλλων συσχετίστηκε καλύτερα με την Tc-Tα στις 12:30 h σε σύγκριση με τις 09:30 h, με πολύ υψηλότερο συντελεστή συσχέτισης (R2). Η μέγιστη τιμή Tc-Ta 7,8 °C βρέθηκε στις 12:30 h.
Η πρωινή ώρα (07:30 h) διαπιστώθηκε ότι δεν είναι κατάλληλη για την ανίχνευση της υδατικής καταπόνησης με θερμική απεικόνιση, λόγω των μικρών διαφορών που διαπιστώνονται μεταξύ εδάφους και θόλου. Είναι γνωστό ότι οι τιμές του WL στο αμπέλι παραμένουν μάλλον σταθερές για λίγες ώρες το μεσημέρι. Το Σχήμα 1α δείχνει τη χρονική περίοδο 09:00-10:00 h και το Σχήμα 1β δείχνει τη χρονική περίοδο 12:00-13:00 h. Η σχέση μεταξύ Tc-Ta και WL στις 09:30 h είχε χαμηλότερο R2. Φαίνεται επίσης ότι υπήρξε σταδιακή μείωση του gs σε συνδυασμό με τη μείωση του δυναμικού νερού. Κατά τη διάρκεια της πρωινής ώρας, τα αμπέλια που βρίσκονται σε κατάσταση στρες και τα καλά ποτισμένα αμπέλια παρουσιάζουν μικρές διαφορές στο gs. Ωστόσο, ενώ τα καταπονημένα αμπέλια έκλεισαν πλήρως τα στομάτια από τις 10:00 h και έφθασαν στο μέγιστο στρες (χαμηλότερο WL), τα καλά ποτισμένα αμπέλια εξακολουθούσαν να διατηρούν τα στομάτια εν μέρει ανοικτά και η gs μειώθηκε από 320 σε 90 mmol m-2s-1. Κατά τη διάρκεια του χρονικού διαστήματος 09:00-10:00, το g στα μη καταπονημένα αμπέλια ήταν αρκετά μεταβλητό λόγω της σκίασης των φύλλων. Η σκίαση των φύλλων θα μπορούσε να επηρεάσει την ετερογένεια της θερμοκρασίας του θόλου λόγω διαφορετικών βαθμών αγωγιμότητας των στομάτων εντός του θόλου της αμπέλου Παρόμοια αποτελέσματα αναφέρθηκαν από ερευνητές οι οποίοι διαπίστωσαν, σε φιστικιές, ένα ευρύ φάσμα CWSI για παρόμοιες μεσημεριανές τιμές WL σε ένα εύρος ήπιας καταπόνησης. Επομένως, στις 09:30 h, τα ήπια καταπονημένα αμπέλια εντός του αμπελώνα είχαν διαφορετικούς βαθμούς στοματικής αγωγιμότητας και ρυθμούς διαπνοής για παρόμοιες τιμές WL. Κατά συνέπεια, για τα ήπια καταπονημένα αμπέλια, μπορεί να υπάρχει μεγάλη παραλλακτικότητα της Tc-Ta.
Οι θερμικές εικόνες καταγράφουν τη θερμοκρασία των φύλλων στην κορυφή της κόμης. Στις 09:30 h, η ζενίθια ηλιακή γωνία είναι χαμηλότερη από ό,τι το μεσημέρι και σχεδόν τα μισά φύλλα δεν εκτίθενται στην άμεση ηλιακή ακτινοβολία. Τα pixels που περιείχαν σκιασμένα φύλλα είχαν χαμηλότερη θερμοκρασία από εκείνα που περιείχαν μόνο ηλιοφωτισμένα φύλλα. Όταν αναμειγνύονται εικονοστοιχεία με διαφορετικά φορτία ακτινοβολίας, η μεταβλητότητα στις θερμοκρασίες των αμπελιών θα ήταν πολύ μεγαλύτερη για το ίδιο WL των αμπελιών. Ο προσανατολισμός της γραμμής έχει επίσης σημασία για την ώρα της ημέρας κατά την οποία η παρεχόμενη ακτινοβολία είναι μέγιστη και θα μπορούσε να επηρεάσει την έκθεση του θόλου στην ηλιακή ακτινοβολία. Οι ημερήσιες μεταβολές των WL και Tc στο εσωτερικό του θόλου λόγω των σκιασμένων φύλλων και/ή της μεταβλητότητας στο κλείσιμο των στομάτων έδειξαν ότι η πιο ευνοϊκή ώρα της ημέρας για τη λήψη θερμικών εικόνων που χαρακτηρίζουν καλύτερα την κατάσταση του νερού των αμπελιών είναι γύρω στο μεσημέρι, π.χ. κατά τη διάρκεια των12:00-13:30 h.
Η χωρική ανάλυση εικονοστοιχείων εξαρτάται από τον όγκο του θόλου κάθε καλλιέργειας. Ο όγκος του φυτικού θόλου για το αμπέλι είναι σχετικά χαμηλός σε σύγκριση π.χ. με τα ξυλώδη δέντρα. Επιπλέον, στα αμπέλια με συστήματα πέργκολας, το πλάτος του θόλου που παρατηρείται από την κορυφή είναι αρκετά μικρό (περίπου 0,25-0,4 m). Για τις δύο υπό μελέτη χρονικές στιγμές μέτρησης, υπήρξε παρόμοια εικόνα μείωσης του R2 με αύξηση του μεγέθους των εικονοστοιχείων. Στις 09:30 h, η αύξηση του μεγέθους του εικονοστοιχείου είχε ελαφρώς μικρότερη επίδραση σε σύγκριση με τις 12:30 h, πιθανώς λόγω των ελάχιστων διαφορών θερμοκρασίας μεταξύ εδάφους και βλάστησης κατά τη διάρκεια της πρωινής ώρας. Οι τιμές του Tc-T αυξάνονται με το μέγεθος του εικονοστοιχείου. Όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος του εικονοστοιχείου, τόσο μεγαλύτερη είναι η επίδραση της θερμοκρασίας του εδάφους. Αυτό θα επηρεάσει τις τιμές CWSI υπερβαίνοντας το μέγιστο όριο της μονάδας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι, στην αμπέλου, είναι απαραίτητη η λήψη θερμικών εικόνων υψηλής ανάλυσης με μέγεθος εικονοστοιχείου τουλάχιστον 0,30 m.
Οι υπολογισμοί του δείκτη υδατικής καταπόνησης σε ατομικό επίπεδο αμπέλου χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών CWSI με τιμές που κυμαίνονταν από 0 έως 1. Ωστόσο, η Tc-Ta ανταποκρινόταν στην VPD μόνο από τις 10:00 έως τις 16:00. Τις ώρες αυτές, η ηλιακή ενέργεια προσπίπτει στην επιφάνεια σε πολύ χαμηλές γωνίες ύψους. Η αύξηση της κορυφής της NWSB κατά τη διάρκεια του πρωινού εξηγείται κυρίως από την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας, η οποία μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Ο χάρτης CWSI προέκυψε από την εξίσωση 2, χρησιμοποιώντας την Tc όλων των αμπελιών. Στο Σχήμα 2a παρουσιάζονται αναλυτικά οι τιμές CWSI των μεμονωμένων αμπελιών χωρίς παρεμβολές από το έδαφος. Αυτό είναι δυνατό μόνο με θερμικές εικόνες υψηλής ανάλυσης. Με την παρεμβολή των τιμών CWSI των μεμονωμένων αμπελιών, είναι δυνατή η δημιουργία χαρτών CWSI (Σχήμα 2β) που επιτρέπουν τον εντοπισμό ζωνών διαφορετικών επιπέδων κατάστασης νερού εντός του αμπελώνα. Το κύριο πλεονέκτηµα της χρήσης χαρτών CWSI είναι ότι είναι δυνατή η διαχείριση της άρδευσης σε µεγάλη κλίµακα λαµβάνοντας υπόψη τη χωρική µεταβλητότητα της κατάστασης του νερού των αµπελώνων. Μέχρι σήµερα, η διαχείριση και η συγκοµιδή των αµπελώνων για την παραγωγή οίνου υψηλής ποιότητας γινόταν µε βάση τις διαφορές στη σύνθεση των µούρων εντός του αµπελώνα. Οι χάρτες CWSI θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τη χρήση του WL ως δείκτη υδατικής καταπόνησης των αμπελιών. Η µέτρηση της WL απαιτεί υψηλό εργατικό δυναµικό, ιδίως όταν η WL χρησιµοποιείται ως δείκτης πριν από την αυγή. Από τις σχέσεις που προέκυψαν εδώ, θα ήταν δυνατόν να προγραμματιστεί η άρδευση σε κάθε τομέα εντός του τεμαχίου με τη χρήση κατωφλίων CWSI. Για το σκοπό αυτό, θα ήταν αναγκαία η συχνή αυτοψία και ο μέσος όρος. Το CWSI για κάθε τομέα θα καθορίσει τις ανάγκες άρδευσης, μόλις επιτευχθεί ένα προκαθορισμένο όριο.
Συμπεράσματα
Η μελέτη αυτή κατέδειξε τη δυνατότητα χρήσης θερμικών εικόνων υψηλής ανάλυσης για τη δημιουργία χαρτών CWSI οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαχείριση της άρδευσης με ενσωμάτωση τη μεταβλητότητα εντός ενός αμπελώνα. Το πιο ιδανικό διάστημα για τη λήψη θερμικών εικόνων ήταν περίπου το μεσημέρι, όταν η WL ήταν πιο σταθερή στις ελάχιστες ημερήσιες τιμές της και η σχέση CWSI-WL ήταν ισχυρότερη. Κατά τη διάρκεια του πρωινού, η θερμοκρασία των φύλλων δεν ήταν καλός δείκτης της κατάστασης του νερού των φύλλων, λόγω των φαινομένων σκίασης. Διαπιστώθηκε ότι το μέγεθος του εικονοστοιχείου 0,3 m είναι το καλύτερη δυνατό για τη διαφοροποίηση της θερμοκρασίας θερμοκρασία του θόλου από τη θερμοκρασία του εδάφους σε αυτόν τον αμπελώνα. Η υψηλή ανάλυση αυτή απαιτείται στα οινοποιήσιμα σταφύλια λόγω του στενού πλάτους του θόλου.
