Χρήση της τεχνολογίας τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της ποιότητας της αμπέλου
Από RemoteSensing Wiki
Χρήση της τεχνολογίας τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της ποιότητας της αμπέλου
Use of Remote sensing technology to assess grapevine quality
Συγγραφείς: Uroš Žibrat, Matej Knapič, Darko Preiner, Vedran Krevh, Monika Zovko
Δημοσίευση: 2019 IEEE International Workshop on Metrology for Agriculture and Forestry
Πηγή: 1
Αντικείμενο
Σκοπός της μελέτης ήταν η εφαρμογή της υπερφασματικής απεικόνισης ως μη καταστροφικής μεθόδου για την πρόβλεψη των παραμέτρων που συνθέτουν την τεχνολογική και τη φαινολική ωριμότητα (συγκέντρωση σακχάρων, την ολική οξύτητα, ολικές φαινόλες και περιεκτικότητα σε ανθοκυάνες) στα οινοποιήσιμα σταφύλια. Η έρευνα διεξήχθη σε αμπελώνα της Κροατίας. Οι υπερφασματικές εικόνες καταγράφηκαν από ένα σύστημα υπερφασματικής απεικόνισης που μας επιτρέπει να προβλέψουμε την ποσότητα σακχάρων και οξέων στα σταφύλια με αποδεκτή ακρίβεια. Με τη χρήση υπερφασματικής απεικόνισης οι μετρήσεις της περιεκτικότητας σε σάκχαρα στα σταφύλια δεν είναι επεμβατικές και καλύπτουν μεγάλες εκτάσεις του αμπελώνα.
Εισαγωγή
Η τηλεπισκόπηση θεωρείται ένα ισχυρό και χρήσιμο εργαλείο για τη δημιουργία δεδομένων και για την ανάπτυξη επιστημονικών σχεδίων διαχείρισης. Τα συστήματα που βασίζονται σε απεικονίσεις χρησιμοποιούνται σταδιακά όλο και περισσότερο ως εναλλακτική λύση για σκοπούς επιθεώρησης, αξιολόγησης και μετρήσεων λόγω του ότι είναι οικονομικά προσιτά, συνεπή και αντικειμενικά. Οι υπερφασματικές μετρήσεις συγκεντρώνουν πληροφορίες σχετικά με την αλληλεπίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας διαφόρων μηκών κύματος με την ύλη π.χ. τα σταφύλια. Η τεχνολογική ωρίμανση σχετίζεται με τη συγκέντρωση σακχάρων, τη χαμηλή οξύτητα και την αναλογία σακχάρων/οξέων. Λόγω πιθανών διαφορών στα χαρακτηριστικά μιας τοποθεσίας (έκθεση στον ήλιο, διαθέσιμο νερό, ποιότητα εδάφους, υψόμετρο κ.λπ.), μπορεί να υπάρχει μεγάλη μεταβλητότητα στην ποιότητα των σταφυλιών και στο βέλτιστο σημείο ωρίμανσης ενός αμπελώνα. Ο προσδιορισμός του βέλτιστου σημείου ωρίμανσης θεωρείται ο κύριος παράγοντας που καθορίζει την ποιότητα του οίνου. Ο καθορισμός της βέλτιστης ωρίμανσης είναι δύσκολος λόγω του γεγονότος ότι υπάρχουν διάφορα επίπεδα ωρίμανσης ανάλογα με τα διάφορα αντικείμενα παρατήρησης (περιεκτικότητα σε σάκχαρα, οξύτητα, μέγεθος μούρων, περιεκτικότητα σε φαινόλες και γεύση) και ανάλογα με τον τύπο κρασιού που θέλει να παράγει ο οινοποιός. Αποτελεί επίσης ένα παράγωντα που επηρεάζει το χρόνο συγκομιδής.
Με τη μέτρηση της περιεκτικότητας σε σάκχαρα μπορούμε να αξιολογήσουμε τον βαθμό ωρίμανσης καθιστώντας δυνατή τη βελτίωση της ποιότητας των σταφυλιών και των αποτελεσμάτων του παραγόμενου οίνου. Σε αυτό σημαντικό ρόλο θα παίξει η φαινολική σύνθεση. Οι κύριες λειτουργίες των φαινολικών ουσιών στο κρασί θεωρούνται η επίδραση στη γεύση της πικράδας και της στυπτικότητας, το χρώμα του κρασιού, η λειτουργία της συντήρησης και της μακράς παλαίωσης. Η υπερφασματική απεικόνιση αποτελεί γρήγορη και μη καταστροφική μέθοδο για την πρόβλεψη της περιεκτικότητας σε φαινόλες των οινοποιήσιμων σταφυλιών. Οι ανθοκυανίνες είναι υπεύθυνες για το κόκκινο χρώμα του κρασιού και οι αλληλεπιδράσεις τους με άλλες φαινολικές ενώσεις έχουν μεγάλη σημασία για τον καθορισμό των χρωματικών αλλαγών που παρατηρούνται κατά την παλαίωση.
Υλικά και Μέθοδοι
Το πείραμα άρδευσης διεξήχθη για τρία συνεχόμενα έτη. Τα αμπέλια εμβολιάστηκαν σε υποκείμενο Richter 110 και διαμορφώθηκαν σε σύστημα πέργκολας. Ο προγραμματισμός της άρδευσης βασίστηκε ώστε η ποσότητα του προστιθέμενου νερού να είναι ίση με τις συνολικές απώλειες εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας. Κάθε μεταχείριση περιείχε 3 γραμμές φύτευσης αμπέλου. Για τη μελέτη αυτή, επιλέχθηκαν τυχαία 5 αμπέλια από κάθε γραμμή. Το νερό άρδευσης παρεχόταν μέσω συστήματος στάγδην άρδευσης. Έγιναν αναλύσεις στο φλοιό και στο γλεύκος. Η υπερφασματική απεικόνιση πραγματοποιήθηκε υπό συνθήκες φυσικού φωτισμού. Το σύστημα ελεγχόταν από μια μονάδα συλλογής δεδομένων και υπολογίστηκαν οι τιμές ανάκλασης για κάθε ζώνη κάθε εικόνας. Από κάθε εικόνα έπρεπε να εξαχθούν εικονοστοιχεία της περιοχής των σταφυλιών που περιέχουν σχετικές φασματικές πληροφορίες. Σε κάθε εικόνα πραγματοποιήθηκε ταξινόμηση. Χρησιμοποιήσαμε την παλινδρόμηση μερικών ελαχίστων τετραγώνων (PLS) για την ανάπτυξη μοντέλων πρόβλεψης της περιεκτικότητας σε σάκχαρα στα σταφύλια. Tα μοντέλα που αναπτύχθηκαν αξιολογήθηκαν συγκρίνοντας τις τιμές R2 και το μέσο τετραγωνικό σφάλμα (RMSE). Αναπτύξαμε ξεχωριστά μοντέλα για την περιεκτικότητα σε σάκχαρα και σε οξέα στα σταφύλια.
Αποτελέσματα
Τα περισσότερα από τα σχετικά μήκη κύματος για τον προσδιορισμό της περιεκτικότητας σε ζάχαρη στα σταφύλια βρέθηκαν στο NIR και κυρίως στις φασματικές περιοχές SWIR. Τόσο η χλωροφύλλη α όσο και η β απορροφούν φως σε αυτό το μήκος κύματος, αλλά το φάσμα απορρόφησής τους μπορεί να μετατοπιστεί λόγω των βοηθητικών χρωστικών και των φωτοπροστατευτικών πρωτεϊνών. Τα μήκη κύματος στο τμήμα του φάσματος SWIR συνδέονται με την περιεκτικότητα σε νερό και τους δευτερογενείς μεταβολίτες των φυτών. Εκτός από την περιεκτικότητα σε νερό, οι περιοχές SWIR και NIR φέρουν επίσης πληροφορίες για άλλα χημικά χαρακτηριστικά των φυτών, όπως η λιγνίνη, οι υδατάνθρακες και οι πρωτεΐνες.. Η PLS εντόπισε αρκετά μήκη κύματος που σχετίζονται με την περιεκτικότητα σε οξύ στα σταφύλια. Τα διάφορα οξέα έχουν διάφορες επιδράσεις στα φυτά, για παράδειγμα η χλωροφύλλη α μπορεί να αλλάξει παρουσία ενός οξέος σε γκριζοπράσινη και η χλωροφύλλη β σε κιτρινωπή. Επειδή η λήψη εικόνων πραγματοποιήθηκε υπό συνθήκες φυσικού φωτισμού, η ατμοσφαιρική απορρόφηση αφαίρεσε τμήματα του φάσματος SWIR, π.χ. λόγω της απορρόφησης του ατμοσφαιρικού νερού. Οι ατμοσφαιρικές επιδράσεις μπορούν επίσης να αφαιρέσουν.
Συμπεράσματα
Η παλινδρόμηση PLS μας επιτρέπει να προβλέψουμε την ποσότητα σακχάρων και οξέων στα σταφύλια με αποδεκτή ακρίβεια. Με τη χρήση υπερφασματικής απεικόνισης οι μετρήσεις της περιεκτικότητας σε σάκχαρα στα σταφύλια μπορούν να γίνουν μη επεμβατικές και με τη χρήση κινητών συστημάτων τηλεπισκόπησης, να καλύψουν ολόκληρους αμπελώνες.
