Η δυνατότητα υποστήριξης της γεωργίας ακριβείας στην Ινδονησία από σύστημα τηλεπισκόπησης τεχνολογίας UAV

''' Η δυνατότητα υποστήριξης της γεωργίας ακριβείας στην Ινδονησία από σύστημα τηλεπισκόπησης τεχνολογίας UAV '''

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' '' The Potential of UAV-based Remote Sensing for Supporting Precision Agriculture in Indonesia ''

'''Συγγραφέας: '''  Catur Aries Rokhmana

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Procedia Environmental Sciences, Volume 24, 2015, Pages 245-253''

'''ΛΕΞΕΙΣ-ΚΛΕΙΔΙΑ: ''' Σύστημα τηλεπισκόπησης τεχνολογίας UAV, Γεωργία ακριβείας

[[Εικόνα:Rswiki_p4_ld_1.jpg  | thumb| right|Eικόνα 1:'''Σύγκριση μεταξύ υψηλής ανάλυσης δορυφορικής εικόνας και αεροφωτογραφίας σε δάσος από ξύλο teak  ''']]

'''Αντικείμενο'''

Αντικείμενο της παρούσας μελέτης είναι να παρουσιάσει τη μέχρι τώρα εμπειρία από την πρακτική εφαρμογή της πλατφόρμας που βασίζεται σε Μη Επανδρωμένο Ιπτάμενο Όχημα-(UAV) ως τεχνική τηλεπισκόπησης, με σκοπό τη χαρτογράφηση στη γεωργία ακριβείας. Μερικές από τις πληροφορίες που αφορούν την προετοιμασία της γης, τα όρια καταγραφής, την παρακολούθηση της βλάστησης, την υγεία της φυτείας και την αποτίμηση των αποθεμάτων απαιτούνται περιοδικά. Έτσι, η τεχνολογία UAV θα πρέπει να χαρακτηρίζεται από αποδοτικότητα, ταχύτητα εφαρμογής, εύκολη διαδικασία εφαρμογής προσιτή στους ντόπιους πληθυσμούς και καλή γεωμετρική ακρίβεια. Το σύστημα αποτελείται από ιπτάμενες πλατφόρμες τηλεκατευθυνόμενων αεροπλάνων, σημειακές ψηφιακές κάμερες, δεδομένα που επεξεργάζονται με ψηφιακή φωτογραμμετρία: δομή από αλγορίθμους κίνησης και ελεύθερα ανοιχτά δεδομένα GIS για οπτικοποίηση. Το σύστημα αυτό έχει την ικανότητα να παράγει εικόνες με χωρική ανάλυση μικρότερη των 10cm, μετρώντας την επιφάνεια των αγροτεμαχίων, αξιολογώντας ταυτόχρονα το απόθεμα δέντρων και φυτών, αλλά και την τοπογραφία. Τα βασικά προϊόντα του συστήματος είναι οι Ορθοφωτογραφίες και το Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους(DEM).

[[Εικόνα:rswiki_p4_ld_2.jpg  | thumb| right|Eικόνα 2:'''Αρχιτεκτονική συστήματος τηλεπισκόπησης τεχνολογίας UAV  ''']]

'''Εισαγωγή'''

Στη σύγχρονη εποχή, στην Ινδονησία έχουν αυξηθεί οι εφαρμογές τηλεπισκόπησης που υποστηρίζουν τη γεωργία, τη δασοκομία και τις υδατοκαλλιέργειες. Στην πλειονότητά τους οι εφαρμογές αυτές για την ανάλυσή τους χρησιμοποιούν δορυφορικές εικόνες. Τα αιτήματα για τη λήψη αεροφωτογραφιών είναι περιορισμένα, εξ’ αιτίας περιοριστικών παραγόντων όπως είναι το κόστος παραγωγής και οι περιορισμένες υποδομές. Οι αεροφωτογραφίες παρέχουν τη δυνατότητα παρακολούθησης κάθε δέντρου ξεχωριστά, καθώς διαθέτουν υψηλή διακριτική ικανότητα. Αυτό είναι και το πλεονέκτημά τους σε σύγκριση με τις δορυφορικές εικόνες. Πολλοί και διαφορετικοί ορισμοί έχουν δοθεί κατά καιρούς για τη γεωργία ακριβείας. Σύμφωνα με τον επικρατέστερο η γεωργία ακριβείας ορίζεται ως το σχέδιο διαχείρισης της γεωργικής παραγωγής που βασίζεται στην παρατήρηση και παρέμβαση στις μεταβολές που εκτυλίσσονται εντός του αγροτεμαχίου. Βασίζεται κυρίως σε τεχνολογίες επεξεργασίας εικόνας και πληροφοριών. Βοηθά επίσης τους αγρότες στο να εντοπίσουν την ακριβή θέση που επιθυμούν εντός του αγροτεμαχίου με τη χρήση δορυφορικών συστημάτων τοποθεσίας, όπως είναι το Παγκόσμιο Σύστημα Στιγματοθέτησης(GPS). Η γεωργία ακριβείας είναι γνωστή για την ικανότητά της να: (1) βελτιστοποιεί την αποδοτικότητα της παραγωγής, (2) βελτιστοποιεί την ποιότητα, (3) ελαχιστοποιεί το περιβαλλοντικό αποτύπωμα, (4) ελαχιστοποιεί το ρίσκο. Οι πληροφορίες υψηλής ακριβείας στη διαχείριση της αγροτικής παραγωγής μπορεί να επηρεάσουν την παραγωγική διαδικασία της καλλιέργειας. Τέτοιου τύπου πληροφορίες είναι: (1) η στιγμιαία παρακολούθηση της σοδειάς(π.χ. κάθε εβδομάδα ή κάθε λίγα μέτρα), (2) η χαρτογράφηση της πυκνότητας/αλατότητας/σοδειάς, (3) η χαρτογράφηση των ζιζανίων και (4) η τοπογραφία και τα όρια. Στην ακριβή περιοχή της φυτείας, τα προϊόντα χαρτογραφίας απαιτούνται για ορισμένους σκοπούς όπως είναι η παρακολούθηση της βλάστησης και η αξιολόγηση της υγείας της, η ανάλυση του εδάφους για τα υδρολογικά χαρακτηριστικά και ο ογκομετρικός υπολογισμός της βιομάζας. Μερικές από τις δυνατότητες των παραμέτρων ακριβής μέτρησης είναι χρήσιμες για τον υπολογισμό του ύψους των δέντρων, της διαμέτρου του θόλου των φύλλων και της κλίσης του εδάφους. Η συγκεκριμένη μελέτη αποδεικνύει τη χρήση των χαμηλού κόστους συστημάτων χαρτογράφησης της γεωργίας ακριβείας με σκοπό να λυθούν ορισμένα προβλήματα μέτρησης. Το σύστημα θα πρέπει να έχει χαρακτηριστικά, όπως (1) ικανοποιητική Απόσταση Δειγματοληψίας Εδάφους(GSD) μικρότερη των 20cm, (2) φορητότητα και ευκολία στην εφαρμογή από το ντόπιο προσωπικό, (3) παραγωγή στερεοσκοπικής προβολής και (4) καλή ακρίβεια στο επίπεδο υπομέτρησης. Το σύστημα χρησιμοποιεί ακόμη και ορισμένα προϊόντα hobby, όπως τα αεροπλάνα αερο-μοντελισμού και οι ψηφιακές κάμερες με σκοπό να μειώσει το κόστος στο ελάχιστο. Η μοναδική πρόκληση είναι η ενίσχυση των δυνατοτήτων και της επεξεργασίας, ώστε τα προϊόντα αυτά να αποκτήσουν χαρακτηριστικά επαγγελματικού εργαλείου.   
 
[[Εικόνα:Rswiki_p4_ld_3.jpg  | thumb| right|Eικόνα 3:'''Οπτική σύγκριση μεταξύ εικόνας που βασίζεται στην τεχνολογία UAV και δορυφορικής εικόνας QuickBird  ''']]

'''Αρχιτεκτονική συστήματος τηλεπισκόπησης τεχνολογίας UAV'''

Τα τελευταία δέκα χρόνια υπάρχουν αρκετές μελέτες που χρησιμοποιούν τεχνολογίες UAV για να παράγουν μεγάλης κλίμακας χάρτες(>1/10.000). Μια απ’ αυτές τις μελέτες είναι και αυτή που θα εξετάσουμε και αφορά μια μικρή περιφερειακή περιοχή συνολικής έκτασης 15.000 εκταρίων. Το σύστημα λειτουργεί όπως ακριβώς και στην περίπτωση του επανδρωμένου αεροσκάφους, χρησιμοποιώντας ένα μη-επανδρωμένο εναέριο όχημα σαν ιπτάμενη πλατφόρμα που κουβαλά τις ψηφιακές κάμερες(αισθητήρες εικόνας). Στην πορεία οι αεροφωτογραφίες επεξεργάζονται με ψηφιακές τεχνικές φωτογραμμετρίας για να παράγουν ορισμένα βασικά προϊόντα, τα οποία είναι το μωσαϊκό ορθοφωτογραφίας και το ψηφιακό μοντέλο εδάφους. Η ομάδα προσωπικού που διαχειρίζεται το σύστημα αποτελείται από (1) ένα χειριστή της εναέριας πλατφόρμας, (2) έναν παρατηρητή του σχεδίου πτήσης και (3) έναν επιθεωρητή για την επισκόπηση DGPS και την περαιτέρω επεξεργασία. Η μεθοδολογία εξαγωγής των δεδομένων είναι ίδια με αυτή του επανδρωμένου αεροσκάφους και περιλαμβάνει την επεξεργασία και οπτικοποίηση των αποτελεσμάτων, την εγκατάσταση επίγειου σταθμού ελέγχου και τη δημιουργία βάσης δεδομένων. Η τεχνολογία UAV μπορεί να επηρεαστεί από καιρικά φαινόμενα, όπως ο άνεμος, και τα παραγόμενα αποτελέσματα να μην είναι τα αναμενόμενα αφού το σχέδιο πτήσης αναγκαστικά μεταβάλλεται. Αναφορικά με την κάμερα που χρησιμοποιείται θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα λήψεων που θα βασίζονται σε κάποιο πρότυπο αποστάσεων ή χρόνου. Ορισμένες από τις διαδικασίες που πραγματοποιούνται ώστε τα προϊόντα χόμπι που χρησιμοποιούνται να αποκτήσουν χαρακτηριστικά επαγγελματικού εξοπλισμού είναι οι εξής:
1. Η εφαρμογή τεχνικής αυτό-βαθμονόμησης του φωτογραφικού φακού κατά τη διάρκεια της πτήσης, ώστε να μειωθεί το ενδεχόμενο σφάλμα
2. Επειδή το χαμηλό βάρος της εναέριας πλατφόρμας που χρησιμοποιείται την καθιστά ευάλωτη σε συνθήκες υψηλού ανέμου, αυξάνεται η περιοχή που καλύπτεται κατά τη διάρκεια της πτήσης ώστε να έχουμε πιο πλήρη δεδομένα

[[Εικόνα:Rswiki_p4_ld_4.jpg  | thumb| right|Eικόνα 4:'''Απεικόνιση της διαδικασίας φιλτραρίσματος  ''']]

'''Πρακτική εφαρμογή και συζήτηση'''

''Εφαρμογή σε δάσος από ξύλο teak''

Σκοπός των εναέριων δραστηριοτήτων παρατήρησης είναι η υποστήριξη του υπολογισμού ή της αξιολόγησης του αποθέματος ξύλου. Έτσι, οι μεμονωμένες δομές δέντρων θα πρέπει να διακρίνονται ξεκάθαρα, ώστε παράμετροι όπως το ύψος και η διάμετρος του θόλου των φύλλων να μπορούν να μετρηθούν από την εικόνα. Η μέτρηση του μεγέθους των δέντρων αποτελεί μείζονος σημασίας ζήτημα, γι’ αυτό με τις κατάλληλες διαδικασίες επιτυγχάνεται και σε περιοχές πυκνής βλάστησης. Μελλοντικά, θα πρέπει να αξιολογηθεί και η συσχέτιση μεταξύ της μορφής των δενδροειδών σχηματισμών(ύψος, πυκνότητα) και της πραγματικής ογκομετρικής παραγωγής ξύλου. 

''Εφαρμογή για τον υπολογισμό της επιφάνειας των αγροτεμαχίων στις πεδινές περιοχές''

Στην περίπτωση εφαρμογής στα αγροτεμάχια οι πληροφορίες για τα όρια και το εμβαδόν είναι και οι δύο εξίσου σημαντικές. Έχουν δημιουργηθεί ορισμένες περιοχές σύγκρισης, ώστε να αξιολογηθεί η ποιότητα της γεωμετρίας των ορθοφωτογραφιών. Η σύγκριση καθίσταται εφικτή μετρώντας την περιοχή με επίγεια τεχνική αρχικά και έπειτα συγκρίνοντάς τη με την ψηφιοποιημένη περιοχή της ορθοφωτογραφίας. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα η απόκλιση των αποτελεσμάτων ανάμεσα στις δύο τεχνικές είναι ελάχιστη έως μηδαμινή. Το βασικότερο πρόβλημα που αντιμετωπίζουμε στη διαδικασία υπολογισμού της επιφάνειας των αγροτεμαχίων από αεροφωτογραφίες είναι πως σε αρκετές περιπτώσεις τα όρια καλύπτονται από φυσική βλάστηση και είναι δυσδιάκριτα.

''Εφαρμογή σε καλλιέργειες φοίνικα''
 
Στη συγκεκριμένη περίπτωση η τεχνολογία UAV παρέχει τη δυνατότητα καταμέτρησης κάθε δέντρου ξεχωριστά μέσω της διαδικασίας φωτοερμηνείας που βασίζεται στο θόλο των φύλλων. Ωστόσο παραμένει ως πρόκληση η δημιουργία αυτοματοποιημένης μεθόδου καταμέτρησης. Επίσης μερικές φορές τα δέντρα φοίνικα είναι είτε φυτεμένα ανάμεσα σε δασικές εκτάσεις είτε το μέγεθός τους είναι αρκετά μικρό και έτσι είναι δύσκολο να καταγραφούν μέσω αεροφωτογραφιών.

''Εφαρμογή σε καλλιέργειες ζαχαρότευτλων''

Η εφαρμογή της τεχνολογίας στην περίπτωση των ζαχαρότευτλων αποσκοπεί στην απόδοση της φορολογίας για κάθε καλλιέργεια. Έτσι, απαιτούνται τρισδιάστατες πληροφορίες ώστε να πραγματοποιηθούν ογκομετρικοί υπολογισμοί. Οι εικόνες υψηλής ανάλυσης που παρέχονται από την τεχνολογία UAV είναι χρήσιμες για τον υπολογισμό της πυκνότητας της καλλιέργειας, αλλά και για το διαχωρισμό των νέων και των παλαιών φυτειών, καθώς εμφανίζονται με διαφορετικό ύψος. Μελλοντική πρόκληση αποτελεί η συσχέτιση μεταξύ των αποτελεσμάτων που προκύπτουν απ’ τις φωτογραφίες και την πραγματική φορολογία που ασκείται στη βιομηχανία παραγωγής. 

[[Εικόνα:Rswiki_p4_ld_5.jpg  | thumb| right|Eικόνα 5:'''Φωτοερμηνεία σε δάσος από ξύλο teak  ''']] 
  
'''Συμπεράσματα'''

Συμπερασματικά το εξεταζόμενο σύστημα έχει ορισμένα ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά, όπως το ότι (1) είναι οικονομικά αποδοτικό, (2) μπορεί να εφαρμοστεί από προσωπικό ντόπιων κατοίκων, (3) παρέχει γεωμετρική ακρίβεια και (4) παρέχει ταχύτητα επεξεργασία έως και 500 εκτάρια ανά ημέρα. Από την άλλη στα μειονεκτήματα κατατάσσονται (1) ο μεγάλος αριθμός αεροφωτογραφιών προς επεξεργασία όταν εργαζόμαστε σε περιοχή μεγάλης κλίμακας(>5000Ha), (2) η ανάγκη εγκατάστασης Επίγειων Σταθμών Ελέγχου για ακριβή γεωαναφορά και (3) σε περίπτωση που εργαζόμαστε με μικρού μεγέθους αεροπλάνα μπορούμε να προσαρμόσουμε μόνο μικρούς αισθητήρες. 

[[Εικόνα:Rswiki_p4_ld_6.jpg  | thumb| right|Eικόνα 6:'''Επιλεγμένη περιοχή μελέτης σε πεδινή έκταση  ''']]

'''Συμβολή της τηλεπισκόπησης'''

Στην παρούσα μελέτη η συμβολή της τηλεπισκόπησης είναι καθοριστική, καθώς μέσω διαδικασιών φωτοερμηνείας εξάγονται χρήσιμα δεδομένα που αφορούν διάφορες κατηγορίες καλλιεργειών. Το καινοτόμο στοιχείο της παρούσας μελέτης είναι πως υπάρχει η δυνατότητα εφαρμογής τεχνικών τηλεπισκόπησης με μέσα που απαιτούν πολύ χαμηλό κόστος και προσδίδουν υψηλή διακριτική ικανότητα, υψηλότερη και απ’ αυτή των δορυφορικών εικόνων. Βασική έλλειψη της τεχνολογίας UAV αποτελεί η έλλειψη αυτοματοποιημένων μεθόδων σύγκρισης των αποτελεσμάτων με την πραγματικότητα. Στο ζήτημα αυτό θα μπορούσε να συμβάλλει η επιστήμη της τηλεπισκόπησης προσαρμόζοντας τις τεχνικές που έχει αναπτύξει διαχρονικά στη νέα τεχνολογία του UAV.

[[Εικόνα:Rswiki_p4_ld_7.jpg  | thumb| right|Eικόνα 7:'''Απεικονίσεις των χαρτογραφικών αποτελεσμάτων για τα μετρημένα φοινικόδεντρα   ''']]
[[Εικόνα:Rswiki_p4_ld_8.jpg  | thumb| right|Πίνακας 1:'''Απεικονίσεις των χαρτογραφικών αποτελεσμάτων σε καλλιέργειες ζαχαρότευτλων  ''']]